thiết kế chế tạo và điều khiển robot scara tích hợp camera

Nghiên cứu này sẽ không chỉ cung cấp cái nhìn sâu rộng hơn về cách mà robot SCARA có thể được tích hợp và ứng dụng trong các quy trình sản xuất, mà còn đóng góp vào việc phát triển và tố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2024

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA TÍCH HỢP CAMERA

GVHD: ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌSVTH: PHẠM NGỌC THẠCH

LÊ MINH TIẾN

NGUYỄN HOÀNG PHÚC

SKL 0 1 2 6 1 8

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌ

Nhóm sinh viên thực hiện: PHẠM NGỌC THẠCH - MSSV: 19146387

LÊ MINH TIẾN - MSSV: 19146402 NGUYỄN HOÀNG PHÚC - MSSV: 19146375

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Bộ môn Cơ điện tử

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Học kỳ I/ năm học 2023-2024 Giảng viên hướng dẫn: ThS Tưởng Phước Thọ

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Phạm Ngọc Thạch MSSV: 19146387 Điện thoại: 0379704970 2 Lê Minh Tiến MSSV: 19146402 Điện thoại: 0337810626 3 Nguyễn Hoàng Phúc MSSV: 19146375 Điện thoại: 0339469936

1 Mã số đề tài: CDT-21

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo và điều khiển robot Scara tích hợp camera 2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Robot Scara 4 bậc tự do

- Điều khiển robot Scara dựa trên lý thuyết động học của robot

3 Nội dung chính của đồ án:

- Hoàn thiện phần thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống cơ khí - Hoàn thiện thiết kế và đi dây cho hệ thống tủ điện điều khiển - Đồng bộ điều khiển giữa robot, camera và hệ thống xử lý ảnh - Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống

4 Các sản phẩm dự kiến:

- Mô hình hoàn chỉnh robot Scara 4 bậc tự do

- Tập bản vẽ cơ khí, sơ đồ mạch điện, lưu đồ và chương trình điều khiển của hệ thống

5 Ngày giao đồ án: 01/10/2023 6 Ngày nộp đồ án: 08/03/2024

7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt TRƯỞNG KHOA

2 Lê Minh Tiến MSSV: 19146402 Lớp:191462A

Địa chỉ: TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 0337810626 Email: tienduahehe@gmail.com

3 Nguyễn Hoàng Phúc MSSV: 19146375 Lớp:191462A

Địa chỉ: TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 0339469936 Email: phucnh.ds@gmail.com

4 Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): 08/03/2024

- Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình

do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.”

TP Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 03 năm 2024

Ký tên

Nhóm sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Tưởng Phước Thọ đã tận tình hướng dẫn, định hướng mục tiêu nghiên cứu cho nhóm trong thời gian tìm hiều, nghiên cứu đồ án và cũng cảm ơn thầy đã hỗ trợ các thiết bị, vật tư và không gian nghiên cứu để nhóm thực hiện đề tài và đạt được kết quả như hiện tại

Nhóm đồ án xin cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Cơ khí chế tạo máy đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức chuyên ngành, cũng như là những kinh nghiệm quý báu trong thực tiễn để nhóm có thể vận dụng và thực hiện đồ án

Ngoài ra, nhóm xin cảm ơn sự chia sẻ, hỗ trợ từ các anh chị khóa trước đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu để nhóm tham khảo thêm trong việc thực hiện đồ án

Xin chân thành cảm ơn!

Trân trọng

Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1.Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1Đối tượng nghiên cứu 2

1.4.2Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5.1Cơ sở phương pháp luận 3

1.5.2Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 3

1.6 Kết cấu của ĐATN 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5

2.1 Tổng quan về Robot gắp thả 5

2.2 Giới thiệu về Scara Robot 6

2.3 Cấu trúc của Scara Robot 7

2.4 Các đặc tính của Scara Robot 7

2.5 Ứng dụng của Scara Robot 8

2.6 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 9

2.6.1 Nghiên cứu trong nước 9

2.6.2 Nghiên cứu ngoài nước 10

2.7 Tổng quan về thị giác máy tính trong ứng dụng robot 11

2.8 Xác định vấn đề cần nghiên cứu của đề tài 13

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

3.1 Cơ sở lý thuyết về Scara Robot 14

3.1.1 Phương trình động học của Scara Robot 14

3.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí 23

3.3 Cơ sở lý thuyết về điện tử 24

3.4 Cơ sở lý thuyết về lập trình 24

3.4.1 Các giao thức điều khiển 24

3.4.2 Lý thuyết về xử lý ảnh 26

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 33

4.1 Yêu cầu thiết kế cơ khí robot 33

4.2 Sơ đồ khối của hệ thống cơ khí 33

4.3 Truyền động robot 36

4.3.1 Tính toán lựa chọn động cơ 36

4.4 Truyền động giữa các khớp nối 38

4.4.1 Phân tích bộ truyền và thiết kế cho động cơ giữa phần đế và cánh tay 1 41

4.4.2 Phân tích bộ truyền và thiết kế cho động cơ giữa cánh tay 1 và cánh tay 2 43

4.4.3 Phân tích bộ truyền và thiết kế cho động cơ giữa cánh tay 2 và khâu tịnh tiến 44

4.4.4 Phân tích bộ truyền và thiết kế cho động cơ giữa khâu tịnh tiến và tay gắp 46

4.4.3 Phân tích cụm tay gắp, tính toán lực cho tay gắp gắp vật 47

4.5 Mô phỏng chuyển động của Scara Robot trong không gian làm việc50 4.5.1 Không gian làm việc 50

4.5.2 Mô phỏng, kiểm nghiệm động học thuận nghịch sử dụng phần mềm MATLAB và SOLIDWORKS 51

CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 54

5.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển 54

5.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 54

5.3 Sơ đồ đấu dây 55

5.4 Các thành phần của hệ thống điều khiển 55

6.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển robot 65

6.4.1 Điều khiển thủ công 65

6.4.2 Điều khiển tự động 67

6.5 Chương trình điều khiển 69

6.5.1 Giao diện điều khiển 69

Bảng 5.2: Bảng thông số kỹ thuật Driver TB6600 58

Bảng 5.3: Bảng thông số kỹ thuật Driver A4988 58

Bảng 5.4: Bảng thông số kỹ thuật động cơ khớp 1 59

Bảng 5.5: Bảng thông số kỹ thuật động cơ khớp 2 59

Bảng 5.6: Bảng thông số kỹ thuật động cơ 3 60

Bảng 5.7: Bảng thông số kỹ thuật động cơ 4 60

Bảng 5.8: Bảng thông số kỹ thuật Servo MG90S 61

Bảng 5.9: Bảng thông số kỹ thuật Camera XIAOVV XVV 6320S 61

Bảng 7.1: Bảng thực nghiệm tổng quát của robot 80

Bảng 7.2: Bảng thực nghiệm tọa độ di chuyển của robot 80

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 2.1: Các loại robot pick and place 5

Hình 2.2: Robot scara của hãng ABB 6

Hình 2.3: Cấu trúc của Scara robot 7

Hình 2.4: Ứng dụng của robot scara trong lắp ráp, gắp thả 9

Hình 2.5: Phân tích trong nước 10

Hình 2.6: Phân tích ngoài nước 11

Hình 2.7: Ứng dụng xử lý ảnh trong việc sản xuất thuốc 12

Hình 2.8: Ứng dụng xử lý ảnh trong quân đội 13

Hình 3.1: Quy tắc đặt các trục tọa độ 15

Hình 3.2: Đặt hệ trục tọa độ lên các khâu của Robot 16

Hình 3.3: Cách truyền dữ liệu uart 25

Hình 3.4: Một vài ví dụ về xử lý ảnh giảm nhiễu 28

Hình 3.5: Hình ảnh mã QR Code 30

Hình 3.6: Tiêu chuẩn của mã QR Code 30

Hình 4.1: Hình ảnh tổng thể của robot scara 45

Hình 4.2: Biểu đồ hiển thị lực tác động 46

Hình 4.3: Một số hình ảnh hộp số Harmonic Drive 47

Hình 4.4: Thành phần của Harmonic drive 49

Hình 4.5: Bộ truyền đai thông thường 50

Hình 4.6: Bộ truyền đai chéo và nửa chéo 50

Hình 4.7: Cụm hộp số CSD-25-50-2UH và động cơ 57HS7630A4Thông số của hp số CSD-25-50-2UH: 51

Hình 4.8: Bản vẽ kích thước của hộp giảm tốc 52

Hình 4.9: Cụm hộp số CSF-20-50-2A-GR và động cơ 57HS5630A4 52

Hình 4.10: Bản vẽ kích thước của hộp giảm tốc 53

Hình 4.11: Bộ truyền đai răng sử dụng 2 puley 54

Hình 4.12: Hệ dẫn động cho khâu tịnh tiến 55

Hình 4.13: Khớp nối gắn cụm camera và trục tịnh tiến 56

Hình 4.14: Cụm tay gắp và phân rã của tay gắp 57

Hình 4.15: Tay gắp kẹp chặt khối vuông 58

Hình 4.16: Sơ đồ giải phóng kiên kết của tay gắp khi gắp vật 59

Hình 4.17: Servo SG90 59

Hình 4.18: Không gian hoạt động của Robot scara 60

Hình 4.19: Giao diện điều khiển mô phỏng bằng MATLAB 61

Hình 5.1: Bo mạch điều khiển STM32F411RE 65

Hình 5.8: Kết quả lắp đặt hệ thống điều khiển 71

Hình 6.1: Giao diện làm việc Arduino IDE 74

Hình 6.2: Visual studio 75

Hình 6.3: Pycharm 75

Hình 6.4: Giao diện điều khiển 79

Hình 7.1: Phần cơ khí của robot 80

Hình 7.2: Phần điện của robot 81

Hình 7.3: Nhận diện của mã qr trong tọa độ thực của vật thể 1 83

Hình 7.4: Robot di chuyển tới vị trí vật thể 1 và gắp vật 84

Hình 7.5: Nhận diện của mã qr trong tọa độ thực của vật thể 2 85

Hình 7.6: Robot di chuyển tới vị trí vật thể 2 và gắp vật 85

Sơ đồ 4.1: Sơ đồ khối hệ thống cơ khí 32

Sơ đồ 4.2: Sơ đồ khối mô hình điều khiển với Matlab Simulink 45

Sơ đồ 5.1: Sơ đồ khối phần cứng 64

Sơ đồ 5.2: Sơ đồ đấu dây 65

Sơ đồ 6.1: Sơ đồ khối phần mềm 73

Sơ đồ 6.2: Lưu đồ điều khiển robot chế độ thủ công 76

Sơ đồ 6.3: Lưu đồ lưu vị trí 77

Sơ đồ 6.4: Lưu đồ chạy giữa các vị trí đã lưu 77

Sơ đồ 6.5: Lưu đồ điều khiển robot chế độ tự động 78

Sơ đồ 6.6: Lưu đồ điều khiển robot chế độ tự động có thể chọn vị trí gắp 79Sơ đồ 6.7: Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh 84

Sơ đồ 6.8: Biễu diễn 2 hệ trục tọa độ lên trên mặt phẳng 86

LED Light-Emitting Diode

OpenCV Open Source Computer Vision CAD Computer-Aided Design GUI Graphic User Interface USB Universal Serial Bus

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là một trong những loại robot công nghiệp phổ biến và đa dụng Với cấu trúc tay robot có khả năng di chuyển nhanh chóng và linh hoạt trong không gian hai chiều, SCARA thường được ứng dụng rộng rãi trong lắp ráp sản phẩm, vận chuyển và xử lý các công việc yêu cầu định vị cụ thể

Tuy nhiên, mặc dù có những ưu điểm rõ rệt, robot SCARA cũng gặp phải những hạn chế Trước hết, độ chính xác của nó không thể so sánh được với một số loại robot khác, đặc biệt trong việc xử lý sản phẩm có yêu cầu về chi tiết cực nhỏ Các sản phẩm như vít, ốc vít, hay những sản phẩm có kích thước rất nhỏ thường đòi hỏi độ chính xác cao và điều này có thể làm giảm hiệu suất hoặc đòi hỏi thêm quy trình kiểm tra sau cùng để đảm bảo chất lượng

Hiện trên thế giới đang có 2 cấu hình của camera và robot scara Đó là camera gắn kế bên đầu công tác và camera gắn cố định ở ngoài Ở việt nam thì việc ứng dụng camera gắn cố định ở ngoài đã và đang thực hiện trong các nhà máy xí nghiệp để có thể phân loại hàng hóa Có thể nói là khá phổ biến nhưng hiện tại camera gắn tích hợp chung với scara thì vẫn còn hạn chế và chưa phổ biến Việc tích hợp camera vào đầu công tác có thể ứng dụng vào y tế, quay phim dựng hình cũng như có thể phân loại được hàng hóa Nên nhóm

chúng em đã chọn đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN

ROBOT SCARA TÍCH HỢP CAMERA” Việc tích hợp camera vào robot

sẽ cải thiện nhiều việc mà camera cố định gắn ở ngoài sẽ không thể làm được

1.2.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Trong lĩnh vực nghiên cứu về robot và tự động hóa, việc áp dụng và phát triển robot SCARA trong ngành công nghiệp vẫn là một hướng đi quan trọng và đầy tiềm năng Nghiên cứu này sẽ không chỉ cung cấp cái nhìn sâu rộng hơn về cách mà robot SCARA có thể được tích hợp và ứng dụng trong các quy trình sản xuất, mà còn đóng góp vào việc phát triển và tối ưu hóa hiệu suất của chúng

- Ý nghĩa thực tiễn:

• Trong ngành công nghiệp, việc sử dụng robot SCARA có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của quy trình sản xuất thông qua

việc phân loại và đóng gói sản phẩm Điều này góp phần tối ưu hóa tốc độ và độ chính xác, từ đó giúp tăng năng suất và giảm thiểu lãng phí trong sản xuất

• Ngoài ra, thông qua nghiên cứu này, người đọc và các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về cấu trúc, nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng cụ thể của robot SCARA trong việc phân loại sản phẩm thông qua việc sử dụng hệ thống xử lý ảnh • Tính chất đầu tiên của việc nghiên cứu thường không hoàn

hảo, và nghiên cứu về robot SCARA cũng không nằm ngoại lệ Tuy nhiên, kết quả đồ án này có thể tạo nền tảng vững chắc, cung cấp thông tin và dữ liệu quan trọng cho các nghiên cứu sau này, từ đó giúp hướng dẫn và thúc đẩy các dự án nghiên cứu tiếp theo một cách hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là xây dựng và phát triển một robot SCARA đầy đủ với cả các thành phần cơ khí và hệ thống điện Ngoài ra, việc thiết kế phần mềm điều khiển cho robot cũng như nghiên cứu về hệ thống xử lý ảnh để nhận dạng và phân loại sản phẩm là mục tiêu chính của dự án này

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

• Tổng quan về robot SCARA và điểm đặc trưng của loại robot này • Nghiên cứu về lý thuyết và tính toán động học, cả thuận và nghịch của

robot SCARA để hiểu rõ về cách hoạt động của nó

• Thiết kế và sản xuất một mô hình cơ khí của robot SCARA, bao gồm các thành phần cần thiết cho việc thử nghiệm và nghiên cứu

• Phát triển phần mềm điều khiển cho robot SCARA, mục tiêu là tối ưu hóa khả năng điều khiển và hoạt động của robot

• Nghiên cứu về thuật toán xử lý ảnh tích hợp camera và cách tích hợp với phần mềm điều khiển của robot SCARA để có khả năng phân loại sản phẩm

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Đồ án tập trung vào việc thiết kế và phát triển robot SCARA có khả năng gắp và đặt sản phẩm, sử dụng hệ thống xử lý ảnh để thực hiện quy trình phân loại sản phẩm Ứng dụng của robot này có thể là trong các quy trình sản xuất, đặc biệt là việc phân loại và đóng gói các sản phẩm như bánh, kẹo

và các mặt hàng tương tự trong môi trường nhà máy công nghiệp Mục tiêu chính là tự động hóa các công đoạn này, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và tăng cường hiệu suất, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào sự can thiệp của con người

1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Đồ án dựa trên lý thuyết động lực học của robot SCARA để xây dựng cơ sở lý thuyết và sử dụng phương pháp hình học để tính toán động học của robot trong cả trạng thái di chuyển thuận và nghịch Từ đó, áp dụng tính toán này để thiết kế cơ khí và lập trình hệ thống điều khiển cho robot Ngoài ra, dự án cũng dựa trên lý thuyết xử lý ảnh số để có khả năng xử lý và nhận diện sản phẩm cần phân loại

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

• Phương Pháp Thu Thập Số Liệu: Dự án sử dụng một loạt các phương pháp thu thập số liệu, bao gồm các kỹ thuật quan sát trực tiếp trong môi trường thực tế, thăm dò ý kiến từ các chuyên gia, cũng như việc sử dụng thiết bị và công nghệ phù hợp để thu thập dữ liệu số và dữ liệu từ các nguồn tin cậy và đáng tin cậy

• Phương Pháp Toán Học: Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi áp dụng các phương pháp toán học đa dạng như phương pháp đại số, tính toán đạo hàm và tích phân, phân tích và giải các phương trình, cũng như sử dụng các công cụ thống kê và mô hình hóa số liệu để hiểu rõ hơn về các quy trình và dữ liệu thu thập được

• Phương Pháp Phân Tích và Tổng Hợp: Sau khi thu thập số liệu và áp dụng các phương pháp toán học, chúng tôi tiến hành phân tích sâu hơn để hiểu và đánh giá các mẫu dữ liệu Qua quá trình này, chúng tôi tổng hợp thông tin từ các nguồn khác nhau, xác định các mối liên hệ và xu hướng trong dữ liệu để rút ra kết luận và đưa ra các giải pháp hoặc khuyến nghị có ý nghĩa cho dự án

1.6 Kết cấu của ĐATN

ĐATN bao gồm 7 chương:

− Chương 1: Giới Thiệu

Trình bày sự cấp thiết và ý nghĩa của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi và đối tượng của dự án, cũng như các phương pháp và cấu trúc chung của đề tài

− Chương 2: Tổng Quan về Nghiên Cứu

Tóm tắt thông tin cơ bản về robot SCARA, bao gồm các khái niệm, cấu trúc, và các nghiên cứu liên quan đến robot này ở trong và ngoài nước

− Chương 3: Cơ Sở Lý Thuyết

Đề cập đến các kiến thức lý thuyết cần thiết cho việc thực hiện dự án, bao gồm các phương trình động học của robot SCARA, các phương pháp điều khiển và kiến thức cơ bản về cơ khí, điện tử, và lập trình

− Chương 4: Thiết Kế Cơ Khí

Trình bày yêu cầu và quy trình thiết kế cơ khí cho robot SCARA, bao gồm sơ đồ khối, cấu trúc truyền động, khớp nối, không gian hoạt động và kết quả gia công lắp ráp

− Chương 5: Hệ Thống Điện Điều Khiển

Mô tả yêu cầu và quy trình thiết kế hệ thống điện điều khiển cho robot SCARA, bao gồm sơ đồ khối, bộ điều khiển, động cơ truyền động, cơ cấu chấp hành, hệ thống cung cấp năng lượng, các cảm biến và hệ thống xử lý ảnh

− Chương 6: Hệ Thống Phần Mềm

Trình bày yêu cầu của hệ thống phần mềm, bao gồm sơ đồ khối, lưu đồ giải thuật của phần mềm điều khiển, phần mềm trên bo mạch phụ, máy tính, xử lý ảnh và phần mềm tương tác người dùng

− Chương 7: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Tổng hợp kết quả của dự án, đánh giá ưu và nhược điểm của hệ thống, và đề xuất hướng phát triển tiềm năng của dự án trong tương lai

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan về Robot gắp thả

Trong thời gian gần đây, việc áp dụng hệ thống tự động hóa đã trở thành điều phổ biến không chỉ trong các nhà máy công nghiệp lớn mà còn ở các nhà máy nhỏ Công nghệ tự động hóa ngày càng thay thế các quy trình làm thủ công trong quá trình sản xuất với mục tiêu tăng cường năng suất và chất lượng sản phẩm

Robot gắp thả, hay còn được biết đến với tên gọi "Pick and Place Robot", là một trong những thiết bị tự động thay thế vai trò của con người trong quá trình sản xuất Các robot này thường được sắp xếp tại nhiều vị trí khác nhau trong dây chuyền sản xuất tự động và đảm nhận những nhiệm vụ cụ thể Với hệ thống điều khiển tích hợp thị giác thông minh, chúng có khả năng nhận diện và xử lý các đặc điểm riêng của từng sản phẩm, từ đó gắp và di chuyển chúng theo yêu cầu Không chỉ được sử dụng trong các nhà máy, robot gắp thả còn thường được áp dụng để tải, xếp gói hàng có trọng lượng lớn lên đến hàng chục kílogam trong các môi trường hậu cần như nhà kho, tàu thuyền và các ứng dụng khác

Hình 2.1: Các loại robot pick and place

Trong thực tế hiện nay, có nhiều loại robot gắp thả khác nhau như cánh

tay robot 6 bậc, Cartesian Robot, SCARA Robot và Delta Robot,… Trong số đó, Scara Robot đáng chú ý với thiết kế đặc biệt cho phép nó thực hiện các thao tác gắp và thả sản phẩm với tốc độ và độ chính xác rất cao

2.2 Giới thiệu về Scara Robot

"Robot SCARA, hay còn gọi là Selective Compliance Assembly Robot Arm, xuất hiện từ Nhật Bản vào những năm 1980 Ban đầu, nó được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong ngành công nghiệp sản xuất của đất nước này Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, cần có những giải pháp tự động hóa linh hoạt và hiệu quả

SCARA Robot được thiết kế với khả năng di chuyển trong một phạm vi hình tròn hoặc oval, với hai trục xoay song song và một trục dọc để thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi độ chính xác cao trong sản xuất công nghiệp Với cấu trúc này, nó có thể thực hiện các tác vụ như lắp ráp, đóng gói, và kiểm tra chất lượng sản phẩm một cách chính xác và nhanh chóng

Mục tiêu ban đầu của robot SCARA là tối ưu hóa quy trình sản xuất thông qua sự linh hoạt và khả năng thích nghi trong việc thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại Trong vài thập kỷ qua, tính linh hoạt, độ chính xác cao cùng với khả năng tương tác linh hoạt đã giúp SCARA Robot trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp, không chỉ ở Nhật Bản mà còn trên toàn thế giới, được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và tự động hóa."

Hình 2.2: Robot scara của hãng ABB

2.3 Cấu trúc của Scara Robot

• Bệ cố định: Thường là một nền tảng cứng chắc, có thể là hình vuông hoặc hình tròn Ở mỗi góc của hình vuông, có các khớp quay cố định để tạo nền tảng vững chắc cho robot

• Tấm di chuyển: Tấm di chuyển thường có hình tam giác hoặc hình vuông nhỏ hơn so với bệ cố định Nó chứa các khớp bi tương ứng với cánh tay truyền động và được sử dụng để thực hiện chuyển động

• Cánh tay truyền động: SCARA Robot thường sử dụng 2 cánh tay truyền động, mỗi cánh tay có thể di chuyển theo hình dạng R2R (R là khớp dẫn động) Một đầu của mỗi cánh tay được nối với khớp quay ở bệ cố định, và đầu còn lại được nối với tấm di chuyển, tạo ra khả năng di chuyển và linh hoạt

• Các khớp quay: Các khớp quay giữa cánh tay và bệ cố định cung cấp khả năng di chuyển và linh hoạt cho robot trong quá trình làm việc

• Động cơ: SCARA Robot thường được trang bị động cơ gắn trên bệ cố định Mỗi động cơ điều khiển một cánh tay truyền động cụ thể, cung cấp sức mạnh và chuyển động cho robot

Đây là cấu trúc cơ bản của SCARA Robot, giúp nó thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường sản xuất và lắp ráp với độ chính xác và linh hoạt

Hình 2.3: Cấu trúc của Scara robot

2.4 Các đặc tính của Scara Robot

• Độ chính xác cao: SCARA Robot được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ với độ chính xác cao trong quá trình lắp ráp và sản xuất Điều này giúp chúng phù hợp cho các ứng dụng cần độ chính xác cao trong ngành công nghiệp

• Tốc độ nhanh: SCARA Robot thường có khả năng di chuyển nhanh, hoàn thành các chu trình công việc trong thời gian ngắn, tăng năng suất sản xuất

• Khả năng lặp lại công việc: Chúng có khả năng lặp lại các chu trình công việc một cách chính xác và đáng tin cậy, giúp duy trì độ chính xác và hiệu suất trong quá trình sản xuất hàng loạt

• Khả năng linh hoạt: Mặc dù SCARA Robot thường được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể, chúng vẫn có khả năng linh hoạt trong việc thực hiện nhiều loại công việc khác nhau

• Kích thước nhỏ gọn: Thường có kích thước nhỏ hơn so với các loại robot công nghiệp khác, điều này làm cho chúng phù hợp hơn trong các không gian làm việc hạn chế

• Tính khả dụng cao: SCARA Robot thường dễ dàng được tích hợp vào các dây chuyền sản xuất tự động và có thể thực hiện nhiều loại công việc từ lắp ráp sản phẩm đến đóng gói

2.5 Ứng dụng của Scara Robot

• Sản xuất và lắp ráp: Robot SCARA thường được sử dụng trong quá trình sản xuất và lắp ráp sản phẩm điện tử, ô tô, đồ điện gia dụng và các sản phẩm công nghiệp khác Chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp có độ chính xác cao

• Đóng gói và đóng chai: Trong ngành công nghiệp thực phẩm và đóng gói, robot SCARA có thể được sử dụng để đóng gói sản phẩm, đóng nắp chai, sắp xếp sản phẩm vào hộp hoặc túi, tạo gói sản phẩm v.v

• Sản xuất điện tử: Trong ngành công nghiệp điện tử, robot SCARA có thể được sử dụng để lắp ráp các linh kiện nhỏ, thực hiện kiểm tra chất lượng, hoặc thậm chí là thực hiện quá trình hàn

• Kiểm tra và kiểm soát chất lượng: Robot SCARA có thể được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra chất lượng, kiểm tra sản phẩm hoặc thậm chí là kiểm tra lỗi trong quá trình sản xuất

• Dệt may và ngành công nghiệp dược phẩm: Trong các ngành công nghiệp như dệt may và dược phẩm, robot SCARA có thể được sử dụng để thực hiện các công việc như đóng gói sản phẩm, sắp xếp sản phẩm hoặc thậm chí là vận chuyển sản phẩm

• Robot hỗ trợ: Robot SCARA cũng có thể được sử dụng như robot hỗ trợ trong các môi trường sản xuất để nâng cao hiệu suất và giảm tải lao động cho con người

Hình 2.4: Ứng dụng của robot scara trong lắp ráp, gắp thả

2.6 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

Nghiên cứu về robot SCARA đã thu hút sự quan tâm của nhiều nước trên thế giới, bao gồm cả Việt Nam Ở Việt Nam, có một số nỗ lực trong việc nghiên cứu và áp dụng robot SCARA trong các ngành công nghiệp khác nhau

2.6.1 Nghiên cứu trong nước

Các viện nghiên cứu, trường đại học và các công ty công nghệ tại Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu và phát triển về robot SCARA Các dự án này thường tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất sản xuất, nâng cao độ chính xác và tính linh hoạt của robot SCARA để có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau trong nước

Hình 2.5: Phân tích trong nước

2.6.2 Nghiên cứu ngoài nước

Trên toàn thế giới, nghiên cứu về robot SCARA cũng đang phát triển mạnh mẽ Các nước như Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc, Đức và Hàn Quốc đều đang dẫn đầu trong lĩnh vực này Các công ty lớn trong ngành công nghiệp robot như Fanuc, ABB, Yaskawa và Kawasaki thường là những đơn vị tiên phong trong nghiên cứu, phát triển và sản xuất robot SCARA có hiệu suất cao

Nghiên cứu toàn cầu xoay quanh việc tối ưu hóa thiết kế, tính linh hoạt, sự an toàn và ứng dụng của robot SCARA trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất, dược phẩm, điện tử và đóng gói Mục tiêu là cải thiện hiệu suất và khả năng tích hợp của robot này vào quy trình sản xuất công nghiệp một cách linh hoạt và hiệu quả

Hình 2.6: Phân tích ngoài nước

2.7 Tổng quan về thị giác máy tính trong ứng dụng robot

Trong thời gian gần đây, công nghệ thị giác máy tính đã có sự tiến triển đáng kể thông qua việc phát triển các thuật toán xử lý ảnh, đặc biệt là trong việc nhận diện và phân loại hình ảnh Những thuật toán này có thể được tích hợp vào các hệ thống robot để áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau Sử dụng thị giác máy tính giúp robot trở nên linh hoạt hơn, phản ứng nhanh chóng với thay đổi trong môi trường và hiểu biết rõ ràng hơn về môi trường xung quanh, từ đó thực hiện các thao tác với độ chính xác cao hơn Tích hợp hệ thống thị giác máy tính mang lại nhiều ưu điểm như tăng cường năng suất, nâng cao độ chính xác và chất lượng, giảm lãng phí vật liệu và chi phí sản xuất

Thông tin từ hệ thống thị giác máy tính thường được thu thập từ một hoặc nhiều camera, sau đó được xử lý bởi bộ xử lý trung tâm (thường là máy tính có khả năng tính toán mạnh mẽ) Dữ liệu cần thiết sau đó được trích xuất và gửi đến bộ điều khiển của robot Những thông tin này có thể là màu sắc, hình dạng, cấu trúc, biểu đồ, tọa độ 2D hoặc tọa độ 3D Điều này dẫn đến việc xử lý ảnh đã được áp dụng và phát triển rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như:

• Sản xuất: phân loại, sắp xếp và đóng gói sản phẩm

• Quân sự: kiểm tra lỗi của các sản phẩm quân sự như đạn, súng, lựu đạn,

• Bảo mật: nhận diện khuôn mặt, giới tính, tuổi tác, cử chỉ và hành động của người, vật,

• Y tế: xử lý ảnh y sinh, chụp X-Quang, MRI,

Hình 2.7: Ứng dụng xử lý ảnh trong việc sản xuất thuốc

Hình 2.8: Ứng dụng xử lý ảnh trong quân đội

2.8 Xác định vấn đề cần nghiên cứu của đề tài

Sau khi xem xét nhiều nguồn tư liệu về SCARA Robot từ trong và ngoài nước, đề tài này nhằm giải quyết các vấn đề cụ thể sau cho robot SCARA:

• Đề xuất ý tưởng và thực hiện mô hình cơ khí của SCARA Robot dựa trên lý thuyết về lực, hình học và phương trình động học

• Xây dựng thuật toán xử lý ảnh cho hệ thống nhận diện của SCARA Robot để phân loại sản phẩm trong quy trình sản xuất tự động

• Trình bày thuật toán điều khiển, đưa ra giải pháp để tối ưu hóa hệ thống điều khiển của SCARA Robot

Kết quả của nghiên cứu này hy vọng sẽ giúp độc giả hiểu cơ bản về nguyên lý và cấu trúc của một SCARA Robot, cũng như quy trình phân loại sản phẩm sử dụng hệ thống xử lý ảnh Ngoài ra, đây cũng có thể được sử dụng làm tư liệu tham khảo, tạo cơ sở cho việc nghiên cứu và phát triển các dự án liên quan trong tương lai

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cơ sở lý thuyết về Scara Robot

3.1.1 Phương trình động học của Scara Robot a Xác định số bậc tự do cho robot

Đối“với việc di chuyển trên mặt phẳng robot cần ít nhất 2 trục để robot có thể di chuyển đến bất kì điểm nào trong giới hạn hành trình làm việc Trong đề tài này, với việc thiết kế robot có thể hút vật trong không gian robot cần phải có tối thiểu 3 trục để có khả năng di chuyển đến mọi điểm nên nhóm đã lựa chọn robot có 4 bậc tự do để thực hiện đề tài.”

b Các thông số kỹ thuật của robot

Khâu 4 Theta4 -180 đến 180

Bảng 3.2: Bảng phạm vi hoạt động

c Phương trình động học thuận Robot

Tính toán động học của robot dựa vào phương pháp lập bảng Hertenberg

Denavit-Phương trình động học robot công nghiệp là phương trình mô tả quy luật thay đổi hướng và vị trí của khâu tác động cuối so với các biến khớp

Trên tay máy robot công nghiệp có 2 dạng khớp là: Khớp tịnh tiến và

khớp quay Biến khớp chính là các góc quay và các lượng tịnh tiến của các khớp quay và khớp tịnh tiến

Khi cho biết trước giá trị của các khớp quay và các lượng tịnh tiến này, thay vào phương trình động học robot công nghiệp ta sẽ có hướng và vị trí các khâu công tác

Quy tắc đặt các trục tọa độ

•Z i cùng hướng với hướng của trục khớp i+1

•X i cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục Z i−1và trục Z i

• Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x

đã được xác định của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải

• Hệ tọa độ gốc: X 0 được chọ tùy ý vuông góc với Z 0

Quy tắc dời trục tọa độ theo Denavit – Hartenberg:

• Tịnh tiến một đọan di theo trục Zi-1 để Xi-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của Zi-1 chứa Xi

• Quay một góc θi quanh trục Zi-1 để Xi-1 cùng phương với Xi • Tịnh tiến 1 đoạn αi theo trục Xi-1 để Xi-1 ≡ Xi

• Quay 1 góc αi quanh trục Xi-1 (≡ Xi ) để Zi-1≡ Zi

Hình 3.1: Quy tắc đặt các trục tọa độ

Hình 3.2: Đặt hệ trục tọa độ lên các khâu của Robot Ta lập bảng được bảng D-H như sau:

𝑠𝑖𝑛 𝛼0

𝑐𝑜𝑠 𝛼0

𝛼 𝑐𝑜𝑠

𝛼 𝑠𝑖𝑛 

]

Thế lần lượt các giá trị trong bảng D-H ta được các ma trận chuyển đổi như

bên dưới Gọi 1 , 2, 4 là t1, t2 và t4

𝐻01 = [

𝑐𝑜𝑠1 −𝑠𝑖𝑛1 0𝑠𝑖𝑛 𝑐𝑜𝑠1 0

𝑠𝑖𝑛 𝛼0

𝑙1 𝑐𝑜𝑠1𝑙1 𝑠𝑖𝑛 1

]

𝐻12 = [

𝑐𝑜𝑠 2 𝑠𝑖𝑛 2 0𝑠𝑖𝑛 2 −𝑐𝑜𝑠 2 0

𝑙2 𝑐𝑜𝑠 2𝑙2 𝑠𝑖𝑛  2

]

𝐻23 = [

𝑐𝑜𝑠 3 −𝑠𝑖𝑛 3 0𝑠𝑖𝑛 3 𝑐𝑜𝑠 3 0

1]

𝐻34 = [

𝑐𝑜𝑠 4 −𝑠𝑖𝑛 4 0𝑠𝑖𝑛 4 𝑐𝑜𝑠 4 0

1]

Ma trận chuyển vị tổng:

𝐻04 = 𝐻01 𝐻12 𝐻23 𝐻34

𝐻04 = [

𝑐𝑜𝑠( 1 + 2 −  4) 𝑠𝑖𝑛( 1 + 2 −  4) 0𝑠𝑖𝑛( 1 + 2 −  4) −𝑐𝑜𝑠( 1 + 2 −  4) 0

𝑙2 ∗ 𝑐𝑜𝑠( 1 + 2) + 𝑙1 ∗ 𝑐𝑜𝑠( 1))𝑙2 ∗ 𝑠𝑖𝑛( 1 + 2) + 𝑙1 ∗ 𝑠𝑖𝑛( 1))

210 − 𝑑31

ngược, quy luật chuyển động của khâu thao tác (các tọa độ định vị) đã biết, cần xác định các tọa độ khớp (biến khớp) Bài toán động học ngược có thể giải bằng nhiều phương pháp khác nhau Ở đây, em xin trình bày phương pháp Giải tích

Với động học ngược vị trí cho robot 4 bậc tự do, ở trường hợp này là Robot lắp ráp

Đầu vào cần xác định là: tọa độ điểm tác động cuối: P=( Px, Py, Pz) Thông số cần xác định: Các biến khớp (1 ,2 ,4 , *

Bình phương 2 vế phương trình (1) và (2), ta có:

𝑃𝑥2+ 𝑃𝑦2 = 𝑙12+ 𝑙22+ 2 𝑙1 𝑙2 cos(𝑡1) cos(𝑡1+ 𝑡2)+ 2 𝑙1 𝑙2 sin(𝑡1) sin(𝑡1+ 𝑡2)𝑃𝑥2+ 𝑃𝑦2 = 𝑙12+ 𝑙22+ 2 𝑙1 𝑙2 cos(𝑡2)

𝑃𝑦 = 𝑙1 sin(𝑡1) + 𝑙2 sin(𝑡1) cos(𝑡2) + 𝑙2 cos(𝑡1) sin (𝑡2)

Biến 2 phương trình (1) và (2) thành hệ phương trình mới với 2 ẩn cos(t1) và sin(t1)

Ta có 𝑃𝑥 = cos(𝑡1) (𝑙1+ 𝑙2 cos(𝑡2)) + sin(𝑡1) (−𝑙2 sin (𝑡2) 𝑃𝑦 = cos(𝑡1) (𝑙2 sin(𝑡2)) + sin(𝑡1) (𝑙1+ 𝑙2 cos (𝑡2) [𝑃𝑃𝑥

𝑦]=[𝑙1 + 𝑙2 𝑐𝑜𝑠(𝑡𝑙2 𝑠𝑖𝑛(𝑡 2) −𝑙2 𝑠𝑖𝑛(𝑡2)

2) 𝑙1 + 𝑙2 𝑐𝑜𝑠(𝑡2)].[𝑠𝑖𝑛 (𝑡𝑐𝑜𝑠(𝑡1)

1)] Áp dụng phương pháp cramer ta tính được t1 như sau :

𝐶𝑜𝑠(𝑡1) = 𝑃𝑥.(𝑙1+𝑙2.cos(𝑡2))+𝑃𝑦.𝑙2.sin (𝑡2)

𝑆𝑖𝑛(𝑡1) =𝑃𝑦.(𝑙1+𝑙2.cos(𝑡2))−𝑃𝑥.𝑙2.sin (𝑡2)

Từ (7),(8) ta có :

𝑇1 = 𝑎𝑡𝑎𝑛2(sin(𝑡1) , cos(𝑡1)) (9)

𝑃𝑧 = 𝐷0− 10 − 13

** Hướng của khâu thao tác

Sử dụng ma trận định hướng của khâu thao tác là ma trận Cardan: [

cos 𝛼 sin 𝛽 − cos 𝛽 sin µ sin 𝛽sin 𝛼 sin 𝛽 cos µ + cos 𝛼 sin µ

− cos 𝛼 sin 𝛽 cos µ + sin 𝛼 sin µ

− sin 𝛼 sin 𝛽 sin µ + cos 𝛼 cos µcos 𝛼 sin 𝛽 sin µ + sin 𝛼 cos µ

− sin 𝛼 cos 𝛽cos 𝛼 cos 𝛽

]

Ma trận Cosin chỉ hướng của khâu thao tác là: 𝑅40 = [

𝑐𝑜𝑠 𝜃124 −𝑠𝑖𝑛 𝜃124 0𝑠𝑖𝑛 𝜃124 𝑐𝑜𝑠 𝜃124 0

− cos 𝛼 sin 𝛽 cos µ + sin 𝛼 sin µ

− sin 𝛼 sin 𝛽 sin µ + cos 𝛼 cos µcos 𝛼 sin 𝛽 sin µ + sin 𝛼 cos µ

− sin 𝛼 cos 𝛽cos 𝛼 cos 𝛽

]

=[

𝑐𝑜𝑠 𝜃124 −𝑠𝑖𝑛 𝜃124 0𝑠𝑖𝑛 𝜃124 𝑐𝑜𝑠 𝜃124 0

Ta có: [𝐽] =

= [

−𝑙2𝑆1− 𝑙3𝑆12𝑙2𝐶1+ 𝑙3𝐶12

0]

[ 𝑣𝑥

𝑣𝑧] = [𝐽] [Ɵ1̇

𝑙1̇Ɵ2̇

Bình phương vận tốc, ta có: 𝑣12 =1

Động năng khâu 1: K1 = 1

2Ɵ̇12Thế năng khâu 1:

Vận tốc khối tâm khâu 2 là:

v2 = 𝑥2̇ = [

𝑙2𝐶1Ɵ1̇ +1

2𝑙3𝐶12(Ɵ1̇ + Ɵ2̇ )𝑙2𝑆1Ɵ1̇ +1

2𝑙3𝑆12(Ɵ1̇ + Ɵ2̇ )0

Bình phương vận tốc, ta có: 𝑣22 = 𝑙22Ɵ̇12+1

4𝑙32(Ɵ̇12+ 2Ɵ̇1Ɵ̇2+ Ɵ̇22) + 𝑙2𝑙3Ɵ̇1(Ɵ̇1+ Ɵ̇2)𝐶2Động năng khâu 2:

K2 = 1

2𝑚2𝑣22 + 1

2𝐼2𝜔22 =1

𝑙2𝐶1+1

2 𝑐𝑑3− 𝑑3]

Vận tốc khối tâm khâu 3:

v3 = 𝑥3̇ = [

−𝑙2𝜃1̇ 𝑆1−1

2𝑙3(𝜃1̇ + 𝜃2̇ 𝑆) 12𝑙2𝜃1̇ 𝐶1+1

2𝑙3(𝜃1̇ + 𝜃2̇ 𝐶) 12− 𝑑̇3 ]

(22)

Bình phương vận tốc, ta có:

𝑣32 = 𝑙22𝜃12̇ + 1

4𝑙32(𝜃1̇ + 𝜃2̇ )2+ 𝑙2𝑙3𝜃1̇ (𝜃1̇ + 𝜃2̇ )𝐶2+ 𝑑̇32Động năng khâu 3:

K3 = 1

2𝑚3𝑣32 + 1

=1

8𝑚3𝑙32(Ɵ̇12+ 2Ɵ̇1Ɵ̇2+ Ɵ̇22) +1

2𝑚3𝑙2𝑙3Ɵ̇1(Ɵ̇1+Ɵ̇2)𝐶2+ 1

2𝑚3 𝑑̇32+1

12𝑚3𝑙32) (Ɵ̇12+ 2Ɵ̇1Ɵ̇2+ Ɵ̇22) =1

2(Ɵ̇12+ 2Ɵ̇1Ɵ̇2+ Ɵ̇22)+1

2𝑚3𝑙2𝑙3Ɵ̇1(Ɵ̇1+ Ɵ̇2)𝐶2+ 12𝑚3𝑑3̇

6𝑚2𝑙32(Ɵ̇12+ 2Ɵ̇1Ɵ̇2+Ɵ̇22) +1

𝜕𝐿𝜕𝜃1̇ =1

3𝑚1𝑙22Ɵ̇1+ 𝑚2𝑙22Ɵ̇1+1

3𝑚2𝑙32(Ɵ̇1+ Ɵ̇2) +

𝑚2𝑙2𝑙3Ɵ̇1𝐶2+ 𝑚3𝑙22Ɵ̇1+1

3𝑚3𝑙32(Ɵ̇1+ Ɵ̇2) + 𝑚3𝑙2𝑙3Ɵ̇1𝐶2

2Ɵ̈1+ 𝑚2𝑙22Ɵ̈1+13𝑚2𝑙3

(Ɵ̈1+ Ɵ̈2)+ 𝑚2𝑙2𝑙3(Ɵ̈ 1𝐶2

− Ɵ̇1Ɵ̇2𝑆2) + 𝑚3𝑙22Ɵ̈1+13𝑚3𝑙3

(Ɵ̈1+ Ɵ̈2)+ 𝑚3𝑙2𝑙3(Ɵ̈ 1𝐶2− Ɵ̇1Ɵ̇2𝑆2)

𝜕𝜃3̇ = 𝑚3𝑑̇3− 𝑚3𝑔

(30)= 𝑚3𝑑̇3− 𝑚3𝑔

3.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí

Việc thiết kế hệ thống cơ khí của robot đòi hỏi sự sâu sắc trong lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động và vật liệu cơ khí Nhóm đồ án thiết kế cơ khí robot dựa trên nền tảng kiến thức chuyên ngành thuộc lĩnh vực cơ khí, trong đó bao gồm các khía cạnh quan trọng như cơ kỹ thuật, sức bền vật liệu và nguyên lý chi tiết máy

Trong quá trình thiết kế, nhóm áp dụng những kiến thức đã học từ cơ kỹ thuật, bao gồm phân tích lực, cân bằng lực, tính momen xoắn và nhiều khái niệm khác Các kiến thức về nguyên lý chi tiết máy được áp dụng để xây dựng cơ cấu truyền động, lựa chọn động cơ và xác định tỉ số truyền động

Ngoài ra, kiến thức về sức bền vật liệu chịu trách nhiệm trong việc phân tích nội lực trong các thanh, đánh giá độ bền của chi tiết và chọn lựa vật liệu gia công Sự hiểu biết chuyên sâu về những khái niệm này giúp nhóm đảm

bảo tính ổn định và hiệu suất của hệ thống cơ khí của robot trong quá trình vận hành

3.3 Cơ sở lý thuyết về điện tử

Quá trình thiết kế hệ thống điện cho robot đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về các kiến thức chuyên ngành, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử công suất và kỹ thuật điện điện tử Nhóm thiết kế dựa trên kiến thức chuyên sâu nhận được từ các môn học như điện tử công suất và kỹ thuật điện - điện tử

Trong lĩnh vực điện tử công suất, nhóm cần áp dụng kiến thức về lựa chọn bo mạch, linh kiện điện tử, và hiểu rõ về các thông số như dòng điện, điện áp trong hệ thống Điều này đặt ra yêu cầu về việc nắm bắt chính xác về các yếu tố quyết định hiệu suất của bo mạch và linh kiện điện tử

Còn trong lĩnh vực kỹ thuật điện -điện tử, kiến thức về tính toán dòng điện, điện áp phù hợp với hệ thống, và tính công suất của thiết bị điện là quan trọng Nhóm phải đảm bảo rằng hệ thống được thiết kế sao cho dòng điện và điện áp điều chỉnh đúng, đồng thời đảm bảo hiệu suất và an toàn trong quá trình hoạt động

Sự ứng dụng thông tin này một cách chính xác và hiệu quả sẽ giúp hệ thống điện của robot hoạt động một cách ổn định và hiệu suất

3.4 Cơ sở lý thuyết về lập trình 3.4.1 Các giao thức điều khiển * Khái niệm về giao thức uart

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter – Bộ truyền nhận dữ liệu không đồng bộ) là một giao thức truyền thông phần cứng dùng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ và có thể cấu hình được tốc độ

Giao thức UART là một giao thức đơn giản và phổ biến, bao gồm hai đường truyền dữ liệu độc lập là TX (truyền) và RX (nhận) Dữ liệu được truyền và nhận qua các đường truyền này dưới dạng các khung dữ liệu (data frame) có cấu trúc chuẩn, với một bit bắt đầu (start bit), một số bit dữ liệu (data bits), một bit kiểm tra chẵn lẻ (parity bit) và một hoặc nhiều bit dừng (stop bit)

Thông thường, tốc độ truyền của UART được đặt ở một số chuẩn, chẳng hạn như 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 baud và các tốc độ khác Tốc độ truyền này định nghĩa số lượng bit được truyền qua mỗi giây Các tốc độ

truyền khác nhau thường được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng và hệ thống sử dụng

Hình 3.3: Cách truyền dữ liệu uart

Dữ liệu được truyền trong giao tiếp UART được tổ chức thành các gói (Packets) Mỗi Packets chứa 1 bit Start, 5 đến 9 bit dữ liệu (tùy thuộc vào UART), 1 bit Parity và 1 hoặc 2 bit Stop

Start bit( bit khởi đầu):

• Đường truyền dữ liệu trong giao tiếp UART thường được giữ ở mức điện áp cao khi nó không truyền dữ liệu

• Để bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo đường truyền từ mức cao xuống mức thấp trong một chu kỳ đồng hồ

• Khi UART 2 phát hiện sự chuyển đổi điện áp cao xuống thấp, nó bắt đầu đọc các bit trong khung dữ liệu ở tần số của tốc độ truyền (Baud rate)

Data frame( khung dữ liệu):

• Khung dữ liệu chứa dữ liệu thực tế đang được truyền Nó có thể dài từ 5 bit đến 8 bit nếu sử dụng bit Parity (bit chẵn lẻ)

• Nếu không sử dụng bit Parity, khung dữ liệu có thể dài 9 bit Trong hầu hết các trường hợp, dữ liệu được gửi với bit LSB (bit có trọng số thấp nhất) trước tiên

Parity bit( bit chẵn lẻ): Trong giao tiếp UART, Bit Parity mô tả tính chẵn

hoặc lẻ của một số bit Parity là một cách để UART 2 cho biết liệu có bất kỳ dữ liệu nào đã thay đổi trong quá trình truyền hay không Bit có thể bị

thay đổi bởi tốc độ truyền không khớp hoặc truyền dữ liệu khoảng cách xa,… Sau khi UART 2 đọc khung dữ liệu, nó sẽ đếm số bit có giá trị là 1 và kiểm tra xem tổng số là số chẵn hay lẻ

Stop bit( bit kết thúc): Để báo hiệu sự kết thúc của gói dữ liệu, UART gửi

sẽ điều khiển đường truyền dữ liệu từ điện áp thấp đến điện áp cao trong ít nhất hai khoảng thời gian bit

*Ưu và nhược điểm của chuẩn giao tiếp uart Ưu điểm:

Là quá trình chuyển đổi một hình ảnh sang dạng kỹ thuật số, thực hiện các thao tác để nhận được một số thông tin hữu ích từ hình ảnh đó Hệ thống xử lý hình ảnh thường các hình ảnh là tín hiệu 2D khi áp dụng một số phương pháp xử lý tín hiệu đã xác định

Các loại xử lý hình ảnh:

- Nhận diện: Phân biệt, phát hiện các đối tượng trong hình ảnh

- Làm sắc nét, phục hồi: Tạo hình ảnh nâng cao từ ảnh gốc

- Nhận dạng mẫu: Đo các mẫu xung quanh các đối tượng trong hình ảnh

- Truy xuất: Duyệt và tìm kiếm hình ảnh từ một cơ sở dữ liệu gồm các hình ảnh kỹ thuật số tương tự như ảnh gốc

b) Các bước xử lý ảnh

Quy trình xử lý hình ảnh diễn ra như sau:

- Thu thập ảnh là bước đầu tiên trong quá trình xử lý hình ảnh, còn được gọi là tiền xử lý Thu thập ảnh liên quan đến việc lấy hình ảnh từ một nguồn, dựa trên phần cứng

- Tăng cường hình ảnh là làm nổi bật các đặc điểm trong hình ảnh đã bị che khuất, bằng những cách thức như thay đổi độ sáng, độ tương phản, v.v

- Phục hồi hình ảnh là quá trình cải thiện hình ảnh, sử dụng các mô hình toán học, xác suất nhất định

- Xử lý hình ảnh màu bao gồm một số kỹ thuật tạo mô hình màu trong miền kỹ thuật số

- Wavelets và xử lý đa phân giải sử dụng để biểu diễn hình ảnh ở nhiều mức độ phân giải

- Nén là quá trình được sử dụng để giảm dung lượng lưu trữ, băng thông cần thiết để truyền tải hình ảnh

- Xử lý hình thái liên quan đến các kỹ thuật trích xuất thành phần của ảnh nhằm biểu diễn và mô tả hình dạng

- Phân đoạn là một trong những bước xử lý ảnh khó nhất, liên quan đến phân vùng một hình ảnh thành các phần hoặc đối tượng cấu thành

- Trình bày và mô tả: Sau khi hình ảnh được phân đoạn thành các vùng, mỗi vùng đại diện và mô tả ở dạng phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo Phần trình bày liên quan đến đặc điểm hình ảnh và thuộc tính vùng Mô tả đề cập đến việc trích xuất thông tin định lượng giúp phân biệt lớp đối tượng này với lớp khác

- Nhận dạng gán nhãn cho đối tượng dựa trên mô tả của nó