Báo cáo Đồ Án tốt nghiệp Robot Delta ba bậc tự do sử dụng xử lý ảnh kèm code

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNH HẢI VIỆT NAM
VIỆN CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NHIỆP
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT
SONG SONG DELTA TRÊN CÁC DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT TỰ ĐỘNG
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 7520103

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

STT
1
2
3
4
5

Nhóm sinh viên
Họ và Tên
Mã SV
Tơ Xn Hiển
77957
Nguyễn Văn Đức
77707
Đỗ Hữu Sáng
79615
Nguyễn Minh Hiếu
78012

Nguyễn Mạnh Cường
77379

Lớp
CĐT59ĐH
CĐT59ĐH
CĐT59ĐH
CĐT59ĐH
CĐT59ĐH

Giáo viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Đức Sang

HẢI PHÒNG, 5/2022
1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN CƠ KHÍ

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Bộ môn: Cơ điện tử
Đợt: 1 Năm học: 2021 - 2022
Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh cho Robot song song Delta trên các dây
chuyền sản xuất tự động.
TT

Họ và tên sinh viên

Nhiệm

Yêu cầu

Yêu cầu

vụ

chuẩn đầu

chuẩn đầu

ra kiến

ra kỹ năng

Ghi chú

thức
1

Tô Xuân Hiển

2

Nguyễn Văn Đức

3

Đỗ Hữu Sáng

4

Nguyễn Minh Hiếu

5

Nguyễn Mạnh Cường

u cầu khác:
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
Hải Phịng, ngày…. tháng… năm 2022
Trưởng Bộ mơn

Giáo viên hướng dẫn

2


KẾT QUẢ KIỂM TRA CHỐNG SAO CHÉP

3


PHẦN ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN

CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
T
T

Họ và tên sinh
viên

Nhiệm vụ

Yêu cầu
chuẩn đầu
ra kiến thức

Yêu cầu
chuẩn đầu
ra kỹ năng

Nhận xét
của
GVHD

Hải Phòng, Ngày … tháng …… năm 2022
Ý kiến của Trưởng Bộ môn
(đạt hay không đạt yêu cầu):

Giáo viên hướng dẫn

LỜI CAM ĐOAN

4

Chúng em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh cho Robot
song song Delta trên các dây chuyền sản xuất tự động” là do nhóm đã sử dụng kiến
thức và kỹ năng đã được học để thực hiện khơng có sự sao chép. Đề tài được tham
khảo dựa trên các tài liệu có sẵn từ sách vở cũng như là những nguồn dẫn rõ ràng. Nếu
có bất kì sự khơng trung thực nào nhóm xin nhận mọi trách nhiệm.
Hải Phịng, Ngày…tháng…năm 2022
Nhóm sinh viên CĐT59ĐH
Tơ Xn Hiển
Nguyễn Văn Đức
Đỗ Hữu Sáng
Nguyễn Minh Hiếu
Nguyễn Mạnh Cường

5


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn đến tồn thể Thầy, Cơ giáo
trong Viện Cơ Khí nói chung cũng như các Thầy trong bộ mơn Cơ Điện Tử nói riêng,
Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã truyền đạt kiến thức và chỉ bảo chúng em
trong suốt bốn năm học dưới mái trường Đại Dương. Để chúng em có những kiến thức
và cả kỹ năng cho sau này khi ra trường.
Hơn nữa, chúng em gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy Nguyễn Đức Sang, là cố
vấn học tập của nhóm, đã ln kề vai hỗ trợ bọn em trong suốt hai năm cuối của thời
sinh viên. Từ môn học Cơ điện tử Lab2 đến cả đồ án, thầy không chỉ truyền đạt kiến
thức liên quan đến ngành học mà còn giúp đỡ bọn em trong cách tư duy, sáng tạo và cả
những kỹ năng trong cuộc sống. Tuy chưa hoàn thành tốt các nhiệm vụ trong đồ án lần
này, nhóm cũng đã biết nhận ra những cái thiếu từ bản thân cũng như những bài học

khi làm việc nhóm, đó cũng là những kinh nghiệm quý báu để chúng em chuẩn bị cho
hành trang bước vào một tương lai khi khơng cịn ngồi trên ghế nhà trường.
Lời cuối, em xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã ln tin tưởng, tạo động
lực cho chúng em như là sự tự tin trong suốt một khoảng thời gian dài. Nhóm cũng có
những thiếu sót nên mong thầy và các bạn góp ý để nhóm sửa đổi và hoàn thiện một
cách tốt nhất.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày…tháng…năm 2022

6


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………………..11
DANH MỤC CÁC HÌNH……………………………………………………………. 12
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………...16
CHƯƠNG 1…………………………………………………………………………...17
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP………………………………………...17
1.1. Khái quát về Robot............................................................................................17
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển Robot.......................................................17
1.2 Robot delta.........................................................................................................18
1.2.1 Khái niệm.....................................................................................................18
1.2.2.

Nguồn gốc dẫn đến khái niệm và thiết kế Robot Delta............................18

1.2.3 Tổng quan về Robot delta.............................................................................18
1.2.4.

Cấu trúc của robot delta..........................................................................19

1.3. Lý do chọn đề tài...............................................................................................20
1.4 Mục đích nghiên cứu..........................................................................................20
CHƯƠNG 2…………………………………………………………………………...21
ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BA BẬC TỰ DO……………………………... 21
2.1. Xây dựng sơ đồ động học Delta robot...............................................................21
2.2. Thiết lập phương trình động học........................................................................23
2.3 Tính tốn động học thuận...................................................................................26
2.4 Tính tốn động học ngược..................................................................................30
2.5 Tính tốn vùng làm việc.....................................................................................33
2.5.1 Sublime text là gì?........................................................................................34
2.5.2 Tại sao nhóm sử dụng Sublime text?............................................................34
CHƯƠNG 3…………………………………………………………………………...35
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BĂNG CHUYỀN SẢN XUẤT……………………………… 35
3.1 Phần mềm thiết kế..............................................................................................35
3.1.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm NX.........................................................35

7


3.1.2 Những ưu điểm của phần mềm NX...............................................................36
3.1.3 Những chức năng chính của phần mềm NX.................................................37
3.2 Thiết kế băng chuyền..........................................................................................39
3.2.1 Xây dựng mơ hình trên NX...........................................................................39
3.2.2 Bản vẽ kỹ thuật các chi tiết được thiết kế của băng tải................................40
3.3 Chọn vật liệu......................................................................................................43
3.4 Chế tạo và lắp ráp băng tải.................................................................................45
3.4.1 Chế tạo.........................................................................................................45

3.4.2 Lắp ráp.........................................................................................................47
3.5 Thiết kế Robot song song...................................................................................49
3.5.1 Xây dựng mơ hình robot song song trên NX.................................................49
3.5.2 Bản vẽ kỹ thuật các chi tiết được thiết kế của Robot....................................52
3.5.3 Lắp ráp Robot..............................................................................................56
CHƯƠNG 4…………………………………………………………………………...58
ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT SONG SONG DELTA…………………. 58
4.1 Khái quát cơ bản về xử lý ảnh............................................................................58
4.2 Các cơng cụ phần mềm.......................................................................................59
4.2.1. Ngơn ngữ lập trình Python..........................................................................59
4.2.2. Thư viện mã nguồn mở OpenCV.................................................................60
4.2.3 Một số gói cơng cụ và thư viện khác............................................................60
4.3 Thuật tốn xử lý ảnh...........................................................................................62
4.3.1. Tiền xử lý ảnh và phát hiện vật thể..............................................................62
4.3.2. Xác định vị trí của vật thể...........................................................................66
4.4. Xây dựng giao diện............................................................................................68
CHƯƠNG 5……………………………………………………………………….......70
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN………………………………………………………….. 70
5.1 Lựa chọn thiết bị.................................................................................................70
5.1.1 NodeMCU ESP32 Wifi BLE.........................................................................70
5.1.2 Driver A4988................................................................................................73

8


5.1.3 Động cơ hút chân không..............................................................................74
5.1.4 Nguồn tổ ong................................................................................................75
5.1.5 Mạch hạ áp LM2596....................................................................................76
5.1.6 Cơng tắc hành trình.....................................................................................77
5.1.7 Module Relay 5VDC.....................................................................................78

5.1.8 Quạt tản nhiệt...............................................................................................79
5.1.9 Webcam 720p...............................................................................................80
5.1.10 Động cơ bước.............................................................................................80
5.1.11 Module thu phát hồng ngoại.......................................................................82
5.2 Thiết kế mạch điện tử.........................................................................................83
5.2.1 Giới thiệu phần mềm EasyEDA....................................................................83
5.2.2 Môi trường thiết kế mach nguyên lý.............................................................84
5.2.3 Môi trường thiết kế mạch PCB.....................................................................84
5.2.4 Xuất sang 2D, 3D và xuất ra để làm mạch in...............................................85
5.2.5 Sơ đồ đấu nối...............................................................................................86
5.2.6 Thiết kế mạch nguyên lý trên phần mềm......................................................87
5.2.7 Thiết kế mạch PCB trên phần mềm..............................................................88
5.2.8 Kết quả làm được.........................................................................................89
5.3 Lưu đồ thuật toán................................................................................................91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………………...92
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………….93

9


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT
1
2
3
4
5
6
7

Chữ viết tắt
CAM
CAD
PCB
CAE
ABS
AI
CPU

Nghĩa
Computer-aided manufacturing
Computer-aided design
Printed Circuit Board
Computer-Aided Engineering
Acrylonitrin Butadien Styren
Artifical Intelligence
Central Processing Unit

10


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT
1
2

Tên bảng
Bảng 4.1 Chế độ vi bước
Bảng 4.2 Thông số động cơ

Trang
73
81

11


DANH MỤC CÁC HÌNH
STT
1

Tên hình
Hình 1.1 Cấu trúc của Delta Robot

Trang
19

2

Hình 2.1 Mơ hình thiết kế Robot delta

21

3

Hình 2.2 Sơ đồ động học Robot Delta[ CITATION
Mza09 \l 1033 ]
Hình 2.3 Các thơng số chính của Robot delta
[ CITATION Mza09 \l 1033 ]

22

5
6

Hình 2.4 Các kích thước bàn cố định

23
23

7

Hình 2.6 Khối cầu bán kính rₑ[ CITATION Mza09 \l
1033 ]
Hình2.7 Các điểm J1, J2 và J₃ dịch chuyển[ CITATION
Mza09 \l 1033 ]

26

9

Hình 2.8 Hình chiếu lên mặt XY[ CITATION Mza09 \l
1033 ]

27

10

Hình2.9 Hình chiếu của F1J1 và E1 lên mặt phẳng

YZ[ CITATION Mza09 \l 1033 ]

31

11

Hình 2.10 Vùng quỹ đạo

33

12

Hình 2.1 Giao diện của Sublime text

33

13

Hình 3.1 Giao diện chính NX12

36

14

Hình 3.2 Giao diện làm việc trong mơi trường Modeling

37

15

Hình 3.3 Giao diện làm việc trong mơi trường Assembly

38

16

Hình 3.4: Giao diện làm việc trong mơi trường Drawing

38

17
18

Hình 3.5 Mơ hình 3D cơ cấu trụ đỡ bánh răng bị động

39
39

19

Hình 3.7 Hình ảnh bộ xích có tai gá thẳng đứng

4

8

Hình 2.5 Các kích thước bàn di động

Hình 3.6 Mơ hình 3D động cơ bước nối với bánh răng
chủ động.

22

27

43

12


20

Hình 3.8 Bánh răng Kana 40

43

21

Hình 3.9 Máy in 3D và thơng số

44

22

Hình 3.10 Hình ảnh nhựa in 3D và thơng
số[ CITATION blo \l 1033 ]

45

23

Hình 3.11: Sơ đồ chế tạo chi tiết in 3D

45

24

Hình 3.12 Giao diện phần mềm Creality Slicer

46

25

Hình 3.13 Một số chi tiết được in 3D

47

26
27

Hình 3.14 Hình ảnh tổng quát băng chuyền
Hình 3.15 Hình ảnh thơng số cơ bản khung Robot

48
49

28

Hình 3.16 Hình ảnh khâu 1

49

29

Hình 3.17 Hình ảnh khâu 2

50

30

Hình 3.18 Hình ảnh khâu 3

50

31

Hình 3.19 Hình ảnh 3D tổng quát khung Robot

51

32

Hình 3.20 Hình ảnh tổng quát Robot

56

33

Hình 3.21 Hình ảnh cơ cấu cánh tay Robot

57

34

Hình 4.1 Ứng dụng của xử lý ảnh[ CITATION Sfo21 \l
1033 ]

58

35

Hình 4.2 Logo Python[ CITATION Ngu21 \l 1033 ]

59

36

Hình 4.3 Logo thư viện mã nguồn mở
OpenCV[ CITATION Top \l 1033 ]

60

37

Hình 4.4 ArUco Marker[ CITATION Dox \l 1033 ]

61

38

Hình 4.5 Phần mềm Qt Designer

61

39

Hình 4.6 Thuật tốn phát hiện vật thể

62

40

Hình 4.7 Ảnh xám

63

41

Hình 4.8 Mặt nạ của ảnh

64
13


42

Hình 4.9 Phát hiện vật thể trên hình

65

43

Hình 4.10 Thuật tốn xác định thơng số vật thể

66

44

Hình 4.11 Xác định thơng số vật thể

67

45

Hình 4.12 Giao diện phần mềm Qt Designer

68

46

Hình 4.13 Kết quả xây dựng giao diện trên Qt Designer

69

47
48

Hình 5.1 Hình ảnh ESP32 và các chân

70

73

49

Hình 5.3 Sơ đồ đấu nối Driver A4988[ CITATION Dej \l
1033 ]

74

50

Hình 5.4 Hình ảnh động cơ hút chân
khơng[ CITATION Moh \l 1033 ]

74

51

Hình 5.5 Hình ảnh thực tế nguồn tổ ong 12V 30A

75

52

Hình 5.6 Module mạch hạ áp LM2596

76

53

Hình 5.7 Module cơng tắc hành trình

77

54

Hình 5.8 Module Relay 5VDC

78

55

Hình 5.9: Quạt tản nhiệt

79

56

Hình 5.10: Hình ảnh Webcam 720p

80

57
58

Hình 5.11: Động cơ bước
Hình 5.12 Module thu phát hồng ngoại

81
82

59

Hình 5.13 Giao diện phần mềm EasyEDA khi tải về

83

Hình 5.2 Hình ảnh Module Driver A4988[ CITATION
Dej \l 1033 ]

14


máy tính

60

Hình 5.14 Giao diện thiết kế mạch ngun lý

84

61

Hình 5.15 Giao diện thiết kế mạch PCB

85

62

Hình 5.16 Cơng cụ 2D,3D view và xuất file

86

63

Hình 5.17 Sơ đồ đấu nối

86

64

Hình 5.18 Mạch nguyên lý

87

65

Hình 5.19 Thiết kế mạch PCB

88

66

Hình 5.20 Hình ảnh 2D trên phần mềm

88

67

Hình 5.21 Mạch in sau khi hồn thành

89

68

Hình 5.22 Mạch in sau khi hàn chân linh kiện

90

69

Hình 5.23: Lưu đồ điều khiển cánh tay, bơm và băng tải

91

15


MỞ ĐẦU
Khi xã hội ngày càng phát triển thì máy móc và những thiết bị hiện đại sẽ
được ra đời và thay thế con người trong các lĩnh vực từ đời sống đến sản xuất, và đặc
biệt là trong sản xuất nhiều loại Robot đã được con người chế tạo ra để phục vụ nhằm
giảm thiểu nhân lực cũng như nó cũng thể thực hiển những cơng việc nặng thay con
người. Chúng ta thường thấy Robot trong các dây chuyền sản xuất phục vụ cho việc
vận chuyển hàng hoá, lắp ráp cũng như những cơng việc cần đến sự chính xác cao.
Để một người kỹ sư có thể thiết kế và chế tạo ra một con Robot thì cần hội
tụ yếu tố về cơ khí, điện phần cứng, điện phần mềm, kiến thức về động học và nhiều
kiến thức khác. Thì chun ngành Cơ điện tử thuộc Viện cơ khí là một trong những
ngành thực hiện việc nghiên cứu và chế tạo Robot. Với những môn học như Động lực
học hệ nhiều vật, Kỹ thuật điều khiển, Vi điều khiển… đã giúp cho sinh viên có những

kiến thức để áp dụng vào thực hành một cách hiệu quả.
Với những kiến thức đã được trao dồi trong suốt bốn năm học, nhóm đã
thực hiện đề tài về Robot song song Delta sử dụng xử lý ảnh để có thể thực hiện cơ
bản lại nhiệm vụ của Robot như việc gắp vật và di chuyển vật đến vị trí đã được cố
định. Để có thể thực hiện được yêu cầu như trên nhóm cần có kỹ năng về thiết kế cơ
khí, thiết kế mạch PCB, lập trình ngơn ngữ C và Python cũng như là tính tốn động
học để có thể hồn thiện Robot cách tốt nhất.
Để có thể nói kỹ về dự án nhóm đã làm thì chúng em xin tóm gọn lại năm
phần: Tổng quan về robot, Động học robot song song ba bậc tự do, Thiết kế chế tạo
băng chuyền sản xuất, Gắp sản phẩm dựa trên xử lý ảnh, Lập trình điều khiển và cuối
cùng là phần Kết luận cũng như kiến nghị kèm tài liệu tham khảo.
Nhóm đã cố gắng hồn thành hết sức mình trong thời gian có thể, nên đơi
khi cũng khơng thể thiếu được sự nhầm lẫn và cả sai sót, cũng mong thầy và các bạn
góp ý để dự án của thể hồn thiện một cách tốt đẹp.

16


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Khái quát về Robot
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển Robot
Khi nghe về cụm từ “Robot” thì có lẽ có người biết hoặc có người khơng biết
rằng cụm từ này xuất hiện đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork, được một nhà
soạn kịch có tên là Karen Kapek, ơng là người Tiệp. Ông đã có một suy nghĩ tạo bạo là
có một cỗ tự làm việc mà không cần con người và chính cái ý tưởng đó đã khơng
ngừng thúc đẩy con người lên ý tưởng để tạo ra những robot cho ngày nay.
Đến năm 1948, ngay tại quốc gia Argonne, Goertz đã thành cơng với cánh tay
máy đơi của mình khơng dừng ở đó năm 1954 chính ơng đã thiết kế một tay máy đôi
với động cơ là servo. Để đưa một khái niệm, một cụm từ, một ý tưởng gọi là robot,

con người cũng đã phải mất hàng chục năm mới có thể chế tạo và cho ra mắt. Để thấy
được đơi khi để thực hiện một việc gì đó chúng ta cần không chỉ cần kiến thức mà cẩn
cả thời gian để có thể hồn thiện và đưa vào thực tiễn.
Tiếp năm 1956 tập đồn Generall Mills thành cơng thiết kế một tay máy đi vào
trong môi trường đại dương và năm 1968, tập đồn General Electric thành cơng thiết
kế ra một robot biết đi bằng 4 chân. Đến mãi năm 1969, tại ngôi trường Stanford đã
cho ra mắt robot mà họ chế tạo của thế tự hành bằng việc xử lý hình ảnh. Sau đó một
năm con người cũng đã chế tạo thành công robot Lunokohod được sử dụng để thám
hiểm mặt trăng. Chỉ trong khoảng hơn chục năm từ khi robot được biến đến thì nó
ngày càng được phát triển với những nhu cầu và tên gọi khác nhau. Ta mới thấy được
con người đã cố gắng và cải tiến để hoàn thiện robot như nào.
Và để có robot cơng nghiệp như ngày nay thì năm 1969, Kawasaki Heavy
Industries đã cho ra mắt Kawasi-Unimate 2000 là một sản phẩm robot có mặt sớm
nhất trong cơng nghiệp và dần dần sau đó cái cụm từ “Robot cơng nghiệp” ngày càng
được mọi người biết đến như là một thứ không thể thiếu trong sản xuất.
Ngày nay chúng ta hiểu rằng nhiệm vụ của robot được tạo ra để thực hiện
những cơng việc mà con người khó thể thực hiện như việc đi ra ngoài vũ trụ, lặn
xuống những độ sâu mà con người không thể, thực hiện một quy trình khơng nghỉ. Kể

17


cả bây giờ robot cũng đã được sử dụng với mục đính qn sự như để gỡ bom, thu thập
hình ảnh, địa hình để cho qn đội có lợi thế. Đơi khi là cả những sự chính xác mà đến
cả con người cũng không thể tin được là xử lý các bảng mạch, linh kiện điện tử một
cách đơn giản với robot hàn. Robot có rất nhiều cơng dụng khơng chỉ trong công
nghiệp mà cả y tế, giáo dục…

1.2 Robot delta
1.2.1 Khái niệm

Robot delta là robot song song có 3 bậc tự do, với phần cánh tay robot được
cấu tạo bởi 2 khâu là khâu trên và khâu dưới. Khâu trên được nối với bệ cố định thông
qua các khớp tịnh tiến và các khớp quay, và được chuyền động từ cơ cấu chấp hành.
Khâu dưới được nối với bàn di động bởi các khớp quay, khâu dưới được cấu tạo bởi 2
thanh mảnh hình trụ song song tạo nên kết cấu hình bình hành giúp duy trì sự định
hướng của robot. Do 3 cánh tay của robot được nối với bàn di động cho nên chúng đã
làm triệt tiêu đi 3 chuyển động quay quanh các trục XYZ của bàn di động, cho nên bàn
di động chỉ có thể chuyển động tịnh tiến trên các trục XYZ.

1.2.2. Nguồn gốc dẫn đến khái niệm và thiết kế Robot Delta.
Với một tên gọi khác robot nhện, được Reymond Clavel cùng nhóm của
ơng chế tạo. Tình cờ đầu năm 1986, khi đến một nhà máy socola thì ơng cùng nhóm
đang tham khảo một số công việc được tiến hành lặp đi lặp lại để có thể thiết kế robot,
thì ngay lúc đó có một khâu là đóng gói thì ơng đã nhìn ra và cho nó như là một khởi
đầu tốt để lên ý tưởng cho việc chế tạo robot. Chỉ mất nửa năm, ông đã xuất hiện cùng
với robot đầu tiên với hình dạng con nhện, robot nó thể hoạt động ở tốc độ cao và
trọng lượng nhẹ hơn những dòng robot khác. Sau khi ra mắt robot nhện, thì robot này
chỉ mất thêm 2 năm để nó có thể xuất hiện trong cơng nghiệp và có mặt trên khắp thế
giới.

1.2.3 Tổng quan về Robot delta
Robot delta được cấu trúc theo dạng song song và có ba bậc tự do, ba cánh
tay của robot delta được lắp ghép với bàn di động, từ đó có thể triệt tiêu được chuyển
động quay quanh các trục XYZ của bàn di động nhưng vẫn giữ lại các chuyển động
tính tiến trên các trục XYZ, thiết kế này là hợp lý vì ý tưởng là chỉ để cho robot di
chuyển lên xuống, nhả hoặc hút vậy. Robot song song có ưu điểm là khơng có sai số
tích luỹ do chỉ sử dụng 1 động cơ chuyền chuyển động trên mỗi cánh tay robot. Robot

18

delta cũng có cấu tạo theo vịng kín, cho nên lực quán tính được hạn chế và kết cấu
được trở nên vững chắc hơn do các lực uốn, kéo, nén được phân bố đều. Robot delta
được cấu tạo bởi: 3 cánh tay, 1 bệ cố định và 1 bàn di động lắp khâu thao tác.
Robot delta có ba bậc tự do. Mỗi động cơ bước góp phần tạo nên một
chuyển động hay một bậc tự do cho robot hoạt động. Để cho robot hoạt động đúng
theo kết cấu hình học và điều khiển hợp lý, cho nên các động cơ nên được chia đều và
đặt cách nhau 120º, 3 động cơ được đặt trong 1 hình trịn tâm O, tâm O là tâm của bàn
cố định đã được xác định từ trước. Để mơ phỏng q trình hoạt động của robot delta
trong thực tế thì mơ hình hố của nó cần đảm bảo các tham số cần thiết.
Để mơ hình sát với thực tế thì trong bước thiết kế, lắp đặt ta cần đảm bảo
cho mơ hình có tính cân xứng. Quan trọng nhất là bố trí 3 cánh tay, sao cho mỗi một
cánh tay robot cần phải đạt được sự logic trong việc lắp đặt, tính hợp lý để phù hợp với
dây chuyền sản xuất trong công nghiệp

1.2.4. Cấu trúc của robot delta

Hình 1.1 Cấu trúc của Delta Robot

Robot Delta song song gồm có:

19










Robot delta được cố định trên một chiếc bàn, các cánh tay được lắp với động cơ
bước nằm ở trên bàn cố định và chúng tạo thành một hình tam giác, và có tâm
O ở giữa bàn.
Ba cánh tay của robot delta được lắp ghép theo cấu trúc của hình bình hành cấu
tạo bởi hai thanh mảnh song song có thêm khớp lăng trụ được nối với khớp cầu
ở bệ cố định.
Bàn di động được nối với ba cánh tay robot bởi các khớp cầu và lò xo để bàn
làm việc có tính di động, đàn hồi cần thiết từ đó giúp cánh tay robot và bàn làm
việc di chuyển dễ dàng hơn.
Trên bàn di động ta lắp thêm giác hút để hút vật, giác hút hay còn gọi là khâu
thao tác có tác dụng nhả hoặc hút vật.

1.3. Lý do chọn đề tài
Khi chúng ta chỉ biết về những loại robot truyền thống ở trong công nghiệp
mà không hay biết có một loại robot đã ra đời và đã được ứng dụng trong cơng nghiệp
và nó đang làm tốt mọi công việc mà con người cần. Với những yếu tố nổi bật hơn với
robot truyền thống như:








Khác biệt đầu tiên là quán tính của robot delta nhỏ hơn nên nó sẽ đạt tốc độ cao.
Trọng lượng thì nhẹ hơn giúp di chuyển nhanh hơn.
Sai số khơng tích luỹ lên sai số sẽ nhỏ hơn robot truyền thống.

Năng suất cao hơn và chịu được tải lớn.
Thực hiện việc đóng gói, gắp thả vật với tốc độ nhanh nhưng đi kèm với cả sự
chính xác.
Đi kèm với chất lượng thì chi phí cũng rẻ hơn.
Việc bảo dưỡng, sửa chữa cũng đơn giản.

 Chính vì những tính năng như vậy nhóm đã quyết định làm đề tài: “Nghiên cứu
ứng dụng xử lý ảnh cho robot song song delta trên các dây chuyền sạn xuất tự
động”.

1.4 Mục đích nghiên cứu
Đây là bước phát triển mới của đồ án của các cựu sinh viên lớp CĐT58ĐH
được cải tiến bằng cách thêm băng chuyền và xử lý ảnh để gắp vật với độ khó cao, để
có thể mơ phỏng cơng việc mà một robot delta sẽ thực hiện trong công nghiệp. Cũng
như là tạo thêm thử thách, trải nghiệm cho sinh viên với những kỹ năng đã được học
để có thể áp dụng chính kiến thức mình học làm một dự án với quy mơ trường học.

20


CHƯƠNG 2
ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG BA BẬC TỰ DO
2.1. Xây dựng sơ đồ động học Delta robot

2

1

3

4
5

Hình 2.1 Mơ hình thiết kế Robot delta

Robot Delta bao gồm: bàn cố định (1) được gắn liền với ba động cơ bước (2) được
kết nối với đế di động (4) dưới bàn di động ta có một khâu để hút (5). Hai bàn trên
được gắn với với các khâu chủ động và cánh tay đòn (3), ba động cơ qua bộ truyền
động đai để kết nối với cánh tay để cho cánh tay chuyển đơng theo mình mong muốn
Nếu chúng ta muốn chế tạo robot delta của riêng mình, chúng ta cần giải quyết 2
vấn đề:
Đầu tiên: Nếu chúng ta biết vị trí mong muốn của khâu tác động cuối (ví dụ,
chúng ta muốn bắt vật ở vị trí x, y, z, chúng ta cần xác định các góc tương ứng với mỗi
trong ba cánh tay (góc khớp) để đặt các động cơ ở vị trí thích hợp để chọn. Q trình
xác định như vậy được gọi là chuyển động nghịch đảo.

21


Thứ 2: Nếu ta biết các góc khớp (chẳng hạn: chúng ta đọc được các giá trị mã hóa
động cơ), chúng ta cần xạ định vị trí của bộ tạo hiệu ứng cuối Các bàn là các hình tam
giác đều: bàn cố định có động cơ là màu xanh lục và bàn di động với khâu công tác là
màu hồng. Các khớp của góc là theta1, theta2 và theta3. Và điểm E0 là vị trí tác động
cuối cùng có tọa độ ( x0 , y0 , z0 ) .Để xử lý vấn đề liên quan đến động học ngược, chúng
ra phải tạo hàm với tọa độ E0 ( x0 , y0 , z0 ) là các tham số trả về (theta1, theta2, theta3).
Hình 2.2 Sơ đồ động học Robot Delta[ CITATION Mza09 \l 1033 ]

Chúng ta cần xác định một số thơng số chính về hình học của robot delta. Ta kí
hiệu cạnh của tam giác cố định (tam giác trên) là f, cạnh của tam giác di động (tam
giác dưới) là e, chiều dài của tay1 (cánh tay ngắn) là rf chiều dài của tay 2 (cánh tay

dài) là re. Hệ quy chiếu được chọn với gốc là tâm của tam giác cố định với trục z
hướng lên như hình vẽ dưới đây:

Hình 2.3 Các thơng số chính của Robot delta [ CITATION Mza09 \l 1033 ]

2.2. Thiết lập phương trình động học
Phương trình động học Delta Robot có tam giác đều phía trên là hệ quy chiếu cố
đinh {M} có gốc là tâm của tam giác, hệ quy chiếu chuyển động là tam giác nhỏ phía
dưới {N}. hướng của {N} luôn giống với hướng của {M}. Các biến góc quay là:
   1  2 3 

T

các biến vị trí là

E0   x0 y0 z0 

T

.

22


Hình 2.4 Các kích

thước bàn cố định

Hình 2.5 Các kích thước bàn di động

Ta có:

SB  f

;

Sp 

e
2

�0 �
� �
B1  � w B �
�0 �
�

�3
�
� wB �
�2
�
�1
�
B2  � w B �
�2
�
� 0 �
�
�

�

�0 �
� �
P1  �
u P �
�0 �
�

�S P �
�2 �
� �
P2  �w P �
�0 �
� �
�

�
�
�
�
B3  �
�
�
�
�

�
3
wB �

2
�
1
�
wB �
2
�
0
�
�

� SP �
 �
�
2
� �
P3  �w P �
�0 �
� �
�

Các đỉnh của tam giác đều trên là:

23


�S B �
�2 �
� �
b1  � w B �

�0 �
� �
�

� SB �
� 2 �
� �
b3  �
w B �
�0 �
� �
�

�0 �
� �
b2  �
uB �
�0 �
�

Trong đó:
wB 

3
SB
6

3
SB
3

uB 

wP 

3
SP
6

3
SP
3

uP 

Từ sơ đồ động học trên, ta viết được phương trình vịng kín vecto cho robot delta:

   

   M i   rei  rfi   E0    N 0 

i =1,2,3

    E   N   M   r 

re i  re i

0

i

i

fi

i =1,2,3 (1)

Bình phương hai vế ta có:
rei 2   rei 

2

 reix 2  reiy 2  reiz 2

i = 1,2,3

Ta có vecto phụ thuộc vào các biến góc

� 0
�
�
�
rf 1  �
 rf cos 1 �
�
�
 rf sin 1
�

�3

�
� rf cos  2 �
�2
�
�1
�
rf 2  � rf cos  2 �
�2
�
� rf sin  2 �
�
�
�

�
�
�
�
rf 3  �
�
�
�
�

�
3
rf cos 3 �
2
�
1

�
rf cos 3 �
2
�
 rf sin 3 �
�

Thay thế các phương trình trên vào (1)

�
�
x0
�
�
 re1  �y0  rf cos 1  a �
�
�
� z0  rf sin 1

�
�
3
rf cos  2  b �
�x0 
2
�
�
� 1
�
re 2  �y0  rf cos  2  c �

� 2
�
� z0  rf sin  2
�
�
�
�

 re3

�
�
3
rf cos 3  b �
�x0 
2
�
�
� 1
�
 �y0  rf cos 3  c �
� 2
�
� z0  rf sin 3
�
�
�
�

24

�
3
3e
3
  e f 
�a  wB  uP  f 
6
3 2
6
�
�
e 3 3
1
� SP 3
f  e f 
�b   wB  
4 2 6
4
� 2 2
�
1
3e 1 3
3

f  e f 
�c  wP  wB 
2
6 2 2 6

12
�
Trong đó
Ta có phương trình động học của robot delta:

�2rf ( y0  a )cos 1  2 z0 rf sin 1  x0 2  y0 2  z0 2  a 2  rf 2  2 y0 a  re 2  0
�
�
2
2
2
2
2
2
�rf ( 3( x0  b)  y0  c) cos  2  2 z0 rf sin  2  x0  y0  z0  c  r f  2 x0b  2 y0c  re  0
�
2
2
2
2
2
2
2
�rf ( 3( x0  b )  y0  c) cos 3  2 z0 rf sin 3  x0  y0  z0  b  c  rf  2 x0b  2 y0 c  re  0
� �
�
3
1
3
2

2
2
2
2
y

e

f


�2rf �
�
�0 6
�cos 1  2 z0 rf sin 1  x0  y0  z0  12  e  f   rf  3 y0  e  f 
� �
�
� 2
�re  0
� �
�
1
3
1
2
�
2
2
2
�rf � 3 �

x

e

f

y

e

f




�cos  2  2 z0 rf sin  2  x0  y0  z0   e  f 
�0
� 0
12
48
� � � 4
�
�
�
��
� rf 2  1 x0  e  f   3 y0  e  f   re 2  0
�
2
6
�

�r � 3 �x  1  e  f  � y  3  e  f  �cos   2 z r sin   x 2  y 2  z 2  1  e  f  2 
� 3
0 f
3
0
0
0
�0
� 0
�f �
12
12
� 4
�
�
�
�
1
�2 1
r

x
e

f

y0  e  f   re 2  0


f

0
�
48
� 2

2.3 Tính tốn động học thuận
Ba góc chung theta1, theta2, theta3 đã cho, và chúng ta cần tìm tọa độ điểm cuối
E0 ( x0 , y0 , z0 )
.Như chúng ta đã biết về hóc theta, chúng ta có thể dễ đang tìm thấy tọa
j,j
j
jE,j E
jE
độ của các điểm 1 2 và 3 . Các khớp 1 1 2 2 và 3 3 có thể tự do quanh quanh các
j,j
j
điểm 1 2 và 3 tương ứng, tạo thành ba khối cầu có bán kính re

25