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
3 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG PHÂN
LOẠI SẢN PHẨM BẰNG XỬ LÝ ẢNH

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

TS. NGUYỄN DANH NGỌC
ĐẶNG HỮU TUYẾN
BÙI ĐĂNG QUÂN

Đà Nẵng, 2019


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu và cảm ơn

i


2.1.1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay robot………………………... 7
2.1.2. Thông số kích thƣớc của cánh tay Robot……………………………. 8
2.1.3. Xây dựng phƣơng trình động học thuận……………………………… 9
2.1.4 Quỹ đạo chuyển động của Robot trong không gian………………….. 12
2.1.5. Thiết kế các bộ phận của cánh tay…………………………………… 12
2.1.5.1. Cơ cấu xoay cơ cấu chấp hành…………………………………….. 12
2.1.5.2. Cơ cấu hút………………………………………………………….. 13
2.1.5.3. Tính chọn động cơ cho cơ cấu…………………………………….. 13
2.1.5.4. Thiết kế 3D cho cánh tay robot 3 bậc tự do………………………… 14
2.2. THIẾT KẾ BĂNG TẢI ..........................................................................................16
2.2.1. Tính chọn kích thƣớc băng tải………………………………………... 16
2.2.2. Thiết kế 3D cho băng tải……………………………………………… 17
2.2.2.1. Thiết kế khung băng tải…………………………………………….. 17
2.2.2.2. Gá động cơ băng tải……………………………………………….. 18
2.2.3. Lắp ráp băng tải………………………………………………………. 19
2.3. HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG......................................................................20
GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

1


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

2.4. MÔ HÌNH TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG .......................................................20
CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..................................................22
3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..................................................................22
3.2. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG ...........................................22
3.2.1. Vi điều khiển Arduino Nano

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................38
CODE XỬ LÝ ẢNH : ...................................................................................................39
CODE ARDUINO .........................................................................................................46

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

2


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng 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 đƣợc ứng dụng
rộng rãi trên thế giới, đã thu hút đƣợc nhiều sự chú ý ở nƣớc 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 nhƣ Robot, ô tô, …Đặt biệt trong số những sản phẩm đƣợc
ứng dụng rộng rải trong công nghiệp, thì robot 3 bậc tự do có tìm năng phát triển cao
trong nền công nghiệp vì lợi thế cót lõi của robot 3 bậc tự do là tốc độ, chính vì vậy
robot 3 bậc tự do vẫn bắt đƣợc 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 cót lõi
của đề tài, xây dựng đƣợc mô hình robot 3 bậc tự do bắt vật thể trên băng tải dù băng
tải không dừng, ngoài ra còn có thể tạo robot 3 bậc tự do thực hiện chạy theo hành
trình có thể dạy học đƣợc.
Để có thể xây dựng đƣợc đề tài ta cần phải nắm rõ đƣợc cơ sở lý thuyết về
phƣơng pháp phân tích, tính toán động học, động học ngƣợc 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 nhƣ công nghệ máy tính mới có thể đƣa những lý thuyết

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 ngƣời sẽ có nhu cầu sử dụng 1
robot nhƣ 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 trƣờng robot và các dịch vụ ăn theo robot sẽ vô cùng lớn.
Trong nghành cơ khí, robot đƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công
nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun, phủ kim loại,tháo lắp vận chuyển phôi,lắp rắp sản
phẩm...

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 1.1: Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
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

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến


tạo cánhtay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh “ với
mục tiêu sẽ xây dựng lên một mô hình minh họa đƣợc cách hoạt động của một cánh
tay robot trong việc phân loại sản phẩm kết hợp với phƣơng 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 thƣờng 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 nhƣ :
- Giảm thiểu sức ngƣời lao động
- Đạt đƣợc năng suất cao, hoạt động trong một thời gian dài
- Đạt đƣợc năng suất cao, hoạt động trong một thời gian dài

U
D

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

5


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng 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 đƣa vật vào các ô tƣơng ứng sau khi đã phân loại

SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

6


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

CHƢƠNG 2 :
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KẾT CẤU CƠ KHÍ

Về mặt truyền động và điều khiển robot đƣợc cấu tạo từ những khối cấu trúc cơ
khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Về mặt kết cấu robot đƣợc chế tạo rất khác biệt
nhau nhƣng chúng đƣợc xây dựng từ những thành phần cơ bản nhƣ tay máy, nguồn
cung cấp, bộ điều khiển. Trong đó tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí
đƣợc thiết kế và hình thành các khối có chuyển động tƣơng đối với nhau. Vì vậy trong
chƣơng 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 nhƣ 3D cho cánh tay robot
cũng nhƣ cho băng tải và các chi tiết khác trong hệ thống, tụi em sử dụng phần mềm
Solidwork và Autocad, vừa dễ thiết kế lại có nhiều chức năng hỗ trợ cho ngƣời dùng
rất tiện lợi.
2.1. Thiết kế cánh tay robot
2.1.1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay robot
Qua tìm hiểu các loại cánh tay robot thì nhóm quyết định thiết kế chế tạo cánh
tay robot 3 bậc tự do tọa độ cầu RRR. Đây là loại robot rất phổ biến trong công nghiệp
nhờ vào những ƣu 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 nhƣợc điểm là độ cứng vững theo phƣơng đứng thấp, độ chính xác giảm theo
tầm hoạt động. Cánh tay phải đạt đƣợc kích thƣớc, độ dài hợp lý để có thể vƣơn dài,
gắp vật phẩm trên băng tải và đƣa chúng vào các ô tƣơng ứng.


Hình 2.2: Cơ cấu robot 3 bậc tự do
Kết cấu của cánh tay robot 3 bậc tự do nhƣ sau :
- Đế xoay robot
- Khâu chuyển động để đƣa đầu hút đến vị trí cần hút vật
- Đầu hút để đƣa vật thể vào hộp
2.1.2. Thông số kích thước của cánh tay Robot
Từ các mục tiêu ở chƣơng 1, ta thiết kế đƣợc kích thƣớc cần có của cánh tay
robot 3 bậc tự do trong hệ thống để đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài. Cánh tay robot
đƣợc 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, nhƣ là lên, xuống, xoay trái, phải.
- Nguồn động lực và hệ truyền động tạo chuyển động cho các khâu của tay máy,
sử dụng động cơ bƣớc, servo
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.

U
D

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

8


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

C

Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot.
 Lập bảng thông số D-H:
Khâu
ai
di
Khớp
i
i

R
L
.
T

1

 1*

900

0

0.049

R

2

 2*


An 
=
S i
C i
di 
 0
sin 
cos
d  0


 
0
0
1 
0
0
1  0
 0
Ta có:

C 1  S 1C 1 S 1 S 1 a1C 1  C 1
S
C 1C 1  C 1 S 1 a1 S 1   S 1
1

A1 

0
S 1


1 

)

10


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

C 2  S 2 C 2 S 2 S 2 a2 C 2  C 2 0 S  2

S
C 2 C 2  C 2 S 2 a2 S 2   S  2 0  C 2
2


A2 
0
0
S 2
C 2
d2   0 1

 
0
0
0
1   0 0
0


)

a3C 3  1
a3 S 3  0

d 3  0
 
1  0

0
1 0 0 
0 1 d3 

0 0 1
0 0

(Với  3  0 , a3=0.12, d3 = 0.)
Xác định các ma trận iT3 :
1
0
2
T3  A3  
0

0

C 2
S
 2

C
C

R
L
.
T

d 3 S 2  a2 C 2 
d 3C 2  a2 S 2 

0

1


S 2

0  C 2

a3 
0 

d3 

1 

U
D



2
1

1


0
1
T3  A1 A2 A3  A1 T3 =  S
0
 C 2
d 3 C 2  a 2 S  2  d 1 
2


0
0
1
 0

 Thiết lập phƣơng trình động học:

n x
n
 y
nz

0


s y   C 1

sz  0

a x  C 1S 2

a y  S 1S 2

a z   C 2

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

11


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

p x  C 1 (d 3 S 2  a2C 2 )  a1C 1
p y  S 1 (d 3 S 2  a2C 2 )  a1S 1 ,

p z  d 3C 2  a2 S 2  d1

Với các giá trị:d1 = 0.049m , d3 = 0 , a1 = 0.0m , a2 = 0.204
Thay các số liệu vào hệ phƣơng trình động học trên ta đƣợc:
n y  S 1C 2 ,
n x  C 1C 2 ,
n z  S 2 ,
s x  S 1 ,


Hình 2.5: Không gian làm việc của robot
2.1.5. Thiết kế các bộ phận của cánh tay
2.1.5.1. Cơ cấu xoay cơ cấu chấp hành
Ở đây ta dùng phƣơng pháp dẫn động bằng bánh răng , dễ dàng thiết kế nhƣng
lại kéo đƣợc lực lớn, tốc độ nhỏ, không gây rung giật, thích hợp với các cơ cấu nặng

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

12


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

.

Hình 2.6: Bánh răng truyền động
2.1.5.2. Cơ cấu hút

C
C

R
L
.
T

U

= 85 W

 Chọn động cơ thỏa n =1000 v/p và P >= 85 W
Vì tốc độ và công suất yêu cầu nhỏ nên ta ƣu tiên chọn loại động cơ phổ biến trên thị
trƣờng, có giá thành rẻ. Ta chọn động cơ bƣớc NIDEC SERVO KH42KM2R015E.

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2.8: Động cơ bƣớc NIDEC SERVO KH42KM2R015E.
Thông số kĩ thuật: - Kích thƣớc mặt bích: 42x42 mm.
- Chiều dài thân: 50mm.
-Dòng chịu tải:1- 1.3A.
-Góc bƣớc: 1.8°/step
2.1.5.4. Thiết kế 3D cho cánh tay robot 3 bậc tự do
Nhóm sinh viên chúng em sử dụng phần mêm Solidwork để thiết kế 3D cho
cánh tay robot cũng nhƣ toàn hệ thống. Sử dụng phần Part để vẽ các biên dạng 3D của
từng chi tiết, sau đó dùng phần Assembly để lắp ráp các chi tiết lại thành một cánh tay
hoàn chỉnh. Phần này cũng dùng để kiểm tra xem các mối lắp có xung đột với nhau
hay không để khi ra thực tế có thể lắp nối lại dễ dàng.

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc



Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

2.2. Thiết kế băng tải
2.2.1. Tính chọn kích thước băng tải
Từ kích thƣớc cũng nhƣ vùng làm việc của cánh tay robot 3 bậc tự do, chúng em tính
chọn đƣợc kích thƣớc của băng tải cần có nhƣ sau :
- Chọn băng tải có kích thƣớc 1056×15
- Sử dụng động cơ DC giảm tốc 342IL – 47X có tốc độ động cơ nđc = 300 rpm
- Các bộ phận cơ khí đƣợc thiết kế với kích thƣớc theo bản vẽ
- Tốc độ băng tải
nbt=µ

= 0.525×

= 78.5 (mm/s)

Trong đó: µ: hiệu suất chung của hệ thống truyền động
µ = µnt ×µtv ×µ2ol = 1×0.82×0.992 = 0.8

C
C

R
L
.
T

U

D

Hình 2.12 : Ke góc nhôm định hình

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

17


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

Các ke góc dùng để lắp các thanh nhôm lại với nhau một cách dễ dàng, không
cần phải dùng đến các mối hàn Nhôm định hình cho phép tháo lắp, sửa chữa dễ dàng,
không gây hƣ tổn đến vật liệu.

C
C

Hình 2.13: Mô hình 3D khung nhôm băng tải
2.2.2.2. Gá động cơ băng tải
Gá động cơ đƣợc in bằng chất liệu nhựa, dễ dàng chế tạo lắp ráp, chịu đƣợc lực
rung giật của động cơ

R
L
.
T



Hình 2.15: Cao su băng tải PVC 2mm
Từ các thiết kế trên, ta có đƣợc mô hình tổng thể của băng tải trong hệ thống :

Hình 2.16: Mô hình tổng thể của băng tải

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

19


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

2.3. Hệ thống cấp phôi tự động
Đây là một hệ thống sẽ tự động cung cấp phôi lên băng tải mỗi khi có hiệu lệnh
từ vi điều khiển. Mỗi khi có tín hiệu từ arduino, động cơ servo sẽ quay một góc làm
cánh tay gạt phôi trên ống nƣớc vào băng tải.Vì vật phẩm trong hệ thống hình trụ tròn
có ф = 42 nên ta sẽ chọn ống cấp phôi hình trụ tròn có ф = 48

C
C

R
L
.
T

Hình 2.17: Hệ thống cấp phôi tự động

T

U
D

GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

21


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 3 bậc tự do ứng dụng trong phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh

CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển

C
C

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Camera chụp ảnh đối tƣợng cần xử lí.
Máy tính(CPU) nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ camera để tiến
hành xử lý ảnh tìm ra màu sắc của vật, đồng thời cũng nhận các tín hiệu và chƣơng
trình từ ngƣời vận hành.
Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và các
cảm biến để điều khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển góc
quay cho động cơ và gửi xung điều khiển servo. Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các
tín hiện phản hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng


R
L
.
T

U
D

Hình 3.2: Module Arduino Nano
Thông số kỹ thuật:

- Thiết kế chuẩn kích thƣớc, chân Arduino Nano
- Firmware: Arduino Nano.
- IC chính: ATmega328P-AU
- IC nạp và giao tiếp UART: CH340
- Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw
- Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC
- Dòng GPIO: 40mA
- Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM
- Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân)
- Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)
- SRAM: 2KB.
- EEPROM: 1KB.
- Clock Speed: 16Mhz.
- Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX.
- Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117.
- Kích thƣớc: 18.542 x 43.
GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân


3.2.3 Servo MG966R
Động cơ servo đƣợc thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra
của động cơ đƣợc nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ
đƣợc hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động
quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa đạt đƣợc vị trí mong
muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đƣợc điểm chính xác.
Động cơ servo kết hợp cùng với cặp bánh răng giúp điều khiển góc quay của cơ
cấu chấp hành theo ý muốn.
Động cơ Servo MG966R là động cơ có mô men xoắn lớn, chạy mƣợt mà, phù
hợp với những mô hình điều khiển có trọng tải lớn nhƣ cánh tay robot kim loại. Động
cơ Servo MG966R đƣợc nâng cấp từ MG995 6V / 11kg, đáp ứng đƣợc tốc độ và độ
chính xác cao.
GVHD :T.S Nguyễn Danh Ngọc
SVTH : Bùi Đăng Quân
Đặng Hữu Tiến

24