CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Rô bốt công nghiệp Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp hóa tự động hóa, cung cấp thông tin…do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật tự động nói riêng. Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp: Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ Cộng hoà Séc có nghĩa là công việc tạp dịch. Đầu thập kỹ 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp”. Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực tin họcđiện tử, nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản suất hiện đại. 1.1.1 Ứng dụng của rô bốt công nghiệp trong sản xuất Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần năng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, cảm thấy được cả từ trường và nghe được cả siêu âm… Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn. Ngày này xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với rô bốt công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá, mức linh hoạt cao. Ở đây các rô bốt và máy được điều khiển bằng cùng một hệ thống máy và chương trình
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Báo cáo: Hệ thống điện tử thông minh Đề tài: QR code based Automated Storage and Retrieval System NGUYỄN VĂN UY – 20202611M Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Hồng Hồng Hải Bộ mơn: Cơ điện tử Viện: Cơ khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 1/2021 Mục lục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 1.2 1.3 Giới thiệu Rô bốt công nghiệp 1.1.1 Ứng dụng rô bốt công nghiệp sản xuất 1.1.2 Các khái niệm định nghĩa rô bốt công nghiệp Giới thiệu kho hàng tự động 1.2.1 Tìm hiểu chung hệ thống lưu trữ hàng hoá 1.2.2 Cấu trúc kho hàng tự động 1.2.3 Hệ thống vận chuyển Tìm hiểu mã QR code 1.3.1 Lịch sử phát triển mã vạch barcode QR code 1.3.2 Tính mã QR 10 1.3.3 Ứng dụng mã QR 12 CHƯƠNG Tổng quan hệ thống 14 2.1 2.2 Hệ thống khí 15 2.1.1 Hệ băng tải .15 2.1.2 Hệ rô bốt bậc tự .16 2.1.3 Các thành phần hệ thống khí .17 Hệ thống điều khiển 18 2.2.1 Các thành phần 19 2.2.2 Sơ đồ thuật toán .21 2.2.3 Phần mềm thiết kế giao diện mô hệ thống .22 CHƯƠNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH 23 3.1 3.2 Phần mềm thư viện 23 3.1.1 Thư viện OpenCV 23 3.1.2 Thư viện Zbar 23 3.1.3 Windowns form application 24 Mã QR ứng dụng phân loại sản phẩm 24 3.2.1 Thuật toán xây dựng mã QR 24 3.2.2 Đọc mã QR 33 CHƯƠNG KẾT LUẬN 35 Danh mục hình ảnh Hình 1.1 toạ độ suy rộng rô bốt .6 Hình 1.2 Cấu trúc rô bốt công nghiệp Hình 1.3 Rơ bốt vận chuyển hàng kho Amazon Hình 1.4 Hình ảnh kho hàng tự động ASRS Hình 1.5 Mã vạch mã QR code 10 Hình 1.6 Cấu tạo mã QR code 11 Hình 1.7 Nhiều ký tự số chia thành nhiều mã QR 12 Hình 2.1 Thành phần chung hệ thống xử lý ảnh phân loại sản phẩm 14 Hình 2.2 Hệ thống băng tải 16 Hình 2.3 Mơ hình rơ bốt .16 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 18 Hình 2.5 Bộ nguồn 19 Hình 2.6 Động servo 19 Hình 2.7 Giao diện người dùng 20 Hình 2.8 Camera xử lý ảnh 20 Hình 2.9 Cảm biến tiệm cận .21 Hình 2.10 Sơ đồ chung hệ thống 21 Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển rô bốt đặt hàng .22 Hình 3.1 Sơ đồ tạo mã QR 24 Hình 3.2 Các funtion pattern vị trí .27 Hình 3.3 kích thước Finder pattern .28 Hình 3.4 Phiên phiên 18 28 Hình 3.5 Thêm Separator 29 Hình 3.6 kích thước Alignment pattern 29 Hình 3.7 Cách đặt Alignment pattern 30 Hình 3.8 thêm Timing pattern 30 Hình 3.9 thêm Format information .31 Hình 3.10 bit thơng tin phiên (từ phiên trở lên) 31 Hình 3.11 Chiều xếp bit data 32 Hình 3.12 Thứ tự đặt bit liệu 32 Hình 3.13 Sơ đồ đọc mã QR .33 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Rô bốt công nghiệp Ngày với phát triển ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà điều khiển tự động đóng vai trị quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, cơng nghiệp hóa tự động hóa, cung cấp thơng tin…do phải nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật tự động nói riêng Sơ lược q trình phát triển robot công nghiệp: Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ Cộng hồ Séc có nghĩa cơng việc tạp dịch Đầu thập kỹ 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” Vào khoảng năm 1949, máy công cụ điều khiển số đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Trong năm sau này, việc nâng cao tính hoạt động robot khơng ngừng phát triển Các robot trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường xung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực tin học-điện tử, nhờ robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản suất đại 1.1.1 Ứng dụng rô bốt công nghiệp sản xuất Từ đời robot công nghiệp áp dụng nhiều lĩnh vực góc độ thay sức người Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt mục tiêu nhờ vào khả to lớn robot như: làm việc mệt mỏi, chịu phóng xạ mơi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, cảm thấy từ trường nghe siêu âm… Robot dùng thay người trường hợp thực công việc không nặng nhọc đơn điệu dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn Ngày xuất nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm máy CNC với rơ bốt cơng nghiệp, dây chuyền đạt mức tự động hoá, mức linh hoạt cao Ở rô bốt máy điều khiển hệ thống máy chương trình 1.1.2 Các khái niệm định nghĩa rô bốt công nghiệp Theo tiêu chuẩn AFNOR: Robot công nghiệp cấu chuyển động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục tọa độ, có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Bậc tự rô bốt: số khả chuyển động số cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở, bậc tự tính theo cơng thức: w = 6n- ∑ ip i (1.1) i=1 Ở đây: n- số khâu động pi – số khớp loại I (i=1,2,3,4,5: số bậc tự bị hạn chế) Hệ toạ độ: Mỗi rô bốt thường bao gồm nhiều khâu liên kết với qua khớp, tạo thành xích động học xuất phát từ khâu đứng yên Hệ tọa độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ tọa độ suy rộng thời điểm hoạt động, tọa độ suy rộng gọi hệ tọa độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, tọa độ suy rộng xác định cấu hình robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay Các tọa độ suy rộng gọi biến khớp Hình 1.1 toạ độ suy rộng rơ bốt Hình 1.2 Cấu trúc rô bốt công nghiệp 1.2 Giới thiệu kho hàng tự động 1.2.1 Tìm hiểu chung hệ thống lưu trữ hàng hoá Ngày trước, sản phẩm tạo cách thủ công nên việc mang sản phẩm vào kho chủ yếu thực sức người, khơng tận dụng hết khoảng không gian, sức chứa kho hàng, việc quản lý hàng hoá hiệu tốn nhiều diện tích đất làm nhà kho chứa hàng Hiện tại, giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, hệ thống đa dạng, phong phú thiết bị cách thức thực Nhưng chủ yếu sử dụng nhân cơng để bốc dỡ hàng hóa, thiết bị bốc dỡ hàng máy nâng sử dụng người lái để xếp hàng hóa vào kho Nhìn chung, nhà kho có nhược điểm sau: - Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa - Khơng phân loại hàng hóa khác (các hàng hóa thường để chung với kho) - Khơng bảo quản tốt hàng hóa số lượng nhiều (Chất hàng chồng lên nhau) - Rất khó kiểm sốt số lượng hàng hóa vào kho Với đời hệ thống lưu kho tự động, người ta quản lý tốt hàng hóa nhanh chóng việc lưu trữ xuất hàng hóa khỏi kho, hệ thống kho tự động sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, điều đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị đại cho hệ thống kho tốn nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa bù lại hàng hóa bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý kiểm soát, tiết kiệm nhân cơng Hình 1.3 Rơ bốt vận chuyển hàng kho Amazon Hình 1.4 Hình ảnh kho hàng tự động ASRS 1.2.2 Cấu trúc kho hàng tự động Cấu trúc nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc theo hành lang có hay nhiều máy xếp, dỡ tự động Hai bên hành lang khoang chứa hàng Đầu hàng lang trạm xếp dỡ Các trạm xếp dỡ liên hệ với theo hệ thống băng chuyền Nhìn chung kho tự động cấu thành từ phần: - Hệ thống vận chuyển - Hệ thống xuất nhập - Hệ thống lưu giữ 1.2.3 Hệ thống vận chuyển Hệ thống vận chuyển kho đa dạng, tùy theo yêu cầu công nghệ, hàng hóa, hình thức xuất nhập… mà có phương thức vận chuyển hàng kho tương ứng Hiện hệ thống vận chuyển kho tự động nước có áp dụng như: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ… Hệ thống băng tải sử dụng giải pháp tối ưu cho kho tự động siêu thị, công ty… băng tải mơi trường có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách Băng tải có nhiều loại loại dung để tải loại vật liệu khác Đối với nhà máy sản xuất sản phẩm hệ thống băng chuyền đơn phân phối sản phẩm cho robot cách tối ưu Nhưng với nhà máy sản xuất nhiều loại sản phẩm lúc hệ thống băng chuyền cịn thực phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp Các robot, xe tự hành thiết bị tất yếu hệ thống kho tự động Chúng di chuyển diện tích nhà kho theo trục, làm nhiệm vụ đưa hàng từ cổng nhập đến ô trống lấy hàng từ ô chứa hàng cổng xuất 1.3 Tìm hiểu mã QR code Mã QR viết tắt Quick response code (tạm dịch "Mã phản hồi nhanh") Vì người tạo có ý định cho phép mã giải mã tốc độ cao Ra đời Nhật Bản nhằm phục vụ cho ngành sản xuất ô tô Mã QR chứa thông tin theo hướng dọc ngang, Barcode chứa liệu theo hướng, đồng thời mã QR cịn chứa khối lượng thơng tin lớn so với mã vạch thông thường Mã QR dùng chuẩn mã hoá khác gồm: Số, chữ số, mã nhị phân chữ Kanji nhằm lưu trữ liệu hiệu 1.3.1 Lịch sử phát triển mã vạch barcode QR code Năm 1932 để cửa hàng tạp hố siêu thị tìm kiếm hàng hoá cách dễ dàng để theo dõi sản phảm bán hàng tồn kho, Wallace Flint, sinh viên Harvard đề xuất hệ thống thẻ đục lỗ Ý tưởng thất bại đắt rườm rà Năm 1952 Woodland Silver xây dựng đầu đọc mã vạch Cùng năm đó, sáng chế cho hệ thống mã vạch cấp Năm 1967: Hiệp hội đường sắt Mỹ bắt đầu sử dụng mã vạch cho xe ô tô Hệ thống bao gồm sọc phản quang màu xanh đỏ gắn bên cạnh xe, mã hố số nhận dạng cơng ty gồm chữ số số xe gồm chữ số Năm 1973 mã sản phẩm toàn cầu (UCP) giới thiệu, thiết lập giai đoạn cho mã vạch cất cánh Năm 1984 33% hàng hoá cửa hàng tạp hoá siêu thị Mỹ trang bị mã vạch Năm 1994 mã QR tạo công ty Toyota, Denso Wave để hỗ trợ việc theo dõi xe phận nhanh chóng Năm 2004 80 – 90% số 500 công ty hàng đầu Hoa Kỳ sử dụng mã vạch (Theo tạp chí Fortune) 1.3.2 Tính mã QR Mặc dù phát minh vào năm 1994, mã QR có mục đích để giải vấn để theo dõi thông tin sản phẩm tốt Nhưng ngày mã QR ứng dụng nhiều ngữ cảnh khác quản lý vật trưng bày bảo tàng, biển quảng cáo, mã hoá văn bản, số điện thoại, email, địa website,… Mã QR có khả lưu thơng tin lớn, chứa đến vài chục đến vài nghìn chữ số ký tự (vượt trội hoàn toàn so với mã vạch barcode truyền thống lưu khoảng 20 ký tự) Tối mã QR lưu 7089 ký tự mã hố biểu tượng Mã QR có khả xử lý nhiều loại liệu phức tạp, chẳng hạn ký tự số chữ, Kanji, Hiragana, chữ Khmer,chữ Hán, ký hiệu, mã nhị phân control codes Khả lưu trữ liệu mã QR: - Số đơn thuần: Tối đa 7089 kí tự - Số chữ (8 bit): Tối đa 2953 byte - Kanji/Kana: Tối đa 1817 kí tự Kích thước nhỏ gọn tiện dụng Barcode: Vì mã QR mang thông tin theo chiều ngang chiều dọc nên mã QR có khả mã hóa lượng liệu khoảng phần kích thướng so với Barcode Mặt khác mã QR cịn có dạng vi mã QR (micro QR code ) với khích thước nhỏ tiện dụng Hình 1.5 Mã vạch mã QR code Một tính khác vượt trội mã QR mà mã QR bị bẩn hư hại phần nhẹ khơi phục đọc liệu Bởi mã QR có mức sửa lỗi định (Sử dụng thuật toán sửa lỗi Reed-Solomon) để đảm 10