Thiết kế, chế tạo và điều khiển cánh tay robot công nghiệp dạng cơ cấu hình bình hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG
NGHIỆP DẠNG CƠ CẤU HÌNH BÌNH HÀNH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ - ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS.Ngơ Hà Quang Thịnh

Sinh viên thực hiện:

MSSV:

Lớp:

Trần Chí Tài

1711030265

17DCTA2

Trần Minh Thành

1711030135

17DCTA2

Đường Minh Triết

1711030292

17DCTA2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG
NGHIỆP DẠNG CƠ CẤU HÌNH BÌNH HÀNH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ - ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS.Ngơ Hà Quang Thịnh

Sinh viên thực hiện:

MSSV:

Lớp:

Trần Chí Tài

1711030265

17DCTA2

Trần Minh Thành

1711030135

17DCTA2

Đường Minh Triết

1711030292

17DCTA2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2021


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp nhóm em ln được
sự quan tâm, hướng dẫn và giúp đở tận tình của các thầy, cô giáo trong Viện Kỹ
Thuật- Khoa Cơ Điện Tử với sự động viên giúp đỡ của bạn bè đồng nghiệp.
Lời đầu tiên nhóm em xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu
trường Đại học Cơng Nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện, giúp đỡ nhóm
em suốt thời gian học tại trường.
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy giáo TS. Ngô
Hà Quang Thịnh đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Chúng em xin trân trọng cảm ơn

ii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ..............................................................................................................i
Lời cảm ơn ................................................................................................................ ii
Mục Lục ................................................................................................................... iii
Danh sách các bảng bảng ...................................................................................... vii
Danh sách hình ảnh ............................................................................................... viii
Lời mở đầu ............................................................................................................. xiii
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .......................................................................... 1
1.1 Sơ lược về ngành công nghiệp Robotic: ....................................................... 1
1.2 Giới thiệu sơ lược tay máy và cơ cấu hình bình: ......................................... 4
1.3 Giới thiệu sơ lược về Visual servoing: ......................................................... 5
1.4 Huớng phát triển: .......................................................................................... 7
1.5 Phạm vi của đề tài: ....................................................................................... 8
Chương 2: Phương án thiết kế ................................................................................. 9
2.1 Thiết kế cơ khí: ............................................................................................. 9
Cơ cấu truyền động hệ hở: ................................................................ 9
Cơ cấu hình bình hành hệ kín: .......................................................... 9
Cơ cấu định hướng của tay máy: .................................................... 11
2.2 Thiết kế hệ thống điện: ............................................................................... 11
Truyền động: ................................................................................... 11
Truyền động qua bộ trung gian: ..................................................... 12
2.3 Cảm biến:.................................................................................................... 14
2.4 Thiết kế bộ điều khiển: ............................................................................... 14

iii


Vi điều khiển:.................................................................................. 14
PLC: ................................................................................................ 14

2.5 Cấu trúc điều khiển: ................................................................................... 15
Điều khiển tập trung: ...................................................................... 15
Điều khiển phân cấp: ...................................................................... 15
2.6 Luật điều khiển robot: ................................................................................ 16
Điều khiển PID: .............................................................................. 16
Điều khiển moment: ....................................................................... 17
2.7 Lựa chọn phương pháp thu nhận tín hiệu camera cho Visual servoing: .... 17
Xác định vị trí của vật trên hình ảnh: ............................................. 18
Xác định chiều sâu của vật trên hình ảnh: ...................................... 18
2.8 Tổng kết lựa chọn: ...................................................................................... 18
Chương 3: Mơ hình hóa động học ......................................................................... 19
3.1 Động học thuận: ......................................................................................... 19
3.2 Động học nghịch: ....................................................................................... 22
3.3 Moment của tay máy: ................................................................................. 24
Chương 4: Thiết kế cơ khí ...................................................................................... 26
4.1 Thiết kế 2D: ................................................................................................ 26
4.2 Thông số thiết kế: ....................................................................................... 27
4.3 Lựa chọn vật liệu cho robot: ....................................................................... 29
4.4 Khối lượng của các khâu: ........................................................................... 30
4.5 Tải trọng, ứng suất tác động lên máy: ........................................................ 32
Tải trọng: ........................................................................................ 32
Ứng suất: ......................................................................................... 33

iv


4.6 Mô phỏng ứng suất, chuyển vị: .................................................................. 34
4.7 Cách khắc phục sự phá hủy và biến dạng ở các khâu: ............................... 42
Chương 5: Thiết kế hệ thống điện ......................................................................... 45
5.1 Sơ đồ hệ thống điện sơ bộ: ......................................................................... 45

5.2 Sơ đồ đấu nối: ............................................................................................. 46
5.3 Lựa chọn động cơ: ...................................................................................... 47
5.4 Lựa chọn driver động cơ: ........................................................................... 49
5.5 Lựa chọn vi điều khiển: .............................................................................. 50
5.6 Lựa chọn thiết bị cho hệ thốn hút chân không: .......................................... 52
Van xả điện từ hai chiều: ................................................................ 52
Máy bơm hút chân không: .............................................................. 53
Giác hút chân không: ...................................................................... 54
5.7 Stereo Camera: ........................................................................................... 55
5.8 Cơng tắc hành trình: ................................................................................... 56
5.9 Lựa chọn nguồn: ......................................................................................... 57
Chương 6: Thiết kế chương trình điều khiển và mơ phỏng ................................ 59
6.1 Phương trình động học của motor: ............................................................. 59
6.2 Tìm các thơng số cho visual servoing qua xử lý hình ảnh: ........................ 60
Tìm tọa độ của vật trên camera: ..................................................... 60
Tìm chiều sâu của vật: .................................................................... 65
Thuật tốn tìm chiều sâu của ảnh dựa vào Stereo Camera: ............ 68
6.3 Điều khiển bằng phương pháp VISUAL SERVOING cho Robot: ............ 68
Các thành phần cơ bản của visual servoing: ................................... 69
Giải bài tốn điều khiển và tìm ra các tham số cần thiết: ............... 70

v


6.4 Thực nghiệm mô phỏng nhận diện màu sắc cho camera với matlab: ........ 73
Thiết lập tham số cho màu sắc cần nhận dạng: .............................. 75
Lọc tín hiệu hình ảnh: ..................................................................... 77
Phân loại kết quả nhận được và hiển thị ra camera: ....................... 78
6.5 Thực nghiệm xác định chiều sâu của hình ảnh thu được từ camera: ......... 82
6.6 Lập trình simulink trên matlab cho Raspberry Pi: ..................................... 86

Nhận diện và xử lý hình ảnh từ camera: ......................................... 86
Visual Servoing: ............................................................................. 88
Motor Control: ................................................................................ 90
6.7 Gửi giá trị tìm được lên ROS network và Raspberry Pi: ........................... 92
6.8 Tiến hành mô phỏng: .................................................................................. 95
Mô phỏng animation trong công nghiệp: ....................................... 95
Mô phỏng điều khiển chuyển động: ............................................... 96
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển.............................................................. 98
7.1 Nhận xét tổng quan: ................................................................................... 98
7.2 Hướng phát triển:........................................................................................ 99
Tài Liệu tham khảo ...............................................................................................100
Phụ Lục ..................................................................................................................102

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG
Bảng 2.1: Phương án lựa chọn ......................................................................... 18
Bảng 3.1: Bảng D-H ........................................................................................ 19
Bảng 4.1: Thông số kích thước và góc của các khâu ....................................... 27
Bảng 4.2: Thông số bản DH, để thiết kế .......................................................... 27
Bảng 4.3: Tính chất vật lý của nhơm 6061 ...................................................... 29
Bảng 4.4: Chi tiết và khối của khâu 1 .............................................................. 30
Bảng 4.5: Chi tiết và khới lượng của khâu 2 ................................................... 30
Bảng 4.6: Chi tiết và khối lượng của khâu 3 ................................................... 31
Bảng 4.7: Chi tiết và khối lượng của khâu 4 ................................................... 31
Bảng 5.1: Lựa chọn thiết bị.............................................................................. 57

vii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tay máy Yaskawa ............................................................................ 1
Hình 1.2: Ứng dụng vào nơng nghiệp .............................................................. 2
Hình 1.3: Ứng dụng vào xếp dỡ hàng hóa ........................................................ 2
Hình 1.4: Ứng dụng vào cơng tác phịng dịch .................................................. 3
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động ............................................................... 3
Hình 1.6: Tay máy RRR ................................................................................... 5
Hình 1.7: Cách làm việc của Visual Servoing .................................................. 6
Hình 1.8: Ứng dụng của Visual Servoing ......................................................... 6
Hình 1.9: Tiêu chí thiết kế ................................................................................ 7
Hình 2.1: Sơ đồ ngun lí của serial Robot ...................................................... 9
Hình 2.2: Mơ hình cơ cấu hình bình hành ........................................................ 9
Hình 2.3: Sơ đồ ngun lí của robot palletizing ABB IRB 460 ..................... 10
Hình 2.4: Minh họa giải thuật PID ................................................................. 16
Hình 2.5: Minh họa giải thuật điều khiển moment ......................................... 17
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý động học thuận của rbot ...................................... 19
Hình 3.2: Sơ đồ tính tốn động học nghịch theo hình chiếu đứng ................. 22
Hình 3.3: Sơ đồ tính tốn động học nghịch theo hình chiếu bằng.................. 23
Hình 4.1: Sơ đồ sơ lược và các vị trí tọa độ của robot .................................. 26
Hình 4.2: Sơ đồ tham số cần thiết của robot................................................... 26
Hình 4.3: Minh họa sơ đồ các góc của robot .................................................. 28
Hình 4.4: Mơ phỏng thiết kế khâu cuối .......................................................... 28
Hình 4.5: Tải trọng khơng thay đổi theo thởi gian ......................................... 32

viii


Hình 4.6: Tải trọng thay đổi theo thời gian .................................................... 33
Hình 4.7: Ứng suất khơng thay đổi theo thời gian ......................................... 34

Hình 4.8: Ứng suất thay đổi theo thời gian .................................................... 34
Hình 4.9: Mơ phỏng phân tích ứng suất khâu 2 ............................................. 36
Hình 4.10: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 2: ................................................... 36
Hình 4.11: Mơ phỏng phân tích ứng suất khâu 3 ........................................... 37
Hình 4.12: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 3 .................................................... 38
Hình 4.13: Mơ phỏng phân tích ứng suất khâu 7 ........................................... 39
Hình 4.14: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 7 .................................................... 39
Hình 4.15: Mơ phỏng phân tích ứng suất khâu 1 ........................................... 40
Hình 4.16: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 1 .................................................... 41
Hình 4.17: Bản vẽ chi tiết, Gối SKF FYJ 40mm ............................................ 42
Hình 4.18: Bulong đai ốc, ví dụ 1 số vị trí gắn bulong .................................. 43
Hình 4.19: Robot khi hồn thiện..................................................................... 44
Hình 5.1: Sơ đồ điện tổng quát ....................................................................... 45
Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối linh kiện điện tử ....................................................... 46
Hình 5.3: Động cơ 24 V 60 W có gắn hộp số hành tinh và encoder .............. 47
Hình 5.4: Bản vẽ thiết kế ................................................................................ 48
Hình 5.5: DC driver PID MSD_EM của CCSmart ........................................ 49
Hình 5.6: Sơ đồ đấu chân driver PID MSD_Em ............................................ 49
Hình 5.7: Raspberry Pi 4 ................................................................................ 50
Hình 5.8: Sơ đồ chân và các cổng giao tiếp của mạch ................................... 51
Hình 5.9: Giá trị điện áp của 40 chân ............................................................. 51

ix


Hình 5.10: Van xả điện từ hai chiều ............................................................... 53
Hình 5.11: Máy bơm hút chân khơng Micro .................................................. 53
Hình 5.12: Giác hút chân khơng ..................................................................... 54
Hình 5.13: Sơ đồ lắp hệ thống hút chân khơng .............................................. 54
Hình 5.14: Hệ thống thực tế............................................................................ 55

Hình 5.15: Stereo camera ............................................................................... 56
Hình 5.16: Cơng tắc hành trình....................................................................... 56
Hình 5.17: Nguồn tổ ong 12 V-5 A ................................................................ 58
Hình 5.18: Nguồn meanwell 24 V-30 A 750 W ............................................. 58
Hình 6.1: Ví dụ về màu sắc ............................................................................ 60
Hình 6.2: Màu sắc và độ sáng ......................................................................... 61
Hình 6.3: Toạ độ sắc độ (Chromaticity coordinate) ....................................... 62
Hình 6.4: Ví dụ Chromaticity coordinate ....................................................... 63
Hình 6.5: Sơ đồ phương pháp gamma encoder .............................................. 64
Hình 6.6: Ví dụ minh họa về tác động của gamma encoder ........................... 65
Hình 6.7: Khoảng cách của điểm nhận được từ 2 mắt ................................... 66
Hình 6.8: Ví dụ cụ thể về sự thay đổi của vật từ 2 điểm nhìn ........................ 66
Hình 6.9: Khoảng cách của vật so với camera ............................................... 67
Hình 6.10: Ví dụ về tìm chiều sâu của ảnh ..................................................... 68
Hình 6.11: Sơ đồ điều khiển vịng kín của robot ............................................ 69
Hình 6.12: Lưu đồ giải thuật........................................................................... 69
Hình 6.13: Kiểm tra giá trị tham số cho nhận diện màu đỏ ............................ 76
Hình 6.14: Kiểm tra giá trị tham số cho nhận diện màu xanh dương............. 76

x


Hình 6.15: Minh họa về quá trình lọc hình ảnh .............................................. 78
Hình 6.16: Hình ảnh đầu ra trước và sau khi lọc vùng ................................... 78
Hình 6.17: Phương pháp phân loại dựa vào option 4 và 8 ............................. 79
Hình 6.18: Ví dụ về việc sử dụng bwlabel ..................................................... 80
Hình 6.19: Kết quả mơ phỏng thực tế camera ................................................ 81
Hình 6.20: Hình ảnh với giá trị d đo được từ câu lệnh stdisp......................... 82
Hình 6.21: Xác định chiều sâu của vật và biểu thị bằng grayscale map ........ 83
Hình 6.22: Kết quả mơ phỏng thực nghiệm ................................................... 84

Hình 6.23: Kết quả mơ phỏng matlab phân tích chiếc giường ....................... 84
Hình 6.24: Hình ảnh được xác định chính xác hơn nhờ độ phân giải cao...... 85
Hình 6.25: Tổng quan chương trình điều khiển.............................................. 86
Hình 6.26: Image Processing .......................................................................... 87
Hình 6.27: Visual Servoing ............................................................................ 88
Hình 6.28: Tổng quan về khối Visual servoing .............................................. 88
Hình 6.29: Q trình tính tốn giá trị ma trận Jacobian ................................. 89
Hình 6.30: Giá trị vận tốc của khâu cuối robot .............................................. 89
Hình 6.31: Tổng quan về khối Motor Control ................................................ 90
Hình 6.32: Cơng thức tính tốn ma trận Jacobian .......................................... 91
Hình 6.33: Ma trận Jacobian ........................................................................... 92
Hình 6.34: Hình ảnh thu được từ camera sau khi đã chuyển đổi lên ROS ..... 92
Hình 6.35: Gửi các giá trị góc quay của từng motor lên ROS........................ 93
Hình 6.36: Nạp các giá trị góc quay của từng Pin ra Raspberry Pi ................ 93
Hình 6.37: Quy trình điều khiển Task của robot ............................................ 94

xi


Hình 6.38: Quy trình điều khiển về vị trí Home của robot ............................ 94
Hình 6.39: Mơ phỏng, định vị và gắp sản phẩm............................................. 95
Hình 6.40: Mơ phỏng di chuyển sản phẩm qua khu vực đóng gói ................. 95
Hình 6.41: Giao diện Motion Animation ........................................................ 96
Hình 6.42: Mơ phỏng robot trên matlab simscape ......................................... 96
Hình 6.43: Giao diện điều khiển robot thông qua GUIDE ............................. 97

xii


LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây tự động hóa đang tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh
vực công nghiệp hiện nay, vì nó giúp cho các doanh nghiệp giảm tải được số lượng
nhân lực và thởi gian sản xuất. Do đó, việc các nhà doanh nghiệp đổ xơ đi nghiên cứu
và ứng dụng các robot trong sản xuất ngày càng 1 nhiều.
Không chỉ riêng trong ngành công nghiệp, nông nghiệp. Robot còn được ứng
dụng đa dạng trong mọi loại ngành như dịch vụ, y tế…Và nhiều nơi trên thế giới
robot cịn được con người sử dụng như một cơng cụ hỗ trợ cho cuộc sống con người,
giúp cho cuộc sống dễ dàng hơn.
Robot xếp pallet ngày càng đóng vai trị quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa
hậu cần. Nó có thể hồn thành việc xếp chồng một cách chính xác và hiệu quả, có thể
giảm bớt lao động cường độ của người lao động và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Palletizing nghiên cứu của rô bốt ở Hoa Kỳ và các nước phát triển khác đã đạt được
những thành công rực rỡ. Nhưng Robot xếp pallet trong nước về mặt nghiên cứu và
phát triển vẫn đang ở giai đoạn đầu. Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế
quốc dân và sự mở rộng của quy mô sản xuất, mức độ tự động hóa cơ khí của doanh
nghiệp đang tăng. Các kỹ thuật tự động hóa đương đại đã được sử dụng rộng rãi cho
các lĩnh vực khác nhau như: nghiên cứu về ngưỡng hình ảnh tồn cầu, nghiên cứu về
dự báo sông, dự báo mực nước và lưu lượng dự báo dòng chảy hàng ngày và hàng
tháng của sông và nghiên cứu về các yêu cầu xây dựng. Robot xếp hàng đó là một
loại ứng dụng quan trọng của tự động hóa kỹ thuật cũng đã được sử dụng rộng rãi, do
phạm vi ứng dụng rộng rãi, tính linh hoạt tốt, chi phí thấp, v.v.
Hiện tại, các kỹ sư trên toàn thế giới đang tập trung vào phát triển loại hình
robot hình bình hành này sao thiết kế và ứng dụng tối ưu hết mức có thể, thiết kế theo
kinh nghiệm thường được sử dụng cho thiết kế cấu trúc của robot xếp hàng. Tính hợp
lý và khoa học của kết cấu với phương pháp thiết kế truyền thống khơng có lý thuyết
đáng tin cậy cơ sở và nó cũng có thể mang lại rất nhiều bất lợi.Trên một mặt, có thể

xiii

có cấu trúc cục bộ quá mạnh. Các trọng lượng của cánh tay và lực quán tính quá lớn,
v.v. Tất cả những yếu tố này sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến hoạt động bình
thường của rơ bốt xếp dỡ . Mặt khác,sức mạnh của cấu trúc cục bộ có thể khơng đủ,có
thể ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể của rô bốt và dẫn đến sớm hư hỏng trong q
trình sử dụng. Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn
(FEA), phương pháp thiết kế truyền thống dần được thay thế bằng phần tử hữu hạn
phân tích và thiết kế. Có khá nhiều CAE (Máy tính Phần mềm hỗ trợ kỹ thuật), chẳng
hạn như: ANSYS, ABAQUS.v.v . Sự phân bố ứng suất của các bộ phận trước và sau
tối ưu hóa theo vị thế rủi ro có thể đạt được bằng cách Phân tích ABAQUS. Để đảm
bảo độ tin cậy của các kết quả của thí nghiệm phân tích, ứng suất và biến dạng được
thực hiện để xác nhận kết quả phân tích.
Nhiệm vụ mà nhóm đề ra:
•

Thiết kế và mơ phỏng mơ hình cơ khí

•

Thiết kế mạch điều khiển

•

Lập trình điều khiển vị trí tay máy bằng động học thuận và nghịch

•

Ứng dụng camera và phương pháp điều khiển Visual servoing cho robot

Cánh tay robot là một trợ thủ đắc lực giúp chúng ta tiết kiệm sức lực nhưng vẫn
đảm bảo được tốc độ và độ chính xác. Điều này đã được ứng dụng rộng rãi trong các

ngành công nghiệp sản xuất đòi hòi nhiều thời gian và sức lực. Điển hình là ngành
cơngnghiệp lắp ráp sản xuất oto, vận chuyển kho hàng, xử lí bề mặt, … Hơn thế nữa,
với sự phát triển khoa học kĩ thuật về vật liệu cũng như phương pháp gia công, giờ
đây một cánh tay robot loại vừa và nhỏ với giá thành thấp hơn đã có thể khả thi hơn
bao giờ hết Vấn đề hướng đến diện vật thể hoạt động trong phòng lab phục vụ cho
nhu cầu học tập cũng như nghiên cứu cho sinh viên. Hướng phát triển sau này là với
thiết kế nhỏ gọn, ứng dụng để lắp trên xe tự hành và có thể hoạt động ở các kho hàng,
nhà máy, xí nghiệp. Kết quả của đề tài có thể ứng dụng trong điều khiển cánh tay đến
vị trí mong muốn để có thể thực hiện thao thác giữ vật bằng hệ thống hút chân không

xiv


và đưa đến vị trí yêu cầu. Việc thiết kế, mô phỏng một cánh tay robot Palletizing 3
bậc tự do và tích hợp camera nhận
Thơng qua luận văn tốt nghiệp của nhóm em, chúng em sẽ nghiên cứu và phát
triển một loại robot công nghiệp phổ thông và được ứng dụng rất rộng rãi trong môi
trường công nghiệp và nông nghiệp sản xuất. Đó là robot dạng bình hành pallettizing
3 bậc tự, có tích hợp camera, ứng dụng trong việc dỡ hàng trong các kho hàng của
nhà máy, xí nghiệp.
Thách thức ở đây là chúng ta phải tính tốn các khớp chi tiết sao cho các khâu
tạo nên hình bình hành và giúp cho robot có thể hoạt động và đáp ứng được các nhu
cầu cơ bản nhất của một robot dỡ hàng cần phải có.
Tổ chức nội dung: Gồm 7 chương
•

Chương 1: Tổng quan đề tài

•

Chương 2: Phương án thiết kế.

•

Chương 3: Mơ hình hóa động học

•

Chương 4: Thiết kế cơ khí.

•

Chương 5: Thiết kế hệ thống điện

•

Chương 6: Thiết kế chương trình điều khiển và mơ phỏng

•

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

xv


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Sơ lược về ngành cơng nghiệp Robotic:

Hình 1.1: Tay máy Yaskawa (nguồn Internet)
Robotic là ngành nghiên cứu làm thế nào để có thể áp dụng những ý tưởng vào
đời sống , sản xuất. Từ việc chuyển hóa năng lượng điện đến mô tơ, thông qua các cơ
cấu được thiết kế , bộ truyền động để điều hướng các bộ phận của máy đến vị trí mong
muốn.Giống như con người sinh ra có cánh tay để có thể cầm nắm và di chuyển vật.
Robot trong tương lai được thiết kế để thay thế con người, giúp tận dụng được năng
lượng xung quanh để tiết kiệm sức lực, thời gian, sự chính xác cũng như sự an tồn.
Cùng với cơng nghệ AI đang phát triển, dự báo vai trị robot là khơng thể thiếu trong
tự động hóa,nhà máy xí nghiệp.
Hơn thế nữa với sự phát triển và ngày càng phổ biến của robot, việc đem một
cánh tay robot hay một xe tự hành to lớn trong cơng nghiệp vào cuộc sống có khơng
gian giới hạn như ở các đơ thị, phịng làm việc đang ngày càng khả thi. Từ việc quét
dọn nhà cửa (xe tự hành,roomba,…) hay các cánh tay robot có khả năng làm việc

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

trong văn phòng với thiết kế nhỏ gọn (Dobot ,…). Mọi thứ đang đơn giản hơn bao giờ
hết. Từ vai trò thực hiện các tác vụ nặng và nguy hiểm trong cơng nghiệp cho đến vai
trị trong đời sống thường nhật. Việc ứng dụng robot đang ngày một đa dạng:

Hình 1.2: Ứng dụng vào nơng nghiệp (nguồn Internet)

Hình 1.3: Ứng dụng vào xếp dỡ hàng hóa (nguồn Internet)

2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.4: Ứng dụng vào cơng tác phịng dịch (nguồn Internet)
Vì vậy nghiên cứu robot với giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn đưa vào đơ thị
đang là một hướng đi tiềm năng. Mai sau con người chúng ta khơng cịn q xa lạ với
robot mà chấp nhận nó như một phần của xã hội, một phần của cuộc sống.
Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên tại Mỹ do công ty
AMF( American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mơ phỏng một thiết bị
có dángdấp và tính năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số
thao tác sản xuất có tên là Versatran.
Về tổng quát, robot được cấu thành từ những thành phần cơ bản: Cơ cấu tay
máy(manipulator), khâu cuối (tool), nguồn dẫn động, bộ điều khiển, cảm biến.

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.2 Giới thiệu sơ lược tay máy và cơ cấu hình bình:
Tay máy là một dạng robot hoạt động phỏng theo cấu tạo cơ bản của cánh tay
người. Tay máy được phân loại dựa theo cấu trúc cơ khí. Thơng thường cấu trúc của
tay máy gồm nhiều khâu (link), mỗi khâu được nối với nhau bằng khớp (joint).
Chuyển động của tay máy mô phỏng sẽ gồm phần “cánh tay” giúp đảm bảo tính linh
động trong khơng gian lớn, phần “cổ tay’’ đảm bảo cho sự linh động trong không
gian nhỏ và cuối cùng là “phần bàn tay’’ hay còn gọi là khâu cuối để thực hiện tác vụ
mong muốn.
Số bậc tự do của tay máy (hay còn gọi là số bậc chuyển động) là số khả năng
chuyển động độc lập trong vùng không gian làm việc của tay máy. Tay máy có số bậc

tự do càng cao thì càng linh hoạt. Thơng thường trong cơng nghiệp, robot thường
được thiết kế có 6 bậc tự do. Với 6 bậc tự do và cách bài trí hợp lí tay máy đủ khả
năng để tiếp cận đối tượng cần được tác động từ mọi hướng trong vùng không gian
làm việc của nó bao gồm:
•

3 bậc tự do định vị (x,y,z).

•

3 bậc tự do định hướng (α,β,γ).

Cơ cấu định vị của tay máy:
Phân loại tay máy: Dựa theo các khớp nối (thông thường là khớp tịnh tiến và
khớp bản lề) và vùng khơng gian làm việc ta chia ra:
•

Tay máy cơ cấu hình bình hành:

Ngồi ra, với cơ cấu RRR, có thể kết hợp thêm cơ cấu hình bình hành để tăng
độ cứng vững cho tay máy khi dời bộ phận chấp hành từ khâu 3 sang khâu 2 từ đó
giảm lượng lớn tải cho bộ phận chấp hành khâu 2. Đổi lại tính linh động trong khơng
gian sẽ bị giảm và mất đi khả năng tránh vật cản của cơ cấu truyền thống.
Tay máy kết hợp cơ cấu hình bình hành thích hợp cho những ứng dụng có khơng
gian lớn trong khi tay máy toàn khớp bản lề truyền thống thích hợp cho các ứng dụng
khơng gian hẹp và địi hỏi tính linh động.

4

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.6: Tay máy RRR
1.3 Giới thiệu sơ lược về Visual servoing:
Tay máy robot hiện đại ngày nay là một cỗ máy vơ cùng chính xác. Chúng có
thể sử dụng trong các thao tác tỉ mỉ như hàn thiết bị, lắp đặt chip lên các bo mạch,
hay sử dụng trong việc phẫu thuật với độ chính xác vô cùng cao với tốc độ rất nhanh.
Nhưng làm sao chúng có thể thực sự làm vậy.
Trên thực tế, vị trí của khâu cuối robot khơng bao giờ được đo lường một cách
trực tiếp. Thay vào đó chúng ta sẽ đo lường các góc của khớp và sử dụng mơ hình
động học thuận để tính tốn ra vị trí của khâu cuối robot.
Visual Servoing là phương pháp điều khiển mà ở đây chúng ta khơng hề biết
trước vị trí chính xác của vật cần thao tác cũng như vị trí của khâu cuối robot. Ta chỉ
biết được hình ảnh của vị trí điểm đến và hình ảnh của khâu cuối robot. Sau đó ta sẽ
giảm dần độ sai lệch giữa 2 vị trí cho đến khi khâu cuối đạt được vị trí mong muốn
với độ sai lệch được giảm dần đến 0.

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.7: Cách làm việc của Visual Servoing (nguồn Internet)
Hình trên mơ tả cho ta thấy cách hoạt động của visual servoing, những hình vẽ
với nét đứt khúc chính là vị trí của vật mà ta mong muốn sẽ hiển thị trên camera, và
hình khối phía sau chính là vị trí hiện tại của vật.
Mục đích của visual servoing chính là điều khiển camera chuyển động để thu
hẹp sự sai lệch về vị trí mong muốn với vị trí hiện tại của vật, và vì camera sẽ được
gắn vào khâu cuối của tay máy robot, để camera chuyển động tức là khâu cuối robot
phải chuyển động

Việc ứng dụng Visual Servoing vào điều khiển robot đang là một cơng nghệ hội
nhập trên tồn cầu. Visual Servoing có thể giúp robot hoạt động linh hoạt hơn cũng
như giảm kích cỡ và giá thành của chúng.

Hình 1.8: Ứng dụng của Visual Servoing (nguồn Internet)

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Visual Servoing có thể được ứng dụng trong rất nhiều công việc khác nhau như,
gắp các vật được đặt ngẫu nhiên trên băng chuyền, bắt các vật đang bay trong không
trung hay trong việc đổ xăng tự động khi vị trí xe là ngẫu nhiên hay vị trí nắp đổ xăng
là khác nhau giữa các xe, hoặc ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp khi chúng ta
không hề biết được vị trí x, y, z của các loại hoa quả trong vườn và ta thậm chí cịn
khơng biết toạ độ vị trí của robot trong khu vườn đó, hay sử dụng trong việc đáp cánh
tự động cho các phi cơ,…
1.4 Huớng phát triển:
Đồ án đặt ra mục tiêu thiết kế có ứng dụng thực tế, cụ thể tay máy sẽ thực hiện
việc gắp các vỉ thuốc với vị trí và góc xoay ngẫu nhiên trên băng tải để phân loại và
sắp xếp chúng. Mục tiêu đề ra là tay máy có thể gắp và phân loại một vỉ thuốc trong
thời gian khoảng 5 giây, từ đó ta xác định được trong 1 giờ robot có thể tiến hành
phân loại 720 vỉ thuốc.

Hình 1.9: Tiêu chí thiết kế

7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.5 Phạm vi của đề tài:
•

Kích thước tay mỏy: 250ì230

ã

Tm vi ti a: 475 mm

ã

Mụ phng camera

ã

Khi lượng gắp: 500g

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1 Thiết kế cơ khí:
Cánh tay robot được thiết kế yêu cầu độ cứng vững và động lực học tốt cũng
như kích thước nhỏ. Hiện tại có 2 cơ cấu tay máy toàn khớp bản lề phổ biến dựa theo
cách sắp đặt động cơ:
Cơ cấu truyền động hệ hở:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí của serial Robot
Đặc điểm: Các động cơ được bố trí tại các điểm nối các khớp, tạo thành một
chuỗi động hở.
Ưu điểm: Có độ linh động cao, tính động lực học đơn giản.
Nhược điểm: Độ cứng vững không tốt khi khơng có cơ cấu đỡ lực, các động cơ
phía sau bố trí xa trọng tâm nên làm tăng moment tác động các khớp.
Cơ cấu hình bình hành hệ kín:

Hình 2.2: Mơ hình cơ cấu hình bình hành

9