(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT
PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

TS. NGÔ THANH NGHỊ
TRẦN VĂN AN
TRẦN KIM TẤN

Đà Nẵng, 12/2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thơng tin chung:
1. Họ và tên sinh viên:

Trần Văn An

Số thẻ SV: 101150155

Trần Kim Tấn

Số thẻ SV: 101150184

2. Lớp: 15CDT1
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.
4. Người hướng dẫn: Ngô Thanh Nghị

Học hàm/ học vị: Tiến sĩ

II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

C
C

1. Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm 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 tối đa là 2đ)

………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
4. Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp
hoặc nhà trường: (điểm tối đa là 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..

R
L
.
T

U
D

III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm tối đa 1đ)
………………………………………………………………………………………..
IV. Đánh giá:
1. Điểm đánh giá:……../10 (lấy đến 1 số lẻ thập phân)
2. Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án

☐ Bổ sung để bảo vệ
Đà Nẵng, ngày

☐ Không được bảo vệ
tháng

năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên:

Trần Văn An
Trần Kim Tấn

Số thẻ SV: 101150155
Số thẻ SV: 101150184

2. Lớp: 15CDT1
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.
4. Người phản biện: ..………………………….………… Học hàm/ học vị: ………….
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
Điểm Điểm
TT
Các tiêu chí đánh giá

tối đa đánh giá
1

C
C

Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp,

R
L
.
T

giải quyết đủ nhiệm vụ đồ án được giao

80

- Tính mới (nội dung chính của ĐATN có những phần
1a

1b

U
D

mới so với các ĐATN trước đây).
- Đề tài có giá trị khoa học, cơng nghệ; có thể ứng dụng
thực tiễn.
- Kỹ năng giải quyết vấn đề; hiểu, vận dụng được kiến
thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành trong vấn đề nghiên

cứu.
- Chất lượng nội dung ĐATN (thuyết minh, bản vẽ,
chương trình, mơ hình,…).

15

50

- Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm ứng
1c

dụng 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;

15

2

Kỹ năng viết:

20

2a

- Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc
tích

15

2b

- Thuyết minh đồ án khơng có lỗi chính tả, in ấn, định
dạng

5


3

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

- Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa: ………………………………………..
………………………………………………………………………………………...
- Câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời trong buổi bảo vệ: …………………………………
………………………………………………………………………………………...
- Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ
☐ Không được bảo vệ
Đà Nẵng, ngày
tháng
năm 201…
Người phản biện

C
C

U
D

R
L
.
T


TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm.
Sinh viên thực hiện: Trần Văn An
Số thẻ SV: 101150155
Trần Kim Tấn
Số thẻ SV: 101150…
Lớp: 15CDT1
Giảng viên hướng dẫn: TS. Ngô Thanh Nghị
Giảng viên duyệt:
PGS.TS. Trần Xuân Tùy
Đề tài đề cập về quá trình thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do kết hợp kỹ
thuật xử lí ảnh để phân loại bánh răng. Đề tài gồm 3 phần chính: Thiết kế, mô phỏng,
chế tạo cánh tay robot ; Xử lý ảnh phân biệt các loại bánh răng hư và không hư; Lắp đặt,
tính tốn động học và vận hành cánh tay robot 4 bậc tự do. Hệ thống sau khi hoàn thành
có thể phân loại gắp bánh răng trên băng tải chuyển động và bỏ vào những vị trí tương
ứng đã thiết lập .

C
C

U
D

R
L
.
T


CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ đồ án hoặc học vị nào khác. Mọi sự giúp đỡ
cho việc thực hiện đồ án này đã được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong đồ án đã
được chỉ rõ nguồn gốc và được phép công bố.
Sinh viên thực hiện
Trần Văn An
Trần Kim Tấn

C
C

U
D

R
L
.
T


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế trong và ngồi nước đang trên đà phát triển mạnh mẽ, các
ngành công nghiệp ngày càng tự động hóa sản xuất, địi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật

cao. Nhu cầu của nhà sản xuất cũng như nhà tiêu dùng là tăng không ngừng. Đây là cơ
hội và cũng là thách thức cho ngành cơ điện tử, với việc ứng dụng các thành tựu nhân
loại để phục vụ nhu cầu xã hội. Robot là một ứng dụng thiết thực nhất, từ những cỗ máy
đơn giản đến phức tạp nhất, nó có thể góp mặt vào trong mọi lĩnh vực đời sống sản xuất
con người.
Các robot đã và đang trở thành công cụ lao động thông minh, từng bước thay thế
con người trong hoạt động sản xuất. Nhờ có robot mà năng suất và chất lượng lao động
ngày càng được cải thiện và tiệm cận sự hoàn hảo. Trong học phần này, chúng em thực
hiện đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot kết hợp xử lí ảnh phân loại sản phẩm.
Với mục tiêu tạo ra một sản phẩm hoạt động linh hoạt và có khả năng ứng dụng thực tế
mang lại hiệu quả kinh tế cao. Các nhiệm vụ cần thực hiện trong đề tài này bao gồm:
 Xác định phương án thiết kế và chế tạo.
 Nghiên cứu và điều khiển robot.
 Xử lý ảnh xác định vật thể kết hợp với lập trình arduino.

C
C

R
L
.
T

Để đồ án này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được sự hổ trợ, giúp đỡ của cá
giáo viên trong khoa và các giáo viên ở xưởng cơ khí .
Với tình cảm sâu sắc trước hết chúng em xin gửi tới các Thầy Khoa Cơ khí trường
Đại học Bách Khoa Đại học Đà Nẵng lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc. Với sự
quan tâm, chỉ dạy và truyền đạt kiến thức để chúng em hoàn thành đề tài này.
Đặc biệt chúng em gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Thầy giáo – TS. Ngô Thanh
Nghị đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn hoàn thành tốt đề tài này trong thời gian qua.

Tuy nhiên do kiến thức và kinh nghiệm cịn nhiều hạn chế nên khó tránh khỏi
những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của
các thầy và các bạn sinh viên để đề tài của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Xin chân
thành cảm ơn.

U
D

Đà Nẵng, ngày 4 tháng 12 năm 2019
Người thực hiện đề tài:
Trần Văn An
Trần Kim Tấn

i


MỤC LỤC

TÓM TẮT .................................................................................................................
CAM ĐOAN .............................................................................................................
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... i
MỤC LỤC ...............................................................................................................ii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ ................................................................ vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .................................... 1
1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa. ..................................................................1
1.1.1 Khái niệm về tự động hố sản xuất. .......................................................1
1.1.2 Các hình thức tự động hố .....................................................................1
1.1.3 Sự cần thiết phải có tự động hóa. ...........................................................2

C
C

R
L
.
T

1.2 Giới thiệu về đề tài. .......................................................................................4
1.2.1 Tổng quan về Robot ...............................................................................4
1.2.2 Lựa Chọn Đề Tài Thiết Kế Robot. .........................................................8

U
D

1.3 Tính cấp thiết của đề tài. ...............................................................................8
1.4 Nguyên lí hoạt động ......................................................................................9
1.4.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống. .....................................................9
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .................. 11
2.1 Ý tưởng thiết kế ...........................................................................................11
2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cánh tay gắp sản phẩm. .................11
2.2.1 Cánh tay theo kiểu tọa độ trụ. .............................................................. 11
2.2.2 .Cánh tay Robot kiểu tọa độ cầu. ........................................................12
2.2.3 .Cánh tay Robot SCARA. ....................................................................12
2.2.4 .Cánh tay Robot kiểu tay người. ..........................................................13
2.3 Phân tích lựa chọn cơ cấu cuối cùng. ..........................................................14
2.3.1 Kiểu cơ cấu kẹp. ...................................................................................14
2.3.2 Kiểu đầu hút khí nén : ..........................................................................15
2.3.3 Kiểu nam châm điện.............................................................................15
CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ...................................... 17

ii


3.1 Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động cho cánh tay . ................................ 17
3.1.1 Truyền động bánh răng ........................................................................17
3.1.2 Truyền động đai. ..................................................................................17
3.2 Phân tích lựa chọn động cơ. ........................................................................18
3.2.1 Động cơ bước .......................................................................................18
3.2.2 Động cơ điện một chiều. ......................................................................19
3.2.3 Động cơ Servo ......................................................................................19
3.3 Phân tích lựa chọn băng chuyền..................................................................20
3.4 Cảm biến tiệm cận .......................................................................................23
3.5 Cơng tắc hành trình .....................................................................................24
3.6 Module TB6560 ..........................................................................................25
3.7 Mạch điều khiển Arduino............................................................................26

C
C

CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC ROBOT VÀ XỬ LÍ ẢNH ........................................ 28
4.1 Phương trình động học cánh tay máy..........................................................28

R
L
.
T

4.1.1 Phương trình động học thuận ............................................................... 28
4.1.2 Phương trình động học nghịch ............................................................. 33

U
D

4.2 Xử lý ảnh .....................................................................................................34
4.3 Q trình tính tốn động học .......................................................................40
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................. 44
5.1 Thiết kế hệ thống cơ khí ..............................................................................44
5.1.1 Thiết kế băng tải ...................................................................................44
5.1.2 Tính toán cánh tay ................................................................................45
5.2 Lưu đồ thuật toán ........................................................................................51
5.2.1 Lưu đồ thuật tốn xử lí ảnh ..................................................................51
5.2.2 Lưu đồ thuật tốn máy tính ..................................................................52
5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển .......................................................................52
5.3.1 Thiết kế giao diện điều khiển bằng Matlab ..........................................53
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 55
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 56
Chương trình Matlab: ........................................................................................56

iii


Chương trình Arduino: ......................................................................................61

C
C

R
L

.
T

U
D

iv


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
BẢNG 4-1 Bảng thông số Denavit-Hartenbert của tay máy hình 2.4 ..................31
BẢNG 4-2 Bảng thơng số DH ..............................................................................41
BẢNG 5-1 Thông số các khâu Robot ...................................................................45
BẢNG 5-2 Thông số động cơ bước 86BYGH450A ............................................47
BẢNG 5-3 Bảng thông số động cơ Nema 23 .......................................................49

C
C

R
L
.
T

U
D

v

DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ
HÌNH 1-1: Robot lái xe đạp....................................................................................5
HÌNH 1-2: Robot trong y học .................................................................................6
HÌNH 1-3: Robot Asimo.........................................................................................7
HÌNH 1-4: Robot nhân tạo......................................................................................7
HÌNH 1-5: Robot TOPIO, Robot của người Việt ...................................................8
HÌNH 1-6 Các thành phần chính của hệ thống .......................................................9
HÌNH 2-1 Cánh tay Robot kiểu tọa độ trụ ............................................................ 11
HÌNH 2-2. Cánh ta Robot kiểu tọa độ cầu............................................................12
HÌNH 2-3. Cánh tay Robot SCARA.....................................................................12
HÌNH 2-4.Cánh tay Robot kiểu cánh tay người. ..................................................13

C
C

HÌNH 2-5 Cơ cấu tay kẹp .....................................................................................14

R
L
.
T

HÌNH 2-6 Đầu hút khí nén ...................................................................................15
HÌNH 2-7 Nam châm điện ....................................................................................15

U
D

HÌNH 3-1. Động cơ bước. ....................................................................................18
HÌNH 3-2. Động cơ điện 1 chiều. .........................................................................19

HÌNH 3-3. Động cơ Servo. ...................................................................................20
HÌNH 3-4 Băng tải cao su.....................................................................................20
HÌNH 3-5 Băng tải xích ........................................................................................21
HÌNH 3-6 Băng tải con lăn ...................................................................................21
HÌNH 3-7 Băng tải mini .......................................................................................22
HÌNH 3-8 Băng tải PVC .......................................................................................22
HÌNH 3-9 Cảm biến tiệm cận ...............................................................................23
HÌNH 3-10 Cơng tắc hành trình ...........................................................................24
HÌNH 3-11 Module TB6560 ................................................................................25
HÌNH 3-12 Arduino Mega ....................................................................................26
HÌNH 4-1 Các vectơ định vị trí và định hướng của bàn tay máy .........................29
HÌNH 4-2 Chiều dài và góc xoắn của một khâu...................................................30
HÌNH 4-3 Các thơng số của khâu: θ, d, a và α .....................................................30
HÌNH 4-4 Tay máy có hai khâu phẳng (vị trí bất kỳ) ..........................................31

vi


HÌNH 4-5 Q trình xử lý ảnh ..............................................................................34
HÌNH 4-6 Ảnh tĩnh ............................................................................................... 35
HÌNH 4-7 Ảnh động ............................................................................................. 35
HÌNH 4-8 Ảnh trước và sau khi lọc trung vị ........................................................37
HÌNH 4-9 Ảnh trước và sau khi lọc trung bình ....................................................38
HÌNH 4-10 Mơ hình khơng gian màu HSV..........................................................39
HÌNH 4-11 Mơ hình robot ....................................................................................40
HÌNH 4-12 Lược đồ đặt trục tọa độ......................................................................40
HÌNH 5-1 Bản vẽ băng tải ....................................................................................44
HÌNH 5-2 Băng tải thực tế ....................................................................................44
HÌNH 5-3 Sơ đồ tải trọng của robot khi chịu trọng lượng lớn nhất .....................46
HÌNH 5-4 Động cơ bước 86BYGH450A ............................................................. 48

C
C

HÌNH 5-5 Động cơ Nema 23 ................................................................................49

R
L
.
T

HÌNH 5-6 Bộ truyền đai .......................................................................................50
HÌNH 5-7 Lưu đồ thuật tốn xử lí ảnh .................................................................51
HÌNH 5-8 Lưu đồ thuật tốn.................................................................................52

U
D

HÌNH 5-9 Giao diện điều khiển............................................................................53

vii


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu chung về tự động hóa.
1.1.1 Khái niệm về tự động hoá sản xuất.
Định nghĩa tự động hoá:
Là dùng năng lượng phi sinh vật ( cơ , điện , điện tử . . . ) để thực hiện một phần

hay tồn bộ q trình cơng nghệ mà ít nhiều khơng cần sự can thiệp của con người.
Tự động hố là một quá trình liên quan tới việc áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử,
máy tính để hoạt động, điều khiển sản xuất, Công nghệ này bao gồm:
 Những cơng cụ máy móc tự động.
 Máy móc lắp ráp tự động.
 Người máy công nghiệp.

C
C

 Hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động. Điều khiển có hồi tiếp và điều

R
L
.
T

khiển q trình bằng máy tính.

Hệ thống máy tính cho việc thảo kế hoạch, thu nhập dữ liệu và ra quyết định để hỗ
trợ các hoạt động sản xuất.

U
D

1.1.2 Các hình thức tự động hố
 Tự động hố cứng:

Là một hệ thống trong đó một chuỗi các hoạt động ( xử lý hay lắp ráp ) cổ định
trên một cấu hình thiết bị. Các ngun cơng trong dây chuyền này thưởng đơn giản.

Chính sự hợp nhất và phối hợp các nguyên công như vậy vào một thiết bị làm cho hệ
thống trở nên phức tạp. Những đặc trưng chính của tự động hố cứng là:
 Đầu tư ban đầu cao cho những thiết bị thiết kế theo đơn đặt hàng.
 Năng suất máy cao.
 Tương đối khơng linh hoạt trong việc thích nghi với các thay đổi của sản phẩm.
 Tự động hố lập trình:
Thiết bị sản xuất được thiết kế với khả năng có thể thay đổi trình tự các ngun
cơng để thích ứng với những cấu hình sản phẩm khác nhau.
Chuỗi các hoạt động có thể điều khiển bởi một chương trình, tức là một tập lệnh
được mã hố để hệ thống có thể đọc và viễn dịch chúng.

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

1

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
Những chương trình mới có thể được chuẩn bị và nhập vào thiết bị để tạo ra sản
phẩm mới. Một vài đặc trưng của tự động hố lập trình là:
 Đầu tư cao cho những thiết bị có mục đích tổng quát.
 Năng suất tương đối thấp so với tự động hố cứng.
 Sự linh hoạt khi có sự thay đổi trong cấu hình sản phẩm.
 Thích hợp nhất là cho sản xuất hàng loạt.
Tự động hoá linh hoạt là sự mở rộng của tự động hố lập trình được. Khái niệm
của tự động hoá linh hoạt đã được phát triển trong khoảng 25 đến 30 năm vừa qua. Và
những nguyên lý vẫn còn đang phát triển.
 Tự động hố linh hoạt:

Là hệ thống tự động hố có khả năng sản xuất rất nhiều sản phẩm (hay bộ phận
khác nhau mà hầu như không mất thời gian cho việc chuyển đổi từ sản phẩm này sang

C
C

sản phẩm khác. Không mất thời gian cho sản xuất cho việc lập trình lại và thay thế các

R
L
.
T

cài đặt vật lý (công cụ đồ gá, máy móc). Kết quả là hệ thống có thể lên kế hoạch kết hợp
sản xuất nhiều loại sản xuất khác nhau thay vì theo từng loại riêng biệt. Đặc trưng của

U
D

tự động hố linh hoạt có thể tóm tắt như sau:
 Đầu tư cao cho thiết bị.

 Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau.
 Tốc độ sản xuất trung bình.
 Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế.
1.1.3 Sự cần thiết phải có tự động hóa.
Các cơng ty hỗ trợ các dự án về vấn đề tự động hoá và CIM (Computer Intergrated
Manufacturing) vì nhiều lý do khác nhau. Một số lý do quan trọng gồm:
 Năng cao năng suất:
Tự động hoá các quá trình hoạt động sản xuất hứa hẹn việc tăng năng suất lao

động. Điều này có nghĩa tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn (đầu ra trên giờ )
so với hoạt động bằng tay tương ứng.
 Chi phí nhân cơng cao:
Xu hướng trong xã hội cơng nghiệp của thế giới là chi phí cho cơng nhân không
ngừng tăng lên. Kết quả là đầu tư cao lên trong các thiết bị tự động hoá đã trở nên kinh
tế hơn để có thể thay đổi chân tay. Chi phí cao của lao động 15 đang ép các nhà lãnh
SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

2

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
đạo doanh nghiệp thay thế con người bằng máy móc. Bởi vị máy móc có thể sản xuất ở
mức cao, việc sử dụng tự động hoá đã làm cho chi phí trên một đơn vị sản phẩm thấp
hơn.
 Sự thiếu lao động:
Trong nhiều quốc gia phát triển, có sự thiếu hụt lớn lực lượng lao động - Chẳng
hạn như Tây Đức đã bị ép buộc phải nhập khẩu lao động để làm tăng nguồn cung cấp
lao động của mình, và như hiện nay các nước Nhật Bản, Hàn Quốc cũng đang thiếu hụt
lao động do sự già hóa dân số.
Việc thiếu hụt lao động cũng kích thích sự phát triển của tự động hố.
 Sự an tồn:
Bằng việc tự động hoá các hoạt động và chuyển người vận hành máy từ vị trí tham
gia tích cực sang vai trị đốc cơng, cơng việc trở nên an tồn hơn. Sự an tồn và thoải

C
C

mái của cơng nhân đã trở thành mục tiêu quốc gia với sự ban hành đạo luật sức khoẻ và

R
L
.
T

an tồn nghề nghiệp (1970). Nó cũng là sự tự động hoá.
 Giá nguyên vật liệu cao:

U
D

Giá cao của nguyên vật liệu tạo ra nhu cầu sử dụng các nguyên vật một cách hiệu
quả hơn. Việc giảm phế liệu là một trong những lợi ích của tự động hoá.
 Nâng cao chất lượng sản phẩm:

Các hoạt động tự động hố khơng chỉ sản xuất với tốc độ nhanh hơn so với làm
bằng tay mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đối với các tiêu
chuẩn chất lượng.
 Rút ngắn thời gian sản xuất:
Tự động hoá cho phép nhà sản xuất rút ngắn thời gian giữa việc đặt hàng của khách
hàng và thời gian giao sản phẩm. Điều này tạo cho người có trụ thể cạnh tranh trong
việc tăng cường dịch vụ khách hàng tốt hơn.
 Giảm bớt phối liệu đang sản xuất:
 Lượng hàng tồn kho khi đang sản xuất tạo ra một chi phí đáng kể cho nhà sản xuất
vì nó giữ chặt vốn lại. Hàng tồn kho khi đang sản xuất khơng có giá trị. Nó khơng
đóng vai trị như nguyên vật liệu hay sản phẩm. Tương tự như nhà sản xuất sẽ có
lợi khi giảm tối thiểu lượng phơi tồn đọng trong sản xuất. Tự động hố có xu hướng

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

3

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
thực hiện mục đích này bởi việc rút ngắn thời gian gia cơng tồn bộ sản phẩm phân
xưởng.
 Nếu khơng tự động hố sẽ phải trả giá đắt:
Tự động hố nhà máy sản xuất sẽ có một ưu thế cạnh tranh quan trọng. Thuận lợi
này không thể phơi bày được dưới hình thức uỷ thác của cơng ty. Ưu điểm của tự động
hoá thường được thấy một cách bất ngờ và khơng lường trước, thí dụ như hàng chất
lượng cao, bán hàng nhiều hơn, quan hệ lao động tốt hơn. Cơng ty mà khơng tự động dễ
thấy mình bị bất lợi với khách hàng, nhân viên của họ và xã hội công cộng. Tất cả những
nhân tố trên hợp thành một bản đồng ca biến việc tự động hoá sản xuất thành một công
cụ hấp dẫn thay cho phương pháp sản xuất bằng tay.
Nhận xét: Ta thấy để đảm bảo chất lượng của sản phẩm, đồng thời tăng năng suất
ta chọn hệ thống lắp ráp tự động đó là một quy luật tất yếu phải xảy ra.

C
C

1.2 Giới thiệu về đề tài.

R
L

.
T

1.2.1 Tổng quan về Robot
1.2.1.1 Lịch sử ra đời.

U
D

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở
thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Chúng đã góp phần mình vào
cơng cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa
học và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học
giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí, v.v...
Vậy robot xuất hiện từ khi nào?
Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khấu vở
kịch có tiêu đề “Romands Univesal Robot”. Theo tiếng Séc “Robot” nghĩa là “Người
tạp dịch”. Có thể nói đây là một gợi ý, một ý tưởng ban đầu về những cỗ máy có khả
năng thao tác như con người. Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng
những máy móc có khả năng thay thế con người ở những mơi trường làm việc độc hại
đã trở thành một nhu cầu cấp thiết.
Ban đầu cơ cấu máy này hoạt động giống như tay máy của người vận hành. Cấu
tạo của cơ cấu này bao gồm các thanh và các khớp và hệ thống giây chằng. Người vận
hành điều khiển tay máy thơng qua một cơ cấu khuyếch đại cơ khí.

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

4

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (năm 1945), xuất hiện cơ cấu máy được điều
khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ. Cho đến những năm 1950 cùng với sự ra đời của
kỹ thuật điều khiển chương trình số NC (Number Control) kỹ thuật tay máy lúc này đã
kết hợp được cả kỹ thuật điều khiển xa và điều khiển chương trình số. Sự kết hợp này
đã tạo ra những thế hệ máy điều khiển từ xa có khả năng mềm dẻo, khả năng tự động
hố cao gọi tên là robot.
Năm 1949, máy phay điều khiển số ra đời phục vụ sản xuất ở Mỹ. Đến năm 1960
George Devol đưa ra mẫu Robot đầu tiên. Năm 1961 cũng tại Mỹ Robot công nghiệp
(IR: Industrial Robot) đầu tiên đưa ra thị trường: Robot Unimat 1990 (Do trường đại
học MIT chế tạo) đây là Robot phản hồi lực nó được ứng dụng vào cơng nghiệp sản xuất
ơ tơ.
Theo con số thống kê thì đến năm 1990 tồn thế giới đã triển khai và ứng dụng

C
C

khoảng 300.000 IR. Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật Vi xử lý và Tin học mà số

R
L
.
T

lượng IR tăng nhanh chóng và tính năng cũng có nhiều bước đột phá, giá thành trên một
đơn vị IR giảm dần.

Đó là về lịch sử, cịn ngày nay, robot đã có mặt ở khắp nơi, ngay cả trong gia đình

U
D

chúng ta, chúng ta cùng điểm qua những con robot mà cả thế giới biết đến.
1.2.1.2 Robot trong đời sống và sản xuất.
 Murataboy, vận động viên đua xe đạp không biết đến “đo đất”.

HINH 11-1
HÌNH

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

HÌNH 1-1: Robot lái xe đạp

5

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
Với chiều cao chỉ với 50cm, chú robot mang “quốc tịch” Nhật này được coi là
“vua” giữ thăng bằng. Vì dù là đạp hay đang dừng xe , khí cụ con quay sẽ luôn giữ cho
chú robot này đứng vững. Một số bộ phận đặc biệt khác cho phép Murataboy xác định
được chướng ngại vật trên đường và giảm xóc khi va phải chướng ngại vật. Murataboy
là ví dụ cho loại robot có khả năng di chuyển bằng 2 chân, đang là một trong những
thách thức lớn của việc nghiên cứu và sản xuất robot.
 Friend, bạn của những người khuyết tật:

C
C

R
L
.
T

U
D

HÌNH 1-2: Robot trong y học

Friend là nghiên cứu của các nhà khoa học Đức. Người máy này thực chất có dạng
một chiếc xe lăn với đơi cánh tay giống con người. Thông qua một bộ phận nhận diện
giọng nói, chủ nhân chiếc ghế có thể ra lệnh cho người giúp việc này mở cửa, rót nước.
Hệ thống định vị không gian 3 chiều gắn trên xe cho phép người sử dụng chỉ cần đưa
tay chỉ hướng, robot sẽ tự động tìm ra đường đi tốt nhất.
 Bác sĩ ngoại khoa:
Hãy tưởng tượng những cánh tay kim loại với những khớp nối chằng chịt mổ xẻ
trên một cơ thể bằng xương bằng thịt. Với nhiều người đó là một cơn ác mộng. Trên
thực tế việc sử dụng người máy thay các bác sĩ phẫu thuật lại đảm bảo độ chính xác và

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

6

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị

Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
tỷ lệ thành công cao hơn cho ca mổ. Sự chính xác này cùng với việc giảm thiểu các thiết
bị y khoa giúp đường mổ sắc và gọn hơn đồng thời giúp bệnh nhân đỡ mất nhiều máu.
Ca mổ vẫn sẽ được một bác sĩ phẫu thuật theo dõi trực tiếp thông qua một camera nối
với một cánh tay robot. 2 cánh tay robot còn lại thực hiện những thao tác thành thạo của
một bác sĩ thực thụ. Người máy này xứng đáng là niềm tự hào của các nhà khoa học
Mỹ.
 Asimo, robot giống người nhất:
Asimo lần đầu tiên ra đời năm 1993 tại
Nhật, đặt tên P1, là thành quả nghiên cứu của
tập đoàn Honda. Asimo P1 đã khiến các nước
phương Tây kinh ngạc vì ý tưởng chế tạo một

C
C

loại robot giống hệt con người. Tuy vậy mục

R
L
.
T

đích ban đầu của Honda chỉ là nghiên cứu một
người máy phục vụ các nhu cầu của chúng ta.
Ngày nay, cả 2 ý tưởng này, robot giống người

U

D

và đáp ứng nhu cầu của con người đã trở thành
tiêu chí chung trong nghiên cứu Asimo.

HÌNH 1-3: Robot Asimo
 Robot viễn tưởng:
Được trang bị hệ thống nhận dạng
giọng nói, có khả năng ngơn ngữ và diễn
đạt, Mỹ đã giới thiệu một người máy là
bản sao của Philipe K.Dick, tác giả của
nhiều truyện viễn tưởng nổi tiếng, mất
năm 1982.

HÌNH 1-4: Robot nhân tạo

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

7

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
Đó là những gì chúng ta được chứng kiến về sự phát triển của thế giới, nhưng
chúng ta cũng cần biết rằng Việt Nam cũng có những con robot vô cùng thông minh. Đã
đưa vị thế của Việt Nam lên 1 tầm cao mới.
Từ ngày 5 - 10/2/2009, chú robot “made in Vietnam” Topio 2.0 do Công ty Cổ
phần Robot TOSY (TOSY Robotics JSC) nghiên cứu và chế tạo đã tham gia triển lãm

lớn nhất thế giới về đồ chơi lần thứ 60 tại Đức.
 Và chú robot này chính là robot TOPIO :

C
C

R
L
.
T

U
D

HÌNH 1-5: Robot TOPIO, Robot của người Việt

1.2.2 Lựa Chọn Đề Tài Thiết Kế Robot.
Với yêu cầu cấp thiết của tự động hóa sản xuất kết hợp với sự phát triển mạnh mẽ
về kỹ thuật Robot, nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: “ Thiết kế và chế tạo
cánh tay Robot phân loại sản phẩm”.
1.3 Tính cấp thiết của đề tài.
Ngành cơng nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot cơng
nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con
người. Với ngành cơng nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều
trong các dây truyền sản xuất. Vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt
Nam.Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, tôi chọn
đề tài ““ Thiết kế cánh tay Robot phân loại sản phẩm trên băng tải kết hợp kỹ thuật
xử lí ảnh”. Đề tài này hướng tới mục đích có thể giảm bớt sức lao động của người công
nhân trong các dây chuyền sản xuất và nâng cao năng suất lao động ở nước ta.

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

8

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
1.4 Nguyên lí hoạt động
1.4.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống.

C
C

R
L
.
T

HÌNH 1-6 Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống robot bốn bậc tự do được xây dựng từ các thành phần chính như: các

U
D

khâu robot, hệ thống dẫn động, máy tính, dụng cụ thao tác……Mối liên hệ giữa các
thành phần của robot được thể hiện như hình 1.6.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot

ở đây ta dùng nam châm điện 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 liên kết với nhau bằng khớp
tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản của robot.
Hệ thống dẫn động là các động cơ bước tạo nên sự chuyển động của robot và
dụng cụ thao tác.
Các cơng tắc hành trình phản hồi tín hiệu để bộ điều khiển xử lý xác lập vị trí ban
đầu cho robot.
Camera thực hiện chụp hình ảnh của các vật thể trên băng tải và gửi về hệ thống
máy tính để tiến hành xử lý ảnh xác định tọa độ của các vật thể trên băng tải cũng như
tiến hành nhận diện sản phẩm trên băng tải.

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

9

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
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.
Máy tính tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ webcam để
tiến hành xử lý ảnh tìm ra tọa độ ban đầu của vật thể để tìm ra tọa độ của vật thể sau
khoảng thời gian di chuyển trên băng tải nhằm giúp cơ cấu chấp hành biết được chính
xác vị trí của vật thể.

Chương trình giao tiếp và điều khiển được viết ra nhằm thực hiện tính tốn các
phương trình, giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển và thực hiện các
nguyên lý đề ra. Chương trình giao tiếp và điều khiển bao gồm chương trình giao tiếp

C
C

trên máy tính và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển. Chương trình giao tiếp trên

R
L
.
T

máy tính được tạo ra nhằm nhận truyền dữ liệu điều khiển, thực hiện xử lý ảnh từ dữ
liệu ảnh nhận về để tìm ra tọa độ điểm cần bắt, để robot thực hiện tự động bắt vật thể
đang di chuyển ở vị trí bất kỳ trên băng tải đồng thời có thể đưa vật thể đến vị trí mà

U
D

người vận hành quy định. Chương trình điều khiển cho bộ điều khiển thực hiện giải mã
các dữ liệu từ máy tính truyền qua, tính tốn động học robot điều khiển hệ thống dẫn
động để thực hiện các chức năng nguyên lý đề ra cho robot.

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

10

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1 Ý tưởng thiết kế
Thơng qua các q trình tìm hiểu thực tế các tài liệu trên sách báo, internet, và các
mơ hình tốt nghiệp ở trường Đại học, chúng em quyết định thiết kế mơ hình: “ Cánh tay
robot phân loại bánh răng trên băng tải kết hợp xử lí ảnh “. Q trình thiết kế gồm các
phần quan trọng sau:
 Thiết kế cánh tay robot.
 Thiết kế băng chuyền sản phẩm.
2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cánh tay gắp sản phẩm.
2.2.1 Cánh tay theo kiểu tọa độ trụ.

C
C

R
L
.
T

U
D

HÌNH 2-1 Cánh tay Robot kiểu tọa độ trụ

Cánh tay Robot kiểu tọa độ trụ là dạng cánh tay dùng khớp quay, và vùng làm việc

của nó có dạng hình trụ rỗng. Nó được sử dựng rộng rải trong công nghiệp tuy nhiên
cũng tồn tại nhiều ưu nhược điểm sau.
 Ưu điểm :
- Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy “thò” được vào khoang rỗng nằm
ngang.
- Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng
 Nhược điểm :
- Nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với
tăng.

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

11

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị


Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm
2.2.2 .Cánh tay Robot kiểu tọa độ cầu.

HÌNH 2-2. Cánh ta Robot kiểu tọa độ cầu.
Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay

C
C

bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ độ
cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của

R
L
.
T

nó là khối cầu rỗng.
 Ưu điểm :

U
D

- Loại này có thể “nhặt” được cả vật dưới nền.
 Nhược điểm :

- Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn loại kiểu tọa độ trụ
- Độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với.

2.2.3 .Cánh tay Robot SCARA.

HÌNH 2-3. Cánh tay Robot SCARA.

SVTH: Trần Văn An
Trần Kim Tấn

12

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị