Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp Việt Nam phát triển mạnh mẽ cả về quy mô lẫn công nghệ, nhu cầu tự động hóa quản lý kho hàng ngày càng trở nên cấp thiết. Hệ thống kho thông minh (Automated Storage and Retrieval Systems – ASRS) được xác định là một thành phần cốt lõi của Cách mạng Công nghiệp 4.0, nơi tích hợp các công nghệ tự động hóa, robot, trí tuệ nhân tạo và IoT vào quy trình lưu trữ và chuỗi cung ứng. Đây cũng là giải pháp giúp doanh nghiệp tối ưu diện tích kho, giảm nhân công, hạn chế sai sót và nâng cao hiệu suất vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu:

Nhóm tác giả xác định ba mục tiêu chính:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình nhà kho thông minh hoạt động theo hai chế độ: điều khiển thủ công (MANUAL) và điều khiển tự động (AUTO).
  2. Xây dựng chương trình quét mã barcode kết hợp camera để nhận diện và phân loại hàng hóa khi xuất nhập kho.
  3. Xây dựng hệ thống lưu trữ và hiển thị dữ liệu hàng hóa trên giao diện phần mềm và trang web nội bộ (localhost).

Đối tượng nghiên cứu bao gồm: động cơ bước, lập trình PLC Mitsubishi FX3U trên GX Works2, bản vẽ trên AutoCAD và SolidWorks, mô phỏng HMI với EasyBuilder Pro, cảm biến quang và hệ thống truyền đai.

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài là mô hình thu nhỏ theo tỷ lệ với nhà kho thực tế; robot sử dụng trong mô hình có 3 bậc tự do với một tay nâng đơn; thiết bị và linh kiện được lựa chọn phù hợp với ngân sách nhóm. Đề tài thực hiện trong học kỳ 2 năm học 2023–2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, nộp ngày 01/07/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Đồ án dựa trên hệ thống ASRS (Automated Storage and Retrieval Systems) – mô hình kho tự động với cấu trúc ba thành phần: hệ thống vận chuyển (robot tuyến tính Cartesian), hệ thống xuất nhập (băng tải + camera quét barcode), và hệ thống lưu giữ (kệ hàng đa ngăn).

Các cơ sở lý thuyết được vận dụng:

  • Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U: lập trình tuần tự, tự động, liên tục cho toàn bộ cơ cấu chấp hành.
  • Phần mềm GX Works2: thiết kế, gỡ lỗi và nạp chương trình cho PLC FX3U.
  • Phần mềm SolidWorks: thiết kế mô phỏng 3D toàn bộ kết cấu cơ khí trước khi thi công.
  • Phần mềm Easy Builder Pro (Weintek): thiết kế giao diện HMI cho màn hình Weintek MT8073iE.
  • PyQt5 và Qt Designer: xây dựng giao diện phần mềm quản lý barcode trên máy tính.
  • Streamlit: xây dựng trang web hiển thị thông tin kho trên localhost.
  • Động học robot Cartesian: bài toán động học thuận, động học nghịch, ma trận Jacobian và bài toán động lực học theo phương pháp DH (Denavit–Hartenberg).

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm kết hợp song song hai phương pháp:

  • Nghiên cứu lý thuyết: tham khảo tài liệu trong và ngoài nước về cơ khí, điện–điện tử, hệ thống ASRS; sử dụng các công thức tính toán từ tài liệu Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí Tập 1 (PGS. Trịnh Chất – TS. Lê Văn Uyển) và Cơ sở thiết kế Máy & Chi tiết máy (PGS. Trịnh Chất).
  • Thực nghiệm: thiết kế, lắp ráp mô hình thực tế; vận hành và thử nghiệm các chức năng tự động; đo sai lệch vị trí robot; kiểm tra khả năng quét barcode.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu được thu thập trực tiếp từ quá trình thực nghiệm mô hình: thông số vận hành robot, bảng mã barcode sản phẩm, số lượng hàng hóa ban đầu trong kho, và kết quả đo độ sai lệch vị trí.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Giới thiệu

Chương này trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ xu hướng tự động hóa kho hàng trong công nghiệp hiện đại. Nhóm nêu sáu lợi ích của kho thông minh: vận hành chính xác, quản lý thông tin hiệu quả, tránh thất lạc hàng hóa, tận dụng không gian tối đa, giảm thiểu nhân công và rủi ro, và nâng cao hiệu suất môi trường công nghiệp. Chương cũng xác định mục tiêu, giới hạn và phương pháp nghiên cứu, đồng thời trình bày kết cấu sáu chương của đồ án.

Chương 2 – Tổng quan đề tài

Chương hai xây dựng nền tảng lý thuyết cho toàn bộ hệ thống. Nhóm tác giả phân tích đặc điểm của hệ thống kho thông minh trong bối cảnh Cách mạng Công nghiệp 4.0, giới thiệu chuẩn ASRS với các ưu điểm (tận dụng chiều cao kho, giảm lao động, an toàn hơn, phù hợp nhiều loại hàng) và nhược điểm (giá đầu tư cao, phụ thuộc mạng và điện). Cấu trúc hệ thống ASRS được phân tích thành ba khối chức năng: vận chuyển (robot Cartesian 3 trục), xuất nhập (băng tải + barcode), và lưu giữ (kệ hàng đa ngăn). Phần tiếp theo giới thiệu các thành phần công nghệ: PLC, GX Works2, Microsoft Visual Studio (Python), và SolidWorks, kèm phân tích ưu–nhược điểm của từng giải pháp.

Chương 3 – Thiết kế phần cứng hệ thống

Đây là chương có khối lượng nội dung lớn nhất, gồm hai phần lớn: thiết kế cơ khí và thiết kế hệ thống điện.

Thiết kế cơ khí: Hàng hóa trong mô hình có kích thước 12 cm × 13 cm × 3 cm, khối lượng 200–500 g, gắn mã vạch QRCode. Kệ hàng bằng ván gỗ ép, gồm 18 vị trí chứa hàng và 2 ngăn xuất nhập. Nhóm lựa chọn bộ truyền động đai (thay cho vít me) vì phù hợp về chi phí và yêu cầu tốc độ. Ba trục X, Y, Z đều dùng cơ cấu đai răng kết hợp puly và ray/con trượt dẫn hướng. Tính toán động cơ theo công thức momen xoắn với hệ số an toàn α = 2 (trục X, Y) và α = 4 (trục Z):

Trục Động cơ được chọn Tải trọng (kg)
X Nema23 – 57×55 m_TX ≈ 5,6
Y Nema17 – 42×33 m_TY ≈ 0,9
Z Nema23 – 57×56 m_TZ ≈ 2,0
Băng tải DC JGB37-545 24VDC m_BT ≈ 0,5

Thiết kế hệ thống điện: Sơ đồ khối gồm 5 khối: tín hiệu đầu vào, giám sát điều khiển, nguồn, cơ cấu chấp hành, và PLC. Board PLC FX3U 14MT 6AD 2DA được chọn với 8/6 đầu vào/ra, bộ nhớ 8.000 Step, phát xung 100 kHz, giao tiếp HMI qua RS232/RS485, nguồn cấp 24 VDC. Cảm biến gồm: EE-SX671A NPN (cảm biến quang chữ U, xác định vị trí gốc 3 trục, khoảng cách dò 5 mm) và E3F-DS30C4 (cảm biến vật cản hồng ngoại, khoảng cách dò 10–30 cm). Driver động cơ bước TB6600 hỗ trợ vi bước đến 1/16, nguồn 9–40 VDC, dòng cực đại 4 A. Relay trung gian Omron LY2N (10 A, 220–240 VAC) và relay thời gian ST3PA-D 24VDC cũng được tích hợp. Toàn hệ thống dùng nguồn một chiều 24 VDC.

Chương 4 – Động học – Điều khiển

Chương này giải quyết bài toán động học cho robot Cartesian 3 bậc tự do. Nhóm thiết lập hệ tọa độ theo phương pháp DH (Denavit–Hartenberg), giải bài toán động học thuận (forward kinematics), động học nghịch (inverse kinematics), bài toán vận tốc qua ma trận Jacobian, và bài toán động lực học.

Hệ thống HMI sử dụng màn hình Weintek MT8073iE lập trình trên phần mềm Easy Builder Pro. Giao diện HMI được thiết kế gồm năm màn hình chức năng riêng biệt, mỗi màn hình có sơ đồ Grafcet tương ứng:

Màn hình HMI Chức năng
Màn hình chính Chọn chế độ vận hành
MANUAL Điều khiển thủ công từng trục
AUTO Vận hành tự động xuất nhập kho
SET HOME Đặt lại vị trí gốc tọa độ
TEACH POINT Dạy tọa độ vị trí ngăn kho

Chương 5 – Xây dựng hệ thống quét barcode và lưu trữ dữ liệu với PyQt5 và Qt Designer

Chương năm trình bày toàn bộ hệ thống phần mềm phía máy tính. Giao diện phần mềm xây dựng bằng PyQt5 và Qt Designer, chạy trên Microsoft Visual Studio với ngôn ngữ Python. Camera USB được tích hợp để quét mã barcode thời gian thực.

Bốn lưu đồ thuật toán được xây dựng:

  1. Lưu đồ thuật toán nhập hàng: quét barcode → cập nhật thông tin → ra lệnh robot cất hàng vào ngăn trống.
  2. Lưu đồ thuật toán xuất hàng: nhận lệnh → robot lấy hàng từ ngăn → cập nhật tồn kho.
  3. Lưu đồ thuật toán tạo barcode mới: tạo mã định danh mới cho sản phẩm chưa có trong hệ thống.
  4. Lưu đồ thuật toán xuất file Excel lịch sử quét: lưu toàn bộ lịch sử giao dịch xuất nhập ra file Excel.

Bảng mã barcode sản phẩm và số lượng ban đầu của từng mặt hàng trong kho được lập thành bảng chi tiết trong văn bản.

Trang web nội bộ xây dựng bằng Streamlit gồm bốn giao diện: đăng nhập, lịch sử quét, thông tin sản phẩm, và biểu đồ tổng số lượng sản phẩm theo thời gian thực.

Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tổng hợp kết quả thực nghiệm qua ba bảng số liệu: thông số robot, bảng số liệu độ sai lệch vị trí, và bảng kết quả thực nghiệm tổng thể. Nhóm cũng nêu các hạn chế còn tồn tại và đề xuất hướng phát triển tiếp theo.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Hệ thống được tổ chức theo kiến trúc phân tầng ba lớp:

  • Lớp vật lý (phần cứng): Robot Cartesian 3 bậc tự do (trục X–Y–Z) với bộ truyền đai răng, con trượt dẫn hướng, cảm biến quang, băng tải cấp liệu, và kệ chứa 18 ngăn + 2 ngăn xuất nhập.
  • Lớp điều khiển: PLC FX3U 14MT 6AD 2DA điều phối toàn bộ chuỗi hành động tuần tự; driver TB6600 điều khiển động cơ bước; HMI Weintek MT8073iE làm giao diện vận hành tại chỗ.
  • Lớp phần mềm và dữ liệu: Phần mềm PyQt5 xử lý barcode, lưu lịch sử giao dịch ra Excel, đồng bộ tín hiệu với PLC; trang web Streamlit hiển thị dữ liệu tồn kho trực quan trên localhost.

Công nghệ sử dụng

Lớp Công nghệ / Thiết bị
Thiết kế cơ khí SolidWorks (3D), AutoCAD (2D)
Điều khiển PLC Mitsubishi FX3U, GX Works2
Giao diện HMI Weintek MT8073iE, Easy Builder Pro
Driver động cơ TB6600 (vi bước đến 1/16)
Cảm biến EE-SX671A NPN, E3F-DS30C4
Phần mềm quản lý Python, PyQt5, Qt Designer
Web hiển thị Streamlit (localhost)
Lưu trữ lịch sử File Excel (xuất từ phần mềm)

Kiểm thử và thực nghiệm

Nhóm tiến hành thử nghiệm và khảo sát mô hình thực tế theo ba tiêu chí được ghi nhận trong văn bản: thông số hoạt động của robot (bảng thông số robot), độ sai lệch vị trí tay nâng so với tọa độ lý thuyết (bảng số liệu độ sai lệch), và kết quả vận hành xuất nhập hàng tổng thể (bảng kết quả thực nghiệm). Mô hình vận hành thành công chức năng tự động xuất nhập hàng hóa kết hợp quét mã barcode.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính:

  • Chế tạo thành công mô hình nhà kho thông minh với robot Cartesian 3 bậc tự do, kệ chứa 18 ngăn hàng và 2 ngăn xuất nhập.
  • Hàng hóa mô hình có kích thước 12 cm × 13 cm × 3 cm, khối lượng 200–500 g, vận hành tự động xuất nhập theo tín hiệu barcode.
  • Hệ thống hoạt động ổn định ở cả hai chế độ: thủ công (MANUAL) và tự động (AUTO).
  • Phần mềm quản lý barcode bằng PyQt5 hoạt động đầy đủ các chức năng: nhập hàng, xuất hàng, tạo barcode mới, xuất lịch sử Excel.
  • Trang web Streamlit hiển thị thông tin tồn kho theo thời gian thực với bốn giao diện chức năng.

Giải pháp đề xuất:

Nhóm lựa chọn kết hợp camera USB quét barcode tại trạm xuất nhập thay cho nhân công, kết hợp với PLC và phần mềm Python để tự động hóa toàn bộ quy trình từ nhận diện hàng đến cất/lấy hàng và cập nhật dữ liệu.

Đóng góp so với nghiên cứu trước:

Nhóm tích hợp đồng thời ba thành phần trong một mô hình duy nhất: (1) robot Cartesian điều khiển PLC với giao diện HMI đa màn hình, (2) phần mềm quản lý barcode xây dựng bằng PyQt5 kết hợp xử lý ảnh camera, và (3) trang web nội bộ bằng Streamlit hiển thị tồn kho trực quan — đây là sự kết hợp mà các đề tài tham khảo chưa thực hiện đồng bộ trong cùng một mô hình quy mô nhỏ phù hợp với điều kiện sinh viên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được nhóm xác nhận trong văn bản:

  • Robot chỉ có một tay nâng đơn, dẫn đến hạn chế về thời gian xử lý và lưu lượng hàng hóa trên một chu kỳ.
  • Mô hình có kích thước tỷ lệ nhỏ so với kho thực tế, chưa thể phản ánh đầy đủ tải trọng và tốc độ vận hành công nghiệp.
  • Chương trình chỉ đáp ứng các chức năng cơ bản, chưa tích hợp trí tuệ nhân tạo hay thuật toán tối ưu hóa lộ trình robot.
  • Kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện.

Hướng phát triển tiếp (được nêu trong Chương 6):

Đồ án có tiềm năng mở rộng theo các hướng: bổ sung nhiều tay nâng để tăng thông lượng, nâng cấp thuật toán điều khiển tối ưu lộ trình, tích hợp IoT để giám sát từ xa, và phát triển phần mềm quản lý kho theo hướng cơ sở dữ liệu quan hệ thay vì lưu trữ Excel.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử đang triển khai đề tài về robot tuyến tính, hệ thống ASRS hoặc tích hợp PLC–HMI–phần mềm.
  • Sinh viên ngành Tự động hóa và Điện–Điện tử quan tâm đến lập trình PLC Mitsubishi FX3U, giao diện HMI Weintek, hoặc điều khiển động cơ bước qua driver TB6600.
  • Sinh viên ngành Khoa học Máy tính và Kỹ thuật Phần mềm nghiên cứu ứng dụng Python/PyQt5 trong giao tiếp phần cứng, xử lý barcode thời gian thực và xây dựng web dashboard bằng Streamlit.
  • Người làm đề tài kho tự động có thể tham khảo toàn bộ phần tính toán chọn động cơ (trục X, Y, Z, băng tải), thiết kế mạch điện điều khiển PLC–driver, và lưu đồ thuật toán xuất nhập hàng.

Các phần đáng tham khảo đặc biệt: Chương 3 (tính toán động cơ, lựa chọn linh kiện điện), Chương 4 (giải bài toán động học theo phương pháp DH và thiết kế giao diện HMI đa màn hình), và Chương 5 (toàn bộ hệ thống phần mềm barcode + web).

Câu hỏi thường gặp

1. Kho mô hình có bao nhiêu ngăn chứa hàng và hàng hóa có kích thước như thế nào? Kệ hàng trong mô hình gồm 18 vị trí chứa hàng và 2 ngăn xuất nhập hàng. Mỗi kiện hàng có kích thước (dài × rộng × cao) 12 cm × 13 cm × 3 cm, khối lượng từ 200 g đến 500 g, gắn mã vạch QRCode để phân loại.

2. Tại sao nhóm chọn bộ truyền đai thay vì vít me bi cho các trục robot? Sau khi so sánh hai phương án, nhóm chọn bộ truyền đai vì có ưu điểm: truyền động giữa các trục xa nhau, làm việc êm không ồn, tránh dao động khi quá tải nhờ trượt trơn của đai, kết cấu và vận hành đơn giản, phù hợp với chi phí của nhóm. Vít me bị loại vì ren mòn nhanh ở tốc độ cao và hiệu suất thấp hơn.

3. Phần mềm quản lý barcode hoạt động như thế nào khi nhập một kiện hàng mới vào kho? Khi nhập hàng, camera quét barcode tại băng tải cấp liệu, phần mềm PyQt5 nhận diện mã sản phẩm và cập nhật thông tin tương ứng, sau đó gửi tín hiệu điều khiển để robot tự động mang hàng đến một ngăn còn trống trên kệ. Sau khi cất hàng xong, robot tự động về vị trí gốc chờ lệnh tiếp theo. Lịch sử giao dịch được lưu vào file Excel và hiển thị trên trang web Streamlit.

4. Robot sử dụng phương pháp nào để xác định tọa độ các ngăn trong kho? Nhóm sử dụng phương pháp TEACH POINT – một màn hình HMI riêng trên Weintek MT8073iE cho phép người vận hành dạy tay robot ghi nhớ tọa độ từng ngăn kho. Vị trí gốc (HOME) của ba trục X, Y, Z được xác định thông qua ba cảm biến quang chữ U EE-SX671A NPN. Bài toán động học nghịch được giải theo phương pháp DH để chuyển đổi tọa độ không gian thành góc quay của từng trục.

5. Hệ số an toàn được chọn khác nhau cho từng trục động cơ vì lý do gì? Trục X và Y dùng hệ số an toàn α = 2 vì tải trọng và điều kiện ma sát ở mức trung bình, đủ để dự phòng dao động tải và mài mòn. Riêng trục Z được chọn α = 4 do chịu thêm lực ma sát lớn giữa con lăn và thanh nhôm định hình, lại phải nâng hàng theo phương thẳng đứng chống lại trọng lực, nên cần biên độ an toàn cao hơn để tránh quá tải và đảm bảo tuổi thọ động cơ.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và chế tạo mô hình nhà kho thông minh" của nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã chế tạo thành công mô hình kho ASRS thu nhỏ tích hợp robot Cartesian 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC Mitsubishi FX3U, giao diện HMI Weintek đa chức năng, và hệ thống phần mềm quản lý barcode bằng Python/PyQt5 kết hợp web dashboard Streamlit. Đề tài thể hiện sự tích hợp xuyên suốt từ tính toán cơ khí, thiết kế điện–điện tử, lập trình điều khiển đến phát triển phần mềm quản lý — phù hợp với yêu cầu đào tạo kỹ sư cơ điện tử trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp. Hạn chế chính là cấu hình tay nâng đơn và quy mô mô hình nhỏ, chưa đáp ứng điều kiện vận hành công nghiệp thực tế, và đây cũng là không gian để các nghiên cứu tiếp nối mở rộng.