Thiết kế mô hình robot gắp vật chuyển động với thuật toán điều khiển vòng kín dùng dữ liệu hình ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỢNG HĨA THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT GẮP VẬT CHUYỂN ĐỘNG VỚI THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN DÙNG DỮ LIỆU HÌNH ẢNH GVHD: PGS.TS LÊ MỸ HÀ SVTH: HUỲNH TẤN PHÚC LÊ QUANG PHƯƠNG SKL009267 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ––––🙠🙟🕮🙝🙢–––– ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề Tài: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT GẮP VẬT CHUYỂN ĐỘNG VỚI THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN DÙNG DỮ LIỆU HÌNH ẢNH SVTH : HUỲNH TẤN PHÚC LÊ QUANG PHƯƠNG 18151104 18151106 Khóa : 2018-2022 Ngành : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GHVD : PGS.TS LÊ MỸ HÀ Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật với hướng dẫn tận tình quý Thầy/ Cơ, nhóm đồ án hồn thành đồ án tốt nghiệp Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Lê Mỹ Hà tận tình góp ý, hướng dẫn nhiệt tình q trình nhóm thực đề tài Xin gửi lời cảm ơn đến Thầy nhiều sức khỏe thành công nhiều q trình giảng dạy Nhóm em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/ Cô khoa Điện - Điện tử cho nhóm kiến thức lĩnh vực chuyên ngành, kinh nghiệm q trình làm việc nhóm tạo điều kiện cho nhóm thực đề tài hay này, tạo thêm nhiều hiểu biết cho nhóm trước trường Do trình độ kiến thức cịn hạn chế nên đề tài cịn nhiều sai sót mong Khoa - Bộ mơn q Thầy/ Cơ góp ý để đề tài nhóm thêm hồn thiện Nhóm em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè tạo điều kiện giúp đỡ nhóm nhiều để đạt kết ngày hơm ĐỜ ÁN TỚT NGHIỆP i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii MỤC LỤC HÌNH ẢNH vi MỤC LỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii CHƯƠNG TỔNG QUAN TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU XUNG PWM Khái niệm Ưu điểm Nguyên lí hoạt động Ứng dụng BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC Khái niệm Nguyên lí hoạt động GIAO TIẾP I2C Khái niệm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii Đặc điểm Hoạt động giao tiếp BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ (rời rạc) 11 Tổng quan điều khiển PID 11 Ý nghĩa công dụng 12 HIỆU CHỈNH CAMERA (Calibration Camera) 12 Khái niệm 12 Công dụng 13 Các thông số, ma trận để hiệu chỉnh camera 13 Các kiểu biến dạng 15 KHÔNG GIAN MÀU 17 Màu RGB 17 Màu HSV 18 Chuyển đổi từ RGB sang HSV 19 DỰ ĐOÁN QUỸ ĐẠO 20 CHIẾU SÁNG 21 Chiếu sáng trực tiếp 22 Chiếu sáng khuếch tán 22 Chiếu sáng góc thấp 23 Chiếu sáng phía sau 24 CHƯƠNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 25 ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT 25 Hệ tọa độ xyz 25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii Bảng động học 26 Động học thuận 27 Động học nghịch 28 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ ROBOT 31 Cơ cấu trục Z 31 Cơ cấu trục XY 34 Thiết kế chi tiết gia công 36 Thiết kế khí hồn chỉnh 41 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG 43 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 44 Sơ đồ khối 44 Khối Camera 44 Khối xử lý trung tâm 47 Khối công suất 48 Khối nguồn 55 Thi công phần điện 57 LƯU ĐỒ ĐIỂU KHIỂN 58 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 59 Ngôn ngữ Python 59 Các tính 59 Thư viện Tkinter 60 Ưu điểm 60 KHÁI QUÁT NHẬN DẠNG 61 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv Hiệu chỉnh camera 61 Làm mịn ảnh 64 Phát biên 65 Tìm đường viền 66 Kết thu sau nhận dạng hình ảnh 68 THIẾT KẾ GIAO DIỆN 69 Giao diện 70 Giao diện điều khiển thủ công 70 CHƯƠNG KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 71 KẾT QUẢ THI CÔNG PHẦN CỨNG 71 KẾT QUẢ CỦA ĐỘNG HỌC ROBOT 72 Động học thuận 72 Động học nghịch 75 Sai số lặp lại 77 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 78 Ảnh hưởng thông số Kp, Ki, Kd hệ thống 78 Đáp ứng hệ thống quỹ đạo vật thay đổi trình di chuyển 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 85 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Scara robot Denso Wave Hình 2.1: Điều chế xung PWM Hình 2.2: Mơ tả q trình chuyển từ analog qua digital Hình 2.3: Mạch ADC với so sánh Hình 2.4: Cấu tạo giao tiếp I2C Hình 2.5: Khung truyền I2C Hình 2.6: Xung Start giao tiếp I2C Hình 2.7: Trình tự truyền liệu 10 Hình 2.8: Các tham số trình chuyển từ 3D sang 2D 13 Hình 2.9: Xác định vị trị hướng máy so với tọa độ thực 14 Hình 2.10: Tọa độ mặt phẳng ảnh chuyển qua tọa độ pixcl ảnh 15 Hình 2.11: Biến dạng xuyên tâm 16 Hình 2.12: Biến dạng tiếp tuyến 17 Hình 2.13: Khơng gian màu RGB 18 Hình 2.14: Khơng gian màu HSV 19 Hình 2.15: Tọa đồ vật ảnh sau khoảng thời gian t 20 Hình 2.16: Dự đoạn quỹ đạo vật chuyển động 21 Hình 2.17: Chiều sáng trực tiếp 22 Hình 2.18: Chiếu sáng khuếch tán 22 Hình 2.19: Chiếu sáng góc thấp 23 Hình 2.20: Chiếu sáng phía sau 24 Hình 3.1: Robot mô solid 25 Hình 3.2: Hệ tọa độ Robot 26 Hình 3.3: Vít-me – đai ốc trượt 31 Hình 3.4: Vít-me đai ốc bi 32 Hình 3.5: Cấu tạo vít-me – đai ốc bi 33 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vi Hình 3.6: Vit-me đai ốc T8 34 Hình 3.7: Chuyển động đai 35 Hình 3.8: Puly 36 Hình 3.9: Dây đai 36 Hình 3.10: Đế Robot 36 Hình 3.11: Giá đỡ động trục Z 37 Hình 3.12: Giá đỡ Vitme 37 Hình 3.13: Khâu đầu robot điều khiển truc Z 38 Hình 3.14: Motor trục xoay link 38 Hình 3.15: Link chuyển động thứ robot 39 Hình 3.16: Liên kết khâu 39 Hình 3.17: Motor trục xoay khâu 39 Hình 3.18: Link thứ đầu nối cấu chấp hành 40 Hình 3.19: Cơ cấu chuyển động link thứ 40 Hình 3.20: Cơ cấu chuyển trục xy 40 Hình 3.21: Liên kết khâu robot 41 Hình 3.22: Robot hoàn chỉnh theo hướng ngang 41 Hình 3.23: Robot hồn chỉnh theo hướng từ xuống 42 Hình 3.24: Tổng quát hệ thống 43 Hình 3.25: Sơ đồ khối hệ thống 44 Hình 3.26: Cam logitech C270 44 Hình 3.27: Vị trí đặt cam logitech so với băng tải 45 Hình 3.28: Cam Rapoo C260 46 Hình 3.29: Vị trí cam Rapoo với mặt phẳng băng tải 47 Hình 3.30: Bo mạch Arduino R3 48 Hình 3.31: Động bước 48 Hình 3.32: Step motor NEMA 17 size 42 49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vii Hình 3.33: Step motor NEMA 23 size 57 49 Hình 3.34: Điều khiển dạng sóng 50 Hình 3.35: Điều khiển bước đủ 51 Hình 3.36: Điều khiển nửa bước 51 Hình 3.37: Điều khiển vi bước 52 Hình 3.38: Mạch điều khiển TB6600 52 Hình 3.39: Module L298 53 Hình 3.40: Sơ đồ khối L298 54 Hình 3.41: Mạch cầu H 55 Hình 3.42: Nguồn tổ ong Hình 3.43: Bộ nguồn Dell 56 Hình 3.44: Tủ điện hệ thống 57 Hình 3.45: Lưu đồ điều khiển 58 Hình 4.1: Lưu đồ xử lý liệu hình ảnh 61 Hình 4.2: Ảnh chụp cam đặt đối diện mặt băng tải chưa hiệu chỉnh 62 Hình 4.3: Ảnh sau cam đặt đối diện mặt băng tải hiệu chỉnh 62 Hình 4.4: Ảnh chụp cam theo phương ngang băng tải chưa đươc hiệu chỉnh 63 Hình 4.5: Ảnh sau cam Logitech hiệu chỉnh 63 Hình 4.6: Hàm Gauss 64 Hình 4.7: Ảnh làm mịn 64 Hình 4.8: Làm nhỏ cạnh 65 Hình 4.9: Ngưỡng Canny 66 Hình 4.10: Kết Quả Canny 66 Hình 4.11: Mơ tả Contour 67 Hình 4.13: Quá trình xử lý cam thu hình, tính tốn vị trí vật robot chuyển động 68 Hình 4.14: Quá trình xử lí ảnh cam tính tốn vị trí vật mặt băng tải 69 Hình 4.15: Giao diện 70 Hình 4.16: Giao diện điều khiển thủ công 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP viii chậm hay vật bị trượt robot xác định vị trí vật để di chuyển gắp đúng vật + Kết phương pháp điều khiển robot vịng kín gắp vật hình ảnh - Thay đổi quỹ đạo khoảng thời gian dài xem khả bám robot quỹ đạo vật thay đổi - Thời gian lấy mẫu T = 0.6s Hình 5.18: Biểu đồ quỹ đạo bám gắp vật robot Robot bám dược quỹ đạo vật Txl = 32.T - 25.T = 7.T Hình 5.19: Biểu đồ thay đổi quỹ đạo thịi gian 15T ĐỜ ÁN TỐT NGHIỆP 81 Khi thay đổi quỹ đạo khoảng thời gian ngắn robot bám quỹ đạo vật Tuy nhiên thời gian xác lập từ vật di chuyển ổn định lại Txl = 10.T Hình 5.20: Biểu đồ thay đổi quỹ đạo thời gian 3T Khi thay đổi quỹ đạo khoảng thời gian ngắn robot có xu hướng khơng cịn bám quỹ đạo Vì thời gian lấy mẫu robot T, thay đổi khoảng thời gian 3T, với thông số robot cần khoảng 6T để xác lập robot không bám quỹ đạo trường hợp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 82 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian nghiên cứu, thiết kế thi công, thời gian dài sử dụng hiệu chỉnh, đề tài: “Thiết Kế Mô Hình Robot Gắp Vật Chuyển Động Với Thuật Toán Điều Khiển Vòng Kín Dùng Dữ Liệu Hình Ảnh” đạt kết sau: + Thiết kế Robot hồn thiện, điều khiển với độ sai số nhỏ + Hệ thống phát phân biệt đâu vật đâu robot từ tính tốn thơng số + Bằng phương pháp hồi tiếp vịng kín dùng hình ảnh trả vị trí giải vấn đề đặt ban đầu gặp phải thực tế, vật sau chụp ảnh có lệch vị trí robot bắt vật, từ khiến cho ứng dụng Robot trước có phần hạn chế với số vật làm Việc hiệu chỉnh robot gắp vật trở nên đơn giản có điều khiển PID làm cho robot bắt xác vị trí vật mà không phụ thuộc vào toạ độ ban đầu so với phương pháp củ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Ngoài ưu điểm, nhiên hệ thống tồn vấn đề cần phải khắc phục cần cải tiến: + Nghiên cứu thêm thuật toán điều khiển khác + Sử dụng robot từ hãng từ cải thiện độ xác + Áp dụng hệ với đối tượng thực tế từ biết ưu điểm hệ so với phương pháp cũ, cũng hạn chế để đưa giải pháp cho phù hợp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà - Huỳnh Thái Hoàng (2005) Lý thuyết hệ thống điều khiển tự động, NXB Đại học quốc gia TP.HCM [2] Nguyễn Thanh Hải (2014) Xử Lý Ảnh, NXB Đại học quốc gia TP.HCM [3] PGS TS Nguyễn Trường Thịnh (2014) Kỹ thuật Robot, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM [4] Camera Calibration https://docs.opencv.org/3.4/dc/dbb/tutorial_py_calibration.html [5] Sipaseuth Suvilath, Taworn Benjanarasuth, Khamphong Khongsomboun and Noriyuki Komine, "IMC-Based PID Controllers Design for a Two-Links SCARA Robot," TENCON2011, pp.1030-1034, 2011 [6] Eray Yilmazlar and Hilmi Kuscu, "Object Tracking by PID Control and Image Processing On Embedded System," International Journal of Engineering And Science, Vol 6, pp.33-37, 2017 [7] Jesse Haviland, Feras Dayoub and Peter Corke (2020, Feb) Arxiv [Online] https://arxiv.org/pdf/2001.05650.pdf ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 84 PHỤ LỤC Code băng tải: #define enA #define in1 #define in2 #define button int rotDirection = 0; int pressed = false; void setup() { pinMode(enA, OUTPUT); pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(button, INPUT); // Set initial rotation direction digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); } void loop() { int potValue; for( int i=0;i