NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT THU HOẠCH CÀ CHUA

3 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1.Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, chủ yếutập trung vào phương pháp giải bài toán động lực học từ đó xác đ

ii

LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng cám ơn tất cả quý Thầy, Cô trường Đại Học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh và quý Thầy, Cô khoa Cơ khí – Công nghệ đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô bộ môn Cơ điện tử đã hướng dẫn, giúp

đỡ chúng em rất tận tình trong quá trình chúng em làm đề tài

Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy PGS TS Nguyễn Văn Hùng

và thầy Nguyễn Tấn Ý đã tận tình hướng dẫn chúng chúng em trong quá trình làm Luận văn tốt nghiệp

Em cũng xin chân thành cám ơn các anh trong Trung nghiên cứu Tự động hóa và Robot trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Đồng An, đã giúp đỡ và chỉ bảo chúng em tận tình trong thời gian làm đề tài tại trường

Đặc biệt, chúng em xin cám ơn quý Thầy, Cô trong Hội đồng đã dành thời gian nhận xét, góp ý để Luận văn của chúng em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cám ơn đến những người thân cũng như bạn bè

đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho chúng em những điều kiện thuận lợi trong quá trình hoàn thành Luận văn tốt nghiệp

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện Trần Minh – Nguyễn Trường Giang

iii

TÓM TẮT

Trong thời buổi công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống Có rất nhiều loại Robot phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Song, hầu hết các loại Robot đều do nước ngoài chế tạo, nên giá thành cao và chưa thật sự phù hợp với với thực tế ở Việt Nam

Trong lĩnh vực nông nghiệp, Robot chưa có nhiều ứng dụng Nên chúng tôi muốn chế tạo một con Robot phục vụ cho nông nghiệp, góp phần tăng chất lượng nông sản

và giải quyết được các vấn đề phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Đó cũng là nguyên nhân hôm nay chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng Robot thu hoạch cà chua” nhằm mục đích nghiên cứu những vấn đề mới trong khoa học – kỹ thuật trên cơ sở ứng dụng những kiến thức được trang bị trong những năm học vừa qua

ở trường

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng Robot thu hoạch cà chua” được tiến hành tại Trung tâm nghiên cứu Tự động hóa và Robot trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Đồng An, từ ngày 03/03/2013 đến ngày 20/06/2013

Kết quả đạt được:

 Chế tạo thành công Robot thu hoạch cà chua hoạt động tốt trong bán kính 2m

 Bằng việc sử dụng vi điều khiển PIC16F886 để xử lý và điều khiển động cơ cho tốc độ xử lý nhanh, chính xác, dễ giao tiếp, dễ điều khiển

 Dùng chương trình Matlab để xây dựng chương trình xử lý ảnh, tính toán động học và mô phỏng cho kết quả đáng tin cậy, dễ lập trình, dễ sử dụng

iv

MỤC LỤC

Trang

TRANG TỰA i 

LỜI CẢM ƠN ii 

TÓM TẮT iii 

MỤC LỤC iv 

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii 

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii 

Chương 1 1 

MỞ ĐẦU 1 

1.1 Đặt vấn đề 1  

1.2 Mục đích đề tài 2  

1.3 Mục tiêu cụ thể 2  

Chương 2 3 

TỔNG QUAN 3 

2.1 Đối tượng nghiên cứu 3  

2.1.1 Một số ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam 3 

2.2 Khảo sát thu hoạch cà chua 5  

2.3 Sơ lược về Robot 6  

2.4 Các khái niệm và định nghĩa về Robot 7  

2.4.1 Bậc tự do của Robot (DOF: Degrees Of Freedom) 7 

2.4.2 Hệ tọa độ (Coordinate frames) 7 

2.4.3 Trường công tác của Robot (Workspace or Range of motion) 8 

2.5 Cấu trúc cơ bản của Robot 9  

2.5.1 Các thành phần chính của Robot 9 

2.5.2 Kết cấu của tay máy 10 

2.5.3 Mắt của Robot sử dụng Camera 10 

v

2.5.4 Động cơ điện một chiều 11 

2.5.5 Biến trở 12 

2.5.6 Vi điều khiển PIC 13 

2.6 Phần mềm Matlab. 15  

2.6.1 Matlab – ngôn ngữ của tính toán kỹ thuật 15 

2.6.2 Giao diện Matlab 15 

2.6.2 Đặc điểm của Matlab 16 

2.6.3 Khả năng và ứng dụng của Matlab 17 

2.7 Tổng quan về xử lý ảnh 17  

2.7.1 Hệ thống xử lý ảnh 17 

2.7.1.1 Thu nhận ảnh 18 

2.7.1.2 Phân tích ảnh 18 

2.7.1.3 Hệ quyết định 18 

2.7.2 Cấu trúc ảnh RGB 18 

2.7.3 Định dạng ảnh 19 

2.7.4 Quá trình tách đối tượng 19 

2.7.5 Quá trình nhận dạng đối tượng 19 

Chương 3 21 

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 

3.2 Cơ sở thiết kế 21  

3.3 Phần mềm điều khiển Robot 21  

3.4 Phương pháp nhận dạng vật thể 21  

3.5 Phương pháp xác định tọa độ vật thể 22  

3.6 Phần mềm điều khiển Robot 22  

Chương 4 24 

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 

vi

4.1 Nghiên cứu thiết kế Robot 24  

4.1.1 Mục tiêu thiết kế 24 

4.1.2 Lựa chọn mô hình và tính toán các bộ phận của robot 25 

4.1.3 Hộp số Harmonic 30 

4.1.4 Tính toán công suất động cơ 31 

4.2 Mạch điều khiển 33  

4.2.1 Mạch điều điều khiển động cơ sử dụng MOSFET SUB85N03 33 

4.2.2 Mạch điều khiển động cơ sử dụng PIC16F886 và SUB85N03 35 

4.2.3 Bộ điều khiển PID 38 

4.2.4 Mạch điều khiển trung tâm 39 

4.3 Ứng dụng xử lý ảnh xác định tọa độ của cà chua 41  

4.3.1 Tách đối tượng và xác định tọa độ X,Y của cà chua 41 

4.3.2 Xác định tọa độ Z và tiến hành thu hoạch cà chua 45 

4.4 Tính toán động học robot 46  

4.4.1 Tính toán động học thuận robot 46 

4.4.2 Tính toán động học ngược robot 47 

4.5 Mô phỏng Robot bằng Matlab 49  

4.6 Kết quả khảo nghiệm 49  

Chương 5 55 

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 55 

5.1 Kết quả đạt được. 55  

5.2 Đề nghị 55  

5.2 Hướng phát triển của đề tài 55  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 

PHỤ LỤC 58 

vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Bảng thông số Denavit – Hartenbert (DH) 46 

Bảng 4.1: Bảng khảo nghiệm độ chính xác góc quay khâu thứ nhất 50 

Bảng 4.2: Bảng khảo nghiệm độ chính xác góc quay khâu thứ hai 51 

Bảng 4.3: Bảng khảo nghiệm độ chính xác góc quay khâu thứ ba 53 

viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình Trang

Hình 2.1: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản 3 

Hình 2.2: Mô hình Robot thu hoạch nấm của Anh 4 

Hình 2.3: Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính 4 

Hình 2.4: Quả cà chua qua các thời kỳ chín 6 

Hình 2.5: Toạ độ suy rộng của Robot 8 

Hình 2.6: Quy tắc bàn tay phải 8 

Hình 2.7: Các thành phần chính của robot 9 

Hình 2.8: Camera 10 

Hình 2.9: Các loại động cơ điện một chiều 11 

Hình 2.10: Biến trở xoay 13 

Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886 14 

Hình 2.12: Sơ đồ chân Pic16F886 14 

Hình 2.13: Giao diện Matlab 16 

Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh 17 

Hình 2.15: Sơ đồ quá trình tách đối tượng 19 

Hình 3.1: Ảnh của đối tượng (a) và của đối tượng sau khi nhận dạng (b) 21 

Hình 3.2: Quy trình xác định tọa độ (x,y) của vật thể 22 

Hình 3.3: Cảm biến siêu âm SRF05 22 

Hình 3.4: Sơ đồ mạch xử lý xác định khoảng cách 22 

Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển robot 23 

Hình 4.1: Lược đồ robot dự định thiết kế 24 

Hình 4.2: Trường công tác của tay máy được mô phỏng bằng Matlab 25 

Hình 4.3: Tay máy robot 26 

Hình 4.4: Kích thước tay máy robot 26 

Hình 4.5: Cơ cấu hái cà chua 27 

Hình 4.6: Sơ đồ phân tích lực robot 27 

Hình 4.7: Khung thân robot 28 

Hình 4.8: Thân robot khi được lắp ráp bánh xe và cơ cấu chuyển động 29 

Hình 4.9: Robot khi được lắp ráp hoàn chỉnh 29 

ix

Hình 4.10: Mô hình Robot đã chế tạo được 30 

Hình 4.11: Các hộp số harmonic được sử dụng trong robot 31 

Hình 4.12: Phân tích lực tại trục khớp 31 

Hình 4.13: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ DC sử dụng MOSFET SUB85N03 33 

Hình 4.14: Mạch in mạch điều khiển động cơ sử dụng MOSFET SUB85N03 34 

Hình 4.15: Mạch điểu khiển động cơ sử dụng MOSFET SUB85N03 34 

Hình 4.16: Mạch nguyên lý điểu khiển động cơ sử dụng PIC16F886 và SUB85N03 36 

Hình 4.17: Mạch điều khiển động cơ sử dụng PIC16F886 và SUB85N03 37 

Hình 4.18: Sơ đồ bộ điều khiển PID 38 

Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật điều khiển góc quay bằng thuật toán PID 38 

Hình 4.20: Mạch nguyên lý mạch nguồn sử dụng LM2575 39 

Hình 4.21: Mạch nguyên lý mạch điểu khiển trung tâm sử dụng PIC16F886 40 

Hình 4.22: Mạch điều khiển trung tâm sử dụng PIC16F886 40 

Hình 4.23: Ảnh ban đầu 42 

Hình 4.24: Ảnh sau khi đã chuyển sang ảnh xám 42 

Hình 4.25: Ảnh sau khi đã chuyển sang nhị phân 43 

Hình 4.26: Ảnh tìm xương của các đối tượng 43 

Hình 4.27: Ảnh sau khi được co theo xương ảnh 44 

Hình 4.28: Ảnh các quả cà chua được xác định tọa độ X,Y 44 

Hình 4.29: Sơ đồ quá trình thu hoạch cà chua sau khi đã xác định được tọa độ 45 

Hình 4.30: Vị trí ban đầu của robot và các hệ tọa độ 46 

Hình 4.31: Các biến khớp tay máy hai khâu 48 

Hình 4.32: Định lý Cosin 48 

Hình 4.33: Giao diện mô phỏng robot trên Matlab 49 

Hình 4.34: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ nhất 50 

Hình 4.35: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ nhất 51 

Hình 4.36: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ hai 52 

Hình 4.37: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ hai 52 

Hình 4.38: Biểu đồ Độ chính xác góc quay khâu thứ ba 53 

Hình 4.39: Biểu đồ mối liên hệ giữa giá trị ADC và góc cài đặt khâu thứ ba 53 

1

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nước ta là một nước nông nghiệp, là nước xuất khẩu các sản phẩm nông nghiệp đứng đầu thế giới, góp phần đảm bảo an ninh lương thực trong nước và trên thế giới Đứng đầu như: gạo, cà phê, điều, ca cao… Song, đa số chúng ta chỉ xuất khẩu thiên về

số lượng chứ chưa chú trọng nhiều đến chất lượng Trong thế kỷ 21, nhu cầu lương thực của con người tăng lên, nhưng cũng đòi hỏi chất lượng phải tốt hơn, có lợi cho sức khỏe và bảo vệ môi trường nhiều hơn Vì vậy, nước ta phải cải tiến chất lượng nông sản đề phục vụ cho nhu cầu này của con người

Để tăng chất lượng nông sản từ khâu trồng trọt đến thu hoạch, chế biến và xuất khẩu, chúng ta cần áp dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào quy trình sản xuất Cụ thể

là để có được sản phẩm sạch, chất lượng tốt, chúng ta cần trồng trong nhà kính, có hệ thống tưới nước, bón phân, phun thuốc và thu hoạch tự động

Trong quy trình sản xuất này, hệ thống nhà kính, hệ thống tưới nước, bón phân đã được sinh viên và giảng viên khoa Cơ khí – Công nghệ trường ĐH Nông Lâm TP.HCM nghiên cứu và áp dụng rộng rãi vào thực tế Nhưng khâu thu hoạch tự động thì chưa được nghiên cứu hoàn thiện và tối ưu

Chính vì vậy đề tài này muốn góp phần phát triển và hoàn thiện quy trình sản xuất khép kín, hiện đại, chất lượng cao, sạch và bảo vệ môi trường Với sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùng, và thầy KS Nguyễn Tấn Ý Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng mô hình robot cho việc thu hoạnh trái cây trong nhà kính, cụ thể là thu hoạch cà chua được trồng trong nhà kính, và có thể phát triển để phù hợp với các loại trái cây khác Với hi vọng đề tài sẽ góp phần vào việc ứng dụng công nghệ robot và lĩnh vực tự động hóa vào trong sản xuất nông nghiệp ở nước ta trong tương lai

2

1.2 Mục đích đề tài

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình robot thu hoạch cà chua nhằm làm cơ sở ứng dụng vào thực tế Nhằm góp phần xây dựng quy trình sản xuất khép kín, hiện đại, đảm bảo chất lượng, giảm giá thành sản xuất và giảm nhân công lao động

1.3 Mục tiêu cụ thể

- Nghiên cứu kết cấu, động học, khả năng di chuyển và mô phỏng robot

- Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh để nhận dạng đối tượng và điều khiển robot

- Chế tạo robot và thử nghiệm

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng,

nâng cao hơn nhằm tối ưu hóa hoạt động của robot Từ kết quả của đề tài có thể cải tiến thiết kế, tính toán tối ưu về độ bền và công suất cũng như khả năng tiêu hao năng lượng của robot Giúp robot có thể hoạt động hiệu quả, tránh va đập và mở rộng không gian công tác

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, nghiên cứu về robot hoặc áp dụng vào sản xuất Đề tài đang cố gắng đưa khoa học robot ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống, tìm ra một hướng đi mới trong khâu thu hoạch cà chua nói riêng và trái cây nói chung, góp phần nâng cao chất lượng của trái cây Việt Nam

3

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1.Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, chủ

yếutập trung vào phương pháp giải bài toán động lực học từ đó xác định các thông số phục

vụ cho điều khiển chuyển động

Nghiên cứu thiết kế mô hình Robot sao cho phù hợp với việc thu hoạch cà chua, nghiên cứu board mạch điều khiển robot và nghiên cứu xử lý ảnh

2.1.1 Một số ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam

Hình 2.1: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản

Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản có khả năng di chuyển trên đường ray có sẵn trong nhà kính Robot dùng camera để phát hiện dâu chín và vươn tay máy Robot để thu hoạch dâu Tốc độ của Robot tuy không bằng con người, nhưng có thể hoạt động 24/24 trong điều kiện nhà kính

4

Hình 2.2: Mô hình Robot thu hoạch nấm của Anh

Các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Warwick, Vương quốc Anh, đã chế tạo thành công mô hình Robot thu hoạch nấm giúp đảm bảo chất lượng đồng đều cho sản phẩm Như chúng ta đều biết, nấm có tốc độ phát triển rất nhanh, nếu như không kịp thu hoạch nấm sẽ già và không đảm bảo các thành phần dinh dưỡng Do đó, nhiệm vụ của Robot là sử dụng camera để đo kích thước của nấm, sau đó thu hoạch khi nấm đã đạt tới kích thước quy định Robot có thể hoạt động liên tục mà không cần người điều khiển

Hình 2.3: Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính

5

Tình hình phát triển Robot ở Việt Nam ngày càng phát triển, đã có rất nhiều ứng dụng của Robot được đưa vào sản xuất nông nghiệp chất lượng cao Mà cụ thể là Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính, đã được sinh viên và giảng viên khoa Cơ khí – Công nghệ trường Đại học Nông Lâm TP.HCM nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công

Robot này có khả năng thực hiện việc pha chế liều lượng một cách chính xác và phun thuốc hoàn toàn tự động theo chương trình lập sẵn, giúp con người không phải tiếp xúc trực tiếp với thuốc Robot có thể phun thuốc ở một số góc cài đặt nhất định, nhằm đảm bảo lượng thuốc được phun đều nhất Robot có thể hoạt động ở chế độ tự động hoặc được điều khiển bằng tay thông qua bảng điều khiển từ xa

2.2.Khảo sát thu hoạch cà chua

Trong quá trình chín cà chua phải qua các thời kỳ sau đây:

Thời kỳ quả xanh: quả và hạt phát triển chưa hoàn chỉnh Nếu thu hái quả ở thời kỳ này thông qua các phương pháp thúc chín thì quả chín không bình thường, không có hương vị, không có màu sắc đặc trưng của giống

Thời kỳ chín xanh: Chất keo bao quanh hạt được hình thành, quả chưa có màu hồng hoặc màu vàng nếu đem thúc chín thì quả sẽ thể hiện màu sắc của giống

Thời kỳ chín vàng: Đỉnh quả xuất hiện màu vàng hoặc màu hồng với diện tích bề mặt chiếm khoảng 10%

Thời kỳ chuyển màu: Diện tích bề mặt từ 10-30% có màu vàng hoặc màu đỏ Thời kỳ chín hồng: Diện tích bề mặt quả từ 30-60% có màu hồng nhạt hoặc màu vàng

Thời kỳ quả hồng hoặc đỏ: Diện tích bề mặt quả từ 60-90% có màu vàng hoặc đỏ Thời kỳ chín đỏ: Diện tích bề mặt từ 90% trở lên Đây là thời kỳ quan trọng của quá trình chín Từ khi chín xanh đến chín, tổng hợp thời gian khoảng 10-12 ngày Sau

đó quả chín hoàn toàn và có màu nâu đỏ thâm nhưng quả còn chắc, cứng Nếu dùng làm thực phẩm là thích hợp nhất và được người tiêu dùng ưa chuộng Khi quả mềm thì vẫn

sử dụng được, nhưng cắt lát sẽ khó khăn Quả chín mềm dùng để lấy hạt giống là thích hợp, thịt quả dùng để chế biến cà chua cô đặc hoặc tương cà chua rất tốt

6

Hình 2.4:Quả cà chua qua các thời kỳ chín

Khi hái cà chua bằng tay, do va đập khi sắp xếp, vận chuyển quả bị sây sát, bị dập

sẽ là môi trường tốt cho bệnh hại xâm nhiểm gây hư thối và giảm chất lượng, Vì vậy thao tác khi thu hái, sắp xếp và vận chuyển phải hết sức nhẹ nhàng, kịp thời loại bỏ những quả bị dập nát… Hiện nay ở các vùng cà chua được thu hoạch bằng phương pháp thủ công

2.3.Sơ lược về Robot

Robot là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói Robot là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau

Robot có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là

“Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi

7

2.4 Các khái niệm và định nghĩa về Robot

2.4.1 Bậc tự do của Robot (DOF: Degrees Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do

đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :

2.4.2 Hệ tọa độ (Coordinate frames)

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên

Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay

Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp

8

Hình 2.5: Toạ độ suy rộng của Robot

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón: cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y (hình 2.3)

Hình 2.6: Quy tắc bàn tay phải

2.4.3 Trường công tác của Robot (Workspace or Range of motion)

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động

có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 360o Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot

hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình 2.7

Hình 2.7: Các thành phần chính của robot

Nguồn động lực để tạo nên những chuyển động cơ bản của robot Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn, cơ cấu hái, cắt trái cây, phun thuốc trừ sâu được ứng dụng trong nông nghiệp…

Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiển còn được gọi là mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy tính Một mođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào – Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot …

Các cảm biến (sensor) được sử dụng phổ biến trên robot để nhận biết trạng thái của bản thân (cảm biến nội tín hiệu) hoặc nhận biết đối tượng làm việc và môi trường

ủa tay máy

i trên, tay mCác kết cấu

uy nhiên ngáng rất khá

an tâm đến

m việc của rlinh hoạt củ

ủa robot thưx,y,z trong

D này chuy

ra thành cá

ất lượng caohức năng th

ác xa cánh các thông srobot như:

ủa robot), đường thực h

g không gia

ng ký hiệu,y,z ký hiệu

ụng Camer

ại Camera:

Đặc biệt trokhông Caịch đặc biệtyển các tín

y máy đượctay người

số hình – đtầm với (ha

độ cứng vữnhiện hai chu

t gọi là thiếthiệu ánh sáđiện mà sau

c thiết kế rấTrong thiếộng học, là

ay trường c

ng, tải trọnguyển động cthông thườnslation) hotation)

mera dùng

ực này, camdẫn còn đượ

t bị ghép (Cáng từ bộ c

u đó được mhiễu và có đ

ất đa dạng,

ết kế và sử

à những thôcông tác), số

g vật nâng,

cơ bản : Chờng tạo nênoặc P (Prism

đèn chân mera bán dẫ

ợc gọi là CCharge – co

ảm nhận án

mã hóa thàn

độ nhạy ca

nh dưới dạnquả cà chua

bộ điều khiể

h khả năng

ạo và chức nnhiều cánhdụng tay mông số liên q

ố bậc tự do lực kẹp huyển động

n các hình kmatic) Chu

không và

ẫn thường đCCD cameraupled devic

h tay máy, quan (thể tịnh khối, uyển

kiểu được

a, do ces – trí ở

TV sáng máy

11

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định vị trí của đối tượng:

Dùng hai camera: phương pháp này đạt độ chính xác cao và xử lý được đối tượng

di chuyển nhưng khó hiệu chỉnh và chi phí cao

Dùng một camera và một gương phẳng: phương pháp này dùng để xác định đối tượng và camera đứng yên Do đó không thể áp dụng cho robot hái cà chua được Dùng một camera và một cảm biến siêu âm: phương pháp này có độ chính xác cao, dễ xử lý, dễ hiệu chỉnh, nhưng chi phí khá cao

Do trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy phương pháp dùng một camera và một cảm biến siêu âm có khả năng ứng dụng và độ chính xác cao hơn 2 phương pháp còn lại Nên chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp sử dụng một camera để xác định tọa độ và một cảm biến siêu âm để xác định khoảng cách tới đối tượng

2.5.4 Động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có hai phần:

Stator cố định với các cuộn dây có dòng điện cảm hoặc dùng nam châm vĩnh cữu Phần này còn được gọi là phần cảm Phần cảm tạo nên từ thông trong khe hở không khí

Rotor với các thanh dẫn Khi có dòng điện một chiều chạy qua và với dòng từ thông xác định, rotor sẽ quay Phần này gọi là phần ứng

Tùy cách đấu dây giữa phần cảm so với phần ứng, ta có những loại động cơ điện một chiều khác nhau:

+ Động cơ kích từ nối tiếp (Hình 2.9.a);

+ Động cơ kích từ song song (Hình 2.9.b);

+ Động cơ kích từ hỗn hợp (Hình 2.9.c)

Hình 2.9: Các loại động cơ điện một chiều

12

Các thông số chủ yếu quyết định tính năng làm việc của động cơ điện một chiều là:

U : Điện áp cung cấp cho phần ứng;

I : Cường độ dòng điện của phần ứng;

r : Điện trở trong của phần ứng;

k là hệ số phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và số thanh dẫn của phần ứng

Số vòng quay của động cơ điện một chiều:



k

Ir U

C 2

Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách: Thay đổi từ thông  , thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ Trong trường hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U, tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức, thì công suất không đổi còn momen giảm theo tốc độ

Điều chỉnh điện áp phần ứng Trong trường hợp từ thông không đổi, khi tăng tốc

độ từ 0 đến tốc độ định mức thì mômen sẽ không đổi, còn công suất tăng theo tốc độ Muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều cần thay đổi chiều của từ thông (tức chiều của dòng điện kích từ) hoặc thay đổi chiều dòng điện phần ứng

2.5.5 Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn Chúng

có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện

13

Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,

Trong mô hình sử dụng loại biến trở xoay thay đổi chiều dài dây dẫn

Sai số tối đa ở mổi khớp ở cánh tay là 3 , sai số cộng dồn của cả 2 khớp cánh tay

là 6 , độ dài cánh tay là 860mm, vậy sai số ở đầu công tác tính được:

6

180 860 90 

Để hái được cà chua đòi hỏi độ chính xác cao( 30 ), vì vậy để giảm sai

số tối đa cần phải điều khiển theo phương pháp điều khiển PID cho tay máy hoạt động chính xác và nhanh hơn

2.5.6 Vi điều khiển PIC

PIC là tên viết tắt của Máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent Computer) do hãng General Instrument đặt tên, con vi điều khiển đầu tiên của họ là PIC1650 Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này Cho đến nay, các sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ 12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx,16FxxxA, 16LFxxxA, 18Fxxx 18LFxxx…

Những Tính Năng Chính Của PIC16F877A:

14

Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886

Hình 2.12: Sơ đồ chân Pic16F886

- 8 K Flash ROM

- 368 bytes RAM

- 256 bytes EEPROM

- Port I/O (A, B, C), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập

- Bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2

- 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài

- Bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều biến xung

- 1 bộ biến đổi tương tự – số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự (Comparator)

- 1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer)

15

- 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển

- 1 cổng nối tiếp (Serial Port)

- 15 nguồn ngắt (Interrupt)

- Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSPTM (In-Circuit Serial Programing)

- Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS

- 35 tập lệnh có độ dài 14 bit

- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz

2.6 Phần mềm Matlab

2.6.1 Matlab – ngôn ngữ của tính toán kỹ thuật

MATLAB là một ngôn ngữ bậc cao và môi trường tương tác cho phép bạn tiến hành các nhiệm vụ tính toán có cường độ lớn nhanh hơn với các ngôn ngữ lập trình như C, C++ và Fortran

MATLAB viết tắt cho "Matrix Laboratory" - Phòng thí nghiệm ma trận Ban đầu Matlab được thiết kế bởi Cleve Moler vào những năm 1970 để sử dụng như một công cụ dạy học Từ đó đến nay nó đã được phát triển thành một bộ phần mềm thương mại rất thành công

Hiện nay MATLAB là một bộ phần mềm cho công việc tính toán trong các ngành

kỹ thuật, trong khoa học và trong lĩnh vực toán học ứng dụng Matlab cho ta một ngôn ngữ lập trình mạnh, giao diện đồ họa xuất sắc, và một phạm vi rất rộng các kiến thức chuyên môn Matlab là một thương hiệu đã được thương mại hóa của tập đoàn MathWorks, Massachusetts, USA (hiện là nhà cung cấp hàng đầu thế giới cho các phần mềm tính toán kỹ thuật và thiết kế dựa trên mô hình)

2.6.2 Giao diện Matlab

Sau khi cài đặt xong chương trình Matlab 2011b, nhấp chuột vào biểu tượng

để khởi động chương trình

Về cơ bản, không gian làm việc của Matlab gồm có các phần sau:

+ Cửa sổ trợ giúp (Help window)

+ Nút Start

+ Cửa sổ nhập lệnh (Command window)

16

+ Cửa sổ không gian làm việc (Workspace window)

+ Cửa sổ quá trình lệnh (Command History window - lịch sử )

+ Cửa sổ biên tập mảng, vectơ, ma trậ n (Array editor window)

+ Cửa sổ địa chỉ thư mục hiện thời (Current directory window)

Hình 2.13:Giao diện Matlab

2.6.2 Đặc điểm của Matlab

Lập trình theo nghĩa thông thường, là nhập vào máy những câu lệnh rõ ràng, theo một thứ tự nhất định sao cho khi máy thực hiện theo đúng thứ tự đó thì sẽ cho ta kết quả mong muốn Một khái niệm nôm na tương tự như vậy thường thấy trong các khóa học lập trình các ngôn ngữ C, Pascal

Khi khởi đầu với MatLab ta hãy hiểu theo nghĩa rộng hơn: lập trình còn có các bước biểu diễn bài toán dưới dạng các hàm và máy tính qua việc thực hiện các hàm này cho ta kết quả Phương pháp này có mức độ trừu tượng cao hơn so với các câu lệnh chỉ dẫn đơn thuần

Trong những năm gần đây, bên cạnh các ngôn ngữ lập trình truyền thống (C / C++/ Fortran), các ngôn ngữ văn lệnh (scripting languages) được sử dụng phổ biến hơn trong lĩnh vực nghiên cứu tính toán MatLab là một trong các ngôn ngữ như vậy

Là một ngôn ngữ bậc cao, mỗi dòng lệnh MatLab thường có tác dụng tương đương với khoảng 10 dòng lệnh của C / C++ Người lập trình sẽ tốn ít thời gian gõ câu lệnh

và tập trung hơn vào nội dung chương trình

17

Tuy vậy các ngôn ngữ lập trình biên dịch như C / Fortran cho phép chương trình tính toán rất nhanh và tốc độ cũng là một yêu cầu rất quan trọng trong các chương trình tính lớn Do đó một cách kết hợp thông minh là phần lõi tính toán có thể được viết bằng ngôn ngữ biên dịch, và các thao tác nhập xuất, xử lí, hiển thị số liệu được viết bởi ngôn ngữ văn lệnh như MatLab

2.6.3 Khả năng và ứng dụng của Matlab

Matlab được điều khiển bởi các tập lệnh, tương tác bằng bàn phím trên cửa sổ điều khiển Đồng thời, Matlab còn cho phép khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh hay còn gọi là script file (tương tự như ngôn ngữ lập trình C)

Matlab còn rất hữu hiệu trong việc trợ giúp thao tác và truy xuất đồ họa trong không gian 2D và 3D, khả năng tạo hoạt cảnh cho việc mô tả bài toán một cách sinh động

Matlab cung cấp các công cụ trợ giúp đắc lực cho nhiều lĩnh vực khác nhau như:

Xử lý ảnh, Xử lý tín hiệu số, Hệ thống điều khiển, Mạng neural, Điều khiển mờ (Fuzzy Logic); … thông qua các ToolBox

Nhìn chung các hệ thống thu nhận ảnh thực hiện một quá trình

- Cảm biến: biến đổi năng lượng quang học thành năng lượng điện

- Tổng hợp năng lượng điện thành ảnh

2.7.1.2 Phân tích ảnh

Ở giai đoạn này ảnh được xử lý theo nhiều công đoạn nhỏ như: cải thiện ảnh, khôi phục ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh hay làm ảnh gần với trạng thái gốc Tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên, phân vùng

Hệ thống tọa độ của các pixel của ảnh đó được biểu diễn bằng tham số f(x,y) như sau:

19

2.7.3 Định dạng ảnh

Trong hệ đồ họa máy tính, ảnh số được lưu trữ trong một bộ nhớ hay còn gọi là định dạng tập tin ảnh Có rất nhiều định dạng ảnh khác nhau như JPEG, GIG, TIF,… Nhưng ở đây ta chỉ quan tâm đến định dạng JPEG

2.7.4 Quá trình tách đối tượng

Tách đối tượng là quá trình quan trọng để xử lý ảnh Tuỳ theo mục tiêu mà mỗi chương trình cần tách các đối tượng khác nhau để xử lý Ví dụ chương trình “Nhận dạng cà chua” thì ta chỉ cần tách những phần liên quan đến cà chua, những thành phần khác sẽ bị loại bỏ

Hình 2.15: Sơ đồ quá trình tách đối tượng

2.7.5 Quá trình nhận dạng đối tượng

Ảnh đối tượng sau khi qua các bước xử lý sẽ được tiến hành so sánh và phân tích nhằm đưa ra các thông tin cho quá trình tính toán và ra quyết định cho hệ thống xử lý Trong lý thuyết nhận dạng nói chung và nhận dạng ảnh nói riêng có 3 cách tiếp cận khác nhau:

 Nhận dạng dựa vào phân hoạch không gian

 Nhận dạng cấu trúc

 Nhận dạng dựa vào kỹ thuật màng Neural nhân tạo

Hai cách tiếp cận đầu là các kỹ thuật kinh điển Các đối tượng ảnh quan sát và thu nhận ảnh phải trải qua giai đoạn tiền xử lý nhằm tăng cường chất lượng, làm nổi các chi tiết, tiếp theo là trích chọn và biểu diễn các đặc trưng, cuối cùng mới qua giai đoạn nhận dạng

Cách tiếp nhận bằng Neural nhân tạo thì hoàn toàn khác Nó dựa vào cơ chế đoán nhận, lưu trữ và phân biệt đối tượng mô phỏng theo hoạt động của hệ thần kinh con người Do cơ chế đăc biệt, các đối tượng thu nhận bởi thị giác không cần qua giai

Thu nhận ảnh

và chuyển

thành ảnh xám

Chuyển ảnh xám thành ảnh nhị phân

Lọc trung vị và loại bỏ những vùng nhỏ hơn

300 pixel

Tách đối tượng cô lập

20 đoạn cải thiện mà chuyểnngay sang giai đoạn tổng hợp, đối sách với các mẫu đã lưu trữ để nhận dạng

g học thuận

ocessing To

điều khiển

hương trìnhRS232 Chư

hệ tọa độ

guyên tắc t

p trong phần

viết trên Mađiều khiển b

ể

g (a) và của

ịnh dạng làxám Sau đ

m vừa chuy

àu đỏ ban đtrái Như v

a trái

3 HÁP NG

ầu Khi có vậy là quá tr

(b)

sau khi nhậ

RGB Sau hép trừ ảnh

t quả là ta sđược các đrình xử lý ả

sẽ thu đượcđối tượng nàảnh đã đạt đ

c các

ày ta được

22

3.5 Phương pháp xác định tọa độ vật thể

Hình 3.2: Quy trình xác định tọa độ (x,y) của vật thể

Để xác định khoảng cách đến vật thể ta sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 Khoảng cách tối đa của cảm biến này là từ 3 – 4m

Hình 3.3: Cảm biến siêu âm SRF05

Hình 3.4: Sơ đồ mạch xử lý xác định khoảng cách

Vi điều khiển sau khi nhận được tín hiệu từ cảm biến siêu âm sẽ chuyển dữ liệu lên máy tính thông qua cổng COM Chương trình Matlab sẽ nhận dữ liệu khoảng cách đến vật thể, sau đó kết hợp với tọa độ (x,y) của vật thể là ta có được tọa độ của vật thể trong không gian Khi đó Matlab sẽ gửi toàn bộ tọa độ của vật thể xuống cho vi điều khiển để điều khiển robot hoạt động

3.6 Phần mềm điều khiển Robot

 Phần mềm có chức năng giải quyết các bài toán, truyền tải giá trị góc và vị trí đến các driver điều khiển

ch của robo

và 4 bậc tự dkhâu cố địnhhân robot có

u này có thươn tới quả ùng để thu h

Hì

C

ẾT QUẢRobot

ot dự định th

ẬN

ng tôi thiết

một khâu chcác khâu cò

ua Khâu 3gưỡng cho p

25

4.1.2 Lựa chọn mô hình và tính toán các bộ phận của robot

4.1.2.1 Tính toán tay máy robot

Cà chua trồng trong nhà kính thường được trồng với khoảng cách giữa các hàng

là 80-120cm, khoảng cách giữa các cây là 40-60cm Từ đó chúng tôi tính toán thiết kế kích thước tay máy robot để phù hợp với thực tế

Hình 4.2: Trường công tác của tay máy được mô phỏng bằng Matlab

Với kích thước hai khâu bằng nhau và bằng 43cm, từ hình vẽ ta nhận thấy robot

có thể vươn tới hầu hết tất cả các điểm trong nửa mặt cầu phía trên với bán kính 86cm Với kích thước như vậy là đủ để hái cà chua trong khoảng cách giữa hai hàng cây

26

Hình 4.3: Tay máy robot

Hình 4.4: Kích thước tay máy robot

rí đặt bánh x

a

Hình 4

ược thiết kyển động đgắp đóng l

ại hoặc mở

: Sơ đồ phâ

ng thân robomáy robot

hái cà chua

y kẹp, cơ cấnhờ nam ch

28

Phương trình cân bằng lực tại D:

0 Nhìn vào hình ta thấy, trọng lượng P2có xu hướng làm cho khung thân robot lật,

và điểm lật sẽ tại điểm D Khi đó phản lực Nc sẽ bằng 0, do đó phương trình cân bằng moment tại D sẽ là:

MD = P1.(XD – XP1) – P2.(XP2 – XD) Nếu MD< 0 thì robot sẽ bị lật

 P1.(XD – XP1) – P2.(XP2 – XD) < 0



Từ phương trình trên ta thấy nếu như khoảng cách từ trọng tâm tay máy đến điểm lật D lớn hơn khoảng cách từ trọng tâm khung thân robot đến điểm lật D, thì robot có khả năng sẽ bị lật cao Do đó trong thiết kế, ta nên tăng khoảng cách giữa trọng tâm khung thân robot và điểm lật Nhưng nếu tăng quá lớn sẽ tốn kém và làm thiết kế không đẹp, do đó ta nên tăng tỉ lệ P1/P2 để chống lật cho robot

Hình 4.7: Khung thân robot

Khung robot là bộ phận chịu lực và di chuyển robot, khung được làm bằng Inox kích thước 12x12x1mm, khung được thiết kế chắc chắn, có thể chịu được trọng lượng toàn bộ robot

robot khi đư

kế, do để ph

n tăng tỉ lệ P20kg, khối

hể bị lật với một động chạy thẳng, v

n được thiết truyền động

P2là 2,5kg,

rí nào của ta

di chuyển yền động từyển động trêđai

lắp ráp hoà

cơ cấu chu

h thực tế girobot Sau nên tỉ lệ P1

1/P2=8 lần

n bánh xe đbằng cơ cấu

y thông qua

ng cà hành Với

được

u dây

a hai