Thiết kế và chế tạo mô hình robot delta

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT DELTA Người hướng dẫn: ThS NGUYỄN ĐẮC LỰC Sinh viên thực hiện: HỒ TẤN TÀI Số thẻ sinh viên: 101150183 Lớp: 15CDT1 Sinh viên thực hiện: HỒ VĂN PHƯỚC Số thẻ sinh viên: 101150180 Lớp: 15CDT1 Đà Nẵng, 12/2019 TÓM TẮT Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT DELTA Họ tên sinh viên: HỒ TẤN TÀI MSSV: 101150183 HỒ VĂN PHƯỚC MSSV: 101150180 Lớp: 15CDT1 Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Đắc Lực Giáo viên duyệt: TS Võ Như Thành Nội dung đồ án đề cập sở lý thuyết phương pháp phân tích, tính tốn động học điều khiển Robot Delta khớp quay kết hợp công nghệ xử lý ảnh Dựa vào đó, nhóm tác giả vào thiết kế chế tạo Robot Delta kết hợp với xử lý ảnh để xếp sản phẩm băng tải từ có nhìn tồn diện robot song song nói chung robot delta khớp quay nói riêng Đồ án gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương chủ yếu cung cấp cho người đọc nhìn ban đầu Robot Delta, từ lịch sử phát triển, đến ưu điểm so với robot thơng thường khác, ứng dụng đời sống công nghiệp, đồng thời nêu khái quát tổng quan hệ thống, đặt vấn đề để xây dựng Robot Delta ứng dụng cơng nghiêp Chương 2: Thiết kế khí Ở chương này, nhóm tác giả đề cập đến vùng làm việc giải toán động học Robot Delta tính tốn động học thuận, động học ngược sở phương trình liên kết phương pháp hình học Đồng thời lên phương án thiết kế tính tốn lựa chọn hệ dẫn động cho robot Chương 3: Hệ thống điều khiển Chương giải vấn đề liên quan đến việc lựa chọn dòng vi điều khiển trung tâm, module mở rộng linh kiện khác để thực điều khiển cho robot thiết kế hệ thống điện điều khiển nhằm đảm bảo chức robot Bên cạnh xây dựng lưu đồ thuật tốn, từ xây dựng chương trình cho vi điều khiển giúp điều khiển cánh tay robot theo ý muốn Chương 4: Xử lý ảnh Chương giới thiệu lý thuyết xử lý ảnh nói chung bước xử lý ảnh nói riêng Bên cạnh khái quát nguyên lý làm việc sơ đồ thuật tốn, từ dựng nên giao diện giao tiếp máy tính vi điều khiển giúp robot thực yêu cầu đặt Chương 5: Kết luận Chương đánh giá kết đạt nhược điểm từ có hướng phát triển đề tài tương lai i 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 Hồ Tấn Tài Số thẻ SV 101150183 Lớp 15CDT1 Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Hồ Văn Phước 101150180 15CDT1 Kỹ thuật Cơ điện tử Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo mô hình Robot Delta Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Thiết kế Robot Delta với vùng làm việc 200 mm x 200 mm x 200 mm Xử lý ảnh tìm vị trí pin có kích thước 27 mm x 38 mm x 13,5 mm Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung Hồ Tấn Tài Hồ Văn Phước Tìm hiểu tổng quan Robot Delta Tính tốn động lực học Robot Delta b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Hồ Tấn Tài Hồ Văn Phước Nội dung Tính tốn thiết kế băng tải Tìm hiểu tính chọn thành phần hệ thống điều khiển Thiết kế giao diện HMI lập trình xử lý ảnh Tính tốn tính chọn kích thước robot Lập trình điều khiển cánh tay Robot Delta Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Hồ Tấn Tài Hồ Văn Phước Nội dung Thiết kế vẽ tổng thể Robot Delta (kích thước A0) ii Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nội dung Hồ Tấn Tài Thiết kế vẽ lưu đồ thuật tốn (kích thước A0) Thiết kế vẽ sơ đồ mạch điện (kích thước A0) Hồ Văn Phước Thiết kế vẽ sơ đồ động (kích thước A0) Thiết kế vẽ cụm chi tiết (kích thước A0) Họ tên người hướng dẫn: Nguyễn Đắn Lực Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Phần/ Nội dung: Tìm hiểu, tính tốn động học thiết kế mơ hình Robot Delta 25/08/2019 15/12/2019 Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2019 Người hướng dẫn Trưởng Bộ mơn……………………… ThS Nguyễn Đắc Lực iii LỜI NĨI ĐẦU Trong cách mạng công nghiệp 4.0 việc ứng dụng robot công nghiệp vào sản xuất ngày phổ biến Với khả làm việc không ngừng nghỉ, robot gắn với dây chuyền sản xuất để thay người làm cơng việc mang tính lặp lặp lại nhàm chán với suất vượt trội, tốc độ độ xác cao Robot cơng nghiệp chia làm hai loại chủ yếu robot chuỗi hở robot song song Robot chuỗi hở có độ linh hoạt cao, không gian làm việc rộng độ cứng vững không cao, động dẫn động thường gắn khâu động nên quán tính lớn Robot song song có khơng gian làm việc bị hạn chế xuất điểm kì dị làm cho robot thiếu thừa bậc tự loại lại có điểm mạnh độ cứng vững cao ràng buộc khâu chuỗi động học kín, khớp truyền động cố định đặc biệt thực chuyển động với vận tốc cao mà không sợ bị hạn chế mặt quán tính Từ xuất lần vào năm 1947 với cấu Hexapod tiến sỹ Eric phát minh ra, đến nay, robot song song có chặng đường phát triển khả dài với nhiều thành tựu nối bật Robot song song có nhiều loại, từ hai bậc tự sáu bậc tự nhiều Chính ưu điểm tốc độ cao mà robot song song ngày nhiều nhà khoa học nghiên cứu để đưa vào công nghiệp thay cho hệ thống máy công cụ Lần phát minh giáo sư Reymond Clavel vào năm 1980, đến có nhiều hãng sản xuất robot tiếng chế tạo thành công đưa vào ứng dụng thực tiễn Fanuc, ABB, Bosch Packaging Sau thời gian, với hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo ThS Nguyễn Đắc Lực, trợ giúp quý thầy cô môn tài liệu có liên quan, chúng em hồn thành xong đề tài đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Delta” Mặc dù đề tài hồn thành, khơng thể tránh nhiều thiếu sót mong q thầy bảo thêm để đề tài phát triển ứng dụng rộng rãi thực tế Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô! Sinh viên thực HỒ TẤN TÀI iv HỒ VĂN PHƯỚC CAM ĐOAN Kính gửi: Tơi tên - Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa; - Khoa Cơ Khí : HỒ TẤN TÀI HỒ VĂN PHƯỚC : 15CDT1 Lớp Khoa: Cơ Khí Đề tài: Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Delta Tơi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp thực không chép hay trùng với đề tài thực hiện, sử dụng tài liệu tham khảo nêu báo cáo Các số liệu, kết nêu đề tài trung thực Nếu sai, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Sinh viên thực Hồ Tấn Tài v Hồ Văn Phước MỤC LỤC Tóm tắt i Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ii Lời nói đầu iii Cam đoan iv Mục lục v Danh sách bảng, hình ảnh vii Danh sách ký hiệu, chữ viết tắt ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.2.1 Các thành phần hệ thống 1.2.2 Đặt vấn đề CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 MƠ HÌNH HĨA VÀ VÙNG LÀM VIỆC CỦA ROBOT DELTA: 2.1.1 Mơ hình hóa 2.1.2 Vùng làm việc 2.2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA 2.2.1 Động học thuận 10 2.2.2 Động học ngược 11 2.2 CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH 13 2.2.1 Tính chọn động 13 2.2.2 Tính chọn truyền đai 15 2.2.3 Hệ hình bình hành 16 2.2.4 Gá động 16 2.2.5 Gá cấu chấp hành 17 2.2.6 Cơ cấu gắp 17 2.3 THIẾT KẾ BĂNG TẢI 17 2.4 THIẾT KẾ MƠ HÌNH 20 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 22 3.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG 22 3.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG 22 3.2.1 Bộ điều khiển 22 3.2.2 RAMPS 1.4 23 vi 3.2.3 Driver A4988 24 3.2.4 Động servo 24 3.2.5 Cơng tắc hành trình 25 3.2.6 Động encorder 26 3.2.7 Bơm hút chân không 27 3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH 28 3.4 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 28 CHƯƠNG 4: XỬ LÝ ẢNH 29 4.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VISUAL STUDIO VÀ THƯ VIỆN EMGU CV 29 4.1.1 Giới thiệu phần mềm Visual Studio 29 4.1.2 Giới thiệu thư viện Emgu CV 30 4.2 LÍ THUYẾT XỬ LÍ ẢNH 30 4.2.1 Xử lý ảnh 30 4.2.2 Các kiểu ảnh 30 4.3 CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ ẢNH TRÊN VISUAL STUDIO 33 4.3.1 Quy trình xử lý ảnh 33 4.3.2 Các hàm xử lý ảnh thư viện Emgu 34 4.4 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH 37 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC 1: CODE ĐIỀU KHIỂN ARDUINO MEGA 42 PHỤ LỤC 2: CODE XỬ LÝ ẢNH VISUAL STUDIO 48 vii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH ẢNH Bảng 2.1: Thơng số mơ hình Robot Delta Bảng 2 Thơng số kích thước Bảng 3.1: Bảng thông số chế độ Driver A4988 24 Hình 1.1: Cấu trúc Robot Delta Hình 1.2: Robot Delta hãng Fanuc ứng dụng công nghệ thực phẩm Hình 1.3: Robot SurgiScope vận hành Hình 1.4: Các thành phần hệ thống Hình 2.1: Mơ hình hình học robot Hình 2.2: Sự phân bố hình dạng vùng làm việc robot delta kiểu ba khớp quay Hình 2.3: Ký hiệu tham số tính tốn Hình 2.4: Hình chiếu lên mặt phẳng OXY 10 Hình 2.5: Ký hiệu tham số tính tốn 11 Hình 2.6: Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ 12 Hình 2.7: Ký hiệu tọa độ tính tốn 13 Hình 2.8: Động bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 14 Hình 2.9: Bộ truyền đai 15 Hình 2.10: Hệ hình bình hành 16 Hình 2.11: Gá động 16 Hình 2.12: Gá cấu chấp hành 17 Hình 2.13: Cơ cấu gắp 17 Hình 2.14: Động giảm tốc sử dụng cho băng tải 18 Hình 2.15: Băng tải thiết kế máy tính 18 Hình 2.16: Mơ hình băng tải thực tế 19 Hình 2.17: Mạch điều khiển tốc độ động 19 Hình 2.18: Bản vẽ 3D Robot Delta phần mềm Creo 20 Hình 2.19: Robot Delta sau hồn thành lắp ráp 21 Hình 3.1: Vi điều khiển arduino Mega 2560 22 Hình 3.2: Ramps 1.4 23 Hình 3.3: Driver A4988 24 viii Hình 3.4: Động servo MG90S 25 Hình 3.5: Cơng tắc hành trình 26 Hình 3.6: Động encoder 26 Hình 3.7: Bơm hút chân không 27 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch 28 Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn điều khiển Arduino Mega 2560 28 Hình 4.1: Giao diện phần mềm Visual Studio 2019 29 Hình 4.2: Biểu diễn ảnh số 31 Hình 4.3: Ảnh màu 31 Hình 4.4: Ảnh xám 32 Hình 4.5: Ảnh HSV 32 Hình 4.6: Ảnh nhị phân 33 Hình 4.7: Quy trình xử lý ảnh 33 Hình 4.8: Camera xử lý ảnh logitech C310 34 Hình 4.9: Lưu đồ thuật tốn xử lý ảnh 37 Hình 4.10: Giao diện xử lý ảnh máy tính 38 Hình 4.11: Xử lý sản phẩm chạy băng tải 38 Hình 5.1: Hình ảnh thực tế 39 ix Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Delta TÀI LIỆU THAM KHẢO Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, (Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí – tập 1), NXB Giáo dục, 2003 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, (Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí – tập 2), NXB Giáo dục, 2003 TS Phạm Đăng Phước, (Robot công nghiệp), NXB xây dựng, 2007 Robert L Williams II, Ph.D, (The Delta Parallel Robot: Kinematics Solutions), Mechanical Engineering, Ohio University, October 2016 ThS Hồng Minh Cơng, (Cảm biến cơng nghiệp), NXB Xây dựng TS Đỗ Năng Tồn, Ts Phạm Việt Bình- Đại học Thái Nguyên – Khoa Công nghệ thông tin, (Giáo trình xử lý ảnh) TS Đặng Phước Vinh (chủ biên), TS Võ Như Thành, (Giáo trình kĩ thuật vi điều khiển), NXB Xây dựng 2019 Delta Robot – Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Delta_robot [Ngày truy cập: 29/11/2019] http://www.emgu.com [Ngày truy cập: 10/12/2019] 10 http://arduino.vn/ [Ngày truy cập: 5/12/2019] SVTH: Hồ Tấn Tài – Hồ Văn Phước GVHD: ThS Nguyễn Đắc Lực 41 Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Delta PHỤ LỤC 1: CODE ĐIỀU KHIỂN ARDUINO MEGA #include "stepp.h" #include "inverse.h" #include "seriall.h" #include "servo2.h" #define ENCODER_PULSE 334 #define ENCODER_DIAMETER 40 int Encoder; int endX = 3; int endY = 14; int endZ = 18; float the1, the2, the3; float x,y,z; int XstepNow, YstepNow, ZstepNow; int XstepNeed, YstepNeed, ZstepNeed; float S; float V = 43; int Smin = 120; int Smax = 320; unsigned long Newtime; unsigned long Oldtime=0; int p; void CalcuStep(float the1, float the2, float the3) { float Xtam = (the1*3)/0.1125; float Ytam = (the2*3)/0.1125; float Ztam = (the3*3)/0.1125; XstepNeed = Xtam - XstepNow; YstepNeed = Ytam - YstepNow; ZstepNeed = Ztam - ZstepNow; XstepNow = Xtam; YstepNow = Ytam; ZstepNow = Ztam; } void movetoXYZ(float x, float y, float z) { delta_calcInverse(x,y,z,the1,the2,the3); CalcuStep(the1,the2,the3); SVTH: Hồ Tấn Tài – Hồ Văn Phước GVHD: ThS Nguyễn Đắc Lực 42 Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Delta prepareMovement( 3, XstepNeed ); prepareMovement( 4, YstepNeed ); prepareMovement( 5, ZstepNeed ); runAndWait(); } void Counter_pulse() { Encoder ++; } void Control_Arm() { int p; int key; if( t==2) { if(j 0) { if ((yrec > 380) && (yrec < 400)) { ytam = (int)(-(xrec - 320) * 0.3375); data = "1" + "X0" + "Y" + ytam.ToString() + "Z0" + "A" + goc.ToString() + ";"; if (serialPort1.IsOpen) { serialPort1.Write(data); serialPort1.Write(";"); } label5.Text = data; label2.Text = ytam.ToString(); temp = 0; label3.Text = goc.ToString(); sum++; label4.Text = sum.ToString(); data = ""; yrec = 0; } } } string xset, yset, zset; string[] send = new string[2]; private void btngoto_Click(object sender, EventArgs e) { string value; if (capture == null) { xset = numericUpDownX.Value.ToString(); yset = numericUpDownY.Value.ToString(); zset = numericUpDownZ.Value.ToString(); value = "2" + "X" + xset + "Y" + yset + "Z" + zset + "A0" + ";"; SVTH: Hồ Tấn Tài – Hồ Văn Phước GVHD: ThS Nguyễn Đắc Lực 54 Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Delta send[1] = value; if (send[1] != send[0]) { if (serialPort1.IsOpen) { serialPort1.Write(value); serialPort1.Write(";"); label5.Text = value; } send[0] = value; } send[1] = ""; } } } } SVTH: Hồ Tấn Tài – Hồ Văn Phước GVHD: ThS Nguyễn Đắc Lực 55 ... Robot Delta Chương 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Mơ hình hóa vùng làm việc Robot Delta: 2.1.1 Mơ hình hóa Robot mơ hình hố đơn giản hình Hình 2.1: Mơ hình hình học robot Các thơng số mơ hình robot thể... bán robot delta FlexPicker Đến cuối năm 1999, robot delta Sigpack Systems bán Hình 1.1: Cấu trúc Robot Delta SVTH: Hồ Tấn Tài – Hồ Văn Phước GVHD: ThS Nguyễn Đắc Lực Thiết kế chế tạo mô hình Robot. .. mm/s Hình 2.17: Mạch điều khiển tốc độ động SVTH: Hồ Tấn Tài – Hồ Văn Phước GVHD: ThS Nguyễn Đắc Lực 19 Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Delta 2.4 Thiết kế mơ hình Hình 2.18: Bản vẽ 3D Robot Delta