Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp và cuộc cách mạng công nghệ hiện đại, việc ứng dụng cánh tay robot nhằm thay thế các thao tác thủ công của con người đang diễn ra mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực sản xuất và dịch vụ. Đối với ngành dịch vụ thực phẩm và đồ uống (Food and Beverage - F&B), việc sử dụng robot pha chế tự động đã trở nên phổ biến tại các quốc gia phát triển với các dòng máy thương mại tiêu biểu như Bartender Toni (công ty Makr Shakr, Italia), robot Cecilia (công ty GKI Group) hay robot BRILLO. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các mô hình này chủ yếu phải nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí đầu tư rất lớn (có thể lên tới 100.000 USD) kèm chi phí bảo dưỡng đắt đỏ; các nghiên cứu trong nước còn ở mức sơ khai, phân tán và chưa có tính đồng bộ cao.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài khóa luận "Nghiên cứu, phát triển robot pha chế thức uống tự động" (Mã số đề tài: CDT51) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Lâm Chương. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Xây dựng quy trình đặt món, thanh toán và pha chế thức uống khép kín cho robot (phục vụ 3 loại đồ uống cố định).
  2. Xây dựng giao diện điều khiển tương tác trực tiếp trên màn hình của robot.
  3. Xây dựng ứng dụng quản lý và hệ thống cơ sở dữ liệu (CSDL) phục vụ theo dõi, giám sát vận hành.
  4. Thiết kế tủ điện điều khiển, tính toán động học và quy hoạch quỹ đạo chuyển động cho robot di chuyển chính xác đến các tọa độ quy định.
  5. Thiết kế và chế tạo các module phụ trợ gồm: module nhả đá, module khuấy và module chứa ly.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là robot cấu trúc SCARA 3 bậc tự do, giao thức truyền thông MQTT, ứng dụng điều khiển và ứng dụng quản lý giám sát. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được giới hạn trong khung máy có kích thước 120 x 60 cm; phạm vi công nghệ tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển bằng vi điều khiển STM32F103C8T6 (lập trình qua STM32CubeMX và Keil C), truyền nhận dữ liệu IoT qua giao thức MQTT bằng module ESP32 (lập trình trên Arduino IDE), thiết kế giao diện HMI và ứng dụng quản trị bằng nền tảng MIT App Inventor kết nối cơ sở dữ liệu Google Sheets.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý cơ bản của động học robot, cơ cấu cơ khí, kỹ thuật điều khiển điện tử và truyền thông không dây:

  • Lý thuyết động học robot: Đồ án áp dụng công thức xác định bậc tự do của chuỗi động học hở $W = 6n - \sum_{i=1}^5 i p_i$, quy tắc bàn tay phải xác định hệ trục tọa độ suy rộng và phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) để mô hình hóa các khâu, khớp. Bảng thông số D-H được lập để thiết lập ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa các khâu, làm cơ sở giải bài toán động học thuận và động học nghịch bằng quy tắc Cramer. Ma trận Jacobian được thiết lập để biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc các khớp và vận tốc dài của khâu công tác cuối.
  • Cơ sở tính toán cơ khí và động lực học: Vận dụng lý thuyết sức bền vật liệu, cơ kỹ thuật và nguyên lý chi tiết máy để phân tích tải trọng làm việc (0,2 kg), khối lượng tổng các khâu (2,7 kg), xác định mô men xoắn động cơ ($M_i = M/i = 1,075 \text{ Nm}$), tính toán sức bền trục vít me - đai ốc, bộ truyền đai răng, khoảng cách trục, góc ôm và hệ số trượt.
  • Giao thức điều khiển và truyền thông: Ứng dụng giao thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) cho truyền dữ liệu giữa các khối phần cứng cục bộ, và giao thức mạng MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo mô hình publish-subscribe để trao đổi dữ liệu gọn nhẹ, băng thông thấp giữa robot và hệ thống giám sát đám mây.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học giải bài toán động học nghịch và quy hoạch quỹ đạo chuyển động theo đường thẳng bằng đa thức bậc 3.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng quỹ đạo chuyển động của khâu chấp hành cuối theo các trục $P_x$, $P_y$, sự thay đổi góc của khớp 1, khớp 3 và đồ thị thay đổi tần số phát xung điều khiển vận tốc động cơ.
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo: Thiết kế cơ khí chi tiết các cụm chức năng trên phần mềm CAD, gia công lắp ráp phần cứng, đấu nối tủ điện điều khiển và lập trình phần mềm nhúng.
  • Phương pháp thực nghiệm: Đo kiểm sai số tọa độ thực tế, kiểm tra độ chính xác cảm biến khối lượng Loadcell và chạy thử nghiệm quy trình pha chế toàn phần trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh, kết hợp giữa cơ cấu chấp hành cơ khí, mạch điều khiển điện tử và phần mềm giám sát.

Cấu trúc cơ khí và các phân hệ chấp hành

Cánh tay robot chính sử dụng cấu hình SCARA 3 bậc tự do gồm hai khớp xoay (khâu 1 và khâu 3) và một khớp tịnh tiến thẳng đứng (khâu 2). Ngoài ra, tại khâu chấp hành cuối được tích hợp thêm 2 động cơ RC Servo làm nhiệm vụ xoay đầu công tác và kẹp/nhả ly. Cơ cấu truyền động của các trục bao gồm:

  • Khâu 1 và khâu 3: Sử dụng động cơ servo Hybrid kết hợp bộ truyền puly – đai răng nhằm đảm bảo chuyển động êm, không gây ồn và triệt tiêu trượt.
  • Khâu 2 (trục Z): Sử dụng bộ truyền vít me bi – đai ốc kết hợp hệ thống con trượt tròn – trục trơn dẫn hướng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến dọc trục.
  • Các cụm chức năng ngoại vi: Cụm cấp ly (ống chứa ly kèm lẫy cơ khí); cụm cấp nguyên liệu (ngăn chứa, đường ống và hệ thống máy bơm mini tự mồi 310); cụm khuấy/đánh bọt (trục vít nâng hạ, đầu khuấy gắn động cơ và ngăn tráng rửa); cụm đùn đá (phễu chứa đá viên và cơ cấu trục vít đùn dẫn động bằng động cơ bước).
Cụm chức năng / Thiết bị Thông số kỹ thuật chính ghi nhận Vai trò trong hệ thống
Động cơ Servo Hybrid YK257EC56E1 Điện áp 200V, công suất 0,1 kW, tốc độ cực đại 1500 rpm, mô men 1,2 Nm, tần số 100 kHz Dẫn động các khớp xoay chính của cánh tay robot
Driver Servo SSD2505M Tương thích điều khiển động cơ servo Hybrid Điều khiển vị trí và vận tốc khâu xoay
Động cơ bước Nema 17 (42x42mm) Kích thước mặt bích 42mm, dòng định mức tiêu chuẩn Dẫn động trục vít me trục Z, cụm đùn đá và cụm khuấy
Driver TB6600 (HY-DIV268N) & A4988 Module điều khiển dòng động cơ bước Cấp xung và chiều cho các động cơ bước phụ trợ
Vi điều khiển STM32F103C8T6 Vi xử lý 32-bit ARM Cortex-M3, thạch anh 72 MHz Xử lý thuật toán nội suy quỹ đạo, phát xung điều khiển driver
Module ESP32 NodeMCU LuaNode32 Tích hợp Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ thư viện MQTT Đọc cảm biến, gửi nhận dữ liệu IoT với broker và ứng dụng
Cảm biến quang XKC-Y25-PNP Cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc, ngõ ra PNP Phát hiện trạng thái cạn chất lỏng tại các bình nguyên liệu
Cảm biến Loadcell & module HX711 Cảm biến biến dạng uốn, mạch chuyển đổi ADC 24-bit Kiểm soát thể tích/khối lượng chất lỏng bơm vào ly
Nguồn tổ ong AC-DC 24V - 20A, ngõ vào điện lưới dân dụng Cấp nguồn động lực cho toàn bộ hệ thống driver và động cơ

Quy hoạch quỹ đạo và điều khiển chuyển động

Để đảm bảo robot di chuyển mượt mà và tối ưu hóa thời gian chu kỳ, tác giả đề xuất và lựa chọn giải pháp điều khiển hỗn hợp:

  • Khu vực không gian mở: Sử dụng phương pháp xoay khớp (Joint motion), cho phép các khớp quay trực tiếp từ góc bắt đầu $\theta_A$ đến góc đích $\theta_B$ theo hiệu số $\Delta\theta = \theta_B - \theta_A$, giúp giảm tải tính toán và rút ngắn thời gian di chuyển.
  • Khu vực có vật cản hoặc tiếp cận cụm rót: Sử dụng phương pháp điều khiển điểm tới điểm (Point-to-point) theo quỹ đạo đường thẳng. Quy luật tọa độ $x(t)$ và $y(t)$ được thiết lập theo đa thức bậc 3 để đảm bảo vận tốc đầu và cuối hành trình bằng 0:

$$x(t) = x_0 + \frac{3(x_f - x_0)}{t_f^2}t^2 - \frac{2(x_f - x_0)}{t_f^3}t^3$$

$$y(t) = y_0 + \frac{3(y_f - y_0)}{t_f^2}t^2 - \frac{2(y_f - y_0)}{t_f^3}t^3$$

  • Kiểm soát tăng giảm tốc: Quá trình chuyển động được chia làm 3 pha: tăng tốc, chạy đều và giảm tốc. Độ phân giải phát xung được cài đặt là 40.000 xung/vòng đối với khớp 1 và 3 (tần số cấp xung lần lượt 400 kHz và 100 kHz), và 400 xung/vòng đối với khớp 2 (tần số cấp xung 20 kHz).

Kiến trúc phần mềm và giao diện điều khiển

Hệ thống phần mềm được chia tầng rõ rệt:

  • Giao diện người dùng (HMI): Thiết kế trên nền tảng MIT App Inventor chạy trên máy tính bảng hoặc màn hình cảm ứng gắn tại quầy. Giao diện tuần tự gồm: Màn hình chờ $\rightarrow$ Chọn món $\rightarrow$ Tùy chỉnh độ ngọt $\rightarrow$ Tùy chỉnh lượng đá $\rightarrow$ Thanh toán (mã QR/xác nhận) $\rightarrow$ Chờ pha chế (hiển thị trạng thái tiến trình) $\rightarrow$ Báo hoàn thành. Khi cảm biến XKC-Y25-PNP phát hiện một loại nguyên liệu bị cạn, hệ thống sẽ tự động khóa món tương ứng trên giao diện để tránh lỗi vận hành.
  • Cơ sở dữ liệu và quản trị từ xa: Thông qua ESP32 và máy chủ MQTT broker, trạng thái thiết bị và dữ liệu lịch sử pha chế được đồng bộ thời gian thực lên bảng tính Google Sheets, phục vụ cho công tác đối soát nguyên liệu và can thiệp bảo trì khi xảy ra sự cố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Chương mở đầu phân tích bối cảnh phát triển tự động hóa trong ngành F&B, những khó khăn về chi phí công nghệ khi tiếp cận robot nhập khẩu tại Việt Nam, từ đó xác lập tính cấp thiết của việc tự chế tạo một hệ thống robot pha chế nội địa. Chương này xác định rõ 5 nhiệm vụ trọng tâm từ thiết kế cơ khí, quy hoạch quỹ đạo, tủ điện điều khiển đến xây dựng CSDL đám mây trong không gian làm việc kích thước 120 x 60 cm.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Tác giả hệ thống hóa các khái niệm về cánh tay robot công nghiệp, phân tích ưu nhược điểm của cấu hình robot SCARA và đánh giá các cơ cấu truyền động cơ bản: vít me – đai ốc, đai răng, thanh trượt tròn dẫn hướng. Chương 2 cũng tổng kết các công trình robot pha chế nổi bật trên thế giới (Bartender Toni, Cecilia, BRILLO) và trong nước (robot pha cà phê tại Saigon Bizhub năm 2018), làm rõ các khoảng trống công nghệ cần khắc phục như tính đồng bộ, khả năng kiểm soát nguyên liệu và tối ưu chi phí chế tạo.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung vào cơ sở toán học và cơ khí điều khiển robot:

  • Trình bày công thức tính bậc tự do của chuỗi động học hở, hệ tọa độ suy rộng và quy tắc bàn tay phải.
  • Chi tiết hóa phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) với ma trận biến đổi thuần nhất tổng quát 4x4.
  • Giới thiệu cơ sở tính toán điện tử công suất, thiết kế tủ điện và phân tích nguyên lý truyền dữ liệu của giao thức nối tiếp UART và giao thức mạng IoT MQTT theo mô hình publish-subscribe.

Chương 4: Bài toán động học, quy trình vận hành

Chương 4 thiết lập quy trình vận hành chi tiết:

  • Quy trình đặt món 6 bước: Chọn món $\rightarrow$ Chọn độ ngọt $\rightarrow$ Chọn lượng đá $\rightarrow$ Thanh toán $\rightarrow$ Đợi pha chế $\rightarrow$ Hoàn thành.
  • Quy trình pha chế 6 bước: Chọn nước $\rightarrow$ Lấy ly sạch từ ống chứa $\rightarrow$ Bơm nguyên liệu $\rightarrow$ Đánh bọt hòa tan $\rightarrow$ Thêm đá (tùy chọn) $\rightarrow$ Hoàn thiện đưa ra khay nhận.
  • Mô hình toán học: Thiết lập bảng thông số D-H cho robot SCARA 3 bậc tự do, xây dựng hệ phương trình động học thuận xác định tọa độ khâu cuối $(P_x, P_y, P_z)$ so với gốc base-frame, giải bài toán động học nghịch bằng quy tắc Cramer và xây dựng ma trận Jacobian đạo hàm riêng để liên kết vận tốc biến khớp với vận tốc khâu thao tác cuối.

Chương 5: Phương pháp điều khiển chuyển động robot

Chương này đi sâu vào việc giải bài toán quy hoạch quỹ đạo và tính toán thiết kế chi tiết cơ khí:

  • Phân tích hai phương án điều khiển quỹ đạo và lựa chọn phương án kết hợp (xoay khớp ở khu vực thoáng, nội suy đường thẳng đa thức bậc 3 ở vị trí cần độ chính xác cao).
  • Thiết lập đồ thị mô phỏng trên MATLAB quá trình di chuyển từ điểm $(250, 285)$ đến điểm $(490, 0)$.
  • Tính toán bộ truyền đai răng khớp 1: Số răng bánh chủ động $Z_1 = 20$ ($d_1 = 12,73 \text{ mm}$), bánh bị động $Z_2 = 220$ ($d_2 = 140 \text{ mm}$), tỉ số truyền $i = 11:1$, chiều dài đai $L = 610 \text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 173,36 \text{ mm}$, góc ôm bánh chủ động $\alpha_1 = 138^\circ$ (thỏa mãn điều kiện $\ge 120^\circ$ để chống trượt), vận tốc đai $v_1 = 0,3 \text{ m/s}$.

Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển, cơ khí robot

Chương 6 trình bày thiết kế hoàn chỉnh hệ thống phần cứng và phần mềm:

  • Sơ đồ nguyên lý các khối: Khối giảm áp, khối công tắc hành trình, sơ đồ mạch cảm biến mực chất lỏng XKC-Y25-PNP, phao điện từ, cụm nhả đá, cụm đánh bọt, mạch nguồn AC-DC và cách kết nối STM32F103C8T6 với driver SSD2505M, TB6600, A4988.
  • Bản vẽ kết cấu cơ khí 3D và hình ảnh thực tế của tủ điện, cụm chứa ly, cụm bơm nguyên liệu và bàn pha chế.
  • Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển trên vi điều khiển STM32, module truyền thông ESP32, vi điều khiển phụ trợ Arduino Uno R3 và ứng dụng Android trên MIT App Inventor.

Chương 7: Thực nghiệm – Đánh giá

Trình bày kết quả thử nghiệm vận hành trên mô hình vật lý:

  • Thực nghiệm điều khiển robot di chuyển tới các tọa độ điểm thực tế (như điểm A(300, 150)).
  • Kiểm tra sai số định lượng khối lượng chất lỏng qua cảm biến Loadcell và mạch HX711.
  • Thử nghiệm toàn bộ chu trình đặt món, trừ nguyên liệu và đồng bộ trạng thái lên Google Sheets qua mạng MQTT.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  1. Chế tạo thành công mô hình phần cứng: Lắp ráp hoàn thiện cánh tay robot SCARA 3 bậc tự do và hệ thống 4 cụm chức năng (cấp ly, rót nguyên liệu, đánh bọt, đùn đá) hoạt động ổn định trong kích thước khung 120 x 60 cm.
  2. Kiểm chứng thuật toán quỹ đạo và động học: Kết quả mô phỏng trên MATLAB và thực nghiệm chuyển động thực tế cho thấy cánh tay robot di chuyển chính xác đến các vị trí đặt trước (như tọa độ điểm A(300, 150)), chuyển động êm nhờ cơ chế tăng giảm tốc theo 3 pha và sự phối hợp giữa phương pháp xoay khớp với nội suy đường thẳng đa thức bậc 3.
  3. Định lượng và kiểm soát nguyên liệu tự động: Cảm biến Loadcell kết hợp module HX711 kiểm soát chuẩn xác khối lượng chất lỏng rót vào ly; cảm biến quang XKC-Y25-PNP phát hiện kịp thời trạng thái hết nguyên liệu trong bình chứa, lập tức truyền tín hiệu khóa tính năng chọn món trên màn hình HMI và cập nhật lên CSDL.
  4. Vận hành quy trình khép kín: Hoàn thiện liên động từ khâu khách hàng chọn 1 trong 3 loại đồ uống, tùy chọn lượng đá/độ ngọt, xác nhận thanh toán, robot thực hiện các bước pha chế và trả ly thành phẩm ra khay nhận kèm lời chào.

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

  • Kiến trúc điều khiển phân tầng linh hoạt: Phân chia nhiệm vụ rõ ràng giữa vi điều khiển chuyên trách phát xung thời gian thực (STM32F103C8T6) và vi điều khiển chuyên trách truyền thông không dây (ESP32), giúp giảm tải tính toán cho CPU điều khiển chuyển động và loại bỏ hiện tượng giật cục khi robot đang chạy.
  • Tối ưu hóa chi phí chế tạo: Chứng minh khả năng tự chế tạo hệ thống robot pha chế tự động bằng các linh kiện cơ điện tử phổ biến trên thị trường (động cơ bước, servo hybrid, đai răng, vi điều khiển giá rẻ) mà vẫn đảm bảo độ tin cậy và vệ sinh an toàn thực phẩm, tạo giải pháp thay thế khả thi cho các mô hình nhập ngoại đắt đỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích và phạm vi nghiên cứu được nêu trong văn bản, đồ án ghi nhận các hạn chế và hướng phát triển sau:

  • Hạn chế của hệ thống:
    • Robot mới chỉ đáp ứng pha chế cố định 3 loại đồ uống theo công thức lập trình sẵn, chưa có tính năng tùy biến linh hoạt thêm nhiều món mới.
    • Cấu trúc SCARA hạn chế không gian chuyển động thẳng đứng theo trục Z và khả năng tải trọng của khâu thao tác cuối còn thấp (giới hạn làm việc danh định 0,2 kg).
    • Giao thức truyền thông MQTT sử dụng đường truyền không dây tiêu chuẩn chưa được tích hợp các lớp mã hóa bảo mật nâng cao (như TLS/SSL).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng thêm số lượng vòi bơm nguyên liệu và phát triển thuật toán quản lý công thức đồ uống đa dạng hơn.
    • Cải tiến cơ cấu kẹp và cơ cấu chấp hành cuối để tăng tải trọng nâng, cho phép thao tác với nhiều cỡ ly khác nhau.
    • Tích hợp mã hóa bảo mật TLS/SSL cho kênh truyền MQTT và tối ưu hóa hệ thống vệ sinh tự động đường ống sau các chu kỳ pha chế kéo dài.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu chi tiết về quy trình giải bài toán động học robot SCARA (phương pháp D-H, ma trận Jacobian, quy tắc Cramer) và phương pháp quy hoạch quỹ đạo chuyển động bằng đa thức bậc 3 kết hợp kiểm chứng qua MATLAB.
  • Người nghiên cứu và kỹ sư phát triển thiết bị tự động ngành F&B: Cung cấp toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển (kết nối STM32, ESP32, driver SSD2505M, TB6600, cảm biến Loadcell HX711, cảm biến quang XKC-Y25-PNP), các bước tính toán sức bền cơ khí bộ truyền đai răng, vít me và phương pháp tích hợp hệ thống IoT đồng bộ dữ liệu đám mây qua giao thức MQTT.

Câu hỏi thường gặp

1. Cánh tay robot trong đồ án sử dụng cấu hình cơ học nào và chuyển động của các khâu được phân bổ ra sao?
Robot sử dụng cấu hình SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) gồm 3 bậc tự do chính: khâu 1 và khâu 3 là các khớp xoay trong mặt phẳng ngang dẫn động bằng động cơ servo qua bộ truyền đai răng; khâu 2 là khớp tịnh tiến theo phương thẳng đứng dẫn động bằng vít me bi – đai ốc và ray trượt tròn. Tại khâu công tác cuối có thêm 2 động cơ RC Servo phụ trách xoay đầu kẹp và kẹp/nhả ly.

2. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương án kết hợp xoay khớp và nội suy đường thẳng đa thức bậc 3 để quy hoạch quỹ đạo?
Phương pháp xoay khớp (Joint motion) được sử dụng tại các khu vực không gian thoáng nhằm tối ưu hóa thời gian di chuyển, giảm công suất tiêu thụ và đơn giản hóa việc tính toán. Trong khi đó, tại các khu vực hẹp, tiếp cận cụm cấp nguyên liệu hoặc cần tránh vật cản, phương pháp nội suy đường thẳng dùng đa thức bậc 3 được kích hoạt để đảm bảo độ chính xác vị trí, triệt tiêu rung giật (vận tốc đầu và cuối bằng 0) và phòng ngừa va chạm cơ khí.

3. Hệ thống xử lý như thế nào khi một trong các bình chứa bị hết nguyên liệu?
Tại các bình chứa, cảm biến mực chất lỏng quang học không tiếp xúc XKC-Y25-PNP liên tục giám sát mức dung dịch. Khi phát hiện cạn chất lỏng, tín hiệu được ESP32 đọc và gửi qua giao thức MQTT để tự động vô hiệu hóa (khóa) nút chọn món tương ứng trên giao diện người dùng MIT App Inventor, đồng thời cập nhật dữ liệu cảnh báo lên hệ thống Google Sheets nhằm ngăn chặn tình trạng robot pha chế sai công thức.

4. Động cơ nào được lựa chọn cho khớp xoay 1 của robot và thông số tính toán mô men xoắn như thế nào?
Khớp 1 sử dụng động cơ servo Hybrid mã hiệu YK257EC56E1 (công suất 0,1 kW, tốc độ tối đa 1500 rpm, mô men 1,2 Nm). Dựa trên tổng khối lượng làm việc và kết cấu các khâu là 2,7 kg, lực tác dụng trọng lượng tính toán là 26,46 N, mô men uốn tại điểm đặt là 11,83 Nm. Thông qua bộ truyền đai răng có tỉ số truyền $i = 11:1$, mô men xoắn yêu cầu trên trục động cơ là $M_i = 11,83 / 11 = 1,075 \text{ Nm}$, phù hợp với mô men định mức 1,2 Nm của động cơ.

5. Cấu trúc phân tầng điều khiển và truyền thông của hệ thống gồm những thành phần nào?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển chính STM32F103C8T6 để trực tiếp xử lý thuật toán động học và phát xung điều khiển các driver động cơ (SSD2505M, TB6600, A4988). Module ESP32 phụ trách thu thập dữ liệu từ cảm biến và thiết lập giao tiếp không dây theo giao thức MQTT đến máy chủ trung gian. Giao diện người dùng trên máy tính bảng chạy ứng dụng MIT App Inventor và máy chủ quản trị dữ liệu Google Sheets đồng bộ hai chiều với ESP32 thông qua MQTT broker.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, phát triển robot pha chế thức uống tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình robot SCARA 3 bậc tự do phục vụ pha chế 3 loại đồ uống trong khung kích thước 120 x 60 cm. Bằng việc làm chủ bài toán động học nghịch Denavit-Hartenberg, quy hoạch quỹ đạo đa thức bậc 3 kết hợp thuật toán tăng giảm tốc trên STM32F103C8T6 và truyền thông IoT qua giao thức MQTT với ESP32, hệ thống đã vận hành hoàn chỉnh chu trình từ đặt món, thanh toán đến pha chế chính xác và giám sát từ xa. Kết quả nghiên cứu là minh chứng cụ thể cho việc nội địa hóa các giải pháp cơ điện tử tự động hóa trong ngành F&B với chi phí tối ưu, đồng thời cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành.