Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư (Industry 4.0), công nghệ robot công nghiệp đóng vai trò nòng cốt trong việc tự động hóa các dây chuyền sản xuất, nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động của con người. Tại các nhà máy và phân xưởng chế biến, đóng gói nông sản thực phẩm, công đoạn phân loại và xếp hoa quả (cụ thể là quả táo) từ băng chuyền vào thùng chứa mang tính chất đơn điệu, lặp đi lặp lại với cường độ cao liên tục trong thời gian dài. Người lao động làm việc tại vị trí này đối mặt với tình trạng mệt mỏi, căng thẳng cơ xương khớp do phải duy trì một tư thế thao tác trong môi trường ồn ào, nhiều bụi bẩn và tiềm ẩn rủi ro tai nạn lao động từ các cơ cấu băng truyền hoặc dị vật sắc nhọn.

Tác giả đã trích dẫn số liệu thống kê năm 2022 tại Việt Nam với hơn 7.700 vụ tai nạn lao động liên quan đến sản xuất, làm 754 người tử vong, 1.647 người bị thương nặng và gây tổn thất kinh tế ước tính 14.000 tỷ đồng. Trên phạm vi toàn cầu, số liệu từ Tổ chức Lao động Quốc tế (ILO) cho thấy hàng năm có khoảng 2,78 triệu trường hợp tử vong hoặc chấn thương nặng do tai nạn lao động, gây tổn thất kinh tế tương đương 3,94% GDP toàn cầu (xấp xỉ 7,5 nghìn tỷ USD). Do đó, việc ứng dụng tay máy robot tự động để thay thế con người trong công đoạn đóng gói là một yêu cầu cấp thiết.

Đề tài xác định 5 nhiệm vụ kỹ thuật trọng tâm cần giải quyết:

  1. Gắp táo: Cơ cấu kẹp phải vận hành chính xác, nhẹ nhàng, không làm dập nát hoặc hư hại bề mặt sản phẩm.
  2. Vận chuyển táo: Hệ thống truyền động và cảm biến điều khiển vận tốc di chuyển ổn định từ nguồn cấp đến vị trí quy định.
  3. Định vị và đưa vào vị trí quy định: Tay máy định vị chính xác để sắp xếp quả vào 6 vị trí trong hộp chứa.
  4. Đảm bảo an toàn: Tích hợp các giải pháp phòng ngừa va chạm với con người và môi trường xung quanh.
  5. Dễ dàng tích hợp và vận hành: Kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển tương thích với dây chuyền sản xuất sẵn có.

Mục tiêu tổng quát của đồ án gồm: phân tích điều kiện làm việc của robot; nghiên cứu bài toán cơ học và điều khiển; khảo sát hệ thống điều khiển (driver, encoder); thiết kế giao diện và chương trình điều khiển trên phần mềm MATLAB; chuẩn bị cơ sở cho việc chế tạo và tích hợp hệ thống thực tế. Mục tiêu chi tiết tập trung vào tính toán động học, động lực học và thiết kế kết cấu cơ khí cho tay máy robot SCARA 3 bậc tự do (3-DOF) ứng dụng trong hệ thống Picking - Packing (gắp và đóng gói) hoa quả.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống tay máy robot SCARA 3 bậc tự do kết hợp 2 băng chuyền công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở bài toán tính toán cơ học lý thuyết, giải thuật động học, tính chọn hệ dẫn động - động cơ - trục - ổ lăn và mô phỏng quỹ đạo chuyển động phục vụ công đoạn gắp táo vào hộp 6 ngăn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học robot công nghiệp và nguyên lý thiết kế chi tiết máy:

  • Khung lý thuyết và phân loại: Sử dụng các định nghĩa chuẩn về robot công nghiệp theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp), RIA (Robot Institute of America - Hoa Kỳ) và GOCT 25686-85 (Nga); phân tích bậc tự do của chuỗi động học hở theo công thức tổng quát $w = 6n - \sum_{i=1}^5 i \cdot p_i$; thiết lập hệ trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải.
  • Phương pháp Denavit - Hartenberg (DH): Sử dụng ma trận biến đổi thuần nhất $4 \times 4$ để mô tả vị trí và hướng tương đối giữa các khâu động liên tiếp thông qua 4 thông số đặc trưng ($a_i, \alpha_i, \theta_i, d_i$).
  • Phương pháp quy hoạch quỹ đạo: Thiết lập hàm chuyển động cho các biến khớp theo quy luật đa thức bậc 3 theo thời gian $q(t) = a_3 t^3 + a_2 t^2 + a_1 t + a_0$ nhằm đảm bảo tính liên tục của vận tốc và gia tốc tại vị trí xuất phát và vị trí đích.
  • Phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy: Áp dụng các tiêu chuẩn tính toán công suất, mô-men xoắn, kiểm nghiệm trục và tính chọn ổ lăn dựa theo giáo trình Chi tiết máy (Tác giả Trịnh Chất).
  • Tiêu chuẩn đạo đức nghề nghiệp: Dẫn chiếu tiêu chuẩn đạo đức kỹ thuật của Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME - The American Society of Mechanical Engineers).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích giải tích (thiết lập phương trình động học thuận và ngược), tính toán kỹ thuật số học và mô phỏng chuyển động trên máy tính. Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm thông số kỹ thuật từ catalog của nhà sản xuất động cơ bước StepperOnline, giáo trình thiết kế cơ điện tử và số liệu thống kê an toàn lao động chính thức từ Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội và ILO.

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

Hệ thống Picking - Packing tự động bao gồm: Băng chuyền 1 (vận chuyển quả táo từ nguồn cấp xếp thành hàng đơn), Băng chuyền 2 (vận chuyển hộp đóng gói 6 ngăn), Cánh tay robot SCARA 3 bậc tự do và Cơ cấu chấp hành cuối (Gripper kẹp giữ quả kết hợp xilanh khí nén).

Bảng thông số Denavit - Hartenberg (DH) của tay máy SCARA 3 bậc tự do được xác lập như sau:

Khâu ($i$) Chiều dài khâu $a_i$ Góc vặn $\alpha_i$ (rad) Góc quay biến khớp $\theta_i$ Độ dịch biến khớp $d_i$
1 $l_1$ 0 $q_1$ 0
2 $l_2$ $\pi$ $q_2$ 0
3 0 0 0 $q_3$

Ma trận biến đổi tổng quát từ khâu gốc đến khâu tác động cuối $D_3^0 = H_1^0 \cdot H_2^1 \cdot H_3^2$ dẫn đến hệ phương trình động học thuận xác định tọa độ điểm thao tác $P(x_P, y_P, z_P)$:

  • $x_P = l_1 \cos(q_1) + l_2 \cos(q_1 + q_2)$
  • $y_P = l_1 \sin(q_1) + l_2 \sin(q_1 + q_2)$
  • $z_P = -q_3$

Hệ phương trình động học ngược giải tích nhận được:

  • $q_2 = \arccos\left(\frac{x_P^2 + y_P^2 - l_1^2 - l_2^2}{2 l_1 l_2}\right)$
  • $q_1 = \arctan\left(\frac{y_P}{x_P}\right) - \arctan\left(\frac{l_2 \sin q_2}{l_1 + l_2 \cos q_2}\right)$
  • $q_3 = -z_P$

Giới hạn hoạt động của các biến khớp: $-120^\circ \le q_1 \le 120^\circ$; $-145^\circ \le q_2 \le 145^\circ$; $0\text{ mm} \le q_3 \le 400\text{ mm}$.

Hệ dẫn động các khớp sử dụng bộ truyền đai răng 2 cấp với tỉ số truyền mỗi cấp $u_1 = u_2 = 4$, tạo ra tỉ số truyền tổng $u = u_1 \cdot u_2 = 16$. Hiệu suất tổng thể của hệ thống truyền động đạt $\eta = \eta_{\text{br}} \cdot \eta_{\text{ol}}^2 = 0,95 \cdot (0,99)^2 \approx 0,931$.

Động cơ bước được lựa chọn là dòng động cơ bước 2 pha NEMA 23 của hãng StepperOnline (Mã sản phẩm: 23HE22-2804S). Các thông số kỹ thuật danh định bao gồm:

  • Góc bước: $1,8^\circ$
  • Mô-men xoắn giữ (holding torque): $1,26\text{ N}\cdot\text{m}$ ($178,4\text{ oz}\cdot\text{in}$)
  • Dòng điện định mức: $2,8\text{ A/pha}$
  • Điện trở pha: $0,9\ \Omega \pm 10%$
  • Điện cảm pha: $2,5\text{ mH} \pm 20%$ (tại tần số 1 kHz)
  • Kích thước mặt bích: $57 \times 57\text{ mm}$, chiều dài thân: $56\text{ mm}$
  • Đường kính trục động cơ: $\Phi 6,35\text{ mm}$, chiều dài trục: $21\text{ mm}$, chiều dài vát D: $15\text{ mm}$
  • Khối lượng động cơ: $0,7\text{ kg}$, số đầu dây ra: 4 dây chiều dài $300\text{ mm}$

Bảng phân phối thông số công suất, tốc độ quay và mô-men xoắn trên các trục truyền động của khớp 1:

Thông số Trục động cơ Trục I (Trung gian) Trục II Trục công tác
Tỉ số truyền ($u$) $u_{\text{kn}} = 1$ $u_{\text{br1}} = 4$ $u_{\text{br2}} = 4$ $u_{\text{ct}} = 1$
Công suất (kW) 0,300 0,025 0,0232 0,0230
Số vòng quay (vòng/phút) 480 120 30 30
Mô-men xoắn ($N\cdot\text{mm}$) 23.875 1.990 7.385 7.322

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Đặt vấn đề và xác định vấn đề

Chương này phân tích sự dịch chuyển công nghệ qua các cuộc cách mạng công nghiệp đến thời kỳ 4.0. Tác giả nêu rõ hạn chế khi sử dụng nhân công đứng phân loại hoa quả thủ công (nguy cơ mắc bệnh cơ xương khớp, tai nạn do băng chuyền) và đề xuất bài toán thiết kế cơ cấu robot thay thế con người gắp táo vào thùng đóng gói.

Chương 2: Khảo sát thông tin

Tác giả tổng hợp các giải pháp tự động hóa hiện có trên thị trường, đồng thời phân tích các số liệu thống kê chính thức về tai nạn lao động tại Việt Nam (năm 2022) và báo cáo quốc tế từ ILO làm căn cứ khoa học cho tính cấp thiết của đề tài.

Chương 3: Mục tiêu nghiên cứu

Chương này xác định hệ thống mục tiêu tổng quát (nghiên cứu bài toán động học, xây dựng chương trình điều khiển, mô phỏng trên MATLAB) và các mục tiêu chi tiết (tính toán động học - động lực học cánh tay SCARA 3-DOF, quy trình thiết kế cơ điện tử chuẩn).

Chương 4: Giải pháp đề xuất

Mô tả kiến trúc hệ thống gồm 2 băng chuyền và cánh tay robot SCARA. Đưa ra sơ đồ khối các thành phần (Robotic Arm, Gripper, Actuators, Controllers), bản vẽ phác thảo hệ thống đóng gói và mô tả chi tiết các phần tử phần cứng: động cơ bước, ổ bi đỡ, bộ truyền đai răng, vòng phanh, xilanh khí nén và khâu kẹp. Đồng thời nêu rõ 4 giới hạn kỹ thuật của cơ cấu.

Chương 5: Phân tích các tác động/ảnh hưởng

Đánh giá tính khả thi về công nghệ và kinh tế (phân tích cơ cấu chi phí: vật liệu, linh kiện, gia công cơ khí, phần cứng điện tử, phần mềm, bảo trì và vận hành). Đánh giá tác động xã hội (chuyển dịch việc làm, bảo đảm an toàn), tác động môi trường (tiêu thụ điện năng) và cam kết tuân thủ tiêu chuẩn đạo đức ASME.

Chương 6: Kế hoạch thực hiện hàng tuần

Trình bày bảng phân công nhiệm vụ cho 3 thành viên (Nguyễn Văn Khánh Chiến, Bùi Nhật Minh, Phan Xuân Tần) và tiến trình thực hiện các giai đoạn nghiên cứu từ khảo sát ý tưởng, làm việc với giảng viên hướng dẫn Khổng Minh, tính toán thiết kế đến tổng hợp báo cáo.

Chương 7: Tiến trình dự án

Đây là chương nội dung kỹ thuật trọng tâm:

  • Trình bày lịch sử phát triển robot công nghiệp từ năm 1921 (vở kịch của Karel Capek), cơ cấu teleoperators, máy NC (1949), robot Versatran của AMF, Unimate 1900, Stanford Arm (1967) và robot T3 của Cincinnati (1974 nâng vật 40 kg); số liệu số lượng robot tại Nhật Bản, Anh, Hàn Quốc giai đoạn 1990 - 1998.
  • Xây dựng bài toán động học thuận và ngược cho robot SCARA 3 bậc tự do bằng thuật toán Denavit - Hartenberg.
  • Tính toán quy hoạch quỹ đạo theo hàm đa thức bậc 3 cho các khớp $q_1, q_2, q_3$ dịch chuyển giữa 2 điểm A và B trong khoảng thời gian $t = 5\text{ s}$.
  • Tính toán hệ dẫn động đai răng 2 cấp, lựa chọn động cơ bước NEMA 23 (23HE22-2804S), vẽ sơ đồ phân bố lực, biểu đồ mô-men uốn - xoắn và thiết kế hình học chi tiết cho trục I, trục II cùng việc chọn ổ lăn đỡ trục.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật định lượng cụ thể:

  1. Thiết lập hoàn chỉnh mô hình toán học động học thuận và ngược cho tay máy SCARA 3-DOF, cho phép xác định chính xác quan hệ giữa tọa độ vị trí điểm công tác cuối $P(x_P, y_P, z_P)$ và các biến khớp $(q_1, q_2, q_3)$.
  2. Giải thành công bài toán quy hoạch quỹ đạo chuyển động giữa hai điểm A và B trong thời gian 5 giây, thu được hàm quy luật chuyển động vận tốc và vị trí của các khớp: biến khớp $q_1$ biến thiên từ $-2,1546\text{ rad}$ đến $1,3027\text{ rad}$ với phương trình vận tốc $\dot{q}_1(t) = -0,4149 \cdot t\text{ rad/s}$; biến khớp $q_2$ biến thiên từ $1,4896\text{ rad}$ đến $0,5361\text{ rad}$ với $\dot{q}_2(t) = 0,1144 \cdot t\text{ rad/s}$; biến khớp $q_3$ tịnh tiến cố định tại $-35\text{ mm}$ ($\dot{q}_3 = 0\text{ mm/s}$).
  3. Hoàn thành tính toán hệ dẫn động truyền động đai răng 2 cấp với tỉ số truyền $u = 16$, xác định đầy đủ mô-men xoắn và công suất trên các trục (trục động cơ $n = 480\text{ v/ph}$, trục I $n = 120\text{ v/ph}$, trục II $n = 30\text{ v/ph}$, trục công tác $n = 30\text{ v/ph}$).
  4. Tính chọn chính xác thông số động cơ bước NEMA 23 (mô-men $1,26\text{ N}\cdot\text{m}$, dòng $2,8\text{ A/pha}$) đáp ứng yêu cầu tải trọng mô-men tĩnh lớn nhất $M_1 = 1,1\text{ N}\cdot\text{m}$ và công suất làm việc $P = 3,72 \cdot 10^{-3}\text{ kW}$.

Về mặt giải pháp, nhóm tác giả đề xuất một cấu trúc hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh gồm 2 băng chuyền phối hợp nhịp nhàng với robot SCARA 3 bậc tự do, thay thế hoàn toàn vị trí thao tác thủ công của 1 công nhân tại trạm đóng hộp hoa quả. Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc áp dụng một quy trình thiết kế cơ điện tử bài bản, kết nối lý thuyết cơ học robot với bài toán tính toán cơ khí thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế của giải pháp được nhóm tác giả chỉ rõ trong báo cáo:

  • Cơ cấu kẹp chưa xử lý được các đối tượng sản phẩm có kích thước quá lớn hoặc quá bé so với dải làm việc của bàn kẹp.
  • Không gian làm việc bị giới hạn theo tầm với hình học của các khâu $l_1, l_2$ và hành trình trục tịnh tiến $q_3 \le 400\text{ mm}$.
  • Robot chưa có khả năng tự xoay để sắp xếp đồng đều mọi bề mặt của quả táo trước khi đặt vào thùng.
  • Độ chính xác vị trí của điểm cuối phụ thuộc lớn vào sai số gia công cơ khí, khe hở truyền động đai răng và độ rơ của các ổ lăn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Hoàn thiện giao diện điều khiển và mô phỏng trực quan trên phần mềm MATLAB.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống thị giác máy tính (computer vision) và cảm biến lực kẹp để nhận dạng kích thước, phân loại khuyết tật quả tự động.
  • Triển khai gia công chế tạo mô hình phần cứng, tích hợp vi xử lý điều khiển và kiểm nghiệm thực nghiệm trong đồ án tốt nghiệp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Cơ khí Chế tạo máy và Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình thiết lập bảng thông số Denavit - Hartenberg và giải bài toán động học thuận/ngược cho dòng robot công nghiệp SCARA.
  • Phương pháp quy hoạch quỹ đạo chuyển động mượt mà bằng đa thức bậc 3.
  • Phương pháp tính toán công suất, phân phối tỉ số truyền cho bộ truyền đai răng 2 cấp và quy trình kiểm nghiệm trục, chọn ổ bi đỡ trong thiết kế cánh tay robot.

Câu hỏi thường gặp

1. Cánh tay robot SCARA trong đồ án có bao nhiêu bậc tự do và phạm vi chuyển động của các khớp là bao nhiêu?
Robot có 3 bậc tự do (3-DOF) gồm 2 khớp quay phẳng ($q_1, q_2$) và 1 khớp tịnh tiến thẳng đứng ($q_3$). Phạm vi chuyển động của các biến khớp: khớp 1 quay từ $-120^\circ$ đến $+120^\circ$, khớp 2 quay từ $-145^\circ$ đến $+145^\circ$, khớp 3 tịnh tiến trong khoảng từ $0\text{ mm}$ đến $400\text{ mm}$.

2. Hệ dẫn động của các khớp robot sử dụng cơ cấu truyền động gì và có tỉ số truyền bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng bộ truyền đai răng 2 cấp cho tất cả các khớp với tỉ số truyền mỗi cấp $u_1 = u_2 = 4$, tạo ra tổng tỉ số truyền $u = 16$. Hiệu suất truyền động tổng thể đạt khoảng 0,931.

3. Động cơ nào được tính chọn cho các khớp của robot và thông số kỹ thuật chính là gì?
Tác giả chọn động cơ bước 2 pha NEMA 23 của hãng StepperOnline (mã 23HE22-2804S). Thông số: góc bước $1,8^\circ$, mô-men xoắn giữ $1,26\text{ N}\cdot\text{m}$, dòng điện định mức $2,8\text{ A/pha}$, điện trở $0,9\ \Omega$, kích thước mặt bích $57 \times 57\text{ mm}$, đường kính trục $\Phi 6,35\text{ mm}$, khối lượng $0,7\text{ kg}$.

4. Dây chuyền đóng gói xếp hoa quả hoạt động dựa trên sự phối hợp của các cụm thiết bị nào?
Dây chuyền gồm Băng chuyền 1 (cấp hoa quả theo hàng), Băng chuyền 2 (vận chuyển hộp đóng gói đến trạm), Cánh tay robot SCARA 3-DOF và Đầu kẹp gắp (Gripper) tích hợp xilanh khí nén thực hiện gắp quả từ Băng chuyền 1 và đặt chính xác vào 6 vị trí của hộp trên Băng chuyền 2.

5. Nhóm tác giả sử dụng phương pháp nào để quy hoạch quỹ đạo chuyển động của các khớp?
Nhóm sử dụng hàm đa thức bậc 3 theo thời gian ($q(t) = a_3 t^3 + a_2 t^2 + a_1 t + a_0$) để xác lập quy luật chuyển động từ trạng thái nghỉ tại điểm đầu đến trạng thái dừng tại điểm đích trong khoảng thời gian $t = 5\text{ s}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và tính toán cánh tay robot công nghiệp" của nhóm sinh viên Trường Đại học Phenikaa đã giải quyết bài toán tự động hóa công đoạn đóng gói quả táo bằng tay máy SCARA 3 bậc tự do kết hợp hệ thống 2 băng chuyền. Công trình hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán động học thuận - ngược bằng phương pháp Denavit - Hartenberg, quy hoạch quỹ đạo đa thức bậc 3, thiết kế hệ thống truyền động đai răng 2 cấp tỉ số truyền 16 và lựa chọn động cơ bước NEMA 23. Báo cáo cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho việc phát triển các hệ thống tay máy Picking - Packing trong ngành chế biến thực phẩm.