Thiết kế, thi công và điều khiển robot scara 4 bậc phân loại sản phẩm theo màu sắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẬC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 120 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN CHÍ TÂM S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẬC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC SV2021-120 Thuộc nhóm ngành khoa học: Ứng dụng SV thực hiện: Nguyễn Chí Tâm Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 17151CL2A Khoa đào tạo chất lượng cao Năm thứ: 04 /Số năm đào tạo: 04 Ngành học: Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Phong Lưu TP Hồ Chí Minh, 10/2021 MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG v Chương Tổng Quan 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Nội dung đề tài Chương Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Lựa chọn cấu hình robot 2.2 Xử lý ảnh 2.2.1 Khái niệm xử lý ảnh 2.2.2 Các vấn đề xử lý ảnh 2.2.3 Thư viện OpenCV Chương Động Học Và Động Lực Học Robot 10 3.1 Tính tốn động học tay máy 10 3.1.1 Động học thuận tay máy 10 3.1.2 Động học ngược tay máy 13 3.2 Động lực học tay máy phương pháp Lagrangian 14 3.3 Mô điều khiển tay máy giải thuật PID 15 Chương Thiết Kế Phần Cứng 24 4.1 Yêu cầu thiết kế 24 4.2 Thiết kế cánh tay robot scara 24 4.3 Lựa chọn thiết bị phần cứng 25 4.3.1 Chọn động 25 4.3.2 Chọn vi điều khiển 26 4.3.3 Chọn driver điều khiển động tay máy 27 4.3.4 Chọn camera 27 4.3.5 Bơm hút khí nén 28 4.3.6 Nguồn 28 4.4 Sơ đồ kết nối phần cứng 29 Chương Thiết Kế Phần Mềm 33 5.1 Cấu trúc thành phần điều khiển robot 33 5.2 Yêu cầu thiết kế 33 5.3 Thiết kế hình điều khiển 33 5.4 Lưu đồ giải thuật 34 Chương Kết Quả Đạt Được 37 6.1 Kết đạt phần cứng 37 6.2 Kết đạt phần mềm điều khiển 38 6.2.1 Kết phần mềm 38 6.2.2 Kết điều khiển 38 Chương Kết Luận Và Hướng Phát Triển 43 7.1 Kết luận 43 7.1.1 Nội dung thực 43 7.1.2 Hạn chế đề tài 43 7.2 Hướng phát triển 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 43 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Robot Scara đóng gói sản phẩm Hình Cánh tay robot Scara bậc 11 Hình Hệ trục tọa độ robot 11 Hình 3: Sơ đồ khối điều khiển tay máy giải thuật PID 16 Hình 4: Đáp ứng góc thứ 17 Hình 5: Đáp ứng góc thứ 17 Hình 6: Đáp ứng góc thứ 17 Hình 7: Đáp ứng góc thứ 18 Hình 1: Mơ hình cánh tay robot Scara bậc solid work 24 Hình 2: Kích thước mơ hình 25 Hình 3: Động bước nema 17 26 Hình 4: Arduino UNO R3 27 Hình 5: Driver TB6600 27 Hình 6: Camera Logitech C270 28 Hình 7: Bơm giác hút chân không 28 Hình 8: Nguồn tổ ong 12VDC 28 Hình 9: Sơ đồ kết nối cánh tay robot scara 29 Hình 1: Cấu trúc điều khiển robot 33 Hình 2: Giao diện điều khiển giám sát robot 34 Hình 3: Lưu đồ điều khiển chương trình 34 Hình 4: Lưu đồ điều khiển chế độ tự động chế độ tay 35 Hình 5: Lưu đồ nhận dạng màu sắc vị trí vật thể 35 Hình 1: Phần cứng sau lắp ráp 37 Hình 2: Robot scara hoàn thành 37 Hình 3: Chương trình chạy giao diện điều khiển 38 Hình 4: Kết điều khiển mô 39 Hình 5: Robot scara gắp trả hàng 40 Hình 6: Kết nhận dạng màu sắc vị trí vật 40 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các kí hiệu hệ trục tọa độ 11 Bảng 2: Bảng DH robot 12 Bảng 3: Tác động tăng thông số độc lập 16 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PID: Proportional Integral Derivative HMI: Human Machine Interface RGB: Red Green Blue HSV: Hue-Saturation-Value DH: Denavit - Hartenberg BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Chí Tâm - Lớp: 17151CL2A Mã số SV: 17151124 Khoa: Đào tạo chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Nguyễn Công Khai 17151088 17151CL2A Đào tạo CLC Đoàn Trung Cương 17151048 17151CL2A Đào tạo CLC Nguyễn Trung Tính 17151143 17151CL2A Đào tạo CLC Nguyễn Ngọc Hải 17151072 17151CL2A Đào tạo CLC - Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Phong Lưu Mục tiêu đề tài: Đề tài “Thiết Kế, Thi Công Và Điều Khiển Robot Scara Bậc Phân Loại Sản Phẩm Theo Màu Sắc” thiết kế với mục tiêu cụ thể sau: - Thiết kế mơ hình robot scara bậc tự Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Giám sát điều khiển qua hình HMI/PC Kiểm tra đánh giá sai số tính tốn lí thuyết thực tế Tính sáng tạo: Cải tiến thiết kế, kết hợp xử lý ảnh nhận dạng để robot phân loại đóng gói sản phẩm Kết nghiên cứu: Kết đạt đề tài thiết kế, thi công điều khiển thành công cánh tay robot scara ứng dụng xử lý ảnh để phân loại sản phẩm theo yêu cầu đề tài Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Mơ hình cánh tay robot scara phân loại sản phẩm theo màu sắc tạo điều kiện cho sinh viên tham khảo, nghiên cứu nâng cao kiến thức thiết kế giải thuật điều khiển Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày 09 tháng 10 năm 2021 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nguyễn Chí Tâm Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ tên) Mở Đầu MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước 1.1 Tình hình nước Đã có đề tài “Phát triển hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot kỹ thuật xử lý ảnh” nhóm sinh viên Lê Tuấn Anh, Nguyễn Đăng Phúc thực Đề tài tiến hành nghiên cứu lí thuyết tiến hành phát triển hệ thống phân loại sản phẩm, sau lại chế tạo cánh tay robot khác để kiểm tra độ xác Kết đề tài thiết kết thành cơng hệ thống, robot gắp vật xác, so sánh ưu điểm nhược điểm hai robot hệ thống độ ổn định độ xác Tuy nhiên hai robot, sai số gắp vật xảy thiết kế khí cịn sai số q nhiều, robot rung di chuyển, đặc biệt hệ thống hệ hở, khơng kiểm sốt vài cố xảy động trượt bước, nguồn điện không ổn định, … Đề tài “Robot bậc tự do” nhóm sinh viên Phạm Tấn Tín, Lê Quang Đức thực Đề tài tiến hành thiết kế cánh tay robot hoàn chỉnh nhằm mục đích kiểm chứng lí thuyết động học thuận nghịch Kết đề tài hoàn thành mục tiêu ban đầu đề ra, nhiên tăng tốc độ hoạt động, hệ thống có xuất sai lệch nhỏ, đồng thời hệ thống không mang tải nặng, … 1.2 Tình hình ngồi nước Bài báo “Design And Development Of 5-DOF Robotic Arm Manipulators” Yagna Jadeja, Bhavesh Pandya thực đầu năm 2020 tiến hành chế tạo cánh tay robot hoàn chỉnh, đồng thời phát triển lên cách tích hợp vào trí tuệ nhân tạo nhằm mục đích tạo cánh tay linh hoạt để tích hợp vào thể người khuyết tật Kết đạt mong muốn ban đầu, nhiên độ xác khơng cao vận hành, để khắc phục, đề tài đưa ý kiến chế tạo phần cứng công nghệ tốt Lí chọn đề tài Hiện sử dụng robot công nghiệp sản xuất giải pháp tự động hoá cải thiện suất chất lượng sản phẩm Do hoạt động môi trường khắc nhiệt độc hại, hoạt động liên tục với cường độ cao, sai sót Xuất phát từ ý tưởng sử dụng robot thay người khâu phân loại với kích thước màu sắc khác loại sản phẩm Do việc nghiên cứu ứng dụng robot scara kết hợp với camera để xử lí màu sắc, kích thước vị trí sản phẩm để phù hợp sản xuất cần thiết Mục tiêu đề tài Chương Kết Quả Đạt Được Chương Kết Quả Đạt Được 6.1 Kết đạt phần cứng Phần cứng sau hoàn thiện hình 6.1 6.2, tồn mơ hình gia cơng nhơm với độ dày 5mm Hình 1: Phần cứng sau lắp ráp Hình 2: Robot scara hoàn thành 37 Chương Kết Quả Đạt Được 6.2 Kết đạt phần mềm điều khiển 6.2.1 Kết phần mềm Toàn hoạt động robot điều khiển hình điều khiển hình 6.3, ngồi việc điều khiển hình cịn cho phép giám sát thơng số tay máy vị trí, góc … Để tiết kiệm thời gian linh hoạt cho người sử dụng, hình cịn cho phép người điều khiển lập trình trực tiếp hình Hình 3: Chương trình chạy giao diện điều khiển 6.2.2 Kết điều khiển Tồn mơ hình biểu diễn khơng gian ba chiều chuyển động điều khiển robot, phân loại sản phẩm mơ tả hình 6.4 38 Chương Kết Quả Đạt Được (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 4: Kết điều khiển mơ 39 Chương Kết Quả Đạt Được Sau mô thành cơng, nhóm sinh viên tiến hành điều khiển trực tiếp mơ hình thật đạt kết tốt với sai số khoảng cho phép để robot lấy nhận hàng xác thể hình 6.5 (a) (c) (b) (d) Hình 5: Robot scara gắp trả hàng Trong điều kiện ánh sáng tốt, hệ thống nhận dạng tốt màu sắc vị trí sản phẩm hình 6.6 Hình 6: Kết nhận dạng màu sắc vị trí vật 40 Chương Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chương Kết Luận Và Hướng Phát Triển 7.1 Kết luận 7.1.1 Nội dung thực Trong suốt 12 tháng thực đề tài tác giả thực nội dung sau: - Thiết kế, thi công phần cứng robot scara bậc tự Tính tốn mơ phỏng, điều khiển robot scara điều khiển PID Thiết kế hình điều khiển giám sát cho robot Nhận dạng màu sắc vị trí sản phẩm 7.1.2 Hạn chế đề tài Bên cạnh nội dung nhóm tác giả thực đề tài cịn số hạn chế sau: - Khối lượng tải trọng nhỏ Chỉ sử dụng điều khiển PID việc điều khiển robot Hiệu suất tính xác cịn hạn chế 7.2 Hướng phát triển Dựa hạn chế đề tài quan sát nhóm tác giả suốt q trình thực hiện, hệ thống phát triển thêm sau: - Cải tiến nâng cấp phần cứng robot Cải tiến khối lượng tải Nâng cao hiệu suất phân loại cho hệ thống Sử dụng điều khiển nâng cao cho robot 43 Tài Liệu Tham Khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Đặng Xuân Ba, “chapter manipulator dynamics”, slide 15-16 [2] TS Đặng Xuân Ba, “chapter forward kinematics”, slide 25 [3] https://www.machinedesign.com/mechanical-motionsystems/article/21831692/the-difference-between-cartesian-sixaxis-and-scara-robots [4] https://www.youtube.com/watch?v=QSbG2i1Z9B4 [5] PGS TS Nguyễn Trường Thịnh, “Kỹ thuật Robot”, NXB ĐH Quốc gia Tp HCM [6] TS Nguyễn Thanh Hải, “Xử lý ảnh”, NXB ĐH Quốc gia Tp.HCM 43 Phụ Lục PHỤ LỤC Chương trình điều khiển cánh tay robot scara #include #include #include #define X_DIR_PIN #define X_STEP_PIN #define ENABLE_PIN #define Y_DIR_PIN #define Y_STEP_PIN #define Z_DIR_PIN #define Z_STEP_PIN #define A_DIR_PIN 13 #define A_STEP_PIN #define Pick 12 AccelStepper stepper_x(1, X_STEP_PIN, X_DIR_PIN); AccelStepper stepper_y(1, Y_STEP_PIN, Y_DIR_PIN); AccelStepper stepper_z(1, Z_STEP_PIN, Z_DIR_PIN); AccelStepper stepper_a(1, A_STEP_PIN, A_DIR_PIN); 43 Phụ Lục #define debug // define the buffer size #define serialbufferSize 50 // End of Constants char inputBuffer[serialbufferSize] ; int serialIndex = 0; // keep track of where we are in the buffer // End of real variables float the1, the2, the3, the4; String Command, Enable; long highSpeed = 1200, highAccel = 1200; long Step[4] = {0, 0, 0, 0}; bool Enable_status = false; bool Pick_status = false; bool Moving_status = false; void setup() { Serial.begin(500000); pinMode(X_STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(X_DIR_PIN, OUTPUT); pinMode(ENABLE_PIN, OUTPUT); pinMode(Y_STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(Y_DIR_PIN, OUTPUT); pinMode(Z_STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(Z_DIR_PIN, OUTPUT); 44 Phụ Lục pinMode(A_STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(A_DIR_PIN, pinMode(Pick, OUTPUT); OUTPUT); pinMode(0, INPUT); pinMode(1, OUTPUT); digitalWrite(1, LOW); digitalWrite(ENABLE_PIN, HIGH); digitalWrite(Pick, LOW); stepper_x.setMaxSpeed(1200); stepper_x.setAcceleration(1200); stepper_y.setMaxSpeed(6000); stepper_y.setAcceleration(9000); stepper_z.setMaxSpeed(2000); stepper_z.setAcceleration(1200); stepper_a.setMaxSpeed(2300); stepper_a.setAcceleration(2000); Timer1.initialize(200000); Timer1.attachInterrupt(putValue); } double round(double x) { 45 Phụ Lục double t; if (!isfinite(x)) return (x); if (x >= 0.0) { t = floor(x); if (t - x