Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ 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 cánh tay robot 4 bậc
tự do phân loại sản phẩm trên băng tải
sử dụng công nghệ xử lí ảnh

Người hướng dẫn:

ThS. NGUYỄN ĐẮC LỰC

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN VĂN SƠN
PHẠM PHÚ VỸ
Số thẻ sinh viên
: 101140197
101140210
Lớp: 14CDT2

Đà Nẵng - 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Sơn-Phạm Phú Vỹ
2. Lớp: 14CDT2 Số thẻ SV: 101140197-101140210
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên
băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh
4. Người hướng dẫn: Nguyễn Đắc Lực
5 Học hàm/ học vị: Thạc sĩ
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
4. Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp hoặc
nhà trường: (điểm tối đa là 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………..
III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm tối đa 1đ)
………………………………………………………………………………………..
IV. Đánh giá:
1. Điểm đánh giá:

……../10 (lấy đến 1 số lẻ thập phân)

2. Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án

☐ Bổ sung để bảo vệ
Đà Nẵng, ngày

☐ Không được bảo vệ
tháng

Người hướng dẫn

năm 201



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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I.
Thông tin chung:
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Sơn-Phạm Phú Vỹ
1.
Lớp: 14 CDT2
Số thẻ SV: 101140197-101140210
2.
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm
trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh
3.
4.

Người phản biện……………………..
……………………………………….

5.
6.

……………………………………….
……………………………………….

7.

Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

TT Các tiêu chí đánh giá

1

1a

Điểm
Điểm
đánh
tối đa
giá

Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải quyết
80
đủ nhiệm vụ đồ án được giao
Tính mới (nội dung chính của ĐATN có những phần
mới so với các ĐATN trước đây).
15
Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng
thực tiễn.

1b

Kỹ năng giải quyết vấn đề; hiểu, vận dụng được kiến
thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu.
50
Chất lượng nội dung ĐATN (thuyết minh, bản vẽ,
chương trình, mô hình,…).

1c

Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm ứng
dụng trong vấn đề nghiên cứu;
Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng 15
dụng trong vấn đề nghiên cứu;

-

Có kỹ năng làm việc nhóm;

2

Kỹ năng viết:

2a

tích

2b

Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định
5
dạng

Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc

20
15


3

Tổng điểm đánh giá theo thang 100:
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)

1.

Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

………………………………………..…………………………………………………
……………………………………..................................................................................
2.
Câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời trong buổi bảo vệ:
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
3.

Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ

Đà Nẵng, ngày

tháng 12 năm 2019.


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

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TT

1

Họ tên sinh viên
Nguyễn Văn Sơn

Số thẻ SV
101140197

Lớp
14CDT2

Ngành
Cơ điện tử

2
Phạm Phú Vỹ
101140210
14CDT2
Cơ điện tử
1. Tên đề tài đồ án:Thiết kế và chế tạo mô hình cánh tay Robot 4 bậc tự do phân loại
sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ 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:
……………………………………..……………………………………………..……...
...…………………………………………………………………………………………
…..………………………………….…..………………………..………………………
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
a. Phần chung.
Họ và tên

STT
1

2

Nguyễn Văn Sơn

Phạm Phú Vỹ

Nội dung
Tìm hiểu một số một số cơ cấu ngoài thực tế
để đưa ra ý tưởng tốt nhất.
Tìm hiểu nguyên lí hoạt động , lựa chọn các cơ
cấu phù hợp.
Tìm hiểu tài liệu và phần mềm liên quan.
Hoàn thiện thuyết minh.

b. Phần riêng.
STT

Họ và tên

Nội dung
Tìm hiểu các linh kiện điện tử, Lập trình hệ

1

2

Nguyễn Văn Sơn

thống.

Phạm Phú Vỹ

Thiết kế hệ thống bằng phần mềm solidworks,
tính toán phần động học.


5. Các bản vẽ, đồ thị
a. Phần chung.
Họ và tên

STT

Nội dung

Bản vẽ

Nguyễn Văn Sơn

1

2

Phạm Phú Vỹ

Bản vẽ tổng thể
Bản vẽ sơ đồ động

A0

b. Phần riêng.
STT
1

Họ và tên
Nguyễn Văn Sơn

Nội dung

Bản vẽ

Bản vẽ sơ đồ mạch điện
Bản vẽ chi tiết
A0
Bản vẽ lắp

2

Phạm Phú Vỹ

Lưu đồ thuật toán

6. Họ tên người hướng dẫn: Ths.Nguyễn Đắc Lực.
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
25./08./2019.
8. Ngày hoàn thành đồ án:

14./12./2019.

Đà Nẵng, ngày 14 tháng 12 năm 2019.

Trưởng Bộ môn ……………………..

Người hướng dẫn


CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan:
Những nội dung trong đồ án này là do chúng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực
tiếp của Thầy Ths Nguyễn Đắc Lực.
Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình,
thời gian, địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, chúng tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm.
Nhóm Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Sơn

Phạm Phú Vỹ

i


MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.........................................................................................
CAM ĐOAN .......................................................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................................. ii

LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1
TÓM TẮT ............................................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................................................. 4
1.1. Giới thiệu về đề tài.......................................................................................................... 4
1.2. Phân tích đề tài .............................................................................................................. 6
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................. 6
1.4. Cấu trúc của đề tài ......................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ. ................................................................. 8
2.1. Thiết kế cánh tay Robot .................................................................................................. 8
2.1.1 Phân tích lựa chọn phương án ...................................................................................... 8
2.1.2. Tính chọn động cơ cho robot ........................................................................................ 8
2.1.3. Mô phỏng 3D cánh tay robot ...................................................................................... 11
2.1.4. Chọn vật liệu cho thân robot ...................................................................................... 12
2.1.5 Thiết kế bộ phận truyền chuyển động cho các khớp của robot.................................... 12
2.2 Thiết kế hệ thống băng tải ............................................................................................ 14
2.2.1 Giới thiệu .................................................................................................................... 14
2.2.2 Nguyên lí hoạt động ................................................................................................... 15
2.2.3 Tính toán và chọn thiết bị cho băng tải ........................................................................ 15
2.2.4. Lựa chọn và tính toán băng tải ................................................................................... 17
2.3. Thiết kế khay chứa sản phẩm....................................................................................... 20
2.4. Sơ đồ động hệ thống .................................................................................................... 21
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ....................................................... 23
3.1. Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................................... 23
3.2. Vi điều khiển Arduno ................................................................................................... 23
3.2.1. Tổng quan .................................................................................................................. 23
3.2.2. Thông số kĩ thuật ARDUINO MICRO ......................................................................... 24
3.2.3. I/O Pins ...................................................................................................................... 24
3.3. Module LM2596 ........................................................................................................... 25
3.4 . Khối nguồn 12V .......................................................................................................... 26
3.5. Sơ đồ mạch điện ........................................................................................................... 27

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ............................................ 28
ii


4.1. Tính toán động học cánh tay robot .............................................................................. 28
4.1.1. Phương trình động học thuận ..................................................................................... 28
4.1.2 Phương trình động học nghịch .................................................................................... 30
4.2. Xử lí ảnh ..................................................................................................................... 31
4.2.1 Tổng quan về xử lí ảnh ................................................................................................ 31
4.2.2. Phần mềm Visual........................................................................................................ 33
4.2.2.1. Cấu trúc dữ liệu và ứng dụng. ................................................................................. 33
4.2.2.2. Cấu trúc dữ liệu và ứng dụng .................................................................................. 34
4.2.2.3. Các thông số về ảnh ................................................................................................ 34
4.3. Lưu đồ thuật toán Visual và xử lí ảnh ......................................................................... 37
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 42
PHỤ LỤC............................................................................................................................ 43
I.CODE ARDUINO ............................................................................................................ 43
II.CODE VISUAL ............................................................................................................... 46

iii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật động cơ Servo MG995 ............................................................... 9
Bảng 2.2 Thông số Giác hút chân không MDSP650 ............................................................. 11
Bảng 2.3 Thông số các khâu của cánh tay robot. .................................................................. 13
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật -ARDUINO MICRO ................................................................. 24
Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật LM2596 .................................................................................... 25
Bảng 4.1 Thông số DH......................................................................................................... 28

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................................
Hình 1.1. Quá trình phát triển công nghiệp qua các thời kì. .................................................... 4
Hình 1.2. Cánh tay robot hoạt động trên dây chuyền sản xuất công nghiệp ............................. 5
Hình 1.3. Ứng dụng xử lí ảnh phân loại sản phẩm .................................................................. 5
Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống phân loại sản phẩm tự động .................................................... 6
Hình 2.1. Sơ đồ động của robot 4 bậc tự do RRRR. ................................................................ 8
Hình 2.2. Động cơ Servo MG995 ........................................................................................... 9
Hình 2.4. Giác hút chân không MDSP650. ........................................................................... 10
Hình 2.5. Mô phỏng 3D cánh tay robot. ............................................................................... 11
Hình 2.6. Mica tấm .............................................................................................................. 12
Hình 2.7. Vòng bi chà 40mm x 60mm .................................................................................. 13
Hình 2.8. Cơ cấu thanh truyền . ............................................................................................ 13
Hình 2.9. Cấu tạo của băng tải.............................................................................................. 14
Hình 2.10. Bộ truyền đai ...................................................................................................... 15
Hình 2.11. Bộ truyền xích. ................................................................................................... 16
Hình 2.12. Bộ truyền đai răng. ............................................................................................. 16
Hình 2.13. Hình ảnh động cơ DC Motor SRS-380SH. .......................................................... 17
Thông số kĩ thuật: ................................................................................................................ 17
Hình 2.13. Dây băng tải xanh. .............................................................................................. 18
Hình 2.14 Sơ đồ tính toán để xác định công suất băng tải ..................................................... 18
Hình 2.15. Khay chứa sản phẩm. .......................................................................................... 20
Hình 2.16. Sơ đồ động toàn bộ hệ thống. .............................................................................. 21
Hình 2.17. Mô phỏng 3D toàn bộ hệ thống. .......................................................................... 21
Hình 2.18. Mô hình đã chế tạo. ............................................................................................ 22
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................................. 23
Hình 3.2. Sơ đồ chi tiết của ARDUINO MICRO .................................................................. 23

Hình 3.3. Sơ đồ chân của ARDUINO MICRO ...................................................................... 24
Hình 3.4. Module hạ áp LM2596 ......................................................................................... 25
Hình 3.5. Khối nguồn 12V ................................................................................................... 26
Hình 3.6. Sơ đồ mạch điện ................................................................................................... 27
Hình 4.1. Hệ tọa độ của cánh tay robot. ................................................................................ 28
Hình 4.2. Các quá trình xử lý ảnh ......................................................................................... 31
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán Visual....................................................................................... 37
Hình 4.8. Lưu đồ thuật toán xử lí ảnh. .................................................................................. 38

v


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

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 cách mạng công nghiệp 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào
sản xuất, kinh doanh là một xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao. Trên
thế giới đã có nhiều nhà máy sử dụng toàn bộ hệ thống dây chuyền sản xuất tự động
hóa, đưa rôbốt vào thay thế sức lao động của con người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ
chính xác cao. Nhờ vào robot, cuộc sống của chúng ta ngày càng tiện nghi và an toàn
hơn. Thật vậy, robot đang dần thay thế con người trong những công việc nguy hiểm như
cứu nạn, cứu hộ, kiểm tra các môi trường độc hại, những nơi ảnh hưởng trực tiếp đến
sức khoẻ và tính mạng con người. Không chỉ vậy, trong các hộ gia đình, robot đã và
đang giúp chúng ta thực hiện những công việc nhàm chán và mất nhiều thời gian như
lau nhà, hút bụi… nhờ đó chất lượng cuộc sống ngày càng cao hơn.

Kết hợp xu thế phát triển của thời đại cũng những những kiến thức đã học, Nhóm
chúng em đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại
sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh”.
Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy Ths.Nguyễn Đắc Lực
cùng với sự cố gắng của hai thành viên trong nhóm đến nay đồ án đã hoàn thành. Tuy
nhiên với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng còn thiếu, mặc dù có nhiều cố
gắng song nhóm em vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hoàn thiện. Kính mong các
thầy cô thông cảm và góp ý để đề tài của nhóm em hoàn thiện hơn và có thể phát triển,
ứng dụng trong thời gian sắp tới.
Đà Nẵng, ngày 07 tháng 12 năm 2019.
Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Sơn

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

Phạm Phú Vỹ

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

1


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm
trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Sơn-Phạm Phú Vỹ
Số thẻ SV: 101140197-101140210

Lớp: 14CDT2
Nội dung tóm tắt: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot ứng dụng công
nghệ xử lí ảnh. Sản phẩm với các màu sắc khác nhau nằm trên băng tải động, khi đến
vùng xử lí.Quá trình phân loại sản phẩm sẽ thực hiện dựa trên việc thu thập thông tin
về, màu sắc, hình dạng và góc lệch của sản phẩm thông qua hệ thống camera. Camera
lấy dữ liệu, qua phân tích và tính toán của máy tính. Xuất tín hiệu để điều khiển cánh
tay robot thực hiện công việc phân loại. Các sản phẩm được phân loại theo mào sắc được
phân chia vào các khay đúng theo yêu cầu.

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

2


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

MỞ ĐẦU
Mục đích thực hiện đề tài: Thiết kế chế tạo một hệ thống phân loại sản phẩm tự động
trên băng tải động bằng cánh tay robot ứng dụng công nghệ xử lí ảnh. Với việc áp dụng
công nghệ xử lí ảnh, nó sẽ làm tăng năng suất và tránh những sai sót có thể xảy ra trong
quá trình sản xuất.
Mục tiêu đề tài: Củng cố lại những kiến thức đã học vào thực tế từ thiết kế chế tạo cơ
khí, mạch điện, lập trình,nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế …. Qua đó hiểu rõ
hơn về ngành học cũng như những công việc trong tương lai, để từ đó bổ sung thêm
kiếm và rút kinh nghiệm sau này.
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:
Phạm vi: Hệ thống bao gồm những phần chính như: 1 cánh tay robot 4 bậc tự do, 1 hệ
thống băng tải động, 1 camera xử lý ảnh, máy tính. Phạm vi ở dạng mô hình nhỏ gọn,

phù hợp với việc thực hành và nghiên cứu.
Đối tượng: Cánh tay Robot 4 bậc tự do, hệ thống băng tải, camera xử lý ảnh, máy tính.
Phương Pháp nghiên cứu: Vận dụng các kiến thức đã học từ các môn liên quan trong
suốt quá trình học từ cơ khí, điện tử và lập trình để tiến hành làm mô hình. Đồng thời
nghiên cứu, học hỏi từ các nguồn khác nhau, ( internet, sách, bài chia sẻ….)
Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đặc điểm động học và động lực học robot, bộ truyền
cho băng tải, lập trình cho robot và xử lý ảnh để nhận diện sản phẩm.
Nghiên cứu thiết kế: Tính toán và vẽ kết cấu robot, băng tải.
Chế tạo: Dựa vào kết quả tính toán và thiết kế sau đó tiến hành thi công chế tạo
Cấu trúc đồ án tốt nghiệp: Gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống
Chương 2: Thiết kế và tính toán phần cơ khí
Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Xử lý ảnh
Kết Luận

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

3


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu về đề tài
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc
độ thay sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu
quả sản xuất tăng lên rõ rệt. Ban đầu Robot được ứng dụng trong công nghiệp vào những

năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường
độc hại. Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp
nên Robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn.
Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của Robot trong chế tạo máy thì các ứng
dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng và cả
trong an ninh quốc phòng. Các chuyên gia đầu ngành đã đánh giá, với cuộc cách mạng
công nghiệp 4.0, ứng dụng robot trong dây chuyền sản xuất công nghiệp sẽ là một trong
những trọng tâm của một cuộc cách mạng công nghệ lớn sau Internet. Mục tiêu xa hơn
nữa con người có thể ứng dụng trí tuệ nhân tạo để cải thiện năng suất và khả năng tính
toán nhanh hơn trong quá trình vận hành và phát triển máy móc công nghiệp.

Hình 1.1. Quá trình phát triển công nghiệp qua các thời kì.
Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển Robot đã có những bước tiến đáng kể trong
25 năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên
cứu ứng dụng về Robot như: Trung tâm tự động hóa, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện
công nghệ thông tin thuộc viện KHCNVN… Bên cạnh đó còn phải kể đến các công ty
SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

4


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

cổ phần như Robot TOSY, là doanh nghiệp thiết kế và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều
sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế. Ngoài ra ở các trường ĐH Bách Khoa Hà Nội,
ĐH Bách Khoa Đà Nẵng, ĐH Bách Khoa Tp.HCM… đã có những đồ án về Robot như:
Robot cá, Robot Dancing, Robot hoa, Cánh tay Robot…

Hình 1.2. Cánh tay robot hoạt động trên dây chuyền sản xuất công nghiệp
Bên cạnh đó, trước sự ra đời mạnh mẽ của Robot công nghiệp, xử lý ảnh cũng được
nghiên cứu mạnh mẽ và đã có nhiều ứng dụng trong thực tế. Như trong y học, xử lý ảnh
đã được dùng để phát hiện và nhận dạng các khối u, cải thiện ảnh X quang, nhận dạng
đường biên mạch máu từ những ảnh chụp mạch bằng tia X.

Hình 1.3. Ứng dụng xử lí ảnh phân loại sản phẩm
Trong cuộc sống hằng ngày, xử lý ảnh có mặt hầu hết ở các đồ dùng thông dụng
như: Tivi, điện thoại, máy ảnh… Còn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, xử lý ảnh đã và
đang có những đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực Robot. Robot thông minh
SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

5


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

ngày nay không thể thiếu yếu tố xử lý ảnh. Đó là các vấn đề nhận dạng đối tượng ngoài
môi trường. Từ việc nhận dạng có thể giải quyết rất nhiều bài toán như tránh vật cản, dò
đường, tìm tọa độ của vật…
Với xu hướng của thời đại và sự bùng nổ cuộc cách mạng 4.0, việc ứng dụng công
nghệ xử lí ảnh vào công nghiệp là hết sức thiết thực, mang lại hiệu quả cao trong sản
xuất. Giải pháp cho nhu cầu hiện nay chính là ứng dụng xử lý ảnh vào trong điều khiển
cánh tay Robot. Đó cũng là lí do đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do
phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh” được chúng tôi lựa chọn
và cũng xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đồng thời áp dụng được những kiến thức đã
học vào thực tế đời sống.
1.2. Phân tích đề tài

Với ý tưởng thiết kế một hệ thống gồm cánh tay robot phân loại sản phẩm trên băng tải
động trong các nhà máy công nghiệp ứng dụng công nghệ xử lí ảnh. Các sản phẩm
chuyển động trên băng tải với màu sắc khác nhau, sau khi được một camera chụp hình,
qua quá trình xử lí tính hiệu trên máy tính sẽ gửi tính hiệu cho cánh tay robot sẽ thực
hiện công việc gắp và phân loại các sản phẩm vào các nơi khác nhau.

Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống phân loại sản phẩm tự động
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Bài toán sắp xếp sản phẩm tự động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh đã được áp
dụng trong ngành công nghiệp từ lâu với nhiều phương pháp thực hiện khác nhau như
sử dụng camera chụp vật mẫu, chụp vật được sản xuất, sau đó so sánh ảnh của vật mẫu
và ảnh của vật thật hoặc phân tích đặc tính riêng trên sản phẩm rồi từ đó phân loại xác
định được sản phẩm có đạt chất lượng hay không. Nếu đạt chất lượng sẽ đưa sang đóng
gói thành phẩm. Nếu không đạt chất lượng sẽ loại bỏ trở thành phế phẩm. Với việc áp
dụng công nghệ xử lí ảnh hiện đại này sẽ giúp cho hệ thống sản xuất tối ưu hóa công
nghệ, giảm chi phí sản xuất, đồng thời hạn chế những sai sót trong quá trình vận hành.
1.4. Cấu trúc của đề tài
Đề tài gồm có 4 phần chính với các nội dung như sau:
SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

6


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

- Giới thiệu tổng quan về đề tài: Trong phần này sẽ giới thiệu tổng quát về hệ thống.
Trình bày tính cấp thiết và các ứng dụng về đề tài đã lựa chọn.
- Tính toán thiết kế phần cơ khí: Phần này sẽ đưa ra các phương án thiết kế, phân tích

ưu nhược điểm của từng phương án. Từ đó chọn phương án phù hợp để tiến hành thực
hiện tính toán cơ cấu và chế tạo hệ thống sao cho phù hợp.
- Tính toán thiết kế phần điều khiển: Lựa chọn phương án điều khiển phù hợp đáp ứng
tính chính xác và hiệu quả. Thiết kế mạch, lựa chọn linh kiện phù hợp.
- Tìm hiểu về xử lí ảnh và phần mềm Visual sử dụng cho hệ thống.
- Đánh giá đề tài: Đánh giá kết quả đạt được. Những hạn chế và hướng khắc phục.

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

7


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ.
2.1. Thiết kế cánh tay Robot
2.1.1 Phân tích lựa chọn phương án
Với hệ thống phân loại sản phẩm cần tốc độ xử lí nhanh, các sản phẩm nằm trên
băng tải động nên cánh tay robot đòi hỏi khả năng xử lí linh hoạt, đồng thời đạt độ chính
xác cao nên với yêu cầu đề bài, cánh tay robot cần số bậc tự do đủ lớn để có thể đáp ứng
được việc xử lí. Tuy nhiên số bậc tự do càng cao thì độ phức tạp trong quá trình thiết kế
cũng như chi phí đầu tư sẽ tăng lên. Trong phạm vi đề tài với mô hình nhỏ gọn và có tải
trọng nhẹ nên ta lựa chọn cánh tay robot 4 bậc tự do RRRR .
Robot bao gồm: khớp đầu tiên là khớp xoay giúp cánh tay xoay sang hai bên, tiếp
đó là 3 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để nâng hạ vật thể, một khớp xoay tay
kẹp dùng để gắp vật.

Hình 2.1. Sơ đồ động của robot 4 bậc tự do RRRR.

❖ Ưu điểm:
- Tầm với của robot lớn. Do đó không gian làm việc lớn hơn, phù hợp hơn với công
việc.
- Với 4 bậc tự do robot linh hoạt hơn trong việc di chuyển tiếp cận vật theo các
phương khác nhau so với 4 bậc tự do.
- Việc gá động cơ khi sử dụng các khớp R (Rotation) sẽ dễ dàng hơn so với việc sử
dụng chuyển động tịnh tiến T(Transion).
❖ Nhược điểm:
- Không có khả năng nâng hạ vật theo chiều dọc trục như chuyển động tịnh tiến.
2.1.2. Tính chọn động cơ cho robot
a. Chọn động cơ cho khớp quay

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

8


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

Cánh tay robot phải được điều khiển một cách chính xác nên ta chọn động cơ RC
Servo để điều khiển các khớp. Chọn động cơ MG995 cho các bậc tự do 1,2,3. Động cơ
SG90 cho bậc tự do số 4.
Động cơ MG995 có momen ở trục ra lớn, được thiết kế để đáp ứng điều góc quay
nên rất thuận tiện cho việc điều khiển các bậc tự do của cánh tay robot. Ngoài ra động
cơ này còn hoạt động ở dải điện áp thấp: 5-7 VDC nên việc thiết kế mạch nguồn dễ
dàng.
Nhược điểm của động cơ này hoạt động không ổn định trong các môi trường khác
nhau ví dụ như thời tiết ẩm hay các tác động của nhiệt độ vậy phù hợp với công việc

nghiên cứu và chế tạo các mô hình nhỏ.

Hình 2.2. Động cơ Servo MG995
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật động cơ Servo MG995
STT

Đại lượng

Giá trị

1.

Điện áp cấp tối đa

3.5-8.4VDC

2.

Dòng điện tối đa

1.7A

3.

Nhiệt độ

0-55 độ C

4.

Kích thước

40.7 x 19.7 x 42.9 mm

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

9


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

5.

Momen xoắn

8.5 kgf·cm (4.8 V ),
10 kgf·cm (6 V)

6.

Khối lượng

55g

b. Chọn động cơ cho tay gắp
Sử dụng Giác hút chân không - MDSP0650. Một động cơ điều khiển góc xoay
của tay kẹp, một động cơ thực hiện cơ cấu gắp vật. Ứng dụng nguyên lý gắp hút
hình bình hành để có thể hút và nhả vật, tiếp xúc tốt hơn với vật. Với việc sử dụng

giác hút thì độ chính xác và tiếp xúc với vật nhanh hơn.

Hình 2.4. Giác hút chân không MDSP650
❖
❖

Ưu điểm:
Hoạt động chính xác.
Chi phí sản xuất thấp.
Kết cấu đơn giản.
Hệ thống điều khiển đơn giản.
Nhược điểm:

- Hoạt động không nhanh bằng xylanh khí nén.
- Chỉ phân loại được các sản phẩm nhỏ, nhẹ.

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

10


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

➢ Từ những phương án trên, vật thể gắp kết cấu nhỏ gọn, tải trọng nhẹ, theo yêu cầu
của hệ thống nhóm đã quyết định sử dụng động cơ servo để sử dụng cho bộ phận tay
gắp.
Bảng 2.2 Thông số Giác hút chân không MDSP650
1.

Hướng vào chân không

Thẳng

2.

Cổng kết nối

Ren cái: M8 x 1.25, M10 x1.5, M12 x 1.75

3.

Cổng vào chân không

1/8 (Rc, NPT, NPTF)

4.

Đường kính pad

Ø40, Ø50, Ø63, Ø80, Ø100, Ø125

5.

Vật liệu (màu sắc)

NBR (đen), Silicon rubber (trắng), Urethane
rubber (nâu), Fluororubber (đen có ký hiệu F),
EPR (đen có ký hiệu E)

6.

Hành trình

7.

Lực đàn hồi ở hành trình 6.9-10 N

25, 50, 75, 100

0
8.
Lực đàn hồi ở hành trình 11.8-15 N
tối đa
2.1.3. Mô phỏng 3D cánh tay robot

Hình 2.5. Mô phỏng 3D cánh tay robot
SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

11


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

Dựa vào việc tính toán kích thước, lựa chọn động cơ, sử dụng phần mềm mô phỏng
3D soliworks ta có hình dạng của cánh tay robot như hình vẽ. Sử dụng ba động cơ Servo
MG995 điều khiển ba khớp xoay đầu tiên của cánh tay robot, Giác hút chân không

MDSP650 điều khiển cơ cấu xoay tay gắp, 1 động cơ servo điều khiển cơ cấu gắp vật
của robot.
2.1.4. Chọn vật liệu cho thân robot
Với vật thể cần gắp là xốp nhẹ có trọng tải nhẹ nên ta sử dụng động cơ Servo MG995.
Để tăng độ chịu tải cho thân robot nhưng đồng thời vật liệu phải nhẹ( giảm trọng lượng
thân robot ), ta chọn vật liệu là mica.
❖ Ưu điểm:
- Trọng lượng nhẹ.
- Độ bền cao
- Dễ chế tạo và giá thành rẻ
❖ Nhược điểm: Không chịu được khi nhiệt độ quá cao

Hình 2.6. Mica tấm
2.1.5 Thiết kế bộ phận truyền chuyển động cho các khớp của robot
Khớp 1 (Khớp đế ) :
Đây là khớp đế xoay của cánh tay, chủ yếu chịu lực uốn và nén. Ta chọn vòng bi
chà tròn, có thiết kế viên bi tròn. So với vòng bi chà đũa, vòng bi chà tròn chịu tải kém
hơn tuy nhiên tốc độ quay của vòng bi tròn lại tốt hơn vòng bi chà đũa. Chính vì vậy
với cơ cấu cần tốc độ quay nhanh, vòng bi chà tròn được lựa chọn trong hệ thống này.
Chọn vòng bi chà đường kính trong 40mm , đường kính ngoài 60mm.

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

12


Thiết kế và chế tạo cánh tay 4 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

Hình 2.7. Vòng bi chà 40mm x 60mm
Khớp 2, 3, 4:
Trục khớp này chủ yếu chịu lực cắt tại 2 vị trí nối với khâu tiếp theo, sử dụng cơ
cấu thanh truyền.
Truyền động bằng động cơ Servo MG995. Khi động cơ quay sẽ làm cho khớp quay
theo, nâng cánh tay lên xuống.

Hình 2.8. Cơ cấu thanh truyền
Bảng 2.3 Thông số các khâu của cánh tay robot.
Tên gọi

Vật liệu

Khâu 1

Đề quay

Nhôm

Khâu 2

Thân

Mica

Khâu 3

Thân

Mica

Khâu 4

Thân

Mica

Khâu 5

Tay gắp

Nhựa

SVTH:Nguyễn Văn Sơn .Phạm Phú Vỹ - 14CDT2

Chú thích

GVHD:Ths.Nguyễn Đắc Lực

13