Cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc

ỔNG QUAN ĐỀ T TÀI

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, với sự phát triển của công nghiệp hóa hiện đại hóa và nền công nghiệp 4.0, nhu cầu sản xuất linh kiện và chế tạo máy móc đang gia tăng mạnh mẽ Việc sắp xếp và phân loại là một công đoạn thiết yếu để giảm thiểu thời gian, chi phí và tăng hiệu quả sản xuất Do đó, việc chế tạo các tay máy phục vụ nhu cầu này trong công nghiệp đang được phát triển rộng rãi tại Việt Nam.

Ngành công nghiệp Việt Nam hiện chưa áp dụng nhiều robot trong dây chuyền sản xuất do chi phí sản phẩm còn cao Để thúc đẩy nội địa hóa sản phẩm và nghiên cứu chuyên sâu về robot, đề tài "Cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc" được chọn Đề tài này nhằm thay thế các giải pháp điều khiển của công ty nước ngoài và xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu cho các đối tượng sản xuất phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

Mô hình phòng thí nghiệm cung cấp cho sinh viên cơ hội thực hành và nghiên cứu, giúp họ có cái nhìn cụ thể và thực tiễn hơn về robot.

Mục đích của nghiên cứu này là tìm hiểu cấu tạo và các phương pháp điều khiển phù hợp dựa trên Arduino để phát triển bộ điều khiển cánh tay robot có khả năng phân loại sản phẩm theo màu sắc Nghiên cứu này được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng và đại học, đồng thời hướng đến ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

LÝ DO CH ỌN BOARD ARDUINO ĐỂ ĐIỀ U KHI N CÁNH TAY ROBOT PHÂN LO Ể ẠI SẢN PHẨM

Arduino là giải pháp lý tưởng cho những người không chuyên về điện tử, giúp họ dễ dàng thực hiện các dự án mà không cần tốn thời gian vào việc thiết kế mạch Với Arduino, mọi thứ đã được chuẩn bị sẵn, cho phép bạn tập trung vào việc lập trình điều khiển Khi gặp sự cố, bạn chỉ cần kiểm tra mã code của mình, giúp tiết kiệm thời gian so với việc rà soát mạch điện.

Arduino rất dễ sử dụng, trực quan, trên mạch có ký hiệu rất rõ ràng,đầy đủ các chân, cực kỳ thuận tiện trong quá trình sử dụng

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là ứng dụng cross-platform được viết bằng Java, hỗ trợ ngôn ngữ lập trình Processing và project Wiring IDE này được thiết kế cho những người mới bắt đầu làm quen với phát triển phần mềm, bao gồm một trình biên tập mã với các tính năng như đánh dấu cú pháp, tự động khớp dấu ngoặc và tự động canh lề Nó cũng cho phép biên dịch và tải chương trình lên board chỉ với một cú nhấp chuột Một chương trình viết cho Arduino được gọi là sketch.

Với những ưu điểm vượt trội, tôi đã chọn Board Arduino làm bộ điều khiển cho dự án cánh tay robot, nhằm phân loại sản phẩm theo màu sắc.

TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC

GIỚI THIỆU

Cánh tay robot phân loại sản phẩm là một lĩnh vực quan trọng trong ngành robot tự động hóa Công nghệ này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu sai sót trong phân loại hàng hóa Sự phát triển của cánh tay robot không chỉ mang lại lợi ích cho doanh nghiệp mà còn góp phần vào sự tiến bộ của ngành công nghiệp 4.0.

Thuật ngữ Robot xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1922 trong tác phẩm

“Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek Trong tác phẩm nhân vật Rossum và con trai đã tạo ra chiếc máy giống con người để phục vụ cho con người

Năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo con người được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình Asimov đặt tên cho ngành nghiên cứu về robot là robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:

 Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

 Hoạt động của robot phải tuân thủ các quy tắc do con người đặt ra Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

 Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước

Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo và ảo, thường là hệ thống cơ khí-điện tử, mang lại cảm giác giống như giác quan con người Từ "robot" thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự động Mỹ và Nhật Bản là hai quốc gia dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực robot.

Robot tay có khả năng thực hiện nhiều công việc khác nhau như hàn, nắm và quay, tùy theo ứng dụng cụ thể Chẳng hạn, trong dây chuyền lắp ráp ô tô, cánh tay robot thực hiện các nhiệm vụ như hàn, xoay linh kiện và lắp đặt Ngoài ra, trong một số trường hợp, việc mô phỏng chức năng của bàn tay con người là cần thiết, như trong các robot thiết kế để giải trừ vũ khí và thả bom.

L ỊCH S PHÁT TRI Ử ỂN

Sau khi ra mắt vào năm 1922, robot đầu tiên xuất hiện ở Hoa Kỳ hơn 20 năm sau, trong bối cảnh sau Chiến tranh Thế giới thứ hai Đây là loại tay máy chép hình, được sử dụng trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 của thế kỷ trước, bên cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, đã có sự xuất hiện của các tay máy chép hình thủy lực điện tử.

Robot công nghiệp lần đầu tiên được ứng dụng vào năm 1961 tại nhà máy ô tô của General Motors ở Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ Đến năm 1967, Nhật Bản cũng đã giới thiệu robot công nghiệp đầu tiên tại Công ty AMF (American Machine and Foundry Company).

Vào năm 1990, hơn 40 công ty Nhật Bản, bao gồm Hitachi và Mitsubishi, đã giới thiệu nhiều loại robot nổi tiếng ra thị trường quốc tế Từ những năm 70, nghiên cứu về nâng cao tính năng của robot đã tập trung vào việc lắp đặt thêm các cảm biến để nhận biết môi trường làm việc Tại Đại học Tổng hợp Stanford, các nhà nghiên cứu đã phát triển robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính, sử dụng thông tin từ các cảm biến lực và cảm biến thị giác Trong thời gian này, công ty IBM cũng đã chế tạo robot với các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in có độ chính xác cao.

Theo định nghĩa của Viện Kỹ thuật Robot, robot là loại tay máy đa chức năng với chương trình làm việc linh hoạt, được sử dụng để thực hiện một số thao tác trong sản xuất Nhiều tài liệu khi định nghĩa robot chú trọng đến tiêu chí điều khiển bằng máy tính, tuy nhiên trong phân loại robot công nghiệp theo tiêu chuẩn Nhật Bản (JISB 0134-1979), cũng có nhóm tay máy được điều khiển bằng tay.

Theo ISO (Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế), robot công nghiệp được định nghĩa là một tay máy đa mục tiêu, có nhiều bậc tự do, dễ dàng lập trình và điều khiển tự động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác Mặc dù chương trình thao tác có thể thay đổi, cho phép thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, nhưng định nghĩa này về robot công nghiệp vẫn chưa hoàn toàn thỏa đáng.

Robot công nghiệp là thiết bị tự động linh hoạt, có khả năng thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người Thiết bị này có thể thao tác với nhiều bậc độ khác nhau, được điều khiển từ xa và lập trình để thay đổi theo yêu cầu Khả năng bắt chước chức năng lao động của con người không chỉ giới hạn ở những công việc chân tay đơn giản mà còn bao gồm cả trí tuệ nhân tạo, tùy thuộc vào loại hình công việc Sự cần thiết trong việc bắt chước các chức năng của con người cũng được xem xét, nhằm đáp ứng hiệu quả yêu cầu công việc.

Robot Cartesian hay còn gọi là robot Gantry (tọa độ DECAC) là một loại robot được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như chọn và đặt công việc, ứng dụng sealant, lắp ráp, xử lý máy công cụ và hàn hồ quang Thiết kế của nó bao gồm một cánh tay với ba khớp lăng trụ, cho phép hoạt động linh hoạt và chính xác trong các quy trình công nghiệp.

Hình 2.3.1 : Robot hoạt động theo tạo độ DECAC

Robot trụ (Hình 2.3.2) được sử dụng cho các hoạt động lắp ráp, xử lý tại máy công cụ, hàn điểm và xử lý tại các máy đúc Đây là một loại robot có trục, tạo thành một hệ trục tọa độ.

Hình 2.3.2 : Robot hoạt động theo hệ tọa độ trụ.

Robot hình cầu, hay còn gọi là Robot Polar, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý máy công cụ, hàn điểm, máy đúc, hàn nhiệt và hàn hồ quang Thiết kế của robot này bao gồm các trục tạo thành một hệ tọa độ cực, giúp tối ưu hóa quá trình làm việc.

Hình 2.3.3 : Robot hoạt động theo hệ tọa độ cầu

Robot SCARA (Hình 2.3.4) được sử dụng cho các nhiệm vụ như chọn và đặt công việc, ứng dụng sealant, lắp ráp và xử lý máy công cụ Thiết kế của robot này bao gồm hai khớp nối song song, giúp cung cấp tính linh hoạt và tuân thủ trong không gian làm việc.

Robot khớp nối là thiết bị quan trọng trong các hoạt động như lắp ráp, diecasting, fettling máy móc, khí hàn, hàn hồ quang và phun sơn Loại robot này được thiết kế với cánh tay có ít nhất ba khớp quay, giúp thực hiện các tác vụ chính xác và hiệu quả.

Robot bay là một nền tảng di động mô phỏng buồng lái, được thiết kế với cánh tay có khớp nối lăng trụ hoặc khớp quay đồng thời.

Hình 2.3.6 : Robot song song (3-PRS)

Robot cánh tay phân loại sử dụng công nghệ nhận diện màu sắc để phân loại các sản phẩm có màu sắc khác nhau Hệ thống này có thể được phát triển thêm để phân loại dựa trên kích thước hoặc mã vạch, mã hiệu đã được cung cấp trước.

ỨNG DỤ NG

Robot cánh tay phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc, được ứng dụng trong các hệ thống phân loại hàng hóa có màu sắc khác nhau đã được xác định trước Trong tương lai, có thể mở rộng khả năng phân loại không chỉ dựa trên màu sắc mà còn theo kích thước hoặc mã vạch, mã hiệu được cung cấp trong hệ thống.

TỔNG QUAN THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG

ĐỘNG CƠ SERVO

Servo là động cơ điện đặc biệt, chỉ quay khi được điều khiển bằng xung PPM với góc quay từ 0° đến 180° Các loại servo có kích thước và cấu tạo khác nhau, từ loại nhẹ 9g cho máy bay mô hình đến loại mạnh mẽ với momen lực hàng chục Newton/m Động cơ servo sử dụng hệ thống hồi tiếp vòng kín, kết nối tín hiệu ra với mạch điều khiển Khi động cơ quay, tốc độ và vị trí được hồi tiếp về mạch điều khiển Nếu có trở ngại ngăn cản chuyển động, cơ cấu hồi tiếp sẽ phát hiện và mạch điều khiển sẽ điều chỉnh để đạt được vị trí chính xác.

Động cơ servo RC (radio-controlled) là loại động cơ được điều khiển thông qua liên lạc vô tuyến Tuy nhiên, bản thân động cơ servo không trực tiếp nhận tín hiệu vô tuyến; thay vào đó, nó kết nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hoặc xe hơi Động cơ servo hoạt động dựa trên tín hiệu nhận được từ máy thu này.

3.3.1 Động cơ RC Servo Digital RC FR1510:

Động cơ RC Servo Digital RC FR1510 được thiết kế với trục xoay giống như các servo truyền thống, rất phù hợp cho các ứng dụng trong thiết kế robot Với chất lượng vượt trội, động cơ này sở hữu bánh răng kim loại, lực kéo mạnh mẽ, khả năng xoay êm ái, không rung lắc và giữ vị trí ổn định.

- Tốc độ: 0.16s/60 tại 4.8VDC đến 7.2VDC o

- Lực kéo: 17kg/cm tại 4.8VDC đến 7.2VDC

- Dòng điện tiêu thụ: >600mA

Động cơ RC Servo 9G là một loại động cơ nhỏ gọn, phổ biến cho các mô hình nhỏ và các cơ cấu kéo nhẹ Với tốc độ phản ứng nhanh, động cơ này tích hợp sẵn driver điều khiển bên trong, cho phép dễ dàng điều chỉnh góc quay thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

Lưu ý: Các bánh răng được làm bằng nhựa nên cần lưu ý khi nâng tải nặng vì có thể làm hư bánh răng

- Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây

- Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC

KHUNG CÁNH TAY ROBOT

Hình 3.4.1: Khung robot phân lo i s n ph m theo màu sạ ả ẩ ắc.

Hình 3.5.1: Giao di n ph n m m IDE ệ ầ ề

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng cross-platform được viết bằng Java, hỗ trợ ngôn ngữ lập trình Processing và project Wiring IDE này được thiết kế đặc biệt cho những người mới bắt đầu làm quen với phát triển phần mềm Nó bao gồm một trình biên tập mã với các tính năng như đánh dấu cú pháp, tự động khớp dấu ngoặc, và tự động canh lề, cùng với khả năng biên dịch và tải chương trình lên board chỉ bằng một cú nhấp chuột.

Các chương trình Arduino được phát triển bằng ngôn ngữ C hoặc C++, sử dụng Arduino IDE với bộ thư viện Wiring để đơn giản hóa các thao tác nhập/xuất Để tạo ra một chương trình vòng thực thi (cyclic executive) có thể chạy, người dùng chỉ cần định nghĩa hai hàm cơ bản.

- setup() : hàm này ch y m i khi khạ ỗ ởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt

- loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch

Một chương trình cơ bản cho bộ vi điều khiển đơn giản là điều khiển một bóng đèn LED sáng và tắt Trong môi trường lập trình Arduino, bạn cần viết một đoạn mã tương ứng để thực hiện chức năng này.

Hình 3.5.2: Code sáng t t led trên ph n m m IDE ắ ầ ề

Hầu hết các board Arduino đều có một đèn LED kết nối với chân 13 và đất, điều này rất thuận tiện cho nhiều ứng dụng đơn giản Đoạn code trên không thể được biên dịch bởi một compiler C++ tiêu chuẩn, vì vậy khi nhấn nút "Upload to I/O board" trong IDE, một bản sao của đoạn code sẽ được ghi vào một file tạm với một header include bổ sung ở đầu và một hàm main() đơn giản ở cuối, tạo thành một chương trình C++ hợp lệ.

Arduino IDE này s dử ụng GNU toolchain và AVR Libc để biên dịch chương trình, và s dử ụng avrdude để upload chương trình lên board.

Arduino sử dụng các vi điều khiển của Atmel, vì vậy môi trường phát triển của Atmel như AVR Studio hoặc các phiên bản Atmel Studio có thể được sử dụng để phát triển phần mềm cho Arduino.

GIỚI THI U PH Ệ ẦM MỀM IDE

TRÌNH 4.1 KẾT NỐI LINH KIỆN:

4.1.1 Kết n i Servo vố ới Arduino:

Bảng 4.1.1: Kết n i servo vố ới arduino

SERVO 1 Dây cam -7, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 2 Dây cam -6, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 3 Dây cam -5, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 4 Dây cam -4, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 5 Dây cam -3, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

KẾT NỐI LINH KIỆN, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ LẬP TRÌNH

K ẾT NỐI LINH KIỆN

4.1.1 Kết n i Servo vố ới Arduino:

Bảng 4.1.1: Kết n i servo vố ới arduino

SERVO 1 Dây cam -7, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 2 Dây cam -6, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 3 Dây cam -5, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 4 Dây cam -4, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

SERVO 5 Dây cam -3, dây đen-GND Dây đỏ -VCC

4.1.2 Kết n i C m biố ả ến màu sắc với Arduino:

Hình 4.1.2: K t nế ốicảm bi n màu s c v i arduino ế ắ ớ

Bảng 4.1.2: Kết n i c m biố ả ến màu sắc với arduino.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘ NG

Hình 4.2.1: V trí servo trên cánh tay robot ị

 Đầu tiên, khi khởi động cánh tay robot được set về vị trí ban đầu.

 Động cơ Servo(sv) 1 hoạt động, làm cánh tay xoay 1 góc 180 độ đến (vị trí làm việc 1)

Khi đến vị trí làm việc 1, động cơ sv2 và sv3 hoạt động để đưa cánh tay về phía trước (vị trí làm việc 2) Đồng thời, sv4 và sv5 hoạt động để đưa kẹp gắp về vị trí như hình, cho phép kẹp gắp được m ở sv5.

Khi đến vị trí làm việc thứ hai, cảm biến màu sắc sẽ được kích hoạt, cho phép nhận diện các màu sắc khác nhau như đỏ, xanh lá cây và vàng Những màu sắc này sẽ được phân biệt rõ ràng và gửi dữ liệu về Arduino để xử lý.

Khi Arduino xử lý nhận diện màu sắc, nó sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến các động cơ Tùy thuộc vào màu sắc được phát hiện, cánh tay robot sẽ đưa sản phẩm đến các vị trí khác nhau: màu đỏ tương ứng với vị trí 3, màu xanh lá với vị trí 4, và màu vàng với vị trí 5.

- Chú ý: v trí làm vi c là cị ệ ủa động cơ, vị trí là nơi đã được xác định để cánh tay đến

 Khi nhận được tín hi u màu r i, sv5 sệ ồ ẻ hoạt động k p ch t v t l i Sẹ ặ ậ ạ v

2 và sv3 s ẻhoạt động đưa sản ph m lên cao(v trí làm vi c 6) ẩ ị ệ

Tại vị trí làm việc 6, sinh viên 1 sẽ thực hiện các hoạt động tùy thuộc vào màu sắc mà cảm biến nhận được Dựa trên thông tin này, sinh viên 1 sẽ xoay cánh tay đến các vị trí 3, 4 hoặc 5.

 Khi đến các vị trí làm việc 3,4 hoặc 5 Cánh tay được đưa về phía trước nh động cơ sv2 và sv3(vị trí làm vi c 2) ờ ệ

Khi đến vị trí làm việc 2, sinh viên 5 sẽ thực hiện thao tác thả vật ra Sau đó, sinh viên 2 và sinh viên 3 sẽ di chuyển cánh tay về vị trí làm việc 6, và cuối cùng, sinh viên 5 sẽ thực hiện thao tác kẹp lại.

 Đến vị trí làm vi c 6 của động cơ sv2 và sv3, sv1 sẻ hoạt động đưa ệ cánh tay đến vị trí làm việc 1

Vòng lặp từ vị trí làm việc 1 của các động cơ sẽ diễn ra cho đến khi cảm biến nhận đủ dữ liệu, lúc này cánh tay sẽ luôn ở vị trí làm việc chờ Khi cảm biến thu thập thông tin đầy đủ, cánh tay sẽ được đưa trở lại vị trí làm việc 2.

 Trước khi t t máy nên nhắ ấn nút Reset, động cơ sẻ về vị trí ban đầu.

L ẬP TRÌNH

Chương trình đã hoạt động thành công mà không gặp lỗi Tuy nhiên, do được xây dựng dựa trên lý thuyết, khả năng xảy ra sai sót trong thực tế vẫn có thể xảy ra Hơn nữa, độ sáng của môi trường cũng ảnh hưởng đến cảm biến màu sắc, dẫn đến khả năng sai lệch trong nhận diện màu.

KẾ T LU ẬN VÀ HƯỚ NG PHÁT TRIỂN

Những thuận l ợi và khó khăn khi thự c hi ện đề tài

- Được th y và các bầ ạn hỗ trợ ế h t mình

- Được ti p xúc vế ới môi trường năng động ở xưởng thực hành làm tăng niềm đam mê tìm tòi học hỏi

- Vì v a nghiên c u và phừ ứ ải đảm b o vi c hả ệ ọc trên trường nên s phân b ự ố thời gian chưa được nhiều

- Tài li u ch y u vệ ủ ế ề đề tài ch y u là ti ng anh nên vi c d ch có nhủ ế ế ệ ị ững chổ chưa chuẩn xác

HƯỚNG PHÁT TRI ỂN ĐỀ TÀI

Dựa trên những nghiên cứu hiện có, có thể mở rộng đề tài cánh tay robot phân loại sản phẩm thành nhiều phiên bản cải tiến hơn Chẳng hạn, cánh tay robot có thể phân loại sản phẩm theo kích thước hoặc nhiệt độ, mang lại hiệu quả và độ chính xác cao hơn trong quá trình phân loại.

Ngoài vi c phân lo i s n phệ ạ ả ẩm đề tài này có th phát tri n thành cánh tay ể ể robot dùng g p linh ki n, hay hàn, cđể ắ ệ ắt hay khoan…

Ngoài những hướng phát triển mà tôi có khả năng thực hiện trong tương lai, tôi cũng cần tiếp tục nghiên cứu và tìm hiểu thêm Với sự phát triển đa dạng của robot, tôi hy vọng sẽ có cơ hội bổ sung kiến thức và định hướng cho bản thân nhiều hơn nữa.