Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, việc đẩy mạnh ứng dụng tự động hóa và trí tuệ nhân tạo vào quy trình sản xuất đóng vai trò thiết yếu nhằm nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động của con người. Trên các dây chuyền sản xuất hiện đại, các công đoạn đòi hỏi khả năng kiểm tra bề mặt, nhận dạng mã, kiểm tra hướng, xác định vị trí và phân loại sản phẩm nếu thực hiện thủ công sẽ tiêu tốn nhiều thời gian, chi phí và dễ phát sinh sai sót. Để giải quyết bài toán này, sự kết hợp giữa hệ thống thị giác máy tính và cánh tay robot công nghiệp đã trở thành giải pháp tiêu chuẩn tại nhiều quốc gia có nền công nghiệp phát triển.

Trong số các cấu trúc robot công nghiệp, Robot Delta (robot song song) sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội về tốc độ thao tác, khả năng gia tốc và độ ổn định hướng của khâu tác động cuối so với các dòng robot chuỗi động học hở truyền thống. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp với đề tài "Delta Robot phân loại sản phẩm dùng PLC S7-1200" được thực hiện bởi sinh viên Võ Đoàn Việt Anh và Hà Hạt, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Phong Lưu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài đặt ra mục tiêu xây dựng một mô hình cơ điện tử hoàn chỉnh có khả năng nhận diện và phân loại sản phẩm di chuyển trên băng tải theo kích thước. Các nhiệm vụ cụ thể được xác định trong đồ án bao gồm:

  1. Phân loại sản phẩm hình vuông theo 3 kích thước chuẩn ($2 \times 2\text{ cm}$, $3 \times 3\text{ cm}$, $4 \times 4\text{ cm}$) với độ chính xác thiết kế đạt trên 95%.
  2. Đạt tốc độ phân loại trên 20 sản phẩm/phút.
  3. Nhận diện chính xác vị trí và tâm sản phẩm ở mọi góc lệch trên mặt phẳng băng chuyền.
  4. Điều khiển Robot Delta gắp và thả sản phẩm chính xác vào từng ô chứa quy định.
  5. Vận hành băng tải liên tục đồng bộ với cơ cấu phân loại mà không cần dừng băng chuyền khi robot thực hiện thao tác gắp.
  6. Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát trực quan (kết hợp WinForms C# và chuẩn giao tiếp công nghiệp), hỗ trợ 2 chế độ vận hành Auto và Manual, lưu trữ dữ liệu sản xuất trên SQL Server.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc động học Robot Delta 3 bậc tự do; giải thuật xử lý ảnh nhận diện kích thước và tọa độ vật thể; thuật toán điều khiển vị trí phát xung tốc độ cao trên PLC S7-1200; hệ thống phần mềm giao tiếp và cơ sở dữ liệu.
  • Không gian thực hiện: Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Thời gian thực hiện: Từ tháng 02/2024 đến tháng 06/2024.
  • Giới hạn kỹ thuật của hệ thống:
    • Hệ thống chỉ thực hiện phân loại các sản phẩm có kích thước quy định ($2\times 2\text{ cm}$, $3\times 3\text{ cm}$, $4\times 4\text{ cm}$).
    • Hoạt động trong điều kiện môi trường ánh sáng ổn định.
    • Sản phẩm di chuyển trên băng tải không liên tục sát nhau mà yêu cầu khoảng thời gian giãn cách tối thiểu là 2 giây giữa hai sản phẩm.
    • Số lượng tích lũy tối đa của mỗi loại sản phẩm trong ô chứa dưới 5 sản phẩm.
    • Tốc độ di chuyển của băng tải được cố định trong suốt quá trình hoạt động.
    • Khối lượng vật phân loại giới hạn dưới 1 kg và yêu cầu bề mặt tiếp xúc phẳng, nhẵn để đảm bảo độ kín khí cho cơ cấu hút chân không.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  1. Lý thuyết động học Robot Delta:

    • Robot Delta là cơ cấu robot song song gồm 3 bậc tự do tịnh tiến ($X, Y, Z$). Cấu trúc hình học gồm một bệ cố định (Base platform $F$) gắn 3 cụm động cơ và một bệ di động (Moving platform $E$). Ba cánh tay liên kết với bệ di động thông qua các cơ cấu hình bình hành sử dụng khớp cầu, giúp khâu chấp hành cuối luôn duy trì hướng tịnh tiến song song với mặt phẳng bệ cố định mà không bị xoay trục.
    • Bài toán động học thuận (Forward Kinematics): Xác định tọa độ vị trí khâu chấp hành cuối $E_0(x_0, y_0, z_0)$ khi biết trước 3 góc quay của động cơ chủ động ($\theta_1, \theta_2, \theta_3$). Về mặt toán học, bài toán quy về việc tìm giao điểm duy nhất của 3 mặt cầu không gian có bán kính bằng chiều dài cánh tay dưới $r_e$, với tâm cầu đặt tại các khớp khuỷu $J_1', J_2', J_3'$.
    • Bài toán động học nghịch (Inverse Kinematics): Xác định các góc quay ($\theta_1, \theta_2, \theta_3$) tương ứng từ tọa độ mục tiêu $(x_0, y_0, z_0)$. Bằng cách chiếu chuyển động của nhánh thứ nhất lên mặt phẳng $YZ$, tọa độ khớp $J_1$ được giải thông qua hệ phương trình giao điểm của hai đường tròn bán kính $r_f$ và $\sqrt{r_e^2 - x_0^2}$. Hai góc còn lại ($\theta_2, \theta_3$) được suy ra trực tiếp bằng cách áp dụng ma trận xoay tọa độ quanh trục $Z$ các góc lần lượt $120^\circ$ và $240^\circ$ dựa trên tính đối xứng quay của cấu trúc Delta.

  2. Lý thuyết xử lý ảnh số và thị giác máy tính:

    • Sử dụng các biểu diễn ảnh số gồm ảnh màu đa kênh (RGB), ảnh mức xám (Grayscale 8-bit, 256 mức) và ảnh nhị phân.
    • Chuyển đổi không gian màu từ BGR sang HSV (Hue, Saturation, Value) với dải giá trị chuẩn hóa trong thư viện EmguCV: $H \in [0, 179]$, $S \in [0, 255]$, $V \in [0, 255]$. Không gian HSV hỗ trợ phân tách vùng màu vật thể độc lập với độ sáng môi trường.
    • Kỹ thuật trích xuất đường bao (Contours) và giải thuật xấp xỉ đường bao (Contour Approximation) nhằm tối giản các điểm đỉnh đa giác dựa trên ngưỡng dung sai $\epsilon$.
    • Sử dụng hàm Image Moments để tính toán trọng tâm hình học $(\bar{x}, \bar{y})$ và kích thước diện tích của đối tượng nhận diện.

  3. Lý thuyết cơ sở dữ liệu:

    • Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ SQL Server, khai thác hai thành phần cốt lõi: Database Engine (xử lý lưu trữ, truy vấn bảng và bảo mật) và SQLOS (quản lý bộ nhớ, định thời tác vụ và khóa đồng thời).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế cơ khí: Xây dựng toàn bộ mô hình kết cấu 3D của Robot Delta, bệ đỡ, cụm khớp cầu và hệ khung băng tải trên phần mềm SolidWorks.
  • Phương pháp mô phỏng giải tích: Sử dụng phần mềm MATLAB để kiểm nghiệm và đối soát kết quả tính toán giữa hai bài toán động học thuận và động học nghịch trước khi nạp vào bộ điều khiển.
  • Phương pháp phát triển phần mềm: Lập trình ứng dụng xử lý ảnh và giao diện người - máy (HMI) trên nền tảng C# .NET (WinForms) tích hợp thư viện EmguCV; cấu hình kết nối truyền thông công nghiệp với PLC.
  • Phương pháp điều khiển tự động: Lập trình phát xung điều khiển vị trí đa trục (Motion Control) trên phần mềm TIA Portal dành cho PLC Siemens S7-1200.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thi công lắp ráp phần cứng thực tế, tích hợp cơ cấu cảm biến, cân chỉnh vị trí gốc máy (Home) qua công tắc hành trình và tiến hành chạy thực nghiệm phân loại mẫu trên băng tải để thu thập dữ liệu thống kê.

Nguồn dữ liệu

  • Ảnh thu nhận trực tiếp thời gian thực từ Camera độ phân giải 1080p lắp đặt vuông góc phía trên băng tải.
  • Tín hiệu phản hồi xung vị trí từ encoder tích hợp trên động cơ Hybrid Servo.
  • Trạng thái đóng/ngắt logic từ hệ thống công tắc hành trình, nút bấm điều khiển và cảm biến hành trình.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kết cấu cơ khí và vật liệu chế tạo

Cơ cấu Robot Delta được chế tạo với độ cứng vững cao và tối ưu hóa quán tính chuyển động:

  • Khung máy: Lắp ráp từ nhôm định hình công nghiệp, chịu lực và chống rung tốt trong quá trình cánh tay chuyển động với gia tốc lớn.
  • Cánh tay trên và cánh tay dưới: Cánh tay trên liên kết trực tiếp với trục động cơ qua bích kẹp. Cánh tay dưới cấu tạo dạng thanh đôi hình bình hành, sử dụng ống sợi carbon kết hợp các chi tiết in 3D bằng nhựa kỹ thuật nhằm giảm tối đa khối lượng chuyển động, không bị oxy hóa và không nhiễm từ.
  • Khớp liên kết: Sử dụng các khớp cầu (mắt trâu) tại hai đầu thanh giằng hình bình hành, đảm bảo bậc tự do xoay không gian trơn tru và triệt tiêu độ rơ cơ khí.

Danh mục thiết bị điện và cơ cấu chấp hành

Hệ thống điều khiển và chấp hành được cấu thành từ các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn:

STT Tên thiết bị / Linh kiện Mã hiệu / Thông số kỹ thuật Số lượng Vai trò trong hệ thống
1 Bộ điều khiển lập trình (PLC) Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 1 Điều khiển trung tâm, phát xung tốc độ cao điều khiển động cơ servo
2 Động cơ Hybrid Servo 573HBM20-1000 (20–50VDC, 5.8A, 2 Nm, 1000 rpm, trục 8mm) 3 Dẫn động 3 khớp chủ động của Robot Delta, tích hợp encoder chống trượt bước
3 Driver điều khiển Servo HBS57 (Điện áp 20–50VDC, dòng 0–8A, xung 3.3V/5V/24V, vi bước 800–51200) 3 Khuếch đại công suất và nhận xung điều khiển từ PLC
4 Động cơ kéo băng tải Động cơ giảm tốc TG-05L-SR-65-CN086 (24VDC, 50 rpm, trọng lượng 200g) 1 Kéo dây đai băng tải vận chuyển sản phẩm liên tục
5 Bơm hút chân không Bơm màng Micro 24 (12–24VDC, 2A, áp hút tối đa 50 kPa, lưu lượng 13–15 L/min) 1 Tạo áp suất âm phục vụ cơ cấu gắp giữ sản phẩm
6 Van điện từ khí nén Van 0520F (24VDC, dòng <70 mA, dải áp suất 0–350 mmHg) 1 Đóng/mở và xả áp chân không tức thời khi thả vật
7 Giác hút chân không Đường kính giác hút 15 mm, chiều dài 60 mm, ống nối 6 mm 1 Khâu tác động cuối tiếp xúc trực tiếp bề mặt sản phẩm
8 Công tắc hành trình D35 dạng bánh xe (15A/250VAC, lực tác động 0.13N, tiếp điểm COM-NO-NC) 3 Xác định vị trí gốc tọa độ máy (Home $0^\circ$) cho 3 trục robot
9 Bộ nguồn tổ ong Nguồn xung 24VDC – 30A 1 Chuyển đổi 220VAC sang 24VDC cung cấp toàn bộ hệ thống
10 Aptomat (CB tép) TENGEN TGB1N-63 C32 1 Bảo vệ quá tải và ngắn mạch hệ thống điện nguồn
11 Rơ-le trung gian HH62P (8 chân dẹp, 10A / 220VAC – 28VDC) 1 Cách ly quang và kích đóng cắt bơm/van từ ngõ ra PLC
12 Băng tải công nghiệp Băng tải khung nhôm, dây đai PVC màu xanh 1 Vận chuyển phôi mẫu, tăng tương phản màu khi xử lý ảnh

Kiến trúc phần mềm và thuật toán điều khiển

Hệ thống hoạt động dựa trên sự phối hợp đồng bộ giữa phần mềm thị giác máy tính và chương trình điều khiển thời gian thực:

[Camera 1080p] --> [Ứng dụng C# WinForms (EmguCV)] --> (Tọa độ X, Y & Kích thước)
                           |
                     (Truyền thông)
                           |
                           v
              [PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C]
              (Giải thuật động học nghịch & Motion Control)
                           |
        +------------------+------------------+
        |                                     |
        v                                     v
[3x Driver HBS57 + Servo]            [Bơm hút & Van xả 0520F]
(Phát xung PTO điều khiển góc quay)   (Hút / Thả sản phẩm)

  1. Thuật toán xử lý ảnh trên C#:

    • Khung hình từ camera 1080p được chuyển đổi từ BGR sang HSV.
    • Lọc ngưỡng màu để tách biệt sản phẩm màu trắng khỏi nền dây đai PVC màu xanh.
    • Tìm Contours, áp dụng thuật toán xấp xỉ đường bao để xác định 4 đỉnh của hình vuông.
    • Tính toán diện tích để phân loại vào 1 trong 3 nhóm kích thước ($2\times 2$, $3\times 3$, $4\times 4\text{ cm}$).
    • Sử dụng Image Moments để tính tọa độ tâm $(X, Y)$ của vật thể trong hệ quy chiếu camera và chuyển đổi sang hệ tọa độ làm việc của Robot Delta.

  2. Thuật toán điều khiển trên PLC S7-1200:

    • Tiếp nhận tọa độ $(X, Y)$ và kích thước từ phần mềm máy tính qua giao thức kết nối dữ liệu.
    • Tính toán giải thuật động học nghịch để xác định số xung phát ra tương ứng với 3 góc quay $\theta_1, \theta_2, \theta_3$.
    • PLC điều khiển phát chuỗi xung tốc độ cao (PTO) qua ngõ ra bán dẫn (Transistor) đến 3 driver HBS57 để hạ đầu giác hút xuống vị trí vật thể.
    • Kích hoạt rơ-le bật bơm hút chân không Micro 24.
    • Điều khiển robot nhấc vật lên, di chuyển đến vị trí ô chứa tương ứng với kích thước đã nhận diện, ngắt bơm và kích van 0520F để xả áp suất, thả vật rơi chính xác vào hộp chứa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình phân loại hàng hóa trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Phân tích ưu thế của Robot Delta so với các dạng robot công nghiệp khác khi kết hợp với công nghệ xử lý ảnh số. Xác định rõ mục tiêu, nội dung nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và 6 điều kiện giới hạn kỹ thuật của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Thiết lập chi tiết mô hình toán học giải tích cho Robot Delta:

  • Xây dựng hệ phương trình động học thuận xác định vị trí $E_0(x_0, y_0, z_0)$ từ 3 góc $\theta_1, \theta_2, \theta_3$ qua giao điểm của 3 mặt cầu bán kính $r_e$.
  • Xây dựng hệ phương trình động học nghịch trên mặt phẳng $YZ$ và mở rộng cho toàn bộ 3 nhánh nhờ ma trận xoay góc $120^\circ$.
  • Trình bày cơ sở lý thuyết xử lý ảnh số: cấu trúc ma trận ảnh, các không gian màu RGB/HSV, kỹ thuật lọc ngưỡng trong thư viện EmguCV, thuật toán Contour Approximation và ứng dụng hàm Moment.
  • Trình bày cấu trúc hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ SQL Server.

Chương 3: Thi công phần cứng

Phân tích yêu cầu kỹ thuật và đưa ra phương án thiết kế hệ thống:

  • Thiết kế mô hình 3D hoàn chỉnh trên SolidWorks bao gồm bệ cố định, bệ di động, khớp nối và hệ khung.
  • Phân tích kỹ thuật so sánh giữa động cơ bước và động cơ servo; thuyết minh lý do chọn động cơ Hybrid Servo 573HBM20-1000 kèm Driver HBS57 (chống mất bước, mô-men xoắn lớn, độ chính xác cao).
  • Thuyết minh lựa chọn PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC với ngõ ra Transistor để phát xung tốc độ cao.
  • Tính toán lựa chọn các cơ cấu phụ trợ: bơm hút Micro 24, van điện từ 0520F, giác hút chân không 15mm, công tắc hành trình D35, rơ-le HH62P, băng tải PVC đai xanh và nguồn tổ ong 24V–30A.

Chương 4: Sơ đồ kết nối và thuật toán điều khiển

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể mô tả luồng tín hiệu và luồng dữ liệu trong toàn hệ thống.
  • Thiết kế sơ đồ đấu nối dây chi tiết cho PLC CPU 1214C, các cổng xuất xung và chiều tới Driver HBS57, mạch cấp nguồn và mạch điều khiển trung gian qua rơ-le.
  • Thiết lập các lưu đồ giải thuật: lưu đồ điều khiển chính trên PLC, lưu đồ xử lý ảnh trên nền C# EmguCV, và lưu đồ phối hợp tuần tự gắp - thả - phân loại vật thể.

Chương 5: Kết quả

  • Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình phần cứng Robot Delta và hệ thống băng tải.
  • Xây dựng thành công bộ phần mềm giao diện WinForms gồm 4 phân hệ màn hình: Màn hình Đăng nhập bảo mật, Màn hình Kết nối truyền thông PLC, Màn hình Điều khiển Manual (cho phép test từng trục và cơ cấu hút độc lập), Màn hình Vận hành Auto (hiển thị luồng camera xử lý ảnh và bảng số liệu phân loại).
  • Thực nghiệm phân loại mẫu phôi với 3 dải kích thước $2\times 2\text{ cm}$, $3\times 3\text{ cm}$ và $4\times 4\text{ cm}$. Hệ thống nhận diện chính xác tâm, góc lệch và điều khiển gắp thả ổn định.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

  • Đánh giá mức độ hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra: làm chủ tính toán động học Robot Delta, làm chủ giải thuật xử lý ảnh với EmguCV và điều khiển phát xung chính xác trên PLC S7-1200.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp mô hình phục vụ ứng dụng công nghiệp thực tế trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Mô hình thực tế đã được thi công, tích hợp hoàn chỉnh và trải qua quá trình chạy thử nghiệm trực tiếp tại xưởng thực hành:

Chỉ tiêu kỹ thuật / Chức năng Kết quả thực nghiệm đạt được
Kích thước sản phẩm phân loại Nhận diện và phân loại chính xác 3 kích thước: $2\times 2\text{ cm}$, $3\times 3\text{ cm}$, $4\times 4\text{ cm}$
Tỷ lệ gắp vật chính xác Đạt xấp xỉ gần 90% trên tổng số lần chạy thử nghiệm thực tế
Khả năng nhận diện hướng/vị trí Xác định chính xác tọa độ tâm và góc lệch của sản phẩm trên mặt băng chuyền
Cơ chế vận hành phần mềm Hoạt động đầy đủ ở 2 chế độ Auto (tự động hoàn toàn) và Manual (cân chỉnh thủ công)
Khả năng lưu trữ dữ liệu Ghi nhận và đồng bộ dữ liệu số lượng phân loại theo thời gian thực vào SQL Server
Độ ổn định cơ cấu hút Van xả 0520F triệt tiêu áp suất dư nhanh chóng, giúp thả vật tức thời và chính xác tại ô chứa

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  1. Tối ưu hóa độ tương phản quang học: Sử dụng dây đai băng tải PVC màu xanh đối lập hoàn toàn với màu trắng của sản phẩm mẫu, giúp giải thuật phân ngưỡng HSV trong EmguCV tách biên đối tượng nhanh chóng và triệt tiêu tối đa nhiễu nền.
  2. Triệt tiêu độ trễ nhả phôi: Kết hợp bơm hút chân không Micro 24 với van điện từ 0520F. Khi cần thả vật, PLC đồng thời ngắt bơm và kích mở van xả khí, giúp áp suất tại giác hút cân bằng tức thì với áp suất khí quyển, tránh hiện tượng phôi bị dính theo đầu hút khi cánh tay rút lên.
  3. Cơ cấu xác định điểm chuẩn máy (Homing): Bố trí 3 công tắc hành trình bánh xe D35 tại điểm giới hạn trên của 3 cánh tay chủ động, thiết lập quy trình tự động đưa các góc quay về tọa độ $0^\circ$ khi khởi động hoặc thiết lập lại hệ thống.

Đóng góp của đề tài

  • Tích hợp thành công giải pháp đa ngành: kết hợp giữa tính toán giải tích động học cơ cấu song song, thiết kế chế tạo cơ khí chính xác, thị giác máy tính trên C# .NET và điều khiển chuyển động thời gian thực bằng PLC S7-1200 công nghiệp.
  • Cung cấp mô hình tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế 3D, sơ đồ mạch đấu nối điện động lực/điều khiển đến mã nguồn xử lý ảnh và khối hàm điều khiển chuyển động trong TIA Portal.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế kỹ thuật

Căn cứ theo nội dung công bố trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số điểm giới hạn:

  • Hệ thống chỉ phân loại được các vật thể có kích thước cố định theo 3 mức định sẵn ($2\times 2$, $3\times 3$, $4\times 4\text{ cm}$) và yêu cầu màu sắc đồng nhất.
  • Giải thuật xử lý ảnh phụ thuộc vào sự ổn định của nguồn sáng môi trường; nếu cường độ ánh sáng thay đổi đột ngột có thể gây sai lệch ngưỡng HSV.
  • Yêu cầu khoảng cách giữa các sản phẩm liên tiếp trên băng chuyền phải duy trì độ trễ tối thiểu 2 giây để robot hoàn thành chu trình di chuyển.
  • Băng tải phải hoạt động ở tốc độ không đổi; chưa hỗ trợ thuật toán bám chuyển động động học khi băng chuyền tăng/giảm tốc.
  • Cơ cấu hút chân không chỉ thao tác được với các vật có bề mặt nhẵn phẳng và khối lượng dưới 1 kg.
  • Số lượng sản phẩm lưu trữ tối đa trong mỗi ô phân loại bị giới hạn dưới 5 sản phẩm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh bằng các mô hình học sâu (Deep Learning) hoặc xử lý ảnh nâng cao để phân loại sản phẩm có hình dạng, màu sắc và kích thước phức tạp, đa dạng hơn.
  • Phát triển giải thuật bám bắt phôi động (Conveyor Tracking) kết hợp cảm biến vòng quay encoder trên trục băng tải, cho phép robot gắp chính xác sản phẩm khi băng tải chạy ở các dải tốc độ biến thiên liên tục.
  • Cải tiến kết cấu cơ khí, nâng cao công suất động cơ và tăng cường lưu lượng lực hút chân không để mở rộng tải trọng làm việc của robot.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao đối với:

  • Sinh viên và học viên: Thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện các đề tài về robot song song, xử lý ảnh công nghiệp hoặc lập trình điều khiển PLC.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống: Cần tài liệu tham khảo về phương pháp kết nối dữ liệu giữa phần mềm thị giác máy tính trên PC (C# WinForms/EmguCV) với bộ điều khiển lập trình logic Siemens S7-1200 qua các chuẩn giao tiếp công nghiệp.
  • Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Chương 2: Phương pháp giải tích hình học mặt cầu cho bài toán động học thuận/nghịch Robot Delta và cách quy đổi tọa độ đối xứng góc $120^\circ$.
    • Chương 3: Phân tích kỹ thuật lựa chọn thiết bị phát xung (PLC ngõ ra Transistor, Driver HBS57, Hybrid Servo có encoder).
    • Chương 4: Sơ đồ nguyên lý đấu dây công nghiệp và lưu đồ thuật toán phối hợp giữa xử lý ảnh và điều khiển chấp hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot Delta trong đồ án có cấu tạo cơ khí và số bậc tự do như thế nào?

Robot Delta trong đề tài có 3 bậc tự do tịnh tiến trong không gian ($X, Y, Z$). Cấu trúc gồm bệ cố định hình tam giác phía trên gắn 3 động cơ Hybrid Servo và bệ di động hình tam giác phía dưới gắn đầu hút chân không. Ba nhánh liên kết gồm cánh tay trên và cánh tay dưới dạng hình bình hành, sử dụng khớp cầu (mắt trâu) và vật liệu ống sợi carbon kết hợp nhựa in 3D, giúp bệ di động luôn giữ nguyên hướng song phẳng mà không bị quay trục.

2. Thuật toán động học nghịch của robot được giải quyết bằng phương pháp nào?

Thuật toán động học nghịch được xây dựng bằng phương pháp hình học giải tích. Bằng cách chiếu nhánh robot thứ nhất lên mặt phẳng $YZ$, tọa độ khớp khuỷu $J_1$ được xác định qua giao điểm của hai đường tròn bán kính $r_f$ và $\sqrt{r_e^2 - x_0^2}$, từ đó tính được góc quay $\theta_1$. Nhờ tính chất đối xứng không gian của Robot Delta, hai góc $\theta_2$ và $\theta_3$ được tính toán tương tự sau khi xoay hệ trục tọa độ trong mặt phẳng $XY$ quanh trục $Z$ các góc lần lượt là $120^\circ$ và $240^\circ$. Thuật toán đã được đối soát chính xác thông qua mô phỏng trên MATLAB.

3. Phần mềm xử lý ảnh sử dụng công nghệ gì để nhận diện kích thước và tọa độ sản phẩm?

Phần mềm xử lý ảnh được xây dựng bằng ngôn ngữ C# trên môi trường Visual Studio, tích hợp thư viện xử lý ảnh mã nguồn mở EmguCV. Thuật toán chuyển đổi luồng video từ Camera 1080p sang không gian màu HSV để lọc ngưỡng tách phôi trắng trên nền băng tải xanh, sau đó áp dụng giải thuật Contour Approximation để tìm các đỉnh đa giác, trích xuất diện tích để phân loại 3 dải kích thước ($2\times 2$, $3\times 3$, $4\times 4\text{ cm}$) và dùng hàm Image Moments để tính tọa độ tâm hình học $(X, Y)$.

4. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC thay vì vi điều khiển?

PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC được lựa chọn vì sở hữu ngõ ra bán dẫn (Transistor) có khả năng phát chuỗi xung tốc độ cao (PTO) chuyên dụng cho điều khiển vị trí động cơ servo. Đồng thời, thiết bị đạt tiêu chuẩn công nghiệp với khả năng chống nhiễu điện từ, chống bụi bẩn, hoạt động bền bỉ và dễ dàng mở rộng, tích hợp đồng bộ vào môi trường nhà xưởng so với các mạch vi điều khiển thông thường.

5. Kết quả thực nghiệm phân loại của hệ thống đạt tỷ lệ chính xác bao nhiêu và bị ràng buộc bởi các yếu tố nào?

Trong điều kiện thực nghiệm thực tế, hệ thống đạt tỷ lệ xác định và gắp sản phẩm chính xác xấp xỉ gần 90%. Quá trình vận hành đòi hỏi các ràng buộc: ánh sáng môi trường phải ổn định, khoảng cách giữa 2 sản phẩm trên băng chuyền phải cách nhau tối thiểu 2 giây, khối lượng vật hút dưới 1 kg với bề mặt phẳng nhẵn, tốc độ băng tải giữ cố định và số lượng vật chứa tối đa trong mỗi ô dưới 5 sản phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Delta Robot phân loại sản phẩm dùng PLC S7-1200" của sinh viên Võ Đoàn Việt Anh và Hà Hạt đã hoàn thành trọn vẹn các nội dung nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết động học, thiết kế cơ khí 3D đến triển khai thi công phần cứng và lập trình tích hợp hệ thống. Mô hình thực nghiệm kết hợp hiệu quả giữa công nghệ xử lý ảnh EmguCV trên C#, cơ sở dữ liệu SQL Server và bộ điều khiển công nghiệp PLC S7-1200 phát xung cho 3 cụm Hybrid Servo, đạt tỷ lệ phân loại chính xác xấp xỉ gần 90%. Đây là công trình thực nghiệm cơ điện tử hoàn chỉnh, mang lại giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực tự động hóa phân loại sản phẩm công nghiệp.