(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và chế tạo robot scara phân loại pin

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

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

C
C

R
L
.
T

U
D

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SCARA PHÂN LOẠI
PIN

Người hướng dẫn:

ThS. NGUYỄN ĐẮC LỰC

Người duyệt:

TS. LÊ HOÀI NAM

Sinh viên thực hiện:

PHẠM VĂN THƯƠNG
NGUYỄN BÁ HOÀNH

Lớp:

Đà Nẵng, 2019

14CDT2


TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SCARA PHÂN LOẠI PIN

SV thực hiện:

PHẠM VĂN THƯƠNG

MSSV: 101140202

NGUYỄN BÁ HỒNH

MSSV: 101140183

Lớp:

14CDT2

1. Nhu cầu và tính cấp thiết
Đồ án tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ
điện tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung. Để thiết kế thành
công một cơ cấu, một cụm chi tiết máy hay một máy hồn chỉnh thì địi hỏi sinh viên
phải có hiểu biết và nắm chắc các kiến thức về lĩnh vực cơ khí cũng như điện tử. Đây là
điều kiện thuận lợi cho chúng em để được ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế.

C
C

Robot cơng nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại,

R
L
.
T

robot công nghiệp là một trong những ứng dụng tiên tiến của khoa học kỹ thuật trong
lĩnh vực điều khiển tự động vào trong sản xuất. Trong sản xuất tự động, robot công
nghiệp đáp ứng các công việc lặp đi lặp lại nhiều lần như: lắp ráp, đóng gói, vận chuyển

U
D

sản phẩm…; các cơng việc có độ chính xác rất cao như: lắp ráp các chi tiết máy nhỏ,
mạch điện tử; các công việc nguy hiểm như: các thao tác trong nhà máy điện nguyên tử,
các lị luyện kim loại, những nơi có nhiệt độ áp suất cao, dễ xảy ra cháy nổ… Nó có vai
trò rất quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm cơng nghiệp có năng suất cao, chất

lượng tốt đáp ứng nhu cầu xã hội.
Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng Robot vào trong sản xuất như Mỹ,
Nhật, Pháp… Còn ở Việt Nam tuy đã bắt tay vào nghiên cứu nhưng vẫn cịn mới mẻ.
Do đó đây là một mơ hình thích hợp, cấp thiết để sinh viên thực nghiệm và nghiên cứu
cho ra cái nhìn cụ thể về robot.
2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Trong đề tài này nhóm chúng em thiết kế hệ thống băng tải sản phẩm và nghiên
cứu ứng dụng xử lý ảnh để phân loại pin một cách tối ưu nhất.
- Tính tốn thiết kế băng tải.
- Tình tốn thiết kế cánh tay robot SCARA.
- Xử lý ảnh.
- Thiết kế, thi cơng mơ hình.
i


3. Nội dung đề tài đã thực hiện:
- Một bản báo cáo thuyết minh.
- Sáu bản vẽ A0.
- Một slide thuyết trình.
- Một mơ hình.
4. Kết quả đã đạt được:
 Phần lý thuết đã tìm hiểu:
- Tổng quan về đề tài.
- Thiết kế băng tải.
- Thiết kế cánh tay robot SCARA.
- Phần mềm xử lý ảnh và ứng dụng của xử lí ảnh.
 Đã lựa chọn và thiết kế phần:

C
C

- Lựa chọn và đưa ra các phương án tối ưu để thiết kế băng tải.

R
L
.
T

- Lựa chọn và đưa ra các phương án tối ưu để thiết kế cánh tay robot.
 Thiết kế mơ hình tổng thể

U
D

ii


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
TT Họ tên sinh viên
1
Nguyễn Bá Hoành

Số thẻ SV

101140183

Lớp
Ngành
14CDT2 Cơ Điện Tử

Phạm Văn Thương

101140202

14CDT2 Cơ Điện Tử

2

1. Tên đề tài đồ án: “Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin”
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
1

2

Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn thương

b. Phần riêng:
TT Họ tên sinh viên
1
Nguyễn Bá Hoành

C
C

R
L
.
T

Nội dung
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

U
D

Chương 5: Xây dựng chương trình điều khiển
Chương 6: Đánh giá và kết quả
Lắp ráp mơ hình thực tế

Nội dung
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 3: Thiết kế chế tạo robot
Lập trình hệ thống

2

Chương 2: Thiết kế băng tải
Phạm Văn Thương

Vẽ toàn bộ hệ thống

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
2

Nguyễn Bá Hồnh
Phạm Văn Thương

Bản vẽ mơ hình thực tế - 1 A0

iii


b. Phần riêng:
TT Họ tên sinh viên
1

2

Nội dung

Nguyễn Bá Hoành

Bản vẽ lưu đồ thuật toán - 1 A0
Bản vẽ sơ đồ mạch điện - 1 A0

Phạm Văn Thương

Bản vẽ tổng thể hệ thống - 1 A0
Bản vẽ chi tiết hệ thống - 1 A0
Bản vẽ sơ đồ động -1 A0

6. Họ tên người hướng dẫn:

Phần/ Nội dung:

ThS. Nguyễn Đắc Lực
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 01/02/2019
8. Ngày hoàn thành đồ án: …/…/201…

C
C

Đà Nẵng, ngày

R
L
.
T

Trưởng Bộ môn……………………….

Người hướng dẫn

U
D

iv

tháng

năm 201


LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Lực đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 14CDT2 đã tham gia đóng góp ý
kiến trong suốt q trình thực hiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài này.
Mặc dù được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Đắc Lực, nhưng do cơng
nghệ cịn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế chưa trau dồi nhiều, tài liệu phục vụ cho công
việc thiết kế cịn q ít nên cũng khơng tránh khỏi những sai sót. Sau thời gian 3
tháng làm đề tài này bằng chính nổ lực của nhóm và được sự hướng dẫn của thầy
Nguyễn Đắc Lực, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa
chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian quy định. Một lần nữa cho phép

C
C

chúng em gửi đến q thầy cơ cùng các bạn lịng biết ơn sâu sắc nhất.

R

L
.
T

Đà Nẵng, ngày….. tháng….. năm 2019

U
D

Sinh viên thực hiện
Phạm Văn Thương
Nguyễn Bá Hoành

v


LỜI NĨI ĐẦU
Ngành điều khiển và tự động hóa trong thời đại cơng nghệ 4.0 ngày nay có nhiều
đột phá và phát triển nhanh chóng. Q trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăng năng
xuất lao động, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm, và hơn nữa là cải thiện
điều kiện làm việc của con người. Ngày nay khái niệm “dây chuyền sản xuất tự động’’
hay “robot” đã trở nên quen thuộc với mọi người, ở rất nhiều nước robot không những
phát triển theo hướng phục vụ sản xuất cơng nghiệp mà cịn theo hướng phục vụ trong
sinh hoạt và giải trí. Ở các nước có ngành cơng nghiệp phát triển thì đưa robot vào trong
q trình sản xuất trong các nhà máy để dần thay thế con người ở những nơi có mơi
trường độc hại, mơi trường phóng xạ, đồng thời khắc phục tình trạng khơng đồng nhất
về chất lượng sản phẩm. Đồng thời công cuộc tự động hóa dây chuyền sản xuất là chiến

C
C

lược phát triển của các tập đoàn sản xuất trong tương lai. Vậy nên có thể nói robot đem
lại một cuộc sống mới và là một phần không thể thiếu trong sự đổi mới tương lai. Vì

R
L
.
T

vậy, nhóm em quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo robot Scara phân loại pin”
để nghiên cứu và thiết kế.

U
D

Sau những tháng làm đồ án với sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Đắc Lực và các thầy
bộ môn Cơ điện tử, chúng em đã hồn thành đồ án. Nhưng với kiến thức có hạn cũng
như chưa có nhiều kinh nghiệm trong tính tốn, thi cơng thực tế nên khó có thể tránh
được những sai sót. Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo của các thầy, cơ để
chúng em hồn thiện kiến thức hơn nữa.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ giáo trong khoa Cơ khí – Trường
Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là thầy Nguyễn Đắc Lực cũng như các
bạn cùng gia đình đã động viên và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ
án này.
Đà Nẵng, ngày….. tháng….. năm 2019
Sinh viên thực hiện
Phạm Văn Thương
Nguyễn Bá Hoành

vi

CAM ĐOAN
Kính gửi:

Ban Giám Hiệu Nhà Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng.
Khoa Cơ Khí - Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng.

Em tên là:

PHẠM VĂN THƯƠNG
NGUYỄN BÁ HỒNH

Lớp:

14CDT2

Khoa:

Cơ khí

Đề tài:

Thiết kế và chế tạo robot Scara phân loại pin

Em xin cam đoan:
 Không bịa đặt, đưa ra các thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn.
 Khơng ngụy tạo số liệu trong q trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập

C

C

hoặc hoạt động học thuật khác.

 Khơng sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động

R
L
.
T

học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình.

 Khơng đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của mình,

U
D

trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà khơng có trích dẫn.
 Khơng tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà khơng có trích
dẫn hoặc phân mảnh thơng tin về kết quả nghiên cứu của mình để cơng bố trên nhiều ấn
phẩm.

vii


MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................... i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. v

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... vi
CAM ĐOAN ................................................................................................................. vii
MỤC LỤC ................................................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ........................................................................ x
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG............................................................3
1.1.

Giới thiệu về hệ thống ........................................................................................3

1.1.1.

Cấu trúc .......................................................................................................3

1.1.2.

Nguyên lý ....................................................................................................4

1.1.3.

Yêu cầu ........................................................................................................4

1.2.

C
C

R
L
.

T

Đặt vấn đề và hướng giải quyết .........................................................................5

U
D

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI...................................................6
2.1.

Thiết kế băng tải.................................................................................................6

2.1.1.

Yêu cầu kỹ thuật..........................................................................................6

2.1.2.

Phương án thiết kế .......................................................................................6

2.1.3.

Phương án truyền động ...............................................................................7

2.1.4.

Tính tốn và lựa chọn động cơ ....................................................................7

2.2.

Hệ thống chiếu sáng ...........................................................................................8

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT .........................................................10
3.1.

Định nghĩa và phân loại Robot. .......................................................................10

3.2.

Giới thiệu robot SCARA..................................................................................14

3.3.

Thiết kế robot SCARA.....................................................................................18

3.3.1.

Phân tích và lựa chọn cấu trúc ..................................................................18

3.3.2.

Bài toán động học......................................................................................21

3.3.3.

Thiết kế hệ thống dẫn động robot .............................................................36

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................38
4.1.

Cấu trúc hệ thống điều khiển ...........................................................................38

4.1.1.

Sơ đồ kết nối mạch điện ............................................................................39
viii


4.2.

Các thành phần chính trong hệ thống ..............................................................39

4.2.1.

Bộ điều khiển ............................................................................................39

4.2.2.

Ramps 1.4 ..................................................................................................41

4.2.3.

Driver A4988 ............................................................................................41

4.2.4.

Step Motor .................................................................................................43

4.2.5.

Servor Motor .............................................................................................44

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ...............................46
5.1.

Xây dựng chương trình xử lý ảnh ....................................................................46

5.1.1.

Giới thiệu về xử lý ảnh ..............................................................................46

5.1.2.

Các công đoạn xử lý ảnh ...........................................................................46

5.1.3.

Một số khái niệm trong xử lý ảnh .............................................................48

5.1.4.

Quy trình xử lý ảnh trong đồ án ................................................................50

5.2.

C
C

Xây dựng chương trình điều khiển ..................................................................51

5.2.1.

Nguyên lý hoạt động .................................................................................51

5.2.2.

Lưu đồ thuật toán điều khiển ....................................................................52

R
L
.
T

CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ .................................................................53

U
D

6.1.

Đánh giá đề tài .................................................................................................53

6.2.

Kết quả và hướng phát triển đề tài ...................................................................54

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................55
PHỤ LỤC 1 ......................................................................................................................
PHỤ LỤC 2 ......................................................................................................................

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 3. 1: Bảng thơng số DH .......................................................................................23
Bảng 3. 2: Thông số D-H của robot. .............................................................................29
Bảng 4. 1: Bảng giá trị chân của vi điều khiển .............................................................40
Hình 1. 1: Sơ đồ khối hệ thống. .......................................................................................3
Hình 2. 1: Băng tải. .........................................................................................................6
Hình 2. 2: Động cơ DC. ..................................................................................................8
Hình 2. 3: Hệ thống chiếu sáng. ......................................................................................8
Hình 3. 1: Phân loại robot. ...........................................................................................10
Hình 3. 2: Robot 6 bậc tự do. ........................................................................................11
Hình 3. 3: Hệ thống truyền động cho robot. .................................................................11
Hình 3. 4: Robot có tọa độ Decac. ................................................................................12
Hình 3. 5: Robot dạng tọa độ trụ. .................................................................................12
Hình 3. 6: Robot dạng tọa độ cầu. ................................................................................13
Hình 3. 7: Robot dạng khớp nối. ...................................................................................13
Hình 3. 8: Robot có cấu trúc động học vịng hở. ..........................................................14
Hình 3. 9: Robot có cấu trúc động học vịng kín. ..........................................................14
Hình 3. 10: Robot kiểu SCARA......................................................................................15
Hình 3. 11: Robot SCARA trong kỹ thuật tạo mẫu in 3D. .............................................16
Hình 3. 12: Robot SCARA siết chặt vít. .........................................................................16
Hình 3. 13: Robot SCARA lắp ráp ở vị trí ngược..........................................................17
Hình 3. 14: Robot SCARA gắp nhiều sản phẩm. ...........................................................17
Hình 3. 15: Robot SCARA đóng nắp cho sản phẩm cao. ..............................................18
Hình 3. 16: Cơ cấu Robot Scara 4 bậc tự do. ...............................................................19
Hình 3. 17: Cơ cấu kẹp. .................................................................................................20
Hình 3. 18: Mơ hình 3D hệ thống Robot Scara.............................................................21
Hình 3. 19: Các thơng số ban đầu của robot. ...............................................................22

Hình 3. 20: Đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H ..................................................23
Hình 3. 21: Một vị trí bất kỳ của robot..........................................................................26
Hình 3. 22: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E. ....................................36
Hình 3. 23: Bộ truyền đai răng. ....................................................................................37

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 4. 1: Sơ đồ kết nối hệ thống. .................................................................................38
Hình 4. 2: Sơ đồ kết nối mạch điện. ..............................................................................39
Hình 4. 3: Sơ đồ chân của bo mạch Arduino Mega 2560. ............................................39
Hình 4. 4: Ramps Board 1.4. .........................................................................................41
Hình 4. 5: Driver A4988. ...............................................................................................42
Hình 4. 6: Thơng số 5 chế độ của Driver A4988. .........................................................43
Hình 4. 7: Step Motor. ...................................................................................................43
Hình 4. 8: Servo Motor. .................................................................................................44
x


Hình 4. 9: Động cơ Servo MG966R. .............................................................................44
Hình 5. 1: Ảnh xám. .......................................................................................................49
Hình 5. 2: Ảnh nhị phân. ...............................................................................................49

Hình 5. 3: Ảnh màu. ......................................................................................................49
Hình 5. 4: Lưu đồ thuật tốn xử lý ảnh. ........................................................................50
Hình 5. 5: Lưu đồ thuật tốn điều khiển. ......................................................................52
Hình 6. 1: Hình ảnh thực tế của hệ thống. ....................................................................53
Hình 6. 2: Giao diện ứng dụng xử lý ảnh trên Windows. ..............................................54

C
C

R
L
.
T

U
D

xi


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu đề tài
- Để tốt nghiệp đại học.
- Xây dựng được mơ hình tự động có thể áp dụng trong công nghiệp.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm kết hợp xử lí ảnh (trí tuệ nhân
tạo). Cụ thể ở đây là điều khiển Robot Scara tự động dựa trên nền tảng ngơn ngữ lập
trình Arduino.

3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích đánh giá
nội dung liên quan đến đề tài.
Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung

C
C

nghiên cứu trong quá trình xây dựng mơ hình Robot Scara phân loại sản phẩm. Đề xuất

R
L
.
T

phương án xây dựng, chế tạo hệ thống cho phù hợp.
4. Phạm vi nghiên cứu

U
D

Mơ hình hệ thống Robot Scara phân loại sản phẩm thiết kế ra với phạm vi trong
nhà trường, ứng dụng trong giảng dạy để giúp các bạn sinh viên hiểu biết rõ hơn về
robot cũng như biết áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế.
5. Bố cục đề tài
Đề tài gồm có 6 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống. Chương này chủ yếu cung cấp cho người đọc
cái nhìn ban đầu về Robot Scara, từ lịch sử phát triển, đến lợi thế của nó so với các robot
thông thường khác, các ứng dụng của nó trong đời sống và trong cơng nghiệp, đồng thời
cũng khái quát sơ đồ tổng quan về hệ thống, đặt ra vấn đề để xây dựng robot Scara ứng

dụng trong công nghiệp.
Chương 2: Thiết kế hệ thống băng tải. Chương này, ta sẽ phân tích lựa chọn
phương án thiết kế cũng như tính tốn thiết kế dẫn động cho băng tải.
Chương 3: Thiết kế chế tạo robot. 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 Scara như tính tốn động học thuận, động học ngược
trên cơ sở các phương trình liên kết bằng phương pháp hình học.
1
SVTH: Nguyễn Bá Hồnh
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển. Chương này giải quyết các vấn đề liên
quan đến việc chọn vi diều khiển trung tâm và các modun thích hợp cho robot cũng như
thiết kế mạch điện điều khiển nhằm đảm bảo các chức năng cơ bản của robot.
Chương 5: Xây dựng chương trình điều khiển. Chương này giới thiệu các lý thuyết
cơ bản về xử lý ảnh nói chung cũng như các bước chính trong xử lý ảnh nói riêng.
Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot, từ đó tạo ra sơ đồ thuật
tốn và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi diều 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 Scara.
Chương 6: Đánh giá và kết quả. Chương này sẽ trình bày hình ảnh sản phẩm sau
khi hồn thành, giao diện điều khiển hoạt động của hệ thống. Và đánh giá kết luận và
rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển đề tài.

C

C

R
L
.
T

U
D

2
SVTH: Nguyễn Bá Hồnh
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1. Giới thiệu về hệ thống
1.1.1. Cấu trúc

Hình 1. 1: Sơ đồ khối hệ thống.

C
C

Robot SCARA được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâu robot, hệ

R
L
.
T

thống dẫn động, cơng tắc hành trình, dụng cụ thao tác.

- Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của

U
D

robot ở đây ta dùng tay kẹp để gắp và thả 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 4 khâu: khâu 1, 2, 3, 4 lần lượt là
khâu RRTR – tạo nên không gian làm việc của robot. Các khâu được nối với nhau bằng
các khớp bản lề và các cơ cấu khác tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản của
robot.
- Hệ thống dẫn động là các động cơ bước và 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.
Bộ xử lý gồm có bộ điều khiển, máy tính, chương trình giao tiếp.
- Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính
và giải mã tín hiệu sau đó 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

3

SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

hiện phản hồi của các cơng tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề
ra cho bộ điều khiển.
- Máy tính (CPU) tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ
webcam để tiến hành xử lý ảnh tìm ra vật thể sau đó lại truyền tín hiệu về bộ điều khiển.
- 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 (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 vật để robot thực hiện tự động bắt vật
thể đang di chuyển ở vị trí cố định 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

C
C

mã các dữ liệu từ máy tính (CPU) truyền qua để điều khiển hệ thống dẫn động để thực
hiện các chức năng nguyên lý đề ra cho robot.

R
L
.

T

Hệ thống băng tải gồm có băng tải và hộp camera.

- Hộp camera gồm dãy đèn led dùng để cân bằng ánh sáng chống nhiễu và

U
D

camera thực hiện chụp hình ảnh của các vật thể trên băng tải và gửi về hệ thống máy
tính để tiến hành nhận dạng vật thể thơng qua diện tích và chiều rộng của nó.
- Băng tải dùng để vận chuyển vật thể.
1.1.2. Nguyên lý
Khi hoạt động, pin cấp vào băng tải => pin được băng tải vận chuyển đi qua
camera. Sau quá trình xử lý và phân loại thì bộ điều khiển gửi tín hiệu cho robot để thực
hiện q trình gắp thả từng loại pin vào hộp tương ứng. Sau đó robot trở về vị trí ban
đầu => hồn thành 1 chu trình. Chu trình cứ lặp lại như vậy đến khi dừng hệ thống.
1.1.3. Yêu cầu
- Năng suất trung bình 1 phút hệ thống hoàn thành 1 hộp gồm 4 pin
- Thời gian vận chuyển phơi từ vị trí cấp phơi đến gắp phôi: T = 5.5 s
- Thời gian gắp thả của robot khi hồn thành 1 chu trình: T = 11s
- Vận tốc băng tải: v = 74 mm/s
- Hệ thống có độ cứng vững, làm việc êm hoạt động ổn định.
- Có tính thẩm mỹ và chi phí thấp.
4
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực

Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

1.2. Đặt vấn đề và hướng giải quyết
Để có thể thực hiện các yêu cầu đề ra ta cần phải giải quyết các vấn đề sau:
 Thứ nhất, nếu chúng ta biết được vị trí mong muốn của cơ cấu chấp hành (ví
dụ, chúng ta muốn gắp vật ở điểm có tọa độ X, Y, Z), chúng ta cần phải xác định góc
tương ứng của mỗi khâu. Q trình xác định như vậy được biết đến như là phép tính
ngược hay chính là giải động học ngược robot. Ở trường hợp hai, nếu chúng ta biết các
góc của các khâu, chúng ta cần xác định vị trí của cơ cấu chấp hành, quá trình xác định
như vậy được biết giải động học thuận robot. Ở đây để robot có thể chạy theo bất cứ
hành trình nào mà người sử dụng cài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy
định (tức là chạy theo tọa độ điểm đươc cài đặt trước), ta cần quá trình giải động học
ngược robot.
 Thứ hai: Robot và băng tải hoạt động song song để đáp ứng năng suất

C
C

R
L
.
T

U
D

5
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI
2.1. Thiết kế băng tải

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2. 1: Băng tải.

2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật

- Thời gian vận chuyển phơi từ vị trí cấp phơi đến gắp phôi: T = 5.5 s.
- Vận tốc băng tải: 74 mm/s.
- Chiều rộng băng tải 100mm.
- Chiều dài băng tải 600mm.
- Băng tải có bộ phận căng đai.
- Băng tải làm việc êm.

- Thiết kế có thẫm mĩ.
2.1.2. Phương án thiết kế
Chọn loại băng tải kiểu con lăn là phù hợp với yêu cầu của hệ thống, ưu điểm của
loại băng tải này:
- Thiết kế đơn giản.
- Vận hành tốt.
- Chi phí thấp.
6
SVTH: Nguyễn Bá Hồnh
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

2.1.3. Phương án truyền động
Chọn phương pháp truyền động qua bộ truyền đai răng.
Ưu điểm:
- Độ bền cao, ít bị dãn dài.
- Chịu được hóa chất tốt.
- Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau.
- Kết cấu và vận hành đơn giãn.
 Nhược điểm:
- Tỷ số truyền thay đổi do hiện tượng trượt.
- Tải trọng tác động lên trục và ổ lớn.
- Tuổi thọ bộ truyền thấp.
2.1.4. Tính tốn và lựa chọn động cơ

C

C

Để chọn động cơ điện ta tính:

R
L
.
T

- Cơng suất cần thiết:

𝑁𝑐𝑡 =

U
D

𝑃𝑣
1000𝜇

Trong đó: P là lực kéo băng tải, v là vận tốc băng tải.
- Tốc độ quay:

𝑛=

𝑛𝑡
𝑣ị𝑛𝑔
= 28 × 3 = 84
.
𝑖
𝑝ℎú𝑡

Trong đó: tỷ số truyền của bộ truyền đai răng: i=1/3
tốc độ quay của tang: 𝑛𝑡 .
 Tốc độ quay của tang được tính như sau:
𝑛𝑡 =

60𝑣
𝜋𝑑

=

60×74
42𝜋

≈ 28 𝑣ị𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡.

Trong đó: v = 74 mm/s là vận tốc băng tải
d = 42 mm là đường kính ngồi của tang.
Với các thơng số tính tốn trên và thuận tiện cho việc điều khiển ta chọn động cơ
giảm tốc Mini JGB37-520.

7
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

Hình 2. 2: Động cơ DC.
Thông số kỹ thuật:
 Tốc độ khơng tải: 319 vịng/phút.

R
L
.
T

 Điện áp định mức: 12 VDC.
 Dịng khơng tải: 100 mA.

U
D

 Momen tải: 0.28 kg.cm.
 Dịng tải: 170 mA.
 Công suất: 8 W.

C
C

2.2. Hệ thống chiếu sáng

Hình 2. 3: Hệ thống chiếu sáng.
8
SVTH: Nguyễn Bá Hồnh
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực

Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

Trong điều kiện làm việc ánh sáng thay đổi không đồng đều, sự xuất hiện của nhiễu
do lóa là khơng tránh khỏi. Vì vậy ta giải quyết vấn đề này bằng hộp che và chiếu sáng
bằng hệ thống led. Hệ thống led sử dụng các led siêu sáng màu trắng để tạo nên vịng
chiếu sáng. Vì chi tiết pin cần xử lý có tính chất đối xứng nên ta bố trí các led thành dãy
hình vng sẽ dễ thực hiện nhất và đảm bảo được ánh sáng đồng đều cho chi tiết.

C
C

R
L
.
T

U
D

9
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT
3.1. Định nghĩa và phân loại Robot.
3.1.1. Phân loại robot
Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúng khơng
đơn giản. Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau. Mỗi quan điểm phục vụ một mục
đích riêng. Tuy nhiên, có thể nêu ra đây 4 cách phân loại cơ bản: theo số bậc tự do, theo
cấu trúc động học, theo dạng hình học và theo hệ thống truyền động.

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 3. 1: Phân loại robot.
1. Phân loại theo số bậc tự do:
Tùy theo chức năng và yêu cầu thiết kế mà người ta chế tạo cánh tay robot theo
nhiều bậc tự do khác nhau (thường thì từ 3 - 6).

10
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực

Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

Hình 3. 2: Robot 6 bậc tự do.
2. Phân loại theo hệ thống truyền động:
Gồm có:

C
C

R
L
.
T

- Robot truyền động bằng điện

- Robot truyền động bằng khí nén

U
D

- Robot truyền động bằng thủy lực
- Robot truyền động hỗn hợp

Hình 3. 3: Hệ thống truyền động cho robot.

11
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

3. Phân loại theo dạng hình học
- Dạng Decac:
Sử dụng 3 đường trượt vng góc nhau trong khơng gian là các trục tọa độ
X,Y,Z. Robot chuyển động theo 3 trục tọa độ. Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi làm
việc của Robot được mở rộng theo hình trữ nhật

C
C

R
L
.
T

Hình 3. 4: Robot có tọa độ Decac.
- Dạng hình trụ:

U
D

Trục cơ bản là một trụ dọc, robot chuyển động lên xuống dọc theo trục. Bằng
cách chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của robot được
mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản.

Hình 3. 5: Robot dạng tọa độ trụ.

12
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại pin

- Dạng hình cầu:
Sử dụng các khớp lồng vào nhau giúp cho Robot có khả năng chuyển động lên
hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay. Dạng đa khớp nối cho phép robot mở rộng
khoảng khơng gian làm việc theo hình cầu.

Hình 3. 6: Robot dạng tọa độ cầu.

C
C

- Dạng khớp nối

Tương tự như cánh tay con người, nó gồm 2 phần tử thẳng tương ứng với cánh

R
L
.
T

tay và cẳng tay. Các phần tử này được ghép nối với nhau bởi 2 khớp tương ứng với khớp
bả vai và khớp khủy tay. Cổ tay được nối với cẳng tay.

U
D

Hình 3. 7: Robot dạng khớp nối.
4. Phân loại theo cấu trúc động học
- Robot có cấu trúc động học vịng hở.
Là một chuỗi động học vòng hở với một khâu xác định gọi là đế và các khâu động,
trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau. Mỗi khâu động được liên kết hay
nói động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết. Thường thì có bao nhiêu khâu động
thì robot có bấy nhiêu bậc tự do.

13
SVTH: Nguyễn Bá Hoành
Phạm Văn Thương

GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực