Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.pdf

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT GẮP THỨC
ĂN SỬ DỤNG XỬ LÝ ẢNH VÀ TAY GẮP
MỀM
Người hướng dẫn: TS. LÊ HOÀI NAM
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐÌNH GIANG
HÀ XUÂN TUẤN
LÊ QUỐC TÍN
Đà Nẵng, 12/2019

KHOA CƠ KHÍ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin chung:
1. 1. Họ và tên sinh viên: HÀ XUÂN TUẤN Số thẻ SV:101150237
NGUYỄN ĐÌNH GIANG Số thẻ SV:101150205
LÊ QUỐC TÍN Số thẻ SV:101150188
2. Lớp: 15CDT1 – 15CDT2.
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.
4. Người hướng dẫn: LÊ HOÀI NAM Học hàm/ học vị: Tiến sĩ
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm tối đa là 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
4. Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp hoặc
nhà trường: (điểm tối đa là 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm tối đa 2đ)
………………………………………………………………………………………..
IV. Đánh giá:
1. Điểm đánh giá: ……../10 (lấy đến 1 số lẻ thập phân)
2. Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày tháng 12 năm 2019
Người hướng dẫn
DUT.LRCC

KHOA CƠ KHÍ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung:
2. Họ và tên sinh viên: HÀ XUÂN TUẤN Số thẻ SV:101150237
NGUYỄN ĐÌNH GIANG Số thẻ SV:101150205
LÊ QUỐC TÍN Số thẻ SV:101150188
3. Lớp: 15CDT1 – 15CDT2.
4. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.
5. Người phản biện: ..………………………….………… Học hàm/ học vị: ………….
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
4. Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp hoặc
nhà trường:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
DUT.LRCC

TT Các tiêu chí đánh giá Điểm
tối đa
Điểm
đánh giá
1
Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải
quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao
70
1a
- Tính mới (nội dung chính của ĐATN có những phần mới
so với các ĐATN trước đây).
- Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng thực
tiễn.
10
1b
- Kỹ năng giải quyết vấn đề; hiểu, vận dụng được kiến thức
cơ bản, cơ sở, chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu.
- Chất lượng nội dung ĐATN (thuyết minh, bản vẽ, chương
trình, mô hình,…).
50
1c
- Có kỹ năng vận dụng thành thạo phần mềm ứng dụng trong
vấn đề nghiên cứu (thể hiện qua kết quả tính toán bằng
phần mềm);
- Có kỹ năng sử dụng tài liệu tiếng nước ngoài liên quan vấn
đề nghiên cứu (thể hiện qua các tài liệu tham khảo);
- Có kỹ năng làm việc nhóm (đánh giá đối với đề tài do
nhóm SV thực hiện);
10
2 Kỹ năng viết: 30
2a - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích 20
2b - Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng 10
3 Tổng điểm đánh giá theo thang 100:
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)
- Câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời trong buổi bảo vệ: …………………………………
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
- Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ
Người phản biện
DUT.LRCC

TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.
Sinh viên thực hiện: Hà Xuân Tuấn Số thẻ SV: 101150237
Nguyễn Đình Giang Số thẻ SV: 101150205
Lê Quốc Tín Số thẻ SV: 101150188
Lớp: 15CDT1 – 15CDT2
Đề tài đề cập về quá trình thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và
tay gắp mềm, được tài trợ bởi công ty Sunfield Vietnam và công ty Maruyasu Kikai –
Nhật Bản. Đề tài gồm 3 phần chính: Thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm tay gắp
mềm có thể gắp các loại thức ăn có hình dạng, kích thước và khối lượng khác nhau; Xử
lý ảnh phân biệt các loại thức ăn với nhau kết hợp lắp đặt và vận hành cánh tay robot 3
bậc tự do để có thể gắp các loại thức ăn vào khay theo đúng vị trí và hướng yêu cầu;
Tích hợp cảm biến vào tay gắp mềm, áp dụng phương pháp data-driven trong việc dự
đoán và điều khiển tay gắp mềm.
DUT.LRCC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
KHOA CƠ KHÍ
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành
1 HÀ XUÂN TUẤN 101150237 15CDT2 CƠ ĐIỆN TỬ
2 NGUYỄN ĐÌNH GIANG 101150205 15CDT2 CƠ ĐIỆN TỬ
3 LÊ QUỐC TÍN 101150188 15CDT1 CƠ ĐIỆN TỬ
1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm
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:
• Các số liệu yêu cầu về phạm vi hoạt động, tốc độ, chu kỳ của robot theo yêu cầu
của công ty Maruyasu Kikai.
• Kích thước thông số các bộ phận công ty Maruyasu Kikai cung cấp.
• Các vật liệu: Nhôm định hình, inox, thép.
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT Họ tên sinh viên Nội dung
1 Hà Xuân Tuấn Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Hệ thống Robot gắp thức ăn
2 Nguyễn Đình Giang
3 Lê Quốc Tín
4 Hà Xuân Tuấn Chương 4: Hệ thống truyền động
b. Phần riêng:
1 Nguyễn Đình Giang Chương 3: Quá trình xử lí ảnh
2 Lê Quốc Tín Chương 5: Tích hợp cảm biến và phương pháp Data-
driven cho tay gắp mềm
3 Hà Xuân Tuấn Chương 6: Tay gắp mềm
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
Phụ lục 02
DUT.LRCC

1 Hà Xuân Tuấn Bản vẽ tổng quan hệ thống và phần gá truyền động
(1A0)
Bản vẽ các thành phần trong hệ thống (1A0)
3 Lê Quốc Tín
b. Phần riêng:
1 Lê Quốc Tín Bản vẽ sơ đồ đấu nối mạch điện (1A0)
2 Nguyễn Đình Giang Bản vẽ lưu đồ thuật toán (1A0)
3 Hà Xuân Tuấn Bản vẽ sơ đồ động và hệ thống khí nén (1A0)
Bản vẽ tay gắp và đồ gá tay gắp (1A0)
6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 08 / 08 /2019
8. Ngày hoàn thành đồ án: 15 / 12 /2019
Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn
DUT.LRCC

i
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, các ngành
công nghiệp ngày càng đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao. Việc cung cấp của nhà
sản xuất cũng như nhu cầu của người tiêu dùng tăng lên đáng kể. Đây là cơ hội và thách
thức cho nền công nghiệp nói chung, ngành cơ điện tử nói riêng, với việc ứng dụng các
thành tựu khoa học kỹ thuật của nhân loại để phục vụ nhu cầu đời sống xã hội.
Robot là một ứng dụng tiêu biểu, đang ngày một trở nên hiện đại hơn, trở thành
công cụ lao động thông minh, từng bước thay thế con người trong hoạt động sản xuất.
Nhờ có robot mà năng suất và chất lượng lao động ngày càng được cải thiện và tiệm cận
sự hoàn hảo. Trong học phần này, chúng em thực hiện đề tài: Thiết kế và chế tạo robot
gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm. Với mục tiêu tạo ra một sản phẩm hoạt
động linh hoạt và có khả năng ứng dụng thực tế mang lại hiệu quả kinh tế cao. Các
nhiệm vụ cần thực hiện trong đề tài này bao gồm:
• Xác định phương án thiết kế và thiết kế tay gắp mới.
• Xử lý ảnh xác định vật thể kết hợp với lập trình PLC.
• Tích hợp cảm biến, dự đoán và điều khiển tay gắp mềm
Để đồ án này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của
công ty Sunfield Vietnam và công ty Maruyasu Kikai – Nhật Bản. Với tình cảm sâu sắc
cho phép chúng em được bày tỏ lòng biết ơn đến quý công ty đã tạo điều kiện giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Với sự quan tâm, chỉ dạy và truyền
đạt kiến thức, chúng em xin gửi tới các thầy Khoa Cơ khí trường Đại học Bách Khoa
Đại học Đà Nẵng lời cảm ơn sâu sắc và lời chúc sức khỏe.
Đặc biệt chúng em chân thành cảm ơn thầy giáo – TS. Lê Hoài Nam đã quan tâm
giúp đỡ, hướng dẫn hoàn thành tốt đề tài này trong thời gian qua. Ngoài ra, không thể
không nhắc tới sự hỗ trợ, truyền đạt kinh nghiệm của các thành viên trong nhóm Aiméka
và các anh khóa 14CDT.
Tuy nhiên, do kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên khó tránh khỏi
những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của
các thầy và các bạn sinh viên để đồ án của chúng tôi được hoàn chỉnh hơn. Xin chân
thành cảm ơn.
Người thực hiện đề tài: Lê Quốc Tín
Nguyễn Đình Giang
Hà Xuân Tuấn
DUT.LRCC

ii
CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ đồ án hoặc học vị nào khác. Mọi sự giúp đỡ
cho việc thực hiện đồ án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã
được chỉ rõ nguồn gốc và được phép công bố.
Sinh viên thực hiện
Lê Quốc Tín Nguyễn Đình Giang Hà Xuân Tuấn
DUT.LRCC

iii
MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu i
Cam đoan ii
Mục lục iii
Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ v
Danh sách các cụm từ viết tắt vii
Trang
Chương 1: TỔNG QUAN..............................................................................................1
Chương 2: HỆ THỐNG ROBOT GẮP THỨC ĂN....................................................3
2.1.1. Tổng quan .............................................................................................................3
2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống..............................................................................................4
2.1.3. Hệ thống thực tế....................................................................................................5
2.2.1. Tổng quan về xử lý ảnh ........................................................................................5
2.2.2. Quy trình xử lý ảnh...............................................................................................6
Chương 3: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH........................................................................9
3.1.1. Điểm ảnh...............................................................................................................9
3.1.2. Độ phân giải ảnh...................................................................................................9
3.1.3. Mức xám của ảnh..................................................................................................9
3.1.4. Cấu trúc lưu dữ liệu ..............................................................................................9
3.2.1. Thiết bị phần cứng: camera xử lý ảnh ................................................................10
DUT.LRCC

iv
3.2.2. Visual Studio ......................................................................................................11
3.2.3. EmguCV/OpenCV..............................................................................................14
3.3.1. Giới thiệu về MX Component ............................................................................15
3.3.2. Cài đặt kết nối.....................................................................................................16
3.3.3. Chương trình nhận và gửi dữ liệu.......................................................................18
Chương 4: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ...............................................................27
4.2.1. Cấu trúc và kết nối..............................................................................................28
4.2.2. Phần mềm PC Interface Software for RCEC .....................................................30
4.3.1. Giới thiệu về động cơ bước ................................................................................32
4.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước............................................32
4.4.1. Bộ điều khiển lập trình PLC...............................................................................33
4.4.2. Module CC-Link FX3U-16CCL-M ...................................................................37
4.5.1. Lập trình cơ cấu thanh trượt ...............................................................................40
4.5.2. Lập trình điều khiển động cơ bước.....................................................................44
Chương 5: TÍCH HỢP CẢM BIẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP DATA-DRIVEN
TRONG VIỆC DỰ ĐOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY GẮP MỀM ...........................46
5.1.1. Tay gắp mềm kiểu xếp li ....................................................................................46
Nguyên lý hoạt động...........................................................................................47
5.2.1. Đặt vấn đề:..........................................................................................................48
5.2.2. Tích hợp cảm biến ..............................................................................................48
DUT.LRCC

v
5.3.1. Vật liệu................................................................................................................53
5.4.1. Sơ đồ khối điều khiển.........................................................................................55
Chương 6: TAY GẮP MỀM.......................................................................................58
6.2.1. Vấn đề khi sử dụng tay gắp cũ cho bài toán mới ...............................................58
6.2.2. Cải tiến tay gắp cũ ..............................................................................................59
6.2.3. Nguyên lý hoạt động của tay gắp mới................................................................61
6.3.1. Các thông số hình học ........................................................................................62
6.3.2. Vật liệu và mô phỏng..........................................................................................65
6.3.3. Thiết kế hoàn thiện .............................................................................................67
6.4.1. Thiết kế khuôn....................................................................................................67
6.4.2. Quá trình đúc ......................................................................................................68
KẾT LUẬN ..................................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................72
PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................1
PHỤ LỤC 2 ..................................................................................................................28
PHỤ LỤC 3 ..................................................................................................................38
DUT.LRCC

vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
BẢNG 4.1 So sánh giữa PLC và Rơ-le.........................................................................34
BẢNG 4.2: So sánh các phương pháp truyền dữ liệu của CC-Link .............................37
BẢNG 6.1: Các thông số hình học của tay gắp mềm....................................................63
BẢNG 6.2: Các thông số hình học của tay gắp mềm nhóm thực hiện .........................67
HÌNH 1.1 Kích thước khay và các loại thức ăn khác nhau.............................................2
HÌNH 2.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống ........................................................................3
HÌNH 2.2 Sơ đồ khối hệ thống........................................................................................4
HÌNH 2.3 Hệ thống thực tế .............................................................................................5
HÌNH 2.4 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý ảnh ...............................................6
HÌNH 2.5 Sơ đồ động của hệ thống ................................................................................7
HÌNH 3.1 Camera Logitech HD c720...........................................................................10
HÌNH 3.2 Giao diện Visual Studio................................................................................11
HÌNH 3.3 Giao diện làm việc của Visual Studio ..........................................................12
HÌNH 3.4 Cách bật các cửa sổ bị ẩn trong Visual Studio .............................................13
HÌNH 3.5 Giao diện làm việc của chương trình xử lý ảnh ...........................................13
HÌNH 3.6 Giao diện Communication Setup Utility......................................................15
HÌNH 3.7 Nhập số trạm.................................................................................................16
HÌNH 3.8 Chọn phương thức kết nối ............................................................................16
HÌNH 3.9 Chọn loại CPU sử dụng................................................................................17
HÌNH 3.10 Chọn loại trạm ............................................................................................17
HÌNH 3.11 Ghi chú và kết thúc.....................................................................................18
HÌNH 3.12 Lưu đồ thuật toán lập trình xử lý ảnh.........................................................19
HÌNH 3.13 Không gian màu HSV ................................................................................23
HÌNH 3.14 Ví dụ cho giãn nở và co ảnh.......................................................................24
HÌNH 3.15 Ví dụ về xác định hình chữ nhật xoay trong EmguCV ..............................26
HÌNH 3.16 Phân tích vật thể bằng phương pháp SURF ...............................................26
HÌNH 4.1 Cấu tạo cơ cấu truyền động..........................................................................27
HÌNH 4.2: Mode Number của cơ cấu truyền động .......................................................27
HÌNH 4.3 Cấu trúc PCON-CB ......................................................................................28
HÌNH 4.4 Sơ đồ đấu nối các thiết bị cơ bản..................................................................29
HÌNH 4.5 Trường hợp không sử dụng EMG- (dừng khẩn cấp)....................................29
HÌNH 4.6 Trường hợp có sử dụng EMG- (dừng khẩn cấp)..........................................30
DUT.LRCC

vii
HÌNH 4.7 Tự động kết nối khi khởi động .....................................................................30
HÌNH 4.8 Chọn chế độ hoạt động.................................................................................30
HÌNH 4.9 Thiết lập Parameter cho cơ cấu truyền động................................................31
HÌNH 4.10 Thiết lập Position cho cơ cấu truyền động .................................................31
HÌNH 4.11 Động cơ bước .............................................................................................32
HÌNH 4.12 Cấu tạo của động cơ bước ..........................................................................33
HÌNH 4.13 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước.....................................................33
HÌNH 4.14 PLC Mitsubishi FX3G-60M.......................................................................35
HÌNH 4.15 Cấu trúc bộ điều khiển lập trình PLC.........................................................35
HÌNH 4.16 Hoạt động của PLC ....................................................................................36
HÌNH 4.17 Module CC-Link FX3U-16CCL-M ...........................................................37
HÌNH 4.18 Tối ưu hệ thống với CC-Link.....................................................................38
HÌNH 4.19 Liên kết dữ kiệu giữa các trạm trong hệ thống CC-Link ...........................39
HÌNH 4.20 Kiểu nối dây CC-Link ................................................................................39
HÌNH 4.21 Minh họa quá trình truyền dữ liệu..............................................................40
HÌNH 4.22 Các thanh ghi được cấp phát ......................................................................41
HÌNH 4.23 Vị trí địa chỉ các thanh ghi .........................................................................41
HÌNH 4.24 Hai cấu trúc đọc và ghi từ Buffer Memory ................................................42
HÌNH 4.25 Khối khởi động PLC...................................................................................43
HÌNH 4.26 Khối nạp vị trí PCx.....................................................................................43
HÌNH 4.27 Khối về “Home”.........................................................................................43
HÌNH 4.28 Khối bật tắt bit CSTR.................................................................................43
HÌNH 4.29 Khối đọc giá trị các thanh ghi.....................................................................44
HÌNH 4.30 Tạo xung điều khiển động cơ bước ............................................................44
HÌNH 4.31 Lưu đồ thuật toán lập trình PLC kết hợp xử lí ảnh ....................................45
HÌNH 5.1 Mẫu tay gắp mềm đầu tiên của Suzumori ....................................................46
HÌNH 5.2 Thử nghiệm gắp vật......................................................................................47
HÌNH 5.3 Nguyên lý hoạt động của tay gắp mềm ........................................................48
HÌNH 5.4 Hình dạng của cảm biến FRS402.................................................................48
HÌNH 5.5 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa điện trở và cảm biến lực FSR402.........49
HÌNH 5.6 Cầu phân áp và đường cong biển diễn quan hệ giữa lực và điện áp đầu ra
tương ứng với giá trị điện trở kéo khác nhau. ...............................................................50
HÌNH 5.7 Cảm biến độ cong FSL0055253ST của hãng Spectra Symbol ....................50
HÌNH 5.8 Cảm biến áp suất MPXH6400A...................................................................51
HÌNH 5.9 Mạch lọc điện áp đầu ra................................................................................52
HÌNH 5.10 Biểu đồ quan hệ giữa điện áp đầu ra và áp suất đo được ...........................52
DUT.LRCC

viii
HÌNH 5.11 Van điều áp SMC ITV 1050-312N ............................................................53
HÌNH 5.12 Khuôn đúc tay gắp mềm.............................................................................54
HÌNH 5.13 Các bước chế tạo tay gắp mềm tích hợp cảm biế.......................................55
HÌNH 5.14 Sơ đồ khối hệ thống khí nén.......................................................................57
HÌNH 5.15 Khả năng co, duỗi thực tế của tay gắp........................................................57
HÌNH 5.16 Khả năng co, duỗi thực tế của tay gắp........................................................57
HÌNH 6.1 Khay đặt thức ăn trong bài toán ...................................................................58
HÌNH 6.2 Phiên bản tay gắp thử nghiệm 1 ...................................................................59
HÌNH 6.5 Phiên bản thử nghiệm 4................................................................................61
HÌNH 6.6 Thiết kế mô hình tay gắp mới.......................................................................62
HÌNH 6.7 Các đặc trưng hình học của tay gắp mới ......................................................63
HÌNH 6.8 Mô phỏng tay gắp mới trong Abaqus...........................................................66
HÌNH 6.9: Thiết kế khuôn để đúc silicone....................................................................67
HÌNH 6.10 Các vật dụng cơ bản dùng để chế tạo tay gắp mềm ...................................68
HÌNH 6.11 Các bước cơ bản của quá trình đúc tay gắp mềm.......................................69
HÌNH 6.12 Sơ đồ khối hệ thống khí nén.......................................................................69
DUT.LRCC

ix
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT:
• ACC – Acceleration
• BCM – Broadcom
• BKLS – Brake Release
• CGA – Color Graphic Adaptor
• CPU – Central Processing Unit
• DCL – Deceleration
• EMG – Emergency
• EPROM – Erasable
Programmable Read-Only
Memory
• FEA – Phân tích phần tử hữu hạn
• GND – Ground
• GPIO – General Purposr
Input/Output
• GPU – Graphics Processing Unit
• HĐH – Hệ điều hành.
• HDMI – High-Definition
Multimedia Interface
• HSV – Hue, Saturation, Value
• I2C – Inter-Integrated Circuit
• IP – Internet Protocol
• MISO – Master Out Slave Out
• MOSI – Master Out Slave In
• MP – Motor Power
• NOOBS – New Out Of the Box
Software
• PC – Personal Computer
• PLC – Programmable Logic
Controller
• RAM – Random Access
Memory
• RCEC – Robo Cylinder
• RGB – Red Green Blue
• RPi – Raspberry Pi.
• RW – Remote word
• RX – Remote Input
• RXD – Receive Data
• RY – Remote Output
• SCL – Serial Clock
• SCLK – Serial Clock
• SD - Secure Digital
• SDA – Serial Data
• SIO – Serial Input/Output
• SPI – Service Provider Interface
• TXD – Transmit Data
• UART – Universal
Asynchronous Receiver-
Transmitter
• USB - Universal Serial Bus
• XLA – Xử lý ảnh.
DUT.LRCC

SVTH: Lê Quốc Tín, Nguyễn Đình Giang, Hà Xuân Tuấn. GVHD: TS. Lê Hoài Nam 1
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Hầu hết chúng ta đều biết, con người Nhật Bản có một tính cách rất nổi bật đó là
họ luôn tỉ mỉ, chỉnh chu trong tất cả những việc họ làm và một trong những sản phẩm
đặc trưng cho tính cách đó chính là cơm hộp ăn trưa (bento) bởi sự cầu kì, tinh tế và
nghệ thuật của nó. Cơm hộp được sử dụng rất thường xuyên trong các bữa ăn trưa của
người Nhật. Những hộp cơm có nhiều màu sắc và được tạo hình đa dạng dưới bàn tay
khéo léo của những người nội trợ đảm đang. Cơm hộp ban đầu xuất phát từ những hộp
cơm trưa mà các bà mẹ chuẩn bị cho con mình mang theo để ăn trên trường. Nhưng các
em nhỏ thường rất kén ăn do đó những bà mẹ đã có sáng kiến đó là tạo hình đẹp mắt
cho hộp cơm bằng cách tỉa gọt và trang trí các món ăn nhằm kích thích sự tò mò, thích
thú và khiến các em ngoài ăn cơm, thịt ra thì còn ăn thêm các loại rau củ nhờ màu sắc
hấp dẫn và tạo cảm giác ngon miệng. Dần dần về sau, cơm hộp ăn trưa không chỉ là sản
phẩm thể hiện tình yêu và sự quan tâm của các bà mẹ đến con cái mình mà đã phát triển
lên thành một nét văn hóa riêng, một sản phẩm đặc trưng của người Nhật Bản.
Ngày nay, cùng với nhịp sống ngày càng nhanh, nhu cầu tiêu thụ cơm hộp chế biến
sẵn cũng tăng theo. Đòi hỏi các doanh nghiệp sản xuất phải nâng cao năng suất. Điều
này đồng nghĩa với việc họ phải cố gắng tự động hóa được hết tất cả các khâu trong quá
trình sản xuất cơm hộp. Tuy nhiên họ lại gặp một vấn đề đau đầu tại khâu đóng gói thức
ăn vào hộp đó là: Làm thế nào để di chuyển những loại thức ăn cầu kì, đa dạng như vậy
vào trong các hộp đựng mà vẫn đảm bảo được tính thẩm mĩ và an toàn vệ sinh? Chính
vì vậy, công ty Sunfield Vietnam và công ty Maruyasu Kikai – Nhật Bản đã đưa ra một
yêu cầu và cũng là đề tài của đồ án này để giải quyết vấn đề trên.
1.2. Bài toán đặt ra
Công ty đặt ra bài toán là thiết kế một hệ thống robot được tích hợp tay gắp có thể
gắp được nhiều loại thức ăn đa dạng với những yêu cầu cụ thể như sau:
• Thức ăn được gắp có độ cứng, hình dạng, kích thước và khối lượng khác nhau.
• Thức ăn không bị hư, trầy, biến dạng hoặc rơi rớt trong quá trình gắp.
• Việc thiết kế tập trung chủ yếu ở phần thiết kế ý tưởng tay gắp với ràng buộc
là không được sử dụng hơi để hút trực tiếp thức ăn.
• Gắp thức ăn vào khay theo đúng hướng, vị trí yêu cầu.
DUT.LRCC

Để giải quyết các vấn đề đặt ra ở trên, nhóm tác giả đã quyết định lựa chọn phương
án là Tay gắp mềm (Soft gripper) với vật liệu là silicon để nghiên cứu và chế tạo. Đây
là lĩnh vực rất mới và đang được quan tâm, nghiên cứu nhiều trên thế giới trong những
năm gần đây bởi ưu điểm vượt trội của nó so với các cơ cấu truyền thống như cơ cấu
gắp cơ khí, cơ cấu hút… Ngoài ra, hệ thống còn được tích hợp thêm camera xử lý ảnh
để robot có thể nhận biết và gắp thức ăn vào đúng vị trí của từng loại trong khay. Kích
thước khay và các loại thức ăn được mô tả dưới Hình 1.1.
Hình 1.1 Kích thước khay và các loại thức ăn khác nhau
DUT.LRCC

Chương 2: HỆ THỐNG ROBOT GẮP THỨC ĂN
2.1. Mô hình hóa hệ thống
2.1.1. Tổng quan
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống
Hệ thống robot gắp thức ăn là tập hợp của nhiều hệ thống thành phần khác như:
Hệ thống cơ khí, hệ thống khí nén, hệ thống điện, hệ thống điều khiển. Các hệ thống
riêng biệt này được thiết kế để kết nối với nhau nhằm tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh,
đảm bảo thực hiện tốt nhiệm vụ đặt ra của đề tài.
Hệ thống sau khi hoàn chỉnh có thể hoạt động theo chế độ xử lý ảnh động: Một
camera sẽ liên tục hoạt động để thu hình ảnh về cho chương trình xử lý ảnh. Nếu chương
trình xác định được một loại thức ăn nằm trong vùng gắp, nó sẽ gửi dữ liệu nhận được
như vị trí gắp và góc gắp cho robot để robot có thể thực hiện việc gắp thức ăn đó vào
đúng vị trí trong khay. Trong trường hợp không có thức ăn trong vùng gắp, robot sẽ ở
chế độ chờ.
DUT.LRCC

2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ hệ thống gồm có 4 khối chính:
• Khối nguồn
• Khối điều khiển
• Khối cơ cấu chấp hành
• Khối xử lý ảnh
Hình 2.2 thể hiện sơ đồ khối của hệ thống. Theo đó, hệ thống hoạt động như sau:
Camera sau khi chụp ảnh sẽ gửi dữ liệu ảnh về cho Máy tính chạy chương trình xử lý
ảnh. Máy tính sau khi xử lý và phân biệt được các loại thức ăn xong sẽ gửi dữ liệu các
loại thức ăn nhận diện được đến PLC. Tại đây, PLC sẽ điều khiển cánh tay robot 2 bậc
tự do (2 Robo cylinder) và động cơ bước thông qua các bộ điều khiển động cơ. Tay gắp
mềm hoạt động thông qua hệ thống khí nén để thực hiện việc gắp và thả thức ăn đến
đúng vị trí và góc xoay của nó của nó. Các số liệu về vị trí, vận tốc và gia tốc của cánh
tay robot sẽ được cài đặt trước vào bộ điều khiển bằng phần mềm dạy học trên máy tính.
Để cho hệ thống hoạt động thì ta cần cấp nguồn 220VAC cho PLC, nguồn 24V cho bộ
điều khiển động cơ.
DUT.LRCC

2.1.3. Hệ thống thực tế
Hình 2.3 Hệ thống thực tế
2.2. Quy trình xử lý ảnh
2.2.1. Tổng quan về xử lý ảnh
Xử lý ảnh (XLA) là đối tượng nghiên cứu của lĩnh vực thị giác máy, là quá trình
biến đổi từ một ảnh ban đầu sang một ảnh mới với các đặc tính và tuân theo ý muốn của
người sử dụng. Xử lý ảnh có thể gồm quá trình phân tích, phân lớp các đối tượng, làm
tăng chất lượng, chuyển đổi kiểu ảnh cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ. Xử lý ảnh số
là một lĩnh vực của tin học ứng dụng, nó bao gồm các phương pháp và kỹ thuật biến
đổi, để truyền tải hoặc mã hoá các ảnh tự nhiên.
Mục đích của xử lý ảnh gồm:
• Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh.
• Sử dụng nội dung ảnh sau xử lí cho một ứng dụng cụ thể.
DUT.LRCC

2.2.2. Quy trình xử lý ảnh
Hình 2.4 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý ảnh
2.2.2.1. Thu nhận ảnh
Ðây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với quá trình XLA. Ảnh đầu
vào có thể là ảnh màu hoặc ảnh trắng đen, được trích xuất từ các thiết bị như camera,
sensor và máy scanner, sau đó các tín hiệu này sẽ được số hóa. Việc lựa chọn các thiết
bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tượng cần xử lý. Các thông số
quan trọng ở khâu thu nhận này là độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng bộ nhớ và
tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị. Trong đề tài này, nhóm tác giả sử dụng camera
Logitech 720 có độ phân giải 1280x720pi.
2.2.2.2. Tiền xử lý
Ở bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử nhiễu, khử bóng, khử
độ lệch với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở lên tốt hơn nữa, chuẩn bị cho các bước
xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình XLA. Quá trình này thường được thực hiện
bởi các bộ lọc.
2.2.2.3. Phân đoạn
Phân đoạn ảnh là bước then chốt trong XLA. Giai đoạn này phân tích ảnh thành
những thành phần có cùng tính chất bất kỳ dựa theo biên hay các vùng liên thông. Tiêu
chuẩn để xác định các vùng liên thông có thể là cùng màu, cùng độ xám. Mục đích của
phân đoạn ảnh là để có một bản miêu tả tổng hợp về nhiều phần tử khác nhau cấu tạo
nên ảnh thô. Vì lượng thông tin chứa trong ảnh rất lớn, trong khi đa số các ứng dụng
chúng ta chỉ cần trích một vài đặc trưng nào đó, do vậy cần có một quá trình để giảm
lượng thông tin khổng lồ đó. Quá trình này bao gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc
tính chủ yếu.
2.2.2.4. Tách các đặc tính
Kết quả của bước phân đoạn ảnh thường được cho dưới dạng dữ liệu điểm ảnh
thô, trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc tập hợp tất cả các điểm ảnh thuộc
về chính vùng ảnh đó. Trong cả hai trường hợp, sự chuyển đổi dữ liệu thô này thành một
dạng thích hợp hơn cho việc xử lý trong máy tính là rất cần thiết. Ðể chuyển đổi chúng,
câu hỏi đầu tiên cần phải trả lời là nên biểu diễn một vùng ảnh dưới dạng biên hay dưới
dạng một vùng hoàn chỉnh gồm tất cả những điểm ảnh thuộc về nó. Biểu diễn dạng biên
cho một vùng phù hợp với những ứng dụng chỉ quan tâm chủ yếu đến các đặc trưng hình
dạng bên ngoài của đối tượng, ví dụ như các góc cạnh và điểm uốn trên biên chẳng hạn.
DUT.LRCC

Biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho những ứng dụng khai thác các tính chất bên trong
của đối tượng, ví dụ như cấu trúc xương của nó. Sự chọn lựa cách biểu diễn thích hợp
cho một vùng ảnh chỉ mới là một phần trong việc chuyển dổi dữ liệu ảnh thô sang một
dạng thích hợp hơn cho các xử lý về sau.
2.2.2.5. Nhận dạng và phân tích
Ðây là bước cuối cùng trong quá trình XLA. Nhận dạng ảnh có thể được nhìn nhận
một cách đơn giản là việc dán nhãn cho các đối tượng trong ảnh. Ví dụ đối với nhận
dạng hình dáng sản phẩm, sau xử lý ảnh ta phân loại các đối tượng có trong ảnh thành
ở hình dạng như thế nào và dán cho nó một nhãn nhất định.
Chúng ta cũng có thể thấy rằng, không phải bất kỳ một ứng dụng XLA nào cũng
bắt buộc phải tuân theo tất cả các bước xử lý đã nêu ở trên, ví dụ như các ứng dụng
chỉnh sửa ảnh nghệ thuật chỉ dừng lại ở bước tiền xử lý. Tùy theo ngôn ngữ và phần
mềm mà người lập trình lựa chọn thì cách tiếp cận với từng công đoạn sẽ có độ khó dễ
khác nhau. Một cách tổng quát thì những chức năng xử lý bao gồm cả nhận dạng và giải
thích thường chỉ có mặt trong hệ thống phân tích ảnh tự động hoặc bán tự động, được
dùng để rút trích ra những thông tin quan trọng từ ảnh, ví dụ như các ứng dụng nhận
dạng ký tự quang học, nhận dạng chữ viết tay…
2.3. Cơ cấu chấp hành
Hình 2.5 Sơ đồ động của hệ thống
Dựa vào sơ đồ động, ta xác định được hệ thống bao gồm ba cơ cấu chấp hành được
điều khiển độc lập với nhau. Và ba cơ cấu này hoạt động phụ thuộc lẫn nhau để vận
hành toàn bộ hệ thống.
DUT.LRCC

Cơ cấu chấp hành thứ nhất là cánh tay robot. Đây là robot hai bậc tự do, bao gồm
hai trục chính (bao gồm động cơ, trục truyền động, encoder…), hai bộ điều khiển công
suất (PCON-CB/CFB), phần mềm điều khiển (PC Interface Software for RCEC). Được
điều khiển bởi PLC Mitsubishi thông qua module CC-link.
Cơ cấu chấp hành thứ hai là cơ cấu xoay. Nó bao gồm một động cơ bước, một bộ
điều khiển ST-6600. Nó được điều khiển trực tiếp bằng xung phát từ PLC.
Cơ cấu chấp hành thứ ba là tay gắp. Cũng được điều khiển bởi PLC qua hệ thống
khí nén, có kết hợp xử lý ảnh được lập trình bằng ngôn ngữ C# trên nền soạn thảo Visual
Studio, có áp dụng thư viện thị giác máy tính EmguCV. Với đề tài này, tay gắp được
thiết kế để giải quyết nhiều vấn đề khó khăn như: sản phẩm thao tác là thức ăn có hình
dạng kích thước không cố định, đảm bảo sản phẩm không bị hư hại trong quá trình vận
hành hệ thống…Do vậy tay gắp này mang nhiều đặc tính riêng như:
• Gắp được vật có nhiều hình dạng kích thước khác nhau.
• Cơ cấu nhẹ, mềm dẻo không gây ảnh hưởng cơ học tới sản phẩm.
• Hoạt động được ở tốc độ cao và không ảnh hưởng tới kết quả toàn hệ thống.
• Công nghệ hiện đại, mới mẻ, không sinh phế phẩm và an toàn với môi trường.
DUT.LRCC

Chương 3: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH
3.1. Các khái niệm liên quan đến xử lý ảnh
3.1.1. Điểm ảnh
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu
nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao
cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số
gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh.
3.1.2. Độ phân giải ảnh
Định nghĩa: Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định
trên một ảnh số được hiển thị.
Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt
người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên
một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong
không gian hai chiều.
Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor) là một
lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc * 200 điểm ảnh (320*200).
Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA 17” độ phân
giải 320*200. Lý do: cùng một mật độ (độ phân giải) nhưng diện tích màn hình rộng
hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
3.1.3. Mức xám của ảnh
Một điểm ảnh (pixel) có 2 đặc trưng cơ bản đó là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ
xám của nó. Và mức xám của một điểm ảnh là cường độ sáng của nó gắn với một trị số
nhất định tại điểm đó. Có nhiều thang biểu thị mức xám như 16, 32, 64, 128, 256,…
Mức 256 được sử dụng phổ biến (kỹ thuật máy tính dung 1 Byte để biểu diễn mức xám,
có 28
= 256 mức, tức là từ 0...255).
3.1.4. Cấu trúc lưu dữ liệu
Dữ liệu được lưu trữ theo cấu trúc mảng (tập có thự tự gồm các phần tử số thực
hoặc phức). Ảnh cũng được lưu trữ bởi các mảng phần tử với các dữ liệu lưu trữ có thể
là màu cường độ của ảnh. Hầu hết các ảnh được lưu trữ dưới dạng các mảng 2 chiều (ví
dụ: ma trận). Trong các mảng 2 chiều này, mỗi phần tử tương ứng với một pixel và
thường được biểu diễn bởi một điểm trên màng hình mày tính (ví dụ: một bức ảnh có
500 hàng và 700 cột gồm nhiều điểm màu khác nhau được lưu trữ bởi một ma trận kích
thước 500x700). Một bức ảnh như ảnh màu đòi hỏi phải được lưu trữ bởi mảng ba chiều.
Trong đó mặt phẳng thứ nhất trong mảng ba chiều này biểu diễn cho cường độ màu đỏ
DUT.LRCC

(red) của phần tử, mặt phẳng thứ hai biểu diễn cho cường độ màu xanh lá cây (green)
và mặt phẳng còn lại biểu diễn cho cường độ màu xanh da trời (blue) của phần tử. Với
việc lưu trữ các ảnh dưới dạng mảng, việc xử lý ảnh với dữ liệu được lưu bởi dạng ma
trận nào được thực hiện rất thuận tiện.
3.2. Các thành phần của hệ thống xử lý ảnh
3.2.1. Thiết bị phần cứng: camera xử lý ảnh
Hiện nay, camera sử dụng trong công nghiệp có nhiều loại như: area scan camera,
line scan camera và network camera:
• Area scan camera, cung cấp chất lượng hình ảnh hàng đầu với tỷ lệ giá/hiệu suất
nổi bật. Được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ tự động hóa nhà máy và giám sát giao
thông đến hệ thống bán lẻ, dược phẩm.
• Line scan camera, thích hợp cho các ứng dụng cần cả tốc độ cao và chất lượng
hình ảnh cao. Loại camera này không theo dõi toàn bộ ảnh mà đánh giá ảnh chính xác
theo từng dòng. Thường được sử dụng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàng hóa và
quy trình phân loại.
• Network camera, thường được sử dụng để giám sát với chất lượng hình ảnh vượt
trội và hiệu suất mạnh mẽ trong môi trường ánh sáng thấp.
Một hệ thống xử lý ảnh tốt cần một camera tốt, đồng thời tùy vào mục đích sử
dụng cũng như yêu cầu của ứng dụng mà lựa chọn camera phù hợp. Các tiêu chí căn cứ
để lựa chọn một camera cho xử lý ảnh gồm: điện năng tiêu thụ, độ phân giải, loại cảm
biến được sử dụng trong máy ảnh, chuẩn giao tiếp, loại Camera đơn sắc hay màu …
Trong khuôn khổ đề tài này, nhiệm vụ xử lý ảnh không quá phức tạp nên nhóm tác
giả sử dụng Camera Logitech HDc270h. Với các thông số kỹ thuật chính như sau:
• Độ phân giải 1280 x 720 pixel.
• Chuẩn giao tiếp USB2.0.
• Loại Camera màu.
• Tốc độ khung hình 30 fps.
Hình 3.1 Camera Logitech HD c720
DUT.LRCC

3.2.2. Visual Studio
3.2.2.1. Hiểu biết chung về Visual Studio
Microsoft Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp từ Microsoft. Nó
được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như
các trang web, các ứng dụng web và các dịch vụ web. Visual Studio sử dụng nền tảng
phát triển phần mềm của Microsoft như Windows API, Windows Forms, Windows
Presentation Foundation, Windows Store và Microsoft Silverlight. Nó có thể sản xuất
cả hai ngôn ngữ máy và mã số quản lý.
Visual Studio bao gồm một trình soạn thảo mã hỗ trợ IntelliSense cũng như cải
tiến mã nguồn. Trình gỡ lỗi tích hợp hoạt động cả về trình gỡ lỗi mức độ mã nguồn và
gỡ lỗi mức độ máy. Công cụ tích hợp khác bao gồm một mẫu thiết kế các hình thức xây
dựng giao diện ứng dụng, thiết kế web, thiết kế lớp và thiết kế giản đồ cơ sở dữ liệu. Nó
chấp nhận các plug-in nâng cao các chức năng ở hầu hết các cấp bao gồm thêm hỗ trợ
cho các hệ thống quản lý phiên bản (như Subversion) và bổ sung thêm bộ công cụ mới
như biên tập và thiết kế trực quan cho các miền ngôn ngữ cụ thể hoặc bộ công cụ dành
cho các khía cạnh khác trong quy trình phát triển phần mềm.
Hình 3.2 Giao diện Visual Studio
Visual Studio hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau và cho phép trình biên
tập mã và gỡ lỗi để hỗ trợ (mức độ khác nhau) hầu như mọi ngôn ngữ lập trình. Các
ngôn ngữ tích hợp gồm có C,[1] C++ và C++/CLI (thông qua Visual C++), VB.NET
(thông qua Visual Basic.NET), C# (thông qua Visual C#) và F# (như của Visual
DUT.LRCC

Studio 2010[2]). Hỗ trợ cho các ngôn ngữ khác như J++/J#, Python và Ruby thông qua
dịch vụ cài đặt riêng rẽ. Nó cũng hỗ trợ XML/XSLT, HTML/XHTML, JavaScript và
CSS.GPIO, Power over Ethernet (PoE).
3.2.2.2. Giao diện làm việc của Visual Studio
Hình 3.3 Giao diện làm việc của Visual Studio
Màu cam:(Solution Explorer)là cửa sổ hiển thị Solution, các Project và các tập tin
trong project.
• Màu đỏ:đây là khu vực để lập trình viên viết mã nguồn cho chương trình.
Cửa sổ lập trình cho một tập tin trong Project sẽ hiển thị khi người dùng
nháy đúp chuột lên tập tin đó trong cửa sổ Solution Explorer.
• Màu vàng:(Output)đây là cửa sổ hiển thị các thông tin, trạng thái của
Solution khi build hoặc của chương trình khi debug.
• Màu đen(Toolbar) với các công cụ hỗ trợ người dùng trong việc viết mã và
debug (các công cụ trên thanh có thể thay đổi khi bắt đầu debug).
• Màu xanh lá cây(Thanh menu) với đầy đủ các danh mục chứa các chức
năng của VS. Khi người dùng cài thêm những trình cắm hỗ trợ VS (ví dụ
như Visual Assist), thanh menu này sẽ cập nhật thêm menu của các trình
cắm (nếu có).
DUT.LRCC

Một số cửa sổ bị ẩn bạn có thể tìm ở trong :View -> Other Windows, các thanh
công cụ được đặt trong View -> Toolbars.
Hình 3.4 Cách bật các cửa sổ bị ẩn trong Visual Studio
3.2.2.3. Giao diện làm việc của chương trình xử lý ảnh
Hình 3.5 Giao diện làm việc của chương trình xử lý ảnh
DUT.LRCC

Trên giao diện, mỗi vùng có một tác dụng tương ứng:
• Vùng 1: Nơi hiển thị kết quả nhận diện khi chạy chương trình. Nó sẽ hiển thị
hình ảnh, vị trí của vật cùng góc xoay của vật.
• Vùng 2: Các lựa chọn nhận diện thủ công. Ở đây chúng ta có thể chọn vật thể
cần nhận diện sau đó nhận diện chúng từ một bức ảnh chọn trong máy tính
hoặc lấy trực tiếp từ camera.
• Vùng 3: Theo dõi trạng thái kết nối giữa chương trình máy tính và PLC cũng
như Arduino, thực hiện việc kết nối/ngắt kết nối, kiểm tra dữ liệu truyền nhận
với Arduino và đọc/ghi dữ liệu thủ công vào Buffer Memory của PLC.
• Vùng 4: Hiển thị hình ảnh đầu vào sau khi được khử nhiễu và lọc màu, vùng
này giúp việc theo dõi và xử lý các tình huống bị nhiễu tốt hơn.
• Vùng 5: Hiển thị vị trí vật nhận diện được.
• Vùng 6: Hiển thị hình ảnh camera đầu vào.
3.2.3. EmguCV/OpenCV
OpenCV là một thư viện mã nguồn mở hàng đầu cho thị giác máy tính (computer
vision), xử lý ảnh và máy học, và các tính năng tăng tốc GPU trong hoạt động thời gian
thực. OpenCV được phát hành theo giấy phép BSD, do đó nó hoàn toàn miễn phí cho
cả học thuật và thương mại. Nó có các interface C++, C, Python, Java và hỗ trợ
Windows, Linux, Mac OS, iOS và Android. OpenCV được thiết kế để tính toán hiệu
quả và với sự tập trung nhiều vào các ứng dụng thời gian thực. Được viết bằng tối ưu
hóa C/C++, thư viện có thể tận dụng lợi thế của xử lý đa lõi. Được sử dụng trên khắp
thế giới, OpenCV có cộng đồng hơn 47 nghìn người dùng và số lượng download vượt
quá 6 triệu lần. Phạm vi sử dụng từ nghệ thuật tương tác, cho đến lĩnh vực khai thác mỏ,
bản đồ trên web hoặc công nghệ robot.
OpenCV đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bao gồm:
• Hình ảnh street view
• Kiểm tra và giám sát tự động
• Robot và xe hơi tự lái
• Phân tích hình ảnh y tế
• Tìm kiếm và phục hồi hình ảnh/video
• Phim - cấu trúc 3D từ chuyển động
• Nghệ thuật sắp đặt tương tác
Trong quá trình xử lý ảnh, nhóm tác giả sử dụng EmguCV, đây là một cross
flatform .NET và một thư viện xử lý hình ảnh mạnh dành riêng cho ngôn ngữ C#. Nó
cho phép gọi được chức năng của OpenCV là từ .NET. EmguCV tương thích với các
DUT.LRCC

ngôn ngữ như: C#, VB, VC ++, Iron Python... Wrapper của nó có thể được biên dịch
bởi Visual Studio, Xamarin Studio và Unity. EmguCV có thể chạy trên Windows,
Linux, Mac OS X, iOS, Android và Windows Phone.
Các lợi thế của EmguCV có thể kể ra như sau:
• EmguCV được viết hoàn toàn bằng C#. Có thể chạy trên bất kỳ nền tảng hỗ
trợ bao gồm iOS, Android, Windows Phone, Hệ điều hành Mac OS X và
Linux.
• EmguCV có thể được sử dụng từ nhiều ngôn ngữ khác nhau, bao gồm C#,
VB.NET, C ++ và Iron Python.
• Nhận dạng ảnh: nhận dạng khuôn mặt, các vật thể …
• Xử lý ảnh: khử nhiễu, điều chỉnh độ sáng …
• Nhận dạng cử chỉ.
• Hỗ trợ tài liệu XML và intellisense.
• Sự lựa chọn để sử dụng hình ảnh lớp hoặc trực tiếp gọi chức năng từ OpenCV.
3.3. Giao tiếp giữa máy tính và PLC
3.3.1. Giới thiệu về MX Component
Ta thực hiện truyền/nhận dữ liệu giữa PLC và máy tính thông qua dây cáp USB và
sự hỗ trợ của chương trình MX Component. MX Component là một công cụ đơn giản
nhưng rất mạnh mẽ cho phép ta kết nối các PLC Mitsubishi với máy tính một cách nhanh
chóng và dễ dàng.
Công cụ Communication Setup Utility sẽ giúp ta dễ dàng tạo dựng và kiểm tra kết
nối giữa máy tính và PLC. Chương trình hỗ trợ rất nhiều chế độ kết nối khác nhau như:
Serial (cổng CPU), RS-232C, RS-422, Ethernet và CC-Link. Đặc biệt một số dòng PLC
còn hỗ trợ kết nối qua cổng USB.
Hình 3.6 Giao diện Communication Setup Utility
DUT.LRCC

3.3.2. Cài đặt kết nối
• Bước 1: Trên giao diện chính của Communication Setup Utility, nhấn vào
mục Wizard. Của sổ Introduction hiện ra, nhập vào số của trạm Logic cần
tạo vào mục Logical station number. Nhấn next để đến bước tiếp theo.
Hình 3.7 Nhập số trạm
• Bước 2: Ở của sổ PC side, ở mục PC side I/F, chọn phương thức kết nối là
USB. Nhấn Next để tới bước tiếp theo.
Hình 3.8 Chọn phương thức kết nối
• Bước 3: Ở bước này, ở mục PLC side I/F ta chọn CPU module để kết nối
với PLC. Ở mục CPU type chúng ta chọn loại CPU được sử dụng trong
PLC ta đang sử dụng, ở đây là FX3G(C).
DUT.LRCC

Hình 3.9 Chọn loại CPU sử dụng
• Bước 4: Ở bước này a chọn loại trạm ở mục Station type là Host station.
Nhấn next để đến bước cuối cùng.
Hình 3.10 Chọn loại trạm
• Bước 5: Ở bước này, chúng ta có thể thêm một số ghi chú cho kết nối đang
cài đặt. Nhấn Finish để kết thúc việc cài đặt.
DUT.LRCC

Hình 3.11 Ghi chú và kết thúc
3.3.3. Chương trình nhận và gửi dữ liệu
Để thuận tiện cho việc truyền nhận dữ liệu với PLC trên ngôn ngữ C#, Mitsubishi
tạo ra thư viện hỗ trợ MITSUBISHI ActUtlType Control. Và ta phải thêm thư viện này
vào chương trình trước khi viết chương trình truyền nhận.
Khối lệnh đọc dữ liệu từ Buffer Memory:
private int ReadDataPLC(string device)
{
int biena;
bien1.plc.ReadDeviceBlock(device, 1, out biena);
return biena;
}
private void WriteDataPLC(string Device, int data)
{
bien1.plc.WriteDeviceBlock(Device, 1, data);
}
3.4. Quy trình xử lý ảnh
Ta có lưu đồ thuật toán lập trình trình xử lí ảnh như dưới đây:
DUT.LRCC

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán lập trình xử lý ảnh
❖ Khối lệnh thu nhận và kiểm tra hình ảnh đầu vào
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
DUT.LRCC

{
if (capture == null)
{
try
{
capture = new Capture();
}
catch (NullReferenceException excpt)
{
MessageBox.Show(excpt.Message);
}
}
if (capture != null)
{
if (captureInProgress)
{
Application.Idle -= ProcessFrame;
}
else
{
Application.Idle += ProcessFrame;
}
captureInProgress = !captureInProgress;
}
}
Trong khối lệnh này bao gồm các hàm với chức năng như sau:
Hàm “if (capture == null)” cho phép chúng ta kiểm tra xem đã lấy được các khung
hình video thông qua camera hay chưa. Nếu là chưa thì nó sẽ thực hiện việc kết nối bằng
cách tạo ra một Capture mới bằng lệnh“capture = new Capture();”.
Sau khi kết nối được, hàm ProcessFrame sẽ được gọi để hiển thị hình ảnh thu được
lên giao diện chương trình:
private void ProcessFrame(object sender, EventArgs arg)
{
var ImageFrame = capture.QueryFrame().ToImage<Bgr, byte>(); //line 1'
var bmp = ImageFrame.Bitmap;
CamImageBox.Image = bmp; //line 2
DUT.LRCC

}
❖ Khối cân bằng sáng và làm mờ ảnh
Chương trình sử dụng một hàm riêng để xử lý ánh sáng:
public static Bitmap AdjustBrightness(Bitmap Image, int Value)
{
Bitmap TempBitmap = Image;
float FinalValue = (float)Value / 255.0f;
Bitmap NewBitmap = new Bitmap(TempBitmap.Width,
TempBitmap.Height);
Graphics NewGraphics = Graphics.FromImage(NewBitmap);
float[][] FloatColorMatrix ={
new float[] {1, 0, 0, 0, 0},
new float[] {0, 1, 0, 0, 0},
new float[] {0, 0, 1, 0, 0},
new float[] {0, 0, 0, 1, 0},
new float[] {FinalValue, FinalValue, FinalValue, 1, 1}
};
ColorMatrix NewColorMatrix = new ColorMatrix(FloatColorMatrix);
ImageAttributes Attributes = new ImageAttributes();
Attributes.SetColorMatrix(NewColorMatrix);
NewGraphics.DrawImage(TempBitmap, new Rectangle(0, 0,
TempBitmap.Width, TempBitmap.Height), 0, 0, TempBitmap.Width,
TempBitmap.Height, GraphicsUnit.Pixel, Attributes);
Attributes.Dispose();
NewGraphics.Dispose();
return NewBitmap;
}
Hàm này có input là một ảnh và một giá trị từ -255 đến 255, nó có nhiệm vụ xuất
ra một ảnh là kết quả sau khi tăng/giảm ánh sáng ở ảnh đầu vào dựa vào giá trị nhận
được. Giá trị 0 tương ứng với độ sáng ở ảnh gốc, giá trị nhập vào càng lớn thì ảnh đầu
ra sẽ càng sáng và ngược lại.
Sau khi ảnh đã được căn chỉnh lại độ sáng phù hợp cho việc nhận diện, ảnh tiếp
tục được làm mờ bằng bộ lọc Gaussian Blur
CvInvoke.GaussianBlur(smoothImg1, smoothImg, new Size(5, 5), 1.5, 1.5);
Việc ứng dụng Gaussian Blur cho một hình là tính tích chập (Convolution) hình
đó với hàm Gaussian. Vì biến đổi Fourier của một Gaussian sẽ tạo ra một Gaussian khác
DUT.LRCC

cho nên nếu xét trên miền tần số thì phương pháp này sẽ làm giãm các thành phần có
tần số cao trong hình. Hay nói cách khác Gaussian Blur là một bộ lọc tần số cao (low
pass filter: chỉ giữ lại các thành phần tần số thấp). Hiểu đơn giản bộ lọc này sẽ giảm
nhiễu cho ảnh và giảm mức độ chi tiết của hình ảnh.
❖ Khối lọc màu cho ảnh
private void GetRedPixelMask(IInputArray image, IInputOutputArray mask)
{
bool useUMat;
using (InputOutputArray ia = mask.GetInputOutputArray())
useUMat = ia.IsUMat;
using (IImage Xmage = useUMat ? (IImage)new UMat() : (IImage)new Mat())
using (IImage hsv = useUMat ? (IImage)new UMat() : (IImage)new Mat())
using (IImage s = useUMat ? (IImage)new UMat() : (IImage)new Mat())
{
CvInvoke.BilateralFilter(image, Xmage, 15, 75, 75);
CvInvoke.CvtColor(Xmage, hsv, ColorConversion.Bgr2Hsv);
CvInvoke.ExtractChannel(hsv, mask, 0);
CvInvoke.ExtractChannel(hsv, s, 1);
if (Type == 1)
{
using (ScalarArray lower = new ScalarArray(15))
using (ScalarArray upper = new ScalarArray(150))
CvInvoke.InRange(mask, lower, upper, mask);
CvInvoke.BitwiseNot(mask, mask);
}
else if (Type == 2)
{
}
else if (Type == 3)
{
DUT.LRCC

}
else if (Type == 4)
{
}
CvInvoke.Threshold(s, s, 2, 255, ThresholdType.Binary);
CvInvoke.BitwiseAnd(mask, s, mask, null);
}
}
Ảnh được đưa vào sẽ được tách ra làm hai kênh, kênh thứ nhất dùng để lọc màu
sắc (Hue) và kênh thứ hai dùng để lọc độ bão hòa màu (Saturation). Không gian màu
HSV được sử dụng để làm cơ sở để lọc màu:
Hình 3.13 Không gian màu HSV
Giá trị vùng màu (Hue) trong EmguCV được quy định trong khoảng từ 0-179. Mỗi
vật thể cần xác định luôn có màu nằm trong một vùng màu nhất định. Ví dụ quả cà chua
có màu đỏ và vùng màu của nó nằm trong khoảng 150 đến 15. Dựa vào đặc tính này, ta
có thể lọc ra những vùng màu có màu tương tự như vật cần tìm.
Giá trị ngưỡng màu được quy định bằng 2 biến “lower” và “upper”. Hàm
“CvInvoke.InRange(mask, lower, upper, mask);” được sử dụng để lọc bỏ đi tất cả điểm
ảnh trên hình ảnh đầu vào không có màu sắc nằm trong ngưỡng này và chỉ để lại những
điểm ảnh phù hợp. Mỗi giá trị của biến “Type” đại diện cho một loại thức ăn: 1 - Gà rán,
2 - Trứng cuộn, 3 - Xúc xích, 4 - Gà rán. Mỗi loại thức ăn đều có một khoảng màu quy
định khác nhau.
Sau khi lọc màu, hình ảnh sẽ được lọc độ bão hòa bằng hàm “
CvInvoke.Threshold(s, s, 2, 255, ThresholdType.Binary);”, hàm này sẽ đưa tất cả điểm
ảnh có mật độ lớn hơn mật độ quy định (2) trở thành một điểm ảnh có độ đặc tối đa
(255).
DUT.LRCC

❖ Khử nhiễu cho ảnh sau khi lọc màu
Các vật thể được lọc ra bằng bộ lọc màu ở bước 1 chứa vô số các chấm nhỏ, đó là
các điểm ảnh không thỏa mãn bộ lọc trên vật thể. Chúng ta cần loại bỏ chúng trước khi
thực hiện bước tiếp theo. Ta sử dụng hai phép toán hình thái học Dilation (giãn nở) và
Erosion (co lại). Phép giãn nở sẽ có tác dụng làm cho đối tượng ban đầu trong ảnh (điểm
ảnh) tăng lên về kích thước (Giãn nở ra) và lấp đầy các ô trống gần chúng, phép co lại
sẽ giúp đưa vật về kích thước trước khi giãn nở và giúp viền của vật thể mượt hơn.
Hình 3.14 Ví dụ cho giãn nở và co ảnh
Chương trình khử nhiễu cho ảnh được trình bày như sau:
CvInvoke.Dilate(smoothedRedMask, smoothedRedMask, null, new Point(-1, -1), 1,
BorderType.Constant, CvInvoke.MorphologyDefaultBorderValue);
CvInvoke.Erode(smoothedRedMask, smoothedRedMask, null, new Point(-1, -1), 1,
BorderType.Constant, CvInvoke.MorphologyDefaultBorderValue);
❖ Tạo viền, tìm kiếm các vật thể sau khi lọc màu
Sau khi có được những vùng có màu tương tự như vật cần tìm, ta sử dụng giải
thuật phát hiện cạnh Canny để xác định viền của các vật thể đó. Giải thuật Canny được
sử dụng trong EmguCV với chỉ một hàm:
CvInvoke.Canny(smoothedRedMask, canny, 100, 50);
Trong đó, smoothedRedMask là ảnh đã được xử lý ở bước trên, và canny là viền
của vật thể được lưu trữ với dạng ma trận.
DUT.LRCC

Sau khi có được viền của các mặt nạ trên ảnh, ta sử dụng chúng để xác định vật
thể. Vật thể theo định nghĩa của máy tính phải có một đường viền kín, thế nên việc tìm
được viền chính xác và đầy đủ ở bước trước có ý nghĩa rất lớn.
Ta sử dụng hàm FindContourTree để tìm các đường viền nối tiếp nhau:
CvInvoke.FindContourTree(canny,contours,
ChainApproxMethod.ChainApproxSimple);
Trong hàm này, canny là đường viền tìm được ở bước trước, contours là đường
viền tìm được, ChainApproxMethod.ChainApproxSimple là phương pháp tìm viền vật
thể trong đó nén tất cả phân đoạn ngang, dọc, chéo và chỉ để lại giá trị điểm bắt đầu và
kết thúc của đường viền.
❖ Lọc vật thể bằng hình dáng
Sau khi tìm được các “vật thể” ở bước trước thông qua nhận diện viền. Ta cần phải
loại bỏ đi các “vật thể” không thỏa mãn yêu cầu, hay nói đúng hơn là những vùng màu
không thỏa mãn điều kiện về hình dáng và kích thước – ví dụ như những vùng nhiễu có
kích thước siêu nhỏ. Ta có thể xem kích thước của mỗi vùng màu tìm được ở bước trước
bằng hàm: double area = CvInvoke.ContourArea(c);
Sau đó ta lọc đi tất cả các vùng có kích thước quá nhỏ bằng một lệnh if cơ bản:
if (area > 400){}
Tiếp theo, ta sẽ phải xác định được các đặc tính hình học của vật thể lọc được, cụ
thể là chiều rộng, chiều cao cùng góc xoay của vật thể. Để làm điều này ta sử dụng một
công cụ được hỗ trợ của EmguCV là hàm RotatedRectange:
RotatedRect rRect = CvInvoke.MinAreaRect(c);
Hàm này sẽ tính toán và tìm ra được một hình chữ nhật có diện tích nhỏ nhất bao
quanh vật thể xem xét, đây chính là hình dáng sát với vật thể cần xem xét nhất. Kết quả
trả về cho chúng ta bao gồm chiều rộng, chiều cao, góc nghiêng cùng các điểm đặc biệt
trên hình chữ nhật này như góc hay tâm của hình chữ nhật. Đây là mấu chốt để tìm ra vị
trí cùng góc xoay của vật phục vụ cho việc gắp vật sau này.
DUT.LRCC

Hình 3.15 Ví dụ về xác định hình chữ nhật xoay trong EmguCV
Hình dáng và tỷ lệ hình chữ nhật sẽ được so sánh với tỷ lệ của các vật thể thật (Ví
dụ chiều dài của một cây xúc xích sẽ luôn gấp đôi chiều rộng của nó), điều này sẽ lọc đi
tất cả vật không phù hợp và chỉ để lại những vật thể có cả sự phù hợp về màu sắc, kích
thước và hình dáng. Dữ liệu về chiều rộng và chiều cao của vật thể được lưu trong 2
biến rRect.Size.Width và rRect.Size.Height.
❖ Xác định vật thể bằng đặc điểm
Vật thể được lọc qua các bộ lọc trước đã có độ phù hợp rất cao đối với loại thức
ăn cần tìm, thế nhưng trong một số trường hợp thì việc kiểm tra một lần nữa để nâng
cao độ chính xác là cần thiết. Điều này có thể phục vụ cho tương lai khi bài toán yêu
cầu xác định nhiều loại thức ăn có độ phức tạp cao hơn.
Trong chương trình sử dụng phương pháp phân tích SURF để phân tích các đặc
điểm của vật thể và sử dụng chúng để so sánh với bộ dữ liệu.
Hình 3.16 Phân tích vật thể bằng phương pháp SURF
DUT.LRCC

Chương 4: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
4.1. Cơ cấu truyền động thanh trượt
Hình 4.1 Cấu tạo cơ cấu truyền động
Đây là một cơ cấu do công ty IAI CORPORATION sản xuất và cung cấp, bao gồm
các bộ phận sau:
1: Encoder 2: Motor
3: Lớp vỏ kim loại bảo vệ 4: Thép không gỉ chống bụi
5: Trục vít bi 6: Thanh dẫn hướng
7: Thanh trượt.
Cách đọc Mode Number của cơ cấu:
Hình 4.2: Mode Number của cơ cấu truyền động
1: Tên dòng sản phẩm.
2: Cách bố trị động cơ (C: Thẳng trục, R: Vuông góc trục).
3: Loại encoder.
4: Loại động cơ.
5: Bước ren của trục vít.
6: Khoảng hành trình.
7: Đặc tính tiêu chuẩn về bộ điểu khiển.
8: Chiều dài cáp.
DUT.LRCC

9: Một số tùy chọn riêng
10: Nhận dạng chỉ dùng cho IAI.
Hai cơ cấu mà chúng ta sử dụng trong robot là: RCP6-SA6C-WA-42P-6-150-P3-
M-B và RCP6-SA6C-WA-42P-20-450-P3-M.
• RCP6-SA6C-WA-42P-6-150-P3-M-B: Động cơ được bố trí thẳng trên phương
chuyển động, không sử dụng pin, động cơ có frame size là 42mm, chiều dài hành trình
là 150mm, bước ren 6mm, bộ điều khiển loại PCON-CB, chiều dài cape là 5m và có
tính năng tự hãm (Brake).
• RCP6-SA6C-WA-42P-20-450-P3-M: tương tự như trên, nhưng chiều dài hành
trình là 450mm, bước ren là 20mm và không có tính năng tự hãm.
4.2. Bộ điều khiển công suất
Bộ điều khiển công suất có vai trò xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng
cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải. Tải sẽ quyết định các
thông số về điện áp, dòng điện, tần số và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi.
PCON-CB/CFB được sản xuất bởi tập đoàn IAI American, Inc. sử dụng phần mềm
PC Interface Software for RCEC để điều khiển chỉnh bằng tay.
4.2.1. Cấu trúc và kết nối
Hình 4.3 Cấu trúc PCON-CB
Cấu trúc của bộ điều khiển công suất như sau:
1. Đèn led hiển thị trạng thái bộ điều khiển.
2. Kết nối với bộ điều khiển trung tâm (Host system).
3. Đèn báo nguồn và giám sát cảnh báo.
4. Công tắc cài đặt thiết lập số trục.
5. Công tắc cài đặt thiết lập chế độ hoạt động.
6. Kết nối SIO.
7. Kết nối với động cơ và encoder.
8. Công tắc phanh.
9. Cung cấp nguồn.
DUT.LRCC

Hình 4.4 Sơ đồ đấu nối các thiết bị cơ bản
Kết nối PCON-CB/CFB với các thiết bị cần thiết như sau:
• Kết nối SIO với bộ chuyển đổi đến máy tính PC.
• Kết nối với động cơ và encoder bằng cáp kèm theo.
• Thiết lập chế độ sang Manual.
• Cung cấp nguồn cho PCON như hình dưới:
Hình 4.5 Trường hợp không sử dụng EMG- (dừng khẩn cấp)
DUT.LRCC

Hình 4.6 Trường hợp có sử dụng EMG- (dừng khẩn cấp)
• Lưu ý khi sử dụng: Khi cấp nguồn bằng cách bật/ tắt 24VDC thì giữ cho 0V
được kết nối và nguồn +24V được cung cấp/ ngắt. Sau khi tắt nguồn phải đợi trong ít
nhất 1s để khởi động lại.
4.2.2. Phần mềm PC Interface Software for RCEC
Phần mềm PC Interface Software for RCEC được dùng để giao tiếp và điều khiển
với bộ điều khiển công suất PCON-CB.
• Trước khi vào phần mềm điều khiển cần bật bộ điều khiển PCON và kết nối SIO
tới PC.
Hình 4.8 Chọn chế độ hoạt động
• Thiết lập Parameter dựa trên các thông số của cơ cấu chấp hành. Chọn
“Parameter” → “Edit”.
Hình 4.7 Tự động kết nối khi khởi
động
DUT.LRCC

Hình 4.9 Thiết lập Parameter cho cơ cấu truyền động
• Thiết lập Positon cho cơ cấu chấp hành. Chọn “Position” → “Edit”.
Hình 4.10 Thiết lập Position cho cơ cấu truyền động
Ở giao diện trên, ta thấy có nhiều nút bấm, chúng có chức năng phục vụ cho việc
dạy học, tinh chỉnh các giá trị cần thiết:
• Servo: Bật/ tắt động cơ.
• Home: Đưa thanh trượt về vị trí 0.
• Alarm: Đèn cảnh báo.
• Teach (Bw-/ Bw+): Thay đổi vị trí tiến/ lùi của thanh trượt.
• Speed: Thay đổi tốc độ động cơ.
• Các nút Pause/ Start/ Stop: Cho phép dừng/ bắt đầu/ kết thúc chu trình chạy thử
sau khi nhập các thông số như Position, Speed, ACC, DCL,... ở bảng phía dưới.
DUT.LRCC

4.3. Động cơ bước
4.3.1. Giới thiệu về động cơ bước
Hình 4.11 Động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để
biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các
chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các
vị trí cần thiết.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước
nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển
mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và
tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Trong điều
khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu
bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng
dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển
tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển
bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia
công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay...
4.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu
hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ
có từ tính. Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài. Động cơ bước
và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định
nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào.
DUT.LRCC

Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hoặc
vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải,
tất cá các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại.
Hình 4.12 Cấu tạo của động cơ bước
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được
trình bày ở hình sau: Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A. Khi cấp điện cho
cuộn dây pha A, trong cuộn sẽ xuất hiện cực tính. Do cực tính của cuộn dây pha và roto
ngược nhau dẫn đến roto chuyển động đến vị trí của cuộn dây A. Khi cuộn dây pha A
ngắt điện và cuộn dây B được cấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí của pha B. Cứ
như vậy cho đến khi động cơ xoay được
Hình 4.13 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
4.4. Bộ điều khiển trung tâm PLC và module CC-Link
4.4.1. Bộ điều khiển lập trình PLC
5.1.1.1. Tổng quan về PLC
Thường được nhắc tới là thiết bị điều khiển lập trình logic PLC - Bộ điều khiển có
thể lập trình được. PLC được bắt đầu dưới dạng bộ điều khiển đáp ứng các tiêu chuẩn
kĩ thuật bắt buộc của nhà sản suất xe của Hoa Kỳ. Điều khiển tuần tự trước khi PLC
hoàn thiện bởi các rơ le có bất lợi như:
DUT.LRCC

• Tiếp điểm chất lượng kém và bị mài mòn.
• Khó lắp đặt đi dây với lớn số lượng relay.
• Khó sửa đổi dây dẫn khi nội dung điều khiển thay đổi.
Bảng 4.1 So sánh giữa PLC và Rơ-le
Mục Phương pháp điều khiển
PLC Rơ-le
Chức năng Chương trình cho phép điều
khiển linh hoạt phức tạp, Ngoài
điều khiển tuần tự gốc PLC cho
phép một loạt chức năng khác
nhau.
Điều khiển phức hợp bằng số
lượng rơ-le là công việc khó
khăn về kinh tế và độ tin cậy.
Sửa đổi
điều khiển
linh hoạt
Sử đổi linh hoạt bằng chương
trình.
Sửa đổi cách đấu dây.
Độ tin cậy Độ tin cậy tuổi thọ cao. Sử dụng tiếp điểm rờ-le sử
dụng lâu dài thành tiếp điểm
kém chất lượng giới hạn về tuổi
thọ.
Bảo trì Hư hỏng có thể theo dõi bằng
phần mềm ngoại vi... các modun
có thể được thay thế riêng.
Khó xác định nguyên nhân thay
thế khi không hoạt động.
Quy mô Khả năng linh hoạt mở rộng . Sử dụng trong quy mô lớn
không thực tế.
5.1.1.2. PLC Mitsubishi FX3G-60M
FX3G-60MT/ES-A thuộc dòng PLC FX3G, dòng PLC được cải tiến từ dòng
FX1N, nó được kế thừa tất cả những tính năng của dòng PLC FX kết hợp với sự tiến bộ
vượt bậc của dòng PLC thế hệ FX3 nhắm đến sự đổi mới công nghệ mang đến cho người
dùng sự ổn định và tính linh hoạt cao.
FX3G-60MT/ES-A được tích hợp bộ nhớ trong lên đến 32Kb bước lệnh cho dòng
tiêu chuẩn, tốc độ xử lý một lệnh đơn logic trong thời gian 0.21µs. Thêm vào đó, nó cho
phép xử lý trên số thực và các ngắt.
Việc lập trình trên FX3G dễ hơn bao giờ hết nhờ vào sự thực thi thông qua đồng
thời 2 cổng truyền thông tốc độ cao là RS422 & USB. Còn với dòng FX3G ngõ ra kiểu
transistor cho phép phát xung độc lập trên 3 ngõ ra lên đến 100 kHz, được nhà sản xuất
DUT.LRCC

tích hợp và cải tiến nhiều tập lệnh điều khiển vị trí. Chức năng cho phép cài đặt mật
khẩu truy cập và phân quyền theo người sử dụng.
Hình 4.14 PLC Mitsubishi FX3G-60M
Thành phần chính của PLC là một bộ nhớ chương trình (bộ nhớ trong Ram và có
thể mở rộng qua bộ nhớ ngoài EPROM), một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho
việc ghép nối với PLC và các module vào và ra.
Hình 4.15 Cấu trúc bộ điều khiển lập trình PLC
Các đặc tính kỹ thuật của FX3G-60MT/ES-A bao gồm:
• Số ngõ vào: 36.
• Số ngõ ra: 24, kiểu Transistor (Sink).
• Nguồn cung cấp: 100–240 VAC (10 % / -15 %), 50/60 Hz.
• Công suất tiêu thụ: 32W.
DUT.LRCC

• Truyền thông: USB, RS232C, RS485
• Bộ đếm tốc độ cao: 60Hz x4 kênh và 10Hz x2 kênh.
• Bộ nhớ trong: 32Kb.
• Có thể mở rộng 16 – 128 ngõ ra/vào.
• Tích hợp đồng hồ thời gian thực.
5.1.1.3. Hoạt động của PLC
Hình 4.16 Hoạt động của PLC
Đầu vào bên ngoài có thể được cho là đã hoàn thành bởi công tắc nút bấm (PB0)
và đầu ra bên ngoài bởi đèn chỉ thị (L). Dòng tín hiệu từ trái qua phải.
• Khi công tắc đầu vào bên ngoài PB0 (tiếp điểm) được nối với chân đầu
vào PLC X0 được thể hiện ở bên trái hình bên trên đóng lại, dòng điện sẽ đến cuộn
cảm rơ-le đầu vào X0. Cuộn cảm rơ-le đầu vào sẽ thay đổi theo trạng thái của thiết bị
đầu vào bên ngoài và không tồn tại trong chương trình.
• Khi dòng điện vào cuộn cảm rơ-le đầu vào X0, thông tin sẽ được nạp
dưới dạng thông tin tiếp điểm rơ-le X0 đang "bật" vào vùng bộ nhớ thiết bị trong của
PLC và được lưu lại. Nói cách khác, tình trạng "bật/tắt" của tiếp điểm rơ-le đầu vào X0
được sử dụng bởi chương trình sẽ tương ứng với tình trạng của chân đầu vào X0 có
cùng số hiệu.
• Giả thuyết trong chương trình này, thông tin về tiếp điểm rơ-le đầu vào
X0 trong vùng bộ nhớ thiết bị là đang "bật", do đó cuộn cảm rơ-le đầu ra Y10 cũng
đang "bật".
• Tín hiệu đầu ra số Y10 tương ứng với trạng thái "bật" của cuộn cảm rơ-
le đầu ra Y10 có cùng số hiệu; đèn chỉ thị của thiết bị đầu ra bên ngoài do vậy cũng
"bật" (sáng đèn).
• Các tính năng chính của PLC
• Phản ứng theo thời gian thực: Có khả năng phản hồi các lệnh tức thì.
DUT.LRCC

• Độ tin cậy cao và ổn định lâu dài.
• Ngôn ngữ phù hợp với lĩnh vực điều khiển: Dễ hiểu dành cho những
người có am hiểu về điều khiển điện.
• Khả năng mở rộng: Có khả năng mở rộng cấu trúc, mở rộng bộ nhớ,…
• Kháng trở môi trường: hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt, khả
năng chống nhiễu cao.
4.4.2. Module CC-Link FX3U-16CCL-M
4.4.2.1. Hiểu biết chung về CC-Link
CC-Link viết tắt của Control & Conmunication Link là một hệ liên kết điều khiển
và liên lạc cho mạng truyền thông tốc độ cao giữa các bộ điều khiển và thiết bị trường
thông minh như I/O, cảm biến và bộ truyền động trong các mạng lưới với hơn 65 trạm,
nó cung cấp khả năng truyền thông thật sự ổn định. Được hỗ trợ bởi mật độ rộng của
thiết bị tự động từ nhiều nhà máy, CC-Link cung cấp yếu tố truyền thông cho sản xuất
tích hợp và hiệu quả hoặc quá trình cơ sở thông qua cáp đơn. Sự đáp ứng thời gian nhanh
là kết quả của các giao thức đơn giản và hiệu quả cao. CC-Link bao hàm nhiều đặc tính
cấp cao như tính năng stand-by master, tháo gỡ và tự động trở về chức năng Slave cũng
như tự động khôi phục từ các tính năng lỗi truyền thông. Có khả năng kết nối tương tác
với nhiều thiết bị có hỗ trợ tương tác.
Hình 4.17 Module CC-Link FX3U-16CCL-M
CC-link là một mạng mở thông số được phổ biến rộng rãi đến các nhà cung cấp
cảm biến và valve sử dụng trong môi trường công nghiệp. Có hai phương thức truyền
thông hệ thống của CC-Link là: Truyền nhất thời và truyền dữ liệu theo chu kỳ.
Bảng 4.2: So sánh các phương pháp truyền dữ liệu của CC-Link
Phương pháp Truyền thông dữ liệu Chương trình
gửi nhận dữ
liệu
DUT.LRCC

Truyền nhất
thời
Dữ liệu được gửi/nhận tự động, theo chu kì
trong các khu vực được chỉ định trước bởi các
thông số mạng.
Không cần
thiết
Truyền dữ
liệu theo chu
kỳ
Gửi/nhận dữ liệu giữ các lần theo chu kì, chỉ khi
có yêu cầu truyền thông giữ các plc trong mạng.
Cần thiết
5.1.1.4. Đặc điểm chính
Đặc điểm chính của CC-Link bao gồm:
• Dây dẫn tối ưu và tiết kiệm không gian cho hệ thống bằng phương pháp phân tán.
Hình 4.18 Tối ưu hệ thống với CC-Link
• Khả dụng đối với kết nối thiết bị thông minh.
• Tương thích với các mạng lưới mở an toàn.
• Thiết lập hệ thống phù hợp với nhu cầu: Truyền dữ liệu từ xa, với khoảng cách
chênh lệch và tốc độ truyền, hệ thống được kết nối từ 100m (tốc độ 10Mbps) đến 1.2km
(tốc độ 156Kbps).
• Liên kết điểm: Quá trình giao tiếp trong mỗi hệ thống có thể được thực hiện giữa
2048 điểm đối với đầu vào từ xa (RX) hoặc đầu ra từ xa (RY) và 8 điểm đối với với
thanh ghi từ xa (RW).
DUT.LRCC

• Ngăn chặn gián đoạn hệ thống: Khi một module trong hệ thống gặp sự cố do sụp
nguồn hoặc mất kết nối thì kết nối giữa các module còn lại vẫn không hề bị ảnh hưởng.
Khi đơn vị đó phục hồi lại bình thường thì nó sẽ tham gia trở lại vào liên kết dữ liệu một
cách tự động.
Hình 4.19 Liên kết dữ kiệu giữa các trạm trong hệ thống CC-Link
• Module dự phòng chính: Chức năng này cho phép liên kết dữ liệu tiếp tục làm
việc bằng cách chuyển qua lại với trạm dự phòng chính (mộ trạm dự phòng cho trạm
chủ) nếu có trục trặc xảy ra ở trạm chủ do vấn đề ở CPU PLC hoặc nguồn điện. Trạm
chủ có thể phục hồi trực tuyến trở lại ngay trong khi liên kết dữ liệu đang được điều
khiển bởi trạm dự phòng chính, và tự chuẩn bị cho dừng hệ thống trạm dự phòng.
5.1.1.5. Kết nối
Hình 4.20 Kiểu nối dây CC-Link
DUT.LRCC

Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.pdf

Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.pdf

Similar to Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.pdf