NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT THU HOẠCH CÀ
CHUA

Tác giả

NGUYỄN TRƯỜNG GIANG
TRẦN MINH

Khóa luận được trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành
Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
PGS.TS. Nguyễn Văn Hùng
KS. Nguyễn Tấn Ý

Tháng 06 năm 2013

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cám ơn tất cả quý Thầy, Cô trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ
Chí Minh và quý Thầy, Cô khoa Cơ khí – Công nghệ đã trang bị cho chúng em những
kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường.
Em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô bộ môn Cơ điện tử đã hướng dẫn, giúp
đỡ chúng em rất tận tình trong quá trình chúng em làm đề tài.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng
và thầy Nguyễn Tấn Ý đã tận tình hướng dẫn chúng chúng em trong quá trình làm
Luận văn tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành cám ơn các anh trong Trung nghiên cứu Tự động hóa và
Robot trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Đồng An, đã giúp đỡ và chỉ bảo chúng em

 Chế tạo thành công Robot thu hoạch cà chua hoạt động tốt trong bán kính 2m.
 Bằng việc sử dụng vi điều khiển PIC16F886 để xử lý và điều khiển động cơ cho
tốc độ xử lý nhanh, chính xác, dễ giao tiếp, dễ điều khiển.
 Dùng chương trình Matlab để xây dựng chương trình xử lý ảnh, tính toán động
học và mô phỏng cho kết quả đáng tin cậy, dễ lập trình, dễ sử dụng.

iii


MỤC LỤC
Trang
TRANG TỰA ....................................................................................................................... i 
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii 
TÓM TẮT ......................................................................................................................... iii 
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iv 
DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................................. vii 
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................... viii 
Chương 1 .......................................................................................................................... 1 
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 
1.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................................... 1 
1.2. Mục đích đề tài .................................................................................................................. 2 
1.3. Mục tiêu cụ thể .................................................................................................................. 2 

Chương 2 .......................................................................................................................... 3 
TỔNG QUAN...................................................................................................................... 3 
2.1. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................................ 3 

2.1.1. Một số ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới và
Việt Nam. .................................................................................................................. 3 
2.2. Khảo sát thu hoạch cà chua ............................................................................................... 5 

2.7.5. Quá trình nhận dạng đối tượng ...................................................................... 19 
Chương 3 ........................................................................................................................ 21 
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 21 
3.2. Cơ sở thiết kế................................................................................................................... 21 
3.3. Phần mềm điều khiển Robot ........................................................................................... 21 
3.4. Phương pháp nhận dạng vật thể ...................................................................................... 21 
3.5. Phương pháp xác định tọa độ vật thể .............................................................................. 22 
3.6. Phần mềm điều khiển Robot ........................................................................................... 22 

Chương 4 ........................................................................................................................ 24 
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................... 24 
v


4.1. Nghiên cứu thiết kế Robot .............................................................................................. 24 

4.1.1. Mục tiêu thiết kế. ........................................................................................... 24 
4.1.2. Lựa chọn mô hình và tính toán các bộ phận của robot ................................. 25 
4.1.3. Hộp số Harmonic........................................................................................... 30 
4.1.4. Tính toán công suất động cơ ......................................................................... 31 
4.2. Mạch điều khiển .............................................................................................................. 33 

4.2.1. Mạch điều điều khiển động cơ sử dụng MOSFET SUB85N03 .................... 33 
4.2.2. Mạch điều khiển động cơ sử dụng PIC16F886 và SUB85N03 .................... 35 
4.2.3. Bộ điều khiển PID ......................................................................................... 38 
4.2.4. Mạch điều khiển trung tâm............................................................................ 39 
4.3. Ứng dụng xử lý ảnh xác định tọa độ của cà chua ........................................................... 41 

4.3.1. Tách đối tượng và xác định tọa độ X,Y của cà chua..................................... 41 
4.3.2. Xác định tọa độ Z và tiến hành thu hoạch cà chua........................................ 45 


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 2.1: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản .................................................................... 3 
Hình 2.2: Mô hình Robot thu hoạch nấm của Anh............................................................. 4 
Hình 2.3: Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính......................................................... 4 
Hình 2.4: Quả cà chua qua các thời kỳ chín ....................................................................... 6 
Hình 2.5: Toạ độ suy rộng của Robot ................................................................................. 8 
Hình 2.6: Quy tắc bàn tay phải ........................................................................................... 8 
Hình 2.7: Các thành phần chính của robot ......................................................................... 9 
Hình 2.8: Camera .............................................................................................................. 10 
Hình 2.9: Các loại động cơ điện một chiều ...................................................................... 11 
Hình 2.10: Biến trở xoay .................................................................................................. 13 
Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886 ................................................................................ 14 
Hình 2.12: Sơ đồ chân Pic16F886 .................................................................................... 14 
Hình 2.13: Giao diện Matlab ............................................................................................ 16 
Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh ................................................................................ 17 
Hình 2.15: Sơ đồ quá trình tách đối tượng ....................................................................... 19 
Hình 3.1: Ảnh của đối tượng (a) và của đối tượng sau khi nhận dạng (b) ....................... 21 
Hình 3.2: Quy trình xác định tọa độ (x,y) của vật thể ...................................................... 22 
Hình 3.3: Cảm biến siêu âm SRF05 ................................................................................. 22 
Hình 3.4: Sơ đồ mạch xử lý xác định khoảng cách. ......................................................... 22 
Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển robot...................................................................................... 23 
Hình 4.1: Lược đồ robot dự định thiết kế ......................................................................... 24 
Hình 4.2: Trường công tác của tay máy được mô phỏng bằng Matlab ............................ 25 
Hình 4.3: Tay máy robot................................................................................................... 26 
Hình 4.4: Kích thước tay máy robot ................................................................................. 26 

Hình 4.32: Định lý Cosin .................................................................................................. 48 
Hình 4.33: Giao diện mô phỏng robot trên Matlab .......................................................... 49 
Hình 4.34: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ nhất.............................................. 50 
Hình 4.35: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ nhất .............. 51 
Hình 4.36: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ hai................................................. 52 
Hình 4.37: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ hai ................ 52 
Hình 4.38: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ ba .................................................. 53 
Hình 4.39: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ ba ................. 53 
ix


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề.
Nước ta là một nước nông nghiệp, là nước xuất khẩu các sản phẩm nông nghiệp
đứng đầu thế giới, góp phần đảm bảo an ninh lương thực trong nước và trên thế giới.
Đứng đầu như: gạo, cà phê, điều, ca cao… Song, đa số chúng ta chỉ xuất khẩu thiên về
số lượng chứ chưa chú trọng nhiều đến chất lượng. Trong thế kỷ 21, nhu cầu lương
thực của con người tăng lên, nhưng cũng đòi hỏi chất lượng phải tốt hơn, có lợi cho
sức khỏe và bảo vệ môi trường nhiều hơn. Vì vậy, nước ta phải cải tiến chất lượng
nông sản đề phục vụ cho nhu cầu này của con người.
Để tăng chất lượng nông sản từ khâu trồng trọt đến thu hoạch, chế biến và xuất
khẩu, chúng ta cần áp dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào quy trình sản xuất. Cụ thể
là để có được sản phẩm sạch, chất lượng tốt, chúng ta cần trồng trong nhà kính, có hệ
thống tưới nước, bón phân, phun thuốc và thu hoạch tự động.
Trong quy trình sản xuất này, hệ thống nhà kính, hệ thống tưới nước, bón phân đã
được sinh viên và giảng viên khoa Cơ khí – Công nghệ trường ĐH Nông Lâm
TP.HCM nghiên cứu và áp dụng rộng rãi vào thực tế. Nhưng khâu thu hoạch tự động
thì chưa được nghiên cứu hoàn thiện và tối ưu.
Chính vì vậy đề tài này muốn góp phần phát triển và hoàn thiện quy trình sản

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng,
nâng cao hơn nhằm tối ưu hóa hoạt động của robot. Từ kết quả của đề tài có thể cải
tiến thiết kế, tính toán tối ưu về độ bền và công suất cũng như khả năng tiêu hao năng
lượng của robot. Giúp robot có thể hoạt động hiệu quả, tránh va đập và mở rộng không
gian công tác.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, nghiên cứu về
robot hoặc áp dụng vào sản xuất. Đề tài đang cố gắng đưa khoa học robot ứng dụng
nhiều hơn trong cuộc sống, tìm ra một hướng đi mới trong khâu thu hoạch cà chua nói
riêng và trái cây nói chung, góp phần nâng cao chất lượng của trái cây Việt Nam.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1.Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, chủ
yếutập trung vào phương pháp giải bài toán động lực học từ đó xác định các thông số phục
vụ cho điều khiển chuyển động.
Nghiên cứu thiết kế mô hình Robot sao cho phù hợp với việc thu hoạch cà chua, nghiên
cứu board mạch điều khiển robot và nghiên cứu xử lý ảnh.
2.1.1. Một số ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới và
Việt Nam.

Hình 2.1: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản
Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản có khả năng di chuyển trên đường ray có sẵn
trong nhà kính. Robot dùng camera để phát hiện dâu chín và vươn tay máy Robot để
thu hoạch dâu. Tốc độ của Robot tuy không bằng con người, nhưng có thể hoạt động
24/24 trong điều kiện nhà kính.

này thông qua các phương pháp thúc chín thì quả chín không bình thường,
không có hương vị, không có màu sắc đặc trưng của giống.
Thời kỳ chín xanh: Chất keo bao quanh hạt được hình thành, quả chưa có màu
hồng hoặc màu vàng nếu đem thúc chín thì quả sẽ thể hiện màu sắc của giống.
Thời kỳ chín vàng: Đỉnh quả xuất hiện màu vàng hoặc màu hồng với diện tích bề
mặt chiếm khoảng 10%.
Thời kỳ chuyển màu: Diện tích bề mặt từ 10-30% có màu vàng hoặc màu đỏ.
Thời kỳ chín hồng: Diện tích bề mặt quả từ 30-60% có màu hồng nhạt hoặc màu
vàng.
Thời kỳ quả hồng hoặc đỏ: Diện tích bề mặt quả từ 60-90% có màu vàng hoặc đỏ.
Thời kỳ chín đỏ: Diện tích bề mặt từ 90% trở lên. Đây là thời kỳ quan trọng của
quá trình chín. Từ khi chín xanh đến chín, tổng hợp thời gian khoảng 10-12 ngày. Sau
đó quả chín hoàn toàn và có màu nâu đỏ thâm nhưng quả còn chắc, cứng. Nếu dùng làm
thực phẩm là thích hợp nhất và được người tiêu dùng ưa chuộng. Khi quả mềm thì vẫn
sử dụng được, nhưng cắt lát sẽ khó khăn. Quả chín mềm dùng để lấy hạt giống là thích
hợp, thịt quả dùng để chế biến cà chua cô đặc hoặc tương cà chua rất tốt.

5


Hình 2.4:Quả cà chua qua các thời kỳ chín
Khi hái cà chua bằng tay, do va đập khi sắp xếp, vận chuyển quả bị sây sát, bị dập
sẽ là môi trường tốt cho bệnh hại xâm nhiểm gây hư thối và giảm chất lượng, Vì vậy
thao tác khi thu hái, sắp xếp và vận chuyển phải hết sức nhẹ nhàng, kịp thời loại bỏ
những quả bị dập nát… Hiện nay ở các vùng cà chua được thu hoạch bằng phương pháp
thủ công.
2.3.Sơ lược về Robot
Robot là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa
một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn
thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

2.4.2. Hệ tọa độ (Coordinate frames)
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp
(joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên.
Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ
toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng
thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển
dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay.
Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.

7


Hình 2.5: Toạ độ suy rộng của Robot
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải :
Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón: cái, trỏ và
giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z,
thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của
trục y (hình 2.3).

Hình 2.6: Quy tắc bàn tay phải
2.4.3. Trường công tác của Robot (Workspace or Range of motion)
Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ
thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động
có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các
ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một
góc 360o. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một
robot.

8


điều chỉnh
c
các ho
oạt động củủa robot.
2.5.2. Kết cấu củ
ủa tay máyy
N đã nóii trên, tay máy
Như
m là thànhh phần quaan trọng, nóó quyết địnhh khả năngg làm
việc của
c robot. Các
C kết cấuu của nhiều tay máy đư
ược phỏng ttheo cấu tạạo và chức năng
n
của taay người; tu
uy nhiên nggày nay, tayy máy đượcc thiết kế rấất đa dạng, nhiều cánhh tay
robot có hình dááng rất kháác xa cánh tay người. Trong thiếết kế và sử dụng tay máy,
m
q
chúngg ta cần quaan tâm đến các thông ssố hình – động học, làà những thôông số liên quan
đến kh
hả năng làm
m việc của robot
r
như: tầm với (haay trường ccông tác), sốố bậc tự do (thể
hiện sự
s khéo léo linh hoạt củủa robot), độ
đ cứng vữnng, tải trọngg vật nâng, lực kẹp . . .
C khâu củủa robot thư
Các

đó nó dùng các thhanh ghi dịịch đặc biệtt gọi là thiếtt bị ghép (C
D này chuyyển các tín hiệu ánh sááng từ bộ cảm nhận ánnh sáng bố trí ở
CCDss). Các CCD
phía trước
t
camerra thành cáác tín hiệu đđiện mà sauu đó được m
mã hóa thànnh tín hiệu TV.
Loại camera
c
chấất lượng caoo thì cho tínn hiệu ít nh
hiễu và có độ
đ nhạy cao với ánh sáng.
s
Cameera sẽ có ch
hức năng thhu nhận hìnnh ảnh đưa về máy tínnh dưới dạn
ng ảnh số, máy
tính và
v phần mềm
m sẽ có nhiệệm vụ xử lýý và tách đố
ối tượng là quả cà chuaa.

H
Hình 2.8: Ca
amera
10


Hiện nay có nhiều phương pháp xác định vị trí của đối tượng:
Dùng hai camera: phương pháp này đạt độ chính xác cao và xử lý được đối tượng
di chuyển nhưng khó hiệu chỉnh và chi phí cao.

r : Điện trở trong của phần ứng;

 : Từ thông;
E : Sức phản điện động phần ứng.
Các quan hệ cơ bản của động cơ điện một chiều là:
E  U  rI  kn

k là hệ số phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và số thanh dẫn của phần ứng.
Số vòng quay của động cơ điện một chiều:
n

U  Ir
k

Mômen động C xác định từ phương trình cân bằng công suất:
EI  2nC

Hay

C2

kI



Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách:
Thay đổi từ thông  , thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ . Trong
trường hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U, tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức, thì
công suất không đổi còn momen giảm theo tốc độ.
Điều chỉnh điện áp phần ứng. Trong trường hợp từ thông không đổi, khi tăng tốc

6

180

860

90 

Để hái được cà chua đòi hỏi độ chính xác cao(

30

), vì vậy để giảm sai

số tối đa cần phải điều khiển theo phương pháp điều khiển PID cho tay máy hoạt động
chính xác và nhanh hơn.
2.5.6. Vi điều khiển PIC
PIC là tên viết tắt của Máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent
Computer) do hãng General Instrument đặt tên, con vi điều khiển đầu tiên của họ là
PIC1650. Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này. Cho đến nay, các
sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ
12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx,16FxxxA, 16LFxxxA, 18Fxxx 18LFxxx…
Những Tính Năng Chính Của PIC16F877A:
13


Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886

Hình 2.12: Sơ đồ chân Pic16F886
- 8 K Flash ROM.

mại rất thành công.
Hiện nay MATLAB là một bộ phần mềm cho công việc tính toán trong các ngành
kỹ thuật, trong khoa học và trong lĩnh vực toán học ứng dụng. Matlab cho ta một ngôn
ngữ lập trình mạnh, giao diện đồ họa xuất sắc, và một phạm vi rất rộng các kiến thức
chuyên môn. Matlab là một thương hiệu đã được thương mại hóa của tập đoàn
MathWorks, Massachusetts, USA (hiện là nhà cung cấp hàng đầu thế giới cho các
phần mềm tính toán kỹ thuật và thiết kế dựa trên mô hình).
2.6.2. Giao diện Matlab
Sau khi cài đặt xong chương trình Matlab 2011b, nhấp chuột vào biểu tượng
để khởi động chương trình.
Về cơ bản, không gian làm việc của Matlab gồm có các phần sau:
+ Cửa sổ trợ giúp (Help window)
+ Nút Start
+ Cửa sổ nhập lệnh (Command window)
15


+ Cửa sổ không gian làm việc (Workspace window)
+ Cửa sổ quá trình lệnh (Command History window - lịch sử )
+ Cửa sổ biên tập mảng, vectơ, ma trậ n (Array editor window)
+ Cửa sổ địa chỉ thư mục hiện thời (Current directory window)

Hình 2.13:Giao diện Matlab
2.6.2. Đặc điểm của Matlab.
Lập trình theo nghĩa thông thường, là nhập vào máy những câu lệnh rõ ràng, theo
một thứ tự nhất định sao cho khi máy thực hiện theo đúng thứ tự đó thì sẽ cho ta kết
quả mong muốn. Một khái niệm nôm na tương tự như vậy thường thấy trong các
khóa học lập trình các ngôn ngữ C, Pascal...
Khi khởi đầu với MatLab ta hãy hiểu theo nghĩa rộng hơn: lập trình còn có các
bước biểu diễn bài toán dưới dạng các hàm và máy tính qua việc thực hiện các hàm