..

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc
tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng
xử lý ảnh

Người hướng dẫn: ThS. TRẦN QUANG KHẢI
Sinh viên thực hiện: HUỲNH ANH KHOA
HỒ CÔNG TRIỆU
Số thẻ sinh viên : 101150191
101150170
Lớp: 15CDT1

Đà Nẵng, 2019


TÓM TẮT

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng
dụng xử lý ảnh
Sinh viên thực hiện: Hồ Cơng Triệu
Số thẻ SV: 101150191

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển
Chương 5: Kết luận

i


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: HUỲNH ANH KHOA
Số thẻ sinh viên: 101150170
HỒ CÔNG TRIỆU
Số thẻ sinh viên: 101150191
Lớp:15CDT1
Khoa: Cơ Khí
Ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm
có ứng dụng xử lý ảnh.
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: Tham khảo tài liệu thực tế
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chương 2: Thiết kế và chế tạo cơ khí
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển

phép loại bỏ các nhược điểm trên. Đồng thời tự động hóa đã thay đổi tính chất lao động,
cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, nhất là trong các khâu độc hại, nặng nhọc,
có tính lặp đi lặp lại nhàm chán, khắc phục dần sự khác nhau giữa lao động trí óc và lao
động chân tay.
Do vậy, ứng dụng robot vào sản xuất là tính tất yếu của q trình tự động hóa. Việc
áp dụng các cánh tay robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng phổ biến. Trước thực tế
đó, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự
do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh”.
Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy ThS. Trần Quang Khải
cùng với sự cố gắng của hai thành viên nhóm đến nay đồ án đã hồn thành. Tuy nhiên
với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng cịn thiếu, mặc dù có nhiều cố gắng
song nhóm em vẫn cịn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hồn thiện. Kính mong các thầy cơ
thơng cảm và góp ý để đề tài của nhóm em hồn thiện hơn và có thể phát triển, ứng dụng
trong thời gian sắp tới.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019
CÁC THÀNH VIÊN
Huỳnh Anh Khoa
Hồ Công Triệu

iii


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 giáo ThS. Trần Quang Khải
Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng
trình, thời gian, địa điểm công bố.

3.1 Sơ đồ khối ........................................................................................................ 18
3.2 Các thành phần chính và chức năng ................................................................. 19
3.2.1 Arduino Nano............................................................................................ 19
3.2.2 Driver A4988 ............................................................................................ 20
3.2.3 Servo Sg90 ................................................................................................ 20
3.2.4 Cảm biến quang ........................................................................................ 21
3.2.5 Module giảm áp Lm 2596 ......................................................................... 22
3.2.6 Cơng tắc hành trình ................................................................................... 23
3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ..................................................................... 24
v


Chương 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .................................. 25
4.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính............................................................... 25
4.2 LabVIEW và xử lý ảnh dùng LabVIEW........................................................... 26
4.2.1 Giới thiệu LabVIEW ................................................................................. 26
4.2.2 Ngơn ngữ lập trình LabVIEW ................................................................... 27
4.2.3 Q trình xử lý ảnh trên LabVIEW............................................................ 35
Chương 5: KẾT LUẬN............................................................................................ 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 40
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 41

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 2.1: Bảng thơng số DH của cánh tay robot .......................................................... 8
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của Arduino nano.......................................................... 19
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của A4988 .................................................................... 20

Hình 3.7: Cơng tắc hành trình .................................................................................... 23
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ............................................................... 24
Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn ....................................................................................... 25
Hình 4.2 Hộp thoại khởi động .................................................................................... 27
Hình 4.3: Cách thức thiết lập cho vịng lặp While ...................................................... 28
Hình 4.4: Vịng lặp For .............................................................................................. 28
Hình 4.5: Cấu trúc Case ............................................................................................. 29
Hình 4.6: Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi .......................................................... 29
Hình 4.7: Đoạn chương trình y=x2+x+1 viết theo hai cách ......................................... 30
Hình 4.8: Địa chỉ truy cập các hàm Vision ................................................................. 31
Hình 4.9: Thư viện thiết bị NI-IMAQdx .................................................................... 31
Hình 4.10: Thư viện tiện ích ...................................................................................... 32
Hình 4.11: Thư viện quản lý ảnh................................................................................ 32
Hình 4.12: Thư viện quản lý tập tin............................................................................ 33
Hình 4.13: Thư viện tiện ích màu............................................................................... 33
Hình 4.14: Thư viện xử lý ảnh ................................................................................... 34
Hình 4.15: Thư viện thị giác máy............................................................................... 34
Hình 4.16: Lưu đồ thuật tuán xử lý ảnh...................................................................... 35
Hình 4.17: Kết quả nhận diện hình trịn ..................................................................... 36
Hình 4.18: Kết quả nhận diện hình vng .................................................................. 36
Hình 4 19: Kết quản nhận diện hình lục giác.............................................................. 37

viii


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

MỞ ĐẦU

Cơ điện tử là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ.

50% số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%), 32% ở
châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi.
Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%, ngành
điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa 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 người sẽ có nhu cầu sử dụng
1 robot như 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 phịng thì thị trường robot và các dịch vụ ăn theo robot sẽ vô cùng.
Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong cơng nghệ đúc, công nghệ hàn,
cắt kim loại, sơn, phun, phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm...
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 cao...Ở
đây các máy robot công nghiệp được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình.

Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

2


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

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, sử dụng trong quốc phịng, trong chinh
phục vũ trụ, trong cơng nghiệp ngun tử, trong các lĩnh vực xã hội....


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng 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 đưa vật vào các ô tương ứng sau khi đã phân loại
- Máy tính và bộ điều khiển trung tâm để phân tích các dữ liệu từ camera và
điều khiển cánh tay robot
Bài toán đặt ra là thiết kế chế tạo mơ hình cánh tay robot phân loại vật thể trên
băng tải. Máy tính thơng qua camera sẽ thu nhận hình ảnh vật thể trên băng tải để xử
lý cho ra các dữ liệu cần thiết về hình dạng rồi gửi cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển
sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bao gồm các động cơ của tay máy, động cơ của
băng tải, và các động cơ khác để đưa được vật phẩm vào các ô tương ứng.
-

Một số phần mềm để nhóm sinh viên chúng em thực hiện đồ án :
Phần mềm Solidwork 2018: dùng để thiết kế 3D cho hệ thống
Phần mềm AutoCAD 2015 : dùng để vẽ các chi tiết 2D, sử dụng trong việc
cắt mica
Phần mềm xử lý ảnh LabVIEW 2016 : dùng để xử lý các hình ảnh gửi về từ
camera
Phần mềm Arduino IDE : dùng để lập trình cho các cơ cấu chấp hành.

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

5


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

R

Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do
Kết cấu của cánh tay robot 4 bậc tự do như sau :
- Đế xoay robot
- Khâu chuyển động để đưa tay gắp đến vị trí cần gắp vật
- Tay gắp gắp vật đưa vật thể vào hộp
2.1.2. Thơng số kích thước của cánh tay Robot
Từ các mục tiêu ở chương 1, ta thiết kế được kích thước cần có của cánh tay robot
4 bậc tự do trong hệ thống để đáp ứng được yêu cầu của đề tài. Cánh tay robot được
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, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay để
trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.

-

Nguồn động lực và hệ truyền động tạo chuyển động cho các khâu của tay máy,
sử dụng động cơ bước, servo

Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

7


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

• Lập bảng thơng số DH
Bảng 2.1: Bảng thơng số DH của cánh tay robot
ai

αi

di

θi

1

0

90o

d1

θ1 *


• Ma trận tổng quát:

cθi
s
Ai = [ θi
0
0

c1
s
A1 =  1
0

0

0 s1
0 −c1
1 0
0 0

c3 (3 + 90)
 s ( + 90)
A3 =  3 3

0

0


0

s
A2 =  2
0

0

− s2
c2
0
0

c4
s
A4 =  4
0

0

− s4
c4
0
0

0 a2c2 
0 a2 s2 
1 0 

0 1 
0 0
0 0 

p y 
pz 

1

Trong đó : px = c1 (c23 d 4 + a2 c2 )

p y = s1 (c23d 4 + c2 a2 )

pz = d1 + d 4 s23 + a2c2

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

b. Động học nghịch
Ta có:

A1−1T4 = A1−1 A1 A2 A3 A4

 h11 h12
h
 21 h22
 h31 h32

0
0

h13


m2 = s2 a2 + s23 d 4
m = 0
 3

• Tính θ1:

n3 = m3  s1 px = c1 p y  tan 1 =



py
px

1 = arctan 2( Py , Px )

• Tính θ3:

c1 px + s1 p y = c2 a2 + c23d 4
 n1 = m1



n2 = m2
 pz − d1 = s2 a2 + s23d 4
Suy ra :

n12 + n22 = (c23 + d 4 ) 2 + 2c2 a2 c23d 4 + (c2 + a2 ) 2 + ( s23d 4 ) 2 + 2s2 a2 s23d 4 + ( s2 a2 ) 2
= a22 + d 42 + 2c3a2 d 4



Thế vào (1)  n1 = c2 (a2 + c3d 4 ) − s3d 4
=> c2 =

n2 − c2 s3d 4
a2 + c3 d 4

n1 (a2 + c3d 4 ) + n2 s3d 4
(a2 + c3d 4 )2 + ( s3d 4 ) 2

Từ (1) => c2 =

n2 + s2 s3d 4
a2 + c3 d 4

Thế vào (2) => s2 =

n2 (a2 + c3d 4 ) − n1 + s3d 4
(a2 + c3d 4 ) 2 + ( s3d 4 ) 2

  2 = arctan 2(sin  2 , cos  2 )
Thiết lập phương trình động học là bước rất quan trọng để có thể dựa vào đó phân
tích hoạt động của robot và lập trình điều khiển robot
Nếu cho trước các giá trị của biến khớp thay đổi theo thời gian, thì vị trí và hướng
của khâu chấp hành cuối trong mọi thời điểm sẽ hồn tồn xác định được từ hệ
phương trình động học thuận trên
Bài toán động học nghịch nhằm xác định giá trị các biến khớp theo các thông số
trạng thái đã biết của điểm tác động cuối. Từ các nghiệm của phương trình động học
nghịch, ta lập trình điều khiển robot hoạt động.
2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay

Chọn động cơ thỏa mãn n=1000 vòng/p và P ≥85W
Vì tốc độ và cơng suất u cầu nhỏ nên ta ưu tiên chọn loại động cơ phổ biến trên
thị trường, có giá thành rẻ. Ta chọn động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E.
Thơng số kĩ thuật: - Kích thước mặt bích: 42x42 mm.
- Chiều dài thân: 50mm.
- Dịng chịu tải:1- 1.3A.
- Góc bước: 1.8°/step

Sinh viên thực hiện: Hồ Cơng Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

11


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Hình 2.6: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E
2.1.5 Thiết kế 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do
Nhóm sinh viên chúng em sử dụng phần mêm Solidwork để thiết kế 3D cho cánh
tay robot cũng như 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
khơng để khi ra thực tế có thể lắp nối lại dễ dàng.

Hình 2.7: Mơ hình 3D cánh tay robot
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải



Hình 2.10: Ke góc nhơm định hình
-Tính chọn kích thước băng tải
Từ kích thước cũng như vùng làm việc của cánh tay robot 4 bậc tự do, chúng em
tính chọn được kích thước của băng tải cần có như sau :
+ Chọn băng tải có kích thước 1056mm×150mm, chiều cao 200mm
+ Các bộ phận cơ khí được thiết kế với kích thước theo bản vẽ

Hình 2.11: Kích thước của băng tải

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

14


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

- Dựng khung 3d băng tải

Hình 2.12: Mơ hình 3D khung nhôm băng tải
-Gá động cơ băng tải
Gá động cơ được in 3D bằng chất liệu nhựa, dễ dàng chế tạo lắp ráp, chịu được
lực rung giật của động cơ, đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định

Hình 2.13: Gá động cơ
- Con lăn, ổ bi
- Yêu cầu:
+ Con lăn phải có kích thước, khối lượng phù hợp

- Khơng sần sùi
- Độ bền, tuổi thọ cao
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

16