Cánh tay robot phân loại sản phẩm dựa theo màu sắc

Lập trình điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm đang chạy trên băng tải dựa theo màu sắc sản phẩm. Cánh tay robot được cấu thành từ các động cơ servo sg90, nhận diên màu sắc bằng module TCS3200

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài nghiên cứu và thực hiện đến nay đề tài tốt nghiệp “Cánh tay

robot phân loại sản phẩm trên băng chuyền theo màu sắc” có thể nói bước đầu đã

hoàn thiện Chỉ còn một ít thời gian nữa là em sẽ hoàn thành chương trình đại học vàbắt đầu một con đường mới Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa kỹthuật điện tử 1 của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong suốt quá trình emhọc tập tại học viện đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em để em có thể trang bị chomình những kiến thức nền tảng trên con đường sự nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đặcbiệt và chân thành nhất tới thầy Ngô Đức Thiện-giảng viên Khoa Kỹ thuật điện tử 1 đãhết mình hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Nhờ sự chỉ bảo

và những kiến thức thầy truyền đạt đã giúp em hoàn thành được đề tài tốt nghiệp này.Qua đây em cũng muốn gửi lời cảm ơn tới những người bạn đã đồng hành cùng mìnhsuốt những năm tháng đại học, những người thân thiết và đặc biệt em muốn gửi lờicảm ơn tới gia đình mình, nguồn động lực cũng như nguồn động viên to lớn để giúp

em hoàn thành những năm tháng sinh viên

Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Tú

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1

1.1 Tổng quan chung 1

1.1.1 Dẫn nhập 1

1.1.2 Lịch sử phát triển 2

1.1.3 Một số định nghĩa về Robot 6

1.2 Phân loại Robot 8

1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động 8

1.2.2 Phân loại theo thế hệ 10

1.2.3 Phân loại theo bộ điều khiển 13

1.2.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động 14

1.3 Cánh tay robot 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.1 Khái niệm bậc tự do của robot 18

2.2 Bài toán động học 20

2.2.1 Bài toán động học thuận 20

2.2.2 Bài toán động học ngược 20

2.2.3 Thuật giải cho bài toán động học thuận 21

2.3 Xây dựng mô hình hệ thống nhúng cho robot 22

2.3.1: Khối điều khiển: 23

2.3.2: Khối servo 27

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC 31 3.1 THIẾT KẾ 31

3.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của thiết kế 31

3.1.2 Sơ đồ khối 32

3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 33

3.2.1 Các linh kiện điện tử được sử dụng 33

3.2.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống 41

3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 42

3.3.1 Lưu đồ thuật toán 42

3.3.2 Mã nguồn 47

3.4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 52

3.4.1 Bài toán điều khiển 52

3.4.2 Bài toán nhận diện màu sắc 52

KẾT LUẬN 53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DC: Direct Current Dòng điện một chiều

PWM: Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung

I/O : Input/Output Tín hiệu vào/ra

UART: Universal asynchronous receiver/transmitter Chuẩn truyền thông

nối tiếp

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot công nghiệp 8

Hình 1.2 Robot công nghiệp đầu tiên 9

Hình 1.3 Robot PUMA 10

Hình 1.4 Robot Shakey 11

Hình 1.5 Robot ASIMO 12

Hình 1.6 Robot NAO 13

Hình 1.7 Robot toạ độ vuông góc 16

Hình 1.8 Robot toạ độ trụ 16

Hình 1.9 Robot toạ độ cầu 17

Hình 1.10 Robot khớp bản lề 17

Hình 1.11 Robot gắp thùng carton đặt lên pallet 20

Hình 1.12 Robot sơn 21

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả bài toán động học 27

Hình 2.2 Bài toán động học thuận 29

Hình 2.3 Arduino Uno R3 trong thực tế 31

Hình 2.4 Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 31

Hình 2.5 Servo SG90 trong thực tế 35

Hình 2.6 Cơ cấu bên trong Servo SG90 35

Hình 3.1 Sơ đồ khối của thiết kế 40

Hình 3.2 TCS 3200 trong thực tế 42

Hình 3.3 Sơ đồ chân TCS 3200 42

Hình 3.4 Các khối chức năng của TCS 3200 43

Hình 3.5 Mảng lọc màu sắc 44

Hình 3.6 Cấu tạo của động cơ DC 46

Hình 3.7 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC 46

Hình 3.8 Cảm biến hồng ngoại sử dụng trong hệ thống 48

Hình 3.9 Cấu tạo của module cảm biến hồng ngoại 48

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán của thiết kế 51

Hình 3.11 Kết nối Arduino Uno R3 với máy tính qua cổng COM 52

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số của Arduino Uno R3 31

Bảng 3.1 Chức năng các chân của TCS3200 40

Bảng 3.2 Cấu hình các chân điều khiển S2, S3 của TCS3200 42

Bảng 3.3 Các chế độ điều khiển tần số đầu ra của TCS3200 43

MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật và máy móc vào lĩnh vực sản xuấtcông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóađất nước Sự ra đời của Robot đã mở ra nột cuộc cách mạng trong công nghiệp khi mà

nó có thể hoạt động chính xác và liên tục trong một thời gian dài, thay thế con người

để làm việc ở những môi trường khắc nghiệt hoặc độc hại Việc đưa các Robot vàohoạt động sản xuất có thể tạo bước đà thúc đẩy hoạt dộng sản xuất của cả một doanhnghiệp Việc sản xuất tự động thay thế cho các hoạt dộng sản xuất thủ công giúp tăngsản lượng, năng suất công việc, cắt giảm chi phí nhân công từ đó vừa nâng cao chấtlượng đồng thời lại hạ được giá thành sản phẩm tạo tiền đề cạnh tranh trên thị trường Chính vì sự quan trọng của Robot mà em đã chọn đề tài “Cánh tay robot 3 bậc

tự do phân loại sản phẩn trên băng chuyền dựa theo màu sắc” cho đồ án tốt nghiệp củamình Với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điện tử 1 và đặcbiệt là thầy giá Ngô Đức Thiện, em mong muốn xây dựng được một tiền đề cơ bảnnhất để nghiên cứ về lĩnh vực robotic Tuy nhiên, do kiến thức chuyên môn còn hạnchế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong sản phẩm làm ra, em rất mongnhận được sự thông cảm và ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên Emxin trân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Tổng quan chung

1.1.1 Dẫn nhập

Khoa học ngày càng phát triển và sản sinh ra các công cụ hộ trợ tối đa cho conngười trong lao động và cuộc sống Trong vô vàn các ngành khoa học ứng dụng khácnhau thì khoa học robot đang là vấn đề nổi trội, bởi trong quá tình lao động sản xuất,càng ngày sức người càng được giảm tải trong các công đoạn và máy móc được đưavào thay thế Và hơn hết, nhu cầu tìm hiểu cũng như khám phá của con người khôngbao giờ là đủ, nhưng trong quá trình khám phá và cải tạo thế giới, con người gặp phảinhững vấn đề trở ngại bởi không phải môi trường nào con người cũng có thể sốngđược Vì vậy, nhu cầu tất yếu là phải có một cỗ máy đảm nhiệm những công việc này

Từ đó, con người nảy sinh ra nhu cầu chế tạo robot mang hình dáng con người để đảmnhận thay con người trong các công việc từ đơn giản đến phức tạp

Hình 1.1.Robot công nghiệp

Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng Nhờ công nghệ pháttriển liên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, đó làcác robot dưới nước, robot công nghiệp và robot quân sự,… Nhiều robot đã thay conngười làm các công việc độc hại, nguy hiểm như tháo ngòi nổ bom mìn, thăm dò tìmcác con tàu bị đắm…

1.1.2 Lịch sử phát triển

Các robot độc lập với đầy đủ ý nghĩa chỉ có xuất hiện trong nửa sau của thế kỷ

20 Robot kỹ thuật số và được lập trình đầu tiên có tên gọi Unimate, được chế tạo vào

năm 1961 dùng để nâng phần nóng của miếng kim loại từ một máy đúc chết và sắpxếp lại chúng theo trật tự Ngày nay, các robot thương mại và robot công nghiệp được

sử dụng phổ biến để thực hiện các công việc với giá rẻ hơn, chính xác và đáng tin cậyhơn con người Chúng cũng được sử dụng trong các công việc mà có độ ô nhiễm cao,nguy hiểm hoặc đơn điệu Robot được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp, đónggói, mở gói, vận chuyển, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, thăm dò không gian cũng nhưlòng đất, , nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và các dây chuyền sản xuất hàng loạt

Hình 1.2.Robot công nghiệp đầu tiên

Trên thực tế, hầu hết các robot Unimate bán ra là để làm công việc lấy khuôn rakhỏi các máy dập khuôn và để hàn điểm trên ôtô, đây là hai loại công việc mà côngnhân không bao giờ muốn làm Tuân theo các lệnh tuần tự được lưu trữ trong mộttrống từ, một cánh tay nặng 4000 pound đủ linh hoạt để có thể làm được rất nhiều loạitác vụ Cả hai ứng dụng này đã thành công rất lớn về thương mại, cụ thể là nhữngrobot làm việc rất đáng tin cậy và tiết kiệm tiền thuê nhân công Một nền công nghiệpmới đã ra đời với rất nhiều các công việc do robot thực hiện Robot công nghiệpUnimate là một trong những robot được sử dụng phổ biến nhất thế giới Unimate robotcho phép lập trình chuyển động hoàn toàn trên 6 trục và được thiết kế để có thể nângtrọng lượng 500 pound với tốc độ nhanh Sau hơn 20 năm cải tiến, robot này có độ tincậy cao và rất dễ sử dụng

Năm 1969, Victor Scheinman – một sinh viên chế tạo máy làm việc tại phòng thínghiệm trí thông minh nhân tạo Standford đã chế tạo ra cánh tay Standford Thiết kếnày đã trở thành chuẩn mực và vẫn đang ảnh hưởng nhiều đến những thiết kế của cánhtay robot ngày nay Đây là cánh tay robot đầu tiên chạy bằng điện và điều khiển bằngmáy tính thành công Robot này có 6 khớp, cho phép giải động học ngược cho robot(arm solution) Robot này có thể đi theo một lộ trình tùy ý và mở rộng khả năng chocác ứng dụng phức tạp hơn như robot lắp ráp và hàn hồ quang Cũng chính robot này

đã được sử dụng để phát triển những kỹ thuật lắp ráp công nghiệp cho các cánh tayrobot thương mại Victor Scheinman sau đó đã bán thiết kế này cho Unimation, hãngnày với sự giúp đỡ của General Motors đã phát triển robot này thành dòng robot côngnghiệp PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) được sử dụng rộngrãi trong các dây chuyền lắp ráp tự động và rất nhiều các tác vụ công nghiệp khác

Hình 1.3.Robot PUMA

Shakey là robot di động đầu tiên có thể suy luận hoạt động của nó, do trung tâm

trí tuệ nhân tạo của SRI ( nay là viện nghiên cứu Stanford, Menlo Park, California )phát triển từ năm 1966 cho đến năm 1972 Shakey là nền tảng và có ảnh hưởng to lớnđến trí thông minh nhân tạo và khoa học robot ngày nay Shakey có một camera vôtuyến, một máy đo khoảng cách bằng phương pháp 3 điểm, một cảm biến chấn động.Shakey được kết nối với hai máy tính DEC PDP – 10 và DPD – 15 thông qua sóng

radio và sóng vô tuyến, sử dụng các chương trình để nhận biết, lập mô hình thế giớixung quanh và các hoạt động Các lệnh con bậc 1 điều khiển các hoạt động di chuyển,quay và xác định đường đi, các lệnh bậc 2 phối hợp các lệnh 1 để thực hiện được cáclệnh phức tạp hơn một cách nhanh hơn Các lệnh bậc 3 có thể xây dựng và điều hành

kế hoạch để đạt được những mục tiêu mà người sử dụng đưa ra Hệ thống cũng kháiquát và giữ lại các lệnh này để có thể sử dụng lại trong tương lai

Hình 1.4.Robot Shakey

Đã từng đến Việt Nam và tạo ra cơn sốt khá lớn, ASIMO là sản phẩm của tậpđoàn Honda lần đầu tiên được hé lộ vào tháng 10 năm 2020 ASIMO có chiều cao 1,3mét và nặng 54 kilogam Chú robot này sở hữu rất nhiều khả năng trong đó đáng chú ý

nhất là có thể lập trình để trở thành một cỗ máy trợ giúp cá nhân cho người khuyết tật.ASIMO hoạt động trên năng lượng từ một loại pin đặt biệt và được điều khiển thôngqua máy tính hoặc giọng nói Nó thậm chí còn có khả năng phân biệt và tương tác vớicon người thông qua các cử chỉ, âm thanh và khuôn mặt Giả sử nếu chúng ta bước vàomột căn phòng, ASIMO sẽ quay ra chào đồng thời bắt tay nếu chúng ta chủ động giơtay ra trước Hiện nay, ASIMO có khả năng phân biệt được 10 khuôn mặt khác nhau.

Hình 1.5.Robot ASIMO

Robot NAO được phát triển nhằm vào các khả năng chính là học hỏi, nhận diện

và tương tác với con người Đây là sản phẩm của Aldebaran Robotics và nó có chiềucao 58cm Đặc tính nổi bật của robot này là nó cực kỳ dễ lập trình Nhờ vào đặc tínhnày, trường đại học Hertfordshire đang tiến hành giúp NAO phát triển được cảm xúcđồng thời có khả năng nhận diện và học theo các cử chỉ khuôn mặt và ngôn ngữ hìnhthể con người Về cơ bản, NAO có thể học những điều này giống hệt cách một đứa trẻhọc thông qua việc quan sát NAO còn có một số kỹ năng đặc biệt khác như viết cácngôn ngữ khác nhau Hiện nay, chú robot này đang được bắt đầu đưa vào chương trìnhgiáo dục cho các em nhỏ hoặc thậm chí là giúp việc ở bệnh viện Các chuyên gia đềukhẳng định triển vọng của NAO trong tương lai là rất tốt

Hình 1.6.Robot NAO

1.1.3 Một số định nghĩa về Robot

Viện Nghiên cứu robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về robot như sau: “Robot

là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để

di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985)

Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu

trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết bị

tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người” Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở

rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suynghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểmcủa vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý

Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái

khối SEV trước đây thì phát biểu rằng: “Robot công nghiệp là những máy hoạt động

tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”

Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển theochương trình” Đặc điểm này của robot được thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi

xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên dùng được là “chip” trongnhững năm 70

Không lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển theo chương trình, người ta

đã thực hiện được những robot tự hành Hơn nữa, với những bước phát triển nhanhchóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay người ta đã sáng tạo nhiều robot cảmxúc và có khả năng xử lý thông tin Do đó, định nghĩa robot cũng có những thay đổi bổsung

Nhật Bản hiện nay là nước có số lượng robot dùng trong sản xuất công nghiệpnhiều nhất thế giới, khoảng hơn 70% trong tổng số chừng 300.000 robot công nghiệp

trên toàn thế giới Người Nhật có quan niệm dễ dãi hơn về robot, theo họ “ Robot là

bất cứ thiết bị nào có thể thay thế cho lao động của con người” Trong công nghiệp

Nhật Bản, những robot hay tay máy được điều khiển bằng cam cũng được liệt vàohàng ngũ robot

Theo đó, Hiệp Hội robot Công nghiệp Nhật Bản (JIRA - Japan Industrial RobotAssociation) đã phân loại robot thành sáu hạng, từ những tay máy do con người trựctiếp điều khiển từng động tác đến những robot thông minh được trang bị trí tuệ nhântạo (theo Schlussel, 1985)

Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực robot của Nhật Bản đưa ra nhữngđịnh nghĩa về robot dưới dạng những yêu cầu như sau:

Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot côngnghiệp phải thoả mãn yếu tố sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động

- Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác

- Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao

- Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động

- Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài

Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệpphải có các đặc điểm sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động

- Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ)

- Có tính vạn năng

- Có những đặc điểm của người và máy

Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh hoạt củanhững hệ thống sản xuất có áp dụng robot P.J.McKerrow, một nhà nghiên cứu về

robot của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác Theo ông, “Robot là một

loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng” Các

robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau; tiết kiệmsức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và an toàn lao động

và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc và tẻ nhạt Tất nhiên, trongtương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi robot ngày càng thay thế các hoạt động củacon người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khaithác các nguồn lợi đại dương, robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹphơn

1.2 Phân loại Robot

Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất củarobot để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng Có 4 yếu tố chính để phân loại robotnhư sau:

- Theo dạng hình học của không gian hoạt động

- Theo thế hệ robot

- Theo bộ điều khiển

- Theo nguồn dẫn động

1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động

(1) Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot): robot loại này có ba bậc chuyển động

cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc

Hình 1.7.Robot toạ độ vuông góc

(2) Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trụcchuyển động tịnh tiến và một trục quay

Hình 1.8.Robot toạ độ trụ

(3) Robot toạ độ cầu (spherical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trụctịnh tiến và hai trục quay

Hình 1.9.Robot toạ độ cầu

(4) Robot khớp bản lề (articular robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trụcquay, bao gồm cả kiểu robot SCARA

Hình 1.10 Robot khớp bản lề

1.2.2 Phân loại theo thế hệ

Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây: (1) Robot thế hệ thứ nhất:

Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi(playback robots), theo chương trình định trước Chương trình ở đây cũng có hai dạng;chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam và điềukhiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụngnhờ các panel điều khiển hoặc máy tính

Đặc điểm:

• Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác giới hạn hành trình

Đặc điểm:

• Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy

• Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phảnhồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước

• Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, nen điều khiển

pa-(3) Robot thế hệ thứ ba:

Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận Các robot ở đây đượctrang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin vàtác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thànhđược công việc đã được đặt ra cho chúng Hiện nay cũng đã có nhiều công bố vềnhững thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và đượcđưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy

Robot thế hệ này bao gồm các robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trongđiều khiển (Vision - controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượngthao tác

Đặc điểm :

• Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba

• Có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho cáchoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến

• Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điềukiện biên không được xác định trước

• Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng củarobot

• Robot được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học

• Robot được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suynghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với những tín hiệu nhận được từ môitrường theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời.

1.2.3 Phân loại theo bộ điều khiển

(1) Robot gắp - đặt: Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén

Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng

hở Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hànhtrình cơ khí đặt trên các trục của tay máy

Hình 1.11 Robot gắp thùng carton đặt lên pallet

(2) Robot đường dẫn liên tục: Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thựchiện điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot đượclập trình theo một đường chính xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn đượcbiểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau

đó robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó

Hình 1.12 Robot sơn

1.2.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động

(1) Robot dùng nguồn cấp điện:

Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC Hệ thốngdùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC Các động cơ sử dụng thường là động

cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này có thiết kế gọn, chạy

êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn

(2) Robot dùng nguồn khí nén:

Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén.Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy làcác xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay Do khí nén làlưu chất nén được nén robot loại này thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt khôngcần độ chính xác cao

(3) Robot sùng nguồn thuỷ lực:

Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép Hệ thống cần trang

bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng vàquay động cơ dầu Robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn

1.3 Cánh tay robot

Với hầu hết mọi người, hiểu biết về robot chỉ dừng lại ở hình ảnh: những chúrobot với trí thông minh nhân tạo, có thể giao tiếp, giúp đỡ việc nhà, bán hàng trongsiêu thị, chăm sóc các cụ già hay trông trẻ…

Nhưng họ không để ý đến vai trò đặc biệt quan trọng và sự xuất hiện ngày mộtnhiều của robot trong những ngành công nghiệp, chế tạo, lắp ráp và sản xuất hiện đại ởkhắp các nhà máy, công xưởng trên thế giới

Một trong những robot phổ biến nhất trong thế giới sản xuất là cánh tay robot.Cánh tay robot trong hầu hết các trường hợp được lập trình và sử dụng để thực hiệncác nhiệm vụ cụ thể, phổ biến nhất cho sản xuất, chế tạo và các ứng dụng công nghiệp.Cánh tay robot công nghiệp, có thể bạn không phải là một người biết về kỹ thuật,nhưng chỉ cần nghe qua tên của nó, bạn cũng đoán được rằng để hoạt động được, nó sẽphải tuân thủ các cấu tạo và nguyên tắc cử động giống như cánh tay của con người

Thật vật, đây là một thiết bị hoạt động theo cách tương tự như cánh tay người,với một số khớp có thể di chuyển dọc theo trục hoặc có thể xoay theo một số hướngnhất định Trên thực tế, một số cánh tay robot được cấu tạo và lập trình hoạt động vớicách bắt chước các chuyển động chính xác của cánh tay con người

Lợi ích tuyệt vời khi sử dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất

Cánh tay robot công nghiệp, tuy nhiên lại có thể di chuyển nhanh hơn nhiều sovới cánh tay của con người Một cánh tay robot công nghiệp làm tăng tốc độ của quátrình sản xuất và độ chính xác Những cánh tay robot hoạt động trơn tru giúp cắt giảmgần như tối đa các lỗi trong quá trình sản xuất do người công nhân gây ra và giúp giảmđược rất nhiều chi phí lao động

Tại sao vậy?

Cánh tay robot thao tác nhanh và tiết kiệm thời gian hơn con người

Mỗi cử động của robot, bao gồm quay, tịnh tiến, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển,quay, lật có tải, tiến hành thao tác hàn, lắp ráp…của tay robot đều được con ngườikiểm soát Nó được lập trình mô phỏng trong không gian ảo của phần mềm để lườngtrước những rủi ro về va chạm, quá tải hay bất hợp lý trong chuyển động

Vì vậy, mỗi chuyển động thực tế của robot trong quá trình làm việc sẽ đều là mộtchuyển động chính xác, trơn tru và không có động tác dư thừa Bởi trong sản xuất,Cycle Time được tính tối ưu tới đơn vị hàng phần chục hoặc phần trăm giây.

Ngoài ra, chất lượng của sản phẩm có thể bắt đầu được cải thiện do con người cảithiện khả năng Robot Ví dụ, cắt chính xác xuống các cạnh, tạo ra các mối hàn cứnghơn hoặc khoan các lỗ chính xác Điều này liên tục được người lập trình điều chỉnhthiết lập tới khi đạt trạng thái hoàn hảo Từ đó dê dàng cải tiến sản phẩm theo thờigian, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn của thương hiệu

Các chuyển động là chính xác và lặp lại hoàn toàn giống nhau

Các chuyển động chính xác đem lại kết quả chính xác trên sản phẩm theo đúngyêu cầu kỹ thuật từ đó đảm bảo không có sản phẩm NG do những bất cẩn hoặc thaotác sai trong quá trình làm việc giống như con người

Bởi con người chúng ta, trong quá trình làm việc, bộ não rất thường xuyên bịđánh mất sự tập trung do các yếu tố chủ quan và khách quan bên ngoài tác động vào.Các yếu tố đó bao gồm sức khỏe trong ca làm việc, tinh thần và sự tập trung, thái độnghiêm túc trong công việc, tính kỷ luật của bản thân cũng như nhóm, tổ đội trong dâychuyền khi làm việc (nói chuyện, cười đùa…) Chính vì các yếu tố đó, với cùng mộtcông việc, tuy là lặp lại nhưng chất lượng của mỗi sản phẩm hay một công đoạn lạithường bị phụ thuộc và phó mặc vào cảm xúc và sự hứng thú của người công nhânthao tác nó Điều này thực sự nguy hiểm với những công việc hay mặt hàng đòi hỏi độchính xác cao trong thao tác và sự tập trung cao độ

Quan trọng hơn là năng suất mà những cánh tay robot công nghiệp mang lại

Con người có thể hiện diện và làm việc trong nhà máy 24h/ ngày, 7 ngày/ tuần và

365 ngày/ năm ở cùng một vị trí công việc của dây chuyền sản xuất hay không?

Câu trả lời là có nhưng bạn phải sử dụng nhiều người thay nhau làm công việc

đó ở vị trí đó Ngay cả trong trường hợp bạn có đủ người (xét ở một chừng mực nàođó) thì công việc đôi khi vẫn bị ngừng trệ vì không có lao động Một vài lí do bất khảkháng như ốm đau, tai nạn lao động, nghỉ thai sản, nghỉ việc, đào tạo lao động mới…đôi khi chỉ là những gián đoạn cục bộ nhưng lại xảy ra phổ biến đến mức bạn mặcnhiên chấp nhận nó tồn tại Với robot thì không, khả năng làm việc 24/7 không mệt

mỏi và gần như không bao giờ xin “nghỉ ốm” của nó đem lại năng suất tối ưu nhấtnhất cho bạn Nhà đầu tư còn cắt giảm được rất nhiều chi phí từ các nghĩa vụ bắt buộcvới người lao động như BHYT, BHXH, chi phí tăng ca… Với các nhiệm vụ nguyhiểm, và môi trường làm việc độc hại, rủi ro như khói bụi, nhiệt, phóng xạ…Robot là

sự thay thế hoàn hảo cho con người Rõ ràng, nhờ chúng, chúng ta giảm thiểu được số

vụ tai nạn lao động đáng kể

Cánh tay robot hay còn được gọi là tay máy là một dạng robot có cấu tạo môphỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người Cũng có thể hiểu taymáy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối cóchuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu chuyển động Trong đó, phầnliên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục Taymáy cũng bao gồm các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực hiện các chuyểnđộng để vận hành tay máy như động cơ điện, xy-lanh dầu ép, xy-lanh khí nén,… Vớiquy mô của đề tài tốt nghiệp nói chung và trước một vấn đề rất rộng như công nghệrobot, đề tài bước đầu sẽ tập trung tìm hiểu xây dựng được một cánh tay robot căn bảnvới một ứng dụng phổ biến trong công nghiệp là phân loại sản phẩm Đề tài chỉ tậptrung phát triển một sản phẩm cơ bản tạo tiền đề tốt để có thể tiếp cận với công nghệrobot về sau này

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm bậc tự do của robot

Về mặt động học, có thể xem robot loại tĩnh tại như là một chuỗi động hởvới một khâu cố định gọi là giá và các khâu đông Mỗi khâu động là một vật rắn đượcliên kết hoặc nối động với nhau nhờ các khớp động Để dễ dàng thực hiện việc điềukhiển độc lập các khớp nối động, người ta thường sử dụng những loại khớp chỉ chophép tthực hiện một chuyển động tương đối giữa hai khâu được liên kết Do đó, cáckhớp động thường được sử dụng là các khớp tịnh tiến và khớp bản lề

Thông thường các robot có trên một bậc tự do Số bậc tự do hay bậc chuyển độngcủa robot là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động.Trong lĩnh vực robot học (robotic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (có thể

là chuyển động thẳng, dọc theo song song với một trục hoặc chuyển động quay quanhtrục) là một trục, tương ứng theo đó là một tọa độ suy rộng dùng để xác định vị trí củatrục trong không gian hoạt động Mỗi trục của robot đều có cơ cấu tác động và cảmbiến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng

Thông qua khảo sát thực tế người ta thấy rằng, để nâng cao độ linh hoạt củarobot, các robot phải có số bậc chuyển động cao Tuy nhiên, số bậc chuyển động nàykhông nên quá 6 Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý sẽ đủ để tạo

ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đốitượng thao tác (nằm trong không gian hoạt động của nó) theo mọi hướng Ngoài ra, sốbậc tự do nhiều hơn 6 sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn 6 bậc chuyển độngđược bố trí bao gồm:

+ 3 bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị

+ 3 bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động định hướng

2.1.1 Bậc huyển động cơ bản hay chuyển động định vị

Về mặt nguyên lý cấu tạo, robot là một tập hợp các khâu được liên kết với nhauthông qua các khớp chuyển động để hình thành một chuỗi động hở Khớp động được

sử dụng trên các robot thường là các khớp tịnh tiến hoặc khớp bản lề để dễ chế tạo, dễdẫn đọng bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển Robot dùng trong đề tài sử dụngđộng cơ servo để điều khiển khớp chuyển động Các chuyển động độc lập có thể là các

chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay Mỗi khâu động trên robot, về nguyêntắc có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và thường là một Như vậy kháiniệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập

mà một robot có thể thực hiện được

Trường hợp mỗi khâu động trên robot có một khả năng chuyển động độc lập thìrobot có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng có từng ấykhớp động hay trục Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính trên một robot lànhững chuyển động có ảnh hưởng quyết định ddeeesn dạng hình học của không gianhoạt động của nó như đã trình bày ở phần phân loại Các chuyển động này thực hiệnviệc chuyển dời cổ tay của robot trong không gian hoạt động được gọi là các chuyểnđộng định vị

Phần ngoài cùng của robot hay còn gọi là khâu tác động cuối ( End Effector)thường có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tượng thao tác, có thểtác động trực tiếp với đối tượng thao tác hoặc được thay thế bở các dụng cụ công nghệnhư là ống đưa dây hàn trên robot hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông,đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v… Chuyển động kẹp của tay gắp khôngdduowjc kể khi tính bậc chuyển động của robot bởi vì chuyển động này không ảnhhưởng đến vị trí, tọa độ của tay máy Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậcchuyển động của robot thường là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn dẫn khínén, dầu ép hay điện

2.1.2 Bậc chuyển động bổ sung (Bậc chuyển động định hướng)

Mỗi robot đều yêu vầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối (EndEffector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây hàn,v.v… có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụcông nghệ đặt ra Để hoàn toàn định hướng đến tư thế làm việc đối với đối tượng thaotác cũng cần tối thiểu ba bậ chuyển động, tương tự như các chuyển động soay của cổtay người, các khớp loại 5 được sử dụng để xoay quanh khâu tác động cuối trong mặtphẳng ngang, mặt phẳng đứng và quay quanh trục của nó

Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động địnhhướng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp robot có thể dễ dàng định hướng của khâutác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng tao tác, cũng như tăngkhả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện tính chấtđộng lực học của robot

Tuy nhiên, điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt sẽlàm tăng sự linh hoạt của robot, mặt khác cũng kéo theo hệ quả làm tăng thêm sai sốdịnh chuyển, tức là làm tăng sai số tích lũy trong điều khiển vị trí của khâu tác độngcuối.

2.2 Bài toán động học

2.2.1 Bài toán động học thuận

Trong đại đa số các trường hợp, tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo bởimột số khâu (Links), được nối với nhau nhờ các khớp Một đầu của chuỗi nối với giá(Bơse), còn đầu kia nối với phần công tác Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phíatrước nó một cặp khâu – khớp Tuỳ theo kết cấu của mình mà mỗi loại khớp đảm bảocho khâu nối sau nó các khả năng chuyển động nhất định

Mỗi khớp (thực chất là cặp khâu – khớp) được đặc trưng bởi 2 loại thông số:

– Các thông số không thay đổi giá trị trong quá trình làm việc của tay máy đượcgọi là tham số

– Các thông số thay đổi khi tay máy làm việc được gọi là các biến khớp

Hai loại khớp thông dụng nhất trong kỹ thuật tay máy là khớp trượt và khớpquay Chúng đều là loại khớp có một bậc tự do

Bài toán thuận nhằm mô tả thế (vị trí và hướng) của phần công tác dưới dạnghàm số của các biến khớp Cho trước cơ cấu và quy luật của các yếu tố chuyển độngthể hiện bằng các tọa độ suy rộng q ta phải xác định quy luật chuyển động của điểmtrên khâu tác động cuối nói riêng hoặc của điểm bất kỳ trên một khâu nào đó của robotnói chung trong hệ trục tọa độ vuông góc (hệ trục tọa độ Descartes) Bài toán động họcthuận ở robot có nội dung gần giống như bài toán phân tích động học cơ cấu

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả bài toán động học

Bài toán động học thuậnBài toán động học ngược

Vị trí và hướng củakhâu tác động cuốitrong hệ tọa độDescartes: xp, yp,

2.2.2 Bài toán động học ngược

Cho trước cơ cấu và quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối(hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối bao gồm vị trí và hướng của nó) được biểudiễn trong hệ trục tọa độ vuông góc, ta phải xác định quy luật chuyển động của cáckhâu thành viên thể hiện qua các tọa độ suy rộng q

Đôi khi, bài toán trong thực tế được đặt ra gần như một bài toán tổng hợp độnghọc cơ cấu, nghĩa là bài toán cho truớc yêu cầu hoặc quy luật chuyển động của khâucuối, ta phải xác định cấu tạo robot và quy luật chuyển động q của các khâu thành viênThông thường bài toán thuận có một lời giải duy nhất, trong khi đó bài toánngược lại có vô số lời giải (bài toán vô định) khi cho trước quy luật chuyển động củađiểm trên khâu tác động cuối bên trong vùng không gian hoạt động của robot Riêngđối với các vị trí trên biên của vùng không gian hoạt động, trong một số trường hợp tamới có lời giải duy nhất Nguyên nhân của vấn đề là ở chỗ quan hệ giữa tọa độ mộtđiểm q nào đó trên khâu tác động cuối (Xp, Yp, Zp trong hệ tọa độ vuông góc) với cáctọa độ suy rộng q (với i = 1, n khâu động) nghĩa là sự mô tả vị trí tương đối giữa cáckhâu thành viên chỉ là ánh xạ theo chiều thuận mà không có theo chiều nghịch

Ngoài ra, ở cả 2 bài toán động học, ta không chỉ quan tâm đến tọa độ của mộtđiểm thuộc khâu tác động cuối mà còn quan tâm đến cả vị trí và hướng của nó trong hệtọa độ vuông góc Do đó, ngoài các thông số tọa độ của một điểm P nào đó thuộc khâutác động cuối ta còn phải bổ sung ba góc quay Euler quanh ba trục tọa độ để xác địnhhướng của nó Khi giải quyết vấn đề có nhiều lời giải bài toán ngược người ta đưa racác ràng buộc về mặt động học đối với các robot hoạt động bên trong của vùng khônggian làm việc của nó (gọi là không giancos bậc tự do thừa) hoặc đặt ra vấn đề phải tối

ưu hóa hoạt động của robot theo một hàm mục tiêu nào đó để chọn lời giải phù hợpnhất

2.2.3 Thuật giải cho bài toán động học thuận

Như đã trình bày ở trên, nội dung của bài toán thuận tương tự như nội dung củabài toán phân tích động học cơ cấu Có thể phát biểu giả thiết và mục tiêu của bài toánthuận như sau: cho trước cơ cấu robot, nghĩa là cho trước số khâu, số khớp, loại khớp

và kích thước động (di) của các khâu thành viên trên robot, ta phải xác định vị trí vàhướng của khâu tác động cuối trong hệ trục tọa độ vuông gọc gắn liền với giá cố định