Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do ứng dụng xử lý ảnh cho sắp xếp sản phẩm

Ng Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO SẮP XẾP SẢN PHẨM 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO SẮP XẾP SẢN PHẨM Người hướng dẫn : TS NGUYỄN DANH NGỌC Người duyệt : TS ĐẶNG PHƯỚC VINH Sinh viên thực : NGUYỄN PHAN HOÀNG DŨNG : ĐỖ LUẬT Số thẻ sinh viên : 101140136 : 101140151 Lớp : 14CDT1 Đà Nẵng, 6/2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO SẮP XẾP SẢN PHẨM Người hướng dẫn : TS NGUYỄN DANH NGỌC Người duyệt : TS ĐẶNG PHƯỚC VINH Sinh viên thực : NGUYỄN PHAN HOÀNG DŨNG : ĐỖ LUẬT Số thẻ sinh viên : 101140136 : 101140151 Lớp : 14CDT1 Đà Nẵng, 6/2019 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế chế tạo cánh tay robot bậc tự ứng dụng xử lý ảnh cho xếp sản phẩm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật Số thẻ SV: 101140136 - 101140151 Lớp: 14CDT1 Nội dung tóm tắt: Hệ thống cánh tay robot xếp sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh gồm khâu: tiền xử lý liệu thu thập từ camera, gửi liệu điều khiển cánh tay hoạt động xếp sản phẩm Quá trình xếp sản phẩm thực dựa việc thu thập thơng tin hình dạng, màu sắc góc lệch sản phẩm thông qua hệ thống camera Khi sản phẩm theo quy định cánh tay robot đưa liên tục vào kho chứa ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Nguyễn Phan Hoàng Dũng Số thẻ SV 101140136 Lớp 14CDT1 Ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Đỗ Luật 101140151 14CDT1 Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo cánh tay robot bậc tự ứng dụng xử lý ảnh cho xếp sản phẩm Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: - Vận tốc băng tải: V = 0,05 m/s - Đường kính bánh dẫn bị dẫn: D1 = D2 = 60mm - Khoảng cách trục: a = 800mm - Bề rộng đai: B = 140mm - Tỉ số truyền: i = - Khối lượng vật: m = 0,05kg Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nguyễn Phan Hoàng Dũng Đỗ Luật b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nguyễn Phan Hoàng Dũng Đỗ Luật Nợi dung Tính tốn băng tải, thiết kế băng tải, tính tốn đợng học robot, thiết kế robot Nợi dung Lập trình điều khiển arduino Lập trình xử lý ảnh Các vẽ, đồ thị (ghi rõ loại kích thước vẽ): a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nợi dung Nguyễn Phan Hồng Dũng Bãn vẽ tổng thể (A0) TT Họ tên sinh viên Nội dung Đỗ Luật Bản vẽ lắp ghép cánh tay (A0) b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nợi dung Nguyễn Phan Hồng Dũng Bản vẽ lưu đồ thuật toán (A0) Bản vẽ mạch điều khiển (A0) Đỗ Luật Bản vẽ chi tiết (A0) Bản vẽ sơ đồ động (A0) Họ tên người hướng dẫn: Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hồn thành đồ án: Trưởng Bộ mơn TS Nguyễn Danh Ngọc 18/02/2019 05/06/2019 Đà Nẵng, ngày 05 tháng 06 năm 2019 Người hướng dẫn TS Nguyễn Danh Ngọc LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, công cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 diễn ra, lĩnh vực kỹ thuật số phát triển, công nghệ xử lý ảnh đã đạt nhiều thành tựu tiến bộ vượt bậc Nhờ hệ thống xử lý ảnh, người đã giảm khối lượng cơng việc tăng xác việc đưa quyết định liên quan đến xử lý hình ảnh nhiều lĩnh vực: quân quốc phòng, hệ thống kỹ thuật hóa sinh, giải phẫu, hệ thống giao thông thông minh, công nghệ robot, …Công nghệ xử lý ảnh kết hợp với robot qua đó giúp lĩnh vực robot ngày phát triển, phổ biến rộng rãi lĩnh vực xã hội, kinh tế Những phần mềm xử lý ảnh sử dụng phổ biến Matlab, Visual Studio, … Trong đó phần mềm Matlab đã trở thành công cụ thiếu cán bộ nghiên cứu giảng dạy, sinh viên đại học, cao học nghiên cứu sinh thuộc ngành khoa học kỹ thuật Matlab cung cấp cho người sử dụng phương thức để thực mô máy tính, ngồi Matlab cịn có thể giao tiếp với Vi điều khiển, PLC, … với thiết bị phần cứng để thực ứng dụng thực tế Vì phạm vi hiểu biết, luận văn đã trình bày việc thực đề tài “Thiết kế chế tạo cánh tay robot bậc tự ứng dụng xử lý ảnh cho xếp sản phẩm” Đây nghiên cứu kết hợp Matlab Vi điều khiển để xếp sản phẩm Trong trình thực đồ án với nỗ lực áp dụng kiến thức trang bị trường, chúng em đã có nhiều cố gắng để hoàn thành tốt đồ án Tuy nhiên kiến thức khả có hạn nên luận văn khó tránh khỏi thiếu sót Vì mong nhận ý kiến đóng góp giúp đỡ chân thành thầy khoa Cơ Khí bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Danh Ngọc đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Đà Nẵng, Ngày … Tháng … Năm 2019 Nhóm sinh viên thực Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật i CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan: Những nội dung đồ án thực hướng dẫn trực tiếp Thầy TS Nguyễn Danh Ngọc Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Nhóm sinh viên thực Nguyễn Phan Hoàng Dũng – Đỗ Luật ii MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án Lời nói đầu i Lời cam đoan liêm học thuật ii Mục lục iii Danh sách bảng v Danh sách hình ảnh vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 1.2 THỰC TRẠNG ĐỀ TÀI .2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.3 KIẾN TRÚC TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CƠ KHÍ .6 2.1 THIẾT KẾ BĂNG TẢI 2.1.1 Bài toán thiết kế 2.1.2 Các phương án thiết kế 2.1.3 Chọn phương án thiết kế .7 2.1.4 Tính tốn thiết kế 2.1.5 Thông số thiết bị 13 2.1.6 Thiết kế 3D Băng tải 14 2.2 THIẾT KẾ ROBOT 15 2.2.1 Sơ lược robot .15 2.2.2 Bậc tự hệ tọa độ suy rộng robot công nghiệp 16 2.2.3 Phân loại robot 17 2.2.4 Bài toán thiết kế 18 2.2.5 Các phương án thiết kế 19 2.2.6 Chọn phương án thiết kế 20 2.2.7 Phạm vi hoạt động robot 21 2.2.8 Tính tốn thiết kế cánh tay Robot 21 iii 2.2.9 Thông số loại động sử dụng cho cánh tay .25 2.2.10 Thiết kế 3D Cánh tay robot .28 2.3 THIẾT KẾ 3D TỔNG THỂ .31 2.3.1 Thiết kế 3D chi tiết khác .31 2.3.2 Thiết kế 3D tổng thể hệ thống 31 MƠ HÌNH THỰC TẾ 33 2.4 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THÔNG ĐIỀU KHIỂN 35 HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 35 3.1 3.1.1 Sơ đồ hệ thống 35 3.1.2 Các thành phần 36 3.1.3 Mạch điều khiển 42 3.2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 44 Lưu đồ thuật toán 44 Động học thuận, động học nghịch .47 Xử lý ảnh 52 3.2.1 3.2.2 3.2.3 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59 4.1 4.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 59 HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC iv DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số động bước Nema 23 57x57x56mm 13 Bảng 2.2 Thông số đai băng tải .14 Bảng 2.3 Thông số băng tải 15 Bảng 2.4 Thông số khâu cánh tay robot 22 Bảng 2.5 Thông số động bước Nema 23 57x57x76mm 25 Bảng 2.6 Thông số động bước Nema 17 42x42x48mm 26 Bảng 2.7 Thông số động bước Nema 14 35x35x34mm 27 Bảng 2.8 Thông số động servo MG996R 28 Bảng 3.1 Thông số Webcam Logitech C270 HD 720P 37 Bảng 3.2 Thông số Arduino Mega 2560 R3 38 Bảng 3.3 Thông số Driver dộng bước TB6560 3A 39 Bảng 3.4 Thông số Driver dộng bước A4988 39 Bảng 3.5 Thông số Module Relay 5V 40 Bảng 3.6 Thông số nguồn DC 12V – 20A 41 Bảng 3.7 Thông số Module giảm áp LM2596 3A 42 Bảng 3.8 Bảng D-H .49 v w++; byte c=A[4]; switch (w) { case 1: Invert(A[0],A[1],A[2]+ret,A[3]); M0(); t=1; break; case 2: Invert(A[0],A[1],A[2],A[3]); Mv(); break; case 3: Invert(A[0],A[1],A[2]+ret,A[3]); M1(); break; case 4: Invert(des[c][0],des[c][1],des[c][2]+ret,des[c][3]); Mv(); break; case 5: Invert(des[c][0],des[c][1],des[c][2],des[c][3]); Mv(); break; case 6: Invert(des[c][0],des[c][1],des[c][2]+ret,des[c][3]); M0(); break; case 7: th1=h1; th2=h2; th3=h3; th4=h4; th5=h5; Mv(); break; case 7: w=0; break; default: break; } } // -void wait(){ if(t&&!n&&(millis()-tb>=td)){ t=0; MOVE(); } } // void Invert(float Px, float Py, float Pz, float Or){ th1=atan2(Py,Px); float n1=Px*cos(th1)+Py*sin(th1)-a1; float n2=Pz-d1+d5; th3=-acos((sq(n1)+sq(n2)-sq(a2*1.0)-sq(a3*1.0))/(2.0*a2*a3)); th2=atan2((n2*(a2+a3*cos(th3))a3*sin(th3)*n1),(n1*(a2+a3*cos(th3))+a3*sin(th3)*n2)); th4=-th2-th3; th1*=180/PI; th2*=180/PI; Phụ lục th3*=180/PI; th4*=180/PI*(-1); th5=th1-Or; if (th5>180) th5-=360; else if (th590) th5-=180; else if (th5=300)){ r=0; Mv(); } } // -void checkPos(){ if(n&&(step1.distanceToGo()==0)&&(step2.distanceToGo()==0)&&(step3.distanceT oGo()==0)&&(step4.distanceToGo()==0)&&(step5.distanceToGo()==0)){ n=0; if((w!=0)&&(w!=1)) MOVE(); }} // -void On() { m=1; AutoHome(); } void Off(){ m=0; n=0; digitalWrite(EN,1); } // -void AutoHome(){ if(m){ w=0; t=0; th1=h1; th2=h2; th3=h3; th4=h4; th5=h5; convert(); digitalWrite(EN,0); sv[0].attach(s0Pin); sv[0].write(gr0); step2.setSpeed(400); step3.setSpeed(-400); step4.setSpeed(-400); Phụ lục while(digitalRead(end2)||digitalRead(end3)||digitalRead(end4)) { if(digitalRead(end2)) step2.runSpeed(); if(digitalRead(end3)) step3.runSpeed(); if(digitalRead(end4)) step4.runSpeed(); } step2.setSpeed(-200); step3.setSpeed(200); step4.setSpeed(200); for(int i=0;i