Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc tự động hóa các quy trình sản xuất và logistics tại các nhà máy đang đứng trước nhu cầu cấp thiết về việc nâng cao năng suất và độ chính xác trong phân loại, đóng gói và sắp xếp sản phẩm. Thực tế tại nhiều dây chuyền sản xuất cho thấy, quy trình phân loại sản phẩm theo đặc trưng màu sắc và truy xuất thông tin qua mã QR (Quick Response) vẫn phụ thuộc đáng kể vào nhân công thủ công. Phương thức vận hành truyền thống này làm gia tăng chi phí nhân sự, tiềm ẩn rủi ro sai sót trong nhận diện, đồng thời tạo ra điểm nghẽn về tốc độ luân chuyển hàng hóa. Các hệ thống tự động hóa hiện hành thường gặp hạn chế về tính linh hoạt và khả năng tương tác liên thông giữa các tầng điều khiển.

Nhằm giải quyết các hạn chế nêu trên, đề tài "Nghiên cứu, Thiết kế và Thi công Cánh Tay Robot 6 Bậc Tự Do Ứng Dụng Cho Mô Hình Phân Loại, Sắp Xếp Sản Phẩm Theo Màu Sắc và Mã QR Truyền Thông Qua Modbus TCP/IP" được thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (Học kỳ I, năm học 2023 – 2024).

Đề tài xác định 7 nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu và thiết kế cơ khí cánh tay Robot 6 bậc tự do: Phân tích các mô hình robot trên thị trường, tối ưu hóa kết cấu cơ khí nhằm đảm bảo tính linh hoạt, độ ổn định và độ chính xác chuyển động.
  2. Nghiên cứu và thiết kế cơ khí mô hình phân loại và sắp xếp sản phẩm: Phát triển hệ thống băng tải, tích hợp các cảm biến và cơ cấu chấp hành khí nén để nhận diện và xử lý phôi sản phẩm.
  3. Lập trình điều khiển cánh tay Robot 6 bậc tự do: Xây dựng phần mềm nhúng, tối ưu hóa thuật toán động học thuận và động học nghịch nhằm kiểm soát chuyển động chính xác.
  4. Lập trình điều khiển mô hình phân loại và sắp xếp sản phẩm: Xây dựng chương trình điều khiển trung tâm trên bộ điều khiển lập trình PLC.
  5. Lập trình giao diện SCADA trên WinCC: Phát triển hệ thống giao diện SCADA nhằm giám sát và điều khiển toàn diện hệ thống theo thời gian thực.
  6. Lập trình giao diện HMI cho Teach Pendant của Robot: Thiết kế giao diện vận hành trực quan trên màn hình cảm ứng để người vận hành kiểm tra, điều khiển và hiệu chỉnh robot trực tiếp.
  7. Nghiên cứu và ứng dụng các chuẩn truyền thông công nghiệp: Áp dụng các giao thức Modbus RTU (RS-485) và Modbus TCP/IP (Ethernet) để thiết lập liên kết dữ liệu đồng bộ giữa vi điều khiển, PLC và các thiết bị trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình cánh tay robot công nghiệp 6 bậc tự do kết hợp hệ thống phân loại 2 băng chuyền nhận diện màu sắc và mã QR.
  • Phạm vi và giới hạn kỹ thuật:
    • Sử dụng vi điều khiển chuyên dụng (ESP32) để tính toán động học thuận/nghịch và điều khiển chuyển động của 6 khớp robot thay thế cho PLC.
    • PLC S7-1200 đóng vai trò điều phối hệ thống cấp cao, chỉ gửi lệnh vận hành và nhận phản hồi từ robot thông qua mạng Modbus TCP/IP.
    • Giới hạn thời gian định mức cho một chu trình hoàn chỉnh (nhận diện, đọc mã, gắp và xếp 1 sản phẩm vào kệ hàng 2 tầng) trong khoảng 20 – 25 giây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng của đề tài bao gồm:

  • Lý thuyết động học robot công nghiệp: Sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg (D-H) để thiết lập hệ tọa độ và tính toán ma trận chuyển đổi thuần nhất cho bài toán động học thuận. Đối với bài toán động học nghịch của robot 6 bậc tự do, áp dụng phương pháp phân tách hình học: tách bài toán thành phần Vị trí cổ tay (Spherical Wrist) để tìm 3 góc khớp đầu $(\theta_1, \theta_2, \theta_3)$ và phần Hướng khâu chấp hành để xác định 3 góc khớp cuối $(\theta_4, \theta_5, \theta_6)$ dựa trên các phép biến đổi ma trận xoay và hàm lượng giác $\text{atan2}$.
  • Công nghệ mã phản hồi nhanh (QR Code): Nghiên cứu các chuẩn mã QR công nghiệp bao gồm SQRC (Secure Quick Response Code), rMQR (Reversible Data Matrix QR), iQR (Intelligent QR Code), FrameQR, Tron (mã QR tròn), HCCB (High Capacity Color Barcode), DPM QR Code (Direct Part Marking) và Micro QR Code.
  • Thiết bị điều khiển và truyền động:
    • Hệ thống động cơ bước lai vòng kín dòng FASTECH EZI-Servo Plus-R (các kích cỡ mặt bích 60L và 60M, độ phân giải encoder 10.000 xung/vòng, cấp nguồn 24VDC, tích hợp giao tiếp RS-485).
    • Bộ điều khiển khả trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C/1212C/1211C) hỗ trợ tập lệnh logic, bộ đếm tốc độ cao HSC và cổng PROFINET tích hợp.
    • Vi điều khiển lõi kép ESP32 (Tensilica Xtensa LX6 32-bit) làm bộ xử lý nhúng trung tâm của robot.
  • Chuẩn giao tiếp công nghiệp:
    • Modbus TCP/IP: Triển khai trên nền Ethernet (Client/Server) để trao đổi gói tin dữ liệu điều phối giữa PLC S7-1200 và vi điều khiển ESP32.
    • Modbus RTU qua giao diện vi sai RS-485: Kết nối mạng đa điểm (Multi-drop) từ vi điều khiển tới 6 bộ driver EZI-Servo.
    • Chuẩn truyền thông SPI: Kết nối vi điều khiển với module mạng W5500 và module thẻ nhớ Micro SD.
    • Chuẩn UART: Kết nối vi điều khiển với màn hình HMI Nextion của Teach Pendant.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Mô phỏng và tính toán: Mô phỏng cấu hình I/O và khối hàm điều khiển trên phần mềm PLC SIM; tính toán kiểm chứng thuật toán động học ma trận trên phần mềm kỹ thuật trước khi nhúng vi xử lý.
  • Thiết kế kỹ thuật và chế tạo phần cứng: Thiết kế mô hình 3D toàn phần trên phần mềm SolidWorks; chế tạo kết cấu cơ khí chính xác bằng phương pháp phay nhôm tấm CNC, tiện trục và cắt định hình mica.
  • Lập trình nhúng và tích hợp hệ thống: Lập trình C/C++ cho ESP32 trên môi trường PlatformIO (Visual Studio Code); lập trình LAD/FBD trên TIA Portal; thiết kế giao diện HMI bằng phần mềm Nextion Editor và hệ thống SCADA trên nền tảng WinCC.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và chế tạo tích hợp gồm hai phân hệ chính: Cánh tay robot 6 bậc tự do và Mô hình băng tải phân loại – sắp xếp.

1. Phân hệ cánh tay Robot 6 bậc tự do

Kết cấu cơ khí của cánh tay robot sử dụng 22 chi tiết nhôm tấm gia công CNC, các trục tròn gia công tiện và 3 chi tiết mica 5mm. Để đáp ứng momen kéo và độ cứng vững tại từng khớp, hệ thống sử dụng kết hợp động cơ servo, hộp số giảm tốc và cơ cấu phanh từ.

Khớp (Khâu) Động cơ dẫn động Hộp số giảm tốc Tỉ số truyền Cơ cấu truyền động bổ trợ / Phanh từ
Khớp 1 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L SPG SHA130SV050 1:50 Khớp quay đế trực tiếp
Khớp 2 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L SEJINIGB PH004-C2 1:44 Pulley – đai răng tỉ số 1:2; Phanh từ MIKI PULLEY BXW-02-10-52 (0.70 Nm, 24V)
Khớp 3 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L SEJINIGB PQ-C2 1:47.2 Phanh từ MIKI PULLEY BXW-02-10-52 (0.70 Nm, 24V)
Khớp 4 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L HD HarmonicDrive CSF-14-100-GH-F0BCD 1:100 Dẫn động khâu xoay thân
Khớp 5 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60M HD HarmonicDrive HPG-14A-50-F0 1:45 Pulley – đai răng tỉ số 1:2
Khớp 6 FASTECH EZI-Servo Plus-R 60M Harmonic M504 1:100 Trục xoay gắn khâu chấp hành

Hệ thống phần điện robot bao gồm 4 driver EzS-NDR-60L-A-D, 2 driver EzS-NDR-60M-A-D, mạch điều khiển PCB tích hợp ESP32-WROOM-32U, module Ethernet W5500, module SD Card và 6 cảm biến vị trí gốc (Home Sensor) kết nối trực tiếp với các chân GPIO của vi điều khiển.

Thông số hình học cơ khí và Bảng thông số D-H của Robot:

  • Các kích thước hình học: $L_1 = 55\text{ mm}$, $L_2 = 330\text{ mm}$, $L_3 = 62\text{ mm}$, $D_0 = 228\text{ mm}$, $D_1 = 330\text{ mm}$, $D_2 = 201\text{ mm}$.
Khớp ($i$) $\alpha_{i-1}$ $a_{i-1}$ $d_i$ $\theta_i$
1 $90^\circ$ $L_1$ ($55\text{ mm}$) $D_0$ ($228\text{ mm}$) $\theta_1$
2 $0^\circ$ $L_2$ ($330\text{ mm}$) $0$ $\theta_2$
3 $90^\circ$ $L_3$ ($62\text{ mm}$) $0$ $\theta_3$
4 $-90^\circ$ $0$ $D_1$ ($330\text{ mm}$) $\theta_4$
5 $90^\circ$ $0$ $0$ $\theta_5$
6 $0^\circ$ $0$ $D_2$ ($201\text{ mm}$) $\theta_6$

Giao diện vận hành Teach Pendant sử dụng màn hình cảm ứng Nextion Enhanced 7.0 inches (Flash 32MB, RAM 8192 Byte, xung nhịp 108MHz) với 33 trang giao diện, gồm các chức năng cốt lõi:

  • Trang Home: Hiển thị trạng thái góc quay, tốc độ, hướng, tọa độ, các chế độ Home/Calib/Sleep/Wakeup.
  • Trang Kinematic Encoder: Điều khiển động học nghịch bằng bánh xe xung tay quay (Hand Wheel Pulse Encoder).
  • Trang Kinematic Slider: Điều khiển tọa độ và góc khớp thông qua các thanh trượt.
  • Trang Base Mode: Điều khiển tịnh tiến khâu chấp hành theo 3 trục X, Y, Z lấy tâm đế làm gốc tọa độ.
  • Trang Position Table: Lưu trữ tối đa 10 bảng vị trí (mỗi bảng chứa 100 điểm, tổng cộng 1.000 điểm làm việc).
  • Trang TCP/IP: Thiết lập thông số mạng (IP, Subnet Mask, Gateway, MAC) và giám sát trạng thái truyền thông Modbus TCP với PLC.

2. Mô hình phân loại, sắp xếp và hệ thống điều khiển

Hệ thống phân loại gồm 2 băng tải truyền động độc lập kết hợp các cảm biến và cơ cấu chấp hành:

Phân hệ / Vị trí Thiết bị / Mã hiệu Số lượng Chức năng kỹ thuật
Băng tải 1 (Phân loại & Quét mã) Cảm biến màu Keyence CZ-V21 01 Nhận diện màu sắc sản phẩm đầu vào
Băng tải 1 Cảm biến quang Omron E3Z-LS61 02 Phát hiện phôi vào và định vị vị trí dừng
Băng tải 1 Xi lanh xoay SMC MRHQ10D-90S 01 Chặn sản phẩm đúng màu chỉ định
Băng tải 1 Xi lanh trượt 2 ty SMC MXS6-30 01 Cố định sản phẩm để camera quét mã QR
Băng tải 2 (Kệ hàng) Kệ hàng phân loại 2 tầng 01 Tầng 1 chứa mã loại 1, Tầng 2 chứa mã loại 2
Băng tải 2 Cảm biến quang Omron E3Z-LS61 02 Nhận diện vị trí kệ hàng và phát hiện chu trình hoàn thành
Băng tải 2 Xi lanh xoay SMC MRHQ10D-90S 01 Chặn và định vị kệ hàng tại vùng làm việc
Khâu chấp hành Robot Xi lanh kẹp SMC MHZJ2-20D 01 Kẹp và gắp thả sản phẩm
Hệ thống phân phối khí nén Cụm van điện từ TPC DV1120 01 cụm Đóng ngắt khí nén cấp cho các xi lanh

Cấu hình truyền thông trên PLC Siemens S7-1200 quản lý dữ liệu thông qua 5 khối dữ liệu Data Block (DB):

  • ModbusTCPIP_ADDR: Chứa thông tin địa chỉ kết nối IP mạng.
  • ModbusTCPIP_QR_DATA: Lưu trữ dữ liệu chuỗi ký tự nhận diện từ đầu đọc mã QR.
  • ModbusTCPIP_ROBOT_DATA: Nhận trạng thái tọa độ, góc khớp và cờ báo từ Robot.
  • ModbusTCPIP_ROBOT_CMD: Gửi các lệnh điều khiển chế độ và bảng điểm tới Robot.
  • ModbusTCPIP_CONFIG: Cấu hình thông số đường truyền mạng.

Các khối chức năng Client MB_CLIENT_DB được thiết lập tuần tự để thực thi các tác vụ: đọc trạng thái robot (MB_CLIENT_DB READ ROBOT), ghi lệnh điều khiển robot (MB_CLIENT_DB WRITE ROBOT) và đọc dữ liệu từ bộ quét mã QR (MB_CLIENT_DB READ QR CODE).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 làm rõ bối cảnh và lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong tối ưu hóa tự động hóa phân loại sản phẩm. Tác giả xác lập 7 mục tiêu nghiên cứu cụ thể từ khâu thiết kế cơ khí, thiết kế điện, lập trình nhúng thuật toán động học cho robot đến xây dựng chương trình PLC, SCADA WinCC và HMI Teach Pendant. Chương này xác định rõ giới hạn kỹ thuật: sử dụng vi điều khiển ESP32 thay cho PLC để tính toán động học và điều khiển robot qua giao thức Modbus TCP/IP, cùng định mức thời gian chu trình phân loại đạt từ 20 đến 25 giây cho mỗi sản phẩm.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết chuyên ngành làm nền tảng cho việc triển khai đồ án:

  • Trình bày đặc điểm của 8 dạng mã QR (SQRC, rMQR, iQR, FrameQR, Tron, HCCB, DPM QR Code, Micro QR).
  • Phân tích cấu tạo và ưu điểm dòng động cơ FASTECH EZI-Servo Plus-R hỗ trợ RS-485, điều khiển vòng kín loại bỏ hiện tượng trượt bước và cấp nguồn 24VDC.
  • Khảo sát các dòng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1211C, 1212C, 1214C) và vi điều khiển ESP32 lõi kép Tensilica Xtensa LX6.
  • Trình bày nguyên lý hoạt động của các giao thức truyền thông công nghiệp: Modbus TCP/IP trên nền Ethernet, Modbus RTU trên chuẩn vật lý vi sai RS-485 (cấu hình 2 dây bán song công và 4 dây song công toàn phần), chuẩn nối tiếp đồng bộ SPI và chuẩn nối tiếp không đồng bộ UART.

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán, thiết kế và lập trình chi tiết của hệ thống:

  • Thiết kế cơ khí và điện robot: Lựa chọn kích cỡ động cơ (4 động cơ 60L và 2 động cơ 60M), chọn 2 phanh từ MIKI PULLEY (0.70 Nm) cho khâu 2 và khâu 3, tính chọn 6 hộp số giảm tốc (SPG, SEJINIGB, Harmonic Drive), thiết kế 22 chi tiết nhôm CNC trên SolidWorks, vẽ mạch nguyên lý và PCB layout mạch điều khiển ESP32-WROOM-32U.
  • Tính toán động học: Thiết lập bảng D-H với 6 bộ thông số hình học; dẫn xuất ma trận động học thuận $^{0}_{6}T$; phân tích giải thuật động học nghịch tách biệt phần Vị trí cổ tay (sử dụng định lý Cosin và hàm $\text{atan2}$) và phần Hướng khâu chấp hành (Euler Yaw-Pitch-Roll).
  • Lập trình điều khiển robot: Viết mã nguồn C++ trên PlatformIO, phân chia thành các nhóm hàm chuyên biệt (xử lý chuỗi, giao tiếp HMI, đọc/ghi servo qua RS-485, tính toán động học, hiệu chuẩn Home, xử lý dữ liệu bảng điểm SD Card, điều khiển vận hành qua TCP/IP); thiết kế 33 trang giao diện HMI Teach Pendant trên Nextion Editor.
  • Thiết kế mô hình phân loại: Thiết kế cơ khí 2 băng chuyền; bố trí cảm biến màu Keyence CZ-V21, 4 cảm biến quang Omron E3Z-LS61, các xi lanh khí nén SMC (MRHQ10D-90S, MXS6-30, MHZJ2-20D) và cụm van TPC DV1120; lập trình PLC S7-1200 quản lý 5 Data Block và các khối MB_CLIENT_DB Modbus TCP/IP.

Chương 4: KẾT QUẢ

Chương 4 đánh giá kết quả thực nghiệm sau khi chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh:

  • Hoàn thiện thi công phần cứng gồm tủ điện điều khiển, cánh tay robot 6 bậc tự do gia công nhôm CNC, bảng điện điều khiển PLC, bàn phân loại và hệ thống băng chuyền 2 tầng.
  • Chương trình điều khiển trên ESP32 và PLC vận hành ổn định, xử lý giải thuật động học chính xác, giao tiếp dữ liệu thông suốt qua Modbus TCP/IP.
  • Vận hành thành công chu trình tự động: Băng tải 1 cấp phôi $\rightarrow$ Cảm biến màu Keyence nhận diện $\rightarrow$ Xi lanh xoay SMC chặn phôi $\rightarrow$ Xi lanh MXS6 kẹp giữ $\rightarrow$ Robot tiếp cận quét mã QR $\rightarrow$ Tay kẹp SMC MHZJ2 gắp phôi $\rightarrow$ Chuyển sang băng tải 2 $\rightarrow$ Đặt vào tầng tương ứng của kệ hàng theo mã QR.

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 5 đúc kết những kết quả kỹ thuật đạt được của đồ án và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Phần cứng hoàn chỉnh: Gia công và lắp ráp hoàn chỉnh cơ khí cánh tay robot 6 bậc tự do bằng nhôm CNC, hệ thống tủ điện tích hợp 6 bộ driver FASTECH EZI-Servo Plus-R, mạch vi điều khiển ESP32, màn hình Teach Pendant Nextion 7.0 inches và hệ thống băng tải phân loại tích hợp khí nén.
  • Thuật toán và phần mềm: Giải quyết trọn vẹn bài toán động học thuận và động học nghịch 6 bậc tự do trên vi điều khiển nhúng ESP32; xây dựng hệ thống quản lý dữ liệu điểm làm việc linh hoạt với khả năng lưu trữ tới 1.000 tọa độ (10 bảng $\times$ 100 điểm) vào bộ nhớ/thẻ nhớ; thiết kế giao diện HMI 33 trang hoàn chỉnh.
  • Hiệu năng vận hành thực tế: Hệ thống thực hiện việc nhận diện màu sắc, giải mã QR và phân loại tự động vào kệ 2 tầng đúng yêu cầu kỹ thuật, đạt định mức thời gian 20 – 25 giây cho mỗi chu trình sản phẩm.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

  • Đề xuất kiến trúc điều khiển phân tán hiệu quả: Phân tách nhiệm vụ tính toán động học phức tạp và điều khiển servo thời gian thực cho vi điều khiển ESP32 xử lý qua RS-485, trong khi PLC S7-1200 tập trung quản lý logic tiến trình và điều phối hệ thống thông qua mạng công nghiệp Modbus TCP/IP.
  • Tối ưu hóa giải pháp chi phí: Ứng dụng dòng động cơ bước lai vòng kín EZI-Servo kết hợp hộp số Harmonic và phanh từ 24VDC, giúp giảm giá thành chế tạo nhưng vẫn đảm bảo độ phân giải cao (10.000 xung/vòng) và ngăn ngừa trôi tải cơ học khi mất điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật:

  • Thời gian thực hiện chu trình phân loại còn tương đối dài (20 – 25 giây/sản phẩm) do các chuyển động cơ cấu khí nén và quá trình đọc mã QR được thực hiện tuần tự, chưa tối ưu hóa vận tốc đồng thời.
  • Hệ thống hoạt động tại vị trí cố định, chưa có khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian nhà xưởng.

Hướng phát triển đề tài:

  • Tích hợp cánh tay robot 6 bậc tự do lên các hệ thống xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) hoặc robot di động tự hành AMR (Autonomous Mobile Robot) để mở rộng không gian làm việc và phục vụ các dây chuyền linh hoạt.
  • Tối ưu hóa thuật toán quy hoạch quỹ đạo chuyển động nhằm rút ngắn thời gian đáp ứng của từng khớp robot, từ đó giảm tổng thời gian chu trình phân loại.
  • Nâng cấp hệ thống thị giác máy tính (Machine Vision) độc lập để nhận diện đồng thời nhiều đặc tính sản phẩm phức tạp với tốc độ cao hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Robot, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện tử:

  • Cung cấp phương pháp chi tiết về việc xây dựng bảng D-H và dẫn xuất phương trình động học nghịch cho cánh tay robot 6 bậc tự do có cơ cấu cổ tay cầu (Spherical Wrist).
  • Làm tài liệu tham khảo cho việc thiết kế phần cứng nhúng (ESP32) giao tiếp đa giao thức trong công nghiệp: điều khiển mạng driver qua Modbus RTU/RS-485, giao tiếp màn hình HMI qua UART và kết nối PLC qua Modbus TCP/IP.
  • Cung cấp giải pháp cấu hình khối truyền thông MB_CLIENT_DB và quản lý Data Block trên PLC Siemens S7-1200 khi làm việc với các hệ vi điều khiển bên ngoài.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cấu hình cơ khí và động cơ tại các khớp của cánh tay robot được lựa chọn như thế nào?
    Cánh tay robot sử dụng 4 động cơ bước lai FASTECH EZI-Servo Plus-R 60L cho các khớp 1 đến 4 và 2 động cơ kích thước 60M cho khớp 5 và 6. Hệ thống giảm tốc sử dụng 6 hộp số: Khớp 1 dùng hộp số SPG (1:50), Khớp 2 dùng SEJINIGB (1:44 kết hợp đai 1:2), Khớp 3 dùng SEJINIGB (1:47.2), Khớp 4 dùng Harmonic Drive (1:100), Khớp 5 dùng Harmonic Drive (1:45 kết hợp đai 1:2) và Khớp 6 dùng Harmonic M504 (1:100). Khớp 2 và 3 được lắp thêm 2 phanh từ MIKI PULLEY BXW-02-10-52 (0.70 Nm, 24VDC) để giữ tải và chống trôi trục.

  2. Phương pháp giải bài toán động học nghịch cánh tay robot 6 bậc tự do trong đề tài được triển khai ra sao?
    Bài toán động học nghịch được tách thành hai phần: (1) Động học nghịch vị trí: Xác định tọa độ tâm cổ tay cầu (Spherical Wrist) $W = EE - D_2 \cdot R_{0_6} \cdot [0, 0, 1]^T$, sau đó áp dụng định lý Cosin và hàm $\text{atan2}$ để giải 3 góc khớp đầu $(\theta_1, \theta_2, \theta_3)$; (2) Động học nghịch hướng: Tính ma trận xoay cổ tay $^{3}{6}R = (^{0}{3}R)^{-1} \cdot {^{0}_{6}R}$ để giải 3 góc Euler còn lại $(\theta_4, \theta_5, \theta_6)$ tương ứng với các góc Yaw, Pitch, Roll.

  3. Kiến trúc giao tiếp giữa PLC S7-1200, vi điều khiển ESP32 và các Driver servo được phân bổ như thế nào?
    Vi điều khiển ESP32 đóng vai trò Master giao tiếp với 6 Driver servo EZI-Servo thông qua mạng Modbus RTU (chuẩn vi sai RS-485, chân GPIO16/GPIO17). Đồng thời, ESP32 kết nối với module W5500 qua chuẩn SPI để tham gia mạng Ethernet. PLC S7-1200 đóng vai trò Modbus Client/Server kết nối trực tiếp với ESP32 qua giao thức Modbus TCP/IP để truyền nhận dữ liệu trạng thái và lệnh điều khiển thông qua các khối Data Block chuyên dụng.

  4. Mô hình phân loại sản phẩm sử dụng những loại cảm biến và cơ cấu chấp hành khí nén nào?
    Mô hình sử dụng 1 cảm biến màu Keyence CZ-V21 và 4 cảm biến quang Omron E3Z-LS61. Hệ thống cơ cấu chấp hành khí nén bao gồm 2 xi lanh xoay SMC MRHQ10D-90S (dùng chặn sản phẩm và chặn kệ hàng), 1 xi lanh 2 ty SMC MXS6-30 (giữ cố định sản phẩm để quét mã), 1 xi lanh kẹp SMC MHZJ2-20D (gắp sản phẩm tại đầu robot) và 1 cụm van điện từ khí nén TPC DV1120.

  5. Giao diện HMI Teach Pendant Nextion hỗ trợ những tính năng quản lý vị trí nào?
    Màn hình HMI Nextion Enhanced 7.0 inches được lập trình 33 trang giao diện, nổi bật là trang Position Table cho phép quản lý và lưu trữ tối đa 10 bảng vị trí, mỗi bảng chứa 100 điểm (tổng cộng 1.000 điểm làm việc). Mỗi dòng dữ liệu lưu trữ đầy đủ các tham số: số thứ tự, tên vị trí, tọa độ X/Y/Z, hướng khâu cuối, thời gian đáp ứng, thời gian chờ trễ và trạng thái kích hoạt của 2 ngõ ra Out1/Out2.

Kết luận

Đồ án đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống cánh tay robot 6 bậc tự do kết hợp dây chuyền phân loại, sắp xếp sản phẩm tự động theo màu sắc và mã QR. Giải pháp tích hợp điều khiển phân tán giữa vi điều khiển ESP32 (tính toán động học, điều khiển servo qua RS-485) và PLC Siemens S7-1200 (điều phối hệ thống qua Modbus TCP/IP) đã chứng minh tính ổn định, độ tin cậy và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra với thời gian chu trình 20 – 25 giây cho mỗi sản phẩm. Kết quả thực nghiệm của đề tài là tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn cao trong đào tạo và nghiên cứu phát triển robot công nghiệp.