Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quản lý y tế hiện đại, công tác kiểm kê và phân phối dược phẩm tại các bệnh viện, nhà thuốc đang đối mặt với nhiều áp lực lớn khi phụ thuộc vào quy trình thủ công. Việc phân loại, lưu kho và cấp phát thuốc thủ công dẫn đến nguy cơ sai sót, nhầm lẫn thông tin và hao phí nguồn lực lao động, đặc biệt tại các cơ sở y tế có quy mô mở rộng.

Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn từ Bộ Y tế năm 2023, có khoảng 15% lượng thuốc tại các nhà thuốc bị hết hạn sử dụng hàng năm do công tác quản lý tồn kho chưa tối ưu. Tại Bệnh viện Bạch Mai, khoảng 10% lượng thuốc phải tiêu hủy mỗi năm vì hư hỏng hoặc quá hạn. Tại Bệnh viện Chợ Rẫy (2023), tình trạng thiếu hụt thuốc chuyên khoa cục bộ đã làm gián đoạn hoặc chậm trễ quá trình điều trị của khoảng 8% bệnh nhân. Báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) cũng chỉ ra rằng 50% sai sót trong sử dụng thuốc bắt nguồn từ yếu tố con người, và khoảng 30% lượng thuốc lưu kho tại các cơ sở y tế chưa được khai thác hiệu quả.

Để giải quyết các hạn chế trên, đề tài tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống robot gantry (robot tọa độ Descartes 3 trục) ứng dụng trong việc bốc dỡ, lưu trữ và cấp phát hộp thuốc tự động.

Mục tiêu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình robot gantry 3 trục XYZ có khả năng gắp và đặt các hộp thuốc có kích thước khác nhau vào vị trí lưu trữ xác định.
  2. Thực hiện chức năng nạp hàng liên tục (continuous loading) và dỡ/xuất hàng liên tục (continuous unloading).
  3. Tích hợp khả năng nhận diện sản phẩm thông qua đầu đọc mã vạch (barcode).
  4. Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát thời gian thực thông qua màn hình giao diện người - máy (HMI).

Đối tượng nghiên cứu là mô hình robot gantry 3 trục kết hợp băng tải mini và đầu gắp hút chân không phục vụ phân loại hộp thuốc. Phạm vi nghiên cứu được xác định là mô hình thu nhỏ (scaled-down model) trong phòng thí nghiệm, giảm tải trọng và sức chứa so với hệ thống công nghiệp thực tế nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo nhưng vẫn bảo đảm độ chính xác, độ ổn định và tính tương thích với các quy chuẩn quản lý kho dược phẩm vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn kho dược

Đề tài tổng hợp các nguyên tắc bảo quản dược phẩm theo tiêu chuẩn chuyên ngành:

  • Kho lạnh (Cold Storage): Duy trì nhiệt độ 2–8°C, chuyên dụng cho vắc-xin, kháng sinh, insulin và sinh phẩm y tế.
  • Kho thường (Regular Storage): Duy trì nhiệt độ phòng 15–25°C, áp dụng cho viên nén, viên nang, siro và thuốc mỡ thông thường.
  • Kho khô (Dry Storage): Kiểm soát độ ẩm dưới 60%, áp dụng cho các hoạt chất dễ bị phân hủy do độ ẩm.
  • Kho an ninh (Secure Storage): Yêu cầu hệ thống kiểm soát ra vào nghiêm ngặt, áp dụng cho thuốc gây nghiện, thuốc hướng thần và dược phẩm có giá trị cao.
  • Phân loại theo dạng bào chế: Thể rắn (viên nén, viên nang, bột), thể lỏng (siro, dung dịch tiêm, hỗn dịch), thể khí (bình xịt, khí dung).

So sánh các phương thức quản lý dược phẩm

Phương thức Ưu điểm Nhược điểm
Thủ công (Manual) Không đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn; dễ triển khai cho quy mô nhỏ. Dễ xảy ra sai sót do con người; tốn nhiều thời gian và nhân lực; khó kiểm soát chính xác lượng tồn kho.
Phần mềm quản trị (ERP) Quản lý toàn diện quy trình từ nhập - xuất đến bán hàng; báo cáo tự động; hạn chế sai sót dữ liệu. Chi phí đầu tư và bảo trì phần mềm cao; thời gian triển khai lâu; đòi hỏi nhân sự có trình độ vận hành.
Robot tự động hóa Hoạt động liên tục 24/7 với năng suất cao; độ chính xác định vị lớn; cập nhật dữ liệu kho tức thời; giảm thiểu tai nạn lao động và tiếp xúc hóa chất độc hại. Chi phí thiết bị và lắp đặt ban đầu cao; chi phí bảo dưỡng định kỳ; yêu cầu đào tạo kỹ thuật vận hành.

Giao thức truyền thông công nghiệp

Nhóm tác giả phân tích các giao thức truyền thông phổ biến: Modbus RTU/TCP, Ethernet/IP, Profinet, CANopen và EtherCAT. Hệ thống lựa chọn giao thức EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) làm mạng truyền thông chính giữa bộ điều khiển lập trình (PLC) và các servo driver. EtherCAT đáp ứng các yêu cầu khắt khe về điều khiển chuyển động thời gian thực (motion control), tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ cực thấp và khả năng mở rộng nhiều nút mạng (nodes) mà không làm suy giảm hiệu năng điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

  • Tổng quan tài liệu: Khai thác dữ liệu học thuật từ IEEE Xplore, ScienceDirect, SpringerLink và tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa (Leadshine, Omron).
  • Khảo sát thực tế: Khảo sát các mô hình kho tự động hóa dạng AS/RS trong công nghiệp.
  • Tính toán cơ điện: Áp dụng giải tích động lực học để tính toán quán tính, mô-men xoắn, vận tốc và gia tốc cho từng trục chuyển động.
  • Thực nghiệm hệ thống: Thiết kế, gia công cơ khí, đấu nối mạch điện, cấu hình tham số truyền động và lập trình thực tế trên mô hình phần cứng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Quy trình thiết kế phần cứng 5 bước

  1. Thu thập thông tin và xác định yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
  2. Lựa chọn giải pháp công nghệ và phương án truyền động.
  3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý tổng thể, sơ đồ khối và lựa chọn danh mục thiết bị.
  4. Đánh giá, hiệu chỉnh thông số kỹ thuật và thử nghiệm an toàn.
  5. Lắp ráp cơ khí, đấu nối điện và hoàn thiện toàn bộ hệ thống.

Yêu cầu kích thước hộp thuốc và khay chứa

Mô hình được thiết kế để xử lý 7 quy cách hộp thuốc với kích thước và khối lượng thực tế:

  • Hộp loại 1: 88 x 53 x 20 mm – 80 g
  • Hộp loại 2: 55 x 48 x 13 mm – 30 g
  • Hộp loại 3: 78 x 38 x 17 mm – 25 g
  • Hộp loại 4: 82 x 62 x 15 mm – 90 g
  • Hộp loại 5: 88 x 55 x 20 mm – 85 g
  • Hộp loại 6: 45 x 43 x 20 mm – 35 g
  • Hộp loại 7: 38 x 38 x 16 mm – 20 g

Khay chứa thuốc (pill container) được gia công từ vật liệu acrylic, kích thước tổng thể $300 \times 300 \times 50\text{ mm}$, được phân chia thành 11 ngăn chức năng:

  • 04 ngăn kích thước $57 \times 57\text{ mm}$
  • 03 ngăn kích thước $110 \times 88.5\text{ mm}$
  • 02 ngăn kích thước $92.5 \times 57\text{ mm}$
  • 01 rãnh dài $113\text{ mm}$ phục vụ nạp liệu đầu vào từ băng tải
  • 01 khoang dài $123\text{ mm}$ làm vị trí thả thuốc xuất kho

Cơ cấu cơ khí và truyền động

Hệ thống sử dụng robot gantry 3 trục với kết cấu khung nhôm định hình:

  • Cơ cấu dẫn động: Sử dụng trục vít me dẫn hướng T8 (bước vít $P_B = 8\text{ mm}$, độ phân giải $\Delta L = 2\text{ mm}$) kết hợp thanh trượt dẫn hướng tuyến tính (linear guides).
  • Hành trình làm việc: Trục X dài $600\text{ mm}$, Trục Y dài $500\text{ mm}$, Trục Z dài $250\text{ mm}$.
  • Cơ cấu chấp hành: Băng tải cấp liệu mini truyền động bằng động cơ DC, đầu gắp thuốc sử dụng giác hút chân không kết nối bơm hút mini 12V–24V điều khiển qua rơ-le Omron 24VDC.

Tính toán động lực học và chọn động cơ

Các thông số tính toán cơ bản: Vận tốc bàn trượt tối đa $V_L = 0.4\text{ m/s}$, thời gian tăng/giảm tốc $t_1 = t_3 = 0.1\text{ s}$, hệ số ma sát $\mu = 0.1$, hệ số an toàn $S_f = 1.7$, hệ số điều chỉnh môi trường và khe hở $K = 1.75$. Khối lượng cụm trượt: trục X là $6\text{ kg}$, trục Y là $3.5\text{ kg}$, trục Z là $1.9\text{ kg}$.

Tốc độ quay định mức của động cơ: $$N_M = \frac{60 \times V_L}{P_B} = \frac{60 \times 0.4}{0.008} = 3000\text{ vòng/phút}$$

Dựa trên kết quả tính toán mô-men tải quy đổi về trục động cơ ($T_L$), mô-men quán tính tải ($J_L$) và tỷ số quán tính (Inertia ratio), nhóm nghiên cứu lựa chọn đồng bộ cho cả 3 trục loại động cơ Leadshine AC Servo ELM1H-0400MA60E đi kèm driver Leadshine EL8-EC400F.

Thiết bị Thông số kỹ thuật chính
Động cơ Servo Leadshine ELM1H-0400MA60E Điện áp định mức: 220 VAC; Công suất: 400 W; Mô-men định mức: 1.27 N·m; Mô-men cực đại: 3.81 N·m; Tốc độ định mức: 3000 rpm; Tốc độ cực đại: 5000 rpm; Bộ mã hóa (Encoder): Tuyệt đối từ tính 23-bit.
Servo Driver Leadshine EL8-EC400F Nguồn cấp: 220 VAC (1 pha/3 pha); Chuẩn giao tiếp: EtherCAT; Đầu vào số: 8 chân; Đầu ra số: 3 chân; Hỗ trợ tính năng ngắt mô-men an toàn STO (Safe Torque Off).
Bộ điều khiển lập trình PLC Leadshine MC500 Bộ xử lý chuyển động đa trục chuyên dụng (Motion Controller), tích hợp cổng mạng truyền thông EtherCAT Master điều khiển servo và cổng Ethernet kết nối HMI.
Bộ nguồn xung Omron S8VK-C24024 Điện áp ngõ vào: 100–240 VAC / 90–350 VDC; Điện áp ngõ ra: 24 VDC; Dòng điện định mức: 10 A; Công suất: 240 W.
Thiết bị phụ trợ Aptomat chính MP6-C232; Công tắc hành trình bánh xe (Roller Limit Switch) xác định điểm gốc Home; Cảm biến quang phát hiện vật thể; Mô-đun Wi-Fi Mercury.

Thiết kế phần mềm và cấu hình điều khiển

  • Phần mềm cấu hình MotionStudio: Cấu hình tham số Driver EL8 qua mạng EtherCAT (hướng quay, hệ số co dãn trục - Scaling configuration, giới hạn vị trí phần mềm, chế độ hồi gốc Homing, thời gian gia tốc/giảm tốc).
  • Thuật toán điều khiển PLC:
    • Quy trình nhập kho (Import): Hộp thuốc đặt trên băng tải $\rightarrow$ Đi qua đầu đọc mã vạch $\rightarrow$ Kích hoạt cảm biến tiệm cận $\rightarrow$ Robot di chuyển đến tọa độ gắp $\rightarrow$ Bơm hút chân không kích hoạt $\rightarrow$ Robot di chuyển đến ô chứa quy định trên khay $\rightarrow$ Đặt thuốc vào ô $\rightarrow$ Cập nhật dữ liệu tồn kho.
    • Quy trình xuất kho (Export): Nhận lệnh từ màn hình điều khiển $\rightarrow$ Robot di chuyển đến ô chứa thuốc cần lấy $\rightarrow$ Gắp thuốc $\rightarrow$ Di chuyển đến khoang xuất $\rightarrow$ Thả thuốc ra vị trí nhận hàng $\rightarrow$ Robot quay về vị trí chờ (Standby) $\rightarrow$ Cập nhật giảm lượng tồn kho.
  • Giao diện HMI: Cung cấp các trang màn hình chính, giám sát trạng thái kết nối các trục, điều khiển bằng tay (JOG/Manual), cài đặt thông số vận tốc/tọa độ, hiển thị sơ đồ kho thuốc và báo lỗi hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Overview

Chương này đặt vấn đề về sự cần thiết của việc hiện đại hóa khâu quản lý dược phẩm, dẫn chứng các số liệu thất thoát và rủi ro y tế do quy trình thủ công từ Bộ Y tế, Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Chợ Rẫy và WHO. Từ đó, xác định rõ nhiệm vụ thiết kế mô hình robot gantry, giới hạn phạm vi mô hình thu nhỏ và xác lập phương pháp luận nghiên cứu dựa trên tài liệu học thuật quốc tế.

Chương 2: Theoretical Basis

Trình bày cơ sở lý thuyết về các tiêu chuẩn kho bảo quản dược phẩm (kho lạnh 2–8°C, kho thường 15–25°C, kho khô độ ẩm <60%, kho an ninh), các dạng thuốc theo dạng bào chế, và lập bảng phân tích ưu nhược điểm giữa 3 phương thức: quản lý thủ công, phần mềm ERP và ứng dụng robot. Đồng thời, chương này so sánh các chuẩn truyền thông công nghiệp (Modbus, Ethernet/IP, Profinet, CANopen, EtherCAT) và vạch ra lưu trình công nghệ chi tiết cho hai chu trình Nhập kho (Import process) và Xuất kho (Export process).

Chương 3: Hardware Design

Tập trung vào quy trình thiết kế phần cứng 5 bước. Chương này chi tiết hóa kích thước 7 loại hộp thuốc mẫu, thiết kế bản vẽ 2D/3D khay chứa thuốc acrylic 11 ngăn ($300 \times 300 \times 50\text{ mm}$), so sánh các cấu trúc robot (SCARA, Delta, Gantry) và các phương án dẫn động cơ khí (bánh răng thanh răng, dây đai, trục vít me T8). Toàn bộ phương trình tính toán động lực học chọn động cơ cho 3 trục XYZ được thể hiện cụ thể, dẫn đến quyết định lựa chọn động cơ Servo ELM1H-0400MA60E, driver EL8-EC400F, PLC MC500, nguồn Omron 24VDC và các thiết bị cảm biến, bảo vệ điện.

Chương 4: Software Design

Trình bày cấu trúc chương trình điều khiển của PLC Leadshine MC500, yêu cầu thuật toán điều khiển chuyển động đa trục, lưu đồ thuật toán chi tiết của quy trình nạp/dỡ hàng, thiết kế các trang giao diện giám sát HMI và quy trình cài đặt tham số vận hành trên phần mềm MotionStudio (cấu hình mạng EtherCAT, thiết lập giới hạn hành trình, vận tốc, gia tốc, và chế độ dò điểm Home).

Chương 5: Execution Result

Trình bày kết quả thử nghiệm vận hành thực tế của mô hình hệ thống gantry robot 3 trục. Đánh giá tính ổn định trong quá trình kết nối EtherCAT giữa PLC MC500 và các servo driver EL8, kiểm tra chu trình gắp đặt tự động thông qua quét mã vạch, khả năng chịu tải của cơ cấu cánh tay hút, mức độ chính xác khi đưa hộp thuốc vào 11 vị trí ngăn chứa, và hiển thị kết quả thao tác qua giao diện HMI kèm mã QR truy cập video thực nghiệm.

Chương 6: Conclusion & Development Directions

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành trong việc nghiên cứu, tính toán, chế tạo và lập trình điều khiển hệ thống robot gantry phân loại hộp thuốc. Đồng thời, đề xuất các định hướng nâng cấp trong tương lai nhằm nâng cao chất lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng trong thực tiễn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng robot gantry 3 trục XYZ với kích thước hành trình $600 \times 500 \times 250\text{ mm}$, kết cấu khung nhôm định hình cứng vững, dẫn động bằng trục vít me T8.
  • Xây dựng thành công hệ thống điều khiển chuyển động thời gian thực sử dụng mạng truyền thông công nghiệp EtherCAT giữa Master PLC Leadshine MC500 và 3 trạm Slave là Servo Driver EL8-EC400F điều khiển động cơ AC Servo 400W.
  • Khay chứa acrylic 11 ngăn ($300 \times 300 \times 50\text{ mm}$) đáp ứng khả năng phân loại và chứa 7 nhóm kích thước hộp thuốc khác nhau (tải trọng từ 20g đến 90g).
  • Hoàn thiện chu trình tự động hóa khép kín: nhận diện mã vạch $\rightarrow$ vận chuyển băng tải $\rightarrow$ định vị tọa độ $\rightarrow$ gắp thuốc bằng đầu hút chân không $\rightarrow$ nạp vào ngăn chỉ định $\rightarrow$ xuất thuốc theo đơn và cập nhật dữ liệu tồn kho qua HMI.

Đóng góp của đề tài

  • Đưa ra giải pháp kỹ thuật cụ thể về việc ứng dụng robot gantry kết hợp chuẩn truyền thông tốc độ cao EtherCAT trong phân loại và cấp phát dược phẩm, giải quyết bài toán giảm thiểu lỗi thao tác của con người trong các cơ sở y tế.
  • Xây dựng tài liệu tính toán cơ - điện chi tiết cho hệ dẫn động vít me - servo motor, cung cấp tài liệu tham khảo thực nghiệm rõ ràng về việc cấu hình và lập trình motion control đa trục trên nền tảng thiết bị Leadshine và phần mềm MotionStudio.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình hiện tại mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (scaled-down model), dung lượng lưu trữ còn hạn chế (khay chứa 11 ngăn cho 7 loại kích thước hộp thuốc).
  • Tải trọng nâng của cơ cấu gắp chân không được thiết kế cho các hộp thuốc nhỏ nhẹ (dưới 100g), chưa áp dụng cho các thùng hàng hoặc chai dịch truyền dung tích lớn.
  • Hệ thống hoạt động độc lập trên màn hình HMI, chưa kết nối trực tiếp với hệ cơ sở dữ liệu quản trị tổng thể của bệnh viện (HIS/ERP).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quy mô khung cơ khí gantry để tăng sức chứa và số lượng khay thuốc trong kho.
  • Nâng cấp cơ cấu chấp hành ở khâu gắp (kết hợp kẹp cơ khí và hút chân không đa điểm) để xử lý đa dạng các dạng bào chế (lọ thủy tinh, túi dịch truyền).
  • Tích hợp giao thức truyền thông công nghiệp không dây (MQTT, TCP/IP) và kết nối cơ sở dữ liệu SQL để đồng bộ dữ liệu tồn kho trực tiếp với hệ thống quản lý dược bệnh viện theo thời gian thực.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán đường đi (path planning) cho robot gantry nhằm rút ngắn chu kỳ nạp/dỡ hàng khi xử lý đồng thời nhiều đơn thuốc.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Robotics: Tham khảo phương pháp tính toán động cơ servo truyền động trục vít me, phân tích tỷ số quán tính tải, và quy trình thiết kế hệ thống robot tọa độ Descartes.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống công nghiệp: Tham khảo cách thức cấu hình mạng EtherCAT giữa PLC Leadshine MC500 và dòng Servo Driver EL8, cách gán biến điều khiển chuyển động trên phần mềm MotionStudio và thiết kế giao diện HMI điều khiển nạp/dỡ hàng tự động.
  • Nghiên cứu viên trong lĩnh vực tự động hóa y tế: Tham khảo quy trình công nghệ và các tiêu chuẩn bảo quản dược phẩm khi thiết kế kho thông minh AS/RS cho bệnh viện và nhà thuốc.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn giao thức truyền thông EtherCAT thay vì Modbus hay Ethernet/IP?
EtherCAT được lựa chọn vì đây là chuẩn truyền thông công nghiệp thời gian thực có tốc độ cao, độ trễ thấp và độ chính xác đồng bộ vượt trội, rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển chuyển động đa trục (motion control) đòi hỏi độ chính xác vị trí cao và phản hồi tức thời giữa PLC và các servo driver.

2. Động cơ servo được sử dụng trên các trục XYZ có thông số kỹ thuật như thế nào?
Cả 3 trục XYZ đều sử dụng động cơ Leadshine AC Servo ELM1H-0400MA60E, công suất 400W, điện áp định mức 220 VAC, tốc độ định mức 3000 rpm (tốc độ cực đại 5000 rpm), mô-men định mức 1.27 N·m (mô-men cực đại 3.81 N·m) và tích hợp bộ mã hóa tuyệt đối 23-bit.

3. Khay chứa thuốc trong mô hình được thiết kế với kích thước và phân chia như thế nào?
Khay chứa làm bằng vật liệu acrylic có kích thước tổng thể $300 \times 300 \times 50\text{ mm}$, gồm 11 ngăn: 4 ngăn kích thước $57 \times 57\text{ mm}$, 3 ngăn kích thước $110 \times 88.5\text{ mm}$, 2 ngăn kích thước $92.5 \times 57\text{ mm}$, 1 rãnh dài $113\text{ mm}$ dành cho băng tải nạp liệu và 1 khoang dài $123\text{ mm}$ dành cho vị trí thả thuốc xuất kho.

4. Cơ cấu truyền động cơ khí chính của robot gantry sử dụng loại nào?
Hệ thống sử dụng cơ cấu truyền động trục vít me dẫn hướng T8 (bước vít $8\text{ mm}$, độ phân giải $2\text{ mm}$) kết hợp thanh trượt dẫn hướng tuyến tính trên khung nhôm định hình, với hành trình làm việc lần lượt là trục X ($600\text{ mm}$), trục Y ($500\text{ mm}$) và trục Z ($250\text{ mm}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Huỳnh Phước Bảo và Trần Tiến Đạt (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình robot gantry 3 trục phục vụ lưu trữ và phân loại hộp thuốc tự động. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu truyền động vít me - servo motor 400W, điều khiển mạng EtherCAT qua PLC Leadshine MC500 và giám sát vận hành qua màn hình HMI. Kết quả nghiên cứu là nền tảng kỹ thuật hữu ích cho việc phát triển các giải pháp kho dược tự động hóa quy mô vừa và nhỏ trong lĩnh vực y tế.