CHƯƠNG 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Robot là một thành tựu Khoa học Kỹ thuật mang lại bước ngoặt, phát triển vượt bậc cho nhân loại. Sự xuất hiện của robot đánh dấu cho nền công nghiệp hiện đại, thúc đẩy phát triển kinh tế. Robot thay đổi hoàn toàn cục diện lực lượng lao động toàn cầu, chuyển đổi từ lực lượng lao động truyền thống thành một hệ thống máy móc tự động. Ưu điểm của robot nằm ở độ chính xác, nhanh, độ bền, khả năng làm việc ở môi trường độc hại, khắc nghiệt và hiệu suất làm việc.
Hiện nay xu thế sử dụng robot thay thế một phần công việc của con người đang được mở rộng và ngày càng lan rộng ra nhiều ngành nghề khác nhau như sản xuất ô tô, y tế. hay ngay cả lĩnh vực thức uống giải khát cũng đã bắt đầu sử dụng các loại robot khác nhau. Một trong số đó là robot pha chế tự động. Nó khá thịnh hành ở các nước phát triển, riêng ở Việt Nam thì vẫn đang còn gặp một số khó khăn trong việc nghiên cứu và chế tạo.
Điều đó khiến các doanh nghiệp luôn phải chi ra một khoản chi phí khá lớn để nhập các mẫu robot từ nước ngoài nếu muốn thay đổi và bắt kịp so với thế giới. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến hệ quả này, có thể là về công nghệ, con người hay về ngân sách còn hạn hẹp dẫn tới việc ứng dụng robot ở lĩnh vực pha chế thức uống nói chung và ngành F&B nói riêng còn hạn chế. Tuy nhiên ở góc nhìn tích cực, đã có những dự án robot pha chế do các sinh viên ở các trường đại học làm ra. Đó là kết quả của sự tổng hợp kiến thức cơ bản, chuyên ngành đã được học trong suốt 4 năm trên giảng đường vào thực tiễn cuộc sống.
Cùng với sự tìm tòi, không ngừng học hỏi đã đạt được những thành tựu ban đầu, xây nên những viên gạch đầu tiên, nền móng cho các đề tài sau này. Dựa trên cơ sở lý thuyết, cùng với sự kế thừa từ những dự án trước, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, phát triển robot pha chế thức uống tự động”. Đề tài là minh chứng cho việc áp dụng những kiến thức, kỹ thuật đã được học để xây dựng một mô hình robot có thể tự pha chế thức uống cho mọi người với quy trình khép kín từ khâu đặt hàng, thanh toán đến khâu chế biến, vệ sinh dụng cụ, xử lý lỗi (nếu có), sớm được đưa vào áp dụng thực tiễn tại các địa điểm công cộng, nhà hàng, quán coffee,… 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài “Nghiên cứu, phát triển robot pha chế thức uống tự động” được thực hiện mang ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn, cụ thể: Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được phương pháp Devanit-Hartenberg trong bài toán động học nghịch của robot: Việc áp dụng phương pháp này sẽ là tiền đề cho việc xác định được hướng của các khớp robot. 1 Ứng dụng phương trình đường thẳng để quy hoạch quỹ đạo chuyển động cho robot: Việc áp dụng phương trình đường thẳng giúp robot có quỹ đạo di chuyển rõ ràng, tránh va chạm cơ cấu khác trong vùng hoạt động.
Ứng dụng giao thức MQTT trong hoạt động truyền thông IOT của robot: Việc áp dụng giao thức này giúp Robot truyền nhận dữ liệu nhanh chóng ở bất cứ đâu, độ tin cậy cao, kết nối linh hoạt và tiết kiệm năng lượng. Đồng thời giúp nhà phát triển dễ dàng theo dõi, kiểm soát và sửa lỗi trong thời gian thực cho robot. Xây dựng được hệ thống điều khiển robot: Hệ thống điều khiển robot mang tính linh hoạt, tốc độ nhanh và có độ chính xác cao giúp tăng được độ chính xác, an toàn cũng như hiệu suất của robot khi hoạt động. Ý nghĩa thực tiễn: Tăng cường hiệu suất, năng suất và cải thiện chất lượng: Robot có thể pha chế nhanh chóng và chính xác tỉ lệ các nguyên liệu, giúp giảm thời gian chờ đợi của khách hàng, tăng hiệu suất phục vụ và đảm bảo hương vị đồng nhất giữa mỗi lần pha chế, tránh sai xót do bất cẩn trong quá trình pha chế.
Tăng cường vệ sinh và an toàn thực phẩm: Quy trình pha chế của robot là quy trình khép kín, vì vậy nguyên liệu pha chế sẽ được giữ sạch sẽ, giúp đảm bảo vệ sinh, an toàn thực phẩm. Các dụng cụ được sử dụng đi sử dụng lại cũng được robot vệ sinh sau mỗi lần pha chế để đảm bảo vệ sinh cho lần pha chế tiếp theo. Tiết kiệm chi phí và tối ưu nguồn lực: Sử dụng robot pha chế có thể giảm chi phí lao động, đặc biệt là ở những nơi có mức chi phí cho lao động cao. Công việc pha chế là một công việc lặp đi lặp lại theo công thức vì thế robot đảm nhận sẽ tối ưu nhân lực giúp con người tập trung vào những việc phức tạp hơn, có giá trị cao hơn.
Trải nghiệm khách hàng: Khách hàng sẽ có những trải nghiệm mới mẻ và độc đáo khi được robot phục vụ. Kích thích sự tò mò, mong muốn được sử dụng robot.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Xây dựng quy trình đặt món, thanh toán, pha chế thức uống cho robot. Xây dựng giao diện điều khiển cho màn hình của robot. Xây dựng ứng dụng quản lý và hệ cơ sở dữ liệu cho robot.
Thiết kế tủ điện điều khiển, quy hoạch quỹ đạo chuyển động cho robot đến các tọa độ. Thiết kế các module phụ cho robot bao gồm module nhả đá, module khuấy, module chứa ly.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Robot SCARA 3 bậc tự do. Các tài liệu liên quan về robot. Giao thức truyền thông MQTT.
Ứng dụng điều khiển, ứng dụng quản lý.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA bằng STM32 lập trình thông qua STM32CUBEMX và KEILC. Nghiên cứu thiết kế ứng dụng điều khiển robot và ứng dụng quản lý bằng MIT APP INVENTOR. Nghiên cứu truyền nhận IOT theo giao thức MQTT bằng ESP32 lập trình thông qua ARDUINO IDE.5 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Cơ sở phương pháp luận Phương pháp điều khiển robot dựa trên mô hình toán học (động học nghịch và phương trình đường thẳng): Động học nghịch và phương trình đường thẳng phục vụ cho việc điều khiển và phân tích hoạt động, quỹ đạo của cánh tay robot. Phương pháp kiểm chứng và đánh giá: Kiểm chứng kết quả robot chạy thực tế so với lập trình.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá sơ bộ về khả năng vận hành của robot.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu quy hoạch quỹ đạo bằng phương trình đường thẳng cho robot, nghiên cứu bài toàn động học nghịch cho robot. Phương pháp thiết kế và phát triển sản phẩm, thiết kế mô phỏng cơ khí và thiết kế phần mềm cho robot. Phương pháp đánh giá và cải tiến, đánh giá hiệu suất pha chế của robot và cải tiến liên tục để nâng cao chất lượng.3 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp gồm 7 chương, trong đó: Chương 2 trình bày tổng quan các khái niệm, định nghĩa, kiến thức liên quan đến đề tài nghiên cứu. Nêu ra các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài và xác định nhiệm vụ thực hiện trong đề tài.
Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết, các phương pháp, kiến thức cần thiết để thực hiện đề tài. Chương 4 xây dựng phương trình động học cho robot để làm cơ sở tính toán cho phần 3 lựa chọn phương pháp điều khiển quỹ đạo, đồng thời xây dựng quy trình đặt món, quy trình pha chế. Chương 5 phân tích yêu cầu từ đó đưa ra các phương án, giải pháp để lựa chọn và xác định các công việc cần triển khai để hoàn thành đề tài, tiến hành lựa chọn phương pháp điều khiển cho SCARA. Chương 6 nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển robot, trình bày sơ đồ điện, lưu đồ thuật toán, đồng thời xây dựng giao diện cho người dùng, ứng dụng quản lý và hệ thống cơ sở dữ liệu.
Chương 7 tiến hành chạy thực nghiệm quy trình cho robot, thu thập dữ liệu và đưa ra nhận xét, đánh giá kết quả đã đạt được. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan về robot và cánh tay robot Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, robot là một thành phần thiết yếu và có mặt ở hầu hết các ngành nghề khác nhau. Từ việc ứng dụng robot trong dây chuyển sản xuất đến việc ứng dụng robot trong các lĩnh vực đăng trưng như y tế, giải trí, giáo dục đặc biệt là trong ngành F&B. Với khả năng linh hoạt, bền bỉ, đa dạng trong việc thực hiện các công việc từ đơn giản đến phức tạp, robot đem lại sự tiện dụng, đáng tin cậy, giúp ích rất nhiều cho quá trình sản xuất, quá trình lao động.
Từ đó đem lại lợi nhuận khổng lồ cho các doanh nghiệp, giảm thiểu chi phí nhân công, tăng năng suất và giảm thiểu tai nạn lao động. Robot nói chung và cánh tay robot nói riêng đã ngày càng chứng minh tầm quan trọng của chúng trong các ngành hàng hiện nay. Cánh tay robot, một trong những loại robot công nghiệp phổ biến, được thiết kế để mô phỏng chuyển động của cánh tay con người với độ chính xác và tốc độ cao đặc biệt sức mạnh của cánh tay robot cũng cao hơn đáng kể. Chúng thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất để thực hiện các nhiệm vụ như hàn, lắp ráp, sơn và xử lý vật liệu.
Ngoài ra cánh tay robot còn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như y tế, nông nghiệp và dịch vụ. Trong y tế, chúng được sử dụng để thực hiện các ca phẫu thuật phức tạp với độ chính xác cao. Trong nông nghiệp, cánh tay robot giúp thu hoạch nông sản, chăm sóc cây trồng và xử lý, phân loại nông sản. Trong ngành dịch vụ đặc biệt là F&B, chúng hỗ trợ trong việc phục vụ khách hàng, chế biến thực phẩm, thức uống.
Trong ngành hàng F&B việc sản phẩm đầu ra đồng đều là một tiêu chí hết sức quan trọng và cánh tay robot có thể đảm bảo được điều đó. Đặc biệt với khả năng linh động tùy biến của cánh tay robot, có thể thay thế, lắp đặt các cơ cấu khác nhau lên cánh tay robot khi nhiệm vụ thay đổi khiến nó càng trở nên tiện dụng, linh hoạt trong hoạt động sản xuất,… Hình 2.1 Robot pha chế coffee Ella [16] 5 2.2 Robot SCARA và ứng dụng thực tiễn Robot SCARA là một loại robot công nghiệp được biết đến với cấu trúc linh hoạt và khả năng thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp với độ chính xác cao.