thiết kế và chế tạo mô hình robot scara phân loại sản phẩm theo màu sắc và hình dạng

LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài luận văn và kết thúc khóa học, em xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến trường Đại học kỹ thuật – công nghệ Cần Thơ đã tạo điều kiện cho em
có môi trường học tập tốt trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Đặc
biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Đường Khánh Sơn đã tận tình hướng dẫn và
giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành luận văn. Đồng thời, em cũng gửi lời cảm ơn
chân thành đến các thầy cô trong khoa Kỹ thuật cơ khí, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ
và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong quá trình học tập cũng như trong quá trình hoàn
thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang I


LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài: “Thiết kế và chế tạo mô hình Robot SCARA phân
loại sản phẩm theo màu sắc và hình dạng” là một công trình nghiên cứu được thực
hiện bởi cá nhân em dưới sự hướng dẫn của thầy Đường Khánh Sơn. Trong bài báo
cáo, tất cả các số liệu, hình ảnh và thông tin trong đề tài này đều được em thu thập
với một thái độ khách quan và trung thực. Ngoài ra, một số nguồn tài liệu tham khảo
đã được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng, không sao chép bất cứ tài liệu nào mà
không có trích dẫn. Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước bộ môn, khoa và nhà
trường về sự cam đoan này.
Sinh viên thực hiện

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang II


TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài luận văn “Thiết kế và chế tạo mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm
theo màu sắc và hình dạng” bao gồm các nội dung cốt lõi như: tìm hiểu các khái
niệm và kiến thức cơ bản về Robot, thiết kế và chế tạo mô hình Robot Scara 3 bậc tự
do hoạt động linh hoạt và chính xác, thiết kế mạch điều khiển và giao diện điều khiển
cho Robot, xây dựng giải thuật PID điều khiển vị trí động cơ DC, ứng dụng xử lý ảnh
vào mô hình để phân loại sản phẩm.

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang III


MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ I
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... II
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... III
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................... 2

1.1 Tổng quan đề tài ........................................................................................2
1.1.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................2
1.1.2 Mục tiêu đề tài ....................................................................................3
1.1.3 Giới hạn đề tài ....................................................................................3
1.2 Giới thiệu sơ lượt về Robot công nghiệp ..................................................4
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển .........................................................4
1.2.2 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp .............................................5
1.2.3 Ứng dụng ..........................................................................................10
1.3 Giới thiệu sơ lượt về Robot Scara ...........................................................11
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 14
2.1 Đối tượng nghiên cứu .............................................................................14
2.2 Phương pháp nghiêm cứu .......................................................................14
2.2.1 Phần mềmMatlab ..............................................................................14
2.2.2 Matlab GUI .......................................................................................17
2.2.3 Xử lý ảnh trên Matlab .......................................................................21
2.2.4 Phần mềm Invertor ...........................................................................27

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang i


MỤC LỤC
2.2.5 Arduino .............................................................................................29
2.2.6 Phần mềm Arduino IDE ...................................................................32
2.2.7 PID ....................................................................................................34
2.2.8 Chuẩn giao tiếp I2C ..........................................................................37
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH .......................................... 41
3.1 Bài toán động học ...................................................................................41
3.1.1 Động học thuận .................................................................................41

3.1.2 Động học ngược ...............................................................................42
3.2 Thiết kế mô hình cơ khí cho Robot.........................................................43
3.2.1 Cơ sở thiết kế ....................................................................................43
3.2.2 Bản vẽ thiết kế Robot trên Inventor .................................................44
3.2.3 Chế tạo mô hình cơ khí .....................................................................50
3.2.4 Lắp ráp mô hình Robot Scara hoàn chỉnh ........................................55
3.3 Thiết kế mạch điều khiển ........................................................................57
3.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển Robot ..................................................57
3.3.2 Sơ đồ mạch điều khiển Robot ...........................................................58
CHƯƠNG 4: XỬ LÝ ẢNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG ....... 66
4.1 Xử lý ảnh .................................................................................................66
4.1.1 Giới thiệu về hệ thống xử lý ảnh ......................................................66
4.1.2 Sơ lượt về quá trình xử lý ảnh trong đề tài .......................................68
4.1.3 Thu nhận ảnh đầu vào .......................................................................69
4.1.4 Xác định vùng hoạt động của Robot ................................................70
4.1.5 Phân vùng ảnh và tách sản phẩm ......................................................72
4.1.6 Nhận dạng đối tượng ........................................................................74

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang ii


MỤC LỤC
4.1.7 Kết quả của quá trình xử lý ảnh ........................................................77
4.2 Thiết kế giao diện người dùng ................................................................77
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 79
5.1 Kết quả ....................................................................................................79
5.1.1 Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink .........................................79
5.1.2 Kết quả thực tế của mô hình Robot Scara ........................................80

5.1.3 Kết quả chạy thực tế của mô hình Robot Scara ................................83
5.2 Đánh giá ..................................................................................................90
5.3 Kết luận ...................................................................................................90
5.3.1 Kết quả đạt được ...............................................................................91
5.3.2 Những hạn chế của đề tài .................................................................91
5.4 Hướng phát triển .....................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 93
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 94

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Dây chuyền sản xuất ô tô tự động bằng Robot ...........................................2
Hình 1.2: Robot Scara phân loại sản phẩm .................................................................3
Hình 1.3: Cánh tay Robot 5 bậc tự do của hãng YASKAWA MOTOMAN ..............4
Hình 1.4: Sơ đồ khối của Robot công nghiệp .............................................................5
Hình 1.5: Các thành phần chính của hệ thống Robot..................................................6
Hình 1.6: Phân loại Robot theo hình dạng hình học của không gian hoạt động .........8
Hình 1.7: Sơ đồ điều khiển hở ....................................................................................9
Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển kín ...................................................................................9
Hình 1.9: Robot xếp các hàng thùng hàng lên pallet ................................................10
Hình 1.10: Robot phun sơn tự động trong sản xuất ô tô ...........................................10
Hình 1.11: Robot hàn Panasonic ...............................................................................11
Hình 1.12: Ứng dụng của Robot trong một số lĩnh vực ............................................11
Hình 1.13: Robot Scara .............................................................................................12

Hình 1.14: Robot SCARA của hãng MITSUBISHI .................................................12
Hình 1.15: Robot SCARA trong dây chuyền sản xuất linh hoạt ..............................13
Hình 2.1: Phần mềm Matlab .....................................................................................15
Hình 2.2; Giao diện làm việc của Matlab .................................................................16
Hình 2.3: Cửa sổ GUIDE Quick Start .......................................................................18
Hình 2.4: Giao diện Blank GUI mặc định ................................................................18
Hình 2.5: Hộp thoại Inspector ...................................................................................20
Hình 2.6: Ảnh Index ..................................................................................................22
Hình 2.7: Ảnh xám ....................................................................................................23
Hình 2.8: Ảnh nhị phân .............................................................................................23
Hình 2.9: Ảnh RGB...................................................................................................24
Hình 2.10: Arduino Mega 2560 và Arduino Uno R3 ...............................................29
Hình 2.11: Phần cứng của Arduino Uno R3 .............................................................30
Hình 2.12: Ba loại Arduino phổ biến ........................................................................31
Hình 2.13: Một số loại Arduino nâng cao .................................................................31
Hình 2.14: Phần mềm Arduino IDE..........................................................................32

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.15: Một chương trình Arduino cơ bản ..........................................................33
Hình 2.16: Giao diện của phần mềm Arduino IDE...................................................33
Hình 2.17: Ba thành phần của bộ điều khiển PID ....................................................35
Hình 2.18: Mô hình hệ thống điều khiển với bộ PID................................................35
Hình 2.19: Sơ đồ truyền dữ liệu I2C .........................................................................38
Hình 2.20: Điều kiện START và STOP ....................................................................38
Hình 2.21: Điều kiện REPEATED START ..............................................................39

Hình 2.22: Giao thức truyền nhận dữ liệu I2C..........................................................39
Hình 3.1: Gắn hệ tọa độ cho Robot ...........................................................................41
Hình 3.2: Sắt tấm.......................................................................................................50
Hình 3.3: Sắt hộp.......................................................................................................50
Hình 3.4: Nhôm tấm ..................................................................................................50
Hình 3.5: Động cơ M555 ..........................................................................................51
Hình 3.6: Động cơ Planet ..........................................................................................52
Hình 3.7: Bộ truyền Pully và dây đai ........................................................................52
Hình 3.8: Bộ thanh trục vít-me đai ốc .......................................................................53
Hình 3.9: Bộ thanh trượt, ray trượt và gối đỡ ...........................................................54
Hình 3.10: Bạc đạn đỡ trục KFL08 ...........................................................................54
Hình 3.11: Vòng bi trục ............................................................................................54
Hình 3.12: Khớp nối mặt bích cố định ......................................................................54
Hình 3.13: Bulong đai ốc ..........................................................................................54
Hình 3.14: Phần đế thực tế của mô hình Robot Scara ..............................................55
Hình 3.15: Khâu tịnh tiến thực tế của mô hình Robot Scara ....................................55
Hình 3.16: Hai khâu quay thực tế của mô hình Robot Scara ....................................56
Hình 3.17: Mô hình cơ khí hoàn thiện của Robot Scara ...........................................56
Hình 3.18: Lưu đồ giải thuật điều khiển ...................................................................57
Hình 3.19: Mạch điều khiển Robot ...........................................................................58
Hình 3.20: Sơ đồ chân của Arduino Uno ..................................................................59
Hình 3.21: Sơ đồ chân của Arduino Nano ................................................................61
Hình 3.22: Sơ đồ chân của Module L298N ..............................................................63

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang v


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.23: Nguồn tổ ong 12V-10A ..........................................................................64
Hình 3.24: Động cơ Servo MG995 ...........................................................................65
Hình 4.1: Quá trình xử lý ảnh ...................................................................................66
Hình 4.2: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh ..............................................................67
Hình 4.3: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh trong đề tài.......................................................69
Hình 4.4: Webcam logitech HD C270 ......................................................................69
Hình 4.5: Kích thước vùng hoạt động .......................................................................70
Hình 4.6: Ảnh quá trình xác định vùng hoạt động của Robot ..................................70
Hình 4.7: Sơ đồ quá trình tìm vùng hoạt động của Robot ........................................71
Hình 4.8: Vùng hoạt động của Robot .......................................................................71
Hình 4.9: Sơ đồ quá trình nhị phân ảnh ....................................................................72
Hình 4.10: Ảnh quá trình nhị phân ảnh .....................................................................72
Hình 4.11: Sơ đồ giải thuật phân vùng và tách đối tượng ........................................73
Hình 4.12: Ảnh kết quả của quá trình phân vùng .....................................................73
Hình 4.13: Giải thuật quá trình nhận dạng màu sắc ..................................................74
Hình 4.14: Ảnh nhị phân từng màu của vật ..............................................................75
Hình 4.15: Ảnh kết quả của quá trình nhận dạng màu sắc........................................75
Hình 4.16: Giải thuật quá trình nhận dạng hình dạng ...............................................76
Hình 4.17: Ảnh kết quả của quá trình nhận dạng hình dạng.....................................76
Hình 4.18: Ảnh kết quả của quá trình nhận dạng màu sắc và hình dạng ..................77
Hình 4.19: Giao diện người dùng điều khiển Robot Scara .......................................78
Hình 5.1: Mô hình hóa Robot Scara trên Matlab Simulink ......................................79
Hình 5.2: Mô hình 3D khi mô phỏng trên Matlab Simulink ....................................79
Hình 5.3: Kết quả chạy thực nghiệm PID trên khớp 1..............................................80
Hình 5.4: Kết quả chạy thực nghiệm PID trên khớp 2..............................................80
Hình 5.5: Kết quả chạy thực nghiệm PID trên khâu 3 ..............................................81
Hình 5.6: Tay gắp thực hiện gắp vật .........................................................................81
Hình 5.7: Tay gắp thực hiện thả vật ..........................................................................81
Hình 5.8: Kết quả chạy thực tế động học thuận của Robot Scara.............................82
Hình 5.9: Kết quả chạy thực tế động học ngược của Robot Scara ...........................82

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 5.10: Kết quả nhận dạng màu sắc các vật hình tròn .........................................83
Hình 5.11: Quá trình phân loại màu sắc các vật hình tròn của Robot Scara ............84
Hình 5.12: Kết quả nhận dạng màu sắc các vật hình vuông .....................................84
Hình 5.13: Quá trình phân loại màu sắc các vật hình vuông của Robot Scara .........85
Hình 5.14: Kết quả nhận dạng hình dạng các vật màu đỏ ........................................85
Hình 5.15: Quá trình phân loại hình dạng các vật màu đỏ của Robot Scara ............86
Hình 5.16: Kết quả nhận dạng hình dạng các vật màu xanh lá .................................86
Hình 5.17: Quá trình phân loại hình dạng các vật màu xanh lá của Robot Scara.....87
Hình 5.18: Kết quả nhận dạng hình dạng các vật màu xanh dương .........................87
Hình 5.19: Quá trình phân loại hình dạng các vật màu xanh dương của Robot .......88
Hình 5.20: Kết quả nhận dạng màu sắc và hình dạng của tất cả các vật ..................88
Hình 5.21: Quá trình phân loại màu sắc và hình dạng của Robot Scara...................90

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang vii


DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols ...........................37
Bảng 3.1: Bảng thông số DH ....................................................................................41

Bảng 3.2: Bảng thông số động cơ .............................................................................52
Bảng 3.3: Bảng thông số bộ truyền ...........................................................................53

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang iv


LỜI NÓI ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới
là những tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá sản xuất. Một trong những
thành tựu nổi bật của quá trình tự động hoá là những cánh tay máy Robot. Những
Robot từ đơn giản đến phức tạp, đã đóng góp rất nhiều trong việc thay thế con người
ở môi trường làm việc cường độ cao, độc hại và đòi hỏi chính xác cao.
Để có thể phát triển và ứng dụng Robot rộng rãi trong sản xuất, bên cạnh những
kiến thức về điện, điện tử…thì việc nghiên cứu tính toán động học và điều khiển
Robot cũng là một yếu tố rất quan trọng để tạo nên cơ sở và nền tảng cho việc chế
tạo Robot.
Với đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm theo
màu sắc và hình dạng” em tin rằng với những kết quả đạt được trong quá trình thực
hiện đề tài sẽ là một bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý
tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các loại Robot công nghiệp.

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Tổng quan đề tài

1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nhằm mục
đích giúp cho cuộc sống tốt hơn và việc giải phóng sức lao động của con người trong
các môi trường làm việc khó khăn là vấn đề cần thiết thì công nghệ Robot cũng ngày
càng được phát triển và sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong cuộc sống
của con người. Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc
biệt là trong các ngành sản xuất có tính dây chuyền và công nghệ cao vì Robot có thể
vừa đảm bảo tính chính xác vừa đảm bảo tính liên tục của dây chuyền mà con người
và máy móc khó có thể đạt được. Đồng thời, Robot có thể thay thế con người làm
việc trong những môi trường nặng nhọc, độc hại, nhiệt độ cao, ...

Hình 1.1: Dây chuyền sản xuất ô tô tự động bằng Robot
Nhận thấy được tầm quan trọng của Robot đối với đời sống con người, các nước
phát triển luôn cạnh tranh với nhau về nghiên cứu và chế tạo nhiều thế hệ Robot tốt
nhất. Vì vậy nhiều công ty trên thế giới đã và đang sản xuất, phát triển, nghiên cứu
để đưa Robot lên một tầm cao có thể tư duy như con người. Do đó, lĩnh vực Robot
đang ngày càng chiếm được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội. Dự đoán
trong tương lai thì Robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet.
Với xu hướng này thì thị trường Robot sẽ vô cùng to lớn.

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Từ những nhu cầu thực tế và niềm đam mê với Robot, cùng với sự góp ý và
hướng dẫn của thầy Đường Khánh Sơn. Em đã chọn đề tài “ROBOT SCARA ỨNG
DỤNG XỬ LÝ ẢNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC VÀ HÌNH
DẠNG” cho luận văn tốt nghiệp của mình.

Hình 1.2: Robot Scara phân loại sản phẩm
1.1.2 Mục tiêu đề tài
Thiết kế và chế tạo mô hình Robot SCARA hoàn chỉnh. Từ đó, thiết kế bộ điều
khiển và giao diện điều khiển cho Robot.
Vận dụng xử lý ảnh vào quá trình phân loại sản phẩm tự động nhằm cải thiện
năng suất và chất lượng cũng như giải phóng sức lao động cho con người trong quá
trình sản xuất.
Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo Robot để có thể phục vụ mục đích học tập và
nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như ứng
dụng trong sản xuất công nghiệp.
Vận dụng và củng cố lại những kiến thức đã học được để tìm hiểu và xây dựng
mô hình cánh tay Robot có thể đạt được mục tiêu đặt ra. Bên cạnh đó nâng cao khả
năng sử dụng các phần mềm bổ trợ như Inventor, Matlab, Arduino IDE, ...
1.1.3 Giới hạn đề tài
Đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm theo
màu sắc và hình dạng” dùng một camera đặt cố định để thu nhận ảnh, ảnh thu được
sẽ được máy tính xử lý để xác định các thông số của đối tượng bao gồm: vị trí, màu
SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
sắc và hình dạng từ đó điều khiển cánh tay Robot Scara thực hiện chuyển động gắp

và phân loại sản phẩm ở bất kỳ vị trí nào trong phạm vi hoạt động của nó.
1.2

Giới thiệu sơ lượt về Robot công nghiệp
Robot là một loại máy có thể thực hiện công việc một cách tự động bằng sự điều

khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot công nghiệp được
lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng nhằm mục đích phục vụ công
việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm. Robot hỗ trợ rất nhiều cho con người.
Đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm. Robot công
nghiệp có tính chính xác cao và hiệu quả vượt trội so với sản xuất thủ công.

Hình 1.3: Cánh tay Robot 5 bậc tự do của hãng YASKAWA MOTOMAN
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà
văn tiệp khắc có tên là Karel Capek.
Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF
(Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang
dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động thực hiện
một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran.
Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:
- Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.
- Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran
của công ty AMF.

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ
những năm 1967.
- Ở các nước Tây Âu khác như: Đức, Ý, Pháp, Thuỵ Điển thì bắt đầu chế tạo IR
từ những năm 1970.
- Châu á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968.
- Nhất là vào những năm 1990 số lượng Robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều
tính năng vượt bậc.
Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có
80, ở các nước Tây Âu có 90, ở Mỹ có 30. Nhờ áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học
kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như vật liệu mới nên số lượng Robot công nghiệp
đã tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cải tiến. Robot
công nghiệp phát huy thế mạnh ở các lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn
phủ và trong các hệ thống điều khiển liên hợp.
1.2.2 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp
1.2.2.1 Các thành phần chính của Robot công nghiệp

Hình 1.4: Sơ đồ khối của Robot công nghiệp

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Một Robot công nghiệp 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.

Hình 1.5: Các thành phần chính của hệ thống Robot
Cánh tay Robot (tay máy): Là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau
bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của Robot. Cổ tay
tạo nên sự khéo léo linh hoạt và bàn tay trực tiếp hình thành thao tác trên đối tượng.
Nguồn động lực: Là các động cơ điện (động cơ DC, động cơ servo hoặc động
cơ step), hệ thống xi-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 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,…
Thiết bị dạy-học (Teach-Pendant): Dùng để dạy Robot các thao tác cần thiết
theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó Robot sẽ tự lặp lại các động tác được dạy.
Hệ thống cảm biến: Gồm các sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần
thiết. Các cảm biến để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của Robot và trạng
thái ngoài môi trường.
Hệ thống điều khiển: Máy tính hay vi xử lý để giảm sát và điều khiển hoạt
động của Robot.
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).

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Một bộ điều khiển có thể 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,…), điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt
động phối hợp với Robot,…
1.2.2.2 Kết cấu của tay máy

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot. Đây là các thiết
bị cơ khí đảm bảo cho Robot khả năng di chuyển, chuyển động trong không gian và
khả năng thực hiện các thao tác làm việc. Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng
theo cấu tạo và chức năng của tay người. Tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế
rất đa dạng, nhiều cánh tay Robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong
thiết kế và sử dụng tay máy thì chúng ta cần quan tâm đến các thông số liên quan đến
khả năng làm việc của Robot như: tầm với (hay vùng công tác), số bậc tự do (thể hiện
sự khéo léo linh hoạt của Robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp,...
Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nối với
nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến đầu công
tác. Các khớp được sử dụng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. Tùy theo số lượng
và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra các tay máy có các kiểu tọa độ khác nhau.
1.2.2.3 Phân loại theo hình dạng hình học của không gian hoạt động
Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau
đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt.
Vùng giới hạn tầm hoạt động của Robot được gọi là không gian làm việc.
- Robot khớp bản lề (Articular Robot): Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba
trục chuyển động quay.
- Robot toạ độ trụ (Cylindrical Robot): Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai
trục chuyển động tịnh tiến và một chuyển động trục quay.
- Robot toạ độ cầu (Spherical Robot): Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm một
trục chuyển động tịnh tiến và hai trục chuyển động quay.
- Robot Scara (Scara Robot): Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục
chuyển động tịnh tiến và hai trục chuyển động quay.

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Robot toạ độ vuông góc (Cartesian Robot): Có ba bậc chuyển động cơ bản
gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc.

Hình 1.6: Phân loại Robot theo hình dạng hình học của không gian hoạt động
1.2.2.4 Phân loại theo thế hệ
Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và khả năng nhận biết thông tin của Robot
đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau:
- Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng
không có khả năng nhận biết thông tin.
- Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm
bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin.
- Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận
biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
1.2.2.5 Phân loại theo hệ thống truyền động
- Robot dùng nguồn cấp điện: Thường dùng các động cơ điện như: động cơ
bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo,… Robot loại này có thiết kế gọn, chạy
êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng phổ biến là Robot sơn, hàn, …

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Robot dùng nguồn khí nén: Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa
khí và động cơ kéo máy nén. Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng
có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và
chuyển động quay. Do khí nén là lưu chất nén được nén Robot loại này thường sử
dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao.

- Dùng nguồn thuỷ lực: Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là
dầu ép. Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy-lanh thuỷ
lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu. Robot loại này được sử dụng trong các
ứng dụng có tải trọng lớn.
1.2.2.6 Phân loại theo phương pháp điều khiển
- Điều khiển hở: Trong hệ thống không có hồi tiếp các thông số làm việc của
Robot. Cơ cấu truyền động trong loại điều khiển này được truyền động theo bước.
Các động cơ DC thường, động cơ thủy lực, khí nén,… thường được dùng trong điều
khiển hở.

Hình 1.7: Sơ đồ điều khiển hở
- Điều khiển kín: Điều khiển kín hay còn gọi là điều khiển servo, kiểu điều khiển
này giống điều khiển hở nhưng có thêm phần hồi tiếp các thông số làm việc về bộ xử
lý trung tâm để điều khiển để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Thường dùng các loại động cơ servo (DC, AC, thủy lực, khí nén,…).

Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển kín
Ngoài ra, cũng dựa theo cách phân loại này người ra phân thành: Robot điều
khiển tự động, Robot điều khiển bằng cách dạy học, Robot điều khiển bằng tay, Robot
điều khiển từ xa, Robot tự hành, ...

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.2.3 Ứng dụng
Trong lĩnh vực cơ khí, Robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt
động chính xác và tính linh hoạt cao. Ta có một số loại Robot như:

- Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 Flex
Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker. Các Robot này có thể gắp lần
lượt các hộp vắc-xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cách
chính xác.
- Robot gắp hàng, Robot bốc xếp hàng hóa hay Robot bốc dỡ hàng hóa: Đây là
thiết bị Robot đa dạng nhất với điều khiển tự động.

Hình 1.9: Robot xếp các hàng thùng hàng lên pallet
- Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB có thể
thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí tách khuôn, giám sát, làm
sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera.
- Robot sơn và phun sơn: Được ứng dụng khá nhiều trong sơn gỗ, sơn thép.

Hình 1.10: Robot phun sơn tự động trong sản xuất ô tô

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Robot hàn công nghiệp hay Robot hàn tự động: phục vụ cho ngành sản xuất ô
tô xe máy, với tỷ lệ hơn 70% số Robot đang hoạt động, phải kể đến là Robot hàn tự
động Panasonic.

Hình 1.11: Robot hàn Panasonic
Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật Robot cũng được sử dụng trong việc
khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong
chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội, …

a)

b)

c)

Hình 1.12: Ứng dụng của Robot trong một số lĩnh vực
a) Robot khai thác quặng đất hiếm của Nhật Bản
b) Robot phẩu thuật nội soi ở bệnh viện Chợ Rẫy (Việt Nam)
c) Robot thám hiểm mặt trăng của Audi
1.3

Giới thiệu sơ lượt về Robot Scara
Robot Scara ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yasamaski (Nhật Bản) dùng

trong việc lắp ráp. Đây là tay máy Scara đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay
máy cứng cáp hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém vững hơn theo phương ngang.
Loại này dùng trong việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng.

Hình 1.13: Robot Scara
Từ Scara là chữ viết tắt của “Selective Compliance Articulated Robot Actuato”,
Robot Scara đã được nhiều hãng thiết kế chế tạo nhằm phục vụ nhìu mục đích khác

nhau như: hàn, lắp ráp. vận chuyển, khoan, doa, … Các hãng chuyên sản xuất về
Robot Scara như: Hitachi, Mitsubishi, IBM, MOTOMAN, EPSON, PANASONIC,
SONY,... Ngày nay, các hãng tiếp tục hoàn thiện bộ điều khiển và kết cấu cơ khí để
ngày càng được linh hoạt hơn.

Hình 1.14: Robot SCARA của hãng MITSUBISHI
Tay máy Scara có vùng không gian hoạt động có dạng hình trụ. Đây là loại cấu
hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho Robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là
khớp trượt. Dạng này phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho
phép các nhà sản xuất Robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu chuyển

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
động quay như các động cơ điện, động cơ dầu ép, khí nén. Robot Scara có hai khớp
xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng, được sử dụng để gắp và
nhả vật, lắp ráp hay cầm nắm máy công cụ.

Hình 1.15: Robot SCARA trong dây chuyền sản xuất linh hoạt
 Ưu điểm:
- Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít nhưng tầm vươn khá lớn, tỉ lệ kích thước/tầm
vươn được đánh giá cao .
- Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo
phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu
gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc
quỹ đạo chuyển động đối với Robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại
bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z.

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 13


CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊM CỨU
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tượng nghiên cứu
Đề tài “Thiết kế và chế tạo Robot Scara phân loại sản phẩm theo màu sắc và
hình dạng” bao gồm các thành phần chính:
- Thiết kế mô hình cho Robot Scara bằng phần mềm Inventor 3D.
- Tìm hiểu cách liên kết Matlab với Inventor 3D.
- Xây dựng mô hình Matlab Simulink và tiến hành mô phỏng.
- Thiết kế mạch điện điều khiển cho Robot.
- Xây dựng chương trình điều khiển cánh tay Robot.
- Áp dụng giải thuật điều khiển PID cho động cơ DC.
- Tìm hiểu giao tiếp I2C giữa các board mạch Arduino.
- Thiết kế giao diện người dùng trên trên phần mềm Matlab.
- Tìm hiểu cách giao tiếp Matlab với Arduino thông qua cổng COM.
- Xây dựng phương trình động học thuận, động học ngược cho Robot.
- Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh vào mô hình Robot Scara để phân loại sản phẩm.
- Chạy mô hình thực tế.


Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài luận văn hướng tới việc ứng dụng công nghệ xử lý ảnh cho Robot tạo tiền
đề cho việc xây dựng một cánh tay Robot công nghiệp hoàn chỉnh, có khả năng phục
vụ cho ngành công nghiệp sản xuất. Ngoài ra, đề tài còn có thể phục vụ mục đích học

tập và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học. Trong
khuôn khổ luận văn, em sẽ tập trung xây dựng mô hình Robot Scara có khả năng ứng
dụng công nghệ xử lý ảnh vào để xác định màu sắc và hình dạng của đối tượng từ đó
đưa ra quyết định cho cánh tay.
2.2 Phương pháp nghiêm cứu
2.2.1 Phần mềmMatlab
2.2.1.1 Matlab là gì?
Matlab là một chương trình phần mềm lớn dành cho máy tính PC nhằm hỗ trợ
cho các tính toán khoa học kỹ thuật với các phần tử cơ bản là các ma trận. Thuật ngữ

SVTH: Phan Phúc Hậu

Trang 14