Thiết kế, chế tạo hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH Người hướng dẫn: TS Đoàn Lê Anh Sinh viên thực hiện: Trần Thanh Cường Mai Nguyễn Hoàng Lâm Mã sinh viên: 1911504410205 1911504410224 Lớp: 19CDT2 Đà Nẵng, 06/2023 TÓM TẮT Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH Sinh viên thực hiện: TRẦN THANH CƯỜNG MAI NGUYỄN HOÀNG LÂM Mã sinh viên: 1911504410205 1911504410224 Trong tình hình công nghiệp hóa, hiện đai hóa trên toàn thế giới hiện nay, cùng với sự phát triển không ngừng của nghành nông nghiệp kết hợp với máy móc hiện đại đã phần nào giảm tải sức lao động con người mà vẫn tăng năng suất chất lượng sản phẩm làm ra, song song với đó là nghành công nghiệp cũng đang tăng trưởng một cách nhanh chóng và rõ rệt tiêu biểu nhất là ứng dụng của robot công nghiệp trong sản xuất hàng hóa đã giúp cho các công ty, doanh nghiệp và các xưởng sản xuất tối giản được các quy trình sản xuất và phân loại hàng hóa mang lại sự hiểu quả và năng suất được gia tăng đáng kể Vì vậy, trong quá trình tìm hiểu với tinh thần tìm tòi, học hỏi và ứng dụng lý thuyết đã học nhóm đã lên ý tưởng “Thiết kế, chế tạo hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh” Sứ mệnh của hệ thống này là:  Thay thế nhân công trong các khâu kiểm tra, phân loại sản phẩm trên băng chuyền sản xuất  Đảm bảo năng suất liên tục, nhanh chóng, chính xác không bị gián đoạn  Tối ưu hóa chi phí vận hành của doanh nghiệp sản xuất sản phẩm Cấu trúc đồ án gồm 4 chương sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam KHOA CƠ KHÍ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ******************** NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS.Đoàn Lê Anh Sinh viên thực hiện: Trần Thanh Cường Mã SV:1911504410205 Mai Nguyễn Hoàng Lâm Mã SV:1911504410224 1 Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH 2 Các số liệu, tài liệu ban đầu: Tài liệu hướng dẫn xử lý ảnh, các số liệu và thư viện sử dụng tham khảo từ: -https://congdongopencv.blogspot.com/2018/09/tong-hop-tai-lieu-opencv-va-xu- ly-anh.html 3 Nội dung chính của đồ án: 1 Khảo sát tình hình thực tế 2 Tìm hiểu về xử lý ảnh 3 Tìm hiểu về robot công nghiệp 4 Thiết kế phần mềm 5 Thiết kế phần cứng 6 Kiểm nghiệm 4 Các sản phẩm dự kiến: Thiết kế, chế tạo hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh 5 Ngày giao đồ án: 05/02/2023 6 Ngày nộp đồ án: 17/06/2023 Đà nẵng, ngày tháng năm 2023 Trưởng bộ môn Người hướng dẫn TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam KHOA CƠ KHÍ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ******************** LỜI NÓI ĐẦU Trên Thế giới hiện nay, cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản suất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm.Song song với sự phát triển đó, công nghệ sản xuất chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng vượt bậc đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp các nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng…Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ…Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc đến ROBOT CÔNG NGHIỆP với những đặc thù mà những Robot khác không có Cánh tay robot phân loại sản phẩm với khả năng linh hoạt, độ chính xác cực cao, được ứng dụng rộng rãi trên khắp các nước trên thế giới và dần thay thế con người làm những công việc ở trong môi trường độc hại.Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc, mô hình được thiết kế còn dựa trên nhiều lý thuyết nên khó tránh được những sai sót,chúng em mong được Qúy Thầy,Cô và các bạn góp ý để có thể hoàn thiện mô hình được hoàn chỉnh hơn Em xin chân thành cảm ơn Thầy TS Đoàn Lê Anh đã giúp em hoàn thành đồ án này Đà Nẵng, Ngày 22 tháng 06 năm 2023 Sinh viên thực hiện Trần Thanh Cường Mai Nguyễn Hoàng Lâm CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh” là kết quả quá trình tự nghiên cứu của nhóm dưới sự hướng dẫn của Thầy Đoàn Lê Anh, không sao chép kết quả bất kỳ đồ án tốt nghiệp nào trước đó Đồ án tốt nghiệp có tham khảo các tài liệu, thông tin theo danh mục tài liệu tham khảo của đồ án tốt nghiệp Sinh viên thực hiện Trần Thanh Cường Mai Nguyễn Hoàng Lâm MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 1 1.2.1 Những robot sơ khai đầu tiên trên thế giới 1 1.2.2 Quá trình phát triển .2 1.3 Phương pháp nghiên cứu .2 1.4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Mục tiêu 3 CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP .4 2.1 Giới thiệu .4 2.2 Lợi ích của cánh tay robot trong phân loại sản phẩm 4 2.3 Mô hình cánh tay robot 6 2.3.1 Cánh tay robot công nghiệp 6 2.3.2 Khớp robot 6 2.3.3 Cổ tay robot 7 2.3.4 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) .7 2.3.5 Phân loại cánh tay robot 8 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH 10 3.1 Tổng quan về xử lý ảnh 10 3.1.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition) .11 3.1.2 Tiền xử lý (Image processing) 11 3.1.3 Phân đoạn ảnh (Segmentation) 11 3.1.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) 12 3.1.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) 12 3.1.6 Cơ sơ tri thức (Knowledge Base) 12 3.1.7 Mô tả 12 3.2 Những Vấn Đề Trong Xử Lý Ảnh .13 3.2.1 Điểm ảnh (Picture Element) 13 3.2.2 Ảnh số 13 3.2.3 Phân loại ảnh 13 3.2.4 Quan hệ giữa các điểm ảnh 14 3.2.5 Lọc nhiễu .15 3.2.6 Phương pháp phát hiện biên 16 3.2.7 Phân đoạn ảnh 18 3.2.8 Các phép toán hình thái Morphology 19 3.2.9 Những định dạng của ảnh 20 3.2.10 Các phần mềm hổ trợ xử lý ảnh 20 3.3 Phương pháp nhận dạng màu sắc 20 3.3.1 Giới thiệu về các không gian màu .20 3.3.2 Phương pháp nhận dạng màu sắc: 23 CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 26 4.1 Board Arduino Uno R3 26 4.1.1 Giới thiệu .26 4.1.2 Thông tin cấu hình Arduino Uno R3 26 4.1.3 Ứng dụng .30 4.2 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK .30 4.2.1 Giới thiệu .30 4.2.2 Thông số kỹ thuật 31 4.2.3 Ứng dụng .31 4.3 Động cơ DC 32 4.3.1 Giới thiệu .32 4.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 32 4.3.3 Ứng dụng .34 4.4 Động cơ Servo .34 4.4.1 Tổng quan về động cơ Serv 34 4.4.2 Động cơ Servo MG996R .37 4.4.3 Ứng dụng: 38 4.4.4 So sánh ưu nhược điểm của Servo motor và Step motor: 39 4.5 Hệ thống băng tải 40 4.5.1 Giới thiệu .40 4.5.2 Cấu tạo 41 4.5.3 Ứng dụng .41 4.6 LCD 16X2 42 4.6.1 Giới thiệu .42 4.6.2 Cấu tạo 42 4.6.3 Ứng dụng: 44 4.7 WEBCAM 44 4.7.1 Giới thiệu .44 4.7.2 Thông số kỹ thuật 44 4.7.3 Ứng dụng .44 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ PYTHON, THƯ VIỆN OPENCV VÀ ARDUINO IDE 45 5.1 GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ PYTHON VÀ THƯ VIỆN OPEN CV 45 5.1.1 Ngôn ngữ Python 45 5.1.2 Thư viện OPENCV .45 5.1.3 Lập trình xử lý ảnh trên Python 46 5.2 Giới thiệu chuẩn giao tiếp I2C 50 5.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ARDUINO IDE 53 5.3.1 Giới thiệu chung 53 CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 55 6.1 Tính chọn cấu trúc cánh tay robot 55 6.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh ta .55 6.1.2 Tính toán động học robot .55 6.2 Tính toán băng tải .59 6.2.1 Lựa chọn băng tải 59 6.3 Thiết kế hệ thống trên Creo Parametric 61 6.4 Thiết kế mạch điều khiển: 67 6.4.1 Giới thiệu phần mềm Altium Designer[1]: 67 6.4.2 Môi trường thiết kế trong Altium: 68 CHƯƠNG 7: SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN 74 7.1 Sơ đồ thuật toán chương trình chính 74 7.2 Sơ đồ thuật toán xử lý ảnh 76 CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 8.1 Kết quả 78 8.1.1 Kết quả đạt được 78 8.1.2 Những mặt hạn chế .78 8.2 Nhận xét, đánh giá 86 8.3 Hướng phát triển 86 DANH MỤC HÌNH Ả Hình 2.1: Các bộ phận của cánh tay robot 6 Hình 2.2: Các khớp robot 6 Hình 2.3: Cổ tay robot 7 Hình 2.4: Robot tọa độ Decac 8 Hình 2.5: Robot tọa độ trụ 8 Hình 2.6: Robot tọa độ cầu .8 Hình 2.7: Robot SCARA 9 Hình 2.8: Robot khớp nối 9Y Hình 3.1: Lân cận 4 và lân cận 8 14 Hình 3.2: Hình tách biên 16 Hình 3.3: Phép giản 19 Hình 3.4: Phép co 20 Hình 3.5: Không gian màu RGB 21 Hình 3.6: Không gian màu CMYK .22 Hình 3.7: Không gian màu HSV 2 Hình 4.1: Arduino Uno R3 .27 Hình 4.2: Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega 328P ứng với Arduino Uno R3 29 Hình 4.3: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 31 Hình 4.4: Động cơ DC 32 Hình 4.5: Pha 1 động cơ DC 33 Hình 4.6: Pha 2 động cơ DC 33 Hình 4.7: Pha 3 động cơ DC 33 Hình 4.8: Động cơ servo 35 Hình 4.9: Cấu tạo bên trong động cơ Servo 35 Hình 4.10: Động cơ Servo MG996R 37 Hình 4.11: Tín hiệu PWM điều khiển động cơ .38 Hình 4.12: Mô hình băng tải 40 Hình 4.13: LCD 16X2 42 Hình 4.14: Sơ đồ chân LCD16X2 4 Hình 5.1: Tạo 1 dự án trên pycharm .46 Hình 5.2: Thư viện xử lý ảnh 47 Hình 5.3: Import thư viện .47 Hình 5.4: Truy cập webcam 47 Hình 5.5: Cửa sổ trackbar 47 Hình 5.6: Mảng color HSV 48