Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

..

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc
tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng
xử lý ảnh

Người hướng dẫn: ThS. TRẦN QUANG KHẢI
Sinh viên thực hiện: HUỲNH ANH KHOA
HỒ CÔNG TRIỆU
Số thẻ sinh viên : 101150191
101150170
Lớp: 15CDT1

Đà Nẵng, 2019


TÓM TẮT

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng
dụng xử lý ảnh
Sinh viên thực hiện: Hồ Cơng Triệu
Số thẻ SV: 101150191

Lớp 15CDT1

Huỳnh Anh Khoa
Số thẻ SV: 101150170

Lớp 15CDT1

Mục đích: Thiết kế chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm tự động sử dụng cánh tay
robot có ứng dụng xử lý ảnh đang được áp dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, nó làm tăng
năng suất và tránh những sai sót có thể xảy ra trong q trình sản xuất
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:
a, Phạm vi: Nghiên cứu, tính tốn, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm sử
dụng cánh tay robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh. Hệ thống bao gồm những phần
chính như: 1 cánh tay robot, 1 camera xử lý ảnh, 1 máy tính.
b, Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 4 bậc tự do, xử lý ảnh, máy tính
c, Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đặc điểm động học và động lực học robot, lập
trình cho robot và xử lý ảnh để nhận diện hình dạng sản phẩm.
d, Nghiên cứu thiết kế: Tính tốn và vẽ kết cấu robot.
e, Chế tạo: Dựa vào kết quả tính tốn và thiết kế sau đó tiến hành thi cơng chế tạo mơ
hình.
Cấu trúc đồ án này gồm 5 chương:
-

Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Thiết kế và chế tạo cơ khí

-

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển
Chương 5: Kết luận

i


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

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

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: HUỲNH ANH KHOA
Số thẻ sinh viên: 101150170
HỒ CÔNG TRIỆU
Số thẻ sinh viên: 101150191
Lớp:15CDT1
Khoa: Cơ Khí
Ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm
có ứng dụng xử lý ảnh.
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo tài liệu thực tế
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chương 2: Thiết kế và chế tạo 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 hệ thống: 1 A0.
Bản vẽ sơ đồ động: 1 A0.
Bản vẽ sơ đồ mạch điện :1 A0.
Bản vẽ lưu đồ thuật toán: 1 A0.
Bản vẽ các cụm chi tiết: 2 A0.
6. Họ tên người hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
26/08/2019
8. Ngày hoàn thành đồ án:
15/12/2019
Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019
Trưởng Bộ môn ……………………..
Người hướng dẫn
ThS. Trần Quang Khải

ii


LỜI NĨI ĐẦU

Trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng
đóng một vai trò quan trọng. Với tốc độ phát triển như hiện nay chúng ta không chỉ cần
một lượng lao động khổng lồ mà cịn địi hỏi có trình độ, chất lượng tay nghề, kỹ thuật
lao động và thiết bị sản xuất. Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao thì
vấn đề tự động hố ngày càng được chú trọng. Tự động hóa các q trình sản xuất cho
phép cải thiện điều kiện sản xuất. Các quá trình sản xuất sử dụng quá nhiều lao động
sống rất dễ mất ổn định về giờ giấc, về chất lượng gia cơng và năng suất lao động, gây
khó khăn cho việc điều hành và quản lý sản xuất. Các quá trình sản xuất tự động cho

phép loại bỏ các nhược điểm trên. Đồng thời tự động hóa đã thay đổi tính chất lao động,
cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, nhất là trong các khâu độc hại, nặng nhọc,
có tính lặp đi lặp lại nhàm chán, khắc phục dần sự khác nhau giữa lao động trí óc và lao
động chân tay.
Do vậy, ứng dụng robot vào sản xuất là tính tất yếu của q trình tự động hóa. Việc
áp dụng các cánh tay robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng phổ biến. Trước thực tế
đó, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự
do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh”.
Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy ThS. Trần Quang Khải
cùng với sự cố gắng của hai thành viên nhóm đến nay đồ án đã hồn thành. Tuy nhiên
với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng cịn thiếu, mặc dù có nhiều cố gắng
song nhóm em vẫn cịn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hồn thiện. Kính mong các thầy cơ
thơng cảm và góp ý để đề tài của nhóm em hồn thiện hơn và có thể phát triển, ứng dụng
trong thời gian sắp tới.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019
CÁC THÀNH VIÊN
Huỳnh Anh Khoa
Hồ Công Triệu

iii


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 giáo ThS. Trần Quang Khải
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 tôi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện
Hồ Cơng Triệu- Huỳnh Anh Khoa

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 VẼ ...................................................................vii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ............................................................................ 2
1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài .................................................................................... 2
1.2 Mục tiêu ............................................................................................................. 4
Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ...................................................... 5
2.1 Thiết kế cánh tay robot ....................................................................................... 5
2.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay ....................................................... 5
2.1.2. Thơng số kích thước của cánh tay Robot .................................................... 6
2.1.3. Tính tốn động học..................................................................................... 7
2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay ............................................................. 10
2.1.5 Thiết kế 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do................................................ 12
2.2 Thiết kế băng tải .............................................................................................. 13
2.3 Mô hình tổng quan hệ thống............................................................................. 17
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .............................................. 18

3.1 Sơ đồ khối ........................................................................................................ 18
3.2 Các thành phần chính và chức năng ................................................................. 19
3.2.1 Arduino Nano............................................................................................ 19
3.2.2 Driver A4988 ............................................................................................ 20
3.2.3 Servo Sg90 ................................................................................................ 20
3.2.4 Cảm biến quang ........................................................................................ 21
3.2.5 Module giảm áp Lm 2596 ......................................................................... 22
3.2.6 Cơng tắc hành trình ................................................................................... 23
3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ..................................................................... 24
v


Chương 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .................................. 25
4.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính............................................................... 25
4.2 LabVIEW và xử lý ảnh dùng LabVIEW........................................................... 26
4.2.1 Giới thiệu LabVIEW ................................................................................. 26
4.2.2 Ngơn ngữ lập trình LabVIEW ................................................................... 27
4.2.3 Q trình xử lý ảnh trên LabVIEW............................................................ 35
Chương 5: KẾT LUẬN............................................................................................ 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 40
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 41

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 2.1: Bảng thơng số DH của cánh tay robot .......................................................... 8
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của Arduino nano.......................................................... 19
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của A4988 .................................................................... 20

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động cơ servo Sg90....................................................... 21
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của Lm 2596 ................................................................. 23
Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi ........................................... 2
Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học ........................................................................... 3
Hình 1.3: Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................... 4
Hình 2.1: Cánh tay robot tọa độ cầu ............................................................................. 5
Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do .............................................................................. 6
Hình 2.3: Thơng số kích thước của cánh tay robot ....................................................... 7
Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thơng số cho robot ............................................... 7
Hình 2.5: Bánh răng truyền động ............................................................................... 11
Hình 2.6: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E ..................................... 12
Hình 2.7: Mơ hình 3D cánh tay robot ......................................................................... 12
Hình 2.8: Cánh tay robot sau khi thiết kế ................................................................... 13
Hình 2.9: Nhơm định hình ......................................................................................... 13
Hình 2.10: Ke góc nhơm định hình ............................................................................ 14
Hình 2.11: Kích thước của băng tải ............................................................................ 14
Hình 2.12: Mơ hình 3D khung nhơm băng tải ............................................................ 15
Hình 2.13: Gá động cơ ............................................................................................... 15
Hình 2.14: Ổ bi .......................................................................................................... 16
Hình 2.15: Bộ căng đai .............................................................................................. 16
Hình 2.16: Mơ hình sau khi thiết kế ........................................................................... 17
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................... 18
Hình 3.2: Arduino nano ............................................................................................. 19
Hình 3.3: Sơ đồ chân driver A4988............................................................................ 20
vii


Hình 3.4: Động cơ servo Sg90 ................................................................................... 21
Hình 3.5: Cảm biến quang ......................................................................................... 22
Hình 3.6: Module giảm áp Lm 2596 .......................................................................... 22

Hình 3.7: Cơng tắc hành trình .................................................................................... 23
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ............................................................... 24
Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn ....................................................................................... 25
Hình 4.2 Hộp thoại khởi động .................................................................................... 27
Hình 4.3: Cách thức thiết lập cho vịng lặp While ...................................................... 28
Hình 4.4: Vịng lặp For .............................................................................................. 28
Hình 4.5: Cấu trúc Case ............................................................................................. 29
Hình 4.6: Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi .......................................................... 29
Hình 4.7: Đoạn chương trình y=x2+x+1 viết theo hai cách ......................................... 30
Hình 4.8: Địa chỉ truy cập các hàm Vision ................................................................. 31
Hình 4.9: Thư viện thiết bị NI-IMAQdx .................................................................... 31
Hình 4.10: Thư viện tiện ích ...................................................................................... 32
Hình 4.11: Thư viện quản lý ảnh................................................................................ 32
Hình 4.12: Thư viện quản lý tập tin............................................................................ 33
Hình 4.13: Thư viện tiện ích màu............................................................................... 33
Hình 4.14: Thư viện xử lý ảnh ................................................................................... 34
Hình 4.15: Thư viện thị giác máy............................................................................... 34
Hình 4.16: Lưu đồ thuật tuán xử lý ảnh...................................................................... 35
Hình 4.17: Kết quả nhận diện hình trịn ..................................................................... 36
Hình 4.18: Kết quả nhận diện hình vng .................................................................. 36
Hình 4 19: Kết quản nhận diện hình lục giác.............................................................. 37

viii


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

MỞ ĐẦU

Cơ điện tử là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ.

Robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật cơ điện tử, 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 4 bậc tự do có tìm năng phát triển cao trong
nền cơng nghiệp vì lợi thế cốt lõi của robot 4 bậc tự do là tốc độ, chính vì vậy robot 4
bậc tự do 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 cốt lõi của đề tài, xây
dựng được mơ hình robot 4 bậc tự do bắt vật thể trên băng tải dù băng tải khơng dừng,
ngồi ra cịn có thể tạo robot 4 bậc tự do 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 nghịch 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 cốt lõi thành
mơ hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra.

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

1


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài
Theo ước tính của Liên đồn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng

50% số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%), 32% ở
châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi.
Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%, ngành
điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy
4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản xuất metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất
gỗ 2,5%, và các ngành khác là 10,3%.
Theo dự báo ,trên thế giới trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng
1 robot như nhu cầu 1 máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách
mạng công nghệ lớn sau internet.Với xu thế này cùng với các ứng dụng truyền thông
khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, và đặc biệt trong an
ninh quốc phịng thì thị trường robot và các dịch vụ ăn theo robot sẽ vô cùng.
Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong cơng nghệ đúc, công nghệ hàn,
cắt kim loại, sơn, phun, phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm...
Ngày nay, đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với
robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hóa cao, mức độ linh hoạt cao...Ở
đây các máy robot công nghiệp được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình.

Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

2


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

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 phịng, trong chinh
phục vũ trụ, trong cơng nghiệp ngun tử, trong các lĩnh vực xã hội....

Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học
Rõ ràng khẳ năng của robot trong một số điều kiện vượt hơn khẳ năng của con người,
do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động, giảm
nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại. Nhược điểm lớn nhất của
robot là chưa linh hoạt như con người. Trong dây chuyền sản xuất tự động, nếu có một
robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn
hoạt động dưới sự giám sát của con người.
Ngày nay, Việt Nam đang là một nước cơng nghiệp hóa, vì vậy việc sử dụng robot
trong công nghiệp là rất cần thiết để nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu được cơng
người và có độ chính xác cao. Hiểu được tầm quan trọng của robot trong đời sống hiện
nay, nên nhóm sinh viên chúng em sẽ thực hiện đề tài “ Thiết kế và chế tạo cánh tay
robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh “ với mục tiêu sẽ xây dựng
lên một mơ hình minh họa được cách hoạt động của một cánh tay robot trong việc phân
loại sản phẩm kết hợp với phương thức xử lý ảnh trên băng tải. Đây là một đề tài thiết
thực vì hiện nay việc ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp để thay thế cho các cảm
biến thông thường là rất quan trọng bởi độ chính xác cao hơn, phản hồi tốt, ít nhiễu và
dễ dàng lập trình. Ngoài ra việc vận chuyển sản phẩm trên băng chuyền cũng mang lại
những lợi ích như:
-

Giảm thiểu sức người lao động
Đạt được năng suất cao, hoạt động trong một thời gian dài

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

3

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

1.2 Mục tiêu

Hình 1.3: Sơ đồ khối của hệ thống
Hệ thống sẽ có những thành phần chính sau :
- Một camera chụp ảnh vật phẩm
- Một băng tải đủ dài để vận chuyển sản phẩm
- Một cánh tay robot để đưa vật vào các ô tương ứng sau khi đã phân loại
- Máy tính và bộ điều khiển trung tâm để phân tích các dữ liệu từ camera và
điều khiển cánh tay robot
Bài toán đặt ra là thiết kế chế tạo mơ hình cánh tay robot phân loại vật thể trên
băng tải. Máy tính thơng qua camera sẽ thu nhận hình ảnh vật thể trên băng tải để xử
lý cho ra các dữ liệu cần thiết về hình dạng rồi gửi cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển
sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bao gồm các động cơ của tay máy, động cơ của
băng tải, và các động cơ khác để đưa được vật phẩm vào các ô tương ứng.
-

Một số phần mềm để nhóm sinh viên chúng em thực hiện đồ án :
Phần mềm Solidwork 2018: dùng để thiết kế 3D cho hệ thống
Phần mềm AutoCAD 2015 : dùng để vẽ các chi tiết 2D, sử dụng trong việc
cắt mica
Phần mềm xử lý ảnh LabVIEW 2016 : dùng để xử lý các hình ảnh gửi về từ
camera
Phần mềm Arduino IDE : dùng để lập trình cho các cơ cấu chấp hành.

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

4


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ

Về mặt truyền động và điều khiển robot được cấu tạo từ những khối cấu trúc cơ
khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Về mặt kết cấu robot được chế tạo rất khác
biệt nhau nhưng chúng được xây dựng từ những thành phần cơ bản như tay máy,
nguồn cung cấp, bộ điều khiển. Trong đó tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu
cơ khí được thiết kế và hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau. Vì
vậy trong chương 2, chúng em sẽ đi thiết kế cơ khí tồn bộ hệ thống, bao gồm cánh
tay robot, băng tải và các bộ phận khác. Để thiết kế mơ hình 2D cũng như 3D cho
cánh tay robot cũng như cho băng tải và các chi tiết khác trong hệ thống, chúng em
sử dụng phần mềm Solidwork và Autocad, vừa dễ thiết kế lại có nhiều chức năng hỗ
trợ cho người dùng rất tiện lợi.
2.1 Thiết kế cánh tay robot
2.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay
Qua tìm hiểu các loại cánh tay robot thì nhóm quyết định thiết kế chế tạo cánh
tay robot 4 bậc tự do tọa độ cầu RRRR. Đây là loại robot rất phổ biến trong công
nghiệp nhờ vào những ưu điểm: ít tốn khơng gian, dễ dàng bố trí trong không gian
làm việc, độ khéo léo, linh hoạt cao, tầm hoạt động lớn, có thể nâng hạ tải trọng lớn.
Tuy nhiên nó có nhược điểm là độ cứng vững theo phương đứng thấp, độ chính xác
giảm theo tầm hoạt động. Cánh tay phải đạt được kích thước, độ dài hợp lý để có thể
vươn dài, gắp vật phẩm trên băng tải và đưa chúng vào các ơ tương ứng.

Hình 2.1: Cánh tay robot tọa độ cầu

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

5


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

R

Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do
Kết cấu của cánh tay robot 4 bậc tự do như sau :
- Đế xoay robot
- Khâu chuyển động để đưa tay gắp đến vị trí cần gắp vật
- Tay gắp gắp vật đưa vật thể vào hộp
2.1.2. Thơng số kích thước của cánh tay Robot
Từ các mục tiêu ở chương 1, ta thiết kế được kích thước cần có của cánh tay robot
4 bậc tự do trong hệ thống để đáp ứng được yêu cầu của đề tài. Cánh tay robot được
cấu thành bởi các bộ phận sau:
-

Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để
tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay để
trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.

-

Nguồn động lực và hệ truyền động tạo chuyển động cho các khâu của tay máy,
sử dụng động cơ bước, servo

Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết
khác. Robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các
cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.

-

Trong đề tài lần này, chúng em chọn vật liệu robot là mica dày 5mm vì vừa rẻ,
vừa dễ gia cơng, lại đẹp mắt, phù hợp với yêu cầu.

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

6


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Hình 2.3: Thơng số kích thước của cánh tay robot
2.1.3. Tính tốn động học
a. Động học thuận
Giả sử một robot có cấu hình đã biết: độ dài các thanh nối và góc quay của các
khớp hoặc độ dịch chuyển các khớp tịnh tiến. Bài toán động học thuận là tính tốn vị
trí và hướng của cánh tay robot tương ứng với cấu hình robot xác định
-

Xác định các hệ tọa độ:

Ta chọn hệ tọa độ Oo như hình vẽ.

Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

7


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

• Lập bảng thơng số DH
Bảng 2.1: Bảng thơng số DH của cánh tay robot
ai

αi

di

θi

1

0

90o

d1

θ1 *

2

a2

0

0

θ2 *

3

0

90o

0

θ3*+90o

4

0

0

d4

θ4 *

• Ma trận tổng quát:

cθi
s
Ai = [ θi
0
0

c1
s
A1 =  1
0

0

0 s1
0 −c1
1 0
0 0

c3 (3 + 90)
 s ( + 90)
A3 =  3 3

0

0


0

0 
d1 

1
s3 (3 + 90)

0
0 −c3 (3 + 90)
1
0
0
0

−sθi cαi
cθi cαi
sαi
0

sθi sαi
−cθisαi
cαi
0

ai cθi
ai sθi
]
di
1

c2

s
A2 =  2
0

0

− s2
c2
0
0

c4
s
A4 =  4
0

0

− s4
c4
0
0

0 a2c2 
0 a2 s2 
1 0 

0 1 
0 0
0 0 

1 d4 

0 1

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

8

0
0
0

1

Sử dụng phần mềm Matlab để tính tốn và rút gọn:
T4 = A1 . A2 .A3 . A4

 r11 r12
r r
T4 =  21 22
 r31 r32

0 0

r13
r23
r33
0

px 

p y 
pz 

1

Trong đó : px = c1 (c23 d 4 + a2 c2 )

p y = s1 (c23d 4 + c2 a2 )

pz = d1 + d 4 s23 + a2c2

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

b. Động học nghịch
Ta có:

A1−1T4 = A1−1 A1 A2 A3 A4

 h11 h12
h
 21 h22
 h31 h32

0
0

h13

h23
h33
0

n1   d11 d12
n2   d 21 d 22
=
n3   d31 d32
 
1  0
0

 n1 = c1 p x + s1 p y

 n2 = pz − d1
n = s p − c p
 3 1 x 1 y

d13
d 23
d33
0

m1 
m2 
m3 

1

m1 = c2 a2 + c23d 4


m2 = s2 a2 + s23 d 4
m = 0
 3

• Tính θ1:

n3 = m3  s1 px = c1 p y  tan 1 =



py
px

1 = arctan 2( Py , Px )

• Tính θ3:

c1 px + s1 p y = c2 a2 + c23d 4
 n1 = m1



n2 = m2
 pz − d1 = s2 a2 + s23d 4
Suy ra :

n12 + n22 = (c23 + d 4 ) 2 + 2c2 a2 c23d 4 + (c2 + a2 ) 2 + ( s23d 4 ) 2 + 2s2 a2 s23d 4 + ( s2 a2 ) 2
= a22 + d 42 + 2c3a2 d 4

n12 + n22 − d 42 − a22
 c3 =
2a2 d 4

 s3 = 1 − c32
 3 = arctan 2(sin 3 ,cos 3 )
• Tính θ2:

a2 c2 + d 4c23 = n1

a2 s2 + d 4 s23 = n2

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

9


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

 n = c a + (c2c3 − s2 s3 )d 4
 1 2 2
n2 = s2 a2 + (c2 s3 + c2 s3 )d 4
n1 = c2 (a2 + c3d 4 ) − s2 s3d 4 (1)
n2 = s2 (a2 + c3d 4 ) + c2 s3d 4 (2)
Từ (2) => s2 =

n2 − c2 s3d 4
a2 + c3 d 4

Thế vào (1)  n1 = c2 (a2 + c3d 4 ) − s3d 4
=> c2 =

n2 − c2 s3d 4
a2 + c3 d 4

n1 (a2 + c3d 4 ) + n2 s3d 4
(a2 + c3d 4 )2 + ( s3d 4 ) 2

Từ (1) => c2 =

n2 + s2 s3d 4
a2 + c3 d 4

Thế vào (2) => s2 =

n2 (a2 + c3d 4 ) − n1 + s3d 4
(a2 + c3d 4 ) 2 + ( s3d 4 ) 2

  2 = arctan 2(sin  2 , cos  2 )
Thiết lập phương trình động học là bước rất quan trọng để có thể dựa vào đó phân
tích hoạt động của robot và lập trình điều khiển robot
Nếu cho trước các giá trị của biến khớp thay đổi theo thời gian, thì vị trí và hướng
của khâu chấp hành cuối trong mọi thời điểm sẽ hồn tồn xác định được từ hệ
phương trình động học thuận trên
Bài toán động học nghịch nhằm xác định giá trị các biến khớp theo các thông số
trạng thái đã biết của điểm tác động cuối. Từ các nghiệm của phương trình động học
nghịch, ta lập trình điều khiển robot hoạt động.
2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay

a. Cơ cấu xoay của khâu chấp hành
Ở đây ta dùng phương pháp dẫn động bằng bánh răng, dễ dàng thiết kế nhưng lại
kéo được lực lớn, tốc độ nhỏ, không gây rung giật, thích hợp với các cơ cấu nặng.

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

10


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Hình 2.5: Bánh răng truyền động
b. Tính chọn động cơ cho cơ cấu
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
Chọn tốc độ động cơ n =1000 v/p.
+ ηo = 0.995: là hiệu suất ổ lăn
+ ηbr = 0.97: là hiệu suất của bộ truyền đai
Trong đó :  = obr = 0, 96 là hiệu suất truyền động

1
1
 P = M .. = M .n.2.
= 85W

.60

Chọn động cơ thỏa mãn n=1000 vòng/p và P ≥85W
Vì tốc độ và cơng suất u 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.
Thơng số kĩ thuật: - Kích thước mặt bích: 42x42 mm.
- Chiều dài thân: 50mm.
- Dịng chịu tải:1- 1.3A.
- Góc bước: 1.8°/step

Sinh viên thực hiện: Hồ Cơng Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

11


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Hình 2.6: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E
2.1.5 Thiết kế 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do
Nhóm sinh viên chúng em sử dụng phần mêm Solidwork để thiết kế 3D cho cánh
tay robot cũng như toàn hệ thống. Sử dụng phần Part để vẽ các biên dạng 3D của từng
chi tiết, sau đó dùng phần Assembly để lắp ráp các chi tiết lại thành một cánh tay hoàn
chỉnh. Phần này cũng dùng để kiểm tra xem các mối lắp có xung đột với nhau hay
khơng để khi ra thực tế có thể lắp nối lại dễ dàng.

Hình 2.7: Mơ hình 3D cánh tay robot
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

12


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Thơng qua bản vẽ kích thước và bản vẽ 3D mơ hình cánh tay, chúng ta xuất
các chi tiết thành file 2D, sau đó đi cắt mica và về lắp cơ khí thành cánh tay robot 4
bậc tự do hồn chỉnh

Hình 2.8: Cánh tay robot sau khi thiết kế
2.2 Thiết kế băng tải
-Tính chọn vật liệu
Dựa vào yêu cầu làm việc, ta chọn chất liệu cho khung băng tải là nhơm định
hình, đây là vật liệu dễ tìm, có sẵn trên thị trường, dễ dàng lắp ráp và tháo gỡ, vì
vậy ta có thể chỉnh sửa theo u cầu đề tài, dễ dang cho cacs cải tiến về sau.

Hình 2.9: Nhơm định hình

Sinh viên thực hiện: Hồ Cơng Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

13


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Sử dụng các ke góc dùng để lắp các thanh nhôm lại với nhau một cách dễ dàng,
không cần phải dùng đến các mối hàn . Nhơm định hình cho phép tháo lắp, sửa chữa
dễ dàng, không gây hư tổn đến vật liệu.

Hình 2.10: Ke góc nhơm định hình
-Tính chọn kích thước băng tải
Từ kích thước cũng như vùng làm việc của cánh tay robot 4 bậc tự do, chúng em
tính chọn được kích thước của băng tải cần có như sau :
+ Chọn băng tải có kích thước 1056mm×150mm, chiều cao 200mm
+ Các bộ phận cơ khí được thiết kế với kích thước theo bản vẽ

Hình 2.11: Kích thước của băng tải

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

14


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

- Dựng khung 3d băng tải

Hình 2.12: Mơ hình 3D khung nhôm băng tải
-Gá động cơ băng tải
Gá động cơ được in 3D bằng chất liệu nhựa, dễ dàng chế tạo lắp ráp, chịu được
lực rung giật của động cơ, đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định

Hình 2.13: Gá động cơ
- Con lăn, ổ bi
- Yêu cầu:
+ Con lăn phải có kích thước, khối lượng phù hợp

+ Đảm bảo điều kiện làm việc ổn định
+ Tiếp xúc giữa con lăn và băng tải tốt, đảm bảo độ ma sát
+ Ổ bi phù hợp với trục con lăn, không làm dịch chuyển con lăn
- Từ các yêu cầu trên ta thiết kế con lăn phù hợp với loại băng tải đã chọn có:
+ Truc nối động cơ Ø8 mm
+ Đường kính con lăn Ø50 mm

Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

15


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

+ Chiều dài 155 mm
- Ổ bi là loại ổ bi đỡ chặn có đường kính lỗ Ø8 mm

Hình 2.14: Ổ bi
-Bộ căng đai
Áp dụng biện pháp căng đai lên khung băng tải động một cách ổn định nhất,
căng đai làm sao cho miếng su băng tải không được căng quá làm hư hỏng động
cơ và băng tải, cũng như khơng được trùng q sẽ khơng ổn định

Hình 2.15: Bộ căng đai
-Băng tải
Để đáp ứng yêu cầu tải sản phẩm ổn định, khơng bị dịch chuyển trong q trình
tải hàng, ta chọn loại băng tải phải đáp ứng các đặt tính sau:
- Có độ bền kéo tốt, khơng bị dãn trong q trình hoạt động.

- Khơng sần sùi
- Độ bền, tuổi thọ cao
Sinh viên thực hiện: Hồ Công Triệu-Huỳnh Anh Khoa

Hướng dẫn: ThS. Trần Quang Khải

16