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.
Trang 1NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT THU HOẠCH CÀ
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cám ơn tất cả quý Thầy, Cô trường Đại Học Nông Lâm Tp HồChí Minh và quý Thầy, Cô khoa Cơ khí – Công nghệ đã trang bị cho chúng em nhữngkiến 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 làmLuận văn tốt nghiệp
Em cũng xin chân thành cám ơn các anh trong Trung nghiên cứu Tự động hóa vàRobot trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Đồng An, đã giúp đỡ và chỉ bảo chúng emtận 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 giannhận 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 quátrình hoàn thành Luận văn tốt nghiệp
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiệnTrần Minh – Nguyễn Trường Giang
Trang 3TÓM TẮT
Trong thời buổi công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, Robot ngày càng đóngvai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống Có rất nhiều loại Robot phục vụ chonhiều 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 muốnchế 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 nguyênnhân hôm nay chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng Robot thuhoạch cà chua” nhằm mục đích nghiên cứu những vấn đề mới trong khoa học – kỹthuật 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 hànhtại Trung tâm nghiên cứu Tự động hóa và Robot trường Cao đẳng nghề công nghệ caoĐồng 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 chotốc 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 độnghọc và mô phỏng cho kết quả đáng tin cậy, dễ lập trình, dễ sử dụng
Trang 4MỤC LỤC
Trang TRANG TỰ
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
Trang 52.5.3 Mắt của Robot sử dụng Camera 10
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
Trang 6KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24
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
Trang 7DANH 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
Trang 8DANH SÁCH CÁC HÌNH
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
Trang 9Hình 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
Trang 10số lượng chứ chưa chú trọng nhiều đến chất lượng Trong thế kỷ 21, nhu cầu lươngthực của con người tăng lên, nhưng cũng đòi hỏi chất lượng phải tốt hơn, có lợi chosức khỏe và bảo vệ môi trường nhiều hơn Vì vậy, nước ta phải cải tiến chất lượngnông 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 xuấtkhẩu, 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 hệthống 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 đãđược sinh viên và giảng viên khoa Cơ khí – Công nghệ trường ĐH Nông LâmTP.HCM nghiên cứu và áp dụng rộng rãi vào thực tế Nhưng khâu thu hoạch tự độngthì 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 sảnxuất khép kín, hiện đại, chất lượng cao, sạch và bảo vệ môi trường Với sự hướng dẫncủa thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùng, và thầy KS Nguyễn Tấn Ý Đề tài tập trungnghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng mô hình robot cho việc thu hoạnh trái câytrong nhà kính, cụ thể là thu hoạch cà chua được trồng trong nhà kính, và có thể pháttriển để phù hợp với các loại trái cây khác Với hi vọng đề tài sẽ góp phần vào việcứng dụng công nghệ robot và lĩnh vực tự động hóa vào trong sản xuất nông nghiệp ởnước ta trong tương lai
1.2 Mục đích đề tài
Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình robot thu hoạch cà chua nhằm làm cơ sởứng 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
Trang 111.3 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 khônggian 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 vềrobot hoặc áp dụng vào sản xuất Đề tài đang cố gắng đưa khoa học robot ứng dụngnhiều hơn trong cuộc sống, tìm ra một hướng đi mới trong khâu thu hoạch cà chua nóiriêng và trái cây nói chung, góp phần nâng cao chất lượng của trái cây Việt Nam
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 yếu tập trung vào phương pháp giải bài toán động lực học từ đó xác định các thông số phục vụ cho điều khiển chuyển động
Trang 12Nghiên cứu thiết kế mô hình Robot sao cho phù hợp với việc thu hoạch cà chua, nghiêncứu 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 sẵntrong nhà kính Robot dùng camera để phát hiện dâu chín và vươn tay máy Robot đểthu hoạch dâu Tốc độ của Robot tuy không bằng con người, nhưng có thể hoạt động24/24 trong điều kiện nhà kính
Trang 13Hình 2.2: Mô hình Robot thu hoạch nấm của Anh
Các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Warwick, Vương quốc Anh, đã chế tạothành công mô hình Robot thu hoạch nấm giúp đảm bảo chất lượng đồng đều cho sảnphẩm Như chúng ta đều biết, nấm có tốc độ phát triển rất nhanh, nếu như không kịpthu hoạch nấm sẽ già và không đảm bảo các thành phần dinh dưỡng Do đó, nhiệm vụcủa Robot là sử dụng camera để đo kích thước của nấm, sau đó thu hoạch khi nấm đãđạt tới kích thước quy định Robot có thể hoạt động liên tục mà không cần người điềukhiển
Hình 2.3: Robot phun thuốc sinh học trong nhà kính
Tình hình phát triển Robot ở Việt Nam ngày càng phát triển, đã có rất nhiều ứngdụng của Robot được đưa vào sản xuất nông nghiệp chất lượng cao Mà cụ thể làRobot phun thuốc sinh học trong nhà kính, đã được sinh viên và giảng viên khoa Cơkhí – Công nghệ trường Đại học Nông Lâm TP.HCM nghiên cứu thiết kế và chế tạothành công
Robot này có khả năng thực hiện việc pha chế liều lượng một cách chính xác vàphun thuốc hoàn toàn tự động theo chương trình lập sẵn, giúp con người không phảitiếp 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 tựđộng 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:
Trang 14Thời 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 màuhồng 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 bềmặt 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 màuvàng
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 củaquá 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 làmthực 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 thíchhợp, thịt quả dùng để chế biến cà chua cô đặc hoặc tương cà chua rất tốt
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 vậythao tác khi thu hái, sắp xếp và vận chuyển phải hết sức nhẹ nhàng, kịp thời loại bỏ
Trang 15những quả bị dập nát… Hiện nay ở các vùng cà chua được thu hoạch bằng phương phápthủ công.
2.3 Sơ lược về Robot
Robot là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữamột tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoànthành 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 bộcác hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thíchnghi khác nhau
Robot có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểuthị cho số bậc tự do của chúng Robot được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơcấu 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 loạivào khuôn đúc, lắp ráp máy ) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiếtgia công, dao cụ, đồ gá ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đốitượng 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 giảnkhi nhiệm vụ sản xuất thay đổi
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 hoặctịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành củarobot 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 :
Trong đó: n – Số khâu động;
pi – Số khớp loại i (i = 1,2, .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế)
Trang 16Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến(khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động Đối với cơ cấu hở, số bậc
tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để địnhhướng
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 hệtoạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Trong từngthời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyểndịch 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
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 vàgiữa 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 củatrục y (hình 2.3)
Trang 17Hình 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 bộthể 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 cácràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn mộtgóc 360o Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của mộtrobot
2.5 Cấu trúc cơ bản của Robot
2.5.1 Các thành phần chính của Robot
Một robot thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot, nguồnđộng lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bịdạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của
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
Trang 18Nguồn động lực để tạo nên những chuyển động cơ bản của robot Nguồn độnglực 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 khâucuối của robot, dụng cụ của robot có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay đểnắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn, cơcấu 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 trênmáy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiểncòn được gọi là mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máytính Một mođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào – Ra (I/O port) để làm việcvới nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bảnthân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băngtải 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 tháicủa bản thân (cảm biến nội tín hiệu) hoặc nhận biết đối tượng làm việc và môi trườngchung quanh (cảm biến ngoại tín hiệu), tạo ra các tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển đểđiều chỉnh các hoạt động của robot
2.5.2 Kết cấu của tay máy
Như đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làmviệc của robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năngcủa tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tayrobot có hình dáng rất khác xa cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng tay máy,chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình – động học, là những thông số liên quanđến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thểhiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản : Chuyển động tịnhtiến theo hướng x,y,z trong không gian Decade, thông thường tạo nên các hình khối,các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic) Chuyểnđộng quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation)
2.5.3 Mắt của Robot sử dụng Camera
Trang 19Tổng quát có hai loại Camera: Kiểu Camera dùng đèn chân không và kiểucamera chỉ dùng bán dẫn Đặc biệt trong lĩnh vực này, camera bán dẫn thường đượcdùng hơn camera đèn chân không Camera bán dẫn còn được gọi là CCD camera, do
đó nó dùng các thanh ghi dịch đặc biệt gọi là thiết bị ghép (Charge – coupled devices –CCDs) Các CCD này chuyển các tín hiệu ánh sáng từ bộ cảm nhận ánh sáng bố trí ởphía trước camera thành các tín hiệu điện mà sau đó được mã hóa thành tín hiệu TV.Loại camera chất lượng cao thì cho tín hiệu ít nhiễu và có độ nhạy cao với ánh sáng.Camera sẽ có chức năng thu nhận hình ảnh đưa về máy tính dưới dạng ảnh số, máytính và phần mềm sẽ có nhiệm vụ xử lý và tách đối tượng là quả cà chua
Hình 2.8: Camera
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 đốitượng 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 xáccao, dễ xử lý, dễ hiệu chỉnh, nhưng chi phí khá cao
Do trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy phương pháp dùng mộtcamera và một cảm biến siêu âm có khả năng ứng dụng và độ chính xác cao hơn 2phương pháp còn lại Nên chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp sử dụng mộtcamera để xác định tọa độ và một cảm biến siêu âm để xác định khoảng cách tới đốitượng
2.5.4 Động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có hai phần:
Trang 20Stator 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 khôngkhí
Rotor với các thanh dẫn Khi có dòng điện một chiều chạy qua và với dòng từthông 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 điệnmột 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
Các thông số chủ yếu quyết định tính năng làm việc của động cơ điện một chiềulà:
U : Điện áp cung cấp cho phần ứng;
I : Cường độ dòng điện của phần ứng;
r : Điện trở trong của phần ứng;
φ : Từ thông;
E : Sức phản điện động phần ứng
Các quan hệ cơ bản của động cơ điện một chiều là:
E=U −rI =knφ
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:
n= U −Ir kφ
Mômen động C xác định từ phương trình cân bằng công suất:
Trang 21EI =2 π nC
kφI π
Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách: Thay đổi từ thông φ , 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, thìcông 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.Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dâydẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sánghoặc bức xạ điện từ,
Trong mô hình sử dụng loại biến trở xoay thay đổi chiều dài dây dẫn
Trang 22Sai số tối đa ở mổi khớp ở cánh tay là 3o, sai số cộng dồn của cả 2 khớp cánh tay
là 6o, độ dài cánh tay là 860mm, vậy sai số ở đầu công tác tính được:
e rr=6 × π
180×860=90(mm)
Để hái được cà chua đòi hỏi độ chính xác cao(e rr<30 mm), vì vậy để giảm sai sốtối đa cần phải điều khiển theo phương pháp điều khiển PID cho tay máy hoạt độngchính xác và nhanh hơn
2.5.6 Vi điều khiển PIC
PIC là tên viết tắt của Máy tính khả trình thông minh (Programable IntelligentComputer) do hãng General Instrument đặt tên, con vi điều khiển đầu tiên của họ làPIC1650 Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này Cho đến nay, cácsản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx,16FxxxA, 16LFxxxA, 18Fxxx 18LFxxx…
Những Tính Năng Chính Của PIC16F877A:
Hình 2.11: Vi điều khiển Pic16F886
Trang 23Hình 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 nănglượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài
- Bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều biếnxung
- 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)
- 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 tiếnhành các nhiệm vụ tính toán có cường độ lớn nhanh hơn với các ngôn ngữ lập trìnhnhư C, C++ và Fortran
MATLAB viết tắt cho "Matrix Laboratory" - Phòng thí nghiệm ma trận Banđầu Matlab được thiết kế bởi Cleve Moler vào những năm 1970 để sử dụng như mộtcông cụ dạy học Từ đó đến nay nó đã được phát triển thành một bộ phần mềm thươngmại rất thành công
Trang 24Hiện 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 ngônngữ lập trình mạnh, giao diện đồ họa xuất sắc, và một phạm vi rất rộng các kiến thứcchuyên môn Matlab là một thương hiệu đã được thương mại hóa của tập đoànMathWorks, Massachusetts, USA (hiện là nhà cung cấp hàng đầu thế giới cho cácphần 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)
+ 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.
Trang 25Lập trình theo nghĩa thông thường, là nhập vào máy những câu lệnh rõ ràng, theomột thứ tự nhất định sao cho khi máy thực hiện theo đúng thứ tự đó thì sẽ cho ta kếtquả mong muốn Một khái niệm nôm na tương tự như vậy thường thấy trong cáckhóa học lập trình các ngôn ngữ C, Pascal
Khi khởi đầu với MatLab ta hãy hiểu theo nghĩa rộng hơn: lập trình còn có cácbước biểu diễn bài toán dưới dạng các hàm và máy tính qua việc thực hiện các hàmnày cho ta kết quả Phương pháp này có mức độ trừu tượng cao hơn so với các câulệnh 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 biếnhơn 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 đươngvới 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
Tuy vậy các ngôn ngữ lập trình biên dịch như C / Fortran cho phép chương trìnhtính toán rất nhanh và tốc độ cũng là một yêu cầu rất quan trọng trong các chươngtrình tính lớn Do đó một cách kết hợp thông minh là phần lõi tính toán có thể đượcviết bằng ngôn ngữ biên dịch, và các thao tác nhập xuất, xử lí, hiển thị số liệu đượcviết 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 sổđiều khiển Đồng thời, Matlab còn cho phép khả năng lập trình với cú pháp thông dịchlệnh 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 trongkhông gian 2D và 3D, khả năng tạo hoạt cảnh cho việc mô tả bài toán một cách sinhđộng
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
2.7 Tổng quan về xử lý ảnh
2.7.1 Hệ thống xử lý ảnh
Trang 26Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh
Từ hình vẽ ta thấy một hệ thống xử lý ảnh bao gồm thu nhận ảnh, số hóa ảnh,phân tích ảnh và cuối cùng là quyết định (tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể màđưa ra quyết định cho phù hợp
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 trạngthái gốc Tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên, phân vùng
Trang 27Thomson đưa ra năm 1802 Do đó, một ảnh màu sẽ được thể hiện dưới dạng ma trậnvector do ba mảng màu cơ bản trên cấu thành.
Hệ thống tọa độ của các pixel của ảnh đó được biểu diễn bằng tham số f(x,y) nhưsau:
2.7.3 Định dạng ảnh
Trong hệ đồ họa máy tính, ảnh số được lưu trữ trong một bộ nhớ hay còn gọi làđịnh 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 mỗichương trình cần tách các đối tượng khác nhau để xử lý Ví dụ chương trình “Nhậndạng cà chua” thì ta chỉ cần tách những phần liên quan đến cà chua, những thành phầnkhác sẽ bị loại bỏ
Hình 2.15: Sơ đồ quá trình tách đối tượng
2.7.5 Quá trình nhận dạng đối tượng
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
Trang 28Ảnh đối tượng sau khi qua các bước xử lý sẽ được tiến hành so sánh và phân tíchnhằm 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 tiếpcận 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 vàthu nhận ảnh phải trải qua giai đoạn tiền xử lý nhằm tăng cường chất lượng, làm nổicác chi tiết, tiếp theo là trích chọn và biểu diễn các đặc trưng, cuối cùng mới qua giaiđoạn nhận dạng
Cách tiếp nhận bằng Neural nhân tạo thì hoàn toàn khác Nó dựa vào cơ chế đoánnhận, lưu trữ và phân biệt đối tượng mô phỏng theo hoạt động của hệ thần kinh conngười Do cơ chế đăc biệt, các đối tượng thu nhận bởi thị giác không cần qua giaiđoạn cải thiện mà chuyển ngay sang giai đoạn tổng hợp, đối sách với các mẫu đã lưutrữ để nhận dạng
Trang 29Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
(D- Image Processing Toolbox Help trong phần mềm MATLAB
3.3 Phần mềm điều khiển Robot
Giao diện chương trình sẽ được viết trên Matlab 2011b Giao tiếp với robot qua chuẩn giao tiếp RS232 Chương trình điều khiển bao gồm chạy tự động và chạy thủ công
3.4 Phương pháp nhận dạng vật thể
Trang 30(a) (b)
Hình 3.1: Ảnh của đối tượng (a) và của đối tượng sau khi nhận dạng (b)
Ảnh thu được từ camera được định dạng là ảnh màu RGB Sau khi thu ảnh, đểtách đối tượng ta chuyển ảnh về ảnh xám Sau đó dùng phép trừ ảnh giữa các thànhphần màu đỏ của ảnh màu và ảnh xám vừa chuyển Và kết quả là ta sẽ thu được cácthành phần ảnh xám của đối tượng màu đỏ ban đầu Khi có được các đối tượng này ta
có thể xử lý, tính toán tọa độ của từng trái Như vậy là quá trình xử lý ảnh đã đạt đượcmục đích khi tính toán được tọa độ của trái
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.
Trang 31Vi điều khiển sau khi nhận được tín hiệu từ cảm biến siêu âm sẽ chuyển dữ liệulên máy tính thông qua cổng COM Chương trình Matlab sẽ nhận dữ liệu khoảng cáchđến vật thể, sau đó kết hợp với tọa độ (x,y) của vật thể là ta có được tọa độ của vật thểtrong không gian Khi đó Matlab sẽ gửi toàn bộ tọa độ của vật thể xuống cho vi điềukhiển 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 tríđến các driver điều khiển
Phần mềm có thể điều khiển được hai trạng thái tự động và bằng tay Quá trìnhhoạt động có thể xuất ra tập tin lưu trữ
Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển robot
Trang 32Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Nghiên cứu thiết kế Robot
Trang 33Hình 4.1: Lược đồ robot dự định thiết kế
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
Trang 34Hình 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
Trang 35Hình 4.3: Tay máy robot
Hình 4.4: Kích thước tay máy robot
Trang 364.1.2.2 Cơ cấu hái cà chua
Hình 4.5: Cơ cấu hái cà chua
Cơ cấu hái cà chua được thiết kế dạng tay kẹp, cơ cấu là một khớp loại 5 vớichuyển động tịnh tiến Chuyển động được tạo ra nhờ nam châm điện có nhiệm vụ kéo
và đẩy tay gắp, làm cho tay gắp đóng lại hoặc mở ra để hái được cà chua
4.1.2.3 Tính toán khung thân robot
Tính toán moment lật của robot
Hình 4.6: Sơ đồ phân tích lực robot
Trong đó:
P1: là trọng lượng trọng tâm khung thân robot
P2: là trọng lượng trọng tâm tay máy robot
C, D là vị trí đặt bánh xe robot
Trang 37Phương trình cân bằng lực tại D:
⃗P1+⃗P2+⃗N C+⃗N D=0
Nhìn vào hình ta thấy, trọng lượng P2 có 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 bằngmoment tại D sẽ là:
MD = P1.(XD – XP1) – P2.(XP2 – XD)Nếu MD < 0 thì robot sẽ bị lật
Hình 4.7: Khung thân robot
Khung robot là bộ phận chịu lực và di chuyển robot, khung được làm bằng Inoxkích thước 12x12x1mm, khung được thiết kế chắc chắn, có thể chịu được trọng lượngtoàn bộ robot
Trang 38Hình 4.8: Thân robot khi được lắp ráp bánh xe và cơ cấu chuyển động.
Trong quá trình thiết kế, do để phù hợp với khoảng cách thực tế giữa các luống càchua, nên chúng tôi ưu tiên tăng tỉ lệ P1/P2 để chống lật cho robot Sau khi hoàn thànhrobot, khối lượng của P1 là 20kg, khối lượng của P2 là 2,5kg, nên tỉ lệ P1/P2 = 8 lần.Với tỉ lệ như vậy robot không thể bị lật với bất kỳ vị trí nào của tay máy
Thân robot sử dụng một động cơ dùng để di chuyển robot Bốn bánh xe đượcthiết kế để chỉ cho robot chạy thẳng, và được truyền động từ động cơ bằng cơ cấu dâyđai Bên cạnh đó, robot còn được thiết kế để chuyển động trên thanh ray thông qua haibánh xe phụ và cũng được truyền động bằng dây đai
Hình 4.9: Robot khi được lắp ráp hoàn chỉnh