Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Giới thiệu chung Chương này sẽ giới thiệu về tình hình phát triển công nghệ tự động hóa để ứng dụng vào các quá trình sản xuất công nghiệp ở nước ta hiện nay nh

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2019

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đồ án này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của chúng em Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong đồ án đều trung thực, do chúng em tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu

Đồ án này không sao chép các đồ án đã có từ trước Nếu phát hiện có bất kỳ

sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đề tài của mình Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường Đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô và gia đình

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Điện tử Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời

gian học tập

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Trần Thị Minh Hạnh - trên cương vị là giảng viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn, giảng giải tận tình về các vướng mắc trong quá trình tìm hiểu đề tài Một lần nữa chúng em xin cảm ơn

cô

Bước đầu làm quen với bộ môn Hệ Thống Nhúng, tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo, kiến thức của em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Thiết kế cánh tay robot, điều khiển động

cơ DC của băng tài Làm mô hình hề

thông

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN 1

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

CHƯƠNG I 8

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 8

Giới thiệu chung 8

1.2 Lý do chọn đề tài 8

1.3 Nội dung đề tài 8

1.4 Giới thiệu hệ thống 9

1.4.1 Mô hình chức năng của hệ thống 9

1.4.2 Mô hình các khối hệ thống 10

1.5 Giới hạn đê tài 10

1.6 Kết luận chương 11

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 3 BẬC TỰ DO 12

2.1 Ứng dụng của robot 3 bậc tự do sử dụng trong đề tài 12

2.2 Thiết kế mô hình cánh tay robot 13

2.2.1 Khớp robot 13

2.2.2 Cổ tay robot 14

2.2.3 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) 14

2.2.4 Mô hình robot được thiết kế 15

CHƯƠNG III 16

CHI TIẾT THIẾT BỊ VÀ THÔNG SỐ KĨ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 16

3.1 Giới thiệu chương 16

3.2 Arduino 16

3.2.1 Giới thiệu Arduino 16

3.2.2 Giới thiệu Arduino Uno 16

3.2.3 Thông số kĩ thuật 18

3.3 Các cảm biến và động cơ 20

3.3.1 Cảm biến màu sắc TCS3200 20

3.3.1.1 Giới thiệu 20

3.3.2 Cảm Biến Vật Cản Hồng Ngoại E18-D80NK 22

3.3.2.1 Giới thiệu 22

3.3.3 Động Cơ Servo SG90 23

3.3.4 Module điều khiển động cơ L298N 24

2.3.4.1 Giới thiệu 24

3.3.4.2 Thông số kỹ thuật 25

3.3.5 Động cơ giảm tốc V1 - DIY 25

3.3.5.1 Giới thiệu 25

3.3.5.2 Thông số kỹ thuật 26

3.4 Thiết kề và thực hiện phần cứng 27

3.4.1 Thiết kế 27

CHƯƠNG IV 28

THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 28

4.1 Giới thiệu chương 28

4.2 Giới thiệu về Arduino IDE và ngôn ngữ lập trình cho Arduino 28

3.3 Thiết kế và thực hiện phần mềm hệt thống 29

3.3.1 Lưu đồ giải thuật của Arduino 29

4.4 Code chương trình Arduino 31

4.5 Kết luận chương 40

CHƯƠNG V 41

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41

5.1 Kiểm tra độ ổn định của hệ thống 41

5.3 Hướng phát triển 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Giới thiệu chung

Chương này sẽ giới thiệu về tình hình phát triển công nghệ tự động hóa để ứng dụng vào các quá trình sản xuất công nghiệp ở nước ta hiện nay nhằm góp phần thay thế sức lao động chân tay của con người

Theo sau đó là tổng quan nội dung của đề tài, nêu ra mô hình giải quyết bài toán

“Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm Dựa Vào Màu Sắc” cùng với đó là giới hạn phạm vi đề tài đưa ra

1.2 Lý do chọn đề tài

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất lao động Đặt biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động

Đối với nước ngoài thì Robot đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào sản suất đã có từ rất lâu Riêng ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới mẽ, chúng ta vẫn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế

Đó chính là lý do mà nhóm đề xuất nên “Cánh Tay Robot Phân Loại Sản Phẩm

Dựa Vào Màu Sắc” để góp một phần nào đó nâng cao năng suất lao động, phát

triển công nghệ chế tạo Robot ở nước ta và sử dụng đề tài này để làm Đồ án

Chuyên nghành của mình

1.3 Nội dung đề tài

Sản phẩm được ra đời với mục đích hỗ trợ cho việc phân loại hàng hóa tại các công ty, xí nghiệp sản xuất,… Khi hàng hóa được thành phẩm sẽ được phân loại dựa trên màu sắc của nó Thay thế được quá trình phân loại thủ công bằng chân tay con người, cải thiện được năng suất lao động và thời gian để thực hiện công đoạn

Các giai đoạn phát triển hệ thống: Việc thực thi hệ thống được thực hiện qua các công đoạn chính sau

Hình 1.1 Mô hình các giai đoạn phát triển hệ thống

+ Băng tải chuyển động truyền phôi đến nơi để phân loại

+Trên băng tải có cảm biến màu sắc để nhận biết màu của phôi, sau đó phôi tiếp tục được đưa đi cho đến khi gặp cảm biển hồng ngoại để dừng lại đúng

vị trí cuối

+ Cánh tay robot hoạt động sau khi phôi được đưa đến nơi

1.4.2 Mô hình các khối hệ thống

2.2 Giải pháp và công nghệ áp dụng

- Sử dụng cánh tay robot 3 bậc tự do để gắp phôi

- Sử dụng kiến thức về lập trình đối với arduino

- Sử dụng một số cảm biến: cảm biến màu sắc, hồng ngoại

- Sử dụng công cụ lập trình, Arduino IDE

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình C

2.3 Đặc tả các tính năng của phần mềm

- Xác định vị trí của phôi cần phân loại đối với cánh tay robot

- Phân loại được phôi dưa vào cảm biến màu sắc

- Đưa phôi đến vị trí được phân loại

2.4 Phân tích những điểm độc đáo, sáng tạo của sản phẩm

- Quá trình phân loại diễn tra tự động

- Tiết kiệm được thời gian và công sức, đồng thời nâng cao năng suất công việc phân loại sản phẩm trong công nghiệp

1.5 Giới hạn đê tài

Trong phạm vi cho phép nhóm chỉ thi công trên mô hình Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt trong suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài chỉ giải quyết những vấn đề sau:

 Thiết kế mô hình và hoạt động được khá ổn định

 Bên cạnh đó vẫn còn một số sai sót do linh kiện

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Về mặt truyền động và điều khiển robot được cấu tạo từ những khối cấu trúc

cơ khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động Về mặt kết cấu robot được chế tạo rất khác biệt nhau nhưng chúng được xây dựng từ những thành phần cơ bản như tay máy, nguồn cung cấp, bộ điều khiển Trong đó tay máy là tập hợp các bộ phận và

cơ cấu cơ khí được thiết kế và hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau Vì vậy trong chương2, chúng em sẽ đi xây dựng mô hình cánh tay của robot 3 bậc tự do Chương này gồm những nội dung sau: Ứng dụng của robot trong đề tài, thiết kế mô hình cánh tay robot, xây dựng phương trình động học cho robot 3 bậc

tự do

2.1 Ứng dụng của robot 3 bậc tự do sử dụng trong đề tài

Robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khẳ năng linh hoạt hóa sản xuất

Nó ngày càng thay thế nhiều lao động và và ngày càng trở lên chuyên dụng Trong các nhà máy sản xuất, công đoạn lắp rắp thường chiếm tỉ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền Công việc lắp rắp đó lại đòi hỏi phải rất cẩn thận không được nhầm lẫn thao tác nhẹ nhàng chính xác và phải làm việc căng thẳng suốt ngày

Vì vậy khi nhận đề tài “thiết kế chế tạo mô hình điều khiển tự động cánh tay robot 3 bậc tự do” chúng em đưa ra các ứng dụng cụ thể của robot này như sau: Robot 3 bậc tự do đảm nhiệm vai trò gắp phôi cho máy tiện đứng

2.2 Thiết kế mô hình cánh tay robot

Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước Bộ phận cơ bản của robot là: Cánh tay (gồm một số thanh nối cứng liên kết vớ nhau bởi các khớp

mềm); thân (bệ); cổ tay; bàn tay

Hình 2.1: Các bộ phận của robot 2.2.1 Khớp robot

Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực hiện di chuyển của robot

Khớp robot gồm hai loại: khớp tịnh tiến và khớp quay

Khớp quay

khớp tịnh tiến

2.2.2 Cổ tay robot

Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) trong không gian làm việc Thông thường cổ tay robot có 3 bậc tự do tương ứng với 3 chuyển động có cấu tạo điển hình như hình 2.3: Cổ tay xoay xung quanh trục thanh nối cuối cùng (Roll), cổ tay xoay xung quanh trục nằm ngang tạo chuyển động lên xuống của bàn tay (Pitch) quay xung quanh trục thẳng đứng tạo chuyển động lắc phải, trái của bàn tay (Yaw)

Hình 2.3: Cơ cấu cổ tay robot

2.2.3 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối)

Bàn tay được gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong không gian làm việc Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất: cơ cấu tay kẹp và cơ cấu dụng cụ (Các dụng cụ là: mũi hàn, dụng cụ cắt đá, mài đá, một bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ quang )

2.2.4 Mô hình robot được thiết kế

Hình 2.4 : Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do

CHƯƠNG III CHI TIẾT THIẾT BỊ VÀ THÔNG SỐ KĨ THUẬT ĐƯỢC

SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG

3.1 Giới thiệu chương

Để có thể hoàn thành hệ thống thì phần cứng là một trong những yêu tố quan trọng nhất Chương này sẽ giới thiệu về các phần cứng sử dụng trong hệ thống và theo sau đó là các thông số kỹ thuật cũng như cái nhìn chung về cách kết nối phần cứng

3.2 Arduino

3.2.1 Giới thiệu Arduino

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết

bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc một số thiết bị khác Lý do Arduino được biết đến rộng rãi là nhờ môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình dễ tiếp cận Hơn cả thế nữa điều đặc biệt nhất tạo nên cộng đồng Arduino mạnh mẽ là vì Arduino có mức giá rất thấp, mã nguồn từ phần cứng đến phần mềm đều mở

3.2.2 Giới thiệu Arduino Uno

Arduino Mega 2560 R3 là phiên bản nâng cấp của dòng Arduino phổ biến nhất ( Arduino Uno R3) với số chân giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn

Arduino Mega 2560 R3 với giá thành rẻ, chất lượng ổn định và dễ dàng mua được ở Việt Nam Bao gồm cable USB, bo mạch với chip vi điều khiển ATmega2560 cùng một số ngoại vi như nút bấm, led, giao tiếp UART

Hình 2.2 Ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3

Hình 2.3 Sơ đồ khối ATmega2560

Arduino Mega được thiết kế cho nhiều dự án khó.Với 54 chân I/O kĩ thuật số,

16 chân analog, cùng không gian khá rộng để bạn có thể tích hợp các mạch điện tử của dự án của bạn lên đó

3.2.3 Thông số kĩ thuật

 Vi điều khiển: ATmega2560

 Điện áp hoạt động: 5V

 Điện áp đầu vào (được đề nghị): 7-12V

 Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V

 Số lượng chân I / O: 54 (trong đó có 15 cung cấp sản lượng PWM)

 Số lượng chân Input Analog: 16

 Dòng điện DC mỗi I / O: 20 mA

 Dòng điện DC với chân 3.3V: 50 mA

 Bộ nhớ flash: 256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

Hình 2.4 Hình ảnh thực tế TCS3200

3.3.2 Cảm Biến Vật Cản Hồng Ngoại E18-D80NK

Hình 2.6 Cảm Biến Vật Cản Hồng Ngoại E18-D80NK

3.3.2.2 Thông số kĩ thuật

 Điện áp nguồn: 5VDC

 Khoản cách phát hiện: 3~80cm

 Dòng kích ngõ ra: 300mA

Hình 2.7 Cảm biến chất lượng không khí MQ-135

Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối

đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp <12VDC)

3.3.4.2 Thông số kỹ thuật

 Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

 Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)

 Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

 Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino có thể chơi đến 40mA nên khỏe re nhé các bạn)

 Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)

 Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃

3.3.5 Động cơ giảm tốc V1 - DIY

3.3.5.1 Giới thiệu

Động cơ DC giảm tốc V1 là loại được lựa chọn và sử dụng nhiều nhất hiện nay cho các thiết kế Robot đơn giản Động cơ DC giảm tốc V1 có chất lượng và giá thành vừa phải cùng với khả năng dễ lắp ráp của nó đem đến chi phí tiết kiệm và sự tiện dụng cho người sử dụng

Động cơ DC giảm tốc V1 cải tiến khác với loại bình thường ở phần thiết kế trục bổ xung thêm những vòng đồng ở các chỗ tiếp xúc giúp đăng độ bền và giảm ma sát, quan sát kỹ khi mở phần đuôi của động cơ sẽ thấy sự khác nhau về cơ cấu chổi than, chổi than của động cơ bình thường chỉ là các tiếp xúc bằng đồng mỏng trong khi với động cơ V2017 cải tiến là 2 khối chổi than lớn, điều này giúp động cơ V1 cải tiến có độ bền > 10 lần so với động cơ thường cùng với khả năng chụi được mức điện áp lên đến 12VDC

3.3.5.2 Thông số kỹ thuật

5VDC

- Khối băng tải: Truyền động phôi đến ví trí cuối

- Khối cảm biến: tiếp nhận các thông số gửi cho các khối xử lý

- Cánh tay robot: Gắp phôi đến vùng phân loại

Khối xử lý Arduino Mega

Cảm biến màu sắc

Ô phân loại

Băng tải

Cánh tay robot Cảm biến hồng ngoại

CHƯƠNG IV

4.1 Giới thiệu chương

Tiếp tục hoàn thiện hệ thống sau khi đã kết nối được các thiết bị phần cứng một cách ổn định Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định ở chương này chúng

ta tìm hiểu kỹ hơn về hệ thống nhúng, cụ thể là lập trình arduino cũng như phần mềm Arduino IDE

Cuối cùng là quá trình xây dựng phần mềm của hệ thống, cách thức hoạt động của hệ thống bằng các giảng đồ cụ thể, chi tiết

4.2 Giới thiệu về Arduino IDE và ngôn ngữ lập trình cho Arduino

Là một trong những nhân tố góp phần làm nên thành công của Arduino, Arduino IDE là môi trường để lập trình cho Arduino Đơn giản, dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu dựa trên nền tảng C/C++ quen thuộc

Hình 3.2 Giao diện lập trình của Arduino

Vùng Lệnh

Vùng viết chương trình

Vùng thông báo

Arduino IDE chạy được hầu hết trên các hệ điều hành phổ biến hiện nay như Window, Linux, MacOS,… Tuy nhiên máy tính cần cài đặt sẵn Java

Runtime Environment và Driver để có thể chạy được và kết nối board

Arduino

- Vùng lệnh: Bao gồm các nút lệnh menu (file, edit, sketch, tool, help) và các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDE

- Vùng viết chương trình: Nơi bạn đặt đoạn mã của mình nạp vào Board

- Vùng thông bảo: Hiển thị các thông báo từ IDE Cách cài đặt thư viện FreeRTOS:

Ở giao diện chính của Arduino IDE, Sketch > Include

Library > Manage Libraries Search từ khóa FreeRTOS và cài đặt thư

viện

3.3 Thiết kế và thực hiện phần mềm hệt thống

3.3.1 Lưu đồ giải thuật của Arduino