Hcmute thiết kế, thi công và điều khiển robot scara 4 bậc phân loại sản phẩm theo màu sắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
SCARA 4 BẬC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
THEO MÀU SẮC
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV2021 - 120
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN CHÍ TÂM

S KC 0 0 7 6 4 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2021

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 BẬC
PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC
SV2021-120

Thuộc nhóm ngành khoa học: Ứng dụng

SV thực hiện: Nguyễn Chí Tâm

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 17151CL2A Khoa đào tạo chất lượng cao
Năm thứ: 04 /Số năm đào tạo: 04
Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Phong Lưu

TP Hồ Chí Minh, 10/2021

Luan van


MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... v
Chương 1.

Tổng Quan ................................................................................................ 1

1.1.

Đặt vấn đề........................................................................................................ 1

1.2.

Mục tiêu đề tài ................................................................................................. 2

1.3.

Giới hạn đề tài ................................................................................................. 2

1.4.

Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 3

1.5.

Nội dung đề tài ................................................................................................ 3

Chương 2.

Cơ Sở Lý Thuyết ...................................................................................... 4

2.1.

Lựa chọn cấu hình robot.................................................................................. 4

2.2.

Xử lý ảnh ......................................................................................................... 6

2.2.1.

Khái niệm xử lý ảnh ................................................................................. 6

2.2.2.

Các vấn đề trong xử lý ảnh ....................................................................... 7

2.2.3.

Thư viện OpenCV .................................................................................... 8

Chương 3.

Động Học Và Động Lực Học Robot ...................................................... 10

3.1.

Tính tốn động học tay máy .......................................................................... 10

3.1.1.

Động học thuận tay máy ......................................................................... 10

3.1.2.

Động học ngược tay máy ....................................................................... 13

3.2.

Động lực học tay máy bằng phương pháp Lagrangian ................................. 14

3.3.

Mô phỏng điều khiển tay máy bằng giải thuật PID ...................................... 15

Chương 4.

Thiết Kế Phần Cứng ............................................................................... 24

4.1.

Yêu cầu thiết kế ............................................................................................. 24

4.2.

Thiết kế cánh tay robot scara ........................................................................ 24

4.3.

Lựa chọn thiết bị phần cứng .......................................................................... 25

4.3.1.

Chọn động cơ ......................................................................................... 25

4.3.2.

Chọn vi điều khiển ................................................................................. 26

4.3.3.

Chọn driver điều khiển động cơ tay máy ............................................. 27

Luan van


4.3.4.

Chọn camera ........................................................................................... 27

4.3.5.

Bơm hút khí nén ..................................................................................... 28

4.3.6.

Nguồn ..................................................................................................... 28

4.4.

Sơ đồ kết nối phần cứng ................................................................................ 29

Chương 5.

Thiết Kế Phần Mềm ............................................................................... 33

5.1.

Cấu trúc và các thành phần điều khiển của robot ......................................... 33

5.2.

Yêu cầu thiết kế ............................................................................................. 33

5.3.

Thiết kế màn hình điều khiển ........................................................................ 33

5.4.

Lưu đồ giải thuật ........................................................................................... 34

Chương 6.

Kết Quả Đạt Được .................................................................................. 37

6.1.

Kết quả đạt được về phần cứng ..................................................................... 37

6.2.

Kết quả đạt được về phần mềm và điều khiển .............................................. 38

6.2.1.

Kết quả phần mềm .................................................................................. 38

6.2.2.

Kết quả điều khiển .................................................................................. 38

Chương 7.

Kết Luận Và Hướng Phát Triển ............................................................. 43

7.1.

Kết luận ......................................................................................................... 43

7.1.1.

Nội dung đã thực hiện được ................................................................... 43

7.1.2.

Hạn chế của đề tài .................................................................................. 43

7.2.

Hướng phát triển ........................................................................................... 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 43
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 43

Luan van


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Robot Scara đóng gói sản phẩm ......................................................................... 2
Hình 3. 1 Cánh tay robot Scara 4 bậc ................................................................................ 11
Hình 3. 2 Hệ trục tọa độ của robot .................................................................................... 11
Hình 3. 3: Sơ đồ khối điều khiển tay máy bằng giải thuật PID ......................................... 16
Hình 3. 4: Đáp ứng góc thứ 1 ............................................................................................ 17
Hình 3. 5: Đáp ứng góc thứ 2 ............................................................................................ 17
Hình 3. 6: Đáp ứng góc thứ 3 ............................................................................................ 17
Hình 3. 7: Đáp ứng góc thứ 4 ............................................................................................ 18
Hình 4. 1: Mơ hình cánh tay robot Scara 4 bậc trên solid work ........................................ 24
Hình 4. 2: Kích thước mơ hình .......................................................................................... 25
Hình 4. 3: Động cơ bước nema 17 .................................................................................... 26
Hình 4. 4: Arduino UNO R3 ............................................................................................. 27
Hình 4. 5: Driver TB6600 ................................................................................................. 27
Hình 4. 6: Camera Logitech C270 ..................................................................................... 28
Hình 4. 7: Bơm và giác hút chân khơng ............................................................................ 28
Hình 4. 8: Nguồn tổ ong 12VDC....................................................................................... 28

Hình 4. 9: Sơ đồ kết nối của cánh tay robot scara ............................................................. 29
Hình 5. 1: Cấu trúc điều khiển robot ................................................................................. 33
Hình 5. 2: Giao diện điều khiển và giám sát của robot ..................................................... 34
Hình 5. 3: Lưu đồ điều khiển chương trình chính ............................................................. 34
Hình 5. 4: Lưu đồ điều khiển chế độ tự động và chế độ bằng tay ..................................... 35
Hình 5. 5: Lưu đồ nhận dạng màu sắc và vị trí của vật thể ............................................... 35
Hình 6. 1: Phần cứng sau khi lắp ráp................................................................................. 37
Hình 6. 2: Robot scara khi hồn thành .............................................................................. 37
Hình 6. 3: Chương trình chạy trên giao diện điều khiển ................................................... 38
Hình 6. 4: Kết quả điều khiển trên mơ phỏng ................................................................... 39
Hình 6. 5: Robot scara gắp và trả hàng ............................................................................. 40
Hình 6. 6: Kết quả nhận dạng màu sắc và vị trí của vật .................................................... 40

Luan van


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Các kí hiệu trên hệ trục tọa độ ............................................................................ 11
Bảng 2: Bảng DH robot .................................................................................................... 12
Bảng 3: Tác động khi tăng một thông số độc lập ............................................................. 16

Luan van


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PID: Proportional Integral Derivative
HMI: Human Machine Interface
RGB: Red Green Blue
HSV: Hue-Saturation-Value
DH: Denavit - Hartenberg

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài:
- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Chí Tâm
- Lớp: 17151CL2A

Mã số SV: 17151124

Khoa: Đào tạo chất lượng cao

- Thành viên đề tài:
Stt

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Nguyễn Công Khai

17151088

17151CL2A

Đào tạo CLC

2

Đồn Trung Cương

17151048

17151CL2A

Đào tạo CLC

3

Nguyễn Trung Tính

17151143

17151CL2A

Đào tạo CLC

4

Nguyễn Ngọc Hải

17151072

17151CL2A

Đào tạo CLC

- Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Phong Lưu
2. Mục tiêu đề tài:
Đề tài “Thiết Kế, Thi Công Và Điều Khiển Robot Scara 4 Bậc Phân Loại Sản Phẩm Theo
Màu Sắc” được thiết kế với những mục tiêu cụ thể sau:
-

Thiết kế mơ hình robot scara 4 bậc tự do.
Hệ thống có thế phân loại sản phẩm theo màu sắc.
Giám sát và điều khiển qua màn hình HMI/PC.
Kiểm tra đánh giá sai số giữa tính tốn lí thuyết và thực tế.

3. Tính mới và sáng tạo: Cải tiến về thiết kế, kết hợp xử lý ảnh trong nhận dạng để robot
phân loại và đóng gói sản phẩm.
4. Kết quả nghiên cứu: Kết quả đạt được của đề tài là đã thiết kế, thi công và điều khiển
thành công cánh tay robot scara và ứng dụng xử lý ảnh để phân loại sản phẩm theo như
yêu cầu của đề tài.

Luan van


5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả
năng áp dụng của đề tài: Mơ hình cánh tay robot scara phân loại sản phẩm theo màu sắc

tạo điều kiện cho sinh viên tham khảo, nghiên cứu và nâng cao kiến thức về thiết kế và giải
thuật điều khiển.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày 09 tháng 10 năm 2021
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Nguyễn Chí Tâm

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài
(phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày

tháng

năm

Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

Luan van


Mở Đầu

MỞ ĐẦU

1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài trong nước
1.1 Tình hình trong nước
Đã có đề tài “Phát triển hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot và kỹ thuật xử lý ảnh”
của nhóm sinh viên Lê Tuấn Anh, Nguyễn Đăng Phúc thực hiện. Đề tài này đã tiến hành
nghiên cứu lí thuyết và tiến hành phát triển hệ thống phân loại sản phẩm, sau đó lại chế tạo
một cánh tay robot khác để kiểm tra độ chính xác. Kết quả đề tài đã thiết kết thành công
hệ thống, robot gắp vật khá chính xác, so sánh được ưu điểm cũng như nhược điểm giữa
hai robot trong hệ thống này về độ ổn định cũng như độ chính xác. Tuy nhiên ở cả hai
robot, sai số gắp vật vẫn xảy ra do thiết kế cơ khí cịn sai số q nhiều, robot vẫn rung khi
di chuyển, và đặc biệt hệ thống là hệ hở, do đó sẽ khơng kiểm sốt được một vài sự cố xảy
ra như động cơ trượt bước, nguồn điện không ổn định, …
Đề tài “Robot 4 bậc tự do” của nhóm sinh viên Phạm Tấn Tín, Lê Quang Đức thực hiện.
Đề tài này tiến hành thiết kế ra một cánh tay robot hồn chỉnh nhằm mục đích kiểm chứng
lí thuyết về động học thuận nghịch. Kết quả đề tài đã hoàn thành mục tiêu ban đầu đề ra,
tuy nhiên khi tăng tốc độ hoạt động, hệ thống có xuất hiện sai lệch nhỏ, đồng thời hệ thống
cũng không mang được tải nặng, …
1.2 Tình hình ngồi nước
Bài báo “Design And Development Of 5-DOF Robotic Arm Manipulators” bởi Yagna
Jadeja, Bhavesh Pandya được thực hiện đầu năm 2020 tiến hành chế tạo một cánh tay robot
hoàn chỉnh, đồng thời phát triển lên bằng cách tích hợp vào đó một trí tuệ nhân tạo nhằm
mục đích tạo ra một cánh tay linh hoạt để tích hợp vào cơ thể người khuyết tật. Kết quả đạt
được như mong muốn ban đầu, tuy nhiên độ chính xác khơng cao khi vận hành, để khắc
phục, đề tài đã đưa ra ý kiến chế tạo phần cứng bằng những cơng nghệ tốt hơn.
2. Lí do chọn đề tài
Hiện nay sử dụng robot công nghiệp trong sản xuất là một trong những giải pháp tự động
hoá cải thiện năng suất và chất lượng của sản phẩm. Do có thể hoạt động trong mơi trường
khắc nhiệt và độc hại, có thể hoạt động liên tục với cường độ cao, ít sai sót.
Xuất phát từ ý tưởng sử dụng robot thay thế con người trong khâu phân loại với kích thước
và màu sắc khác nhau của từng loại sản phẩm. Do đó việc nghiên cứu và ứng dụng robot
scara kết hợp với camera để xử lí màu sắc, kích thước và vị trí sản phẩm để phù hợp trong

sản xuất là rất cần thiết.
3. Mục tiêu đề tài

Luan van


Mở Đầu
Mục tiêu của đề tài là thiết kế một cánh tay robot scara để gắp sản phẩm. Camera có chức
năng thu thập hình ảnh, phân loại màu sắc, xác định vị trí của sản phẩm và sai đó dùng
cánh tay robot để gắp vật.
4. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo mơ hình robot Scara 4 bậc và sử dụng camera để xử lí
ảnh sản phẩm (màu sắc, kích thước, vị trí).
5. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu trong đề tài:
-

Nghiên cứu lý thuyết động học, động lực học robot scara.

-

Phân loại sản phẩm theo màu sắc.

-

Thi cơng mơ hình robot scara.

-

Điều khiển robot scara bằng bộ điều khiển PID.

6. Phương pháp nghiên cứu
-

Tìm hiểu và xây dựng giải thuật điều khiển hệ thống.

-

Nghiên cứu nhận dạng màu sắc và vị trí của sản phẩm.

-

Sử dụng phần mềm Ardunio IDE và Matlab Simulink để xây dựng giải thuật điều
khiển trên hệ thống.

Luan van


Chương 1. Tổng Quan

Chương 1. Tổng Quan
1.1. Đặt vấn đề
Lịch sử hình thành:
Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những cánh tay máy điều khiển từ
xa trong các phịng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 của thế kỉ 20 bên
cạnh những tay máy chấp hành cơ khí đã xuất hiện các loại tay máy thủy lực và điện từ.
Năm 1961 Robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà máy General Motor
tại Mỹ. Năm 1967 Nhật Bản mới nhập Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AFM của
Hoa Kỳ. Đến năm 1990, có hơn 40 công ty ở Nhật Bản đã đưa ra thị trường nhiều loại
Robot khác nhau.

Từ những năm 1970 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của Robot đã tập trung đến sự lắp
đặt thêm các loại cảm biến để nhận biết mơi trường làm việc. Một lĩnh vực được nhiều
phịng thí nghiệm quan tâm đến đó là phát triển Robot tự hành. Các loại robot này chưa có
nhiều ứng dụng trong công nghiệp tuy nhiên các loại Robot này lại nhanh chóng được đưa
vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt.
Từ những năm 90 do áp dụng rộng rãi các kĩ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số
lượng Robot công nghiệp đã gia tăng đáng kể, giá thành giảm đi rõ rệt và các tính năng
ngày càng được mở rộng. Nhờ vậy mà Robot cơng nghiệp ngày càng đóng vai trị quan
trọng trong các dây chuyền sản xuất.
Tính cấp thiết của Robot:
Robot cơng nghiệp hiện được đánh giá là công cụ lao động của tương lai vì khả năng làm
việc liên tục, trong mơi trường khắc nghiệt, ít xảy ra lỗi. Có khả năng chiếm đến 80% năng
suất và là lực lượng sản xuất chính trong tất cả các lĩnh vực, có thể tuỳ chỉnh linh hoạt khả
năng hoạt động.
Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, Robot không chỉ hoạt động theo các vị trí lập
trình sẵn, mà cịn có thể kết hợp với xử lí ảnh, các thuật tốn chun sâu để tối ưu việc di
chuyển và linh hoạt hoạt động với bất kì vị trí nào trong phạm vi hoạt động của robot.
Trong dây chuyền công nghiệp, việc kiểm tra bề ngồi của sản phẩm là vơ cùng quan trọng.
Để đạt được năng suất cao và tránh các sai sót chủ quan của con người thì việc tự động hóa
khâu kiểm tra bề ngoài thay thế con người là việc cần thiết. Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm
nghiên cứu việc kết hợp robot và xử lý ảnh để tiến hành phân loại sản phẩm. Quá trình
phân loại sẽ là thu thập màu sắc từ các vật mẫu qua camera. Sau đó tiến hành phân loại,
1

Luan van


Chương 1. Tổng Quan
nếu sản phẩm có màu hợp quy định thì sẽ được gắp và phân loại vào kho chứa. Nếu màu
khác sẽ bị loại bỏ khỏi băng tải.

Hình 1. 1: Robot Scara đóng gói sản phẩm

1.2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu và phát triển hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot thương mại, sau đó
chế tạo một cánh tay robot khác thay thế. Cụ thể như sau:
-

-

Cải thiện hiệu suất gắp vật trên robot Magician: Băng tải có khả năng chạy liên tục,
thay đổi phương thức quỹ đạo của robot để tăng tốc độ cánh tay.
Chế tạo cánh tay robot Scara 4 bậc tự do gồm một trục z để di chuyển lên xuống,
hai khớp xoay để di chuyển đến vị trí trong khơng gian Oxyz và một khớp xoay ở
đầu có gắn giác hút để định hướng cho vật được gắp.
Nghiên cứu điều khiển các góc quay của động cơ bước, động cơ servo cho các khớp
của cánh tay robot bằng Arduino Mega 2560.
Nghiên cứu động học tay máy để điều khiển robot tới vị trí mong muốn. Vận dụng
xử lý ảnh để nhận dạng các khối vật hình vng, xác định được màu sắc, vị trí,
hướng của vật sau đó kết hợp với điều khiển cánh tay robot phân loại và xếp các
khối vật vào kho.
1.3. Giới hạn đề tài

Vì thời gian và kiến thức cịn hạn chế, do đó trong đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và
chế tạo mơ hình robot scara phân loại sản phẩm theo màu sắc.
Phần mơ hình: Thiết kế mơ hình cánh tay robot scara 4 bậc. Sử dụng camera để nhận dạng
màu sắc và vị trí sản phẩm.
Phần điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển PID cho robot và giao diện điều khiển cho robot.

2

Luan van


Chương 1. Tổng Quan
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Đồ án này nhóm tác giả sẽ sử dụng cảm biến lidar để quét bản đồ và định hướng cho robot,
các dữ liệu của cảm biến sẽ được sử dụng để phục vụ cho việc điều khiển xe tự hành. Do
tính chất di chuyển của mơ hình nên tồn bộ dữ liệu của robot sẽ được gửi qua wifi.
1.5. Nội dung đề tài
Phần cịn lại của đề tài có nội dung như sau:
Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Nội dung chương 2 sẽ trình bày về chọn cấu hình tay máy phù
hợp để thiết kế cho hệ thống, trình bày cách nhận dạng màu sắc của vật thể.
Chương 3 Động học và động lực học robot: Trình bày về tính tốn động học, động lực học
của robot Scara, sau đó mơ phỏng và điều khiển trên phần mềm matlab Simulink.
Chương 4 Thiết kế phần cứng: Dựa trên phần cứng tay máy đã lựa chọn ở chương 2, chương
này nhóm tác giả sẽ thiết kế phần cứng trên phần mềm solidwork và lựa chọn thiết bị phần
cứng cho hệ thống.
Chương 5 Thiết kế phần mềm: Chương này sẽ trình bày về thiết kế phần mềm và lưu đồ
điều khiển cho mơ hình.
Chương 6 và chương 7: Lần lượt trình bày về kết quả đã đạt được về phần cứng, phần
mềm, những vấn đề đã giải quyết được và hướng phát triển, cải tiến của mơ hình.

3

Luan van


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
2.1. Lựa chọn cấu hình robot
Với xu hướng tự động hóa cơng nghiệp như ngày nay thì robot đang ngày càng trở nên
quen thuộc trong các nhà máy, đặc biệt các lĩnh vực có tính chất cơng việc nguy hiểm đối
với con người và có tính lặp đi lặp lại. Có thể kể một số cơng việc như khiêng vác vật nặng,
phân loại sản phẩm, hỗ trợ sản xuất. Chính vì sự đa dạng trong cơng việc và lĩnh vực nên
mỗi cơng việc sẽ có kiểu robot phù hợp cho tính chất cơng việc đó.
Robot cơng nghiệp trên thị trường hiện nay rất đa dạng về kích thước mẫu mã và chủng
loại, nhưng điển hình có thể kể đến một số loại như sau:
-

Robot Descartes: Là một loại robot rất phổ biến với hầu hết các ứng dụng trong
công nghiệp. Robot này hoạt động theo chuyển động tịnh tiến các trục xyz và có
thiết kế cứng, vì thiết kế cứng của robot này nên tải trọng làm việc của robot khá
cao. Ưu điểm của loại robot này là dễ lập trình robot có khơng gian làm việc rộng
và dễ dàng tùy chỉnh, độ chính xác của robot khá cao, phù hợp với công việc phân
loại. Nhược điểm của loại robot này là lắp ráp khá phức tạp.

Hình 2. 1: Descartes robot

-

Scara robot: Là một phiên bản hoàn thiện hơn của robot descartes, scara cũng có
chuyển động theo phương xyz nhưng có cả chuyển động quay. Scara thường được
sử dụng trong các ứng dụng tương tự như như robot Descartes, những công việc với
không gian làm việc nhỏ yêu cầu độ chính xác và tốc độ. Scara thường linh hoạt
hơn và ít cồng kềnh hơn robot descartes. Nhược điểm của Scara robot là khó mở
rộng khơng gian làm việc của robot trong khi với robot descartes thì việc này khá
dễ dàng, chính vì yếu tố này mà robot Descartes phổ biến hơn trong công nghiệp.
4

Luan van


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết

Hình 2. 2: Scara robot

-

Cánh tay robot: Là loại robot được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực sản xuất, phù
hợp với các công việc đòi hỏi khuân vác vật nặng, nguy hiểm với con người. Cánh
tay robot được thiết kế dựa trên cánh tay thật của con người với nhiều khớp xoay
nối tiếp nhau (thường là 6 hoặc 4 khớp). Vì được cấu tạo từ nhiều khớp nối tiếp
nhau nên cánh tay robot phù hợp với hầu hết các loại công việc ở các lĩnh vực khác
nhau từ đơn giản đến phức tạp. Nhược điểm của loại robot này là giá thành rất cao,
lập trình và vận hành tương đối khó, đối với những ứng dụng cần khn vác hoặc
nâng vật nặng thì địi hỏi phải có một cánh tay đủ lớn điều đó dẫn đến lấn chiếm
khơng gian làm việc.

Hình 2. 3: Robot 6 trục của FANUC

5

Luan van


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
-

Robot song song: Được cấu tạo từ các khớp song song với nhau và tải trọng làm
việc của robot khá nhỏ, nên loại robot này thường được ứng dụng trong các lĩnh vực
không yêu cầu khuân vác nặng và yêu cầu độ chính xác cao như điện tử, y tế … Ưu
điểm của loại robot này là tốc độ và độ chính xác cao. Nhược điểm là tải trọng làm
việc của robot khá thấp.

Hình 2. 4: Robot delta

2.2. Xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một phân ngành trong xử lý số tín hiệu với tín hiệu xử lý là ảnh. Đây là một
phân ngành khoa học mới rất phát triển trong những năm gần đây. Xử lý ảnh gồm 4 lĩnh
vực chính: xử lý nâng cao chất lượng ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh và truy vấn ảnh. Sự phát
triển của xử lý ảnh đem lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người.
Ngày nay xử lý ảnh đã được áp dụng rất rộng rãi trong đời sống như: nhận dạng biển số
xe, nhận dạng khuôn mặt, nhận dạng chữ viết, xử lý ảnh thiên văn, ảnh y tế,....
2.2.1.

Khái niệm xử lý ảnh

Con người thu nhận thông tin qua các giác quan trong đó thị giác đóng vai trị rất quan
trọng. Ngày nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật và robot xử ảnh lý ảnh đã phát triển
một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh đóng vai trị quan
trọng trong tương tác người- máy. Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác
ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh
có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận từ những thông tin trong ảnh đầu vào.

6

Luan van

Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
2.2.2.

Các vấn đề trong xử lý ảnh

Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu nhất
định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt
người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh
thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh. Cấu tạo của ảnh là tập hợp
các điểm ảnh được mơ tả như hình

Hình 2. 5: Cấu tạo của ảnh

Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng được gán bằng giá trị nguyên tương
ứng với thang đo độ xám. Thang đo độ xám phụ thuộc vào số bit để biểu diễn màu của
điểm ảnh. Đối với ảnh nhị phân dùng 1 bit để biểu diễn màu => [0,1] là thang đo độ xám
(0: đen, 1: trắng), ảnh xám thang đo độ xám là [0,255] => (0: đen, 255: trắng)
Khơng gian màu là một mơ hình tốn học dùng để mô tả các màu sắc trong thực tế được
biểu diễn dưới dạng số học. Trên thực tế có rất nhiều khơng gian màu khác nhau được mơ
hình để sử dụng vào những mục đích khác nhau. Chúng ta sẽ tìm hiểu qua về hai khơng
gian màu cơ bản hay được nhắc tới và ứng dụng nhiều, đó là hệ khơng gian màu RGB,
HSV.
+ RGB:

Hình 2. 6: Khơng gian màu RGB

RGB là không gian màu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong đồ họa máy tính và
nhiều thiết bị kỹ thuật số khác. Với ba màu gốc trong mơ hình ánh sáng bổ sung, khá gần
với cách mắt người tổng hợp màu sắc. Ánh sáng đỏ (R), xanh lá (G) và xanh dương (B)

được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để có thể tạo thành tất cả các màu
7

Luan van


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết
sắc. Đây cũng là không gian màu mặc định trong OpenCV, tuy nhiên OpenCV đảo hai
kênh Red và Blue lại, trở thành BGR. Trong mô hình 24 bits (2^24 = 16777216 màu), mỗi
kênh màu sẽ sử dụng 8 bits để biểu diễn, tức giá trị R, G, B sẽ nằm trong đoạn từ 0 đến
255. Bộ ba màu này sẽ biểu diễn cho từng điểm ảnh, mỗi số biểu diễn cho cường độ của
một màu.
+HSV:

Hình 2. 7: Khơng gian màu HSV

Khơng gian màu HSV (cịn gọi là HSB) là một cách tự nhiên hơn để mô tả màu sắc, dựa
trên 3 số liệu:
H = Hue: vùng màu, S = Saturation: độ bảo hòa, V = value: giá trị cường độ sáng. Trong
OpenCV, H có giá trị trong khoảng [0,179] (thực tế là 0-360), S và V có giá trị trong
khoảng [0,255]
2.2.3.

Thư viện OpenCV

OpenCV (Open Computer Vision) là thư viện mã nguồn mở hàng đầu trong lĩnh vực thị
giác máy tính, xử lý ảnh và máy học. Nó được phát hành năm 1999 theo giấy phép BSD
(một nhóm các giấy phép phần mềm miễn phí cho phép), do đó nó hồn tồn miễn phí cho
cả học thuật và thương mại. Hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình C++, C, Python, Java và các hệ
điều hành Windows, Linux, MacOS, iOS và Android. OpenCV được viết trên ngôn ngữ

C/C++ vì vậy nó có tốc độ tính tốn rất nhanh, tập trung nhiều vào các ứng dụng thời gian
thực. Ứng dụng phổ biến trong nhận dạng và xử lý hình ảnh, kiểm tra và giám sát tự động,
Robot và xe tự hành, phân tích hình ảnh y tế, thực tế ảo.

8

Luan van


Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết

Hình 2. 8: Logo OpenCV

Một số tính năng nổi bật có trong thư viện OpenCV bao gồm: bộ công cụ hỗ trợ xử lý ảnh
2D và 3D; nhận diện khuôn mặt; nhận diện đối tượng; nhận diện cử chỉ; nhận dạng chuyển
động, hành vi của đối tượng; tương tác giữa người và máy tính; điều khiển Robot; hỗ trợ
công nghệ thực tế ảo.
Một số hàm chức năng của OpenCV:
• Hàm cơ bản:
− Hàm đọc tín hiệu từ camera.
− Hàm đọc ảnh
− Hàm hiển thị ảnh
− Hàm ghi ảnh
− Hàm xem thông tin ảnh.
− Các hàm căn chỉnh ảnh: crop ảnh, resize ảnh, quay ảnh, lật ảnh, …
• Hàm biến đổi xử lý ảnh:
− Chuyển ảnh màu sang ảnh xám.
− Chuyển ảnh màu, xám sang ảnh nhị phân.
− Các biến đổi với bộ lọc: Blur, Gaussian Filter, Median Filter, Box Filter, …
− Các phép dò biên: Sobel, Canny.

9

Luan van


Chương 3. Động Học Và Động Lực Học Robot

Chương 3. Động Học Và Động Lực Học
Robot
3.1. Tính tốn động học tay máy
3.1.1.

Động học thuận tay máy

Có rất nhiều phương pháp để đặt hệ trục tọa độ tính tốn động học cho robot, trong đồ án
này nhóm tác giả sẽ sử dụng phương pháp tìm tham số của bảng DH để áp dụng và tính
tốn.
Mục đích của bài tốn động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối của tay máy
khi biết các biến khớp của tay máy.
Trước khi đi tìm các thơng số của bảng DH để phục vụ cho việc tính tốn, ta phải đi đặt hệ
trục tọa độ cho cấu hình robot đã chọn. Hệ trục tọa độ của robot được đặt theo các quy tắc
sau:
-

Hệ trục tọa độ {i} sẽ được gán với khớp {i}.
Trục 𝑍𝑖 được đặt đọc theo lối ra khớp {i}.
Trục 𝑥𝑖 được chọn là đường vng góc chung giữa 𝑍𝑖 và 𝑍𝑖+1 .
Trục 𝑦𝑖 được chọn theo quy tắc tay phải.
Hệ trục tọa độ {0} trùng với hệ trục tọa độ {1} khi biến khớp thứ 1 bằng 0.

Với các cấu hình robot phổ biến đã được nhóm trình bày ở chương 2. Trong đồ án này
nhóm tác giả chọn cấu hình scara robot 4 bậc tự do để thiết kế vì những lý do sau:
-

Cấu hình robot nhỏ gọn thuận tiện lúc di chuyển.
Phần cứng robot không quá phức tạp khi thiết kế.
Robot có tầm hoạt động linh hoạt.
Tải trọng làm việc của robot vừa phải.
Giá thành khi thi cơng robot ở mức vừa phải.

Từ mơ hình robot scara 4 bậc đã có sẵn như hình 3.1 nhóm đã tiến hành đặt hệ trục tọa độ
của robot được biểu diễn như trong hình 3.2.

10

Luan van


Chương 3. Động Học Và Động Lực Học Robot

Hình 3. 1 Cánh tay robot Scara 4 bậc
Z3
3

Z 0 , Z1 , Z 2

Z4
4

d2

a

d4

X2

X3

EE
d5

X4

1
X1
X0

Hình 3. 2 Hệ trục tọa độ của robot
Bảng 1: Các kí hiệu trên hệ trục tọa độ

Kí hiệu

Mơ tả

Đơn vị

1

Góc quay khớp thứ 1

rad

3

Góc quay khớp thứ 3

rad

11

Luan van


Chương 3. Động Học Và Động Lực Học Robot

4

Góc quay khớp thứ 4

rad

a

Độ dài tịnh tiến khớp thứ 2 so với khớp thứ 1

mm

𝑑2

Khoảng cách giữa khớp thứ 3 và thứ 2

mm

𝑑4

Khoảng cách giữa khớp thứ 4 và thứ 3

mm

𝑑5

Khoảng cách giữa khớp thứ 4 và điểm đầu cuối

mm

Bốn thông số chính của bảng DH bao gồm:
𝑎𝑖 : Khoảng cách từ trục 𝑍𝑖 tới trục 𝑍𝑖+1 dọc theo trục 𝑋𝑖 .

 𝑖 : Góc quay từ trục 𝑍𝑖 tới 𝑍𝑖+1 quay quanh trục 𝑋𝑖 .
𝑑𝑖 : Khoảng cách từ trục 𝑋𝑖−1 tới trục 𝑋𝑖 dọc theo trục 𝑍𝑖 .

 𝑖 : Góc quay từ trục 𝑋𝑖−1 tới 𝑋𝑖 quay quanh trục 𝑍𝑖 .
Từ hệ trục tọa độ ta có bảng DH của robot như sau:
Bảng 2: Bảng DH robot

i

𝑎𝑖−1

 𝑖−1

𝑑𝑖

𝑖

1

0

0

0

1

2

0

0

a

0

3

𝑑2

0

0

3

4

𝑑4

0

0

4

Công thức tính ma trận chuyển đổi đồng nhất giữa các hệ trục tọa độ được biểu diễn như
sau:

cos( i )
− sin( i )
0
 i −1


sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) − sin( ) − sin( ) d 
i
i −1
i

i −1
i −1
i −1
i
i −1

iT =
 sin( i ) sin( i −1 ) cos( i ) sin( i −1 ) cos( i −1 ) cos( i −1 ) d i 


0
0
0
1



(3.1)

12

Luan van


Chương 3. Động Học Và Động Lực Học Robot
Điểm đầu cuối của robot được tính như sau:
0

P

EE

= 04T . 4 P

EE

= 01T . 21T . 23T . 34T . 4 P EE

(3.2)

Ta có tọa độ của điểm đầu cuối trong hệ trục thứ 4:

d 5 
4
P EE =  0 
 0 

(3.3)

Từ (3.1), (3.2) và (3.3) ta được:

 d 4 cos( 1 + 3 ) + d 2 cos( 1 ) + d 5 cos( 1 + 3 + 4 ) 
 d sin( + ) + d sin( ) + d sin( + + ) 
1
3
2
1
5
1
3

4 
0
P EE =  4


a


1


3.1.2.

(3.4)

Động học ngược tay máy

Từ phương trình (3.4) ta chia thành 3 phương trình như sau:

P X = d 4 cos( 1 + 3 ) + d 2 cos( 1 ) + d 5 cos( 1 + 3 + 4 )

(3.5)

P Y = d 4 sin( 1 + 3 ) + d 2 sin( 1 ) + d 5 sin( 1 + 3 + 4 )

(3.6)

P z= a

(3.7)

Ta đặt:

 =  1 + 3 + 4

(3.8)

x 1 = P X −d5 .cos()

(3.9)

y 1 = P Y −d5 .sin()

(3.10)

Thế (3.8), (3.9), (3.10) vào (3.5), (3.6) ta được

x 1 −d 2 .cos( 1 ) = d 4 .cos( 1 + 3 )

(3.11)

y 1 −d 2 .sin( 1 ) = d 4 .sin( 1 + 3 )

(3.12)

13

Luan van

Chương 3. Động Học Và Động Lực Học Robot
Lấy (3.11)2 + (3.12)2 ta được phương trình sau:

(−2.x 1.d 2 ).cos( 1 ) + (−2. y 1.d 2 ).sin( 1 ) = d 42 − x12 − y 21 −d 22

(3.13)

Ta có (3.13) là phương trình cơ bản dạng “a.cos( 𝜃1 ) + b.sin( 𝜃1 ) = d” giải phương trình
trên ta được:

(−2. y 1.d 2 )

 1 = a tan 2(

(−2.x 1.d 2 ) + (−2. y 1.d 2 )
2

a tan 2( 1 −

2

(−2.x 1.d 2 ) + (−2. y 1.d 2 )
2

2

)+

(d 24 − x12 − y 21 − d 22 ) 2
(d 24 − x12 − y 21 − d 22 )

,
)
(−2.x 1.d 2 ) 2 + (−2. y 1.d 2 ) 2 (−2.x 1.d 2 ) 2 + (−2. y 1.d 2 ) 2

(−2. y 1.d 2 )

 1 = a tan 2(

(−2.x 1.d 2 )

,

(−2.x 1.d 2 ) + (−2. y 1.d 2 )
2

a tan 2( − 1 −

2

,

(−2.x 1.d 2 )
(−2.x 1.d 2 ) + (−2. y 1.d 2 )
2

2

(3.14)

)+

(d 24 − x12 − y 21 − d 22 ) 2
(d 24 − x12 − y 21 −d 22 )
,
)
(−2.x 1.d 2 ) 2 + ( −2. y 1.d 2 ) 2 (−2.x 1.d 2 ) 2 + ( −2. y 1.d 2 ) 2

(3.15)

Từ phương trình (3.11) và (3.12) ta có:

cos( 1 + 3 ) =

x 1 −d 2 .cos( 1 )
d4

(3.16)

sin( 1 + 3 ) =

y 1 −d 2 .sin( 1 )
d4

(3.17)

 3 = a tan 2(

y 1 −d 2 .sin( 1 ) x 1 −d 2 .cos( 1 )
,
) − 1

d4
d4

(3.18)

Từ (3.8) ta có:

 4 =  − ( 1 + 3 )

(3.19)

3.2. Động lực học tay máy bằng phương pháp Lagrangian
Động lực học táy máy nghiên cứu mối quan hệ giữa lực, mômen, năng lượng … với các
thông số chuyển động của tay máy. Động lực học được xây dựng dựa trên cơ sở các định
luật bảo toàn năng lượng tay máy.
Phân tích động lực học tay máy nhằm mục đích mô phỏng và khảo sát hoạt động của tay
máy mà khơng cần mơ hình thật.
14

Luan van