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

1


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.

3


MỤC LỤC
Trang
TRANG TỰA

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

4


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

5


Chương 1



1.3. Mục tiêu cụ thể
-

Nghiên cứu kết cấu, động học, khả năng di chuyển và mô phỏng robot.
Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh để nhận dạng đối tượng và điều khiển robot.
Chế tạo robot và thử nghiệm.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4.1. Ý nghĩa khoa học
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.

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 yếu
tập trung vào phương pháp giải bài toán động lực học từ đó xác định các thông số phục vụ
cho điều khiển chuyển động.
7



phun thuốc hoàn toàn tự động theo chương trình lập sẵn, giúp con người không phải
tiếp xúc trực tiếp với thuốc. Robot có thể phun thuốc ở một số góc cài đặt nhất định,
nhằm đảm bảo lượng thuốc được phun đều nhất. Robot có thể hoạt động ở chế độ tự
động hoặc được điều khiển bằng tay thông qua bảng điều khiển từ xa.
2.2. Khảo sát thu hoạch cà chua
Trong quá trình chín cà chua phải qua các thời kỳ sau đây:
9


Thời kỳ quả xanh: quả và hạt phát triển chưa hoàn chỉnh. Nếu thu hái quả ở thời
kỳ 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.

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

Trong đó: n – Số khâu động;
pi – Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế).

11


Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến
(khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động . Đối với cơ cấu hở, số bậc
tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3
chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định
hướng.
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.

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).

12


với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản
thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng
tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot …
Các cảm biến (sensor) được sử dụng phổ biến trên robot để nhận biết trạng thái
của bản thân (cảm biến nội tín hiệu) hoặc nhận biết đối tượng làm việc và môi trường
chung quanh (cảm biến ngoại tín hiệu), tạo ra các tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển để
điều chỉnh các hoạt động của robot.
2.5.2. Kết cấu của tay máy
Như đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm
việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được 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 Decade, thông thường tạo nên các hình khối,
các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic). Chuyển
động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
2.5.3. Mắt của Robot sử dụng Camera
14


Tổng quát có hai loại Camera: Kiểu Camera dùng đèn chân không và kiểu
camera chỉ dùng bán dẫn. Đặc biệt trong lĩnh vực này, camera bán dẫn thường được
dùng hơn camera đèn chân không. Camera bán dẫn còn được gọi là CCD camera, do
đó nó dùng các thanh ghi dịch đặc biệt gọi là thiết bị ghép (Charge – coupled devices –
CCDs). Các CCD này chuyển các tín hiệu ánh sáng từ bộ cảm nhận ánh sáng bố trí ở
phía trước camera thành các tín hiệu điện mà sau đó được mã hóa thành tín hiệu TV.
Loại camera chất lượng cao thì cho tín hiệu ít nhiễu và có độ nhạy cao với ánh sáng.

+ Động cơ kích từ song song (Hình 2.9.b);
+ Động cơ kích từ hỗn hợp (Hình 2.9.c).

Hình 2.9: Các loại động cơ điện một chiều
Các thông số chủ yếu quyết định tính năng làm việc của động cơ điện một chiều
là:
U : Điện áp cung cấp cho phần ứng;
I : Cường độ dòng điện của phần ứng;
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:

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:

16


Mômen động C xác định từ phương trình cân bằng công suất:

Hay
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

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:

Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886

18


Hình 2.12: Sơ đồ chân Pic16F886
-

8 K Flash ROM.

-

368 bytes RAM.

-

256 bytes EEPROM.

-

Port I/O (A, B, C), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập.

-

Bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2.



15 nguồn ngắt (Interrupt).

-

Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode).
- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSPTM (In-Circuit Serial Programing).
- Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS.
- 35 tập lệnh có độ dài 14 bit.
- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz.

19


2.6. Phần mềm Matlab.
2.6.1. Matlab – ngôn ngữ của tính toán kỹ thuật
MATLAB là một ngôn ngữ bậc cao và môi trường tương tác cho phép bạn tiến
hành các nhiệm vụ tính toán có cường độ lớn nhanh hơn với các ngôn ngữ lập trình
như C, C++ và Fortran.
MATLAB viết tắt cho "Matrix Laboratory" - Phòng thí nghiệm ma trận. Ban
đầu Matlab được thiết kế bởi Cleve Moler vào những năm 1970 để sử dụng như một
công cụ dạy học. Từ đó đến nay nó đã được phát triển thành một bộ phần mềm thương
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

Tuy vậy các ngôn ngữ lập trình biên dịch như C / Fortran cho phép chương trình
tính toán rất nhanh và tốc độ cũng là một yêu cầu rất quan trọng trong các chương
trình tính lớn. Do đó một cách kết hợp thông minh là phần lõi tính toán có thể được
viết bằng ngôn ngữ biên dịch, và các thao tác nhập xuất, xử lí, hiển thị số liệu được
viết bởi ngôn ngữ văn lệnh như MatLab.
2.6.3. Khả năng và ứng dụng của Matlab
Matlab được điều khiển bởi các tập lệnh, tương tác bằng bàn phím trên cửa sổ
điều khiển. Đồng thời, Matlab còn cho phép khả năng lập trình với cú pháp thông dịch
lệnh hay còn gọi là script file (tương tự như ngôn ngữ lập trình C).
Matlab còn rất hữu hiệu trong việc trợ giúp thao tác và truy xuất đồ họa trong
không gian 2D và 3D, khả năng tạo hoạt cảnh cho việc mô tả bài toán một cách sinh
động.
21


Matlab cung cấp các công cụ trợ giúp đắc lực cho nhiều lĩnh vực khác nhau như:
Xử lý ảnh, Xử lý tín hiệu số, Hệ thống điều khiển, Mạng neural, Điều khiển mờ
(Fuzzy Logic); … thông qua các ToolBox.
2.7. Tổng quan về xử lý ảnh
2.7.1. Hệ thống xử lý ảnh

Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh
Từ hình vẽ ta thấy một hệ thống xử lý ảnh bao gồm thu nhận ảnh, số hóa ảnh,
phân tích ảnh và cuối cùng là quyết định (tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể mà
đưa ra quyết định cho phù hợp
2.7.1.1. Thu nhận ảnh
Các thiết bị thu nhận ảnh bao gồm camera, scanner các thiết bị thu nhận này có
thể cho ảnh màu hoặc ảnh đen trắng.
Các thiết bị thu nhận ảnh có 2 loại chính ứng với 2 loại ảnh thông dụng là Raster
và Vector.

chương trình cần tách các đối tượng khác nhau để xử lý. Ví dụ chương trình “Nhận
dạng cà chua” thì ta chỉ cần tách những phần liên quan đến cà chua, những thành phần
khác sẽ bị loại bỏ.

Thu nhận ảnh và chuyển thành
ảnh xám
Chuyển
ảnh xám thành ảnh nhị phân
Tách đối tượng cô lập
Lọc trung vị và loại bỏ những vùng nhỏ hơn 300 pixel

23


Hình 2.15: Sơ đồ quá trình tách đối tượng
2.7.5. Quá trình nhận dạng đối tượng
Ảnh đối tượng sau khi qua các bước xử lý sẽ được tiến hành so sánh và phân tích
nhằm đưa ra các thông tin cho quá trình tính toán và ra quyết định cho hệ thống xử lý.
Trong lý thuyết nhận dạng nói chung và nhận dạng ảnh nói riêng có 3 cách tiếp
cận khác nhau:
• Nhận dạng dựa vào phân hoạch không gian.
• Nhận dạng cấu trúc.
• Nhận dạng dựa vào kỹ thuật màng Neural nhân tạo.
Hai cách tiếp cận đầu là các kỹ thuật kinh điển. Các đối tượng ảnh quan sát và
thu nhận ảnh phải trải qua giai đoạn tiền xử lý nhằm tăng cường chất lượng, làm nổi
các chi tiết, tiếp theo là trích chọn và biểu diễn các đặc trưng, cuối cùng mới qua giai
đoạn nhận dạng.
Cách tiếp nhận bằng Neural nhân tạo thì hoàn toàn khác. Nó dựa vào cơ chế đoán
nhận, lưu trữ và phân biệt đối tượng mô phỏng theo hoạt động của hệ thần kinh con
người. Do cơ chế đăc biệt, các đối tượng thu nhận bởi thị giác không cần qua giai