Luận Văn Thạc Sĩ Về Robot Delta Và Điều Khiển Wifi Trong Trang Trí Bánh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sử dụng robot dạng delta kết hợp với điều khiển qua wifi trong trang trí bánh, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Thiên Bảo
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Văn Phong
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Sử dụng Robot dạng Delta kết hợp với điều khiển qua WiFi trong trang trí bánh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Những nghiên cứu trước đó
• 1.2. Mục tiêu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về Linear Delta Robot
• 2.2. Giới thiệu về Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32
• 2.3. Tổng quan về vi xử lý ESP32 và dòng ESP32-WROOM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Delta và ứng dụng trong trang trí bánh

Robot Delta là một loại robot song song với ba cánh tay được nối với các khớp ở bệ cố định. Đặc điểm thiết kế chính của nó là sử dụng hình bình hành trong các cánh tay, giúp duy trì sự định hướng của bộ phận đầu cuối. Robot Delta được sử dụng phổ biến trong công việc gắp thả và đóng gói nhờ đặc tính di chuyển nhanh. Trong đồ án này, Robot Delta được kết hợp với điều khiển qua Wifi để ứng dụng vào trang trí bánh, một lĩnh vực mới mẻ và tiềm năng. Điều này không chỉ giúp giảm sức lao động mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu hiện đại hóa trong ngành công nghiệp thực phẩm.

1.1. Lợi ích của Robot Delta trong trang trí bánh

Việc sử dụng Robot Delta trong trang trí bánh mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Đầu tiên, nó giúp giảm sức lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm, và tránh sự nhàm chán trong công việc. Thứ hai, Robot Delta cải thiện điều kiện làm việc, giúp người lao động tiếp cận với công nghệ hiện đại. Cuối cùng, nó tăng năng suất lao động, giảm giá thành sản phẩm, và cho phép thay đổi mẫu mã nhanh chóng. Đây là những yếu tố quan trọng giúp nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp thực phẩm.

II. Thiết kế và điều khiển Robot Delta qua Wifi

Đồ án tập trung vào việc thiết kế Robot Delta kết hợp với điều khiển qua Wifi. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng là ESP32, một vi xử lý mạnh mẽ tích hợp Wi-Fi và Bluetooth. ESP32 đảm nhiệm vai trò giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn WebSocket, cho phép điều khiển robot từ xa. Giao diện điều khiển được thiết kế trên nền tảng PyQt, giúp người dùng dễ dàng tương tác với robot. Quỹ đạo hoạt động của robot được tạo ra dựa trên ảnh định dạng SVG, đảm bảo độ chính xác và linh hoạt trong quá trình trang trí bánh.

2.1. Tính toán động học và không gian làm việc

Để đảm bảo Robot Delta hoạt động hiệu quả, đồ án thực hiện tính toán động học thuận, động học ngược và không gian làm việc. Các phương trình động học được xây dựng để xác định vị trí và hướng di chuyển của robot. Không gian làm việc được tính toán dựa trên kích thước và cấu trúc của robot, đảm bảo nó có thể thực hiện các thao tác trang trí bánh một cách chính xác. Đây là bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của robot.

III. Thực nghiệm và kết quả

Sau khi hoàn thiện thiết kế và tính toán lý thuyết, đồ án tiến hành thực nghiệm kiểm chứng hoạt động của Robot Delta. Các thử nghiệm bao gồm kiểm tra phương trình động học, chuyển động của các khớp, và hoạt động theo quỹ đạo của robot. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có thể di chuyển theo quỹ đạo được thiết kế từ ảnh SVG, đảm bảo độ chính xác và linh hoạt. Mặc dù kết quả chưa hoàn thiện, đồ án đã đạt được hầu hết các yêu cầu đặt ra, mở ra hướng phát triển tiềm năng cho ứng dụng Robot Delta trong trang trí bánh.

3.1. Hướng phát triển trong tương lai

Đồ án đặt ra nhiều hướng phát triển trong tương lai, bao gồm cải thiện độ chính xác của robot, mở rộng không gian làm việc, và tích hợp thêm các tính năng bảo mật trong giao diện điều khiển. Ngoài ra, việc ứng dụng AI và IoT vào hệ thống có thể nâng cao hiệu quả và tính tự động hóa của robot. Những cải tiến này sẽ giúp Robot Delta trở thành giải pháp tối ưu trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực trang trí bánh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa ngày càng được ứng dụng sâu rộng vào các dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao năng suất, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công. Tại các cơ sở sản xuất bánh kem và thực phẩm, công đoạn trang trí hoa văn đòi hỏi sự tỉ mỉ, lặp đi lặp lại và tốn nhiều nhân công nhưng tính linh hoạt trong việc thay đổi mẫu mã còn hạn chế. Việc ứng dụng các cơ cấu robot tự động hóa vào quy trình này giúp cải thiện điều kiện làm việc của con người, giảm chi phí sản xuất, đồng thời cho phép thay đổi kiểu dáng trang trí một cách nhanh chóng và chính xác.

Theo khảo sát tổng quan từ các công trình nghiên cứu trước đó, robot song song dạng Delta (Linear Delta Robot) đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như máy in 3D, robot y tế hỗ trợ hồi sức tim phổi hoặc robot gắp đặt sản phẩm tích hợp thị giác máy tính. Tuy nhiên, các nghiên cứu ứng dụng robot vào ngành làm bánh và trang trí thực phẩm còn tương đối ít (chủ yếu là tay máy SCARA hoặc các hệ thống ứng dụng AI/IoT). Do đó, đề tài "Sử dụng Robot dạng Delta kết hợp với điều khiển qua WiFi trong trang trí bánh" được nhóm tác giả thực hiện nhằm xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh từ thiết kế cơ khí, tính toán động học, điều khiển nhúng cho đến giao diện người dùng.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm 3 nội dung:

1. Hoàn thiện việc tính toán các phương trình động học (thuận và nghịch) cho hệ Linear Delta Robot.
2. Thi công mô hình robot có khả năng di chuyển chính xác theo quỹ đạo để tạo ra các hình vẽ đúng với dữ liệu hình ảnh dùng để quy hoạch quỹ đạo.
3. Xây dựng hệ thống hoàn chỉnh gồm mô hình robot và giao diện điều khiển trên máy tính giao tiếp qua mạng không dây WiFi hoạt động theo thời gian thực.

Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

• Thiết kế mô hình robot dạng Linear Delta 3 bậc tự do và cơ cấu bơm gián tiếp.
• Tính toán động học thuận, động học ngược và xác định không gian làm việc lý thuyết cũng như thực tế.
• Thiết kế mạch điều khiển phần cứng và lập trình chương trình nhúng trên vi điều khiển ESP32.
• Xây dựng thuật toán quy hoạch quỹ đạo di chuyển dựa trên việc phân tích thuộc tính của phần tử <path> trong tập tin đồ họa vector SVG.
• Thiết kế giao diện điều khiển (GUI) trên hệ điều hành Windows sử dụng ngôn ngữ Python kết hợp thư viện PyQt và giao thức WebSocket.
• Chế tạo mô hình thực nghiệm, thi công mạch điều khiển và tiến hành thử nghiệm kiểm chứng hoạt động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc cơ điện tử của robot Linear Delta 3 bậc tự do tịnh tiến, thuật toán điều khiển động cơ bước qua ngắt timer trên ESP32, thuật toán giải mã SVG và cơ cấu đùn dung dịch trang trí bánh.
• Phạm vi và giới hạn: Không gian làm việc của robot được giới hạn trong phạm vi hình trụ có bán kính đáy tối thiểu 50 mm và chiều cao tối thiểu 50 mm. Robot giao tiếp qua WiFi nội bộ với máy tính chạy hệ điều hành từ Windows 10 trở lên. Hình ảnh đầu vào chỉ tiếp nhận định dạng SVG dạng nét vẽ (stroke). Giao diện điều khiển tập trung vào các chức năng vận hành cơ bản, chưa tích hợp hệ thống bảo mật tài khoản hay cơ sở dữ liệu thống kê sản xuất. Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 06/09/2022 đến ngày 30/12/2022.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình hóa toán học, giải tích hình học) và phương pháp thực nghiệm kỹ thuật (chế tạo phần cứng, phát triển phần mềm nhúng và kiểm thử thực tế):

1. Cơ sở lý thuyết về Robot song song Linear Delta

Linear Delta Robot là cấu trúc robot song song 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến độc lập theo các trục $X, Y, Z$. Cơ cấu sử dụng 3 chuỗi động học hình bình hành kết nối giữa các con trượt di chuyển tuyến tính trên khung cố định và khâu chấp hành cuối (end-effector). Đặc điểm cấu trúc này giúp các động cơ truyền động được gắn cố định trên khung máy, làm giảm đáng kể khối lượng chuyển động của khâu chấp hành cuối, từ đó đạt được gia tốc và tốc độ di chuyển cao hơn so với các hệ trục tọa độ Descartes truyền thống.

2. Xử lý đồ họa vector SVG và đường cong Bézier

Để tạo quỹ đạo chuyển động cho đầu phun của robot, đồ án khai thác định dạng ảnh vector SVG (Scalable Vector Graphics) xây dựng trên chuẩn XML. Quy trình phân tích tập trung vào các thành phần chính:

• Thẻ <svg>: Xác định hệ tọa độ và vùng hiển thị thông qua thuộc tính viewBox.
• Thẻ <g>: Quản lý nhóm đối tượng và các phép biến hình không gian như phép tịnh tiến translate(x, y) và phép co giãn tỷ lệ scale(x, y).
• Thẻ <path>: Chứa dữ liệu đường dẫn trong thuộc tính d. Nhóm nghiên cứu tiến hành bóc tách các lệnh điều khiển đường vẽ bao gồm: M/m (MoveTo), L/l/H/h/V/v (LineTo), C/c/S/s (đường cong Bézier bậc ba), Q/q/T/t (đường cong Bézier bậc hai) và Z/z (ClosePath).

Đường cong Bézier bậc ba được biểu diễn toán học qua 4 điểm kiểm soát $P_0, P_1, P_2, P_3$: $$B(t) = (1 - t)^3 P_0 + 3(1 - t)^2 t P_1 + 3(1 - t) t^2 P_2 + t^3 P_3, \quad t \in [0, 1]$$ Thông qua việc lấy mẫu tham số $t$, đường cong liên tục được rời rạc hóa thành chuỗi các điểm tọa độ $(x, y)$ phục vụ cho quy hoạch quỹ đạo chuyển động của robot.

3. Giao thức truyền thông và công cụ phát triển

• Kiến trúc mạng: ESP32 hoạt động ở chế độ WiFi Station (STA) hoặc Access Point (AP), hỗ trợ cấu hình mạng nhanh thông qua công nghệ SmartConfig (giao thức UDP qua ứng dụng ESP-Touch).
• Giao thức truyền nhận: Sử dụng giao thức WebSocket truyền dữ liệu hai chiều dạng toàn song công (full-duplex) với độ trễ thấp giữa máy tính và ESP32, thay thế cho cơ chế HTTP request/response truyền thống.
• Môi trường phát triển phần mềm: Trình biên dịch Visual Studio Code kết hợp PlatformIO và Arduino Framework cho vi điều khiển ESP32; công cụ PyCharm, Qt Creator và thư viện PyQt 6 cho ứng dụng giao diện trên máy tính; phần mềm SolidWorks cho thiết kế cơ khí 3D.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và triển khai đồng bộ qua 4 phân hệ chính: kết cấu cơ khí, cơ cấu chấp hành khí nén, mạch điều khiển phần cứng và phần mềm điều khiển.

Phân hệ / Bộ phận	Thông số kỹ thuật & Thiết bị sử dụng	Chức năng chính trong hệ thống
Khung robot	Nhôm định hình 15x15x435 mm (3 trụ), nhôm 15x15x300 mm (đế trên/dưới), pad nhựa in 3D	Tạo kết cấu lăng trụ tam giác đều bo góc (360x312x450 mm), chịu lực cho toàn bộ hệ thống
Bộ truyền động	3 động cơ bước Nema17, 3 driver A4988, puli GT2 16 răng, dây đai GT2, ray trượt	Chuyển chuyển động quay thành tịnh tiến của con trượt (32 mm/vòng quay), hành trình ray 250 mm
Cánh tay đòn	Ống sợi carbon chiều dài 200 mm, khớp cầu bi (mắt trâu), gá nhựa in 3D	Kết nối con trượt với khâu chấp hành cuối, đảm bảo độ cứng vững và giảm quán tính
Cơ cấu bơm đùn	Bơm màng DC 365 (12VDC, >2 L/phút, áp suất >0.3 MPa), van nước điện từ 12VDC thường đóng	Bơm khí nén gián tiếp vào bình chứa để đẩy dung dịch ra vòi phun, van điện từ đóng/ngắt dòng chảy
Mạch điều khiển	Module vi điều khiển ESP32-WROOM (NodeMCU LuaNode32), mạch Buck DC-DC mini 3A, MOSFET	Xử lý lệnh từ WiFi/WebSocket, phát xung điều khiển 3 động cơ bước qua ngắt timer, kích van/bơm
Giao diện điều khiển	Ứng dụng Python viết trên nền PyQt 6, giao tiếp WebSocket	Nạp file SVG, tính toán quy hoạch quỹ đạo, gửi lệnh điều khiển và giám sát trạng thái thời gian thực

1. Kiến trúc phần cứng và cơ khí

Khung máy có dạng hình lăng trụ tam giác đều với kích thước tổng thể $360 \times 312 \times 450\text{ mm}$ (bao gồm chân đế cao su). Các thanh nhôm định hình $15 \times 15\text{ mm}$ được liên kết bằng các chi tiết pad nhựa in 3D chịu lực. Hệ thống sử dụng 3 cụm truyền động độc lập đặt dọc theo 3 trụ đứng; mỗi cụm gồm một động cơ bước Nema17 dẫn động dây đai GT2 qua puli 16 răng, làm tịnh tiến con trượt trên thanh ray với vận tốc tối đa $50\text{ mm/s}$. Khâu chấp hành cuối liên kết với các con trượt thông qua 3 cặp thanh carbon dài $200\text{ mm}$ gắn khớp cầu bi đa hướng nhằm đảm bảo độ linh hoạt cơ học.

Cơ cấu cấp dung dịch trang trí được thiết kế theo nguyên lý nén khí gián tiếp nhằm đáp ứng yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm. Động cơ bơm DC 365 bơm không khí sạch vào bình chứa dung dịch gắn bên ngoài khung máy qua ống dẫn đường kính 8–10 mm, tạo áp suất đẩy nguyên liệu qua van điện từ 12VDC (loại thường đóng) và đi đến đầu phun gắn tại bệ mang tải trung tâm.

2. Mạch điều khiển và chương trình nhúng

Mạch điều khiển trung tâm sử dụng kit ESP32 NodeMCU LuaNode32 (trang bị vi xử lý ESP32-D0WD-V3 lõi kép, xung nhịp $240\text{ MHz}$). Nguồn điện chính 12VDC được hạ áp xuống 5VDC và 3.3VDC thông qua mạch giảm áp Buck mini 3A để cấp cho vi điều khiển và mạch logic. Ba động cơ bước được điều khiển thông qua ba mô-đun driver A4988. Động cơ bơm khí và van điện từ được đóng/ngắt độc lập bằng các mạch công tắc bán dẫn sử dụng transistor MOSFET công suất. Chương trình nhúng sử dụng ngắt timer phần cứng để tạo xung điều khiển động cơ với tần số chính xác, đảm bảo 3 trục chuyển động đồng bộ theo thuật toán nội suy quỹ đạo.

3. Phần mềm giao diện máy tính (GUI)

Giao diện người dùng được xây dựng bằng Python và PyQt 6. Ứng dụng tích hợp các khối chức năng: kết nối mạng và quản lý phiên WebSocket, nạp và trực quan hóa tệp tin SVG, chuyển đổi tọa độ điểm từ không gian ảnh sang không gian làm việc của robot, lựa chọn hình dạng bánh kem, và bảng điều khiển thủ công các trục tọa độ. Dữ liệu lệnh và tọa độ điều khiển được đóng gói thành các chuỗi ký tự định dạng chuẩn trước khi truyền qua mạng không dây đến ESP32.

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình trang trí bánh kem trong sản xuất thực phẩm, khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan đến máy in 3D Linear Delta, robot y tế và các ứng dụng robot trong công nghiệp thực phẩm. Tác giả xác định rõ 3 mục tiêu nghiên cứu, 7 nội dung công việc cụ thể và 4 phạm vi giới hạn của đề tài về không gian làm việc, định dạng hình ảnh và môi trường vận hành.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này tập trung trình bày tổng quan cấu trúc động học của Linear Delta Robot dạng trục dọc; cấu hình phần cứng và sơ đồ ra chân của kit ESP32 NodeMCU LuaNode32 (25 chân GPIO, 15 kênh ADC 12-bit, 2 kênh DAC 8-bit, 16 kênh PWM, các chế độ Webserver STA/AP và tính năng cấu hình nhanh SmartConfig). Đồng thời, chương 2 phân tích định dạng đồ họa vector SVG, cấu trúc thuộc tính viewBox, các phép biến hình translate/scale, ý nghĩa các lệnh đường dẫn trong thuộc tính d, công thức toán học của đường cong Bézier bậc ba, cùng các công cụ phát triển phần mềm gồm VSCode, PlatformIO, Qt Creator, PyQt 6 và PyCharm.

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH

Chương 3 thuyết minh chi tiết quá trình lựa chọn phương án thiết kế kết cấu Linear Delta Robot thay vì hệ tọa độ Descartes XYZ nhờ ưu điểm tốc độ chuyển động nhanh. Tác giả trình bày các bản vẽ thiết kế 3D bằng SolidWorks cho khung đế trên, khung đế dưới, cụm gá đai, gá cánh tay đòn, gá động cơ bơm và gá bình chứa dung dịch ngoài. Chương này cũng phân tích việc lựa chọn vật liệu nhôm $15 \times 15\text{ mm}$, nhựa in 3D, thanh sợi carbon, khớp cầu bi, động cơ bước Nema17, driver A4988, van điện từ 12VDC, bơm khí DC 365, mạch giảm áp Buck DC-DC và sơ đồ mạch điều khiển tích hợp MOSFET.

CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT

Chương 4 thực hiện thiết lập hệ trục tọa độ gốc và xây dựng mô hình toán học giải tích cho hệ robot:

• Động học thuận: Xác định tọa độ vị trí $(X, Y, Z)$ của khâu chấp hành cuối dựa trên vị trí dịch chuyển $(d_1, d_2, d_3)$ của 3 con trượt thông qua bài toán giao điểm của 3 mặt cầu trong không gian.
• Động học nghịch: Tính toán giá trị vị trí dịch chuyển của 3 con trượt $(d_1, d_2, d_3)$ từ tọa độ điểm làm việc mong muốn $(X, Y, Z)$.
• Không gian làm việc: Xác định vùng bao không gian làm việc lý thuyết và không gian làm việc thực tế dựa trên giới hạn góc xoay của khớp cầu bi và hành trình trượt $250\text{ mm}$.
• Quy hoạch quỹ đạo: Thiết lập lưu đồ và thuật toán bóc tách tọa độ từ các thẻ SVG để chuyển đổi thành chuỗi lệnh điều khiển vị trí liên tục.

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Chương 5 mô tả lưu đồ thuật toán tổng quát của toàn hệ thống, cấu trúc chương trình nhúng trên ESP32 xử lý chuỗi lệnh điều khiển, cơ chế ngắt timer phát xung nhịp điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước. Phần lập trình ứng dụng máy tính mô tả kiến trúc Signal/Slot trong PyQt 6, quy trình chuyển đổi tệp giao diện .ui sang .py bằng lệnh pyuic6, thuật toán giao tiếp WebSocket hai chiều và các khối chức năng điều khiển tự động / bán tự động.

CHƯƠNG 6. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG

Chương 6 công bố các số liệu và hình ảnh thực nghiệm nhằm đánh giá độ chính xác của hệ thống:

• Kiểm chứng phương trình động học thuận và nghịch qua bảng số liệu đo đạc đối chiếu giữa lý thuyết và thực tế.
• Kiểm tra độ chính xác dịch chuyển của con trượt khi nhận lệnh di chuyển (xuống $10\text{ mm}$ và lên $20\text{ mm}$).
• Thực nghiệm vẽ quỹ đạo các mẫu hình học cơ bản và nâng cao: hình vuông, đường tròn, hình quả chuông và hình con thỏ.
• Kiểm tra hoạt động thực tế của hệ thống bơm khí, van điện từ và đầu đùn nguyên liệu trang trí trực tiếp lên bề mặt bánh.

CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 7 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được về mặt thiết kế cơ khí, giải thuật động học, mạch nhúng và phần mềm điều khiển. Tác giả cũng thẳng thắn chỉ ra các điểm còn tồn tại trong thực nghiệm và đề xuất các hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm và số liệu kỹ thuật

Hệ thống đã được chế tạo hoàn thiện và tiến hành thử nghiệm với các kết quả cụ thể:

• Kiểm chứng động học: Các phương trình động học thuận và động học nghịch được đối chiếu thực nghiệm, cho phép chuyển đổi chính xác giữa không gian khớp (vị trí con trượt) và không gian làm việc Descartes.
• Độ chính xác dịch chuyển trục: Thử nghiệm chuyển động từng khớp cho thấy con trượt di chuyển chính xác theo khoảng cách cài đặt (kiểm tra tại các mốc dịch chuyển xuống $10\text{ mm}$ và dịch chuyển lên $20\text{ mm}$).
• Kiểm chứng quy hoạch quỹ đạo: Robot bóc tách thành công dữ liệu từ tệp tin vector SVG và thực hiện vẽ chính xác các mẫu hình học từ đơn giản đến phức tạp gồm: hình vuông, đường tròn, hình quả chuông và hình con thỏ.
• Hoạt động của hệ thống đùn: Cơ cấu bơm màng DC 365 kết hợp van điện từ 12VDC hoạt động đồng bộ với quỹ đạo chuyển động của robot, thực hiện việc bơm ngắt dòng dung dịch trang trí trực tiếp lên bề mặt bánh theo đúng mẫu thiết kế.

2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

• Tự chủ thiết kế và lập trình: Toàn bộ thuật toán điều khiển vị trí động cơ bước, điều khiển bơm màng và van điện từ trên vi điều khiển ESP32 được nhóm nghiên cứu tự xây dựng bằng ngôn ngữ C++/Arduino, hoàn toàn không phụ thuộc vào các nền tảng phần mềm điều khiển CNC/In 3D thương mại có sẵn.
• Ứng dụng định dạng SVG vào điều khiển robot: Xây dựng thành công thuật toán bóc tách thuộc tính của các lệnh đường dẫn (<path>) và giải thuật toán học đường cong Bézier bậc ba để chuyển đổi trực tiếp hình ảnh vector thành quỹ đạo chuyển động cơ học trong thời gian thực.
• Thiết kế hệ thống nén khí gián tiếp: Đề xuất và ứng dụng giải pháp bơm khí nén vào bình kín để đẩy dung dịch thực phẩm ra vòi phun thay vì dùng bơm cánh gạt tiếp xúc trực tiếp, đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn vệ sinh thực phẩm trong trang trí bánh.
• Ứng dụng giao thức WebSocket điều khiển thời gian thực: Khai thác giao thức WebSocket để truyền nhận dữ liệu hai chiều tốc độ cao giữa giao diện PyQt trên máy tính và vi điều khiển ESP32 qua WiFi, giúp loại bỏ độ trễ lớn của giao thức HTTP truyền thống.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế kỹ thuật trong quá trình thực nghiệm:

• Không gian làm việc của robot còn tương đối nhỏ, giới hạn kích thước bánh kem có thể xử lý.
• Giao diện điều khiển mới chỉ đáp ứng các chức năng vận hành cơ bản, chưa có tính năng phân quyền, bảo mật tài khoản người dùng, hay chức năng lưu trữ và thống kê số liệu sản xuất.
• Thuật toán giải mã SVG hiện tại chỉ tương thích với các hình ảnh vector dạng nét vẽ đơn (stroke) theo một kiểu định dạng cụ thể, chưa xử lý được các tệp đồ họa phức tạp có tô màu mảng (fill) hoặc phối màu nhiều lớp.
• Chương trình điều khiển trên máy tính chỉ mới vận hành trên hệ điều hành Windows 10 trở lên thông qua kết nối mạng WiFi nội bộ.
• Kết quả trang trí thực tế bằng dung dịch trên bề mặt bánh vẫn còn độ rung nhất định và độ đồng đều của nét vẽ chưa đạt mức hoàn hảo tuyệt đối.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Mở rộng kích thước khung cơ khí để tăng bán kính và chiều cao không gian làm việc của robot.
• Tối ưu hóa kết cấu đầu phun và nâng cấp thuật toán điều khiển áp suất khí nén để kiểm soát dòng chảy dung dịch mịn và đều hơn.
• Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh trên giao diện để giải mã được đa dạng các đối tượng đồ họa SVG phức tạp hơn.
• Phát triển giao diện điều khiển đa nền tảng (hỗ trợ Linux, macOS và thiết bị di động).

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành:

• Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu hoàn chỉnh về quy trình tính toán động học thuận/nghịch cho cấu trúc robot song song Linear Delta 3 bậc tự do; phương pháp lập trình ngắt timer phát xung điều khiển đồng bộ nhiều động cơ bước trên vi điều khiển ESP32.
• Kỹ thuật Phần mềm và Hệ thống nhúng: Tham khảo cách thức xây dựng ứng dụng điều khiển thời gian thực bằng Python/PyQt kết nối với phần cứng nhúng qua giao thức WebSocket; phương pháp xử lý toán học và giải mã tệp tin đồ họa vector SVG thành tập hợp điểm quỹ đạo chuyển động.
• Kỹ thuật Chế tạo máy và Thiết kế Cơ khí: Tham khảo kết cấu cơ khí nhỏ gọn ứng dụng nhôm định hình kết hợp linh kiện in 3D và thanh carbon khớp cầu bi trong các ứng dụng máy gắp đặt tốc độ cao hoặc máy in 3D Delta.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn mô hình robot Linear Delta thay vì hệ trục Descartes XYZ truyền thống?
Trả lời: Hệ trục XYZ có khả năng chịu tải tốt nhưng tốc độ di chuyển chậm do động cơ phải di chuyển cùng các trục. Linear Delta Robot gắn cố định tất cả động cơ trên khung tĩnh, giúp giảm quán tính của khâu chấp hành cuối, từ đó đạt được tốc độ di chuyển nhanh và độ linh hoạt cao, rất phù hợp với yêu cầu trang trí bánh vốn có tải trọng nhẹ.

2. Cơ chế nén khí gián tiếp để đùn dung dịch trang trí hoạt động như thế nào và có ưu điểm gì?
Trả lời: Động cơ bơm DC 365 không bơm trực tiếp chất lỏng mà bơm không khí sạch vào bình chứa kín đặt bên ngoài khung máy. Áp suất khí nén tạo ra lực đẩy dung dịch qua đường ống 8–10 mm, đi qua van điện từ 12VDC thường đóng đến vòi phun. Thiết kế này giúp chất lỏng không tiếp xúc với động cơ bơm, tránh nguy cơ nhiễm khuẩn và đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

3. Làm thế nào hệ thống chuyển đổi một đường cong trong tệp tin SVG thành chuyển động của robot?
Trả lời: Phần mềm trích xuất dữ liệu thẻ <path> từ tệp SVG, bóc tách các điểm kiểm soát của đường cong Bézier bậc ba ($P_0, P_1, P_2, P_3$), sau đó giải phương trình tham số $B(t)$ với $t \in [0, 1]$ để rời rạc hóa thành chuỗi các điểm tọa độ $(x, y)$. Các điểm này được chuyển qua phương trình động học nghịch để tính vị trí con trượt tương ứng và truyền lệnh xuống ESP32.

4. Ưu điểm của việc ứng dụng giao thức WebSocket thay vì HTTP trong đồ án là gì?
Trả lời: HTTP là giao thức truyền một chiều có độ trễ cao do client phải gửi request mới nhận được response. WebSocket thiết lập kênh truyền thông hai chiều toàn song công liên tục giữa máy tính và ESP32 sau một lần bắt tay (handshake), giúp truyền nhận dữ liệu lệnh và phản hồi trạng thái với độ trễ cực thấp, đáp ứng yêu cầu điều khiển thời gian thực.

5. Cơ cấu truyền động tuyến tính của robot sử dụng loại dây đai và puli nào, mỗi vòng quay động cơ con trượt dịch chuyển bao nhiêu?
Trả lời: Hệ thống sử dụng động cơ bước Nema17 kết hợp với dây đai GT2 và puli GT2 loại 16 răng. Với cấu hình này, mỗi vòng quay trọn vẹn của động cơ sẽ làm con trượt tịnh tiến một khoảng cách chính xác là $32\text{ mm}$ trên thanh ray trượt.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình Linear Delta Robot 3 bậc tự do ứng dụng trong việc vẽ hoa văn và trang trí bánh kem tự động. Hệ thống làm chủ toàn bộ chu trình công nghệ từ tính toán động học giải tích, gia công cơ khí, lập trình điều khiển nhúng thời gian thực trên vi điều khiển ESP32 cho đến giao diện người dùng PyQt qua mạng không dây WebSocket. Mặc dù còn một số giới hạn về không gian làm việc và độ mịn của nét đùn dung dịch, công trình đã giải quyết trọn vẹn các mục tiêu học thuật đặt ra, tạo tiền đề vững chắc cho việc mở rộng và thương mại hóa các hệ thống tự động hóa trong ngành chế biến thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Giới hạn Vì hạn chế về mặt kinh phí, thời gian cũng như kiến thức chuyên môn, đồ án này sẽ có những giới hạn như sau: - Mô hình robot chỉ có kích thước và không gian làm việc nhỏ - Giao diện điều khiển chỉ bao gồm những tính năng cơ bản, không có các tính năng về bảo mật, tài khoản hay thống kê dữ liệu… - Nội dung hình ảnh SVG theo một kiểu định dạng cụ thể và chỉ có thể phân tích những hình ảnh có dạng nét vẽ - Robot chỉ có thể được điều khiển qua WiFi bằng máy tính có hệ điều hành từ Windows 10 trở lên. 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. Tổng quan về Linear Delta Robot Delta Robot là một loại robot song song bao gồm ba cánh tay được nối với các khớp ở bệ cố định.

Đặc điểm thiết kế chính của nó là sử dụng hình bình hành trong các cánh tay, giúp duy trì sự định hướng của bộ phận đầu cuối. Robot Delta được sử dụng phổ biến trong công việc gắp thả và đóng gói trong các nhà máy nhờ đặc tính di chuyển rất nhanh của chúng [24]. Từ năm 1983, “Laboratoire de Systèmes Robotiques” tại Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, LSRO) đã nghiên cứu thiết kế và phát triển động học song song. Delta Robot song song đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1985 [3].

Linear Delta Robot dạng trục ngang (bên trái) và trục dọc (bên phải) [3] 2. Giới thiệu về Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 2. Tổng quan về vi xử lý ESP32 và dòng ESP32-WROOM ESP32 là một vi xử lý mạch mẽ với tích hợp Wi-Fi và Bluetooth thích hợp cho những ứng dụng có phạm vi kết nối rộng [30]. ESP32 có khả năng hoạt động đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp, với nhiệt độ hoạt động trong khoảng từ –40°C đến +125°C.

Được hỗ trợ bởi các mạch hiệu chỉnh tiên tiến, ESP32 có thể tự động loại bỏ các điểm không hoàn hảo của mạch bên ngoài và thích ứng với những thay đổi trong điều kiện bên ngoài. Mặc khác, vì được thiết kế cho các thiết bị di động, thiết bị điện tử đeo được và ứng dụng IoT, ESP32 đạt được mức tiêu thụ điện năng cực thấp nhờ sự kết hợp của một số loại phần mềm độc quyền. ESP32 được tích hợp các công tắc ăng-ten, balun RF, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT lý nguồn tạo nên tính linh hoạt, giảm thiểu yêu cầu về thiế kế chân trong bảng mạch in (PCB). ESP32 không những có thể hoạt động độc lập trong một hệ thống hoàn chỉnh mà còn có thể hoạt động như một thiết bị ngoại vi bên cạnh vi xử lý chính, giúp giảm những tiến trình mà vi xử lý đó cần phải thực hiện.

ESP32 có thể giao tiếp với những hệ thống khác để cung cấp chức năng Wi-Fi, Bluetooth thông qua các giao tiếp SPI/SDIO, I2C hoặc UART. Dòng module ESP32-WROOM được thiết kế dưới dạng SoC (System on Chip) dựa trên lõi là ESP32-D0WD-V3 Dual Core. Các module này rất phù hợp với các ứng dụng kết nối dựa trên Wi-Fi và Bluetooth/Bluetooth LE, đồng thời cung cấp hiệu suất mạnh mẽ dựa trên cấu tạo lõi kép. Tần số xung tốt đa có thể hoạt động của dòng module này là 240MHz.

Bên cạnh đó, mô-đen cũng được trang bị bộ nhớ flash từ 4 đến 16 GB. Dòng module ESP32-WROOM có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi hoặc các vi xử lý khác thông qua thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I2S, IR, bộ đếm xung, GPIO, ADC và DAC. Ngoài ra, dòng module này cũng được tích hợp cảm biến chạm, cảm biến từ Hall và ăng-ten PCB/IPEX. Tổng quan về Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 được phát triển trên nền module trung tâm là ESP32-WROOM với ưu điểm là cách sử dụng dễ dàng, ra chân đầy đủ, tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CP2102.

Ngoài ra, kit này cũng được tính hợp LED báo trạng thái, các nút nhấn BOOT và EN [17]. Module ESP32-WROOM có tổng cộng 38. Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 chỉ ra 30 chân trong số trên vì đã loại trừ những chân dùng cho bộ nhớ flash cũng như kết nối với IC nạp. Sơ đồ ra chân của kit được dựa trên ESP32 DEVKIT V1 – DOIT như sau: 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Sơ đồ ra chân Kit ESP32 NodeMCU LuaNode32 [21] Trong 30 chân ra của kit, có 4 chân được sử dụng để nối nguồn là VIN, 3V3 và 2 chân GND; 1 chân EN và 25 chân GPIO. Nguồn hoạt động cho vi xử lý có thể được cấp thông qua cổng Micro USB hoặc cấp nguồn từ 3,3V đến 5V (tối đa không quá 12V) vào chân VIN. Chân 3V3 có thể dùng để cấp nguồn hoạt động cho các thiết bị ngoại vi khác có mức điện áp này. Các chân GND của nguồn, ESP32 và các thiết bị ngoại vi khác đều phải được nối chung mới nhau.

Trong 25 chân GPIO, ngoại trừ 4 chân 34, 35, 36 và 39 chỉ có thể được dùng với chức năng input, các chân GPIO còn lại đều có thể được sử dụng ở cả chế độ input và output. Một số chân GPIO phải được đặt ở một mức logic nhất định trong quá trình bootloader hoặc flashing. Tuy nhiên, chúng ta không cần quan tâm điều này khi sử dụng devkit vì những mạch này sẽ đưa những chân đó vào chế độ thích hợp. Trong kit NodeMCU LuaNode32, chân GPIO0 được nối với nút nhấn BOOT và không có ra chân.

LED tích hợp trên board được nối với chân GPIO2. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ESP32 được tích hợp 10 chân có khả năng phát hiện được sự thay đổi về điện áp cảm ứng trên chân, có được sử dụng như các nút nhấn cảm ứng. Các chân này bao gồm: - TOUCH0 (GPIO 4) - TOUCH1 (GPIO 0) - TOUCH2 (GPIO 2) - TOUCH3 (GPIO 15) - TOUCH4 (GPIO 13) - TOUCH5 (GPIO 12) - TOUCH6 (GPIO 14) - TOUCH7 (GPIO 27) - TOUCH8 (GPIO 33) - TOUCH9 (GPIO 32) Trong số các chân ra của kit có 15 chân có thể sử dụng chức năng ADC với độ phân giải 12bit, có giá trị tương tự là 0 tương ứng với 0V và 4096 tương ứng với 3,3V. Các chân ADC này cũng có thể được lập trình với độ phân giải tuỳ chỉnh miễn sao không vượt quá độ phân giải 12bit.

Các chân ADC bao gồm: - ADC1_CH0 (GPIO 36) - ADC1_CH1 (GPIO 37) - ADC1_CH2 (GPIO 38) - ADC1_CH3 (GPIO 39) - ADC1_CH4 (GPIO 32) - ADC1_CH5 (GPIO 33) - ADC1_CH6 (GPIO 34) - ADC1_CH7 (GPIO 35) - ADC2_CH0 (GPIO 4) - ADC2_CH1 (GPIO 0) - ADC2_CH2 (GPIO 2) - ADC2_CH3 (GPIO 15) - ADC2_CH4 (GPIO 13) - ADC2_CH5 (GPIO 12) - ADC2_CH6 (GPIO 14) 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT - ADC2_CH7 (GPIO 27) - ADC2_CH8 (GPIO 25) - ADC2_CH9 (GPIO 26) Không như việc có nhiều chân ADC với độ phân giải cao, ESP32 chỉ có 2 chân DAC với độ phân giải 8bit, có giá trị từ 0 – 255 tương ứng với mức điện áp từ 0 – 3,3V. Các chân DAC bao gồm: - DAC1 (GPIO25) - DAC2 (GPIO26) ESP32 có tổng cộng 15 chân thời gian thực RTC có tác dụng đánh thức module này khỏi chế độ Low Power Mode. Các chân RTC bao gồm: - RTC_GPIO0 (GPIO36) - RTC_GPIO3 (GPIO39) - RTC_GPIO4 (GPIO34) - RTC_GPIO5 (GPIO35) - RTC_GPIO6 (GPIO25) - RTC_GPIO7 (GPIO26) - RTC_GPIO8 (GPIO33) - RTC_GPIO9 (GPIO32) - RTC_GPIO10 (GPIO4) - RTC_GPIO11 (GPIO0) - RTC_GPIO12 (GPIO2) - RTC_GPIO13 (GPIO15) - RTC_GPIO14 (GPIO13) - RTC_GPIO15 (GPIO12) - RTC_GPIO16 (GPIO14) - RTC_GPIO17 (GPIO27) 8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nói về giao tiếp, trong số các chân ra của kit có 2 chân giao tiếp I2C, 4 chân bao gồm 2 kênh giao tiếp UART, 8 chân bao gồm 2 kênh giao tiếp SPI. Các chân này bao gồm: - SDA (GPIO 21) - SCL (GPIO 22) - VSPI MOSI (GPIO23) - VSPI MISO (GPIO19) - VSPI CLK (GPIO18) - VSPI CS (GPIO5) - HSPI MOSI (GPIO13) - HSPI MISO (GPIO12) - HSPI CLK (GPIO14) - HSPI CS (GPIO15) - UART0_TXD (GPIO1) - UART0_RXD (GPIO3) - UART2_TXD (GPIO17) - UART2_RXD (GPIO16) ESP32 có 16 kênh độc lập có thể cấu hình để tạo PWM với các thuộc tính khác nhau.

Tất cả các chân có thể hoạt động với chế độ output đều có thể được sử dụng như chân PWM (tức là ngoại trừ 4 chân input only đã nêu). Ngoài ra, tất cả các chân GPIO của module này để có thể được sử dụng với chế độ ngắt ngoại. Các chế độ Webserver của ESP32 Webserver hay máy chủ web là một máy tính cài đặt các chương trình phục vụ các ứng dụng web. Webserver có khả năng tiếp nhận request từ các trình duyệt web và gửi phản hồi đến client thông qua giao thức HTTP hoặc các giao thức khác.

Có 3 phương pháp có thể dùng để tạo ra một Webserver từ ESP32 để giao tiếp với các thiết bị khác thông qua sóng WiFi bao gồm: Access Point, WiFi Station, và kết hợp cả hai chế độ trên. - Khi ESP32 khi kết nối với một mạng WiFi hiện có (thường được tạo từ router) thì nó sẽ được gọi là một Station (STA). Ở chế độ này, ESP32 sẽ nhận được một địa chỉ IP được cấp từ router mà nó kết nối. Với địa chỉ này, nó có thể thiết lập một web server và cung cấp đến các trang web đến 9 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT tất các các thiết bị kết nối với mạng WiFi đó.

- Khi ESP32 được dùng để tự tạo ra một trung tâm phát WiFi (giống như một router) cho nhiều STA khác có thể truy cập thì nó được gọi là Access Point (AP). Không giống như mạng WiFi được tạo từ router, AP tạo từ ESP32 không thể kết nối đến internet, do vậy nó còn được gọi là soft-AP. Ngoài ra, số lượng STA có thể kết nối với mạng này cũng bị giới hạn. Giao thức cơ bản nhất để kết nối và điều khiển ESP đó là HTTP (Hyper Text Transfer Protocol).

HTTP là giao thức truyền tải một chiều. Trong giao thức này, client (máy khách) sẽ gửi yêu cầu và server (máy chủ) sẽ gửi phản hồi ngược lại. Do đó, đây là một giao thức có độ trễ cao. WebSocket ra đời để khác phục nhược điểm độ trễ cao của giao thức HTTP.

WebSoket là một giao thức truyền tải 2 chiều giữa server và client. Ban đầu, client sẽ gửi một yêu cầu Handshake (bắt tay) đến máy chủ. Sau khi máy chủ xác nhận yêu cầu Handshake của máy khách, hai bên sẽ xác nhận thiết lập kết nối với nhau và gửi tín hiệu (message) từ cả 2 phía mà không cần phải nhận bất kỳ yêu cầu nào trước đó.