Thiết kế và điều khiển mô hình robot gantry tự động phân phối hàng hóa

Đồ án thiết kế và điều khiển mô hình robot gantry tự động phân phối hàng hóa Trường ĐH SPKT TPHCM

• Tác giả: Phùng Nguyễn Quý
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Văn Thuyên
• 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: Thiết kế và điều khiển mô hình robot gantry tự động phân phối hàng hóa
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình robot gantry phân phối hàng hóa ĐH SPKT TPHCM

Mô hình robot gantry phân phối hàng hóa ĐH SPKT TPHCM đại diện cho bước tiến kỹ thuật trong tự động hóa kho vận. Đề tài xuất phát từ Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Thiết kế hướng đến mục tiêu giải quyết áp lực vận chuyển và sắp xếp kiện hàng trong nhà máy. Cơ cấu robot gantry vận hành trên hệ tọa độ Descartes ba trục X, Y và Z. Dạng hình học này tạo ra vùng làm việc hình chữ nhật rộng lớn và ổn định. Kết cấu khung vững chắc hỗ trợ quá trình định vị bưu kiện với sai số tối thiểu. Khả năng chịu lực đồng đều giúp thiết bị duy trì năng suất làm việc liên tục. Động cơ bước kết hợp dây đai răng truyền động mang lại độ chính xác cao. Hệ thống tích hợp bộ lập trình PLC hiện đại cùng công nghệ camera thị giác máy tính. Toàn bộ chu trình bốc dỡ hàng hóa diễn ra khép kín và đồng bộ. Doanh nghiệp logistics hiện đại luôn ưu tiên cấu trúc này nhằm tiết kiệm mặt bằng kho xưởng. Nghiên cứu cung cấp giải pháp thực tiễn cho bài toán trung chuyển hàng hóa nội bộ.

1.1. Bối cảnh phát triển tự động hóa kho hàng

Ngành công nghiệp phân phối hàng hóa đang trải qua giai đoạn chuyển đổi số mạnh mẽ. Nhu cầu mua sắm trực tuyến gia tăng tạo nên khối lượng kiện hàng khổng lồ mỗi ngày. Phương thức vận hành thủ công truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn. Tốc độ phân loại thủ công chậm chạp và dễ xảy ra nhầm lẫn vị trí. Chi phí nhân công vận hành kho bãi cũng liên tục leo thang. Các doanh nghiệp buộc phải tìm kiếm mô hình tự động hóa để duy trì tính cạnh tranh. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM ra đời nhằm đáp ứng đòi hỏi cấp thiết đó. Mô hình tập trung giải quyết việc vận chuyển hàng hóa tự động trên diện tích tối ưu. Thiết bị đáp ứng chính xác yêu cầu về năng suất và độ tin cậy trong môi trường công nghiệp.

1.2. Khái niệm và đặc điểm của robot gantry

Robot gantry là hệ thống tay máy dạng cổng hoạt động trên hệ trục Descartes tuyến tính. Thiết bị gồm ba trục trực giao X, Y và Z chuyển động qua lại độc lập. Cơ cấu khung dầm chữ nhật tạo ra không gian thao tác trên cao rất thông thoáng. Thiết kế này giúp cánh tay gắp tiếp cận mọi vị trí trên mặt phẳng băng tải và pallet. Khả năng chịu tải trọng của robot gantry vượt trội hơn các dòng cánh tay robot khớp nối thông thường. Độ cứng vững cơ khí cao đảm bảo chuyển động mượt mà và giảm rung lắc khi tăng tốc. Hệ thống truyền động sử dụng dây đai GT2 kết hợp ray trượt tuyến tính độ chuẩn xác cao. Robot gantry mang lại chi phí chế tạo hợp lý cùng khả năng bảo trì đơn giản trong thực tế.

II. Phân tích kỹ thuật robot gantry phân phối hàng hóa ĐH SPKT TPHCM

Thiết kế cơ cấu gantry phân phối hàng hóa đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng về cơ khí và động lực học. Quá trình di chuyển kiện hàng tạo ra phản lực và ma sát đáng kể trên các trục trượt. Trục Y phải chịu toàn bộ tải trọng của cụm trục Z cùng kiện hàng nặng. Nếu chọn thông số động cơ sai lệch, cơ cấu dễ bị giật cục hoặc trượt bước. Lực căng dây đai GT2 cần đạt giá trị tối ưu để tránh hiện tượng dão dây khi đảo chiều đột ngột. Vấn đề cân bằng moment xoắn giữa hai động cơ trục Y cũng là thách thức kỹ thuật lớn. Sự lệch bước giữa hai động cơ dẫn tới hiện tượng kẹt cơ khí trên ray dẫn hướng. Bên cạnh đó, quán tính chuyển động khi nâng hạ vật mẫu gây nguy cơ rung lắc đầu gắp. Tín hiệu điều khiển xung tốc độ cao từ PLC cần được khử nhiễu triệt để. Môi trường công nghiệp nhiều thiết bị công suất lớn rất dễ phát sinh sóng hài gây lỗi vị trí. Những yếu tố này đòi hỏi giải pháp thiết kế đồng bộ từ phần cứng đến giải thuật điều khiển.

2.1. Thách thức tính toán tải trọng và moment xoắn

Tính toán động lực học đóng vai trò quyết định độ bền của robot gantry. Khối lượng vật nâng và toàn bộ cụm chấp hành tạo áp lực trực tiếp lên hệ truyền động. Trọng lực thẳng đứng trên trục Z yêu cầu moment giữ lớn để giữ vật ổn định khi mất điện nguồn. Đối với trục Y, hệ thống di chuyển cụm khối lượng lớn dọc theo chiều dài khung dầm. Lực ma sát ray trượt cộng hưởng với lực quán tính tạo ra lực kéo cản trở lớn. Lựa chọn động cơ bước Nema 17 phải đáp ứng giá trị moment xoắn giữ 0.45Nm cùng công suất danh định 36W. Sự tính toán cẩn trọng giúp triệt tiêu hiện tượng sụt áp và quá nhiệt driver trong quá trình vận hành liên tục.

2.2. Khó khăn trong tích hợp thị giác và điều khiển

Tích hợp camera xử lý ảnh vào vòng điều khiển PLC thường phát sinh độ trễ truyền dữ liệu. Camera chụp ảnh sản phẩm cần thuật toán trích xuất biên dạng và nhận diện màu sắc chuẩn xác. Ánh sáng môi trường biến động dễ khiến ảnh chụp bị lóa hoặc sai lệch tọa độ thực tế. Tọa độ ảnh pixel phải được chuyển đổi trơn tru sang tọa độ cơ khí milimet của hệ gantry. Sự bất đồng bộ thời gian thực giữa máy tính xử lý ảnh và PLC gây sai lệch điểm dừng. Dây chuyền băng tải chuyển động liên tục đòi hỏi tốc độ xử lý ảnh dưới 200 mili-giây. Cơ cấu gắp hút chân không cần phản hồi áp suất tức thì để xác nhận tình trạng bám dính kiện hàng. Việc giải quyết các điểm nghẽn này tạo tiền đề quyết định cho thành công của mô hình.

III. Phương pháp thiết kế robot gantry phân phối hàng hóa ĐH SPKT TPHCM

Giải pháp kỹ thuật của nhóm nghiên cứu tập trung vào sự kết hợp giữa cơ khí chính xác và điều khiển thông minh. Khung giàn robot chế tạo bằng nhôm định hình chuẩn công nghiệp nhằm giảm rung lắc. Trục X và trục Y sử dụng cơ cấu truyền động dây đai GT2 đi kèm puly đồng bộ. Thiết kế trục Y dùng cặp động cơ bước Nema 17 truyền động song song giúp tăng cường lực kéo. Trục Z tích hợp cơ cấu trục vít me bi hoặc thanh răng nhỏ gọn để tạo chuyển động nâng hạ ổn định. Bộ não điều khiển trung tâm là PLC Siemens S7-1200 kết hợp các khối hàm phát xung PTO. PLC quản lý chu trình phát xung điều khiển bước thông qua module driver chuyên dụng. Hệ thống xử lý ảnh công nghiệp nhận diện kích thước, màu sắc và vị trí bưu kiện trên băng tải. Dữ liệu tọa độ truyền về PLC qua giao thức truyền thông mạng Ethernet công nghiệp. Cơ cấu tay gắp dùng giác hút chân không bảo đảm giữ chặt kiện hàng mà không gây móp méo.

3.1. Thiết kế cơ khí và tính toán động lực học

Khung cơ khí định hình đóng vai trò khung đỡ chịu lực cho toàn bộ hệ thống gantry. Nhóm tính toán tải trọng động cơ trục Y dựa trên công thức tổng lực ma sát và lực quán tính. Bán kính puly dây đai GT2 được lựa chọn cẩn thận nhằm cân bằng tốc độ và lực kéo. Hai động cơ bước Nema 17 trục Y đạt tổng moment xoắn giữ 0.9Nm, bảo đảm khả năng tải hàng 3kg trơn tru. Trục Z được trang bị cơ cấu cân bằng trọng lực với khối lượng cụm gắp xấp xỉ 1kg. Lực tác động lên trục Z chủ yếu đến từ trọng trường và gia tốc rơi tự do. Hệ thống ray trượt tròn mạ crom kết hợp bi trượt tuyến tính giúp giảm thiểu ma sát trượt tối đa. Kết cấu tổng thể tạo nên chuyển động êm dịu và chính xác.

3.2. Thuật toán điều khiển PLC và xử lý hình ảnh

Hệ thống điều khiển trung tâm vận hành trên nền tảng PLC kết hợp thuật toán xử lý ảnh số. Camera ghi hình sản phẩm đi qua khu vực kiểm tra trên băng chuyền. Chương trình thị giác máy tính nhận diện tọa độ tâm, kích thước hình học và mã màu sản phẩm. Các thông số này nhanh chóng chuyển đổi sang hệ tọa độ làm việc của robot gantry. Bộ điều khiển PLC nhận dữ liệu qua kết nối truyền thông Ethernet và kích hoạt phát chuỗi xung PTO. Quỹ đạo chuyển động được nội suy mượt mà nhằm triệt tiêu hiện tượng giật cục cơ khí. Hệ thống giám sát SCADA hiển thị trực quan trạng thái phân loại theo thời gian thực. Toàn bộ chu kỳ gắp, phân loại và thả hàng diễn ra chính xác với sai số dưới 1 milimet.

IV. Ứng dụng thực tế robot gantry phân phối hàng hóa ĐH SPKT TPHCM

Mô hình robot gantry phân phối hàng hóa ĐH SPKT TPHCM khẳng định giá trị thực tiễn trong công nghiệp kho thông minh. Thiết bị chứng minh khả năng thay thế hiệu quả các thao tác bốc xếp thủ công lặp đi lặp lại. Tốc độ phân loại ổn định giảm thiểu tối đa hiện tượng hư hỏng kiện hàng hoặc rơi rớt. Khả năng tích hợp mở rộng là điểm cộng lớn của giải pháp này. Doanh nghiệp có thể nâng cấp thêm module đọc mã vạch QR hoặc liên kết hệ thống quản lý kho WMS. Chi phí đầu tư chế tạo mô hình thấp hơn đáng kể so với việc mua sắm cánh tay robot 6 trục nhập khẩu. Không gian hoạt động hình khối chữ nhật của gantry cũng tận dụng trọn vẹn diện tích sàn nhà xưởng. Đây là bước chuẩn bị quan trọng cho các nhà máy chuyển đổi số sang mô hình sản xuất thông minh. Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra triển vọng nội địa hóa thiết bị tự động hóa chất lượng cao.

4.1. Hiệu quả kinh tế và vận hành tự động

Ứng dụng mô hình gantry mang lại lợi ích tài chính rõ rệt cho các trung tâm phân loại hàng hóa. Hệ thống duy trì hiệu suất làm việc 24/7 mà không gặp các lỗi do mệt mỏi thể lực. Tốc độ luân chuyển kiện hàng gia tăng giúp rút ngắn thời gian giao vận đến khách hàng cuối. Doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí đào tạo và nhân sự giám sát thủ công tại hiện trường. Kết cấu cơ khí đơn giản tạo điều kiện sửa chữa, thay thế phụ tùng nhanh chóng với chi phí thấp. Tỷ lệ hoàn vốn đầu tư của dự án được đánh giá ở mức rất khả quan. Mô hình đem lại sự ổn định và tính chuyên nghiệp cho dây chuyền phân loại công nghiệp hiện đại.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp thông minh

Tiềm năng mở rộng của robot gantry trong hệ sinh thái kho thông minh là rất lớn. Hướng phát triển tương lai tập trung tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo học sâu. Giải pháp này giúp robot tự động nhận diện các bao bì biến dạng hoặc kiện hàng xếp chồng lộn xộn. Hệ thống mạng IoT công nghiệp cho phép giám sát tình trạng hao mòn cơ khí từ xa theo thời gian thực. Việc kết nối trực tiếp với robot tự hành AGV tạo thành chuỗi cung ứng khép kín hoàn hảo. Các xưởng sản xuất có thể dễ dàng ghép nối nhiều mô-đun gantry để mở rộng quy mô. Nghiên cứu từ ĐH SPKT TPHCM đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc thương mại hóa sản phẩm tự động hóa Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa và làn sóng công nghiệp 4.0, tự động hóa các dây chuyền sản xuất và chuỗi cung ứng logistics đã trở thành giải pháp cốt lõi tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Quá trình vận chuyển, phân loại và sắp xếp hàng hóa lên hoặc xuống pallet thủ công bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, phát sinh chi phí lao động lớn, tiềm ẩn sai sót và nguy cơ tai nạn lao động khi xử lý các kiện hàng nặng trong thời gian dài. Do đó, việc nghiên cứu các hệ thống robot tự động phục vụ công tác phân loại và phân phối hàng hóa trở thành nhu cầu cấp thiết.

Theo số liệu thống kê được đề tài trích dẫn, robot giàn (Gantry Robot) chiếm hơn 40% thị phần robot phân phối hàng hóa trên quy mô toàn cầu nhờ vào kết cấu vững chắc, không gian làm việc bao quát dạng hình hộp chữ nhật và độ chính xác lặp lại cao. Nhằm giải quyết các bài toán kỹ thuật thực tế với chi phí tối ưu, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình Robot Gantry thu nhỏ mô phỏng cơ chế vận hành công nghiệp, tích hợp hệ thống thị giác máy tính và bộ điều khiển lập trình logic để phân loại và sắp xếp sản phẩm lên pallet.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua 4 nhiệm vụ:

1. Thiết kế mô hình Robot Gantry di chuyển linh hoạt.
2. Sử dụng xử lý ảnh để tìm vị trí và phân loại vật theo màu sắc.
3. Điều khiển Robot Gantry phân phối lên Pallet.
4. Xây dựng giao diện người dùng để giám sát và điều khiển hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình Robot Gantry 3 trục tịnh tiến (X, Y, Z) bổ sung trục xoay và đầu hút chân không, kết hợp băng tải, hệ thống thị giác máy tính và trạm giám sát điều khiển. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mô hình thực nghiệm học thuật tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 06/2025. Hệ thống thực hiện chức năng nhận diện, phân loại các sản phẩm hình hộp có kích thước 4 x 5 x 1 cm theo màu sắc (đỏ, xanh) và gắp đặt chính xác lên vị trí pallet cố định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng cơ học robot công nghiệp, các giải pháp xếp dỡ pallet trong chuỗi cung ứng và kỹ thuật điều khiển tự động hóa. Về mặt động học, tác giả phân tích và so sánh 4 cấu hình robot công nghiệp phổ biến: Robot Gantry, Robot Cartesian (cánh tay nhiều khớp nối), Robot Delta và Robot SCARA. Dựa trên các tiêu chí về vùng làm việc, tải trọng, độ ổn định và chi phí chế tạo, cấu trúc robot tọa độ Descartes dạng giàn (Gantry) được lựa chọn.

Đối với bài toán xếp dỡ hàng hóa lên pallet (Pallet Load Units - PLUs), đề tài kế thừa khung lý thuyết từ nghiên cứu của Sawicki và Sawicka (2023), phân tích 3 phương pháp sắp xếp tiêu chuẩn:

• Phương pháp xếp nhiều lớp một hướng (Single-Direction Multi-Layer Stacking): Các sản phẩm được xếp cùng hướng trên mọi lớp, đảm bảo tính đồng nhất nhưng dễ mất ổn định khi chịu rung lắc.
• Phương pháp xếp nhiều lớp hai hướng (Two-Direction Multi-Layer Stacking): Hướng xếp giữa các lớp liền kề vuông góc với nhau, giúp khóa các mối liên kết và tăng độ vững chắc.
• Phương pháp xếp nhiều lớp đa hướng (Multi-Direction Multi-Layer Stacking): Cho phép thay đổi hướng đa dạng trong cùng một lớp hoặc giữa các lớp nhằm phân bố đều tải trọng và tối ưu hóa diện tích bề mặt.

Về phương pháp nghiên cứu, nhóm tác giả kết hợp 4 phương pháp kỹ thuật thực tế:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tra cứu, tổng hợp các bài báo khoa học và công trình liên quan từ các nguồn dữ liệu học thuật như IEEE Xplore, Google Scholar.
• Phương pháp tham vấn chuyên gia: Tiếp thu ý kiến chuyên môn từ giảng viên hướng dẫn (PGS.TS Ngô Văn Thuyên) và hỗ trợ kỹ thuật từ các kỹ sư thuộc Công ty TNHH Kỹ Thuật Giải Pháp Lưu Trữ Prosst.
• Phương pháp mô phỏng và thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm SolidWorks 2024 và AutoCAD để thiết kế bản vẽ cơ khí 3D; thiết lập các công thức giải tích tính toán mô-men xoắn, lực ma sát và công suất động cơ.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình phần cứng, đấu nối mạch điện, lập trình xử lý ảnh trên Python và điều khiển chuyển động trên PLC Siemens S7-1200; chạy thử nghiệm thực tế qua 3 lần kiểm tra để đánh giá sai số và độ ổn định.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm: thông số kỹ thuật (datasheet) của các thiết bị công nghiệp (Siemens, Chint, Nema); dữ liệu hình ảnh thu nhận trực tiếp từ camera; và số liệu thực nghiệm đo đạc từ quá trình vận hành mô hình.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế theo cấu trúc phần cứng mô-đun kết hợp phần mềm điều khiển phân tầng, lấy bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 làm trung tâm điều khiển chuyển động và máy tính xử lý ảnh làm mắt xích nhận diện thị giác.

Phân tích và lựa chọn phần cứng

Khung robot được gia công từ nhôm định hình nhằm đảm bảo độ cứng vững, nhẹ và thuận tiện lắp ráp. Chuyển động cơ khí 3 trục được cấu hình phù hợp với đặc thù tải trọng và tốc độ:

• Trục X: Sử dụng vít me bước dẫn kết hợp thanh trượt tuyến tính và động cơ bước Nema 17.
• Trục Y: Sử dụng cơ cấu con lăn V-slot kết hợp truyền động dây đai GT2 và 2 động cơ bước Nema 17.
• Trục Z: Sử dụng trục vít me dẫn động đầu hút chân không với hành trình làm việc 200 mm.
• Cơ cấu gắp: Đầu hút chân không vận hành bằng bơm mini 24VDC, đóng cắt qua rơ-le trung gian, thay thế cho kẹp cơ khí nhằm giảm biến dạng sản phẩm và rút ngắn thời gian thao tác.

Thiết bị / Linh kiện	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình	Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	Nguồn cấp 24VDC, tích hợp ngõ ra xung tốc độ cao	Điều khiển logic toàn hệ thống và phát xung điều khiển driver
Bo mạch mở rộng	Signal Board cho S7-1200	Mở rộng kênh vào/ra số	Mở rộng tín hiệu điều khiển
Driver động cơ bước	TB6600 (4 bộ)	Điện áp 9 - 42VDC, dòng tải tối đa 4.0A	Điều khiển vi bước cho các trục X, Y, Z và trục xoay
Động cơ bước trục X	Nema 17 (kích thước 42 x 34 mm)	Mô-men xoắn giữ 0.26 Nm, công suất 36W	Dẫn động cơ cấu vít me trục X
Động cơ bước trục Y	Nema 17 (kích thước 42 x 42 mm, 2 chiếc)	Mô-men xoắn giữ 0.45 Nm, công suất 36W	Dẫn động dây đai GT2 trục Y
Động cơ bước trục Z	Nema 17	Công suất 36W, tải trọng 1 kg	Dẫn động nâng hạ trục Z
Aptomat bảo vệ	Chint NXB-16	Thiết bị đóng cắt bảo vệ quá tải	Bảo vệ an toàn nguồn điện hệ thống
Nguồn cấp điện	Nguồn tổ ong công nghiệp	Điện áp vào 220VAC, ngõ ra 24VDC	Cung cấp nguồn cho PLC, driver, rơ-le và cảm biến
Cảm biến vị trí	Cảm biến quang PNP và công tắc hành trình	Tín hiệu ngõ ra mức logic 24VDC	Nhận diện sản phẩm trên băng tải và định vị gốc tọa độ các trục
Cơ cấu hút	Bơm hút mini 24VDC	Điện áp hoạt động 24VDC	Tạo áp suất chân không cho giác hút

Tính toán động học và lực truyền động

Quá trình tính toán động cơ được tác giả thực hiện dựa trên các thông số tải trọng và hệ số ma sát thực tế:

Thành phần thông số	Ký hiệu	Giá trị xác lập
Bước ren trục vít me	$\Delta L$	2 mm
Khoảng dịch chuyển 1 vòng vít me	$P_B$	10 mm
Chiều dài vít me trục X	$L_{BX}$	450 mm
Chiều dài vít me trục Z	$L_{BZ}$	220 mm
Khối lượng cụm trục X	$m_X$	2 kg
Khối lượng cụm trục Y	$m_Y$	3 kg
Khối lượng cụm trục Z	$m_Z$	1 kg
Hệ số ma sát vít me thép và đai ốc đồng T8	$\mu_0$	0.1
Hệ số ma sát con lăn V-slot	$\mu_{v}$	0.05
Hệ số ma sát con trượt bi	$\mu_b$	0.1
Hiệu suất khớp nối	$\eta_k$	0.95
Hiệu suất truyền động dây đai GT2	$\eta_d$	0.9

Lực tác dụng được xác định theo phương trình $F = m \cdot g$ (với $g = 9.8\text{ m/s}^2$). Bán kính hữu hiệu của cơ cấu truyền động vít me được xác định qua biểu thức $r = \frac{P_B}{2\pi}$. Mô-men xoắn yêu cầu trên trục động cơ được tính toán theo công thức $T = \frac{F \cdot r}{\eta}$, và công suất tương ứng là $P = T \cdot \omega$ (trong đó $\omega = \frac{2\pi N}{60}$). Các kết quả tính toán xác nhận mô-men giữ 0.26 Nm của Nema 17 trục X và 0.45 Nm của 2 động cơ Nema 17 trục Y hoàn toàn thỏa mãn điều kiện vận hành không trượt bước.

Thiết kế phần mềm và giao thức truyền thông

Phần mềm hệ thống gồm hai khối chức năng hoạt động đồng bộ:

• Chương trình xử lý ảnh: Lập trình bằng ngôn ngữ Python trong môi trường PyCharm, sử dụng thư viện OpenCV. Luồng video từ camera được tiền xử lý, chuyển đổi sang không gian màu HSV để phân đoạn các ngưỡng màu sắc sản phẩm (đỏ, xanh dương, xanh lục), trích xuất tọa độ trọng tâm và xác định góc lệch của sản phẩm trên băng tải. Dữ liệu tọa độ được truyền về PLC thông qua chuẩn giao tiếp mạng Ethernet.
• Chương trình điều khiển PLC và SCADA: Viết trên phần mềm TIA Portal, cấu hình phát xung PTO điều khiển 4 driver TB6600 thông qua các khối chức năng điều khiển chuyển động (Move Absolute). Giao diện vận hành SCADA được thiết kế trên nền tảng WinCC gồm 6 màn hình chức năng: Màn hình đăng nhập phân quyền, Màn hình tổng quan hệ thống, Màn hình điều khiển tự động, Màn hình điều khiển bằng tay, Màn hình hiển thị lịch sử xuất hàng và Màn hình báo động kèm bảng mã lỗi định danh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp 4.0, sự phát triển của logistics và nhu cầu tự động hóa khâu xếp dỡ hàng hóa. Tác giả nêu bật số liệu robot Gantry chiếm hơn 40% thị phần robot phân phối hàng hóa thế giới. Từ đó, xác định lý do thiết kế mô hình robot giàn thu nhỏ dựa trên kinh nghiệm từ máy in 3D và máy khắc mini. Chương này công bố 4 mục tiêu nghiên cứu, phạm vi ứng dụng học thuật, 4 phương pháp tiếp cận và cấu trúc tổng thể 6 chương của khóa luận.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết về robot công nghiệp, phân tích nguyên lý chuyển động tuyến tính 3 trục của robot Gantry so sánh với robot Cartesian, Delta và SCARA. Tác giả phân tích chuyên sâu 3 phương pháp xếp lớp sản phẩm lên pallet theo nghiên cứu của Sawicki và Sawicka (2023): xếp một hướng, hai hướng và đa hướng; chỉ rõ tác động của từng phương pháp đến độ ổn định cơ học và thể tích lưu trữ. Ngoài ra, chương này tổng hợp lý thuyết về ngôn ngữ Python, thư viện thị giác máy tính OpenCV và chuẩn truyền thông Ethernet công nghiệp.

Chương 3. Phân tích và thiết kế phần cứng

Chương 3 trình bày quy trình thiết kế phần cứng 7 bước. Tác giả định nghĩa chi tiết các thông số kỹ thuật của hệ thống: sản phẩm hộp (4 x 5 x 1 cm), khay chứa pallet cố định. Toàn bộ tính toán cơ khí cho 3 trục XYZ được thực hiện chi tiết: trục X (vít me dài 450 mm), trục Y (dây đai GT2 và con lăn V-slot), trục Z (vít me hành trình 200 mm). Chương này lập bảng thông số kỹ thuật đầy đủ của nguồn tổ ong 24VDC, PLC S7-1200 1214C, driver TB6600, động cơ bước Nema 17, cảm biến quang PNP, công tắc hành trình và rơ-le trung gian, kèm theo các sơ đồ nguyên lý đấu nối điện hoàn chỉnh.

Chương 4. Phân tích và thiết kế phần mềm

Chương 4 tập trung giải quyết thuật toán và cấu trúc phần mềm điều khiển. Tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật vận hành tự động và bán tự động. Phần xử lý ảnh mô tả chi tiết phương pháp trích xuất ngưỡng màu HSV cho 3 gam màu (đỏ, xanh dương, xanh lục), thuật toán nhận dạng trọng tâm và góc xoay sản phẩm, cùng phương thức đóng gói truyền gói tin sang PLC qua cổng Ethernet. Phần điều khiển PLC thuyết minh cấu hình khối Move Absolute phát xung điều khiển driver TB6600. Phần SCADA trình bày thiết kế kiến trúc phân cấp của 6 màn hình WinCC và bảng tra cứu mã lỗi hệ thống.

Chương 5. Kết quả thực hiện

Chương 5 công bố kết quả chế tạo mô hình thực tế. Phần cứng cơ khí vận hành ổn định, không rung lắc; mạch điều khiển điện đáp ứng tốt chuẩn công nghiệp. Thuật toán xử lý ảnh nhận diện chính xác màu sắc và tọa độ sản phẩm trên băng tải. Giao diện WinCC hiển thị trực quan thông số, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tự động và bằng tay. Kết quả vận hành được kiểm chứng qua 3 lần chạy thực nghiệm độc lập và cung cấp mã QR liên kết đến video ghi hình quá trình hoạt động thực tế của robot.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu. Tác giả đánh giá toàn diện ưu và nhược điểm của cả phần cứng (kết cấu cơ khí, độ chính xác động cơ, cơ cấu hút chân không) và phần mềm (tốc độ xử lý ảnh, độ trễ truyền thông, độ tin cậy SCADA). Đồng thời, đề xuất các định hướng nghiên cứu nhằm tối ưu hóa và nâng cấp mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm, đồ án đã chế tạo thành công mô hình Robot Gantry 3 trục XYZ hoàn chỉnh tích hợp trục xoay và đầu hút chân không 24VDC. Hệ thống điều khiển tích hợp thành công PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC với 4 driver TB6600, điều khiển chính xác vị trí các trục mang tải. Module thị giác máy tính trên nền Python/OpenCV phân loại chuẩn xác các khối sản phẩm kích thước 4 x 5 x 1 cm theo 3 dải màu HSV (đỏ, xanh dương, xanh lục), tính toán góc xoay và gửi dữ liệu tọa độ về PLC qua kết nối Ethernet. Toàn bộ hoạt động được kiểm chứng qua 3 lần chạy thử nghiệm thực tế ghi nhận trong các bảng kết quả của Chương 5.

Về mặt giải pháp, tác giả đề xuất sử dụng đầu hút chân không thay cho tay kẹp cơ khí truyền thống, giúp hạn chế tổn hại bề mặt sản phẩm, giảm độ phức tạp cơ khí và tăng tốc độ chu kỳ gắp đặt. Đồng thời, nghiên cứu đề xuất giải pháp tận dụng các linh kiện cơ điện tử tiêu chuẩn từ máy in 3D và máy CNC mini (nhôm định hình, ray trượt, đai GT2, ốc vít me T8) nhằm hạ giá thành chế tạo mô hình thực nghiệm mà vẫn đảm bảo độ chính xác định vị.

Về đóng góp học thuật và kỹ thuật, đồ án cung cấp một tài liệu thiết kế tích hợp hoàn chỉnh từ khâu tính toán tải trọng cơ học giải tích, thiết kế mạch điện công nghiệp, thuật toán xử lý ảnh nhận diện màu sắc/tọa độ đến lập trình điều khiển phát xung PLC và thiết kế giao diện SCADA WinCC cho hệ robot Gantry phân loại tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận thẳng thắn chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện hữu của mô hình:

• Tính linh hoạt về góc thao tác thấp hơn so với các dòng robot tay gắp nhiều khớp nối tự do.
• Không gian lắp đặt bao chiếm tĩnh của khung giàn tương đối lớn so với vùng làm việc hữu ích.
• Tốc độ vận hành tối đa chưa cao khi đặt cạnh các cấu hình robot Delta hoặc SCARA chuyên dụng cho phân loại siêu tốc.
• Kết cấu cơ khí tham khảo từ máy in 3D nên độ cứng vững chưa đạt mức công nghiệp nặng; hệ thống thị giác máy tính chưa được kiểm nghiệm chuyên sâu trong điều kiện cường độ ánh sáng môi trường thay đổi phức tạp.

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

• Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh với các bộ lọc thích ứng để nhận diện tốt hơn trong môi trường ánh sáng biến thiên hoặc sản phẩm có biên dạng phức tạp.
• Cải tiến kết cấu cơ khí, gia cố khung giàn và nâng cấp hệ thống giảm chấn nhằm tăng tốc độ di chuyển của các trục mà không gây rung lắc.
• Mở rộng thuật toán điều khiển để triển khai phương pháp xếp pallet đa hướng thông minh cho nhiều chủng loại kích thước sản phẩm khác nhau.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên và học viên thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Kỹ thuật Điện - Điện tử.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

• Phương pháp tính toán giải tích lực, mô-men xoắn và công suất lựa chọn động cơ bước cho hệ truyền động trục vít me và bộ truyền đai răng GT2 tại Chương 3.
• Cấu hình phát xung điều khiển chuyển động đa trục (khối Move Absolute) trên PLC Siemens S7-1200 kết nối driver vi bước công nghiệp tại Chương 4.
• Cấu trúc chương trình xử lý ảnh Python kết hợp OpenCV trích xuất không gian màu HSV và phương thức truyền thông số tọa độ sang PLC qua mạng Ethernet tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn cơ cấu đầu hút chân không thay vì cơ cấu tay kẹp cơ khí?
Tác giả lựa chọn đầu hút chân không vận hành bằng bơm mini 24VDC vì giải pháp này phù hợp với sản phẩm có bề mặt phẳng, dạng hộp, trọng lượng nhẹ; không làm trầy xước hoặc biến dạng sản phẩm; thao tác đóng ngắt áp suất nhanh hơn chuyển động đóng/mở ngàm kẹp cơ khí và kết cấu gọn nhẹ, dễ tích hợp trên trục Z.

2. Động cơ bước được lựa chọn cho các trục truyền động X và Y có thông số kỹ thuật như thế nào?
Dựa trên kết quả tính toán mô-men xoắn và tải trọng ma sát tại Chương 3, tác giả lựa chọn động cơ bước Nema 17 kích thước 42 x 34 mm (mô-men xoắn giữ 0.26 Nm, công suất 36W) cho trục vít me X, và 2 động cơ bước Nema 17 kích thước 42 x 42 mm (mô-men xoắn giữ 0.45 Nm, công suất 36W) cho trục truyền động dây đai GT2 của trục Y.

3. Module thị giác máy tính nhận diện sản phẩm dựa trên không gian màu nào và kết nối với PLC bằng phương thức gì?
Chương trình thị giác máy tính lập trình bằng Python/OpenCV sử dụng không gian màu HSV để phân đoạn ngưỡng các màu đỏ, xanh dương và xanh lục, từ đó xác định trọng tâm và góc xoay của sản phẩm. Dữ liệu tọa độ sau xử lý được truyền trực tiếp sang PLC Siemens S7-1200 qua chuẩn mạng Ethernet.

4. Khóa luận nghiên cứu các phương pháp sắp xếp pallet nào và dựa trên tài liệu lý thuyết nào?
Khóa luận nghiên cứu 3 phương pháp sắp xếp lớp sản phẩm lên pallet (xếp nhiều lớp một hướng, hai hướng và đa hướng) dựa trên khung lý thuyết nghiên cứu về các đơn vị tải trọng pallet (Pallet Load Units - PLUs) của hai tác giả Sawicki và Sawicka công bố năm 2023.

5. Giao diện giám sát SCADA trên WinCC được thiết kế bao gồm những màn hình chức năng nào?
Hệ thống WinCC được xây dựng gồm 6 màn hình chức năng: Màn hình đăng nhập phân quyền người dùng, Màn hình tổng quan, Màn hình điều khiển tự động, Màn hình điều khiển bằng tay, Màn hình lịch sử xuất hàng và Màn hình hiển thị báo động tích hợp bảng mã lỗi hệ thống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phùng Nguyễn Quý và Trần Đại Tỏa đã hoàn thành toàn diện mục tiêu thiết kế và điều khiển mô hình Robot Gantry phân phối hàng hóa tự động lên pallet. Nghiên cứu thể hiện tính liên ngành chặt chẽ khi tích hợp đồng bộ giữa tính toán cơ khí, hệ thống điều khiển phát xung PLC Siemens S7-1200, thị giác máy tính Python/OpenCV và giao diện giám sát SCADA WinCC. Kết quả thực nghiệm qua 3 lần chạy kiểm chứng đã khẳng định tính khả thi của mô hình trong việc phân loại và sắp xếp sản phẩm chính xác, đồng thời cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng rõ ràng cho công tác đào tạo và nghiên cứu cơ điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng Quan − Chương 5. Kết quả và đánh giá: Trình bày kết quả thử nghiệm của mô hình, đánh giá mức độ hoàn thành dự án so với mục tiêu ban đầu đã đề ra. Kết luận: Tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đề tài, rút ra bài học và chỉ ra ưu nhược điểm và đề xuất hướng phát triển cho đề tài.

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 7 Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Muốn xây dựng một hệ thống Robot hoàn chỉnh ta cần nhiều yếu tố để triển khai trong thực tế. Trong số đó quan trọng nhất vẫn là cơ sở lý thuyết vì đây là nền tảng trong quá trình nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống Robot Gantry.

Các nội dung bao gồm tổng quan về Robot phân loại tự động, cấu trúc hoạt động của Robot Gantry và những kiến thức mang yếu tố quyết định cho việc xây dựng mô hình thực tế được đề cập trong chương tiếp theo. Tổng quan về hệ thống phân loại sử dụng Robot Gantry Robot Gantry, hay còn gọi là Robot giàn là một dạng Robot công nghiệp với cấu trúc cơ khí dạng khung giàn. Khác với Robot Cartesian (Robot dạng cánh tay) Robot Gantry là sự nâng cấp từ Robot Cartesian 3 trục cơ bản thay vì sử dụng góc xoay như Robot Cartesian thì Robot Gantry lại sử dụng các cơ cấu trượt theo trục tuyến tính (thường là X,Y,Z) trong không gian 3 chiều. Toàn bộ hệ thống là một khung giàn cố định được di chuyển bởi các cấu trúc trượt và bị giới hạn chỉ bởi kích thước của khung giàn.

Robot Gantry có khả năng di chuyển linh hoạt và chính xác trong không gian 3 chiều đồng thời Robot Gantry có sự cứng cáp lớn hơn nhiều so với các Robot dạng khác mang lại sự đơn giản cũng như sự chắc chắn và ổn định nên được sử dụng nhiều trong công nghiệp nó giúp đáp ưng được các quy trình tự đông hóa yêu cầu tính lặp lại cao như phân loại, đóng gói và gia công cơ khí trong các nhà kho tự động.1 là hình Robot Gantry thực tế trong nhà máy. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 8 Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2. Robot Gantry trong nhà máy thực tế Một hệ thống phân loại sử dụng Robot Gantry thường được thiết kế để nhằm phân loại các vật có kích thước lớn, trọng lượng lớn.

Mục tiêu của hệ thống này là giúp làm tăng năng suất, hiệu quả làm việc đồng thời thay thế được sức lực của nhiều người giúp giảm chi phí đáng kể cho các nhà máy. Hệ thống phân loại bằng Robot Gantry có các thành phần chính như: − Băng tải để vận chuyển sản phẩm hoặc pallet đến nơi cần phân loại. − Hệ thống cảm biến sử dụng để cảm biến chính xác vị trí của vật hoặc các pallet chính xác trên băng tải. − Hệ thống Robot Gantry và khung giàn dùng để gắp vật và chi chuyển đến vị trí đã được xác định của vật để phân loại đến nơi chính xác đã được chỉ định trước đó.

− Hệ thống xử lý ảnh dùng để kiểm tra và xác định vị trí vật trong không gian 2 chiều đồng thời phân loại và gửi tín hiệu về bộ điều khiển. − Hệ thống giám sát và điều khiển SCADA để điều khiển hệ thống. Trong hệ thống Robot Gantry này sự linh hoạt và chính xác là điểm mấu chốt để giúp cho hệ thống hoạt động có năng suất và hiệu quả vì thế thiết kế và cơ khí luôn BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 9 Chương 2.