Điều Khiển Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng Robot Và Xử Lý Ảnh.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2021 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG ROBOT VÀ XỬ LÝ ẢNH LÊ DUY MINH TUẤN ĐỒ ÁN TỐT[.]

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

GVHD: TS TRẦN MẠNH SƠN SVTH: NGUYỄN TƯỜNG TRÌNH

S K L0 0 8 3 0 2

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

Trang 3

II

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, tháng 12 năm 2021

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Tường Trình

Họ tên sinh viên 2: Lê Duy Minh Tuấn

MSSV: 17151147 MSSV: 17151155 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Khóa: 2017 Lớp: 17151CL2

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG

ROBOT VÀ XỬ LÝ ẢNH Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Mạnh Sơn

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

⁃ Thiết kế phần cứng hệ thống cánh tay robot, băng tải và hệ thống camera

⁃ Kết nối dây giữa các thiết bị

⁃ Lập trình điều khiển hệ thống

2 Nội dung thực hiện:

⁃ Phần cơ khí: Phải đảm bảo hệ thống chắc chắn, không rung lắc Hoạt động ổn định,

dễ thao tác Dễ dàng bảo trì và sửa chữa

⁃ Phần lập trình điều khiển: lập trình cho hệ thống hoạt động ổn định Cánh tay robot chính xác, điều khiển và giám sát hệ thống qua màn hình

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/04/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 26/12/2021

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Mạnh Sơn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

Trang 4

o0o

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG

Tuần 1, 2 (1/4-15/4/2021) Nhận đề tài, tìm hiểu về đề tài

Tuần 3, 4, 5 (15/4 - 6/5/2021) Lên ý tưởng thiết kế hệ thống,

mua các thiết bị Tuần 5, 6 (30/4 – 13/5/2021) Thiết kế phần cứng và phần

mềm Tuần 7, 8, 9 (1/11 – 21/11/2021) Thi công phần cứng và phần

mềm Tuần 10 (21/11 – 28/11/2021) Thi công phần cứng

Tuần 11, 12 (28/11 –12/12/2021) Tinh chỉnh hệ thống, viết báo

cáo Tuần 13, 14 (12/12– 26/12/2021) Viết báo cáo

Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ và tên)

Trang 5

IV

o0o

PHIẾU NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

Đề tài xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mô hình phân loại sản phẩm dùng robot song song và ứng dụng xử lý ảnh bao gồm việc thiết kế phần cứng, phần mềm điều khiển

Mô hình hoạt động tốt, đáp ứng được các mục tiêu đề ra Khối lượng thực hiện phù hợp với một đề tài tốt nghiệp

2 Ưu điểm:

Từ việc khảo sát các loại cấu hình robot trên thực tế, nhóm sinh viên đã lựa chọn phương án phù hợp với mục tiêu đề tài Sau đó là thiết kế bản vẽ và mô phỏng hoạt động trên các phần mềm hỗ trợ Các kết quả điều khiển trên hệ thống vật lý có độ chính xác và tin cậy cao

3 Khuyết điểm:

Cấu trúc băng tải còn đơn giản, tính linh hoạt của hệ thống còn hạn chế

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Đề nghị được bảo vệ trước hội đồng

5 Đánh giá loại: Giỏi

6.Điểm: (Bằng chữ: )

Tp HCM, tháng 12 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

Trang 6

o0o

PHIẾU NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ỨNG DỤNG

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

2 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

Đề tài xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mô hình phân loại sản phẩm dùng robot song song và ứng dụng xử lý ảnh bao gồm việc thiết kế phần cứng, phần mềm điều khiển

Mô hình hoạt động tốt, đáp ứng được các mục tiêu đề ra Khối lượng thực hiện phù hợp với một đề tài tốt nghiệp

2 Ưu điểm:

Từ việc khảo sát các loại cấu hình robot trên thực tế, nhóm sinh viên đã lựa chọn phương án phù hợp với mục tiêu đề tài Sau đó là thiết kế bản vẽ và mô phỏng hoạt động trên các phần mềm hỗ trợ Các kết quả điều khiển trên hệ thống vật lý có độ chính xác và tin cậy cao

3 Khuyết điểm:

Cấu trúc băng tải còn đơn giản, tính linh hoạt của hệ thống còn hạn chế

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Đề nghị được bảo vệ trước hội đồng

5 Đánh giá loại: Giỏi

6.Điểm: (Bằng chữ: )

Tp HCM, tháng 12 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

Trang 7

VI

Trang 9

VIII

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố

Hồ Chí Minh vừa qua, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ và truyền đạt kiến thức tận tình của quý thầy cô Tất cả những kiến thức đó đã giúp ích cho chúng em rất nhiều, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành tốt đồ án của mình Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép chúng em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô và những người đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Trước hết chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô khoa Điện-Điện tử của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã dạy dỗ, chia sẻ những kiến thức, kinh nghiệm quý báu của mình, giúp chúng em có thể hoàn thành

đồ án với đề tài: “Điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng robot và xử lý ảnh”

Chúng em bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo TS Trần Mạnh Sơn, trên cương vị

là giáo viên hướng dẫn cho chúng em Mặc dù thầy bận nhưng thầy vẫn cố giành cho chúng em những khoảng thời gian giải đáp, hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện trong thời gian vừa qua

Chúng em cũng chân thành cảm ơn thầy giáo TS Vũ Văn Phong trưởng bộ môn

tự động điều khiển và thầy giáo TS Trần Vi Đô, quản lý Phòng thí nghiệm Thiết bị

Tự động hóa đã cho phép chúng em sử dụng các thiết bị cần thiết để phục vụ cho quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn những người thân, bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Trang 10

IX

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em cam kết các nội dung nghiên cứu được trình bày về luận văn tốt nghiệp này được thực hiện bởi chính chúng em Các đoạn trích và hình ảnh được sử dụng trong luận văn được đính kèm các tài liệu tham khảo của họ, được công khai theo đúng quy tắc

Người thực hiện đề tài

Sinh viên 1 Sinh viên 2

Lê Duy Minh Tuấn Nguyễn Tường Trình

Trang 11

X

MỤC LỤC

PHỤ LỤC HÌNH XIII PHỤ LỤC BẢNG XV DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XVI TÓM TẮT XVII

Chương 1 1

TỔNG QUÁT 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Giới hạn đề tài 3

Chương 2 4

Cơ sở lý thuyết 4

2.1 Tổng quan về cánh tay robot 4

2.1.1 Bậc tự do của cánh tay robot 5

2.1.2 Cánh tay robot nối tiếp 6

2.1.3 Cánh tay robot song song ( robot delta) 7

2.1.4 Số bậc tự do của robot delta 8

2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển PLC 8

2.2.1 Giới thiệu về PLC 8

2.2.2 Cấu trúc của PLC 9

2.2.3 Ngôn ngữ lập trình trong PLC 10

2.3 Tổng quan về xử lý ảnh 11

2.1.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition) 12

2.1.2 Tiền xử lý (Image processing) 13

2.1.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh 13

2.1.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) 13

2.1.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) 13

2.1.6 Cơ sở tri thức (Knowledge Base) 14

Trang 12

XI

Chương 3 15

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 15

3.1 Yêu cầu thiết kế 15

3.2 Yêu cầu điều khiển 15

3.3 Sơ đồ khối của hệ thống 17

3.4 Tổng quan thiết bị sử dụng 18

3.4.1 PLC Mitsubishi FX5U-32MT/ES 18

3.4.1.1 Giới thiệu 18

3.4.1.2 Các kiểu dữ liệu và độ dài dữ liệu 19

3.4.1.3 Vùng nhớ PLC FX5U-32MT/ES 20

3.4.2 Camera logitech HD webcam C270 21

3.4.3 Động cơ sử dụng trong hệ thống 22

3.4.4 Động cơ bước và driver 23

3.4.5 Giác hút và van hút chân không 25

3.5 Tính toán động học của robot 26

3.5.1 Đặt trục cho robot 26

3.5.2 Tính toán động học 27

3.6 Tính toán xử lý ảnh 29

3.7 Sơ đồ kết nối dây 30

Chương 4 32

THI CÔNG HỆ THỐNG 32

4.1 Thi công phần cứng 32

4.1.1 Giới thiệu 32

4.1.2 Gia công băng tải 32

4.1.3 Gia công khung của robot 33

4.1.4 Gia công cánh tay robot 34

4.1.5 Gia công bộ phận truyền động 35

4.1.6 Lắp ráp buồng xử lý ảnh 36

4.1.7 Lắp ráp robot hoàn chỉnh 37

4.2 Thi công phần mềm 38

Trang 13

XII

4.2.1 Tổng quan liên kết phần mềm 38

4.2.3 MX OPC Configurator 40

4.2.4 Phần mềm python 41

Chương 5 44

KẾT QUẢ THỰC HIỆN 44

5.1 Kết quả phần cứng 44

5.2 Kết quả phần mềm 46

5.2.1 Kết quả sản phẩm màu xanh 47

5.2.2 Kết quả sản phẩm màu vàng 48

5.2.3 Kết quả sản phẩm màu đỏ 49

5.3 Nhận xét đánh giá 50

Chương 6 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

6.1 Kết luận 51

6.1.1 Mục tiêu đã đạt được 51

6.1.2 Hạn chế còn tồn tại 51

6.2 Hướng phát triển 51

Tài liệu tham khảo 52

Trang 14

XIII

PHỤ LỤC HÌNH

Hình 2 1 Robot phân loại sản phẩm 4

Hình 2 2 Robot trong dây chuyên sản xuất ô tô 5

Hình 2 3 Kết cấu cơ bản của cánh tay robot nối tiếp 6 bậc 6

Hình 2 4 Kết cấu cơ bản của một robot song song 7

Hình 2 5 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của PLC 9

Hình 2 6 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 12

Hình 3 1 Sơ đồ khối của hệ thống 17

Hình 3 2 Camera logitech HD webcam C270 21

Hình 3 3.Một phần cánh tay robot 22

Hình 3 4.Cánh tay đòn 23

Hình 3 5 Động cơ bước 57HS7630A4 23

Hình 3 6 Driver động cơ bước DM542 24

Hình 3 7 Sơ đồ kết nối driver với động cơ và bộ điều khiển 25

Hình 3 8.Van hút chân không 25

Hình 3 9 Giác hút 25

Hình 3 10 Đặt trục cho cánh tay robot 26

Hình 3 11 So sánh điểm ảnh 29

Hình 3 12 Bảng màu HSL 30

Hình 3 13 Sơ đồ nối dây của PLC và cảm biến 31

Hình 3 14 Sơ đồ nối dây động cơ và driver 31

Hình 4 1.Bộ khung của băng tải 32

Hình 4 2.Khung của cánh tay robot 33

Hình 4 3.Mặt đế của khung robot 34

Hình 4 4 Khớp bi cầu 34

Hình 4 5 Cánh tay robot delta 35

Hình 4 6 Cánh tay đòn của cánh tay robot 35

Hình 4 7 Cơ cấu truyền động của robot 36

Hình 4 8 Buồng xử lý ảnh 37

Trang 15

XIV

Hình 4 9 Robot hoàn chỉnh 37

Hình 4 10 Sơ đồ liên kết phần mềm 38

Hình 4 11 Khởi tạo chương trình trong GX Works 3 38

Hình 4 12 Cấu hình phát xung tốc độ cao cho hệ thống 39

Hình 4 13 Cấu hình cho hệ thống- giao tiếp (PLC) 39

Hình 4 14 Cấu hình cho MX OPC Configurator 40

Hình 4 15 Khởi tạo dữ liệu truyền và nhận 41

Hình 4 16 Lưu đồ giải thuật cho python 41

Hình 4 17 Khởi tạo OPC server trên Python 42

Hình 4 18 Một số module hỗ trợ được sử dụng trong Python 42

Hình 4 19 Giao diện màn hình Screen_home 43

Hình 4 20 Giao diện màn hình Screen_Setting 43

Hình 5 1 Hình ảnh thực tế của hệ thống 44

Hình 5 2 Hình ảnh thực tế của hệ thống (góc chính diện) 45

Hình 5 3 Tủ điện của hệ thống 45

Hình 5 4 Một số thông số cơ bản - ảnh minh họa 46

Hình 5 5 Trạng thái màn hình khi vừa khởi động 46

Hình 5 6 Hình ảnh trên tkinker của màu xanh………47

Hình 5 7 Kết quả trên python của vật màu xanh……….…47

Hình 5 8 Hình ảnh trên tkinker của màu vàng………48

Hình 5 9 Kết quả trên python của vật màu vàng……….48

Hình 5 10 Hình ảnh trên tkinker của màu đỏ……… 49

Hình 5 11 Kết quả trên python của vật màu đỏ……… 49

Trang 16

XV

PHỤ LỤC BẢNG

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật PLC FX5U-32MT/ES 19

Bảng 3 2 Các kiểu dữ liệu thường dùng trong PLC FX5U 19

Bảng 3 3 Phân loại vùng nhớ của PLC FX5U-32MT/ES 20

Bảng 3 4 Thông số của camera logitech HD webcam C270 21

Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 57HS7630A4 24

Bảng 3 6 Thông số kỹ thuật của driver DM542 24

Bảng 5.1 Độ chính xác trong phân loại sản phẩm………49

Trang 17

XVI

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AC: nguồn xoay chiều

AI: Analog Input

AO: Analog Output

CCD: Change Couple Device

CPU: Central Process Unit

DC: nguồn điện 1 chiều

DI: Digital Input

DO: Digital Output

FBD: ngôn ngữ lập trình dạng khối

HLS: hệ màu với 3 thông số Hue Sat Lum Hue cột, Sat hàng, Lum độ sáng IL: Ngôn ngữ lập trình dạng toán tử

LAB: Ngôn ngữ lập trình dạng Ladder (hình thang)

OPC: OLE for Process Control

PLC: Programmable Logic Controller

SFC: Ngôn ngữ lập trình Sequential Function Chart

ST/STL: Ngôn ngữ lập trình bậc cao

Trang 18

XVII

TÓM TẮT

Trong đề tài này, nhóm áp dụng kiến thức để thiết kế, thi công hệ thống cánh tay robot, cụ thể là robot delta để thực hiện gắp và phân loại sản phẩm nhờ vào xử

lý ảnh Nhóm thực hiện đã tìm hiểu các hệ thống thực tế từ các nguồn trên mạng và

từ công ty thực tập, nhóm cũng đã đến các cơ sở in 3D để tham khảo một vài robot tương tự, sau đó nhóm đã tổng kết lại ý tưởng thiết kế và lựa chọn thiết bị phù hợp cho hệ thống của mình Nhóm sử dụng PLC FX5U của hãng Mitsubishi để điều khiển hệ thống

Cánh tay robot cần tốc độ nhanh, độ chính xác cao và lực của động cơ phải đủ lớn để có thể nhấc cánh tay robot và vật cần phân loại, vì vậy nhóm quyết định sử dụng động cơ bước có kích thước lớn để đủ lực cho các khớp của cánh tay robot để phát huy ưu điểm của robot delta Phần cứng của robot cũng được gia công hoàn toàn bằng kim loại để chắc chắn và tránh các trường hợp biến dạng qua thời gian Các băng tải sẽ vận chuyển sản phẩm cần phân loại, Hệ thống xử lý ảnh sẽ phân tích sản phẩm và cánh tay robot sẽ tiến hành gắp sản phẩm đến đúng thùng chứa của loại sản phẩm đó Ở đầu cuối của cánh tay robot có giác hút để hút dính sản phẩm

Về phần xử lý ảnh, nhóm đã sử dụng camera của hãng Logitech để bắt hình ảnh Nghiên cứu sử dụng phần mềm python để lập trình và nhận dạng vật theo màu sắt, từ đó gửi tín hiệu về PLC để robot nhận dạng và đưa vật vào đúng vị trí cần phân loại

Kết quả nhóm đạt được:

⁃ Mô hình phần cứng của hệ thống đã hoàn chỉnh

⁃ Cánh tay robot hoạt động chính xác và chắc chắn

⁃ Hệ thống xử lý ảnh nhận dạng đúng sản phẩm như mong muốn

Trang 20

Với ưu điểm là hoạt động nhanh và chính xác, một cánh tay robot có thể thay thế nhiều công nhân cùng một lúc Một hệ thống nếu không có tự động hóa có thể cần đến hàng trăm công nhân, nhưng với việc áp dụng cánh tay robot vào dây chuyền sản xuất thì nhân lực sẽ được giảm đi đáng kể từ đó giảm chi phí thuê nhân công cho nhà máy Vì vậy nên nhóm đã xác định hướng nghiên cứu cánh tay robot rất phù hợp với xu hướng hiện nay

Trong các hệ thống mà nhóm đã nghiên cứu thực tế thì phần lớn công đoạn phân loại sản phẩm ở cuối dây chuyền đều được áp dụng tự động hóa bằng cánh tay robot Nhận thấy được điều này nhóm đã quyết định nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot delta, áp dụng xử lý ảnh Việc áp dụng cánh tay robot delta mang lại những ưu thế rõ rệt như:

- Robot delta có tốc độ và độ chính xác cao

- Có thể làm việc liên tục kể cả trong môi trường khắc nghiệt

- Có thể đảm nhiệm khối lượng công việc của nhiều nhân công, tiết kiệm chi phí thuê nhân công

- Dễ dàng mở rộng dây chuyền sản xuất

- Hệ thống có thể làm việc bất kì thời gian nào, đảm bảo hiệu xuất của nhà máy Với việc chọn đề tài thiết kế “Điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng robot và xử lý ảnh ” nhóm cũng đã tham khảo nhiều robot tương tự trên thị trường với độ chính xác rất cao, nhưng đó là sản phẩm của những nhà sản xuất chuyên

Trang 21

nghiệp và nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực chế tạo robot Vậy nên nhóm đã quyết định vận vụng kiến thức học được để tạo ra sản phẩm tốt nhất có thể, giải quyết được những vấn đề thực tế và hoàn thành những mục tiêu đã đặt ra

2.2 Mục tiêu đề tài

Đối với đề tài thiết kế “ Điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng robot và

xử lý ảnh” nhóm đã lên ý tưởng thiết kế và thực hiện, cụ thể các mục tiêu được đề

ra sẽ là:

- Xử lý ảnh có thể nhận biết được các vật có màu xanh, đỏ và vàng

- Robot gắp các vật và thả vào đúng vị trí cần đến, vật là khối hình trụ tròn có bán kính 5cm

- Robot có thể hoạt động ở chế độ chạy đa điểm

2.3 Nội dung nghiên cứu

Nhóm thực hiện đề tài “Điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng robot và

xử lý ảnh” với các nội dung chính sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương đầu trình bày các tổng quan về yêu cầu của báo cáo như đặt vấn đề, mục tiêu đề tài, nội dung, giới hạn của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các nội dung tổng quan về kiến thức robot, các loại robot trong thực tế, các kiến thức cơ bản để tạo nên hệ thống, lý thuyết về PLC, xử lý ảnh Chương 3: Tính toán và thiết kế

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống, nêu lên các thiết bị sử dụng trong hệ thống và sơ đồ mạch của hệ thống Tính toán thuật toán cho cánh tay robot delta và lập trình xử lý ảnh

Chương 4: Thi công hệ thống

Nêu lên quá trình thực hiện thiết kế vẽ phần cứng, gia công, lắp ráp phần cứng, cấu hình thiết bị và thực nghiệm

Chương 5: Kết quả thực hiện

Trang 22

3

Những kết quả nhóm đạt được trong quá trình thực hiện sẽ được trình bày

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối sẽ nêu lên kết luận về hệ thống nhóm thực hiện, từ đó đặt ra các hướng phát triển cho hệ thống trong tương lai

2.4 Giới hạn đề tài

Sau khi hoàn thành đề tài, nhóm đã nhận thấy những hạn chế như sau:

- Vùng làm việc của robot còn hạn chế, chỉ làm việc trong vòng tròn đường kính 40cm

- Chỉ mới phân loại được màu sắc của vật

- Độ sai số của robot là 0.4cm đến 0.5cm Sai số vẫn lớn so với robot công nghiệp

- Động cơ step có độ chính xác chưa cao và mới chỉ điều khiển vòng hở

Trang 23

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

2.1 Tổng quan về cánh tay robot

Cánh tay robot là một loại cánh tay cơ học thường được lập trình sẵn, thường thì cánh tay robot được mô phỏng tương tự như cánh tay người, được cấu tạo bởi các khớp xoay hoặc khớp tịnh tiến nên có thể thực hiện được hầu hết những thao tác mà tay người có thể làm được Hiện nay với sự phát triển không ngừng của công nghệ thì cánh tay robot ngày càng trở nên hiện đại và phức tạp hơn, có thể làm việc với tốc độ và độ chính xác cao, những công việc cần độ tỉ mỉ hoặc trong môi trường khắc nghiệt thì cánh tay robot vẫn có thể đảm nhận được

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện nay không thể thiếu cánh tay robot, những robot được sản xuất cực kì đa dạng để phù hợp với công việc mà nó đảm nhận Với việc tự động hóa nhờ vào cánh tay robot, dây chuyền sản xuất có thể hoạt động liên tục mọi lúc làm tăng mạnh năng suất, ngoài ra sẽ giảm thiểu được chi phí nhân công Cánh tay robot ngày càng trở nên quan trọng nên số lượng các nhà sản xuất robot cũng rất đa dạng như: KUKA, FANUC, ABB, Universal,…

Các công việc áp dụng cánh tay robot thường có tính chất lặp lại như: phân loại sản phẩm, hàn sản phẩm, dán đế giày,… Hình 2.1 và 2.2 là các vị dụ về hoạt động của robot trong công nghiệp

Hình 2 1 Robot phân loại sản phẩm

Trang 24

5

Hình 2 2 Robot trong dây chuyền sản xuất ô tô

2.1.1 Bậc tự do của cánh tay robot

Bậc tự do của cánh tay robot là số lượng đối tượng tạo ra biến độc lập trong mỗi không gian làm việc số bậc tự do được tính bằng công thức khác nhau

Đối với cánh tay robot làm việc trong không gian:

M = 6 × (𝑛 − 1) − ∑ (6 − 𝑓 ) (2.1)

Với n: Số thanh nối trên cánh tay robot

m: Số khớp trên cánh tay robot

𝑓 : Số bậc tự do tại khớp thứ j

Đối với cánh tay robot làm việc trên mặt phẳng:

M = 3 × (𝑛 − 1) − ∑ (3 − 𝑓 ) (2.2) Với n: Số thanh nối trên cánh tay robot

m: Số khớp trên cánh tay robot

𝑓 : Số bậc tự do tại khớp thứ j

Trang 25

2.1.2 Cánh tay robot nối tiếp

Cánh tay robot nối tiếp là loại robot phổ biến nhất hiện nay Đây là loại robot với kết cấu hở được liên kết với các khâu động học và được điều khiển tuần tự hoặc song song Robot nối tiếp có hình dạng của “ cánh tay cơ khí” được mô phỏng dựa theo những đặc điểm cấu tạo của cánh tay người, vì vậy có thể hoạt động tương tự những gì cánh tay người có thể làm được, cánh tay robot có thể vươn dài ra để làm việc trong một khoảng không gian rộng Những điều này đã giúp ích rất nhiều trong sản xuất, làm tăng cao năng xuất và có thể thay thế con người để làm việc trong những môi trường độc hại

Hình 2 3 Kết cấu cơ bản của cánh tay robot nối tiếp 6 bậc

Tuy nhiên với kết cấu đặc thù của robot nối tiếp được thể hiện ở hình 2.3 sẽ tồn tại những nhược điểm đáng chú ý như là khớp phía trước phải chịu toàn bộ sức nặng của khớp phía sau dẫn đến động cơ phải tăng kích để đủ mạnh nâng toàn bộ phần khối lượng mà khớp phải gánh vác, vậy nên kết cấu của robot rất cồng kềnh Cũng

vì khối lượng robot nặng nên khối lượng vật mà robot gắp thêm được cũng bị hạn chế đáng kể Ngoài ra trong quá trình sản xuất nó cũng bộc lộ một số nhược điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý công việc chưa cao, khi làm việc với tốc độ cao thì sẽ bị rung dẫn đến thiếu chính xác

Để khắc phục những sự cố trên thì một loại robot khác đã được nghiên cứu và ra đời

đó là robot song song

Trang 26

7

2.1.3 Cánh tay robot song song ( robot delta)

Cánh tay robot song song là robot được cấu tạo bởi kết cấu vòng kín, trong đó khâu tác động cuối được liên kết với nền bởi ít nhất hai chuỗi động học đọc lập Lấy

ý tưởng hoạt động của loài nhện nên cánh tay robot loại này thường được gọi là robot nhện Theo hình 2.4, kết cấu của robot song song gần giống với một con nhện

Hình 2 4 Kết cấu cơ bản của một robot song song

Với kết cấu đặc biệt này, cánh tay robot song song đã khắc phục được các nhược điểm của robot nối tiếp, với ưu điểm quan trọng nhất là khả năng nâng tải lớn và có thể làm việc với tốc độ cao Với khả năng làm việc với độ chính xác cao, robot song song được sử dụng nhiều trong công nghệ in 3D, một công việc yêu cầu độ chính xác gần như tuyệt đối Tuy nhiên thay vào đó robot song song cũng có một nhược điểm là không gian làm việc bị giới hạn

Với nhiều loại robot được ra đời, các phân loại robot cũng đa dạng hơn tạo ra nhiều lựa chọn hơn Mỗi loại robot có các ưu và nhược điểm khác nhau, vì vậy chúng ta

có thể kết hợp chúng trong các dây chuyền sản xuất để phát huy tối đa ưu điểm của từng loại robot

Trang 27

2.1.4 Số bậc tự do của robot delta

Theo công thức 2.1 và hình 2.5 ta có thể tính được số bậc tự do của robot delta với

số thanh nối n= 8, số khớp m=9, trong đó có 6 khớp có số bậc tự do là 1 và có 3 khớp là khớp mắt trâu nên có số bậc tự do là 3 Vậy nên số bậc tự do là:

M = 6 × (8 − 1) − 6 × (6 − 1) − 3 × (6 − 3) = 3

Vậy số bậc tự do của robot delta là 3

2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển PLC

2.2.1 Giới thiệu về PLC

Sự ra đời và phát triển của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều

ưu điểm như sau:

⁃ Số lượng relay, dây nối giảm, số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế

⁃ Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

⁃ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

⁃ Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng

⁃ Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, bảo trì và sữa chữa

⁃ Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị vào, ra

⁃ Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất

⁃ Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

⁃ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

⁃ Chứa số lượng lớn relay, counter và timer so với hệ thống vi xử lý

Trang 28

⁃ Bộ nhớ: là nơi lưu trữ thông tin ở dạng nhị phân Bộ nhớ chính của PLC là bộ nhớ chương trình RAM, và có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ bên ngoài EPROM

1: https://asin.com.vn/tai-lieu-day-du-ve-plc-plc-va-fx5u-cua-mishubishi.html

Trang 29

⁃ Ngõ ra: ngõ ra của PLC có 2 loại là ngõ ra số (DO - Digital Output) và ngõ ra tương tự (AO - Analog Output)

₊ Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển On/Off như: bóng đèn, relay, van điện từ, chuông,…

₊ Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển thay đổi liên tục: biến tần, van tuyến tính,…

2.2.3 Ngôn ngữ lập trình trong PLC

Ngôn ngữ lập trình sử dụng trong PLC dựa trên hệ thống sử dụng tiếp điểm nên ngôn ngữ tương đối ngắn gọn, dễ học và dễ hiểu Hiện nay, PLC là bộ điều khiển được sử dụng với tính linh hoạt và khả năng mở rộng phù hợp đối với hệ thống tự động hóa nhỏ và vừa tương ứng với người dùng cần Với thiết kế nhỏ gọn cùng cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh, điều đóđã làm cho PLC trở thành một giải pháp toàn diện và hoàn hảo trong việc điều khiển Trong PLC thường có 3 ngôn ngữ lập trình chính là:

⁃ LD/LAD (Ladder Logic): là một ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa Sự hiển thị được dựa trên các sơ đồ mạch điện LAD với cấu trúc bậc thang dễ sắp xếp, tổ chức và tiện theo dõi và Cho phép ghi chú thích

⁃ FBD (Function Block Diagram): giống với ngôn ngữ LAD, FBD là một ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa Sự hiển thị của mạch logic được dựa trên các biểu tượng logic đồ họa sử dụng trong đại số Boolean

Trang 30

11

⁃ ST/STL (Structured Text): khác với LAD và FBD, đây là một ngôn ngữ dựa trên nền tảng văn bản, là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh

⁃ SFC (Sequential Function Chart): là dạng ngôn ngữ lập trình lưu đồ tuần tự, dùng đồ họa để mô tả các trạng thái tuần tự biểu hiện dưới dạng sơ đồ tiến trình, dòng chương trình dễ hiểu

⁃ IL (Intruction List): là ngôn ngữ lập trình cấp thấp giống như hợp ngữ, người lập trình sẽ làm việc với các mã, các phép toán OR, AND,…

2.3 Tổng quan về xử lý ảnh [2]

Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó

Xử lý ảnh là kỹ thuật áp dụng trong việc tăng cường và xử lý các ảnh thu nhận từ các thiết bị như camera, webcam… Do đó, xử lý ảnh đã được ứng dụng và phát triển trong rất nhiều lĩnh vực quan trọng như:

Trong lĩnh vực quân sự: xử lý và nhận dạng ảnh quân sự

Trong lĩnh vực giao tiếp người máy: nhận dạng ảnh, xử lý âm thanh, đồ họa Trong lĩnh vực an, bảo mật: nhận diện khuôn mặt người, nhận diện vân tay, mẫu mắt, …

Trong lĩnh vực giải trí: trò chơi điện tử

Trong lĩnh vực y tế: Xử lý ảnh y sinh, chụp X quang, MRI,…

Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng

và phân tích ảnh Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền từ London đến New York từ những năm 1920 Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955 Điều này có thể

2 https://www.tinhoccoban.net/2018/10/tu-hoc-xu-ly-anh-nhap-mon-xu-ly-anh.html#gsc.tab=0

Trang 31

Sau đây, ta sẽ xét các bước cần thiết trong quá trình xử lý ảnh, các bước xử lý ảnh được tóm tắt bởi hình 2.6 Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới bên ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như Camera, máy chụp ảnh) Trước đây, ảnh thu qua Camera là các ảnh tương tự (loại Camera ống kiểu CCIR) Gần đây với sự phát triển của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy ra từ Camera, sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo Mặt khác ảnh có thể được quét từ vệ tinh chụp trực tiếp bằng máy quét ảnh

Hình 2 6 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh

2.1.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition)

Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc trắng đen Thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng

có loại camera đã số hóa (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh

Camera thường dùng là loại quét dòng, ảnh tạo ra có dạng hai chiều Chất lượng ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh)

Trang 32

13

2.1.2 Tiền xử lý (Image processing)

Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử

lý để nâng cao chất lượng Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn

2.1.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh

Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì thư cho mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu chữ về địa chỉ hoặc tên người thành các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này

2.1.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation)

Đây là phần sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết ở các vùng lân cận Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính Việc chọn các tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng( Feature Extration) gắn với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được Ví dụ: trong nhận dạng ký tự trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phận biệt ký tự này với ký tự khác

2.1.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh Quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể nội suy thành mã điện thoại Có nhiều cách phân loại ảnh khác nhau về ảnh Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:

Nhận dạng theo tham số

Nhận dạng theo cấu trúc

Trang 33

Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người,…

2.1.6 Cơ sở tri thức (Knowledge Base)

Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận

và xử lý ảnh theo cách của con người Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương pháp trí tuệ con người Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức được phát huy

Trang 34

15

Chương 3

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 Yêu cầu thiết kế

Đối với hệ thống này, nhóm đã có các yêu cầu cụ thể cho phần thiết kế cụ thể như sau:

- Phần cơ khí: Đây là phần cứng sẽ chịu khối lượng của toàn bộ hệ thống khi làm việc, vì vậy phần cứng phải đảm bảo chắc chắn, không rung lắc khi làm việc Nhưng cũng phải đáp ứng tiêu chí dễ sử dụng, bảo trì đơn giản và bền

- Phần mềm điều khiển robot: Phần mềm được lập trình trên PLC, trực tiếp điều khiển động cơ của robot Phần mềm phải đảm bảo động cơ hoạt động chính xác và ổn định

- Phần mềm xử lý ảnh: Phải nhận dạng được các màu sắc cơ bản của sản phẩm

để nhận biết và truyền thông tin đến công đoạn sau

3.2 Yêu cầu điều khiển

Hệ thống nhóm thực hiện sẽ có các thiết bị cơ bản sau:

- Băng tải: chịu trách nhiệm vận chuyển vật cần phân loại từ khi vật mới đi vào

hệ thống đến khi vật được gắp

- Buồng xử lý ảnh: Là một buồng tối để cách ly ánh sáng tránh gây nhiễu trong quá trình xử lý ảnh

- Camera xử lý ảnh có chức năng đọc hình ảnh để phân tích vật

- Cảm biến nhận biết vị trí của vật để hỗ trợ cánh tay robot hoạt động

- Cánh tay robot delta làm nhiệm vụ gắp và phân loại vật đến đúng hộp chứa Cánh tay robot được vận hành bởi 3 động cơ bước

- Giác hút : Thay vì gắp vật, hệ thống này sử dụng giác hút để hút dính vật

- Hệ thống các nút và đèn báo: điều khiển và hiển thị các trạng thái hoạt động của

hệ thống

Trang 35

Chức năng yêu cầu của hệ thống:

Hệ thống có 2 chế độ làm việc là auto và manual

Ở chế độ Auto

- Nhấn START để hệ thống hoạt động Nhấn HOME để cánh tay robot trở về vị trí mặc định

- Sản phẩm khi đi qua buồng xử lý ảnh hệ thống sẽ đọc ảnh và phân tích để xuất

dữ liệu cho cánh tay robot hoạt động Dữ liệu là màu sắc của vật

- Khi vật đi qua cảm biến nghĩa là vật sắp đến vị trí gắp, lúc này cánh tay robot

sẽ hoạt động hút vật và phân loại

- Khi nhấn STOP hệ thống sẽ dừng lại

- Hình ảnh phân tích được và những thông số khác của hệ thống sẽ được hiển thị trên màn hình theo dõi

- Ngoài ra ở chế độ Auto ngoài chức năng phân loại sản phẩm còn có chức năng chạy theo điểm đã đặt Ta có thể liệt kê các điểm và tác vụ robot cần làm, sau

đó robot sẽ tự động chạy theo thứ tự đã liệt kê

Ở chế độ manual

- Run Jog: nhập vào 1 điểm và chạy đến đó

- Set/Rst Valve: Nhấn vào để SET hoặc RESET Value

- GetSortSS: Lưu điểm chờ vật

- GetSort: Lưu điểm nhận vật

- RelSort123: Lưu điểm Sort (vị trí nhả) trong chế độ Auto Sort

Trang 36

17

3.3 Sơ đồ khối của hệ thống

Tổng thể của hệ thống sẽ được thể hiện qua hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3 1 Sơ đồ khối của hệ thống

Chức năng của các khối trong sơ đồ khối:

- Nguồn: cung cấp nguồn hoạt động cho hệ thống

- Cảm biến, nút nhấn để thu thập thông tin từ hệ thống

- Bộ phận xử lý ảnh: Đọc hình ảnh và phân tích hình để có được thông tin đặc tính của sản phẩm, sử dụng dữ liệu đã phân tích để phân loại sản phẩm

- PLC và máy tính: khối xử lý trung tâm, đọc tín hiệu vào, xử lý thông tin và đưa ra quyết định để điều khiển các thiết bị

- Màn hình: hiển thị thông tin, đưa tín hiệu điều khiển về PLC để điều khiển

hệ thống hoạt động

Động cơ của robot

Driver điều khiển động cơ

- Nút nhấn

- Cảm biến

Bộ phận xử lý ảnh

PLC Máy tính

Van khí nén Nguồn

Tiêu đề	Điều Khiển Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng Robot Và Xử Lý Ảnh
Tác giả	Nguyễn Tường Trình, Lê Duy Minh Tuấn
Người hướng dẫn	TS. Trần Mạnh Sơn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	7,94 MB