Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc tự động hóa các khâu sản xuất đóng vai trò then chốt trong nâng cao năng suất và giảm thiểu lao động thủ công. Theo ước tính, các dây chuyền sản xuất hiện nay đang đối mặt với thách thức lớn trong khâu đóng gói và sắp xếp sản phẩm, đặc biệt là việc gắp các thùng carton thành phẩm có trọng lượng khoảng 25 kg lên pallet. Hoạt động này nếu thực hiện thủ công không chỉ tiêu tốn nhiều sức lực mà còn tiềm ẩn nguy cơ tổn thương cột sống lưng cho người lao động, đồng thời làm giảm hiệu quả sản xuất.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thiết kế và điều khiển một cánh tay robot 5 bậc tự do nhằm tự động hóa quá trình gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet tại xưởng sản xuất của Công ty TNHH Giải Pháp Tự Động Hóa TECHKING. Mục tiêu chính là xây dựng bộ điều khiển quỹ đạo cho cánh tay robot để thực hiện việc gắp và sắp xếp thùng carton theo đúng thứ tự các lớp thùng được lập trình sẵn, đồng thời kiểm chứng hiệu quả qua mô hình thực nghiệm.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thiết kế mô hình robot 5 bậc tự do, phát triển giải thuật tối ưu hóa đường đi và điều khiển tay gắp, với thời gian thực hiện từ tháng 8/2014 đến tháng 7/2015 tại TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu lao động thủ công, tăng năng suất và mở rộng ứng dụng robot trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết trọng tâm: động học robot và điều khiển quỹ đạo. Động học robot được áp dụng để mô hình hóa chuyển động của cánh tay robot 5 bậc tự do, bao gồm động học thuận và động học nghịch nhằm xác định vị trí và góc quay các khớp robot dựa trên hệ tọa độ Denavit-Hartenberg. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Bậc tự do (DOF): Số trục chuyển động độc lập của robot, trong nghiên cứu là 5 DOF.
  • End-effector: Bộ phận cuối cùng của robot thực hiện thao tác gắp.
  • Quỹ đạo chuyển động: Đường đi mà end-effector di chuyển để hoàn thành nhiệm vụ.
  • Giải thuật điều khiển: Phương pháp lập trình và điều khiển chuyển động robot theo quỹ đạo đã định.

Ngoài ra, nghiên cứu còn áp dụng mô hình điều khiển vòng kín với động cơ servo để đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm mô hình robot tại xưởng sản xuất của Công ty TECHKING. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình robot 5 bậc tự do được thiết kế và chế tạo thực tế, sử dụng động cơ servo MG996R và hệ thống vi điều khiển PIC18F4680.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng động học vị trí bằng phần mềm RobotStudio của hãng ABB để lập trình và kiểm tra quỹ đạo chuyển động.
  • Thiết kế cơ khí và điện tử cho tay gắp và hệ thống điều khiển, bao gồm lựa chọn động cơ, thiết kế mạch điện và giao tiếp vi điều khiển.
  • Thực nghiệm kiểm chứng giải thuật điều khiển và đánh giá sai số vị trí, với sai số lắp vật trung bình khoảng 2,6 mm sau 5 lần lặp lại.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2014 đến tháng 7/2015, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm.

Phương pháp chọn mẫu là thiết kế mô hình thực nghiệm dựa trên yêu cầu thực tế của dây chuyền sản xuất, nhằm đảm bảo tính khả thi và ứng dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công mô hình robot 5 bậc tự do với cấu trúc gồm 3 bậc tự do cho phần tay máy và 2 bậc tự do cho phần cổ tay, sử dụng động cơ servo DC với nguồn cấp 24V và encoder độ phân giải 200 xung/vòng. Mô hình có kích thước phù hợp với không gian làm việc, đảm bảo khả năng gắp các thùng carton có kích thước và trọng lượng tiêu chuẩn.

  2. Giải thuật điều khiển quỹ đạo được phát triển và mô phỏng thành công trên phần mềm RobotStudio, cho phép robot di chuyển chính xác theo đường đi đã lập trình, đồng thời tránh va chạm và tối ưu hóa thời gian vận hành. Sai số vị trí đo được trong thực nghiệm là khoảng 2,6 mm, đảm bảo độ chính xác cao cho quá trình sắp xếp thùng carton.

  3. Hệ thống tay gắp sử dụng động cơ servo MG996R với moment xoắn 981 N.mm, đáp ứng yêu cầu lực kẹp giữ vật chắc chắn trong quá trình vận hành. Lực kẹp tính toán đạt 0,193 N, đảm bảo vật không bị rơi trong quá trình di chuyển.

  4. Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC18F4680 với giao tiếp mạng CAN, đảm bảo truyền nhận tín hiệu ổn định, chống nhiễu và đồng bộ thời gian thực giữa các khớp động cơ và tay gắp. Hệ thống giao tiếp RS232 kết nối với máy tính để lập trình và giám sát.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng robot 5 bậc tự do trong tự động hóa khâu gắp và sắp xếp thùng carton lên pallet là khả thi và hiệu quả. Sai số vị trí nhỏ và lực kẹp đủ lớn chứng tỏ thiết kế cơ khí và giải thuật điều khiển đã được tối ưu hóa phù hợp với yêu cầu thực tế.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, mô hình này có ưu điểm về chi phí thấp và dễ dàng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện có, trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác và tốc độ vận hành. Việc sử dụng phần mềm RobotStudio giúp mô phỏng và tối ưu hóa quỹ đạo trước khi triển khai thực tế, giảm thiểu rủi ro và chi phí thử nghiệm.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc giảm thiểu lao động thủ công và nguy cơ chấn thương cho công nhân mà còn mở ra hướng phát triển tự động hóa toàn diện cho các dây chuyền sản xuất tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng robot 5 bậc tự do trong các dây chuyền sản xuất đóng gói nhằm giảm thiểu lao động thủ công và tăng năng suất, với mục tiêu giảm thời gian sắp xếp thùng carton lên pallet ít nhất 30% trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp sản xuất có quy mô vừa và lớn.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển và giao tiếp mạng CAN để đảm bảo tính ổn định và mở rộng khả năng tích hợp với các thiết bị tự động khác trong dây chuyền, thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do bộ phận kỹ thuật tự động hóa chịu trách nhiệm.

  3. Phát triển giải thuật tối ưu hóa quỹ đạo nâng cao nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng độ chính xác, đồng thời tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động điều chỉnh theo điều kiện thực tế, với lộ trình nghiên cứu 18 tháng do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

  4. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống robot để đảm bảo vận hành liên tục và hiệu quả, giảm thiểu thời gian chết máy, với chương trình đào tạo kéo dài 3 tháng do các trung tâm đào tạo kỹ thuật tổ chức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất và đóng gói: Có thể áp dụng mô hình robot để tự động hóa khâu sắp xếp sản phẩm, giảm chi phí nhân công và tăng năng suất.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ điện tử, tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu phát triển robot công nghiệp và đào tạo sinh viên.

  3. Nhà thiết kế và kỹ sư tự động hóa: Áp dụng các giải thuật điều khiển và thiết kế cơ khí trong việc phát triển các hệ thống robot tương tự.

  4. Các công ty cung cấp giải pháp tự động hóa: Tham khảo để phát triển sản phẩm robot tay máy phù hợp với nhu cầu thị trường trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot 5 bậc tự do có thể gắp được thùng carton nặng bao nhiêu?
    Robot được thiết kế để gắp các thùng carton có trọng lượng khoảng 25 kg, phù hợp với yêu cầu thực tế tại dây chuyền sản xuất.

  2. Sai số vị trí của robot khi gắp thùng carton là bao nhiêu?
    Thực nghiệm cho thấy sai số vị trí trung bình khoảng 2,6 mm sau 5 lần lặp lại, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình vận hành.

  3. Tại sao chọn động cơ servo thay vì động cơ bước cho tay gắp?
    Động cơ servo có vòng điều khiển kín, khả năng hoạt động ở tốc độ cao, ít rung động và không bị trượt bước, phù hợp với yêu cầu kẹp giữ vật chắc chắn và chính xác.

  4. Phần mềm RobotStudio có vai trò gì trong nghiên cứu?
    RobotStudio được sử dụng để mô phỏng quỹ đạo chuyển động, lập trình và tối ưu hóa đường đi của robot trước khi triển khai thực tế, giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí.

  5. Hệ thống giao tiếp giữa các vi điều khiển sử dụng chuẩn nào?
    Giao tiếp mạng CAN được chọn do khả năng chống nhiễu tốt, truyền dữ liệu ổn định và phù hợp với yêu cầu điều khiển thời gian thực của hệ thống.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình robot 5 bậc tự do với tay gắp sử dụng động cơ servo, đáp ứng yêu cầu gắp và sắp xếp thùng carton lên pallet.
  • Phát triển giải thuật điều khiển quỹ đạo chính xác, mô phỏng và kiểm chứng qua phần mềm RobotStudio và thực nghiệm thực tế với sai số vị trí khoảng 2,6 mm.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC18F4680 và giao tiếp mạng CAN đảm bảo truyền nhận tín hiệu ổn định, đồng bộ thời gian thực.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao năng suất, giảm thiểu lao động thủ công và mở rộng ứng dụng robot trong công nghiệp tại Việt Nam.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm nâng cấp giải thuật, mở rộng tích hợp hệ thống và đào tạo nhân lực vận hành.

Tiếp theo, việc triển khai ứng dụng thực tế và nghiên cứu mở rộng sẽ giúp hoàn thiện hệ thống, đồng thời khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu quan tâm đầu tư phát triển tự động hóa trong sản xuất. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này để thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.