đề tài nghiên cứu chế tạo hệ thống pha chế tự động sử dụng cánh tay robot

Trang 1 UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG__________________BÁO CÁO TỔNG KẾTĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊNTHAM GIA HỘI NGHỊ SINH VIÊN NCKH NĂM HỌC 2022-2023ĐỀ TÀI

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THAM GIA HỘI NGHỊ SINH VIÊN NCKH NĂM HỌC 2022-2023

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHA CHẾ

TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CÁNH TAY ROBOT

Thuộc tiểu ban: Tiểu ban Khoa học Giáo dục và Tự nhiên công nghệ

Hải Phòng, tháng 5 năm 2023

KHOA ĐIỆN – CƠ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THAM GIA HỘI NGHỊ SINH VIÊN NCKH NĂM HỌC 2022-2023

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHA CHẾ

TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CÁNH TAY ROBOT

Thuộc Tiểu ban: Tiểu ban Khoa học Giáo dục và Tự nhiên công nghệ

Sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Hoài Nam (trưởng nhóm) Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: Chế tạo máy K21

Ngành học: Công nghệ chế tạo máy

2 Nguyễn Mạnh Hùng Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh

LỜI NÓI ĐẦU

Nghiên cứu khoa học là một trong những hoạt động quan trọng nhất của con người trongviệc khám phá, hiểu biết và áp dụng các kiến thức mới Trong thời đại hiện nay, nghiêncứu khoa học trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống, từ các lĩnh vực y tế, khoa học

kỹ thuật, kinh tế đến giáo dục và văn hóa Nghiên cứu khoa học không chỉ đóng vai trò quantrọng trong việc giải quyết các vấn đề khó khăn mà còn mang lại sự tiến bộ và phát triển chocon người

Khi nghiên cứu khoa học, việc đặt ra các câu hỏi và tìm kiếm các giải pháp là một quátrình cực kỳ thú vị và đầy thử thách Đó là một quá trình mà người nghiên cứu phải tỉnh táo vànghiêm túc, vừa phải biết tận dụng kiến thức hiện có, vừa phải có tinh thần sáng tạo và đổi mới

để tìm ra các giải pháp mới

Trong nghiên cứu khoa học, việc sử dụng phương pháp khoa học và thu thập dữ liệu làrất quan trọng Bằng cách thu thập và phân tích các dữ liệu liên quan đến vấn đề cần nghiêncứu, người nghiên cứu có thể đưa ra các giải pháp chính xác và hiệu quả Để thu thập và xử lý

dữ liệu một cách chính xác, người nghiên cứu phải sử dụng các công cụ, phần mềm phân tích

dữ liệu, đồng thời phải có kiến thức vững chắc về thống kê và khoa học máy tính

Thấu hiểu được tầm quan trọng của nghiên cứu khoa học, được sự hướng dẫn của thầy

TS Nguyễn Văn Thơ, chúng em đã chọn đề tài Nghiên cứu, chế tạo hệ thống pha chế tự động sử dụng cánh tay robot Đây là đề tài hoàn toàn mới xuất phát từ nhu cầu thực tế khi

sử dụng túi giấy uống nước tại các công ty, nhà máy…và chưa có giải pháp áp dụng máymóc tự động Do còn hạn chế về hiểu biết đề tài sẽ không tránh khỏi thiếu sót Rất mong thầy

cô góp ý để nghiên cứu hoàn thiện hơn

Nhóm tác giả

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Trên thị trường hiện nay, chúng em nhận thấy rất nhiều ở các trung tâm thương mại, công

ty, xí nghiệp, nhà hàng, khách sạn mọi người đều có nhu cầu đồ uống rất cao, nhưng khôngphải ai cũng có đủ thời gian để xếp hàng chờ đợi 1 ly cafe Nhìn nhận được vấn đề đó, nhómchúng em đã nghiên cứu và xây dựng 1 hệ thống pha chế tự động sử dụng cánh tay robot nhằmgiải quyết những điểm yếu của việc pha chế truyền thống Sản phẩm ra đời dựa trên ý tưởngmong muốn giảm tải công việc cho những người pha chế, tại các công ty, xí nghiệp giúp chongười công nhân có thể có ly đồ uống nhanh chóng mà không ảnh hưởng đến thời gian làmviệc

- Với hệ thống này, quá trình phục vụ trong nhà hàng, khách sạn cũng sẽ trở lên dễ dànghơn bao giờ hết Hệ thống góp phần giảm thiểu số lượng nhân viên phục vụ, tiết kiệm chi phícho chủ nhà hàng, khách sạn Bên cạnh đó, sản phẩm ứng dụng máy pha chế tự động giúp giảmthời gian chờ đợi của khách hàng, đem lại 1 trải nghiệm tốt hơn về ngành du lịch

3 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

Phương ph p lý thuy t: Tham khảo các nguồn tài liệu kỹ thuật: sách, giáo trình, các côngtrình nghiên cứu… nhằm xác định được phương án nghiên cứu, chế tạo tối ưu cho máy.Phương ph p mô hình hóa: Việc mô hình hóa và phân tích mô hình máy trên phần mềm3D giúp kiểm nghiệm được lý thuyết và sửa chữa những chỗ sai mà phương pháp lýthuyết khó khắc phục được

Phương ph p th c nghiêm: Tiến hành thực nghiệm các quá trình và phương án phachế tự động, lấy đó làm cơ sở chính trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các chi tiết, từ

đó chế tạo và lắp ráp toàn máy

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a, Đối tượng nghiên cứu

Trong phạm vi thực hiện đề tài và trong giới hạn điều kiện cho phép của trang thiết bị,máy móc, dụng cụ,… tác giả có điều kiện nghiên cứu trên các đối tượng sau:

- Máy: Tham khảo nguyên lý thiết kế các loại máy công cụ cũng như các máy móc trênthị trường từ đó làm cơ sở thiết kế máy mới

- Công nghệ: Dựa vào các kiến thức được trang bị trong ngành Công nghệ Chế tạo máy

và Cơ điện tử để thiết kế, chế tạo máy mới theo yêu cầu

b, Phạm vi nghiên cứu

- Phôi liệu (thông số đầu vào) để thiết kế máy là các ly giấy 4OZ - 120ml có chiều cao:

70mm; đường kính miệng ly: 61mm; đường kính dày: 43mm

- Nghiên cứu đặc điểm công nghệ của cánh tay robot

5 Dự kiến kết quả đạt được của đề tài và khả năng ứng dụng

- Nhóm tác giả mong muốn sản xuất máy đã thiết kế với số lượng lớn phục vụ tại cáccông ty, doanh nghiệp hay khách sạn,….và nhiều địa điểm công cộng tại Việt Nam

- Cung cấp hệ thống đầy đủ tiện ích giúp việc pha chế trở lên thuận tiện cũng như tiết kiệmđược thời gian cho người sử dụng

- Bảo vệ môi trường, hạn chế ô nhiễm môi trường

CHƯƠNG 1 THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA MÁY NGHIÊN CỨU, CHẾ :

TẠO

1.1 Thông số đầu vào của máy và quy trình nghiên cứu

- Với giả thiết ban đầu: chế tạo máy pha chế tự động sử dụng cánh tay robot, vật liệu lygiấy 120ml có chiều cao: 70mm; đường kính miệng ly: 61mm; đường kính dày: 43mm

- Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu, nhóm tác giả xây dựng quy trình nghiên cứu dựavào và chế tạo máy theo sơ đồ như hình 5 Từ quy trình này có thể giám sát, kiểm tra và lêntiến trình hoạt động cụ thể

1.2 Phương pháp nghiên cứu

- Mô phỏng hệ thống trước khi thi công mô hình thực tế

- Nghiên cứu các phần mềm và công cụ mã nguồn mở: sử dụng các công cụ tính toán và

mô phỏng như Matlab,

- Thực hành và thử nghiệm: Kết hợp việc mô phỏng và việc xây dựng hệ thống phần cứng

để thử nghiệm các chức năng của robot

Nghiên cứu tổng

quan của robot Thiết kế động học robot Lập trình cánh tay robot Chế tạo cánh tay robot

- Thuật ngữ “ robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek Teo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

- Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ

- Vào giữa những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện tử, như máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “ Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không,

đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở Công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 Công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này

- Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên năm 1961, ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton bang New Jewsey Hoa Kỳ Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

- Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều 2 đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường Đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này Công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy tin gồm 20 cụm chi tiết

- Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự tạo ra các loại robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị giao tiếp người – máy Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo rarobot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật Các robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào hoạt độngtrong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

- Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã ra tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã cónhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại

- Ngày nay chuyên nghành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…

1 Một số loại robot.

1.1 Robot trong công nghiệp.

Hình 1 6: Tay máy robot

- Kết cấu của tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người Cấu trúc bao gồm các khớp xoay, khớp tịnh tiến, phù hợp với các nhiệm vụ như lắp ráp, khoan phay…

- Với các thông số hình học, số bậc tự do, tầm với khác nhau, những tay máy robot này sẽ thể hiện được

sự khéo léo linh hoạt phù hợp với các yêu cầu đặt ra

- Tay máy thường chuyển động tịnh tiến, chuyển động xoay theo hướng x,y,z trong không gian

I.2 Robot trong lĩnh vực giải trí.

- Được sản xuất tại nhật bản Dù là đạp hay đang dừng xe , khí cụ con quay sẽ luôn giữ cho chú robot này đứng vững

- Một số bộ phận đặc biệt khác cho phép nó xác định được chướng ngại vật trên đường và giảm xóc khi

va phải chướng ngại vật

Hình 1 7: Robot giải trí



 Robot giúp việc.

Hình 1 8: Robot giúp việc

- Nhờ những cử động của đôi cánh tay giống hệt như người, Robot này có khả năng dọn bàn ăn, cho bát đĩa vào máy rửa bát và sắp xếp thực phẩm… Nó được tích hợp camera kỹ thuật số cho phép nhận diện được người đang ra lệnh và tuân lệnh khi dò thấy những cử chỉ tay của người ấy



 Robot trong y học.

Hình 1 9: Robot trong y học

- Việc sử dụng người máy, robot thay các bác sĩ phẫu thuật lại đảm bảo độ chính xác và tỷ lệ thành công rất cao Sự chính xác này cùng với việc giảm thiểu các thiết bị y khoa giúp đường mổ sắc và gọn hơn đồng thời giúp bệnh nhân đỡ mất nhiều máu

- Ca mổ được một bác sĩ phẫu thuật theo dõi trực tiếp thông qua một camera nối với một cánh tay robot,

dễ dàng điều khiển và theo dõi

Robot có trí tuệ nhân tạo

Hình 1 10: Robot có trí tuệ nhân tạo

- Sophia là một robot hình dạng giống con người được phát triển bởi công ty

- Hanson Robotics ở Hồng Kông Sophia lần đầu tiên được xuất hiện tại công chúng vào năm 2015, được thiết kế cử động giống con người và có trí tuệ thông minh nhân tạo Mục đích chế tạo Sophia là phát minh ra một robot có ý thức, có sự sáng tạo và có khả năng như bất kỳ con người nào để giúp con người trong các vấn đề cuộc sống thường ngày như để phục vụ chăm sóc sức khỏe, điều trị, giáo dục và

các ứng dụng dịch vụ khách hàng => Ta sẽ đi sâu hơn để tìm hiểu về robot công nghiệp để phục vụ cho

đề tài

 Robot công nghiệp.

Hình 1 11: Robot công nghiệp

- Robot công nghiệp là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn

- Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định

vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khácnhau

- Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể thực hiện lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khácnhau

- Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp

đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

- Dù được định nghĩa theo bất cứ tiêu chuẩn nào thì Robot công nghiệp cũng đều có đặc điểm là có thể lập trình lại được Robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt, yêu cầu năng suất và chất lượng cao

- Vì vậy, Robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người

- Ứng dụng robot trong công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng xuất dây chuyền công nghệ, giảm giáthành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot đã đúc kết lại qua bao nhiêu năm được ứngdụng ở nhiều nước

- Những ưu điểm 7 cơ bản đó là:

- Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế, robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu cảu thị trường cạnh tranh

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức lương lao động cao, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội Theo

số liệu của Nhật Bản thì nếu 1 robot làm việc thay thế cho một người thợ thì tiền mua robot chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ trong vòng 3 đến 5 năm, tùy theo robot làm việc mấy ca Còn ở Hoa Kỳ, trung bình trong 1 giờ làm việc robot có thể đem lại tiền lời là 13USD Ở nước ta những năm gần đây ởnhiều doanh nghiệp, khoản chi phí lương bổng cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm

- Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất day chuyền công nghệ Sở dĩ như vật vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi Theo số liệu của hang Fanuc, Nhật Bản, thì năng xuất có thể tăng lên đến 3 lần

- Ứng dụng robot có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất Trong thực tế sản xuất

có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc ồn

ào quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc với môi trườngđộc hại nguy hiểm đến sức khỏe con người, dễ bị nhiễm hóa chất độc hại, nhiễm sóng điện từ và phóng

xạ v.v

2 Phân loại robot công nghiệp.

*) Robot công nghiệp rất phong phú và đa dạng, có thể được phân loại theomột số cách sau:

- Phân loại theo kết cấu: Gồm robot chuỗi, robot song song

- Robot chuỗi: là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết

- Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâukhác

*) Phân loại theo hệ thống truyền động:

- Có các kiểu truyền động phổ biến là:

+) Hệ truyền động điện: Thường dung các động cơ điện một chiều, Hoặc các động cơ bước, Loại này dễ điều khiển, kết cấu gọn 12

+) Hệ truyền động thủy lực: Có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những nhu cầu làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thủy lực có kết cấu cồng kềnh, điều khiển khó

+) Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn, do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản nhấc lên đặt xuống

*) Phân loại theo ứng dụng: