Tài liệu Cánh tay robot phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc

Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2019 Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 1 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2019 Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 2 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của chúng em. Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong đồ án đều trung thực, do chúng em tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu. Đồ án này không sao chép các đồ án đã có từ trước. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đề tài của mình. Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 3 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường Đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô và gia đình . Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Điện tử Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Trần Thị Minh Hạnh - trên cương vị là giảng viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn, giảng giải tận tình về các vướng mắc trong quá trình tìm hiểu đề tài. Một lần nữa chúng em xin cảm ơn cô. Bước đầu làm quen với bộ môn Hệ Thống Nhúng, tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo, kiến thức của em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn. EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN! Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 4 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TÊN NHIỆM VỤ Tìm hiểu về lập trinh Arduino, cảm biến Hữu màu sắc, hồng ngoại, lập trình. Làm mô hình hệ thống Thiết kế cánh tay robot, điều khiển động Lợi cơ DC của băng tài. Làm mô hình hề thông Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 5 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN ............................................................................................... 1 NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN ................................................................................................ 2 LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................................ 3 LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................................. 4 CHƯƠNG I.................................................................................................................................................. 8 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ............................................................................................................................... 8 Giới thiệu chung ...................................................................................................................................... 8 1.2 Lý do chọn đề tài ......................................................................................................................... 8 1.3 Nội dung đề tài ............................................................................................................................... 8 1.4 Giới thiệu hệ thống...................................................................................................................... 9 1.4.1 Mô hình chức năng của hệ thống ....................................................................................... 9 1.4.2 Mô hình các khối hệ thống ............................................................................................... 10 1.5 Giới hạn đê tài ........................................................................................................................... 10 1.6 Kết luận chương .............................................................................................................................. 11 CHƯƠNG II THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 3 BẬC TỰ DO .......................................................... 12 2.1 Ứng dụng của robot 3 bậc tự do sử dụng trong đề tài ................................................................. 12 2.2 Thiết kế mô hình cánh tay robot.................................................................................................... 13 2.2.1 Khớp robot .............................................................................................................................. 13 2.2.2 Cổ tay robot .............................................................................................................................. 14 2.2.3 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) ...................................................................................... 14 2.2.4 Mô hình robot được thiết kế ................................................................................................... 15 CHƯƠNG III............................................................................................................................................. 16 CHI TIẾT THIẾT BỊ VÀ THÔNG SỐ KĨ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG ....... 16 3.1 Giới thiệu chương...................................................................................................................... 16 3.2 Arduino ...................................................................................................................................... 16 3.2.1 Giới thiệu Arduino ............................................................................................................ 16 3.2.2 Giới thiệu Arduino Uno .................................................................................................... 16 3.2.3 Thông số kĩ thuật............................................................................................................... 18 3.3 Các cảm biến và động cơ .......................................................................................................... 20 3.3.1 Cảm biến màu sắc TCS3200 ............................................................................................ 20 Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 6 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh 3.3.1.1 Giới thiệu ........................................................................................................................... 20 3.3.2 Cảm Biến Vật Cản Hồng Ngoại E18-D80NK ................................................................. 22 3.3.2.1 Giới thiệu ........................................................................................................................... 22 3.3.3 Động Cơ Servo SG90 ........................................................................................................ 23 3.3.4 Module điều khiển động cơ L298N............................................................................................. 24 2.3.4.1 Giới thiệu .............................................................................................................................. 24 3.3.4.2 Thông số kỹ thuật................................................................................................................. 25 3.3.5 Động cơ giảm tốc V1 - DIY ......................................................................................................... 25 3.3.5.1 Giới thiệu .............................................................................................................................. 25 3.3.5.2 Thông số kỹ thuật................................................................................................................. 26 Thiết kề và thực hiện phần cứng ............................................................................................. 27 3.4 Thiết kế .............................................................................................................................. 27 3.4.1 CHƯƠNG IV ............................................................................................................................................. 28 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM ........................................................................................... 28 4.1 Giới thiệu chương...................................................................................................................... 28 4.2 Giới thiệu về Arduino IDE và ngôn ngữ lập trình cho Arduino ........................................... 28 3.3 Thiết kế và thực hiện phần mềm hệt thống ............................................................................ 29 3.3.1 Lưu đồ giải thuật của Arduino ........................................................................................ 29 4.4. Code chương trình Arduino .......................................................................................................... 31 4.5 Kết luận chương ........................................................................................................................ 40 CHƯƠNG V .............................................................................................................................................. 41 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................................... 41 5.1. Kiểm tra độ ổn định của hệ thống ................................................................................................ 41 5.3 Hướng phát triển............................................................................................................................. 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................................... 42 Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 7 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Giới thiệu chung Chương này sẽ giới thiệu về tình hình phát triển công nghệ tự động hóa để ứng dụng vào các quá trình sản xuất công nghiệp ở nước ta hiện nay nhằm góp phần thay thế sức lao động chân tay của con người. Theo sau đó là tổng quan nội dung của đề tài, nêu ra mô hình giải quyết bài toán “Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc” cùng với đó là giới hạn phạm vi đề tài đưa ra. Lý do chọn đề tài Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất lao động. Đặt biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động. Đối với nước ngoài thì Robot đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào sản suất đã có từ rất lâu. Riêng ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới mẽ, chúng ta vẫn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế. Đó chính là lý do mà nhóm đề xuất nên “Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc” để góp một phần nào đó nâng cao năng suất lao động, phát triển công nghệ chế tạo Robot ở nước ta và sử dụng đề tài này để làm Đồ án Chuyên nghành của mình. 1.2 1.3 Nội dung đề tài Sản phẩm được ra đời với mục đích hỗ trợ cho việc phân loại hàng hóa tại các công ty, xí nghiệp sản xuất,… Khi hàng hóa được thành phẩm sẽ được phân loại dựa trên màu sắc của nó. Thay thế được quá trình phân loại thủ công bằng chân tay con người, cải thiện được năng suất lao động và thời gian để thực hiện công đoạn. Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 8 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh Các giai đoạn phát triển hệ thống: Việc thực thi hệ thống được thực hiện qua các công đoạn chính sau Hình 1.1 Mô hình các giai đoạn phát triển hệ thống 1.4 Giới thiệu hệ thống Với các vấn đề đặt ra ở trên nhóm đã ban đầu hình thành nên ý tưởng ban đầu như sau. 1.4.1 Mô hình chức năng của hệ thống - Mô hình của hệ thống : Các thành phần hệ thống: Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 9 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh + Băng tải chuyển động truyền phôi đến nơi để phân loại +Trên băng tải có cảm biến màu sắc để nhận biết màu của phôi, sau đó phôi tiếp tục được đưa đi cho đến khi gặp cảm biển hồng ngoại để dừng lại đúng vị trí cuối. + Cánh tay robot hoạt động sau khi phôi được đưa đến nơi. 1.4.2 Mô hình các khối hệ thống 2.2. Giải pháp và công nghệ áp dụng - Sử dụng cánh tay robot 3 bậc tự do để gắp phôi. - Sử dụng kiến thức về lập trình đối với arduino - Sử dụng một số cảm biến: cảm biến màu sắc, hồng ngoại. - Sử dụng công cụ lập trình, Arduino IDE - Sử dụng ngôn ngữ lập trình C 2.3. Đặc tả các tính năng của phần mềm - Xác định vị trí của phôi cần phân loại đối với cánh tay robot - Phân loại được phôi dưa vào cảm biến màu sắc. - Đưa phôi đến vị trí được phân loại 2.4. Phân tích những điểm độc đáo, sáng tạo của sản phẩm - Quá trình phân loại diễn tra tự động. - Tiết kiệm được thời gian và công sức, đồng thời nâng cao năng suất công việc phân loại sản phẩm trong công nghiệp 1.5 Giới hạn đê tài Trong phạm vi cho phép nhóm chỉ thi công trên mô hình. Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt trong suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài chỉ giải quyết những vấn đề sau:  Thiết kế mô hình và hoạt động được khá ổn định  Bên cạnh đó vẫn còn một số sai sót do linh kiện Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 10 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh 1.6 Kết luận chương Như vậy, qua chương này chúng ta đã nắm rõ được tính cấp bách và cần thiết của đề tài ở Việt Nam. Bước đầu nắm được nội dung, mô hình cũng như đối tượng mà đề tài đề cập đến để tạo cơ sở để tiếp tục thực hiện và làm rõ những vấn đề trên. Tuy nhiên hệ thống vẫn còn các hạn chế nhất định và được giới hạn bởi phạm vi đề tài. Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 11 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh CHƯƠNG II THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 3 BẬC TỰ DO Về mặt truyền động và điều khiển robot được cấu tạo từ những khối cấu trúc cơ khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Về mặt kết cấu robot được chế tạo rất khác biệt nhau nhưng chúng được xây dựng từ những thành phần cơ bản như tay máy, nguồn cung cấp, bộ điều khiển. Trong đó tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế và hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau. Vì vậy trong chương2, chúng em sẽ đi xây dựng mô hình cánh tay của robot 3 bậc tự do. Chương này gồm những nội dung sau: Ứng dụng của robot trong đề tài, thiết kế mô hình cánh tay robot, xây dựng phương trình động học cho robot 3 bậc tự do. 2.1 Ứng dụng của robot 3 bậc tự do sử dụng trong đề tài Robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khẳ năng linh hoạt hóa sản xuất. Nó ngày càng thay thế nhiều lao động và và ngày càng trở lên chuyên dụng. Trong các nhà máy sản xuất, công đoạn lắp rắp thường chiếm tỉ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền. Công việc lắp rắp đó lại đòi hỏi phải rất cẩn thận không được nhầm lẫn thao tác nhẹ nhàng chính xác và phải làm việc căng thẳng suốt ngày. Vì vậy khi nhận đề tài “thiết kế chế tạo mô hình điều khiển tự động cánh tay robot 3 bậc tự do” chúng em đưa ra các ứng dụng cụ thể của robot này như sau: Robot 3 bậc tự do đảm nhiệm vai trò gắp phôi cho máy tiện đứng Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 12 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh 2.2 Thiết kế mô hình cánh tay robot Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước. Bộ phận cơ bản của robot là: Cánh tay (gồm một số thanh nối cứng liên kết vớ nhau bởi các khớp mềm); thân (bệ); cổ tay; bàn tay. Hình 2.1: Các bộ phận của robot 2.2.1 Khớp robot Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực hiện di chuyển của robot. Khớp robot gồm hai loại: khớp tịnh tiến và khớp quay. khớp tịnh tiến Khớp quay Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 13 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh 2.2.2 Cổ tay robot Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) trong không gian làm việc. Thông thường cổ tay robot có 3 bậc tự do tương ứng với 3 chuyển động có cấu tạo điển hình như hình 2.3: Cổ tay xoay xung quanh trục thanh nối cuối cùng (Roll), cổ tay xoay xung quanh trục nằm ngang tạo chuyển động lên xuống của bàn tay (Pitch) quay xung quanh trục thẳng đứng tạo chuyển động lắc phải, trái của bàn tay (Yaw). Hình 2.3: Cơ cấu cổ tay robot 2.2.3 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) Bàn tay được gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong không gian làm việc. Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất: cơ cấu tay kẹp và cơ cấu dụng cụ (Các dụng cụ là: mũi hàn, dụng cụ cắt đá, mài đá, một bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ quang...) Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 14 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh 2.2.4 Mô hình robot được thiết kế Hình 2.4 : Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 15 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh CHƯƠNG III CHI TIẾT THIẾT BỊ VÀ THÔNG SỐ KĨ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu chương Để có thể hoàn thành hệ thống thì phần cứng là một trong những yêu tố quan trọng nhất. Chương này sẽ giới thiệu về các phần cứng sử dụng trong hệ thống và theo sau đó là các thông số kỹ thuật cũng như cái nhìn chung về cách kết nối phần cứng. 3.2 Arduino 3.2.1 Giới thiệu Arduino Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc một số thiết bị khác. Lý do Arduino được biết đến rộng rãi là nhờ môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình dễ tiếp cận. Hơn cả thế nữa điều đặc biệt nhất tạo nên cộng đồng Arduino mạnh mẽ là vì Arduino có mức giá rất thấp, mã nguồn từ phần cứng đến phần mềm đều mở. 3.2.2 Giới thiệu Arduino Uno Arduino Mega 2560 R3 là phiên bản nâng cấp của dòng Arduino phổ biến nhất ( Arduino Uno R3) với số chân giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn. Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 16 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh Arduino Mega 2560 R3 với giá thành rẻ, chất lượng ổn định và dễ dàng mua được ở Việt Nam. Bao gồm cable USB, bo mạch với chip vi điều khiển ATmega2560 cùng một số ngoại vi như nút bấm, led, giao tiếp UART. Hình 2.2 Ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3 Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 17 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh Hình 2.3 Sơ đồ khối ATmega2560 Arduino Mega được thiết kế cho nhiều dự án khó.Với 54 chân I/O kĩ thuật số, 16 chân analog, cùng không gian khá rộng để bạn có thể tích hợp các mạch điện tử của dự án của bạn lên đó. 3.2.3 Thông số kĩ thuật  Vi điều khiển: ATmega2560  Điện áp hoạt động: 5V  Điện áp đầu vào (được đề nghị): 7-12V  Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V  Số lượng chân I / O: 54 (trong đó có 15 cung cấp sản lượng PWM)  Số lượng chân Input Analog:  Dòng điện DC mỗi I / O: 16 20 mA Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 18 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh  Dòng điện DC với chân 3.3V:  Bộ nhớ flash: 50 mA 256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động  SRAM: 8 KB  EEPROM: 4 KB  Tốc độ đồng hồ:  Chiều dài: 16 MHz 101,52 mm  Bề rộng: 53,3 mm  Cân nặng: 37 g Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 19 Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc | GVHD: Trần Thị Minh Hạnh 3.3 Các cảm biến và động cơ 3.3.1 Cảm biến màu sắc TCS3200 3.3.1.1 Giới thiệu Cảm biến màu sắc TCS3200 được sử dụng để nhận biết màu sắc bằng cách đo phản xạ 3 màu sắc cơ bản từ vật thể là đỏ, xanh lá và xanh dương từ đó xuất ra tần số xung tương ứng với 3 màu này qua các chân tín hiệu, đo 3 tần số xung này và qua 1 vài bước chuyển đổi nhất định là ta sẽ có đươc thông tin của màu sắc của vật thể cần đo. Hình 2.4 Hình ảnh thực tế TCS3200 Thái Tăng Hữu – Đặng Hoàng Lợi – 15DT3 Trang 20