Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot.pdf

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHÂN
LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CÁNH TAY
ROBOT
Người hướng dẫn: TS. NGÔ THANH NGHỊ
Sinh viên thực hiện: PHẠM HỮU CƯỜNG
ĐINH VĂN HỢP
Đà Nẵng, 07/2020

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌCBÁCH KHOA
KHOA CƠKHÍ
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành
1 Phạm Hữu Cường 101150158 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử
2 Đinh Văn Hợp 101150167 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử
1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: sinh viên tự chọn
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT Họ tên sinh viên Nội dung
1 Phạm Hữu Cường Chương 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Đinh Văn Hợp
2 Phạm Hữu Cường Chương 2. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
Đinh Văn Hợp
3 Phạm Hữu Cường Chương 3. Các thành phần trong hệ thống
Đinh Văn Hợp
b. Phần riêng:
1 Phạm Hữu Cường Chương 4: thiết kế hệ thống
2 Đinh Văn Hợp Chương 5. Thiết kế bộ điều khiển
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
1 Phạm Hữu Cường Bản vẽ nguyên lý hoạt động (bản vẽ chi tiết cỡ A0)
Đinh Văn Hợp
b. Phần riêng:
1 Phạm Hữu Cường Bản vẽ tổng thể hệ thống (bản vẽ chi tiết cỡ A0)
2 Phạm Hữu Cường Bản vẽ cánh tay robot (bản vẽ chi tiết cỡ A0)
3 Đinh Văn Hợp Bản vẽ sơ đồ nối dây (bản vẽ sơ đồ cỡ A0)
4 Đinh Văn Hợp Bản vẽ lưu đồ thuậ toán (bản vẽ sơ đồ cỡ A0)
DUT.LRCC

6. Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:
TS. Ngô Thanh Nghị Toàn bộ
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/03/2020
8. Ngày hoàn thành đồ án: 30/06/2020
Đà Nẵng, ngày 02 tháng 07 năm 2020
Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn
TS. Ngô Thanh Nghị
DUT.LRCC

I
LỜI MỞ ĐẦU
Kỹ thuật tự động là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ.
Robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động, đang được ứng
dụng rộng rãi trên thế giới, đã thu hút được nhiều sự chú ý ở nước ta. Để xây dựng nền sản
xuất hiện đại, chúng ta cần nhanh chóng ứng dụng và phát triển tự động hóa, nổi bật là các
sản phẩm Cơ điện tử như Robot. Vì thế đề tài nghiên cứu này xoay quanh vấn đề tìm hiểu
tính toán và thiết kế hệ thống cánh tay robot dùng để phân loại sản phẩm dựa trên vật liệu
sản phẩm nhằm mục đích nghiên cứu, tiếp cận ngành công nghiệp mới này
Mục tiêu được đặt ra là thiết kế và xây dựng thành công mô hình cánh tay máy 4
bậc tự do hoạt động hiệu quả trong việc phân loại sản phẩm
Đồ án nghiên cứu gồm:
- Trình bày giới thiệu chung về cánh tay robot
- Phương pháp thiết kế cơ khí, điện tử
- Tính toán động học, động lực học
- Xây dựng mô hình cánh tay robot
- Xây dựng chương trình điều khiển cánh tay robot
DUT.LRCC

II
LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian làm đề tài, chúng em đã thu nhận thêm được nhiều kiến thức bổ ích
cả trong sách vở lẫn thực tế và đã hoàn thành đề tài đúng thời gian quy định. Chúng em
xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy trong khoa cơ khí đã tận tình chỉ dạy những
kiến thức để chúng em có thể hoàn thành xong đề tài. Đặc biệt cảm ơn đến thầy Ngô Thanh
Nghị đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể
hoàn thành đê tài đúng theo thời gian quy định
DUT.LRCC

III
CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT
Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật:
- Không bịa đặt, đưa ra thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn.
- Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập
hoặc hoạt động học thuật khác.
- Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt
động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình.
- Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của
mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà không
trích dẫn.
- Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trình
dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên
nhiều ấn phẩm.
Sinh viên thực hiện
PHẠM HỮU CƯỜNG
ĐINH VĂN HỢP
DUT.LRCC

IV
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU..................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................... ii
CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT.................................................................. iii
MỤC LỤC......................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................. viii
DANH MỤC BẢNG......................................................................................................... ix
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ..................................................1
1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa .............................................................................1
1.1.1 Các khái niệm cơ bản .......................................................................................1
1.1.2 Robot công nghiệp............................................................................................2
1.2 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp...................................................................4
1.2.1 Kết cấu chung...................................................................................................4
1.2.1.1 Kết cấu tay máy .........................................................................................4
1.2.1.2 Robot tọa độ góc (cartesian robot) ...........................................................4
1.2.1.3 Robot tọa độ trụ (cylindrical robot)..........................................................5
1.2.1.4 Robot tọa độ cầu (spherical robot) ...........................................................5
1.2.1.5 Robot Scara ...............................................................................................5
1.2.1.6 Tay máy kiểu tay người .............................................................................5
1.2.2 Phân loại robot..................................................................................................5
1.2.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động.........................6
1.2.2.2 Phân loại theo thế hệ.................................................................................6
1.2.2.3 Phân loại theo điều khiển..........................................................................6
1.2.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động ................................................................7
1.2.3 Ứng dụng của robot công nghiệp .....................................................................7
1.2.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp.....................................................................7
1.2.3.2 Ứng dụng trong các thao tác cần khuếch đại lực .....................................8
DUT.LRCC

V
1.2.3.3 Ứng dụng trong lắp ráp.............................................................................9
1.3 Tổng quan về đề tài nghiên cứu ............................................................................10
1.3.1 Giới thiệu về đề tài .........................................................................................10
1.3.2 Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................10
1.3.3 Nguyên lý hoạt động ......................................................................................11
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ..............................12
2.1 Yêu cầu nhiệm vụ..................................................................................................12
2.2 Chọn phương án thiết kế .......................................................................................12
2.2.1 Chọn cụm phân loại........................................................................................12
2.2.1.1 Cánh tay robot 3 bậc tự do R-R-R...........................................................12
2.2.1.2 Cánh tay robot 4 bậc tự do R-R-R-R.......................................................13
2.2.1.3 Xi lanh – pit tông.....................................................................................13
2.2.2 Chọn cơ cấu gắp sản phẩm.............................................................................14
2.2.2.1 Cơ câu hút ...............................................................................................14
2.2.2.2 Cơ cấu kẹp sử dụng động cơ bước để tạo áp lực ....................................14
2.2.3 Chọn bộ điều khiển.........................................................................................15
2.2.3.1 Bộ điều khiển logic khả lập trình ( PLC ) ...............................................15
2.2.3.2 Vi điều khiển Arduino và PIC16F877A...................................................16
CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ..............................................17
3.1 Cánh tay robot 4 bậc tự do.....................................................................................17
3.1.1 Mica dùng để làm robot..................................................................................17
3.1.2 Động cơ servo MG995 ...................................................................................18
3.2 Băng tải..................................................................................................................20
3.3 Arduino Uno R3 ....................................................................................................22
3.3.1 Năng lượng.....................................................................................................22
3.3.2 Các chân năng lượng ......................................................................................23
3.3.3 Bộ nhớ ............................................................................................................23
3.3.4 Các cổng vào/ra ..............................................................................................23
DUT.LRCC

VI
3.3.5 Lập trình cho Arduino ....................................................................................24
3.4 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại ..............................................................................25
3.5 Cảm biến hình ảnh.................................................................................................26
3.6 Module LM2596....................................................................................................26
3.7 Module relay 5V DC .............................................................................................27
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...............................................................................29
4.1 Động học thuận của cánh tay robot .......................................................................29
4.1.1 Lý thuyết.........................................................................................................29
4.1.1.1 Bộ thông số Denavit-Hartenberg ............................................................30
4.1.1.2 Đặc trưng của các ma trận A ..................................................................32
4.1.1.3 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận của robot ................32
4.1.2 Tính động học thuận cánh tay robot...............................................................33
4.1.3 Kết luận ..........................................................................................................35
4.2 Động học ngược của cánh tay robot......................................................................35
4.2.1 Lý thuyết.........................................................................................................35
4.2.1.1 Động học ngược cánh tay robot..............................................................35
4.2.1.2 Điều kiện bài toán động học ngược ........................................................36
4.2.2 Tính động học ngược cánh tay robot..............................................................36
4.2.3 Kết luận ..........................................................................................................40
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN......................................................................41
5.1 Tạo giao diện người dùng nhờ công cụ guide của matlab.....................................41
5.2 Các loại ảnh trong matlab......................................................................................44
5.2.1 Ảnh chỉ số.......................................................................................................44
5.2.2 Ảnh biểu diễn theo độ sáng ............................................................................44
5.2.3 Ảnh nhị phân ..................................................................................................44
5.2.4 Ảnh RGB........................................................................................................44
5.3 Các hàm xử lý ảnh cơ bản trong matlab................................................................45
5.3.1 Hàm imread()..................................................................................................45
DUT.LRCC

VII
5.3.2 Hàm imshow() và imagesc() ..........................................................................45
5.3.3 Hàm imwrite() ................................................................................................45
5.3.4 Hàm rgb2gray() ..............................................................................................45
5.3.5 Hàm imhist()...................................................................................................45
5.3.6 Hàm imadjust()...............................................................................................45
5.3.7 Hàm im2bw()..................................................................................................46
5.3.8 Hàm imresize..................................................................................................46
5.4 Nguyên lý nhận dạng hình ảnh tròn,vuông và tam giác........................................46
5.5 Lưu đồ thuật toán...................................................................................................47
5.5.1 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển......................................................................47
5.5.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống.............................................................................48
PHỤ LỤC: CÁC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN....................................................50
1. Chương trình điều khiển matlab..............................................................................50
2. Chương trình điều khiển Arduino ...........................................................................57
TỔNG KẾT ......................................................................................................................63
1. những kết quả đạt được ...........................................................................................63
2. những hạn chế chưa làm được.................................................................................63
3. hướng phát triển của đề tài ......................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................64
DUT.LRCC

VIII
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Robot hàn điểm trong nhà máy cơ khí.......................................................7
Hình 1.2 Robot dùng trong thao tác động lực học của Nhật Bản.............................9
Hình 1.3 Robot lắp ráp Mitsubishi RV – 2AJ ........................................................10
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động ......................................................................11
Hình 2.1 Sơ đồ động robot 3 bậc tự do R-R-R.......................................................12
Hình 2.2 Mô hình robot 4 bậc tự do R-R-R-R........................................................13
Hình 3.1 Một số loại tấm mica có trên thị trường ..................................................18
Hình 3.2 Động cơ servo MG995 ............................................................................19
Hình 3.3 Băng tải....................................................................................................20
Hình 3.4 Động cơ băng tải......................................................................................21
Hình 3.5 Sơ đồ băng tải ..........................................................................................21
Hình 3.6 Board mạch Ardunio Uno........................................................................24
Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại OMKQN – DS30C4 ..............................25
Hình 3.8 Cảm biến hình ảnh Dahua Z2+................................................................26
Hình 3.9 Module LM2596......................................................................................26
Hình 3.10 Module relay 5V DC .............................................................................28
Hình 3.11 Sơ đồ kết nối module relay 5V DC........................................................28
Hình 4.1 Các vector định vị trí và định hướng của tay máy...................................30
Hình 4.2 Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu ...........................................................31
Hình 4.3 Các thông số của khâu θ, a, d và α...........................................................31
Hình 4.4 Mô hình robot R-R-R-R...........................................................................33
Hình 5.1 Guide qick start........................................................................................41
Hình 5.2 Cửa sổ biên soạn guide............................................................................42
Hình 5.3 Cửa sổ Property Inspector .......................................................................43
Hình 5.4 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển...............................................................47
Hình 5.5 Lưu đồ thuật toán hệ thống......................................................................48
Hình 5.6 Các chương trình con...............................................................................49
DUT.LRCC

IX
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ servo MG995...............................................19
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Ardino Uno R3..........................................................22
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Ardino Uno R3..........................................................25
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật....................................................................................26
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật module LM2596........................................................27
Bảng 3. 6 Thông số kỹ thuật Module relay 5V DC................................................27
Bảng 4.1 Bảng thông số D-H của cánh tay robot………………………………...34
DUT.LRCC

Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa
1.1.1 Các khái niệm cơ bản
Từ thời cổ xưa, con người đã mong muốn tạo ra những vật chất giống như mình để
bắt chúng phục vu cho bản thân. Ví dụ, trong kho thần thoại Hy lap có chuyện người khổng
lồ Promethe đúc ra con người từ đất sét và truyền cho họ sự sống, hoặc chuyện tên nô lệ
Talus khổng lồ được làm bằng đồng và được giao nhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete.
Đến năm 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rosum’s Universal
Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Séc, Karel Capek. Trong vở kịch này, ông
dùng từ “Robot”, biến thể của từ gốc Slavo “Robota”, để gọi một thiết bị lao công do con
người (nhân vật Rosum) tạo ra.
Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc
máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả
trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học
nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:
- Robot không được xúc phạm và không gây tổn hại cho con người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các qui tắc do con người đặt ra. Các quy tắc
này không phạm quy tắc thứ 1.
- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không được vi phạm 2
nguyên tắc trước.
Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot.
Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hình dung
như những chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của
chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định. Để hoàn thành nhiệm
vu đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành
các hoạt động tương tự con người.
Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận
động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống
này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí.
Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái
bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống
này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến.
DUT.LRCC

Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều
chỉnh “hành vi” của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi
trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển
thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Một cách đơn giản,
Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các
robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người,
như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Từ hiểu biết sơ bộ
về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu Robotics là một khoa học liên ngành gồm:
cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Theo thuật ngữ hiện nay, robot
là sản phẩm của ngành cơ điện tử.
Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot
thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người là tạo ra thiết bị thay thế mình
trong những hoạt động không thích hợp với mình như:
- Các công việc lặp đi lặp lại,nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu,
lắp ráp, lau cọ nhà,…
- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũ trụ,
trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ
cao,…
- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn
trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch…
- Lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm. Ngày
nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thủy rất nhiều. Sự
phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không
còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều con robot khác xa với
kết cấu các bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiệnđược
những việc vượt xa khả năng của con người.
1.1.2 Robot công nghiệp
Mặc dù, như định nghĩa chung về robot đã nêu, không có gì giới hạn phạm vi ứng
dụng của robot, nhưng có một thực tế là hầu hết robot hiện đang có đều được dùng trong
công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng đã thống nhất hóa, thương
mại hóa rộng rãi. Lớp robot này được gọi là robot công nghiệp. Kỹ thuật tự động hóa trong
công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ tự động hóa các quá trình vật lý mà cả
quá trình xử lý thông tin. Vì vậy, tự động hóa trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản
xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có tự động hóa nhờ máy
tính.
DUT.LRCC

Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng tự động hóa :
- Tự động hóa cứng (Fixed Automation): được hình thành dưới dạng các thiết bị
dây chuyền chuyên môn hóa theo đối tượng (sản phẩm). Nó được ứng dụng có
hiệu quả trong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng rất lớn các sản phẩm
cùng loại.
- Tự động hóa khả trình (Programmable Automation): được ứng dụng chủ yếu
trong sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công
nghiệp. Hệ thống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho
phép dễ dàng lập trình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình
công nghệ sản xuất ) sản phẩm.
- Tự động hóa linh hoạt (Flexible Automation): là dạng phát triển của tự động hóa
khả trình. Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính,
cho phép thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần hạn chế (hoặc hạn chế) sự
can thiệp của con người. Tự động hóa linh hoạt được biểu hiện dưới 2 dạng: tế
bào sản xuất linh hoạt và hệ thống sản xuất linh hoạt.
Robot công nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản:
- Là thiết bị vạn năng, được tự động hóa theo chương trình và có thể lập trình lại
để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như
vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,…
Vì thể hiện 2 đặc trưng cơ bản trên của robot công nghiệp, hiện nay định nghĩa sau
đây về robot công nghiệp do viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi.
Robot công nghiệp là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình
lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công
nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng
khác.
Ngoài các ý trên, định nghĩa theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga còn bổ sung
cho robot công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất. 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 thêt lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng
vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Với đặc điểm có thể lập trình lại, robot
công nghiệp là thiết bị tự động hóa khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể
thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt.
DUT.LRCC

1.2 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
1.2.1 Kết cấu chung
Mọi Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:
- Tay máy (manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành
cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và
bàn tay (end effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực
của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết
hợp giữa chúng.
- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.
Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ
cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
1.2.1.1 Kết cấu tay máy
Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của RBCN. Đó là thiết bị cơ
khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như
nâng hạ vật, lắp ráp,…Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác
cấu tạo và chức năng của tay người. Về sau, đây không còn là điều bắt buộc nữa. Tay máy
hiện nay rất đa dạng và có nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay người. Tuy nhiên, trong
kỹ thuật robot người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc như: vai, cánh tay, cổ tay, bàn
tay và các khớp… để chỉ tay máy và các bộ phận của nó. Trong thiết kế và sử dụng tay
máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của
chúng như:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,…
- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dạng vùng mà phần công tác có
thể với tới.
- Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng
làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác.
Ngoài ra để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3 chiều
cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị trí, 3 bậc tự do để định hướng.
1.2.1.2 Robot tọa độ góc (cartesian robot)
Robot tọa độ góc còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt,cho phép phần công
tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục tọa độ. Vùng
làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu
DUT.LRCC

này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm
việc nhưng ít khéo léo. Vì vậy,tay máy kiểu tọa độ góc được dùng để vận chuyển lắp ráp.
1.2.1.3 Robot tọa độ trụ (cylindrical robot)
Khác với tay máy kiểu tọa độ góc ở khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp
trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay
máy thò được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt thích
hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi
tầm với tăng.
1.2.1.4 Robot tọa độ cầu (spherical robot)
Kháckiểu trụ do khớp thứ 2 (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo
chuyển động của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng
với khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của
tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên
loại này có thể nhặt được vật dưới nền.
1.2.1.5 Robot Scara
Được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại trường đại học Yamasashi dùng cho công
việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt,
nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn
theo phương đứng nhưng kém cứng vững theo phương ngang. Loại này chuyên dùng cho
công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng.
1.2.1.6 Tay máy kiểu tay người
Có cả 3 khớp đều xoay, trong đó trục quay thứ nhất vuông góc với 2 trục kia. Do sự
tương tự với tay người, khớp thứ 2 được gọi là khớp vai, khớp thứ 3 là khớp khuỷu nối
cẳng tay cới khuỷu tay. Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển
động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định
vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy này
gần giống một khối cầu.
1.2.2 Phân loại robot
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của
robot để giúp cho việc nhận biết được dễ dàng. Yếu tố chính để phân loại robot như sau :
- Theo dạng hình học của không gian hoạt động.
- Theo thế hệ robot.
- Theo họ điều khiển.
- Theo nguồn dẫn động.
DUT.LRCC

1.2.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động
- Robot tọa độ góc (cartesian robot).
- Robot tọa độ trụ (cylindrical robot).
- Robot toa độ cầu (spherical robot).
- Robot khớp bản lề.
1.2.2.2 Phân loại theo thế hệ
Theo quá trình phát triển của robot,ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:
- Robot thế hệ thứ nhất
o Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình.
o Điều khiển vòng hở.
o Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều
khiển,tuy nhiên không thể thay đổi chương trình được.
o Sử dụng phổ biến trong công việc gắp-đặt (pick and place)
- Robot thế hệ thứ 2
o Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy.
o Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản
hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước.
o Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím,
panen điều khiển.
o Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý
thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh.
o Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình
dạng và kích thước khá khác biệt nhau.
o Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự
lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên
các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.
o Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với
điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập
hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.
1.2.2.3 Phân loại theo điều khiển
- Điều khiển hở dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí
nén,…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển.
Kiểu điều khiển này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp.
DUT.LRCC

- Điều khiển kín (hay điều khiển servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ
chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm – điểm và
điều khiển theo đường (contour).
o Với kiểu điều khiển điểm - điểm phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến
điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc ). Nó chỉ làm việc
tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm,
vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,…
o Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất
kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên
các robot hàn hồ quang,phun sơn.
1.2.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động
- Robot dùng nguồn cấp điện.
- Robot dùng nguồn khí nén.
- Robot nguồn thủy lực.
1.2.3 Ứng dụng của robot công nghiệp
1.2.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng dụng
ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Một trong những công việc kém
năng suất nhất của con người là rèn luyện kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi
hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng.
Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề
khó khăn đối với ngành công nghiệp này và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế
công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn và
xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ.
Hình 1.1 Robot hàn điểm trong nhà máy cơ khí
DUT.LRCC

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều
nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa đi khắp nhà máy. Khi xe
đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di
chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước.
Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người, nhưng
lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con người phải mất hai năm để
nắm kĩ được kĩ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể
học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vòng vài giờ và có khả năng lập lại một cách chính
xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp
giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi
trường độc hại. Tất cả các robot phun sơn đều được “dạy” bởi một thợ sơn chuyên nghiệp
giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng hướng, đường đi nó ghi lại và khi robot thực hiện
công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn. Như thế, robot phun
sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng. Robot
còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn
trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào
các trạm trung chuyển.
1.2.3.2 Ứng dụng trong các thao tác cần khuếch đại lực
Kỹ thuật robot được ứng dụng đầu tiên trong công nghiệp hạt nhân với sự phát triển
của điều khiển qua màn hình để xử lý vật liệu phóng xạ. Gần đay hơn robot được sử dụng
để hàn từ xa và kiểm tra đường ống trong vùng nhiễm xạ nặng. Tai nạn nhà máy điện hạt
nhân Three Mile Island ở Pennsylvania năm 1979 thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của
robot vào công nghiệp hạt nhân. Lò phản ứng số 2 (TMI-2) mất chất làm nguội, làm cho
lò phản ứng chính bị hư hại nặng, đặt một vùng rộng lớn trong tình trạng không thể can
thiệp được bởi con người. Do sự phát xạ nặng, các công việc dọn dẹp chỉ có thể được thực
hiện thông qua điều khiển từ xa qua robot. Một ứng dụng phổ biến nữa là dùng robot để
bốc dỡ hàn hóa, vật liệu, phôi có trọng lượng lớn, cồng kềnh trong các ngành công nghiệp
nặng. Robot loại này có thể nâng tải trọng lên đến tối đa một tấn một cách dễ dàng với độ
chính xác vị trí nhỏ hơn 1mm. Hình 1.2 trình bày một robot được gọi là “Hercules of
Today”, thể hiện sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển chính xác, thủy lực và kỹ thuật điện
tử.
DUT.LRCC

Hình 1.2 Robot dùng trong thao tác động lực học của Nhật Bản
1.2.3.3 Ứng dụng trong lắp ráp
Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn toàn, ở đó một
bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can thiệp của
con người vào quá trình sản xuất. Hãy thử hình dung một môi trường sản xuất tự động
hoàn toàn từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế ra sản
phẩm sau đó đặt vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi
tiết trong nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự
động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động.
Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được đầu tư
nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua. Hiện nay các nhà máy lớn hiện đại đều áp
dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi
tiết ở cấp thấp. Một trong những trở ngại chính là liên kết các tầng với nhau. Một khó khăn
khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính của sản phẩm.
Ví dụ, việc lập ra một cách tự động trình tự lắp ráp các chi tiết với nhau trong khâu lắp ráp.
Robot được sử dụng để tự động hoá quá trình lắp ráp trong những nhà máy như thế.
Khâu này tập trung nhiều lao động và khó hơn nhiều so với dự tính. Ví dụ, cầm một cái
mỏ hàn tay đơn giản và tháo nó ra từng phần. Có bao nhiêu chi tiết? Có bao nhiêu cách lắp
ráp nó? Bạn có thể lắp ráp nó bằng một tay hay không? Bạn có thể nhắm mắt lắp được
nó hay không? Bây giờ bạn đang gặp phải sự giới hạn của robot. Sự phát triển của cảm
biến và sự ứng dụng nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp
DUT.LRCC

ráp. Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn là một vật thể nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung
mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hướng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó
vào cơ cấu kẹp chặt, lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ tự và lắp vào chi tiết đầu tiên.
Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa một chi tiết vào một chi
tiết kia, đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay phun keo, v.v...
Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong công đoạn lắp ráp
hay không. Trong thực tế , khi sản phẩm được thiết kế khéo léo thì người công nhân có thể
lắp ráp sản phẩm trong một thời gian rất ngắn.
Hình 1.3 Robot lắp ráp Mitsubishi RV – 2AJ
1.3 Tổng quan về đề tài nghiên cứu
1.3.1 Giới thiệu về đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển của các nghành khoa học kỹ thuật, trong đó điều
khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản
lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin... Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận
dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế
giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Một trong
những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm sản
xuất ra được các băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm.
Vì vậy đồ án tốt nghiệp này chúng em sẽ nghiên cứu chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm
dựa trên biên dạng sản phẩm (tròn, vuông tam giác).
1.3.2 Tính cấp thiết của đề tài
Đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được
áp dụng trong những khâu phân loại, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhân công, chính vì
DUT.LRCC

vậy cho ra năng suất thấp chưa đạt hiểu quả cao. Từ những điều đã được nhìn thấy trong
thực tế cuộc sống và những kiến thức mà chúng em đã học được ở trường muốn tạo ra hiệu
suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác cao. Nên chúng
em quyết định thiết kế và thi công mô hình sử dụng băng chuyền để phân loại sản phẩm vì
nó rất gần gũi với thực tế, vì trong thực tế có nhiều sản phẩm được sản xuất ra đòi hỏi phải
có hình dáng, biên dạng tương đối chính xác và nó thật sự có ý nghĩa đối với chúng em,
góp phần làm cho xã hội ngày càng phát triển mạnh hơn, để xứng tầm với sự phát triển của
thế giới.
1.3.3 Nguyên lý hoạt động
Hệ thống hoạt động với nguyên lý như sau: Sau khi nhận được tín hiệu bắt đầu hoạt
động hệ thống sẽ cho băng tải chạy. Trên băng tải có gắn cảm biến hình ảnh và cảm biến
tiệm cận hồng ngoại theo thứ tự theo chiếu chạy của băng tải. Khi sản phẩm chạy qua cảm
biến hình ảnh thì cảm biến sẽ chụp ảnh lại sau đó phân tích xử lý hình ảnh. Khi vật đi đến
cảm biến tiệm cận, cảm biến tiệm cận có tín hiệu, dừng băng tải, rồi dùng cánh tay robot
gắp bỏ vào các khay chứa sản phẩm tương ứng
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động
DUT.LRCC

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1 Yêu cầu nhiệm vụ
Với đề tài được chọn là phân loại sản phẩm, nhiệm vụ là gắp một sản phẩm
trên băng tải rồi bỏ vào vị trí theo yêu cầu. Trong phạm vi đề tài đồ án tốt nghiệp, nhóm
em làm mô hình hệ thống cánh tay robot dùng để phân loại sản phẩm theo hình dáng của
sản phẩm. Mô hình này là một mô hình nhỏ với kích thước tổng thể DxRxC = 800 x 550 x
450(mm). Phôi có khối lượng nhẹ khoảng từ 50g đến 100g, kích thước phôi nhỏ phù hợp
với mô hình thiết kê. Phôi được đưa đến các cảm biến nhờ băng tải, sau đó các cảm biến
nhận diện phôi và điều khiển cánh tay robot gắp phôi bỏ vào đúng vị trí ứng với sản phẩm
có biên dạng tròn, vuông tam giác. Để gắp được 1 vật robot phải thực hiện các chuyển
động sau: bao gồm chuyển động xoay thân tới phía có vật, gập thân tiếp cận vật cần gắp,
kẹp vật, nâng thân lên, xoay về vị trí khay, gập thân xuống và thả vật vào trong khay chứa.
2.2 Chọn phương án thiết kế
2.2.1 Chọn cụm phân loại
2.2.1.1 Cánh tay robot 3 bậc tự do R-R-R
Robot với cấu hình 3 bậc tự do R-R-R, bao gồm : khớp đầu tiên là khớp xoay giúp
cánh tay xoay sang hai bên, tiếp đó là 2 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để nâng hạ
vật và tay kẹp dùng để gắp vật.
Hình 2.1 Sơ đồ động robot 3 bậc tự do R-R-R
Ưu điểm:
- Thiết kế cơ khí không phức tạp.
- Có thể thực hiện được yêu cầu của đề tài
Nhược điểm:
- Tầm với của robot không lớn
- Robot ít linh động nên việc điều khiển tiếp cận vật khó khăn.
DUT.LRCC

2.2.1.2 Cánh tay robot 4 bậc tự do R-R-R-R
Robot với cấu hình 4 bậc tự do R-R-R-R, bao gồm : khớp đầu tiên là khớp xoay
giúp cánh tay xoay sang hai bên, tiếp đó là 3 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để
nâng hạ vật và tay kẹp dùng để gắp vật.
Hình 2.2 Mô hình robot 4 bậc tự do R-R-R-R
Ưu điểm:
- Tầm với của robot lớn hơn so với robot 3 bậc tự do R-R-R
- Với 4 bậc tự do robot linh hoạt hơn trong việc di chuyển tiếp cận vật.
Nhược điểm:
- Thiết kế cơ khí phức tạp hơn so với robot 3 bậc tự do R-R-R
- Điều khiển robot cũng phức tạp hơn
2.2.1.3 Xi lanh – pit tông
Xi lanh – pit tông là một cơ cấu nằm trong hệ thống thủy lực – khí nén được dùng
để biến động năng thành cơ năng nhờ vào việc chuyển động tịnh tiến giữa xy lanh và pit
tông. Xy lanh được chia làm 2 loại căn bản là xy lanh quay và xy lanh lực.
Ưu điểm:
- Dễ sử dụng, mang đến hiệu quả cao.
- Có khả năng truyền áp lực mạnh với công suất cao.
- Thiết kế nhỏ gọn, mang tính ứng dụng cao cho nhiều loại máy móc.
- Độ tin cậy cao trong hoạt động, ít đòi hỏi phảo bảo dưỡng thường xuyên.
- Có thể làm việc ở tốc độ cao mà không sợ va đập mạnh.
DUT.LRCC

- Theo dõi dễ dàng bằng áp kế để điều chỉnh hệ số phù hợp ngay cả những hệ
thống phức tạp.
Nhược điểm:
- Khi mới hoạt động, nhiệt độ hệ thống không ổn định, vận tốc sẽ bị thay đổi khi
độ nhớt trên trong thay đổi gây ảnh hưởng đến hệ thống.
- Tiêu hao chất lỏng trong quá trình dẫn ống và bị rò rỉ bên trong có thể làm giảm
hiệu suất.
- Độ tỏa nhiệt cao khi quá trình hoạt động nhanh, công suất lớn.
Ta chọn phương án thiết kế mô hình hệ thống với 1 cánh tay robot 4 bậc tự do R-R-
R-R với không gian làm việc vừa đủ, tốc độ làm việc nhanh, năng suất phân loại phù hợp
với yêu cầu của đề bài.
Vậy nội dung thực hiện đề tài sẽ là thiết kế và chế tạo hệ thống robot 4 bậc tự do
thực hiện công việc phân loại sản phẩm bỏ vào vị trí yêu cầu.
2.2.2 Chọn cơ cấu gắp sản phẩm
2.2.2.1 Cơ câu hút
Cơ câu hút là cơ cấu lợi dụng lực hút để hút và giữ sản phẩm bằng cách sử dụng đầu
hút. Đầu hút có thể là đầu hút nam châm hay là đầu hút chân không…
Ưu điểm :
- Cơ câu hút nhỏ gọn dễ sử dụng, dễ điêu khiển
- Dễ dàng sử dụng,có thể hút được các sảm phẩm lớn mà cơ cấu đơn giản
- Dễ dàng sửa chữa hơn khi có sự cố
Nhược điểm:
- Cơ cấu hút chỉ phù hợp với một số loại sản phẩm nhất định
- Chi phí cũng đắt hơn với việc sử dụng động cơ
2.2.2.2 Cơ cấu kẹp sử dụng động cơ bước để tạo áp lực
Cơ cấu kẹp sử dụng các má kẹp, nhờ áp lực tạo ra giữa các má kẹp với sản phẩm để
giữ sản phẩm không bị rơi rớt trong quá trình cụm phân loại làm việc.
Ưu điểm:
- Cơ cấu kẹp sử dụng động cơ bước tạo áp lực nên nhỏ gọn, dễ lập trình điều khiển
Nhược điểm:
- Áp lực kẹp không lớn lắm, chỉ phù hợp với các mô hình nhỏ.
DUT.LRCC

- Nếu sản phẩm lớn thì động cơ cần phải có momen lớn dấn đến động
cơ lớn, cánh tay nặng phía trên khó khăn trong việc di chuyển
Với những ưu nhược điểm trên của 2 phương án cùng với việc sử dụng mô hình
cánh tay gắp sản phẩm nhỏ nhẹ thì chúng em chọn phương án dùng cơ cấu kẹp sử dụng
động cơ bước để gắp sảm phẩm.
2.2.3 Chọn bộ điều khiển
Bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc
của một hệ động học cho trước. Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của
hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết.
2.2.3.1 Bộ điều khiển logic khả lập trình ( PLC )
Bộ điều khiển logic khả trình PLC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động
hóa công nghiệp. PLC trở thành một thành phần cơ bản để tích hợp hệ thống điều khiển
các dây chuyền sản xuất. PLC được sử dụng không những trong các bộ điều khiển logic
mà còn được sử dụng trong các bộ điều khiển quá trình, tích hợp trong các hệ điều khiển
phân tán (DCS) và các hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu (SCADA).
Chủng loại của PLC rất phong phú từ nhiều nhà sản xuất, nhiều hãng cung cấp thiết
bị. Một số họ PLC do hãng sản xuất chuyên dùng để tích hợp trong các hệ thống của chính
họ. Một số họ PLC có tính thương mại, phục vụ các nhà thiết kế và tích hợp hệ thống.
Thậm chí, một nhà sản xuất có thể đưa ra nhiều chủng loại PLC rất khác nhau đáp ứng nhu
cầu thực tế. Có một đặc điểm chung là, nhà cung cấp PLC đồng thời là nhà cung cấp phần
mềm, các công cụ lập trình, các sản phẩm liên quan và các giải pháp ứng dụng. Các hãng
sản xuất PLC nổi tiếng và có sản phẩm được sử dụng rộng rãi: Siemens (Đức), Allen -
Bradley (Mỹ), Omron (Nhật)…
Vai trò to lớn, tính ứng dụng rộng rãi và mềm dẻo của PLC đã được sự quan tâm
sâu sắc của các nhà thiết kế, tích hợp hệ thống, kỹ sư, cán bộ kỹ thuật… thuộc nhiều lĩnh
vực khác nhau và được giảng dạy ở các ngành tự động hóa, điều khiển tự động, điện tử…
của các trường đại học, cao đẳng công nghệ. Tuy nhiên, việc tiếp cận một cách có hệ thống
còn gặp nhiều khó khăn do sự phong phú về chủng loại PLC, tính riêng biệt của từng loại
sản phẩm, phần mềm và các công cụ của từng nhà cung cấp.
Ưu điểm:
- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
- Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.
- Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa.
DUT.LRCC

- Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở
rộng chức năng khác
- Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công
nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền
thông với các thiết bị khác.
Nhược điểm:
- Giá thành phần cứng cao
- Một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình
- Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao
2.2.3.2 Vi điều khiển Arduino và PIC16F877A
PIC16F877A là một vi điều khiển 8 bit tần trung của hãng Microchip. Nó có kiến
trúc kiểu Harvard sử dụng tập lệnh kiểu RISC (Reduced Instruction Set Computer) chỉ với
35 lệnh cơ bản, tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ
nhánh.
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng
điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.Arduino giống như một
máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần
phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code. Arduino gồm phần cứng gồm
một board mạch mã nguồn mở (thường gọi là vi điều khiển): có thể lập trình được và các
phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) dùng để
soạn thảo, biên dịch code và nạp chương cho board.
Arduino có những ưu điểm vượt trội hơn Pic đó là:
- Cộng đồng Arduino lớn nên dễ dàng trao đổi
- Các chức năng giúp đơn giản hóa các công việc
Bên cạnh đó nó cũng có một số nhược điểm như:
- Cấu trúc của nó chỉ phù hợp với các cơ cấu nhỏ,nếu các dự án lớn thì cần gắn
thêm PCB làm phình to cấu trúc.
- Việc dễ dàng sử dụng cũng là một nhược điểm của nó bởi vì phần cứng và phần
mềm của Arduino dễ sử dụng nên bạn sẽ không biết những điều cơ bản như giao
tiếp nối tiếp, ADC, I2C,....
Với những ưu điểm trên của arduino thì ta chọn arduino làm bộ điều khiển.
DUT.LRCC

CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG
3.1 Cánh tay robot 4 bậc tự do
Với yêu cầu của mô hình là robot nhỏ, linh hoạt, dễ điều khiển, và với hạn chế về
kích thước thì nhóm em thiết kế robot có độ với của cánh tay là khoảng 20 cm và có thể
nâng được vật có trọng lượng là từ 50 đến 100g.
Hệ thống có 1 cánh tay robot được làm chủ yếu bằng nhựa mica, để điều khiển một
cách chính xác các khâu các khớp của robot ta chọn động cơ servo loại MG995. Thân robot
được làm bằng mica nên ta thiết kế trước bằng phần mềm solidwork sau đó lắp ghép lại
sao cho đồng tâm đồng trục.
Robot có khớp 1 là khớp đế xoay chịu lực uốn và lực nén, khớp 2,3,4 chủ yếu chịu
lực cắt tại 2 vị trí nối với khâu tiếp theo ta sử dụng trục Ө7.5 của động cơ để truyền động
cho các khớp.
Tay kẹp ứng dụng nguyên lý má kẹp song song tiếp xúc tốt hơn với vật công tác.
Truyền động cho má kẹp đóng mở bằng 1 động cơ servo MG90S
3.1.1 Mica dùng để làm robot
Mica dùng để làm robot là loại mica trong suốt dày 3mm. Mica là 1 loại nhựa dẻo
có màu sắc và đa dạng chủng loại,được sử dụng thay thế kính cường lực và có nhiều công
dụng. Mica Trong thường được so sánh với kính thủy tinh. Nó có trọng lượng bằng ½ so
với kính và nặng tương đương Tấm Polycarbonate và cho khoảng 98% ánh sáng xuyên qua
nó ( đối với mica có độ dày 3mm ). Nó bị đốt cháy ở 460° C (860 ° F). Mặc dù được coi là
bền hơn so với thủy tinh, nó không thể chịu được áp lực mạnh lên bề mặt của nó vì vậy nó
sẽ bị một chút va chạm (trầy xước).Tuy nhiên, không phải mọi loại tấm nhựa mica đều
giống nhau, chất lượng của nó còn tùy vào công nghệ sản xuất.
Mica có trọng lượng không đáng kể so với kim loại như nhôm, rẻ hơn nhôm nhưng
vẫn đáp ứng được nhu cầu về độ cứng, độ dẻo để làm mô hình cánh tay robot nên nhóm
chọn mica là vật liệu chính để làm nên cánh tay robot.
DUT.LRCC

Hình 3.1 Một số loại tấm mica có trên thị trường
3.1.2 Động cơ servo MG995
Động cơ RC Servo MG995 là loại thường được sử dụng nhiều nhất trong các thiết
kế Robot hoặc dẫn hướng xe. Động cơ RC Servo MG995 có lực kéo mạnh, các khớp và
bánh răng được làm hoàn toàn bằng kim loại nên có độ bền cao, động cơ được tích hợp sẵn
Driver điều khiển động cơ bên trong theo cơ chế phát xung - quay góc nên rất dễ sử dụng.Có
rất nhiều chủng loại Động cơ RC Servo MG995 được bán trên thị trường với nhiều mức
giá khác nhau, loại chất lượng tốt, phù hợp để làm Robot có các đặc điểm như sau:
- Loại được sản xuất tốt luôn có đầy đủ bộ phụ kiện như hình: (tròn, sao, chữ thập,
4 cánh nhưng nhất định phải có hình tròn, loại chất lượng không tốt có rất ít phụ
kiện)
- Loại được sản xuất tốt luôn có độ gì nặng khi bạn thử nghiệm bằng cách quay
trục, thử nghiệm bằng cách gắn 1 trong các phụ kiện là các khớp nhựa vào động
cơ và quay bằng tay, loại chất lượng tốt có độ gì nặng, loại không tốt quay rất
nhẹ nên cũng rất yếu.
- Loại chất lượng tốt có dây dẫn cứng hơn loại chất lượng kém do xài nguyên liệu
tốt hơn.
DUT.LRCC

Hình 3.2 Động cơ servo MG995
Động cơ có thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ servo MG995
Thông số kỹ thuật Giá trị
Điện áp hoạt động 4.8V ~ 6V DC
Tốc độ quay 0.17 sec/60 độ: tại 4.8V chế độ không tải
0.13 sec/60 độ: tại 6V chế độ không tải
Mômen xoắn 13 kg/cm: tại 4.8V, 15 kg/cm: tại 6V
Góc quay 180°
Bánh răng kim loại
Kích thước 40 x 20 x 47mm
Chiều dài dây điện 175mm
Khối lượng 48g
Nhiệt độ hoạt động 0°C ~ 55°C
Sơ đồ nối dây - Dây cam: Xung
- Dây đỏ: Vcc (4.8V ~ 6V)
- Dây đen: GND / 0V
Với momen xoắn ở mức điện áp 6V là 15 Kg.cm, cánh tay robot với được khoảng
20 cm thì cánh tay có thể nâng được phôi nặng 100g. Ta áp dụng công thức tính Momen
bằng lực nhân cánh tay đòn thì ta có:
DUT.LRCC

Lực là trọng lực của phôi 100g = 0.1Kg
Cánh tay đòn là chiều dài mà robot với được 20cm
Ta có . . 0.1 20 2 .
M F d P d Kg cm
     < 15kg.cm
Vậy chọn động cơ MG995 để làm động cơ cho cánh tay robot
3.2 Băng tải
Băng tải dùng để chuyển vật công tác đến cánh tay để gắp và phân loại. Trên băng
tải có gắn các cảm biến để nhận diện biên dạng vật là tròn, vuông hay tam giác. Băng tải
có kích thước D x R x C = 500 x 200 x 500 (mm). Vật liệu làm băng tải chủ yếu là thép
định hình và một số vật liệu tổng hợp
Băng tải hoạt động với tốc độ chậm nên ta chọn động cơ điện một chiều truyền động
qua một nối trục gắn với ổ bi và bulley và trục. Đai băng tải là vật liệu tổng hợp có màu
sẫm màu để tránh phản xạ ánh sáng.
Hình 3.3 Băng tải
Băng tải hoạt động với tốc độ thấp nên ta chọn động cơ DC 24V như sau:
- Công suất định mức 12kW
- Tốc độ quay 3000 vòng/phút
- Tốc độ quay đầu ra 60 vòng/phút
DUT.LRCC

Hình 3.4 Động cơ băng tải
Hình 3.5 Sơ đồ băng tải
- Đường kính pulley dẫn và pulley bị dẫn D1 = D2 = 30 mm
- Khoảng cách giữa 2 trục L= 450 mm
- Bề rộng đai B = 100 mm
- Khối lượng trung bình của vật m = 0.2 kg
- Để vật cân bằng trên băng tải thì tổng hợp lực đặt lên vật là bằng 0
Ta có: 0
ms keo
P N F F
   
- Trọng lượng P của vật là :
P = m.g = 0,2.9,8 = 1 , 96 ( N ) .
- Phân lực N của băng chuyền đối với sản phẩm l:
N = P = 1,96 ( N ) .
- Lực ma sát Fms của bộ truyền là :
Fms = kN = 0,8.1,96 = 1,568 ( N ) .
Trong đó : k là hệ số ma sát giữa vật và băng tải .
- Lực kéo Fkéo là :
Fkéo = ma + Fms = 0,2.
0,052
2.0,15
+ 1,568 = 1,5696 ( N)
- Moomen M:
M =
𝐹𝑘é𝑜.(
𝐷
2
)
1000
=
1,5696(
30
2
)
1000
=0,0235 (Nm)
- Công A thực hiện của lực kéo là:
A = Fkéo.S = 1,5696.0.55 = 0,863 (J)
DUT.LRCC

- Tốc độ quay trên các trục( vận tốc băng tải) là
V =
𝜋.𝐷,𝑛
60.1000
=
𝜋.30.60
60.1000
= 0,094 m/s
3.3 Arduino Uno R3
Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế hệ thứ 3, với khả năng lập trình cho các
ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh cho các loại bộ nhớ ROM,
RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu
PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI
(I2C)..
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Ardino Uno R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
3.3.1 Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn
ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn
bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp
nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino UNO.
DUT.LRCC

3.3.2 Các chân năng lượng
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được
nối với nhau.
- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương
của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo
ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn
5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với
việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
3.3.3 Bộ nhớ
- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ
nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ
được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ
nhớ này đâu.
- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai
báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều
bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành
thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
- 1KB cho EEPROM: đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc
và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như
dữ liệu trên SRAM.
3.3.4 Các cổng vào/ra
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều
có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì
các điện trở này không được kết nối).
DUT.LRCC

Hình 3.6 Board mạch Ardunio Uno
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive
– RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông
qua 2 chân này.
- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân
giải 8bit (giá trị từ 0 → 28
-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V
đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các
chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao
thức SPI với các thiết bị khác.
- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13.
Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit
(0 → 210
-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn
có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện
áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ
0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI
với các thiết bị khác.
3.3.5 Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng. Ngôn
ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring lại là
DUT.LRCC

một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay
C/C++. Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triển Arduino cũng
gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học,
dễ hiểu.
3.4 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại
Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E3F-DS30C4 dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định
khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát
tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt. Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn
thông qua biến trở, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở nên cần thêm 1 trở treo lên nguồn ở
chân output khi sử dụng.
Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại OMKQN – DS30C4
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Ardino Uno R3
Thông số kỹ thuật Giá trị
Nguồn điện cung cấp 6 ~ 36VDC
Khoảng cách phát hiện 5 ~ 30cm
Có thể điều chỉnh khoảng cách Qua biến trở
Dòng kích ngõ ra 300mA
Ngõ ra NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra
Chất liệu sản phẩm nhựa
Có led hiển thị ngõ ra Led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
Kích thước 1.8cm (D) x 7.0cm (L).
Nối dây - Nâu: VCC.
- Đen: Ra tín hiệu.
- Xanh dương: GND.
DUT.LRCC

3.5 Cảm biến hình ảnh
Hình 3.8 Cảm biến hình ảnh Dahua Z2+
Đây là một loại cảm biến hình ảnh giá rẻ nhungư chất lượng tốt, thu được hình ảnh
ở độ phân giải HD cho chất lượng hình ảnh sắc nét, dễ dàng để xử lý ảnh.
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật
Sản phẩm Webcam
Hãng sản xuất Dahua
Model Z2+
Độ phân giải video HD720P
Độ phân giải ảnh chụp N/A
Microphone Có
Cổng kết nối USB 2.0
3.6 Module LM2596
Mạch Giảm Áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra
đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 9v vào
module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v...như 5V hay 3.3V.
Hình 3.9 Module LM2596
DUT.LRCC

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật module LM2596
Cách ly nguồn Không
Nguồn đầu vào Từ 4 – 35 V
Nguồn đầu ra Từ 1 – 30 V
Dòng ra Max 3A
Kích thước mạch 53mm x 26mm
Đầu vào INPUT+, INPUT-
Đầu ra OUTPUT+, OUTPUT-
3.7 Module relay 5V DC
Module relay bản chất là dùng relay để điều khiển đóng mở, dùng điện áp nhỏ để
kích mở điện áp lớn. Module relay 5VDC Có kích thước nhỏ gọn, tiện lợi và dễ sử dụng
nên được sử dụng rất rộng rãi. Thường được dùng như một công tắc điện , dùng để điều
khiển các thiết bị công suất lớn ( đèn, động cơ, ...)
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật Module relay 5V DC
Nguồn đầu vào 5 V DC
Chân IN Kích mở relay
Jump H/L level trigger Thiết lập mức điều khiển relay. Có 2 mức : high / low.
Đầu ra - COM: Tiếp điểm relay 220V 10A ( Lưu ý tiếp điểm ,
không phải điện áp ra)
- NO: chân thường mở
- NC: chân thường đóng
Cách đọc thông số trên relay - 10A - 250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp
điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 250V (AC) là 10A.
- 10A - 30VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp
điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 30V (DC) là 10A.
- 10A - 125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp
điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 125V (AC) là 10A.
- 10A - 28VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp
điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 28V (DC) là 10A.
- SRD-05VDC-SL-C: Hiện điện thế kích tối ưu là 5V.T
DUT.LRCC

Hình 3.10 Module relay 5V DC
Hình 3.11 Sơ đồ kết nối module relay 5V DC
DUT.LRCC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4.1 Động học thuận của cánh tay robot
4.1.1 Lý thuyết
Bất kỳ một Robot nào cũng có thể coi là một tập hợp các khâu (links) gắn liền với
các khớp (joints). Ta hãy đặt trên mỗi khâu của Robot một hệ tọa độ. Sử dụng các phép
biến đổi thuần nhất có thể mô tả vị trí tương đối và hướng giữa các hệ tọa độ này. Denavit.
J đã gọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp là một ma
trận A. Nói đơn giản hơn, một ma trận A là một mô tả biến đổi thuần nhất bởi phép quay
và phép tịnh tiến tương đối giữa hệ tọa độ của hai khâu liền nhau. A1 mô tả vị trí và hướng
của khâu đầu tiên, A2 mô tả vị trí và hướng của khâu thứ hai so với khâu thứ nhất. Như vậy
vị trí và hướng của khâu thứ hai so với hệ tọa độ gốc được biểu diễn bởi ma trận:
T2 = A1.A2
Cũng như vậy, A3 mô tả khâu thứ ba so với khâu thứ hai là:
T3 = A1.A2.A3 ; v.v…
Cũng theo Denavit, tích của các ma trận A được gọi là ma trận T, thường có hai chỉ
số: trên và dưới. Chỉ số trên chỉ tọa độ tham chiếu tới, bỏ qua chỉ số trên nếu chỉ số đó bằng
0. Chỉ số dưới thường dùng để chỉ khâu chấp hành cuối. Nếu một Robot có 4 khâu ta có:
T4 = A1.A2.A3. A4
T4 mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ
gốc. Một Robot 4 khâu có thể có 4 bậc tự do và có thể được định vị trí và hướng trong
trường vận động của nó. Ba bậc tự do xác định vị trí thuần túy và ba bậc tự do khác xác
định hướng mong muốn. T4 sẽ là ma trận trình bày cả hướng và vị trí của Robot. Hình 4.1
mô tả quan hệ đó với bàn tay máy. Ta đặt gốc tọa độ của hệ mô tả tại điểm giữa của các
ngón tay. Gốc tọa độ này được mô tả bởi vectơ p (xác định vị trí của bàn tay). Ba vectơ
đơn vị mô tả hướng của bàn tay được xác định như sau:
- Vectơ có hướng mà theo đó bàn tay sẽ tiếp cận đến đối tượng, gọi là vectơ 𝑎
⃗
(approach).
- Vectơ có hướng mà theo đó các ngón tay của bàn tay nắm vào nhau khi cầm nắm
đối tượng, gọi là vectơ 𝑜
⃗ (Occupation).
- Vectơ cuối cùng là vectơ pháp tuyến n (normal), do vậy ta có:
𝑛
⃗⃗ = 𝑜
⃗ x 𝑎
⃗
DUT.LRCC

Hình 4.1 Các vector định vị trí và định hướng của tay máy
Chuyển vị T4 như vậy sẽ bao gồm các phần tử:
Tổng quát, ma trận T6 có thể biểu diễn gọn hơn như sau:
𝑇4 = [
𝑀𝑎 𝑡𝑟ậ𝑛 đị𝑛ℎ ℎướ𝑛𝑔 𝑅 𝑉𝑒𝑐𝑡ơ 𝑣ị 𝑡𝑟í 𝑝
0 0 0 1
]
Vectơ điểm 𝑝
⃗ có kích thước 3x1, biểu diễn mối quan hệ tọa độ vị trí của gốc hệ tọa
độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ cơ bản.
4.1.1.1 Bộ thông số Denavit-Hartenberg
Một Robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động.
Gốc chuẩn (Base) của một Robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu. Khâu 1 nối
với khâu chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối cùng. Bất kỳ khâu
nào cũng được đặc trưng bởi hai kích thước:
- Độ dài pháp tuyến chung: an
- Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an: αn
Thông thường, người ta gọi an là chiều dài và αn là góc xoắn của khâu (Hình 4.2).
Phổ biến là hai khâu liên kết với nhau ở chính trục của khớp (Hình 4.3). Mỗi trục sẽ có hai
pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước và sau một khớp). Vị trí
tương đối của hai khâu liên tiếp như thế được xác định bởi dn là khoảng cách giữa các pháp
tuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặt phẳng vuông
góc với trục. dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu.
4
0 0 0 1
x x x x
y y y y
z z z z
n O a P
n O a P
T
n O a P
 
 
 

 
 
 
DUT.LRCC

Hình 4.2 Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu
Hình 4.3 Các thông số của khâu θ, a, d và α
Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ tọa độ. Nguyên
tắc chung để gắn hệ tọa độ lên các khâu như sau:
- Gốc của hệ tọa độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an với
khớp thứ n+1. Trường hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc tọa độ sẽ đặt tại chính
điểm cắt đó. Nếu các trục khớp song song với nhau, gốc tọa độ được chọn trên
trục khớp của khâu kế tiếp, tại điểm thích hợp.
- Trục z của hệ tọa độ gắn lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n+1.
- Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ khớp n đến n+1.
- Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x chọn theo tích vectơ 𝑍
⃗𝑛. 𝑍
⃗𝑛−1
Trường hợp khớp quay thì θn là các biến khớp, trong trường hợp khớp tịnh tiến thì
dn là biến khớp và an bằng 0. Các thông số an, αn, dn và θn được gọi là bộ thông số DH.
DUT.LRCC

4.1.1.2 Đặc trưng của các ma trận A
Trên cở sở các hệ tọa độ đã ấn định cho tất cả các khâu liên kết của Robot, ta có thể
thiết lập mối quan hệ giữa các hệ tọa độ nối tiếp nhau (n-1), (n) bởi các phép quay và tịnh
tiến sau đây:
- Quay quanh zn-1 một góc θn
- Tịnh tiến dọc theo zn-1 một khoảng dn
- Tịnh tiến dọc theo xn-1 = xn một đoạn an
- Quay quanh xn một góc xoắn αn
Bốn phép biến đổi thuần nhất này thể hiện quan hệ của hệ tọa độ thuộc khâu thứ n
so với hệ tọa độ thuộc khâu thứ n-1 và tích của chúng được gọi là ma trận A:
An = Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α)
cos sin 0 0 1 0 0 1 0 0 0
sin cos 0 0 0 1 0 0 0 cos sin 0
. .
0 0 1 0 0 0 1 0 sin cos
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
n
a
A
d d
 
   
 

     
     

     

     
     
     
cos sin cos sin sin cos
sin cos cos cos sin sin
0 sin cos
0 0 0 1
n
a
a
A
d
     
     
 

 
 

 

 
 
 
4.1.1.3 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận của robot
Để thiết lập hệ phương trình động học của Robot, ta tiến hành theo các bước sau:
Bước 1: Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu.
Việc gắn hệ tọa độ lên các khâu đóng vai trò rất quan trọng khi xác lập hệ phương
trình động học của Robot, thông thường đây cũng là bước khó nhất. Nguyên tắc gắn hệ tọa
độ lên các khâu đã được trình bày một cách tổng quát trong phần trên. Trong thực tế, các
trục khớp của robot thường song song hoặc vuông góc với nhau, đồng thời thông qua các
phép biến đổi của ma trận A ta có thể xác định các hệ tọa độ gắn trên các khâu của Robot
theo trình tự sau:
- Giả định một vị trí ban đầu (Home Position) của Robot, vị trí này thường là vị
trí duỗi thẳng các khâu hay gập lại một số khâu cuối 1 góc 90o
. Trong quá trình
gắn hệ tọa độ lên các khâu nếu không hợp lý, ta có thể chọn lại vị trí xuất phát.
- Chọn gốc tọa độ Oi dựa vào các nguyên tắc chung đã biết (Oi luôn thuộc khớp
thứ i+1).
DUT.LRCC

- Trục zi đặt dọc trục khớp i+1, có chiều hướng về các khâu tiếp theo của robot.
- Chọn trục xi là trục quay của zi thành zi+1 và góc của zi với zi+1 chính là αi+1. Nếu
zi và zi+1 song song hoặc trùng nhau thì ta có thể căn cứ nguyên tắc chung hay
chọn xi theo xi+1.
- Các hệ tọa độ Oxyz phải tuân theo qui tắc bàn tay phải.
- Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận Ai.
Đó là bốn phép biến đổi: Ai = Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α). Nghĩa
là ta coi hệ tọa độ thứ i+1 là biến đổi của hệ tọa độ thứ i, các phép quay và tịnh
tiến của biến đổi này phải là một trong các phép biến đổi của Ai, các thông số
DH cũng được xác định dựa vào các phép biến đổi này. Trong quá trình gắn hệ
tọa độ lên các khâu, nếu xuất hiện phép quay của trục zi đối với zi-1 quanh trục
yi-1 thì vị trí ban đầu của Robot đã giả định là không đúng, ta cần chọn lại vị trí
ban đầu khác cho Robot.
Bước 2: Lập bảng thông số DH (Denavit Hartenberg).
Bước 3: Dựa vào các thông số DH xác định ma trận Ai.
Bước 4: Tính các ma trận T và viết các phương trình động học của Robot.
4.1.2 Tính động học thuận cánh tay robot
Số bậc tự do:  
1 2 3 4 5
6 2 3 4 5 '
W n p p p p p R R S
        
Trong đó: n là số khâu động của cơ cấu
Pi là số các khớp loại i ( i từ 1 đến 5)
R là số các ràng buộc trùng
R’ là số các ràng buộc thừa
S là số các bậc tự do thừa
Hình 4.4 Mô hình robot R-R-R-R
DUT.LRCC

Ta có: số các khớp loại 5: 4 khớp (4 khớp quay)
Số khâu động n = 4
Trong hệ thống không có các ràng buộc trùng, ràng buộc thừa và các bậc tự
do thừa nên số bậc tự do là: W= 6.4 – 5.4 = 4 bậc
- Gắn hệ tọa độ: hệ tọa độ được gắn như hình vẽ 4.4
- Bộ thông số DENAVIT- HARTENBERG (D-H)
Bảng 4.1 Bảng thông số D-H của cánh tay robot
θi αi ai di
Bậc 1 *θ1 90 0 L1
Bậc 2 *θ2 0 L2 0
Bậc 3 *θ3 0 L3 0
Bậc 4 *θ4 0 L4 0
Tính các ma trận
Ta có: T4 = A1.A2.A3.A4
Trong đó
1 1
1 1
1
1
cos sin cos sin sin cos cos 0 sin 0
sin cos cos cos sin sin sin 0 cos 0
0 sin cos 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 1
a
a
A
d L
       
       
 

   
   
 
   
 
   
   
   
2 2 2 2
2 2 2 2
2
cos sin cos sin sin cos cos sin 0 cos
sin cos cos cos sin sin sin cos 0 sin
0 sin cos 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 1
a L
a L
A
d
        
        
 
 
   
   

   
 
   
   
   
3 3 3 3
3 3 3 3
3
0 sin cos 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 1
a L
a L
A
d
        
        
 
 
   
   

   
 
   
   
   
4 4 4 4
4 4 4 4
4
0 sin cos 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 1
a L
a L
A
d
        
        
 
 
   
   

   
 
   
   
   
Sử dụng phần mềm Matlab ta tính được một ma trận T4 có dạng như sau
DUT.LRCC

Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot.pdf

Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot.pdf

Similar to Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot.pdf