Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa quy trình sản xuất công nghiệp, robot công nghiệp và đặc biệt là các cơ cấu tay máy đóng vai trò quan trọng trong việc tăng năng suất lao động, giảm thiểu chi phí vận hành và hạn chế tối đa các sai sót do yếu tố con người. Nhiều doanh nghiệp áp dụng tay máy để đảm nhiệm các khâu bốc dỡ, phân loại và sắp xếp hàng hóa tại các vị trí việc làm yêu cầu tính lặp lại cao. Tuy nhiên, theo ghi nhận thực tế của các tác giả trong đồ án, phần lớn các hệ thống tay máy đang hoạt động tại các dây chuyền sản xuất ở Việt Nam hiện nay đều được nhập khẩu nguyên chiếc từ các thương hiệu nước ngoài như ABB, Fanuc, Yaskawa hoặc mua linh kiện về lắp ráp trong nước. Đa số các thiết bị này được thiết kế để vận hành theo một chu trình cố định được lập trình sẵn từ trước, thiếu tính linh hoạt khi cần thao tác trực tiếp hoặc can thiệp xử lý tình huống phát sinh theo thời gian thực từ phía người vận hành.

Xuất phát từ thực trạng trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) với mã số đề tài 22223DT159 được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  • Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu và điều khiển tay máy 5 bậc tự do kết hợp với hệ thống camera xử lý ảnh nhằm phân loại và sắp xếp các sản phẩm hình hộp chữ nhật hoặc hình trụ tròn từ hệ thống băng tải này sang hệ thống băng tải khác. Đồng thời, đồ án tích hợp thêm khả năng điều khiển chuyển động của tay máy dựa trên cử động thực tế của bàn tay người vận hành thông qua hệ thống truyền nhận số liệu không dây.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu (theo phân công văn bản):
    1. Tính toán bài toán động học và động lực học cho tay máy 5 bậc tự do.
    2. Kế thừa phần khung cơ khí và tủ điện có sẵn; thực hiện tính toán, kiểm nghiệm lại các bộ truyền, động cơ, trục và kết cấu cơ khí của tay máy.
    3. Xây dựng giải thuật và cấu hình hệ thống điều khiển tay máy kết hợp camera công nghiệp để phân loại và sắp xếp sản phẩm tự động.
    4. Thiết kế, chế tạo thiết bị găng tay điều khiển thu nhận cử động bàn tay của người vận hành.
    5. Xây dựng giao diện ứng dụng điều khiển, giám sát hoạt động của tay máy trên máy tính và ứng dụng giám sát trên thiết bị di động.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 5 bậc tự do khớp xoay (5 DOF), hệ thống 2 băng tải vận chuyển sản phẩm, cụm camera công nghiệp và cảm biến quang, bộ găng tay cảm biến cử động tay người, hệ thống điều khiển PLC và mạch vi điều khiển truyền thông.
    • Phạm vi nghiên cứu: Đồ án kế thừa phần khung cơ khí và tủ điện có sẵn từ nghiên cứu trước đó; giới hạn phạm vi tính toán kiểm nghiệm cơ khí cho các khâu, hộp giảm tốc harmonic, bộ truyền đai và lực kẹp tay gắp; nghiên cứu phân loại sản phẩm có biên dạng hình trụ tròn và hình hộp chữ nhật; thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong học kỳ II, năm học 2022 – 2023 (hoàn thành tháng 07/2023).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nội dung nghiên cứu xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ học robot, kỹ thuật truyền thông và điện tử tương tự:

  • Phân tích cơ cấu và cấu hình tọa độ tay máy: Tác giả hệ thống hóa các dạng cơ cấu robot phổ biến gồm cơ cấu tọa độ Descartes (3 khớp tịnh tiến), cơ cấu tọa độ trụ (2 tịnh tiến, 1 xoay), cơ cấu tọa độ cầu (2 xoay, 1 tịnh tiến) và cơ cấu robot SCARA. Trên cơ sở so sánh ưu nhược điểm, cấu hình được lựa chọn cho tay máy trong đề tài là cấu hình 5 khâu liên kết bởi 5 khớp xoay hoàn toàn ($R-R-R-R-R$).
  • Mô hình động học thuận và nghịch Denavit – Hartenberg (D–H): Thiết lập hệ trục tọa độ trên từng khâu từ khâu cơ sở đến khâu chấp hành cuối. Thiết lập bảng thông số D–H (gồm các biến số góc $\theta_i$, độ dài khâu $l_i$, góc xoắn $\alpha_i$ và độ dịch chuyển dọc trục $d_i$) để xác định các ma trận biến đổi thuần nhất $A_i$ ($i = 1 \dots 5$) và ma trận chuyển đổi tổng quát $^{0}T_5 = A_1 A_2 A_3 A_4 A_5$, từ đó suy ra tọa độ điểm làm việc $P(P_x, P_y, P_z)$ và giải thuật động học nghịch bằng phương pháp giải tích hình học kết hợp hàm $\text{atan2}$.
  • Phương trình động lực học vi phân Lagrange loại 2: Thiết lập phương trình cân bằng lực và mômen theo dạng tổng quát: $\tau = D(q)\ddot{q} + V(q, \dot{q}) + G(q)$, trong đó $D(q)$ là ma trận quán tính dựa trên Jacobian vận tốc dài $J_{vi}$ và Jacobian vận tốc góc $J_{\omega i}$, $V(q, \dot{q})$ là véctơ lực hướng tâm và quán tính Coriolis, và $G(q)$ là véctơ mômen do thế năng trọng trường sinh ra.
  • Lý thuyết mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp): Ứng dụng các mạch khuếch đại đảo, không đảo, vi sai, mạch cộng và mạch vi phân nhằm xử lý, ổn định và chuyển đổi dải điện áp ngõ ra từ các cảm biến uốn cong trên găng tay trước khi đưa vào bộ chuyển đổi ADC của vi điều khiển.
  • Lý thuyết truyền thông số: Sử dụng giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART với cấu trúc khung truyền (Start bit, Data frame 5–8 bit, Parity bit kiểm tra chẵn/lẻ bằng phép toán XOR, Stop bit) và giao thức MQTT (mô hình Publish/Subscribe qua Broker trung gian) cho truyền thông dữ liệu mạng IoT.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ thiết kế

  • Phương pháp tính toán và kiểm nghiệm cơ khí: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô phỏng tải trọng, tính toán lực căng, ứng suất và kiểm nghiệm bộ truyền đai răng gắn trên các trục động cơ. Áp dụng tài liệu kỹ thuật tiêu chuẩn của nhà sản xuất Harmonic Drive để tính toán mômen định mức, mômen đỉnh và tuổi thọ danh định $L_{10}$ của các hộp giảm tốc sóng.
  • Phương pháp điều khiển chuyển động đa trục: Lập trình chuyển động robot trên hệ thống PLC kép của Mitsubishi gồm PLC Q02CPU và Motion Controller Q172HCPU; sử dụng thuật toán Auto-tuning 1 và hàm nội suy vận tốc cố định (constant-speed) để kiểm soát các trục servo theo chế độ tọa độ vị trí tuyệt đối (Absolute Position).
  • Phương pháp nhận dạng thị giác máy tính: Cài đặt thông số thời gian phơi sáng, nhận diện vùng quét và trích xuất góc quay sản phẩm trên hệ thống camera kết hợp bộ chuyển đổi truyền thông AL1100 và PLC Siemens S7-1200.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu tính toán trong đồ án được lấy từ các thông số thực tế của mô hình khung tay máy kế thừa, bao gồm:

  • Thông số khối lượng các khâu: $m_1 = 27{,}5\text{ kg}$; $m_2 = 21\text{ kg}$; $m_3 = 25{,}1\text{ kg}$; $m_4 = 3\text{ kg}$; $m_5 = 5{,}2\text{ kg}$.
  • Kích thước chiều dài các khâu: $l_1 = 690\text{ mm}$; $l_2 = 440\text{ mm}$; $l_3 = 500\text{ mm}$; $l_5 = 230\text{ mm}$.
  • Tọa độ trọng tâm các khâu: $l_{c1} = 660\text{ mm}$; $l_{c2} = 255\text{ mm}$; $l_{c3} = 143\text{ mm}$; $l_{c4} = 6\text{ mm}$; $l_{c5} = 143\text{ mm}$; gia tốc trọng trường $g = 9{,}81\text{ m/s}^2$; mômen quán tính khâu 1: $I_{xx1} = 461147\text{ N.mm}^2$.
  • Dữ liệu quỹ đạo mẫu kiểm nghiệm: Chu kỳ chuyển động nội suy chuyển sản phẩm từ điểm $A(800, 0, 400)\text{ mm}$ qua vị trí nâng trung gian $B(0, 600, 1000)\text{ mm}$ đến điểm trả hàng $C(-800, 0, 400)\text{ mm}$ trong khoảng thời gian nửa chu kỳ là $2{,}5\text{ giây}$.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật của đồ án bao gồm cơ cấu cơ khí, tủ điều khiển công nghiệp, thiết bị đeo tay điều khiển từ xa và các ứng dụng phần mềm giám sát.

Kiến trúc cơ khí và kiểm nghiệm bộ truyền

Mô hình tay máy gồm 5 khớp xoay, dẫn động bằng 5 động cơ servo có tốc độ định mức $n_{dc\ rated} = 3000\text{ vòng/phút}$. Chuyển động quay từ động cơ được giảm tốc thông qua các hộp giảm tốc harmonic và hệ thống truyền động đai răng. Bảng thông số kiểm nghiệm các hộp giảm tốc harmonic cho từng khâu được tổng hợp từ kết quả tính toán động lực học:

Khâu Mã hộp giảm tốc Tỉ số truyền ($R$) $T_{av}$ tính toán (N.m) $T_{av\ limit}$ định mức (N.m) $T_{max}$ tính toán (N.m) $T_{peak\ limit}$ định mức (N.m) Tuổi thọ $L_{10}$ (giờ) Hiệu suất ($\eta_h$)
1 CSF-25-120 120 30,6487 108 71,0579 167 101.567 73%
2 CSF-45-120 120 201,6690 620 350,0695 823 88.659 75%
3 CSF-32-50 50 63,5251 108 88,6732 216 39.469 79%
4 CSD-14-50 50 1,7505 4,8 4,0297 12 367.413 65%
5 CSD-14-50 50 0,1224 4,8 0,2291 12 477.423.657 63%

Đối với các bộ truyền đai răng, phần mềm Autodesk Inventor được dùng để tính toán kiểm tra độ bền tại điểm công suất cực đại:

  • Bộ truyền đai động cơ 3: Sử dụng đai răng loại 450L050, bề rộng $12{,}7\text{ mm}$, số răng 120, tỉ số truyền $u = 1{,}7$, hiệu suất $\eta = 0{,}97$, lực căng tối đa cho phép $T_a = 111\text{ N}$, vận tốc giới hạn $v_{max} = 50\text{ m/s}$. Bánh dẫn có 20 răng, mômen $T_1 = 1{,}360\text{ N.m}$, tốc độ $n_1 = 985\text{ vòng/phút}$. Bánh bị dẫn có 34 răng, mômen $T_2 = 2{,}243\text{ N.m}$, tốc độ $n_2 = 579{,}412\text{ vòng/phút}$. Kết quả kiểm tra: Lực căng cực đại trên nhánh đai $F_{t\ max} = 54{,}263\text{ N} \le 111\text{ N}$; vận tốc đai đạt $v = 3{,}127\text{ m/s} \le 50\text{ m/s}$.
  • Bộ truyền đai động cơ 4: Sử dụng đai răng loại 510H075, bề rộng $19{,}05\text{ mm}$, số răng 102, tỉ số truyền $u = 1$, hiệu suất $\eta = 0{,}97$, lực căng tối đa $T_a = 432{,}385\text{ N}$, tốc độ tối đa $v_{max} = 40\text{ m/s}$. Bánh dẫn và bánh bị dẫn đều có 22 răng, tốc độ quay $n_1 = n_2 = 4{,}2\text{ vòng/phút}$, mômen bánh dẫn $T_1 = 4{,}020\text{ N.m}$, mômen bánh bị dẫn $T_2 = 3{,}899\text{ N.m}$, lực căng cực đại $F_1 = 108{,}483\text{ N} \le 432{,}385\text{ N}$.

Hệ thống điều khiển và kiến trúc truyền thông

Hệ thống điều khiển trung tâm được phân bổ theo mô hình đa tầng:

  • Khối điều khiển chấp hành chuyển động: Sử dụng PLC Mitsubishi họ Q gồm CPU điều khiển tuần tự Q02CPU (lập trình trên GX Works 2) phối hợp cùng Motion CPU Q172HCPU (lập trình trên MT Developer 2). Hệ thống điều khiển đồng bộ 5 động cơ servo hoạt động theo chế độ vị trí tuyệt đối, nội suy theo hàm tốc độ đều (constant-speed), đồng thời thiết lập chức năng tự động làm mới vùng nhớ (automatic refresh) giữa hai CPU.
  • Khối thị giác máy tính và phân loại sản phẩm: Sử dụng PLC Siemens S7-1200 (lập trình bằng phần mềm TIA Portal) kết nối với bộ xử lý camera thông qua module AL1100. Camera thu nhận hình ảnh sản phẩm trên băng tải, trích xuất dữ liệu vị trí, góc xoay và gửi tín hiệu về S7-1200 để điều khiển băng tải dừng đúng vị trí, đồng thời truyền dữ liệu tọa độ sang PLC Q02CPU để thực hiện thao tác gắp.
  • Khối găng tay điều khiển cử động: Được trang bị vi điều khiển STM32F405, các cảm biến uốn cong ngón tay đi kèm mạch tiền khuếch đại tín hiệu Op-Amp, mạch đèn LED báo trạng thái và 2 nút nhấn chức năng (Nút 1: kích hoạt lưu đồ cân chỉnh cảm biến ban đầu; Nút 2: điều khiển đóng/mở hàm kẹp khâu tác động cuối). Tín hiệu cử động được định thời gian và truyền không dây thông qua mô-đun vô tuyến RF GT-38.
  • Khối thu phát trung gian: Sử dụng bo mạch vi điều khiển STM32F207 làm nhiệm vụ nhận tín hiệu RF từ găng tay qua ngắt nhận dữ liệu, giải mã và gửi lệnh sang PLC điều khiển cánh tay. Đồng thời, STM32F207 giao tiếp với mô-đun Wi-Fi ESP8266 bằng tập lệnh AT qua cổng UART để kết nối mạng, chuyển tiếp các thông số vận hành lên Broker MQTT.

Phần mềm giao diện giám sát và điều khiển

  • Ứng dụng trên máy tính (C# WinForms): Được xây dựng để giám sát trạng thái tọa độ, góc quay các khớp, thiết lập thông số vận hành điểm – điểm và điều khiển tạo quỹ đạo chuyển động. Phần mềm tương tác trực tiếp với các thanh ghi bộ nhớ của PLC Mitsubishi thông qua thư viện liên kết ActUtlTypeLib với các hàm cơ bản: hàm đặt bit thanh ghi (SetDevice), hàm đọc bit thanh ghi (GetDevice), hàm ghi giá trị 16-bit vào thanh ghi (WriteDeviceBlock) và hàm đọc giá trị 16-bit từ thanh ghi (ReadDeviceBlock).
  • Ứng dụng trên điện thoại di động (React Native): Viết bằng ngôn ngữ JavaScript trên nền tảng React Native, hỗ trợ theo dõi từ xa các thông số vận hành và trạng thái của cánh tay robot thông qua việc nhận dữ liệu (Subscribe) từ Broker MQTT.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh các dòng tay máy công nghiệp tại Việt Nam chủ yếu là hàng nhập khẩu cố định chu trình làm việc. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế, chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do có khả năng làm việc linh hoạt qua hai chế độ: tự động phân loại bằng camera xử lý ảnh và điều khiển bằng cử động tay thông qua găng tay thông minh. Chương 1 cũng phân tích một nghiên cứu liên quan về mô hình xe điều khiển bằng cử động tay dùng cảm biến gia tốc MPU6050 qua sóng RF 433 MHz (cự ly 50–80 m), từ đó chỉ ra nhược điểm của việc bắt buộc phải giữ cố định cổ tay và làm cơ sở cho giải pháp cải tiến cảm biến trên găng tay của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày các cơ sở lý thuyết nền tảng phục vụ cho tính toán và thiết kế:

  • Tổng quan về 4 dạng cơ cấu tọa độ tay máy: Tọa độ vuông góc Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu và cơ cấu robot SCARA.
  • So sánh hai phương án thiết kế cấu hình robot 5 bậc tự do: Phương án 1 (4 khớp xoay, 1 khớp tịnh tiến) và Phương án 2 (5 khớp xoay toàn bộ; phương án được lựa chọn).
  • Nguyên lý hoạt động của giao thức truyền thông MQTT theo mô hình Publish/Subscribe qua Broker trung gian.
  • Chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART: Cấu trúc khung dữ liệu (Start bit, Data frame, Parity bit kiểm tra lỗi bằng phép toán XOR và Stop bit) và khái niệm tốc độ Baud.
  • Lý thuyết mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) với các cấu hình mạch chức năng: Khuếch đại đảo, khuếch đại không đảo, khuếch đại vi sai, mạch cộng và mạch vi phân.

Chương 3: Động học và động lực học tay máy

Chương này tập trung giải quyết bài toán động học và động lực học cho tay máy 5 bậc tự do:

  • Động học thuận: Thiết lập hệ trục và bảng thông số Denavit – Hartenberg cho 5 khâu với các chiều dài $l_1 = 690\text{ mm}$, $l_2 = 440\text{ mm}$, $l_3 = 500\text{ mm}$, $l_5 = 230\text{ mm}$. Xác định các ma trận biến đổi thuần nhất $A_1$ đến $A_5$ và phương trình xác định tọa độ điểm cuối $P(P_x, P_y, P_z)$ theo các biến khớp $\theta_1, \theta_2, \theta_3, \theta_4, \theta_5$.
  • Động học nghịch: Xây dựng giải thuật giải ngược tọa độ điểm công tác $P(P_x, P_y, P_z)$ cùng góc định hướng $\phi = \theta_1 + \theta_5$ và $\gamma = \theta_2 + \theta_3 + \theta_4$. Từ đó tính toán được các góc khớp $\theta_1 = \text{atan2}(P_y, P_x)$, $\theta_5 = \phi - \theta_1$, tìm nghiệm $\theta_3$ và suy ra $\theta_2$, $\theta_4$.
  • Động lực học: Sử dụng phương pháp Lagrange để thiết lập phương trình vi phân chuyển động: $\tau = D(q)\ddot{q} + V(q, \dot{q}) + G(q)$. Tác giả xác định tọa độ trọng tâm $l_{ci}$, ma trận quán tính $I_i$, các ma trận Jacobian vận tốc dài $J_{vi}$ và Jacobian vận tốc góc $J_{\omega i}$ cho từng khâu. Quỹ đạo mẫu được thiết lập trên đường thẳng nối các tọa độ $A(800, 0, 400)\text{ mm} \rightarrow B(0, 600, 1000)\text{ mm} \rightarrow C(-800, 0, 400)\text{ mm}$ với điều kiện tay gắp luôn vuông góc mặt đất ($\gamma = -\pi/2$) và $\phi = 0$. Thời gian di chuyển nửa chu kỳ từ A qua B đến C là $2{,}5\text{ giây}$, từ đó xuất ra các đồ thị biến thiên mômen của 5 khớp.

Chương 4: Tính toán kiểm nghiệm cơ khí

Chương 4 thực hiện tính toán kiểm nghiệm lại toàn bộ kết cấu cơ khí kế thừa nhằm chứng minh khả năng chịu tải:

  • Kiểm nghiệm hộp giảm tốc Harmonic: Dựa trên kết quả mômen và vận tốc từ chương 3, tác giả tính toán và đối chiếu các điều kiện giới hạn về mômen trung bình ($T_{av} \le T_{av\ limit}$), tỉ số truyền, tốc độ đầu vào ($n_{iav} \le n_{iav\ limit}$, $n_{imax} \le n_{ipeak\ limit}$), mômen đỉnh ($T_{max} \le T_{peak\ limit}$) và tính toán tuổi thọ làm việc $L_{10} \ge 7000\text{ giờ}$ cho cả 5 khâu. Các dòng hộp giảm tốc CSF-25-120, CSF-45-120, CSF-32-50 và CSD-14-50 đều thỏa mãn toàn bộ các điều kiện vận hành.
  • Kiểm nghiệm bộ truyền đai: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor kiểm nghiệm bộ truyền đai 450L050 (động cơ 3) và 510H075 (động cơ 4) tại thời điểm công suất cực đại. Các thông số về lực căng ban đầu, lực căng cực đại trên nhánh dẫn và vận tốc đai đều nằm trong giới hạn cho phép.
  • Trình bày công thức tính toán kiểm nghiệm các trục truyền động, mômen uốn xoắn trên từng đoạn trục và tính toán lực kẹp của cụm cơ cấu khâu gắp sản phẩm.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

Nội dung chương trình bày chi tiết việc kết nối và lập trình hệ thống phần cứng điều khiển:

  • Khối vi điều khiển thu phát: Thiết lập nguyên lý hoạt động của bo mạch STM32F207 giao tiếp với ESP8266 qua lệnh AT để truyền dữ liệu MQTT; nhận tín hiệu từ mô-đun RF GT-38 và truyền thông nối tiếp sang hệ thống PLC.
  • Hệ thống điều khiển chuyển động bằng PLC Mitsubishi: Cấu hình trạm CPU gồm Q02CPU và Motion CPU Q172HCPU. Sử dụng phần mềm MT Developer 2 để khai báo hệ thống 5 trục servo, thiết lập vị trí tuyệt đối, áp dụng thuật toán Auto-tuning 1, cài đặt giới hạn góc, tốc độ tối đa, thời gian tăng/giảm tốc và lập trình điều khiển chuyển động theo quỹ đạo bằng hàm constant-speed. Lập trình điều khiển logic bằng GX Works 2.
  • Hệ thống xử lý ảnh và PLC Siemens: Bố trí 2 cảm biến quang và camera trên hệ thống băng tải. Cài đặt thông số nhận diện cho camera (thời gian phơi sáng, vùng quét, nhận diện góc xoay sản phẩm). Lập trình PLC Siemens S7-1200 bằng phần mềm TIA Portal để đọc dữ liệu từ module AL1100 và truyền dữ liệu điều phối sang PLC Q02CPU.
  • Thiết kế găng tay điều khiển: Trình bày sơ đồ nguyên lý mạch điện găng tay dùng vi điều khiển STM32F405, sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến uốn ngón tay dùng Op-Amp, mạch chỉ thị LED và lưu đồ thuật toán cho nút nhấn hiệu chỉnh ban đầu, nút nhấn điều khiển hàm kẹp và ngắt timer gửi dữ liệu cử động.

Chương 6: Thiết kế ứng dụng giám sát và ứng dụng điều khiển

Chương 6 xây dựng hai công cụ phần mềm phục vụ vận hành và theo dõi tay máy:

  • Ứng dụng giám sát trên thiết bị di động: Phát triển bằng framework React Native (ngôn ngữ JavaScript), giao diện hiển thị trực quan các trạng thái vận hành của tay máy và nhận thông tin thông qua kết nối MQTT Broker.
  • Ứng dụng điều khiển trên máy tính: Lập trình trên nền tảng .NET WinForms (C#) với giao diện gồm các cụm chức năng: hiển thị trạng thái kết nối, cụm điều khiển thủ công, cụm thông số vị trí các khớp, cụm thiết lập tọa độ chạy điểm – điểm (PTP) và khu vực thao tác tạo quỹ đạo tự động. Chương trình tương tác với PLC Mitsubishi thông qua thư viện ActUtlTypeLib với các hàm đọc/ghi bit và đọc/ghi khối thanh ghi 16-bit.

Chương 7: Kết quả, nhận xét, hướng phát triển

Tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo và thử nghiệm thực tế của đồ án:

  • Hoàn thành tính toán động học, động lực học và kiểm nghiệm độ bền toàn bộ hệ cơ khí của tay máy 5 bậc tự do.
  • Chế tạo và vận hành thành công găng tay điều khiển không dây, cho phép truyền tín hiệu cử động tay để điều khiển tay máy theo thời gian thực.
  • Tích hợp đồng bộ hệ thống phân loại sản phẩm tự động gồm 2 băng tải, cụm camera thị giác và hệ thống PLC điều khiển 5 động cơ servo.
  • Xây dựng hoàn chỉnh giao diện WinForms trên máy tính và ứng dụng React Native trên điện thoại để điều khiển và giám sát trạng thái hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Về tính toán cơ học và động lực học: Đã xây dựng hoàn chỉnh bộ phương trình động học thuận, giải thuật động học nghịch và phương trình vi phân chuyển động Lagrange cho tay máy 5 bậc tự do. Kết quả tính toán mômen khớp tại chu kỳ gắp mẫu ($A \rightarrow B \rightarrow C$ trong $2{,}5\text{ s}$) đã cung cấp dữ liệu đầu vào chính xác để kiểm nghiệm toàn bộ cơ cấu cơ khí.
  • Về kiểm nghiệm kết cấu và độ bền:
    • Cả 5 hộp giảm tốc sóng Harmonic đều đạt điều kiện bền và có tuổi thọ vượt mức yêu cầu $7000\text{ giờ}$: Khâu 1 ($101.567\text{ h}$), Khâu 2 ($88.659\text{ h}$), Khâu 3 ($39.469\text{ h}$), Khâu 4 ($367.413\text{ h}$) và Khâu 5 ($477.423.657\text{ h}$).
    • Hai bộ truyền đai răng (450L050 trên khớp 3 và 510H075 trên khớp 4) đều đạt độ bền lực căng với hệ số an toàn cao ($F_{t\ max} = 54{,}263\text{ N} \le 111\text{ N}$ đối với đai 450L050 và $F_1 = 108{,}483\text{ N} \le 432{,}385\text{ N}$ đối với đai 510H075).
  • Về điều khiển và tích hợp hệ thống:
    • Xây dựng thành công hệ thống điều khiển đồng bộ 5 trục servo bằng cặp đôi PLC Mitsubishi Q02CPU và Q172HCPU, kiểm soát chính xác quỹ đạo theo hàm constant-speed.
    • Tích hợp hệ thống phân loại bằng thị giác máy tính với PLC Siemens S7-1200 và module AL1100, cho phép nhận diện đúng biên dạng hình hộp chữ nhật hoặc hình trụ tròn và góc xoay sản phẩm trên băng tải.
    • Chế tạo thành công thiết bị găng tay điều khiển dùng vi điều khiển STM32F405 kết hợp mạch lọc/khuếch đại Op-Amp, truyền dữ liệu không dây ổn định qua sóng RF GT-38.
    • Xây dựng 2 ứng dụng phần mềm: Ứng dụng C# WinForms giao tiếp trực tiếp với PLC qua thư viện ActUtlTypeLib và ứng dụng di động React Native kết nối qua giao thức MQTT.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Khắc phục nhược điểm của các đề tài điều khiển bằng cử động tay trước đây (vốn sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050 yêu cầu cổ tay phải luôn giữ cố định gây bất tiện) bằng việc thiết kế găng tay tích hợp cảm biến uốn cong ngón tay qua mạch Op-Amp, cho phép nhận diện trực tiếp cử động gấp/duỗi của từng ngón và thao tác kẹp nhả tự nhiên.
  • Thực hiện kiểm nghiệm toàn diện hệ thống cơ khí và động lực học của một cánh tay robot công nghiệp 5 bậc tự do kế thừa, chứng minh tính khả thi về độ bền mỏi và tuổi thọ linh kiện khi tái sử dụng khung cơ khí có sẵn.
  • Phát triển mô hình điều khiển phân tầng linh hoạt, kết hợp đồng thời giữa chu trình xử lý ảnh tự động công nghiệp (PLC Siemens S7-1200 + Camera) với hệ thống điều khiển chuyển động chính xác cao (PLC Motion Mitsubishi Q-Series) và khả năng can thiệp trực tiếp bằng tay người.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế:

  • Đề tài thực hiện trên cơ sở kế thừa khung cơ khí và tủ điện có sẵn, do đó kích thước và khối lượng các khâu còn lớn ($m_1 = 27{,}5\text{ kg}, m_2 = 21\text{ kg}, m_3 = 25{,}1\text{ kg}$), chưa được tối ưu hóa về mặt hình học và trọng lượng kết cấu chuyển động.
  • Hệ thống xử lý ảnh trên camera công nghiệp phụ thuộc nhiều vào điều kiện chiếu sáng của môi trường xung quanh và cài đặt thời gian phơi sáng; khả năng phân loại mới dừng lại ở việc phân biệt hai biên dạng hình học cơ bản là hình hộp chữ nhật và hình trụ tròn.
  • Việc giao tiếp không dây giữa găng tay điều khiển (STM32F405) và khối thu (STM32F207) thông qua mô-đun RF GT-38 có thể chịu ảnh hưởng bởi nhiễu sóng điện từ trong môi trường công nghiệp có nhiều động cơ công suất lớn hoạt động đồng thời.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tối ưu hóa lại kết cấu cơ khí, ứng dụng các vật liệu nhẹ hơn (như hợp kim nhôm định hình hoặc sợi carbon) để giảm bớt tải trọng tĩnh tác động lên các khớp, từ đó nâng cao tốc độ làm việc và tiết kiệm năng lượng cho các động cơ servo.
  • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh trên hệ thống thị giác máy tính, kết hợp các mô hình nhận dạng thông minh để phân loại được các sản phẩm có hình dạng phức tạp, màu sắc đa dạng hoặc kích thước thay đổi linh hoạt.
  • Tích hợp thêm cảm biến phản hồi lực (haptic feedback) lên găng tay điều khiển để người vận hành cảm nhận được lực kẹp thực tế tác động lên sản phẩm, hạn chế nguy cơ làm biến dạng hoặc vỡ sản phẩm khi gắp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn đối với sinh viên, học viên cao học và các kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

  • Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình giải bài toán động học và động lực học hoàn chỉnh cho tay máy 5 bậc tự do sử dụng giải thuật Denavit – Hartenberg và phương pháp vi phân Lagrange.
  • Kỹ thuật Cơ khí và Thiết kế máy: Cung cấp phương pháp luận và các bước tính toán kiểm nghiệm bộ truyền thực tế gồm hộp giảm tốc sóng Harmonic (theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất) và bộ truyền đai răng (kết hợp phần mềm Autodesk Inventor).
  • Kỹ sư Tích hợp hệ thống: Đồ án là tài liệu thực hành hữu ích về cách thức phối hợp đa nền tảng điều khiển trong một dây chuyền tự động:
    • Cấu hình và lập trình hệ thống PLC Motion đa trục của Mitsubishi (Q02CPU phối hợp Q172HCPU) bằng các công cụ chuyên dụng GX Works 2 và MT Developer 2.
    • Phương pháp xây dựng giao diện điều khiển WinForms trên C# tương tác với thanh ghi PLC Mitsubishi thông qua thư viện ActUtlTypeLib.
    • Thiết kế mạch điện tử tiền khuếch đại cảm biến dùng Op-Amp và lập trình truyền thông nhúng trên các dòng vi điều khiển STM32 và ESP8266 qua mạng không dây RF và giao thức MQTT.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn cấu hình 5 khớp xoay thay vì cấu hình có khớp tịnh tiến?

Trong chương 2, tác giả đã so sánh hai phương án thiết kế cấu hình robot 5 bậc tự do: Phương án 1 (4 khớp xoay, 1 khớp tịnh tiến) và Phương án 2 (5 khớp xoay toàn bộ). Cấu hình 5 khớp xoay được chọn vì cho phép cánh tay robot có tầm với linh hoạt, vùng không gian làm việc rộng hơn trong khi chiếm ít diện tích mặt sàn lắp đặt, đồng thời dễ dàng định hướng khâu chấp hành cuối vuông góc với sản phẩm để thực hiện các thao tác bốc dỡ linh hoạt từ nhiều hướng.

2. Các thông số kiểm nghiệm tuổi thọ của các hộp giảm tốc Harmonic trên các khớp đạt kết quả như thế nào?

Cả 5 khớp đều sử dụng các dòng hộp giảm tốc Harmonic thỏa mãn tiêu chuẩn tuổi thọ danh định $L_{10} \ge 7000\text{ giờ}$ theo tính toán từ tài liệu catalog:

  • Khâu 1: Loại CSF-25-120 đạt tuổi thọ $101.567\text{ giờ}$ (hiệu suất $\eta = 73%$).
  • Khâu 2: Loại CSF-45-120 đạt tuổi thọ $88.659\text{ giờ}$ (hiệu suất $\eta = 75%$).
  • Khâu 3: Loại CSF-32-50 đạt tuổi thọ $39.469\text{ giờ}$ (hiệu suất $\eta = 79%$).
  • Khâu 4: Loại CSD-14-50 đạt tuổi thọ $367.413\text{ giờ}$ (hiệu suất $\eta = 65%$).
  • Khâu 5: Loại CSD-14-50 đạt tuổi thọ $477.423.657\text{ giờ}$ (hiệu suất $\eta = 63%$).

3. Hệ thống điều khiển chuyển động của tay máy trên PLC Mitsubishi được cấu hình với những chế độ nào?

Hệ thống sử dụng bộ đôi CPU gồm Q02CPU và Motion CPU Q172HCPU. Các trục động cơ servo được cấu hình vận hành ở chế độ điều khiển vị trí tuyệt đối (Absolute Position mode) và áp dụng phương pháp tự động dò thông số Auto-tuning 1. Chuyển động đa trục theo quỹ đạo được kiểm soát bằng hàm nội suy vận tốc không đổi (constant-speed) được lập trình thông qua phần mềm chuyên dụng MT Developer 2.

4. Găng tay điều khiển cử động tay người sử dụng những linh kiện chính nào và khắc phục nhược điểm gì của các đề tài trước?

Găng tay điều khiển sử dụng vi điều khiển trung tâm STM32F405, các cảm biến uốn cong ngón tay kết nối qua mạch khuếch đại thuật toán Op-Amp, mạch đèn LED báo trạng thái và 2 nút nhấn (nút hiệu chỉnh ban đầu và nút đóng/mở kẹp). Thiết kế này khắc phục nhược điểm của các hệ thống cũ (vốn dùng cảm biến gia tốc MPU6050 bắt buộc người vận hành phải giữ cố định cổ tay), cho phép người dùng cử động bàn tay và ngón tay hoàn toàn tự nhiên để điều khiển cánh tay robot.

5. Giao diện máy tính WinForms tương tác với PLC Mitsubishi bằng cách nào?

Ứng dụng WinForms (viết bằng C#) kết nối và thao tác với các vùng nhớ của PLC Mitsubishi thông qua thư viện liên kết ActUtlTypeLib. Thư viện này cung cấp các phương thức lập trình trực tiếp như: hàm đặt trạng thái bit (SetDevice), hàm đọc trạng thái bit (GetDevice), hàm ghi khối dữ liệu 16-bit vào thanh ghi PLC (WriteDeviceBlock) và hàm đọc khối dữ liệu 16-bit từ thanh ghi PLC (ReadDeviceBlock).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển tay máy 5 bậc tự do ứng dụng trong xếp sản phẩm và điều khiển chuyển động bằng cử động tay" đã thực hiện thành công việc tính toán động học, động lực học và kiểm nghiệm độ bền cơ học cho một mô hình robot công nghiệp 5 bậc tự do kế thừa. Nhóm tác giả đã tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điều khiển đa tầng linh hoạt, kết hợp giữa tự động hóa phân loại sản phẩm bằng thị giác máy tính trên nền PLC Siemens và điều khiển chuyển động đa trục chính xác trên nền PLC Motion Mitsubishi. Đồng thời, giải pháp chế tạo thiết bị găng tay thông minh truyền thông không dây RF và ứng dụng giám sát IoT qua giao thức MQTT đã mở rộng khả năng tương tác trực tiếp giữa người vận hành và robot trong môi trường sản xuất hiện đại.