Thiết kế và chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG XỬ LÝ ẢNH Người hướng dẫn: TS LÊ HOÀI NAM Sinh viên thực hiện: HUỲNH MINH LỰU LƯƠNG THẾ PHI Đà Nẵng, 2019 TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh SV thực : Lƣơng Thế Phi MSSV: 101150177 Lớp: 15CDT1 Huỳnh Minh Lựu MSSV: 101150174 Lớp: 15CDT1 GV hƣớng dẫn: TS Lê Hoài Nam GV duyệt: TS Đặng Phƣớc Vinh Nhu cầu thực tế đề tài Việt Nam vốn đất nƣớc lên từ nông nghiệp, từ xƣa đến lấy C C nông nghiệp trọng tâm phát triển kinh tế đất nƣớc Khi bƣớc vào giai đoạn hội nhập với kinh tế giới, với sách mở cửa kinh tế nhà nƣớc ta xác định lấy công nghiệp dịch vụ làm trọng tâm, chuyển dịch dần cấu lao động từ nông-lâm –ngƣ sang công nghiệp, dịch vụ nhằm tạo bƣớc đà phát triển kinh tế để bắt kịp với phát triển nƣớc khu vực giới Với tốc độ phát triển khoa học-kĩ thuật nƣớc ta nhƣ nay, nghành công nghiệp ngày địi hỏi trình độ cao khơng ngừng đổi bắt kịp xu hƣớng giới, đƣa tự động hóa vào thay ngƣời R L T U D Nhận thấy đƣợc vấn để nên học phần nhóm lựa chọn đề tài “Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh” với mục tiêu tạo sản phẩm hoạt động hiệu có khả ứng dụng vào thực tế để góp phần bắt kịp phát triển công nghiệp Phạm vi nghiên cứu đề tài tốt nghiệp:  Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống cánh tay robot  Nghiên cứu ứng dụng lập trình PLC nhƣ xử lý ảnh  Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế khí cụ thể SolidWorks vào việc thiết kế chế tạo mơ hình có khả ứng dụng thực tế  Ứng dụng kiến thức đƣợc học tìm hiểu bên vào việc thiết kế chế tạo hệ thống Nội dung đề tài đƣợc thực hiện:  Số trang thuyết minh: 60-65 trang  Số vẽ: vẽ A0  Mơ hình: Kết đạt đƣợc:  Nghiên cứu, tìm hiểu điều khiển cấu xilanh khí nén  Nhóm chế tạo thành cơng cánh tay robot khí nén  Xử lý ảnh phân biệt đƣợc hình dáng màu sắc sản phẩm Đà Nẵng, ngày 19 tháng 12 năm 2019 Sinh viên thực C C U D R L T ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lƣơng Thế Phi Lớp:15CDT1 Khoa: Cơ khí Họ tên sinh viên: Huỳnh Minh Lựu Lớp:15CDT1 Khoa: Cơ khí Số thẻ sinh viên: 101150177 Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Số thẻ sinh viên: 101150174 Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử C C Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh R L T Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Hệ thống gắp phân loại loại sản phầm theo hình dạng màu sắc gồm: hình trịn màu vàng, hình trịn màu xanh, hình vng màu vàng, hình vng màu xanh U D Vật liệu : Sắt, thép, gỗ, nhựa in 3D Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Chƣơng Giới thiệu tổng quan hệ thống Chƣơng Thiết kế hệ thống Chƣơng Xử lý ảnh Chƣơng Hệ thống điều khiển Chƣơng Kết luận Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): - vẽ chi tiết – A0 - vẽ sơ đồ điện – A0 - vẻ lƣu đồ thuật toán – A0 vẽ tổng thể – A0 vẽ sơ đồ động học – A0 Họ tên người hướng dẫn: TS Lê Hoài Nam Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25/08/2019 Ngày hoàn thành đồ án: 15/12/2019 Đà Nẵng, ngày 25 tháng năm 2019 Trƣởng Bộ môn …………………… Ngƣời hƣớng dẫn C C U D R L T LỜI NÓI ĐẦU Với tốc độ phát triển kinh tế nhƣ khoa học-kĩ thuật nƣớc ta nhƣ nay, ngành cơng nghiệp ngày địi hỏi trình độ cao ngừng đổi bắt kịp xu hƣớng giới Đây đồng thời hội nhƣng thách thức lớn ngành Cơ điện tử, phải không ngừng nỗ lực học tập, ứng dụng thành tựu khoa học-kĩ thuật vào thực tế đời sống xã hội đáp ứng nhu cầu ngƣời Trong robot phát minh vĩ đại, robot xuất hầu hết lĩnh vực từ đời sống nhƣ robot dọn nhà, robot đƣờng… hay sản xuất công nghiệp với robot hàn, láp ráp tự động với độ xác cao suất hiệu Các robot ngày thông minh hoạt động hiệu hơn, chúng dần thay ngƣời C C hoạt động sản xuất Nắm bắt đƣợc vấn để nên học phần nhóm lựa chọn đề tài “Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh” với mục tiêu tạo sản phẩm hoạt động hiệu có khả ứng dụng vào thực tế R L T U D Dƣới hƣớng dẫn bảo nhiệt tình thầy TS Lê Hồi Nam nhóm hồn thành đề tài thời gian quy định Tuy nhiên thời gian kiến thức cịn nhiều hạn chế nên khơng tránh khỏi sai sót thực đồ án Vì chúng em mong nhận đƣợc thông cảm đóng góp ý kiến từ thầy, để đề tài đƣợc hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! i CAM ĐOAN Kính gửi Khoa Cơ khí - Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt quy định liêm học thuật: - Khơng đạo văn hay hình thức sử dụng ý tƣởng, kết nghiên cứu, dịch đoạn ngƣời khác mà khơng trích dẫn Các thơng tin trích dẫn đồ án đƣợc rõ nguồn gốc tham khảo - Không bịa đặt, đƣa thơng tin sai lệch so với nguồn trích dẫn Kết số liệu đồ án trung thực không ngụy tạo, làm giả - Sinh viên thực C C R L T U D ii MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu tổng quan đề tài 1.2.1 Khái quát hệ thống phân loại sản phẩm C C 1.2.2 Giới thiệu cánh tay robot phân loại sản phẩm đề đài 1.3 Mơ hình hóa hệ thống R L T 1.3.1 Tổng quan 1.3.2 Sơ đồ khối hệ thống U D 1.3.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống .6 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế băng tải 2.2 Thiết kế cánh tay robot 2.2.1 Cơ cấu đế xoay 2.2.2 Cơ cấu trƣợt dọc 10 2.2.3 Cơ cấu trƣợt ngang 12 2.2.4 Cơ cấu tay gắp .13 2.3 Lựa chọn thiết bị cấu chấp hành 14 2.3.1 Xy lanh khí nén 14 2.3.2 Van điện từ 15 2.3.3 Van tiết lƣu khí nén .16 2.3.4 Rơle .18 2.3.5 Động bƣớc 19 iii 2.4 Mô hệ thống 21 CHƢƠNG 3: XỬ LÝ ẢNH 22 3.1 Tổng quan xử lý ảnh 22 3.2 Các khái niệm xử lý ảnh 22 3.2.1 Ảnh kĩ thuật số (Digital image) 22 3.2.2 Độ phân giải ảnh (Resolution) 22 3.2.3 Điểm ảnh (Pixel) 22 3.2.4 Mức xám ảnh (Grayscale) .23 3.2.5 Không gian màu 23 3.3 Các thành phần hệ thống xử lý ảnh 23 C C 3.3.1 Camera xử lý ảnh .23 3.3.2 Thƣ viện OpenCV .24 R L T 3.4 Quy trình xử lí ảnh 26 CHƢƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 27 U D 4.1 Giới thiệu linh kiện mạch điều khiển 27 4.1.1 PLC Siemens S7-1200 27 4.1.2 Driver điều khiển động bƣớc TB6600 31 4.1.3 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 .32 4.1.4 Cảm biến từ trƣờng NJK-5002C 33 4.2 Cấu hình điều khiển động bƣớc TIA Portal V15 34 4.3 Lƣu đồ thuật toán điều khiển 38 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN .39 TÀI LIỆU THAM KHẢO .1 PHỤ LỤC .1 PHỤ LỤC .4 iv DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 4.1 Đặc tính kĩ thuật dịng PLC 28 Bảng 4.2 Thông số module mở rộng 29 Bảng 4.3 Cài đặt cƣờng độ dòng điện 32 Bảng 4.4 Cài đặt vi bƣớc 32 Hình 1.1 Cánh tay robot phân loại rác thực tế Hình 1.2 Robot Delta xếp bóng golf theo màu sắc .3 Hình 1.3 Sơ đồ tổng quan hệ thống C C Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống R L T Hình 2.1 Băng tải mơ Hình 2.2 Băng tải thực tế U D Hình 2.3 Sơ đồ động băng tải Hình 2.4 Cơ cấu đế xoay Hình 2.5 Đế xoay thực tế Hình 2.6 Sơ đồ động đế xoay .10 Hình 2.7 Cơ cấu trƣợt dọc 10 Hình 2.8 Cơ cấu trƣợt dọc thực tế 11 Hình 2.9 Sơ đồ động cấu trƣợt dọc 11 Hình 2.10 Cơ cấu trƣợt ngang 12 Hình 2.11 Cơ cấu trƣợt ngang thực tế 12 Hình 2.12 Cơ cấu tay gắp sản phẩm .13 Hình 2.13 Cơ cấu tay gắp thực tế 13 Hình 2.14 Sơ đồ động cấu trƣợt ngang cấu tay gắp .14 Hình 2.15 Xy lanh trịn khí nén 14 Hình 2.16 Cấu tạo xy lanh khí nén 15 Hình 2.17 Van điện từ khí nén 5/2 .16 v Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh C C Hình 4.13 Cài đặt vị trí giới hạn R L T U D Hình 4.14 Thiết lập tốc độ tối đa gia tốc SVTH: Lƣơng Thế Phi Huỳnh Minh Lựu GVHD: TS Lê Hoài Nam 37 Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh C C Hình 4.15 Thiết lập chế độ home R L T 4.3 Lƣu đồ thuật toán điều khiển Ta có lƣu đồ thuật tốn hệ thống điều khiển dƣới đây: U D Hình 4.16 Lƣu đồ thuật toán điều khiển SVTH: Lƣơng Thế Phi Huỳnh Minh Lựu GVHD: TS Lê Hoài Nam 38 Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN * Hệ thống tổng quan thực tế Hệ thống tổng quan thực tế đƣợc thiết kế tổng hợp hệ thống riêng biệt nhƣ : hệ thống khí, hệ thống khí nén (cánh tay), hệ thống cảm biến, hệ thống điều khiển C C R L T U D Hình 5.1 Hệ thống thực tế đƣợc thiết kế Qua đồ án “Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm xử lý ảnh” nhóm đạt đƣợc kết sau: - Nhóm chế tạo thành cơng cánh tay robot khí nén - Xử lý ảnh phân biệt đƣợc hình dáng màu sắc sản phẩm Cánh tay robot có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo nhƣng vận hành ổn định đáp ứng đƣợc yêu cầu Thiết kế tủ điều khiển với nút nhấn nhằm bảo vệ ngăn cách thiết bị điều khiển với cấu chấp hành SVTH: Lƣơng Thế Phi Huỳnh Minh Lựu GVHD: TS Lê Hoài Nam 39 Thiết kế chế tạo cánh tay robot phân loại sản phẩm sử dụng xử lý ảnh Tuy nhiên, số hạn chế cần khắc phục: - Các linh kiện điện tử đƣợc sử dụng có giá thành thấp nên độ xác chƣa - cao Các cấu in 3D chƣa đảm bảo đƣợc độ cứng vững nhƣ khả - vận hành thời gian lâu dài Thời gian đáp ứng cánh tay lớn Hƣớng phát triển đề tài: - Phát triển thêm phần xử lý ảnh tăng độ xác nhƣ tốc độ xử lý đồng thời tối ƣu hóa chƣơng trình điều khiển cánh tay robot nhằm nâng cao tốc độ hoạt động hệ thống - Tăng thêm độ linh hoạt cánh tay nhƣ độ cứng vững hƣớng đến việc cánh tay gắp sản phẩm băng tải chạy Thiết kế phần tay gắp tối ƣu để gắp đƣợc nhiều sản phẩm với hình C C R L T dạng kích thƣớc khác Sử dụng thêm loại cảm biến để điều khiển hành trình cánh tay robot tối ƣu Phát triển thêm giao diện máy tính để ngƣời điều khiển kiểm sốt q trình vận hành SVTH: Lƣơng Thế Phi Huỳnh Minh Lựu U D GVHD: TS Lê Hoài Nam 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phƣớc Hải Giáo trình thiết kế khí Solidworks 2017 [2] Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm Giáo trình thiết kế chi tiết máy [3].https://cache.industry.siemens.com/dl/files/593/109741593/att_895681/v1/s71200_ system_manual_en-US_en US.pdf?fbclid=IwAR1pVw1kHPAfDjtycwSkEBznHrimYGzU8al2_nDJejUJc_1REk KF6oTxebM [4].http://dulieu.tailieuhoctap.vn/books/cong-nghe-thong-tin/the-loaikhac/file_goc_769882.pdf?fbclid=IwAR330quWtYCcGU1pqXZLZ4TiSjfEnl3XzioU OMhK50EThbACAZ3X4IDaNRs C C R L T [5].https://opencv.org/?fbclid=IwAR3C4YYdFlAytFpnH3rf0rwTupcy8KTSEG1Nc1G ruh2phxrP1EptI86ADsM U D [6].http://snap7.sourceforge.net/?fbclid=IwAR0nAwJSuP7AhFyK5lSrU3P4UmqYYm RSsH01HUgy1xkn9CmqXrwyCbepdH4 PHỤ LỤC Code xử lý ảnh #include #include #include #include #include #include "snap7.h" using namespace std; using namespace cv; byte buffer[4]; static byte Mask[] = { 0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80 }; C C void S7_SetBitAt(byte Buffer[], int Pos, int Bit, bool Value) { if (Bit < 0) Bit = 0; if (Bit > 7) Bit = 7; R L T if (Value) Buffer[Pos] = (byte)(Buffer[Pos] | Mask[Bit]); else Buffer[Pos] = (byte)(Buffer[Pos] & ~Mask[Bit]); } U D int main() { S7Object client; client = Cli_Create(); Cli_ConnectTo(client, "192.168.0.1", 0, 1); VideoCapture video; video.open(0); if (!video.isOpened()) { cout 100 00) { erode(yellowmask, yellowmask, getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(13, 13))); Canny(yellowmask, Yedge, 35, 90, 5, false); vector contours1; findContours(Yedge, contours1, RETR_EXTERNAL, CHAIN_APPROX_NONE); vector approx1; for (int i = 0; i < contours1.size(); i++) { approxPolyDP((contours1[i]), approx1, arcLength((contours1[i]), true) * 0.02, true); if (fabs(contourArea(contours1[i])) > 1000 && isContourConvex(approx1)) { if (approx1.size() == 4) { S7_SetBitAt(buffer, 0, 0, true); S7_SetBitAt(buffer, 0, 1, false); S7_SetBitAt(buffer, 0, 2, false); S7_SetBitAt(buffer, 0, 3, false); cout