Thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CÁNH TAY ROBOT Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS NGÔ THANH NGHỊ PHẠM HỮU CƯỜNG ĐINH VĂN HỢP Đà Nẵng, 07/2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Phạm Hữu Cường Số thẻ SV 101150158 Lớp Ngành 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử Đinh Văn Hợp 101150167 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: sinh viên tự chọn Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung Phạm Hữu Cường C C Chương Tổng quan đề tài nghiên cứu R L T Đinh Văn Hợp Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp Chương Phân tích lựa chọn phương án thiết kế U D Chương Các thành phần hệ thống Nội dung Chương 4: thiết kế hệ thống Chương Thiết kế điều khiển Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Phạm Hữu Cường Nội dung Bản vẽ nguyên lý hoạt động (bản vẽ chi tiết cỡ A0) Đinh Văn Hợp b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Phạm Hữu Cường Nội dung Bản vẽ tổng thể hệ thống (bản vẽ chi tiết cỡ A0) Phạm Hữu Cường Đinh Văn Hợp Bản vẽ cánh tay robot (bản vẽ chi tiết cỡ A0) Bản vẽ sơ đồ nối dây (bản vẽ sơ đồ cỡ A0) Đinh Văn Hợp Bản vẽ lưu đồ thuậ toán (bản vẽ sơ đồ cỡ A0) Họ tên người hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Phần/ Nội dung: Toàn 15/03/2020 30/06/2020 Đà Nẵng, ngày 02 tháng 07 năm 2020 Người hướng dẫn Trưởng Bộ môn TS Ngô Thanh Nghị C C U D R L T LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật tự động ngành kỹ thuật cao phát triển mạnh mẽ Robotics, chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động, ứng dụng rộng rãi giới, thu hút nhiều ý nước ta Để xây dựng sản xuất đại, cần nhanh chóng ứng dụng phát triển tự động hóa, bật sản phẩm Cơ điện tử Robot Vì đề tài nghiên cứu xoay quanh vấn đề tìm hiểu tính tốn thiết kế hệ thống cánh tay robot dùng để phân loại sản phẩm dựa vật liệu sản phẩm nhằm mục đích nghiên cứu, tiếp cận ngành cơng nghiệp Mục tiêu đặt thiết kế xây dựng thành cơng mơ hình cánh tay máy bậc tự hoạt động hiệu việc phân loại sản phẩm Đồ án nghiên cứu gồm: - Trình bày giới thiệu chung cánh tay robot Phương pháp thiết kế khí, điện tử Tính tốn động học, động lực học Xây dựng mơ hình cánh tay robot - Xây dựng chương trình điều khiển cánh tay robot C C R L T U D I LỜI CẢM ƠN Qua thời gian làm đề tài, chúng em thu nhận thêm nhiều kiến thức bổ ích sách lẫn thực tế hoàn thành đề tài thời gian quy định Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy khoa khí tận tình dạy kiến thức để chúng em hồn thành xong đề tài Đặc biệt cảm ơn đến thầy Ngô Thanh Nghị tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hồn thành đê tài theo thời gian quy định C C R L T U D II CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt quy định liêm học thuật: - Không bịa đặt, đưa thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn Khơng ngụy tạo số liệu q trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập hoạt động học thuật khác - Khơng sử dụng hình thức gian dối việc trình bày, thể hoạt động học thuật kết từ trình học thuật - Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt người khác thể mình, trình bày, chép, dịch đoạn, nêu ý tưởng người khác mà khơng trích dẫn - Khơng tự đạo văn, sử dụng lại thơng tin nghiên cứu mà khơng có trình dẫn phân mảnh thơng tin kết nghiên cứu để cơng bố nhiều ấn phẩm C C R L Sinh viên thực D T U PHẠM HỮU CƯỜNG ĐINH VĂN HỢP III MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i LỜI CẢM ƠN ii CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG ix TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung tự động hóa .1 1.1.1 Các khái niệm .1 C C 1.1.2 Robot công nghiệp R L T 1.2 Cấu trúc robot công nghiệp 1.2.1 Kết cấu chung U D 1.2.1.1 Kết cấu tay máy 1.2.1.2 Robot tọa độ góc (cartesian robot) 1.2.1.3 Robot tọa độ trụ (cylindrical robot) 1.2.1.4 Robot tọa độ cầu (spherical robot) 1.2.1.5 Robot Scara .5 1.2.1.6 Tay máy kiểu tay người .5 1.2.2 Phân loại robot 1.2.2.1 Phân loại theo dạng hình học khơng gian hoạt động 1.2.2.2 Phân loại theo hệ 1.2.2.3 Phân loại theo điều khiển 1.2.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động 1.2.3 Ứng dụng robot công nghiệp .7 1.2.3.1 Ứng dụng công nghiệp .7 1.2.3.2 Ứng dụng thao tác cần khuếch đại lực .8 IV 1.2.3.3 Ứng dụng lắp ráp .9 1.3 Tổng quan đề tài nghiên cứu 10 1.3.1 Giới thiệu đề tài 10 1.3.2 Tính cấp thiết đề tài 10 1.3.3 Nguyên lý hoạt động 11 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 12 2.1 Yêu cầu nhiệm vụ 12 2.2 Chọn phương án thiết kế .12 2.2.1 Chọn cụm phân loại 12 2.2.1.1 Cánh tay robot bậc tự R-R-R 12 2.2.1.2 Cánh tay robot bậc tự R-R-R-R .13 C C 2.2.1.3 Xi lanh – pit tông .13 R L T 2.2.2 Chọn cấu gắp sản phẩm .14 2.2.2.1 Cơ câu hút .14 U D 2.2.2.2 Cơ cấu kẹp sử dụng động bước để tạo áp lực 14 2.2.3 Chọn điều khiển 15 2.2.3.1 Bộ điều khiển logic khả lập trình ( PLC ) .15 2.2.3.2 Vi điều khiển Arduino PIC16F877A 16 CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG 17 3.1 Cánh tay robot bậc tự 17 3.1.1 Mica dùng để làm robot 17 3.1.2 Động servo MG995 18 3.2 Băng tải 20 3.3 Arduino Uno R3 22 3.3.1 Năng lượng .22 3.3.2 Các chân lượng 23 3.3.3 Bộ nhớ 23 3.3.4 Các cổng vào/ra 23 V 3.3.5 Lập trình cho Arduino 24 3.4 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại 25 3.5 Cảm biến hình ảnh 26 3.6 Module LM2596 26 3.7 Module relay 5V DC .27 THIẾT KẾ HỆ THỐNG .29 4.1 Động học thuận cánh tay robot .29 4.1.1 Lý thuyết 29 4.1.1.1 Bộ thông số Denavit-Hartenberg 30 4.1.1.2 Đặc trưng ma trận A 32 4.1.1.3 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận robot 32 C C 4.1.2 Tính động học thuận cánh tay robot .33 R L T 4.1.3 Kết luận 35 4.2 Động học ngược cánh tay robot 35 U D 4.2.1 Lý thuyết 35 4.2.1.1 Động học ngược cánh tay robot 35 4.2.1.2 Điều kiện toán động học ngược 36 4.2.2 Tính động học ngược cánh tay robot 36 4.2.3 Kết luận 40 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 41 5.1 Tạo giao diện người dùng nhờ công cụ guide matlab 41 5.2 Các loại ảnh matlab 44 5.2.1 Ảnh số .44 5.2.2 Ảnh biểu diễn theo độ sáng 44 5.2.3 Ảnh nhị phân 44 5.2.4 Ảnh RGB 44 5.3 Các hàm xử lý ảnh matlab 45 5.3.1 Hàm imread() 45 VI 5.3.2 Hàm imshow() imagesc() 45 5.3.3 Hàm imwrite() 45 5.3.4 Hàm rgb2gray() 45 5.3.5 Hàm imhist() 45 5.3.6 Hàm imadjust() .45 5.3.7 Hàm im2bw() 46 5.3.8 Hàm imresize 46 5.4 Ngun lý nhận dạng hình ảnh trịn,vng tam giác 46 5.5 Lưu đồ thuật toán 47 5.5.1 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển 47 5.5.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống .48 C C PHỤ LỤC: CÁC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 50 R L T Chương trình điều khiển matlab 50 Chương trình điều khiển Arduino 57 U D TỔNG KẾT 63 kết đạt 63 hạn chế chưa làm 63 hướng phát triển đề tài 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .64 VII Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot PHỤ LỤC: CÁC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Chương trình điều khiển matlab Ta tạo giao diện người dùng sau C C R L T Chương trình điều khiển sau function varargout = datn2(varargin) % DATN2 MATLAB code for datn2.fig % DATN2, by itself, creates a new DATN2 or raises the existing % singleton* % % H = DATN2 returns the handle to a new DATN2 or the handle to % the existing singleton* % % DATN2('CALLBACK',hObject,eventData,handles, ) calls the local % function named CALLBACK in DATN2.M with the given input arguments % % DATN2('Property','Value', ) creates a new DATN2 or raises the % existing singleton* Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before datn2_OpeningFcn gets called An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop All inputs are passed to datn2_OpeningFcn via varargin % % *See GUI Options on GUIDE's Tools menu Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)" % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES U D % Edit the above text to modify the response to help datn2 % Last Modified by GUIDE v2.5 28-Jun-2020 22:04:28 Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 50 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, 'gui_Singleton', gui_Singleton, 'gui_OpeningFcn', @datn2_OpeningFcn, 'gui_OutputFcn', @datn2_OutputFcn, 'gui_LayoutFcn', [] , 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout C C [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT R L T U D % - Executes just before datn2 is made visible function datn2_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to datn2 (see VARARGIN) % Choose default command line output for datn2 handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles); % UIWAIT makes datn2 wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1); Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 51 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot % - Outputs from this function are returned to the command line function varargout = datn2_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout{1} = handles.output; % - Executes on button press in ketnoi C C function ketnoi_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to ketnoi (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) s ; global s; s = serial('COM3','BaudRate',9600); fopen(s); R L T U D % - Executes on button press in ngkn function ngkn_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to ngkn (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global s fclose(s); % - Executes on button press in thoat Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 52 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot function thoat_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to thoat (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global stop stop = 1; close; % - Executes on button press in video function video_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to video (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global vid ; % Gọi webcam C C vid = videoinput('winvideo',1, 'MJPG_1280x720'); % Thiết lập không gian màu set(vid,'ReturnedColorSpace','RGB'); himage=image(zeros(720,720 ,3),'parent', handles.axes1); % himage= insertShape(himage,'FilledCircle',[320 240 2],'Color','black','Opacity',1); preview(vid,himage); R L T U D % - Executes on button press in xuly function xuly_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to xuly (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global s stop vid; stop = 0; while (1) pause(0.03); %fprint(stop); if(stop == 1) break; end hinh=getsnapshot(vid); % Chụp ảnh từ webcam Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 53 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot imwrite(hinh,'d.jpg'); a=imread('d.jpg'); k = ones(3,3) / 9; a= imfilter(a,k); % Lấy ảnh % Ðọc ảnh % Xử lý nhiễu ảnh % Xử lý nhiễu ảnh c = im2bw(a,0.40); % Chuyển ảnh màu thành ảnh xám d= bwareaopen(c,1000); % Xóa đối tượng nhỏ 20000 pixel tam=regionprops(d,'all'); % Hàm lấy tâm đối tượng B = bwboundaries(d); % B mảng có dạng px1, p số đối tượng, % Mỗi ô mảng chứa ma trận Q-by-2 Moiõ hàng mảng tọa độ hàng cột pixel biên % L ma ma trận đối tượng dán nhãn % Hiển thị ma trận vẽ ranh giới if length(tam)==1 ex=tam.Centroid(1); imshow(d); if (190 s3){ for(s3; s3 = goc; s3 ){ SV3.write(s3); delay(spd); } Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 61 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot } } void sv4( int goc, int spd){ if(goc > s4){ for(s4; s4 = goc; s4 ){ SV4.write(s4); R L T delay(spd); } } } U D Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 62 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot TỔNG KẾT kết đạt Làm mơ hình hồn chỉnh hoạt động ổn định Về phần thiết kế khí - Biết cách sử dụng thành thạo công cụ vẽ 3D 2D thường dùng - ngành khí SolidWorks AutoCAD Biết cách trình bày đọc vẽ thường dùng - Biết cách tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình khí hồn chỉnh hoạt - động Lắp ráp mơ hình sản phẩm hồn chỉnh Về phần điện, thiết bị điện – điện tử điều khiển lập trình - Tìm hiểu thêm thiết bị điện thường dùng công nghiệp học tập cảm biến, loại động - Thiết kế mạch điện để điều khiển hoạt động mơ hình Sử dụng thành thạo phần mềm Proteus để vẽ mạch điện – điện tử mơ hình Biết thêm Arduino cách lập trình Arduino - Áp dụng lý thuyết học vi điều khiển để vẽ nên sơ đồ thuật tốn viết nên chương trình để điều khiển mơ hình hoạt động Biết cách lập trình điều khiển động cách điều khiển cảm biến hoạt động cho yêu cầu Biết sử dụng matlab để lập trình xử lý ảnh - C C R L T U D hạn chế chưa làm - Do mơ hình nhỏ nên đáp ứng nhu cầu phân loại sản phẩm công nghiệp thực tế - Tốc độ làm việc hệ thống chậm Độ cứng vững mơ hình chưa cao Chưa tối ưu hóa lượng sử dụng dừng băng tải gây tổn hao lượng (quá trình dừng chạy động gây tổn thất lớn lượng) hướng phát triển đề tài - Thiết kế lại hệ thống băng tải sử dụng lăn để sản phẩm trượt băng tải, khơng dừng băng tải gây tốn lượng Thiết kế thêm hệ thống gắp thả sản phẩm đầu vào để sản phẩm có thê đặt chỗ cho robot gắp Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 63 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot TÀI LIỆU THAM KHẢO TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC - ROBOT CÔNG NGHIỆP – Nhà xuất Xây Dựng – 2007 ROBERT H BISHOP – CƠ ĐIỆN TỬ - Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, biên dịch Phạm Anh Tuấn – 2006 NGUYỄN TRỌNG HIỆP – CHI TIẾT MÁY – Tập 1, - Nhà xuất Giáo Dục – 2009 ThS NGUYỄN VĂN PHỊNG – GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Th.S HỒNG MINH CƠNG – GIÁO TRÌNH CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP – Nhà xuất Xây Dựng – 2007 TS ĐẶNG PHƯỚC VINH (chủ biên), TS VÕ NHƯ THÀNH – GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN – Nhà xuất Xây Dựng – 2018 C C LÊ QUANG MINH – SỨC BỀN VẬT LIỆU – Tập 1, - Nhà xuất Giáo Dục – 2009 R L T https://www.arduino.cc/ Truy cập ngày 19/06/2020 http://arduino.vn/reference/howto Truy cập ngày 19/06/2020 U D 10 https://vi.wikipedia.org/wiki/Arduino Truy cập ngày 19/06/2020 11 https://hshop.vn/collections/dong-co-dc-giam-toc Truy cập ngày 19/06/2020 12 http://www.dienphuongvu.com/ Truy cập ngày 19/06/2020 13 https://www.youtube.com/watch?v=Etv22RhTICE&t=228s Truy cập ngày 19/06/2020 14 http://www.dientuspider.com/san-pham/arduino/arduino-nano-day-1743.html Truy cập ngày 19/06/2020 15 http://dientuvietduc.vn/1517-tower-pro-metal-gear-digital-mg90s-9g-servo-b29.html Truy cập ngày 19/06/2020 16 http://doantotnghiep.vn/che-tao-mo-hinh-canh-tay-robot-4-bac-tu-do-rrrr.html Truy cập ngày 19/06/2020 17 https://www.facebook.com/CongdongcodientuVN/ Truy cập ngày 19/06/2020 Sinh viên thực hiện: Phạm Hữu Cường – Đinh Văn Hợp Hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị 64 ... kế chế tạo mô hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Yêu cầu nhiệm vụ Với đề tài chọn phân loại sản phẩm, nhiệm vụ gắp sản phẩm băng tải bỏ vào... Ngô Thanh Nghị Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot 1.2.2.1 Phân loại theo dạng hình học khơng gian hoạt động - Robot tọa độ góc (cartesian robot) Robot tọa độ trụ... 16 Thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG 3.1 Cánh tay robot bậc tự Với yêu cầu mơ hình robot nhỏ, linh hoạt, dễ điều khiển, với hạn chế