Tài liệu Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh Người hướng dẫn: ThS. TRẦN QUANG KHẢI Sinh viên thực hiện: HUỲNH ANH KHOA HỒ CÔNG TRIỆU Số thẻ sinh viên : 101150191 101150170 Lớp: 15CDT1 Đà Nẵng, 2019 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu Số thẻ SV: 101150191 Lớp 15CDT1 Huỳnh Anh Khoa Số thẻ SV: 101150170 Lớp 15CDT1 Mục đích: Thiết kế chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm tự động sử dụng cánh tay robot có ứng dụng xử lý ảnh đang được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, nó làm tăng năng suất và tránh những sai sót có thể xảy ra trong quá trình sản xuất Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: a, Phạm vi: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh. Hệ thống bao gồm những phần chính như: 1 cánh tay robot, 1 camera xử lý ảnh, 1 máy tính. b, Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 4 bậc tự do, xử lý ảnh, máy tính c, Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đặc điểm động học và động lực học robot, lập trình cho robot và xử lý ảnh để nhận diện hình dạng sản phẩm. d, Nghiên cứu thiết kế: Tính toán và vẽ kết cấu robot. e, Chế tạo: Dựa vào kết quả tính toán và thiết kế sau đó tiến hành thi công chế tạo mô hình. Cấu trúc đồ án này gồm 5 chương: - Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Thiết kế và chế tạo cơ khí - Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển Chương 5: Kết luận i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: HUỲNH ANH KHOA Số thẻ sinh viên: 101150170 HỒ CÔNG TRIỆU Số thẻ sinh viên: 101150191 Lớp:15CDT1 Khoa: Cơ Khí Ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh. 2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo tài liệu thực tế 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chương 2: Thiết kế và chế tạo cơ khí Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển Chương 5: Kết luận 5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): Bản vẽ tổng thể hệ thống: 1 A0. Bản vẽ sơ đồ động: 1 A0. Bản vẽ sơ đồ mạch điện :1 A0. Bản vẽ lưu đồ thuật toán: 1 A0. Bản vẽ các cụm chi tiết: 2 A0. 6. Họ tên người hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 26/08/2019 8. Ngày hoàn thành đồ án: 15/12/2019 Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019 Trưởng Bộ môn …………………….. Người hướng dẫn ThS. Trần Quang Khải ii LỜI NÓI ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng đóng một vai trò quan trọng. Với tốc độ phát triển như hiện nay chúng ta không chỉ cần một lượng lao động khổng lồ mà còn đòi hỏi có trình độ, chất lượng tay nghề, kỹ thuật lao động và thiết bị sản xuất. Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao thì vấn đề tự động hoá ngày càng được chú trọng. Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép cải thiện điều kiện sản xuất. Các quá trình sản xuất sử dụng quá nhiều lao động sống rất dễ mất ổn định về giờ giấc, về chất lượng gia công và năng suất lao động, gây khó khăn cho việc điều hành và quản lý sản xuất. Các quá trình sản xuất tự động cho phép loại bỏ các nhược điểm trên. Đồng thời tự động hóa đã thay đổi tính chất lao động, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, nhất là trong các khâu độc hại, nặng nhọc, có tính lặp đi lặp lại nhàm chán, khắc phục dần sự khác nhau giữa lao động trí óc và lao động chân tay. Do vậy, ứng dụng robot vào sản xuất là tính tất yếu của quá trình tự động hóa. Việc áp dụng các cánh tay robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng phổ biến. Trước thực tế đó, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh”. Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy ThS. Trần Quang Khải cùng với sự cố gắng của hai thành viên nhóm đến nay đồ án đã hoàn thành. Tuy nhiên với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng còn thiếu, mặc dù có nhiều cố gắng song nhóm em vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hoàn thiện. Kính mong các thầy cô thông cảm và góp ý để đề tài của nhóm em hoàn thiện hơn và có thể phát triển, ứng dụng trong thời gian sắp tới. Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019 CÁC THÀNH VIÊN Huỳnh Anh Khoa Hồ Công Triệu iii CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan: Những nội dung trong đồ án này là do chúng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo ThS. Trần Quang Khải Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Sinh viên thực hiện Hồ Công Triệu- Huỳnh Anh Khoa iv MỤC LỤC TÓM TẮT ................................................................................................................... i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .........................................................................ii LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................... iii CAM ĐOAN .............................................................................................................. iv MỤC LỤC .................................................................................................................. v DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ...................................................................vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ............................................................................ 2 1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài .................................................................................... 2 1.2 Mục tiêu ............................................................................................................. 4 Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ...................................................... 5 2.1 Thiết kế cánh tay robot ....................................................................................... 5 2.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay ....................................................... 5 2.1.2. Thông số kích thước của cánh tay Robot .................................................... 6 2.1.3. Tính toán động học..................................................................................... 7 2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay ............................................................. 10 2.1.5 Thiết kế 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do................................................ 12 2.2 Thiết kế băng tải .............................................................................................. 13 2.3 Mô hình tổng quan hệ thống............................................................................. 17 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .............................................. 18 3.1 Sơ đồ khối ........................................................................................................ 18 3.2 Các thành phần chính và chức năng ................................................................. 19 3.2.1 Arduino Nano............................................................................................ 19 3.2.2 Driver A4988 ............................................................................................ 20 3.2.3 Servo Sg90 ................................................................................................ 20 3.2.4 Cảm biến quang ........................................................................................ 21 3.2.5 Module giảm áp Lm 2596 ......................................................................... 22 3.2.6 Công tắc hành trình ................................................................................... 23 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ..................................................................... 24 v Chương 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .................................. 25 4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính............................................................... 25 4.2 LabVIEW và xử lý ảnh dùng LabVIEW........................................................... 26 4.2.1 Giới thiệu LabVIEW ................................................................................. 26 4.2.2 Ngôn ngữ lập trình LabVIEW ................................................................... 27 4.2.3 Quá trình xử lý ảnh trên LabVIEW............................................................ 35 Chương 5: KẾT LUẬN............................................................................................ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 40 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 41 vi DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 2.1: Bảng thông số DH của cánh tay robot .......................................................... 8 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của Arduino nano.......................................................... 19 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của A4988 .................................................................... 20 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động cơ servo Sg90....................................................... 21 Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của Lm 2596 ................................................................. 23 Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi ........................................... 2 Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học ........................................................................... 3 Hình 1.3: Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................... 4 Hình 2.1: Cánh tay robot tọa độ cầu ............................................................................. 5 Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do .............................................................................. 6 Hình 2.3: Thông số kích thước của cánh tay robot ....................................................... 7 Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot ............................................... 7 Hình 2.5: Bánh răng truyền động ............................................................................... 11 Hình 2.6: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E ..................................... 12 Hình 2.7: Mô hình 3D cánh tay robot ......................................................................... 12 Hình 2.8: Cánh tay robot sau khi thiết kế ................................................................... 13 Hình 2.9: Nhôm định hình ......................................................................................... 13 Hình 2.10: Ke góc nhôm định hình ............................................................................ 14 Hình 2.11: Kích thước của băng tải ............................................................................ 14 Hình 2.12: Mô hình 3D khung nhôm băng tải ............................................................ 15 Hình 2.13: Gá động cơ ............................................................................................... 15 Hình 2.14: Ổ bi .......................................................................................................... 16 Hình 2.15: Bộ căng đai .............................................................................................. 16 Hình 2.16: Mô hình sau khi thiết kế ........................................................................... 17 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................... 18 Hình 3.2: Arduino nano ............................................................................................. 19 Hình 3.3: Sơ đồ chân driver A4988............................................................................ 20 vii Hình 3.4: Động cơ servo Sg90 ................................................................................... 21 Hình 3.5: Cảm biến quang ......................................................................................... 22 Hình 3.6: Module giảm áp Lm 2596 .......................................................................... 22 Hình 3.7: Công tắc hành trình .................................................................................... 23 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ............................................................... 24 Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán ....................................................................................... 25 Hình 4.2 Hộp thoại khởi động .................................................................................... 27 Hình 4.3: Cách thức thiết lập cho vòng lặp While ...................................................... 28 Hình 4.4: Vòng lặp For .............................................................................................. 28 Hình 4.5: Cấu trúc Case ............................................................................................. 29 Hình 4.6: Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi .......................................................... 29 Hình 4.7: Đoạn chương trình y=x2+x+1 viết theo hai cách ......................................... 30 Hình 4.8: Địa chỉ truy cập các hàm Vision ................................................................. 31 Hình 4.9: Thư viện thiết bị NI-IMAQdx .................................................................... 31 Hình 4.10: Thư viện tiện ích ...................................................................................... 32 Hình 4.11: Thư viện quản lý ảnh................................................................................ 32 Hình 4.12: Thư viện quản lý tập tin............................................................................ 33 Hình 4.13: Thư viện tiện ích màu............................................................................... 33 Hình 4.14: Thư viện xử lý ảnh ................................................................................... 34 Hình 4.15: Thư viện thị giác máy............................................................................... 34 Hình 4.16: Lưu đồ thuật tuán xử lý ảnh...................................................................... 35 Hình 4.17: Kết quả nhận diện hình tròn ..................................................................... 36 Hình 4.18: Kết quả nhận diện hình vuông .................................................................. 36 Hình 4 19: Kết quản nhận diện hình lục giác.............................................................. 37 viii Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh MỞ ĐẦU Cơ điện tử là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ. Robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật cơ điện tử, đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đã thu hút được nhiều sự chú ý ở nước ta. Để xây dựng nền sản xuất hiện đại, chúng ta cần nhanh chóng ứng dụng và phát triển tự động hóa, nổi bật là các sản phẩm Cơ điện tử như Robot, ô tô, …Đặt biệt trong số những sản phẩm được ứng dụng rộng rải trong công nghiệp, thì robot 4 bậc tự do có tìm năng phát triển cao trong nền công nghiệp vì lợi thế cốt lõi của robot 4 bậc tự do là tốc độ, chính vì vậy robot 4 bậc tự do vẫn bắt được vật thể dù băng tải không dừng điều này là một trong các lợi thế giúp tăng tốc độ của dây chuyền sản xuất.Và trên cũng là mục tiêu cốt lõi của đề tài, xây dựng được mô hình robot 4 bậc tự do bắt vật thể trên băng tải dù băng tải không dừng, ngoài ra còn có thể tạo robot 4 bậc tự do thực hiện chạy theo hành trình có thể dạy học được. Để có thể xây dựng được đề tài ta cần phải nắm rõ được cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học nghịch và kỹ thuật xử lý ảnh, đồng thời với các kiến thức liên quan đến tính toán thiết kế cơ khí, mạch điều khiển, lập trình vi điều khiển cũng như công nghệ máy tính mới có thể đưa những lý thuyết cốt lõi thành mô hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra. Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 1 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài Theo ước tính của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 50% số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%), 32% ở châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi. Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%, ngành điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy 4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản xuất metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất gỗ 2,5%, và các ngành khác là 10,3%. Theo dự báo ,trên thế giới trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng 1 robot như nhu cầu 1 máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng công nghệ lớn sau internet.Với xu thế này cùng với các ứng dụng truyền thông khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, và đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot và các dịch vụ ăn theo robot sẽ vô cùng. Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun, phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm... Ngày nay, đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hóa cao, mức độ linh hoạt cao...Ở đây các máy robot công nghiệp được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình. Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 2 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh Ngoài các phân xưởng nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội.... Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học Rõ ràng khẳ năng của robot trong một số điều kiện vượt hơn khẳ năng của con người, do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại. Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người. Trong dây chuyền sản xuất tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người. Ngày nay, Việt Nam đang là một nước công nghiệp hóa, vì vậy việc sử dụng robot trong công nghiệp là rất cần thiết để nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu được công người và có độ chính xác cao. Hiểu được tầm quan trọng của robot trong đời sống hiện nay, nên nhóm sinh viên chúng em sẽ thực hiện đề tài “ Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh “ với mục tiêu sẽ xây dựng lên một mô hình minh họa được cách hoạt động của một cánh tay robot trong việc phân loại sản phẩm kết hợp với phương thức xử lý ảnh trên băng tải. Đây là một đề tài thiết thực vì hiện nay việc ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp để thay thế cho các cảm biến thông thường là rất quan trọng bởi độ chính xác cao hơn, phản hồi tốt, ít nhiễu và dễ dàng lập trình. Ngoài ra việc vận chuyển sản phẩm trên băng chuyền cũng mang lại những lợi ích như: - Giảm thiểu sức người lao động Đạt được năng suất cao, hoạt động trong một thời gian dài Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 3 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh 1.2 Mục tiêu Hình 1.3: Sơ đồ khối của hệ thống Hệ thống sẽ có những thành phần chính sau : - Một camera chụp ảnh vật phẩm - Một băng tải đủ dài để vận chuyển sản phẩm - Một cánh tay robot để đưa vật vào các ô tương ứng sau khi đã phân loại - Máy tính và bộ điều khiển trung tâm để phân tích các dữ liệu từ camera và điều khiển cánh tay robot Bài toán đặt ra là thiết kế chế tạo mô hình cánh tay robot phân loại vật thể trên băng tải. Máy tính thông qua camera sẽ thu nhận hình ảnh vật thể trên băng tải để xử lý cho ra các dữ liệu cần thiết về hình dạng rồi gửi cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bao gồm các động cơ của tay máy, động cơ của băng tải, và các động cơ khác để đưa được vật phẩm vào các ô tương ứng. - Một số phần mềm để nhóm sinh viên chúng em thực hiện đồ án : Phần mềm Solidwork 2018: dùng để thiết kế 3D cho hệ thống Phần mềm AutoCAD 2015 : dùng để vẽ các chi tiết 2D, sử dụng trong việc cắt mica Phần mềm xử lý ảnh LabVIEW 2016 : dùng để xử lý các hình ảnh gửi về từ camera Phần mềm Arduino IDE : dùng để lập trình cho các cơ cấu chấp hành. Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 4 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ 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 chương 2, chúng em sẽ đi thiết kế cơ khí toàn bộ hệ thống, bao gồm cánh tay robot, băng tải và các bộ phận khác. Để thiết kế mô hình 2D cũng như 3D cho cánh tay robot cũng như cho băng tải và các chi tiết khác trong hệ thống, chúng em sử dụng phần mềm Solidwork và Autocad, vừa dễ thiết kế lại có nhiều chức năng hỗ trợ cho người dùng rất tiện lợi. 2.1 Thiết kế cánh tay robot 2.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay Qua tìm hiểu các loại cánh tay robot thì nhóm quyết định thiết kế chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do tọa độ cầu RRRR. Đây là loại robot rất phổ biến trong công nghiệp nhờ vào những ưu điểm: ít tốn không gian, dễ dàng bố trí trong không gian làm việc, độ khéo léo, linh hoạt cao, tầm hoạt động lớn, có thể nâng hạ tải trọng lớn. Tuy nhiên nó có nhược điểm là độ cứng vững theo phương đứng thấp, độ chính xác giảm theo tầm hoạt động. Cánh tay phải đạt được kích thước, độ dài hợp lý để có thể vươn dài, gắp vật phẩm trên băng tải và đưa chúng vào các ô tương ứng. Hình 2.1: Cánh tay robot tọa độ cầu Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 5 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh R Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do Kết cấu của cánh tay robot 4 bậc tự do như sau : - Đế xoay robot - Khâu chuyển động để đưa tay gắp đến vị trí cần gắp vật - Tay gắp gắp vật đưa vật thể vào hộp 2.1.2. Thông số kích thước của cánh tay Robot Từ các mục tiêu ở chương 1, ta thiết kế được kích thước cần có của cánh tay robot 4 bậc tự do trong hệ thống để đáp ứng được yêu cầu của đề tài. Cánh tay robot được cấu thành bởi các bộ phận sau: - Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - Nguồn động lực và hệ truyền động tạo chuyển động cho các khâu của tay máy, sử dụng động cơ bước, servo Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. - Trong đề tài lần này, chúng em chọn vật liệu robot là mica dày 5mm vì vừa rẻ, vừa dễ gia công, lại đẹp mắt, phù hợp với yêu cầu. Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 6 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh Hình 2.3: Thông số kích thước của cánh tay robot 2.1.3. Tính toán động học a. Động học thuận Giả sử một robot có cấu hình đã biết: độ dài các thanh nối và góc quay của các khớp hoặc độ dịch chuyển các khớp tịnh tiến. Bài toán động học thuận là tính toán vị trí và hướng của cánh tay robot tương ứng với cấu hình robot xác định - Xác định các hệ tọa độ: Ta chọn hệ tọa độ Oo như hình vẽ. Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 7 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh • Lập bảng thông số DH Bảng 2.1: Bảng thông số DH của cánh tay robot ai αi di θi 1 0 90o d1 θ1 * 2 a2 0 0 θ2 * 3 0 90o 0 θ3*+90o 4 0 0 d4 θ4 * • Ma trận tổng quát: cθi s Ai = [ θi 0 0 c1 s A1 =  1 0  0 0 s1 0 −c1 1 0 0 0 c3 (3 + 90)  s ( + 90) A3 =  3 3  0  0  0 0  d1   1 s3 (3 + 90) 0 0 −c3 (3 + 90) 1 0 0 0 −sθi cαi cθi cαi sαi 0 sθi sαi −cθisαi cαi 0 ai cθi ai sθi ] di 1 c2 s A2 =  2 0  0 − s2 c2 0 0 c4 s A4 =  4 0  0 − s4 c4 0 0 0 a2c2  0 a2 s2  1 0   0 1  0 0 0 0  1 d4   0 1 Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 8 0 0 0  1 Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và rút gọn: T4 = A1 . A2 .A3 . A4  r11 r12 r r T4 =  21 22  r31 r32  0 0 r13 r23 r33 0 px  p y  pz   1 Trong đó : px = c1 (c23 d 4 + a2 c2 ) p y = s1 (c23d 4 + c2 a2 ) pz = d1 + d 4 s23 + a2c2 Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh b. Động học nghịch Ta có: A1−1T4 = A1−1 A1 A2 A3 A4  h11 h12 h  21 h22  h31 h32  0 0 h13 h23 h33 0 n1   d11 d12 n2   d 21 d 22 = n3   d31 d32   1  0 0  n1 = c1 p x + s1 p y   n2 = pz − d1 n = s p − c p  3 1 x 1 y d13 d 23 d33 0 m1  m2  m3   1 m1 = c2 a2 + c23d 4  m2 = s2 a2 + s23 d 4 m = 0  3 • Tính θ1: n3 = m3  s1 px = c1 p y  tan 1 =  py px 1 = arctan 2( Py , Px ) • Tính θ3: c1 px + s1 p y = c2 a2 + c23d 4  n1 = m1    n2 = m2  pz − d1 = s2 a2 + s23d 4 Suy ra : n12 + n22 = (c23 + d 4 ) 2 + 2c2 a2 c23d 4 + (c2 + a2 ) 2 + ( s23d 4 ) 2 + 2s2 a2 s23d 4 + ( s2 a2 ) 2 = a22 + d 42 + 2c3a2 d 4 n12 + n22 − d 42 − a22  c3 = 2a2 d 4  s3 = 1 − c32  3 = arctan 2(sin 3 ,cos 3 ) • Tính θ2: a2 c2 + d 4c23 = n1 a2 s2 + d 4 s23 = n2 Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 9 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh  n = c a + (c2c3 − s2 s3 )d 4  1 2 2 n2 = s2 a2 + (c2 s3 + c2 s3 )d 4 n1 = c2 (a2 + c3d 4 ) − s2 s3d 4 (1) n2 = s2 (a2 + c3d 4 ) + c2 s3d 4 (2) Từ (2) => s2 = n2 − c2 s3d 4 a2 + c3 d 4 Thế vào (1)  n1 = c2 (a2 + c3d 4 ) − s3d 4 => c2 = n2 − c2 s3d 4 a2 + c3 d 4 n1 (a2 + c3d 4 ) + n2 s3d 4 (a2 + c3d 4 )2 + ( s3d 4 ) 2 Từ (1) => c2 = n2 + s2 s3d 4 a2 + c3 d 4 Thế vào (2) => s2 = n2 (a2 + c3d 4 ) − n1 + s3d 4 (a2 + c3d 4 ) 2 + ( s3d 4 ) 2   2 = arctan 2(sin  2 , cos  2 ) Thiết lập phương trình động học là bước rất quan trọng để có thể dựa vào đó phân tích hoạt động của robot và lập trình điều khiển robot Nếu cho trước các giá trị của biến khớp thay đổi theo thời gian, thì vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối trong mọi thời điểm sẽ hoàn toàn xác định được từ hệ phương trình động học thuận trên Bài toán động học nghịch nhằm xác định giá trị các biến khớp theo các thông số trạng thái đã biết của điểm tác động cuối. Từ các nghiệm của phương trình động học nghịch, ta lập trình điều khiển robot hoạt động. 2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay a. Cơ cấu xoay của khâu chấp hành Ở đây ta dùng phương pháp dẫn động bằng bánh răng, dễ dàng thiết kế nhưng lại kéo được lực lớn, tốc độ nhỏ, không gây rung giật, thích hợp với các cơ cấu nặng. Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 10 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh Hình 2.5: Bánh răng truyền động b. Tính chọn động cơ cho cơ cấu Khối lượng lớn nhất nhất mà robot có thể làm việc là 2kg => Khối lượng lớn nhất trên mỗi cánh tay là 2kg. Từ phương trình mômen theo thời gian đã xác lập phần tĩnh học ta tìm được mômen lớn nhất trên mỗi động cơ của cánh tay là: M=N.d/i = 2×9.81×0.18/3= 1.18 N.m Chọn tốc độ động cơ n =1000 v/p. + ηo = 0.995: là hiệu suất ổ lăn + ηbr = 0.97: là hiệu suất của bộ truyền đai Trong đó :  = obr = 0, 96 là hiệu suất truyền động 1 1  P = M .. = M .n.2. = 85W  .60 Chọn động cơ thỏa mãn n=1000 vòng/p và P ≥85W Vì tốc độ và công suất yêu cầu nhỏ nên ta ưu tiên chọn loại động cơ phổ biến trên thị trường, có giá thành rẻ. Ta chọn động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E. Thông số kĩ thuật: - Kích thước mặt bích: 42x42 mm. - Chiều dài thân: 50mm. - Dòng chịu tải:1- 1.3A. - Góc bước: 1.8°/step Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải 11