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 báo cáo của ngành, trọng lượng trung bình của các thùng carton thành phẩm trong dây chuyền sản xuất là khoảng 25 kg, việc sử dụng sức người để nâng và sắp xếp các thùng này lên pallet không chỉ gây tốn sức mà còn tiềm ẩn nguy cơ tổn thương cột sống lưng cho công nhân. Nhu cầu cấp thiết là phát triển một hệ thống tay máy robot công nghiệp có khả năng tự động gắp và sắp xếp các thùng carton lên pallet một cách chính xác và hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và điều khiển một mô hình tay máy robot 5 bậc tự do, có khả năng gắp các thùng carton thành phẩm và sắp xếp chúng lên pallet theo thứ tự lớp thùng được lập trình sẵn. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng bộ điều khiển quỹ đạo cho cánh tay robot, mô phỏng động học và giải thuật tối ưu hóa đường đi của robot nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình vận hành. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2014 đến tháng 7/2015 tại xưởng sản xuất của Công Ty TNHH Giải Pháp Tự Động Hóa TECHKING, Thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc giảm thiểu sức lao động thủ công, tăng năng suất lao động và bảo vệ sức khỏe người lao động. Việc ứng dụng robot trong khâu gắp và sắp xếp thùng carton không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn mở ra hướng phát triển cho các dây chuyền sản xuất tự động hóa hoàn toàn trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: động học robot và điều khiển quỹ đạo. Động học robot được áp dụng để mô hình hóa chuyển động của tay máy 5 bậc tự do, bao gồm động học thuận và động học nghịch nhằm xác định vị trí và góc quay của các khớp robot trong không gian 3 chiều. Phương pháp Denavit-Hartenberg được sử dụng để thiết lập hệ tọa độ và các tham số chuyển đổi giữa các khâu của robot.

Khái niệm chính bao gồm:

  • Bậc tự do (DOF): Số trục chuyển động độc lập của robot, trong nghiên cứu là 5 bậc tự do.
  • End-effector: Bộ phận cuối cùng của robot thực hiện thao tác gắp.
  • Quỹ đạo chuyển động: Đường đi mà end-effector di chuyển trong không gian.
  • Động cơ servo: Loại động cơ được chọn để điều khiển các khớp robot nhờ khả năng điều khiển vòng kín, đảm bảo độ chính xác và tốc độ cao.
  • Giao tiếp CAN: Mạng truyền thông nội bộ giữa các vi điều khiển trong hệ thống điều khiển robot, đảm bảo độ tin cậy và chống nhiễu cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thực nghiệm tại xưởng sản xuất của Công Ty TNHH Giải Pháp Tự Động Hóa TECHKING, kết hợp với mô phỏng trên phần mềm RobotStudio của hãng ABB. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình tay máy robot 5 bậc tự do được thiết kế và chế tạo thực nghiệm, sử dụng động cơ servo DC của hãng Harmonic Driver với nguồn cấp 24V và encoder độ phân giải 200 xung/vòng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng động học vị trí và quỹ đạo chuyển động bằng RobotStudio.
  • Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi điều khiển PIC18F4680, giao tiếp qua chuẩn CAN và RS232.
  • Xây dựng giải thuật điều khiển quỹ đạo và thuật toán tối ưu hóa đường đi của robot.
  • Thực nghiệm kiểm chứng sai số và hiệu quả vận hành mô hình robot.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2014 đến tháng 7/2015, bao gồm các giai đoạn thiết kế cơ khí, mô phỏng, lập trình điều khiển, chế tạo mạch điện và thực nghiệm đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế tay máy robot 5 bậc tự do: Mô hình robot được thiết kế với 3 bậc tự do cho phần tay máy và 2 bậc tự do cho phần cổ tay, đảm bảo khả năng điều khiển vị trí và hướng của end-effector. Kích thước các khâu lần lượt là L1 = 152 mm, L2 = 120 mm, L3 = 43 mm, với góc giới hạn các khớp từ 45° đến 360° tùy khớp.

  2. Lựa chọn động cơ servo cho các khớp: Động cơ servo DC được chọn nhờ khả năng điều khiển vòng kín, tốc độ cao và độ chính xác tốt. Moment cần thiết để kẹp giữ vật là 2,61 N.mm, trong khi động cơ MG996R có moment 981 N.mm, đảm bảo lực kẹp chắc chắn và ổn định.

  3. Mạch điều khiển và giao tiếp: Hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC18F4680 với giao tiếp CAN để truyền nhận tín hiệu giữa các vi điều khiển, đảm bảo độ chính xác và chống nhiễu trong điều khiển thời gian thực. Giao tiếp RS232 được sử dụng để kết nối với máy tính, thuận tiện cho việc lập trình và giám sát.

  4. Hiệu quả thực nghiệm: Qua 5 lần lặp lại thực nghiệm gắp khối lập phương, sai số lắp vật trung bình là 2,6 mm, cho thấy độ chính xác của hệ thống trong phạm vi chấp nhận được cho ứng dụng công nghiệp. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động trên RobotStudio cho thấy đường đi của robot được tối ưu hóa, tránh va chạm và đảm bảo tốc độ vận hành phù hợp với băng tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của thành công trong thiết kế là việc lựa chọn động cơ servo phù hợp với yêu cầu về moment và tốc độ, kết hợp với giải thuật điều khiển quỹ đạo tối ưu. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, sai số 2,6 mm là mức chấp nhận được, tương đương hoặc tốt hơn một số hệ thống robot công nghiệp tương tự.

Việc sử dụng phần mềm RobotStudio giúp mô phỏng chính xác quỹ đạo và phát hiện xung đột, giảm thiểu rủi ro khi đưa hệ thống vào vận hành thực tế. Hệ thống mạch điều khiển với giao tiếp CAN đảm bảo tính ổn định và khả năng mở rộng trong tương lai.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu không chỉ dừng lại ở việc thay thế sức lao động thủ công mà còn mở ra hướng phát triển cho các dây chuyền sản xuất tự động hóa hoàn toàn, giảm thiểu sai sót và tăng năng suất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng thực tế trong dây chuyền sản xuất: Áp dụng mô hình tay máy robot 5 bậc tự do vào các nhà máy có quy mô vừa và lớn để thay thế công đoạn gắp và sắp xếp thùng carton, nhằm giảm thiểu sức lao động và tăng năng suất. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6-12 tháng, chủ thể là bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển và giao tiếp: Tích hợp thêm các cảm biến lực và camera để nâng cao khả năng nhận biết và điều chỉnh lực kẹp, đồng thời cải thiện độ chính xác trong quá trình vận hành. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 12 tháng, do phòng R&D đảm nhiệm.

  3. Phát triển giải thuật tối ưu hóa quỹ đạo nâng cao: Áp dụng các thuật toán học máy hoặc thuật toán tối ưu đa mục tiêu để cải thiện hiệu quả quỹ đạo, giảm thời gian di chuyển và tiêu hao năng lượng. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu công nghệ tự động hóa, thời gian 9-12 tháng.

  4. Đào tạo và nâng cao kỹ năng vận hành cho nhân viên: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành và bảo trì hệ thống robot cho công nhân và kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do phòng nhân sự phối hợp với nhà cung cấp thiết bị thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư tự động hóa và cơ điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức thiết kế và điều khiển tay máy robot 5 bậc tự do, giúp họ phát triển các hệ thống robot công nghiệp tương tự hoặc nâng cao.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến: Các nhà quản lý và kỹ thuật viên trong ngành sản xuất có thể áp dụng giải pháp robot gắp thùng carton để nâng cao năng suất và giảm chi phí lao động.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử: Tài liệu nghiên cứu chi tiết về động học robot, thiết kế cơ khí và mạch điều khiển vi điều khiển, phù hợp làm tài liệu tham khảo và đề tài nghiên cứu.

  4. Nhà phát triển phần mềm điều khiển robot: Các lập trình viên và nhà nghiên cứu có thể tham khảo giải thuật điều khiển quỹ đạo và mô phỏng RobotStudio để phát triển các ứng dụng điều khiển robot chính xác hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn robot 5 bậc tự do cho ứng dụng này?
    Robot 5 bậc tự do đủ để điều khiển vị trí và hướng của end-effector trong không gian 3 chiều, phù hợp với yêu cầu gắp và sắp xếp thùng carton có kích thước và trọng lượng nhất định, đồng thời giảm chi phí và độ phức tạp so với robot nhiều bậc hơn.

  2. Động cơ servo có ưu điểm gì so với động cơ bước trong hệ thống này?
    Động cơ servo có vòng điều khiển kín, tránh hiện tượng trượt bước, hoạt động ổn định ở tốc độ cao và có moment lớn, phù hợp với yêu cầu kẹp giữ vật chắc chắn và di chuyển nhanh của tay máy.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác trong quá trình gắp thùng carton?
    Độ chính xác được đảm bảo nhờ mô phỏng quỹ đạo trên phần mềm RobotStudio, sử dụng động cơ servo có encoder độ phân giải cao, và thiết kế cơ cấu tay kẹp có lực kẹp đủ lớn, đồng thời kiểm soát sai số qua thực nghiệm với sai số trung bình khoảng 2,6 mm.

  4. Giao tiếp CAN có vai trò gì trong hệ thống điều khiển?
    Giao tiếp CAN giúp truyền nhận tín hiệu giữa các vi điều khiển trong hệ thống một cách ổn định, chống nhiễu tốt và hỗ trợ điều khiển thời gian thực, đảm bảo đồng bộ chuyển động của các khớp robot.

  5. Có thể mở rộng hệ thống robot này cho các ứng dụng khác không?
    Có thể, thiết kế mô hình và giải thuật điều khiển có tính mở, có thể tích hợp thêm cảm biến và nâng cấp phần mềm để ứng dụng cho các nhiệm vụ khác như lắp ráp, hàn hoặc vận chuyển trong dây chuyền sản xuất tự động.

Kết luận

  • Thiết kế thành công mô hình tay máy robot 5 bậc tự do với khả năng gắp và sắp xếp thùng carton 25 kg lên pallet theo quỹ đạo lập trình sẵn.
  • Lựa chọn động cơ servo DC và cơ cấu tay kẹp tay quay con trượt đảm bảo lực kẹp chắc chắn và độ chính xác cao.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC18F4680 với giao tiếp CAN và RS232, đảm bảo truyền tín hiệu ổn định và thời gian thực.
  • Thực nghiệm cho thấy sai số lắp vật trung bình là 2,6 mm, phù hợp với yêu cầu công nghiệp.
  • Hướng phát triển tiếp theo là nâng cấp giải thuật điều khiển, tích hợp cảm biến và mở rộng ứng dụng trong dây chuyền sản xuất tự động hóa hoàn toàn.

Để tiếp tục phát triển, đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu phối hợp triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời đầu tư nghiên cứu nâng cao giải thuật và hệ thống điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu quả sản xuất. Hãy bắt đầu hành trình tự động hóa ngay hôm nay để nâng cao năng lực cạnh tranh và bảo vệ sức khỏe người lao động.