Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm bằng mã QR

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ CHỦ ĐỀ: NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG MÃ QR Giáo viên hướng dẫn: ThS Phan Đình Hiếu Sinh viên: Ngơ Thanh Long - 2018601666 Lương Văn Ngân - 2018604551 Nguyễn Dương Phi - 2018603846 Lớp: Cơ điện tử – K13 Hà Nội - 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG 1.2.1 Những robot sơ khai giới 1.2.2 Quá trình phát triển Robot .2 1.2.3 Ứng dụng Robot hệ thống phân loại sản phẩm ? 1.2.4 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh 1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.5 GIỚI HẠN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KẾT CẤU CƠ KHÍ 2.2 KẾT CẤU HỆ THỐNG ĐO VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 10 2.2.1 Mã QR 10 2.2.2 Cấu tạo mã QR code 11 2.2.3 Thông số kỹ thuật mã QR code 12 2.2.4 Ứng dụng thực tế mã QR 13 2.2.5 Phương pháp xử lý ảnh 14 2.3 PHÁT HIỆN VẬT VÀ QUÉT MÃ QR BẰNG CAMERA 21 2.3.1 Phát vật 21 2.3.2 Quét mã QR 22 2.4 ĐỘNG HỌC ROBOT 23 2.4.1 Phép chuyển đổi hệ trục tọa độ 23 2.4.2 Động học robot .26 2.4.3 Thuật tốn nội suy đường trịn .30 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG 32 3.1 TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHO HỆ CƠ KHÍ 32 3.1.1 Động học thuận robot 32 3.1.2 Động học nghịch robot 34 3.1.3 Tính chọn băng tải 36 3.2 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG ĐIỆN, ĐIỆN CÔNG SUẤT 36 3.2.1 Tính tốn lựa chọn động 36 3.2.2 Thiết kế mạch điện 40 3.3 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN, TRUYỀN THÔNG VÀ GIAO DIỆN 50 3.3.1 Lưu đồ thuật toán 51 3.3.2 Lưu đồ thuật tốn cho tồn hệ thống 52 3.3.3 Xử lý tín hiệu 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 4.1 KẾT LUẬN 58 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 4.2.1 Phần cứng .58 4.2.2 Phần mềm .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC .61 CODE GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 61 CODE ARDUINO 89 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Robot kiểu tọa độ Descarte .6 Hình 2.2 Robot kiểu hệ tọa độ trụ Hình 2.3 Robot kiểu tọa độc cầu .7 Hình 2.4 Robot kiểu SCARA Hình 2.5 Robot kiểu tay người Hình 2.6 Mã QR 10 Hình 2.7 Cấu tạo mã QR code .11 Hình 2.8 Hình mã QR đặt nơi công cộng để khai báo y tế cho người dân .13 Hình 2.9 ảnh màu chuyển sang ảnh xám .15 Hình 2.10 pixel ảnh ban đầu 16 Hình 2.11 pixel ảnh lọc 16 Hình 2.12 sau qua lọc trung vị 17 Hình 2.13 Anh lấy ngưỡng tồn cục 18 Hình 2.14 Anh lấy lưỡng cục toàn nghi 19 Hình 2.15 Ví dụ mơ kỹ thuật phân ngưỡng phương pháp Otsu 21 Hình 2.16 Mã QR in sản phẩm 22 Hình 2.17 Các hệ trục tọa độ 23 Hình 2.18 Qui ước bàn tay phải dịch chuyển hai hệ tọa độ 24 Hình 2.19 Góc quay trục chiều xoay 24 Hình 2.20 Chiều dài góc xoắn khâu 26 Hình 2.21 Các thông số khâu: θ, d, a α 27 Hình 2.22 Các khớp robot 27 Hình 2.23 Cơng dụng động học robot 30 Hình 2.24 Nội suy đường trịn xấp xỉ bậc thang 30 Hình 2.25 Lưu đồ giải thuật thuật tốn nội suy đường trịn .31 Hình 3.1 Kết cấu khí hệ thống 32 Hình 3.2 đặt hệ trục tọa độ cho robot 32 Hình 3.3 Hướng vị trí robot khơng gia Descartes 34 Hình 3.4 Biểu đồ mô-men xoắn động bước servo 37 Hình 3.5 vi điều khiển Arduino UNO R3 41 Hình 3.6 sơ đồ kết nối Arduino UNO R3 41 Hình 3.7 Mạch điều khiển tốc độ động L298 42 Hình 3.8 sơ đồ chân mạch L298 43 Hình 3.9 Động giảm tốc 12v (min 6v) DC365 43 Hình 3.10 Động RC servo MG996R 44 Hình 3.11 Động servo SG90 45 Hình 3.12 cảm biến vật cản hồng ngoại 46 Hình 3.13 sơ đồ chân cảm biến vật cản hồng ngoại 46 Hình 3.14 nguồn tổ ong 12V 5A 47 Hình 3.15 Mạch Giảm Áp DC-DC Buck LM2596 3A 48 Hình 3.16 sơ đồ nguyên lý mạch Giảm Áp DC-DC Buck LM2596 3A .48 Hình 3.17 Webcam Mini 720P Mơ-đun Camera USB 1.0Megapixel 49 Hình 3.18 mạch điện hoàn thiện 50 Hình 3.19 sơ đồ nối dây phần cứng .50 Hình 3.20 Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh 51 Hình 3.21 lưu đồ giải thuật cho tồn hệ thống 52 Hình 3.22 Giao diện điều khiển .56 Hình 3.23 Giao diện Manual điều khiển robot 57 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật mã QR code 12 Bảng 2.2 Bảng tham số động học D-H 29 Bảng 3.1 Bảng tham số động học D-H robot 33 Bảng 3.2 Bảng so sánh động bước servo 36 Bảng 3.3 Các thiết bị có mạch điện .40 Bảng 3.4 thông số kỹ thuật Arduino UNO R3 40 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1 Đặt vấn đề Những năm gần đây, nói khoảng thời gian bùng nổ thị trường thương mại điện tử (TMĐT) giới Những ông lớn như: Alibaba, eBay, Walmart… năm thu hàng tỷ USD từ thị trường TMĐT Để có vị ngày hơm nay, Amazon hay Alibaba việc đơn vị dẫn đầu xu thế, nắm bắt tốt thị trường thị hiếu người tiêu dùng, việc áp dụng tiến khoa học - cơng nghệ vào quy trình quản lí chuỗi cung ứng nhiệm vụ đóng vai trị quan trọng Nhờ nắm giữ cho dây chuyền cơng nghệ tiên tiến nhất, năm 2020, Amazon hưởng lợi lớn từ đại dịch Covid-19 người phải nhà nhiều mua sắm trực tuyến nhiều Công ty cho biết giao kỷ lục tỷ sản phẩm tới khách hàng toàn cầu mùa mua sắm cuối năm, Alibaba Trung Quốc ngày họ xử lí lên đến 60 triệu đơn hàng (2018) Việt Nam đánh giá nước có thị trường TMĐT phát triển nhanh Đơng Nam Á Theo số liệu Bộ Công Thương, năm 2020, khoảng 53% dân số thị trường thương mại điện tử tham gia mua sắm trực tuyến Bất chấp ảnh hưởng đại dịch COVID-19, doanh thu thương mại điện tử Việt Nam tăng 18% (25% vào năm 2019), đạt 11,8 tỷ đô la, chiếm 5,5% tổng doanh thu bán lẻ Tuy nhiên chưa phát huy hết tiềm mình, rào cản lớn vấn để cơng nghệ Những số cho thấy cầu mua bán hàng trực tuyến ngày cao việc phân loại xác giao nhận hàng nhanh chóng yếu tố xác định lần sau khách hàng có cịn quay trở lại hay khơng Muốn giữ khách hàng cạnh tranh với tên tuổi lớn giới sân nhà mình, hãng TMĐT Việt Nam cần phải áp dụng dây chuyền máy móc đại cơng đoạn để đảm bảo hàng hóa phân loại xác, an toàn, nguyên vẹn giao đến tay khách hàng cách nhanh Nhận thấy bên cạnh số cơng ty lớn Shopee Việt Nam, Lazada Việt Nam hay Tiki, đa phần đơn vị khác sử dụng cách phân loại hàng việc thuê nhân công trực tiếp đọc phân loại tay, điều dẫn đến rủi ro an tồn hiệu suất giao hàng Chính nguyên trên, nhóm lên ý tưởng, nghiên cứu, thiết kế thi công hệ thống phân loại hàng hóa tự động theo mã QR, chuyên dùng cho kho lưu trữ hàng hóa đơn vị hoạt động lĩnh vực TMĐT 1.2 Lịch sử hình thành phát triển hệ thống 1.2.1 Những robot sơ khai giới Thế kỷ thứ III TCN trước đó, miêu tả sớm máy tự động đề cập tài liệu Liệt tử, gặp trước nhiều năm Chu Mục vương (1023–957 TCN) 'kỹ sư khí', nhà phát minh Yan Shi Người sau cho trình lên vua cơng trình khí có hình dạng kích thước giống người thật Vào khoảng năm 270 trước Công nguyên, kỹ sư người Hy Lạp cổ đại tên Ctesibius chế tạo đồng hồ nước với tơ hình rời Nhà tốn học Hy Lạp Archytas Tarentum công nhận chim học mà ông gọi “Chim bồ câu” đẩy nước Năm 1495, Leonardo da Vinci thiết kế thứ gọi "kỵ sĩ áo giáp" xem robot có hình dạng giống người giới 1.2.2 Quá trình phát triển Robot Trên giới Vào năm 1921 Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Năm 1950 Mỹ thành lập viện nghiên cứu Đầu năm 1960 công ty AMF cho đời sản phẩm có tên gọi Versatran Từ năm 1967, Anh, người ta bắt đầu nghiên cứu chế tạo IR Từ năm 1968, Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR, năm 1970, Robot ý nhiều bắt đầu xuất nước Đức, Ý, Pháp Nhất vào năm 1990 số lượng Robot công nghiệp gia tăng với nhiều tính vượt bậc Đến nay, giới có khoảng 200 cơng ty sản xuất IR Trong Mỹ Nhật chiếm đa số Tại Việt Nam Nghiên cứu phát triển Robot cơng nghiệp có bước tiến đáng kể 25 năm vừa qua nghiên động lực học Robot khoa khí, chế tạo máy trường đại học viện nghiên cứu quan tâm với nhiều sản phẩm ấn tượng trường quốc tế 1.2.3 Ứng dụng Robot hệ thống phân loại sản phẩm ? Hiện ngành công nghiệp ngày phát triển cơng ty xí nghiệp áp dụng tự động hóa vào sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền sản phẩm toàn hệ thống cách hợp lý yêu cầu thiết yếu, tiết kiệm nhiều thời gian quản lý cách dễ dàng Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động nguyên lý dùng camera quét mã QR sản phẩm sử dụng thuật toán để sác định thông tin sản phẩm thông qua mã QR Từ ta dễ dàng phân loại sản phẩm theo vùng để dễ dàng vận chuyển Những ưu điểm robot: - Giảm sức lao động, tránh nhàm chán công việc, cải thiện điều kiện làm việc người tạo cho người tiếp cận với tiến khoa học kỹ thuật làm việc môi trường ngày văn minh - Nâng cao suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, thay đổi mẫu mã cách nhanh chóng - Giúp cho việc quản lý giám sát trở nên đơn giản, khơng thay đổi điều kiện làm việc cơng nhân mà cịn giảm số lượng công nhân đến mức tối đa 1.2.4 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh Xử lý ảnh lĩnh vực mang tính khoa học cơng nghệ Nó ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tốc độ phát triển nhanh, kích thước trung tâm nghiên cứu, ứng dụng đặc biệt máy tính chuyên dụng riêng cho Xử lý ảnh kỹ thuật áp dụng tăng cường xử lý ảnh thu nhận từ thiết bị camera, webcam… xử lý ảnh ứng dụng phát triển nhiều lĩnh vực quan trọng như: Trong lĩnh vực quân sự: xử lý nhận dạng ảnh quân Trong lĩnh vực giao tiếp người – máy: nhận dạng hình ảnh xử lý âm thanh, đồ họa Trong lĩnh vực an ninh bảo mật: nhận diện khuôn mặt người, nhận diện vân tây, mẫu mắt… Trong lĩnh vực y tế: Xử lý ảnh y sinh, chụp X quang, MRI Các phương pháp xử lý ảnh ứng dụng chính: nâng cao chất lượng phân tích ảnh Ứng dụng biết đến nâng cao chất lượng ảnh báo truyền từ Luân Đôn đến New York từ năm 1920 Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng độ phân giải ảnh Việc nâng cao chất lượng ảnh phát triển vào khoảng năm 1955 Điều giải thích sau chiến thứ 2, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho qúa trình xử lý ảnh thuận lợi Năm 1964 máy tính có khả xử lý nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng vệ tinh Ranger Mỹ bao gồm: làm nối đường biên, lưu ảnh Từ năm 1964 đến nay, phương tiện xử lý nâng cao chất lượng, nhận dạng phát triển không ngừng phương pháp trí tuệ nhân tạo mạng Nơ-ron nhân tạo, thuật toán xử lý đại cải tiến, công cụ nén ảnh áp dụng rộng rãi thu nhiều kết khả quan 1.3 Các vấn đề đặt Những sản phẩm đóng gói chứa mã QR riêng bao gồm mã đơn hàng mã khu vực giao hàng Trong khuôn khổ đề tài này, 04 mục tiêu đề bao gồm: - Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh để đọc mã sản phẩm QR code - Sử dụng solidworks & mathlab để thiết kế mô cánh tay robot - Điều khiển robot thực nhiệm vụ gắp vật 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nguyên cứu lý thuyết - Sử dụng kiến thức học môn: kỹ thuật robot, sở hệ thống tự động, kỹ thuật lập trình… - ứng dụng lập trình python lập trình đọc mã QR Phương pháp nguyên cứu thực tiễn - Sử dụng phần mềm mô hỗ trợ: matlab, solidworks, … - Tham khảo số báo quốc tế hỗ trợ cho đề tài 1.5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu Hệ thống phân loại sản phẩm đề tài nghiên cứu phát triển từ lâu Hiện nhà máy xí nghiệp có nhiều hệ thống hoàn thiện chất lượng thẩm mỹ Tuy nhiên, phạm vi đồ án môn học nên đề tài giới hạn giải số vấn đề sau: ... point) * Phân loại theo ứng dụng: Dựa vào ứng dụng robot sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v 2.2 Kết cấu hệ thống đo xử lý tín hiệu 2.2.1 Mã QR Mã QR (hay mã hai... cầu thiết yếu, tiết kiệm nhiều thời gian quản lý cách dễ dàng Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động nguyên lý dùng camera quét mã QR sản phẩm sử dụng thuật tốn để sác định thơng tin sản phẩm. .. tiếp đọc phân loại tay, điều dẫn đến rủi ro an toàn hiệu suất giao hàng Chính ngun trên, nhóm lên ý tưởng, nghiên cứu, thiết kế thi cơng hệ thống phân loại hàng hóa tự động theo mã QR, chuyên