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 VĂN TẤN
HUỲNH TRÍ LỄ
Đà Nẵng, 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. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Tấn Số thẻ SV: 101140199
Huỳnh Trí Lễ Số thẻ SV: 101140188
2. Lớp: 14CDT2
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 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
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 1đ)
………………………………………………………………………………………..
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 năm 201
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:
1. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Tấn Số thẻ SV: 101140199
2. Lớp: 14CDT2
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm.
4. Người phản biện: ..………………………….………… Học hàm/ học vị: ………….
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
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
80
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.
15
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 các phần mềm ứng dụng
trong vấn đề nghiên cứu;
- Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng
dụng trong vấn đề nghiên cứu;
- Có kỹ năng làm việc nhóm;
15
2 Kỹ năng viết: 20
2a - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích 15
2b - Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng 5
DUT.LRCC

3 Tổng điểm đánh giá theo thang 100:
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)
- Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa: ………………………………………..
………………………………………………………………………………………...
- 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
Đà Nẵng, ngày tháng năm 201…
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: Nguyễn Văn Tấn Số thẻ SV: 101140199
Lớp: 14CDT2
Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam.
Giảng viên duyệt: TS. Võ Như Thành.
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 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 khác nhau, đường kính 40 ± 5mm, khối lượng 30g; Xử lý ảnh
phân biệt các loại thức ăn với nhau; Lắp đặt và vận hành cánh tay robot 2 bậc tự do. Hệ
thống sau khi hoàn thành có thể chạy được ở 2 chế độ cơ bản là chế độ dạy học và chế
độ xử lý ảnh tĩnh.
DUT.LRCC

KHOA CƠ KHÍ
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Tấn Số thẻ sinh viên: 101140199
Lớp:14CDT2 Khoa:Cơ khí Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Họ tên sinh viên: Huỳnh Trí Lễ Số thẻ sinh viên: 101140188
Lớp:14CDT2 Khoa:Cơ khí Ngành: Kỹ thuật 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:
 Chương 1: Tổng quan
 Chương 2: Hệ thống robot gắp thức ăn
 Chương 3: Quá trình xử lí ảnh
 Chương 4: Hệ thống truyền động
 Chương 5: Tay gắp mềm
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
 Bản vẽ sơ đồ đấu nối mạch điện (1A0).
 Bản vẽ sơ đồ tổng quát hệ thống (1A0).
 Bản vẽ lưu đồ thuật toán lập trình (1A0).
 Bản vẽ tổng quát hệ thống (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: 19/1/2019
8. Ngày hoàn thành đồ án: 30/5/2019
Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 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. Nhu cầu của nhà sản xuất
cũng như nhà tiêu dùng là tăng không ngừng. Đây là cơ hội và cũng là thách thức cho
ngành cơ điện tử, với việc ứng dụng các thành tựu nhân loại để phục vụ nhu cầu xã hội.
Robot là một ứng dụng thiết thực nhất, từ những cỗ máy đơn giản đến phức tạp nhất, nó
có thể góp mặt vào trong mọi lĩnh vực đời sống sản xuất con người.
Các robot đã và đang 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.
 Nghiên cứu và điều khiển robot.
 Xử lý ảnh xác định vật thể kết hợp với lập trình PLC.
Để đồ án này đạt kết quả tốt đẹp, chúng tôi đã nhận được sự hổ trợ, giúp đỡ của
nhiều cơ quan, cá nhân. Với tình cảm sâu sắc cho phép chúng tôi được bày tỏ lòng biết
ơn sâu sắc đến tất cả các cá nhân và cơ quan đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Trước hết chúng tôi gửi tới các thầy Khoa Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Đại
học Đà Nẵng lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự quan
tâm, chỉ dạy và truyền đạt kiến thức để chúng tôi hoàn thành đề tài này.
Đặc biệt chúng tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo – TS. Lê Hoài Nam
đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn hoàn thành tốt đề tài này trong thời gian qua. Không
thể không nhắc tới sự hổ trợ truyền đạt kinh nghiệm của kỹ sư Hoàng Hữu Vỹ, các thành
viên trong nhóm Aiméka và các bạn trong tập thể lớp 14CDT.
Tuy nhiên do kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên khó tránh khỏi
những thiếu sót. Chúng tôi 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.
Đà Nẵng, ngày 30 tháng 11 năm 2018
Người thực hiện đề tài: Nguyễn Văn Tấn
Huỳnh Trí Lễ
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
Nguyễn Văn Tấn
Huỳnh Trí Lễ
DUT.LRCC

iii
MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu và cảm ơn i
Lời cam đoan liêm chính học thuật 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
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................1
1.2. Bài toán đặt ra ................................................................................................1
Chương 2: HỆ THỐNG ROBOT GẮP THỨC ĂN..................................................3
2.1. Mô hình hóa hệ thống.....................................................................................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. Quy trình xử lý ảnh.........................................................................................5
2.2.1. Tổng quan về xử lý ảnh...................................................................................5
2.2.2. Nội dung quy trình xử lý ảnh ..........................................................................6
2.3. Cơ cấu chấp hành ...........................................................................................7
Chương 3: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH.....................................................................9
3.1. Các khái niệm liên quan đến 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. Các thành phần của hệ thống xử lý ảnh.........................................................10
3.2.1. Thiết bị phần cứng: camera xử lý ảnh............................................................10
DUT.LRCC

iv
3.2.2. Raspberry Pi .................................................................................................11
3.2.3. Trình soạn thảo Geany ..................................................................................17
3.3. Quy trình xử lý ảnh.......................................................................................19
Chương 4: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG.............................................................22
4.1. Cơ cấu truyền động.......................................................................................22
4.2. Bộ điều khiển công suất................................................................................23
4.2.1. Cấu trúc và kết nối........................................................................................23
4.2.2. Phần mềm PC Interface Software for RCEC .................................................25
4.3. Bộ điều khiển trung tâm PLC và module CC-Link .......................................27
4.3.1. Bộ điều khiển lập trình PLC..........................................................................27
4.3.2. Module CC-Link FX3U-16CCL-M...............................................................30
4.4. Lập trình điểu khiển hệ thống truyền động....................................................34
Chương 5: TAY GẮP MỀM ...................................................................................41
5.1. Lựa chọn phương án.....................................................................................41
5.2. Giới thiệu chung về tay gắp mềm .................................................................41
5.3. Nguyên lý hoạt động.....................................................................................42
5.4. Thiết kế ........................................................................................................43
5.4.1. Các thông số hình học...................................................................................43
5.4.2. Vật liệu.........................................................................................................45
5.5. Mô phỏng.....................................................................................................45
5.6. Chế tạo .........................................................................................................47
5.6.1. Chuẩn bị .......................................................................................................47
5.6.2. Quá trình đúc ................................................................................................48
5.7. Thực nghiệm ................................................................................................49
5.8. Các phiên bản...............................................................................................50
5.9. Điều khiển tay gắp mềm...............................................................................51
KẾT LUẬN ..............................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................54
DUT.LRCC

v
PHỤ LỤC 1..................................................................................................................
PHỤ LỤC 2..................................................................................................................
PHỤ LỤC 3..................................................................................................................
DUT.LRCC

vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Mô tả công việc cánh tay robot cần thực hiện………………………………….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 HDc720HD……………………………………………….10
Hình 3.2 Máy tính Raspberry Pi……………………………………………………….11
Hình 3.3 Raspberry Pi và các thiết bị ngoại vi…………………………………………11
Hình 3.4 Cấu trúc Raspberry Pi model B+…………………………………………….12
Hình 3.5 Kiểm tra IP của RPi ………………………………………………………….14
Hình 3.6 Giao diện Putty dùng để kết nối tới RPi……………………………………...14
Hình 3.7 Các chân GPIO thực tế……………………………………………………….15
Hình 3.8 Sơ đồ chân GPIO của RPi model 3B+……………………………………….15
Hình 3.9 Các trình soạn thảo được dùng trên RPi……………………………………..17
Hình 3.10 Giao diện trình soạn thảo Geany……………………………………………18
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán lập trình xử lí ảnh………………………………………..19
Bảng 4.1 So sánh giữa PLC và Rơ-le………………………………………………….27
Bảng 4.2 So sánh các phương pháp truyền dữ liệu của CC-Link……………………..31
Bảng 4.3 Tọa độ các vị trí của cơ cấu chấp hành cuối………………………………….38
Hình 4.1 Cấu tạo cơ cấu truyền động…………………………………………………..22
Hình 4.2 Mode Number của cơ cấu truyền động………………………………………22
Hình 4.3 Cấu trúc PCON-CB………………………………………………………….23
Hình 4.4 Sơ đồ đấu nối các thiết bị cơ bản……………………………………………..24
Hình 4.5 Trường hợp không sử dụng EMG- (dừng khẩn cấp) ………………………..24
Hình 4.6 Trường hợp có sử dụng EMG- (dừng khẩn cấp) ……………………………..25
Hình 4.7 Tự động kết nối khi khởi động ………………………………………………25
Hình 4.8 Chọn chế độ hoạt động………………………………………………………25
Hình 4.9 Thiết lập Parameter cho cơ cấu truyền động…………………………………26
DUT.LRCC

vii
Hình 4.10 Thiết lập Position cho cơ cấu truyền động………………………………….26
Hình 4.11 PLC Mitsubishi FX3G-60M………………………………………………..28
Hình 4.12 Cấu trúc bộ điều khiển lập trình PLC……………………………………….28
Hình 4.13 Hoạt động của PLC…………………………………………………………29
Hình 4.14 Module CC-Link FX3U-16CCL-M………………………………………..30
Hình 4.15 Tối ưu hệ thống với CC-Link……………………………………………….31
Hình 4.16 Liên kết dữ kiệu giữa các trạm trong hệ thống CC-Link……………………32
Hình 4.17 Kiểu nối dây CC-Link……………………………………………………...33
Hình 4.18 Minh họa quá trình truyền dữ liệu………………………………………..…34
Hình 4.19 Các thanh ghi được cấp phát………………………………………………..35
Hình 4.20 Vị trí địa chỉ các thanh ghi……………………………………………….…35
Hình 4.21 Hai cấu trúc đọc và ghi từ Buffer Memory………………………………….36
Hình 4.22 Khối khởi động PLC………………………………………………………..37
Hình 4.23 Khối nạp vị trí PCx…………………………………………………………37
Hình 4.24 Khối về “Home” …………………………………………………………...37
Hình 4.25 Khối bật tắt bit CSTR………………………………………………………37
Hình 4.26 Khối đọc giá trị các thanh ghi……………………………………………….37
Hình 4.27 Lưu đồ thuật toán lập trình PLC chương trình cơ bản……………………….39
Hình 4.28 Lưu đồ thuật toán lập trình PLC kết hợp xử lí ảnh…………………………..40
Bảng 5.1 Các thông số hình học của ngón tay mềm……………………………………43
Hình 5.1 Mẫu tay gắp mềm đầu tiên của Suzumori…………………………………....42
Hình 5.2 Cấu tạo của hệ thống các khoang nước bên trong sao biển…………………..43
Hình 5.3 Nguyên lý hoạt động của tay gắp mềm………………………………………43
Hình 5.4 Các thông số thiết kế phần khoang khí của một ngón tay riêng lẻ…………….44
Hình 5.5 Các thông số thiết kế phần đế của một ngón tay riêng lẻ……………………..44
Hình 5.5 Kết quả mô phỏng FEA của một ngón tay và tay gắp mềm………………….46
Hình 5.6 Mô phỏng ngón tay dưới tác dụng của 20kPa và -20kPa……………………..47
Hình 5.7 Khuôn đúc tay gắp mềm……………………………………………………..47
Hình 5.8 Các vật dụng cơ bản dùng để chế tạo tay gắp mềm…………………………..48
Hình 5.9 Các bước cơ bản của quá trình đúc tay gắp mềm……………………………..49
Hình 5.10 Các mẫu tay gắp mềm cùng đồ gá…………………………………………..49
Hình 5.11 Thử nghiệm gắp vật……………………………………………………..….50
Hình 5.12 Các phiên bản tay gắp mềm…………………………………………...……50
Hình 5.13 Sơ đồ khối hệ thống khí nén………..………………………………………52
Hình 5.14 Khả năng co, duỗi thực tế của tay gắp………………………………………52
DUT.LRCC

viii
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

Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn sử dụng xử lý ảnh và tay gắp mềm
SVTH: Nguyễn Văn Tấn, Huỳnh Trí Lễ. 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 mĩ, 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, một công ty của Nhật Bản là Maruyasu Kikai đã đưa ra một yêu cầu và cũng là
đề tài của đồ án này để giải quyết dần 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 thể là bánh bao, súp lơ, gà chiên,… Với độ cứng,
hình dạng khác nhau, đường kính 40±5mm, khối lượng 30g.
 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.
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
DUT.LRCC

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 hộp. Hoạt
động của hệ thống theo yêu cầu được mô tả như trong Hình 1.1.
Hình 1.1 Mô tả công việc cánh tay robot cần thực hiện
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 2 chế độ:
 Chế độ dạy học: Robot sẽ được dạy học trước với các thông số đầu vào
về vận tốc, gia tốc, vị trí, gắp và thả thức ăn. Khi khởi động thì robot sẽ tuân theo đúng
những gì đã được dạy mà hoạt động. Các hoạt động của robot diễn ra tuần tự và theo
một chu kỳ khép kín. Vòng lặp ngừng hoạt động khi có tác động dừng của người vận
hành.
 Chế độ xử lý ảnh tĩnh: Robot vẫn hoạt động như chế độ dạy học nhưng
sẽ được bổ sung thêm vào chức năng xử lý ảnh, nhờ đó robot có thể nhận biết được có
thức ăn hay không. Nếu không có thức ăn thì robot sẽ ở chế độ chờ, liên tục quét các vị
trí đến khi có thức ăn thì robot sẽ phân tích thức ăn thuộc loại nào để có thể gắp, thả đến
đúng vị trí của loại thức ăn đó.
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 Raspberry Pi. Raspberry Pi sau khi
xử lý và phân biệt được các loại thức ăn xong sẽ gửi tín hiệu đến PLC. Tại đây, PLC sẽ
điều khiển cánh tay robot 2 bậc tự do (2 Robo cylinder) thông qua bộ điều khiển động
cơ và tay gắp thông qua hệ thống khí nén để thực hiện việc gắp và thả thức ăn đến đúng
vị trí 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 và
nguồn 5V cho Raspberry Pi.
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. Xử lý ảnh số 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. Nội dung 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 sẽ được thu nhận qua các thiết bị như camera,
sensor, máy scanner,… và 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 bước 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, chúng tôi 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,v.v… 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 nào đó dựa theo biên hay các vùng liên thông. Tiêu
chuẩn để xác định các vùng liên thông có thể là cùng màu, cùng mức xám v.v… Mục
đích của phân đoạn ảnh là để có một 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 hai cơ cấu chấp hành
được điều khiển độc lập với nhau. Và hai cơ cấu này hoạt động phụ thuộc lẫn nhau để
vận hành toàn bộ hệ thống.
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
DUT.LRCC

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 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 Geany,
có áp dụng thư viện thị giác máy tính OpenCV C++. 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 HDc270h
DUT.LRCC

3.2.2. Raspberry Pi
3.2.2.1. Hiểu biết chung về Raspberry Pi
Raspberry Pi (viết tắt là RPi) là một máy vi tính nhỏ, giá rẻ, kích thước nhỏ gọn,
tiết kiệm điện năng (nguồn điện cung cấp cho RPi là 5V). RPi được sử dụng như một
máy vi tính thông thường khi đã kết nối với một màn hình máy vi tính hoặc màn hình
tivi qua cáp HDMI hoặc jack video analog, người dùng tương tác với RPi thông qua bàn
phím và chuột.
Hình 3.2 Máy tính Raspberry Pi
Máy tính RPi khi mới mua về chỉ là một bo mạch, muốn RPi trở thành máy tính
thực thụ, ta cần kết nối RPi với các thiết bị ngoại vi như màn hình, bàn phím, chuột,…
thông qua các cổng kết nối trên bo mạch và cung cấp nguồn điện 5V 2.5A.
Hình 3.3 Raspberry Pi và các thiết bị ngoại vi
DUT.LRCC

RPi là một thiết bị nhỏ cho phép mọi người có thể tìm hiểu, khám phá máy tính,
lập trình với các ngôn ngữ như Python hoặc C. RPi sử dụng hệ điều hành Linux và có
thể làm được gần như mọi thứ mà một máy tính thông thường có thể làm.
RPi có 3 mẫu chính, đó là: RPi model A, RPi model B và RPi model B+. Về cơ
bản, phần lớn cấu trúc của 3 mẫu này giống nhau. Tuy nhiên mỗi mẫu lại có một số điểm
khác biệt:
 RPi model A: RAM chỉ có dung lượng 256MB, chỉ có một cổng USB,
không có cổng Ethernet, có 26 chân GPIO.
 RPi model B: RAM 512MB, có 2 cổng USB, 1 cổng Ethernet và 26 chân
GPIO.
 RPi model B+: Có 4 cổng USB giúp tăng cường khả năng kết nối với các
thiết bị ngoại vi, có 40 chân GPIO. Ngoài ra, ngõ video và ngõ audio được tích hợp
thành một cổng duy nhất. Model B+ được phát triễn thành nhiều phiên bản mới nhưng
cơ bản vẫn giữ cấu trúc cơ bản của model B+ như model 2B, model 3B, model 3B+.
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng RPi model 3B+ để phục vụ cho quá trình lập
trình và vận hành hệ thống. Sau đây là cấu trúc của RPi model 3B+.
Hình 3.4 Cấu trúc Raspberry Pi model B+
DUT.LRCC

RPi model 3B+ là sản phẩm mới nhất, nổi bật với chip 4 nhân 64-bit có tốc độ
1.4GHz. Ngoài ra còn hỗ trợ Wifi Dual-band 2.4GHz và 5GHz, Bluetooth, cổng
Ethernet tốc độ cao (300Mbps). Thông số kỹ thuật chi tiết của RPi model B+ như sau:
 Vi xử lý: Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC
@1.4GHz.
 RAM: 1GB LPDDR2 SDRAM.
 Kết nối: 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN,
Bluetooth 4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps).
 Cổng USB: 4 x 2.0.
 Mở rộng: 40-pin GPIO.
 Video và âm thanh: 1 cổng full-sized HDMI, Cổng MIPI DSI Display,
cổng MIPI CSI Camera, cổng stereo output và composite video 4 chân.
 Multimedia: H.264, MPEG-4 decode (1080p30), H.264 encode
(1080p30); OpenGL ES 1.1, 2.0 graphics.
 Lưu trữ: MicroSD.
 Nguồn điện sử dụng: 5V/2.5A DC cổng microUSB, 5V DC trên chân
GPIO, Power over Ethernet (PoE).
3.2.2.2. Cài đặt và sử dụng Raspberry Pi
RPi không tích hợp ổ cứng trên board mạch, do đó hệ điều hành (viết tắt HĐH)
của RPi được cài đặt trên thẻ nhớ SD. Để cài đặt HĐH cho RPi, ta sử dụng NOOBS
(New out of the box software) là một trình quản lý cài đặt HĐH cho RPi. Có nhiều HĐH
chứa trong NOOBS như Raspbian, Pidora, Openelec, Raspbmc, Risc OS,… Thông
thường sẽ sử dụng HĐH Raspbian vì dễ tiếp cận và phổ biến nhất.
Sau khi cài HĐH, dĩ nhiên có thể sử dụng RPi được ngay, nhưng để tối ưu và thuận
tiện cho việc sử dụng, ta cần có một vài thiết lập cơ bản bao gồm: Thay đổi mật khẩu;
bật tùy chọn khởi động vào giao diện đồ họa; thay đổi múi giờ, ngôn ngữ; bật camera;
ép xung;… Để phục vụ cho đề tài này, chúng ta cần phải cài đặt phần mềm phục vụ cho
việc lập trình vận hành hệ thống. Đó là OpenCV, là một thư viện mã nguồn mở phục vụ
cho việc nghiên cứu và phát triễn về thị giác máy tính. Tối ưu hóa và xử lí các ứng dụng
trong thời gian thực, giúp cho việc xây dựng các ứng dụng xử lí ảnh, thị giác máy tính,…
một cách nhanh hơn.
Vì RPi là một máy tính không hoàn chỉnh, muốn vận hành được phải kết nối đầy
đủ các thiết bị cần thiết, đôi khi tạo sự bất tiện khi muốn thao tác với RPi. Để có thể thao
tác với RPi mọi lúc, mọi nơi mà không cần phải di chuyển RPi, chúng ta có thể sử dụng
các phần mềm như Putty hoặc SSH Secure Shekk Client để kết nối và điều khiển RPi,
DUT.LRCC

chỉ cần chúng ta biết địa chỉ IP, user và password để kết nối RPi. Ở đây, chúng tôi sử
dụng phần mềm Putty để kết nối và điều khiển RPi. Để biết được địa chỉ IP của RPi, từ
cửa sổ dòng lệnh, gõ lệnh “sudo ifconfig”, sau đó nhấn phím “Enter”.
Hình 3.5 Kiểm tra IP của RPi
Chạy phềm mềm Putty trên máy tính cá nhân, sau đó nhập địa chỉ IP của RPi vào
rồi chọn “Open”. Tiếp theo nhập “user” và “password” của RPi vào. Như vậy, ta có thể
thao tác trên RPi mà không cần phải làm việc trực tiếp trên RPi, giúp công việc tiện hợi
hơn rất nhiều.
Hình 3.6 Giao diện Putty dùng để kết nối tới RPi
DUT.LRCC

3.2.2.3. Tìm hiểu về các chân GPIO của Raspberry Pi
GPIO là từ viết tắt của General Purposr Input/Output, là các chân trên một header
có thể dùng làm ngõ vào (input pin) hoặc ngõ ra (output pin), phụ thuộc vào cách thiết
lập của người lập trình, có thể điều khiển thông qua phần mềm. GPIO cho phép các thiết
bị ngoại vi như các cảm biến, các thiết bị điện tử (công tắc, led,…),… kết nối. Đây là
nơi RPi giao tiếp với thế giới bên ngoài thông qua các thiết bị điện tử, điều khiển được
kết nối với các chân GPIO.
Hình 3.7 Các chân GPIO thực tế
Các mẫu RPi có sơ đồ bố trí các chân GPIO hoàn toàn khác nhau. Ở đây, chúng ta
chỉ đề cập đến sơ đồ chân GPIO của RPi model 3B+ mà chúng ta sẽ sử dụng, nó được
quy định như trong hình 3.7 dưới đây:
Hình 3.8 Sơ đồ chân GPIO của RPi model 3B+
DUT.LRCC

Có nhiều cách đánh số, ký hiệu cho các chân GPIO của RPi. Ở đây, chúng ta chỉ
đề cập đến hai cách đánh số chính, đó là kiểu BCM và kiểu BOARD.
 Đánh số theo kiểu BCM là cách ký hiệu các chân theo đúng chức năng
của nó. Ở hình 3.7, hai cột dọc ngoài cùng hai bên như các ô +3.3V, GPIO2, GPIO3,…
đó là cách đánh số theo kiểu BCM. Ở cách đánh số này, chúng ta còn được thấy các ký
hiệu như SDA, SCL, MOSI, MISO, SCLK,… đó chính là các chân GPIO có chức năng
thay thế. Nghĩa là, ngoài chức năng ngõ ra, ngõ vào thì các chân này còn dùng để thực
hiện các chức năng khác. Đó là giao thức I2C (SCL, SDA, GPCLK0), giao thức SPI
(MOSI, MISO, SCLK, CE0, CE1), giao thức UART (TXD, RXD).
 Đánh số theo kiểu BOARD là cách đánh số các chân GPIO dựa trên vị trí
của các chân trên header. Trên header, các chân GPIO được chia làm hai hàng, mỗi hành
có 20 chân. Trên hình 3.7, hai cột có các vòng tròn được đánh số từ 1 đến 40 chính là
cách đánh số theo kiểu BOARD.
Chúng ta cần hiểu các quy tắc đánh số, ký hiệu các chân này để có thể lập trình và
điều khiển chính xác các chân GPIO đúng với yêu cầu sử dụng. RPi 3B+ GPIO gồm có:
 2 chân có mức điện áp 3.3V ( chân 3.3V hoặc chân số 1, 17).
 2 chân có mức điện áp 5V (chân 5V hoặc chân số 2, 4).
 8 chân có mức điện áp 0V (chân GND hoặc chân số 6, 9, 14, 20, 25, 30,
34, 39).
 28 chân GPIO (các chân còn lại). Trong đó có 15 chân GPIO thường (chân
số 11, 12, 13, 15, 16, 22, 29, 31, 32, 33, 35, 36, 37, 38, 40), 13 chân còn lại có chức năng
thay thế.
Các chân GPIO chịu mức điện áp tối thiểu là 3V, tối đa là 5V. Nếu mức điện áp
nằm ngoài giới hạn này có thể sẽ làm mạch hỏng. Vì vậy, chúng ta nên sử dụng một
mạch mở rộng hoặc mạch chuyển đổi điện áp để kết nối với các thiết bị ngoại vi, không
nên kết nối trực tiếp các thiết bị, linh kiện điện tử vào GPIO trên RPi.
Và tất nhiên để có thể sử dụng được các chân GPIO này trong lập trình và điều
khiển thì chúng ta cần phải cài đặt thư viện “WiringPi” hoặc “RPi.GPIO” cho nó. Việc
cài đặt này được tiến hành dễ dàng thông qua các câu lệnh trên cửa sổ “Terminal”. Trong
báo cáo này chúng ta sẽ không đi sâu vào việc cài đặt các thư viện hay các chức năng
bổ trợ cho RPi, mọi sự hướng dẫn đã được phổ biến trong các tài liệu và internet.
3.2.2.4. Một số ngôn ngữ và thư viện lập trình cho Raspberry Pi
Hiện nay, có rất nhiều ngôn ngữ lập trình cho RPi như Python, Scratch, Java, C,
Shell, Ruby … Phổ biến hơn hết là Python và C. Các ngôn ngữ lập trình chỉ khác nhau
về bộ quy tắc, cú pháp và các thư viện bổ trợ. Nguyên lý, cách thức tiếp cận để giải
DUT.LRCC

quyết một vấn đề đối với mọi ngôn ngữ lập trình đều hoàn toàn giống nhau. Trong báo
cáo này, chúng tôi sử dụng ngôn ngữ C để lập trình cho ứng dụng của hệ thống. Kèm
theo ngôn ngữ C thì các thư viện quan trọng cần thiết cho việc lập trình cũng được cài
đặt đồng thời như OpenCV, WiringPi,…
OpenCV, một cái tên vô cùng quen thuộc đối với những chương trình xử lí ảnh, là
một thư viện mã nguồn mở hàng đầu cho thị giác máy tính, xử lí ảnh và các tính năng
liên quan tới thời gian thực. Nó có các giao diện 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, trong nhiều lĩnh vực từ khai thác mỏ, bản đồ trên web hoặc công nghệ robot.
Các ứng dụng phổ biến sử dụng OpenCV bao gồm: kiểm tra và giám sát tự động, robot
và xe tự lái, phân tích hình ảnh y tế, tìm kiếm và phục hồi hình ảnh/ video, phân tích cấu
trúc 3D chuyển động, chỉnh sửa ảnh,…
WiringPi là một thư viện dùng để truy xuất GPIO của RPi được viết bằng ngôn
ngữ C cho BCM2835 (là bộ vi xử lí được sử dụng trong RPi). Thư viện này sử dụng để
lập trình và thiết lập các chân GPIO, từ đó ta có thể đọc và ghi các tín hiệu của các chân.
3.2.3. Trình soạn thảo Geany
Có nhiều trình soạn thảo được sử dụng trên RPi như BlueJ Java IDE, Geany
Programmer’s Editor, Greenfoot Java IDE, Python 2, Python 3, …
Hình 3.9 Các trình soạn thảo được dùng trên RPi
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng trình soạn thảo “Geany Programmer’s
Editer”. Đây là một ứng dụng cho phép người dùng viết code trực tiếp trên RPi một cách
DUT.LRCC

dễ dàng. Geany là một phương án hoàn hảo cho các chương trình lớn, cần nhiều nguồn
file, hỗ trợ hầu hết các ngôn ngữ lập trình như C, Java, Python, Pascal,…
Hình 3.10 Giao diện trình soạn thảo Geany
Để sử dụng Geany trên RPi chúng ta cần thực hiện các lệnh sau trên cửa sổ
Terminal:
 Tải và cài đặt: “sudo apt-get update” – “sudo apt-get install geany”.
 Cài đặt trình biên dịch ngôn ngữ C: “sudo apt-get install build-essential”.
DUT.LRCC

3.3. Quy trình xử lý ảnh
Ta có lưu đồ thuật toán lập trình trình xử lí ảnh như dưới đây:
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán lập trình xử lý ảnh
 Khối lệnh thu nhận và kiểm tra hình ảnh đầu vào
VideoCapture cap(0);
if (!cap.isOpened())
{
cout<<"cannot open the web cam"<< endl;
DUT.LRCC

return -1;
}
bool bSuccess = cap.read(imgCurrent);
if (!bSuccess)
{
cout<<"cannot read a frame from video stream"<< endl;
break;
}
Trong khối lệnh này bao gồm các hàm với chức năng như sau:
 Hàm “VideoCapture cap(0)” cho phép chúng ta lấy được các khung hình video
thông qua camera hoặc đọc video từ file video. Khởi tạo đối tượng “cap”, nếu RPi đang
kết nối với một camera thì truyền tham số “0” vào để OpenCV tự phát hiện và mở đúng
camera đó. Để biết camera đã được mở hay chưa ta kiểm tra thuộc tính “isOpened” của
đối tượng “cap”.
 Nếu mở video thành công thì dùng vòng lặp vô hạn để lấy khung hình video từ
camera thông qua phương thức “read()”. Khung hình sẽ được lưu vào biến có tên
“imgCurrent”, với khai báo kiểu dữ liệu là “Mat” (cấu trúc dữ liệu lưu trữ data của hình
ảnh). Với ảnh được lưu này, ta có thể áp dụng các thuật toán để xử lí theo ý muốn.
 Khối tiền xử lí và phân đoạn ảnh
{
Mat imgHSV;
cvtColor(croppedImage, imgHSV, CV_BGR2HSV);
Mat imgThresholed;
Scalar minScalar = Scalar(LH, LS, LV);
Scalar maxScalar = Scalar(HH, HS, HV);
inRange(imgHSV, minScalar, maxScalar, imgThresholed);
erode(imgThresholed, imgThresholed,
getStructuringElement(MORPH_ELLIPSE, Size(5, 5)));
dilate(imgThresholed, imgThresholed,
dilate(imgThresholed, imgThresholed,
erode(imgThresholed, imgThresholed,
}
DUT.LRCC

Khối này thực hiện hai nhiệm vụ chính đó là chuyển đổi kiểu ảnh và khử nhiễu.
Dữ liệu ảnh đầu vào sẽ là ảnh RGB có tên là “croppedImage”, qua quá trình biến đổi,
đầu ra sẽ là ảnh nhị phân đã được khử một phần nhiễu. Ảnh này sẽ phục vụ cho quá
trình nhận dạng và kết luận màu sau này. Cụ thể, chức năng các lệnh và hàm được sử
dụng trong khối này như sau:
 Khai báo hai biến kiểu dữ liệu “Mat” để phục vụ cho quá trình chuyển đổi
kiểu ảnh: “Mat imgHSV” (biến sẽ lưu dữ liệu của ảnh HSV) và “Mat imgThresholed”
(biến sẽ lưu dữ liệu của ảnh nhị phân).
 Các thông số như độ sáng, độ tương phản,… rất quan trọng trong xử lí ảnh
nên ảnh cần được chuyển qua hệ HSV. Để chuyển đổi từ hệ RGB sang hệ HSV, ta sử
dụng hàm “cvtColor(Mat imgIn, Mat imgOut, int code)”. Với “imgIn, imgOut” là các
đầu vào, đầu ra có cùng size, depth, “code” quy định việc chuyển đổi mã màu nào sang
mã màu nào và nó có cấu trúc như sau: “CV_[mã màu nguồn]2[mã màu đích]”.
 Hàm “inRange” được sử dụng để ra một ảnh nhị phân trong một khoảng
màu cụ thể được giới hạn bởi “minScalar, maxScalar”.
 Sử dụng đồng thời hai hàm “erode” và “dilate” để khử nhiễu cho ảnh nhị
phân. Hai hàm này có cấu trúc tương tự nhau: “Funtion(imgIn, imgOut,
StructuringElecment”. Hàm “erode” có chức năng giảm kích thước đối tượng, tách rời
các đối tượng gần nhau, làm mảnh và tìm xương đối tượng. Hàm “dilate” thì làm cho
đối tượng trong ảnh tăng lên về kích thước (giản nở ra).
 Khối nhận dạng và kết luận màu
{
int TRANGa1 = countNonZero(imgA1);
}
Việc nhận dạng và kết luận màu có nhiều cách thức để thực hiện. Chúng tôi nhận
thấy cách đơn giản và mạng lại hiệu quả chấp nhận được đó là xét số lượng điểm ảnh có
giá trị “1” trên ảnh nhị phân vừa được tạo ra ở trên. Tất nhiên, với mỗi màu thì sẽ có
ngưỡng màu cụ thể để tạo ra phát hiện, theo thứ tự sẽ là lowH, lowS, lowV, high, highS,
highV, ví dụ như:
Màu xanh (bắp cải): Mat imgA1 = fun(croppedImage, 38, 93, 0, 141, 213, 255);
Màu vàng (gà): Mat imgA2 = fun(croppedImage, 0, 77, 0, 11, 220, 255);
Màu trắng (bánh bao): Mat imgA3 = fun(croppedImage, 0, 0, 169, 182, 44, 249);
Hàm “countNonZero” được sử dụng để đếm số fixel có giá trị khác “0”, tức là
điểm có màu trắng có trong ảnh nhị phân.
DUT.LRCC

Chương 4: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
4.1 Cơ cấu truyền động
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.
DUT.LRCC

8: Chiều dài cáp.
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 4.5 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 4.7 Tự động kết nối khi khởi động Hình 4.8 Chọn chế độ hoạt động
 Thiết lập Parameter dựa trên các thông số của cơ cấu chấp hành. Chọn
“Parameter”  “Edit”.
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 Bộ điều khiển trung tâm PLC và module CC-Link
4.3.1 Bộ điều khiển lập trình PLC
4.3.2.1 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:
 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.
4.3.2.2 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
DUT.LRCC

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
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 4.11 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.
DUT.LRCC

Hình 4.12 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.
 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.
4.3.2.3 Hoạt động của PLC
Hình 4.13 Hoạt động của PLC
DUT.LRCC

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.
 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.
4.3.2 Module CC-Link FX3U-16CCL-M
4.3.2.1 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
DUT.LRCC

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 4.14 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
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
4.3.2.2 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.
DUT.LRCC

Hình 4.15 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).
 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.
DUT.LRCC

Hình 4.16 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.
4.3.2.3 Kết nối
Hình 4.17 Kiểu nối dây CC-Link
Trong quá trình kết nối dây, chắc chắn phải kết nối điện trở đầu cuối. Điện trở
này có giá trị 110ꭥ 1/2W, nếu có ngắn mạch, đứt dây hoặc có sự cố thì bộ điều khiển
công suất có thể nhận biết được do dòng tăng đột ngột.
DUT.LRCC

4.4 Lập trình điểu khiển hệ thống truyền động
Trong quá trình cài đặt Parameter cho bộ điều khiển công suất, có nhiều mode điều
khiển nhưng ta nên chọn mode “1”: Positon/Simplified Derect Value Mode. Theo đó,
PLC sẽ truyền lệnh chọn ví trí tới bộ Controller IAI và bộ này sẽ sử dụng các dữ liệu
của vị trí tương ứng như tọa độ, vận tốc, gia tốc,… để điều khiển Actuator.
Hình 4.18 Minh họa quá trình truyền dữ liệu
Ở Mode “1”, mỗi tín hiệu I8put và Output của PLC sẽ được cấp phát bốn thanh ghi.
Hai thanh ghi đầu để thiết lập vị trí tọa độ cần đến, nếu ta sử dụng thông số Position
Table thì không sử dụng hai thanh ghi này. Thanh ghi thứ ba dùng để chọn vị trí trong
Position Table với các thông số tương ứng như: tọa độ, vận tốc, gia tốc,…. Thanh ghi
cuối cùng chứa các dữ liệu điều khiển như tín hiệu home, bật tắt servo, tín hiệu bắt đầu,
tín hiệu kết quả,…
DUT.LRCC

Hình 4.19 Các thanh ghi được cấp phát
Một lưu ý đặc biệt không kém, đó chính là Buffer Memory (bộ nhớ đệm). Việc
giao tiếp giữa PLC và Module CC-Link thông qua Buffer Memory, bộ nhớ đệm của các
thanh ghi Input, Output có địa chỉ lần lượt nằm trong các khoảng từ #1E0H đến #21FH
và từ #2E0H đến # 31FH trong hình 4.19 dưới đây.
Hình 4.20 Vị trí địa chỉ các thanh ghi
DUT.LRCC

Có hai cấu trúc lệnh quan trọng dùng để đọc ra và ghi vào từ Buffer Memory.
Hình 4.21 Hai cấu trúc đọc và ghi từ Buffer Memory
 Cấu trúc đọc dữ liệu từ Buffer Memory: “FROM K1 K29 D10 K1”. Trong
đó: K1 (thứ nhất) chỉ vị trí trạm chủ CC-Link; K29 chỉ vị trí thanh ghi đệm mà cần đọc
dữ liệu về; giá trị đọc về được lưu tạm vào thanh ghi D10; K1 (thứ hai) chỉ số điểm dữ
liệu muốn đọc về. Nếu muốn đọc dữ liệu ở 2 thanh ghi liên tiếp là K29 và K30 thì ta sẽ
dùng cú pháp: “FROM K1 K29 D10 K2”. Khi đó dữ liệu đưa về được lưu tạm thời vào
thanh ghi D10 và D11 của PLC.
 Cấu trúc ghi dữ liệu vào Buffer Memory: “TO K1 K0 H0001 K1”. Tương
tự như trên thì: K1 (thứ nhất) chỉ vị trí trạm chủ CC-Link; K0 chỉ địa chỉ thanh ghi trên
Buffer Memory sẽ được lưu dữ liệu vào; H0001 là địa chỉ thanh ghi chứa dữ liệu trên
PLC; và K1(thứ hai) thể hiện số điểm dữ liệu muốn ghi vào.
Để lập trình PLC điều khiển các Actuator này, cần nhất thiết phải thực hiện theo
thứ tự như sau:
 Bật Servo “ON” và giữ giá trị này bằng việc tác động vào thanh ghi 4.
 Cài đặt tọa độ mục tiêu bằng việc ghi các giá trị vào thanh ghi 1 và 2.
 Chọn vị trí PCx trên thanh ghi 3 để lấy các giá trị vận tốc, gia tốc, giảm
tốc,…
 Bật tín hiệu CSTR tại thanh ghi thứ 4 để cho phép Servo hoạt động. Các
dữ liệu tọa độ, vận tốc, gia tốc, giảm tốc,… được đọc tại sườn lên của tín hiệu CSTR.
 Sau khi Actuator tới tọa độ mục tiêu sẽ có tín hiệu phản hồi PEND và PMx
tương ứng. Để đọc được các tín hiệu này ta phải tắt tín hiệu CSTR.
Sau đây là một ví dụ các thành phần trong một chương trình PLC để điều khiển
hai cơ cấu chấp hành di chuyển tới một vị trí.
DUT.LRCC

Hình 4.22 Khối khởi động PLC
Hình 4.23 Khối nạp vị trí PCx
Hình 4.24 Khối về “Home”
Hình 4.25 Khối bật tắt bit CSTR
Hình 4.26 Khối đọc giá trị các thanh ghi
DUT.LRCC

 Trong hoạt động của hệ thống này, cơ cấu chấp hành cuối cùng của robot hai bậc
tự do sẽ di chuyển tuần tự tới các vị trí trên các trục X và trục Y theo mô tả dưới đây:
Bảng 4.3 Tọa độ các vị trí của cơ cấu chấp hành cuối
Như đã biết, mỗi vị trí được mô tả bằng giá trị hai tọa độ là X và Y. Các giá trị X
hoặc Y được cài đặt trong bảng Position đã nêu. Sau đây là lưu đồ thuật toán thể hiện
quá trình lập trình điều khiển hoạt động tuần tự của robot và lưu đồ thuật toán thể hiện
hoạt động của robot kết hợp với xử lí ảnh:
DUT.LRCC

Hình 4.27 Lưu đồ thuật toán lập trình PLC chương trình cơ bản
DUT.LRCC

Hình 4.28 Lưu đồ thuật toán lập trình PLC kết hợp xử lí ảnh
DUT.LRCC

Chương 5: TAY GẮP MỀM
5.1 Lựa chọn phương án
Với bài toán đặt ra là gắp các loại thức ăn khác nhau về hình dạng, kích thước và
độ cứng mà không làm hư hại, biến dạng hoặc rơi trong quá trình gắp. Và xét các loại
tay gắp phổ biến hiện nay có thể kể đến như: Tay gắp cơ khí truyền thống, tay gắp ngang,
hút chân không… Thì hoặc không đáp ứng được yêu cầu của bài toán hoặc cơ cấu gắp
và điều khiển rất phức tạp. Vậy nên nhóm đã quyết định chuyển hướng sang một phương
án mới và có tính đột phá hơn đó chính là “tay gắp mềm” với những ưu điểm là khối
lượng nhẹ, chi phí thấp, chế tạo và điều khiển đơn giản, dễ dàng thích nghi và an toàn
với đối tượng gắp cũng như người dùng…
5.2 Giới thiệu chung về tay gắp mềm
Trong những năm gần đây, tay gắp mềm đang là một lĩnh vực tiềm năng và được
quan tâm, nghiên cứu nhiều trên thế giới bởi những ưu điểm của nó như khối lượng nhẹ,
chi phí thấp, chế tạo và điều khiển đơn giản, dễ dàng thích nghi với nhiều loại đối tượng
gắp và an toàn với người dùng…Tay gắp mềm được nghiên cứu và chế tạo lần đầu tiên
vào những năm 90 bởi nhóm nghiên cứu do Suzumori chỉ đạo [2]. Họ đã tạo ra một tay
gắp mềm với bốn ngón làm bằng cao su được gia cường bởi kết cấu khung sợi cùng ba
khoang khí bên trong mỗi ngón và tiến hành các thí nghiệm với các chế độ gắp khác
nhau. Theo thời gian, rất nhiều nghiên cứu và sản phẩm tay gắp mềm khác đã ra đời.
Trong đó nổi bật lên là tay gắp mềm điều khiển bằng khí nén. Tay gắp này có thể được
thiết kế và mô phỏng trước bởi phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA), điều này
giúp chúng ta có thể dễ dàng nghiên cứu sự thay đổi của các thông số hình học, vật liệu
tác động như thế nào đến ứng xử của ngón tay. Các nghiên cứu trước đây về loại tay gắp
này phải kể đến như của Polygerinos trong ứng dụng để làm găng tay mềm phục hồi
chức năng bàn tay [3], Mosadegh trong việc thiết kế tay gắp mềm hoạt động với tốc độ
nhanh [4], Zhongkui Wang trong việc so sánh các loại tay gắp mềm khác nhau về vật
liệu và cách chế tạo [5][6]…
DUT.LRCC

Hình 5.1 Mẫu tay gắp mềm đầu tiên của Suzumori
Tay gắp mềm được nghiên cứu trong đồ án này được lấy cảm hứng từ hoạt động
co và duỗi chân của sao biển để nó có thể di chuyển. Ở đây, sao biển bơm nước vào bên
trong thông qua bộ phận hút nước, nước từ đó được truyền đến các khoang chứa nước
thông qua hệ thống kênh phân phối. Khoang chứa nước của sao biển có thể phình ra khi
được bơm nước vào và co lại khi bị rút nước ra. Hoạt động phình và co này của khoang
chứa nước sẽ giúp chân sao biển co và duỗi được.
Hình 5.2 Cấu tạo của hệ thống các khoang nước bên trong sao biển
5.3 Nguyên lý hoạt động
Dựa theo việc lấy cảm hứng từ hệ thống các khoang nước bên trong sao biển đã đề
cập ở trên, một mẫu thết kế tay gắp mềm đã được đề xuất với nguyên lý như sau: Tay
gắp sẽ được chế tạo với các ngón tay làm bằng vật liệu siêu đàn hồi và được chia thành
hai phần là phần có thể kéo giãn và phần không thể kéo giãn. Phần có thể kéo giãn sẽ
được thiết kế với các khoang khí bên trong, còn phần không thể kéo giãn thì được gia
cố thêm bằng một lớp vật liệu có độ kéo giãn thấp. Khi ta cấp khí vào thì các khoang
DUT.LRCC

khí phình ra làm cho phần có thể kéo giãn dài ra, trong khi phần không thể kéo giãn vẫn
giữ nguyên độ dài. Điều này sẽ làm cho ngón tay của tay gắp mềm co lại và nhờ đó ta
có thể gắp được đồ vật.
Hình 5.3 Nguyên lý hoạt động của tay gắp mềm
5.4 Thiết kế
5.4.1 Các thông số hình học
Các thông số hình học của ngón tay quyết định rất lớn đến hoạt động và hiệu suất
của tay gắp. Nhiều nghiên cứu gần đây đã mô phỏng và thực nghiệm được ảnh hưởng
của các thông số hình học như là độ dày vách ngăn giữa các khoang khí, chiều cao và
số lượng của các khoang khí, khoảng cách giữa các khoang khí với nhau [3][4], độ rộng
và hình dạng của khoang khí [8]… Tổng hợp những kết quả nghiên cứu đó lại, nhóm đã
lập ra bảng 5.1 các thông số hình học và ý nghĩa của chúng sau đó đề xuất ra bản thiết
kế của một ngón tay như sau:
Bảng 5.1 Các thông số hình học của ngón tay mềm
STT Thông số Ghi chú
1 Cao ngón
Ngón càng cao thì càng dễ cong tuy nhiên cần xem xét đến
không gian làm việc.
Chọn theo không gian làm việc: 20mm
2 Dài ngón
Ngón càng dài thì gắp được vật càng lớn tuy nhiên sẽ gặp khó
khăn khi gắp vật nhỏ.
Chọn theo khoảng kích thước của vật cần gắp: 89mm
3 Rộng ngón
Ngón càng rộng thì càng dễ cong, diện tích tiếp xúc càng lớn.
Chọn phù hợp với nhu cầu và kích thước vật cần gắp: 30mm
4
Cao
khoang
Cao khoang quyết định chiều dày đỉnh.
Chọn sao cho chiều dày đỉnh lớn hơn dày thành khoang khí:
17mm
5
Rộng
khoang
Rộng khoang quyết định chiều dày bên.
Chọn sao cho chiều dày bên lớn hơn dày thành khoang khí:
24mm
DUT.LRCC

6 Dài khoang
Khoang càng ngắn thì số lượng khoang càng nhiều, càng dễ biến
dạng.
Chọn khoang khí dài 7mm
7
Dày thành
khoang
Thành càng mỏng thì ngón tay cong càng dễ, tuy nhiên sẽ bị
phình to và kém bền về lâu dài.
Chọn thành dày 2mm
8 Rộng rãnh
Rãnh càng hẹp thì càng dễ cong. Tuy nhiên có lẽ sẽ ảnh hưởng
đến lực kẹp vì áp lực khí quá nhỏ.
Chọn rãnh rộng 2mm
9 Sâu rãnh
Rãnh càng sâu thì càng dễ cong, tuy nhiên sẽ giảm độ cứng vững
của tay gắp.
Chọn độ sâu không quá ½ chiều cao của khoang khí: 10mm
Hình 5.4 Các thông số thiết kế phần khoang khí của một ngón tay riêng lẻ
Hình 5.5 Các thông số thiết kế phần đế của một ngón tay riêng lẻ
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