Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa công nghiệp và hiện đại hóa quy trình sản xuất, việc ứng dụng robot vào các dây chuyền chế tạo và đóng gói giúp doanh nghiệp tăng hiệu suất, giảm thiểu chi phí lao động, cải thiện tính đồng đều của sản phẩm và hạn chế rủi ro an toàn lao động cho con người. Đối với các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hàng tiêu dùng nhanh, thao tác gắp - thả và đóng hộp sản phẩm đòi hỏi các cơ cấu chấp hành phải đạt được tốc độ thao tác cao và độ chính xác định vị liên tục. Đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình Robot đóng gói sản phẩm" được nhóm tác giả sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngọc Điệp nhằm nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo robot cơ cấu song song và tích hợp thị giác máy tính vào sản xuất thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được phân định cụ thể theo các nhiệm vụ sau:

  • Mục tiêu tổng quát:
    1. Tìm hiểu quy trình vận hành của hệ thống đóng gói và phân loại sản phẩm trong công nghiệp.
    2. Tìm hiểu các cấu trúc robot đóng gói công nghiệp hiện hành, trọng tâm là dòng robot song song (Robot Delta).
    3. Nghiên cứu các hệ thống cấp phôi và cơ cấu vận chuyển bằng băng tải.
    4. Nghiên cứu hệ thống xử lý ảnh công nghiệp để nhận dạng và định vị vị trí vật thể.
  • Mục tiêu kỹ thuật cụ thể:
    1. Chế tạo và thử nghiệm mô hình thực tế hoạt động hoàn chỉnh theo các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp hiện nay.
    2. Thiết kế và chế tạo Robot Delta có không gian làm việc dạng hình trụ với đường kính đáy $500\text{ mm}$ và chiều cao $200\text{ mm}$.
    3. Cơ cấu tay gắp có khả năng hút - gắp sản phẩm bánh OREO khối lượng $15\text{ g}$.
    4. Hệ thống robot có khả năng bám bắt và đáp ứng được sự thay đổi tốc độ của băng tải cấp liệu.
    5. Ứng dụng bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) làm trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống.
    6. Đạt năng suất làm việc dao động từ $1 - 2\text{ khay/phút}$ (quy chuẩn mỗi khay gồm $6\text{ bánh}$, tương ứng năng suất từ $6 - 12\text{ bánh/phút}$).
  • Nội dung thực hiện: Thiết kế cơ khí robot Delta; thiết kế hệ thống băng tải; lập trình xử lý ảnh trên máy tính; lập trình điều khiển chuyển động trên PLC; tích hợp, chạy thử và hiệu chỉnh toàn diện mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình Robot Delta 3 bậc tự do tịnh tiến, cơ cấu gắp hút chân không, hệ thống băng tải cấp phôi/khay và đối tượng đóng gói là bánh quy OREO có trọng lượng $15\text{ g}$.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu được triển khai tại xưởng thực hành và phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM trong khung thời gian từ tháng 12 năm 2022 đến tháng 6 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các nguyên lý cơ bản của động học robot song song, cơ học chuyển động, kỹ thuật điều khiển tự động và thị giác máy tính:

  • Lý thuyết cấu trúc và tính toán bậc tự do: Robot Delta được Reymond Clavel phát minh vào thập niên 1980 tại Đại học Lausanne với đặc tính cơ cấu động học song song gồm 3 chuỗi động học độc lập nối giữa bệ cố định và bệ di động. Để xác định bậc tự do của hệ thống trong không gian, tác giả áp dụng phương trình di động Kutzbach: $$M = 6(N - 1) - 5J_1 - 4J_2 - 3J_3$$ Khi phân tích cơ cấu thực tế bằng cách thay các khớp cầu bằng các khớp loại 5 tương đương, hệ thống có $N = 17$ khâu và $J_1 = 21$ khớp, dẫn đến kết quả $M = 6(17 - 1) - 5(21) = -9$. Đây là trường hợp cấu trúc đặc biệt bị ràng buộc quá mức (hệ siêu tĩnh) do sự tồn tại đồng thời của 3 cơ cấu hình bình hành. Bằng cách quy đổi về cơ cấu tương đương (loại bỏ bớt một thanh bị động và hai khớp nối ở mỗi nhánh), hệ thống thu gọn còn $N = 14$ khâu và $J_1 = 15$ khớp loại 5 ($J_2 = 0, J_3 = 0$), cho kết quả chính xác: $$M = 6(14 - 1) - 5(15) = 3\text{ (bậc tự do)}$$ Đối với phân tích mở rộng cấu trúc 6 bậc tự do, công thức tính toán là $W = 6n - (5P_5 + 4P_4 + 3P_3 + 2P_2 + 1P_1)$ với $n = 14, P_5 = 6, P_4 = 12$, mang lại giá trị bậc tự do $W = 6$.

  • Mô hình toán học động học Robot Delta:

    • Động học thuận: Xác định vị trí điểm làm việc trung tâm bệ di động $E_0(x_0, y_0, z_0)$ khi biết trước 3 góc quay của trục khuỷu chủ động $\theta_1, \theta_2, \theta_3$. Bài toán quy về tìm giao điểm của 3 mặt cầu bán kính $r_e$ (chiều dài thanh bị động) có tâm dịch chuyển tương ứng $J'_1, J'_2, J'_3$. Tọa độ hình học cơ sở gồm khoảng cách từ tâm đối xứng đến cạnh tam giác bệ cố định $f = 130\text{ mm}$ ($OF_1 = OF_2 = OF_3 = 130\text{ mm}$) và khoảng cách từ tâm đối xứng đến cạnh tam giác bệ di động $e = 50\text{ mm}$. Hệ ba phương trình mặt cầu được biến đổi tuyến tính để rút ra nghiệm $z_0$ (chọn nghiệm âm theo chiều trục $Z$ hướng xuống), từ đó suy ra tọa độ $x_0$ và $y_0$.
    • Động học nghịch: Tính toán các góc quay của động cơ $\theta_1, \theta_2, \theta_3$ khi biết trước tọa độ đích $(x_0, y_0, z_0)$ của bệ di động. Khớp chủ động quay trong mặt phẳng $YZ$, hình chiếu của thanh bị động tạo thành đường tròn cắt quỹ đạo quay của tay chủ động tại điểm $J_1$, cho phép xác định: $$\theta_1 = \arctan\left(\frac{z_{J1}}{y_{F1} - y_{J1}}\right)$$ Dựa vào tính đối xứng quay $120^\circ$ của robot Delta, tác giả dùng ma trận quay quanh trục $Z$ là $\text{Rot}(z, 120)$ và $\text{Rot}(z, 240)$ để chuyển đổi hệ tọa độ và tính toán tuần tự cho $\theta_2$ và $\theta_3$.

  • Thị giác máy tính và trích xuất dữ liệu: Quy trình xử lý ảnh sử dụng ngôn ngữ lập trình Python trên môi trường PyCharm, kết hợp thư viện mã nguồn mở OpenCV (sử dụng các module chính như cv2, imgproc, calib3d). Ảnh thu nhận từ camera được định dạng dưới cấu trúc ma trận 3 chiều biểu diễn giá trị pixel theo các kênh màu. Tác giả sử dụng không gian màu HSV (Hue, Saturation, Value) để phân đoạn đối tượng, thiết lập vùng ngưỡng phát hiện màu xanh lá của phôi thí nghiệm với cận dưới $[40, 50, 50]$ và cận trên $[80, 255, 255]$ nhằm tìm tọa độ tâm sản phẩm trên băng tải.

  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật:

    • Mô hình hóa hình học và không gian làm việc bằng phần mềm CAD 3D (Siemens NX).
    • Phương pháp tính toán sức bền, phân tích đồ thị mô-men xoắn tĩnh tại các vị trí giới hạn độ cao $z = -461\text{ mm}$ và $z = -635\text{ mm}$.
    • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Thử nghiệm đo kiểm năng suất thực tế, áp suất chân không và khảo sát mối tương quan giữa vận tốc di chuyển của băng tải với vận tốc bắt điểm của robot.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Thiết kế cơ khí và kết cấu robot

Hệ thống cơ khí bao gồm cụm khung máy chịu lực, robot song song Delta 3 bậc tự do và 2 tuyến băng tải vận chuyển (băng tải cấp bánh và băng tải cấp khay).

Cụm cơ cấu Giải pháp thiết kế và vật liệu Chức năng kỹ thuật
Giá cơ sở & Khung máy Khung hợp kim nhôm định hình kết hợp bệ đỡ gia công CNC Đảm bảo độ cứng vững, triệt tiêu rung động khi robot làm việc ở tần số cao
Bệ cố định & Bệ di động Nhôm tấm gia công phay CNC, kích thước hình học $f = 130\text{ mm}$, $e = 50\text{ mm}$ Bệ trên định vị 3 động cơ bước; bệ dưới mang đầu công cụ di chuyển trong không gian
Cánh tay chủ động & bị động Cánh tay chủ động dạng thanh đòn đơn; cánh tay bị động kép song song Truyền động lực học từ trục giảm tốc xuống bệ di động, duy trì bệ di động luôn song song mặt phẳng ngang
Khớp nối liên kết Khớp cầu (Rotuyn) lắp ở hai đầu thanh bị động Cung cấp góc lắc đa hướng, tạo chuyển động êm và giảm ma sát cơ học
Cơ cấu tay gắp Núm hút chân không đàn hồi nối với nguồn bơm hút khí nén Hút giữ và nhả bánh OREO ($15\text{ g}$) an toàn, không làm biến dạng bề mặt sản phẩm
Hệ thống băng tải Dây đai PVC trơn, truyền động qua cụm rulo gia công cơ khí Băng tải 1 cấp phôi bánh liên tục; băng tải 2 định vị vị trí khay chứa

Cơ cấu truyền động cánh tay sử dụng 3 động cơ bước (Step motor) mã hiệu 57J1880EC-1000 tích hợp cùng hộp số giảm tốc bánh răng để nâng cao mô-men xoắn và độ phân giải góc quay. Hệ dẫn động băng tải sử dụng động cơ điện DC mã hiệu GW31ZY-158. Quá trình khảo sát không gian làm việc trên phần mềm NX xác nhận robot bao quát được trường hình trụ kích thước đường kính $\varnothing 500\text{ mm}$ và chiều cao $200\text{ mm}$.

Thiết kế hệ thống điện và giải thuật điều khiển

Trung tâm xử lý và điều phối toàn bộ chu trình chấp hành là bộ điều khiển lập trình Siemens PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, phối hợp cùng module mở rộng tín hiệu số SM1223 DC/DC (8 ngõ vào số DI / 8 ngõ ra số DO).

  • Cấu trúc kết nối phần cứng: PLC nhận tín hiệu cảm biến quang phát hiện khay/bánh, công tắc hành trình giới hạn cơ cấu, công tắc áp suất giám sát độ chân không và tín hiệu xung từ bộ mã hóa xung (Encoder) đo tốc độ băng tải. Các ngõ ra số tốc độ cao của PLC phát xung điều khiển (Pulse/Direction) đến 3 bộ điều khiển động cơ bước (Step Driver), xuất lệnh điều khiển độ rộng xung (PWM Module) cho động cơ băng tải và đóng cắt rơ-le trung gian điều khiển van điện từ khí nén của bơm giác hút chân không.
  • Bố trí tủ điều khiển: Toàn bộ thiết bị được lắp đặt trong hai khoang tủ tiêu chuẩn gồm tủ điện điều khiển (chứa PLC, nguồn tổ ong 24VDC, rơ-le, driver, cầu đấu tín hiệu) và tủ điều khiển khí nén (chứa bộ lọc khí, van chia khí và công tắc áp suất).
  • Phương thức vận hành: Hệ thống điều khiển tích hợp hai chế độ làm việc:
    1. Chế độ Manual (Bằng tay): Cho phép người vận hành cưỡng bức từng cơ cấu chấp hành, kích chạy/dừng băng tải, thử áp suất đầu hút, di chuyển từng trục khớp để kiểm tra bảo dưỡng và cân chỉnh vị trí gốc (Home).
    2. Chế độ Auto (Tự động): Hoạt động tuần hoàn khép kín theo lưu đồ giải thuật. Camera chụp ảnh bề mặt băng tải cấp liệu $\rightarrow$ chương trình Python xử lý định vị tọa độ phôi $\rightarrow$ truyền tham số tọa độ tới PLC $\rightarrow$ PLC đồng bộ tín hiệu encoder và phát xung điều khiển 3 cánh tay robot bám bắt, hút phôi $\rightarrow$ di chuyển và thả chính xác vào từng ô trong khay chứa trên băng tải 2.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Nội dung chương trình bày khái quát về vai trò của tự động hóa và ứng dụng của robot công nghiệp trong dây chuyền sản xuất hiện đại. Tác giả phân tích nhu cầu sử dụng robot nhằm tăng hiệu suất, cắt giảm chi phí nhân công và đảm bảo an toàn lao động. Chương 1 xác định lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ yêu cầu học tập, nghiên cứu chuyên sâu về robot song song và định hướng làm chủ quy trình công nghệ chế tạo trong nước. Mục tiêu nghiên cứu, nhiệm vụ thiết kế, đối tượng gắp (bánh OREO $15\text{ g}$, khay 6 bánh) cùng các chỉ tiêu kỹ thuật (năng suất $1 - 2\text{ khay/phút}$, không gian làm việc hình trụ $\varnothing 500\text{ mm} \times 200\text{ mm}$) được công bố cụ thể làm mốc tham chiếu cho đồ án.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tổng hợp toàn diện các cơ sở lý luận học thuật và công nghệ phục vụ đồ án:

  • Phân loại robot công nghiệp theo chức năng (hàn, gắp, vận chuyển, sơn), cấu trúc (chuỗi động hở cánh tay, song song, hình người) và không gian làm việc (di động, cố định, Delta).
  • Giới thiệu cấu trúc Robot Delta do Reymond Clavel đề xuất và so sánh ưu nhược điểm giữa các biến thể 3 bậc tự do, 4 bậc tự do và 6 bậc tự do.
  • Ứng dụng phương trình Kutzbach để giải bài toán bậc tự do cho hệ động học song song siêu tĩnh.
  • Thiết lập mô hình toán học giải tích cho bài toán động học thuận (bộ ba phương trình giao tuyến mặt cầu) và động học nghịch (sử dụng phép quay hệ trục Euler quanh trục $Z$ một góc $120^\circ$ và $240^\circ$).
  • So sánh đặc tính kỹ thuật của các dòng truyền động AC Servo, DC Servo và Step Motor.
  • Nguyên lý cấu tạo của băng tải PVC, tổng quan hệ thống giám sát SCADA và nguyên lý hoạt động của PLC.
  • Cơ sở lý thuyết xử lý ảnh số, cấu trúc dữ liệu ảnh đa chiều trong OpenCV, các không gian màu RGB, NIR, HSV và các module xử lý thị giác máy trên nền tảng ngôn ngữ Python/PyCharm.

CHƯƠNG 3: YÊU CẦU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Chương 3 chi tiết hóa quy trình tính toán và hiện thực hóa kết cấu cơ khí:

  • Đưa ra các bảng phân tích đánh giá để chọn phương án thiết kế cho từng cụm: giá cơ sở, cơ cấu truyền động, hộp số giảm tốc, cánh tay chủ động, cánh tay bị động, khớp cầu rotuyn, tay gắp chân không và hệ thống băng tải.
  • Thiết kế 3D toàn diện mô hình robot Delta: cụm bệ cố định ($f = 130\text{ mm}$), pad gắn hộp số động cơ, bệ di động ($e = 50\text{ mm}$), cụm cánh tay chủ động và bị động.
  • Mô phỏng khảo sát không gian làm việc trên phần mềm NX, kiểm tra tính liên tục của quỹ đạo.
  • Tính toán mô-men xoắn tĩnh của hệ dẫn động tại các tọa độ làm việc tới hạn ($z = -461\text{ mm}$ và $z = -635\text{ mm}$), qua đó tra bảng và chọn động cơ bước 57J1880EC-1000.
  • Tính toán các thông số làm việc của băng tải bánh và băng tải khay, chọn động cơ dẫn động băng tải GW31ZY-158.
  • Gia công thực tế các chi tiết: tiện phay CNC bệ chủ động, bệ bị động, pad đỡ động cơ, gia công khung nhôm, lắp ráp cánh tay, tiện rulo và lắp ráp khung băng tải hoàn thiện.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN

Chương này tập trung vào thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển:

  • Thiết lập sơ đồ khối phần cứng hệ thống và lập bảng phân định các ngõ vào/ra (I/O) cho CPU PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC cùng Module mở rộng SM1223 DC/DC (8DI/8DO).
  • Thiết kế chi tiết các bản vẽ mạch điện: sơ đồ nguồn cấp, kết nối nút nhấn và cảm biến, kết nối encoder, mạch công tắc hành trình, công tắc áp suất, mạch phát xung điều khiển Step Driver, mạch điều tốc PWM và sơ đồ van khí nén.
  • Quy hoạch bố trí thiết bị và thi công lắp ráp hoàn thiện tủ điện điều khiển và tủ khí nén.
  • Xây dựng thuật toán và quy trình xử lý ảnh: thu nhận ảnh, lọc màu HSV, xác định tọa độ tâm bánh.
  • Thiết lập lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống trên PLC, xây dựng các khối hàm điều khiển ở hai chế độ Manual và Auto.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương 5 trình bày toàn bộ số liệu thu thập được từ quá trình vận hành chạy thử hệ thống:

  • Thực nghiệm xử lý ảnh (Bảng 5-1, Bảng 5-2): Thử nghiệm trên các mẫu bánh khác nhau, đánh giá khả năng nhận diện hình dạng, tọa độ tâm và thời gian xử lý khung hình của thuật toán.
  • Thực nghiệm hệ thống khí nén (Bảng 5-3): Đo đạc áp suất hút chân không của giác hút tại các mức áp suất khác nhau, xác định ngưỡng áp suất giữ chặt phôi bánh $15\text{ g}$ mà không gây rơi rớt hay vỡ nát sản phẩm.
  • Thực nghiệm động học bám bắt (Bảng 5-4): Đánh giá mối quan hệ giữa vận tốc chạy của băng tải bánh với vận tốc đáp ứng của cánh tay robot Delta để đồng bộ điểm gắp.
  • Thực nghiệm năng suất đóng gói (Bảng 5-5): Tổng hợp chu kỳ đóng gói thực tế, kiểm tra độ ổn định khi làm việc liên tục ở mức năng suất $1 - 2\text{ khay/phút}$.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Chế tạo thành công mô hình phần cứng Robot Delta 3 bậc tự do hoàn chỉnh, kết cấu cơ khí vận hành trơn tru và đảm bảo không gian làm việc danh định hình trụ $\varnothing 500\text{ mm} \times 200\text{ mm}$.
    • Xây dựng thành công thuật toán động học thuận và nghịch, tích hợp chuyển đổi tọa độ giải tích vào cấu trúc điều khiển chuyển động của PLC.
    • Hệ thống thị giác máy tính nhận dạng chính xác phôi bánh trên băng tải thông qua thuật toán phân ngưỡng màu HSV trong OpenCV và truyền tham số tọa độ đồng bộ về PLC.
    • Cơ cấu gắp chân không thao tác ổn định với sản phẩm bánh quy OREO khối lượng $15\text{ g}$.
    • Hệ thống đạt năng suất đóng gói theo đúng chỉ tiêu thiết kế ban đầu: $1 - 2\text{ khay/phút}$ ($6 - 12\text{ bánh/phút}$).
    • Vận hành an toàn ở cả hai chế độ điều khiển bằng tay (Manual) và chu trình tự động (Auto).
  • Đóng góp thực tiễn của đề tài:
    • Cung cấp quy trình hoàn chỉnh từ tính toán lý thuyết, thiết kế 3D, gia công CNC đến tích hợp điện tử - điều khiển cho dòng robot song song tốc độ cao.
    • Tối ưu hóa chi phí chế tạo nhờ việc tự chủ gia công cơ khí và lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp (sử dụng động cơ bước có encoder và PLC S7-1200), mở ra giải pháp giảm giá thành sản xuất robot công nghiệp phục vụ dây chuyền đóng gói nội địa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của mô hình:
    • Quá trình gia công cơ khí thủ công và lắp ghép chi tiết tại xưởng vẫn còn tồn tại dung sai chế tạo nhất định, ảnh hưởng một phần đến độ chính xác lặp lại của điểm cuối.
    • Hệ thống chưa khai thác hết các thế mạnh về gia tốc cực đại và tốc độ làm việc tối đa vốn có của cấu trúc động học robot Delta do bị giới hạn bởi đặc tính động lực học của động cơ bước.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nâng cao độ chính xác gia công các chi tiết khung vỏ và khớp nối bằng máy công cụ có độ chính xác cao hơn nhằm giảm thiểu triệt để sai số tích lũy.
    • Nghiên cứu thay thế động cơ bước bằng hệ thống động cơ AC Servo chuyên dụng có phản hồi vòng kín cao cấp nhằm tối ưu hóa vận tốc, nâng cao năng suất đóng gói.
    • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh, tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để phân loại đa dạng sản phẩm có hình dáng, màu sắc phức tạp và hướng tới thương mại hóa sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp hoặc giảng dạy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Robot công nghiệp.

Những phần nội dung mang giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Phương pháp tính toán động học và bậc tự do cho robot song song: Cách thức xử lý cấu trúc siêu tĩnh bằng phương trình di động Kutzbach và thuật toán giải động học thuận/nghịch đối칭 qua ma trận quay Euler.
  • Giải pháp thiết kế cơ khí chính xác: Kết cấu bệ di động, cánh tay song song và phương án lựa chọn khớp cầu rotuyn cho cánh tay robot tốc độ cao.
  • Mô hình tích hợp liên mạng giữa PLC và Thị giác máy tính: Giải pháp kết nối thu nhận dữ liệu tọa độ từ camera xử lý bằng Python/OpenCV đưa vào PLC Siemens S7-1200 để điều khiển đồng bộ chuyển động chấp hành theo thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao khi sử dụng phương trình Kutzbach tính bậc tự do cho Robot Delta ban đầu lại ra kết quả âm và nhóm tác giả xử lý như thế nào?
Khi tính toán trực tiếp với toàn bộ cơ cấu gồm 3 cụm hình bình hành ($N = 17$ khâu, $J_1 = 21$ khớp loại 5), phương trình Kutzbach cho kết quả $M = 6(17 - 1) - 5(21) = -9$. Nguyên nhân là do Robot Delta là một cấu trúc động học đặc biệt có các ràng buộc trùng lặp (hệ siêu tĩnh). Nhóm tác giả đã chuyển đổi về cơ cấu tương đương bằng cách loại bỏ bớt một thanh bị động và hai khớp nối ở mỗi nhánh hình bình hành, đưa hệ thống về $N = 14$ khâu và $J_1 = 15$ khớp loại 5, mang lại kết quả đúng $M = 3$ bậc tự do.

2. Không gian làm việc và sản phẩm đóng gói danh định của mô hình robot có thông số ra sao?
Mô hình Robot Delta được tính toán và thiết kế với không gian làm việc dạng hình trụ có đường kính đáy $\varnothing 500\text{ mm}$ và chiều cao làm việc $200\text{ mm}$. Đối tượng thao tác đóng gói của hệ thống là sản phẩm bánh quy OREO có trọng lượng $15\text{ g}$, đóng vào khay tiêu chuẩn chứa $6\text{ bánh}$.

3. Các thiết bị điều khiển và chấp hành chính được lựa chọn trong đề tài gồm những mã hiệu nào?
Bộ điều khiển trung tâm là Siemens PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC kết hợp module mở rộng SM1223 DC/DC (8DI/8DO). Ba trục truyền động chính của cánh tay robot sử dụng động cơ bước mã hiệu 57J1880EC-1000 kết hợp hộp giảm tốc; động cơ dẫn động băng tải là loại DC mã hiệu GW31ZY-158; cơ cấu gắp sử dụng bơm chân không tạo áp suất hút qua núm hút cao su.

4. Hệ thống xử lý ảnh sử dụng công cụ gì và nguyên lý định vị phôi bánh như thế nào?
Hệ thống sử dụng ngôn ngữ lập trình Python trên môi trường PyCharm cùng thư viện xử lý ảnh OpenCV. Thuật toán tiến hành thu nhận khung hình từ camera, chuyển đổi ma trận điểm ảnh sang không gian màu HSV và áp dụng ngưỡng phân đoạn màu xanh lá (ngưỡng dưới $[40, 50, 50]$, ngưỡng trên $[80, 255, 255]$) để trích xuất tọa độ trọng tâm $(x, y)$ của phôi bánh trên băng tải trước khi gửi sang PLC.

5. Năng suất thực tế của hệ thống đạt được là bao nhiêu và được vận hành qua các chế độ nào?
Năng suất thực tế của hệ thống dao động từ $1 - 2\text{ khay/phút}$, tương đương đóng gói từ $6 - 12\text{ bánh/phút}$ tùy thuộc vào sự thay đổi tốc độ của băng tải cấp liệu. Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành độc lập là chế độ Manual (chạy từng cơ cấu riêng lẻ bằng tay để cân chỉnh, kiểm tra) và chế độ Auto (vận hành tự động hoàn toàn theo chu trình khép kín).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình Robot đóng gói sản phẩm" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết, tính toán thiết kế cơ khí, lắp ráp phần cứng và lập trình điều khiển tích hợp. Mô hình Robot Delta 3 bậc tự do kết hợp hệ thống thị giác máy tính và PLC Siemens S7-1200 vận hành ổn định trong không gian hình trụ $\varnothing 500\text{ mm} \times 200\text{ mm}$, đáp ứng tốt yêu cầu bám bắt và đóng gói bánh vào khay với năng suất đạt $1 - 2\text{ khay/phút}$. Công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về phương pháp tính toán động học robot song song, kỹ thuật gia công chế tạo cơ khí chính xác và giải pháp tích hợp thị giác máy trong tự động hóa công nghiệp.