Đồ Án Tốt Nghiệp: Ứng Dụng Robot Gantry Tự Động Hóa Pick And Place Hộp Thuốc

Khám phá đồ án tốt nghiệp về robot gantry tự động hóa quy trình pick and place hộp thuốc, ứng dụng công nghệ trong ngành dược phẩm.

• Tác giả: Huynh Phuoc Bao
• Người hướng dẫn: Associate Professor PhD. Ngo Van Thuyen
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Automation and Control Engineering Technology
• Đề tài: Pick and Place Medicine Box with Gantry Robot
• Loại tài liệu: Graduation thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENTS
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: OVERVIEW
• 1.1. Introduction
• 1.2. Statement of the problem
• 1.3. Objectives of the Thesis
• 1.4. Scopes of the Thesis
• 1.5. Research methods
• 1.6. Layout of the report
• 2. CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS
• 2.1. Types of pharmaceutical storage facilities
• 2.1.1. Cold Storage
• 2.1.2. Regular Storage
• 2.1.3. Dry Storage
• 2.1.4. Secure Storage
• 2.1.5. Storage by Dosage Form
• 2.2. Methods of medicine management
• 2.2.1. Manual Inventory
• 2.2.2. Pharmaceutical Management Software (ERP)
• 2.2.3. Robot method
• 3. CHAPTER 3: HARDWARE DESIGN
• 3.1. The design process
• 3.2. Choosing a solution for conveyor belt operation
• 3.3. Criteria for electrical design
• 4. CHAPTER 4: SOFTWARE DESIGN
• 4.1. Software design process
• 4.2. PLC program requirements
• 4.3. Programming PLC control
• 4.4. Overview of the program
• 4.5. Designing the HMI interface
• 4.6. Overview of the main screen
• 4.7. Configuration for PLC
• 4.8. Configuration for driver
• 4.9. Velocity adjustment for XY axis
• 5. CHAPTER 5: EXECUTION RESULT
• 5.1. The system operations
• 5.2. Operation of the system via HMI
• 5.3. Video results of the system
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSION & DEVELOPMENT DIRECTIONS

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào việc thiết kế và phát triển một hệ thống robot gantry để tự động hóa quy trình pick and place các hộp thuốc. Hệ thống này nhằm mục đích tối ưu hóa quản lý kho dược phẩm, giảm thiểu sai sót do con người và nâng cao hiệu quả hoạt động trong các cơ sở y tế. Robot gantry được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ một cách chính xác và nhất quán, đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và cải thiện chất lượng dịch vụ y tế.

1.1. Vấn đề nghiên cứu

Việc quản lý kho dược phẩm thủ công gặp nhiều thách thức như sai sót trong nhập xuất, tốn nhiều thời gian và công sức. Hệ thống tự động hóa sử dụng robot gantry được đề xuất để giải quyết các vấn đề này, đặc biệt là trong việc phân loại, lưu trữ và quản lý kho dược phẩm.

1.2. Mục tiêu của đồ án

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và lắp ráp thành công một mô hình robot gantry có khả năng thực hiện các chức năng như nhận diện sản phẩm qua mã vạch, điều khiển và giám sát qua màn hình HMI, đồng thời tối ưu hóa không gian lưu trữ và quy trình vận hành.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các phương pháp lưu trữ dược phẩm phổ biến, bao gồm lưu trữ lạnh, lưu trữ thường và lưu trữ khô. Đồng thời, các giao thức truyền thông như EtherCAT được giới thiệu để đảm bảo sự tương tác liền mạch giữa các thành phần trong hệ thống.

2.1. Phương pháp quản lý dược phẩm

Các phương pháp quản lý dược phẩm bao gồm quản lý thủ công, phần mềm ERP và sử dụng robot. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, trong đó robot công nghiệp được đánh giá cao về khả năng tăng cường độ chính xác và hiệu quả.

2.2. Giao thức truyền thông

Các giao thức như EtherCAT và MQTT được sử dụng để kết nối các thiết bị trong hệ thống, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu nhanh chóng và ổn định.

III. Thiết kế phần cứng

Chương này tập trung vào quá trình thiết kế phần cứng cho mô hình robot gantry, bao gồm việc lựa chọn các thành phần như động cơ, cảm biến và bộ điều khiển PLC. Các tiêu chí thiết kế điện cũng được đề cập để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Lựa chọn giải pháp

Các giải pháp cho băng tải và hệ thống truyền động được phân tích để chọn ra phương án tối ưu nhất, đảm bảo khả năng vận hành liên tục và ổn định.

3.2. Thiết kế điện

Các tiêu chí thiết kế điện bao gồm việc lựa chọn nguồn điện, thiết kế mạch điều khiển và tích hợp các cảm biến để giám sát hoạt động của hệ thống.

IV. Thiết kế phần mềm

Phần mềm được thiết kế để lập trình PLC và phát triển giao diện HMI, đảm bảo sự tương tác liền mạch giữa người dùng và hệ thống. Các yêu cầu lập trình và cấu hình cho PLC và driver được trình bày chi tiết.

4.1. Lập trình PLC

Các yêu cầu lập trình PLC bao gồm việc điều khiển chuyển động của robot gantry, xử lý tín hiệu từ cảm biến và quản lý quy trình nhập xuất dược phẩm.

4.2. Thiết kế giao diện HMI

Giao diện HMI được thiết kế để hiển thị thông tin hệ thống, cho phép người dùng điều khiển và giám sát hoạt động của robot gantry một cách trực quan.

V. Kết quả thực hiện

Chương này trình bày các kết quả đạt được từ hệ thống, bao gồm hoạt động của robot gantry, giao diện điều khiển HMI và các video mô phỏng quá trình vận hành. Các kết quả thử nghiệm nhập xuất dược phẩm cũng được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống.

5.1. Hoạt động của hệ thống

Hệ thống được vận hành thông qua giao diện HMI, cho phép người dùng điều khiển robot gantry một cách dễ dàng và chính xác.

5.2. Kết quả thử nghiệm

Các kết quả thử nghiệm nhập xuất dược phẩm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa thời gian vận hành.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và lắp ráp một mô hình robot gantry tự động hóa quy trình pick and place hộp thuốc. Hệ thống mang lại nhiều lợi ích như tăng cường độ chính xác, tiết kiệm thời gian và giảm thiểu sai sót. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm nâng cao khả năng tải trọng và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

6.1. Kết luận

Hệ thống robot gantry đã chứng minh hiệu quả trong việc tự động hóa quy trình quản lý dược phẩm, mang lại nhiều lợi ích cho các cơ sở y tế.

6.2. Hướng phát triển

Các hướng phát triển bao gồm tích hợp thêm các công nghệ như AI và IoT để nâng cao khả năng tự động hóa và mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Quản lý kho dược phẩm tại các cơ sở y tế Việt Nam vẫn phụ thuộc nặng vào thao tác thủ công, và hệ quả được ghi nhận rất rõ trong tài liệu này. Theo số liệu Bộ Y tế 2023 được nhóm tác giả trích dẫn, 15% thuốc tại nhà thuốc hết hạn hằng năm; Bệnh viện Bạch Mai phải hủy 10% lượng thuốc mỗi năm do hư hỏng hoặc quá hạn; tình trạng thiếu thuốc chuyên khoa tại Bệnh viện Chợ Rẫy năm 2023 làm 8% bệnh nhân bị trì hoãn điều trị. WHO ghi nhận 50% sai sót thuốc bắt nguồn từ yếu tố con người và khoảng 30% thuốc lưu kho không được sử dụng hiệu quả.

Đồ án tốt nghiệp "Pick and Place Medicine Box with Gantry Robot" (Khoa Đào tạo Chất lượng cao – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, tháng 6/2024) do Huỳnh Phước Bảo (MSSV 20151256) và Trần Tiến Đạt (MSSV 20151266) thực hiện dưới hướng dẫn của PGS.TS. Ngô Văn Thuyên, giải quyết trực tiếp bài toán này.

Vấn đề đặt ra (Statement of the problem): nghiên cứu và thiết kế một hệ thống robot di động linh hoạt có khả năng xuất – nhập thuốc theo yêu cầu, chấp nhận nhiều kích thước hộp thuốc khác nhau nhằm nâng cao năng suất cho người vận hành.

Mục tiêu cụ thể của đồ án:

1. Nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp thành công mô hình robot xử lý hàng hóa.
2. Nhập hàng liên tục (continuous loading) và xuất hàng liên tục (continuous unloading).
3. Nhận diện hàng hóa bằng mã vạch (barcode-based item recognition).
4. Điều khiển và giám sát toàn hệ thống qua màn hình HMI.

Phạm vi và giới hạn: mô hình được thu nhỏ (scaled-down) so với hệ AS/RS công nghiệp — sức chứa và tải trọng giảm đáng kể — nhằm tập trung vào giải pháp chi phí thấp cho ứng dụng quy mô nhỏ và vừa, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Nhóm tác giả so sánh ba phương pháp quản lý thuốc, kết quả tổng hợp từ Bảng 2.1–2.3 của đồ án:

Phương pháp	Ưu điểm	Nhược điểm
Thủ công (Manual Inventory)	Không cần đầu tư công nghệ cao; dễ triển khai cho kho nhỏ	Dễ sai sót nhập số lượng/thông tin; tốn thời gian và nhân lực; khó kiểm soát tồn kho chính xác
Phần mềm ERP	Quản lý toàn bộ quy trình mua – tồn – bán; giảm sai sót; xuất báo cáo phân tích	Chi phí đầu tư và bảo trì rất cao; hệ thống phức tạp, cần nhân sự trình độ cao; thời gian triển khai dài
Robot (AS/RS)	Xuất/nhập nhanh, liên tục, hoạt động 24/7; theo dõi tồn kho chi tiết và cập nhật tức thời; giảm tai nạn lao động và phơi nhiễm hóa chất độc	Chi phí mua và lắp đặt cao; bảo trì tốn kém; có nguy cơ lỗi kỹ thuật; cần đào tạo vận hành

Gap analysis: ERP giải quyết lớp dữ liệu nhưng không giải quyết lớp vật lý — thao tác lấy/đặt thuốc vẫn do con người thực hiện, tức là 50% sai sót do yếu tố người theo WHO vẫn tồn tại. Cơ hội mà đồ án khai thác chính là tự động hóa lớp vật lý và ghép nó với truy xuất mã vạch.

Về lựa chọn cấu hình robot, nhóm so sánh ba kiến trúc (Bảng 3.1):

Loại robot	Ưu điểm	Nhược điểm
SCARA	Tốc độ cao, phù hợp lắp ráp/phân loại nhanh; thiết kế 4 trục gọn	Không phù hợp vùng làm việc rộng; độ chính xác pick-and-place hạn chế
Delta	Tốc độ rất cao; kết cấu đơn giản, dễ bảo trì	Tầm với bị giới hạn bởi chiều dài cánh tay; cố định trên cao, thiếu linh hoạt lắp đặt
Gantry	Di chuyển trên diện tích lớn; khung cứng vững + điều khiển chính xác → độ chính xác đặt/lấy cao	Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn; đòi hỏi lắp ráp chính xác

→ Quyết định: chọn Gantry Robot 3 trục XYZ vì tối ưu không gian lưu trữ, độ chính xác cao và khả năng bao phủ vùng làm việc rộng.

Thiết kế hệ thống

Đặc tả tải (design object): 7 loại hộp thuốc từ 38×38×16 mm – 20 g đến 88×55×20 mm – 90 g, mỗi hộp gắn barcode chứa thông tin sản phẩm.

Khay chứa thuốc (pill container): vật liệu acrylic, kích thước tổng 300×300×50 mm, chia 11 ngăn: 4 ngăn 57×57 mm, 3 ngăn 110×88.5 mm, 2 ngăn 92.5×57 mm, 1 khe 113 mm cho đầu vào băng tải và 1 khoảng 123 mm để robot thả thuốc.

Kiến trúc cơ khí: khung nhôm định hình, ba trục dẫn động bằng vít me T8 (lead 8 mm, độ phân giải 2 mm) kết hợp thanh trượt tuyến tính. Hành trình: X = 600 mm, Y = 500 mm, Z = 250 mm.

Lựa chọn cơ cấu truyền động dựa trên Bảng 3.2 — rack & pinion (độ chính xác hạn chế, ồn), đai/trục vít (chính xác giảm khi đai chùng, cần hiệu chỉnh định kỳ), lead screw (độ chính xác cao, ồn thấp, lực truyền và khả năng chịu tải lớn; nhược điểm là tỉ số truyền cố định và cần bôi trơn định kỳ) → chọn lead screw.

Tính toán chọn động cơ (thông số Bảng 3.4): vận tốc bàn máy tối đa V_L = 0.4 m/s; khối lượng bàn + tải: X = 6 kg, Y ≈ 3 kg, Z ≈ 1.9 kg; hệ số ma sát µ = 0.1; khối lượng riêng vít me ρ = 7850 kg/m³; thời gian tăng/giảm tốc t₁ = t₃ = 0.1 s; hệ số an toàn S_f = 1.7; hệ số bù backlash/môi trường K = 1.75.

Tốc độ động cơ:      N_M = 60 × V_L / P_B = 60 × 0.4 / 0.008 = 3000 (r/min)
Lực dọc trục:        F₀  = m × g × (sinθ + µ·cosθ)
Mô men tải quy đổi:  T_L = (F × P_B)/(2π·η) + (µ₀ × F′ × P_B)/(2π)
Mô men quán tính:    J_screw = ½ · m_S · r² ,  J_m = m · (P_B/2π)²
Mô men tải hiệu chỉnh: T_L′ = T_L × S_f

Với r = d/2 = 4 mm, khối lượng vít me tính được lần lượt ≈ 0.237 kg (X, 600 mm), 0.1973 kg (Y, 500 mm) và 0.0986 kg (Z, 250 mm). Tỉ số quán tính (inertia ratio) thu được: X ≈ 795%, Y ≈ 549%, Z ≈ 142% — đều nằm trong dải cho phép 0–2000% của động cơ. Mô men tăng/giảm tốc yêu cầu ở cả ba trục đều thấp hơn mô men tức thời cực đại 3.81 N·m của động cơ đã chọn.

Technology stack phần cứng:

Thành phần	Model	Thông số chính
PLC	LeadShine MC500	Motion Control, hỗ trợ EtherCAT master
Servo driver ×3	LeadShine EL8-EC400F	220VAC 1ph/3ph, 400 W, command source EtherCAT, 8 input / 3 output
Servo motor ×3	LeadShine ELM1H-0400MA60E	220 VAC, rated 1.27 N·m (peak 3.81), 3000 rpm / peak 5000 rpm, encoder từ 23-bit
Nguồn	Omron S8VK-C24024	vào 100–240 VAC / 90–350 VDC, ra 24 VDC – 10 A
Bảo vệ	CB MP6-C232	chống quá tải, ngắn mạch
Cơ cấu gắp	Bơm chân không mini 12–24 V	hút hộp thuốc
Ngoại vi	Cảm biến quang, limit switch con lăn ×3, relay Omron 24 VDC, băng tải DC mini, module WiFi Mercury	homing, phát hiện hộp, cấp phôi
Phần mềm	MotionStudio (cấu hình driver) + HMI	scaling trục, homing, limit torque, accel/decel

Lựa chọn giao thức truyền thông: nhóm khảo sát Modbus RTU/TCP, Ethernet/IP, PROFINET, CANopen và EtherCAT. Do yêu cầu tốc độ và độ chính xác định vị cao, hệ thống chọn EtherCAT — cho phép mở rộng số node mà không suy giảm hiệu năng, phù hợp motion control đa trục đồng bộ.

Encoder 23-bit cho độ phân giải 8.388.608 xung/vòng; với lead 8 mm, độ phân giải lý thuyết theo trục đạt cỡ ~10⁻⁶ mm/xung, dư sức cho dung sai định vị của bài toán pick-and-place hộp thuốc.

Methodology

Quy trình thiết kế phần cứng gồm 5 bước tường minh:

1. Thu thập thông tin và yêu cầu kỹ thuật.
2. Xác định các giải pháp và công nghệ khả dĩ.
3. Xây dựng sơ đồ tổng thể và block diagram toàn hệ thống, từ đó chọn vật tư – thiết bị phù hợp.
4. Đánh giá và tinh chỉnh thiết kế, kiểm thử kỹ lưỡng, hiệu chỉnh để tối ưu hiệu suất – độ tin cậy – an toàn.
5. Lắp ráp và hoàn thiện hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu: tổng hợp tài liệu từ IEEE Xplore, ScienceDirect, SpringerLink; nghiên cứu tài liệu hướng dẫn của các hãng sản xuất hàng đầu; khảo sát thực địa các mô hình kho robot đang vận hành trong công nghiệp; sau đó thiết kế chương trình điều khiển mới. Đồ án có sự hỗ trợ thực tế từ Công ty PROSST (ông Lương Công Trinh, ông Vũ Tuấn Sơn cùng đội ngũ kỹ sư).

Tiêu chí chọn thiết bị điện: hoạt động ổn định ở mức yêu cầu, linh hoạt với nhiều tác vụ, tương thích với các thành phần khác, kích thước phù hợp không gian làm việc, và chi phí hợp lý — cân bằng giữa giá trị và chất lượng.

Implementation và kết quả

Quy trình công nghệ

Quy trình nhập kho (Import — Hình 2.9):

Đặt hàng lên băng tải → Qua đầu đọc barcode → Kích hoạt cảm biến
  → Robot di chuyển đến vị trí thuốc → Gắp hộp thuốc
    → Đặt vào ô lưu trữ → Cập nhật tồn kho

Quy trình xuất kho (Export — Hình 2.10):

Lệnh xuất từ màn hình điều khiển → Robot thực thi yêu cầu
  → Robot di chuyển đến ô cần lấy → Gắp thuốc → Đặt lên băng tải
    → Cập nhật tồn kho → Robot về vị trí standby

Phát triển phần mềm

Chương 4 triển khai lập trình PLC và thiết kế giao diện HMI. Các bước cấu hình then chốt trên MotionStudio bao gồm:

• Homing switching input — thiết lập gốc tọa độ cho ba trục qua roller limit switch.
• Limit torque parameters — giới hạn mô men để tránh kẹt/va chạm làm hỏng hộp thuốc.
• Scaling configuration of axis — quy đổi xung encoder sang mm theo lead 8 mm.
• Axis limit — giới hạn mềm hành trình 600/500/250 mm.
• Velocity limit và acceleration/deceleration time — hiệu chỉnh vận tốc trục XY theo profile V-t (t₁ = t₃ = 0.1 s).

HMI cung cấp màn hình chính hiển thị vị trí, trạng thái và số lượng hàng trong kho, đồng thời cho phép phát lệnh nhập/xuất. Đồ án có danh sách cảnh báo thường gặp (Frequent alarm list — Bảng 3.11) phục vụ chẩn đoán sự cố khi vận hành.

Testing và validation

Chương 5 trình bày kết quả thực nghiệm với hai bộ dữ liệu riêng biệt: Experimental results Import (Bảng 5.1) và Experimental results Export (Bảng 5.2), kèm khảo sát khả năng chịu tải của robot (Robot's load-bearing capacity). Các kịch bản kiểm thử đã chạy gồm: nạp hộp thuốc lên băng tải đúng tư thế, robot nạp hàng vào khay chứa, xuất hàng liên tục, và vận hành toàn hệ thống qua HMI. Kết quả thực tế được công bố kèm mã QR dẫn tới video demo ở cuối báo cáo — một cách xác thực kết quả đáng chú ý, cho phép người đọc kiểm chứng độc lập thay vì chỉ tin vào ảnh tĩnh.

Kết quả đạt được

So với 4 mục tiêu ban đầu, hệ thống hoàn thiện gồm: mô hình Gantry 3 trục XYZ thực tế đã lắp ráp, ba driver nối EtherCAT daisy-chain hoạt động đồng bộ, chức năng nhập – xuất liên tục, nhận diện barcode và giao diện HMI vận hành đầy đủ.

Đổi mới và đóng góp

1. Kiến trúc EtherCAT cho mô hình học thuật quy mô nhỏ. Phần lớn đồ án pick-and-place cùng cấp dùng step motor + driver xung/hướng hoặc Modbus RTU. Việc chọn EL8-EC400F + MC500 qua EtherCAT đưa mô hình lên chuẩn công nghiệp thật, với phản hồi vị trí encoder 23-bit thay vì điều khiển vòng hở.

2. Đồng thiết kế cơ khí – tải trọng. Khay 11 ngăn với 3 nhóm kích thước được thiết kế ngược từ đúng 7 loại hộp thuốc thực tế, thay vì dùng ô đồng nhất. Cách này cho phép chứa hộp lớn 110×88.5 mm mà không lãng phí diện tích cho hộp nhỏ 38×38 mm.

3. Tính toán chọn động cơ có kiểm chứng định lượng. Cả ba trục đều được xác minh hai điều kiện: tỉ số quán tính (795% / 549% / 142% < 2000%) và mô men tăng tốc < 3.81 N·m. Trục Z còn được tính riêng cho hai chiều nâng và hạ (T_LD âm khi hạ, T_LU dương khi nâng) — chi tiết thường bị bỏ qua ở cấp đồ án.

4. So sánh có bảng biểu ở mọi quyết định thiết kế. Sáu bảng so sánh (phương pháp quản lý, loại robot, cơ cấu truyền động, giao thức) khiến mỗi lựa chọn đều truy nguyên được lý do, thay vì quyết định theo cảm tính.

So với hai giải pháp hiện hữu:

Tiêu chí	Quản lý thủ công	Phần mềm ERP	Gantry Robot (đồ án)
Lớp giải quyết	Vật lý (người)	Dữ liệu	Vật lý + dữ liệu
Sai sót do người	Cao	Trung bình	Thấp
Thời gian vận hành	Theo ca	24/7 (dữ liệu)	24/7 (vật lý)
Chi phí đầu tư	Rất thấp	Rất cao	Trung bình
Cập nhật tồn kho	Trễ, thủ công	Tức thời	Tức thời, gắn thao tác thật

Ứng dụng thực tế và triển khai

Use case chính: kho thuốc bệnh viện quy mô vừa, nhà thuốc chuỗi, kho vật tư y tế, tủ thuốc bảo mật chứa thuốc gây nghiện và hướng thần — nơi giá trị lớn nhất của robot là loại bỏ phơi nhiễm của nhân viên với dược chất độc hại và tạo dấu vết truy xuất (traceability) đầy đủ cho từng lần lấy thuốc.

Yêu cầu triển khai: nguồn 220 VAC 1 pha, tủ điện có CB MP6-C232 và nguồn 24 VDC-10 A, mạng EtherCAT nội bộ giữa MC500 và 3 driver EL8, không gian đặt khung tối thiểu tương ứng hành trình 600×500×250 mm cộng vùng an toàn.

Khả năng mở rộng: EtherCAT cho phép thêm node mà không suy giảm hiệu năng — có thể mở rộng lên nhiều khay chứa, thêm trục hoặc thêm băng tải mà giữ nguyên kiến trúc phần mềm. Về cơ khí, tăng hành trình đồng nghĩa vít me dài hơn → tăng J_screw theo bậc 1 với chiều dài, cần kiểm tra lại tỉ số quán tính; với biên độ hiện tại (X đang ở 795%) vẫn còn dư địa đáng kể trước ngưỡng 2000%.

Phân tích chi phí – lợi ích: so với ERP (chi phí đầu tư và bảo trì "rất cao", triển khai dài, cần nhân sự trình độ cao theo Bảng 2.2), mô hình này hướng tới phân khúc chi phí thấp cho ứng dụng nhỏ và vừa. Đối chiếu với thất thoát 10–15% lượng thuốc hết hạn mỗi năm, phần tiết kiệm từ việc kiểm soát tồn kho chính xác là nguồn hoàn vốn chính, bên cạnh chi phí nhân công cho các thao tác lặp lại.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế được nhóm tác giả thừa nhận: mô hình thu nhỏ, sức chứa và tải trọng giảm mạnh so với hệ công nghiệp; khay chỉ 11 ngăn; robot xử lý đúng 7 loại hộp thuốc đã định trước; vít me có tỉ số truyền cố định và cần bôi trơn định kỳ; hệ thống vẫn có nguy cơ lỗi kỹ thuật làm gián đoạn quy trình xuất – nhập.

Ràng buộc nguồn lực: ngân sách và quy mô đồ án chi phối trực tiếp kích thước khay 300×300×50 mm và việc chọn băng tải DC mini thay vì băng tải công nghiệp.

Hướng phát triển đề xuất: mở rộng số ngăn và số khay; tích hợp sâu với phần mềm quản lý dược (ERP) để đồng bộ hai chiều dữ liệu tồn kho; bổ sung thị giác máy để nhận diện hộp thuốc không cần barcode; nâng cấp cơ cấu gắp cho dải khối lượng rộng hơn; và khai thác module WiFi để giám sát từ xa.

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên Tự động hóa – Cơ điện tử: một mẫu hoàn chỉnh về quy trình tính toán chọn servo (N_M, T_L, J, inertia ratio, mô men tăng tốc) áp dụng lần lượt cho ba trục có điều kiện tải khác nhau — đặc biệt trục Z có thành phần trọng lực.
• Kỹ sư tự động hóa: tham chiếu cấu hình thực tế MC500 + EL8-EC400F + ELM1H qua EtherCAT, kèm sơ đồ đấu nối nguồn 24 VDC, limit switch, cảm biến quang, relay và bơm chân không.
• Cơ sở y tế và nhà thuốc: luận cứ định lượng để đánh giá đầu tư AS/RS quy mô nhỏ, dựa trên bảng so sánh ba phương pháp quản lý.
• Nhà nghiên cứu: phương pháp luận khảo sát – so sánh – quyết định có bảng biểu, dễ tái sử dụng cho các bài toán chọn cấu hình robot khác.

Câu hỏi thường gặp

1. Cần gì để triển khai hệ thống này? Nguồn 220 VAC 1 pha, tủ điện với CB MP6-C232 và bộ nguồn Omron S8VK-C24024 (24 VDC-10 A), PLC MC500 làm EtherCAT master, 3 driver EL8-EC400F và 3 servo ELM1H-0400MA60E, cùng khung nhôm định hình với vít me T8 theo hành trình 600/500/250 mm.

2. Giới hạn mở rộng ở đâu? Nút thắt không nằm ở mạng — EtherCAT mở rộng node không suy giảm hiệu năng — mà ở cơ khí: kéo dài vít me làm tăng mô men quán tính, cần kiểm tra lại inertia ratio so với ngưỡng 2000% và mô men tăng tốc so với 3.81 N·m.

3. Tích hợp với hệ thống sẵn có thế nào? Lớp dữ liệu tồn kho của robot được thiết kế để cập nhật sau mỗi thao tác nhập/xuất, nên điểm ghép tự nhiên với ERP là đồng bộ tồn kho; module WiFi Mercury có sẵn trong cấu hình mở đường cho kết nối mạng.

4. Bảo trì cần những gì? Bôi trơn vít me định kỳ (nhược điểm cố hữu của lead screw), kiểm tra limit switch homing, và tra cứu Frequent alarm list ở Bảng 3.11 khi driver báo lỗi.

5. Chi phí và thời gian hoàn vốn? Đồ án định vị ở phân khúc chi phí thấp cho ứng dụng nhỏ – vừa; nguồn hoàn vốn đến từ giảm thất thoát thuốc hết hạn (10–15%/năm theo số liệu trích dẫn) và giảm nhân công thao tác lặp lại.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn bốn mục tiêu đề ra: một Gantry Robot 3 trục XYZ hoạt động thực tế, nhập – xuất thuốc liên tục, nhận diện bằng barcode và giám sát qua HMI. Giá trị kỹ thuật nổi bật nằm ở việc đưa chuẩn công nghiệp EtherCAT với servo phản hồi encoder 23-bit vào một mô hình học thuật chi phí thấp, cùng phần tính toán chọn động cơ được kiểm chứng định lượng trên cả ba trục.

Về giá trị ứng dụng, hệ thống nhắm đúng khoảng trống mà ERP không lấp được: lớp thao tác vật lý, nơi phát sinh phần lớn sai sót do con người trong quản lý dược. Hướng phát triển rõ ràng nhất là mở rộng sức chứa, tích hợp hai chiều với phần mềm quản lý dược và bổ sung thị giác máy.

Với sinh viên và kỹ sư đang xây dựng hệ thống pick-and-place hoặc AS/RS quy mô nhỏ, phần đáng đọc kỹ nhất của tài liệu là Chương 3 — chuỗi tính toán chọn servo và các bảng so sánh dẫn tới từng quyết định thiết kế — cùng Chương 4 về cấu hình MotionStudio và thiết kế giao diện HMI.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY PICK AND PLACE MEDICINE BOX WITH GANTRY ROBOT INSTRUCTOR: NGO VAN THUYEN STUDENT: HUYNH PHUOC BAO TRAN TIEN DAT Ho Chi Minh city, June 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION INTERNATIONAL FACULTY AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY -----------------⸙∆⸙----------------- GRADUATION THESIS REPORT PICK AND PLACE MEDICINE BOX WITH GANTRY ROBOT INSTRUCTOR: Associate Professor PhD. NGO VAN THUYEN STUDENT 1: HUYNH PHUOC BAO STUDENT ID: 20151256 CLASS: 20151CLA3 STUDENT 2: TRAN TIEN DAT STUDENT ID: 20151266 CLASS: 20151CLA4 HO CHI MINH CITY, DAY MONTH, YEAR 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION INTERNATIONAL FACULTY AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY -----------------⸙∆⸙----------------- GRADUATION THESIS REPORT PICK AND PLACE MEDICINE BOX WITH GANTRY ROBOT INSTRUCTOR: Associate Professor PhD. NGO VAN THUYEN STUDENT 1: HUYNH PHUOC BAO STUDENT ID: 20151256 CLASS: 20151CLA3 STUDENT 2: TRAN TIEN DAT STUDENT ID: 20151266 CLASS: 20151CLA4 HO CHI MINH CITY, DAY MONTH, YEAR 2024 ACKNOWLEDGMENTS The graduation thesis is a scientific research project of students, a requirement for every student before graduating. Researching a new issue for students is a difficult and daunting task.

It is thanks to the guidance and assistance of the teachers that students can carry out their topics. First of all, we would like to express our gratitude to the esteemed teachers of Ho Chi Minh City University of Technology and Education, especially the dedicated lecturers of the Control and Automation Engineering Department of the High-Quality Training Faculty, who have wholeheartedly conveyed knowledge to us during our 4 years of study at the university. In particular, we would like to extend our sincere thanks to Associate Professor Ngo Van Thuyen for his wholehearted support, creating conditions, and closely supervising us while implementing and completing this thesis. We would like to thank PROSST Co.Luong Cong Trinh, Mr.

Vu Tuan Son, and the engineers at the company for their support during the project implementation. Finally, we would like to express our gratitude to the thesis reviewers and the teachers on the defense committee who have taken the time to provide feedback and assistance to us during the thesis defense process. We wish all the teachers good health and success in their research and teaching activities. i ABSTRACT Our team has designed a specialized gantry robot system for storing, dispensing, and stocking medicines in healthcare facilities.

This system is aimed at optimizing pharmaceutical inventory management, delivering significant benefits to healthcare operations. Firstly, we focused on improving accuracy and reliability in inventory management. The gantry robot is programmed to perform tasks precisely and consistently, reducing the risk of errors in medication storage and distribution. This ensures efficient management and readiness of medications, enhancing patient safety and improving healthcare service quality.

Another key advantage of the system is its ability to optimize warehouse space and organization. With its flexible design and automated movement capabilities, our gantry robot efficiently utilizes storage space, minimizing operational costs and maximizing medication storage capacity to meet increasing healthcare demands. Furthermore, automating medication handling tasks with the gantry robot significantly saves time and labor. Staff can redirect their efforts from repetitive tasks to more critical responsibilities, thereby boosting overall productivity and reducing fatigue and health risks associated with manual handling.

Lastly, our gantry robot system excels in enhancing safety and reliability in pharmaceutical management. By minimizing human errors and enhancing traceability, it improves the efficiency of medication storage and distribution processes, enhancing trust and reliability in healthcare services and improving patient experience. ii TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENTS. ii TABLE OF CONTENTS.

iii TABLE OF FIGURE .vi LIST OF TABLES.ix LIST OF ABBREVIATIONS. Statement of the problem. Objectives of the Thesis. Scopes of the Thesis.

Layout of the report .3 CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS. Types of pharmaceutical storage facilities. Storage by Dosage Form. Methods of medicine management.

Pharmaceutical Management Software (ERP). Popular communication protocols. The import process. The export process .13 CHAPTER 3: HARDWARE DESIGN.

The design process. Choosing a solution for conveyor belt operation. Criteria for electrical design .33 CHAPTER 4: SOFTWARE DESIGN. Software design process.

PLC program requirements. Programming PLC control. Overview of the program. Designing the HMI interface.

Overview of the main screen. Configuration for PLC. Configuration for driver. Velocity adjustment for XY axis.

64 CHAPTER 5: EXECUTION RESULT. The system operations. Operation of the system via HMI. Video results of the system .72 CHAPTER 6: CONCLUSION & DEVELOPMENT DIRECTIONS .74 v TABLE OF FIGURE Figure 1.

Lax pharmaceutical inventory auditing. Cold Storage for Pharmaceutical Preservation. Regular Storage for Pharmaceuticals. Secure medicine cabinet.

Manual Drug Management. Drug Management Using Software. Robots working in a pharmaceutical storage warehouse. EtherCAT communication works.

Operating system via HMI. The import process for goods. The export process for goods. 2D Drawing of the Pill Container.

Basic layout for the Gantry Robot. Basic layout for the X-axis. Basic layout for the Y-axis. Basic layout for the Z-axis.

Velocity-Time Diagram. Omron power supply. Wiring diagram for the 24VDC power supply. LeadShine Driver EL8-EC400F.

EtherCAT between Drivers. Driver connects to Motor. Roller Limit Switch. Limit Switch connects to Driver.

PLC connects to Driver. HMI connects to PLC. Technical specifications of Photoelectric Sensor. Sensor connects to PLC.

DC mini conveyor. Omron 24VDC relay. Conveyor connects to PLC. Mini vacuum pump 12V-24V.

Vacuum connects to PLC. Mechanical of Lead Screw T8. Module Wifi Mercury. System overview diagram.

Flowchart of the Import function. Flowchart of the Export function. Main screen of system. Establish connection to the system.

MotionStudio software icon. Homing switching input. Setup limit torque parameters. Set acceleration and deceleration parameters.

Scaling configuration of axis. Illustration of Axis limit. Limit velocity of X-axis. Acceleration time and Deceleration time.

Real-World Model of a Gantry Robot System. Three-Axis XYZ System. Connecting Driver via EtherCAT. Loading medicine boxes onto the conveyor belt properly.

How the robot loads goods into the container. Continuous goods export by the Robot. System operation image. Robot's load-bearing capacity.

The QR code for the results .72 viii LIST OF TABLES Table 2. Advantages and disadvantages of manual inventory processes. Advantages and disadvantages of using Pharmaceutical Management Software. Advantages and Disadvantages of using Robots for drug management.

Analyzing the advantages and disadvantages of different types of robots. Analysis of the advantages and disadvantages of drive methods. Annotation of devices in the layout. Motor calculation parameters.

Technical specifications of S8VK-C24024. Technical specifications of EL8-EC400F. Technical specifications of ELM1H-0400MA60E. Technical specifications of MC500.

Frequent alarm list. Experimental results Import. Experimental results Export .71 ix LIST OF ABBREVIATIONS PLC: Programmable Logic Controller HMI: Human-Machine Interface CPU: Central Processing Unit LCD: Logic Control Diagram MQTT: Message Queuing Telemetry Transport SNMP: Simple Network Management Protocol FTP: File Transfer Protocol SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition SQL: Structured Query Language CNC: Computer Numerical Control RTU: Remote Terminal Unit TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol LAN: Local Area Network WAN: Wide Area Network ODVA: Open DeviceNet Vendors Association OSI: Open Systems Interconnection STO: Safe Torque Off SDO: Starting Data Object x Chapter 1. Overview CHAPTER 1: OVERVIEW This chapter provides an overview of the dissertation topic, the needs, and the importance of the system in real-world applications.

By addressing the issues and applications that the topic can solve, the objectives of the study are outlined, along with the limitations, research methods, scope of application, and the content implemented in the study. Introduction Advancing modern healthcare, human-managed pharmaceutical inventory faces significant challenges. Healthcare personnel often handle tasks like classification, storage, and inventory management under immense pressure, leading to medication errors and inaccurate records. Key drawbacks include human errors, substantial time and effort demands, and increased complexity as facilities grow.

This complexity can result in resource wastage and inefficiencies, complicating accurate and efficient management.1 illustrates the management of bulk liquid pharmaceutical inventory. Lax pharmaceutical inventory auditing In 2023, the Ministry of Health reported that 15% of pharmacy medications expire annually, causing significant financial losses. Some pharmacies face shortages due to storage constraints or unreliable supply sources. Bach Mai Hospital discards 10% of its medications yearly due to spoilage or expiration, leading to substantial financial losses.

Shortages of specialized medications at hospitals like Cho Ray in 2023 caused 1 Chapter 1. Overview treatment delays for about 8% of patients, impacting their health. According to WHO research, 50% of medication errors stem from human factors, and about 30% of stored medications in healthcare facilities are underutilized due to inefficiencies. To tackle these challenges, implementing an Intelligent Management System (IMS), barcode systems, and Automated Storage and Retrieval Systems (AS/RS) can optimize inventory control, minimize errors, and enhance efficiency.

Notably, employing robots in medication management automates the process, significantly reducing human errors and ensuring precise and safe storage and handling of medications. This approach not only conserves time and costs but also elevates the quality of healthcare services, delivering substantial benefits to both patients and healthcare professionals. Statement of the problem Research and design a flexible mobile robot system capable of dispensing medications as needed. The system should accommodate various sizes of medications based on user requirements, aiming to enhance productivity for users.

Objectives of the Thesis The objective of the thesis is to research, design, and successfully assemble a robotic model capable of handling goods with the following key functionalities: - Continuous loading, Continuous unloading - Barcode-based item recognition, - Control and monitoring via an HMI screen. Scopes of the Thesis In this project, our team focuses on designing a scaled-down model compared to real- life industrial systems. Our model will have a significantly reduced capacity to hold medications compared to real systems, and the payload that the robot can carry will also be scaled down significantly. This approach allows us to concentrate on developing a cost-effective solution for small to medium applications while ensuring 2 Chapter 1.

Overview accuracy and reliability of the system. By doing so, we aim to contribute to the advancement of robotic technology in this field. Research methods We are researching robotic storage systems through the following methods: - Collect and review research papers, reports, and books from institutions and scientific databases like IEEE Xplore, ScienceDirect, SpringerLink. - Study instructional materials from top manufacturers to understand robot features, operations, and programming.

- Survey operational robotic storage models in industrial settings to observe control methods and applications. - Use controllers to enhance system performance and flexibility based on research and surveys, designing new control programs as needed. Layout of the report The topic content includes the following sections: Chapter 1: Introduction Chapter 2: Theoretical Basic Chapter 2 offers comprehensive insights into the system, detailing the advantages and disadvantages of each storage solution available. It also delves into the communication protocols that facilitate seamless interaction between various system components.

Finally, the chapter outlines the technological process involved in the system's implementation and operation. Chapter 3: Hardware Design This chapter provides a detailed account of the design process for a scaled-down model of the robotic storage system, emphasizing the strategic selection of appropriate hardware components. It explores the rationale behind the design choices and the criteria used to identify components that ensure optimal performance, reliability, and cost-efficiency for the system. Chapter 4: Software Design 3 Chapter 1.

Overview This chapter focuses on designing software to program PLC control and develop an HMI interface for the system, ensuring seamless communication between the software and the devices. Chapter 5: Execution result In this chapter, we will present the results achieved by the system, the HMI control interface, simulation outcomes, and real-world operations.