Thiết kế chế tạo cánh tay robot đa bậc ứng dụng trong phân loại sản phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT ĐA BẬC ỨNG DỤNG TRONG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS PHẠM QUỐC PHƯƠNG Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Tiến Trung 1811050094 18DCTA2 Mai Anh Hào 1811032708 18DCTA2 Nguyễn Đăng Khoa 1811030041 18DCTA2 Tp Hồ Chí Minh, tháng …/… MỤC LỤC Phiếu đăng kí tên đề tài ĐATN Phiếu giao nhiệm vụ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xii LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Một số mơ hình cánh tay robot 1.3 Các vấn đề liên quan đến thiết kế điều khiển 12 1.4 Mục tiêu đồ án .15 1.5 Giới hạn đề tài 15 Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 16 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế cánh tay robot bậc RRRRR 16 2.1.1 Mơ hình robot bậc tự RRRRR 16 2.1.2 Lý chọn robot bậc tự RRRRR 17 2.2 Phương án điều khiển 17 2.3 Lựa chọn cấu chấp hành 19 2.4 Lựa chọn Camera 20 2.5 Cơ cấu truyền động .21 2.6 Vật liệu 21 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 v 3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển 22 3.1.1 Mơ hình hóa cánh tay robot 22 3.1.2 Bài toán động học thuận .24 3.1.3 Bài toán động học nghịch .25 3.2 Tổng quan xử lý ảnh 28 3.2.1 Giới thiệu xử lý ảnh LABVIEW 30 3.2.2 Thu thập hình ảnh 31 3.3 Phần mềm GX Work2 37 3.4 Truyền thông kết nối 39 3.5 Nạp chương trình thực cho PLC 40 Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ MƠ HÌNH 43 4.1 Thiết kế khí, tính tốn chọn động 43 4.1.1 Sơ đồ động cánh tay robot .43 4.1.2 Tính tốn thiết kế khí 43 4.1.2.1 Tính tốn chọn động cho khâu .43 4.1.2.2 Tính tốn chọn động cho khớp quay thứ .45 4.1.2.3 Tính tốn chọn động cho khớp quay thứ .47 4.1.2.4 Tính tốn chọn động cho khớp quay thứ .49 4.2 Thiết kế tủ điện, lựa chọn thiết bị điện cho mơ hình 51 4.2.1 Bộ điều khiển PLC 51 4.2.2 Cấu tạo .54 4.3 Các thiết bị điện mơ hình .55 4.3.1 Mạch điều khiển 32 RC Servo .55 4.3.2 Mạch chuyển giao tiếp UART TTL sang RS485 57 4.3.3 Động RC Servo 58 4.3.4 Cảm biến quang Riko .59 4.3.5 CB .60 4.3.6 Nguồn tổ ong V 61 4.3.7 Nguồn tổ ong 24 V 62 vi 4.3.8 Động DC giảm tốc JGB37 – 520 .64 4.3.9 Rơ le trung gian chân Omron .65 4.4 Mơ tả quy trình hệ thống phân loại sản phẩm cánh tay robot 70 4.4.1 Chia vùng chức quy trình hệ thống 70 4.4.2 Mô tả vùng chức nhiệm vụ 70 4.4.3 Sơ đồ giải thuật điều khiển 71 Chương 5: MÔ PHỎNG VÀ CHẠY THỬ 72 5.1 Mô hình hồn thiện .72 5.2 Kết chạy thực nghiệm 73 Chương 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 74 6.1 Mục tiêu đạt 74 6.2 Những ưu điểm thiếu sót mơ hình 74 6.3 Hướng phát triển 75 6.4 Kết luận 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC PHẦN MỀM 77 PHỤ LỤC BẢN VẼ 89 vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu chữ viết tắt Diễn giải PLC Programable Logic Controller DH Denavit Hartenberg Nm Nano mét mm mili mét CNC Computer Numerical Control V Volt viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Chương 1: TỔNG QUAN Hình 1: Robot gắp sản phẩm xếp lên pallet Hình 2: Robot đóng gói xếp pallet Hình 3: Robot gắp sản phẩm Hình 4: Robot phân loại rác Hình 5: Cánh tay Mitsubishi Movemaster RV – M1 Hình 6: Robot ANNO 10 Hình 7: Sơ đồ khối robot công nghiệp 13 Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Hình 1: Ngun lý điều khiển kín robot .17 Hình 2: Sự tương tác phần tử, phận ngun lý điều khiển kín18 Hình 3: Hệ thống điều khiển vòng hở 19 Hình 4: Tay gắp robot 19 Hình 5: Webcam C720 HD 20 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 1: Chiều dài góc xoắn khâu thứ i .22 Hình 2: Các thơng số DH khâu θ, d, a α 23 Hình 3: Các trục tọa độ robot .23 Hình 4: Hàm độ chói ảnh tĩnh chuỗi ảnh 29 Hình 5: Hệ thống xử lý ảnh 29 Hình 6: Sơ đồ chức thu thập hình ảnh từ ổ cứng 31 Hình 7: Sơ đồ chức thu thập hình ảnh từ ổ camera 31 Hình 8: Ảnh hiển thị công cụ LABVIEW .31 Hình 9: Sơ đồ thu thập hình ảnh từ camera khối Vision Acquisition 32 Hình 10: Thuộc tính khối Vision Acquisition 32 Hình 11: Khối chức hệ tự động nhận dạng màu sắc 33 ix Hình 12: Kết nhận diện màu đỏ 34 Hình 13: Khối chức .35 Hình 14: Thuộc tính khối Vision 35 Hình 15: Mẫu nhận dạng chuyển động trước camera 36 Hình 16: Quỹ đạo chuyển động lưu lại .36 Hình 17: Phần mềm GX Works 37 Hình 18: Cấu hình hình GX WORK .37 Hình 19: Thanh tiêu đề 38 Hình 20: Thanh công cụ .38 Hình 21: Thanh trạng thái 38 Hình 22: Cấu tạo cáp RS485 39 Hình 23: Cổng kết nối PLC 40 Hình 24: Cáp kết nối CH340 40 Hình 25: Giao diện Transfer Setup Connection 41 Hình 26: Giao diện công cụ GX Works 42 Hình 27: Cửa sổ Online Data Operation .42 Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ MƠ HÌNH Hình 1: Sơ đồ động cánh tay robot bậc 43 Hình 2: Khối lượng nhơm khâu .44 Hình 3: Khối lượng gá ngang khâu 44 Hình 4: Khối lượng gá ngang khâu 45 Hình 5: Khối lượng nhôm khâu 46 Hình 6: Khối lượng gá ngang khâu 47 Hình 7: Khối lượng nhôm khâu 48 Hình 8: Khối lượng nhôm mm khâu .49 Hình 9: Khối lượng gá mm khâu .50 Hình 10: Tấm gá trịn 50 Hình 11: Bản vẽ cánh tay robot bậc 51 Hình 12: Bản vẽ 3d hệ thống phân loại sản phẩm .51 x Hình 13: PLC FX3U – 24MT – 6AD – 2DA 52 Hình 14: Cấu tạo chung dòng FX3U 54 Hình 15: Sơ đồ kết nối PLC FX3U – 24MT – 6AD – 2DA 54 Hình 16: Mạch điều khiển 32 RC Servo .55 Hình 17: Phương pháp đấu dây 56 Hình 18: Mạch chuyển giao tiếp UART TTL sang RS485 57 Hình 19: Động RC Servo MG996R 58 Hình 20: Cấu tạo bên động RC Servo 58 Hình 21: Cảm biến quang Riko RMF – DU30KP2 59 Hình 22: CB Panasonic BS11106TV 61 Hình 23: Nguồn tổ ong 5V 61 Hình 24: Nguồn tổ ong 24 V .62 Hình 25: Sơ đồ mạch điện nguồn 24 V .63 Hình 26: Động DC giảm tốc GA37 – 520 .64 Hình 27: Rơ le trung gian chân 65 Hình 28: Sơ đồ bố trí khí cụ điện 66 Hình 29: Mạch nguồn 66 Hình 30: Mạch động lực .67 Hình 31: Mạch điều khiển 67 Hình 32: Input PLC 68 Hình 33: Output PLC 68 Hình 34: Giao tiếp PLC .69 Hình 35: Sơ đồ kết nối thiết bị điện .70 Hình 36: Sơ đồ giải thuật điều khiển 71 Chương 5: MƠ PHỎNG VÀ CHẠY THỬ Hình 1: Mơ hình cánh tay robot hồn thiện 72 Hình 2: Tủ điện cánh tay robot .72 xi DANH SÁCH CÁC BẢNG Chương 1: TỔNG QUAN Bảng 1: Thông số kĩ thuật robot Mitstubishi RV – M1 Bảng 1: Thông số kĩ thuật robot ANNO 11 Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Bảng 2: Thông số kĩ thuật Webcam C720 HD 20 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 3: Bảng thông số DH 24 Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ MƠ HÌNH Bảng 4: Thông số kĩ thuật PLC FX3U - 24MT - 6AD - 2DA 53 Bảng 4: Danh sách thiết bị điện 55 Bảng 4: Thông số kĩ thuật mạch điều khiển 32 RC Servo .56 Bảng 4: Thông số kĩ thuật động Servo MG996R 59 Bảng 4: Thông số kĩ thuật cảm biến quang Riko RMF – DU30KP2 60 Bảng 4: Thông số kĩ thuật CB Panasonic BS11106TV 61 Bảng 4: Thông số kĩ thuật nguồn tổ ong V – A 62 Bảng 4: Thông số kĩ thuật nguồn tổ ong 24 V – A 63 Bảng 4: Thông số động DC giảm tốc GA37 – 520 64 Bảng 4: 10 Thông số kĩ thuật rơ le trung gian chân Omron 65 Bảng 4: 11 Bảng thích thiết bị điện 69 Bảng 4: 12 Vùng chức quy trình hệ thống 70 xii LỜI MỞ ĐẦU 1/ Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, cách mạng 4.0 với phát triển không ngừng ngành khoa học kĩ thuật ngành cơng nghiệp, robot khơng cịn xa lạ mắt người Việc áp dụng robot thay người sản xuất giúp nâng cao kinh tế đất nước, hạn chế rủi ro trình làm việc, giúp đạt suất hiệu cao Robot đem lại khả làm việc xác, hoạt động nhiều mơi trường khắc nghiệt khơng an tồn với người Robot vận hành hệ thống khí, gồm cấu vận động để di chuyển 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 mơi trường trạng thái thân hệ thống, cảm biến thiết bị liên quan thực Hệ thống gọi hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu, hay đơn giản hệ thống cảm biến Với bùng nổ của ngành công nghiệp tự động hóa, nhu cầu sử dụng robot ngày nhiều, việc nghiên cứu, chế tạo thiết kế chúng để ứng dụng lĩnh vực khác xã hội, quốc phịng, y tế, dân sinh tăng theo Vì vậy, nhóm chúng em chọn đề tài: “ Thiết kế chế tạo cánh tay robot đa bậc ứng dụng phân loại sản phẩm” 2/ Tình hình nghiên cứu Robot nghiên cứu rộng rãi nhiều quốc gia Mặc dù cấu trúc loại robot có nhiều điểm khác nghiên cứu hướng ứng dụng dịch vụ hoạt động robot môi trường tự nhiên Mỹ nước tập trung đầu tư hàng trăm tỷ USD việc phát triển hệ thống tác chiến tương lai robot quân hoạt động địa hình cạn, nước không chiếm phần không nhỏ Với phát triển xã hội trình đại hóa nước 10 22 10 13 165 163 42 3x 20 32 Người vẽ N.Tiến Trung Kiểm tra P.Q.Phương CÁNH TAY KHÂU Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Vật liệu : Nhôm Tỉ lệ 1:1 Số lượng: R1 10 43 145 20 Người vẽ N.Tiến Trung Kiểm tra P.Q.Phương CÁNH TAY KHÂU Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Vật liệu : Nhôm Tỉ lệ 1:1 Số lượng: 50 20 10 15 43 R3 R5 13 R5 Người vẽ N.Tiến Trung Kiểm tra P.Q.Phương TẤM CỐ ĐỊNH KHÂU Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Vật liệu : Nhôm Tỉ lệ 1:1 Số lượng: R13 10 R3 60 Người vẽ N.Tiến Trung Kiểm tra P.Q.Phương CÁNH TAY KHÂU 3 R5 10 40 Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Vật liệu : Nhôm Tỉ lệ 1:1 Số lượng: R5 40 7° R5 2x 12 3° 11 43 R13 R3 24 73 60 Người vẽ N.Tiến Trung Kiểm tra P.Q.Phương CÁNH TAY KHÂU Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Vật liệu : Nhôm Tỉ lệ 1:1 Số lượng: 58 10 41 15 60 21 10 21 Người vẽ N.Tiến Trung Kiểm tra P.Q.Phương TẤM CỐ ĐỊNH KHÂU 10 10 R9 Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Vật liệu : Nhôm Tỉ lệ 1:1 Số lượng: 56 199 387 105 8 15 10 11 360 12 13 11 15 Khớp truyền động mặt bích Nhơm, nhựa Mua từ thị trường 14 Động RC servo Nhựa Mua từ thị trường 13 Tay gắp Nhôm Mua từ thị trường 12 Gá servo khâu Nhôm 11 Khâu Nhôm 10 Cố định khâu Nhôm Khâu Nhôm Cố định khâu Nhôm Khâu 2 Nhôm Chân khâu 2 Nhôm Tấm xoay vuông khâu 1 Nhơm Tấm xoay trịn khâu 1 Nhôm Gá servo khâu 1 Nhôm Chân khâu Nhôm Gá khâu 1 Mica STT Tên gọi Số lượng Vật liệu 14 Ghi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ ROBOT BẬC TỰ DO PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Chức Họ tên Thiết kế N.Tiến Trung Chữ ký Ngày Số lượng Khối lượng BẢN VẼ LẮP CÁNH TAY Tờ : A0 Hướng dẫn P.Q.Phương Duyệt P.Q.Phương Vật liệu : Nhôm Tỷ lệ 1:1 Số tờ : TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM 207 700 594 560 105 60 212 Gá cảm biến Nhôm Cảm biến tiệm cận Gá camera Camera Cánh tay robot Băng tải Tấm gỗ Gỗ Hộp đựng sản phẩm Nhựa STT Tên gọi Số lượng Vật liệu Mua từ thị trường Nhôm Mua từ thị trường Nhôm Mua từ thị trường Ghi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ ROBOT BẬC TỰ DO PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Chức Họ tên Thiết kế N.Tiến Trung Hướng dẫn P.Q.Phương Duyệt P.Q.Phương Chữ ký Ngày Số lượng Khối lượng BẢN VẼ LẮP Tờ : A0 Tỷ lệ 1:2 Số tờ : TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM 220VAC FROM SOURCE FACTORY N L BK BN TBL1 R N T L WD1 VCMD 2X1.0MM2 100/250V T L N MCB 10A R X1 X2 EA1 POWER LAMP L ~ PS1 24VDC/2A AC V0 N ~ N ~ PS2 5VDC/5A DC + V+ 0VDC 24VDC AC N DC V- L ~ L + V+ 0VDC/1 5VDC NGƯỜI VẼ NGUYỄN ĐĂNG KHOA 21/07 KIỂM TRA TH.S PHẠM QUỐC PHƯƠNG BẢN VẼ MẠCH ĐIỆN 1/08 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TỈ LỆ: 1:4 MẠCH NGUỒN CHÍNH T01 24VDC 24VDC 0VDC 0VDC 11 BN 11 11 SF2 STOP SF3 E.STOP BK 12 12 SF1 START 24 23 12 BU TBL2 BX1 PROXIMITY SENSOR NPN TBL2 10 X15 X14 X13 X12 X11 X10 X07 X06 X05 X04 X03 X02 X01 X00 COM DC- DC+ PLC-INPUT FX3U-24MT-6AD-2DA NGƯỜI VẼ NGUYỄN ĐĂNG KHOA 21/07 KIỂM TRA TH.S PHẠM QUỐC PHƯƠNG BẢN VẼ MẠCH ĐIỆN 1/08 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TỈ LỆ: 1:4 INPUT-PLC T02 Y11 Y10 A DIODE K 13 RL2 24VDC A K DIODE 13 14 14 RL1 24VDC 13 14 CM2 Y07 Y06 Y05 Y04 CM1 Y03 Y02 Y01 Y00 CM0 PLC-OUTPUT FX3U-24MT-6AD-2DA 24VDC 24VDC 0VDC 0VDC NGƯỜI VẼ NGUYỄN ĐĂNG KHOA 21/07 KIỂM TRA TH.S PHẠM QUỐC PHƯƠNG BẢN VẼ MẠCH ĐIỆN 1/08 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TỈ LỆ: 1:4 OUTPUT-PLC T03 WHITE WEBCAM B- A+ DA1 DA0 GND AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 GND FX3U-24MT-6AD-2DA MODULE COMMUNICATION PLC BLACK A+ B- BR2 COMPUTER VCC TXD RXD GND BLUE GREEN YELLOW ORANGE NGƯỜI VẼ NGUYỄN ĐĂNG KHOA 21/07 KIỂM TRA TH.S PHẠM QUỐC PHƯƠNG BẢN VẼ MẠCH ĐIỆN 1/08 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TỈ LỆ: 1:4 COMMUNICATION PLC T04 PURPLE WHTE BR1 GND VCC TX 32 R 31 30 29 28 27 26 25 20 10 21 L RL2 19 0VDC/1 19 17 GND 18 18 VCC 5VDC 16 RL2 15 LAMP STOP 14 X1 EA3 13 10 12 X2 LAMP RUN X2 X1 VDD EA2 T N TX RX TX TX TX TX TX TX TX 5V 5V VCC VCC VCC VCC VCC VCC VCC GND GND GND GND GND GND GND GND GND 20 21 22 GREEN BLUE ORANGE PURPLE WHTE YELLOW BLACK RED WHITE 23 24 25 BLACK RED WHITE 26 27 28 BLACK RED WHITE 29 30 31 32 33 34 BLACK RED WHITE BLACK RED WHITE 35 36 37 BLACK RED WHITE 38 39 40 BLACK RED WHITE NGƯỜI VẼ NGUYỄN ĐĂNG KHOA 21/07 KIỂM TRA TH.S PHẠM QUỐC PHƯƠNG BẢN VẼ MẠCH ĐIỆN 1/08 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TỈ LỆ: 1:4 MẠCH ĐIỀU KHIỂN T05 24VDC WHITE RED BLACK WHITE RED BLACK WHITE RED BLACK WHITE RED BLACK WHITE RED BLACK WHITE RED BLACK WHITE RED BLACK 0VDC 16 10 21 20 25 24 23 28 27 26 31 30 29 34 33 32 37 36 35 40 39 RL1 38 22 15 TBL3 10 11 12 TBL2 TBL1 15 32 37 36 35 40 39 16 38 BROWN BROWN BROWN BROWN BROWN BROWN RED 33 ORANGE 34 RED 29 ORANGE 30 RED 31 ORANGE 26 RED 27 ORANGE 28 RED 23 ORANGE 24 RED 25 ORANGE 20 RED 21 BROWN ORANGE 22 M M M M M M M M MA1 RC SERVO DC MA2 RC SERVO DC MA3 RC SERVO DC MA4 RC SERVO DC MA5 RC SERVO DC MA6 RC SERVO DC MA7 RC SERVO DC MA8 CONVEYOR NGƯỜI VẼ NGUYỄN ĐĂNG KHOA 21/07 KIỂM TRA TH.S PHẠM QUỐC PHƯƠNG 1/08 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM BẢN VẼ MẠCH ĐIỆN TỈ LỆ: 1:4 MẠCH ĐỘNG LỰC T06 210 21 400 Trungking 25x45 PS1 ROBOT ARM CONTROL CABINET PS2 216 MCB Trungking 25x45 215 BR2 BR1 RL1 RL2 PLC FX3U-24MT Trungking 25x45 600 Trungking 25x45 PLC STOP START DANGER E.STOP Trungking 25x45 EMERGENCY 30 141 STOP EXTERNAL FRONT VIEW TBL3 TBL2 TBL1 Trungking 25x45 INTERNAL FRONT VIEW RIGHT SIDE VIEW BOTTOM VIEW NGƯỜI VẼ NGUYỄN ĐĂNG KHOA 21/07 KIỂM TRA TH.S PHẠM QUỐC PHƯƠNG BẢN VẼ TỦ ĐIỆN 1/08 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TỈ LỆ: 1:4 TÔN TRÁNG KẼM T08 ... cứu ứng dụng phần gia cơng khí để chế tạo cánh tay robot 6/ Các kết đạt Sau tháng tìm hiểu, nghiên cứu tham khảo nhóm hoàn thành việc chế tạo cánh tay robot đa bậc phân loại sản phẩm, robot kết... cứu, chế tạo thiết kế chúng để ứng dụng lĩnh vực khác xã hội, quốc phòng, y tế, dân sinh tăng theo Vì vậy, nhóm chúng em chọn đề tài: “ Thiết kế chế tạo cánh tay robot đa bậc ứng dụng phân loại sản. .. nước để vận dụng công việc sau tốt nghiệp 1.5 Giới hạn đề tài Thiết kế chế tạo cánh tay robot đa bậc ứng dụng phân loại sản phẩm qua nghiên cứu tổng quan cánh tay robot tìm hiểu cấu tạo, nguyên