Điều khiển robot scara 4 trục gắp xếp sản phẩm

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 TRỤC
GẮP XÊP SẢN PHẨM

GVHD: ThS. LÊ HOÀNG LÂM
SVTH: TRẦN LÊ MINH HUY
LƯƠNG HỒNG SƠN

SKL009214

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-----------***-----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 TRỤC
GẮP XÊṔ SẢN PHẨM

GVHD: ThS. LÊ HOÀNG LÂM

SVTH: TRẦN LÊ MINH HUY
LƯƠNG HOÀNG SƠN

GVHD: Th.S. HUỲNH PHƯỚC SƠN
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

----o0o---TP. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2021

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên 1: Trần Lê Minh Huy
MSSV: 17151082
Họ và tên sinh viên 2: Lương Hoàng Sơn
MSSV: 17130036
Giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Hồng Lâm
Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Khóa: 2017-2021
Lớp:17151CL3 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao
I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 TRỤC GẮP XẾP SẢN PHẨM
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Tìm hiểu về động cơ servo cũng như cách điều khiển.
- Tìm hiểu về bộ động cơ servo và driver MR-J3-B, MR-J4-B của Mitsubishi.
- Tìm hiểu về điều khiển vị trí.
- Tìm hiểu về robot SCARA.
- Tìm hiểu về xử lý ảnh trong công nghiệp.

2. Nội dung thực hiện:
- Gia công lắp ráp cơ khí cho mơ hình.
- Thiết kế phần điều khiển cho hệ thống.
- Viết chương trình điều khiển cho Q-CPU Mitshubishi.
- Viết chương trình điều khiển ladder cho CPU dịng Q series.
- Cài đặt các thơng số theo cơ khí đã thiết kế và điều chỉnh máy.
- Thiết kế màn hình HMI GOT 1000.
- Chạy thử nhiều lần, ghi nhận lại các qua trình chạy và rút ra sai số.
- Nhận xét và kết luận.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 8/3/2021
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/12/2021
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Lê Hoàng Lâm
TRƯỞNG NGÀNH

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

i


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

----o0o---TP. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2021

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Trần Lê Minh Huy
MSSV: 17151082
Họ tên sinh viên 2: Lương Hoàng Sơn
MSSV: 17130036
TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 TRỤC GẮP XẾP SẢN PHẨM

Tuần/
ngày
1

Nội dung

Xác nhận
GVHD

Xét duyệt đề tài và đề cương.

x

Tìm hiểu sơ lược hệ thống, lựa chọn thiết bị,động
cơ, Driver, Camera.
Tìm hiểu điều khiển động cơ Servo, điều khiểnvị
trí, điều khiển tốc độ.
Tìm hiểu mạng động cơ Servo –SSCNET III

x

x

6

Tìm hiểu xử lý ảnh trong công nghiệp bằng camera
Cognex
Cài đặt Parameter cho động cơ Servo

7

Viết chương trình Ladder cho Q-CPU

x

8

x

9

Viết chương trình điều khiển đồng bộ tốc độđộng
cơ Servo đầu tiên.
Tính tốn, thiết kế phần cơ khí.

10

Hồn thành phần cơ khí.

x

11

Tính tốn thiết kế phần điện.

x

12

Hồn thành phần điện.

x

13

x

14

Viết chương trình điều khiển hồn chỉnh cho mơ
hình.
Kiểm tra giải thuật, sửa lỗi, tăng tốc độ đồngbộ

15

Hồn thành mơ hình, viết báo cáo

x

2
3
4
5

x
x

x

x

x

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

ii


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

----o0o---TP. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2021

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên 1: Trần Lê Minh Huy
MSSV: 17151082
Họ và tên sinh viên 2: Lương Hoàng Sơn
MSSV: 17130036
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Hồng Lâm
Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Khóa: 2017-2021
Lớp:17151CL3 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao
TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 TRỤC GẮP XẾP SẢN PHẨM
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
-

Thực hiện đầy đủ các nội dung về xây dựng và điều khiển cánh tay 4 bậc để gắp

vật chính xác

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
-

Đầu tư nhiều thời gian và cơng sức tập trung vào công việc

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
Không
....................................................................................................................................
Đề nghị cho bảo vệ hay không?
Cho bảo vệ  Bổ sung để được bảo vệ  Không cho bảo vệ 
Đánh giá loại:.............................................................................................................
Điểm: ....... (Bằng chữ: ..............)
TP. HCM, ngày 2 tháng 1 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn

iii


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

----o0o---Tp. HCM, ngày 11 tháng 1 năm 2022

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên 1: Trần Lê Minh Huy
MSSV: 17151082
Họ và tên sinh viên 2: Lương Hoàng Sơn
MSSV: 17130036
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Hồng Lâm
Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Khóa: 2017-2021
Lớp:17151CL3 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao
Giáo viên phản biện:
TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4 TRỤC GẮP XẾP SẢN PHẨM
NHẬN XÉT
1. Nhận xét chung về nội dung đề tài
Nội dung và khối lượng đề tài phù hợp với một đồ án tốt nghiệp. Hoàn thành việc
điều khiển cơ bản cho mơ hình robot
2. Ý kiến kết luận (ghi rõ nội dung cần bổ sung, hiệu chỉnh)
Nội dung đồ án cần hiệu chỉnh lại các vấn đề sau:
- Nhóm cần hiệu chỉnh lại bảng thơng số Robot (Bảng 3.1) cho chính xác.
- Nhóm cần đánh số thứ tự các cơng thức tốn học.
- Nhóm cần hiệu chỉnh lại các lưu đồ điều khiển robot trong mục 4.2 cho chính xác.
3. Câu hỏi phản biện (Giảng viên khơng cho SV biết trước)
- Hãy trình bày cách điều khiển chạy theo đường thẳng từ lưu đồ giải thuật trong
hình 4.1
- Hãy giải thích cách nội suy theo trục được chọn làm trục tham chiếu (ở cuối trang
56)
Đề nghị: Được bảo vệ:  Bổ sung để được bảo vệ: 

Không được bảo vệ: 

Điểm: 8/10 (Bằng chữ: Tám)

TP. HCM, ngày 11 tháng 1 năm 2022
Giáo viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

iv


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

----o0o---Tp. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2021

LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chúng tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Người thực hiện đề tài
Nhóm sinh viên

Trần Lê Minh Huy

Lương Hồng Sơn

v


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM trong thời
gian 6 tháng. Trong q trình làm khóa luận tốt nghiệp, nhóm sinh viên đã nhậnđược

rất nhiều sự giúp đỡ để hoàn thành luận văn này.
Trước tiên nhóm sinh viên thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng
dẫn Lê Hồng Lâm đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệmcho
nhóm trong suốt q trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Xin gửi lời cảm ơnđến
quý thầy cô Khoa Điện - Điện tử , Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. HCM,
những người đã truyền đạt kiến thức nền tảng quý báu cho nhóm trong suốt thời gian
học tập vừa qua. Xin gửi lời cảm ơn bạn bè và các bạn sinh viên lớp 17151CL3 đã
ln động viên, giúp đỡ nhóm trong q trình làm luận văn.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn đến mọi người xung quanh, gia đình, người thân,
bạn bè và thầy cô đã và đang bên cạnh, ủng hộ chúng em trên con đường học tập, làm
việc và tìm ra những hướng đi mới trong tương lai.
Người thực hiện đề tài
Nhóm sinh viên

Trần Lê Minh Huy

Lương Hồng Sơn

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................. i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...................................................... ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................... iii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .................................................. iv
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ v
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. vi
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vii
MỤC LỤC BẢNG .......................................................................................................... ix

MỤC LỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................... x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu ................................................................................................................ 2
1.3. Nội dung nghiêm cứu............................................................................................ 3
1.4. Đối tượng nghiêm cứu .......................................................................................... 3
1.5. Giới hạn................................................................................................................. 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 5
2.1. Robot SCARA ...................................................................................................... 5
2.1.1. Giới thiệu Robot................................................................................................. 5
2.1.2. Hệ tọa độ ............................................................................................................ 6
2.1.3. Không gian làm việc của Robot (Workspace or Range of motion) ................... 7
2.1.4. Mơ hình động học .............................................................................................. 8
2.1.5. Động học thuận .................................................................................................. 8
2.1.6. Động học nghịch .............................................................................................. 12
2.2. Positioning Control ............................................................................................. 15
2.2.1. Định nghĩa ........................................................................................................ 15
2.2.2. Các thành phần của Positioning Control .......................................................... 15
2.3. Tổng quan về Servo ............................................................................................ 17
2.3.1. Giới thiệu về Servo. ......................................................................................... 17
2.3.2. Cấu tạo và chức năng của AC Servo ............................................................... 17
2.4. Giới thiệu về Driver Servo .................................................................................. 18
2.4.1. Giới thiệu Driver MR-J3-B .............................................................................. 19
2.4.2. Giới thiệu Driver MR-J4-B .............................................................................. 20
2.5. Thị giác máy tính (Machine Vision) ................................................................... 21
2.5.1. Định nghĩa ........................................................................................................ 21
2.5.2. Lợi ích của thị giác máy tính trong công nghiệp ............................................. 22
2.5.3. Ứng dụng của hệ thống thị giác máy ............................................................... 23
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN - THIẾT KẾ .................................................................. 24
3.1. u cầu điều khiển ............................................................................................. 24

3.2. Tính tốn và thiết kế hệ thống ............................................................................ 24
3.2.1. Phần cơ khí ...................................................................................................... 24
3.2.1.1. Yêu cầu cơ khí của hệ thống ......................................................................... 24
3.2.1.2. Robot SCARA .............................................................................................. 24
3.2.1.3. Băng tải ......................................................................................................... 26
3.2.1.4. Bàn đỡ phôi ................................................................................................... 26
vii


3.2.1.5. Khung đỡ mơ hình ........................................................................................ 26
3.2.1.6. Khung treo Camera ....................................................................................... 27
3.2.2. Phần điện .......................................................................................................... 27
3.2.2.1. Yêu cầu chức năng điện ................................................................................ 27
3.2.2.2. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống......................................................................... 27
3.2.3. Chọn thiết bị cho hệ thống ............................................................................... 28
3.2.3.1. Động cơ ......................................................................................................... 29
3.2.3.2. Driver động cơ .............................................................................................. 30
3.2.3.3. Bộ điều khiển ................................................................................................ 34
3.2.3.4. Positioning Module ....................................................................................... 35
3.2.3.5. Digital Output Module .................................................................................. 38
3.2.3.6. Ethernet Interface Module ............................................................................ 39
3.2.3.7. Cơ cấu gấp nhả.............................................................................................. 40
3.2.3.8. Tổng quan trạm CPU .................................................................................... 41
3.2.3.9. Camera Cognex............................................................................................. 41
3.2.3.10. Thiết bị đóng/ngắt (CB) .............................................................................. 43
3.2.3.11. Lọc nhiễu nguồn AC (Noise Filter) ............................................................ 43
3.3. Sơ đồ nối dây ...................................................................................................... 45
3.3.1. Mạch động lực ................................................................................................. 45
3.3.2 Mạch điều khiển................................................................................................ 46
CHƯƠNG 4. GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN........................ 47

4.1. Mơ tả hoạt động của mơ hình ............................................................................. 47
4.2. Lưu đồ của hệ thống ........................................................................................... 47
4.2.1. Lưu đồ chạy dọc theo băng tải ......................................................................... 47
4.2.2. Lưu đồ hoạt động của hệ thống ....................................................................... 50
4.3. Giải thuật điều khiển ........................................................................................... 51
4.3.1. Sử dụng bài toán động học thuận..................................................................... 51
4.3.2. Sử dụng bài toán động học nghịch................................................................... 51
4.3.3. Giải thuật điều khiển robot chạy đường thẳng ................................................ 53
4.3.4. Bù góc cho trục 4 ............................................................................................. 53
4.3.5. Điều khiển trục 3.............................................................................................. 57
4.3.6. Giải thuật chạy nội suy nhiều trục ................................................................... 58
4.3.7. Phương pháp điều khiển động cơ servo ........................................................... 58
4.4. Phần mềm lập trình PLC ..................................................................................... 60
4.5. Phần mềm thiết kế HMI ...................................................................................... 61
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ..................................................................... 62
5.1. Kết quả phần cứng .............................................................................................. 62
5.2. Kết quả phần điện ............................................................................................... 65
5.3. Kết quả chạy thực tế ........................................................................................... 68
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 72
6.1. Kết luận ............................................................................................................... 72
6.2. Hướng phát triển ................................................................................................. 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 73
PHỤ LỤC................................................................................................................... 74

viii


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2. 1. Bảng tham số D-H của robot SCARA .............................................................. 10
Bảng 3. 1. Bảng tham số D-H của robot SCARA tương ứng với kích thước .................... 26

Bảng 3. 2. Công suất của các trục Robot ........................................................................... 29
Bảng 3. 3. Thơng số kĩ thuật chính của Driver MR-J3W-44B .......................................... 31
Bảng 3. 4. Thơng số kĩ thuật chính của Driver MR-J4W2-22B ........................................ 32
Bảng 3. 5. Thông số kĩ thuật chính của Driver MR-J3-10B .............................................. 33
Bảng 3. 6. Thành phần chức năng chính trên PLC Q03UDCPU ....................................... 35
Bảng 3. 7. Thơng số kĩ thuật chính của PLC Q03UDCPU ................................................ 35
Bảng 3. 8. Bảng thơng số kĩ thuật chính của Module QD75MH4 ..................................... 36
Bảng 3. 9. Bảng thông số kĩ thuật chính của Module QD75MH1 ..................................... 38
Bảng 3. 10. Thơng số kĩ thuật chính của Digital Output Module QY42P ......................... 39
Bảng 3. 11. Bảng thơng số kĩ thuật chính của Module Ethernet QJ71E71-100 ................ 40
Bảng 3. 12. Trạm CPU ....................................................................................................... 41
Bảng 3. 13. Thơng số kĩ thuật chính của Camera Cognex 800-5870-1R........................... 42
Bảng 3. 14. Danh sách thiết bị............................................................................................ 44

ix


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Robot SCARA trong thực tế [1] .......................................................................... 1
Hình 2. 1. Robot Hirata AR-300 [2] ..................................................................................... 6
Hình 2. 2. Quy tắc bàn tay phải [3] ...................................................................................... 7
Hình 2. 3. Vùng làm việc robot SCARA .............................................................................. 8
Hình 2. 4. Sự liên kết giữa trục i-1 và i [4]........................................................................... 9
Hình 2. 5. Các khớp của robot SCARA .............................................................................. 10
Hình 2. 6. Đặt trục tọa độ cho các khớp ............................................................................. 10
Hình 2. 7. Cách di chuyển thứ nhất của Robot ................................................................... 12
Hình 2. 8. Cách di chuyển thứ hai của Robot ..................................................................... 12
Hình 2. 9. Bộ điều khiển vị trí QD75MH4 của Mitshubishi [5] ........................................ 15
Hình 2. 10. Driver Servo MR-J4 [6]................................................................................... 16
Hình 2. 11. Truyền động dây đai và Puly ........................................................................... 17

Hình 2. 12. AC Servo HF-KP73 [7] ................................................................................... 18
Hình 2. 13. Driver của động cơ Servo [8] .......................................................................... 19
Hình 2. 15. Driver Servo MR-J3W-44B ............................................................................. 20
Hình 2. 16. Driver MR-J4W2-22B ..................................................................................... 21
Hình 2. 17. Ứng dụng xử lý ảnh bằng camera trong công nghiệp [9] ................................ 22
Hình 3. 1. Robot SCARA EPSON G6-551S [10] .............................................................. 25
Hình 3. 2. Thơng số kích thước Robot SCARA EPSON G6-551S .................................... 25
Hình 3. 3. Sơ đồ khối của hệ thống..................................................................................... 27
Hình 3. 4. Cơng suất của từng trục in trên nhãn Robot ...................................................... 28
Hình 3. 5. Động cơ Servo HG-KR13 [11] ......................................................................... 29
Hình 3. 6. Driver MR-J3W-44B [12] ................................................................................. 31
Hình 3. 7. Driver MR-J4W2-22B [13] ............................................................................... 32
Hình 3. 8. Driver MR-J3-10B [14]..................................................................................... 33
Hình 3. 9. PLC Mitsubishi Q03UDCPU [15] .................................................................... 34
Hình 3. 10. Thành phần chức năng chính trên PLC Q03UDCPU ..................................... 34
Hình 3. 11. Positioning Module QD75MH4 [16] .............................................................. 36
Hình 3. 12. Positioning Module QD75MH1 [17] .............................................................. 37
Hình 3. 13. Digital Output Module QY42P [18] ............................................................... 39
Hình 3. 14. Module Ethernet QJ71E71-100 [19] ............................................................... 40
Hình 3. 15. Nam châm điện 24VDC [20] .......................................................................... 40
Hình 3. 16. Tất cả CPU và Module sử dụng trong mơ hình ............................................... 41
Hình 3. 17. Camera Cognex 800-5870-1R [21] ................................................................. 42
Hình 3. 18. CB NF30-FA đóng/ngắt Driver ....................................................................... 43
Hình 3. 19. CB30-BA đóng/ngắt PLC, Nguồn 24VDC ..................................................... 43
Hình 3. 20. Noise Filter WYFS20T1AD ............................................................................ 43
Hình 3. 21. Sơ đồ mạch động lực ...................................................................................... 45
Hình 3. 22. Mạch điều khiển module ngõ ra cho nam châm điện ...................................... 46
Hình 4. 1. Lưu độ điều khiển Robot chạy dọc theo trục X hoặc Y .................................... 48
Hình 4. 2. Lưu đồ tổng quát hoạt động của hệ thống ......................................................... 50
Hình 4. 3. Một phần bài tốn động học thuận được biểu diễn dưới dạng Ladder .............. 51

Hình 4. 4. Một phần bài toán động học nghịch được biểu diễn dưới dạng Ladder ............ 53
Hình 4. 5. Minh họa sản phẩm sau khi bù góc ................................................................... 54
Hình 4. 6. Trục 3 điều khiển phối hợp với trục 4 ............................................................... 57
Hình 4. 7. Thơng số parameters của 4 trục động cơ ........................................................... 59
x


Hình 4. 8. Truyền động hộp số bằng bánh răng và dây đai ................................................ 60
Hình 4. 9. Giao diện lập trình của phần mềm Gxwork 2 .................................................... 60
Hình 4. 10. Giao diện thiết kế HMI trên phần mềm GT Designer ..................................... 61
Hình 5. 1. Băng tải được lắp đặt cố định trên bàn đỡ mơ hình ........................................... 62
Hình 5. 2. Bàn để sản phẩm ................................................................................................ 62
Hình 5. 3. Động cơ kéo băng tải ......................................................................................... 63
Hình 5. 4. Robot được gắn Servo mới phù hợp cho điều khiển ......................................... 63
Hình 5. 5. Khung treo camera ............................................................................................. 64
Hình 5. 6. Tổng quan mơ hình từ trên cao .......................................................................... 64
Hình 5. 7. Phần cơng tắc, CB đóng ngắt thiết bị của hệ thống ........................................... 65
Hình 5. 8. Tủ điện điều khiển hồn chỉnh ........................................................................... 66
Hình 5. 9. MCCB được gắn trên cánh tủ ............................................................................ 67
Hình 5. 10. Sản phẩm được đặt trên bàn............................................................................. 68
Hình 5. 11. Robot gắp sản phẩm đầu tiên ........................................................................... 68
Hình 5. 12. Robot đặt sản phẩm lên băng tải và chạy đồng bộ theo vật............................. 69
Hình 5. 13. Robot gắp sản phẩm ở cuối băng tải ................................................................ 69
Hình 5. 14. Sản phẩm sau khi sắp xếp ở vị trí mới ............................................................. 70
Hình 5. 15. Ba vật ban đầu xoay theo các hướng khác nhau .............................................. 70
Hình 5. 16. Vật 1 được xếp đúng hướng theo mũi tên ....................................................... 71
Hình 5. 17. Vật 2 được xếp chồng lên vật 1 theo hướng mũi tên ....................................... 71
Hình 5. 18. Vật 3 được xếp chồng lên vật 1,2 theo cùng hướng mũi tên ........................... 71

xi

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Robot cơng nghiệp nói chung và cánh tay robot SCARA nói riêng đang giữ cho
mình một vị trí quan trọng khơng thể thay thế trong nền sản xuất công nghiệp hiện
đại và là một bước tiến đáng ghi nhận của khoa học kỹ thuật trong việc áp dụng điều
khiển tự động vào trong dây chuyền sản xuất thực tế [1].
Chúng hỗ trợ mạnh mẽ cho con người trong các công việc có tính lặp đi lặp lạinhư:
lắp ráp, đóng gói, vận chuyển sản phẩm; cơng việc địi hỏi độ chính xác rất caonhư:
lắp ráp các chi tiết máy nhỏ, mạch điện tử; hoặc các công việc nguy hiểm như: các
thao tác trong nhà máy điện nguyên tử, các lò luyện kim loại, những nơi có nhiệtđộ
áp suất cao, dễ xảy ra cháy nổ… Góp phần quan trọng trong việc tạo ra những quitrình
cơng nghệ có năng suất cao, chất lượng sản phẩm tốt đáp ứng nhu cầu xã hội.
Ngày nay, trong một dây chuyền sản xuất, đối với những công việc di chuyển một
khối lượng lớn các sản phẩm, hàng hóa... một cách nhanh chóng chính xác, việcứng
dụng robot để đáp ứng yêu cầu là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất.
Robot SCARA là sự lựa chọn hàng đầu vì có hiệu suất và tốc độ tốt nhất trong các
loại robot có đặc tính làm việc của cơ cấu chấp hành ln ln song song với mặtphẳng
làm việc.

Hình 1. 1. Robot SCARA trong thực tế [1]

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Song song đó, với ứng dụng địi hỏi cần phải kiểm tra lỗi bề mặt, kiểm tra kí tự,đọc
và giải mã các loại mã vạch, QR code trong quá trình kiểm tra tổng thể, xác định
hướng, vị trí, hình dạng sản phẩm, hàng hóa, linh kiện, bộ phận để phân loại và sắp
xếp đúng địa điểm thì những hoạt động thủ công của con người gần như khơng thể
hoặc rất tốn thời gian và chi phí thì mới thực hiện được. Nhưng với công nghệ tiên
tiến hiện nay, điều đó có thể thực hiện một cách dễ dàng, nhanh chóng và đem lại
hiệu quả tốt nhất về kinh tế bằng cách ứng dụng xử lý ảnh vào sản xuất.
Nhiều nước trên thế giới nắm bắt xu hướng này đã sớm sử dụng Robot kết hợpvới
camera vào trong sản xuất như Mỹ, Nhật, Pháp, Hàn Quốc,… với nhiều dòng sảnphẩm
của các hãng như: Mitsubishi, Denso, Fanuc, Yaskawa, ABB…Các cánh tay robot
phổ biến như SCARA, PUMA, ASV, STANFORD,…
Xuất phát từ nhu cầu mong muốn tìm hiểu về thiết bị, cơng nghệ điều khiển Motion
từ mơ hình các hãng đi trước cũng như muốn xây dựng lên được một mô hìnhhoạt động
hồn chỉnh mơ tả lại được ưu điểm tuyệt vời của việc kết hợp giữa một cánh tay Scara
và camera cơng nghiệp có tích hợp các tính năng xử lý ảnh cơ bản vàomột ứng dụng
thực tế, nhóm đi đến quyết định lựa chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 4
TRỤC GẮP XẾP SẢN PHẨM”.
1.2. Mục tiêu
Xây dựng, lắp ráp lên phần cơ khí chắc chắn đảm bảo giảm thiểu đến mức tối thiểu
sai lệch gây ra bởi quán tính chuyển động của cánh tay robot từ phần cơ khí robot
EPSON có sẵn và các chi tiết gia cơng thêm khác.
Thiết kế sơ bồ bố trí và thi cơng kết nối được tủ điện điều khiển an toàn, gọn gàng
và thẩm mỹ.
Xây dựng giải thuật điều khiển, lập trình đáp ứng được đầy đủ yêu cầu điều khiển
đã đặt ra ban đầu:
-

Gắp sản phẩm tĩnh từ bàn phôi

-

Chạy dọc theo băng tải

-

Thả vật lên băng tải

-

Chạy được 2 chế độ: Manual và Auto

-

Gắp sản phẩm trên băng tải và sắp xếp thành hình nhất định trên bàn phơi

-

Thiết kế giao diện vận hành robot trực quan dễ sử dụng và đạt hiệu suất cao.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.3. Nội dung nghiêm cứu
-

Chương 1: Tổng quan

Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu,

bố cục đồ án và giới hạn của đề tài.
-

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày cơ sở lý thuyết về robot SCARA, mơ hình động học của Robot. Cơ sở

lý thuyết về bộ điều khiển lập trình, thị giác máy tính (Machine Vision), Positioning
control.
-

Chương 3: Thiết kế và thi cơng mơ hình.
Chương này nói về cách tính tốn và bố trí các thiết bị trong mơ hình cho phù hợp

với u cầu đặt ra. Mô tả cách thức hoạt động của mô hình. Dựa vào cơ sở đã tính
tốn lựa chọn thiết bị phù hợp cho mơ hình.
-

Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển
Mơ tả hệ thống và giải thuật điều khiển, trình bày lưu đồ giải thuật. Thiết kế

thuật toán điều khiển và phần mềm giám sát thỏa yêu cầu hệ thống.
-

Chương 5: Kết quả nhận xét và đánh giá. Trình bày kết quả đạt được, nhận xét về
mục tiêu đã đặt ra ban đầu.

-

Chương 6: Kết luận và hướng phát triền đề tài

1.4. Đối tượng nghiêm cứu
• Các đối tượng phần cứng (phần cơ khí):
- Cơ cấu truyền động bánh răng.
- Nam châm hút và thả vật.
- Mặt bàn bố trí mơ hình.
• Các đối tượng điều khiển (phần điện):
- Thiết kể tủ điện điều khiển
- Kết nối Servo, Driver, PLC, nguồn, CB, …
- Driver MR-J3, MR-J4
- Camera Cognex quét QR Code

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.5. Giới hạn
- Sử dụng lại cánh tay cơ khí cũ, tốc độ chuyển động khơng q nhanh, đề tài khơng
tính tốn thực hiện bài tốn thiết kế cánh tay robot SCARA
- Thiếu cảm biến để giám sát sản phẩm.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Robot SCARA
2.1.1. Giới thiệu Robot
Robot công nghiệp là một thiết bị cơ khí có thể được lập trình để thực hiện các
nhiệm vụ mà con người mong muốn. Các robot cơng nghiệp có thể được phân loại
theo năm loại hình:
- Robot tọa độ đề-các
- Robot hình trụ
- Robot hình cầu
- Robot SCARA
- Robot song song
Robot SCARA được giới thiệu tại Nhật Bản vào năm 1979 (hình 2.1) và từ đó đã
được nhiều nhà sản xuất áp dụng. Trong Hình 2.1, Hirata AR-300, một trong những
robot SCARA đầu tiên được ra mắt. Vào năm 1980, Robot SCARA đã đóng góp phần
lớn vào tính linh hoạt và hiệu quả của các hệ thống lắp ráp của Nhật Bản, do khả năng
thích ứng và chức năng của nó với việc giảm tương đối về chi phí sản xuất với đối
thủ cạnh tranh. Giá của các sản phẩm giảm và đặc biệt là các sản phẩm điện tử trở
nên hợp lý hơn trên thị trường toàn cầu.
Mặc dù sự phát triển liên tục trong chế tạo robot, SCARA vẫn là một cỗ máy được
sử dụng rất rộng rãi trong ứng dụng công nghiệp. Thành cơng của robot này làcó thể
nhờ vào các yếu tố chính sau:
- Độ chính xác
- Tốc độ cao
- Chuyển động nhịp nhàng
- Cấu trúc đơn giản và đáng tin cậy

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 1. Robot Hirata AR-300 [2]
Robot này được sử dụng ở các kích cỡ khác nhau trong tất cả các ngành công nghiệp
sản xuất như ô tô, điện tử và dược phẩm hay tiêu dùng. Các ứng dụng phổ biến nhất là:
-

Gắp và xếp sản phẩm;

-

Lắp ráp sản phẩm;

-

Xếp chồng sản phẩm;

-

Đóng gói sản phẩm;

2.1.2. Hệ tọa độ
Mỗi robot thường bao gồm nhiều chi tiết (links) liên kết với nhau qua các khớp
(joints), tạo thành một hệ động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ
toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ
độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng
các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay.
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng
tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lịng bàn tay, x 3 ngón: cái, trỏ vàgiữa theo
3 phương vng góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trụcz, thì ngón
trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y.

Hình 2. 2. Quy tắc bàn tay phải [3]
2.1.3. Không gian làm việc của Robot (Workspace or Range of motion)
Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là tồn bộthể
tích được qt bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển độngcó thể
(hình 2.2). Trường cơng tác bị ràng buộc bởi các thơng số hình học của robot cũng
như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển độngnhỏ hơn
một góc 360o.

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 3. Vùng làm việc robot SCARA
2.1.4. Mơ hình động học
Mỗi cơng ty sản xuất robot SCARA với các tính năng khác nhau, nhưng cấu trúc

cơ bản khá giống nhau. Nó có những điểm tương đồng với cánh tay người với vai,
khuỷu tay và cổ tay. Cấu trúc hai khớp liên kết và 4 trục cho phép bốn bậc tự do.Hai
khớp quay song song và khớp dọc tuyến tính cho phép tự do trong không gian X-Y-Z.
Mức độ tự do trục thứ tư được đưa ra bởi chuyển động quay của bộ phận đầu cuối.
2.1.5. Động học thuận
Mục tiêu của động học thuận là xác định vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối
của robot dựa vào các góc khớp và khoảng dịch chuyển tịnh tiến cho trước. Việcđặt
tọa độ x y z tuân thủ theo quy ước của phương pháp Denavit-Hertenberg (hình 2.4)
biểu thị sự liên kết giữa trục i-1 và i:
-

Trục z trùng với trục của động cơ

-

Trục x trùng với đường vng góc chung của 2 khớp

-

Trục y sẽ tn theo quy tắc bàn tay phải

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phương pháp Denavit-Hertenberg, được gọi là phương pháp DH, hiện là phương pháp
được sử dụng phổ biến nhất của mơ hình động học robot, sử dụng ma trận biến đổi
đồng nhất để mô tả vị trí tương đối giữa hai khâu liên kết liền kề.

Hình 2. 4. Sự liên kết giữa trục i-1 và i [4]
Các thông số cần quan tâm giữa 2 link khi liên kết với nhau thông qua 1 khớp:
-

Độ dài đường vng góc chung giữa 2 trục khớp gọi là chiều dài link (a)

-

Góc lệch giữa 2 trục khớp nhau gọi là độ xoắn của link (𝛼)

-

Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng chứa 2 trục x của 2 khớp liên tiếp gọi là độ
lệch (d).

-

Góc giữa 2 trục x được gọi là góc khớp (𝜃)

Hệ tọa độ tương đối của mỗi trục của robot SCARA được thiết lập bằng phương
pháp D-H được biểu thị như (hình 2.6).

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 5. Các khớp của robot SCARA

θ4

Hình 2. 6. Đặt trục tọa độ cho các khớp
Bảng 2.1. Bảng tham số D-H của robot SCARA

i

𝒂𝒊−𝟏

𝜶𝒊−𝟏

𝒅𝒊

𝜽𝒊

𝑧0 𝑧1 𝑥0

1

0

0

0

𝜃1

𝑥0 𝑥1 𝑧1

𝑧1 𝑧2 𝑥1

2

L1

0

0

𝜃2

𝑥1 𝑥2 𝑧2

𝑧2 𝑧3 𝑥2

3

L2

0

0

0

𝑥2 𝑥3 𝑧3

𝑧3 𝑧4 𝑥3

4

0

0

0

𝜃3

𝑥3 𝑥4 𝑧4

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ma trận tổng quát của phương pháp DH biến đổi từ trục i-1 đến i:

Robot Scara có 4 bậc tự do ta sẽ thu được 4 ma trận chuyển đổi T0,1 đến T3,4
như sau:
Ma trận biến đổi cuối cùng của khâu chấp hành của robot có được bằng cách
nhân các ma trận biến đổi của mỗi khớp:

Nếu được cung cấp đầy đủ các tham số, chúng ta có thể tính tốn vị trí đầu cuối của
robot (Px, Py, Pz) trên hệ tọa độ tham chiếu.
Dưới đây là kết quả điểm đầu cuối 𝑃0_𝐸𝐸 được tính tốn bằng phần mềm Matlab
𝑃0_𝐸𝐸

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

𝑙1 𝑐1 + 𝑙2 𝑐12
= [𝑙1 𝑠1 + 𝑙2 𝑠12 ]
𝑙3

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.6. Động học nghịch
Mục tiêu là xác định góc và khoảng dịch chuyển các trục của robot khi biết trước vị
trí và hướng của khâu chấp hành. Có nhiều cách để tính tốn động nghịch cho robot, đối
với robot SCARA thì phương pháp hình học là đơn giản nhất. Với mỗivị trí (Px;Py;Pz)
thì đối với robot SCARA sẽ có 2 hướng di chuyển của các khớp khác nhau như (hình 2.7)
và (hình 2.8):

Hình 2. 7. Cách di chuyển thứ nhất của Robot

Hình 2. 8. Cách di chuyển thứ hai của Robot

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

12