ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

C
C

R
L
.
T

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT
GẮP THỨC ĂN

U
D

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Số thẻ sinh viên:
Lớp:

TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
VÕ NGỌC VŨ
NGUYỄN HUY LUẬT


TÓM TẮT
Tên đề tài:
Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn
Sinh viên thực hiện:
Võ Ngọc Vũ
Số thẻ SV: 101140209
Lớp:
14CDT2
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Huy Luật
Số thẻ SV: 101140190
Lớp:
14CDT2
Trong phạm vi nghiên cứu, thức ăn gồm ba loại là súp lơ, bánh bao và thịt miếng được
đặt ở các vị trí xác định trên bàn. Mục tiêu cần giải quyết là di chuyển các loại thức ăn
này đến các khay xác định có sẵn mà không làm hư hại đến thức ăn với thuật toán hiệu
quả nhất.
Để thực hiện vấn đề này, nhóm tác giả đưa ra mẫu thiết kế bàn tay robot gồm ba ngón
tay riêng biệt. Mỗi ngón tay đều có khả năng di chuyển linh hoạt nhờ hai khớp nối thông
qua cơ cấu kéo dây. Ban đầu các ngón tay mặc định duỗi ra nhờ các lò xo được nối giữa
các khớp. Ngoài ra, cánh tay được trang bị thêm một camera để xử lý ảnh nhằm nhận
biết các loại thức ăn thông dụng. Qua đó xác định được các góc xoay cần thiết để xoay

C
C

R
L
.

Họ tên sinh viên:
Lớp: 14CDT2

Nguyễn Huy Luật
Khoa: Cơ Khí
Võ Ngọc Vũ

Số thẻ sinh viên:
101140190
Ngành:
Kỹ thuật Cơ Điện tử
Số thẻ sinh viên:

Khoa: Cơ Khí

101140209

Kỹ thuật Cơ Điện tử

Ngành:

1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn
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:
Theo yêu cầu của công ty Sunfield
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí


Người hướng dẫn

TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay, robot dần thay thế mọi hoạt động của con
người trong cuộc sống. Trong lĩnh vực thực phẩm trên thế giới, nhiều quốc gia đã nghiên
cứu và chế tạo ra các mẫu robot gắp thức ăn đa dạng về chức năng. Tuy nhiên nếu ứng
dụng với ngành thực phẩm trong nước hiện nay sẽ gặp nhiều bất cập liên quan đến kỹ
thuật, mức độ linh hoạt, chi phí đầu tư ban đầu cũng như khó khăn trong quá trình bảo
dưỡng, sửa chữa. Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Đặng Phước Vinh, cũng
như sự chia sẻ kiến thức từ các bạn, anh chị và nhiều thầy cô khác, sau một thời gian dài
nghiên cứu và thiết kế, nhóm tác giả đưa ra kết quả của quá trình Thiết kế và chế tạo
robot gắp thức ăn. Đây là giải pháp có tính ứng dụng cao trong nền thực phẩm trong
nước hiện nay.

C
C

Do khả năng tiếp thu kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên đồ án của nhóm
không thể tránh khỏi những sai sót về hình thức cũng như nội dung. Nhóm tác giả rất
mong nhận được góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn.

R
L
.
T

R
L
.
T

U
D

ii


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

MỤC LỤC

Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu ........................................................................................................................i
Lời cam đoan liêm chính học thuật ................................................................................ ii
Mục lục ......................................................................................................................... iii
Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ ....................................................................v
Danh sách các cụm từ viết tắt ....................................................................................... vii
Trang
Chương 1: Tổng quan về đề tài ................................................................................. vii
1.1. Giới thiệu chung về robot ..................................................................................2
1.1.1. Tổng quan .....................................................................................................2
1.1.2. Phân loại robot ..............................................................................................3
1.2. Đối tượng ............................................................................................................4
1.3. Hệ thống gắp thức ăn tự động ...........................................................................5
Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí ......................................................7



Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

3.3.1. Giới thiệu ....................................................................................................22
3.3.2. Arduino Uno R3..........................................................................................23
3.4. Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3G-60M ...................................24
3.4.1. Giới thiệu ....................................................................................................24
3.4.2. PLC Mitsubishi FX3G-60M .......................................................................25
3.4.3. Hoạt động PLC ...........................................................................................27
3.4.4. Các tính năng ..............................................................................................29
3.5. Mô-đun mở rộng CC-Link FX3U-16CCL-M ................................................29
3.6. Bộ suất PCON-CB/CFB ...................................................................................30
3.6.1. Cấu tạo và kết nối .......................................................................................31
3.6.2. Phần mềm PC Interface Software for RCEC ..............................................32
3.6.3. Kiểu kết nối điều khiển PCON ...................................................................34
3.7. Các linh kiện sử dụng ......................................................................................34
3.7.1. Camera Raspberry Pi ..................................................................................34
3.7.2. PC817..........................................................................................................35
3.8. Mạch chuyển đổi tín hiệu ................................................................................36
3.9. Điều khiển .........................................................................................................37

C
C

R
L
.
T


Bảng 3. 1 So sánh phương pháp điều khiển PLC và Rơ-le ...........................................25
Bảng 3. 2 So sánh các phương pháp truyền dữ liệu của CC-Link ................................30
Bảng 3. 3 Điện trở khóa.................................................................................................38
Bảng 3. 4 Chiều dài cáp CC-Link .................................................................................38
Bảng 3. 5 Tín hiệu I/O ...................................................................................................43
…………………………………………………………………………………………...
Hình 1. 1 Cấu tạo chung của robot ..................................................................................3
Hình 1. 2 Công nhân làm cơm hộp trong nhà máy .........................................................5
Hình 1. 3 Robot gắp thức ăn bằng khí trong nhà máy.....................................................6
Hình 2. 1 Kết cấu hệ thống ..............................................................................................7
Hình 2. 2 Cấu tạo của cơ cấu truyền động.......................................................................8
Hình 2. 3 Các thông số hình học của bộ truyền động (mm)............................................9
Hình 2. 4 Giá đỡ trục dọc ..............................................................................................10
Hình 2. 5 Gá đỡ bàn tay robot .......................................................................................10
Hình 2. 6 Cấu tạo bàn tay robot .....................................................................................11
Hình 2. 7 Cánh tay robot khi gắp thức ăn......................................................................12
Hình 2. 8 Cánh tay robot khi duỗi .................................................................................12
Hình 2. 9 Vị trí đi dây ....................................................................................................13
Hình 2. 10 Vị trí giới hạn góc quay của ngón tay khi duỗi ...........................................13
Hình 2. 11 Vị trí giới hạn góc quay của ngón tay khi co ..............................................13
Hình 2. 12 Hệ toạ độ cho ngón tay robot ......................................................................14
Hình 2. 13 Động cơ servo DS3218................................................................................16
Hình 2. 14 Cấu tạo servo ...............................................................................................17
Hình 3. 1 Sơ đồ kết nối ..................................................................................................18
Hình 3. 2 Raspberry Pi ..................................................................................................19
Hình 3. 3 Cấu tạo Raspberry Pi 3 B ..............................................................................20
Hình 3. 4 Các chân GPIO của Raspberry ......................................................................22
Hình 3. 5 Arduino Uno R3 ............................................................................................23
Hình 3. 6 PLC Mitsubishi FX3G-60M ..........................................................................26
Hình 3. 7 Cấu tạo bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3G-60M .......................26

Hình 3. 21 Kết nối CC-Link ..........................................................................................37
Hình 3. 22 Kết nối dây CC-Link ...................................................................................37
Hình 3. 23 Chiều dài cáp CC-Link ................................................................................38
Hình 3. 24 Nối dây PLC kiểu SINK ..............................................................................39
Hình 3. 25 Nối dây PLC kiểu SOURCE .......................................................................39
Hình 3. 26 Cài đặt thông số trạm ...................................................................................40
Hình 3. 27 Cài đặt thông tin các trạm ............................................................................40
Hình 3. 28 Truyền dữ liệu từ PLC đến PCON ..............................................................40
Hình 3. 29 Lệnh MOVE ................................................................................................41
Hình 3. 30 Lệnh FROM.................................................................................................41
Hình 3. 31 Lệnh TO .......................................................................................................41
Hình 3. 32 Cấu trúc thanh ghi ngõ ra PLC ....................................................................44
Hình 3. 33 Cấu trúc thanh ghi ngõ vào PLC .................................................................45
Hình 3. 34 Ngôn ngữ lập trình xử lý ảnh phổ biến........................................................48
Hình 3. 35 Cấu trúc không gian 2 chiều trong ảnh........................................................50
Hình 3. 36 Cấu trúc không gian 3 chiều trong ảnh........................................................50
Hình 3. 37 Không gian màu BGR .................................................................................52
Hình 3. 38 Không gian màu HSV .................................................................................52
Hình 3. 39 Một số hình dáng của phần tử cấu trúc........................................................54
Hình 3. 40 Ảnh chụp vật................................................................................................54
Hình 3. 41 Ảnh sau khi nhị phân ...................................................................................54
Hình 3. 42 Ảnh xác định vật ..........................................................................................55
Hình 3. 43 Lưu đồ thuật toán xử lí ảnh .........................................................................55
Hình 3. 44 Lưu đồ thuật toán của Raspbery và Arduino Uno .......................................56
Hình 3. 45 Lưu đồ thuật toán của PLC ..........................................................................57
Hình 3. 46 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển bàn tay..............................58

C
C



I/O

In/Out

FA
Mb
CPU

Factory Automation
Megabyte
Central Processing Unit

BFM

Buffer Memory

Kbps
Mbps

Kilobit per second
Megabit per second

SV

Servo ON

µs

Microsecond


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, khi nền kinh tế phát triển kèm theo áp lực công việc lớn,
nhằm tiết kiệm thời gian, nhu cầu sử dụng thức ăn được chế biến sẵn của con người
ngày một tăng cao.
Để làm cơm hộp thông thường người công nhân phải đưa những loại thức ăn khác nhau
vào hộp một cách thủ công gây tốn nhiều thời gian, nhân lực cũng như không gian làm
việc dẫn đến năng suất thấp.
Đề tài thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn: robot thực hiện gắp thức ăn trên khay
chứa từ vị trí 3 vị trí ban đầu đến 3 vị trí mới cách 20-30 cm, thời gian thực hiện 1 chu
kỳ 5-6s, thức ăn không bị hư hỏng hoặc biến dạng thử nghiệm trên 3 mẫu thức ăn được
công ty Sunfield cung cấp.
Thuyết minh gồm có 4 chương với nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí

C
C

R
L
.
T

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Kết luận


C

R
L
.
T

thành một bài tập cơ bản cho học sinh và sinh viên sẽ là một sự bổ trợ cho sự phát triển
của ngành công nghiệp robot nói riêng và các ngành công nghệ khác nói chung.
- Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo nhờ hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận
động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống
này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí.
- Robot có chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng
thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống
này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu hay đơn giản là hệ thống cảm biến.
- Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều

U
D

chỉnh "hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện
môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống
điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Robotics
được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các robot và
ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như
nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh
- Ứng dụng của robot không giới hạn phạm vi, do đó hầu hết robot hiện đang có đều
được dùng trong công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được
thống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi. Lớp robot này được gọi là robot công nghiệp
(Industrial Robot - IR).


R
L
.
T

khác. Các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái thực tế của
bản thân các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của
môi trường.
+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là các máy tính để giám sát và điều khiển
hoạt động của robot.

U
D

Hình 1. 1 Cấu tạo chung của robot
1.1.2. Phân loại robot
- Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy việc phân loại robot là
một vấn đề không đơn giản. Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau và mỗi quan
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

3


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

điểm đều dựa trên những tiêu chí riêng. Tuy nhiên, chúng ta có thể phân loại robot bằng

1.2. Đối tượng
- Tay máy là bộ phận nền tảng, quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là thiết bị
cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc,
như nâng hạ vật, lắp ráp, .... Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế, chế tạo tay máy là phỏng
tác cấu tạo và chức năng của tay người. Về sau, đây không còn là điều bắt buộc nữa mà
các cánh tay được chế tạo linh hoạt theo mục đích ứng dụng, tính đa dạng về mẫu thiết
kế và nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot
người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc dùng cho các bộ phận trên cơ thể người như
vai (shoulder), cánh tay (arm), cổ tay (wrist), bàn tay (hand) và các khớp (articulations),
... để chỉ tay máy và các bộ phận của nó.
- Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh
hướng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:
+ Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay, ...
+ Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác có
thể với tới.
+ Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng
làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

4


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

- Để định vị và định hướng phần công tác một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều nó
cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định hướng. Một số
công việc như nâng hạ, xếp dỡ, ... yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6. Robot hàn, sơn thường


Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

5


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

Hình 1. 3 Robot gắp thức ăn bằng khí trong nhà máy
- Giải pháp của nhóm tác giả là thiết kế hệ thống gắp thức ăn với bàn tay gồm 3 ngón
tay với đặc điểm
+ Có thể gắp nhiều loại thức ăn có hình dạng khác nhau
+ Thời gian đáp ứng mỗi lần 6s.

C
C

R
L
.
T

+ Cơ cấu gắp không làm biến đổi hình dạng thức ăn.

U
D


L
.
T

U
D

Hình 2. 1 Kết cấu hệ thống
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

7


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

- Các thành phần chính của hệ thống:
1. Giá đỡ trục dọc
2. Bộ truyền động theo trục dọc.
3. Giá đỡ bàn tay robot
4. Bàn tay robot

5. Bộ truyền động theo trục ngang
6. Khay
7. Hộp điện

2.2. Cơ cấu truyền động
- Cấu tạo chung:

2. Loại động cơ: Động cơ loại thuần.
3. Loại encoder: <WA> không cần thiết sử dụng pin
4. Loại motor: 42P: 42 size
5. Bước ren: 6
6. Hành trình: 150mm
7. Loại bộ điều khiển: <P3> PCONCB/CGB
8. Chiều dài cáp: <M> 5m
9. Tuỳ chọn: <B> có lực hãm
10. Chứng nhận cho sử dụng cho IAI
- Đối với hệ thống trên nhóm tác giả sử dụng 2 cơ cấu sau:
+ Trục truyền động dọc: RCP6 -SA6C - WA- 42P - 6- 150 - P3- M- B
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

8


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

+ Trục truyền động ngang: RCP6 -SA6C - WA- 42P - 20- 450 - P3- M
+ Hệ thống truyền động của 2 trục truyền động là cơ cấu vít me – đai ốc đường
kính 10mm nối với trục của động cơ servo.
+ Hành trình trục dọc là 150 mm, trục ngang 450 mm
+ Dung sai khi chuyển động ± 0.01 mm
+ Tải trọng cho phép tra bảng 1- Phụ lục 1
+ Tốc độ tra bảng 2 - Phục lục 1
+ Các thông số hình học:



272

1

2

450 mm

723

610.5

572

4

5

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

9


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

2.3. Gá đỡ


10


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

C
C

Hình 2. 6 Cấu tạo bàn tay robot

R
L
.

- Trong đó:
1. Các tấm đỡ
2. Động cơ điều khiển
3. Thanh nâng

D

T
U

5. Tấm nâng
6. Đĩa quay
7. Trục giữ

4. Các ngón tay

L
.
T

thẳng về vị trí ban đầu.

U
D

Hình 2. 8 Cánh tay robot khi duỗi
2.4.3. Cấu tạo ngón tay
- Mỗi ngón tay được cấu tạo bởi 2 đốt nối với nhau thông qua các trục và được cố định
vị trí ban đầu nhờ các lò xo. Dây kéo được luồn vào trong các rãnh trên mỗi đốt tay và
đi qua một lỗ cố định trên tấm nâng để nối với động cơ.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

12


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

Hình 2. 9 Vị trí đi dây
- Trên đốt giữa và tấm nâng được thiết kế thêm các chốt nhằm giới hạn góc quay cho
ngón tay. Cụ thể đốt cuối chỉ có thể quay một góc tối đa 90° quanh đốt giữa và đốt giữa
chỉ có thể quay một góc tối đa 90° quanh tấm nâng.

Hình 2. 10 Vị trí giới hạn góc quay của ngón tay khi duỗi