Tổng quan nghiên cứu

Ngành logistics tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực chuyển phát nhanh với công suất vận chuyển đạt khoảng 500 nghìn đến 1 triệu đơn hàng mỗi ngày. Tỷ lệ chia chọn hàng hóa tối thiểu đạt 99,5%, trong khi chi phí vận hành cần tiết kiệm tối thiểu 30%. Để đáp ứng nhu cầu này, việc ứng dụng công nghệ tự động hóa, đặc biệt là robot chia chọn AMR (Autonomous Mobile Robot), trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí vận hành.

Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống robot chia chọn AMR ứng dụng trong doanh nghiệp logistics, cụ thể là tại Viettel Post – một trong những doanh nghiệp chuyển phát nhanh hàng đầu Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot AMR phục vụ khâu chia chọn hàng hóa trong kho, với yêu cầu vận chuyển hàng hóa từ 100 gram đến 5 kg, kích thước từ 100x100x10 mm đến 400x400x400 mm, tốc độ di chuyển từ 1 đến 3 m/s và thời gian hoạt động liên tục tối thiểu 4 tiếng mỗi chu kỳ.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, hệ thống điều khiển, thuật toán điều hướng và quản lý robot, thử nghiệm tại Trung tâm chia chọn Bắc Từ Liêm, Hà Nội. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng suất, giảm chi phí vận hành và tăng độ chính xác trong khâu chia chọn hàng hóa, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng robot AMR trong các doanh nghiệp logistics tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng PLC và vi điều khiển để điều khiển chuyển động và thao tác của robot, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định.
  • Mô hình robot AMR: Cấu trúc robot gồm hệ khung cơ khí, hệ động lực, hệ điều khiển và cảm biến, cho phép di chuyển tự động trong kho hàng.
  • Thuật toán Dijkstra: Sử dụng để xây dựng hệ thống quản lý robot (RCS), tối ưu hóa đường đi và điều phối di chuyển robot trong môi trường kho bãi.
  • Khái niệm về công nghệ chia chọn: So sánh các công nghệ chia chọn phổ biến như Crossbelt, Tray Sorter, Wheel Sorter và robot AMR để lựa chọn giải pháp phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: robot AMR, hệ thống quản lý robot RCS, thuật toán Dijkstra, PLC, vi điều khiển, cảm biến RFID, và công nghệ chia chọn tự động.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ thực tế vận hành tại Viettel Post, tài liệu kỹ thuật, mô phỏng phần mềm SolidWorks và Solid Simulation, cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật của động cơ và thiết bị điều khiển.
  • Phương pháp phân tích: Thiết kế mô hình 3D robot, mô phỏng kết cấu và kiểm nghiệm độ bền bằng phần mềm chuyên dụng; tính toán lựa chọn động cơ và thiết bị điều khiển phù hợp; phát triển thuật toán điều hướng và quản lý robot; thử nghiệm thực tế tại kho hàng.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nghiên cứu là robot AMR thiết kế và chế tạo phục vụ cho kho hàng tại Viettel Post, thử nghiệm trong điều kiện thực tế tại Trung tâm chia chọn Bắc Từ Liêm.
  • Timeline nghiên cứu: Thiết kế và mô phỏng (quý 1-2/2023), chế tạo và lắp ráp (quý 2-3/2023), thử nghiệm và hiệu chỉnh (quý 3/2023), triển khai sử dụng rộng rãi dự kiến quý 4/2023.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết kỹ thuật, mô phỏng số và thực nghiệm thực tế nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống robot chia chọn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế robot AMR phù hợp với yêu cầu vận chuyển và chia chọn hàng hóa
    Robot có kích thước 480x380x230 mm, trọng lượng chịu tải tối đa 17 kg, vận chuyển hàng hóa từ 100 gram đến 5 kg, kích thước hàng hóa từ 100x100x10 mm đến 400x400x400 mm. Tốc độ di chuyển đạt 1-3 m/s, thời gian hoạt động liên tục 2 tiếng mỗi chu kỳ pin.
    Số liệu: Tải trọng xe 17 kg, tốc độ tối đa 3 m/s, thời gian pin 2 giờ.

  2. Lựa chọn động cơ và hệ thống truyền động hiệu quả
    Động cơ bánh xe chủ động BLM230HP-10S với công suất 30 W, mô-men xoắn 0,9 N.m, tốc độ 498 vòng/phút đáp ứng tốt yêu cầu vận hành robot. Động cơ servo DC 24V được sử dụng cho cơ cấu lật hàng với momen xoắn đủ lớn và độ chính xác cao.
    Số liệu: Momen khởi động robot 0,483 N.m, động cơ servo DC 24V có mô-men xoắn 7.9 lb-in.

  3. Hệ thống điều khiển và cảm biến tích hợp hoàn chỉnh
    Sử dụng PLC và Raspberry Pi 4 làm bộ điều khiển trung tâm, kết hợp cảm biến RFID NFC522, mạch thu phát RF UART SI4463 433 MHz HC-12 để xác định vị trí và hướng di chuyển robot chính xác trong kho.
    Số liệu: Raspberry Pi 4 với chip Broadcom BCM2711, RAM 4GB, hỗ trợ WiFi 5 và Bluetooth 5.0.

  4. Thuật toán Dijkstra tối ưu hóa đường đi và quản lý robot hiệu quả
    Thuật toán giúp robot di chuyển theo đường đi ngắn nhất, tránh va chạm và tối ưu hóa thời gian chia chọn hàng hóa, nâng cao năng suất kho.
    Số liệu: Tăng hiệu suất chia chọn lên khoảng 30% so với phương pháp thủ công.

Thảo luận kết quả

Kết quả thiết kế và thử nghiệm robot AMR cho thấy hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật và vận hành trong môi trường kho hàng của doanh nghiệp logistics. Việc lựa chọn động cơ brushless DC và servo DC đảm bảo độ bền, hiệu suất và độ chính xác cao, phù hợp với tải trọng và tốc độ yêu cầu.

Hệ thống điều khiển tích hợp PLC và Raspberry Pi 4 cùng các cảm biến RFID và RF giúp robot định vị chính xác, điều hướng linh hoạt, giảm thiểu sai sót trong quá trình chia chọn. Thuật toán Dijkstra được áp dụng thành công trong quản lý và điều phối robot, giúp tối ưu hóa luồng hàng hóa và giảm thời gian xử lý.

So với các công nghệ chia chọn truyền thống như Crossbelt hay Tray Sorter, robot AMR có ưu điểm về tính linh hoạt, khả năng mở rộng và chi phí vận hành thấp hơn khoảng 30%. Kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế cũng cho thấy robot hoạt động ổn định, an toàn với hệ số an toàn trên 2 trong các mô phỏng ứng suất và chuyển vị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất chia chọn giữa robot AMR và các công nghệ truyền thống, bảng thông số kỹ thuật động cơ và thiết bị điều khiển, cũng như sơ đồ hệ thống điều khiển và cảm biến tích hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi robot AMR trong các kho hàng logistics
    Đẩy mạnh ứng dụng robot AMR tại các trung tâm chia chọn của Viettel Post và các doanh nghiệp logistics khác nhằm nâng cao năng suất chia chọn lên ít nhất 30% trong vòng 12 tháng tới.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển và cảm biến
    Cập nhật phần mềm điều khiển và tích hợp thêm cảm biến đa dạng (camera, lidar) để tăng khả năng nhận diện và tránh va chạm, giảm thiểu lỗi vận hành trong 6 tháng tiếp theo, do bộ phận R&D và kỹ thuật thực hiện.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì robot
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên và nhân viên vận hành về công nghệ robot AMR, bảo trì và xử lý sự cố, nhằm giảm thời gian ngừng hoạt động robot xuống dưới 5% trong năm đầu tiên.

  4. Phát triển thuật toán quản lý và điều phối robot nâng cao
    Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán AI, machine learning để tối ưu hóa luồng hàng hóa và điều phối robot tự động, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp logistics và chuyển phát nhanh
    Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để tự động hóa khâu chia chọn hàng hóa, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí nhân công.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử, tự động hóa
    Tham khảo phương pháp thiết kế robot AMR, lựa chọn động cơ, hệ thống điều khiển và thuật toán quản lý robot trong môi trường thực tế.

  3. Các nhà phát triển công nghệ robot và tự động hóa
    Áp dụng mô hình thiết kế, hệ thống điều khiển và thuật toán điều hướng để phát triển sản phẩm robot chia chọn phù hợp với thị trường Việt Nam.

  4. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực logistics và công nghiệp hỗ trợ
    Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để thúc đẩy ứng dụng công nghệ tự động hóa trong ngành logistics, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot AMR có thể vận chuyển loại hàng hóa nào?
    Robot AMR được thiết kế để vận chuyển hàng hóa có trọng lượng từ 100 gram đến 5 kg, kích thước từ 100x100x10 mm đến 400x400x400 mm, phù hợp với đa dạng loại hàng trong kho logistics.

  2. Động cơ nào được sử dụng cho robot và vì sao?
    Động cơ brushless DC BLM230HP-10S được chọn cho bánh xe chủ động do có công suất 30 W, mô-men xoắn 0,9 N.m, tốc độ 498 vòng/phút, đáp ứng tốt yêu cầu tải trọng và tốc độ di chuyển của robot.

  3. Hệ thống điều khiển robot sử dụng thiết bị gì?
    Robot sử dụng PLC kết hợp Raspberry Pi 4 làm bộ điều khiển trung tâm, tích hợp cảm biến RFID NFC522 và mạch thu phát RF UART SI4463 để định vị và điều hướng chính xác trong kho.

  4. Thuật toán Dijkstra được áp dụng như thế nào?
    Thuật toán Dijkstra được sử dụng để tính toán đường đi ngắn nhất cho robot trong môi trường kho, giúp tối ưu hóa thời gian di chuyển và tránh va chạm với các robot khác.

  5. Khi nào robot AMR được triển khai rộng rãi tại Viettel Post?
    Sau khi hoàn thành thử nghiệm tại Trung tâm chia chọn Bắc Từ Liêm, robot dự kiến được triển khai sử dụng rộng rãi trong các kho của Viettel Post từ quý 4 năm 2023.

Kết luận

  • Thiết kế robot AMR đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về tải trọng, kích thước hàng hóa, tốc độ và thời gian hoạt động liên tục.
  • Lựa chọn động cơ brushless DC và servo DC phù hợp, đảm bảo hiệu suất và độ bền cao.
  • Hệ thống điều khiển tích hợp PLC, Raspberry Pi 4 và cảm biến RFID, RF giúp định vị và điều hướng chính xác.
  • Thuật toán Dijkstra tối ưu hóa đường đi và quản lý robot hiệu quả, nâng cao năng suất chia chọn khoảng 30%.
  • Dự kiến triển khai rộng rãi robot AMR tại Viettel Post trong quý 4/2023, mở ra hướng phát triển tự động hóa trong ngành logistics Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Đẩy mạnh nghiên cứu nâng cấp hệ thống điều khiển, mở rộng ứng dụng robot AMR tại các doanh nghiệp logistics khác, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì robot. Đề nghị các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu liên hệ để hợp tác phát triển công nghệ robot chia chọn hiện đại, hiệu quả.