Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống thu hoạch hoa hồng tự Động

Sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh, phần mềm điều khiển MATLAB, mach điều khién Arduino, hé truyén động bởi động cơ bước, vít me bị, hệ thống sẽ có khả năng tự nhận diện hoa hồng và tự động điều

BO CONG THUONG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE CHE TAO MO HiNH HE THONG

THU HOACH HOA HONG TU DONG

Giang viên hướng TS Trần Ngọc Đăng Khoa dẫn:

Sinh viên thực Hồ Xuân Tất Thịnh MSSV: 17035661

hiện:

Lê Mai Quang Minh 17077721

Võ Quốc Nhân 17025891 Đồng Đức Thịnh 17085101

Lý Quốc Trọng 17062661

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022

LỚI CÁM ƠN Những năm tháng học tập ở trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã rèn

luyện cho những sinh viên chúng em những bài học không chỉ nằm ở kiến thức

nghề nghiệp mà còn bao gồm cả bài học về kỹ năng chuyên nghiệp, lối sống ký luật

và ý chí vượt khó, sau đó được kết thúc bằng một khoá luận tốt nghiệp như một thử

thách cuối cùng để khẳng định bản thân Chúng em xin cảm ơn nhà trường, cảm ơn công lao chỉ dạy của thầy cô khoa Công nghệ Cơ khí

Và chúng em xin dành lời cảm ơn sâu sac dén thay Tran Ngoc Dang Khoa, người thầy đã nhận hướng dẫn đề tài cho nhóm em Thầy đã gợi ý cho chúng em một đề tài rất hay và thực tiễn, phù hợp với xu thế công nghệ của tương lai, đó là xử

lý ảnh Trong quá trình làm đề tài, thầy đã có những lời hướng dẫn rất đúng đắn và kịp thời, mở ra cho nhóm em phương hướng để tiếp tục nghiên cứu, chế tạo và hoàn

thiện hệ thống Một lần nữa, chung em xin cam on thay

Chúng em xin kính chúc quý thầy cô khoa Công nghệ Cơ khí có nhiều sức khoẻ

để tiếp tục sự nghiệp nghiên cứu khoa học, đóng góp cho quá trình công nghiệp hoá,

hiện đại hoá của nước nhà

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

NHAN XET CUA GIANG VIEN HUONG DAN

Tp Hồ Chí Minh ngày tháng năm

2022

Giảng viên hướng dẫn

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN

Tp Hồ Chí Minh ngày tháng năm

2022

Cảng viên phản biện

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

LOI MO DAU

Chúng ta vẫn thường nghe chính phủ Việt Nam phát đi những lời kêu gọi “Công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước” Hưởng ứng lời kêu gọi đó, chúng em — những sinh viên ngành kỹ thuật, những kỹ sư trong tương lai hiểu rằng, để công nghiệp hoá, hiện đại hoá, chúng ta cần phải từng bước hạn chế và cuối cùng là thay thế

hoàn toàn sức lao động của con người trong mọi ngành nghề, mọi lĩnh vực

Ngày nay, nhìn một cách tổng quát, có thê nói máy móc phục vụ sản xuất hay trồng trọt đã chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp và nông nghiệp Người Việt chúng ta

đã không còn gắn với hình ảnh con trâu cái cày nữa mà đã dùng máy móc rộng rãi

để thay thế sức lao động Tuy nhiên vẫn còn đâu đó những lĩnh vực hẹp vẫn chưa được công nghiệp hoá Đặc biệt phải nói đến nghề trồng hoa hồng

Đề tài nghiên cứu chế tạo hệ thông thu hoạch hoa hỗng tự động ra đời với mục

đích tiết kiệm sức lao động trong khâu thu hoạch hoa hồng Sử dụng kỹ thuật xử lý

ảnh, phần mềm điều khiển MATLAB, mach điều khién Arduino, hé truyén động bởi động cơ bước, vít me bị, hệ thống sẽ có khả năng tự nhận diện hoa hồng và tự động điều khiển tay máy chuyển động theo 3 trục X, Y, Z tới đúng vị trí, cắt hoa và mang

hoa bỏ vào vị trí yêu cầu Trong đó, đề tài nhân mạnh vào công nghệ xử lý ảnh, hỗ

trợ khả năng nhận diện hoa hồng cho hệ thống Nếu giải quyết được bài toán nhận

diện hoa hồng, đề tài sẽ mở ra cơ hội phát triển thành một hệ thống tự động hoá quá trình thu hoạch hoa hông, tiết kiệm sức lao động của con người, đồng thời nâng cao chất lượng và năng suất công việc cho những nhà vườn trồng hoa hồng nói riêng và hoa màu nói chung

Đề tài được thực hiện bởi các sinh viên có lòng nhiệt huyết đổi dào nhưng giới hạn bởi kiến thức chuyên môn và kinh phí thực hiện nên chắc chắn sẽ có những sai

sót Kính mong quý thây cô chỉ dạy và góp ý để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

CHUONG 1 GIOI THIEU TONG QUAN VE HE THONG THU HOACH

1.1.3 Tìm hiểu về mức độ tự động hoá trong các nhà vườn trồng hoa hồng 3

1.2 Tìm hiểu về công nghệ thu hoạch tự động trong và ngoài nước 4

1.2.1 Robot thu hoạch dâu E-Series của công ty AGROBOIT, Tây Ban NhaP!, 1.2.2 Robot Snijrozen Oogstrobot cua dai hoc Wageningen, Ha Lan™ 5 1.2.3 Dé tài thiết kế robot thu hoạch hoa hồng của sinh viên trường đại học

Atilim, Thỗ Nhĩ Kì PÌ, ch HH nu 10t 12tr de 6 1.3 Nhận xét sơ bộ 0 c2 12 2211022121 ra 6 1.4 Mục tiêu để tài - c5 2 22212 1221121122122 1112221212 21a 7

1.5 Phạm vi giới hạn của 2 7

CHUONG 2 THIET KE HE THÓNG CƠ KHÍ 8

2.1, Xay dung m6 hinh co 4 nưadidẳaái 8

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

2.2 Nguyên lý hoạt động LH nh TH H1 H1 t1 1 Hs ng kg tk nha 9 2.3 Các phương án thiết kế á- 2c c SE tr 12112121 2n e re 10

2.3.1 Các phương án thiết kế bộ phận thu hoạch hoa hồng "—— 10

2.3.2 Phương án thiết kế khâu truyền động trục Y và trục XI6HI, 16

2.3.3 Thiết kế khung máy 5 SE E22 22212212 220 grrereng 22

CHUONG 3 THIET KE HE THÓNG ĐIÊU KHIẾN <- 24

3.1 Tổng quan về hệ thống điều khiến - 2 SE H2 2 re 24 3.1.1 Sơ đồ tông quan của hệ thống - 2n E nH HH ưa 24

3.1.2 Sơ đồ điều khiến của hệ thống 2-1 ST HH re 25 3.1.3 Lưu đỗ giải thuật SH HH2 1n gu ng 26

3.2 Xây dựng bài toán xử lý ảnh ác cc ch nà HH HH HH cà 26

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

5.2 Kết quả thu du ccccccccccssesessesesssesersesretstsreerseeeetsesscereseertscseseteeseretevaeeees 57 5.3 Danh gid hé thong cece 5 SE TH n1 n0 1211 12g 2n ru 59 CHUONG 6 TONG KET VÀ ĐỊNH HUONG CAI TIEN SAN PHAM 60 6.1 Két qua ctia dé tat cic ccccccscscesessessessesecsresessresesensretscaresetivsetesearseceeteereass 60

6.2 Định hướng và cải tiến sản phẩm 5 c2 2x re 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

DANH SACH HINH ANH

Hình 1-1: Hoa hôồng 5 5c E1 12112122121 111121 121 12g 121gr 1 Hình 1-2: Hoa hồng thân đứng - S1 SE E211 11511201221 E0 re 2 Hình 1-3: Hoa hồng thân leo 5c + S2 212811 E111 1 2 E1 tre rau 2

Hình 1-4: Một nhà vườn ở Đà Lật SH H2 111 1111121 2a 3

Hình 1-6: Robot thu hoach dau E-Series cha céng ty AGROBOT, Tay Ban Nha

Hình 1-7: Mẫu robot thu hoạch hoa hồng Snijrozen Oogstrobot của đại học

„#0 1ä 5 Hình 1-8: Hình ảnh chương trình xử ly ảnh của robot Sm1jrozen 5

Hình 1-9: Robot thu hoạch hoa hồng của sinh viên trường đại học Atilim, Thổ

Hình 2-1: Cánh tay robot truyền động 3 trục X, Ÿ, Z nha 8 Hình 2-2: Kéo cắt Camb cccccccccccesscssesessessessetsesresecersretecsreseareseseseesesieeteneetees 10 Hình 2-3: Cơ cấu cất cành trên bộ phan thu hoạch hoa cccccccằ 10 Hình 2-4: Hình ảnh thực nghiệm đo lực cắt thân hoa hồng HH n Tế g ch na 11

Hình 2-5: Động cơ và hộp giảm tốc trong cơ cấu cắt cc chê 13

Hình 2-6:Tong thê bộ phan thu hoạch hoa nh nh HH ra 16 Hình 2-7: Cơ câu truyền động cho trục Ÿ ch nhà dờ 17 Hình 2-8 Cơ cầu truyền động cho trục à cuc nh nh HH Hà 20

Hình 2-9 Thiết kế khung máy, - - c5 E22 2 re 22 Hình 2-10: Bản vẽ 3D của hệ thống 0 2S c cnE HH t 2H ng re 23

Hình 3-1: Minh hoạ về điểm ảnh - ST vn 5 E11 1 1 101011 1011 tru 27 Hình 3-2: So sánh ảnh màu, ảnh xâm, ảnh trắng đen c chinh Hee 27

Hình 3-3: Minh hoạ ảnh nhị phân - 12 211211 11 2110119 11101181111 ru 28 Hình 3-4: Minh hoạ ảnh xám L2 1112 1211 1101181101101 181181 1111 1x tk 28 Hình 3-5: Minh hoạ ảnh RƠH 2 1 1211 11 1111118111110 81111111 g cà 28 Hình 3-6: Kỹ thuật làm biên ảnh trở nên sắc nét - 5: 522cc 222 22czxe2 29 Hình 3-7: Kỹ thuật loại bỏ nhiễu - 21 1 21 2112122311122121 1222 ke 29

Hình 3-8: Kỹ thuật lọc màu ch HH HH nà nàn 29

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa Hình 3-9:Các hình ảnh ứng dụng của kỹ thuật xử lý ảnh c cóc: 30 Hình 3-10:Minh hoạ trước và sau khi lọc ánh sáng trắng -cccccccc 31

Hình 3-11: Minh hoạ kỹ thuật lọc màu đỏ cọ nha 32

Hình 3-12: Chuyên sang ảnh xám và tăng độ sáng 52-52 2c 2222 32 Hình 3-13: Chuyên đổi thành ảnh trắng đen - 52 225 2 2 c2 2E22x2zxe2 32 Hình 3-14: Nhận diện và gắn nhãn - 2-5: 22 2221221212211 11221212122 y 33

Hình 3-15: Minh hoạ việc lay chuẩn để tính toạ độ thực cán xe 33

Hình 3-16: Minh hoạ hiện tượng lệch toạ độ khi hoa cách xa vị trí tâm anh 34

Hình 3-17: Biểu đồ cột thể hiện sai số với bông hoa cao 370mm 36

Hình 3-18: Biểu đồ cột thể hiện sai số với bông hoa cao 400mm 36

Hình 3-19: Biểu đỗ cột thể hiện sai số với bông hoa cao 430mm 37

Hình 3-20: Biểu đồ cột thể hiện sai số với bông hoa cao 450mm 38

Hình 3-21: Biểu đồ cột thể hiện sai số với bông hoa cao 48§0mm 38

Hình 3-22: Minh hoạ chuyển toa dé pixel sang toạ độ mm ‹s.- 40 Hình 3-23: Minh hoạ bù trtr toa dO cece cccccccccccccrececececeerersteceeeererseeseenees 40 Hinh 3-24: M6 ta do léch của hoa khi lén anh ccc ccceeceseeeenes 41 Hình 3-25: Minh hoạ phép toán bù trừ toạ đỘ ch Ha 41 Hình 3-26: Giao diện GUI MATTLAB SG SS HH HH HH HH 43 Hình 3-27: Kết noi chân giữa 2 Arduino Master và Slave - s5: 44 Hình 3-28: Arduino UNO R3 ch nh HH nh HH Hàn 46 Hình 3-29: Các chân của Arduino ƯNO R3 các nh nhan He raa 46 Hình 3-30: Shleld CNC V3 LH HH HH HH HH HH HH nhu 47 Hình 3-31: Driver động cơ bước A4988 nh HH ng ng ngào 48 Hình 3-32: Các chân cua Driver động cơ bước A4988 áo 48 Hình 3-33: Cảm biến phát hiện hoa LH nh H1 ng nu 49 Hình 3-34: Đầu đò của cảm biến phát hiện hoa LH nh na 50 Hình 3-35: công tắc hành trình - 5: 221221 3122112112112112212211 1221 ekcrk 50 Hình 3-36: Sơ đồ nói dây có sẵn trên vỏ của công tắc hành trình 51

Hình 3-37: Bộ nguồn 12V-1A_ - 5 21221 21221111121121221221121 22 1e 51

Hình 4-1: Cơ cầu cắt hoa 5á: 5: 2c 21221 1122112110212211112112122 re 32 Hình 4-2: Bộ phần truyền động cho đao cắt - 5 ch HH re yeu 32

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

Hình 4-3: Bộ phận thu hoạch hoa ác cà HH TH H1 HH nà rau 33 Hình 4-4: Hệ truyền động trục ÃX,Ÿ nh HH HH Hà Hệ 33

Hình 4-5: Tông quan toàn hệ thống - 2 621 211252222251 112211211 221221 34 Hình 4-6: Vị trí nút nhấn - + 2t 2E 212215 112112122121 1120 1 g2 r ve 34 Hình 4-7: Vị trí công tắc hành trình và cảm biến 5c chen 35 Hình 4-8: Các thành phần trên bảng điện - 2 5 252251 212212222122222.2 35 Hình 5-1: Hệ thống khi làm việc St SE 212211712212 28 er te 56

Hình 5-2: Bộ phận thu hoạch làm vIỆc nà SE HH ngu ray 56 Hình 5-3: Cơ cầu cắt làm vide ccc cccccccccccccseccesecesessescsusssecenseseseesesesusreseensvansesees 57 Hình 5-4: Thân hoa sau khi cắt 5 5c E22 2E 12 nga 57

Hình 5-6: Hình ảnh đợt thử nghiệm 2 ccc seseteneesieneeienn 58

11

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

DANH SACH BANG

Bảng 1: Bảng kết quả thực nghiệm đo lực cắt thân hoa ca 12 Bảng 2: So sánh động cơ bước và động CƠ S€TVO LH Ha 17

Bảng 3:Kết quả thử nghiệm độ lệch toạ độ với chiều cao bông hoa 370mm 35

Bảng 4: Kết quả thử nghiệm độ lệch toạ độ với chiều cao bông hoa 400mm 36

Bang 5: Két qua thử nghiệm độ lệch toạ độ với chiều cao bông hoa 430mm 37

Bảng 6: Kết quả thử nghiệm độ lệch toạ độ với chiều cao bông hoa 450mm 37

Bảng 7: Kết quả thử nghiệm độ lệch toạ độ với chiều cao bông hoa 480mm 38

Bang 8: Két qua lần thử nghiệm S2 E r HnH tre ưa 57 Bảng 9: Kết quả đợt thử nghiệm 2 0 Sàn ren HH re 58

12

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

DANH SACH SO DO

Sơ đồ 1: Sơ đỗ khối miêu tả hoạt động của hệ thống TH ng cty 9

Sơ đô 2: Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiến 5 St nrreye 24

Sơ đồ 3: Sơ đỗ điều khiển của hệ thống Hs ng kg k1 11kg t1 121111 nu 25

Sơ đồ 4: Lưu đỗ giải thuật - 2s E2 11221 2 E21 21222 cau 26

Sơ đồ 5: Sơ đỗ hệ thống điều khiến - ng vn 1g 511511112151 x11 nen yu 42

Sơ đồ 6: Sơ đồ bảng điện HH HH1 HH ng te re reo 45

13

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

CHUONG 1 GIO] THIEU TONG QUAN VE HE THONG THU HOACH HOA HONG TU DONG

1.1 Tổng quan

1.1.1 Tìm hiểu về hoa hồng

Hình 1-1: Hoa hồng Hoa hồng tượng trưng cho vẻ đẹp sang trọng Chính vì lẽ đó mà hoa hồng được rất nhiều người yêu thích lựa chọn để trang trí cho ngôi nhà của mình hoặc tặng cho người thân vào những ngảy quan trọng Vì có vai trò quan trọng đối với đời sống

tính thần của con người nên hoa hồng được định giá như một sản pham đất đỏ Cụ

thê, một bó 50 bông có giá từ 250 ngàn đồng: vào dịp lễ có thể lên đến 500 ngàn đồng Với giá trị như vậy, các chủ vườn hoa hoàn toàn có khả năng đầu tư tự động hóa quy trình trồng và thu hoạch hoa hồng

Xét về chủng loại, hoa hồng rất đa dạng về chúng loại với hơn 100 loài

Xét về hình thái, đây là các loài cây bụi mọc đứng hoặc mọc leo

14

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

Khoá luận tốt nghiệp

Hinh 1-4: M6t nha vuon o Da Lat

1.1.3 Tìm hiểu về mức độ tự động hoá trong các nhà vườn trồng hoa

hồng

Các nhà vườn hầu như đã ấp dụng công nghệ tưới tiêu tự động Có thể nói là tự

động hoá được công đoạn chăm sóc hoa Tuy nhiên công đoạn thu hoạch vẫn là hoàn toàn thủ công

Việc thu hoạch hoa hồng diễn ra gần như là hàng ngày Người nông dân sẽ đi

rảo quanh vườn và chọn bông nào đủ điều kiện để thu hoạch

Hình 1-5: Thu hoạch hoa hỗng

Công việc cắt khá đơn giản khi chỉ cần một kìm cắt hoa Tuy nhiên nó diễn ra

hàng ngày, lặp đi lặp lại, đòi hỏi phải bỏ ra nhiều thời gian làm việc, chưa kế hoa

hồng đặc trưng với rất nhiều gai nhọn, cũng gây trở ngại cho việc thu hoạch!!,

16

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa 1.2 Tìm hiểu về công nghệ thu hoạch tự động trong và ngoài nước

1.2.1 Robot thu hoach dau E-Series cua công ty AGROBOIT, Tây Ban

Nha!"!,

Hình 1-6: Robot thu hoach dau E-Series cua céng ty AGROBOT, Tay Ban Nha

Dâu và hoa hồng đều được trồng thành những luống dài, vì thế robot trên mặc

dù sử dụng cho thu hoạch dâu tuy nhiên cấu tạo này hoàn toàn có thể ứng dụng cho

thu hoạch hoa hồng

Cấu tạo: gồm rất nhiều tay cắt gọi là bộ phận thu hoạch Các bộ phận thu hoạch truyền động theo 3 trục X, Y, Z Trục X là truyền động dọc theo luỗng bằng những bánh xe, trục Y đi ngang và trục Z là các bộ phận thu hoạch di chuyển lên xuống dé cất dâu

17

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa 1.2.2 Robot Snijrozen Oogstrobot cua dai hoc Wageningen, Ha Lan",

Hình 1-7: Mẫu robot thu hoạch hoa hông Snijrozen Oogstrobot của đại học

Wageningen

Mẫu robot thu hoạch hoa hồng này có chương trình xử lý ảnh rất đáng chú ý

Chương trình sử dụng một camera chụp từ trên xuống Việc để camera ở vị trí cố

định này khác biệt so với các mẫu robot khác vốn tích hợp camera lên cánh tay thu

hoạch

18

Khoá luận tốt nghiệp GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

Hình 1-8: Hinh ảnh chương trình xu lp anh của robot Snijrozen

1.2.3 Đề tài thiết kế robot thu hoạch hoa hồng của sinh viên trường đại

Đây là mẫu robot ứng dụng xử lý ảnh, hệ truyền động 3 trục X, Y, Z Robot này

có bốn chức năng chính: phân tích hình ảnh, hệ thống cắt cành, đi chuyên và điều

khiển hoạt động hệ thống

19

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa 1.3 Nhận xét sơ bộ

Không giống như những lĩnh vực khác, việc chế tạo robot hoặc hệ thống thu

hoạch hoa hồng đòi hỏi rất nhiều yêu cầu phức tạp Lấy ví dụ một dây chuyên tự động hóa lắp ráp xe hơi chăng hạn, các yếu tố kích thước, vị trí luôn cố định nên

quá trình điều khiển diễn ra dễ dàng hơn Một robot tại một nhà máy được lập trình

để dùng chính xác dụng cụ nảo đó ở cùng một vị trí Còn đối với ngành nông nghiệp thì bài toán kích thước, vị trí sản pham thay déi theo diéu kién ty nhién nén

việc điều khiến sẽ phức tạp hơn rất nhiều Ngay cả khi san pham được trồng trong

nhà kính, nơi có nhiều điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng và độ âm được kiêm soát thì

vẫn không thê “lập trình” được vị trí và thời gian ra hoa đề hệ thống tới thu hoạch

Do đó, ngoài hệ thống tay cắt hoạt động tốt, robot hay hệ thống hái hoa phải có đủ thông minh để phát hiện độ “chín” của hoa, di chuyển trong không gian ba chiều đến vị trí có hoa cân thu hoạch Đây là một tổ hợp những phân tích không gian, bài toán điều khiến, công nghệ phức tạp

Điều quan trọng nhất của tự động hoá đó là sự đồng nhất của đối tượng đầu vào

Quan sát các bông hoa hồng loại mọc đứng, nhóm em thấy chúng có đáng thân

thẳng, chiều cao gần ngang nhau Đây sẽ là một thuận lợi cho việc tự động hoá thu hoạch

phận cắt đến dung vi tri hoa dé thu hoach

1.5 Phạm vi giới hạn của đề tài

Chúng em xin phép được giới hạn dé tài ở một số điểm sau:

-_ Đối tượng là hoa hồng thân mọc đứng, có màu đỏ

20

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

CHUONG 2 THIET KE HE THONG CO KHi

2.1 Xây dựng mô hình cơ khí

Qua quá trình tìm hiểu các loại máy móc được sử dụng trong hệ thống tự động

hoá áp dụng cho nông nghiệp, chúng em thấy hệ thống có tiềm năng nhiều nhất để

ấp dụng vào dé tai này là một hệ cánh tay robot được điều khiển bởi máy tính có sự

hỗ trợ của kỹ thuật xử lý ảnh

Hình 2-10: Cánh tay robot truyền động 3 trục X, Y, Z

Mô hình trên mang đến sự đơn giản trong chế tạo lẫn điều khiến, tiết kiệm nhiều chi phí và thời gian thực hiện cho dé tai

Mô hình hệ thống thu hoạch hoa hồng tự động của nhóm em được thiết kế với

bộ phận thu hoạch hoa được truyền động tịnh tiến theo 3 trục X, Y, Z

22

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

> Sơ đỗ khối hoạt động của hệ thống thu hoạch hoa hồng

Sơ đồ I: Sơ đồ khối miêu tả hoạt động của hệ thong

> Hệ thống bao gồm 4 khâu: khâu di chuyển trục X, khâu di chuyển trục Y, khâu di chuyển trục Z và khâu thu hoạch

> Toàn bộ được đặt trên một khung máy

2.2 Nguyên lý hoạt động

® Bước 1: Khởi động, nhận dữ liệu từ trung tâm điều khiến

® - Bước 2: Bộ phận thu hoạch hoa di chuyển theo 2 trục X và Y tới đúng

vị trí yêu cau

® Bước 3: Bộ phận thu hoạch hoa di chuyển theo trục Z tới khi chạm vào cảm biến phát hiện hoa thì dừng lại để tiến hành thu hoạch hoa

® Bước 4: Thu hoạch, bộ phận thu hoạch hoa hoạt động

® Bước 5: Thu hoạch xong, bộ phận thu hoạch theo 3 trục X, Y, Z về lại

vị trí gốc

23

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

¢ Budc 6: Lap lai hodc kết thúc quá trình thu hoạch

2.3 Các phương án thiết kế:

2.3.1 Các phương án thiết kế bộ phận thu hoạch hoa hồng

2.3.1.1 Thiết kế cơ cấu cắt cành

1 Sử dụng kéo cắt cành chuyên dung

Hình 2-11: Kéo cắt cành

Dụng cụ này có sẵn trên thị trường, nhưng cần phải thiết kế ra một cơ cầu đề ép

tay cầm lại và cắt hoa

2 Thiết kế cơ cấu dao cắt được truyền động bằng động cơ

GAL

Hình 2-12: Cơ cấu cắt cành trên bộ phận thu hoạch hoa

Cơ cấu này có nguyên lý hoạt động đơn giản: một động cơ truyền động để quay

1 dao cắt, còn 1 dao thì để có định Đây là phương án mà nhóm em lựa chọn

Cả 2 dao có đường kính trong là 60 mm trong đó chiều dài dao cắt là 100 mm

> Tinh todn dong co truyền động cho cơ cấu cắt

24

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

- Pau tién vé la chon động cơ, chúng em chọn động cơ bước bởi đặc

tính đạt được momen cao ngay ở đải tốc độ thấp, rất phù hợp cho việc cắt hoa

-_ Về phương pháp tính toán lực cắt, nhóm em sử dụng một con dao và một bàn cân Dùng dao nhấn mạnh đến khi thân hoa đứt, song song với quan sát số kg tại thời điểm đó

Khoá luận tốt nghiệp GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

Bông 3, đường kính thân 6 mm

toi vi tri cat (cm) (Kg) (N)

E=—-¡ Cân nặng đo được (Kg) Lực cắt (N)

Bảng 1: Bảng kết quả thực nghiệm đo lực cắt thân hoa

- Nhóm em chọn lực cất yêu cầu tối thiểu là 12 kg hoặc 117.6N

- _ Theo thiết kế cơ cấu cất, nhóm em ước tính khoảng cách từ trục động

cơ đến vùng thân hoa tiếp xúc với lưỡi dao là 60 mm

26

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

- Momen cần thiết tối thiêu ở gốc quay: 117.6 x0.06=7.056 Nm

-_ Phương án của nhóm em sẽ sử dụng một động cơ bước có momen 1.3

Nm và một hộp giảm tốc có tỉ số truyền 1:10, hiệu suất 90%,

Hình 2-14: Động cơ và hộp giảm tốc trong cơ cấu cắt

> Nhóm em có thê tạo lên đao được lượng momen:

1.3 x10 x90 %=11.7 Nm

> Tương đương 165% sức mạnh yêu cầu

2.3.1.2 Thiết kế tông thể bộ phận thu hoạch hoa hồng",

* Ở khâu truyền động trục Z„ vì không yêu cầu kiểm soát quãng đường di chuyền nên có 2 phương án để truyền động theo phương Z:

- _ Sử dụng hệ thống khí nén

- Su dung hé truyén động vít me — thanh trượt — động cơ

®© Ưu nhược điểm của 2 phương án

27

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

- Truyén dong bang hé thong khi nén:

+ Uu diém: dé diéu khiến, phần cứng đơn giản, khối lượng nhẹ

+ Nhược điểm: yêu cầu có máy bơm khí nén đi kèm, hệ thống ống khí cồng

kênh

-_ Truyền động bằng cơ cầu vít me — thanh trượt — động cơ:

+ Ưu điểm: có khả năng tải nặng, phần cứng gọn gàng, đi dây điện đơn

giản

+ Nhược điểm: khối lượng nặng

Nhóm em chọn phương án truyền động bằng cơ cấu vít me — thanh trượt

— động cơ bước bởi vì ưu tiên cho khả năng tải nặng và sự gọn gang trong việc chế tạo phần cứng

¢ Tinh toán lựa chọn động cơ truyền động cho trục ZP!

Trục Z bao gồm động cơ trục Z (0.6 kg), giá đỡ động cơ trục Z (0.1 kg), động cơ

cắt (0.6 kg), hộp giảm tốc (1.5 kg), đao cắt (0.05 kg), ống nhựa (0.229 kg), giá đỡ

dao cắt, động cơ cắt và ống nhựa (0.15 kg), cảm biến (0.023 kg), công tắc hành

trình (0.0015 kg) khớp nối trục mềm (0.03 kg), vít me (0.5 kg), đai ốc và khớp nối

đai ốc (0.075 + 0.1 = 0.175 kg), 2 gối đỡ KP000 (0.12 kg), thanh trượt và con trượt (0.319 + 0.05 = 0.369 kg), 2 ke góc vuông (0.012 kg), nhôm định hình (2 thanh

2040 dài 120 mm, 2 thanh 2040 dài 100 mm, 1 thanh 2020 dài 345 mm, 1 thanh

2020 dai 35 mm va | thanh 2040 dài 56 mm nặng 0.024 x 2 + 0.02 x2 +0.0345 + 0.0035 + 0.0112 = 0.1372 kg) nặng tông cộng 5.1497 kg

Bước I: Độ phân giải cần thiết của động cơ bước, 9s [độ]:

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

Khối lượng tải m = 3.327 kg, bao gồm động cơ trục Z (0.6 kg), động cơ cắt

(0.6 kg), hộp giảm tốc (1.5 kg), dao cat (0.05 kg), ống nhựa (0.229 kg), cảm biến

XKC-Y26 (0.023 kg), giá đỡ dao cắt, động cơ cắt và ống nhựa (0.15 kg), đai ốc

R¿: đường kính khớp nối nối với vít me, 10 mm

R¡: đường kính khớp nối nối với động cơ bước, 6.35 mm

J,=5 xm, x Ry-R=3 x0.1x|0.01—0.00635?=0.666125 x 10 ° |kg m”

Bước 6: Mô-men quán tính tổng cộng tác dụng lên trục động cơ, J,

[kg.m’]:

Tỉ số truyén r, = 1 Mô-men quán tính trục động cơ J¿ = Im = 14 x 10° (kg.m’)

29

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

P T= 52x mx g x sind py x eosổ|= _* 3,327 x 9,81 x|sin90°+0.15 x cos 90 °|=0.041556 (Nn

Bước 9: Mô-men tổng cộng tác động lên trục động cơ, T„ [N.m]:

- Hệ số an toàn S;= 2

-_ T„=|T,+T,] x §,=|0.006544+0.041556) x 2=0.0962| Nm,

Bước 10: Chọn động cơ phù hợp:

Với mô-men tổng cộng tính được là 0.0962 Nm, chúng em có thê lựa chọn

sử dụng động cơ bước NEMA l7 với các tùy chọng trục dài 34 mm, 40 mm hoặc 48 mm Tuy nhiên xét đến tình huống thực tế là động cơ NEMA 23 với

trục dài 56 mm loại cũ có giá thành rẻ hơn cả 3 loại NEMA I7 kế trên nên

chúng em đã quyết định sử dụng loại động cơ này đề dẫn động trục Z lên xuống

3 | Hộp giảm tốc 7 | Thanh trượt

4 | Động cơ trục Z 8 | Cơ cấu liên kết trục Z.- Y

30

Khoá luận tốt nghiệp GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa 2.3.2 Phương án thiết kế khâu truyền động trục Y và trục XÉ"!!,

Bời vì hệ thống yêu cầu kiểm soát được quãng đường đi và độ chính xác, nhóm

Không rung khi ở vị trí dừng

Có rung đông khi ở vị trí dừng

Bảng 2: So sảnh động cơ bước và động co servo

Dựa vào bảng trên, chúng em ưu tiên các tiêu chí là:

- Chi phi

- Kích thước

- _ Đạt được mô-men lớn ở dải vòng tua máy thấp

- Không cân tộc độ cao

=> Từ đó chúng em rút ra kết luận cuối cùng là lựa chọn động cơ bước

31

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa 2.3.2.1 Phuong an thiét ké khau truyén dong truc Y"),

Hình 2-16: Cơ cầu truyền động cho trục Ÿ

Trục Y có cấu tạo gồm 1 vít me, 1 thanh trượt dẫn hướng và 1 khớp kết nối với

bộ phận thu hoạch hoa

¢ Tinh toan lựa chọn độn yeh

Truc Y bao gom toàn bộ trục Z (5.1497 kg), động cơ trục Y (1 kg), giá đỡ động

cơ trục Y (0.1 kg), khớp nối trục mềm (0.03 kg), vit me (0.725 kg), đai Ốc và khớp

nói đai ốc (0.075 + 0.1 = 0.175 kg), 2 gối đỡ KP000 (0.12 kg), thanh trượt và con

trượt (0.477 + 0.05 = 0.527 kg), 2 ke góc vuông (0.012 kg), nhôm định hình (2 thanh 2040 dài 100 mm, 1 thanh 2020 dai 516 mm nang 0.02 x 2 + 0.0516 = 0.0916 kg) nặng tông cộng 7.9303 kg

Bước I: Độ phân giải cần thiết của động cơ bước, 9s [độ]:

Bước 3: Mômen quán tính trục vít, J„ [kg.mÏ]:

- Duong kinh tryc vit me D, = 10 mm

32

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

- Khéi luong truc vit me m, = 0.725 kg

Bước 5: Mômen quán tính khớp nối, Jin [kg.m’]:

- _ Rạ: đường kính khớp nối nối với vit me, 8 mm

- _ Rị đường kính khớp nối nối với động cơ bước, 6.35 mm

- Hés6 ma sat bé mat dan hwong per = 0.15

- Gia téc trong truong g = 9.81 m/s

33

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

P T,= xm g X |sin9+u,„x cos8|= se 5.3247 x 9.81 (sin0°+0.15 x cos 0°}=0.009976| Nm,

Bước 9: Mômen tông cộng tác động lên trục động cơ, T„ [N.m]:

- Hệ số an toàn S;= 2

- T,=|T,+T,| x S,=|0.007621 +0.009976 } x 2=0.035194| Nm)

Bước 10: Chọn động cơ phù hợp:

Với mô-men tong cộng tính được là 0.035194 Nm, chúng em có thê lựa chọn

sử dụng động cơ bước NEMA l7 với các tùy chọng trục dài 34 mm, 40 mm

hoặc 48 mm Tuy nhiên xét đến tình huống thực tế là động cơ NEMA 23 với trục dài 76 mm loại cũ có giá thành rẻ hơn cả 3 loại NEMA I7 kế trên nên

chúng em đã quyết định sử dụng loại động cơ này đề dẫn động trục Y

2.3.2.2 Phương án thiết kế khâu truyền động trục XI,

Hình 2-17 Cơ cấu truyền động cho trục X

Trục X gồm 2 cơ câu vít me — thanh trượt hoạt động song song, kết nối bằng

một dây đai Cơ cầu này của trục X sẽ giúp trục Y chạy cân bằng

¢ Tinh toán lựa chọn động cơ trục X”.Ô

Trục X bao gồm toàn bộ trục Y (7.9303 kø), động cơ trục X (1 kg), giá đỡ động

cơ trục X (0.1 kg), khớp nối trục mềm (0.03 kg), 2 vit me (0.75 x 2 = 1.5 kg), 2 dai

ốc và 2 khớp nối dai ốc (0.075 x 2 + 0.1 x 2 = 0.35 kg), 4 gối đỡ KP000 (0.24 kg), 2

thanh trượt và 2 con trượt (0.477 x 2 + 0.05 x 2 = 0.527 kg), 4 ke góc vuông (0.012 kg), nhôm định hình (4 thanh 2040 dài 100 mm, 4 thanh 2020 dài 100 mm nặng

34

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa 0.02 x 4+ 0.01 x 4 = 0.012 kg), 1 day dai (0.1 kg), 2 puly (0.01 x 2 = 0.02 kg), 1 bạc đạn (0.005 kg) nặng tông cộng 11.8263 kg

Bước I: Độ phân giải cần thiết của động cơ bước, 9s [độ]:

Duong kinh truc vit me D, = 10 mm Khéi lượng trục vit me m, = 1.5 kg

Bước 5: Mômen quán tính khớp nối, Jin [kg.m’]:

R¿: đường kính khớp nối nối véi vit me, 8 mm

R¡ đường kính khớp nối nối với động cơ bước, 6.35 mm

1

Jug = 5% 2% My [RyRy = > 2x0.1x [0.01—0.00635)'= 1.332250 x 10 * kg mỶ|

35

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa Bước 6: Mômen quán tính tổng cộng tác dung lén true déng co, J,

T=5xmxg x |sin8+2 * Hy * c0s8)= "5 x 8,2803 x 9.81 x/sin0 °+2 x 0.15 x cos 0°} =0.0310:

Bước 9: Mômen tông cộng tác động lên trục động cơ, T„ [N.m]:

- Hệ số an toàn S;= 2

- T,,=(T,+T,| x S-=(0.010188 +0.031028 | x 2=0.082432 | Nm|

Bước 10: Chọn động cơ phù hợp:

Với mô-men tong cộng tính được là 0.082432 Nm, chúng em có thê lựa chọn

sử dụng động cơ bước NEMA l7 với các tùy chọng trục dài 34 mm, 40 mm hoặc 48 mm Tuy nhiên xét đến tình huống thực tế là động cơ NEMA 23 với

trục dài 76 mm loại cũ có giá thành rẻ hơn cả 3 loại NEMA I7 kế trên nên

chúng em đã quyết định sử dụng loại động cơ này đề dẫn động trục Y

2.3.3 Thiết kế khung máy

Khung máy là bộ phận chịu lực của toàn hệ thống

Thiết kế theo kiểu khối hộp chữ nhật

36

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

- - Vật liệu là thép V 25 x 25 mm, dày 2.5 mm, là loại vật liệu chuyên dụng làm

khung máy

Zp

Hình 2-18 Thiết kế khung máy

37

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

2.4 Thiết kế mô hình hệ thống thu hoạch hoa hồng

Hình 2-19: Bản vẽ 3D của hệ thong

1 Bộ phận thu hoạch 4 |Camera

Khoá luận tot nghiép GVHD: TS Tran Ngọc Đăng Khoa

CHUONG 3 THIET KE HE THONG DIEU KHIEN

3.1 Tổng quan về hệ thống điều khiến

3.1.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống

Sơ đồ 2: Sơ đô tổng quan về hệ thông điêu khiển

Hệ thống điều khiến gồm 3 cấp điều khiến:

Cấp 1: Đóng vai trò trung tâm điều khiến là 1 máy tính, chứa chương trình

xử lý ảnh, chương trình tính toán toạ độ, giao diện người — máy

Cấp 2: Các Arduino đóng vai trò trung gian kết nối giữa máy tính và cơ cấu chấp hành

Cấp 3: Cơ cấu chấp hành gồm các động cơ bước, cảm biến, công tắc hành trình

39