Thiết kế và chế tạo robot delta phân loại sản phẩm

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 ROBOT DELTA
PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
Người duyệt: TS. LÊ HOÀI NAM
Sinh viên thực hiện: TRẦN NHẬT TRÌNH
HUỲNH HỒNG VŨ
Số thẻ sinh viên : 101140204
101140208
Lớp: 14CDT2

Đà Nẵng, 6/2019


TÓM TẮT
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Họ và tên sinh viên: TRẦN NHẬT TRÌNH
MSSV: 101140204
HUỲNH HỒNG VŨ
MSSV: 101140208
Lớp: 14CDT2
Nội dung đồ án này đề cập cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính tốn

động học, động học ngược và điều khiển robot Delta kết hợp công nghệ xử lý ảnh.
Dựa trên những phương pháp cơ bản đó, tác giả đi vào thiết kế và chế tạo một trong
những mẫu robot điển hình là robot Delta để có cái nhìn tồn diện hơn về loại robot
đang rất được chú trọng phát triển trong công nghiệp hiện nay. Đồ án gồm 5 chương,
cụ thể:
Chương 1: Tổng quan về robot Delta. Chương này chủ yếu cung cấp cho người
đọc cái nhìn ban đầu về robot Delta, từ lịch sử phát triển, đến lợi thế của nó so với các
robot thơng thường khác, các ứng dụng của nó trong đời sống và trong cơng nghiệp,
đồng thời cũng khái quát sơ đồ tổng quan về hệ thống, đặt ra vấn đề để xây dựng robot
Delta ứng dụng trong cơng nghiêp.
Chương 2: Thiết kế cơ khí. Chương này, tác giả phân tích các phương án thiết
kế cũng như tính tốn thiết kế dẫn động cho robot, và giải quyết các vấn đề cơ bản
nhất của động học robot song song Delta như tính tốn động học thuận, động học
ngược trên cơ sở các phương trình liên kết bằng phương pháp hình học.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển. Chương này giải quyết các vấn đề liên
quan đến việc chọn dòng vi điều khiển trung tâm và các modun thích hợp mạch điều
khiển cho robot cũng như thiết kế mạch điện điều khiển nhằm đảm bảo các chức năng
cơ bản của robot.
Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển. Chương này giới thiệu các lý
thuyết cơ bản về xử lý ảnh nói chung cũng như các bước chính trong xử lý ảnh nói
riêng. Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot từ đó tạo ra sơ đồ
thuật tốn và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi điều khiển cũng như xây
dựng giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển nhằm giúp robot thực hiện
theo đúng theo nguyên lý, sơ đồ thuật toán hoạt động của robot Delta.
Chương 5: Kết luận. Chương này đánh giá và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có
hướng phát triển đề tài.

I

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

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: TRẦN NHẬT TRÌNH
HUỲNH HỒNG VŨ

MSSV: 101140204
MSSV: 101140208

Lớp: 14CDT2
Khoa: Cơ Khí
Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm
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:
Tham khảo tài liệu thực tế
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
Chương 1: Tổng quan về robot Delta.
Chương 2: Thiết kế cơ khí.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.
Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển.
Chương 5: Kết luận.
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
Bản vẽ tổng thể robot (1A0)

Bản vẽ sơ đồ động (1A0)
Bản vẽ sơ đồ mạch điện (1A0)
Bản vẽ lưu đồ thuật toán (1A0)
Bản vẽ các cụm chi tiết (1A0)
6. Họ tên người hướng dẫn: TS.Đặng Phước Vinh
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 2019
Trưởng Bộ môn
Người hướng dẫn

TS. Đặng Phước Vinh

II


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của
chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ
thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính
xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động
của con người đạt hiệu quả.
Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới,
một cách trải nghiệm cuộc sống và đơi khi cịn là người bạn. Những hãng Robot từ các
nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật Bản, Nga, Hoa Kỳ ngày một khẳng định sự
hiện diện của robot là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía
trước. Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một
đa dạng.
Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của
thầy giáo TS. Đặng Phước Vinh, cùng sự trợ giúp của các quý thầy cô bộ môn và các

tài liệu có liên quan, mà em có thể hoàn thành xong đề tài.
Đề tài đã hoàn thành xong, nhưng khơng thể tránh nhiều thiếu sót mong q
thầy cơ giáo thông cảm và chỉ bảo thêm để đề tài có thể phát triển và ứng dụng rộng
rãi trong thực tế.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các q thầy cơ!

Sinh viên thực hiện

Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

III


CAM ĐOAN
Kính gửi:

- Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa;
- Khoa Cơ Khí

Tơi tên là
Lớp

: TRẦN NHẬT TRÌNH
HUỲNH HỒNG VŨ
: 14CDT2

Khoa: Cơ Khí
Đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm
Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp được tôi thực hiện không sao chép hay trùng với đề

tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo. Các
số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực.
Nếu sai, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện

Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

IV


MỤC LỤC

Tóm tắt ............................................................................................................................. I
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ............................................................................................. II
Lời nói đầu ..................................................................................................................... III
Cam đoan ...................................................................................................................... IV
Mục lục ........................................................................................................................... V
Danh sách các bảng, hình ảnh .................................................................................... VIII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................... 2
1.1 Giới thiệu chung về robot Delta ............................................................................. 2
1.1.1 Khái niệm cơ bản .................................................................................................... 2
1.1.2 Ứng dụng của robot Delta ...................................................................................... 3
1.2 Tổng quan về hệ thống ............................................................................................ 5
1.2.1 Các thành phần của bản của robot .......................................................................... 5
1.2.2 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ .............................................................................. 8
2.1 Phân tích cấu trúc .................................................................................................... 8
2.1.1 Lựa chọn cấu trúc ................................................................................................... 8
2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ................................................................................. 9

2.1.3 Hệ khớp dẫn động................................................................................................... 9
2.1.4 Hệ hình bình hành .................................................................................................. 9
2.1.5 Gá động cơ ............................................................................................................ 10
2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành ............................................................................................. 10
2.1.7 Cơ cấu xoay cơ cấu chấp hành ............................................................................. 11
2.1.8 Cơ cấu gắp ............................................................................................................ 11
2.2 Mơ hình tổng quan ................................................................................................ 12
2.3 Thiết kế băng tải .................................................................................................... 14
V


2.4 Thiết kế hệ dẫn động robot ................................................................................... 15
2.4.1 Tính chọn động cơ ................................................................................................ 15
2.4.2 Tính chọn bộ truyền đai ........................................................................................ 16
2.5 Động học robot Delta............................................................................................. 17
2.5.1 Động học thuận robot: .......................................................................................... 18
2.5.2 Động học ngược robot: ......................................................................................... 20
CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................. 23
3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển ............................................................................... 23
3.2 Các thành phần chính trong hệ thống ................................................................. 23
3.2.1 Bộ điều khiển ........................................................................................................ 23
3.2.2 Driver a4988 ......................................................................................................... 25
3.2.3 Động cơ bước ....................................................................................................... 26
3.2.4 Ramps 1.4 ............................................................................................................. 27
3.2.5 Động cơ servo ....................................................................................................... 28
3.2.6 Công tắc hành trình .............................................................................................. 29
3.2.7 Động cơ encorder ................................................................................................. 30
3.3 sơ đồ nguyên lý mạch ............................................................................................ 31
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ............................... 32
4.1 Giới thiệu phần mềm visual studio và thư viện emgu ........................................ 32

4.1.1 Giới thiệu phần mềm visual studio ....................................................................... 32
4.1.2 Giới thiệu thư viện Emgu CV............................................................................... 33
4.2 Lí thuyết xử lí ảnh ................................................................................................. 33
4.2.1 Các kiểu ảnh cơ bản.............................................................................................. 33
4.2.2 Quy trình xử lý ảnh............................................................................................... 33
4.2.3 Một số hàm xử lý ảnh dùng thư viện Emgu CV................................................... 34
4.3 Thiết lập bắt điểm trên băng tải ........................................................................... 37
4.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ....................................................................... 37

VI


4.5 Sơ đồ thuật toán điều khiển .................................................................................. 40
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ........................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 45
PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TRONG ARDUINO MEGA .............................. 46
PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH TRONG VISUAL STUDIO ............................... 50

VII


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH ẢNH
Bảng 3. 1: Các cổng giao tiếp ........................................................................................ 24
Bảng 3. 2: Thông số kĩ thuật Arduino Mega ................................................................. 24
Bảng 3. 3: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988 .................................................. 25
Hình 1.1: Robot Delta...................................................................................................... 2
Hình 1.2: Robot Delta của hãng ABB ứng dụng trong cơng nghiệp nhẹ. ....................... 3
Hình 1.3: Robot Delta hãng Fanuc ứng dụng trong cơng nghệ thực phẩm. .................... 3
Hình 1.4: Robot SurgiScope đang vận hành. .................................................................. 4
Hình 1.5: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương. ......................................... 4

Hình 1.6: Các thành phần chính của hệ thống ................................................................. 5
Hình 2. 1: Cơ cấu robot Delta 3 bậc tự do. ...................................................................... 8
Hình 2. 2: Hệ khớp dẫn động. ......................................................................................... 9
Hình 2. 3: Hệ hình bình hành .......................................................................................... 9
Hình 2. 4: Gá động cơ. .................................................................................................. 10
Hình 2. 5: Gá cơ cấu chấp hành..................................................................................... 10
Hình 2. 6: Hệ thống bánh răng ...................................................................................... 11
Hình 2. 7: Cơ cấu gắp .................................................................................................... 11
Hình 2. 8: Bản vẽ 3D của robot Delta. .......................................................................... 12
Hình 2. 9: Hình ảnh robot .............................................................................................. 13
Hình 2. 10: Bản vẽ băng tải ........................................................................................... 14
Hình 2. 11: Mơ hình băng tải thực tế............................................................................. 14
Hình 2. 12: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E ................................... 15
Hình 2. 13: Bộ truyền đai răng ...................................................................................... 16
Hình 2. 14: Ký hiệu các tham số tính tốn .................................................................... 17
Hình 2. 15: Hình chiếu lên mặt phẳng OXY. ................................................................ 18
Hình 2. 16: Ký hiệu các tham số tính tốn. ................................................................... 20
Hình 2. 17: Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ. ................................................................ 20
Hình 2. 18: Ký hiệu tọa độ tính tốn ............................................................................. 21
Hình 3. 1: Vi điều khiển. ............................................................................................... 23
Hình 3. 2: Driver A4988 ................................................................................................ 25
Hình 3. 3: Động cơ bước ............................................................................................... 26
Hình 3. 4: Ramps 1.4 ..................................................................................................... 27
Hình 3. 5: Động cơ servo MG90S ................................................................................. 28
VIII


Hình 3. 6: Cơng tắc hành trình ...................................................................................... 29
Hình 3. 7: Động cơ encoder........................................................................................... 30
Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý mạch .................................................................................. 31

Hình 4. 1: Lưu đồ thuật tốn xử lí ảnh .......................................................................... 36
Hình 4. 2: Giao diện chương trình hoạt động ................................................................ 38
Hình 4. 3: Giao diện xử lí ảnh ....................................................................................... 38
Hình 4. 4: Xử lí ảnh vật thể hình chữ nhật .................................................................... 39
Hình 4. 5: Xử lí ảnh vật thể hình trịn............................................................................ 39
Hình 4. 6: Đếm số lượng sản phẩm ............................................................................... 40
Hình 4. 7: Lưu đồ thuật tốn gắp sản phẩm .................................................................. 41
Hình 4. 8: Sơ đồ chương trình con ................................................................................ 42
Hình 5. 1: Mơ hình thực tế robot ................................................................................... 43

IX


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật tự động là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh
mẽ. Robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động, đang
được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đã thu hút được nhiều sự chú ý ở nước ta. Để xây
dựng nền sản xuất hiện đại, chúng ta cần nhanh chóng ứng dụng và phát triển tự động
hóa, nổi bật là các sản phẩm Cơ điện tử như Robot, ô tô, …Đặt biệt trong số những sản
phẩm được ứng dụng rộng rải trong cơng nghiệp, thì robot Delta có tìm năng phát triển
cao trong nền cơng nghiệp vì lợi thế cót lõi của robot Delta là tốc độ, chính vì vậy
robot Delta vẫn bắt được vật thể dù băng tải không dừng điều này là một trong các lợi
thế giúp tăng tốc độ của dây chuyền sản xuất.Và trên cũng là mục tiêu cót lõi của đề
tài, xây dựng được mơ hình robot Delta bắt vật thể trên băng tải dù băng tải khơng
dừng, ngồi ra cịn có thể tạo robot Delta thực hiện chạy theo hành trình có thể dạy học
được.
Để có thể xây dựng được đề tài ta cần phải nắm rõ được cơ sở lý thuyết về

phương pháp phân tích, tính tốn động học, động học ngược và kỹ thuật xử lý ảnh,
đồng thời với các kiến thức liên quan đến tính tốn thiết kế cơ khí, mạch điều khiển,
lập trình vi điều khiển cũng như cơng nghệ máy tính mới có thể đưa những lý thuyết
cót lõi thành mơ hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra.

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

1


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DELTA
1.1.1 Khái niệm cơ bản
Robot Delta được phát minh trong đầu thập niên 80 ở Thụy Sĩ của giáo sư
Reymond Clavel và đã được nhận bằng sáng chế Hoa Kỳ với mã số 4.976.582, dưới
đây là robot công nghiệp thực tế của hãng ABB.

a) Robot Flex Picker của hãng ABB.
b) Cấu trúc của robot Delta
Hình 1.1: Robot Delta.
Robot Delta bao gồm hai phần: trên cùng bàn máy cố định với ba động cơ gắn
trên nó, và một bàn mấy động kết nối các khớp cầu của chân bị động và với một cơ
cấu thực hiện chức năng (tay kẹp…). Bàn máy cố định và bàn máy động được nối
thông qua ba cánh tay với chân bị động là hình bình hành, các hình bình hành tạo sự

định hướng của bàn máy động được song song với bàn máy cố định và bề mặt làm
việc (băng tải). Động cơ thiết lập vị trí của cánh tay do đó, các vị trí tọa độ XYZ được
điều chỉnh phù hợp.
Lợi thế cốt lõi của robot Delta là tốc độ. Các loại cánh tay robot thông thường
phải di chuyển không chỉ tải trọng, mà còn tất cả các động cơ servo trong mỗi phần,
trong khi đó phần duy nhất chuyển động của robot Delta là khung của nó, mà thường
được làm bằng vật liệu composite nhẹ. Do tốc độ của nó, robot Delta được sử dụng
rộng rãi trong hoạt động di chuyển các vật thể tương đối nhẹ.
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

2


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

1.1.2 Ứng dụng của robot Delta
a) Ứng dụng trong công nghiệp
Robot Delta được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Robot Delta được sáng chế
với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do
chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay. Robot Delta đã nhận được 36
bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của WIPO (WO
87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4,976,582 cấp ngày
11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991). Robot
Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp…

Hình 1.2: Robot Delta của hãng ABB ứng dụng trong cơng nghiệp nhẹ.

Hình 1.3: Robot Delta hãng Fanuc ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

3


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

b) Ứng dụng trong y học
Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng
robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng trong việc
giải phẫu.

Hình 1.4: Robot SurgiScope đang vận hành.
Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (viết tắt của chữ Compact Robot for
Image Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các bác
sĩ phẫu thuật với một cơng cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xương.

Hình 1.5: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương.
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

4

Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.2.1 Các thành phần của bản của robot

Chương trình giao
tiếp và điều khiển
Máy tính

Các cơng tắc hành trình
Bộ Điều

Hệ thống dẫn động

Các khâu robot

Khiển

tínhTính(CPU)

Dụng cụ thao

tác
Băng tải

Camera

Hình 1.6: Các thành phần chính của hệ thống
Hệ thống robot Delta được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâu

robot, hệ thống dẫn động, máy tính, dụng cụ thao tác……Mối liên hệ giữa các thành
phần của robot được thể hiện như hình 1.6.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot
ở đây ta dùng động cơ hút chân không để hút và nhả vật thể trên băng tải hoặc ở các
khu vực khác do người điều khiển quy định.
Các khâu robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu động, khâu bị động, bàn máy
động liên kết với nhau bằng khớp cầu tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản
của robot.
Hệ thống dẫn động là các động cơ bước tạo nên sự chuyển động của robot và
dụng cụ thao tác.
Các cơng tắc hành trình phản hồi tín hiệu để bộ điều khiển xử lý xác lập vị trí
ban đầu cho robot.
Camera thực hiện chụp hình ảnh của các vật thể trên băng tải và gửi về hệ thống
máy tính để tiến hành xử lý ảnh xác định tọa độ của các vật thể trên băng tải cũng như
tiến hành phân biệt màu sắc của các vật thể trên băng tải.
Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và giải
mã tín hiệu đồng thời thực hiện tính tốn động học ngược robot, truyền tín hiệu điều
khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển góc quay cho động
cơ. Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiện phản hồi của các cơng tắc hành
trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề ra cho bộ điều khiển.
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hoàng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

5


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

Máy tính tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ webcam để
tiến hành xử lý ảnh tìm ra tọa độ ban đầu của vật thể để tìm ra tọa độ của vật thể sau
khoảng thời gian di chuyển trên băng tải nhằm giúp cơ cấu chấp hành biết được chính
xác vị trí của vật thể.
Chương trình giao tiếp và điều khiển được viết ra nhằm thực hiện tính tốn các
phương trình, giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển và thực hiện các
nguyên lý đề ra. Chương trình giao tiếp và điều khiển bao gồm chương trình giao tiếp
trên máy tính và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển. Chương trình giao tiếp
trên máy tính được tạo ra nhằm nhận truyền dữ liệu điều khiển, thực hiện xử lý ảnh từ
dữ liệu ảnh nhận về để tìm ra tọa độ điểm cần bắt, để robot thực hiện tự động bắt vật
thể đang di chuyển ở vị trí bất kỳ trên băng tải đồng thời có thể đưa vật thể đến vị trí
mà người vận hành quy định. Chương trình điều khiển cho bộ điều khiển thực hiện
giải mã các dữ liệu từ máy tính truyền qua, tính tốn động học robot điều khiển hệ
thống dẫn động để thực hiện các chức năng nguyên lý đề ra cho robot.
1.2.2 Đặt vấn đề
Nếu chúng ta muốn xây dựng robot Delta ứng dụng trong cơng nghiệp. Chúng
ta cần phải xây dựng robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng
cài đặt thông qua giao diện giao tiếp trên máy tính mà khơng cần can thiệp chỉnh sửa
phần mềm. Ngoài ra để nâng cao thêm chức năng tự động phân loại hay tự động gắp
vật thể trên băng tải, nhưng vật thể này là luôn di chuyển (tức băng tải khơng dừng) và
nằm ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng thì chúng ta cần phải kết hợp với webcam. Khi
kết hợp với webcam chương trình máy tính tiến hành đếm số lượng, phân loại theo
màu sắc và tìm tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải, từ đó tạo robot vẫn bắt
được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải khơng dừng, thơng qua tọa độ
điểm tìm được. Để có thể thực hiện các yêu cầu đề ra ta cần phải giải quyết các vấn đề
sau:
• Thứ nhất, nếu chúng ta biết được vị trí mong muốn của cơ cấu chấp hành (ví
dụ, chúng ta muốn gắp vật ở điểm có tọa độ X, Y, Z), chúng ta cần phải xác định góc
tương ứng của mỗi tay (góc của khâu chủ động) thiết lập động cơ ở đúng vị trí để
chọn. Q trình xác định như vậy được biết đến như là phép tính ngược hay chính là

giải động học ngược robot. Và ở trường hợp hai, nếu chúng ta biết các góc của khâu
chủ động (ví dụ, chúng ta đã đọc các giá trị của bộ mã hoá động cơ), chúng ta cần xác
định vị trí của cơ cấu chấp hành, quá trình xác định như vậy được biết giải động học
thuận robot. Ở đây để robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng
cài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định (tức là chạy theo tọa độ điểm
đươc cài đặt trước), ta cần quá trình giải động học ngược robot..
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

6


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

• Thứ hai, tìm được tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải thông qua các
tham số lấy từ webcam và robot như tọa độ ban đầu của robot, tọa độ ban đầu của vật
thể trên băng tải, vận tốc tương đối của robot. Từ đó robot vẫn bắt được vật thể ở vị trí
bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng. Giúp ta tăng tốc độ cho dây chuyền
sản suất bằng cách tạo cho Robot và băng tải hoạt động song song nhau tức là robot
vẫn bắt được vật thể trên băng tải dù băng tải đang hoạt động thơng qua tọa độ điểm
tìm được.

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

7

Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
2.1.1 Lựa chọn cấu trúc

Hình 2. 1: Cơ cấu robot Delta 3 bậc tự do.
Để khâu thao tác có thể di chuyển được trên mặt phẳng thẳng đứng yêu cầu ít
nhất sẽ phải có 2 bậc tự do cho việc di chuyển. Tuy nhiên nếu chỉ với hai bậc tự do kia
thì đối tượng sẽ phải di chuyển đến vị trí thích hợp mới có thể đảm bảo thực hiện chức
năng, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận (việc vào/ ra mặt
phẳng làm việc) thì yêu cầu thêm 1 bậc tự do nữa, nên ta chọn cấu trúc robot Delta 3
bậc tự do.
Kết cấu của Robot Delta 3 bậc tự do bao gồm các phần:
• Bàn máy cố định.
• Có 3 chân chủ động được dẫn động bởi 3 động cơ, các động cơ này gắn chặt
với bàn máy cố định.
• Có 3 chân bị động, mỗi chân sử dụng một cấu trúc hình bình hành.
• Bàn máy di động
Robot có 12 khớp cầu, mỗi cơ cấu hình bình hành có 4 khớp cầu, để liên kết giữa 2
chân chủ, bị động với 2 thanh nối.

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

8


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ
Ở đây ta có hai phương án là dẫn động trực tiếp từ động cơ và dẫn động gián
tiếp qua bộ truyền đai. Trong 2 phương án thiết kế thì phương án bộ truyền đai tạo lực
nâng đảm bảo cho cơ cấu nhưng sẽ giảm tốc độ của robot. Tuy nhiên bộ truyền đai có
kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, độ chính xác cao, giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường
có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng nên bộ truyền đai vẫn được
dùng phổ biến cho các tay robot.
2.1.3 Hệ khớp dẫn động

Hình 2. 2: Hệ khớp dẫn động.
Hệ khớp động ta sử dụng khớp cầu. Ưu điểm độ chính xác của cơ cấu cao tuy
nhiên khó gia cơng.
2.1.4 Hệ hình bình hành

Hình 2. 3: Hệ hình bình hành
Hệ hình bình hành tạo sự định hướng của nền dưới được song song với bề mặt
làm việc (băng tải ), giúp robot đảm bảo được số bậc tự do cần thiết.

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

9

Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

2.1.5 Gá động cơ

Hình 2. 4: Gá động cơ.
Gá động cơ được sử dụng để cố định động cơ cũng như cơ cấu truyền động
được thiết kế đảm bảo tạo được hình tam giác đều để định góc gá đặt chính xác cho ba
động cơ.
2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành

Hình 2. 5: Gá cơ cấu chấp hành.

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

10


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

Gá cơ cấu chấp hành phải đảm bảo thuận lợi cho các chuyển động cũng như gá
đặt cơ cấu cấp hành.
2.1.7 Cơ cấu xoay cơ cấu chấp hành

Hình 2. 6: Hệ thống bánh răng
Hệ thống bánh răng kết hợp với động cơ servo giúp xoay cơ cấu chấp hành một
góc theo ý muốn.

2.1.8 Cơ cấu gắp

Hình 2. 7: Cơ cấu gắp
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

11


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

Sử dụng giác hút kết hợp với động cơ hút chân không giúp tăng tốc độ gắp vật
thể, không làm vật thể bị biến dạng do lực kẹp.
2.2 MƠ HÌNH TỔNG QUAN

Hình 2. 8: Bản vẽ 3D của robot Delta.
Số bậc tự do.
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc
tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của
robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do
đó bậc tự do của nó có thể tính theo cơng thức:
W = 6n – (⅀j𝑝𝑗 - 𝑅𝑡𝑟ù𝑛𝑔 - 𝑅𝑡ℎừ𝑎 ) - 𝑊𝑡ℎừ𝑎
Với

( 2.1)

n : Số khâu động;
pj : Số khớp loại j (j = 1, 2,...,5: số bậc tự do bị hạn chế).

𝑅𝑡𝑟ù𝑛𝑔 : Số ràng buộc trùng.
𝑅𝑡ℎừ𝑎 : Số ràng buộc thừa.

Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

12


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

𝑊𝑡ℎừ𝑎 : Số bậc tự do thừa.
Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến
(khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động... Đối với cơ cấu hở, số bậc
tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
+ Bậc tự do của Delta robot:
W = 6×(3×4+2) - 5×(2×3+1) - 4×1×3 - 3×(4×3) - 3×3 = 4
Với: n = 3×4+2 = 14 khâu
𝑝5 = 2×3+1 = 7 khớp loại 5
𝑝4 = 1×3

= 3 Khớp loại 4

𝑝3 = 4×3

= 12 Khớp loại 3

𝑊𝑡ℎừ𝑎 = 3×3 = 9 số bật tự do thừa.

 Robot tồn tại 3 bậc tự do tịnh tiến theo phương x,y,z và 1 bậc tự do xoay quanh
trục z.

Hình 2. 9: Hình ảnh robot
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

13


Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phẩm

2.3 THIẾT KẾ BĂNG TẢI
• Chọn băng tải có kích thc 160ì20 mm
ã Chn ng c hp gim tc
ã S dụng hộp giảm tốc trục vít bánh vít có tỉ số truyền i = 16.
• Sử dụng động cơ DC giảm tốc có tốc độ động cơ nđc = 130 rpm
• Các bộ phận cơ khí được thiết kế với kích thước theo bản vẽ

Hình 2. 10: Bản vẽ băng tải

Hình 2. 11: Mơ hình băng tải thực tế
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

14

Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại sản phm

ã Tc bng ti
vbt=à




= 0.83ì

130ì2ì3.14
16ì60

ì 50 = 17.6 (mm/s)

Trong đó: µ: hiệu suất chung của hệ thống truyền động
µ = ànt ìàtv ìà2ol = 1ì0.85ì0.992 = 0.83
2.4 THIT K HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT
Khối lượng lớn nhất nhất mà robot có thể làm việc là 2kg => Khối lượng lớn nhất trên
mỗi cánh tay là 2kg.
Từ phương trình mơmen theo thời gian đã xác lập phần tĩnh học ta tìm được mômen
lớn nhất trên mỗi động cơ của cánh tay là
M=N.d/i = 2×9.81×0.18/3= 1.18 N.m
Trong đó i =3 tỉ truyền của bộ truyền đai.
2.4.1 Tính chọn động cơ
-

Chọn tốc độ động cơ n = 200 v/p.

+  ô = 0.995 :là hiệu suất ổ lăn
+  br = 0.97 : là hiệu suất của bộ truyền đai
trong đó:  = ơ .br = 0.96 là hiệu suất truyền động
1

1

ƞ

ƞ×60

P = M.w. =M.n.2.Π

= 1.18×200×2×3.14×

1
0.96×60

= 25 W

 Chọn động cơ thỏa n =200 v/p và P >= 25 W
Vì tốc độ và công suất yêu cầu nhỏ nên ta ưu tiên chọn loại động cơ phổ biến trên thị
trường, có giá thành rẻ. Ta chọn động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E.

Hình 2. 12: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E
Thông số kĩ thuật: - Kích thước mặt bích: 42x42 mm.
- Chiều dài thân: 50mm.
Sinh viên thực hiện: Trần Nhật Trình
Huỳnh Hồng Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

15