5. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.1.3Robot công nghiệp Nachi MC20-01
a. Giới thiệu chung về robot Nachi MC20-01
Nachi MC20-01 thuộc loại robot có cấu trúc động học hở, gồm 6 bậc tự do, điều khiển bằng các động cơ AC Servo.
Sau đây là bảng thông số kỹ thuật của robot Nachi MC 20-01:
Tên robot Nachi MC20-01
Loại robot Robot cấu trúc động học hở
Số bậc tự do 6
Loại động cơ AC servo
Giới hạn phạm vi hoạt động J1 -180~+1800 J2 +60~-1450 J3 +242~-1630 J4 -180~1800
26 J5 -139~1390 J6 -360~3600 Tốc độ tối đa J1 1700 /s J2 1700 /s J3 1700 /s J4 3600/s J4 3600/s J6 6000/s
Tải trọng cho phép 20Kg( tối đa lên tới 22Kg) Mô men xoắn tải trọng tĩnh cho phép J4 49N.m
J5 49N.m J6 23.5N.m Mô men quán tính cho phép J4 1.6kg.m2
J5 1.6kg.m2 J6 0.8kg.m2
Dung sai cho phép -0.06~+0.06mm
Áp suất khí tối đa 0.49Mpa
Nhiệt độ làm việc ổn định 0- 450 C
Khối lƣợng robot 220Kg
Khoảng dịch chuyển theo trục X -1278~+1722mm Khoảng dịch chuyển theo trục Y -1722~+1722mm Khoảng dịch chuyển theo trục Z -912~+2053mm
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của Robot Nachi MC20-01
b. Kết nối robot
Cách kết nối của tủ điều khiển với robot: nhƣ hình vẽ với 3 cổng CNR2, CNR4, CNR1.
27
Hình 1.14 Kết nối tủ điều khiển với robot
Kết nối với bảng điều khiển bằng tay
28
1.2 T nh h nh nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.2.1 T nh h nh nghiên cứu trong nƣớc
Hình 1.16 Robot SCARA xử lý ảnh ĐHCN Hà Nội
Hình 1.17 Mobile Robot xử lý ảnh ĐH Lạc Hồng
Ngoài ĐH Công nghiệp Hà Nội, một số trƣờng đại học ở Việt Nam đã đƣa vào nghiên cứu, chế tạo hệ thống xử lý ảnh cho robot nhƣ: học viên kỹ thuật quân sự, đại học B TP HCM, đại học sƣ phạm kỹ thuật TP HCM, đại học Lạc Hồng…Xử lý ảnh cho robot công nghiệp để phân loại sản phẩm chƣa thấy công bố.
29
1.2.2 T nh h nh nghiên cứu ở nƣớc ngoài
Hệ thống xử lý ảnh cho tay máy robot công nghiệp đã đƣợc sử dụng một cách rộng rãi để phân loại sản phẩm trong công nghiệp sản xuất dƣợc phẩm, thực phẩm, phân loại rác thải và các lĩnh vực khác do tính ƣu việt của công nghệ: thiết bị đo không cần tiếp xúc trực tiếp tác động vào đối tƣợng, làm việc cùng lúc với nhiều đối tƣợng, phân loại đƣợc những đặc điểm phức tạp mà những cách phân loại truyền thống không thể làm đƣợc… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 1.18 Công nghệ xử lý ảnh áp dụng trong công nghiệp thực phẩm
Hình 1.19 Áp dụng công nghệ xử lý ảnh và robot công nghiệp
trong phân loại rác
Hình 1.20 Công nghệ xử lý ảnh trong phân loại sản phẩm
Hình 1.21 Công nghệ xử lý ảnh trong sản xuất rượu bia
30
CHƢƠNG II THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG 2.1 Xác định yêu cầu hệ thống, giới hạn các điều kiện biên
2.1.1 Yêu cầu hệ thống a. Chức năng a. Chức năng
Hệ thống xử lý ảnh có thể phân biệt đƣợc các loại phôi có màu sắc và hình dạng khác nhau.
Điều khiển robot công nghiệp Nachi MC20-01 gắp phôi từ băng tải đến các vị trí chứa tƣơng ứng.
Băng tải nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống xử lý ảnh: các phôi đƣợc lựa chọn di chuyển tới vị trí phân loại trên băng tải, các phôi không đƣợc chọn di chuyển tới vị trí chứa phôi loại.
b. Khả năng kết nối
Hệ thống phải có khả năng kết nối với các robot công nghiệp thông dụng theo chuẩn điện áp 24V, chuẩn dòng 10mA. Dễ dàng kết nối với các máy tính cá nhân (PC) hoặc Laptop.
Hệ thống cho phép mở rộng các bài toán công nghệ ( xử lý đƣợc nhiều loại phôi hơn, kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi hơn).
Sử dụng các loại dây cắm công nghiệp, cổng I/O dễ kết nối, thuận tiện cho ngƣời học và nghiên cứu.
c. Hình thức
Phần cứng: Nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, thẩm mỹ
Phần mềm: Giao diện đơn giản dễ sử dụng, dễ cài đặt, không yêu cầu cao về phần cứng máy tính
d. Độ tin cậy
Làm việc ổn định, độ tin cậy cao.
2.1.2 Các điều kiện biên
31 Chủng loại phôi
- 3 loại màu: đỏ, trắng, vàng
- 3 loại hình dạng: vuông, tròn, tam giác
Yêu cầu phôi: sơn mịn, không bóng, các phôi vuông, tam giác có cạnh sắc, rõ ràng.
b. Điều kiện ánh sáng
Ánh sáng tốt, ổn định, dùng ánh sáng nhân tạo (đèn huỳnh quang)
c. Không gian làm việc
Khoảng cách từ máy tính điều khiển trung tâm (cài phần mềm xử lý ảnh) đến tủ điều khiển của robot công nghiệp nhỏ hơn 10m, ít vật cản
Hạn chế các thiết bị thu phát RF trong không gian làm việc của hệ thống (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2 Thiết kế và chế tạo hệ thống
Hệ thống phân loại sản phẩm cho robot công nghiệp sử dụng truyền thông không dây là một hệ thống phức tạp. Do vậy cần thực hiện việc thiết kế tổng thể, đánh giá chức năng của từng thành phần, sau đó mới tiến hành quá trình thiết kế chế tạo từng thành phần có trong hệ thống.
2.2.1 Thiết kế tổng thể
Đây là quá trình mô tả mối quan hệ giữa các cụm chức năng của hệ thống thống quá sơ đồ khối. Việc thiết kế tổng thể cho ta cái nhìn toàn diện về hệ thống trƣớc khi bắt tay cụ thể vào quá trình thiết kế các cụm chức năng.
Hệ thống xử lý ảnh phân loại sản phẩm cho robot công nghiệp là một hệ thống điều khiển có phản hồi. Cũng là một hệ thống cơ điện tử điển hình. Do đó hệ thống bao gồm những thành phần chính: Hệ thống điều khiển, cơ cấu chấp hành, môi trƣờng làm việc, cảm biến. Ngoài ra, để thuận lợi cho quá trình lắp đặt, tác giả đã thiết kế hệ thống đi kèm với bộ thu phát RF. Điều này cho phép dễ dàng sắp xếp không gian làm việc của hệ thống, gọn gàng và không phải đi dây trên tƣờng hay dƣới nền xƣởng.
32
Về tổng thể, hệ thống gồm các thành phần sau:
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Môi trƣờng làm việc: Đây là môi trƣờng mà tay máy robot công nghiệp tƣơng tác với các đối tƣợng làm việc, chính là các loại phôi có hình dạng và màu sắc khác nhau. Ngoài các đối tƣợng làm việc là các loại phôi, các điều kiện của môi trƣờng làm việc ảnh hƣởng tới quá trình hoạt động của hệ thống bao gồm: vị trí tƣơng quan của tay máy và phôi, vị trí của các hộp chứa phôi, các điều kiện về ánh sáng.
Tay máy: Là cơ cấu chấp hành của hệ thống. Tay máy nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển AX, gắp phôi từ vị trí phân loại phôi ( trên băng tải), xếp vào các hộp chứa phôi tƣơng ứng.
Bộ điều khiển AX: Nhận tín hiệu từ bộ thu RF, xử lý tín hiệu, gọi chƣơng trình con, điều khiển tay máy. Đây cũng chính là bộ điều khiển của robot công nghiệp, trong hệ thống xử lý ảnh, nó có vai trò nhƣ bộ điều khiển địa phƣơng của cơ cấu chấp hành (tay máy).
Bộ thu RF: Nhận tín hiệu từ bộ phát RF, giải mã tín hiệu, xuất tín hiệu vào
cổng input của bộ điều khiển AX. Bộ thu sẽ đƣợc gắn liền với bộ điều khiển AX của robot công nghiệp.
33
Bộ phát RF: Nhận tín hiệu từ máy tính, giải mã tín hiệu, xuất tín hiệu qua sóng RF tới bộ thu RF. Bộ phát sẽ đƣợc gắn liền với máy tính có chứa chƣơng trinh xử lý ảnh.
Máy tính: Chứa chƣơng trình xử lý ảnh, nhận dữ liệu ảnh từ Camera, xử lý ảnh, mã hóa, gửi xuống bộ phát RF.
Camera: Chụp ảnh môi trƣờng làm việc, gửi tới máy tính để xử lý. Camera
đóng vai trò là một hệ thống cảm biến của hệ thống xử lý ảnh.
2.2.2 Thiết kế phần mềm xử lý ảnh
a. Xây dựng giao diện hiển thị và thu nhận ảnh từ Camera
Giao diện của chƣơng trình xử lý ảnh đƣợc xây dựng bằng bộ công cụ Visual Studio 2012. Đây là bộ công cụ đƣợc đông đảo ngƣời dùng trên thế giới sử dụng do tính phổ biến cũng nhƣ đồ họa đẹp mắt. Giao diện của phần mềm xử lý ảnh cho phép ngƣời sử dụng tƣơng tác với hệ thống: lựa chọn các chủng loại phôi để phân loại, cũng nhƣ quan sát đƣợc quá trình thực hiện phân loại của phần mềm.
Xây dựng giao diện cho phần mềm xử lý ảnh ngoài yêu cầu về tính đơn giản, dễ sử dụng, nó còn đòi hỏi phải thực hiện đƣợc các chức năng bắt buộc sau:
- Tìm cổng kết nối: Tìm kiếm cổng kết nối có sẵn trong máy tính. - Kết nối: Kết nối với cổng kết nối mong muốn.
- Hiện thị hình ảnh thu đƣợc từ camera và kết quả của quá trình xử lý ảnh
- Cho phép lựa chọn các loại phôi mong muốn
- Các nút ấn Bắt đầu, Tạm dừng, Dừng chƣơng tr nh
34
Hình 2.2 Giao diện phần mềm xử lý ảnh
b. Xây dựng chƣơng tr nh xử lý ảnh
Nhƣ đã trình bày ở trên về chủng loại phôi mà hệ thống có thể phân loại đƣợc gồm 3 màu: trắng, vàng và đỏ và 3 hình dạng: tròn, vuông và tam giác. Trong đó quan, trọng nhất là quá trình lấy mẫu màu sắc của đối tƣợng. Đây là quá trình thƣờng dẫn đến sai số nhiều nhất, đặc biệt là giữa 2 màu: trắng và vàng, trong điều kiện cƣờng độ ánh sáng mạnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở đây, đề tác giả chọn xử lý ảnh theo hệ màu HSV. Một ảnh tƣơng tự sau khi chuyển thành ảnh số, mỗi điểm ảnh là tập hợp thông tin về vị trí và màu sắc. Màu sắc đƣợc định nghĩa bằng các giá trị H, S và V. Nếu H, S, V của ảnh nằm trong khoảng khai báo của màu X thì ảnh đƣợc nhận diện là màu X.
35
Hình 2.3 Quá trình lấy ngưỡng màu
Sau một thời gian thử nghiệm, tác giả đã tìm đƣợc bộ các thông số ngƣỡng màu trắng, vàng đỏ nhƣ sau, làm việc tƣơng đối ổn định:
Màu vàng: HSV lower (0, 49, 242); HSV upper (170, 255, 255) Màu trắng: HSV lower (0, 0, 178); HSV upper (180, 39, 255) Màu đỏ: HSV lower (58, 40, 147); HSV upper (180, 255, 255)
Thƣ viện OpenCV hỗ trợ đắc lực trong quá trình tiếp theo: lọc nhiễu, vẽ biên dạng đối tƣợng, đếm số cạnh, nhận dạng hình tam giác, vuông, tròn…
Các bƣớc thực hiện quá trình nhận biết phôi và chuyển dữ liệu xuống cổng COM của máy tính thực hiện qua các bƣớc sau:
Bƣớc 1: Kết nối Camera Bƣớc 2: Chụp ảnh
Bƣớc 3: Nhận dạng màu sắc Bƣớc 4: Nhận dạng hình dáng Bƣớc 5: Kết luận
Bƣớc 6: Gửi kết quả xuống cổng COM của máy tính
36
2.2.3 Thiết kế và thi công mạch điều khiển a. Mạch phát sóng RF a. Mạch phát sóng RF
Đây là mạch đƣợc ghép với máy tính điều khiển trung tâm. Mạch có tác dụng nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, mã hóa tín hiệu, gửi tín hiệu qua bộ phát sóng RF để gửi tín hiệu điều khiển tới robot công nghiệp và băng tải.
Yêu cầu: mạch chế tạo nhỏ gọn, kết nối với máy tính dễ dàng, có tính ổn định cao và mang tính thẩm mỹ, linh kiện dễ mua và giá thành hợp lý.
Quá trình thiết kế, chế tạo đƣợc thực hiện qua các bƣớc sau: Thiết kế mạch nguyên lý, mô phỏng mạch nguyên lý, thiết kế mạch in, làm mạch in, hàn linh kiện, kiểm tra và tích hợp vào hệ thống.
37
Trên thị trƣờng có rất nhiều các phần mềm hỗ trợ vẽ mạch nguyên lý và mạch in nhƣ: Altium designer, Protues, Eagle… với các tính năng tƣơng tự nhau. Tác giả sử dụng phần mềm Eagle để thiết kế mạch nguyên lý.
Hình 2.4 Mạch nguyên lý của mạch phát sóng RF
Khối xử lý trung tâm
Mạch xử lý trung tâm dùng 1 vi điều khiển ATmega8 sử dụng thạch anh ngoài giúp hoạt động ổn định, sử dụng bộ UART để giao tiếp với máy tính, giao tiếp SPI với module nRF24L01, dùng IC PL2303 tạo cổng com ảo cho vi điều khiển giao tiếp với máy tính qua usb
38
Hình 2.5 Vi điều khiển ATmega8
Các thông số kỹ thuật của thiết bị đƣợc lấy từ tài liệu [5]:
- Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung nhịp
- 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng - Tốc độ xử lí nhanh, lên tới 16MBPS
- Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình đƣợc và có thể ghi xóa 10000 lần
- 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, có 1 kbyte RAM nội - Có 28 chân, trong đó có 23 chân I/O
- Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ timer/counter 16 bit với bộ chia tần lập trình đƣợc
- Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit
39 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khối Reset và nạp ISP
Hình 2.6 Khối reset và nạp ISP
Khối IC PL2303
Các máy tính thời điểm hiện tại thông thƣờng không có cổng COM, do đó để thuận tiện cho việc sử dụng, tác giả dung IC PL2303 để tạo cổng com ảo cho vi điều khiển giao tiếp với máy tính qua usb. Giúp việc kết nối giữa mạch phát RF và máy tính đƣợc dễ dàng, thuận lợi hơn.
40
Khối giao tiếp với module nRF24L01
Giao tiếp giữa vi điều khiển và module n RF24L01 đƣợc thực hiện qua giao tiếp SPI. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. Điều này giúp tăng tốc độ giao tiếp giữa máy tính và bộ điều khiển AX của robot công nghiệp.
SPI đôi khi đƣợc gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đƣờng giao tiếp trong chuẩn này đó là SC (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select).
Hình 2.8 Khối giao tiếp với module RF
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên
cần 1 đƣờng giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Xung nhịp chỉ đƣợc tạo ra bởi chip Master (ATmega8).
MISO– Master Input / Slave Output: Nếu là chip Master thì đây là đƣờng
Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves đƣợc nối trực tiếp với nhau.
MOSI – Master Output / Slave Input: Nếu là chip Master thì đây là đƣờng
Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves đƣợc nối trực tiếp với nhau.
SS – Slave Select: SS là đƣờng chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave
đƣờng SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đƣờng SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master
41
và Slave đó. Chỉ có 1 đƣờng SS trên mỗi Slave nhƣng có thể có nhiều đƣờng điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của ngƣời dùng
Khối nguồn
Sử dụng cổng USB của máy tính để lấy nguồn duy trì hoạt động của mạch. Điều này giúp mạch đơn giản và gọn hơn rất nhiều so với việc sử dụng các nguồn khác. Ngƣời sử dụng không cần quan tâm đến việc cắm nguồn cho mạch phát RF, chỉ cần kết nối mạch qua cổng USB với máy tính vừa thực hiện giao tiếp giữa máy tính và mạch vừa lấy nguồn cung cấp cho mạch.
Hình 2.9 Khối nguồn
Thiết kế mạch in và thi công mạch phát sóng RF Thiết kế mạch in
Sử dụng phần mềm Eagle để thiết kế mạch in từ mạch nguyên lý nhƣ trên.
42
Thi công và hoàn thiện mạch phát sóng RF (Master)
Sau khi quá trình thiết kế mạch in đƣợc thực hiện, mạch in đƣợc đặt in và hàn linh kiện. Hình dáng mạch phát song RF nhƣ sau: