Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

Ng. Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT 5 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO SẮP XẾP SẢN PHẨM 2019

..

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT
5 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO
SẮP XẾP SẢN PHẨM

Người hướng dẫn
: TS. NGUYỄN DANH NGỌC
Người duyệt
: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN PHAN HOÀNG DŨNG
: ĐỖ LUẬT
Số thẻ sinh viên
: 101140136
: 101140151
Lớp
: 14CDT1

Đà Nẵng, 6/2019

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT
5 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO
SẮP XẾP SẢN PHẨM

Người hướng dẫn
: TS. NGUYỄN DANH NGỌC
Người duyệt
: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN PHAN HOÀNG DŨNG
: ĐỖ LUẬT
Số thẻ sinh viên
: 101140136
: 101140151
Lớp
: 14CDT1

Đà Nẵng, 6/2019

TÓM TẮT

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp
xếp sản phẩm.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật
Số thẻ SV: 101140136 - 101140151

Lớp: 14CDT1

Nội dung tóm tắt:
Hệ thống cánh tay robot sắp xếp sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh gồm 2
khâu: tiền xử lý dữ liệu thu thập được từ camera, gửi dữ liệu điều khiển cánh tay hoạt
động sắp xếp sản phẩm. Quá trình sắp xếp sản phẩm sẽ thực hiện dựa trên việc thu
thập thơng tin về hình dạng, màu sắc và góc lệch của sản phẩm thông qua hệ thống
camera. Khi sản phẩm đúng theo quy định thì sẽ được cánh tay robot đưa liên tục vào
kho chứa.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

1

Họ tên sinh viên
Nguyễn Phan Hoàng Dũng

Số thẻ SV
101140136

Lớp
14CDT1

Ngành
Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

2

Đỗ Luật

101140151

14CDT1

Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp 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:
- Vận tốc băng tải: V = 0,05 m/s.

- Đường kính bánh dẫn và bị dẫn: D1 = D2 = 60mm.
- Khoảng cách trục: a = 800mm.
- Bề rộng đai: B = 140mm.
- Tỉ số truyền: i = 3.
- Khối lượng của vật: m = 0,05kg.
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
1

Nguyễn Phan Hồng Dũng

2

Đỗ Luật

b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
1
2

Nguyễn Phan Hoàng Dũng
Đỗ Luật

Nợi dung

Tính tốn băng tải, thiết kế băng tải, tính tốn
đợng học robot, thiết kế robot

Nợi dung
Lập trình điều khiển arduino
Lập trình xử lý ảnh

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

Họ tên sinh viên

Nợi dung

1

Nguyễn Phan Hồng Dũng

Bãn vẽ tởng thể (A0)


TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

2

Đỗ Luật

Bản vẽ lắp ghép cánh tay (A0)

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nợi dung

1

Nguyễn Phan Hồng Dũng

Bản vẽ lưu đồ thuật toán (A0)
Bản vẽ mạch điều khiển (A0)

2

Đỗ Luật

Bản vẽ chi tiết (A0)
Bản vẽ sơ đồ động (A0)

6. Họ tên người hướng dẫn:
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hồn thành đồ án:
Trưởng Bộ mơn

TS. Nguyễn Danh Ngọc
18/02/2019
05/06/2019

Đà Nẵng, ngày 05 tháng 06 năm 2019
Người hướng dẫn

TS. Nguyễn Danh Ngọc


LỜI NĨI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cơng c̣c cách mạng công nghiệp 4.0 diễn ra, lĩnh vực
kỹ thuật số phát triển, công nghệ xử lý ảnh đã đạt được nhiều thành tựu và tiến bộ vượt
bậc. Nhờ các hệ thống xử lý ảnh, con người đã giảm được khối lượng cơng việc cũng
như tăng sự chính xác trong việc đưa ra các quyết định liên quan đến xử lý hình ảnh
trên nhiều lĩnh vực: qn sự và quốc phịng, các hệ thống kỹ thuật hóa sinh, giải phẫu,
các hệ thống giao thông thông minh, công nghệ robot, …Công nghệ xử lý ảnh được
kết hợp với robot qua đó giúp lĩnh vực robot ngày càng phát triển, phổ biến rộng rãi
trong mọi lĩnh vực của xã hội, kinh tế.
Những phần mềm xử lý ảnh hiện nay được sử dụng phổ biến hiện nay là Matlab,
Visual Studio, … Trong đó phần mềm Matlab đã trở thành công cụ không thể thiếu
của các cán bộ nghiên cứu giảng dạy, sinh viên đại học, cao học và nghiên cứu sinh
thuộc các ngành khoa học kỹ thuật. Matlab cung cấp cho người sử dụng các phương
thức để thực hiện các mô phỏng trên máy tính, ngồi ra Matlab cịn có thể giao tiếp với
Vi điều khiển, PLC, … cùng với các thiết bị phần cứng để thực hiện các ứng dụng
thực tế. Vì vậy trong phạm vi hiểu biết, luận văn đã trình bày về việc thực hiện đề tài
“Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản
phẩm”. Đây là nghiên cứu kết hợp giữa Matlab và Vi điều khiển để sắp xếp sản phẩm.
Trong quá trình thực hiện đồ án cùng với sự nỗ lực và áp dụng những kiến thức
được trang bị ở trường, chúng em đã có nhiều cố gắng để hoàn thành tốt nhất đồ án
này. Tuy nhiên do kiến thức và khả năng còn có hạn nên luận văn khó tránh khỏi
những thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và giúp đỡ chân
thành của các thầy cơ của khoa Cơ Khí cũng như của các bạn sinh viên để đồ án được

hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Danh Ngọc đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.
Đà Nẵng, Ngày …. Tháng …. Năm 2019
Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật

i


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 TS. Nguyễn Danh Ngọc.
Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình,
thời gian, địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, chúng tơi xin chịu
hồn toàn trách nhiệm.
Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật

ii


MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu

i

Lời cam đoan liêm chính học thuật

ii

Mục lục

iii

Danh sách các bảng

v

Danh sách các hình ảnh

vi

MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ....................................................................2
1.1.
1.2.

THỰC TRẠNG ĐỀ TÀI .......................................................................................2
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................4

1.3.

KIẾN TRÚC TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI ..............................................................4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CƠ KHÍ .............................6
2.1.
THIẾT KẾ BĂNG TẢI ........................................................................................6
2.1.1. Bài toán thiết kế ...........................................................................................6
2.1.2. Các phương án thiết kế ................................................................................6
2.1.3. Chọn phương án thiết kế .............................................................................7
2.1.4. Tính tốn thiết kế .........................................................................................8
2.1.5. Thơng số thiết bị ........................................................................................13
2.1.6. Thiết kế 3D Băng tải ..................................................................................14
2.2.
THIẾT KẾ ROBOT ..........................................................................................15
2.2.1. Sơ lược về robot.........................................................................................15
2.2.2. Bậc tự do và hệ tọa độ suy rộng của robot công nghiệp ...........................16
2.2.3. Phân loại robot ..........................................................................................17
2.2.4. Bài toán thiết kế .........................................................................................18
2.2.5. Các phương án thiết kế ..............................................................................19
2.2.6. Chọn phương án thiết kế ...........................................................................20
2.2.7. Phạm vi hoạt động của robot ....................................................................21
2.2.8. Tính tốn thiết kế cánh tay Robot ..............................................................21
iii


2.2.9. Thông số các loại động cơ sử dụng cho cánh tay .....................................25
2.2.10. Thiết kế 3D Cánh tay robot .......................................................................28
2.3.
THIẾT KẾ 3D TỔNG THỂ ...............................................................................31
2.3.1. Thiết kế 3D các chi tiết khác .....................................................................31

2.3.2. Thiết kế 3D tổng thể hệ thống ...................................................................31
MƠ HÌNH THỰC TẾ ........................................................................................33

2.4.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THƠNG ĐIỀU KHIỂN ............................................35
HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ..........................................................................35

3.1.

3.1.1. Sơ đồ hệ thống ...........................................................................................35
3.1.2. Các thành phần chính ................................................................................36
3.1.3. Mạch điều khiển ........................................................................................42
3.2.
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ........................................................................44
Lưu đồ thuật tốn ......................................................................................44
Động học thuận, động học nghịch .............................................................47
Xử lý ảnh ....................................................................................................52

3.2.1
3.2.2
3.2.3

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................59
4.1
4.2

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC......................................................................................59
HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................59

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................61
PHỤ LỤC

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số động cơ bước Nema 23 57x57x56mm ...........................................13
Bảng 2.2 Thông số đai băng tải .....................................................................................14
Bảng 2.3 Thông số băng tải ...........................................................................................15
Bảng 2.4 Thông số các khâu của cánh tay robot ...........................................................22
Bảng 2.5 Thông số động cơ bước Nema 23 57x57x76mm ...........................................25
Bảng 2.6 Thông số động cơ bước Nema 17 42x42x48mm ...........................................26
Bảng 2.7 Thông số động cơ bước Nema 14 35x35x34mm ...........................................27
Bảng 2.8 Thông số động cơ servo MG996R .................................................................28

Bảng 3.1 Thông số Webcam Logitech C270 HD 720P ................................................37
Bảng 3.2 Thông số Arduino Mega 2560 R3 .................................................................38
Bảng 3.3 Thông số Driver dộng cơ bước TB6560 3A ..................................................39
Bảng 3.4 Thông số Driver dộng cơ bước A4988 ..........................................................39
Bảng 3.5 Thông số Module Relay 5V ...........................................................................40
Bảng 3.6 Thông số nguồn DC 12V – 20A ....................................................................41
Bảng 3.7 Thông số Module giảm áp LM2596 3A ........................................................42
Bảng 3.8 Bảng D-H .......................................................................................................49

v


DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot sắp xếp sản phẩm ...................................................................................3
Hình 1.2 Robot lắp ráp linh kiện ơ tơ ..............................................................................4
Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống ..........................................................................................5

Hình 2.1 Mơ hình băng tải ..............................................................................................8
Hình 2.2 Sơ đồ tính tốn để xác định cơng suất băng tải ................................................9
Hình 2.3 Phân bố lực trên băng tải ................................................................................11
Hình 2.4 Đợng cơ bước Nema 23 57x57x56mm ..........................................................13
Hình 2.5 Đai băng tải .....................................................................................................14
Hình 2.6 Thiết kế 3D khung băng tải ............................................................................14
Hình 2.7 Thiết kế 3D hệ thống băng tải ........................................................................15
Hình 2.8 Sơ đồ đợng của mợt tay máy tọa đợ suy rợng ................................................16
Hình 2.9 Robot kiểu tọa đợ Descarte.............................................................................17
Hình 2.10 Robot kiểu hệ tọa đợ trụ ...............................................................................17
Hình 2.11 Robot kiểu tọa đợ cầu ...................................................................................17
Hình 2.12 Robot kiểu Scara...........................................................................................18
Hình 2.13 Robot kiểu khuỷu tay....................................................................................18
Hình 2.14 Trường cơng tác của cánh tay robot .............................................................21
Hình 2.15 Mơ hình đợng học tay máy ...........................................................................21
Hình 2.16 Sơ đồ của Robot khi chịu trọng lượng lớn nhất ...........................................22
Hình 2.17 Đợng cơ bước Nema 23 57x57x76mm ........................................................25
Hình 2.18 Đợng cơ bước Nema 17 42x42x48mm ........................................................26
Hình 2.19 Đợng cơ bước Nema 14 35x35x34mm ........................................................27
Hình 2.20 Đợng cơ servo MG996R...............................................................................28
Hình 2.21 Thiết kế 3D khớp 1 .......................................................................................29
vi


Hình 2.22 Thiết kế 3D khớp 2,3,4 .................................................................................29

Hình 2. 23 Thiết kế 3D khớp 5 ......................................................................................29
Hình 2.24 Thiết kế 3D tay gắp ......................................................................................30
Hình 2.25 Thiết kế 3D tởng thể cánh tay robot .............................................................30
Hình 2.26 Thiết kế 3D gắn camera ................................................................................31
Hình 2.27 Thiết kế 3D tởng thể hệ thống ......................................................................31
Hình 2.28 Thiết kế 3D tởng thể hệ thống ......................................................................32
Hình 2.29 Thiết kế 3D tởng thể hệ thống ......................................................................32
Hình 2.30 Mơ hình cánh tay robot.................................................................................33
Hình 2.31 Mơ hình tởng thể hệ thống............................................................................34

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................................35
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................36
Hình 3.3 Webcam Logitech C270 HD 720P .................................................................36
Hình 3.4 Arduino Mega 2560 R3 ..................................................................................37
Hình 3.5 Driver đợng cơ bước TB6560 3A ...................................................................38
Hình 3.6 Driver đợng cơ bước A4988 ...........................................................................39
Hình 3.7 Module Relay 5V ...........................................................................................40
Hình 3.8 Nguồn tở ong 12V – 20A ...............................................................................40
Hình 3.9 Module giảm áp LM2596 3A .........................................................................41
Hình 3.10 Sơ đồ mạch điều khiển .................................................................................42
Hình 3.11 Mạch điều khiển ...........................................................................................43
Hình 3.12 Mạch điều khiển ...........................................................................................43
Hình 3.13 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính Vi điều khiển (Arduino) ..................44
Hình 3.14 Lưu đồ thuật tốn chương trình Xử lý ảnh ...................................................45
Hình 3.15 Lưu đồ thuật tốn chương trình con Robot đến vị trí gốc ............................46
Hình 3.16 Lưu đồ thuật tốn chương trình con Robot đến vị trí x,y,z ..........................47
Hình 3.17 Vị trí ban đầu của Robot và hệ tọa đợ ..........................................................48
Hình 3.18 Mơ hình biên lý tưởng ..................................................................................53
vii

Hình 3.19 Mơ hình biên trong thực tế ...........................................................................53
Hình 3.20 Mơ hính miêu tả đợ dày biên ........................................................................53
Hình 3.21 Mơ hình miêu tả đạo hàm bậc 1 của biên .....................................................54
Hình 3.22 Hệ Tọa đợ RGB và mơ hình màu RBG ........................................................57
Hình 3.23 Mơ hình HSV ...............................................................................................57

viii


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

MỞ ĐẦU

Mục đích: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot sắp xếp sản phẩm trên băng tải tự
động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh nhằm ứng dụng hệ thống tự động vào trong công
nghiệp như cánh tay robot và xử lý 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: Thực hành lại các kiến thức về lập trình và cơ khí, … đã học
trong thời gian qua vào thực tế, nhằm củng cố lại kiến thức hỗ trợ cho việc làm sau
này.
Phạm vi và đới tượng nghiên cứu:
Phạm vi: Nghiên cứu, tính tốn, thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống gắp hàng tự
động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh. Hệ thống bao gồm những phần chính như: 1 cánh
tay robot, 1 hệ thống băng tải, 1 camera xử lý ảnh, máy tính.
Đối tượng: Cánh tay Robot 5 bậc tự do, hệ thống băng tải, camera xử lý ảnh, máy
tính.
Phương Pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu ở đây chủ yếu là vận dụng
các kiến thức đã học từ các môn liên quan đến cơ khí và lập trình để tiến hành làm mơ
hình, đồng thời tự tìm hiểu trên các diễn đàn, tài liệu nước ngoài về xử lý ảnh. Từ đó

tiến hành lập trình, chế tạo hồn thiện mơ hình.
Nghiên cứu lý thút: Nghiên cứu đặc điểm đợng 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 tốn và vẽ kết cấu robot, băng tải.
Chế tạo: Dựa vào kết quả tính tốn và thiết kế sau đó tiến hành thi cơng chế tạo
mơ hình.
Cấu trúc đờ án tớt nghiệp:
Gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

1


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Thực trạng đề tài
Từ cuộc cách mạng công nghiệp 3.0, robot đã được phát triển và sử dụng trong
ngành công nghiệp chế tạo ô tô ở các nước công nghiệp phát triển như Nhật Bản, Mỹ,
Đức… tuy nhiên giai đoạn này cánh tay robot còn hạn chế về số bậc tự do. Từ những
năm 2000 đến nay cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã diễn ra tại một số nước phát
triển như Mỹ, châu Âu, một phần châu Á, robot được sử dụng rộng rãi hơn không chỉ
gói gọn trong lĩnh vực cơng nghiệp mà cịn phát triển ra các lĩnh vực khác như nông
nghiệp, thủy sản, y dược… Ngày nay robot đa hình dạng, số bậc tự do tăng.
Với việc hợi nhập thương mại thế giới trong nhiều năm qua, Việt Nam chính thức

bước vào sân chơi thương mại tồn cầu. Việt Nam đang là một nước có nền công
nghiệp được các nhà đầu tư nước ngoài đầu tư mạnh mẽ như Nhật Bản, Hàn Quốc,
Mỹ… Ngành công nghiệp dệt may, công nghiệp linh kiện điện tử, công nghiệp chế
biến, chế tạo được đầu tư phát triển như các nhà máy sản xuất ô tô xe máy mang
thương hiệu Việt Thaco, Vinfast, các dự án nhà máy sản xuất lắp ráp linh kiện máy
bay… Các ngành công nghiệp này là môi trường phát triển tiềm năng cho lĩnh vực
robot công nghiệp như cánh tay robot phát triển tại Việt Nam. Vì vậy, với mục đích
tăng hiệu quả và năng suất sản xuất, cải thiện môi trường làm việc, không gian làm
việc trong các nhà máy, xí nghiệp…đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự
do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm” đưa ra hướng giải quyết và phát triển
cho các ngành công nghiệp hiện nay. Đề tài này được ứng dụng những kỹ thuật tiên
tiến bắt kịp xu thế công nghiệp hiện nay.
Một số bài tốn thực tế ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh tại nhà máy sản xuất:
-

-

Trên bao bì sản xuất ra có in logo, tuy nhiên, đôi khi nó bị mờ hoặc mất nét in,
chúng ta không thể đưa sản phẩm này đến với người tiêu dùng. Công nghệ xử
lý ảnh giúp ta loại bỏ sản phẩm lỗi.
Trên bao bì có mã vạch - barcode, chúng ta muốn đọc tự đợng và tìm ra sản
phẩm có barcode chưa đúng, bị mờ, bị mất nét.
Trên sản phẩm có in ngày tháng sản xuất, ngày hết hạn và sản phẩm xuất đi
Châu Âu do đó chúng ta không muốn các sản phẩm đó in sai ngày hoặc phai
mờ.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

2

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

-

Trên board mạch điện tử của nhà máy có rất nhiều linh kiện, tuy nhiên khơng
biết vì mợt lý do nào đó, có 1 số board bị thiếu linh kiện, làm sao để phát hiện

-

và loại bỏ chúng?
Các chi tiết được gia cơng và phải kiểm tra kích thước của chúng liên tục, công
nhân không thể làm nổi việc này. Công nghệ xử lý ảnh giúp giảm tỷ lệ sản

-

phẩm lỗi và năng suất làm việc tăng.
Nhà máy sản xuất bánh quy, bánh chạy trên băng tải và chúng ta muốn robot
nhận dạng bánh và sắp vào vĩ bánh. Công nghệ xử lý ảnh giúp tự động hóa sản
xuất.

Dựa trên những ứng dụng thực tế của xử lý ảnh, kết hợp cánh tay robot với xử lý
ảnh trong mô hình hệ thống bao gồm cánh tay robot và băng tải được ứng dụng trong
một số hoạt đông:
-

Phân loại sản phẩm lỗi, không đạt yêu cầu trên dây chuyền băng tải.
Phân loại sản phẩm, sắp xếp sản phẩm trên dây chuyền theo yêu câu.
Đóng gói sản phẩm.
Lắp ráp linh kiện trong dây chuyền.

Di chuyển linh kiện, sản phẩm từ dây chuyền này sang dây chuyền khác.

Hình 1.1 Robot sắp xếp sản phẩm

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

3


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

Hình 1.2 Robot lắp ráp linh kiện ơ tơ
Dựa vào thực trạng và ứng dụng, ta có thể xác định được mục tiêu cụ thể của đề
tài.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống cánh tay robot 5 bậc tự do sắp xếp sản phẩm
trên băng tải tự động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh nhằm ứng dụng hệ thống tự động
vào trong công nghiệp như cánh tay robot và xử lý ảnh, nó sẽ làm tăng năng suất và
tránh những sai sót có thể xảy ra trong quá trình sản xuất.
Nghiên cứu lý thuyết đặc điểm động học và động lực học robot, bợ truyền cho
băng tải, lập trình cho robot và xử lý ảnh để nhận diện sản phẩm.
Nghiên cứu thiết kế tính tốn và vẽ kết cấu robot, băng tải.
Tiến hành chế tạo mơ hình hệ thống dựa vào kết quả tính tốn và thiết kế.
1.3. Kiến trúc tổng quan của đề tài
Bài toán đặt ra thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống cánh tay robot sắp xếp sản
phẩm trên băng tải tự động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 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 cánh tay sẽ gắp và sắp xếp vào
vị trí đóng gói. Nếu khơng đạt chất lượng sẽ loại bỏ trở thành phế phẩm.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

4


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống
Để giải quyết bài tốn xử lý ảnh thì chúng ta có rất nhiều công cụ hỗ trợ tốt như:
Open CV, Microsoft Visual Studio hay công cụ Image Processing Toolbox của
Matlab...
Trong hệ thống sử dụng camera nhằm chụp ảnh sản phẩm, máy tính cụ thể phần
mềm Matlab sẽ thu nhận, lưu trữ và xử lý, nhận dạng sản phẩm thơng qua hình ảnh đã
chụp được từ camera, qua đó xuất ra lệnh đưa tới vi điều khiển, gửi tín hiệu tác đợng
đến băng tải hoạt động và cánh tay robot bắt đầu hoạt động sắp xếp sản phẩm theo quy
định.
Cụ thể trong hệ thống : Bộ điều khiển gồm 1 arduino mega, module driver dùng
để điều khiển động cơ và cánh tay robot 5 bậc tự do và cơ cấu chấp hành bao gồm 1
băng tải và 1 cánh tay robot 5 bậc tự do.
➢ Với bài toán đặt ra như trên: khi sản phẩm đi qua camera, được camera chụp
ảnh lại và lưu lại vào máy tính. Yêu cầu đặt ra là cần phải xác định được hình,
đặc điểm, hướng ... của sản phẩm. Để thực hiện được yêu cầu của hệ thống trên
ta sử dụng thư viện và các hàm xử lý ảnh trong Matlab để hổ trợ trong việc
nhận dạng đặc điểm, hướng của sản phẩm. Để đạt đợ chính xác cao trong việc
lấy tọa đợ, hình, đặc điểm, hướng… của sản phẩm ta phải tính tốn, thiết kế cơ
khí đạt u cầu tối ưu nhất. Phần tính tốn, thiết kế cơ khí được trình bày ở
chương 2.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

5


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CƠ KHÍ

2.1. Thiết kế băng tải
2.1.1. Bài toán thiết kế
Yêu cầu thiết kế: Thiết kế băng tải vận chuyển vật là những viên pin có khối
lượng 50g, tốc độ vận chuyển 0,05m/s.
2.1.2. Các phương án thiết kế
a) Chọn loại băng tải
-

Băng tải cao su là loại máy vận chuyển liên tục với bộ phận kéo bằng tang có
gắn dây băng cao su tạo thành máng mang tải, trong đó vật liệu vận chuyển

không có chuyển động tương đối với băng nên khi vận chuyển khơng bị nghiền
nát.
- Băng tải xích: khác với băng tải đai, bộ phận kéo và bộ phận mang tải trong
xích tải thường là phân biệt. Bợ phận kéo trong xích tải là bợ truyền xích.
b) Chọn động cơ
❖ Động cơ điện một chiều:
- Ưu điểm: cho phép thay đổi trị số của momen và vận tốc góc trong phạm vi,
đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng.
- Nhược điểm: Giá thành đắt, khó kiếm và vốn đầu tư tăng.
❖ Động cơ xoay chiều 1 pha:
- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không cần chỉnh lưu.

- Nhược điểm: Hiệu suất và công suất thấp.
c) Chọn bộ truyền động cho băng tải
❖ Bợ truyền ngồi:
• Bợ truyền đai:
- Ưu điểm: Có thể truyền giữa các trục ở khoảng cách xa (>15m). Tính
chất đàn hồi cao. Độ dẻo dai cao, truyền động êm, khơng gây ồn, thích
hợp truyền đợng lớn. Vận tốc truyền động của đai lớn. Kết cấu đơn giản,
không cần bôi trơn.
- Nhược điểm: Phải căng đai trước khi làm việc, kích thước bợ truyền đai
lớn, có thể trượt đai khi quá tải, tỉ số truyền thay đổi được khi bị trượt
đai. Tải trọng tác dụng lên các trục và ổ lớn. Tuổi thọ kém (1000-1500
giờ).
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

6


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

• Bợ truyền xích:
-

-

Ưu điểm: Khơng trượt, hiệu suất làm việc cao. Làm việc khơng cần căng
xích, kích thước nhỏ hơn bộ truyền đai. Có thể dùng bộ truyền xích để
thay đởi tốc đợ. Khả năng tải và hiệu suất làm việc cao hơn bộ truyền
động đai.
Nhược điểm: Làm việc ồn và gây tải trọng phụ. Phải kiểm tra hệ thống
bơi trơn thường xun. Dễ bị mịn bánh xích, răng và bản lề, dễ đứt xích

khi làm việc quá tải.
❖ Bợ truyền trong: thường dùng hợp giảm tốc
• Hợp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp dạng khai triển:
- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, số lượng các chi tiết trong hợp ít, phương án
cố định các bánh răng, ổ trên trục, ổ trên gối đỡ dễ thực hiện, đợ chính

-

xác về vị trí tương đối giữa các trục không yêu cầu cao lắm, điều chỉnh
sự ăn khớp của các cặp bánh răng, khe hở của các ổ lăn dễ dàng, giá
thành thấp.
Nhược điểm: Bánh răng phân bố không đối xứng so với gối đỡ trục, làm
tăng sự tập trung tải trọng trên một phần của răng, tải trọng phân bố
khơng đều trên hai ở trục, kích thước của ổ được chọn theo tải trọng lớn,
do đó khối lượng hộp giảm tốc khai triển thường lớn hơn các hộp giảm
tốc khác.

• Hợp giảm tốc cấp chậm phân đơi:
- Ưu điểm: Tải trọng phân bố đều trên các trục. Sử dụng tối đa khả năng
tải hai cặp bánh răng. Momen xoắn trên các trục trung gian nhỏ chỉ bằng
một nữa momen xoắn cần truyền. Tập trung ứng suất ít hơn hộp giảm tốc
bánh răng trụ hai cấp dạng khai triển do bánh răng và ở bố trí đối xứng.
-

Nhược điểm: Cấu tạo hộp giảm tốc phức tạp do bánh răng cấp chậm lớn.
Bề rộng hộp giảm tốc lớn, giá thành cao hơn hộp khai triển.

2.1.3. Chọn phương án thiết kế
❖ Theo yêu cầu của hệ thống với sản phẩm cần vận chuyển là những viên pin, và

địi hỏi chi phí thấp, chế tạo đơn giản, do vậy băng tải cao su là phù hợp.
❖ Phương án xây dựng bộ truyền đợng cho băng tải:
• Đợng cơ + bợ truyền trong + bộ phận công tác: Bộ truyền trong thường dùng
hộp giảm tốc.
-

Ưu điểm: các cơ cấu nằm trong nắp hộp được che kín nên tránh được bụi
bẩn, hiệu suất làm việc cao.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

7


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

-

Nhược điểm: Hợp giảm tốc lớn vì tỉ số truyền chỉ phân phối cho bợ
truyền trong. Nên bố trí cồng kềnh và đắt tiền.

• Đợng cơ + bợ truyền ngồi + bợ phận cơng tác:
- Bợ truyền ngồi truyền chuyển động trực tiếp từ động cơ đến bộ phận
công tác nhưng phương án này không phù hợp, bộ truyền ngồi có t̉i
thọ kém, tỉ số truyền bị thay đởi khi q tải. Khơng nên dùng bợ truyền
ngồi trực tiếp.
• Phối hợp: cùng thực hiện cả hai phương án trên.
- Hợp giảm tốc nhỏ gọn vì tỉ số truyền được phân đều cho cả bợ truyền
trong và bợ truyền ngồi.
Kết luận: Chọn phương án phối hợp làm phương án thiết kế.

➢ Do đó ta chọn phương án thiết kế:
-

Động cơ: Chọn đợng cơ điện mợt chiều.
Bợ truyền ngồi: Chọn bợ truyền đai: làm việc êm, hiệu suất cao nhưng bị
trượt khi quá tải.
Hộp giảm tốc: Hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp dạng khai triển vì có giá
thành rẻ, phù hợp với điều kiện làm việc.

2.1.4. Tính tốn thiết kế
a) Cấu tạo của băng tải

Hình 2.1 Mơ hình băng tải
Trong đó

1: Khung băng tải, 2: Rulô chủ động, 3: Băng tải

4: Rulô bị động, 5: Động cơ, 6: Bộ truyền đai

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

8


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

b) Tính toán băng tải
V

F

Fms

m.g

D2

D1

a

n

Hình 2.2 Sơ đồ tính tốn để xác định cơng suất băng tải
-

Chọn các thơng số ban đầu cho bộ truyền:
Vận tốc băng tải: V = 0.05 m/s.

-

Đường kính bánh dẫn và bị dẫn: D = D1 = D2 = 60mm.
Khoảng cách trục: a = 800mm.
Bề rộng đai: B = 140mm.
Tỉ số truyền: i = 3.
Khối lượng của vật: m = 0.05kg.
Tính chọn đợng cơ cho băng tải

• Cơng suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu:
P1 = F1.v = a.δ.k1.v.g (kW)

(2-1)

Trong đó:
-

F1: Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu.
a: Khoảng cách trục (m).
δ: Khối lượng của vật liệu trên một mét dài của băng tải (kg/m).

- k1: Hệ số có tính đến lực cản khi dịch chuyển vật liệu, chọn k1 = 0,05.
- v: Vận tốc di chuyển của băng tải (m/s).
- g: Gia tốc trọng trường (m/s2).
 P1 = F1.v = a.δ.k1.v.g = 0,8.0,05.0,05.0,05.9.8 = 9,8.10-4 (kW)
• Cơng suất cần thiết để khắc phục tổn hao công suất do lực ma sát:
P2 = F2.v = 2a. 𝛿𝑏 . 𝑘2 .v.g (kW)

(2-2)

Trong đó:
-

F2: Lực cản trong các ổ đỡ các con lăn và lực cản do ma sát khi băng

-

chuyển động trên các con lăn.
δb: Khối lượng mét băng tải (kg/m).

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

9


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

-

k2: Hệ số có tính đến lực cản khi không tải.

 P2 = F2.V = 2a.𝛿𝑏 .k2.v.g = 2.0,8.0,5.0,01.0,05.9,8. = 3,92.10-3 (kW)
• Cơng suất tĩnh của băng tải:
P = P1+P2 = 4,9 (W)

(2-3)

• Cơng suất cần thiết của đợng cơ truyền động:
𝑝

4,9

𝜂

0,95

Pct = k3. =1,2.

= 5,58 (W)

(2-4)

Trong đó:
-

k3: hệ số dự trữ về công suất (k3 = 1,2 ~ 1,25).
η: Hiệu suất truyền đợng (η = 0,95).

• Số vịng quay trên trục công tác:

nlv =

60000.v
(v/ph)
 .D

(2-5)

Trong đó:
-

v: Vận tốc băng tải (m/s).

-

D: Đương kính tang (mm).

 nlv =

60000.v 60000.0,05
=

= 15,91 (v/ph)
3,14.60
 .D

• Tính sơ bợ số vịng quay của động cơ:
nsb = nlv.nt (v/ph)

(2-6)

Trong đó:
-

ut : Tỉ số truyền tồn bợ của hệ thống dẫn đợng.

-

nlv : Số vịng quay trên trục công tác.

 nsb = nlv.nt = 15,91.3 = 47,73 (v/ph)
• Momen mở máy:
 Tmm = 1,2.9,55.10 .
6

𝑃𝑐𝑡
𝑛𝑠𝑏

6

= 1,2.9.55.10 .

5,58.10−3
47,73

= 1339,7 (N.mm) (2-7)

=> Chọn động cơ bước 12-24V có sẵn hộp giảm tốc thõa mãn các điều kiện sau:

Pdc  Pct , ndc  nsb và

Tmm Tk Tmm

,
= 1, 2.
T
Tdn T

➢ Dựa vào tính tốn thiết kế ta chọn động cơ bước Nema 23 57x57x56 mm (thông
số cụ thể trình bày ở phần dưới).
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

10


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

Tính chọn dây băng tải

Hình 2.3 Phân bố lực trên băng tải
• Tính lực kéo băng tải:
𝑁.1000

F=

𝑣

(N)

(2-8)

Trong đó:
 F=

N công suất trên băng tải
V vận tốc băng tải
P lực kéo băng tải
𝑁.1000
𝑣

=

5,58.10−3 .1000
0,05

= 111,6 ( N )

• Tính momen tác dụng lên trục tang quay băng tải:
 Tbt =

𝐹.𝐷
2

=

111,6.60
2

= 3348 (N.mm)

(2-9)

• Tính lực căng băng tải
- Lực vịng FP
Fp =

6120.𝑝
𝑣

(kg)

(2-10)

Trong đó:
-

p công suất truyền dẫn (kW)

-

v vận tốc băng tải (m/s)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

11


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

 Fp =
-

6120.𝑝
𝑣

=

6120.5,58.10−3
0,05.60

=11,38 ( kg )

Lực căng trên 2 nhánh băng tải
F1 = F p .

𝑒 𝜇𝜃

𝑒 𝜇𝜃 −1

(kg)

(2-11)

Trong đó:
-

Fp lực vòng (kg)

-

e cơ số logarit tự nhiên

-

𝜇 hệ số ma sát giữa dây dai và pu-ly

-

𝜃 góc ôm giữa đai và puly (rad)

Ta chọn 𝜇 = 0,3
Thay số vào ta được: F1 = Fp.

𝑒 𝜇𝜃

𝑒 𝜇𝜃 −1

= 11,38.

𝑒 0,3.𝜋
𝑒 0,3.𝜋 −1

= 18,64 ( kg )

 F2 = F1 – Fp = 18,64 – 11,38 = 7,26 ( kg )
- Lực căng tối thiểu
Lực căng tối thiểu được xác định nhằm giữ cho dây băng tải không trượt
quá 2% khoảng cách giữa các con lăn.
Lực căng tối thiểu trên nhánh căng:
F4c = 6,25.lc.( Wm + W1 ) = 6,25.0,01. ( 0,05 + 0,5) = 0,0344 (kg)

(2-12)

Lực căng tối thiểu trên nhánh chùng:
F4r = 6,25.lr.W1 = 6,25.0,02.0,5 = 0,0625 (kg)
-

Lực kéo lớn nhất

(2-13)

Fp + F2 = 11,38 + 7,26 =18,64 (kg)
Fp + F4r = 11,38 + 0,0625 =11,4425 (kg)

 Fmax = 18,64 (kg)
• Tính chọn dây băng đai
- Với đai dệt nhiều lớp:
ST – NO =

𝐹𝑚𝑎𝑥 .𝑆𝐹
𝐵

(2-14)

Trong đó:
-

Fmax là lực kéo lớn nhất (kg)
SF là hệ số an toàn
B là chiều rộng dây băng tải (cm)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc

12