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 hệ thống gắp thức ăn
cho hộp cơm tự động

Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
Người duyệt: TS. VÕ NHƯ THÀNH
Sinh viên thực hiện: BÙI TRUNG HUY
CAO ANH TUẤN
Số thẻ sinh viên
: 101150169
101150193
Lớp: 15CDT1

Đà Nẵng, 12/2019


TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động.
Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Số thẻ SV: 101150169
Cao Anh Tuấn
Số thẻ SV: 101150193
Lớp: 15CDT1

3. Nội dung đề tài đã thực hiện
✓ Số trang thuyết minh: 60-70 trang
✓ Số bản vẽ: 5 bản vẽ A0
✓ Mơ hình: 1.


4. Kết quả đạt được
• Phần lý thuyết
✓ Nghiên cứu, ứng dụng lập trình điều khiển cơ cấu gắp với 2 chế độ dạy
học và xử lý hình ảnh của thức ăn yêu cầu.
✓ Thiết kế hệ thống bằng phần mềm Solidwork, nghiên cứu và mô phỏng
lực gắp bằng phần mềm Abaqus.
✓ Lý thuyết về các loại xi lanh kẹp, van điều khiển và đấu nối dây PLC với
hệ thống gắp.
• Phần tính tốn, thiết kế
✓ Thiết kế và chế tạo phần cơ khí.
✓ Thiết kế, mơ phỏng lực và chế tạo ngón tay gắp mềm
✓ Đã thiết kế và chế tạo thành cơng mơ hình, mơ hình hoạt động tương đối
ổn định.


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

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

• Bản vẽ tổng quát hệ thống
: 1A0
• Bản vẽ tay gắp và đồ gá tay gắp
: 1A0
6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
26/08/2019
8. Ngày hoàn thành đồ án: 02/12/2019
Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019
Trưởng bộ môn

Người hướng dẫn

TS. Đặng Phước Vinh
LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế trong và ngồi nước đang trên đà phát triển mạnh mẽ, các
ngành công nghiệp ngày càng tự động hóa sản xuất, địi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật
cao. Nhu cầu của nhà sản xuất cũng như nhà tiêu dùng là tăng không ngừng. Đây là cơ
hội và cũng là thách thức cho ngành cơ điện tử, với việc ứng dụng các thành tựu nhân
loại để phục vụ nhu cầu xã hội. Robot là một ứng dụng thiết thực nhất, từ những cỗ
máy đơn giản đến phức tạp nhất, nó có thể góp mặt vào trong mọi lĩnh vực đời sống
sản xuất con người.
Các robot đã và đang trở thành công cụ lao động thông minh, từng bước thay thế
con người trong hoạt động sản xuất. Nhờ có robot mà năng suất và chất lượng lao
động ngày càng được cải thiện và tiệm cận sự hoàn hảo. Trong học phần này, chúng
em thực hiện đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động.
Với mục tiêu tạo ra một sản phẩm hoạt động linh hoạt và có khả năng ứng dụng thực

-

-

Khơng sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày thể hiện các hoạt
động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình.
Khơng bịa đặt, đưa ra các thơng tin sai lệch so với nguồn gốc trích dẫn.
Khơng ngụy tạo số liệu trong q trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập
hoặc hoạt động học thuật khác.
Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách trích dẫn, diễn đạt của người khác như thể
là của mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác
mà khơng có trích dẫn.
Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà khơng có trích
dẫn hoặc phân mảnh thơng tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên
nhiều ấn phẩm.

Sinh viên thực hiện

Bùi Trung Huy

ii

Cao Anh Tuấn


MỤC LỤC
Lời nói đầu .......................................................................................................................i
Cam đoan ....................................................................................................................... ii
Mục lục .......................................................................................................................... iii
Danh sách các hình vẽ .................................................................................................... v

2.5.1.
2.5.2.
2.5.3.
Chương 3:
3.1.
3.2.
3.3.

Thiết kế hệ thống tay gắp thức ăn ......................................................... 11

Tổng quan về hệ thống ............................................................................... 11
Tính tốn động học cho cánh tay. ............................................................... 12
Cơ cấu truyền động .................................................................................... 14
Giá đỡ ........................................................................................................ 16

2.4.1.
2.4.2.
2.5.

Giới thiệu chung về robot ..................................................................... 1
Phân loại robot ...................................................................................... 3
Ứng dụng .............................................................................................. 7
Hệ thống găp thức ăn tự động ............................................................... 8

Khớp xoay của cơ cấu. ........................................................................ 17
Cơ cấu gắp, thả vật. ............................................................................ 19
Ngón gắp mềm ................................................................................... 21
Thiết kế hệ thống điều khiển và truyền động ....................................... 28

Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................. 28


Quy trình xử lý ảnh .................................................................................... 49
Lập trình điều khiển hệ thống truyền động. ................................................ 56

Chương 5:
5.1.
5.2.
5.3.

Điều khiển và xử lý ảnh......................................................................... 48

Các khái niệm chung liên quan đến xử lý ảnh ............................................ 48

4.1.1.
4.1.2.
4.1.3.
4.1.4.
4.2.
4.3.

Van Solenoid 5/3 ................................................................................ 43
Camera xử lý ảnh. .............................................................................. 44

Kết luận ................................................................................................. 66

Kết quả đạt được........................................................................................ 66
Hạn chế ..................................................................................................... 66
Hướng phát triển ........................................................................................ 66

Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 67

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

1.1 Robot xếp bao Kuka ..................................................................................... 2
1.2 Robot kiểu tọa độ Descarte........................................................................... 3
1.3 Robot kiểu hệ tọa độ..................................................................................... 4
1.4 Robot kiểu tọa độ cầu ................................................................................... 4
1.5 Robot kiểu Scar ............................................................................................ 4
1.6 Robot kiểu tay người .................................................................................... 5
1.7 Robot đầu bếp .............................................................................................. 7
1.8 Robot đưa vào thu hoạch nông nghiệp .......................................................... 7
1.9 Công nhân làm cơm hộp tại Yamagata, Nhật Bản......................................... 8
1.10 Tay gắp thức ăn phiên bản 1 (ĐATN lớp 14CDT) ...................................... 9
1.11 Hộp thức ăn mẫu do phía cơng ty Sunfield cung cấp ................................ 10
2.1 Tổng quan hệ thống tay gắp ....................................................................... 11
2.2 Hệ tọa độ gắn lên từng khâu của cánh tay ................................................... 12
2.3 Cấu tạo cơ cấu truyền động. ....................................................................... 14
2.4 Các thông số hình học cơ bản của cơ cấu chuyển động............................... 15

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

4.7 Các thanh ghi được cấp phát ...................................................................... 58
4.8 Vị trí địa chỉ các thanh ghi ......................................................................... 59
4.9 Hai cấu trúc đọc và ghi từ Buffer Memory ................................................. 59
4.10 Chu trình PLC điều khiển Servo .............................................................. 61
4.11 Khối khởi động PLC ................................................................................ 61
4.12 Bật servo.................................................................................................. 63
4.13 Bật bit CSTR để servo hoạt động ............................................................. 63
4.14 Lược đồ vị trí ........................................................................................... 64
4.15 Lưu đồ thuật tốn lập trình PLC chương trình cơ bản .............................. 65

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU VÀ SƠ ĐỒ
Bảng 2.1 Thông số DH .............................................................................................. 13
Bảng 2.2 Chiều dài các khâu. ..................................................................................... 16
Bảng 2.3 Bảng khối lượng các chi tiết cơ cấu gắp ...................................................... 18
Bảng 2.4 Bảng thông số động cơ Nema 23 ................................................................ 19
Bảng 3.1 So sánh giữa PLC và RƠ-LE ...................................................................... 33
Bảng 3.2 So sánh các phương pháp truyền dữ liệu của CC-Link. ............................... 37

vii


DANH SÁNH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt:
• ACC – Acceleration
• BCM – Broadcom

• GPIO – General Purposr


• FEA – Phân tích phần tử hữu

• MISO – Master Out Slave Out
• MOSI – Master Out Slave In

hạn
• GND – Ground

• MP – Motor Power

• NOOBS – New Out Of the Box

• SCL – Serial Clock
• SCLK – Serial Clock

Software
• PC – Personal Computer

• SD - Secure Digital

• PLC – Programmable Logic

• SDA – Serial Data
• SIO – Serial Input/Output

Controller
• RAM – Random Access
Memory


1.1.1. Giới thiệu chung về robot
Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người, có các tính năng:
-

Có hình dạng giống người hoặc cánh tay người.
Có khả năng thao tác tự động.
Có khả năng bắt chước thao tác giống người.

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là cơng việc
tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921.
Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy
gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các
nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của
con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty của Mỹ AMF (American Machine Foundary Company)
quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial
Robot)
Về mặt kỹ thuật, những robot hiện nay có nguồn gốc từ hai loại kỹ thuật ra đời
sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều
khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa đã được phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần
thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Các cơ cấu này thay thế cho cánh tay
của người thao tác gồm có một bộ kẹp bên trong và hai tay cầm bên ngoài. Cả tay cầm
và bộ kẹp được nối với cơ cấu 6 bậc tự do để tạo ra hướng và vị trí tuỳ ý.
Robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF.
Cũng trong khoản thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate1990 được dùng đầu
tiên trong kỹ nghệ ơ tơ. Tiếp theo Mỹ, thì các nước khác bắt đầu sản xuất robot công
nghiệp như: Anh – 1967, Thuỵ Điển và Nhật – 1968 theo bản quyền của Mỹ, Cộng Hoà
Liên Bang Đức – 1971, Pháp – 1972, Italia – 1973, …Tính năng làm việc của robot ngày
càng nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967, trường đại học Stanford

cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá
bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực
của các cơ cấu chấp hành là đợng cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết
hợp giữa chúng.
Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết
khác. Các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản
thân các cơ cấu của robot và các sensor ngồi để nhận biết trạng thái của mơi
trường
Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và
điều khiển hoạt động của robot.
Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot.
Các kết cấu của nhiều tay máy được mô 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 thơng
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, . . .

Hình 1.1 Robot xếp bao Kuka

Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Cao Anh Tuấn

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
2


Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động

phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Cao Anh Tuấn

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
3


Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động

Hình 1.3 Robot kiểu hệ tọa độ

-

Robot kiếu tọa độ cầu

Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay
bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mơ tả trong tọa độ cầu thì mỗi
bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một
khối trụ rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác
phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn.

Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ cầu

-

Robot kiểu SCARA

Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski (Nhật Bản)

Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay. Muốn định hướng tùy ý phần công tác, cổ tay phải
có ít nhất ba chuyển đợng quay quanh ba trục vng góc với nhau.
❖ Phân loại theo điều khiển:
Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
-

Điều khiển hở:

Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà
quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số sung điều khiển. Kiểu điều khiển này
đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.
-

Điều khiển kín (hay điều khiển servo):

Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều
khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour). Với kiểu điều
khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng
với tốc độ cao. Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên
các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, … Điều khiển contour đảm bảo cho phần
công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp
kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn.
Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Cao Anh Tuấn

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
5


Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động

một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.
❖ Phân loại theo hệ thống truyền động:
Có các dạng truyền đợng phổ biến là:
Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều hoặc các động
cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn.
- Hệ truyền động thuỷ lực: Có thể đạt được cơng suất cao, đáp ứng những điều kiện
làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn
tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
- Hệ truyền động khí nén: Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng
lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với cơng suất
trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt
động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt
xuống” (pick and place or point to point).
❖ Phân loại theo ứng dụng:
-

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp
ráp, robot chuyển phôi v.v...

Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Cao Anh Tuấn

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
6


Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động

1.1.3. Ứng dụng
Từ khi mới vừa ra đời robot công nghiệp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dưới

học kỹ thuật, năng suất lao động là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Xét riêng trong
nghành sản xuất cơm hộp, thông thường người công nhân phải di chuyển những loại
thức ăn khác nhau vào hộp một cách thủ công. Điều này địi hỏi nguồn lao động lớn
cho ngành cơng nghiệp. Một số quốc gia, vùng lảnh thổ do thiếu nguồn nhân lực địa
phương trầm trọng như Nhật Bản, Đài Loan phải sử dụng nguồn lao động được xuất
khẩu từ các nước khác sang chỉ để chuyển thủ công thức ăn từ vị trí cố định vào khay.
Một giải pháp đưa ra là sử dụng cơ cấu hút thức ăn nhưng giải pháp này chỉ áp dụng
được với một số loại thức ăn nhất định.

Hình 1.9 Cơng nhân làm cơm hộp tại Yamagata, Nhật Bản

1.2. Đặt vấn đề
Hầu hết chúng ta đều biết, con người Nhật Bản có một tính cách rất nổi bật đó là
họ ln tỉ mỉ, chỉnh chu trong tất cả những việc họ làm và một trong những sản phẩm
đặc trưng cho tính cách đó chính là cơm hộp ăn trưa (bento) bởi sự cầu kì, tinh tế và
nghệ thuật của nó. Cơm hộp được sử dụng rất thường xuyên trong các bữa ăn trưa của
người Nhật. Những hộp cơm có nhiều màu sắc và được tạo hình đa dạng dưới bàn tay
khéo léo của những người nội trợ đảm đang. Cơm hộp ban đầu xuất phát từ những hộp
cơm trưa mà các bà mẹ chuẩn bị cho con mình mang theo để ăn trên trường. Nhưng
các em nhỏ thường rất kén ăn do đó những bà mẹ đã có sáng kiến đó là tạo hình đẹp
mắt cho hộp cơm bằng cách tỉa gọt và trang trí các món ăn nhằm kích thích sự tị mị,
thích thú và khiến các em ngồi ăn cơm, thịt ra thì còn ăn thêm các loại rau củ nhờ
màu sắc hấp dẫn và tạo cảm giác ngon miệng. Dần dần về sau, cơm hộp ăn trưa không
chỉ là sản phẩm thể hiện tình yêu và sự quan tâm của các bà mẹ đến con cái mình mà
đã phát triển lên thành một nét văn hóa riêng, một sản phẩm đặc trưng của người Nhật
Bản.

Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Cao Anh Tuấn



Ưu điểm:
+ Ngón tay gắp linh hoạt khi hoạt động.
+ Gắp được nhiều loại thức ăn với hình dạng kích thước khác nhau.
Nhược điểm:
+ Tay gắp khó điều khiển.
+ Chỉ gắp, thả ở những vị trí khơng gian rộng lớn.

Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Cao Anh Tuấn

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
9


Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động

+ Dễ làm biến dạng thức ăn khi gắp.
+ Thiết kế chưa tối ưu nên dễ làm rơi thức ăn khi gắp.
Để giải quyết các vấn đề đặt ra ở trên, nhóm tác giả đã quyết định lựa chọn
phương án là tay gắp mềm (dựa trên hiệu ứng Fin Ray) với vật liệu là nhựa dẻo TPU
để nghiên cứu và chế tạo. Đây là lĩnh vực rất mới và đang được quan tâm, nghiên cứu
nhiều trên thế giới trong những năm gần đây bởi ưu điểm vượt trội của nó so với các
cơ cấu truyền thống như cơ cấu gắp cơ khí, cơ cấu hút… Ngồi ra, hệ thống cịn được
tích hợp thêm camera xử lý ảnh để cánh tay robot có thể nhận biết và gắp thức ăn vào
đúng vị trí của từng loại trong khay. Yêu cầu kết quả khi hoàn thiện xong một chu
trình gắp như Hình 1.11 dưới đây.

Xúc xích


4
5
6
7

1
2
3

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống tay gắp

1. Bộ truyền động theo phương thẳng đứng

5. Xi lanh kẹp

2. Cơ cấu khớp xoay

6. Bộ truyền động theo phương ngang

3. Ngón gắp

7. Hộp điện

4. Giá đỡ

8. Camera

Hệ thống gắp thức ăn cho cơm hộp tự động là tập hợp của nhiều hệ thống thành
phần khác như: Hệ thống cơ khí, hệ thống khí nén, hệ thống điện, hệ thống điều khiển.
Các hệ thống riêng biệt này được thiết kế để kết nối với nhau nhằm tạo ra một hệ

Sinh viên thực hiện: Bùi Trung Huy
Cao Anh Tuấn

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
12