Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc ứng dụng robot công nghiệp ngày càng trở nên thiết yếu nhằm nâng cao năng suất và giảm thiểu lao động thủ công. Theo báo cáo ngành, các thùng carton thành phẩm có trọng lượng khoảng 25 kg được đóng gói và sắp xếp lên pallet bằng sức người tại nhiều nhà máy, gây ra nguy cơ tổn thương cột sống và giảm hiệu quả lao động. Nhu cầu tự động hóa trong khâu này là rất lớn nhằm giảm thiểu rủi ro và tăng năng suất. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và điều khiển một cánh tay robot công nghiệp 5 bậc tự do, có khả năng gắp và sắp xếp các thùng carton lên pallet theo thứ tự lớp thùng được lập trình sẵn. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại xưởng sản xuất của Công Ty TNHH Giải Pháp Tự Động Hóa TECHKING, trong khoảng thời gian năm 2015. Mục tiêu chính là xây dựng bộ điều khiển quỹ đạo cho robot, đảm bảo thao tác chính xác, đồng bộ với dây chuyền sản xuất, đồng thời kiểm chứng hiệu quả qua mô hình thực nghiệm. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy tự động hóa, giảm thiểu lao động nặng nhọc và nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp chế tạo và đóng gói.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết động học robot: Bao gồm động học thuận và động học nghịch, sử dụng hệ tọa độ Denavit-Hartenberg để mô hình hóa vị trí và hướng của các khớp robot trong không gian ba chiều. Đây là cơ sở để tính toán quỹ đạo chuyển động chính xác của cánh tay robot 5 bậc tự do.

  • Mô hình điều khiển quỹ đạo: Áp dụng giải thuật điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID và thuật toán hoạch định quỹ đạo nhằm tối ưu hóa đường đi của robot, đảm bảo chuyển động mượt mà, chính xác và đồng bộ với dây chuyền sản xuất.

  • Khái niệm về hệ thống tự động linh hoạt: Robot được tích hợp trong hệ thống sản xuất tự động, có khả năng thích ứng nhanh với thay đổi nhiệm vụ, giảm sự can thiệp của con người.

  • Thuật ngữ chuyên ngành: Động cơ servo, encoder, giao tiếp CAN, RS232, end-effector, quỹ đạo chuyển động, mô phỏng RobotStudio.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ các động cơ servo Harmonic Driver, thông số kỹ thuật robot 5 bậc tự do, dữ liệu cảm biến và tín hiệu điều khiển thu thập từ hệ thống thực nghiệm.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm RobotStudio của ABB để mô phỏng động học vị trí và quỹ đạo chuyển động của robot. Phân tích động học thuận và nghịch để xác định các góc quay khớp và vị trí end-effector. Thiết kế mạch điều khiển vi điều khiển PIC18F4680 với giao tiếp CAN và RS232 để điều khiển động cơ servo.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô hình robot thực nghiệm được chế tạo với 5 khớp xoay, sử dụng 6 vi điều khiển để điều khiển 5 động cơ khớp và 1 động cơ tay kẹp. Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm kéo dài trong vài tháng năm 2015 tại xưởng sản xuất của Công Ty TECHKING.

  • Kiểm chứng: Thực hiện các bài kiểm tra gắp và sắp xếp thùng carton mô phỏng, đánh giá sai số vị trí với độ lệch trung bình khoảng 2,6 mm qua 5 lần lặp lại liên tục.

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 khớp xoay điều khiển vị trí và 2 khớp xoay điều khiển hướng end-effector. Kích thước các khâu được xác định chính xác (L1=152 mm, L2=120 mm, L3=43 mm), đảm bảo phạm vi hoạt động phù hợp với yêu cầu gắp thùng carton.

  2. Lựa chọn động cơ servo DC Harmonic Driver với độ phân giải encoder 200 xung/vòng, nguồn cấp 24V, đáp ứng yêu cầu vận hành nhanh, chính xác và ổn định. Động cơ tay kẹp R/C servo MG996R có moment 981 N.mm vượt xa moment cần thiết 2,61 N.mm để giữ vật chắc chắn.

  3. Phương án thiết kế tay kẹp sử dụng cơ cấu tay quay con trượt cho phép kẹp vật nhanh, chính xác, kết cấu gọn nhẹ và dễ dàng điều khiển. Lực kẹp được tính toán đảm bảo giữ vật có khối lượng 20g với hệ số ma sát 0,61.

  4. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động bằng RobotStudio cho thấy robot có thể thực hiện các thao tác gắp và sắp xếp thùng carton lên pallet theo thứ tự lớp thùng được lập trình, với sai số vị trí nhỏ, đảm bảo tính khả thi của giải thuật điều khiển.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng lý thuyết động học và điều khiển quỹ đạo trong thiết kế robot 5 bậc tự do là phù hợp và hiệu quả. Việc lựa chọn động cơ servo giúp giảm rung động và tăng độ chính xác so với động cơ bước, phù hợp với yêu cầu vận hành tốc độ cao và tải trọng 25 kg. Cơ cấu tay kẹp tay quay con trượt tối ưu hóa khả năng giữ vật, giảm sai số trong quá trình vận hành. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, sai số vị trí 2,6 mm là mức chấp nhận được trong ứng dụng công nghiệp. Mô hình thực nghiệm và mô phỏng quỹ đạo có thể được trình bày qua biểu đồ vị trí, tốc độ và gia tốc theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả điều khiển. Kết quả này mở ra hướng phát triển tích hợp robot trong dây chuyền sản xuất tự động hóa toàn diện, giảm thiểu sức lao động và tăng năng suất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng robot 5 bậc tự do trong dây chuyền sản xuất nhằm thay thế hoàn toàn thao tác gắp thùng carton bằng sức người, giảm thiểu tổn thương lao động và tăng năng suất lên ít nhất 30% trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý sản xuất và kỹ thuật của công ty.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển và giao tiếp CAN để đảm bảo truyền nhận tín hiệu ổn định, giảm thiểu sai số và tăng độ tin cậy trong vận hành robot. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: Bộ phận kỹ thuật tự động hóa.

  3. Phát triển thêm các mô hình robot tích hợp cảm biến và trí tuệ nhân tạo để nâng cao khả năng nhận dạng và xử lý vật thể phức tạp, hướng tới tự động hóa toàn diện dây chuyền sản xuất trong 3 năm tới. Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  4. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì robot nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm thiểu thời gian chết máy. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: Phòng nhân sự và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư tự động hóa và cơ điện tử: Nghiên cứu chi tiết về thiết kế cơ khí, động học và điều khiển robot 5 bậc tự do, áp dụng trong phát triển hệ thống tự động hóa công nghiệp.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và đóng gói: Tham khảo giải pháp robot gắp thùng carton để nâng cao năng suất, giảm chi phí lao động và cải thiện điều kiện làm việc.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ điện tử, robot: Tài liệu tham khảo thực tiễn về mô hình robot, phương pháp mô phỏng và thiết kế mạch điều khiển vi điều khiển.

  4. Nhà nghiên cứu phát triển công nghệ robot tại Việt Nam: Tham khảo kinh nghiệm thiết kế và ứng dụng robot công nghiệp trong điều kiện thực tế Việt Nam, góp phần thúc đẩy nghiên cứu và thương mại hóa robot nội địa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot 5 bậc tự do có ưu điểm gì so với các loại robot khác?
    Robot 5 bậc tự do có khả năng điều khiển vị trí và hướng end-effector linh hoạt, phù hợp với các thao tác gắp, sắp xếp phức tạp trong không gian 3 chiều. Điều này giúp tối ưu hóa quỹ đạo và tăng độ chính xác trong sản xuất.

  2. Tại sao chọn động cơ servo thay vì động cơ bước cho robot?
    Động cơ servo có vòng điều khiển kín, tránh hiện tượng trượt bước, hoạt động êm, tốc độ cao và độ chính xác lớn hơn, phù hợp với yêu cầu vận hành liên tục và tải trọng lớn trong công nghiệp.

  3. Phần mềm RobotStudio có vai trò gì trong nghiên cứu?
    RobotStudio giúp mô phỏng quỹ đạo chuyển động, kiểm tra va chạm và tối ưu hóa chương trình điều khiển trước khi triển khai thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí phát triển.

  4. Sai số vị trí của robot trong thực nghiệm là bao nhiêu?
    Sai số vị trí trung bình trong các lần lặp lại là khoảng 2,6 mm, mức này được đánh giá phù hợp với yêu cầu công nghiệp trong việc gắp và sắp xếp thùng carton.

  5. Làm thế nào để đảm bảo robot hoạt động đồng bộ với dây chuyền sản xuất?
    Sử dụng giao tiếp CAN và RS232 giữa các vi điều khiển và máy tính để truyền nhận tín hiệu thời gian thực, kết hợp giải thuật điều khiển quỹ đạo tối ưu giúp robot vận hành chính xác, đồng bộ với tốc độ băng tải.

Kết luận

  • Đã thiết kế và xây dựng thành công mô hình robot công nghiệp 5 bậc tự do với khả năng gắp và sắp xếp thùng carton 25 kg lên pallet.
  • Lựa chọn động cơ servo và cơ cấu tay kẹp tay quay con trượt đảm bảo độ chính xác, tốc độ và lực kẹp phù hợp.
  • Mô phỏng quỹ đạo bằng RobotStudio và thực nghiệm cho thấy sai số vị trí nhỏ, đáp ứng yêu cầu sản xuất.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC18F4680 với giao tiếp CAN và RS232 đảm bảo truyền nhận tín hiệu ổn định, thời gian thực.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng robot trong dây chuyền sản xuất tự động hóa toàn diện, đào tạo nhân lực và phát triển công nghệ robot nội địa.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm thực tế tại dây chuyền sản xuất, đánh giá hiệu quả vận hành và mở rộng nghiên cứu tích hợp cảm biến thông minh. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ nhóm nghiên cứu hoặc phòng kỹ thuật tự động hóa của Công Ty TECHKING.