Tài liệu Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

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 5 BẬC TỰ DO PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH NGUYỄN ĐẶNG MẪN LÊ ĐÌNH MINH NHẬT Đà Nẵng, 2019 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế chế tạo cánh tay phân loại theo màu sắc ứng dụng xử lý ảnh Sinh viên thực hiện: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn Số thẻ SV: 101140156 - 101140152 Lớp: 14CDT1 Nội dung tóm tắt: cánh tay phân loại theo màu sắc ứng dụng xử lý ảnh 2 khâu: tiền xử lý dữ liệu thu thập được từ camera, phân tích và phân loại. Quá trình phân loại sản phẩm sẽ thực hiện dựa trên việc thu thập thông tin về màu sắc, hình dạng, và góc lệch của sản phẩm thông qua hệ thống camera. Khi vật thể đạt được đúng màu sắc, hình dạng tương ứng thì cánh tay sẽ gắp vật đưa vào vị trí quy định. C C R L . T U D SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh i Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ xử lý ảnh (image processing) đã đạt được nhiều thành tựu và tiến bộ vượt bậc. Trong đó, nhận dạng và phân loại hình ảnh là một trong những lĩnh vực được theo đuổi một cách tích cực nhất. Ý tưởng cốt lõi của việc nhận dạng và phân loại hình ảnh là phân tích ảnh từ các dữ liệu thu được bởi các cảm biến hình ảnh như camera, Webcam … Nhờ các hệ thống xử lý ảnh, con người đã giảm được khối lượng công việc cũng như tăng sự chính xác trong việc đưa ra các quyết định liên quan đến xử lý hình ảnh trên nhiều lĩnh vực: quân sự và quốc phòng, các hệ thống kỹ thuật hóa sinh, giải phẫu, các hệ thống giao thông thông minh, công nghệ robot, … Những phần mềm xử lý ảnh hiện nay được sử dụng phổ biến hiện nay là Visual Studio, Visual Studio, … Trong đó phần mềm Visual studio và các thư viện xử lý ảnh C C đã trở thành công cụ không thể thiếu của các cán bộ nghiên cứu giảng dạy, sinh viên đại học, cao học và nghiên cứu sinh thuộc các ngành khoa học kỹ thuật nước ta. Điều này có được là do Visual Studio cung cấp một công cụ tính toán và lập trình bậc cao dễ sử R L . T dụng, hiệu quả và thân thiện với người dùng. Visual Studio cung cấp cho người sử dụng các phương thức để thực hiện các mô phỏng trên máy tính, ngoài ra Visual Studio còn có thể giao tiếp với Vi điều khiển, PLC, … cùng với các thiết bị phần cứng để thực hiện các ứng dụng thực tế. Vì vậy trong phạm vi hiểu biết của mình, chúng em đã tìm hiểu và thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo cánh tay phân loại theo màu sắc ứng dụng xử lý ảnh”. Đây là nghiên cứu kết hợp giữa Visual và Vi điều khiển để phân loại sản phẩm. Trong quá trình thực hiện đồ án cùng với sự nỗ lực của bản thân và áp dụng những kiến thức được trang bị ở trường, chúng em đã có nhiều cố gắng để hoàn thành tốt nhất đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức và khả năng còn có hạn nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và giúp đỡ chân U D thành của các thầy cô của khoa Cơ Khí cũng như của các bạn sinh viên để đồ án được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Đặng Phước Vinh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, Ngày 04 tháng 06 năm 2019 Nhóm sinh viên thực hiện Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh ii Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 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 TS. Đặng Phước Vinh. 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. Nhóm Sinh viên thực hiện C C R L . T Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn U D SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh iii Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh MỤC LỤC Trang Nhiệm vụ đồ án Tóm tắt Lời nói đầu và cảm ơn ...................................................................................................... i Lời cam đoan liêm chính học thuật. ................................................................................ ii Mục lục ........................................................................................................................... iii Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ. ................................................................... vi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.................................................................... 2 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống ............................................................................... 2 C C 1.1.1. Khái quát về xử lý ảnh................................................................................... 2 ngành gia công chi tiết máy, kiểm tra mực nước trong cha................................. 5 R L . T 1.1.2. Giới thiệu về Robot ....................................................................................... 5 1.5.1. Bài toán........................................................................................................ 15 U D 1.5.2. Hướng giải quyết ......................................................................................... 16 1.5.3. Phân tích hệ thống: ...................................................................................... 16 Chương 2: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN PHẦN CƠ KHÍ ........................................... 17 2.1 Xây dựng và chọn phương án thiết kế ................................................................. 17 2.1.1. Cánh tay robot ............................................................................................. 17 2.2 Tính toán cánh tay Robot .................................................................................... 18 2.2.1 Tính chọn động cơ và các bộ phận của robot ............................................... 18 2.2.2. Tính toán động học thuận, động học nghịch ............................................... 26 Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................... 34 3.1. Sơ đồ nguyên lý .................................................................................................. 34 3.2. Các Module được sử dụng trong hệ thống ......................................................... 34 3.2.1. Arduino NANO ........................................................................................... 34 3.2.2 Nguồn một chiều 12V-20A .......................................................................... 37 3.2.3. Module giảm áp 5v 3A ................................................................................ 37 3.4 Lưu đồ thuật toán cánh tay Robot ....................................................................... 38 SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh iv Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 3.3.1. Lưu đồ thuật toán chương trình chính ......................................................... 38 3.3.2. Lưu đồ thuật toán chương trình con............................................................. 39 Chương 4: Xử lý ảnh ..................................................................................................... 42 4.1. Sơ lược xử lý ảnh ................................................................................................ 42 4.1.1 Một số khái niệm cơ bản: ............................................................................. 42 4.1.2 Các loại ảnh thường gặp: .............................................................................. 43 4.2. Các phép toán sử dụng:....................................................................................... 46 4.2.1. Chuyển đổi RGB sang HSV và ngược lại: .................................................. 46 4.2.2. Chuyển đổi HSV sang nhị phân: ................................................................. 46 4.2.3. Các phép toán hình thái học trong ảnh: ....................................................... 46 4.2.4. Bộ lọc gaussionBlur .................................................................................... 47 4.3 OpenCV ............................................................................................................... 48 C C 4.3.1. Giới thiệu về thư viện OpenCV ................................................................... 48 4.3.2. Phiên bản OpenCV 1 hay OpenCV 2 .......................................................... 48 R L . T 4.4 Thiết kế giao diện điều khiển trên Visual Studio: ............................................... 51 U D KẾT LUẬN ................................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 54 PHỤ LỤC SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh v Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1 Ứng dụng xử lý ảnh để đếm số lượng sản phẩm trong công nghiệp................... 3 Hình 1.2 Ứng dụng xử lý ảnh đọc mã barcode ................................................................. 3 Hình 1.3 Ứng dụng nhận dạng ký tự .................................................................................. 4 Hình 1.4 Ứng dụng định vị cho robot ................................................................................ 4 Hình 1.5 Ứng dụng đo kích thước ...................................................................................... 5 Hình 1.6 Ứng dụng kiểm tra tổng quát............................................................................... 5 Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ Descarte ................................................................................. 7 Hình 1.8 Robot kiểu hệ tọa độ............................................................................................ 8 Hình 1.9 Robot kiểu tọa độ cầu .......................................................................................... 8 Hình 1.10 Robot kiểu Scar ................................................................................................. 9 Hình 1.11 Robot kiểu tay người ......................................................................................... 9 Hình 1.12 Robot trong sản xuất ....................................................................................... 11 Hình 1.13 Robot lắp ráp các bộ phận ô tô ........................................................................ 12 C C R L . T Hình 1.14 Đèn chiếu sáng ................................................................................................ 12 U D Hình 1.15 Cơ cấu bộ đẩy bằng khí nén ............................................................................ 13 Hình 1.16 Cơ cấu cánh tay robot 5 DOF .......................................................................... 13 Hình 1.17 Ảnh trước khi chỉnh sửa .................................................................................. 14 Hình 1.18 Ảnh sau khi chỉnh sửa ..................................................................................... 14 Hình 1.19 Trước khi lập trình chưa đọc được chữ ........................................................... 14 Hình 1.20 Sau khi lập trình xong, thử sai và hoàn thiện chương trình ............................ 15 Hình 1.21 Sơ đồ phân loại và gắp hàng tự động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh ............ 16 Hình 2.1 Cánh tay 5 bậc tự do .......................................................................................... 18 Hình 2.2 Động cơ RC Servo LD-20MG .......................................................................... 19 Hình 2.3 Động cơ Servo Tower Pro MG996R................................................................. 20 Bảng 2.1 Thông số các khâu của cánh tay robot .............................................................. 20 Hình 2.4 Sơ đồ tải trọng của robot khi chịu trọng lượng lớn nhất ................................... 21 Bảng 2.2 Thông số động cơ bước 86BYGH450A ........................................................... 22 Hình 2.5 Động cơ bước 86BYGH450A ........................................................................... 23 Hình 2.6 Động cơ bước .................................................................................................... 23 Bảng 2.5 Bảng thông số động cơ bước nema 17 tỉ số 3969/289 ...................................... 24 Hình 2.7 Động cơ Nema 23.............................................................................................. 25 Bảng 2.4 Bảng thông số động cơ Nema 23 ..................................................................... 25 SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh vi Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Hình 2.6 Khâu 1................................................................................................................ 25 Hình 2.7 Khâu 2,3,4,5 ...................................................................................................... 26 Hình 2.8 Tay gắp .............................................................................................................. 26 Hình 2.9 Vị trí ban đầu của robot và hệ tọa độ ................................................................ 26 Bảng 2.3 Bảng D-H .......................................................................................................... 27 Hình 2.10 Trường công tác của cánh tay robot ................................................................ 32 Hình 2.11 Sơ đồ vị trị gốc tọa độ ..................................................................................... 32 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 34 Hình 3.2 Arduino NANO ................................................................................................. 34 Hình 3.3 Nguồn cung cấp 12VDC ................................................................................... 37 Hình 3.4 Module giảm áp LM2596 .................................................................................. 37 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán chương trình chính ............................................................... 38 Hình 3.6: Điều khiển cánh tay di chuyển ......................................................................... 39 C C Hình 3.7: Về vị trí góc ...................................................................................................... 40 Hình 3.8: Phân loại vật ..................................................................................................... 41 Hình 4.1 Thành phần RGB ............................................................................................... 43 R L . T Hình 4.2 Bảng màu RBG.................................................................................................. 44 Hình 4.3 Thành phần HSV ............................................................................................... 45 U D Hình 4.4 Tọa độ điểm trên ảnh xám ................................................................................. 45 Hình 4.5 Ma trận ảnh nhị phân ......................................................................................... 46 Hình 4.6 Kết quả biến đổi. a) Hình ban đầu b) Hình biến đổi ........................................ 47 Hình 4.7 Tạo project ......................................................................................................... 49 Hình 4.8 Cấu hình cho OpenCV....................................................................................... 50 Hình 4.9 Cấu hình cho openCV (linker) .......................................................................... 50 Hình 4.10 Giao diện điều khiển của chương trình ........................................................... 51 SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh vii C C U D R L . T Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh MỞ ĐẦU Mục đích: Thiết kế chế tạo hệ thống phân loại và gắp hàng tự động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh nhằm ứng dụng hệ thống tự động vào trong công nghiệp như cánh tay robot và xử lý ảnh, nó sẽ làm tăng năng suất và tránh nhưng sai sót có thể xảy ra trong quá trình sản xuất. Mục tiêu đề tài: Thực hành lại các kiến thức về lập trình và cơ khí, … đã học trong thời gian qua vào thực tế, nhằm củng cố lại kiến thức hỗ trợ cho việc làm sau này. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: a) Phạm vi: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại gắp hàng tự động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh. Hệ thống bao gồm những phần chính như: 1 cánh tay robot, 1 hệ thống băng tải, 1 camera xử lý ảnh, máy tính. b) Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 5 bậc tự do, xử lý ảnh, máy tính. C C 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 sản phẩm. d) Nghiên cứu thiết kế: Tính toán và vẽ kết cấu robot, băng tải. R L . T U D 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 hệ thống. - Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí. - Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển. - Chương 4: Xử lý ảnh. - Chương 5: Kết luận. SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 1 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống 1.1.1. Khái quát về xử lý ảnh a. Giới thiệu Trong những năm gần đây, xử lý ảnh đã đạt được nhiều thành tựu và tiến bộ vượt bậc. Trong đó, nhận dạng và phân loại hình ảnh là một lĩnh vực được theo đuổi một cách tích cực nhất. Ý tưởng cốt lõi của việc nhận dạng và phân loại hình ảnh là phân tích ảnh từ các dữ liệu thu được bởi các cảm biến hình ảnh như camera, webcam ... Nhờ các hệ thống xử lý ảnh, con người đã giảm được khối lượng công việc cũng như tăng sự chính xác trong việc đưa ra các quyết định liên quan đến xử lý ảnh trên nhiều lĩnh vực: quân sự, quốc phòng, các hệ thống kỹ thuật công nghệ hóa sinh, giải phẫu, robotics,...... Một số bài toán thực tế ứng dụng công nghệ xử lý ảnh tại nhà máy sản xuất: C C R L . T - Trên bao bì sản xuất ra có in logo, tuy nhiên, đôi khi nó bị mờ hoặc mất nét in, chúng ta không thể đưa sản phẩm này đến với người tiêu dùng. Công nghệ xử lý ảnh U D giúp ta loại bỏ sản phẩm lỗi. - Trên bao bì có mã vạch - barcode, chúng ta muốn đọc tự động và tìm ra sản phẩm có barcode chưa đúng, bị mờ, bị mất nét. - Trên sản phẩm có in ngày tháng sản xuất, ngày hết hạn và sản phẩm xuất đi Châu Âu do đó chúng ta không muốn các sản phẩm đó in sai ngày hoặc phai mờ. - Trên board mạch điện tử của nhà máy có rất nhiều linh kiện, tuy nhiên không biết vì một lý do nào đó, có môt số mạch bị thiếu linh kiện, làm sao để phát hiện và loại bỏ chúng? - Các chi tiết được gia công và phải kiểm tra kích thước của chúng liên tục, công nhân không thể làm nổi việc này. Công nghệ xử lý ảnh giúp giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi và năng suất làm việc tăng. - Nhà máy sản xuất bánh quy, bánh chạ y trên băng tải và chúng ta muốn robot nhận dạng bánh và sắp vào vĩ bánh. Công nghệ xử lý ảnh giúp tự động hóa sản xuất. Vì số lượng sản phẩm sản xuất ra quá lớn do đó phải thuê rất nhiều người. Đôi khi việc nhầm lẫn do họ mệt mỏi hoặc cảm xúc không tốt là rất hay xảy ra, vì thế năng suất bị ảnh hưởng rất nhiều. Hiểu đơn giản hơn camera thực chất chỉ là một cảm biến quang có khả năng tạo ra ảnh nhưng chứa đựng nhiều thông tin hơn so với cảm biến thông thường. Một lợi thế SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 2 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh khác, chỉ một camera duy nhất có thể kiểm tra được nhiều vật cùng lúc (yêu cầu tất cả vật cần kiểm tra nằm trong vùng phát hiện hình ảnh) và nhiều lỗi hơn có thể được phát hiện đồng thời. C C R L . T U D Hình 1.1 Ứng dụng xử lý ảnh để đếm số lượng sản phẩm trong công nghiệp b. Ứng dụng: Giải pháp này thường được chia thành các ứng dụng chính: - Ứng dụng camera đọc barcode (đọc mã vạch 1D, 2D). Hình 1.2 Ứng dụng xử lý ảnh đọc mã barcode - Ứng dụng OCR (Optical Character Recognition - hay còn gọi là nhận dạng ký tự là công việc chuyển đổi chữ viết tay hoặc đánh máy sang một dạng chuỗi các ký tự được định dạng bởi máy) dùng để đọc các ký tự được in hay khắc trên bề mặt sản phẩm. Các ký tự in trên sản phẩm, sau khi được chụp bởi camera thực chất sẽ trở thành 1 hình ảnh, nhiệm vụ của bộ điều khiển lúc này phải phân tích hình ảnh này trở thành chuỗi ký tự (việc này giống như đọc biển số xe). Mục đích của camera OCR là đọc chữ, SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 3 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh số, ví dụ những ngày tháng sản xuất và hết hạn, so với ngày được cài đặt (các bộ điều khiển được tính hợp sẵn thời gian thực, qua đó kiểm tra luôn ngày sản xuất của sản phẩm thực tế). C C R L . T Hình 1.3 Ứng dụng nhận dạng ký tự U D - Ứng dụng định vị thường được sử dụng kết hợp với robot (6 trục, Scara, robot nhện…) để tạo ra 1 giải pháp hoàn chỉnh cho hệ thống, có thể gọi đây là “mắt thần” của robot. Camera chụp ảnh và xác định tọa độ của vật thể, từ đó robot nhận dạng được vị trí của vật và di chuyển đến để gắp, thường thì các vật thể được phân bố rất lộn xộn, ngẫu nhiên. camera và robot giao tiếp với nhau qua truyền thông. Hiện nay có 1 số nhà sản xuất robot tự phát triển dòng camera của riêng họ, hoặc có thể kết hợp với một hãng sản xuất Camera khác. Hình 1.4 Ứng dụng định vị cho robot SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 4 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh - Ứng dụng đo kích thước: kiểm tra, đo kích thước của sản phẩm. Ứng dụng cho ngành gia công chi tiết máy, kiểm tra mực nước trong cha Hình 1.5 Ứng dụng đo kích thước - Ứng dụng kiểm tra tổng quát: kiểm tra sự cố của một phần hay một chi tiết, kiểm tra màu sắc …Ứng dụng kiểm tra thiếu viên thuốc trong vĩ thuốc, kiểm tra màu bút chì … C C R L . T U D Hình 1.6 Ứng dụng kiểm tra tổng quát 1.1.2. Giới thiệu về Robot a) Sơ lược về lịch sử phát triển của robot Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người, có các tính năng: - Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người. - Có khả năng thao tác tự động. - Có khả năng bắt chước thao tác giống người. Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty của Mỹ AMF (American Machine Foundary Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 5 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Về mặt kỹ thuật, những robot hiện nay có nguồn gốc từ hai loại kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa đã được phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Các cơ cấu này thay thế cho cánh tay của người thao tác gồm có một bộ kẹp bên trong và hai tay cầm bên ngoài. Cả tay cầm và bộ kẹp được nối với cơ cấu 6 bậc tự do để tạo ra hướng và vị trí tuỳ ý. Robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF. Cũng trong khoản thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate-1990 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô. Tiếp theo Mỹ, thì các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp như: Anh – 1967, Thuỵ Điển và Nhật – 1968 theo bản quyền của Mỹ, Cộng Hoà Liên Bang Đức – 1971, Pháp – 1972, Italia – 1973, …Tính năng làm việc của robot ngày càng nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967, trường đại học Stanford C C (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt – tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty R L . T Cincinnati (Mỹ) đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính gọi là robot T3 (The Tomoorrow Tool), robot này có khả năng nâng vật có khối lượng lên đến 40kg. U D Có thể nói, robot là sự tổng hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ tri thức ngày càng phơng phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia, …Ngày nay, việc nâng cao tính năng của robot ngày càng được phát triển, nhiều robot thông minh hơn nhiều, đặc biệt là Nhật Bản đã chế tạo nhiều robot giống người như Asimo, robot có cảm giác, … Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau: - Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. - Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống cảm biến 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 - Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot. SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 6 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh - Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được mô phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người, tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: Tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp, . . . Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản: - Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P. - Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R. Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA, kiểu tay người... b) Phân loại robot: * Phân loại theo dạng không gian hoạt động: C C R L . T - Robot tọa độ Descarte Tay máy kiểu tọa độ Descarte là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo U D phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng. Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ Descarte SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 7 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh - Robot tọa độ trụ Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên, dung khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào trong khoảng nằm ngang. Độ cứng vững của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng. Hình 1.8 Robot kiểu hệ tọa độ - Robot kiếu tọa độ cầu Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một khối trụ rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính C C R L . T U D xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn. Hình 1.9 Robot kiểu tọa độ cầu - Robot kiểu SCARA Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski (Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt,nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang. Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuato” để mô tả các đặc điểm trên. SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 8 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Hình 1.10 Robot kiểu Scar - Robot kiểu tay người Tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự giữa tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai, khớp thứ ba là khớp khủy, nối cẳng tay với khủy tay. Tay máy làm việc rất khéo léo. Nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm việc. C C R L . T U D Hình 1.11 Robot kiểu tay người Toàn bộ kết cấu ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác. Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay. Muốn định hướng tùy ý phần công tác, cổ tay phải có ít nhất ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau. * Phân loại theo điều khiển: Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín. - Điều khiển hở: Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số sung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 9 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh - Điều khiển kín (hay điều khiển servo): Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour). Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao. Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, … Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn. * Phân loại theo thế hệ: - Robot thế hệ thứ nhất Sử dụng cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình. Điều khiển vòng hở có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên không thể thay đổi chương trình được. Sử dụng phổ biến trong công việc gắp đặt (pick C C and place). - Robot thế hệ thứ hai R L . T Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy. Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình U D đã được cài đặt từ trước. Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panel điều khiển. - Robot thế hệ thứ ba Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh. Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau. - Robot thế hệ thứ tư Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến. Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không đươc xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot. * Phân loại theo hệ thống truyền động: Có các dạng truyền động phổ biến là: - Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn. SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 10 Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh truyền động thuỷ lực: Có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi - Hệ điều khiển. - Hệ truyền động khí nén: Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (pick and place or point to point). * Phân loại theo ứng dụng: Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v... c) Ứng dụng Từ khi mới vừa ra đời robot công nghiệp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy, các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt. C C R L . T Mục tiêu của việc ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của U D sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Lợi thế của robot là làm việc không biết mệt mỏi, có khả năng làm trong môi trường phóng xạ độc hại, nhiệt độ cao, … 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 độ tự động hoá và mức độ linh hoạt cao,.. 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, trong quốc phòng, trong việc chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, … Như vậy, robot công nghiệp được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bởi ưu điểm của nó, tuy nhiên nó chưa linh hoạt như con người nên cũng cần con người giám sát. Hình 1.12 Robot trong sản xuất SVTH: Lê Đình Minh Nhật – Nguyễn Đặng Mẫn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 11