Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa sản xuất hiện đại, các hệ thống tay máy robot đã và đang được triển khai rộng rãi trong nhiều phân khúc công nghiệp như hàn tự động, sơn xe, xếp dỡ hàng hóa và lắp ráp dây chuyền. Tại Việt Nam, một số doanh nghiệp quy mô lớn đã đưa robot vào vận hành thực tế (tiêu biểu như dây chuyền sơn ô tô tại nhà máy VinFast). Tuy nhiên, rào cản chi phí đầu tư ban đầu cao khiến phần lớn doanh nghiệp vừa và nhỏ khó tiếp cận các giải pháp robot thương mại đa năng. Mặt khác, việc gá lắp thêm cơ cấu chuyên dụng lên các cánh tay robot đa năng sẵn có thường làm suy giảm hiệu suất hoạt động và không tối ưu hóa được chi phí cho các tác vụ đặc thù.

Lĩnh vực sản xuất và lắp ráp mạch in điện tử (PCB) đòi hỏi khối lượng nhân công lớn, thời gian thao tác kéo dài và phụ thuộc nhiều vào tính kiên trì của người lao động. Điều này dẫn đến sự gia tăng chi phí sản xuất, kéo dài chu kỳ hoàn thiện sản phẩm và tiềm ẩn tỷ lệ lỗi do thao tác thủ công. Do đó, yêu cầu tự động hóa công đoạn gắp và cắm linh kiện là một giải pháp nhằm giảm chi phí nhân công, nâng cao năng suất và giảm thiểu tỷ lệ phế phẩm. Đề tài khóa luận tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo một mô hình robot chuyên dụng phục vụ công đoạn gắp và lắp ráp linh kiện điện tử trên board mạch với chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

  1. Tính toán, thiết kế cơ khí và gia công mô hình tay máy robot 3 bậc tự do (3-DOF) chuyên dụng cho tác vụ gắp và đặt linh kiện điện tử.
  2. Thiết lập mô hình toán học động học thuận và động học nghịch cho hệ thống tay máy bằng phương pháp Denavit – Hartenberg (D-H).
  3. Xây dựng phần cứng mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển và các mạch điều khiển công suất (driver).
  4. Lập trình chương trình nhúng điều khiển chuyển động đa trục trên vi điều khiển và phát triển phần mềm giao tiếp trên máy tính để đọc dữ liệu tọa độ từ tệp thiết kế mạch.
  5. Vận hành, thử nghiệm và đánh giá độ chính xác lặp lại cùng khả năng làm việc thực tế của hệ thống trên các loại linh kiện điện tử cắm khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tay máy robot tọa độ Descartes 3 bậc tự do (3 khớp trượt) kết hợp cơ cấu tay gắp linh kiện xoay định hướng, hệ thống điều khiển nhúng và phần mềm xử lý dữ liệu tọa độ linh kiện.
  • Phạm vi không gian và kỹ thuật: Robot có không gian làm việc hình hộp chữ nhật kích thước nhỏ; áp dụng cho việc lắp ráp các linh kiện điện tử cắm (through-hole) trên mạch in 01 lớp; mật độ linh kiện thiết kế dưới 30 linh kiện/mạch (mạch điện tử đơn giản).
  • Phạm vi chức năng: Khóa luận chỉ thực hiện tác vụ định vị, gắp và cắm chân linh kiện vào đúng lỗ trên board mạch; công đoạn hàn mạch do máy hàn chuyên dụng hoặc robot khác đảm nhiệm độc lập.
  • Yêu cầu kỹ thuật: Độ chính xác lặp lại của tay máy robot đạt mức $\pm 0.5\text{ mm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận phân tích và so sánh bốn phương pháp điều khiển chuyển động phổ biến nhằm lựa chọn cấu trúc điều khiển tối ưu cho hệ thống:

Phương pháp điều khiển Ưu điểm chính Nhược điểm chính Đánh giá lựa chọn
Sử dụng máy tính (PC + Card mở rộng) Tốc độ tính toán cao, dễ lập trình thuật toán phức tạp, hoạt động ổn định. Giá thành máy tính và card giao tiếp cao, chi phí bảo trì thường xuyên. Không phù hợp với tiêu chí tối ưu hóa chi phí của đề tài.
Sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Độ ổn định và chống nhiễu công nghiệp rất cao, độ tin cậy lớn, dễ mở rộng I/O. Giá thành thiết bị cao, chủ yếu tối ưu cho điều khiển logic On/Off, cần phần mềm chuyên dụng. Chi phí phần cứng cao, không tối ưu cho hệ thống nhúng quy mô nhỏ.
Sử dụng mạch điện, khí cụ điện Đấu nối đơn giản, chi phí thấp, dễ bảo trì cơ bản. Không điều khiển được các chuyển động quỹ đạo phức tạp, chỉ xử lý On/Off đơn giản. Không đáp ứng được yêu cầu điều khiển vị trí tọa độ chính xác.
Sử dụng vi điều khiển (MCU) Giá thành rất thấp, kích thước nhỏ gọn, tích hợp sẵn nhiều ngoại vi (PWM, UART, ADC, timers). Khả năng chống nhiễu phần cứng kém hơn PLC, yêu cầu thiết kế mạch bảo vệ cách ly. Được lựa chọn: Đáp ứng toàn diện về chi phí, tính linh hoạt và khả năng điều khiển xung động cơ bước.

Dựa trên kết quả phân tích, tác giả lựa chọn giải pháp điều khiển sử dụng vi điều khiển ESP32 kết hợp với framework lập trình chuyên dụng ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework).

Mô hình lý thuyết và các công cụ được sử dụng bao gồm:

  • Lý thuyết động học robot: Áp dụng phương pháp Denavit – Hartenberg (D-H) để gắn các hệ trục tọa độ khâu ${0}, {1}, {2}, {3}, {E}$, thiết lập bảng thông số D-H và xây dựng các ma trận biến đổi thuần nhất $4 \times 4$ ($A_1, A_2, A_3, A_4$) nhằm giải bài toán động học thuận và động học nghịch cho hệ thống tay máy 3 khớp trượt ($PPP$).
  • Phần cứng điều khiển và công suất:
    • Vi điều khiển ESP32: Kiến trúc 32-bit Tensilica Xtensa Dual-Core LX6, xung nhịp 160–240 MHz, 520 KB SRAM, hỗ trợ FreeRTOS cho các tác vụ thời gian thực.
    • Driver điều khiển động cơ bước TB6600: Sử dụng IC TB6600HQ/HG, điện áp hoạt động 9–42 VDC, dòng tải cực đại 4A, tích hợp cách ly quang (optocoupler) và các chế độ vi bước (microstepping).
    • Động cơ bước NEMA 17: Cấu hình 2 pha 4 dây, góc bước cơ bản $1.8^\circ$, dòng định mức 1.0 A/pha, điện trở cuộn dây $5.6,\Omega/\text{pha}$, moment giữ $> 360\text{ mN}\cdot\text{m}$.
    • Động cơ servo MG996R: Nhông kim loại, góc quay điều khiển bằng xung PWM, lực kéo $9.4\text{ kg}\cdot\text{cm}$ (tại 4.8V) đến $11\text{ kg}\cdot\text{cm}$ (tại 6V), vận tốc xoay $0.14\text{ s}/60^\circ$.
    • Nguồn xung tổ ong 12V – 3A: Điện áp ngõ vào 185–260 VAC, ngõ ra 12 VDC có chiết áp tinh chỉnh.
  • Phương pháp truyền thông: Sử dụng giao thức nối tiếp bất đồng bộ UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) với cấu trúc khung truyền gồm Start bit, 8 bit dữ liệu, Parity bit và Stop bit, hoạt động ở tốc độ truyền (baud rate) chuẩn 115200 bps thông qua module chuyển đổi USB-UART PL2303.
  • Nguồn dữ liệu: Tệp dữ liệu tọa độ cắm linh kiện (Pick and Place file định dạng .csv) được xuất trực tiếp từ các phần mềm thiết kế mạch in chuyên dụng (Altium Designer, Proteus).
  • Công cụ thiết kế và lập trình: Autodesk Fusion 360 (thiết kế cơ khí 3D CAD), Visual Studio Code (môi trường soạn thảo mã nguồn C trên nền ESP-IDF).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô đun hóa gồm ba phân hệ chính: cơ khí chấp hành, mạch điều khiển trung tâm và phần mềm điều khiển trên máy tính.

Thiết kế cơ khí và cơ cấu chấp hành

  • Khung thân robot: Hệ thống sử dụng khung nhôm định hình kết hợp các tấm gá bằng vật liệu mica gia công bằng phương pháp cắt laser và in 3D. Cơ cấu chuyển động dọc 3 trục $X, Y, Z$ sử dụng ray dẫn hướng con trượt vuông, trục trơn và cơ cấu trục visme bước dẫn (lead) $2\text{ mm}$ kết hợp pully đai răng GT2 để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến tuyến tính.
  • Cơ cấu tay gắp (End-effector): Được bố trí tại khâu thứ 3 (khâu cuối). Tay gắp liên kết với trục $Z$ thông qua một khớp quay điều khiển bởi servo MG996R nhằm xoay góc định hướng linh kiện theo đúng thiết kế chân cắm trên board mạch. Một động cơ servo thứ hai điều khiển cơ cấu kẹp (jaw) để thực hiện thao tác kẹp chặt hoặc nhả thân linh kiện.

Mô hình hóa động học

Phương trình động học thuận được xác lập từ tích các ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ từ gốc ${0}$ đến khâu cuối ${E}$: $$T_0^E = A_1 \cdot A_2 \cdot A_3 \cdot A_4 = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 & a_1 - d_1 \ -1 & 0 & 0 & d_2 \ 0 & 0 & -1 & d_3 + d_e \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$

Hệ phương trình động học nghịch được giải để tìm các biến khớp tịnh tiến $d_1, d_2, d_3$ từ tọa độ điểm tác động cuối mong muốn $P(P_x, P_y, P_z)$: $$\begin{cases} a_1 - d_1 = P_x \implies d_1 = a_1 - P_x \ d_2 = P_y \ d_3 + d_e = P_z \implies d_3 = P_z - d_e \end{cases}$$

Cấu hình phần cứng và mã nguồn điều khiển

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển vòng hở (open-loop). ESP32 tạo chuỗi xung vuông cấp đến các chân PUL và mức logic điều khiển hướng tại chân DIR của driver TB6600 để định vị các trục bước, đồng thời băm xung PWM điều khiển góc quay của servo tay gắp.

Các thông số cấu hình và định nghĩa phần cứng trong mã nguồn C trên ESP32:

#define STEPPER_PULSE_GPIO_1    /* Chân xung trục X */
#define STEPPER_PULSE_GPIO_2    /* Chân xung trục Y */
#define STEPPER_PULSE_GPIO_3    /* Chân xung trục Z */
#define STEPPER_DIR_GPIO_1      /* Chân chiều trục X */
#define STEPPER_DIR_GPIO_2      /* Chân chiều trục Y */
#define STEPPER_DIR_GPIO_3      /* Chân chiều trục Z */
#define SERVO_PULSE_GPIO_1      /* Chân PWM Servo xoay */
#define SERVO_PULSE_GPIO_2      /* Chân PWM Servo kẹp */

/* Các hằng số điều khiển hệ thống */
#define UART_PORT_NUM                  (1)
#define UART_BAUD_RATE                 (115200)
#define SERVO_TIMEBASE_RESOLUTION_HZ   (1000000)
#define SERVO_TIMEBASE_PERIOD          (20000)
#define STEP_PER_REV                   (200)
#define LEAD                           (2)
#define STANDARD_PULSE_WIDTH           (500)
#define DISTANCE_Z                     (1080)
#define PULSE_Z                        (DISTANCE_Z / LEAD * STEP_PER_REV)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày tổng quan về thực trạng ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới và tại Việt Nam. Phân tích sự cần thiết của việc tự động hóa công đoạn lắp ráp board mạch điện tử nhằm giải quyết bài toán chi phí nhân công và độ chính xác thao tác. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống robot gắp linh kiện chi phí thấp, đưa ra sơ đồ bố trí tổng thể cụm robot lắp mạch và xác lập các giới hạn kỹ thuật cụ thể (áp dụng cho mạch 1 lớp, dưới 30 linh kiện cắm, độ chính xác lặp lại $\pm 0.5\text{ mm}$).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Đi sâu phân tích, so sánh ưu nhược điểm của 4 phương pháp điều khiển (Máy tính, PLC, Vi điều khiển, Khí cụ điện) và lập luận việc lựa chọn vi điều khiển ESP32 cùng framework ESP-IDF. Trình bày chi tiết cấu trúc phần cứng, kiến trúc vi xử lý Xtensa LX6, tập lệnh và các khối chức năng của ESP32. Khảo sát nguyên lý hoạt động, cấu tạo bên trong và thông số kỹ thuật của các linh kiện: nguồn tổ ong 12V-3A, động cơ bước NEMA 17, mạch công suất driver TB6600, động cơ servo MG996R, cùng các phụ kiện cơ khí (ray trượt, trục visme, đai răng GT2, mica). Trình bày cơ sở lý thuyết của giao thức UART và cấu trúc khung truyền dữ liệu.

Chương 3: Thiết kế tay máy robot

Mô tả toàn bộ quy trình thiết kế mô hình 3D của khung robot và cụm tay gắp trên phần mềm Autodesk Fusion 360, quy trình gia công chi tiết cơ khí và lắp ráp thực tế. Thiết lập bài toán động học thuận và động học nghịch bằng phương pháp Denavit – Hartenberg, tính toán các ma trận biến đổi thuần nhất. Trình bày sơ đồ kết nối dây giữa vi điều khiển ESP32, 3 driver TB6600, 3 động cơ bước và 2 động cơ servo. Xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình nhúng trên ESP32 và triển khai giao diện phần mềm điều khiển trên máy tính nhận diện cổng COM, kết nối UART và xử lý tệp .csv.

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Trình bày các sản phẩm phần cứng thực tế sau khi chế tạo, bao gồm khung robot hoàn chỉnh và cụm tay gắp hoạt động đa hướng. Thiết lập sơ đồ bố trí mặt bằng chạy thử nghiệm thực tế. Tiến hành vận hành kiểm thử quy trình gắp và cắm trên 5 nhóm linh kiện điện tử cắm phổ biến: điện trở vòng màu, tụ điện (tụ hóa), đèn LED, relay và transistor. Đánh giá khả năng hoạt động ổn định và độ chính xác định vị của hệ thống.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết các kết quả kỹ thuật đã đạt được của đề tài, đối chiếu với các mục tiêu ban đầu về độ chính xác, khả năng vận hành và chi phí chế tạo. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm cải tiến và nâng cấp hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Khóa luận đã hoàn thiện việc chế tạo và tích hợp hệ thống tay máy robot 3-DOF với kết quả vận hành được ghi nhận qua các bảng số liệu chạy thử:

Loại linh kiện thử nghiệm Đặc điểm linh kiện Kết quả thao tác gắp và cắm Ghi nhận hoạt động
Điện trở vòng màu 2 chân cắm thẳng, kích thước thân nhỏ Hoàn thành đúng vị trí lỗ mạch Tay kẹp giữ chắc thân điện trở, xoay đúng góc thiết kế
Tụ điện (tụ hóa) Thân trụ tròn, 2 chân phân cực Hoàn thành đúng vị trí lỗ mạch Căn chỉnh chuẩn chiều cắm theo tọa độ xuất từ file .csv
Đèn LED Thân bán cầu nhỏ, 2 chân Hoàn thành đúng vị trí lỗ mạch Lực kẹp của servo MG996R vừa đủ, không làm biến dạng linh kiện
Relay Khối hộp, nhiều chân cắm cố định Hoàn thành đúng vị trí lỗ mạch Tay gắp định vị chính xác khoảng cách các chân cắm
Transistor 3 chân cắm hẹp (TO-92) Hoàn thành đúng vị trí lỗ mạch Độ chính xác đạt dung sai thiết kế $\pm 0.5\text{ mm}$

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Chế tạo thành công mô hình tay máy robot tọa độ Descartes 3 bậc tự do chuyên dụng cho tác vụ cắm linh kiện điện tử với giá thành thấp, sử dụng các vật liệu và linh kiện sẵn có trên thị trường trong nước (nhôm định hình, mica cắt laser, động cơ bước NEMA 17, ESP32).
  • Giải quyết hoàn chỉnh bài toán động học thuận/nghịch cho robot cấu hình 3 khớp trượt bằng phương pháp toán học D-H, đảm bảo việc quy đổi tọa độ từ không gian làm việc sang số xung điều khiển động cơ một cách chính xác.
  • Xây dựng giải pháp tích hợp phần mềm liền mạch: trích xuất trực tiếp tọa độ linh kiện từ file Pick and Place của phần mềm thiết kế mạch (Altium/Proteus) và truyền tự động qua giao tiếp UART xuống vi điều khiển ESP32 xử lý thời gian thực.
  • Chứng minh tính khả thi của việc làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo robot tự động hóa công đoạn lắp ráp mạch in quy mô nhỏ tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Cơ chế điều khiển vòng hở: Hệ thống điều khiển động cơ bước và servo chưa tích hợp cảm biến hồi tiếp vị trí thực tế của đầu gắp (chưa có encoder hồi tiếp vị trí khâu chấp hành), do đó có nguy cơ tích lũy sai số nếu xảy ra hiện tượng trượt bước khi mang tải hoặc chuyển động tốc độ cao.
  • Giới hạn loại mạch và mật độ linh kiện: Robot mới chỉ được thử nghiệm trên mạch in 01 lớp với các linh kiện dạng cắm xuyên lỗ (through-hole); chưa hỗ trợ linh kiện dán bề mặt (SMD) và các mạch in nhiều lớp có mật độ chân cắm siêu nhỏ. Giới hạn số lượng linh kiện xử lý dưới 30 linh kiện/mạch.
  • Chưa khép kín công đoạn hàn: Hệ thống chỉ dừng lại ở khâu gắp và đặt chân linh kiện vào lỗ bo mạch, chưa tích hợp cơ cấu hàn tự động trên cùng một hệ thống.
  • Khả năng tự thích ứng cơ khí: Cơ cấu tay kẹp cơ học chưa có cảm biến lực, độ mở ngàm kẹp cố định theo hành trình servo nên khả năng thích ứng với các linh kiện có hình dạng đặc thù còn hạn chế.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp hệ thống điều khiển lên cấu trúc vòng kín (closed-loop) bằng cách bổ sung thước đo tuyến tính hoặc encoder hồi tiếp vị trí cho các trục trượt nhằm triệt tiêu sai số trượt bước.
  • Tích hợp hệ thống thị giác máy tính (Camera / Computer Vision) để tự động nhận diện góc xoay thực tế, vị trí sai lệch của linh kiện trong khay chứa và tự động hiệu chỉnh tọa độ trước khi cắm.
  • Mở rộng chức năng để thao tác được với các linh kiện dán bề mặt (SMD) thông qua việc phát triển đầu hút chân không (vacuum nozzle).
  • Tích hợp thêm module hàn nhiệt tự động để hoàn thiện dây chuyền sản xuất mạch in khép kín.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, học viên và các kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Máy tính, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử – Viễn thông.

Nội dung đề tài có giá trị tham khảo cụ thể ở các phần:

  • Thiết kế cơ khí và mô hình hóa 3D: Cung cấp phương pháp thiết kế khung robot Descartes và cơ cấu tay gắp linh kiện điện tử trên phần mềm Autodesk Fusion 360, tối ưu hóa cho quy trình gia công cắt laser mica và in 3D giá thành thấp.
  • Cơ sở toán học robot: Cung cấp phương pháp thiết lập bảng thông số D-H và giải hệ phương trình ma trận thuần nhất cho robot 3 khớp trượt, làm tài liệu tham khảo tốt cho các đề tài về tính toán động học robot.
  • Kỹ thuật lập trình nhúng thời gian thực: Tài liệu cung cấp cấu trúc chương trình điều khiển động cơ bước và servo sử dụng framework ESP-IDF trên nền vi điều khiển ESP32, ứng dụng FreeRTOS và giao thức truyền thông nối tiếp UART tốc độ cao.
  • Xử lý dữ liệu sản xuất: Phương pháp đọc và chuyển đổi tệp dữ liệu Pick and Place (.csv) từ phần mềm CAD điện tử (Altium, Proteus) thành tập lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng cấu trúc động học nào cho tay máy và phương pháp toán học nào để tính toán vị trí?
Khóa luận thiết kế tay máy robot 3 bậc tự do (3-DOF) với cấu hình 3 khớp trượt thẳng ($PPP$) chuyển động tịnh tiến theo 3 trục $X, Y, Z$ trong không gian làm việc hình hộp chữ nhật, kết hợp một khớp xoay tại khâu cuối cho tay gắp. Tác giả sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg (D-H) với 5 hệ trục tọa độ khâu để xây dựng các ma trận biến đổi thuần nhất $4 \times 4$ ($A_1$ đến $A_4$), từ đó thiết lập phương trình động học thuận và giải hệ phương trình động học nghịch để quy đổi tọa độ $(P_x, P_y, P_z)$ thành các biến khớp tịnh tiến $d_1, d_2, d_3$.

2. Lý do tác giả chọn vi điều khiển ESP32 thay vì máy tính công nghiệp hoặc PLC là gì?
Qua phân tích so sánh, máy tính công nghiệp (kèm card mở rộng) và bộ điều khiển lập trình PLC có độ ổn định cao nhưng giá thành rất đắt, kích thước cồng kềnh và chi phí bảo trì lớn. Vi điều khiển ESP32 được chọn vì có giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn, sở hữu vi xử lý lõi kép 32-bit tốc độ cao (160–240 MHz), tích hợp sẵn nhiều ngoại vi phát xung PWM, UART, đồng thời hỗ trợ framework ESP-IDF với hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS, đáp ứng đầy đủ yêu cầu điều khiển chuyển động đa trục chính xác với chi phí tối ưu.

3. Hệ thống phần cứng chấp hành của robot bao gồm những linh kiện cụ thể nào?
Phần cứng chấp hành bao gồm: 03 động cơ bước NEMA 17 (góc bước $1.8^\circ$, dòng $1.0\text{ A/pha}$) kết hợp cùng 03 mạch điều khiển driver TB6600 để truyền động cho 3 trục tịnh tiến $X, Y, Z$ thông qua cơ cấu trục visme bước dẫn $2\text{ mm}$ và ray trượt; 02 động cơ servo MG996R (nhông kim loại, lực kéo $9.4 - 11\text{ kg}\cdot\text{cm}$) bố trí tại khâu cuối để đảm nhiệm chức năng xoay định hướng góc cắm và đóng/mở ngàm kẹp linh kiện; toàn bộ hệ thống được cấp nguồn bởi bộ nguồn tổ ong 12V – 3A.

4. Dữ liệu vị trí cắm linh kiện được đưa vào hệ thống và xử lý như thế nào?
Dữ liệu đầu vào là tệp Pick and Place (định dạng .csv) được xuất trực tiếp từ các phần mềm thiết kế mạch in như Altium Designer hoặc Proteus, chứa thông tin tọa độ $(X, Y)$ và góc xoay của từng linh kiện trên board mạch. Phần mềm trên máy tính xử lý tệp này và gửi các gói dữ liệu qua cổng COM sử dụng giao thức UART (thông qua chip chuyển đổi USB-UART PL2303 ở tốc độ 115200 baud) xuống vi điều khiển ESP32. ESP32 nhận dữ liệu, tính toán số xung bước cần thiết cho từng trục, xuất xung điều khiển động cơ đưa tay gắp đến đúng vị trí, thực hiện cắm linh kiện và gửi tín hiệu phản hồi về máy tính khi hoàn thành.

5. Khóa luận đã thử nghiệm thành công trên những loại linh kiện nào và độ chính xác đạt bao nhiêu?
Hệ thống đã được chạy thử nghiệm thực tế và hoàn thành thao tác gắp, định hướng và cắm chính xác trên 5 nhóm linh kiện điện tử cắm xuyên lỗ phổ biến gồm: điện trở vòng màu, tụ điện (tụ hóa), đèn LED, relay và transistor. Độ chính xác lặp lại của cánh tay robot đạt mức $\pm 0.5\text{ mm}$, đáp ứng đúng yêu cầu thiết kế ban đầu cho các mạch in đơn lớp có mật độ dưới 30 linh kiện.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Nhật Minh đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống tay máy robot 3-DOF chuyên dụng cho công đoạn gắp và lắp ráp linh kiện điện tử trên mạch in một lớp. Đề tài kết hợp thành công mô hình toán học động học Denavit – Hartenberg, phần cứng điều khiển nhúng dựa trên vi điều khiển ESP32, cơ cấu chấp hành động cơ bước/servo và phần mềm máy tính đọc dữ liệu thiết kế EDA qua giao tiếp UART. Kết quả thử nghiệm thực tế trên 5 loại linh kiện điện tử cơ bản cho thấy hệ thống vận hành ổn định, đạt độ chính xác lặp lại $\pm 0.5\text{ mm}$ với chi phí chế tạo thấp, đóng góp một giải pháp khả thi trong việc tự động hóa công đoạn lắp ráp mạch và làm chủ công nghệ điều khiển robot tại Việt Nam.