Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.pdf

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT
PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Người hướng dẫn: TS. NGÔ THANH NGHỊ
Sinh viên thực hiện: TRẦN VĂN AN
TRẦN KIM TẤN
Đà Nẵng, 12/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌCBÁCH KHOA
KHOA CƠKHÍ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: Trần Văn An Số thẻ SV: 101150155
Trần Kim Tấn Số thẻ SV: 101150184
2. Lớp: 15CDT1
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.
4. Người hướng dẫn: Ngô Thanh Nghị 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 2019
DUT.LRCC

TRƯỜNG ĐẠI HỌCBÁCH KHOA
KHOA CƠKHÍ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: Trần Văn An Số thẻ SV: 101150155
Trần Kim Tấn Số thẻ SV: 101150184
2. Lớp: 15CDT1
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.
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 cánh tay robot phân loại sản phẩm.
Sinh viên thực hiện: Trần Văn An Số thẻ SV: 101150155
Trần Kim Tấn Số thẻ SV: 101150…
Lớp: 15CDT1
Giảng viên hướng dẫn: TS. Ngô Thanh Nghị
Giảng viên duyệt: PGS.TS. Trần Xuân Tùy
Đề tài đề cập về quá trình thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do kết hợp kỹ
thuật xử lí ảnh để phân loại bánh răng. Đề tài gồm 3 phần chính: Thiết kế, mô phỏng,
chế tạo cánh tay robot ; Xử lý ảnh phân biệt các loại bánh răng hư và không hư; Lắp đặt,
tính toán động học và vận hành cánh tay robot 4 bậc tự do. Hệ thống sau khi hoàn thành
có thể phân loại gắp bánh răng trên băng tải chuyển động và bỏ vào những vị trí tương
ứng đã thiết lập .
DUT.LRCC

CAM ĐOAN
Chúng em 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
Trần Văn An
Trần Kim Tấn
DUT.LRCC

i
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế trong và ngoài nước đang trên đà phát triển mạnh mẽ, các
ngành công nghiệp ngày càng tự động hóa sản xuất, 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 cánh tay robot kết hợp xử lí ảnh phân loại sản phẩm.
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 chế tạo.
 Nghiên cứu và điều khiển robot.
 Xử lý ảnh xác định vật thể kết hợp với lập trình arduino.
Để đồ án này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được sự hổ trợ, giúp đỡ của cá
giáo viên trong khoa và các giáo viên ở xưởng cơ khí .
Với tình cảm sâu sắc trước hết chúng em xin gửi tới các Thầy Khoa Cơ khí trường
Đại học Bách Khoa Đại học Đà Nẵng lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự
quan tâm, chỉ dạy và truyền đạt kiến thức để chúng em hoàn thành đề tài này.
Đặc biệt chúng em gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Thầy giáo – TS. Ngô Thanh
Nghị đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn hoàn thành tốt đề tài này trong thời gian qua.
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 đề tài của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Xin chân
thành cảm ơn.
Đà Nẵng, ngày 4 tháng 12 năm 2019
Người thực hiện đề tài:
Trần Văn An
Trần Kim Tấn
DUT.LRCC

ii
MỤC LỤC
TÓM TẮT .................................................................................................................
CAM ĐOAN .............................................................................................................
LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................i
MỤC LỤC...............................................................................................................ii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU...................................................................................v
DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ ................................................................vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ....................................1
1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa...................................................................1
1.1.1 Khái niệm về tự động hoá sản xuất........................................................1
1.1.2 Các hình thức tự động hoá .....................................................................1
1.1.3 Sự cần thiết phải có tự động hóa............................................................2
1.2 Giới thiệu về đề tài........................................................................................4
1.2.1 Tổng quan về Robot...............................................................................4
1.2.2 Lựa Chọn Đề Tài Thiết Kế Robot..........................................................8
1.3 Tính cấp thiết của đề tài. ...............................................................................8
1.4 Nguyên lí hoạt động......................................................................................9
1.4.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống......................................................9
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ..................11
2.1 Ý tưởng thiết kế...........................................................................................11
2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cánh tay gắp sản phẩm. .................11
2.2.1 Cánh tay theo kiểu tọa độ trụ. ..............................................................11
2.2.2 .Cánh tay Robot kiểu tọa độ cầu. ........................................................12
2.2.3 .Cánh tay Robot SCARA. ....................................................................12
2.2.4 .Cánh tay Robot kiểu tay người. ..........................................................13
2.3 Phân tích lựa chọn cơ cấu cuối cùng...........................................................14
2.3.1 Kiểu cơ cấu kẹp....................................................................................14
2.3.2 Kiểu đầu hút khí nén : ..........................................................................15
2.3.3 Kiểu nam châm điện.............................................................................15
CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ......................................17
DUT.LRCC

iii
3.1 Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động cho cánh tay .................................17
3.1.1 Truyền động bánh răng ........................................................................17
3.1.2 Truyền động đai. ..................................................................................17
3.2 Phân tích lựa chọn động cơ.........................................................................18
3.2.1 Động cơ bước.......................................................................................18
3.2.2 Động cơ điện một chiều. ......................................................................19
3.2.3 Động cơ Servo......................................................................................19
3.3 Phân tích lựa chọn băng chuyền..................................................................20
3.4 Cảm biến tiệm cận.......................................................................................23
3.5 Công tắc hành trình .....................................................................................24
3.6 Module TB6560 ..........................................................................................25
3.7 Mạch điều khiển Arduino............................................................................26
CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC ROBOT VÀ XỬ LÍ ẢNH ........................................28
4.1 Phương trình động học cánh tay máy..........................................................28
4.1.1 Phương trình động học thuận...............................................................28
4.1.2 Phương trình động học nghịch.............................................................33
4.2 Xử lý ảnh.....................................................................................................34
4.3 Quá trình tính toán động học.......................................................................40
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................................44
5.1 Thiết kế hệ thống cơ khí..............................................................................44
5.1.1 Thiết kế băng tải...................................................................................44
5.1.2 Tính toán cánh tay................................................................................45
5.2 Lưu đồ thuật toán ........................................................................................51
5.2.1 Lưu đồ thuật toán xử lí ảnh ..................................................................51
5.2.2 Lưu đồ thuật toán máy tính ..................................................................52
5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển.......................................................................52
5.3.1 Thiết kế giao diện điều khiển bằng Matlab..........................................53
KẾT LUẬN...........................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................55
PHỤ LỤC..............................................................................................................56
Chương trình Matlab:........................................................................................56
DUT.LRCC

iv
Chương trình Arduino:......................................................................................61
DUT.LRCC

v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
BẢNG 4-1 Bảng thông số Denavit-Hartenbert của tay máy hình 2.4..................31
BẢNG 4-2 Bảng thông số DH..............................................................................41
BẢNG 5-1 Thông số các khâu Robot...................................................................45
BẢNG 5-2 Thông số động cơ bước 86BYGH450A ............................................47
BẢNG 5-3 Bảng thông số động cơ Nema 23 .......................................................49
DUT.LRCC

vi
DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ
HÌNH 1-1: Robot lái xe đạp....................................................................................5
HÌNH 1-2: Robot trong y học.................................................................................6
HÌNH 1-3: Robot Asimo.........................................................................................7
HÌNH 1-4: Robot nhân tạo......................................................................................7
HÌNH 1-5: Robot TOPIO, Robot của người Việt...................................................8
HÌNH 1-6 Các thành phần chính của hệ thống.......................................................9
HÌNH 2-1 Cánh tay Robot kiểu tọa độ trụ............................................................11
HÌNH 2-2. Cánh ta Robot kiểu tọa độ cầu............................................................12
HÌNH 2-3. Cánh tay Robot SCARA.....................................................................12
HÌNH 2-4.Cánh tay Robot kiểu cánh tay người...................................................13
HÌNH 2-5 Cơ cấu tay kẹp.....................................................................................14
HÌNH 2-6 Đầu hút khí nén ...................................................................................15
HÌNH 2-7 Nam châm điện....................................................................................15
HÌNH 3-1. Động cơ bước. ....................................................................................18
HÌNH 3-2. Động cơ điện 1 chiều..........................................................................19
HÌNH 3-3. Động cơ Servo....................................................................................20
HÌNH 3-4 Băng tải cao su.....................................................................................20
HÌNH 3-5 Băng tải xích........................................................................................21
HÌNH 3-6 Băng tải con lăn...................................................................................21
HÌNH 3-7 Băng tải mini .......................................................................................22
HÌNH 3-8 Băng tải PVC.......................................................................................22
HÌNH 3-9 Cảm biến tiệm cận...............................................................................23
HÌNH 3-10 Công tắc hành trình ...........................................................................24
HÌNH 3-11 Module TB6560 ................................................................................25
HÌNH 3-12 Arduino Mega....................................................................................26
HÌNH 4-1 Các vectơ định vị trí và định hướng của bàn tay máy.........................29
HÌNH 4-2 Chiều dài và góc xoắn của một khâu...................................................30
HÌNH 4-3 Các thông số của khâu: θ, d, a và α .....................................................30
HÌNH 4-4 Tay máy có hai khâu phẳng (vị trí bất kỳ) ..........................................31
DUT.LRCC

vii
HÌNH 4-5 Quá trình xử lý ảnh..............................................................................34
HÌNH 4-6 Ảnh tĩnh...............................................................................................35
HÌNH 4-7 Ảnh động .............................................................................................35
HÌNH 4-8 Ảnh trước và sau khi lọc trung vị........................................................37
HÌNH 4-9 Ảnh trước và sau khi lọc trung bình....................................................38
HÌNH 4-10 Mô hình không gian màu HSV..........................................................39
HÌNH 4-11 Mô hình robot....................................................................................40
HÌNH 4-12 Lược đồ đặt trục tọa độ......................................................................40
HÌNH 5-1 Bản vẽ băng tải....................................................................................44
HÌNH 5-2 Băng tải thực tế....................................................................................44
HÌNH 5-3 Sơ đồ tải trọng của robot khi chịu trọng lượng lớn nhất .....................46
HÌNH 5-4 Động cơ bước 86BYGH450A.............................................................48
HÌNH 5-5 Động cơ Nema 23................................................................................49
HÌNH 5-6 Bộ truyền đai .......................................................................................50
HÌNH 5-7 Lưu đồ thuật toán xử lí ảnh .................................................................51
HÌNH 5-8 Lưu đồ thuật toán.................................................................................52
HÌNH 5-9 Giao diện điều khiển............................................................................53
DUT.LRCC

Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
SVTH: Trần Văn An 1 GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
Trần Kim Tấn
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa.
1.1.1 Khái niệm về tự động hoá sản xuất.
Định nghĩa tự động hoá:
Là dùng năng lượng phi sinh vật ( cơ , điện , điện tử . . . ) để thực hiện một phần
hay toàn bộ quá trình công nghệ mà ít nhiều không cần sự can thiệp của con người.
Tự động hoá là một quá trình liên quan tới việc áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử,
máy tính để hoạt động, điều khiển sản xuất, Công nghệ này bao gồm:
 Những công cụ máy móc tự động.
 Máy móc lắp ráp tự động.
 Người máy công nghiệp.
 Hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động. Điều khiển có hồi tiếp và điều
khiển quá trình bằng máy tính.
Hệ thống máy tính cho việc thảo kế hoạch, thu nhập dữ liệu và ra quyết định để hỗ
trợ các hoạt động sản xuất.
1.1.2 Các hình thức tự động hoá
 Tự động hoá cứng:
Là một hệ thống trong đó một chuỗi các hoạt động ( xử lý hay lắp ráp ) cổ định
trên một cấu hình thiết bị. Các nguyên công trong dây chuyền này thưởng đơn giản.
Chính sự hợp nhất và phối hợp các nguyên công như vậy vào một thiết bị làm cho hệ
thống trở nên phức tạp. Những đặc trưng chính của tự động hoá cứng là:
 Đầu tư ban đầu cao cho những thiết bị thiết kế theo đơn đặt hàng.
 Năng suất máy cao.
 Tương đối không linh hoạt trong việc thích nghi với các thay đổi của sản phẩm.
 Tự động hoá lập trình:
Thiết bị sản xuất được thiết kế với khả năng có thể thay đổi trình tự các nguyên
công để thích ứng với những cấu hình sản phẩm khác nhau.
Chuỗi các hoạt động có thể điều khiển bởi một chương trình, tức là một tập lệnh
được mã hoá để hệ thống có thể đọc và viễn dịch chúng.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Những chương trình mới có thể được chuẩn bị và nhập vào thiết bị để tạo ra sản
phẩm mới. Một vài đặc trưng của tự động hoá lập trình là:
 Đầu tư cao cho những thiết bị có mục đích tổng quát.
 Năng suất tương đối thấp so với tự động hoá cứng.
 Sự linh hoạt khi có sự thay đổi trong cấu hình sản phẩm.
 Thích hợp nhất là cho sản xuất hàng loạt.
Tự động hoá linh hoạt là sự mở rộng của tự động hoá lập trình được. Khái niệm
của tự động hoá linh hoạt đã được phát triển trong khoảng 25 đến 30 năm vừa qua. Và
những nguyên lý vẫn còn đang phát triển.
 Tự động hoá linh hoạt:
Là hệ thống tự động hoá có khả năng sản xuất rất nhiều sản phẩm (hay bộ phận
khác nhau mà hầu như không mất thời gian cho việc chuyển đổi từ sản phẩm này sang
sản phẩm khác. Không mất thời gian cho sản xuất cho việc lập trình lại và thay thế các
cài đặt vật lý (công cụ đồ gá, máy móc). Kết quả là hệ thống có thể lên kế hoạch kết hợp
sản xuất nhiều loại sản xuất khác nhau thay vì theo từng loại riêng biệt. Đặc trưng của
tự động hoá linh hoạt có thể tóm tắt như sau:
 Đầu tư cao cho thiết bị.
 Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau.
 Tốc độ sản xuất trung bình.
 Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế.
1.1.3 Sự cần thiết phải có tự động hóa.
Các công ty hỗ trợ các dự án về vấn đề tự động hoá và CIM (Computer Intergrated
Manufacturing) vì nhiều lý do khác nhau. Một số lý do quan trọng gồm:
 Năng cao năng suất:
Tự động hoá các quá trình hoạt động sản xuất hứa hẹn việc tăng năng suất lao
động. Điều này có nghĩa tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn (đầu ra trên giờ )
so với hoạt động bằng tay tương ứng.
 Chi phí nhân công cao:
Xu hướng trong xã hội công nghiệp của thế giới là chi phí cho công nhân không
ngừng tăng lên. Kết quả là đầu tư cao lên trong các thiết bị tự động hoá đã trở nên kinh
tế hơn để có thể thay đổi chân tay. Chi phí cao của lao động 15 đang ép các nhà lãnh
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
đạo doanh nghiệp thay thế con người bằng máy móc. Bởi vị máy móc có thể sản xuất ở
mức cao, việc sử dụng tự động hoá đã làm cho chi phí trên một đơn vị sản phẩm thấp
hơn.
 Sự thiếu lao động:
Trong nhiều quốc gia phát triển, có sự thiếu hụt lớn lực lượng lao động - Chẳng
hạn như Tây Đức đã bị ép buộc phải nhập khẩu lao động để làm tăng nguồn cung cấp
lao động của mình, và như hiện nay các nước Nhật Bản, Hàn Quốc cũng đang thiếu hụt
lao động do sự già hóa dân số.
Việc thiếu hụt lao động cũng kích thích sự phát triển của tự động hoá.
 Sự an toàn:
Bằng việc tự động hoá các hoạt động và chuyển người vận hành máy từ vị trí tham
gia tích cực sang vai trò đốc công, công việc trở nên an toàn hơn. Sự an toàn và thoải
mái của công nhân đã trở thành mục tiêu quốc gia với sự ban hành đạo luật sức khoẻ và
an toàn nghề nghiệp (1970). Nó cũng là sự tự động hoá.
 Giá nguyên vật liệu cao:
Giá cao của nguyên vật liệu tạo ra nhu cầu sử dụng các nguyên vật một cách hiệu
quả hơn. Việc giảm phế liệu là một trong những lợi ích của tự động hoá.
 Nâng cao chất lượng sản phẩm:
Các hoạt động tự động hoá không chỉ sản xuất với tốc độ nhanh hơn so với làm
bằng tay mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đối với các tiêu
chuẩn chất lượng.
 Rút ngắn thời gian sản xuất:
Tự động hoá cho phép nhà sản xuất rút ngắn thời gian giữa việc đặt hàng của khách
hàng và thời gian giao sản phẩm. Điều này tạo cho người có trụ thể cạnh tranh trong
việc tăng cường dịch vụ khách hàng tốt hơn.
 Giảm bớt phối liệu đang sản xuất:
 Lượng hàng tồn kho khi đang sản xuất tạo ra một chi phí đáng kể cho nhà sản xuất
vì nó giữ chặt vốn lại. Hàng tồn kho khi đang sản xuất không có giá trị. Nó không
đóng vai trò như nguyên vật liệu hay sản phẩm. Tương tự như nhà sản xuất sẽ có
lợi khi giảm tối thiểu lượng phôi tồn đọng trong sản xuất. Tự động hoá có xu hướng
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
thực hiện mục đích này bởi việc rút ngắn thời gian gia công toàn bộ sản phẩm phân
xưởng.
 Nếu không tự động hoá sẽ phải trả giá đắt:
Tự động hoá nhà máy sản xuất sẽ có một ưu thế cạnh tranh quan trọng. Thuận lợi
này không thể phơi bày được dưới hình thức uỷ thác của công ty. Ưu điểm của tự động
hoá thường được thấy một cách bất ngờ và không lường trước, thí dụ như hàng chất
lượng cao, bán hàng nhiều hơn, quan hệ lao động tốt hơn. Công ty mà không tự động dễ
thấy mình bị bất lợi với khách hàng, nhân viên của họ và xã hội công cộng. Tất cả những
nhân tố trên hợp thành một bản đồng ca biến việc tự động hoá sản xuất thành một công
cụ hấp dẫn thay cho phương pháp sản xuất bằng tay.
Nhận xét: Ta thấy để đảm bảo chất lượng của sản phẩm, đồng thời tăng năng suất
ta chọn hệ thống lắp ráp tự động đó là một quy luật tất yếu phải xảy ra.
1.2 Giới thiệu về đề tài.
1.2.1 Tổng quan về Robot
1.2.1.1 Lịch sử ra đời.
Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở
thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Chúng đã góp phần mình vào
công cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa
học và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học
giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí, v.v...
Vậy robot xuất hiện từ khi nào?
Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khấu vở
kịch có tiêu đề “Romands Univesal Robot”. Theo tiếng Séc “Robot” nghĩa là “Người
tạp dịch”. Có thể nói đây là một gợi ý, một ý tưởng ban đầu về những cỗ máy có khả
năng thao tác như con người. Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng
những máy móc có khả năng thay thế con người ở những môi trường làm việc độc hại
đã trở thành một nhu cầu cấp thiết.
Ban đầu cơ cấu máy này hoạt động giống như tay máy của người vận hành. Cấu
tạo của cơ cấu này bao gồm các thanh và các khớp và hệ thống giây chằng. Người vận
hành điều khiển tay máy thông qua một cơ cấu khuyếch đại cơ khí.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (năm 1945), xuất hiện cơ cấu máy được điều
khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ. Cho đến những năm 1950 cùng với sự ra đời của
kỹ thuật điều khiển chương trình số NC (Number Control) kỹ thuật tay máy lúc này đã
kết hợp được cả kỹ thuật điều khiển xa và điều khiển chương trình số. Sự kết hợp này
đã tạo ra những thế hệ máy điều khiển từ xa có khả năng mềm dẻo, khả năng tự động
hoá cao gọi tên là robot.
Năm 1949, máy phay điều khiển số ra đời phục vụ sản xuất ở Mỹ. Đến năm 1960
George Devol đưa ra mẫu Robot đầu tiên. Năm 1961 cũng tại Mỹ Robot công nghiệp
(IR: Industrial Robot) đầu tiên đưa ra thị trường: Robot Unimat 1990 (Do trường đại
học MIT chế tạo) đây là Robot phản hồi lực nó được ứng dụng vào công nghiệp sản xuất
ô tô.
Theo con số thống kê thì đến năm 1990 toàn thế giới đã triển khai và ứng dụng
khoảng 300.000 IR. Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật Vi xử lý và Tin học mà số
lượng IR tăng nhanh chóng và tính năng cũng có nhiều bước đột phá, giá thành trên một
đơn vị IR giảm dần.
Đó là về lịch sử, còn ngày nay, robot đã có mặt ở khắp nơi, ngay cả trong gia đình
chúng ta, chúng ta cùng điểm qua những con robot mà cả thế giới biết đến.
1.2.1.2 Robot trong đời sống và sản xuất.
 Murataboy, vận động viên đua xe đạp không biết đến “đo đất”.
HINH 1
HÌNH 1-1 HÌNH 1-1: Robot lái xe đạp
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Với chiều cao chỉ với 50cm, chú robot mang “quốc tịch” Nhật này được coi là
“vua” giữ thăng bằng. Vì dù là đạp hay đang dừng xe , khí cụ con quay sẽ luôn giữ cho
chú robot này đứng vững. Một số bộ phận đặc biệt khác cho phép Murataboy xác định
được chướng ngại vật trên đường và giảm xóc khi va phải chướng ngại vật. Murataboy
là ví dụ cho loại robot có khả năng di chuyển bằng 2 chân, đang là một trong những
thách thức lớn của việc nghiên cứu và sản xuất robot.
 Friend, bạn của những người khuyết tật:
Friend là nghiên cứu của các nhà khoa học Đức. Người máy này thực chất có dạng
một chiếc xe lăn với đôi cánh tay giống con người. Thông qua một bộ phận nhận diện
giọng nói, chủ nhân chiếc ghế có thể ra lệnh cho người giúp việc này mở cửa, rót nước.
Hệ thống định vị không gian 3 chiều gắn trên xe cho phép người sử dụng chỉ cần đưa
tay chỉ hướng, robot sẽ tự động tìm ra đường đi tốt nhất.
 Bác sĩ ngoại khoa:
Hãy tưởng tượng những cánh tay kim loại với những khớp nối chằng chịt mổ xẻ
trên một cơ thể bằng xương bằng thịt. Với nhiều người đó là một cơn ác mộng. Trên
thực tế việc sử dụng người máy thay các bác sĩ phẫu thuật lại đảm bảo độ chính xác và
HÌNH 1-2: Robot trong y học
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
tỷ lệ thành công cao hơn cho ca mổ. Sự chính xác này cùng với việc giảm thiểu các thiết
bị y khoa giúp đường mổ sắc và gọn hơn đồng thời giúp bệnh nhân đỡ mất nhiều máu.
Ca mổ vẫn sẽ được một bác sĩ phẫu thuật theo dõi trực tiếp thông qua một camera nối
với một cánh tay robot. 2 cánh tay robot còn lại thực hiện những thao tác thành thạo của
một bác sĩ thực thụ. Người máy này xứng đáng là niềm tự hào của các nhà khoa học
Mỹ.
 Asimo, robot giống người nhất:
Asimo lần đầu tiên ra đời năm 1993 tại
Nhật, đặt tên P1, là thành quả nghiên cứu của
tập đoàn Honda. Asimo P1 đã khiến các nước
phương Tây kinh ngạc vì ý tưởng chế tạo một
loại robot giống hệt con người. Tuy vậy mục
đích ban đầu của Honda chỉ là nghiên cứu một
người máy phục vụ các nhu cầu của chúng ta.
Ngày nay, cả 2 ý tưởng này, robot giống người
và đáp ứng nhu cầu của con người đã trở thành
tiêu chí chung trong nghiên cứu Asimo.
 Robot viễn tưởng:
Được trang bị hệ thống nhận dạng
giọng nói, có khả năng ngôn ngữ và diễn
đạt, Mỹ đã giới thiệu một người máy là
bản sao của Philipe K.Dick, tác giả của
nhiều truyện viễn tưởng nổi tiếng, mất
năm 1982.
HÌNH 1-3: Robot Asimo
HÌNH 1-4: Robot nhân tạo
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Đó là những gì chúng ta được chứng kiến về sự phát triển của thế giới, nhưng
chúng ta cũng cần biết rằng Việt Nam cũng có những con robot vô cùng thông minh. Đã
đưa vị thế của Việt Nam lên 1 tầm cao mới.
Từ ngày 5 - 10/2/2009, chú robot “made in Vietnam” Topio 2.0 do Công ty Cổ
phần Robot TOSY (TOSY Robotics JSC) nghiên cứu và chế tạo đã tham gia triển lãm
lớn nhất thế giới về đồ chơi lần thứ 60 tại Đức.
 Và chú robot này chính là robot TOPIO :
1.2.2 Lựa Chọn Đề Tài Thiết Kế Robot.
Với yêu cầu cấp thiết của tự động hóa sản xuất kết hợp với sự phát triển mạnh mẽ
về kỹ thuật Robot, nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: “ Thiết kế và chế tạo
cánh tay Robot phân loại sản phẩm”.
1.3 Tính cấp thiết của đề tài.
Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công
nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con
người. Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều
trong các dây truyền sản xuất. Vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt
Nam.Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, tôi chọn
đề tài ““ Thiết kế cánh tay Robot phân loại sản phẩm trên băng tải kết hợp kỹ thuật
xử lí ảnh”. Đề tài này hướng tới mục đích có thể giảm bớt sức lao động của người công
nhân trong các dây chuyền sản xuất và nâng cao năng suất lao động ở nước ta.
HÌNH 1-5: Robot TOPIO, Robot của người Việt
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
1.4 Nguyên lí hoạt động
1.4.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống.
HÌNH 1-6 Các thành phần chính của hệ thống
Hệ thống robot bốn bậc tự do được xây dựng từ các thành phần chính như: các
khâu robot, hệ thống dẫn động, máy tính, dụng cụ thao tác……Mối liên hệ giữa các
thành phần của robot được thể hiện như hình 1.6.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot
ở đây ta dùng nam châm điện để hút và nhả vật thể trên băng tải hoặc ở các khu vực
khác do người điều khiển quy định.
Các khâu robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu động liên kết với nhau bằng khớp
tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản của robot.
Hệ thống dẫn động là các động cơ bước tạo nên sự chuyển động của robot và
dụng cụ thao tác.
Các công tắc hành trình phản hồi tín hiệu để bộ điều khiển xử lý xác lập vị trí ban
đầu cho robot.
Camera thực hiện chụp hình ảnh của các vật thể trên băng tải và gửi về hệ thống
máy tính để tiến hành xử lý ảnh xác định tọa độ của các vật thể trên băng tải cũng như
tiến hành nhận diện sản phẩm trên băng tải.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và giải
mã tín hiệu đồng thời thực hiện tính toán động học ngược robot, truyền tín hiệu điều
khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển góc quay cho động cơ.
Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiện phản hồi của các công tắc hành trình, nút
nhấn để thực hiện các chức năng được đề ra cho bộ điều khiển.
Máy tính tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ webcam để
tiến hành xử lý ảnh tìm ra tọa độ ban đầu của vật thể để tìm ra tọa độ của vật thể sau
khoảng thời gian di chuyển trên băng tải nhằm giúp cơ cấu chấp hành biết được chính
xác vị trí của vật thể.
Chương trình giao tiếp và điều khiển được viết ra nhằm thực hiện tính toán các
phương trình, giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển và thực hiện các
nguyên lý đề ra. Chương trình giao tiếp và điều khiển bao gồm chương trình giao tiếp
trên máy tính và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển. Chương trình giao tiếp trên
máy tính được tạo ra nhằm nhận truyền dữ liệu điều khiển, thực hiện xử lý ảnh từ dữ
liệu ảnh nhận về để tìm ra tọa độ điểm cần bắt, để robot thực hiện tự động bắt vật thể
đang di chuyển ở vị trí bất kỳ trên băng tải đồng thời có thể đưa vật thể đến vị trí mà
người vận hành quy định. Chương trình điều khiển cho bộ điều khiển thực hiện giải mã
các dữ liệu từ máy tính truyền qua, tính toán động học robot điều khiển hệ thống dẫn
động để thực hiện các chức năng nguyên lý đề ra cho robot.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1 Ý tưởng thiết kế
Thông qua các quá trình tìm hiểu thực tế các tài liệu trên sách báo, internet, và các
mô hình tốt nghiệp ở trường Đại học, chúng em quyết định thiết kế mô hình: “ Cánh tay
robot phân loại bánh răng trên băng tải kết hợp xử lí ảnh “. Quá trình thiết kế gồm các
phần quan trọng sau:
 Thiết kế cánh tay robot.
 Thiết kế băng chuyền sản phẩm.
2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cánh tay gắp sản phẩm.
2.2.1 Cánh tay theo kiểu tọa độ trụ.
HÌNH 2-1 Cánh tay Robot kiểu tọa độ trụ
Cánh tay Robot kiểu tọa độ trụ là dạng cánh tay dùng khớp quay, và vùng làm việc
của nó có dạng hình trụ rỗng. Nó được sử dựng rộng rải trong công nghiệp tuy nhiên
cũng tồn tại nhiều ưu nhược điểm sau.
 Ưu điểm :
- Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy “thò” được vào khoang rỗng nằm
ngang.
- Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng
 Nhược điểm :
- Nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với
tăng.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
2.2.2 .Cánh tay Robot kiểu tọa độ cầu.
HÌNH 2-2. Cánh ta Robot kiểu tọa độ cầu.
Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay
bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ độ
cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của
nó là khối cầu rỗng.
 Ưu điểm :
- Loại này có thể “nhặt” được cả vật dưới nền.
- Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn loại kiểu tọa độ trụ
- Độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với.
2.2.3 .Cánh tay Robot SCARA.
HÌNH 2-3. Cánh tay Robot SCARA.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
SCARA được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại Trường đại học Yamanashi (Nhật
bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiêu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2
khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau.
 Ưu điểm :
- Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo
phương thẳng
- Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém
cứng vững (Compliance) theo phương được chọn (Seỉective), là phương ngang.
2.2.4 .Cánh tay Robot kiểu tay người.
HÌNH 2-4.Cánh tay Robot kiểu cánh tay người.
Tay máy kiểu tay người (Anthropomorphic), như được mô tả trong hình 2-4, có cả
3 khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia. Do sự
tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba
là khớp khuỷu (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kết cấu này, không có sự
tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do.
 Ưu điểm :
- Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của
phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần
giống một phần khối cầu.
- Ưu điểm chính của khớp cầu là tách được thao tác định vị và định hướng của
phần công tác, làm đơn giản việc tính toán.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
- Toàn bộ dạng các kết cấu tả ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của
phần công tác. Muốn định hướng nó, cần bổ sung phần cổ tay. Muốn định hướng
một cách tuỳ ý phần công tác, cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quay quanh
3 trục vuông góc với nhau.
 Kết luận :
Từ việc phân tích các ưu nhược điểm của các kiểu cánh tay ở trên và yêu cầu công
việc của cánh tay ta chọn phương án thiết kế kết cấu cánh ta Robot kiểu tay người.
2.3 Phân tích lựa chọn cơ cấu cuối cùng.
2.3.1 Kiểu cơ cấu kẹp.
HÌNH 2-5 Cơ cấu tay kẹp
Cơ cấu tay kẹp là cơ cấu rất phổ biến áp dụng rộng rải trong công nghiệp.
 Ưu điểm :
- Hoạt động linh hoạt và độ chính xác cao
- Cơ cấu chắc chắn đảm bảo lực kẹp tốt
- Vùng giới hạn kích thước vật kẹp bị hạn, kết cấu phước tạp
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
2.3.2 Kiểu đầu hút khí nén :
HÌNH 2-6 Đầu hút khí nén
Cơ cấu đầu hút khí nén là cơ cấu được dùng làm cơ cấu chấp hành cuối được sử
dụng và áp dụng rộng rãi nhất trong thiết kế cánh tay cho yêu cầu môi trường công
nghiệp.
 Ưu điểm :
- Cơ cấu có thế kế đơn giản, nhỏ gọn
- Dùng khí nén nên lực hút lớn đảm bảo khi hút các vật có khối lượng lớn
- Dể điều khiển và vận hành
- Có thể hút tất cả các vật liệu khác nhau
- Lực hút lớn nên cần hệ thống khí nén đủ lớn để đảm bảo lực hút vật
- Bề mặt hút vật phải phẳng mới đảm bảo lực hút
- Phải đầu tư hẹ thống khí nén nên chi phí cao
2.3.3 Kiểu nam châm điện
HÌNH 2-7 Nam châm điện
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Cơ cấu nam châm điện cũng tương tự như cơ cấu đầu hút khí nén cũng được sử
dụng rộng rải trong công nghiệp.
 Ưu điểm :
- Cơ cấu có thế kế đơn giản, nhỏ gọn
- Dùng điện nên đảm bảo lực hút lớn
- Dể điều khiển và vận hành
- Bề mặt hút vật phải phẳng mới đảm bảo lực hút
- Chỉ hút được vật loại bằng sắt
 Kết luận : Chọn phương án đầu hút nam châm phù hợp với yếu cầu
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG
3.1 Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động cho cánh tay .
3.1.1 Truyền động bánh răng
Truyền động bánh răng được sử dụng trong nhiều loại máy và cơ cấu khác nhau
để truyền chuyển động quay từ trục này sang trục khác giữa các trục song song, cắt nhau,
chéo nhau hay và để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hoặc ngược lại
nhờ vào sự ăn khớp của các răng trên bánh răng.
 Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ, khả năng tải trọng lớn.
- Tỷ số truyền không thay đổi.
- Hiệu suất cao có thể đạt 0,97 – 0,99.
- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy.
 Nhược điểm:
- Chế tạo tương đối phức tạp.
- Đòi hỏi độ chính xác cao.
- Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn.
3.1.2 Truyền động đai.
Truyền động đai là truyền động bằng phương tiện kéo. Chúng truyền mômen xoắn
và tốc độ giữa hai trục, và có thể có một khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền bánh
răng. Vì tất cả các dây làm bằng nhựa hoặc vải dệt, đặc tính của chúng khác biệt đáng
kể với các bộ truyền bánh răng hoặc xích.
 Ưu điểm:
- Việc truyền lực có tính đàn hồi
- Chạy êm và ít ổn, chịu sốc
- Khoảng cách trục có thể lớn
- Không cẩn thiết bôi trơn
- Phí tổn bảo dưỡng ít
- Bị trượt qua sự giãn nở của dây đai
- Qua đó không có tỷ lệ truyền chính xác
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
- Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn
- Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai
 Kết luận:
Từ nhưng phân tích ở trên ta chọn truyền động đai.
3.2 Phân tích lựa chọn động cơ.
3.2.1 Động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện, có nguyên lý và ứng dụng khác biệt so với
hầu hết các loại động cơ điện thông thường. Vậy động cơ bước là gì? Động cơ bước
thực chất là một loại động cơ đồng bộ, được 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
chuyển động của rotor có khả năng cố định rotor vào những vị trí cần thiết.
HÌNH 3-1. Động cơ bước.
 Ưu điểm:
- Ưu điểm của loại động cơ này chính là khả năng cung cấp moment xoắn cực
lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình, giá thành thấp, khá bền bỉ và thay thế dễ
dàng.
- Cũng vì thế loại động cơ này không phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi tốc độ
cao và gia tốc lớn.
- Nhược điểm của motor bước là khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước do
lực từ nam châm vĩnh cửu đã yếu nên cho vị trí không chính xác hoặc nguồn
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
điện cung cấp không đủ. Hạn chế thứ 2 của độg cơ bước là ồn và nóng lên khi
hoạt động.
- Tuy nhiên, điều này là hoàn toàn bình thường đối với động cơ bước bởi bản
thân nó được thiết kế để có khả năng chịu được sức nóng như vậy. Đối với các
driver điều khiển động cơ bước thế hệ mới, độ ồn và nóng của loại motor này
đã giảm đi đáng kể.
3.2.2 Động cơ điện một chiều.
HÌNH 3-2. Động cơ điện 1 chiều.
 Ưu điểm:
- Ưu điểm của động cơ điện một chiều là dùng làm động cơ điện hay máy phát
điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau. Nhưng ưu điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều đó là điều chỉnh, thay đổi tốc độ và khả năng làm việc
trong điều kiện quá tải.
- Động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác, mạch
điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao so với động cơ điện
không đồng bộ.
- Động cơ điện một chiều có nhược điểm chủ yếu là có hệ thống cổ góp- chổi
than nên vận hành kém độ chính xác và không đảm bảo an toàn an toàn trong
các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
3.2.3 Động cơ Servo
Động cơ Servo là một bộ phận của hệ thống điều khiển chuyển động của máy móc.
Động cơ Servo cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận
hành.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
HÌNH 3-3. Động cơ Servo.
 Ưu điểm:
- Điều khiển tốc độ tốt, điều khiển trơn tru trên toàn bộ vùng tốc độ, hầu như
không dao động, hiệu suất cao hơn 90%, ít nhiệt, điều khiển tốc độ cao, điều
khiển vị trí chính xác cao (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa).
- Mô-men xoắn, quán tính thấp, tiếng ồn thấp, không có bàn chải mặc, bảo trì
miễn phí (đối với môi trường không có bụi, nổ).
- Điều khiển phức tạp hơn, các thông số ổ đĩa cần phải điều chỉnh các thông số
PID để xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn và giá thành đắt.
 Kết luận: Chọn động cơ bước vì có thể mua dễ dàng và rẻ, phù hợp với sinh viên
làm đồ án.
3.3 Phân tích lựa chọn băng chuyền
3.3.1.1 Băng tải cao su.
HÌNH 3-4 Băng tải cao su
Hệ thống băng chuyền bằng băng tải cao su là một hệ thống vận chuyển nguyên
liệu mang lại hiệu quả kinh tế rất cao so với các hệ thống cùng chức năng. Hệ thống vận
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
chuyển nguyên liệu bằng Băng tải cao su có thể được lắp đặt ở mọi địa hình, mọi khoảng
cách.
3.3.1.2 Băng tải xích
HÌNH 3-5 Băng tải xích
Băng tải xích chủ yếu được sử dụng để vận chuyển tải nặng đơn vị, ví dụ như tấm
nâng hàng, hộp lưới điện, và các đồ chứa công nghiệp. Những băng tải có thể được một
hoặc hai sợi dây chuyền trong cấu hình. Tải được đặt trên các dây chuyền, ma sát kéo
tải phía trước.
3.3.1.3 Băng tải con lăn
HÌNH 3-6 Băng tải con lăn
Gồm các loại: băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn nhựa PVC, băng tải con lăn
thép mạ kẽm, băng tải con lăn truyền động bằng motor.
Băng tải con lăn là giải pháp phù hợp để vận chuyển sản phẩm với trọng lượng từ
nhẹ, trung bình đến rất nặng, trong các môi trường thông thường đến các môi trường có
hóa chất ăn mòn, bụi bặm…
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
3.3.1.4 Băng tải mini
HÌNH 3-7 Băng tải mini
Băng tải mini là loại băng tải có kích thước rất nhỏ, được sử dụng trong chế tạo
máy. Nó thường là một bộ phận của máy dùng để cấp sản phẩm, chi tiết cho từng công
đoạn sản xuất. Ví dụ như máy đóng gói sản phẩm của MHA sản xuất cũng sử dụng nhiều
băng tải mini cho nhiều công đoạn.
3.3.1.5 Băng tải PVC
HÌNH 3-8 Băng tải PVC
Là loại băng tải cực kỳ thông dụng. Đặc biệt trong các ngành công nghiệp điện tử.
Nó được các công ty, tập đoàn lớn của Hàn Quốc, Nhật Bản sử dụng nhiều cho các dây
chuyền sản xuất của mình. Băng tải PVC có ưu điểm là độ bền cao đi cùng giá thành rẻ
nên được sử dụng rộng rãi.
 Kết luận: lựa chọn băng tải PVC dạng mini.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
3.4 Cảm biến tiệm cận
HÌNH 3-9 Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX”
tên tiếng anh là Proximity Sensors) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Trong hầu hết
các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm. Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị
trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác
của máy. Đặc biệt cảm biến này hoạt động tốt ngay cả trong những môi trường khắc
nghiệt.
Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật
thể thành tín hiệu điện. Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này:
hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng
cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát
hiện, hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.
 Đặc điểm
- Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa
nhất tới 30mm.
- Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt.
- Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch).
- Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
 Nguyên lí hoạt động:
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
- Cảm biến tiệm cận hoạt động theo nguyên lý trường điện từ phát ra xung quanh
cảm biến với khoảng cách tối đa 30mm và gặp vật thể thì nó sẽ phát tín hiệu
truyền về bộ xử lý
 Phân loại
- Có hai loại cảm biến tiệm cận chính có thể kể đến. Đó là loại cảm ứng từ và loại
điện dung.
- Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ
- Cảm ứng từ loại có bảo vệ (Shielded): Từ trường được tập trung trước mặt
sensor nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, tuy nhiên khoảng cách đo ngắn
đi.
- Cảm ứng từ loại không có bảo vệ (Un-Shielded): Không có bảo vệ từ trường
xung quanh mặt sensor nên khoảng cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị nhiễu của
kim loại xung quanh.
- Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung
- Cảm ứng này phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa
vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể.
 Ứng dụng
Cảm biến tiệm cận ứng dụng phổ biến trong công nghiệp nhà máy như gắn trên
các dây truyền sản xuất, gắn trên các điện thoại cảm ứng, các loại xe ô tô,…
3.5 Công tắc hành trình
HÌNH 3-10 Công tắc hành trình
Công tắc hành trình là thiết bị chuyển đổi chuyển động cơ thành tín hiệu điện.Tín
hiệu của công tắc hành trình phục vụ cho quá trình điều khiển và giám sát.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Có nhiều chủng loại công tắc hành trình tùy theo ứng dụng riêng biệt có thể phù
hợp với từng ứng dụng về kích thước, chức năng, và môi trường hoạt động. Hiện nay
trên thị trương có rất nhiều hãng sản xuất công tắc hành trình. Tuy nhiên trên thị trường
việt nam phổ biến 2 loại là OMRON và HANYOUNG
 Loại OMRON
 Ưu điểm :
- Có mặt trên thị trường sớm, phổ biến trong công nghiệp
- Có nhiều loại công tắc hành trình với kích thước khác nhau
- Độ an toàn cao, tuổi thọ cao, xuất xứ Nhật
 Loại HANYOUNG
 Ưu điểm :
- Giá thành rẻ
- Dòng sản phẩm này mới thâm nhập vào thị trường Việt Nam
- Độ bền tương đối tốt, xuất xứ Hàn Quốc
 Nhược điểm :
- Ít mẫu mã
- Thị trường nhỏ
3.6 Module TB6560
HÌNH 3-11 Module TB6560
Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 là loại thường được sử dụng nhất hiện nay,
mạch có thể điều khiển được động cơ bước 2 pha (10 - 35VDC) với công suất tối đa 3A.
Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 được sử dụng để điều khiển động cơ bước, ứng
dụng trong máy CNC hoặc các hệ cơ khí chính xác.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
 Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 10-35VDC.
- Dòng tải tối đa: 3A, peak 3.5A.
- Tích hợp Opto cách ly 6N137 tốc độ cao giúp cách ly tín hiệu điều khiển với
board điều khiển, an toàn và chống nhiễu.
- Tích hợp tản nhiệt nhôm lớn giúp tản nhiệt cho TB6560.
- Thích hợp với động cơ bước 43, 57, 86 | 2 hoặc 4 pha | 4 dây hoặc 6 dây.
- Có công tắc để Setup dòng tải, tối đa 3A.
- Có công tắc để Setup vi bước 1:1, 1:2, 1:8, 1:16.
- Có công tắc để Setup Decay (lực giữ vị trí cố định).
- Sử dụng đơn giản, chỉ cần thiết lập thông số Motor, cấp nguồn và cấp xung điều
khiển.
3.7 Mạch điều khiển Arduino
Khối vi điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Mega, nó đóng vai trò hết sức
quan trọng trong hệ thống để điều khiển hệ thống. Khối vi điều khiển bao gồm mạch tạo
dao động thạch anh, mạch Reset để reset hệ thống lại trạng thái ban đầu. Các chân của
vi điều khiển sẽ được kết nối với các khối khác như rơ le, bàn phím, khối hiển thị,
module sim. Lưu trữ dữ liệu qua bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ dữ liệu ngay khi mất
điện. Toàn bộ dữ liệu mà ta thiết kế để điều khiển hệ thống khóa số đều được chứa trong
bộ nhớ của vi điều khiển.
HÌNH 3-12 Arduino Mega
Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip ATmega2560.
Bao gồm:
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
 54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân PWM
là từ chân số 2 → 13 và chân 44,45,46).
 6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5),
chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2).
 16 chân vào analog (từ A0 đến A15).
 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng:
Bảng 3. 1: Các cổng giao tiếp
CỔNG SERIAL CHÂN RX CHÂN TX
Cổng 0 0 1
Cổng 1 19 18
Cổng 2 17 16
Cổng 3 15 14
 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz.
 1 cổng kết nối USB.
 1 jack cắm điện.
 1 đầu ICSP.
 1 nút reset.
 Thông số kĩ thuật
Bảng 3. 2: Thông số kĩ thuật Arduino Mega
Chip xử lý ATmega2560
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp vào (đề nghị) 7V-15V
Điện áp vào (giới hạn) 6V-20V
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V
pin
50 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC ROBOT VÀ XỬ LÍ ẢNH
4.1 Phương trình động học cánh tay máy
4.1.1 Phương trình động học thuận
4.1.1.1 Dẫn nhập
Bất kỳ một Robot nào cũng có thể coi là một tập hợp các khâu (links) gắn liền với
các khớp (joints). Ta hãy đặt trên mỗi khâu của Robot một hệ tọa độ. Sử dụng các phép
biến đổi thuần nhất có thể mô tả vị trí tương đối và hướng giữa các hệ tọa độ này.
Denavit. J đã gọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp
là một ma trận A. Nói đơn giản hơn, một ma trận A là một mô tả biến đổi thuần nhất bởi
phép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hệ tọa độ của hai khâu liền nhau. A1 mô tả
vị trí và hướng của khâu đầu tiên, A2 mô tả vị trí và hướng của khâu thứ hai so với khâu
thứ nhất. Như vậy vị trí và hướng của khâu thứ hai so với hệ tọa độ gốc được biểu diễn
bởi ma trận:
T2 = A1.A2
Cũng như vậy, A3 mô tả khâu thứ ba so với khâu thứ hai là:
T3 = A1.A2.A3 ; v.v…
Cũng theo Denavit, tích của các ma trận A được gọi là ma trận T, thường có hai
chỉ số: trên và dưới. Chỉ số trên chỉ tọa độ tham chiếu tới, bỏ qua chỉ số trên nếu chỉ số
đó bằng 0. Chỉ số dưới thường dùng để chỉ khâu chấp hành cuối. Nếu một Robot có 6
khâu ta có:
T6 = A1.A2.A3. A4.A5.A6
T6 mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa
độ gốc. Một Robot 6 khâu có thể có 6 bậc tự do và có thể được định vị trí và hướng
trong trường vận động của nó. Ba bậc tự do xác định vị trí thuần túy và ba bậc tự do
khác xác định hướng mong muốn. T6 sẽ là ma trận trình bày cả hướng và vị trí của
Robot. Hình 2.1 mô tả quan hệ đó với bàn tay máy. Ta đặt gốc tọa độ của hệ mô tả tại
điểm giữa của các ngón tay. Gốc tọa độ này được mô tả bởi vectơ p (xác định vị trí của
bàn tay). Ba vectơ đơn vị mô tả hướng của bàn tay được xác định như sau:
 Vectơ có hướng mà theo đó bàn tay sẽ tiếp cận đến đối tượng, gọi là vectơ 𝑎
⃗
(approach).
 Vectơ có hướng mà theo đó các ngón tay của bàn tay nắm vào nhau khi cầm
nắm đối tượng, gọi là vectơ 𝑜
⃗ (Occupation).
 Vectơ cuối cùng là vectơ pháp tuyến n (normal), do vậy ta có:
𝑛
⃗⃗ = 𝑜
⃗ x 𝑎
⃗
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
HÌNH 4-1 Các vectơ định vị trí và định hướng của bàn tay máy
Chuyển vị T6 như vậy sẽ bao gồm các phần tử:
𝑇6 = [
𝑛𝑥 𝑜𝑥
𝑎𝑥 𝑝𝑥
𝑛𝑦 𝑜𝑦
𝑎𝑦 𝑝𝑦
𝑛𝑧 𝑜𝑧
𝑎𝑧 𝑝𝑧
0 0 0 1
]
Tổng quát, ma trận T6 có thể biểu diễn gọn hơn như sau:
𝑇6 = [
𝑀𝑎 𝑡𝑟ậ𝑛 đị𝑛ℎ ℎướ𝑛𝑔 𝑅 𝑉𝑒𝑐𝑡ơ 𝑣ị 𝑡𝑟í 𝑝
0 0 0 1
]
Vectơ điểm 𝑝
⃗ có kích thước 3x1, biểu diễn mối quan hệ tọa độ vị trí của gốc hệ
tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ cơ bản.
4.1.1.2 Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH)
Một Robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp
động. Gốc chuẩn (Base) của một Robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu.
Khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối cùng.
Bất kỳ khâu nào cũng được đặc trưng bởi hai kích thước:
 Độ dài pháp tuyến chung: an
 Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an: αn
Thông thường, người ta gọi an là chiều dài và αn là góc xoắn của khâu (Hình 2.2).
Phổ biến là hai khâu liên kết với nhau ở chính trục của khớp (Hình 2.3).
Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước
và sau một khớp). Vị trí tương đối của hai khâu liên tiếp như thế được xác định bởi dn
là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là góc giữa các pháp
tuyến đo trong mặt phẳng vuông góc với trục.
dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
HÌNH 4-2 Chiều dài và góc xoắn của một khâu
HÌNH 4-3 Các thông số của khâu: θ, d, a và α
Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ tọa độ. Nguyên
tắc chung để gắn hệ tọa độ lên các khâu như sau:
 Gốc của hệ tọa độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an với
khớp thứ n+1. Trường hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc tọa độ sẽ đặt tại chính
điểm cắt đó. Nếu các trục khớp song song với nhau, gốc tọa độ được chọn trên
trục khớp của khâu kế tiếp, tại điểm thích hợp.
 Trục z của hệ tọa độ gắn lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n+1.
 Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ khớp n đến
n+1.
Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x chọn theo tích vectơ 𝑍
⃗𝑛. 𝑍
⃗𝑛−1
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Trường hợp khớp quay thì θn là các biến khớp, trong trường hợp khớp tịnh tiến thì
dn là biến khớp và an bằng 0.
Các thông số an, αn, dn và θn được gọi là bộ thông số DH.
Ví dụ 1: Xét một tay máy có hai khâu phẳng như hình 2.4:
HÌNH 4-4 Tay máy có hai khâu phẳng (vị trí bất kỳ)
Ta gắn các hệ tọa độ lên các khâu như hình vẽ: trục z0, z1 và z2 vuông góc với tờ
giấy. Hệ tọa độ cơ sở là O0x0y0z0, chiều của x0 hướng O0 đến O1. Sau khi thiết lập hệ tọa
độ cơ sở, hệ tọa độ O1x1y1z1 có hướng như hình vẽ, O1 đặt tại tâm trục khớp 2. Hệ tọa
độ O2x2y2z2 có gốc O2 đặt ở điểm cuối của khâu 2.
BẢNG 4-1 Bảng thông số Denavit-Hartenbert của tay máy hình 2.4
Khâu θi αi ai di
1 θ1
*
0 a1 0
2 θ2
*
0 a2 0
Trong đó θi là các biến khớp (dùng dấu * để ký hiệu các biến khớp).
4.1.1.3 Đặc trưng của các ma trận A
Trên cở sở các hệ tọa độ đã ấn định cho tất cả các khâu liên kết của Robot, ta có
thể thiết lập mối quan hệ giữa các hệ tọa độ nối tiếp nhau (n-1), (n) bởi các phép quay
và tịnh tiến sau đây:
 Quay quanh zn-1 một góc θn
 Tịnh tiến dọc theo zn-1 một khoảng dn
 Tịnh tiến dọc theo xn-1 = xn một đoạn an
 Quay quanh xn một góc xoắn αn
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Bốn phép biến đổi thuần nhất này thể hiện quan hệ của hệ tọa độ thuộc khâu thứ n
so với hệ tọa độ thuộc khâu thứ n-1 và tích của chúng được gọi là ma trận A:
An = Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α)
𝐴𝑛 = [
cos 𝜃 −sin 𝜃
sin 𝜃 cos 𝜃
0 0
0 0
0 0
0 0
1 0
0 1
] [
1 0
0 1
0 𝑎
0 0
0 0
0 0
1 𝑑
0 1
] [
1 0
0 cos 𝛼
0 0
−sin 𝛼 0
0 sin 𝛼
0 0
cos 𝛼 𝑑
0 1
]
𝐴𝑛 = [
cos 𝜃 −sin 𝜃 cos 𝛼
sin 𝜃 cos 𝜃 cos 𝛼
sin 𝜃 sin 𝛼 𝑎 cos 𝜃
−cos 𝜃 sin 𝛼 𝑎 sin 𝜃
0 sin 𝛼
0 0
cos 𝛼 𝑑
0 1
]
Đối với khớp tịnh tiến (a = 0 và θi = 0) thì ma trận A có dạng:
𝐴𝑛 = [
1 0
0 cos 𝛼
0 0
−sin 𝛼 0
0 sin 𝛼
0 0
cos 𝛼 𝑑
0 1
]
Đối với một khâu đi theo một khớp quay thì d, a và α là hằng số. Như vậy ma trận
A của khớp quay là một hàm số của biến khớp θ.
Đối với một khâu đi theo một khớp tịnh tiến thì θ, α là hằng số. Ma trận A của
khớp tịnh tiến là một hàm số của biến số d.
Nếu các biến số được xác định thì giá trị của các ma trận A theo đó cũng được xác
định.
4.1.1.4 Trình tự thiết kế phương trình động học
Để thiết lập hệ phương trình động học của Robot, ta tiến hành theo các bước sau:
 Bước 1: Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu.
Việc gắn hệ tọa độ lên các khâu đóng vai trò rất quan trọng khi xác lập hệ phương
trình động học của Robot, thông thường đây cũng là bước khó nhất. Nguyên tắc gắn hệ
tọa độ lên các khâu đã được trình bày một cách tổng quát trong phần 2.1.1.2. Trong thực
tế, các trục khớp của robot thường song song hoặc vuông góc với nhau, đồng thời thông
qua các phép biến đổi của ma trận A ta có thể xác định các hệ tọa độ gắn trên các khâu
của Robot theo trình tự sau:
 Giả định một vị trí ban đầu (Home Position) của Robot, vị trí này thường là vị
trí duỗi thẳng các khâu hay gập lại một số khâu cuối 1 góc 90o
. Trong quá trình
gắn hệ tọa độ lên các khâu nếu không hợp lý, ta có thể chọn lại vị trí xuất phát.
 Chọn gốc tọa độ Oi dựa vào các nguyên tắc chung đã biết (Oi luôn thuộc khớp
thứ i+1).
 Trục zi đặt dọc trục khớp i+1, có chiều hướng về các khâu tiếp theo của robot.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
 Chọn trục xi là trục quay của zi thành zi+1 và góc của zi với zi+1 chính là αi+1. Nếu
zi và zi+1 song song hoặc trùng nhau thì ta có thể căn cứ nguyên tắc chung hay
chọn xi theo xi+1.
 Các hệ tọa độ Oxyz phải tuân theo qui tắc bàn tay phải.
 Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận
Ai. Đó là bốn phép biến đổi: Ai = Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α).
Nghĩa là ta coi hệ tọa độ thứ i+1 là biến đổi của hệ tọa độ thứ i, các phép quay
và tịnh tiến của biến đổi này phải là một trong các phép biến đổi của Ai, các
thông số DH cũng được xác định dựa vào các phép biến đổi này. Trong quá
trình gắn hệ tọa độ lên các khâu, nếu xuất hiện phép quay của trục zi đối với zi-
1 quanh trục yi-1 thì vị trí ban đầu của Robot đã giả định là không đúng, ta cần
chọn lại vị trí ban đầu khác cho Robot.
 Bước 2: Lập bảng thông số DH (Denavit Hartenberg).
 Bước 3: Dựa vào các thông số DH xác định ma trận Ai.
 Bước 4: Tính các ma trận T và viết các phương trình động học của Robot.
4.1.2 Phương trình động học nghịch
4.1.2.1 Giới thiệu
Sau khi thiết lập hệ phương trình động học cho robot, bây giờ nếu biết trước được
điểm tác động cuối mà robot phải với tới trong quá trình làm việc, ta cần phải xác định
các biến khớp trong bộ thông số DH. Với các biến khớp này khi đưa vào chương trình
điều khiển robot thì robot sẽ với điểm mong muốn. Đây chính là nội dung của giải hệ
phương trình động học còn gọi là động học ngược robot.
Cho trước các thông số hình học, thông số liên kết của robot. Cho trước vị trí và
hướng tác động cuối so với một hệ tọa độ tham chiếu cố định nào đó. Cần phải xác định
các giá trị của biến khớp và có thể xem thêm có bao nhiêu cấu hình của robot thỏa mãn
yêu cầu làm việc.
Rõ ràng việc giải hệ phương trình động học robot giữ vai trò rất quan trọng trong
quá trình lập trình robot. Hiện nay, việc giải hệ phương trình động học với nhiều phương
pháp khác nhau sao cho với từng trường hợp phù hợp với từng đặc điểm của robot.
Nhiệm vụ của bài toán là xác định tệp nghiệm (θi*, di*) khi đã biết hình thể của robot
thông qua vectơ cuối T.
4.1.2.2 Điều kiện của bài toán động học nghịch
Khi giải bài toán động học nghịch của robot cần thỏa mãn 2 điều kiện cơ bản sau:
 Điều kiện tồn tại nghiệm:
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Rõ ràng là nếu robot đủ số lượng bậc tự do và điểm tác động cuối nằm trong trường
thao tác của robot thì chắc chắn tồn tại lớp nghiệm (θi*, di*) sao cho robot đạt được vị
trí và hướng của điểm tác động cuối.
 Điều kiện duy nhất của tệp nghiệm:
Khi giải giải bài toán động học ngược, ta có một lớp nghiệm toán, đây là các
nghiệm thỏa mãn 12 phương trình trong hệ phương trình động học, người ta gọi đây là
nghiệm toán. Trên cơ sở đó, dựa vào các ràng buộc vật lý như ràng buộc tịnh tiến, góc
xoay… Người ta chọn được một lớp nghiệm duy nhất gọi là lớp nghiệm vật lý dùng cho
điều khiển robot. Như vậy tập nghiệm vật lý là tập con của tập nghiệm toán.
4.2 Xử lý ảnh
Trong những năm gần đây, phần cứng máy tính và các thiết bị liên quan đã có sự
tiến bộ vượt bậc về tốc độ tính toán, dung lượng chứa, khả năng xử lý v.v.. và giá cả đã
giảm đến mức máy tính và các thiết bị liên quan đến xử lý ảnh đã không còn được coi
là thiết bị chuyên dụng nữa. Khái niệm ảnh số đã trở nên thông dụng với hầu hết mọi
người trong xã hội và việc thu nhận ảnh số bằng các thiết bị cá nhân hay chuyên dụng
cùng với việc đưa vào máy tính xử lý đã trở nên đơn giản.
Khái niệm xử lý ảnh
Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò
quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý
ảnh và đồ họa đã phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống.
Xử lý ảnh và đồ họa đóng một vai trò quan trọng trong tương tác người với máy móc.
Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra
kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt
hơn” hoặc một kết luận.
Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem như là đặc
trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tượng trong
Ảnh Xử lý ảnh
Ảnh (Tốt hơn)
Kết luận
HÌNH 4-5 Quá trình xử lý ảnh
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(c1, c2,…,cn). Do đó, ảnh trong xử
lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều.
Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
Ảnh và điểm ảnh:
Điểm ảnh được xem như là dấu hiệu hay cường độ sáng tại một tọa độ trong không
gian của đối tượng và ảnh được xem như là một tập hợp các điểm ảnh.
Ảnh tĩnh (Still Image): biểu diễn bởi hàm độ chói của các biến tọa độ trong mặt
phẳng ảnh I(x,y).
Ảnh tĩnh gồm có:
- Ảnh nhị phân: 1 bit/pixel
- Ảnh xám: 8 bit/pixel
- Ảnh màu: 16-24 bit/pixel
Chuỗi ảnh (Sequence of Image): hàm độ chói của các biến tọa độ mặt phẳng và
biến thời gian I(x,y,t).
Chuỗi ảnh gồm có video: chuỗi các ảnh (khung hình), quan hệ thời gian giữa các
khung hình biểu diễn ảnh động.
Mức xám, màu:
Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng được gán bằng giá trị nguyên tương ứng
với thang đo độ xám.
HÌNH 4-6 Ảnh tĩnh
HÌNH 4-7 Ảnh động
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Thang đo độ xám phụ thuộc vào số bit để biểu diễn màu của điểm ảnh. Đối với
ảnh nhị phân dùng 1bit để biểu diễn màu => [0,1] là thang đo độ xám (0: đen, 1: trắng),
ảnh xám thang đo độ xám là [0,255] => (0: đen, 255: trắng)
Độ phân giải:
Là mật độ điểm ảnh được sử dụng để biểu diễn ảnh.
Khử nhiễu
Nhiễu
Sau quá trình thu nhận ảnh thông thường ảnh thu được luôn xảy ra hiện tượng
nhiễu. Nhiễu có nhiều dạng: nhiễu do thiết bị thu ảnh (quang sai của thấu kính, nhiễu do
rung động), nhiễu ngẫu nhiên và độc lập (ảnh hưởng của môi trường), nhiễu do vật quan
sát (do bề mặt bóng, gây phản xạ tạo nhiễu lốm đốm).
Các phương pháp lọc nhiễu
Lọc trung vị:
Là một kỹ thuật lọc phi tuyến, nó khá hiệu quả với hai loại nhiễu là nhiễu đốm và
nhiễu muối tiêu. Kỹ thuật này là một bước rất phổ biến trong xử lý ảnh.
Chức năng cơ bản của nó là thiết lập giá trị của các điểm với các mức xám khác
nhau thành giá trị có vẻ gần giống với các điểm lân cận. Kỹ thuật lọc này thường dùng
cửa sổ 3x3, 5x5, 7x7 di chuyển khắp mặt phẳng ảnh. Điểm trung tâm của cửa sổ sẽ ứng
với điểm ảnh được lọc, giá tri ̣ của điểm ảnh này sẽ được thay thế bằng trung vi ̣ của
chuỗi số là tập các giá tri ̣ thuộc cửa sổ.
v[m,n] = median { u[m-k,n-l], (k,l) ∈ cửa sổ }
Trung vi ̣ của chuỗi số có 2n+1 số là số nằm giữa các số khác nếu chuỗi số được
sắp xếp theo thứ tự theo thứ tự tăng dần hoặc giảm dần. Nếu trường hợp có 2n số thì
trung vi ̣ sẽ là trung bình cộng của hai số trung tâm.
Vậy thuật toán dùng cho bộ lọc trung vi ̣ được thực hiện theo hai bước:
- Sắp xếp các phần tử ảnh thuộc cửa sổ theo thứ tự tăng dần hoặc giảm dần. Cần
dùng thuật toán sắp xếp hiệu quả nhất.
- Chọn ra phần tử trung vi ̣ (có chỉ số n2/2 + 1) rồi thay thế giá tri ̣ điểm ảnh trung
tâm của cửa sổ bằng giá tri ̣ trung vi ̣ đó. Riêng đối với giá tri ̣ trên biên thì giữ
nguyên giá trị.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Cửa sổ dùng trong bộ lọc trung vi ̣ là loại dấu thập phân thay cho loại vuông, cho
ta kết quả khả quan hơn.
HÌNH 4-8 Ảnh trước và sau khi lọc trung vị
Lọc trung bình:
Là bộ lọc làm trơn. Tác dụng là làm mờ ảnh (áp dụng cho các phép tiền xử lý ảnh,
loại bỏ các đối tượng nhỏ của ảnh, khử nhiễu).
Ý tưởng bộ lọc trung bình: thay thế giá trị tại mỗi pixel bằng trung bình các giá trị
pixel trong mặt nạ lân cận nhằm: loại bỏ những pixel biến đổi lớn so với lân cận, những
pixel nằm trên biên cũng có sự biến đổi lớn so với lân cận (làm mờ).
Cửa sổ bộ lọc thường có kích thước 3x3. Ta có phương trình biến đổi của bộ lọc:
Với h[k,l] là các giá tri ̣ trọng số và cũng là các giá tri ̣của mặt nạ bộ lọc. Điểm
trung tâm của bộ lọc ứng với k=l=2 và điểm này được áp vào tọa độ [m,n]. Với việc lấy
trung bình như vậy thì năng lượng của nhiễu cũng giảm đi một lần bằng với trọng số
của bọ lọc. Các dạng mặt nạ bộ lọc không gian trung bình thường là:
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
HÌNH 4-9 Ảnh trước và sau khi lọc trung bình
Lọc giả trung vị:
Lọc trung vi ̣ đòi hỏi số lượng phép tính lớn nên tốc độ của bộ lọc chậm. Người ta
khắc phục nhược điểm này bằng bộ lọc giả trung vị.
Mô hình màu HSV (Hue, Staturation, Value)
Không gian màu được dùng nhiều trong việc chỉnh sửa ảnh, phân tích ảnh, và một
phần của lĩnh vực máy tính. Hệ thống không gian này dựa vào 3 thông số để mô tả màu
sắc. Hue là màu sắc, Staturation là độ đậm đặc, sự bão hòa, Value là giá trị cường độ
sáng.
Không gian màu này thường được biểu diễn dưới dạng hình nón hoặc hình trụ.
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Hệ tọa độ cho không gian màu này là hình trụ:
- Giá trị màu thuần khiết (Hue) chạy từ 0 đến 360°.
- Độ bão hòa màu (Saturation) là mức độ của thuần khiết của màu, có thể hiểu
là có bao nhiêu màu trắng được thêm vào màu thuần khiết này. Giá trị của S
nằm trong đoạn [0,1], trong đó S = 1 là màu tinh khiết nhất, hoàn toàn không
pha trắng. Nói cách khác, S càng lớn thì màu càng tinh khiết, nguyên chất.
- Độ sáng của màu (Value), có khi được gọi là Intensity, Lightness, cũng có giá
trị dao động trong đoạn [0, 1], trong đó V=0 là hoàn toàn tối (đen), V=1 là hoàn
toàn sáng. Nói cách khác, V càng lớn thì màu càng sáng.
Hệ thống màu HSV thích hợp với một số thiết kế đồ họa vì nó cung cấp sự điều
khiển trực tiếp đến ánh sáng và sắc động. Hệ thống màu HSV cũng hỗ trợ tốt hơn những
thuật toán xử lý ảnh vì tiêu chuẩn hóa về ảnh màu và tập trung vào hai hàm số về độ hội
tụ màu và cường độ màu. Hệ thống màu HSV có sự phân chia rõ rệt giữa ánh sáng và
màu sắc do đó có khả năng rất lớn được áp dụng cho việc tính đặc trưng và so sánh sự
giống nhau về màu sắc của hai ảnh nên thích hợp cho việc tìm kiếm ảnh dựa vào màu.
HÌNH 4-10 Mô hình không gian màu HSV
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
4.3 Quá trình tính toán động học
HÌNH 4-11 Mô hình robot
HÌNH 4-12 Lược đồ đặt trục tọa độ
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
Khâu 4 luôn hướng xuống: θ4 = −(θ2 + θ3)
a1=104.14; d1=231.71; a2=157; a3=126.97; a4=70
BẢNG 4-2 Bảng thông số DH
ai αi di θi
1 a1 90o
d1 θ1*
2 a2 0 0 θ2*
3 a3 0 0 θ3*
4 a4 0 0 θ4*
Động học thuận:
Ai = [
cθi −sθicαi sθisαi aicθi
sθi cθicαi −cθisαi aisθi
0 sαi cαi di
0 0 0 1
]
A1 = [
c1 0 s1 a1. c1
s1 0 −c1 a1. s1
0 1 0 d1
0 0 0 1
]
A2 = [
c2 −s2 0 a2. c2
s2 c2 0 a2. s2
0 0 1 0
0 0 0 1
]
A3 = [
c3 −s3 0 a3. c3
s3 c3 0 a3. s3
0 0 1 0
0 0 0 1
]
A4 = [
c4 0 s4 0
s4 0 −c4 0
0 1 0 0
0 0 0 1
]
Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và rút gọn:
ti = θi* ; t4 = - (t2 + t3)
T4 = A1. A2. A3. A4
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
= [
cos(t1 − t4) sin(t1 − t4) 0 cos(t1). (a1 + a3. cos(t2 + t3) + a2. cos(t2))
sin(t1 − t4) −cos(t1 − t4) 0 sin(t1). (a1 + a3. cos(t2 + t3) + a2. cos(t2))
0 0 −1 d1 − d5 + a3. sin(t2 + t3) + a2. sin(t2)
0 0 0 1
]
T4 = [
nx ox ax Px
ny oy ay Py
nz oz az Pz
0 0 0 1
]
Động học nghịch:
Px = cos(t1). (a1 + a3. cos(t2 + t3) + a2. cos(t2))
Py = sin(t1). (a1 + a3. cos(t2 + t3) + a2. cos(t2))
Pz = d1 − d5 + a3. sin(t2 + t3) + a2. sin(t2)
tan(t1) =
Py
Px
→ t1 = atan2d (
Py
Px
)
a3. cos(t2 + t3) + a2. cos(t2) = Px. cos(t1) + Py. sin(t1) − a1 = N1
a3. sin(t2 + t3) + a2. sin(t2) = Pz − d1 + d5 = N2
a22
+ a32
+ 2. a2. a3. cos(t3) = N12
+ N22
cos(t3) =
N12
+ N22
− a22
− a32
2. a2. a3
→ t3 = −acosd(cos(t3))
cos(t2) =
N1 + a3. sin(t2) sin(t3)
a2 + a3. cos(t3)
sin(t2) =
N2 − a3. cos(t2) sin(t3)
a2 + a3. cos(t3)
cos(t2) =
N1 + a3. sin(t3) .
N2 − a3. cos(t2) sin(t3)
a2 + a3. cos(t3)
a2 + a3. cos(t3)
cos(t2) =
N1. (a2 + a3. cos(t3)) + N2. a3. sin(t3) − cos(t2) . (a3. sin(t3))2
(a2 + a3. cos(t3))2
cos(t2) . (1 +
(a3. sin(t3))2
(a2 + a3. cos(t3))2
) =
N1. (a2 + a3. cos(t3)) + N2. a3. sin(t3)
(a2 + a3. cos(t3))2
cos(t2) =
N1. (a2 + a3. cos(t3)) + N2. a3. sin(t3)
(a2 + a3. cos(t3))2 + (a3. sin(t3))2
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
cos(t2) =
N1. (a2 + a3. cos(t3)) + N2. a3. sin(t3)
a22 + a32 + 2. a2. a3. cos(t3)
Tương tự:
sin(t2) =
N2. (a2 + a3. cos(t3)) − N1. a3. sin(t3)
a22 + a32 + 2. a2. a3. cos(t3)
tan(t2) =
N2. (a2 + a3. cos(t3)) − N1. a3. sin(t3)
N1. (a2 + a3. cos(t3)) + N2. a3. sin(t3)
→ t2 = atan2d(tan(t2))
→ t4 = −t2 − t3
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
5.1 Thiết kế hệ thống cơ khí
5.1.1 Thiết kế băng tải
 Chọn băng tải có kích thước 459×130 mm
 Sử dụng động cơ DC giảm tốc có tốc độ động cơ nđc = 130 rpm
 Các bộ phận cơ khí được thiết kế với kích thước theo bản vẽ
HÌNH 5-1 Bản vẽ băng tải
HÌNH 5-2 Băng tải thực tế
 Tốc độ băng tải
vbt = µ
𝑛đ𝑐
𝑖
= 0.83×
130×2×3.14
16×60
× 50 = 17.6 (mm/s)
Trong đó: µ: hiệu suất chung của hệ thống truyền động
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
µ = µnt ×µtv ×µ2
ol = 1×0.85×0.992
= 0.83
5.1.2 Tính toán cánh tay
5.1.2.1 Tính chọn động cơ
- Robot với cấu hình bậc tự do, bao gồm: 4 khớp xoay, khớp đầu tiên giúp cánh
tay xoay sang hai bên, tiếp đó là 3 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để nâng hạ
vật, cuối cùng là đầu hút giúp hút vật.
 Chọn vật liệu
Vật liệu: Chọn nhôm 6061 làm kết cấu chính cho Robot
- Nhẹ, giá thành thấp.
- Có thể dễ dàng gia công và lắp ráp.
 Chọn động cơ
Để xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động cũng như
xác định các sai số động có rất nhiều phương pháp khác nhau. Điển hình là cơ học cổ
điển. Đối với phương pháp này ta bỏ qua quán tính, ly tâm …, ta chọn động cơ bước
NEMA làm nguồn động lực chính :
BẢNG 5-1 Thông số các khâu Robot
KHÂU VẬT LIỆU KHỐI LƯỢNG
Khâu 1 Nhựa 0.9 kg
Khâu 2 Nhôm 6061 1.5kg
Khâu 3 Nhôm 6061 1.3 kg
Khâu 4 Nhựa 0,3
Khối lượng vật tối đa Gang 1 kg
 Tính mô men tĩnh tác dụng lên khâu 2:
Chọn vị trí nguy hiểm nhất chính là khi các khâu 2, 3, 4, 5 duỗi thẳng ở vị trí nằm
ngang, lúc này momen tĩnh do trọng trường gây ra là lớn nhất:
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
HÌNH 5-3 Sơ đồ tải trọng của robot khi chịu trọng lượng lớn nhất
Trong đó:
a1=104.14; d1=231.71; a2=157; a3=126.97; a4=70
𝑃𝑣 là trọng lượng lớn nhất vật nâng 𝑃𝑣 = 1 × 9,8 = 9,8 𝑁 (2-1)
𝑃2, 𝑃3, 𝑃4, là trọng lượng của các khâu 2, 3, 4.
𝑃2 = 1,5 × 9,8 = 14,7 N
𝑃3 = 1.3 × 9,8 = 12.47N
𝑃4 = 0.3 × 9,8 = 2.94 N
* Tổng mô men tĩnh do trọng lực gây ra trên trục 𝑂1:
𝑀𝑡2 = 𝑃2 × 0,261 + 𝑃3 × 0,388 + 𝑃4 × 0,457 + 𝑃𝑣 × 1 = 19.81 𝑁𝑚 (2-2)
Ngoài ra khi làm việc từ trạng thái ban đầu là đứng yên, lực quán tính sinh ra kết
hợp với tải trọng tĩnh sẽ gây ra lực cản lớn nhất đặt lên trục khớp 2. Ở đây ta bỏ qua ma
sát.
* Tính mô men cản do quán tính của các bộ phận chuyển động (xem thanh là thanh
thẳng đồng chất, trục quay ở một đầu quay):
𝐼 =
1
3
𝑚𝑙2
(2-3)
Mô men quán tính của khâu 2:
𝐼2 =
1
3
× 1,5 × 0,1572
= 0,012 𝑁𝑚2
Mô men quán tính của khâu 3:
𝐼3 =
1
12
1,3 × 0,126,972
= 1,71 × 10−3
𝑁𝑚2
Mô men quán tính của khâu 3 so với trục 𝑂1:
𝐼3𝑜 = 𝐼3 + 𝑚3𝑑2
= 1,71 × 10−3
+ 1.3 × 0,3422
= 0,153 𝑁𝑚2
(2-4)
Tính tương tự ta có:
DUT.LRCC

Trần Kim Tấn
𝐼4 =
1
12
0,3 × 0,0352
= 3.06 × 10−5
𝑁𝑚2
𝐼4𝑜 = 𝐼4 + 𝑚4𝑑2
= 3,06 × 10−5
+ 0,3 × 0,4232
= 1.64 × 10−5
𝑁𝑚2
(2-5)
Mô men quán tính của vật nâng là:
𝐼𝑣 = 𝑚𝑣 × 𝑙2
= 1 × 0,4582
= 0,2097 𝑁𝑚2
(2-6)
Với yêu cầu động cơ tăng tốc từ 0 lên 600
/0.2 sec trong 0,5s, ta tính được gia tốc
góc yêu cầu là:
𝜀𝑑𝑐 =
100×2𝜋
1×60
= 10,47 𝑟𝑎𝑑/𝑠2
(2-7)
Mô men lực sinh ra do quán tính:
𝑀𝑞𝑡2 = (𝐼2 + 𝐼3𝑜 + 𝐼4𝑜 + 𝐼5𝑜 + 𝐼𝑉) × 𝜀𝑑𝑐 (2-8)
= (0,012 + 0,153 + 1,64 × 10−5
+ 0,2 09) × 10,47 = 3,91 𝑁𝑚.
Mô men cản trên trục 2:
𝑀𝑐2 = 𝑀𝑡2 + 𝑀𝑞𝑡2 = 6,115 + 3,91 ≈ 10,025 𝑁𝑚 (2-9)
Suy ra mô men yêu cầu trên trục động cơ là:
 𝑀 > 𝐾𝑡 × 𝑀𝑐2 = 15,03 𝑁𝑚 (2-10)
Ta chọn động cơ cho khâu 2 là 86BYGH450A với các thông số sau:
BẢNG 5-2 Thông số động cơ bước 86BYGH450A
Thông số
Kích thước 56 × 56 × 75 𝑚𝑚
Trọng lượng 1200 𝑔
Đường kính trục 14 𝑚𝑚
Dòng điện định mức 6 𝐴
Momen giữ 4𝑁. 𝑚
Số bước trên một vòng 200
DUT.LRCC

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.pdf

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

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

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

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.pdf