Nghiên cứu giải pháp dùng tay máy cho bài toán lưu trữ trích xuất bình gas trong hệ thống phân phối

Giới thiệu

Mở đầu

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) đã trở thành một mặt hàng tiêu dùng thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày và ngày càng được sử dụng rộng rãi Theo số liệu từ Ban phân tích – Công ty cổ phần chứng khoán dầu khí, nhu cầu tiêu thụ LPG tại Việt Nam đã tăng mạnh từ 50,000 tấn năm 1991 lên 1.1 triệu tấn vào năm 2010 Dự báo, nhu cầu sử dụng LPG toàn quốc sẽ đạt khoảng 1,5 triệu tấn vào năm 2015 và 2 triệu tấn vào năm 2020.

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ LPG tại Việt Nam [1]

Thị trường gas Việt Nam đã ghi nhận tốc độ tăng trưởng 15% mỗi năm trong suốt 10 năm qua, với khoảng 65% nhu cầu tiêu thụ đến từ các cơ sở thương mại, dịch vụ và hộ gia đình sử dụng bình gas 12kg Để đáp ứng nhu cầu lớn này, các công ty gas đang mở rộng mạng lưới phân phối tới tay người tiêu dùng, không chỉ để lưu trữ mà còn để quảng bá sản phẩm và thương hiệu Việc đầu tư công nghệ vào các cửa hàng phân phối, bao gồm tự động hóa quy trình nhập, sắp xếp và xuất bình gas, nhằm nâng cao độ an toàn, tăng năng suất và xây dựng hình ảnh công ty hiện đại, chuyên nghiệp.

Hiện nay, việc vận chuyển và sắp xếp hàng hóa trong các kho lưu trữ gas tại Việt Nam chủ yếu phụ thuộc vào sức người hoặc xe nâng cho các kho lớn Do đó, tự động hóa các hoạt động trong kho chứa gas là rất cần thiết và mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp Để giải quyết vấn đề này, tác giả đã chọn nghiên cứu giải pháp sử dụng tay máy cho việc lưu trữ và trích xuất bình gas trong hệ thống phân phối, nhằm cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao hiệu quả công việc và tối ưu hóa quy trình vận hành theo phương pháp nhập trước xuất trước (FIFO).

1.1.2 Phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận văn

Tự động hóa vận chuyển và sắp xếp bình gas có thể thực hiện qua nhiều phương pháp Luận văn này tập trung vào việc thiết kế tay máy khớp bản lề để thực hiện các tác vụ trong kho Để đạt được mục tiêu này, luận văn cần hoàn thành các mục tiêu đã đề ra.

Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho cần tối ưu hóa không gian và quy trình lưu trữ Việc sử dụng tay máy gắp sản phẩm cho quá trình nhập xuất giúp tăng hiệu quả làm việc Quan trọng là lựa chọn robot phù hợp để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của kho, đảm bảo hiệu suất và độ chính xác trong việc quản lý hàng hóa.

- Phân tích động học thuận và nghịch của robot đã chọn

- Đề xuất giải thuật nhập xuất và sắp xếp sản phẩm trong nhà kho, mô phỏng

1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Mô phỏng hoạt động của robot cho phép kiểm tra và đánh giá khả năng làm việc của chúng một cách toàn diện mà không cần phải chế tạo thử nghiệm.

Mô phỏng giải thuật sắp xếp bình gas cho phép đánh giá và lựa chọn lộ trình tối ưu cho robot, từ đó tiết kiệm năng lượng, rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu suất công việc.

Tổng quan

1.2.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài

Hiện nay, nhiều công ty trên thế giới như ABB, Kuka và Fanuc đang thiết kế và chế tạo robot công nghiệp để vận chuyển và sắp xếp sản phẩm, chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Đức và Ý Xu hướng phát triển của robot công nghiệp hiện nay là tăng cường khả năng làm việc với tốc độ và độ chính xác cao hơn, đồng thời nâng cao tính an toàn, giảm giá thành, kích cỡ và trọng lượng của robot.

Một số nghiên cứu đã triển khai có liên quan đến đề tài đã đƣợc công bố trên các tạp chí chuyên ngành

[1] Guan Xiaoqing, Wang Jidong, “Mechanical design and kinematic analysis of a new kind of palletizing robot”, Mechanic Automation and Control Engineering

(MACE), 2011 Second International Conference on, 2011, pp.404-408

[2] Murat AKDAG, Design and analysis of robot manipulators by integrated CAE procedures, 2008

Trong 25 năm qua, nghiên cứu và phát triển robot tại Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể, đặc biệt là Công ty Cổ phần TOSY với thành công trong việc thiết kế và chế tạo tay máy robot sáu bậc tự do Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có cơ quan hoặc tổ chức nào nghiên cứu và sản xuất robot công nghiệp chuyên dụng cho việc vận chuyển và sắp xếp hàng hóa.

Danh mục các nghiên cứu có liên quan

Phan Tấn Tùng đã trình bày về mô hình động học và động lực học của tay máy di động 5 bậc tự do tại Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9, thuộc phân ban Cơ điện tử.

Robot, Đại học Bách Khoa Tp.HCM, tr 24-32, 2005

Lê Đình Nguyên đã thực hiện nghiên cứu về thiết kế và thuật toán điều khiển tay máy theo vết một đường cong không gian trong luận văn Thạc sĩ của mình tại Đại học Bách Khoa Tp HCM Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả cho tay máy, nhằm cải thiện khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp theo đường cong không gian.

Nguyễn Quốc Cường đã thực hiện nghiên cứu về việc xây dựng giải thuật điều khiển cho robot hàn giàn giáo, dựa trên mô hình động lực học Luận văn Thạc sĩ của anh được hoàn thành tại Đại học Bách Khoa Tp HCM, nhằm phát triển công nghệ robot trong lĩnh vực hàn giàn giáo.

[4] Huỳnh Quang Huy, Nghiên cứu, thiết kế tay máy gắp bình gas, Luận văn Thạc sĩ, Đai học Bách Khoa Tp HCM

1.2.2 Tổng quan về kho bãi

 Các khái niệm cơ bản và vai trò của kho bãi

Kho bãi là một phần quan trọng trong hoạt động hậu cần, mà logistics được định nghĩa là khoa học về hoạch định, tổ chức, quản lý và thực hiện các hoạt động cung ứng hàng hóa và dịch vụ Mục tiêu chính của hậu cần là đảm bảo phân phối sản phẩm đúng thời gian, đúng số lượng và chất lượng tại đúng địa điểm.

Kho bãi là trung tâm phân phối hàng hóa, nhằm mục đích cung cấp hàng hóa đến tay người tiêu dùng một cách thuận tiện Chức năng chính của kho bãi bao gồm việc nhận hàng, phân loại và sắp xếp hàng hóa, phân phối đến nơi lưu giữ, lấy hàng theo yêu cầu của khách hàng, cũng như thực hiện việc đóng gói và gửi hàng.

Kho bãi đóng vai trò quan trọng trong hoạt động hậu cần, giúp duy trì nguồn hàng liên tục và giảm chi phí vận tải Đây là địa điểm trung chuyển hàng hóa, gom hàng từ nhiều khách hàng hoặc tách hàng cho các khách hàng khác nhau Đối với các công ty nhập khẩu nguyên liệu, kho bãi giúp chủ động nguồn nguyên liệu, giảm thiểu sự phụ thuộc vào biến động giá cả của thị trường.

 Một số hệ thống vận chuyển và sắp xếp hàng hóa tự động đƣợc sử dụng trong nhà kho

Hệ thống AS/RS (Automated Store & Retrieval System)

Hệ thống AS/RS là giải pháp lưu kho và truy hồi tự động, lý tưởng cho việc quản lý số lượng lớn hàng hóa trong không gian hạn chế.

Hệ thống lưu kho và truy hồi tự động (AS/RS) kết hợp thiết bị và kiểm soát để xử lý, lưu kho và truy hồi vật liệu một cách rõ ràng, chính xác và nhanh chóng Các hệ thống này có thể từ đơn giản, điều khiển bằng tay trong kho chứa, đến phức tạp hơn, được điều khiển bằng máy tính và tích hợp hoàn toàn vào quy trình sản xuất và phân phối.

Một AS/RS cho phép các công ty lấy lại không gian sàn, nâng cao hiệu quả và bảo đảm việc kiểm soát tồn trữ

Các thiết bị cần thiết cho hệ thống AS/RS bao gồm máy Lưu kho & Truy hồi (SRM), giúp lưu trữ và truy xuất vật liệu một cách nhanh chóng Các loại SRM phổ biến bao gồm tải mini và tải đơn vị, với khả năng di chuyển tải trên ba trục: theo chiều đứng và/hoặc ngang trong lối đi, và bên cạnh để đặt tải tại vị trí lưu trữ.

Hình 1.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec Ƣu điểm: Hệ thống AS/RS mang lại những lợi ích sau

- Quá trình lưu và xuất hàng hóa nhanh, hoạt động liên tục 24 giờ/ ngày

- Tiết kiệm không gian lưu trữ

- Khả năng lưu trữ linh hoạt và dễ dàng mở rộng theo nhu cầu

- Sử dụng lao động ít nên tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảo hiểm và thiết bị hỗ trợ

- Quản lý chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lý kho kết hợp với công nghệ mã vạch (Barcode) hay thẻ từ (Transponder)

Khuyết điểm: Chi phí đầu tƣ ban đầu cho hệ thống cao

Xe tự hành (AGVs – Automated Guided Vehicles)

Xe tự hành, một loại xe chở hàng không người lái, hoạt động bằng động cơ điện và pin, đã được phát minh lần đầu vào năm 1953 Với khả năng nâng trọng tải từ vài kg đến hơn 100 tấn, xe tự hành có thể tự động nâng, hạ và vận chuyển pallet thông qua các càng nâng hoặc đầu nâng tùy thuộc vào kích cỡ hàng hóa Ban đầu, xe nhận biết đường đi thông qua vệt sơn trên sàn và dải dẫn hướng, nhưng gần đây đã được cải tiến với công nghệ dò đường hiện đại như bộ dò laser, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại và hệ thống camera.

Hình 1 3 Xe tự hành của hãng JBT

Carousel là một loại kệ lưu trữ hàng hóa có khả năng chuyển động nhờ hệ thống xích dẫn điều khiển bằng động cơ điện Thiết bị này được sử dụng chủ yếu trong quy trình lấy hàng theo yêu cầu của khách hàng (order picking) với quy mô nhỏ Carousel có hai dạng chính: đứng và ngang.

Trong carousel ngang, các ngăn chứa hàng được gắn trên khung kệ và có khả năng di chuyển qua lại nhờ hệ thống xích, giúp hàng hóa được đưa đến người điều khiển theo lộ trình ngắn nhất.

Trong các carousels dạng đứng, các ngăn được giữ trên khung kệ lắp giữa hai hệ thống truyền động động cơ – xích theo phương thẳng đứng Hệ thống kệ di chuyển lên xuống theo đường ngắn nhất, mang hàng hóa đến tay người vận hành một cách hiệu quả.

1.2.3 Tiêu chuẩn và quy định an toàn trong vận chuyển và lưu trữ bình gas(LPG)

Các tiêu chuẩn và quy định nhà nước hiện hành có liên quan:

 TCVN 6304 : 1997 Chai chứa khí đốt hóa lỏng – yêu cầu an toàn trong bảo quản, xếp dỡ và vận chuyển

 TCVN 6223 : 2011 Cửa hàng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) – Yêu cầu chung về an toàn

 Nghị định 107/2009/NĐ – CP Về kinh doanh khí dầu mỏ hóa lỏng

Tóm tắt các chương của luận văn

Chương 1: Giới thiệu về đề tài và các kiến thức tổng quan có liên quan đến đề tài

Chương 2: Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho và đưa ra phương án chọn robot phù hợp với yêu cầu

Chương 3: Phân tích động học của robot

Chương 4: Đề cập tới giải thuật nhập xuất và sắp xếp sản phẩm trong nhà kho, tối ưu hóa đường đi của robot trong việc sắp xếp sản phẩm và phân phối sản phẩm theo phương pháp sản phẩm nhập trước được xuất trước, sau đó là phần mô phỏng kiểm chứng

Cuối cùng các kết quả đạt được, những mặt hạn chế và hướng phát triển đề tài sẽ được trình bày trong chương 5.

Thiết kế bố trí sản phẩm nhà kho và lựa chọn robot phù hợp

Yêu cầu thực tế nhà kho chứa bình gas

- Thông số bình gas 12 kg

Bảng 2 1 Thông số bình gas

Kích thước Đường kính ngoài thân bình 300 mm

Chiều cao toàn thân 585 mm Đường kính ngoài quai xách 246 mm

Chiều cao quai xách 160 mm

Trọng lƣợng vỏ bình 14.5 kg

- Sắp xếp vị trí đặt sản phẩm để nhà kho chứa đƣợc nhiều nhất

- Sử dụng tay máy(robot) để thực hiện việc nhập, lưu trữ và xuất sản phẩm khi có yêu cầu

- Khi vận chuyển bình gas luôn vuông góc với sàn và tránh không đƣợc va đập.

Thiết kế bố trí sản phẩm trong nhà kho

Để đảm bảo an toàn trong việc bảo quản, xếp dỡ và vận chuyển bình gas, tác giả khuyến nghị rằng các bình nên được xếp chồng lên nhau, với mỗi chồng chứa 2 bình và khoảng cách giữa các bình là 50mm.

Vị trí đặt robot trong kho có thể linh hoạt trên sàn, tường hoặc trần nhà, nhưng để tối ưu hóa việc lắp đặt, vận hành và bảo trì, tác giả đã chọn đặt robot trên sàn Việc này không chỉ giảm chi phí mà còn giúp phát huy tối đa tầm hoạt động của robot bằng cách đặt nó tại tâm của nhà kho.

- Di chuyển bình gas vào vị trí nhập và di chuyển bình gas ra khỏi vị trí xuất sử dụng băng tải

Bố trí sản phẩm trong nhà kho có thể thực hiện theo nhiều phương án như tọa độ cực và tọa độ vuông góc (decac) Số lượng sản phẩm được phân bổ gần như đồng đều theo các phương án này Tuy nhiên, tác giả đã chọn phương án bố trí theo tọa độ vuông góc nhằm tạo thuận lợi cho việc lập giải thuật điều khiển.

Bình gas được thiết kế với mười hàng, mười một cột và hai tầng, cùng một hàng dành cho việc quản lý sản phẩm nhập xuất Cần lưu ý rằng vị trí đặt robot không được sử dụng để đặt sản phẩm.

Tổng số bình gas lưu trữ trong kho là: [(11x10)-(5x5)] x 20 bình

Bình gas được xếp chồng lên nhau thành hai tầng, với tầng một là tầng đáy tiếp xúc với mặt sàn kho, còn tầng hai là tầng tiếp theo Tầng ba không được sử dụng để sắp xếp sản phẩm mà chỉ đóng vai trò là tầng bộ đệm, hỗ trợ cánh tay robot trong quá trình gắp và không gắp sản phẩm.

Hình 2 2 Sơ đồ sắp xếp bình gas

Hình 2 3 Sơ đồ bố trí nhà kho

Lựa chọn robot phù hợp yêu cầu

2.3.1 Các dạng robot công nghiệp thường được sử dụng trong nhà kho

Robot khớp bản lề cố định (Stationary articulated robot)

Robot được sử dụng phổ biến trong việc xếp và dỡ hàng từ pallet Ba chuyển động chính của robot là các khớp quay, với trục thứ nhất vuông góc so với hai trục còn lại Vùng làm việc của tay máy tương tự như một phần khối.

Vị trí xuất bình gas

Vị trí nhập bình gas

Băng tải xuất sp Băng tải nhập sp

Vùng lưu trữ bình gas Vùng đặt robot cầu Robot có thể được gắn cố định trên sàn, trần hoặc lắp trên đường ray để tăng độ linh hoạt

Robot khớp bản lề do hãng Kuka sản xuất có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm thao tác linh hoạt và vùng làm việc rộng lớn so với kích cỡ của robot Với kết cấu gọn gàng và lắp đặt đơn giản hơn so với robot gantry, loại robot này cũng mang lại tính cơ động cao, cho phép dễ dàng thay đổi vị trí làm việc.

Khuyết điểm: Tính toán động học phức tạp, cấu trúc trở nên không cứng vững khi robot đạt tầm với lớn nhất

Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot)

Hình 2 5 Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot) của hãng Elettric80

Robot hoạt động với các khớp trượt, cho phép chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục X, Y, Z, tạo ra vùng làm việc hình hộp chữ nhật Ưu điểm của robot này bao gồm mô hình động học đơn giản và kết cấu cứng vững, cùng với lập trình dễ dàng Đặc biệt, robot có khả năng xác định vị trí khi gắp và đặt vật chính xác hơn so với các loại robot khác.

Khuyết điểm: So với robot khớp bản lề, robot tọa độ vuông góc có những khuyết điểm sau:

 Vùng làm việc tương đối nhỏ so với kích cỡ robot

 Kết cấu cồng kềnh (bao gồm khung, giá đỡ, …) chiếm nhiều diện tích

 Yêu cầu chiều cao nơi lắp đặt phải lớn

 Bảo trì khó khăn và tốn nhiều thời gian hơn

 Tốc độ thực hiện một tác vụ không cao

 Thao tác không linh hoạt

Robot khớp bản lề cố định nổi bật với kết cấu gọn gàng, lắp đặt dễ dàng và thao tác linh hoạt, rất phù hợp cho không gian nhà kho nhỏ 4m x 4m x 3m Bên cạnh đó, thiết kế của robot còn đóng vai trò như một công cụ quảng cáo hiệu quả.

Một số loại robot khớp bản lề hiện nay trên thị trường được thiết kế đặc biệt để vận chuyển và sắp xếp bình gas một cách hiệu quả Chi tiết về các loại robot này được trình bày trong phụ lục 1.

Sau khi nghiên cứu các loại robot công nghiệp phục vụ việc vận chuyển hàng hóa trong kho, tác giả khuyến nghị sử dụng robot công nghiệp IRB 460 của ABB.

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật

Khả năng lặp lại vị trí 0,1 mm Ứng dụng: chuyên dùng để vận chuyển vật liệu, xếp chồng hàng hóa lên pallet Hình 2 6 Robot công nghiệp IRB 460

Độ cơ động của cơ cấu chính là số bậc tự do, và khi độ cơ động cao, số bậc tự do cũng tăng theo Trong môi trường vận chuyển và sắp xếp hàng hóa, yêu cầu về bậc tự do không cao như trong các công việc như sơn và hàn, vì vậy robot chỉ cần 3 đến 4 bậc tự do để đáp ứng yêu cầu công việc Số bậc tự do ít không chỉ làm cho kết cấu tay máy đơn giản hơn mà còn giảm chi phí và tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển.

Tác giả đã chọn mẫu robot IRB 460 của ABB làm tài liệu tham khảo cho thiết kế nhờ vào những đặc điểm nổi bật như 4 bậc tự do, cơ cấu hình bình hành giúp giữ vật cần vận chuyển luôn vuông góc với sàn, cùng với khả năng mang trọng lượng lớn và tầm với rộng.

2.3.2 Xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot

Một đặc điểm quan trọng của robot khớp bản lề là mối quan hệ giữa tầm với và tải trọng Cụ thể, khi tầm với tăng, tải trọng mà robot có thể mang sẽ giảm Ví dụ, robot IRB460 của ABB có khả năng tải lớn nhất là 110 kg, nhưng khi tay máy vươn xa nhất, tải trọng này chỉ còn 60 kg.

Hình 2 5 Sơ đồ tải trọng robot IRB460 của hãng ABB

Yêu cầu kỹ thuật cơ bản cho robot gắp bình hóa chất là khả năng vận chuyển bình gas nặng 26.5 kg và khoảng cách tối đa từ vị trí bình xa nhất tới tâm tay máy là 2300 mm, tham khảo từ robot IRB 460.

Bảng 2.3 Robot khớp bản lể cố định

Số trục (bậc tự do) 4

Có cơ cấu hình bình hành

Robot gắp bình gas được thể hiện dưới dạng sơ đồ đơn giản như hình 2.8

Hình 2 7 Sơ đồ và bậc tự do của robot gắp bình gas

Sơ đồ nguyên lý robot gắp bình gas

Hình 2.9 thể hiện kết cấu robot gắp bình gas dưới dạng mô hình đơn giản

Nguyên lý hoạt động: Toàn bộ tay máy sẽ quay quanh O, tay máy dưới

AD được dẫn động bởi động cơ và quay quanh khớp A, trong khi tay máy trên CH quay quanh D nhờ cơ cấu hình bình hành ABCD với AB là khâu dẫn động Cổ tay HIJL chuyển động tịnh tiến nhờ các cơ cấu hình bình hành AEFD và DGIH, đảm bảo rằng trục cổ tay robot luôn vuông góc với sàn Nhờ đó, bình gas được vận chuyển luôn thẳng đứng so với mặt sàn.

Hình 2 8 Sơ đồ đơn giản robot gắp bình gas

G, H, I Khớp bản lề AB, AD Khâu dẫn động

AE Khâu nối giá (cũng chính là thân robot)

BC, EF, GI Thanh truyền FGD Khâu trung gian

HIJL Cổ tay máy CDH Khâu – tay máy trên

Tính toán sơ bộ kích thước các khâu

Robot gắp bình gas được thiết kế dưới dạng robot khớp bản lề với 4 khâu và 4 khớp Trong đó, OA là chiều dài của khâu 1, L3 là chiều dài của khâu 2, và L5 là chiều dài của khâu 3.

Trong đó √ và L5 = L4 + L cổ tay

Vị trí gần nhất và xa nhất của bình gas so với trục quay của robot được minh họa trong hình 2.11, với A là vị trí gần nhất và B là vị trí xa nhất Để đạt được điểm xa nhất, robot khớp bản lề cần đáp ứng các điều kiện nhất định.

Dựa trên điều kiện đã nêu và tham khảo robot IRB 460 của hãng ABB, chúng tôi đã chọn kích thước cho các khâu trong nhà kho, bao gồm 10 vị trí bình gas gần và xa nhất.

Phân tích động học robot

Động học vị trí

3.1.1 Bài toán động học thuận

Bài toán động học thuận vị trí được tiến hành theo các bước sau:

Thiết lập hệ tọa độ cho các khâu

Hình 3 1 Các hệ trục tọa độ trên robot Lập bảng thông số Denavit Hartenberg (DH)

Bảng 3 1 Bảng thông số Denavit Hartenberg

Từ bảng thông số DH ta xác định các ma trận thuần nhất

Phương trình động học thuận của robot

Vị trí tọa độ điểm A

3.1.2 Bài toán động học ngƣợc

Lấy tổng bình phương 2 phần tử và của (3.13) và (3.15) ta có

( ) ( ) Áp dụng công thức ta đƣợc

Từ cột cuối của (3.13) và (3.15) ta có

Động học vận tốc

Theo [4] ta có các công thức để tính động học vận tốc nhƣ sau ̇ [ ] ̇ (3.21) với [ ] (3.23)

Vì trường hợp bài toán nêu trong luận văn sử dụng toàn khớp quay nên ta sử dụng công thức sau

Tính chiều và vị trí của mỗi trục khớp

Tính tương tự ta được

Thay z và p đã tính vào (3.24)

] Thay vào (3.22) ta đƣợc vận tốc của điểm cuối khâu 3

Nhận xét: Do sử dụng cơ cấu hình bình hành nên vận tốc của khâu tác động cuối cũng chính là vận tốc của điểm cuối khâu 3.

Giải thuật sắp xếp kho và mô phỏng

Giải thuật sắp xếp nhà kho và mô phỏng

4.1.1 Đặt vấn đề và giới hạn phạm vi thực hiện

Công việc của nhà kho phân phối bình gas bao gồm nhập, lưu trữ và xuất bình gas theo yêu cầu Tất cả các hoạt động này được thực hiện bởi cánh tay robot, đòi hỏi một giải thuật điều khiển hiệu quả Trong đề tài này, tác giả tập trung vào việc phát triển giải thuật sắp xếp kho, nhằm tối ưu hóa lộ trình của robot trong việc sắp xếp và phân phối sản phẩm theo phương pháp nhập trước xuất trước (FIFO).

Một số tiêu chí khi tối ưu hóa đường đi của robot:

- Tầng một nhập sản phẩm trước tầng hai nhập sau

- Tối ưu tổng quảng đường di chuyển nhập và xuất sản phẩm của robot

- Vận tốc chuyển động của robot là hằng số

- Sắp xếp và di chuyển sản phẩm có khoảng cách an toàn tránh va đập

- Robot không di chuyển vào vùng chết

Vùng chết là vùng giới hạn bởi bốn đỉnh có tọa độ    

- Xuất sản phẩm theo phương pháp FIFO

- Khi cần xuất sản phẩm ở tầng một mà tầng hai đang có sản phẩm thì phải thực hiện việc dời sản phẩm ở tầng hai

- Khi dời sản phẩm phải tối ưu về khoảng cách và thời gian lưu kho

4.1.2 Một số quy định Để đơn giản trong việc lập giải thuật ta quy định:

- Chia nhà kho thành một ma trận vuông 11 dòng 11 cột, vị trí các bình gas chính là các phần tử của ma trận (Hình 4.1)

Bình gas được sắp xếp theo chồng, mỗi chồng bao gồm 2 tầng: tầng 1 là tầng đáy tiếp xúc với mặt sàn kho, và tầng 2 là tầng trên của tầng 1 Tầng 3 không được sử dụng để sắp xếp sản phẩm mà chỉ đóng vai trò là tầng bộ đệm nhằm hỗ trợ di chuyển cánh tay robot trong quá trình gắp và không gắp sản phẩm.

- Robot di chuyển từng điểm lên xuống theo phương thẳng đứng (trục z)

- Robot di chuyển từng điểm theo chiều ngang, dọc (trục x,y), hoặc di chuyển chéo giữa hai đỉnh của ma trận vuông

- Quét các vị trí theo cột từ trái sang phải (từ i sang xi)

- Khi xác định các vị trí có cùng trọng số thì ƣu tiên vị trí có cột nhỏ nhất

Khi robot thực hiện nhậpxuất sản phẩm, quãng đường di chuyển lên xuống theo trục z của mỗi tầng luôn bằng nhau, do đó, quãng đường di chuyển của robot chỉ cần được xem xét theo hai trục x và y.

0 i ii iii iv v vi vii viii ix x xi

Hình 4 1 Sơ đồ vị trí bình gas Vùng lưu trữ bình gas

Mã số vị trí bình gas được quy định như sau: ví dụ, bình gas X(iii,7,1) có vị trí trục hoành (x) là dãy thứ iii, vị trí trục tung (y) là dãy thứ 7, và vị trí tầng là tầng số 1 (z).

Khi bình gas được xếp vào vị trí A(viii, 4, 1), robot cần kiểm tra bằng thuật toán để xác nhận rằng vị trí B(viii, 4, 2) trống Điều này đảm bảo rằng vị trí A đã được xác định là trống trước khi xếp sản phẩm Robot sẽ vận chuyển bình gas từ tầng 2 xuống tầng 1 Tương tự, khi lấy bình gas tại vị trí C(xi, 6, 1), tay máy phải đảm bảo rằng vị trí D(xii, 6, 2) cũng trống trước khi di chuyển bình gas từ vị trí B.

Không đƣợc xảy ra va chạm giữa các bình gas Khoảng cách các sản phẩm là 50mm

Để đảm bảo tuân thủ quy định FIFO trong quản lý kho, bình gas nào được nhập trước sẽ được xuất trước Quy tắc này giúp ngăn ngừa tình trạng hàng tồn kho cũ, từ đó tối ưu hóa quy trình lưu trữ và phân phối.

4.1.3 Đề xuất giải thuật nhập xuất và sắp xếp bình gas trong nhà kho Để đáp ứng yêu cầu nhập xuất và sắp xếp bình gas trong nhà kho tác giả đƣa ra các giải thuật nhƣ sau:

Để xác định vị trí nhập sản phẩm, thuật toán bắt đầu quét các vị trí ở tầng một trước, vì sản phẩm ở tầng hai thường có ngày sản xuất sau tầng một Để tuân thủ quy tắc FIFO, sản phẩm ở tầng một cần được xuất trước, do đó, việc ưu tiên nhập sản phẩm ở tầng một là cần thiết nhằm hạn chế việc di chuyển sản phẩm Khi xác định được các vị trí trống ở tầng một, tổng quãng đường nhập xuất sẽ được tính toán để tìm ra vị trí nhập sản phẩm có giá trị trọng số nhỏ nhất.

Để xác định vị trí trống, nếu không tìm thấy ở tầng một, cần quét tầng hai Sau khi xác định vị trí, tính tổng quảng đường nhập xuất và ngày nhập ở tầng dưới để tìm ra giá trị trọng số nhỏ nhất.

TS2 xx in  yy in  xx out  yy out 0.9*date(x,y,1) (2)

TỔNG QUẢNG ĐƯỜNG NHẬP SUẤT VÀ T.GIAN NHẬP SP TẦNG DƯỚI

Hình 4 2 Giải thuật xác định các vị trí nhập sản phẩm

 Giải thuật tính khoảng cách

Bắt đầu từ điểm xuất phát, cần xác định điểm lân cận mà chưa phải là đích cuối cùng Điểm lân cận này không được nằm trong vùng chết, và đường đi từ điểm lân cận đến đích phải tránh các khu vực chết để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Gặp vùng chết theo phương x

Tăng điểm lân cận lên một một

Hình 4 3 Giải thuật tính khoảng cách

 Giải thuật tìm đường đi

Xét khoảng cách tại 8 điểm xung quanh Đến điểm chƣa ?

END Đi đến điểm có khoảng cách bé nhất

Lưu thứ tự nhập kho Tăng thứ tự nhập kho lên một

 Giải thuật xuất sản phẩm

Hình 4 4 Giải thuật xuất sản phẩm

8 điểm xung quanh Đến điểm chƣa ? END

Tìm vị trí dời sp Sản phẩm ở tầng 1

Quay lại vị trí lấy sản phẩm

 Giải thuật tìm vị trí dời sản phẩm

Hình 4 5 Giải thuật tìm vị trí dời sản phẩm

Mô phỏng giải thuật nhập xuất và sắp xếp bình gas trong nhà kho

Phần mềm Matlab được ứng dụng để mô phỏng giải thuật nhập xuất và sắp xếp sản phẩm, trong khi chương trình điều khiển robot được trình bày ở phụ lục 2 và 3 Bên cạnh đó, phần mềm Solidworks cũng được sử dụng để mô phỏng hoạt động của robot trong việc nhập xuất và sắp xếp bình gas trong kho.

4.2.1 Kết quả mô phỏng giải thuật nhập xuất và sắp xếp bình gas

Tìm vị trí gần nhất

Xét các điểm chƣa có sản phẩm

Tìm vị trí gần và thời gian lưu kho ngắn nhất

 Nhập bình gas từ ( 3,1,1) sang (9,5,2)

Hình 4 6 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm)

Hình 4 7 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (9,5,2)

3 truc x truc y tr u c z data1 data2

 Nhập bình gas từ ( 3,1,1) sang (7,9,1)

Hình 4 8 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm)

Hình 4 9 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (7,9,1)

3 truc x truc y tr u c z data1 data2

 Nhập bình gas từ ( 3,1,1) sang (1,10,1)

Hình 4 10 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm)

Hình 4 11 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (1,10,1)

3 truc x truc y tr u c z data1 data2

 Nhập bình gas từ ( 3,1,1) sang (11,11,1)

Hình 4 12 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm)

Hình 4 13 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (11,11,1)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 truc x truc y tr u c z data1 data2

4.2.1 Kết quả mô phỏng giải thuật sắp xếp xuất sản phẩm

 Xuất bình gas từ ( 2,5,2) sang (9,1,1)

Hình 4 14 Quỹ đạo đường đi của robot (sản phẩm)

 Xuất bình gas từ ( 2,5,2) sang (9,1,1)

Hình 4 15 Xuất sản phẩm từ (9,6,1) sang (9,1,1)

Mô phỏng hoạt động của robot

4.3.1 Mô phỏng mô hình robot

Sử dụng phần mềm Solidwork mô phỏng mô hình robot

4.3.2 Mô phỏng hoạt động mô hình robot nhập xuất và sắp xếp sản phẩm

Hình 4 20 Nhập và sắp xếp sản phẩm 1

Hình 4 21 Nhập và sắp xếp sản phẩm 2