Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tay gắp robot mềm ứng dụng trong dây chuyền đóng gói khay cơm phần tại các khu Công nghiệp ở Việt Nam : Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp Trường

BỘ CÔNG THƢƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tay gắp

robot mềm ứng dụng trong dây chuyền đóng gói khay cơm phần tại các

khu Công nghiệp ở Việt Nam

Mã số đề tài: 20/1.1CK05

Chủ nhiệm đề tài: TS. Trần Trọng Nhân

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Cơ khí

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2021

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 1

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

LỜI CÁM ƠN

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công

nghiệp Tp.HCM, phòng Quản lý Khoa học và Hợp tác Quốc tế, Khoa Công nghệ

Cơ khí, đã tạo điều kiện để chúng tôi thực hiện và hoàn thành đề tài.

Xin chân thành cảm ơn TS. Trần Anh Vàng, TS. Nguyễn Anh Tuấn, Khoa

Hàng không Vũ trụ, Học viện Kỹ Thuật Quân Sự (Trường Đại học Lê Quý Đôn) đã

phối hợp với chúng tôi để hoàn thành đề tài này. Cũng xin chân thành cảm ơn sự

hợp tác nghiên cứu của Bộ môn Tự động hóa quá trình sản xuất trường Đại học

Tổng hợp Kỹ Thuật Matxcơva mang tên N.E. Bauman, GS. TSKH. Gavriuhsin

S.S., đã có những đóng góp về mặt nội dung khoa học cho đề tài.

Xin được gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Đức Nam trường Đại học

Công nghiệp Tp.HCM, TS. Nguyễn Hữu Thọ trường Đại học Công nghiệp Thực

phẩm Tp.HCM, PGS.TS. Lê Tuấn Phương Nam trường Đại học Tôn Đức Thắng,

TS. Nguyễn Khoa Triều trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, TS. Trần Ngọc

Đăng Khoa trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, cùng các đồng nghiệp khác như

ThS.GVC. Nguyễn Thị Thuý Nga, ThS. Châu Ngọc Lê, ThS. Bùi Anh Phi, ThS.

Phạm Thanh Tuấn đã góp ý cho chúng tôi về mặt chuyên môn, những thiếu sót để

chúng tôi hoàn thành được đề tài đúng tiến độ.

Cuối cùng, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động

viên, chia sẻ và hỗ trợ chúng tôi.

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 2

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tay gắp robot

mềm ứng dụng trong dây chuyền đóng gói khay cơm phần tại các khu Công

nghiệp ở Việt Nam

1.2. Mã số: 20/1.1CK05

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực

hiện đề tài

1 TS. Trần Trọng Nhân IUH Chủ nhiệm đề tài

2 TS. Đặng Hoàng Minh IUH Thư ký khoa học

3 TS. Phạm Trần Bích Thuận IUH Thành viên

4 TS. Phùng Văn Bình Học viện KTQS Thành viên

5 TS. Nguyễn Việt Đức ĐH Thủy Lợi Thành viên

6

Nhóm 7 sinh viên IUH làm đồ án/luận

văn tốt nghiệp:

1. Nguyễn Hoàng Thái – 16021751

2. Lê Huy Hải – 16034641

3. Đỗ Hoàng Nam – 16066311

4. Phạm Chí Công – 16069551

5. Đặng Công Trường – 16077631

6. Võ Minh Tuấn – 16019581

7. Võ Chí Thành – 16042861

IUH Thành viên

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Cơ khí

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2020 đến tháng 03 năm 2021

1.5.2. Gia hạn (nếu có): Không

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 08 năm 2019 đến tháng 03 năm 2021

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

Một số kích thước của ngón tay mềm và thiết bị tay gắp rôbốt mềm có lớn hơn so

với thuyết minh ban đầu nhưng không đáng kể. Điều đó còn tăng khả năng gắp vật

của thiết bị hơn so với mong muốn ban đầu.

1.7. Tổng kinh phí đƣợc phê duyệt của đề tài: 80 triệu đồng.

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 3

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, bên cạnh sự phát triển của robot cứng truyền

thống (rigid-robot) thì robot mềm (soft-robot) đang là hướng đi, hướng phát triển

của thế giới nói chung và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực robot nói riêng bởi tính

linh hoạt và thân thiện với con người mà robot cứng truyền thống khó đạt được.

Xuất phát từ nguồn cảm hứng đó, các nhà nghiên cứu đã và đang phát triển các mô

hình robot mềm có thể bắt chước hành vi của con người, các bộ phận trên cơ thể

người (tay, chân, lưỡi,…) hay bắt chước hình dáng và chuyển động của các loài

động vật nhằm mục đích phục vụ trong các lĩnh vực y tế (phục hồi chức năng), sản

xuất, thăm dò và nghiên cứu. Một trong số các mô hình robot mềm nổi bật đó là

thiết bị tay gắp mềm (soft-gripper). Thiết bị này hiện nay ở nước ta mới chỉ trong

giai đoạn bắt đầu được chú ý và nghiên cứu nên còn tồn đọng rất nhiều bài toán

chưa được giải quyết, ví dụ như việc tìm thông số vật liệu siêu đàn hồi để đưa vào

phần mềm mô phỏng; tìm một thiết kế tối ưu thông số lực gắp và dễ dàng chế tạo;

mô hình hoá và mô phỏng chuyển động gắp vật dựa trên phương pháp phần tử hữu

hạn; chuyển hoá mô hình phần tử hữu hạn 3D thành mô hình động học 2D để rút

ngắn thời gian phân tích tay gắp mềm, đồng thời cũng dự đoán được các thông số

đầu vào như áp suất khí và thông số đầu ra như góc uốn, lực gắp; v.v…Vì vậy,

trong đề tài này, các tác giả sẽ tiến hành giải quyết các bài toán nêu trên để bước

đầu làm chủ được công nghệ chế tạo thiết bị tay gắp mềm.

Sản phẩm đề tài sẽ là một thiết bị tay gắp mềm với nhiều thiết kế có thể ứng

dụng được trong đời sống, đặc biệt là trong dây chuyền đóng gói thực phẩm nói

chung và khay cơm phần trong các khu công nghiệp ở Việt Nam nói riêng. Năng

suất gắp vật là 3 vật/ph với khối lượng tối đa 300 gr. Bên cạnh đó là một bài báo

SCOPUS. Kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ là một đóng góp hữu ích cho quá

trình mô phỏng, tính toán robot mềm và ngành công nghiệp đóng gói thực phẩm.

2. Mục tiêu

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tay gắp robốt mềm để hướng tới

ứng dụng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Các phương pháp thực nghiệm kéo – nén để tìm thông số cơ tính của vật liệu siêu

đàn hồi

- Nghiên cứu, lựa chọn dạng mô hình và xác định các thông số của mô hình vật liệu

siêu đàn hồi (như Mooney-Rivlin, Ogden, Yeoh, Neo-Hookean, v.v…) dựa trên cơ

sở thực nghiệm.

- Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn để mô phỏng trạng thái biến dạng đàn

hồi của tay gắp mềm chế tạo từ vật liệu siêu biến dạng, và để mô tả động lực học

quá trình gắp vật (tương tác giữa tay gắp với vật).

- Phương pháp xây dựng mô hình động lực học của tay gắp mềm theo cách tiếp cận

động lực học hệ nhiều vật.

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 4

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

- Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị cơ cấu tay máy, dựa trên nền tảng các môn học

nguyên lý chi tiết máy, các phương pháp gia công, điều khiển máy, v.v…

- Sử dụng phương pháp thực thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc của cụm

tay gắp mềm đối với các vật có hình dạng, kích thước, khối lượng khác nhau.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Đề tài đã hoàn thành 100% khối lượng công việc như trong bản thuyết minh. Cụ thể

là:

- Một bài báo SCOPUS

- Một thiết bị tay gắp robốt mềm

- Các bản vẽ thiết kế

- Các mô hình mô phỏng ngón tay gắp và cụm ngón tay gắp

- Đào tạo bậc đại học

5. Đánh giá các kết quả đã đạt đƣợc và kết luận

Các tác giả đã thực hiện đề tài nghiên cứu nghiêm túc và đúng tiến độ. Trên

thực tế, công việc của đề tài đã được thực hiện trước khi ký hợp đồng 1 năm. Nên

sau chưa đầy một năm kể từ khi ký hợp đồng nhóm tác giả đã hoàn thành đề tài này.

Việc báo cáo nghiệm thu trễ 1 tháng là do ảnh hưởng của dịch COVID-19 khiến

cho nhóm NC không thể tiến hành công việc trong trường.

Bài báo Khoa học Quốc tế SCOPUS đã được tạp chí JMERD chấp nhận

đăng ngày 03/2021 và đã được xuất bản trong tập 44, số 3 vào 03/2021.

Mô hình của tay máy robốt mềm đã được thiết kế, chế tạo đầy đủ cả phần Cơ

khí và điều khiển. Thiết bị tay máy đã được chạy vận hành thử nghiệm dưới sự

chứng kiến của các chuyên gia, GV Khoa Cơ khí (PGS.TS. Bùi Trung Thành, TS.

Đặng Hoàng Minh, ThS. Châu Ngọc Lê, ThS. Bùi Anh Phi) và Giám đốc Xưởng in

lụa “Bé Ba”. Thiết bị hiện được đặt tại Văn phòng bộ môn Cơ sở Thiết kế - Khoa

Công nghệ Cơ khí. Kết quả vận hành và thực nghiệm thiết bị tay gắp robốt mềm

cho thấy khả năng làm việc đúng với yêu cầu đặt ra trong thuyết minh đề tài. Thiết

bị có thể gắp được các vật có kích thước tối đa 110x110x110 mm với các loại hình

dạng: hình cầu, hình hộp chữ nhật, hình côn với khối lượng tối đa 300 gr, năng suất

gắp là 3 vật/ph. Tuy nhiên để hoàn thiện hơn thiết bị và để có bản vẽ thiết kế hàng

loạt một cách hoàn chỉnh, đề tài này vẫn cần được đầu tư thêm kinh phí để tiếp tục

nghiên cứu và phát triển.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thiết bị tay gắp robot

mềm ứng dụng trong dây chuyền đóng gói khay cơm phần tại các khu Công nghiệp

ở Việt Nam” được triển khai nhằm bước đầu làm chủ được việc thiết kế, mô phỏng

và điều khiển thiết bị tay gắp robốt mềm được làm từ vật liệu siêu đàn hồi, để tiến

đến ứng dụng vào trong lĩnh vực đóng gói thực phẩm. Sau khi thực hiện đề tài,

nhóm tác giả đã thu được các kết quả, thể hiện trong mục 4. Các kết quả này có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn giúp chế tạo ra những thiết bị tay gắp robốt mềm dùng

để đóng gói thực phẩm, vốn không thể thực hiện được bằng các robốt cứng truyền

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 5

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

thống. Chi tiết nội dung của các kết quả sẽ được thể hiện ở các mục dưới và phụ

lục.

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt đƣợc

1

Một thiết bị tay gắp rôbốt mềm có:

*Kích thước ngón tay

mềm tối đa: 80 x 20 x 12 mm 92 x 26 x 14 mm

*Chiều cao phần cố

định: 100 mm 110 mm

*Chiều cao tổng thể tối

đa từ ngón tay đến phần

cố định:

204 mm 300 mm

-Khối lượng gắp vật tối

đa: 300 gr. 300 gr.

-Đường kính đường bao

mặt cắt tối đa của vật

gắp:

140 mm 110 x 110 x 110 mm

- Năng suất gắp vật tối

đa: 3 vật/ph. 3 vật/ph.

2 Bản vẽ thiết kế

Các bản vẽ chi tiết

và bản vẽ lắp các bộ

phận máy, bản vẽ 3D

của thiết bị tay gắp

rôbốt mềm

Đã đạt được

3

Các mô hình thiết kế,

mô hình mô phỏng biến

dạng và gắp vật của

ngón tay và cụm ngón

tay rôbốt mềm

Có thể xem được

trên máy tính mô

phỏng và phân tích

các thông số động

lực học và ứng suất,

biến dạng

Đã đạt được

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 6

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

4 Một bài báo SCOPUS

Dựa trên một trong

các chủ đề trong mục

nội dung của thuyết

minh

“Design and

Development of the

Soft Robotic Gripper

used for the Food

Packaging System”

Journal of Mechanical

Engineering Research

and Developments

(1024-1752), Zibeline

International

Publishing Sdn. Bhd.,

Vol. 44, No. 3, pp.

334-345

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được

chấp nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp. HCM đã

cấp kính phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối

báo cáo. (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính

và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

3.2. Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian

thực hiện đề tài

Tên đề tài

Tên chuyên đề nếu là

NCS

Tên luận văn nếu là

Cao học

Đã bảo vệ

Nghiên cứu sinh

Học viên cao học

Sinh viên Đại học

1. Nguyễn Hoàng Thái – 16021751

2. Lê Huy Hải – 16034641

3. Đỗ Hoàng Nam – 16066311

4. Phạm Chí Công – 16069551

5. Đặng Công Trường – 16077631

6. Võ Minh Tuấn – 16019581

7. Võ Chí Thành – 16042861

12 tháng 10/10/2020

Ghi chú:

- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và

bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành

công luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV. Tình hình sử dụng kinh phí

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 7

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

T

T

Nội dung chi

Kinh phí

đƣợc duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí

thực hiện

(triệu đồng)

Ghi

chú

A Chi phí trực tiếp

1 Thuê khoán chuyên môn 48.47 48.47

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..

3 Thiết bị, dụng cụ 21.53 21.53

4 Công tác phí

5 Dịch vụ thuê ngoài

6 Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ

7 In ấn, Văn phòng phẩm

8 Chi phí khác 10 10

B Chi phí gián tiếp

1 Quản lý phí

2 Chi phí điện, nước

Tổng số 80 80

V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Đây là một loại thiết bị tay gắp rôbốt mềm kiểu mới, được thiết kế và chế tạo thử

nghiệm thế hệ đầu tiên. Tay gắp đã đảm bảo chạy đúng nguyên lý, đạt được đúng

năng suất đề ra. Tuy nhiên còn một số yêu cầu về kỹ thuật để đạt đến khả năng ứng

dụng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, thì cần phải được tiếp tục nghiên cứu

và thử nghiệm, từ đó phát triển các thế hệ tiếp theo sao cho hoàn thiện hơn nữa. Để

làm được việc này, còn rất nhiều bài toán khoa học cần giải quyết. Nhóm nghiên

cứu cần sự hỗ trợ kinh phí từ phía nhà trường, sự tạo điều kiện thuận lợi về máy

móc và trang thiết bị gia công từ phía Khoa Cơ khí và cần nguồn nhân lực là các em

sinh viên khá-giỏi cùng tham gia vào các đề tài phát triển này.

VI. Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

- Hình ảnh và video về mô hình thiết bị thử nghiệm tay gắp rôbốt mềm

- Minh chứng bài báo SCOPUS

Tp. HCM, ngày 25 tháng 03 năm 2021

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)

Trƣởng (đơn vị)

(Họ tên, chữ ký)

TS. ĐẶNG HOÀNG MINH Trang 8

TS. TRẦN TRỌNG NHÂN

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng

nghiệm thu)

II.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết tiến hành nghiên

cứu

II.1.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế

Robotics là một ngành kỹ thuật và khoa học liên ngành bao gồm kỹ thuật cơ

khí, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thông tin, khoa học máy tính và các ngành khác.

Robotics liên quan đến việc thiết kế, xây dựng, vận hành và sử dụng robot, cũng

như các hệ thống máy tính để điều khiển, phản hồi cảm giác và xử lý thông tin.

Những công nghệ này được sử dụng để phát triển các máy móc có thể thay thế cho

con người và tái tạo hành động của con người. Robot có thể được sử dụng trong

nhiều tình huống và cho nhiều mục đích, nhưng ngày nay, nhiều loại được sử dụng

trong môi trường nguy hiểm (bao gồm phát hiện và hủy kích hoạt bom), quy trình

sản xuất hoặc nơi con người không thể sống sót (ví dụ như trong không gian, dưới

nước, ở nhiệt độ cao và làm sạch và ngăn chặn các vật liệu nguy hiểm và bức xạ).

Robot có thể mang bất kỳ hình thức nào nhưng một số được tạo ra để giống với con

người về ngoại hình. Điều này được cho là giúp chấp nhận robot trong một số hành

vi sao chép thường được thực hiện bởi mọi người. Những robot như vậy cố gắng tái

tạo việc đi lại, nâng, nói, nhận thức hoặc bất kỳ hoạt động nào khác của con người.

Nhiều robot ngày nay được lấy cảm hứng từ thiên nhiên, góp phần vào lĩnh vực

robot lấy cảm hứng từ sinh học.

Một trong các nhánh của ngành robotics là soft-robotics (ngành nghiên cứu

về robot mềm), tuy chỉ mới được ra đời và nghiên cứu từ năm 2010, nhưng đây

đang là mảng lĩnh vực thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu

trong lĩnh vực robot. Robot mềm được chế tạo từ các vật liệu có độ tuân thủ cao,

tương tự như vật chất cấu thành các sinh vật sống. Hoạt động của robot mềm được

lấy cảm hứng từ cách các sinh vật sống di chuyển và thích nghi với môi trường

xung quanh. Trái ngược với robot được chế tạo từ vật liệu cứng, robot mềm cho

phép tăng tính linh hoạt và khả năng thích ứng để hoàn thành các nhiệm vụ, cũng