Sử dụng bộ fischertecnik robot kết hợp với arduino điều khiển

CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Ngành công nghiệp giới đưa robot công nghiệp vào phục vụ sản xuất, chí phục vụ nhu cầu giải trí chăm sóc người Robot làm việc thay người môi trường độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe Nhận thấy tầm quan trọng robot đời sống người, nước phát triển cạnh tranh với nghiên cứu chế tạo nhiều hệ robot tốt Vì nhiều cơng ty giới sản xuất, phát triển, nghiên cứu để đưa robot lên tầm cao tư người Một số hãng tiếng đầu lĩnh vực như: hãng OTC Daihen Nhật Bản, Panasonic, Kuka, Ywaskawa, ABB, IKEA,MOTOMAN,…(xem hình 1.1 & 1.2) Với ngành cơng nghiệp Việt Nam robot chưa xuất nhiều dây chuyền sản xuất Vì sản phẩm đắt thị trường Việt Nam Mục tiêu đặt đến năm 2020, nước ta phấn đấu trở thành nước công nghiệp, việc ứng dụng phát triển công nghiệp, giới hóa đưa robot vào làm việc tất yếu Ngày 12-10-2003, xảy kiện, đánh dấu mốc phát triến lĩnh vực nghiên cứu, đào tạo ứng dựng khoa học công nghệ robot Việt Nam: Hội Khoa học Công nghệ Robot Việt Nam(VAR-Vietnamese Assiciation of Robotics) thành lập Nhiều đơn vị toàn quốc thực nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng robot như: Trung tâm Tự động hoá, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN Bên cạnh cịn phải kể đến Cơng ty Cổ phần Robot TOSY (hình 1.3), doanh nghiệp thiết kết chế tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trường quốc tế Với xu tồn cầu hóa, phân cơng lao động chuỗi cung sản phẩm dịch vụ giới khơng cịn giới hạn địa lý Cơ hội cho cá nhân, tổ chức tham gia vào cơng việc giới bình đẳng cho người, dân tộc quốc gia Vì vậy, với bối cảnh robot trung tâm cách mạng công nghệ sau PC- Internet giới vịng 20 năm nữa, lý em chọn đề tài Hình 1.1 Robot hãng ABB Hình 1.2 Robot hãng MOTOMAN Hình 1.3 Robot hãng TOSY Robotics Việt Nam 1.1.1.Tình hình nghiên cứu đề tài giới - Với đề tài: “Vision-based Robot Manipulator for Industrial Applications” Aizat K., Md Hazrat Ali*, Yerkhan K., Zhandos T and Anuar O ứng dụng xử lý ảnh màu sắc để xác định đối tượng từ đưa định cho cánh tay Đề tài dùng camera gắn cố định để phát vật[1] - “Colour Sorting Robot in LabVIEW Using Image Processing” H.R Ramesh, Pooja cánh tay gắn camera dùng xử lý ảnh LabVIEW để tiến hành phân loại dựa vào màu sắc Với board điều khiển trung tâm arduino uno kết hợp với LabVIEW từ kết đề tài cho thấy ổn định thực xử lý ảnh LabVIEW[2] - Nghiên cứu đề tài “ Design and Implementation of an Intelligent Robotic Manipulator using LabVIEW for IndustrialApplications ” Rajinder Tiwari ứng dụng dây chuyền băng tải vận chuyển vật, sử dụng cảm biến IR để ngừng băng tải, sau dùng camera xử lý ảnh chụp có vật phân tích màu đưa tín hiệu điều khiển tay gắp vật tới vị trị cho trước Đề tài ứng dụng xử lý ảnh LabVIEW để thực chương trình xử lý ảnh ứng dụng cho nhà kho[3] - Đề tài “ LabVIEW Image Processing Techniques for the Industrial Quality Improvement Processes Design of Color Calibration System Using the NI Vision Acquisition Software and NI Vision Development Module” Nwachkwu C Obinna dùng kỹ thuật xử lý ảnh LabVIEW để thiện chất lượng màu, tác giả sử dụng hàm LabVIEW hỗ trợ thư viện xử lý màu thực đề tài.[4] Đây hướng nghiên cứu luận văn em 1.1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài nước Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh tốn phân loại theo màu sắc khơng cịn xa lạ với nước ta Nhiều cơng trình nghiên cứu tuyên bố áp dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học, việc áp dụng vào hệ thống tự động hóa cụ thể cánh tay robot mẽ, với lĩnh vực robot phân loại người ta cần tạo cánh tay thông minh cách thêm vào tầm quan sát cụ thể thị giác máy để giúp việc phân loại đóng gói sản phẩm xác thay lao động người vùng khí độc - Đề tài “ Điều khiển cánh tay robot phân loại vật theo màu sắc” [5] sử dụng xử lý ảnh dùng thư viện OpenCV C++ để thực để tài, đáp ứng yêu cầu phân loại - Một đề tài trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh[6] ứng dụng ứng xử lý ảnh LabVIEW để phát vật, xe tự hành, băng tải phân loại sản phẩm - Nghiên cứu đề tài “ Control Robot Arm ED-7220C by LabVIEW and Arduino Mega 2560” trường Đại học Cần Thơ [7] tác giả sử dụng mạch Arduino Mega giao tiếp với LabVIEW điều khiển cánh tay robot thực chuyển động gắp đặt vật vị trí mong muốn phạm vi hoạt động cánh tay - Đề tài “ Robot model controlled by PLC”[8] tác giả dùng fischertechnik kit để làm luận án nghiên cứu Tham khảo đề tài trên, em đưa hướng phát triển đề tài nghiên cứu sử dụng Fischertecnik robot kết hợp với Arduino điều khiển 1.2 Mục đích nghiên cứu Nhằm tạo tiền đề cho việc nghiên cứu sâu robot sau này, em chọn đề tài “ Xây dựng mơ hình cánh tay robot gắp vật từ băng tải sử dụng lắp ráp Fischertechnik” để củng cố kiến thức học vận dụng vào mơ hình thực qua làm hành trang vững cho chặn đường tự học tập sau Mục đích đề tài nghiên cứu cấu tạo phương pháp điều khiển thích hợp dựa sở ứng dụng kỹ thuật tiên tiến xây dựng giải pháp phần cứng phần mềm để xây dựng điều khiển cho cánh tay robot bậc tự Nhằm hiểu rõ kỹ thuật chế tạo robot, từ ứng dụng kiến thức thu từ đề tài vào robot công nghiệp thực tế dây chuyền sản xuất 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài lắp ráp Fischertechnik cánh tay robot bậc tự kèm với công việc cụ thể gắp vật từ băng tải đưa đến vị trí không gian làm việc cánh tay, dùng camera để xử lý hình ảnh phân loại màu vật Từ mơ hình tìm phương trình động học robot để đưa thuật điều khiển tối ưu cho robot; phần mềm Labview Arduino Mega để điều khiển cánh tay robot bậc tự Nghiên cứu giới hạn phạm vi nghiên cứu, xây dựng điều khiển cánh tay robot bậc tự với phần mềm nêu 1.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sở khoa học thực tiễn điều khiển robot Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Tìm hiểu nghiên cứu tài liệu động học robot - Tìm hiểu cách xử lý hình ảnh - Tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động - Tìm hiểu phần mềm Labview - Tìm hiểu board Arduino - Tìm hiểu phần mềm thiết kế 3D Inventor - Nghiên cứu tài liệu điện tử, hệ thống nhúng tự động hóa điện tử truyền thơng - Tìm hiểu cách kết nối Inventor với Matlab Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: - Xây dựng phương trình động học thuận, ngược robot - Viết giao diện giao tiếp với người dùng qua phần mềm Labview - Viết chương trình dựa ngơn ngữ lập trình cấp cao để điều khiển cánh tay robot - Ứng dụng xử lý ảnh vào mơ hình - Dựng lại mơ hình phần mềm inventor 3D - Chạy mơ hình thực tế 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài nghiên cứu cụ thể điều khiển vị trí, sử dụng phần mềm Labview để điều khiển cánh tay Kết hợp với điều khiển nhỏ gọn giao tiếp thành cơng với robot Đề tài sử dụng làm thí nghiệm cho sinh viên tạo hứng thú cho mơn học robot cơng nghiệp, hiểu sâu robot CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHÂN LOẠI ROBOT 2.1 Các khái niệm robot công nghiệp 2.1.1 Robot robotics Từ thời cổ xưa, người mong muốn tạo vật giống để bắt chúng phục vụ cho thân Ví dụ, kho thần thoại Hy Lạp có chuyện người khổng lồ Promethe đúc người từ đất sét truyền cho họ sống, chuyện tên nô lệ Talus khổng lồ làm đồng giao nhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete Đến năm 1921, từ "Robot" xuất lần đầu kịch "Rossum's Universal Robots" nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek Trong kịch này, ông dùng từ "Robot", biến thể từ gốc Slavơ "Rabota", để gọi thiết bị - lao công người (nhân vật Rossum) tạo Vào năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot máy tự động, mang diện mạo người, điều khiển hệ thần kinh khả trình Positron, người lập trình Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu robot Robotics, có nguyên tắc bản: - Robot không xúc phạm người không gây tổn hại cho người - Hoạt động robot phải tuân theo quy tắc người đặt Các quy tắc không vi phạm nguyên tắc thứ - Một robot cần phải bảo vệ sống mình, khơng vi phạm hai nguyên tắc trước Các nguyên tắc sau trở thành tảng cho việc thiết kế robot Từ hư cấu khoa học viễn tưởng, robot giới kỹ thuật hình dung máy đặc biệt, người tác theo cấu tạo hoạt động mình, dùng để thay số cơng việc xác định Để hồn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả cảm nhận thông số trạng thái môi trường tiến hành hoạt động tương tự người Khả hoạt động robot đảm bảo hệ thống khí, gồm cấu vận động để lại cấu hành động để làm việc Việc thiết kế chế tạo hệ thống thuộc lĩnh vực khoa học cấu truyền động, chấp hành vật liệu khí Chức cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu trạng thái môi trường trạng thái thân hệ thống, cảm biến (sensor) thiết bị liên quan thực Hệ thống gọi hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu, hay đơn giản hệ thống cảm biến Muốn phối hợp hoạt động hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot tự điều chỉnh "Hành vi" hoạt động theo chức quy định điều kiện môi trường thay đổi, robot phải có hệ thống điều khiển Xây dựng hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển công nghệ thông tin Robotics hiểu ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot ứng dụng chúng lĩnh vực hoạt động khác xã hội loài người, nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng dân sinh Từ hiểu biết sơ chức kết cấu robot, hiểu, Robotics khoa học liên ngành, gồm khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển cơng nghệ thông tin Theo thuật ngữ nay, robot sản phẩm ngành - điện tử (Mechatronics) Khía cạnh nhân văn khía cạnh khoa học - kỹ thuật việc sản sinh robot thống điểm: thực hoài bão người, tạo thiết bị thay hoạt động khơng thích hợp với mình, như: - Các cơng việc lặp lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,… - Trong mơi trường khắc nghiệt nguy hiểm: ngồi hàng không vũ trụ, chiến trường, nước sâu, lịng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao,… - Những việc địi hỏi độ xác cao, thông tắc mạch máu ống dẫn thể, lắp ráp cấu tử vi mạch, Lĩnh vực ứng dựng robot rộng ngày mở rộng thêm Ngày nay, khái niệm robot mở rộng khái niệm nguyên thuỷ nhiều Sự tác kết cấu, chức năng, dáng vẻ người cần thiết không ngự trị kỹ thuật robot Kết cấu nhiều "con" robot khác xa với kết cấu phận thể người chúng thực việc vượt xa khả người 2.1.2 Tự động hóa robot cơng nghiệp Mặc dù, robot định nghĩa dạng khía cạnh khác Robot coi cánh tay có vài bậc tự do, điều khiển máy tính Một định nghĩa khác robot công nghiệp chấp nhận là: Robot công nghiệp cấu khí lập trình thực cơng việc có ích cách tự động khơng cần giúp đỡ trực tiếp người Hiệp hội nhà chế tạo - nhà sử dụng đưa định nghĩa robot sau: Robot thiết bị thực chức bình thường người hợp tác với cách thơng minh để có trí tuệ người Trong Bách khoa toàn thư ( phiên 7.0 1995) viết: “Robot định nghĩa thiết bị tự điều khiển hoàn toàn bao gồm phận điện tử, điện khí…” Tự động hóa (Automation) kỹ thuật robot (Robotics) hai lĩnh vực liên quan mật thiết với Về phương diện công nghiệp, tự động hóa cơng nghệ liên kết với sử dụng hệ thống khí, điện tử hệ thống máy tính vận hành điều khiển q trình sản xuất Ví dụ, dây chuyền vận chuyển, máy rắp ráp khí, hệ thống điều khiển phản hồi, máy công cụ điều khiển chương trình số robot Như vậy, robot xem dạng thiết bị tự động hóa cơng nghiệp Có ba loại hệ thống tự động hóa cơng nghiệp: Tự động hóa cố định, tự động hóa lập trình tự động hóa linh hoạt Tự động hóa cố định sử dụng dây chuyền sản xuất với số lượng sản phẩm lớn, cần thiết kế thiết bị đặc biệt để để sản xuất sản phẩm với số lượng lớn hiệu cao Công nghệ sản xuất ôtô xem ví dụ điển hình Tính kinh tế tự động hóa cố định cao giá thành thiết bị chuyên dụng chia cho số lượng lớn đơn vị sản phẩm, dẫn đến giá thành đơn vị sản phẩm thấp so với phương pháp sản xuất khác Tuy nhiên vốn đầu tư tự động hóa cố định cao, số lượng sản phẩm nhỏ thiết kế, giá thành sản phẩm sẻ cao Mặt khác, thiết bị chuyên dụng thiết kế cho sản xuất loại sản phẩm, sau chu kì sản phẩm kết thúc, thiết bị chuyên dụng trở nên lạc hậu Tự động hóa lập trình sử dụng trình sản xuất với sản phẩm đa dạng số lượng sản phẩm tương đối thấp Trong hệ thống tự động hóa này, trang thiết bị sản xuất thiết kế để thích nghi với dạng sản phẩm khác Chương trình lập trình đọc vào thiết bị sản xuất ứng với loại sản phẩm cụ thể Về khía cạnh kinh tế, giá thành trang thiết bị lập trình phân bổ cho số lượng lớn sản phẩm, với loại sản phẩm khác Tự động hóa linh hoạt hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS - Flexible Manufacturing System ), hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (hình 2.1) Ý tưởng dạng tự động hóa linh hoạt phát triển áp dụng vào thực tế khoảng 20-25 năm cho thấy phạm vi ứng dụng thích hợp q trình sản xuất có số lượng sản phẩm trung bình Dạng tự động hóa linh hoạt bao gồm đặc điểm hai dạng tự động hóa cố định lập trình Nó cần lập trình cho nhiều loại sản phẩm khác nhau, số dạng sản phẩm khác bị hạn chế loại tự động hóa lập trình Hệ thống sản xuất bao gồm nhiều trạm làm việc đặt nối tiếp dây chuyền Máy tính trung tâm hệ thống điều khiển trung tâm điều khiển đồng thời trạm hoạt động Hình 2.1 Quan hệ số loại số lượng sản phẩm với tự động hóa Robot có liên quan mật thiết với tự động hóa lập trình Robot máy có khả lập trình có số đặc tính người Robot lập trình để di chuyển cánh tay thơng qua trình tự chuyển động có tính chu kỳ để thực nhiệm vụ khác Ví dụ, máy bốc dỡ hàng, robot sơn, hàn,…robot sử dụng rộng rãi sản xuất linh hoạt chí hệ thống tự động hóa cố định Hệ thống gồm số máy, robot làm việc điều khiển máy tính điều khiển lập trình Ví dụ, dây chuyền hàn vỏ ơtơ gồm nhiều cánh tay robot có nhiệm vụ hàn phận khác Chương trình lưu trữ máy tính nạp cho robot làm việc phận dây chuyền hàn ôtô Như dây chuyền sản xuất linh hoạt với mức độ tự động hóa cao 2.1.3 Lịch sử phát triển robot công nghiệp Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho loại thiết bị có dáng dấp vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, robot cơng nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát để nhìn thấy cơng việc bên Các cấu điều khiển từ xa thay cho cánh tay người thao tác; gồm có kẹp bên (tớ) hai tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tuỳ ý tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Vào khoảng năm 1949, máy công cụ điều khiển số đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế 10 } // chương trình đếm xung động void docxung1() { if(digitalRead(28)==LOW){ xung1++; } } // chương trình đếm xung động void docxung2() { if(digitalRead(30)==LOW){ xung2++; } } // chương trình đếm xung động void docxung3() { delay(30); if(digitalRead(32)==LOW){ xung3++; } } // chương trình đếm xung động void docxung4() { delay(30); if(digitalRead(34)==LOW){ xung4++; } } // chương trình phụ vụ chức kẹp nhả vật 104 void kepnha() { int x4 = digitalRead(congtac4); if (x4 == HIGH) { joint4.run(BACKWARD); } else { joint4.run(RELEASE); } xung4=0; //Serial.print("nha"); //Serial.print(","); } // chương trình phục vụ kẹp gắp vật void kepgap() { if ( xung4 >= 22) { joint4.run(RELEASE); } if( xung4 < 22) { joint4.run(FORWARD); } //Serial.print("kep"); // Serial.print(","); } // Chương trình đưa cánh tay vị trí ban đầu cài đặt 105 void vitrihome() { int x3 = digitalRead(congtac3); int x2 = digitalRead(congtac2); int x1 = digitalRead(congtac1); if (digitalRead(congtac3) == HIGH) { joint3.run(FORWARD); } else { joint3.run(RELEASE); xung3=0; } if ( x3 ==LOW) { if (x2 == HIGH) { joint2.run(BACKWARD); } else { joint2.run(RELEASE); } if (x1 == HIGH) { joint1.run(BACKWARD); } else { 106 joint1.run(RELEASE); } } else { joint1.run(RELEASE); joint2.run(RELEASE); } if (digitalRead(congtac2)==LOW) { xung2=0; xung4=0; } xung1=0; //Serial.println("ho"); //Serial.println(","); } // Tính độ lệch tín hiệu đặt tín hiệu đo khớp vị trí gắp float goc11( float x1, float y1,int xung1 ) { float goc1tinh = 1*xung1/12.2; float deta1,deta2; float dx; dx = sqrt( x1*x1 + y1*y1); deta1 = atan2(y1,x1); deta1 = deta1*180/3.1415926535; deta2 = atan2(3,dx); deta2= deta2*180/3.1415926535; float goc = deta1 + deta2; float goc11 = goc - goc1tinh; 107 return goc11; } // chương trình di chuyển khớp void khau1(float x1ss) { if( x1ss =64) { joint4.run(FORWARD); } } if ( xung4 >=22) { joint4.run(RELEASE); } if((xung4>20)) { vitrihome(); } 114 if(xung4==0) { if (digitalRead(congtac4)==HIGH) { vitrinhavat(); } } if((x1ss