Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot delta kết hợp xử lí ảnh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN
LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG ROBOT DELTA
KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH

Người hướng dẫn:
Người duyệt:
Sinh viên thực hiện:

TS. LÊ HOÀI NAM
TS. VÕ NHƯ THÀNH
HÀ HỒNG NHẬT
TRƯƠNG XUÂN HẢI
Số thẻ sinh viên : 101140193
101140138
Lớp: 14CDT2
14CDT1

Đà Nẵng, 6/2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Ngành

1

Hà Hồng Nhật

101140193

14CDT2

Cơ Điện Tử

2

Trương Xuân Hải

101140138

14CDT1

Cơ Điện Tử

1. Tên đề tài đồ án:
Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng Robot Delta kết hợp xử lí ảnh
2. Đề tài thuộc diện: ☒ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
-

Vùng làm việc của robot Delta;
Các kích thước thông số của robot;
Các vật liệu: nhôm nguyên khối, inox, nhôm định hình.

4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT
1

2

Họ tên sinh viên
Hà Hồng Nhật

Trương Xuân Hải

Nội dung
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống và ứng dụng của
Robot Delta trong công nghiệp;
Tìm hiểu về động học của Robot Delta;
Xây dựng hệ thống cơ khí cho đề tài;
Thiết kế hệ thống điện và tủ điện;
Xây dựng bản vẽ cho hệ thống.

b. Phần riêng:
TT
1

Họ tên sinh viên
Hà Hồng Nhật

Nội dung
Tìm hiểu cách thức hoạt động của động cơ và driver;


Lập trình điều khiển cho Robot Delta;
Tìm hiểu ứng dụng máy tính nhúng vào trong đề tài.
2

Trương Xuân Hải

Thiết kế mạch điện cho hệ thống;
Thiết kế in 3D liên quan đến đề tài;
Thiết kế và lập trình phần xử lí ảnh và vùng làm việc
cho hệ thống.

5. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Hà Hồng Nhật

Bản vẽ sơ đồ động

2

Trương Xuân Hải

Poster hệ thống

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Hà Hồng Nhật

Bản vẽ sơ đồ tủ điện và sơ đồ kết nối dây

2

Trương Xuân Hải

Bản vẽ cơ khí lắp ghép

6. Họ tên người hướng dẫn:
T.S Lê Hoài Nam

Phần/ Nội dung:
Hướng dẫn từ lý thuyết đến hoàn thành đề
tài.

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

19/1/2019

8. Ngày hoàn thành đồ án:

19/5/2019
Đà Nẵng, ngày 19 tháng 5 năm 2019

Trưởng Bộ môn

Người hướng dẫn

CAM ĐOAN

-

Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học

-

thuật;
Không bịa đặt, đưa ra thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn;

-

Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập
hoặc hoạt động học thuật khác;

-

Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt
động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình;

-

Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của
mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà

-

không trích dẫn;

Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có
trình dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố
trên nhiều ấn phẩm.

i


MỤC LỤC

Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời cam đoan liêm chính học thuật

i

Mục lục

ii

Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ

v

Danh sách các cụm từ viết tắt

vii

Lời nói đầu……………………………………………………………………………...1
Chương 1 Tổng quan về đề tài ..................................................................................... 2
1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 2

1.2 Giới thiệu về robot Delta.................................................................................... 3
1.2.1 Phân loại ..................................................................................................... 4
1.2.2 Phân tích ưu điểm và nhược điểm................................................................ 5
1.3 Mục tiêu đề ra .................................................................................................... 6
Chương 2 Cơ sở lí thuyết ............................................................................................. 8
2.1 Cấu trúc ............................................................................................................. 8
2.2 Bài toán động học .............................................................................................. 8
2.2.1 Xây dựng phương trình động học .............................................................. 11
2.2.2 Bậc tự do ................................................................................................... 13
2.2.3 Động học nghịch ....................................................................................... 14
2.2.4 Động học thuận ......................................................................................... 16
2.3 Khảo sát vùng làm việc .................................................................................... 21
2.4 Xứ lí ảnh .......................................................................................................... 27
2.4.1 Khái niệm xứ lí ảnh ................................................................................... 27
2.4.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lí ảnh.............................................................. 27
2.4.3 Khử nhiễu ................................................................................................. 29
2.4.4 Mô hình màu HSV (Hue, Staturation, Value) ............................................ 31
Chương 3 Thiết kế ..................................................................................................... 33
3.1 Sơ đồ tổng quan ............................................................................................... 33
ii


3.1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống ........................................................................... 33
3.1.2 Lưu đồ thuật toán ...................................................................................... 34
3.2 Thiết kế hệ thống cơ khí................................................................................... 35
3.2.1 Tấm đế cố định.......................................................................................... 36
3.2.2 Tấm đế di động ......................................................................................... 37
3.2.3 Cánh tay trên ............................................................................................. 37
3.2.4 Cánh tay dưới ............................................................................................ 37
3.2.5 Khớp cầu ................................................................................................... 37

3.2.6 Hộp giảm tốc ............................................................................................. 37
3.3 Thiết kế chọn động cơ ...................................................................................... 38
3.3.1 Tính toán ................................................................................................... 38
3.3.2 Động cơ Easy Servo Motor ....................................................................... 39
3.4 Thiết kế hệ thống điện – điện tử ....................................................................... 41
3.4.1 Thiết kế hệ thống tủ điện ........................................................................... 41
3.4.2 Thiết kế mạch điện tử ................................................................................ 44
3.4.3 Bảng tính tốc độ và chu kì xung ................................................................ 50
3.4.4 Mạch điều khiển ........................................................................................ 52
3.5 Thiết kế phần lập trình cho vi điều khiển ......................................................... 55
3.5.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển ..................................................................... 55
3.5.2 Điều khiển động cơ có gia tốc ................................................................... 55
3.5.3 Phương pháp điều khiển động cơ có gia tốc............................................... 56
3.6 Thiết kế hệ thống khí nén ................................................................................. 59
3.7 Thiết kế phần xử lí ảnh..................................................................................... 60
3.7.1 Lưu đồ thuật toán ...................................................................................... 60
3.7.2 Xứ lí giao tiếp qua Webcam ...................................................................... 60
3.7.3 Chuyển ảnh màu dạng RGB sang HVS ..................................................... 61
3.7.4 Loại bỏ các thành phần nhiễu .................................................................... 61
3.7.5 Xác định tọa độ âm, và góc nghiêng của vật .............................................. 62
3.7.6 Chuyển đổi toạ độ trên khung ảnh sang tọa độ trên mặt phẳng thực tế ....... 62
Chương 4 Đánh giá và kết luận .................................................................................. 64
4.1 Kết quả ............................................................................................................ 64
4.2 Đánh giá .......................................................................................................... 66
4.3 Kết luận ........................................................................................................... 67
iii


4.4 Hướng phát triển .............................................................................................. 67
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………..74

Phụ lục………………………………………………………………………………75

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot chuỗi của hãng Kuka........................................................................... 2
Hình 1. 2 Hãng Fanuc .................................................................................................. 3
Hình 1. 3 Hãng ABB ................................................................................................... 3
Hình 1. 4 Hãng Omron ................................................................................................ 3
Hình 1. 5 Robot Delta .................................................................................................. 3
Hình 1. 6 Robot Delta ứng dụng trong dây chuyền đóng gói sản phẩm ........................ 4
Hình 1. 7 Robot Delta của hãng FANUC ứng dụng trong lắp ráp cơ khí ...................... 4
Hình 1. 8 Kiểu khớp xoay ............................................................................................ 5
Hình 1. 9 Kiểu khớp trượt ............................................................................................ 5
Hình 1. 10 Tốc độ của Robot ....................................................................................... 6
Hình 1. 11 Mục tiêu hướng đến đề tài trong tương lai .................................................. 7
Hình 2. 1 Robot kiểu 3 khớp quay ............................................................................... 8
Hình 2. 2 Thông số hình học ........................................................................................ 9
Hình 2. 3 Tám nhiệm khả dĩ của phương trình động học ngược ................................. 15
Hình 2. 4 Sơ đồ động học thuận ................................................................................. 17
Hình 2. 5 Vùng làm việc có dạng ring torus (với 𝐿 = 1244mm, 𝑙 = 5244mm) ........ 23
Hình 2. 6 Vùng làm việc có dạng horn torus (với 𝐿 = 𝑙 = 884mm) .......................... 23
Hình 2. 7 Vùng làm việc có dạng spindle torus (với 𝐿 = 524mm, 𝑙 = 1244mm) ...... 24
Hình 2. 8 Vùng làm việc của mỗi cánh tay ................................................................. 24
Hình 2. 9 Mười vùng làm việc ................................................................................... 26
Hình 2. 10 Phương án 1 ............................................................................................. 26
Hình 2. 11 Quá trình xử lí ảnh ................................................................................... 27
Hình 2. 12 Ảnh tĩnh ................................................................................................... 28

Hình 2. 13 Chuỗi ảnh động ........................................................................................ 28
Hình 2. 14 Kết quả sau khi lọc ................................................................................... 30
Hình 2. 15 Kết quả sau khi lọc ................................................................................... 31
Hình 2. 16 Lọc giả trung vị ........................................................................................ 31
Hình 2. 17 Mô hình màu không gian HVS ................................................................. 32
v


Hình 3. 1 Sơ đồ tổng quan về hệ thống ...................................................................... 33
Hình 3. 2 Lưu đồ thuật toán ....................................................................................... 34
Hình 3. 3 Sơ đồ hệ thống thiết kế cơ khí .................................................................... 35
Hình 3. 4 Thiết kế lắp ráp trên phần mềm Solidwork ................................................. 36
Hình 3. 5 Mô phỏng vùng làm việc của Robot ........................................................... 36
Hình 3. 6 Thiết kế gia công ........................................................................................ 36
Hình 3. 7 Hộp giảm tốc .............................................................................................. 37
Hình 3. 8 Động cơ easy servo motor .......................................................................... 39
Hình 3. 9 Sơ đồ và kí hiệu kết nối dây ....................................................................... 40
Hình 3. 10 Sơ đồ hệ thống điện- điện tử ..................................................................... 41
Hình 3. 11 Contactor.................................................................................................. 42
Hình 3. 12 Sóng hài ................................................................................................... 43
Hình 3. 13 Tác dụng của lọc 3P và 1P........................................................................ 43
Hình 3. 14 Sơ đồ kết nối ............................................................................................ 44
Hình 3. 15 Cách đấu nguồn cho Driver ...................................................................... 44
Hình 3. 16 Cách đấu nguồn thực tế ............................................................................ 45
Hình 3. 17 Kết nối với động cơ .................................................................................. 45
Hình 3. 18 Sơ đồ kết nối với vi điều khiển ................................................................. 46
Hình 3. 19 Sơ đồ kết nối chân với tín hiệu điều khiển ................................................ 47
Hình 3. 20 Cáp kết nối điều khiển .............................................................................. 47
Hình 3. 21 Giao diện phần mềm................................................................................. 48
Hình 3. 22 Bảng điều khiển Driver ............................................................................ 48

Hình 3. 23 Arduino Mega 2560 ................................................................................. 52
Hình 3. 24 Sơ đồ chân board mega 2560 .................................................................... 53
Hình 3. 25 Lưu đồ thuật toán điều khiển .................................................................... 55
Hình 3. 26 Mối quan hệ giữa tốc độ và Momen của động cơ ES- MH 23480 ............. 56
Hình 3. 27 Mối quan hệ giữa tốc độ và momen .......................................................... 56
Hình 3. 28 Tạo xung với tốc độ không đổiv ............................................................... 57
Hình 3. 29 Mối quan hệ giữa gia tốc, vận tốc, vị trí.................................................... 57
Hình 3. 30 Đặc tính tốc độ và xung điều khiển........................................................... 58
Hình 3. 31 Hệ thống khí nén ...................................................................................... 59
Hình 3. 32 Lưu đồ thuật toán xử lí ảnh....................................................................... 60
vi


Hình 3. 33 Hình ảnh gốc chụp từ Camera .................................................................. 61
Hình 3. 34 Ảnh tọa độ, màu sắc của vật ..................................................................... 62
Hình 3. 35 Chuyển đổi hệ tọa độ ................................................................................ 63
Hình 4. 1 Hoàn thiện sản phẩm .................................................................................. 64
Hình 4. 2 Giao diện điều khiển .................................................................................. 65
Hình 4. 3 Giao diện mô phỏng tính toán động học ..................................................... 66
Hình 4. 4 Thiết kế tủ và sơ đồ đi dây.......................................................................... 66

vii


viii


LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng

đóng một vai trò quan trọng. Với tốc độ phát triển như hiện nay chúng ta không chỉ cần
một lượng lao động khổng lồ mà còn đòi hỏi có trình độ, chất lượng tay nghề, kỹ thuật
lao động và thiết bị sản xuất. Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao thì
vấn đề tự động hoá ngày càng được chú trọng.
Trong những năm gần đây, robot đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động kinh
tế, môi trường và xã hội. Nó là một cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển vượt bậc
của toàn nhân loại. Nó giúp cho con người lao động ao toàn hơn, nâng cao hiệu quả sản
xuất nhằm đẩy mạnh phát triển nền kinh tế và một phần nó còn làm giảm rác thải và ô
nhiễm trong các nhà máy công nghiệp.
Kết hợp xu thế phát triển của thời đại cũng những kiến thức quý báu được thầy cô
truyền đạt qua 5 năm học tại trường. Nhóm tác giả quyết định lựa chọn đề tài “Hệ thống
phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp xử lý ảnh” nhằm đáp ứng nhu cầu trong
các dây chuyển sản suất trong các nhà máy công nghiệp sao cho hệ thống là tối ưu nhất.
Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy TS. Lê Hoài Nam
cùng sự hỗ trợ từ công ty R&P và phía sau là sự giúp đỡ to lớn từ gia đình, bạn bè. Nhóm
tác giả đã thực sự cố gắng hoàn thành đề tài một cách tốt nhất. Tuy nhiên, với kiến thức
còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng còn thiếu, mặc dù cố gắng nhiều bên cạnh đó vẫn còn
nhiều thiếu sót cần bổ sung, hoàn thiện hơn. Mong thầy cô thông cảm và góp ý để đề tài
của nhóm hoàn thiện hơn, có thể phát triển và được ứng dụng trong thời gian sắp tới.
Một lần nữa nhóm xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp
đỡ trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Đặc biệt, nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí
– Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là các Thầy đã trực tiếp hướng
dẫn nhóm trong đề tài tốt nghiệp này.

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

1

Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung
Hiện nay, phân loại sản phẩm là một công đoạn được sử dụng rất nhiều trong thực
tế sản xuất. Khi dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp đi
lặp lại. Mặt khác, có những yêu cầu phân loại sản phẩm dựa trên nhiều đặc tính khác
nhau như màu sắc, hình dáng, khối lượng hay những yêu cầu kĩ thuật rất nhỏ mà mắt
thường khó có thể nhận ra. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng
sản phẩm. Nhận biết những điều này khi còn đang ngồi trên ghế Nhà trường, nhóm đã
bắt tay vào nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm. Đi kèm với dây chuyền phân loại
sản phẩm là robot công nghiệp có thể thay con người làm những công việc mang tính
lặp đi lặp lại nhàm chán với một năng suất vượt trội và độ tin cậy cao. Robot công nghiệp
được chia làm hai loại chủ yếu là robot chuỗi và robot song song.

Hình 1.1 Robot chuỗi của hãng Kuka
Robot chuỗi có độ linh hoạt cao, không gian làm việc rộng. Tuy nhiên, các động
cơ dẫn động thường được gắn trên khâu động nên quán tính lớn, độ cứng vững không
cao. Ngược lại, robot song song tuy có không gian làm việc bị hạn chế, xuất hiện các
điểm kì dị làm cho robot thiếu hoặc thừa bậc tự do nhưng lại có điểm mạnh là độ cứng
vững cao do sự ràng buộc giữa các khâu của chuỗi động học kín, khớp truyền động là
cố định. Đặc biệt hơn là nó có thể thực hiện được các chuyển động với vận tốc cao mà
không sợ bị hạn chế về mặt quán tính.
Từ khi xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1947 với cơ cấu Hexapod do tiến sỹ Eric
phát minh ra [1] đến nay robot song song đã có được chặng đường phát triển khá dài với
nhiều thành tựu nối bật. Robot song song cũng có rất nhiều loại, từ hai bậc tự do cho
Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

2


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

đến sáu bậc tự do. Chính vì ưu điểm về độ cứng vững và gia công tốc độ cao mà robot
song song ngày càng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu để đưa vào công nghiệp thay
thế cho hệ thống máy công cụ.

1.2 Giới thiệu về robot Delta
Robot song song kiểu Delta (từ đây trở về sau gọi tắt là robot Delta) lần đầu tiên
được phát minh bởi giáo sư Reymond Clavel vào năm 1985 [2][3], đến nay đã có rất
nhiều hãng sản xuất robot nổi tiếng đã chế tạo thành công và đưa vào ứng dụng thực
tiễn như Fanuc, ABB, Bosch Packaging.

Hình 1. 2 Hãng Fanuc

Hình 1. 3 Hãng ABB

Hình 1. 4 Hãng Omron

Robot Delta sử dụng các cơ cấu hình bình hành (parallelogram) và một tấm đế
di động (moving platform) có ba bậc tự do tịnh tiến so với tấm đế cố định (base).

Hình 1. 5 Robot Delta
Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

3


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa
học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực
khác nhau như nghành vật lý, cơ khí, quân sự…
Một số hình ảnh về ứng dụng của Robot Delta

Hình 1. 6 Robot Delta ứng dụng trong dây chuyền đóng gói sản phẩm

Hình 1. 7 Robot Delta của hãng FANUC ứng dụng trong lắp ráp cơ khí
1.2.1 Phân loại
Dựa theo đặc tính của khớp ta phân loại Robot Delta theo 2 dạng chính:
Robot delta kiểu ba khớp xoay: Loại robot này ban đầu được ứng dụng để gắp và thả
các thanh sôcôla từ băng chuyền vào trong hộp để đóng gói. Sau đó, nó được ứng dụng
Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

4


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

nhiều trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm và trong y học (các thiết bị hỗ trợ phẫu
thuật).

Hình 1. 8 Kiểu khớp xoay
Robot delta kiểu ba khớp trượt: Loại robot này được sử dụng nhiều trong các loại
máy in 3D.

Hình 1. 9 Kiểu khớp trượt
1.2.2 Phân tích ưu điểm và nhược điểm
-

Ưu điểm
Khả năng chịu tải cao, các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của các
thành phần cũng nhỏ hơn.

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

5


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: Tất cả các lực tác động đồng
thời được chia sẻ cho tất cả các chân, cấu trúc động học một cách đặc biệt của
các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén
của các chân.
Có thế thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao
với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ
cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy.
Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.

Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối
được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
Đặc biệt có ưu điểm vượt trội về mặt tốc độ so với Robot chuỗi.

Hình 1. 10 Tốc độ của Robot
-

Nhược điểm
Khoảng không gian làm việc nhỏ và thiết kế khó khăn.
Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp.
Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.

1.3 Mục tiêu đề ra
Nhằm đẩy mạnh sự sản xuất trong công nghiệp, tối ưu hóa nhất hệ thống phân loại
nhờ những đặc tính vượt trội về mặt tốc độ của Robot Delta. Mục tiêu của đề tài là xây
dựng hệ thống phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc và hình dáng được xử lí bởi camera.
Camera sẽ xử lí hình ảnh, xác định tọa độ của vật, tiếp theo gửi tọa độ lên máy tính. Máy
tính điều khiển vi điều khiển để đưa các cánh tay của Robot Delta đến vị trí đúng của
vật.

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

6


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

Hình 1. 11 Mục tiêu hướng đến đề tài trong tương lai

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

7


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Cấu trúc
Cũng như các robot thông thường, Robot chuỗi là loại Robot có cấu trúc vòng kín
trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động. Sơ đồ động cơ
cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu ra (là khâu trực
tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn trong Robot song song, khâu
cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau
và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên
nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học.

2.2 Bài toán động học
Robot delta kiểu ba khớp quay gồm ba cánh tay giống nhau RUU [3] duy trì sự
song song giữa tấm đế cố định và tấm đế di động có gắn khâu chấp hành cuối. Các khớp
quay trên cùng được dẫn động (kí hiệu bởi từ gạch chân R – Revolute) bởi các cơ cấu
chấp hành tạo chuyển động quay (động cơ) gắn trên tấm đế cố định. Các biến khớp là
𝜃𝑖 với 𝑖 = 1,2,3 như trong hình dưới, chiều dương của 𝜃𝑖 được xác định theo qui tắc bàn
tay phải. Góc 𝜃𝑖 = 0 được xác định khi khâu dẫn động nằm trên mặt phẳng nằm ngang.
Cơ cấu hình bình hành gồm bốn thanh trong ba khâu bên dưới đảm bảo chuyển động
tịnh tiến. Các khớp các-đăng (U – Universal) được tạo bởi ba khớp quay R không nằm

cùng một chỗ (non-collocated) (gồm hai song song và một vuông góc, ta có sáu khớp
các-đăng như vậy)

Hình 2. 1 Robot kiểu 3 khớp quay
Robot delta ba bậc tự do có khả năng điều khiển tấm đế di động di chuyển tịnh
tiến theo các phương xyz trong vùng làm việc của nó. Xét ba chuỗi RUU giống nhau,
ba chuỗi này có cấu trúc giống chân người với các điểm 𝐵𝑖 với 𝑖 = 1,2,3 là các khớp
hông (hip), các điểm 𝐴𝑖 với 𝑖 = 1,2,3 là các khớp gối (knee), các điểm 𝑃𝑖 với 𝑖 = 1,2,3
là các mắt cá chân (ankle). Chiều dài cạnh tam giác đều tấm đế cố định là 𝑠𝐵 và chiều
dài cạnh tam giác đều tấm đế di động là 𝑠𝑃 . Tam giác đều tấm đế di động ngược với tam
Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

8


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

giác đều tấm đế cố định theo hướng không đổi. Hình dạng tam giác đều của tấm di
chuyển được nghịch đảo với hình tam giác tấm đế cố định theo phương không đổi.
Các thông số hình học của tấm đế cố định và tấm đế di động (chứa khâu chấp hành
cuối) được thể hiện trong hình 2.2 với các kí hiệu và ý nghĩa được tóm tắt bằng bảng
dưới.

Hình 2. 2 Thông số hình học
Ký hiệu

Ý nghĩa

𝑃𝑖

𝑖 = 1,2,3 điểm nối giữa cánh tay hình bình hành và tấm đế di động

𝑠𝐵

chiều dài cạnh tam giác đều tấm đế cố định

𝑤𝐵

khoảng cách từ tâm 𝑂 đến cạnh của tấm đế cố định

𝑢𝐵

khoảng cách từ tâm 𝑂 đến đỉnh của tấm đế cố định

𝑠𝑃

chiều dài cạnh tam giác đều tấm đế di động

𝑤𝑃

khoảng cách từ tâm 𝑃 đến cạnh của tấm đế di động

𝑢𝑃

khoảng cách từ tâm 𝑃 đến đỉnh 𝑃𝑖 (𝑖 = 1,2,3) của tấm đế di động

𝐿

chiều dài cánh tay 𝐵𝑖 𝐴𝑖 (𝑖 = 1,2,3)

𝑙

chiều dài của mỗi cánh tay hình bình hành

ℎ

chiều rộng của mỗi cánh tay hình bình hành
Bảng 2. 1 Bảng kí hiệu hình học

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

9


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

Hệ toạ độ {𝐵} gắn với tấm đế cố định và có gốc tọa độ là tâm của tam giác đều tấm
đế cố định. Tương tự, hệ tọa độ {𝑃} gắn vào tấm đế di động và có gốc tọa độ là tâm của
tam giác đều tấm đế di động. Hai hệ tọa độ {𝐵} và {𝑃} luôn luôn cùng phương do đó ma
trận quay [ 𝐵𝑃𝑅] = 𝐼3 . Các biến khớp là Θ = [𝜃1 𝜃2 𝜃3 ]𝑇 , và biến thể hiện vị trí của
khâu chấp hành cuối 𝑃 trong hệ tọa độ {𝐵} đang xem xét là ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑃/𝐵 = [𝑥

𝑦

𝑧]𝑇 . Thiết

kế có sự đối xứng cao với ba cánh tay trên có chiều dài 𝐿 và ba cánh tay dưới có chiều
dài 𝑙 (Hình 2.2).
Ta nhận thấy rằng các khớp quay 𝐵𝑖 cố định trong hệ tọa độ {𝐵} và các khớp cácđăng 𝑃𝑖 cố định trong hệ tọa độ {𝑃}.
Ta có:
0
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝐵1 /𝐵 = [−𝑤𝐵 ]
0

(2.1)

√3
𝑤
2 𝐵
= 1
𝑤
2 𝐵
[ 0 ]

(2.2)

√3
𝑤
2 𝐵
= 1
𝑤
2 𝐵
[
]

0

(2.3)

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗2
𝑂𝐵
/𝐵

−

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝐵3 /𝐵

0
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑃𝑃1 /𝑃 = [−𝑢𝑃 ]
0

(2.4)

𝑠𝑃
= [𝑤2 ]
𝑃
0

(2.5)

𝑠𝑃
−
= [ 𝑤2 ]

𝑃
0

(2.6)

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑃𝑃2 /𝑃

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑃𝑃3 /𝐵

Tọa độ các đỉnh tam giác đều tấm đế cố định:
Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

10


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑏1 /𝐵

𝑠𝐵
2 ]
= [−𝑤
𝐵
0

(2.7)

0
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑏2 /𝐵 = [𝑢𝐵 ]
0

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑏3 /𝐵

(2.8)

𝑠𝐵
−
= [ 𝑤2 ]
𝐵
0

(2.9)

Với:
𝑤𝐵 =

√3
𝑠
6 𝐵

𝑢𝐵 =

√3

𝑠
3 𝐵

𝑤𝑃 =

√3
𝑠
6 𝑃

𝑢𝑃 =

√3
𝑠
3 𝑃

2.2.1 Xây dựng phương trình động học
Mục đích của việt xây dựng các phương trình động học là để nắm rõ và sâu hơn
khi viết phương trình điều khiển và mô phỏng Robot (Phụ lục).
Từ sơ đồ động học ở Hình 2.1, ta có thể biểu diễn tọa độ của khâu chấp hành cuối
(điểm 𝑃) trong hệ tọa độ {𝐵} gắn với khâu chấp hành cuối:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗𝑖 = ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝐵𝑖 /𝐵𝑠 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐵𝑖 𝐴𝑖 /𝐵 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐴𝑖 𝑃𝑖 /𝐵 = ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑃/𝐵 + [ 𝐵𝑃𝑅]. 𝑃𝑃
𝑂𝑃/𝐵 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑃𝑃𝑖 /𝑃
/𝑃

(2.11)

Vì hướng của hệ tọa độ {𝐵} và {𝑃} là đồng nhất nên ma trận xoay [ 𝐵𝑃𝑅 ] = 𝐼3 . Ngoài
ra, cấu trúc của robot là đối xứng với độ dài cạnh các hình bình hành 𝑙, ta có thể viết lại:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑙 = ‖𝐴
𝑖 𝑃𝑖 /𝐵 ‖ = ‖𝑂𝑃/𝐵 + 𝑃𝑃𝑖 /𝑃 − 𝑂𝐵𝑖 /𝐵 − 𝐵𝑖 𝐴𝑖 /𝐵 ‖

(2.12)

Để thuận tiện cho việc tính toán, ta bình phương hai vế của phương trình (2.12).
Việc này giúp ta tránh được phép tính căn bậc hai khi tính độ dài của véctơ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐴𝑖 𝑃𝑖 :
/𝐵

2

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑙 2 = ‖𝐴
𝑖 𝑃𝑖 /𝐵 ‖ = ‖𝑂𝑃/𝐵 + 𝑃𝑃𝑖 /𝑃 − 𝑂𝐵𝑖 /𝐵 − 𝐵𝑖 𝐴𝑖 /𝐵 ‖

2

(2.13)

Nhắc lại, biến thể hiện vị trí của khâu chấp hành cuối P trong hệ tọa độ Descartes
{𝐵} đang xem xét là ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑃/𝐵 = [𝑥 𝑦 𝑧]𝑇 . Các véctơ vị trí của các điểm 𝐵𝑖 và 𝑃𝑖 được
cho ở các phương trình từ (2.1) đến (2.6). Véctơ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐵𝑖 𝐴𝑖 /𝐵 phụ thuộc vào các biến khớp
𝜃 = [𝜃1

𝜃2

𝜃3 ]𝑇 :

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

11


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

0
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
−𝐿
cos
𝜃1 ]
𝐵1 𝐴1 /𝐵 = [
−𝐿 sin 𝜃1

(2.14)

√3
𝐿 cos 𝜃2
2
= 1
𝐿 cos 𝜃2
2
[ −𝐿 sin 𝜃2 ]

(2.15)

√3
𝐿 cos 𝜃3
2
= 1
𝐿 cos 𝜃3
2
[ −𝐿 sin 𝜃3 ]

(2.16)

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐵2 𝐴2 /𝐵

−

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐵

3 𝐴3 /𝐵

Thay các phương trình từ (2.1) đến (2.6) và (2.14) đến (2.16) vào phương trình
(2.11), với 𝑖 = 1,2,3, ta có:
𝑥
𝑥+0−0−0
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑦
+
𝑎
+
𝐿 cos 𝜃1 ]
𝐴1 𝑃1 /𝐵 = [𝑦 − 𝑢𝑃 + 𝑤𝐵 + 𝐿 cos 𝜃1 ] = [
𝑧 + 𝐿 sin 𝜃1
𝑧 + 𝐿 sin 𝜃1

(2.17)

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐴2 𝑃2 /𝐵

𝑠𝑃 √3
√3
√3
−
𝑤𝐵 −
𝐿 cos 𝜃2
𝑥+𝑏−
𝐿 cos 𝜃2
2

2
2
2
=
=
1
1
1
𝑦 + 𝑤𝑃 − 𝑤𝐵 − 𝐿 cos 𝜃2
𝑦 + 𝑐 − 𝐿 cos 𝜃2
2
2
2
[
] [
]
𝑧 + 𝐿 sin 𝜃2
𝑧 + 𝐿 sin 𝜃2

(2.18)

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐴3 𝑃3 /𝐵

𝑠𝑃 √3
√3
√3
+
𝑤𝐵 +
𝐿 cos 𝜃3

𝑥−𝑏+
𝐿 cos 𝜃3
2
2
2
2
=
=
1
1
1
𝑦 + 𝑤𝑃 − 𝑤𝐵 − 𝐿 cos 𝜃3
𝑦 + 𝑐 − 𝐿 cos 𝜃3
2
2
2
[
] [
]
𝑧 + 𝐿 sin 𝜃3
𝑧 + 𝐿 sin 𝜃3

(2.19)

𝑥+

𝑥−

Với:
𝑎 = −𝑢𝑃 + 𝑤𝐵

𝑠𝑃 √3
𝑏= −
𝑤
2
2 𝐵

𝑐 = 𝑤𝑃 −

𝑤𝐵
2

Từ các phương trình (2.13), (2.17), (2.18), (2.19), ta có hệ phương trình động học
robot delta kiểu ba khớp quay:
Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

12


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

𝑥 2 + (𝑦 + 𝑎 + 𝐿 cos 𝜃1 )2 + (𝑧 + 𝐿 sin 𝜃1 )2 = 𝑙 2

(2.20)

2

2

1
√3
(𝑥 + 𝑏 −
𝐿 cos 𝜃2 ) + (𝑦 + 𝑐 − 𝐿 cos 𝜃2 ) + (𝑧 + 𝐿 sin 𝜃2 )2
2
2

(2.21)

= 𝑙2
2

2
1
√3
(𝑥 − 𝑏 +
𝐿 cos 𝜃3 ) + (𝑦 + 𝑐 − 𝐿 cos 𝜃3 ) + (𝑧 + 𝐿 sin 𝜃3 )2
2
2

(2.22)

= 𝑙2

2.2.2 Bậc tự do
Phần này chứng minh robot delta có 3 bậc tự do. Sử dụng công thức tính bậc tự
không gian của Kutzbach, ta có:
𝑀 = 6(𝑁 − 1) − 5𝐽1 − 5𝐽2 − 3𝐽3

(2.10)

Với:
𝑀 là số bậc tự do (dof – degrees-of-freedom)
𝑁 là số khâu, kể cả đế
𝐽1 là các khớp có một bậc tự do (khớp quay hoặc khớp trượt)
𝐽2 là các khớp có hai bậc tự do (khớp các-đăng)
𝐽3 là các khớp có ba bậc tự do (khớp cầu)
Đối với robot delta kiểu ba khớp quay, ta có: 𝑁 = 17, 𝐽1 = 21, 𝐽2 = 0, 𝐽3 = 0. Do
đó: 𝑀 = 6(17 − 1) − 5(21) − 4(0) − 3(0) = −9 bậc tự do.
Như thường lệ, công thức Kutzbach cho ta kết quả sai vì kết quả rõ ràng phải là 3
bậc tự do. Kết quả sai này cho ta dự đoán rằng robot delta là một cấu trúc siêu tĩnh. Điều
này là sai.
Thực tế thì công thức Kutzbach không sử dụng được cho cấu trúc đặc biệt – trong
trường hợp của robot delta, đó là ba cơ cấu hình bình hành. Nếu ta bỏ bớt đi một cạnh
dài ở mỗi cơ cấu hình bình hành (tức là bỏ bớt đi hai khớp quay ở mỗi cơ cấu hình bình
hành) thì robot vẫn hoạt động y hết về mặt động học như robot delta ban đầu. Với trường
hợp tương đương này, công thức Kutzbach cho ta: 𝑁 = 14, 𝐽1 = 15, 𝐽2 = 0, 𝐽3 = 0 và
𝑀 = 6(14 − 1) − 5(15) − 4(0) − 3(0) = 3 bậc tự do.

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

13


Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot Delta kết hợp với xử lí ảnh

Đây là kết quả đúng. Có một cách khác để tính số bậc tự do của robot delta, đó là
thay ba cơ cấu hình bình hành bằng ba khâu đơn (tạm gọi là khâu ảo). Trong trường hợp

này, ta vẫn phải xem ở hai đầu của khâu ảo này là các khớp các-đăng. Công thức
Kutzbach cho trường hợp này vẫn cho ta kết quả tương tự: 𝑁 = 8, 𝐽1 = 3, 𝐽2 = 6, 𝐽3 =
0 và 𝑀 = 6(8 − 1) − 5(3) − 4(6) − 3(0) = 3 bậc tự do.
2.2.3 Động học nghịch
Trong bài toán để tìm ra động học nghịch thì ta sử dụng phương pháp giải tích để
giải.
Bài toán động học ngược của robot delta kiểu ba khớp quay được phát biểu: Biết
tọa độ của khâu chấp hành cuối ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑃/𝐵 = [𝑥 𝑦 𝑧 ]𝑇 , xác định giá trị của các biến khớp
𝜃 = {𝜃1 , 𝜃2 , 𝜃3 }𝑇 . Nghiệm bài toán động học ngược robot song song không phức tạp, là
các nghiệm không tầm thường (khác 0) nhưng có thể giải được bằng phương pháp giải
tích. Nhìn vào sơ đồ động học ở Hình 2.1, bài toán động học ngược có thể được giải một
cách độc lập cho mỗi cánh tay RUU. Về mặt hình học, nghiệm bài toán động học ngược
của mỗi cánh tay RUU là giao điểm giữa đường tròn (𝐵𝑖 , 𝐿) và mặt cầu (𝑃𝑖 , 𝑙). Ta cũng
có thể giải bài toán này bằng phương pháp lượng giác.
Tuy nhiên, trước mắt ta cần tìm nghiệm giải tích của nó. Bằng một số biến đổi đơn
giản, các phương trình động học (2.20), (2.21), (2.22) có thể được viết lại dưới dạng:
𝐸𝑖 cos 𝜃𝑖 + 𝐹𝑖 sin 𝜃𝑖 + 𝐺𝑖 = 0

(2.23)

Với:
𝐸1 = 2𝐿(𝑦 + 𝑎)
𝐹1 = 2𝑧𝐿
𝐺1 = 𝑥 2 + 𝑦 2 + 𝑧2 + 𝑎2 + 𝐿2 + 2𝑦𝑎 − 𝑙 2
𝐸2 = −𝐿(√3(𝑥 + 𝑏) + 𝑦 + 𝑐)
𝐹2 = 2𝑧𝐿

(2.24)

𝐺2 = 𝑥 2 + 𝑦 2 + 𝑧2 + 𝑏 2 + 𝑐 2 + 𝐿2 + 2(𝑥𝑏 + 𝑦𝑐 ) − 𝑙 2
𝐸3 = 𝐿(√3(𝑥 − 𝑏) − 𝑦 − 𝑐)
𝐹3 = 2𝑧𝐿
𝐺3 = 𝑥 2 + 𝑦 2 + 𝑧2 + 𝑏 2 + 𝑐 2 + 𝐿2 + 2(−𝑥𝑏 + 𝑦𝑐 ) − 𝑙 2

Sinh viên thực hiện: Hà Hồng Nhật, Trương Xuân Hải

GVHD: T.S Lê Hoài Nam

14