NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT THU HOẠCH CÀ CHUA

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT THU HOẠCH CÀ
CHUA

Tác giả

NGUYỄN TRƯỜNG GIANG
TRẦN MINH

Khóa luận được trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành
Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
PGS.TS. Nguyễn Văn Hùng
KS. Nguyễn Tấn Ý

Tháng 06 năm 2013

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cám ơn tất cả quý Thầy, Cô trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ
Chí Minh và quý Thầy, Cô khoa Cơ khí – Công nghệ đã trang bị cho chúng em những
kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường.
Em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô bộ môn Cơ điện tử đã hướng dẫn, giúp
đỡ chúng em rất tận tình trong quá trình chúng em làm đề tài.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng
và thầy Nguyễn Tấn Ý đã tận tình hướng dẫn chúng chúng em trong quá trình làm
Luận văn tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành cám ơn các anh trong Trung nghiên cứu Tự động hóa và
Robot trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Đồng An, đã giúp đỡ và chỉ bảo chúng em

tận tình trong thời gian làm đề tài tại trường.
Đặc biệt, chúng em xin cám ơn quý Thầy, Cô trong Hội đồng đã dành thời gian
nhận xét, góp ý để Luận văn của chúng em được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cám ơn đến những người thân cũng như bạn bè
đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho chúng em những điều kiện thuận lợi trong quá
trình hoàn thành Luận văn tốt nghiệp.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Trần Minh – Nguyễn Trường Giang

ii


TÓM TẮT
Trong thời buổi công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, Robot ngày càng đóng
vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống. Có rất nhiều loại Robot phục vụ cho
nhiều mục đích khác nhau. Song, hầu hết các loại Robot đều do nước ngoài chế tạo,
nên giá thành cao và chưa thật sự phù hợp với với thực tế ở Việt Nam.
Trong lĩnh vực nông nghiệp, Robot chưa có nhiều ứng dụng. Nên chúng tôi muốn
chế tạo một con Robot phục vụ cho nông nghiệp, góp phần tăng chất lượng nông sản
và giải quyết được các vấn đề phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Đó cũng là nguyên
nhân hôm nay chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng Robot thu
hoạch cà chua” nhằm mục đích nghiên cứu những vấn đề mới trong khoa học – kỹ
thuật trên cơ sở ứng dụng những kiến thức được trang bị trong những năm học vừa qua
ở trường.
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng Robot thu hoạch cà chua” được tiến hành
tại Trung tâm nghiên cứu Tự động hóa và Robot trường Cao đẳng nghề công nghệ cao
Đồng An, từ ngày 03/03/2013 đến ngày 20/06/2013.
Kết quả đạt được:

 Chế tạo thành công Robot thu hoạch cà chua hoạt động tốt trong bán kính 2m.
 Bằng việc sử dụng vi điều khiển PIC16F886 để xử lý và điều khiển động cơ cho
tốc độ xử lý nhanh, chính xác, dễ giao tiếp, dễ điều khiển.
 Dùng chương trình Matlab để xây dựng chương trình xử lý ảnh, tính toán động
học và mô phỏng cho kết quả đáng tin cậy, dễ lập trình, dễ sử dụng.

iii


MỤC LỤC
Trang
TRANG TỰA ....................................................................................................................... i 
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii 
TÓM TẮT ......................................................................................................................... iii 
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iv 
DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................................. vii 
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................... viii 
Chương 1 .......................................................................................................................... 1 
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 
1.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................................... 1 
1.2. Mục đích đề tài .................................................................................................................. 2 
1.3. Mục tiêu cụ thể .................................................................................................................. 2 

Chương 2 .......................................................................................................................... 3 
TỔNG QUAN...................................................................................................................... 3 
2.1. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................................ 3 

2.1.1. Một số ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới và
Việt Nam. .................................................................................................................. 3 
2.2. Khảo sát thu hoạch cà chua ............................................................................................... 5 

2.3. Sơ lược về Robot ............................................................................................................... 6 
2.4. Các khái niệm và định nghĩa về Robot ............................................................................. 7 

2.4.1. Bậc tự do của Robot (DOF: Degrees Of Freedom) ......................................... 7 
2.4.2. Hệ tọa độ (Coordinate frames) ........................................................................ 7 
2.4.3. Trường công tác của Robot (Workspace or Range of motion) ....................... 8 
2.5. Cấu trúc cơ bản của Robot ............................................................................................ 9 

2.5.1. Các thành phần chính của Robot ..................................................................... 9 
2.5.2. Kết cấu của tay máy ...................................................................................... 10 
2.5.3. Mắt của Robot sử dụng Camera .................................................................... 10 
iv


2.5.4. Động cơ điện một chiều ................................................................................ 11 
2.5.5. Biến trở .......................................................................................................... 12 
2.5.6. Vi điều khiển PIC .......................................................................................... 13 
2.6. Phần mềm Matlab. ....................................................................................................... 15 
2.6.1. Matlab – ngôn ngữ của tính toán kỹ thuật ..................................................... 15 
2.6.2. Giao diện Matlab ........................................................................................... 15 
2.6.2. Đặc điểm của Matlab. .................................................................................... 16 
2.6.3. Khả năng và ứng dụng của Matlab................................................................ 17 
2.7. Tổng quan về xử lý ảnh ............................................................................................... 17 
2.7.1. Hệ thống xử lý ảnh ........................................................................................ 17 
2.7.1.1. Thu nhận ảnh .............................................................................................. 18 
2.7.1.2. Phân tích ảnh .............................................................................................. 18 
2.7.1.3 Hệ quyết định .............................................................................................. 18 
2.7.2. Cấu trúc ảnh RGB ......................................................................................... 18 
2.7.3. Định dạng ảnh ............................................................................................... 19 
2.7.4. Quá trình tách đối tượng................................................................................ 19 

2.7.5. Quá trình nhận dạng đối tượng ...................................................................... 19 
Chương 3 ........................................................................................................................ 21 
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 21 
3.2. Cơ sở thiết kế................................................................................................................... 21 
3.3. Phần mềm điều khiển Robot ........................................................................................... 21 
3.4. Phương pháp nhận dạng vật thể ...................................................................................... 21 
3.5. Phương pháp xác định tọa độ vật thể .............................................................................. 22 
3.6. Phần mềm điều khiển Robot ........................................................................................... 22 

Chương 4 ........................................................................................................................ 24 
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................... 24 
v


4.1. Nghiên cứu thiết kế Robot .............................................................................................. 24 

4.1.1. Mục tiêu thiết kế. ........................................................................................... 24 
4.1.2. Lựa chọn mô hình và tính toán các bộ phận của robot ................................. 25 
4.1.3. Hộp số Harmonic........................................................................................... 30 
4.1.4. Tính toán công suất động cơ ......................................................................... 31 
4.2. Mạch điều khiển .............................................................................................................. 33 

4.2.1. Mạch điều điều khiển động cơ sử dụng MOSFET SUB85N03 .................... 33 
4.2.2. Mạch điều khiển động cơ sử dụng PIC16F886 và SUB85N03 .................... 35 
4.2.3. Bộ điều khiển PID ......................................................................................... 38 
4.2.4. Mạch điều khiển trung tâm............................................................................ 39 
4.3. Ứng dụng xử lý ảnh xác định tọa độ của cà chua ........................................................... 41 

4.3.1. Tách đối tượng và xác định tọa độ X,Y của cà chua..................................... 41 
4.3.2. Xác định tọa độ Z và tiến hành thu hoạch cà chua........................................ 45 

4.4. Tính toán động học robot ................................................................................................ 46 

4.4.1. Tính toán động học thuận robot .................................................................... 46 
4.4.2. Tính toán động học ngược robot ................................................................... 47 
4.5. Mô phỏng Robot bằng Matlab ........................................................................................ 49 
4.6. Kết quả khảo nghiệm....................................................................................................... 49 

Chương 5 ........................................................................................................................ 55 
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ............................................................................................... 55 
5.1 Kết quả đạt được. .......................................................................................................... 55 
5.2. Đề nghị .......................................................................................................................... 55 
5.2. Hướng phát triển của đề tài. ........................................................................................ 55 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 57 
PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 58 

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 4.1: Bảng thông số Denavit – Hartenbert (DH) ...................................................... 46 
Bảng 4.1: Bảng khảo nghiệm độ chính xác góc quay khâu thứ nhất................................ 50 
Bảng 4.2: Bảng khảo nghiệm độ chính xác góc quay khâu thứ hai.................................. 51 
Bảng 4.3: Bảng khảo nghiệm độ chính xác góc quay khâu thứ ba ................................... 53 

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 2.1: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản .................................................................... 3 
Hình 2.2: Mô hình Robot thu hoạch nấm của Anh............................................................. 4 
Hình 2.3: Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính......................................................... 4 
Hình 2.4: Quả cà chua qua các thời kỳ chín ....................................................................... 6 
Hình 2.5: Toạ độ suy rộng của Robot ................................................................................. 8 
Hình 2.6: Quy tắc bàn tay phải ........................................................................................... 8 
Hình 2.7: Các thành phần chính của robot ......................................................................... 9 
Hình 2.8: Camera .............................................................................................................. 10 
Hình 2.9: Các loại động cơ điện một chiều ...................................................................... 11 
Hình 2.10: Biến trở xoay .................................................................................................. 13 
Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886 ................................................................................ 14 
Hình 2.12: Sơ đồ chân Pic16F886 .................................................................................... 14 
Hình 2.13: Giao diện Matlab ............................................................................................ 16 
Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh ................................................................................ 17 
Hình 2.15: Sơ đồ quá trình tách đối tượng ....................................................................... 19 
Hình 3.1: Ảnh của đối tượng (a) và của đối tượng sau khi nhận dạng (b) ....................... 21 
Hình 3.2: Quy trình xác định tọa độ (x,y) của vật thể ...................................................... 22 
Hình 3.3: Cảm biến siêu âm SRF05 ................................................................................. 22 
Hình 3.4: Sơ đồ mạch xử lý xác định khoảng cách. ......................................................... 22 
Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển robot...................................................................................... 23 
Hình 4.1: Lược đồ robot dự định thiết kế ......................................................................... 24 
Hình 4.2: Trường công tác của tay máy được mô phỏng bằng Matlab ............................ 25 
Hình 4.3: Tay máy robot................................................................................................... 26 
Hình 4.4: Kích thước tay máy robot ................................................................................. 26 

Hình 4.5: Cơ cấu hái cà chua ............................................................................................ 27 
Hình 4.6: Sơ đồ phân tích lực robot ................................................................................. 27 
Hình 4.7: Khung thân robot .............................................................................................. 28 
Hình 4.8: Thân robot khi được lắp ráp bánh xe và cơ cấu chuyển động. ......................... 29 
Hình 4.9: Robot khi được lắp ráp hoàn chỉnh .................................................................. 29 
viii


Hình 4.10: Mô hình Robot đã chế tạo được ..................................................................... 30 
Hình 4.11: Các hộp số harmonic được sử dụng trong robot ............................................ 31 
Hình 4.12: Phân tích lực tại trục khớp .............................................................................. 31 
Hình 4.13: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ DC sử dụng MOSFET SUB85N03 ..... 33 
Hình 4.14: Mạch in mạch điều khiển động cơ sử dụng MOSFET SUB85N03 ............... 34 
Hình 4.15: Mạch điểu khiển động cơ sử dụng MOSFET SUB85N03 ............................. 34 
Hình 4.16: Mạch nguyên lý điểu khiển động cơ sử dụng PIC16F886 và SUB85N03..... 36 
Hình 4.17: Mạch điều khiển động cơ sử dụng PIC16F886 và SUB85N03...................... 37 
Hình 4.18: Sơ đồ bộ điều khiển PID................................................................................. 38 
Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật điều khiển góc quay bằng thuật toán PID .......................... 38 
Hình 4.20: Mạch nguyên lý mạch nguồn sử dụng LM2575............................................. 39 
Hình 4.21: Mạch nguyên lý mạch điểu khiển trung tâm sử dụng PIC16F886 ................. 40 
Hình 4.22: Mạch điều khiển trung tâm sử dụng PIC16F886 ........................................... 40 
Hình 4.23: Ảnh ban đầu .................................................................................................... 42 
Hình 4.24: Ảnh sau khi đã chuyển sang ảnh xám ........................................................... 42 
Hình 4.25: Ảnh sau khi đã chuyển sang nhị phân ............................................................ 43 
Hình 4.26: Ảnh tìm xương của các đối tượng .................................................................. 43 
Hình 4.27: Ảnh sau khi được co theo xương ảnh ............................................................. 44 
Hình 4.28: Ảnh các quả cà chua được xác định tọa độ X,Y............................................. 44 
Hình 4.29: Sơ đồ quá trình thu hoạch cà chua sau khi đã xác định được tọa độ.............. 45 
Hình 4.30: Vị trí ban đầu của robot và các hệ tọa độ ....................................................... 46 
Hình 4.31: Các biến khớp tay máy hai khâu .................................................................... 48 

Hình 4.32: Định lý Cosin .................................................................................................. 48 
Hình 4.33: Giao diện mô phỏng robot trên Matlab .......................................................... 49 
Hình 4.34: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ nhất.............................................. 50 
Hình 4.35: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ nhất .............. 51 
Hình 4.36: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ hai................................................. 52 
Hình 4.37: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ hai ................ 52 
Hình 4.38: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ ba .................................................. 53 
Hình 4.39: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ ba ................. 53 
ix


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề.
Nước ta là một nước nông nghiệp, là nước xuất khẩu các sản phẩm nông nghiệp
đứng đầu thế giới, góp phần đảm bảo an ninh lương thực trong nước và trên thế giới.
Đứng đầu như: gạo, cà phê, điều, ca cao… Song, đa số chúng ta chỉ xuất khẩu thiên về
số lượng chứ chưa chú trọng nhiều đến chất lượng. Trong thế kỷ 21, nhu cầu lương
thực của con người tăng lên, nhưng cũng đòi hỏi chất lượng phải tốt hơn, có lợi cho
sức khỏe và bảo vệ môi trường nhiều hơn. Vì vậy, nước ta phải cải tiến chất lượng
nông sản đề phục vụ cho nhu cầu này của con người.
Để tăng chất lượng nông sản từ khâu trồng trọt đến thu hoạch, chế biến và xuất
khẩu, chúng ta cần áp dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào quy trình sản xuất. Cụ thể
là để có được sản phẩm sạch, chất lượng tốt, chúng ta cần trồng trong nhà kính, có hệ
thống tưới nước, bón phân, phun thuốc và thu hoạch tự động.
Trong quy trình sản xuất này, hệ thống nhà kính, hệ thống tưới nước, bón phân đã
được sinh viên và giảng viên khoa Cơ khí – Công nghệ trường ĐH Nông Lâm
TP.HCM nghiên cứu và áp dụng rộng rãi vào thực tế. Nhưng khâu thu hoạch tự động
thì chưa được nghiên cứu hoàn thiện và tối ưu.
Chính vì vậy đề tài này muốn góp phần phát triển và hoàn thiện quy trình sản

xuất khép kín, hiện đại, chất lượng cao, sạch và bảo vệ môi trường. Với sự hướng dẫn
của thầy PGS.TS. Nguyễn Văn Hùng, và thầy KS. Nguyễn Tấn Ý. Đề tài tập trung
nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng mô hình robot cho việc thu hoạnh trái cây
trong nhà kính, cụ thể là thu hoạch cà chua được trồng trong nhà kính, và có thể phát
triển để phù hợp với các loại trái cây khác. Với hi vọng đề tài sẽ góp phần vào việc
ứng dụng công nghệ robot và lĩnh vực tự động hóa vào trong sản xuất nông nghiệp ở
nước ta trong tương lai.

1


1.2. Mục đích đề tài
Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình robot thu hoạch cà chua nhằm làm cơ sở
ứng dụng vào thực tế. Nhằm góp phần xây dựng quy trình sản xuất khép kín, hiện đại,
đảm bảo chất lượng, giảm giá thành sản xuất và giảm nhân công lao động.
1.3. Mục tiêu cụ thể
-

Nghiên cứu kết cấu, động học, khả năng di chuyển và mô phỏng robot.

-

Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh để nhận dạng đối tượng và điều khiển robot.

-

Chế tạo robot và thử nghiệm.

1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4.1. Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng,
nâng cao hơn nhằm tối ưu hóa hoạt động của robot. Từ kết quả của đề tài có thể cải
tiến thiết kế, tính toán tối ưu về độ bền và công suất cũng như khả năng tiêu hao năng
lượng của robot. Giúp robot có thể hoạt động hiệu quả, tránh va đập và mở rộng không
gian công tác.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, nghiên cứu về
robot hoặc áp dụng vào sản xuất. Đề tài đang cố gắng đưa khoa học robot ứng dụng
nhiều hơn trong cuộc sống, tìm ra một hướng đi mới trong khâu thu hoạch cà chua nói
riêng và trái cây nói chung, góp phần nâng cao chất lượng của trái cây Việt Nam.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1.Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, chủ
yếutập trung vào phương pháp giải bài toán động lực học từ đó xác định các thông số phục
vụ cho điều khiển chuyển động.
Nghiên cứu thiết kế mô hình Robot sao cho phù hợp với việc thu hoạch cà chua, nghiên
cứu board mạch điều khiển robot và nghiên cứu xử lý ảnh.
2.1.1. Một số ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới và
Việt Nam.

Hình 2.1: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản
Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản có khả năng di chuyển trên đường ray có sẵn
trong nhà kính. Robot dùng camera để phát hiện dâu chín và vươn tay máy Robot để
thu hoạch dâu. Tốc độ của Robot tuy không bằng con người, nhưng có thể hoạt động
24/24 trong điều kiện nhà kính.

3


Hình 2.2: Mô hình Robot thu hoạch nấm của Anh
Các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Warwick, Vương quốc Anh, đã chế tạo
thành công mô hình Robot thu hoạch nấm giúp đảm bảo chất lượng đồng đều cho sản
phẩm. Như chúng ta đều biết, nấm có tốc độ phát triển rất nhanh, nếu như không kịp
thu hoạch nấm sẽ già và không đảm bảo các thành phần dinh dưỡng. Do đó, nhiệm vụ
của Robot là sử dụng camera để đo kích thước của nấm, sau đó thu hoạch khi nấm đã
đạt tới kích thước quy định. Robot có thể hoạt động liên tục mà không cần người điều
khiển.

Hình 2.3: Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính
4


Tình hình phát triển Robot ở Việt Nam ngày càng phát triển, đã có rất nhiều ứng
dụng của Robot được đưa vào sản xuất nông nghiệp chất lượng cao. Mà cụ thể là
Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính, đã được sinh viên và giảng viên khoa Cơ
khí – Công nghệ trường Đại học Nông Lâm TP.HCM nghiên cứu thiết kế và chế tạo
thành công.
Robot này có khả năng thực hiện việc pha chế liều lượng một cách chính xác và
phun thuốc hoàn toàn tự động theo chương trình lập sẵn, giúp con người không phải
tiếp xúc trực tiếp với thuốc. Robot có thể phun thuốc ở một số góc cài đặt nhất định,
nhằm đảm bảo lượng thuốc được phun đều nhất. Robot có thể hoạt động ở chế độ tự
động hoặc được điều khiển bằng tay thông qua bảng điều khiển từ xa.
2.2.Khảo sát thu hoạch cà chua
Trong quá trình chín cà chua phải qua các thời kỳ sau đây:
Thời kỳ quả xanh: quả và hạt phát triển chưa hoàn chỉnh. Nếu thu hái quả ở thời kỳ

này thông qua các phương pháp thúc chín thì quả chín không bình thường,
không có hương vị, không có màu sắc đặc trưng của giống.
Thời kỳ chín xanh: Chất keo bao quanh hạt được hình thành, quả chưa có màu
hồng hoặc màu vàng nếu đem thúc chín thì quả sẽ thể hiện màu sắc của giống.
Thời kỳ chín vàng: Đỉnh quả xuất hiện màu vàng hoặc màu hồng với diện tích bề
mặt chiếm khoảng 10%.
Thời kỳ chuyển màu: Diện tích bề mặt từ 10-30% có màu vàng hoặc màu đỏ.
Thời kỳ chín hồng: Diện tích bề mặt quả từ 30-60% có màu hồng nhạt hoặc màu
vàng.
Thời kỳ quả hồng hoặc đỏ: Diện tích bề mặt quả từ 60-90% có màu vàng hoặc đỏ.
Thời kỳ chín đỏ: Diện tích bề mặt từ 90% trở lên. Đây là thời kỳ quan trọng của
quá trình chín. Từ khi chín xanh đến chín, tổng hợp thời gian khoảng 10-12 ngày. Sau
đó quả chín hoàn toàn và có màu nâu đỏ thâm nhưng quả còn chắc, cứng. Nếu dùng làm
thực phẩm là thích hợp nhất và được người tiêu dùng ưa chuộng. Khi quả mềm thì vẫn
sử dụng được, nhưng cắt lát sẽ khó khăn. Quả chín mềm dùng để lấy hạt giống là thích
hợp, thịt quả dùng để chế biến cà chua cô đặc hoặc tương cà chua rất tốt.

5


Hình 2.4:Quả cà chua qua các thời kỳ chín
Khi hái cà chua bằng tay, do va đập khi sắp xếp, vận chuyển quả bị sây sát, bị dập
sẽ là môi trường tốt cho bệnh hại xâm nhiểm gây hư thối và giảm chất lượng, Vì vậy
thao tác khi thu hái, sắp xếp và vận chuyển phải hết sức nhẹ nhàng, kịp thời loại bỏ
những quả bị dập nát… Hiện nay ở các vùng cà chua được thu hoạch bằng phương pháp
thủ công.
2.3.Sơ lược về Robot
Robot là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa
một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn
thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

Có thể nói Robot là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ
các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích
nghi khác nhau.
Robot có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu
thị cho số bậc tự do của chúng. Robot được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ
cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ :
hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại
vào khuôn đúc, lắp ráp máy...) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết
gia công, dao cụ, đồ gá...) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối
tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là
“Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản
khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.
6


2.4. Các khái niệm và định nghĩa về Robot
2.4.1. Bậc tự do của Robot (DOF: Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc
tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của
robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do
đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :

Trong đó: n – Số khâu động;
pi – Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế).
Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến
(khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động . Đối với cơ cấu hở, số bậc
tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3
chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định
hướng.

2.4.2. Hệ tọa độ (Coordinate frames)
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp
(joints), tạo thành một xích 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. 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 toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.

7


Hình 2.5: Toạ độ suy rộng của Robot
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 lòng bàn tay, xoè 3 ngón: cái, trỏ và
giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z,
thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của
trục y (hình 2.3).

Hình 2.6: Quy tắc bàn tay phải
2.4.3. Trường công tác của Robot (Workspace or Range of motion)
Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ
thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động
có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các
ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một
góc 360o. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một
robot.

8

2.5. Cấu trúc cơ bản của Robot
2.5.1. Các thành phần chính của Robot
Một robot thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot, nguồn
động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị
dạy học, máy tính ... các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của
hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình 2.7.

Hình 2.7: Các thành phần chính của robot
Nguồn động lực để tạo nên những chuyển động cơ bản của robot. Nguồn động
lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống xy lanh khí nén,
thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu
cuối của robot, dụng cụ của robot có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để
nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn, cơ
cấu hái, cắt trái cây, phun thuốc trừ sâu được ứng dụng trong nông nghiệp…
Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên
máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller). Bộ điều khiển
còn được gọi là mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy
tính. Một mođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào – Ra (I/O port) để làm việc
với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản
thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng
tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot …
Các cảm biến (sensor) được sử dụng phổ biến trên robot để nhận biết trạng thái
của bản thân (cảm biến nội tín hiệu) hoặc nhận biết đối tượng làm việc và môi trường
9


chungg quanh (cảm
m biến ngooại tín hiệu), tạo ra các tín hiệu phhản hồi về bộ
b điều khiểển để

điều chỉnh
c
các ho
oạt động củủa robot.
2.5.2. Kết cấu củ
ủa tay máyy
N đã nóii trên, tay máy
Như
m là thànhh phần quaan trọng, nóó quyết địnhh khả năngg làm
việc của
c robot. Các
C kết cấuu của nhiều tay máy đư
ược phỏng ttheo cấu tạạo và chức năng
n
của taay người; tu
uy nhiên nggày nay, tayy máy đượcc thiết kế rấất đa dạng, nhiều cánhh tay
robot có hình dááng rất kháác xa cánh tay người. Trong thiếết kế và sử dụng tay máy,
m
q
chúngg ta cần quaan tâm đến các thông ssố hình – động học, làà những thôông số liên quan
đến kh
hả năng làm
m việc của robot
r
như: tầm với (haay trường ccông tác), sốố bậc tự do (thể
hiện sự
s khéo léo linh hoạt củủa robot), độ
đ cứng vữnng, tải trọngg vật nâng, lực kẹp . . .
C khâu củủa robot thư
Các

ường thực hhiện hai chuuyển động ccơ bản : Chhuyển động tịnh
tiến thheo hướng x,y,z trongg không giaan Decade, thông thườ
ờng tạo nênn các hình khối,
k
các chhuyển động
g này thườn
ng ký hiệuu là T (Tran
nslation) hooặc P (Prism
matic). Chuuyển
động quay quanh
h các trục x,y,z ký hiệuu là R (Roattation).
R
sử dụ
ụng Camerra
2.5.3. Mắt của Robot
T
Tổng
quát có hai loạại Camera: Kiểu Cam
mera dùng đèn chân không và kiểu
camerra chỉ dùngg bán dẫn. Đặc
Đ biệt troong lĩnh vự
ực này, cam
mera bán dẫẫn thường được
đ
dùng hơn cameraa đèn chân không. Caamera bán dẫn
d còn đượ
ợc gọi là CCD
C
cameraa, do
Charge – coupled devicces –

đó nó dùng các thhanh ghi dịịch đặc biệtt gọi là thiếtt bị ghép (C
D này chuyyển các tín hiệu ánh sááng từ bộ cảm nhận ánnh sáng bố trí ở
CCDss). Các CCD
phía trước
t
camerra thành cáác tín hiệu đđiện mà sauu đó được m
mã hóa thànnh tín hiệu TV.
Loại camera
c
chấất lượng caoo thì cho tínn hiệu ít nh
hiễu và có độ
đ nhạy cao với ánh sáng.
s
Cameera sẽ có ch
hức năng thhu nhận hìnnh ảnh đưa về máy tínnh dưới dạn
ng ảnh số, máy
tính và
v phần mềm
m sẽ có nhiệệm vụ xử lýý và tách đố
ối tượng là quả cà chuaa.

H
Hình 2.8: Ca
amera
10


Hiện nay có nhiều phương pháp xác định vị trí của đối tượng:
Dùng hai camera: phương pháp này đạt độ chính xác cao và xử lý được đối tượng
di chuyển nhưng khó hiệu chỉnh và chi phí cao.

Dùng một camera và một gương phẳng: phương pháp này dùng để xác định đối
tượng và camera đứng yên. Do đó không thể áp dụng cho robot hái cà chua được.
Dùng một camera và một cảm biến siêu âm: phương pháp này có độ chính xác
cao, dễ xử lý, dễ hiệu chỉnh, nhưng chi phí khá cao.
Do trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy phương pháp dùng một
camera và một cảm biến siêu âm có khả năng ứng dụng và độ chính xác cao hơn 2
phương pháp còn lại. Nên chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp sử dụng một
camera để xác định tọa độ và một cảm biến siêu âm để xác định khoảng cách tới đối
tượng.
2.5.4. Động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có hai phần:
Stator cố định với các cuộn dây có dòng điện cảm hoặc dùng nam châm vĩnh cữu.
Phần này còn được gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nên từ thông trong khe hở không
khí.
Rotor với các thanh dẫn. Khi có dòng điện một chiều chạy qua và với dòng từ
thông xác định, rotor sẽ quay. Phần này gọi là phần ứng.
Tùy cách đấu dây giữa phần cảm so với phần ứng, ta có những loại động cơ điện
một chiều khác nhau:
+ Động cơ kích từ nối tiếp (Hình 2.9.a);
+ Động cơ kích từ song song (Hình 2.9.b);
+ Động cơ kích từ hỗn hợp (Hình 2.9.c).

Hình 2.9: Các loại động cơ điện một chiều
11


Các thông số chủ yếu quyết định tính năng làm việc của động cơ điện một chiều
là:
U : Điện áp cung cấp cho phần ứng;
I : Cường độ dòng điện của phần ứng;

r : Điện trở trong của phần ứng;

 : Từ thông;
E : Sức phản điện động phần ứng.
Các quan hệ cơ bản của động cơ điện một chiều là:
E  U  rI  kn

k là hệ số phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và số thanh dẫn của phần ứng.
Số vòng quay của động cơ điện một chiều:
n

U  Ir
k

Mômen động C xác định từ phương trình cân bằng công suất:
EI  2nC

Hay

C2

kI



Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách:
Thay đổi từ thông  , thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ . Trong
trường hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U, tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức, thì
công suất không đổi còn momen giảm theo tốc độ.
Điều chỉnh điện áp phần ứng. Trong trường hợp từ thông không đổi, khi tăng tốc

độ từ 0 đến tốc độ định mức thì mômen sẽ không đổi, còn công suất tăng theo tốc độ.
Muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều cần thay đổi chiều của từ thông
(tức chiều của dòng điện kích từ) hoặc thay đổi chiều dòng điện phần ứng.
2.5.5. Biến trở
Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn. Chúng
có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện.

12


Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây
dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng
hoặc bức xạ điện từ,
Trong mô hình sử dụng loại biến trở xoay thay đổi chiều dài dây dẫn.

Hình 2.10: Biến trở xoay
Khi biến trở hoạt động, điện áp đầu ra thay đổi làm giá trị ADC đọc về thay đổi,
dựa vào góc quay ta tính được giá trị ADC cần đạt, khi đó cho động cơ DC quay đến
vị trí có ADC tương ứng.
Cánh tay quay từ 0 độ - 180 độ, tương ứng với giá trị ADC từ 0 - 512. Như vậy
giá trị ADC theo góc quay được tính:
val ADC

512
180

 

Sai số tối đa ở mổi khớp ở cánh tay là 3 , sai số cộng dồn của cả 2 khớp cánh tay
là 6 , độ dài cánh tay là 860mm, vậy sai số ở đầu công tác tính được:

6

180

860

90 

Để hái được cà chua đòi hỏi độ chính xác cao(

30

), vì vậy để giảm sai

số tối đa cần phải điều khiển theo phương pháp điều khiển PID cho tay máy hoạt động
chính xác và nhanh hơn.
2.5.6. Vi điều khiển PIC
PIC là tên viết tắt của Máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent
Computer) do hãng General Instrument đặt tên, con vi điều khiển đầu tiên của họ là
PIC1650. Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này. Cho đến nay, các
sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ
12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx,16FxxxA, 16LFxxxA, 18Fxxx 18LFxxx…
Những Tính Năng Chính Của PIC16F877A:
13


Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886

Hình 2.12: Sơ đồ chân Pic16F886
- 8 K Flash ROM.

- 368 bytes RAM.
- 256 bytes EEPROM.
- Port I/O (A, B, C), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập.
- Bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2.
- 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng
lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài.
- Bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều biến
xung.
- 1 bộ biến đổi tương tự – số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào.
- 2 bộ so sánh tương tự (Comparator).
- 1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer).
14


- 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển.
- 1 cổng nối tiếp (Serial Port).
- 15 nguồn ngắt (Interrupt).
- Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode).
- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSPTM (In-Circuit Serial Programing).
- Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS.
- 35 tập lệnh có độ dài 14 bit.
- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz.
2.6. Phần mềm Matlab.
2.6.1. Matlab – ngôn ngữ của tính toán kỹ thuật
MATLAB là một ngôn ngữ bậc cao và môi trường tương tác cho phép bạn tiến
hành các nhiệm vụ tính toán có cường độ lớn nhanh hơn với các ngôn ngữ lập trình
như C, C++ và Fortran.
MATLAB viết tắt cho "Matrix Laboratory" - Phòng thí nghiệm ma trận. Ban
đầu Matlab được thiết kế bởi Cleve Moler vào những năm 1970 để sử dụng như một
công cụ dạy học. Từ đó đến nay nó đã được phát triển thành một bộ phần mềm thương

mại rất thành công.
Hiện nay MATLAB là một bộ phần mềm cho công việc tính toán trong các ngành
kỹ thuật, trong khoa học và trong lĩnh vực toán học ứng dụng. Matlab cho ta một ngôn
ngữ lập trình mạnh, giao diện đồ họa xuất sắc, và một phạm vi rất rộng các kiến thức
chuyên môn. Matlab là một thương hiệu đã được thương mại hóa của tập đoàn
MathWorks, Massachusetts, USA (hiện là nhà cung cấp hàng đầu thế giới cho các
phần mềm tính toán kỹ thuật và thiết kế dựa trên mô hình).
2.6.2. Giao diện Matlab
Sau khi cài đặt xong chương trình Matlab 2011b, nhấp chuột vào biểu tượng
để khởi động chương trình.
Về cơ bản, không gian làm việc của Matlab gồm có các phần sau:
+ Cửa sổ trợ giúp (Help window)
+ Nút Start
+ Cửa sổ nhập lệnh (Command window)
15


+ Cửa sổ không gian làm việc (Workspace window)
+ Cửa sổ quá trình lệnh (Command History window - lịch sử )
+ Cửa sổ biên tập mảng, vectơ, ma trậ n (Array editor window)
+ Cửa sổ địa chỉ thư mục hiện thời (Current directory window)

Hình 2.13:Giao diện Matlab
2.6.2. Đặc điểm của Matlab.
Lập trình theo nghĩa thông thường, là nhập vào máy những câu lệnh rõ ràng, theo
một thứ tự nhất định sao cho khi máy thực hiện theo đúng thứ tự đó thì sẽ cho ta kết
quả mong muốn. Một khái niệm nôm na tương tự như vậy thường thấy trong các
khóa học lập trình các ngôn ngữ C, Pascal...
Khi khởi đầu với MatLab ta hãy hiểu theo nghĩa rộng hơn: lập trình còn có các
bước biểu diễn bài toán dưới dạng các hàm và máy tính qua việc thực hiện các hàm

này cho ta kết quả. Phương pháp này có mức độ trừu tượng cao hơn so với các câu
lệnh chỉ dẫn đơn thuần.
Trong những năm gần đây, bên cạnh các ngôn ngữ lập trình truyền thống (C /
C++/ Fortran), các ngôn ngữ văn lệnh (scripting languages) được sử dụng phổ biến
hơn trong lĩnh vực nghiên cứu tính toán. MatLab là một trong các ngôn ngữ như vậy.
Là một ngôn ngữ bậc cao, mỗi dòng lệnh MatLab thường có tác dụng tương đương
với khoảng 10 dòng lệnh của C / C++. Người lập trình sẽ tốn ít thời gian gõ câu lệnh
và tập trung hơn vào nội dung chương trình.

16