Thiết kế và chế tạo robot delta phân loại kẹo

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN
LOẠI KẸO

Giáo viên hướng dẫn: TS. VÕ NHƯ THÀNH
Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT
Lớp: 14CDT2

Đà Nẵng, 6/2019


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I.

Thông tin chung:

1. Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY
Số thẻ sinh viên: 101140185
NGUYỄN QUANG ĐẠT
101140178
2. Lớp: 14CDT2
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo
4. Người hướng dẫn: VÕ NHƯ THÀNH
Học hàm/ học vị: Tiến sĩ
II.
Nhận xét đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, sáng tạo và ứng dụng của đồ án: (điểm đánh giá tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm đánh giá tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
4. NCKH: (nếu có bài báo khoa học hoặc ĐATN là đề tài NCKH: (cộng thêm 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm đánh giá tối đa 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..

IV. Đánh giá:
1. Điểm đánh giá:
/10
2. Đề nghị:
Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 2019
Người hướng dẫn

TS. VÕ NHƯ THÀNH


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thơng tin chung:
5. Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY
Số thẻ sinh viên: 101140185
NGUYỄN QUANG ĐẠT
101140178
6. Lớp: 14CDT2
7. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo
8. Người phản biện:

Học hàm/ học vị:
VI. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
V.

TT Các tiêu chí đánh giá
1
1a
1b
1c
1d
1e
1f
2
2a
2b
3

Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải
quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao
- Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và khoa học tự
nhiên trong vấn đề nghiên cứu
- Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên ngành
trong vấn đề nghiên cứu
- Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mơ phỏng,
tính tốn trong vấn đề nghiên cứu
- Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng
dụng trong vấn đề nghiên cứu
- Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề
- Đề tài có giá trị khoa học, cơng nghệ; có thể ứng dụng
thực tiễn:

Kỹ năng viết:
- Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích
- Thuyết minh đồ án khơng có lỗi chính tả, in ấn, định dạng

Điểm Điểm Điểm
tối đa trừ còn lại
80
15
25
10
10
10
10
20
15
5

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

3. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
4. Ý kiến khác:
………………………………………………………………………………………..
5. Đề nghị:
Được bảo vệ đồ án/ Bổ sung thêm để bảo vệ/ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 2019
Người phản biện

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

CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY

Số thẻ sinh viên: 101140185

NGUYỄN QUANG ĐẠT

101140178

2. Lớp: 14CDT2
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo
4. Người phản biện:

Học hàm/ học vị:

II. Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời
1. ……………….……………….……..………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. ………………………………………..……………………………………………..

………………………………………………………………………………………
Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ)
1. ……………….……………….……..………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. ………………………………………..……………………………………………..
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 2019

Người phản biện


TÓM TẮT
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO
Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY
Số thẻ sinh viên: 101140185
NGUYỄN QUANG ĐẠT
101140178
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 có kết hợp xử lý ảnh. Dựa trên những

phương pháp cơ bản đó ta 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.
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 công 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: Tính tốn và thiết kế cơ khí. Chương này, ta sẽ phân tích cấu trúc lựa chọn
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, xây dựng
phương trình bắt điểm trên băng tải để áp dụng vào chương trình điều khiển. 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: Thảo luận và phương hướng phát triển đề tài. Chương này là đánh giá kết
luận và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển đề tài.


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
TT
1
2

Họ tên sinh viên
Trần Đình Huy
Nguyễn Quang Đạt

Số thẻ SV
101140185
101140178

Lớp
14CDT2
14CDT2

Ngành
Cơ Điện Tử
Cơ Điện Tử

1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và chế tạo Robot Delta phân loại kẹo
2. Đề tài thuộc diện:
☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
- Tìm hiểu một số loại robot Delta ngoài thực tế và
1 Trần Đình Huy
lựa chọn hệ thống phù hợp để thiết kế.
2 Nguyễn Quang Đạt
- Đưa ra nguyên lý, lựa chọn các phương án phù hợp
để thiết kế
- Thi công robot thực tế.
b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
1 Trần Đình Huy
Tìm hiểu code điều khiển
2 Nguyễn Quang Đạt
Tính tốn hệ thống dẫn động, hoàn thành thuyết minh
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
1 Trần Đình Huy
Bản vẽ lắp ráp băng tải A0
Bản vẽ lắp ráp Delta Robot A0
2 Nguyễn Quang Đạt

Bản vẽ lưu đồ thuật tốn A0
b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
1 Trần Đình Huy
Hai bản vẽ chi tiết A0
2 Nguyễn Quang Đạt
Bản vẽ sơ đồ mạch A0
3 Trần Đình Huy
Bảng vẽ sơ đồ động A0
4 Nguyễn Quang Đạt
Bản vẽ tổng thể A0


5.Họ tên người hướng dẫn:
T.S Võ Như Thành
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
7. Ngày hoàn thành đồ án:
Trưởng Bộ môn:
Cơ Điện Tử

Phần/ Nội dung:
01/02/2019
01/06/2019
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 2019
Người hướng dẫn

TS.Võ Như Thành


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. Võ Như Thành, 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:

Nguyễn Quang Đạt

i

Trần Đình Huy

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi:

Tơi tên là

-

Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa

-

Khoa Cơ khí

: TRẦN ĐÌNH HUY

Số thẻ sinh viên: 101140185

NGUYỄN QUANG ĐẠT
Lớp

Số thẻ sinh viên: 101140178
Khoa: Cơ khí

: 14CDT2

Đề tài: Thiết kế và chế tạo Robot Delta phân loại kẹo.

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng chúng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám
ơn, các thơng tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Đà Nẵng, ngày......tháng......năm 2019
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quang Đạt

ii

Trần Đình Huy


MỤC LỤC

Tóm tắt
Lời nói đầu và cảm ơn
i
Lời cam đoan liêm chính học thuật
ii
Mục lục
iii
Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ
vi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .....................................................................3
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DELTA........................................................3
1.1.1 Khái niệm cơ bản ............................................................................................ 3

1.1.2 Ứng dụng của robot Delta...............................................................................4
1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BĂNG TẢI ................................................................ 7
1.2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 7
1.2.2 Ưu điểm của băng tải ......................................................................................7
1.2.3 Cấu tạo chung của băng tải .............................................................................7
1.2.3 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay ......................................................8
1.2.4 Giới thiệu băng tải dùng trong mơ hình .........................................................8
1.3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ..........................................................................10
1.3.1 Cấu trúc cơ bản ............................................................................................. 10
1.3.2 Đặt vấn đề .....................................................................................................11
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................12
CHƯƠNG 2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ ...............................................13
2.1 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ROBOT DELTA ......................................................13
2.1.1 Lựa chọn cấu trúc .........................................................................................13
2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ ......................................................................14
2.1.3 Hệ khớp dẫn động.........................................................................................14
2.1.4 Hệ hình bình hành ........................................................................................15
2.1.5 Gá động cơ....................................................................................................15
2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành .....................................................................................16
2.1.7 Bơm hút chân khơng.....................................................................................17
2.2 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BĂNG TẢI ............................................................... 18
2.2.1 Đĩa xích ........................................................................................................19
2.2.2 Bộ truyền xích .............................................................................................. 19
2.2.3 Ổ bi Φ10 mm ................................................................................................ 20
2.2.4 Gá cơ cấu chấp hành .....................................................................................20
2.2.5 Ống tang Φ42 mm ........................................................................................21
2.2.6 Gá hộp Camera ............................................................................................. 21
2.2.7 Gá trục tang ..................................................................................................22
iii

2.3 MƠ HÌNH TỔNG QT ...................................................................................22
2.4 THIẾT KẾ BĂNG TẢI .......................................................................................23
2.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG................................................................ 23
2.6 ĐỘNG HỌC ROBOT.......................................................................................... 24
2.6.1 Số bậc tự do của Robot Delta .......................................................................25
2.6.2 Động học thuận............................................................................................. 26
2.6.3 Động học ngược Robot.................................................................................28
2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................31
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .............................................32
3.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN............................................................ 32
3.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................... 32
3.2.1 Bộ điều khiển ................................................................................................ 32
3.2.2 Driver A4988 ................................................................................................ 34
3.2.3 Động cơ bước ............................................................................................... 35
3.2.3 Bơm hút chân khơng.....................................................................................36
3.2.4 Cơng tắc hành trình ......................................................................................36
3.3 SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI DÂY ......................................................................................37
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................38
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ................................ 39
4.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VISUAL STUDIO VÀ THƯ VIỆN EMGU ..........39
4.1.1 Giới thiệu phần mềm Visual Stuio ............................................................... 39
4.1.2 Giới thiệu thư viện Emgu .............................................................................39
4.2 LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH ................................................................................40
4.2.1 Các kiểu ảnh cơ bản......................................................................................40
4.2.2 Quy trình xử lý ảnh.......................................................................................40
4.2.3 Một số hàm xử lý ảnh dùng thư viện EmguCV ...........................................41
4.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH BẮT ĐIỂM TRÊN BĂNG TẢI ......................42
4.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ..............................................43
4.5 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ........................................................... 44

4.5.1 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh .........................................................................44
4.5.2 Lưu đồ thuật tốn trên Arduino ....................................................................45
4.6 CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ........................................................................46
4.6.1 Chương trình mạch điều khiển trên Arduino ...............................................46
4.6.2 Lập trình giao diện trên Visual Studio .........................................................46
4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ....................................................................................47
CHƯƠNG 5 THẢO LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ......48
5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ......................................................................49
5.2 CÁC HẠN CHẾ TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT ....49
5.2.1 Các hạn chế...................................................................................................49
iv


5.2.2 Hướng giải quyết .......................................................................................... 50
5.3 CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 51
PHỤ LỤC 1 CHƯƠNG TRÌNH TRONG ARDUINO MEGA ............................... 52
PHỤ LỤC 2 CHƯƠNG TRÌNH TRONG VISUAL STUDIO.................................55

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 1.1 Danh sách các loại băng tải ..............................................................................8
Bảng 3.1 Bảng thông số cơ bản của Arduino Mega 2560 .............................................33
Bảng 3.2: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988 ...................................................34

Hình 1.1 Robot Delta .......................................................................................................3
Hình 1.2 Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm .........................................4
Hình 1.3 Robot Delta trong phẫu thuật y học..................................................................5

Hình 1.4 Robot song song kiểu Stewwart .......................................................................5
Hình 1.5 Cấu trúc chấp hành song song 3RPS ................................................................ 6
Hình 1.6 Cấu tạo chung của băng chuyền .......................................................................7
Hình 1.7 Băng tải mơ hình thiết kế trên solidworks ........................................................9
Hình 1.8 Hình ảnh băng tải thực tế..................................................................................9
Hình 1.9 Thành phần hệ thống robot .............................................................................10
Hình 2.1 Cấu trúc Robot Delta ......................................................................................13
Hình 2.2 Cơ cấu dẫn động trực tiếp...............................................................................14
Hình 2.3 Hệ khớp dẫn động........................................................................................... 14
Hình 2.4 Hệ hình bình hành .......................................................................................... 15
Hình 2.5 Gá động cơ ......................................................................................................15
Hình 2.6 Bàn máy di động ............................................................................................. 16
Hình 2.7 Bàn máy cố định ............................................................................................. 16
Hình 2.8 Bơm hút chân khơng.......................................................................................17
Hình 2.9 Cấu trúc của băng tải ......................................................................................18
Hình 2.10 Đĩa xích.........................................................................................................19
Hình 2.11 Bộ truyền xích .............................................................................................. 19
Hình 2.12 Ổ bi Φ10 mm ................................................................................................ 20
Hình 2.13 Gá cơ cấu chấp hành .....................................................................................20
Hình 2.14 Ống tang Φ42 mm ........................................................................................21
Hình 2.15 Gá hộp Camera ............................................................................................. 21
Hình 2.16 Gá trục tang ..................................................................................................22
Hình 2.17 Mơ hình khơng gian thiết kế trên solidworks ...............................................22
Hình 2.18 Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E .....................................24
Hình 2.19: Ký hiệu các tham số tính tốn .....................................................................25
Hình 2.20 Hình chiếu lên mặt phẳng OXY ...................................................................27
Hình 2.21 Ký hiệu các tham số tính tốn ......................................................................29
vi

Hình 2.22 Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ....................................................................29
Hình 2.23 Ký hiệu tọa độ tính tốn ...............................................................................30
Hình 3.1 Sơ đồ đấu nối hệ thống điều khiển .................................................................32
Hình 3.2 Module Arduino Mega 2560 ..........................................................................33
Hình 3.3 Driver A4988 ..................................................................................................34
Hình 3.4 Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E .......................................35
Hình 3.5 Bơm hút chân khơng.......................................................................................36
Hình 3.6 Sơ đồ đấu nối dây ........................................................................................... 37
Hình 4.1 Tọa độ bắt điểm .............................................................................................. 42
Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn xử lý ảnh............................................................................44
Hình 4.3 Lưu đồ thuật tốn trên Arduino ......................................................................45
Hình 4.4 Chương trình chính mạch điều khiển ............................................................. 46
Hình 4.5 Giao diện xử lý dữ liệu trên Visual Studio .....................................................47
Hình 5.1 Sản phẩm kẹo để phân loại .............................................................................48
Hình 5.2 Mơ hình Robot Delta lúc gắp sản phẩm .........................................................48


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:
Robot công nghiệp từ khi mới ra đời đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới
góc độ thay thế sức người. Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp là nhằm góp phần nâng
cao năng suất, giảm giá thành, tăng chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm
đồng thời cải thiện năng suất lao động. Trong ngành cơ khí robot được sử dụng trong
kỹ thuật ô tô, công nghệ hàn, công nghệ đúc, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển
phôi và lắp ráp sản phẩm.
Về mặt cơ học, robot song song là hệ nhiều vật có cấu trúc vịng động học kín có
cấu trúc động học phức tạp, khó thiết kế và điều khiển. Tuy vậy, mà robot song song có

thể thực hiện các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao. Vì vậy, việc đi
sâu vào nghiên cứu động lực học và điều khiển robot song song trong việc phân loại sản
phẩm là một vấn đề khoa học và có ý nghĩa thực tế.
Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu là xây dựng được mơ hình cơ học và mơ hình tốn học, xây dựng các
thuật tốn điều khiển cho robot song song Delta là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu
thiết kế, chế tạo robot song song Delta.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu: Động lực học và điều khiển robot song song Delta.
Phạm vi nghiên cứu: 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 cốt lõi thành mơ hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra.

SVTH: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

GVHD: TS.VÕ NHƯ THÀNH

1


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

Phương pháp nghiên cứu:
Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:
-

Nghiên cứu lý thuyết:

+ Tổng hợp tài liệu về tính tốn động học thuận và ngược của robot
delta, từ đó xây dựng thuật toán giải bài toán động học thuận và động
học ngược.
+ Tính tốn thiết kế mơ hình cơ khí cho robot đảm bảo độ chính xác
và độ cứng vững cần thiết, đáp ứng nhu cầu điều khiển chính xác.

-

Nghiên cứu thực nghiệm:
Chế tạo mơ hình thực nghiệm robot Delta và điều khiển chính xác.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
+ Tạo tiền đề cho việc chế tạo các robot Delta ứng dụng vào thực tế: robot lắp ráp sản
phẩm trong các hệ thống sản xuất, robot nâng chuyển...
+ Góp phần xây dựng mơ hình dạy học về điều khiển tự động đối với robot công nghiệp
tại các trường Cao đẳng và Đại học.

Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

2


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

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 4.976.582, dưới đây là robot
công nghiệp thực tế của hãng ABB như hình 1.1a.

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 máy động kết nối các khớp cầu của chân bị động và với một cơ cấu
thực hiện chức năng (bơm hút chân không…). 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
(bảng, băng tải và vv). 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 khơng chỉ tải trọng, mà cịn 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 ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

3


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

1.1.2 Ứng dụng của robot Delta
a) Ứng dụng trong công nghiệp
Một loại robot được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta. Robot
Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 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 ứng dụng trong công nghệ thực 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.

Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

4


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

Hình 1.3 Robot Delta trong phẫu thuật y học

c) Các ứng dụng khác
Phịng thí nghiệm PCR tại Đại học kỹ thuật Shaif đã thiết kế, mơ phỏng, phân
tích động học và chế tạo một loại tay máy song song dùng để leo cột điện thay bóng đèn
thay cho cơng nhân. Đây là loại robot có 3 chuỗi động học, mỗi chuỗi động học được
bố trí các khớp là UPU (U là khớp Cardan, P là khớp trượt).

Hình 1.4 Robot song song kiểu Stewwart

Một trong những cơng trình đầu tiên là của Stewart năm 1965, trong đó ơng đã
giới thiệu cách sử dụng các cấu trúc song song cho việc mơ phỏng bay. Kể từ đó nhiều
phiên bản của bệ này đã được đề xuất và nghiên cứu.
Một robot song song rất phổ biến là robot Delta. Đặc điểm nổi bậc của các robot này
là ở chổ bàn máy động chuyển động tịnh tiến nhờ các cơ cấu hình bình hành. Đặc điểm
Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

5


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

này cùng với độ cứng vững cao, loại robot song song Delta ngày càng được sử dụng
nhiều trong công nghệ in 3D.
Robot song song 3RPS thường được thiết kế để mang phôi gia công và lắp đặt trên
bàn gá phơi của máy phay. Ba chân với chiều dài có thể thay đổi được nhờ các xilanh
thủy lực do đó khâu thao tác sẽ mang phôi chuyển động theo một quỹ đạo xác định
trước. Hai đầu của các chân một đầu được liên kết với đế cố định bằng khớp bản lề và

một đầu liên kết khâu thao tác bằng khớp cầu. Ưu điểm của robot này là khối lượng nhỏ,
cấu trúc nhỏ gọn, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao.

Hình 1.5 Cấu trúc chấp hành song song 3RPS

Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

6


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BĂNG TẢI
1.2.1 Giới thiệu chung
Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo
phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất, thiết bị này được sử
dụng rộng rãi như một phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện
kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò. Ở trạm thủy điện, băng tải được
sử dụng để vận chuyển nhiên liệu.
1.2.2 Ưu điểm của băng tải
- Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm
ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang và nằm nghiêng.
- Vốn đầu tư khơng lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ
dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển
khác không lớn lắm.
1.2.3 Cấu tạo chung của băng tải

1.
2.
3.
4.

Hình 1.6 Cấu tạo chung của băng chuyền
Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật.
Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo.
Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo
Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ ...) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu
tố làm việc.

Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

7


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

1.2.3 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa
chọn một số băng tải sau:
Bảng 1.1 Danh sách các loại băng tải
Loại băng tải
Băng tải dây đai

Tải trọng

< 50kg

Băng tải lá

25 - 125kg

Băng tải thanh
đẩy
Băng tải con lăn

50 – 250kg
30 – 500kg

Phạm vi ứng dụng
Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc
vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp.
Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công
chuẩn bị phôi và trông lắp ráp.
Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên
khoảng cách > 50m.
Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên
công với khoảng cách < 50m.

1.2.4 Giới thiệu băng tải dùng trong mơ hình
Do băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong
mơ hình đồ án đã lựa chọn loại băng tải dây xích để mô phỏng cho hệ thống dây chuyền
trong nhà máy với những lý do sau đây:
-

Tải trọng băng tải không q lớn.

-

Kết cấu cơ khí khơng q phức tạp.

-

Dễ dàng thiết kế chế tạo.

-

Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải.

Tuy nhiên loại băng tải này cũng có một vài nhược điểm như độ chính xác khi vận
chuyển khơng cao, đôi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: sự co giản
của dây xích và của băng tải.

Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

8


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

Hình 1.7 Băng tải mơ hình thiết kế trên solidworks

Hình 1.8 Hình ảnh băng tải thực tế

Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

9


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

1.3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.3.1 Cấu trúc cơ bản

Chương trình giao
tiếp và điều khiển
Máy
Tính(CPU)

Bộ Điều
Khiển

Các cơng tắt hành
trình
Hệ thống dẫn động

Các khâu robot
Dụng cụ thao tác
Băng tải

Camera
Hình 1.9 Thành phần hệ thống robot

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 1.9.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot
ở đây ta dùng bơm 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, servo, tạo nên sự chuyển động của robot
và dụng cụ thao tác.
Các cơng tắt 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 cịn 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 ĐÌNH HUY
Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH
10
NGUYỄN QUANG ĐẠT


Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

Máy tính (CPU) tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ camera
để tiến hành xử lý ảnh tìm ra tọa độ ban đầu của vật thể để giải phương trình bắt điểm
tìm ra tọa độ của vật thể sau khoảng thời gian t (t là khoảng thời gian mà camera nhận
diện được vật đến khi tới cánh tay robot), từ đó tự động tạo ra mã điều khiển, đồng thời
cũng nhận các tín hiệu và chương trình từ người vận hành, các chương trình này thể hiện
vị trí làm việc mong muốn cho robot được viết theo mã mà hệ thống quy định. Các mã
điều khiển này bao gồm hai loại chính: tín hiệu điều khiển cứng như các nút nhấn
start/stop, mã lấy tọa độ vị trí …và mã điều khiển mở. Tín hiệu điều khiển cứng này
được truyền tức thời khi có nhấn nút trên giao diện giao tiếp, còn mã điều khiển mở là
mã được hệ thống quy định nhưng người vận hành có thể nhập vào thơng qua giao diện
giao tiếp tùy theo yêu cầu làm việc cho robot các mã điều khiển này được truyền tuần
tự đến bộ điều khiển để bộ điều khiển tiến hành xử lý như đã nêu.
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 Cuối cùng. Chúng ta cần giải phương trình động học robot và tìm ra tọa
độ x0, y0 và z0.
Chúng ta nên chọn gốc có góc Ɵ nhỏ nhất Ɵ1= Ɵ2= Ɵ3= 0. Để xét vị trí gốc ban
đầu tìm được tọa độ E0(x0,y0,z0).
(CPU) và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển. Chương trình giao tiếp trên
máy tính(CPU) 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 (CPU) 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.
1.3.2 Đặt vấn đề
Nếu chúng ta muốn xây dựng robot Delta ứng dụng trong công nghiệp. Chúng ta
cần phải xây dựng robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài

đặt bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định 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 không dừng) và nằm ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng thì chúng
ta cần phải kết hợp với camera. Khi kết hợp với camera, 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
Sinh viên thực hiện: TRẦN ĐÌNH HUY
NGUYỄN QUANG ĐẠT

Hướng dẫn: TS.VÕ NHƯ THÀNH

11