Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh

Thiết kế chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm tự động sử dụng cánh tay robot có ứng dụng xử lý ảnh đang được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp nó làm tăng năng suất và tránh những sai sót có thể xảy ra trong quá trình sản xuất

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot 4 bậc

tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng

xử lý ảnh

Người hướng dẫn: ThS TRẦN QUANG KHẢI

Sinh viên thực hiện: HUỲNH ANH KHOA

Mục đích: Thiết kế chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm tự động sử dụng cánh tay

robot có ứng dụng xử lý ảnh đang được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, nó làm tăng năng suất và tránh những sai sót có thể xảy ra trong quá trình sản xuất

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

a, Phạm vi: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm sử

dụng cánh tay robot ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Hệ thống bao gồm những phần chính như: 1 cánh tay robot, 1 camera xử lý ảnh, 1 máy tính

b, Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 4 bậc tự do, xử lý ảnh, máy tính

c, Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đặc điểm động học và động lực học robot, lập

trình cho robot và xử lý ảnh để nhận diện hình dạng sản phẩm

d, Nghiên cứu thiết kế: Tính toán và vẽ kết cấu robot

e, Chế tạo: Dựa vào kết quả tính toán và thiết kế sau đó tiến hành thi công chế tạo mô

hình

Cấu trúc đồ án này gồm 5 chương:

- Chương 1: Tổng quan về đề tài

- Chương 2: Thiết kế và chế tạo cơ khí

- Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

- Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển

- Chương 5: Kết luận

Họ tên sinh viên: HUỲNH ANH KHOA Số thẻ sinh viên: 101150170

HỒ CÔNG TRIỆU Số thẻ sinh viên: 101150191 Lớp:15CDT1 Khoa: Cơ Khí Ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm

có ứng dụng xử lý ảnh

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo tài liệu thực tế

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Thiết kế và chế tạo cơ khí

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển

Chương 5: Kết luận

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Bản vẽ tổng thể hệ thống: 1 A0

Bản vẽ sơ đồ động: 1 A0

Bản vẽ sơ đồ mạch điện :1 A0

Bản vẽ lưu đồ thuật toán: 1 A0

Bản vẽ các cụm chi tiết: 2 A0

6 Họ tên người hướng dẫn: ThS Trần Quang Khải

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 26/08/2019

8 Ngày hoàn thành đồ án: 15/12/2019

Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019

ThS Trần Quang Khải

iii

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng đóng một vai trò quan trọng Với tốc độ phát triển như hiện nay chúng ta không chỉ cần một lượng lao động khổng lồ mà còn đòi hỏi có trình độ, chất lượng tay nghề, kỹ thuật lao động và thiết bị sản xuất Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao thì vấn đề tự động hoá ngày càng được chú trọng Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép cải thiện điều kiện sản xuất Các quá trình sản xuất sử dụng quá nhiều lao động sống rất dễ mất ổn định về giờ giấc, về chất lượng gia công và năng suất lao động, gây khó khăn cho việc điều hành và quản lý sản xuất Các quá trình sản xuất tự động cho phép loại bỏ các nhược điểm trên Đồng thời tự động hóa đã thay đổi tính chất lao động, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, nhất là trong các khâu độc hại, nặng nhọc,

có tính lặp đi lặp lại nhàm chán, khắc phục dần sự khác nhau giữa lao động trí óc và lao động chân tay

Do vậy, ứng dụng robot vào sản xuất là tính tất yếu của quá trình tự động hóa Việc

áp dụng các cánh tay robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng phổ biến Trước thực tế

đó, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự

do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh”

Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy ThS Trần Quang Khải

cùng với sự cố gắng của hai thành viên nhóm đến nay đồ án đã hoàn thành Tuy nhiên với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng còn thiếu, mặc dù có nhiều cố gắng song nhóm em vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hoàn thiện Kính mong các thầy cô thông cảm và góp ý để đề tài của nhóm em hoàn thiện hơn và có thể phát triển, ứng dụng trong thời gian sắp tới

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 26 tháng 8 năm 2019 CÁC THÀNH VIÊN

Huỳnh Anh Khoa

Hồ Công Triệu

CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan:

Những nội dung trong đồ án này là do chúng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo ThS Trần Quang Khải

Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Hồ Công Triệu- Huỳnh Anh Khoa

v

MỤC LỤC

TÓM TẮT i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI NÓI ĐẦU iii

CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài 2

1.2 Mục tiêu 4

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ 5

2.1 Thiết kế cánh tay robot 5

2.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay 5

2.1.2 Thông số kích thước của cánh tay Robot 6

2.1.3 Tính toán động học 7

2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay 10

2.1.5 Thiết kế 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do 12

2.2 Thiết kế băng tải 13

2.3 Mô hình tổng quan hệ thống 17

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 18

3.1 Sơ đồ khối 18

3.2 Các thành phần chính và chức năng 19

3.2.1 Arduino Nano 19

3.2.2 Driver A4988 20

3.2.3 Servo Sg90 20

3.2.4 Cảm biến quang 21

3.2.5 Module giảm áp Lm 2596 22

3.2.6 Công tắc hành trình 23

3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 24

Chương 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 25

4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 25

4.2 LabVIEW và xử lý ảnh dùng LabVIEW 26

4.2.1 Giới thiệu LabVIEW 26

4.2.2 Ngôn ngữ lập trình LabVIEW 27

4.2.3 Quá trình xử lý ảnh trên LabVIEW 35

Chương 5: KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 41

vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 2.1: Bảng thông số DH của cánh tay robot 8

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của Arduino nano 19

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của A4988 20

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động cơ servo Sg90 21

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của Lm 2596 23

Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 2

Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học 3

Hình 1.3: Sơ đồ khối của hệ thống 4

Hình 2.1: Cánh tay robot tọa độ cầu 5

Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do 6

Hình 2.3: Thông số kích thước của cánh tay robot 7

Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot 7

Hình 2.5: Bánh răng truyền động 11

Hình 2.6: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 12

Hình 2.7: Mô hình 3D cánh tay robot 12

Hình 2.8: Cánh tay robot sau khi thiết kế 13

Hình 2.9: Nhôm định hình 13

Hình 2.10: Ke góc nhôm định hình 14

Hình 2.11: Kích thước của băng tải 14

Hình 2.12: Mô hình 3D khung nhôm băng tải 15

Hình 2.13: Gá động cơ 15

Hình 2.14: Ổ bi 16

Hình 2.15: Bộ căng đai 16

Hình 2.16: Mô hình sau khi thiết kế 17

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 18

Hình 3.2: Arduino nano 19

Hình 3.3: Sơ đồ chân driver A4988 20

Hình 3.4: Động cơ servo Sg90 21

Hình 3.5: Cảm biến quang 22

Hình 3.6: Module giảm áp Lm 2596 22

Hình 3.7: Công tắc hành trình 23

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 24

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán 25

Hình 4.2 Hộp thoại khởi động 27

Hình 4.3: Cách thức thiết lập cho vòng lặp While 28

Hình 4.4: Vòng lặp For 28

Hình 4.5: Cấu trúc Case 29

Hình 4.6: Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi 29

Hình 4.7: Đoạn chương trình y=x2+x+1 viết theo hai cách 30

Hình 4.8: Địa chỉ truy cập các hàm Vision 31

Hình 4.9: Thư viện thiết bị NI-IMAQdx 31

Hình 4.10: Thư viện tiện ích 32

Hình 4.11: Thư viện quản lý ảnh 32

Hình 4.12: Thư viện quản lý tập tin 33

Hình 4.13: Thư viện tiện ích màu 33

Hình 4.14: Thư viện xử lý ảnh 34

Hình 4.15: Thư viện thị giác máy 34

Hình 4.16: Lưu đồ thuật tuán xử lý ảnh 35

Hình 4.17: Kết quả nhận diện hình tròn 36

Hình 4.18: Kết quả nhận diện hình vuông 36

Hình 4 19: Kết quản nhận diện hình lục giác 37

MỞ ĐẦU

Cơ điện tử là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ Robotics, là một trong những chuyên ngành kỹ thuật cơ điện tử, đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đã thu hút được nhiều sự chú ý ở nước ta Để xây dựng nền sản xuất hiện đại, chúng ta cần nhanh chóng ứng dụng và phát triển tự động hóa, nổi bật là các sản phẩm Cơ điện tử như Robot, ô tô, …Đặt biệt trong số những sản phẩm được ứng dụng rộng rải trong công nghiệp, thì robot 4 bậc tự do có tìm năng phát triển cao trong nền công nghiệp vì lợi thế cốt lõi của robot 4 bậc tự do là tốc độ, chính vì vậy robot 4 bậc tự do vẫn bắt được vật thể dù băng tải không dừng điều này là một trong các lợi thế giúp tăng tốc độ của dây chuyền sản xuất.Và trên cũng là mục tiêu cốt lõi của đề tài, xây dựng được mô hình robot 4 bậc tự do bắt vật thể trên băng tải dù băng tải không dừng, ngoài ra còn có thể tạo robot 4 bậc tự do thực hiện chạy theo hành trình có thể dạy học được

Để có thể xây dựng được đề tài ta cần phải nắm rõ được cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học nghịch và kỹ thuật xử lý ảnh, đồng thời với các kiến thức liên quan đến tính toán thiết kế cơ khí, mạch điều khiển, lập trình vi điều khiển cũng như công nghệ máy tính mới có thể đưa những lý thuyết cốt lõi thành

mô hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Bối cảnh thực hiện đề tài

Theo ước tính của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 50% số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%), 32% ở châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi

Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%, ngành điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy 4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản xuất metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất

gỗ 2,5%, và các ngành khác là 10,3%

Theo dự báo ,trên thế giới trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng

1 robot như nhu cầu 1 máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng công nghệ lớn sau internet.Với xu thế này cùng với các ứng dụng truyền thông khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, và đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot và các dịch vụ ăn theo robot sẽ vô cùng

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun, phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm

Ngày nay, đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hóa cao, mức độ linh hoạt cao Ở đây các máy robot công nghiệp được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình

Hình 1.1 : Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

Ngoài các phân xưởng nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội

Rõ ràng khẳ năng của robot trong một số điều kiện vượt hơn khẳ năng của con người,

do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người Trong dây chuyền sản xuất tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

Ngày nay, Việt Nam đang là một nước công nghiệp hóa, vì vậy việc sử dụng robot trong công nghiệp là rất cần thiết để nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu được công người và có độ chính xác cao Hiểu được tầm quan trọng của robot trong đời sống hiện nay, nên nhóm sinh viên chúng em sẽ thực hiện đề tài “ Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do phân loại sản phẩm có ứng dụng xử lý ảnh “ với mục tiêu sẽ xây dựng lên một mô hình minh họa được cách hoạt động của một cánh tay robot trong việc phân loại sản phẩm kết hợp với phương thức xử lý ảnh trên băng tải Đây là một đề tài thiết thực vì hiện nay việc ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp để thay thế cho các cảm biến thông thường là rất quan trọng bởi độ chính xác cao hơn, phản hồi tốt, ít nhiễu và

dễ dàng lập trình Ngoài ra việc vận chuyển sản phẩm trên băng chuyền cũng mang lại những lợi ích như:

- Giảm thiểu sức người lao động

- Đạt được năng suất cao, hoạt động trong một thời gian dài

Hình 1.2: Robot phun thuốc sinh học

1.2 Mục tiêu

Hệ thống sẽ có những thành phần chính sau :

- Một camera chụp ảnh vật phẩm

- Một băng tải đủ dài để vận chuyển sản phẩm

- Một cánh tay robot để đưa vật vào các ô tương ứng sau khi đã phân loại

- Máy tính và bộ điều khiển trung tâm để phân tích các dữ liệu từ camera và điều khiển cánh tay robot

Bài toán đặt ra là thiết kế chế tạo mô hình cánh tay robot phân loại vật thể trên băng tải Máy tính thông qua camera sẽ thu nhận hình ảnh vật thể trên băng tải để xử

lý cho ra các dữ liệu cần thiết về hình dạng rồi gửi cho bộ điều khiển Bộ điều khiển

sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bao gồm các động cơ của tay máy, động cơ của băng tải, và các động cơ khác để đưa được vật phẩm vào các ô tương ứng

Một số phần mềm để nhóm sinh viên chúng em thực hiện đồ án :

- Phần mềm Solidwork 2018: dùng để thiết kế 3D cho hệ thống

- Phần mềm AutoCAD 2015 : dùng để vẽ các chi tiết 2D, sử dụng trong việc cắt mica

- Phần mềm xử lý ảnh LabVIEW 2016 : dùng để xử lý các hình ảnh gửi về từ camera

- Phần mềm Arduino IDE : dùng để lập trình cho các cơ cấu chấp hành

Hình 1.3: Sơ đồ khối của hệ thống

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ

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 chương 2, chúng em sẽ đi thiết kế cơ khí toàn bộ hệ thống, bao gồm cánh tay robot, băng tải và các bộ phận khác Để thiết kế mô hình 2D cũng như 3D cho cánh tay robot cũng như cho băng tải và các chi tiết khác trong hệ thống, chúng em

sử dụng phần mềm Solidwork và Autocad, vừa dễ thiết kế lại có nhiều chức năng hỗ trợ cho người dùng rất tiện lợi

2.1 Thiết kế cánh tay robot

2.1.1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc cánh tay

Qua tìm hiểu các loại cánh tay robot thì nhóm quyết định thiết kế chế tạo cánh tay robot 4 bậc tự do tọa độ cầu RRRR Đây là loại robot rất phổ biến trong công nghiệp nhờ vào những ưu điểm: ít tốn không gian, dễ dàng bố trí trong không gian làm việc, độ khéo léo, linh hoạt cao, tầm hoạt động lớn, có thể nâng hạ tải trọng lớn Tuy nhiên nó có nhược điểm là độ cứng vững theo phương đứng thấp, độ chính xác giảm theo tầm hoạt động Cánh tay phải đạt được kích thước, độ dài hợp lý để có thể vươn dài, gắp vật phẩm trên băng tải và đưa chúng vào các ô tương ứng

Hình 2.1: Cánh tay robot tọa độ cầu

Kết cấu của cánh tay robot 4 bậc tự do như sau :

- Đế xoay robot

- Khâu chuyển động để đưa tay gắp đến vị trí cần gắp vật

- Tay gắp gắp vật đưa vật thể vào hộp

2.1.2 Thông số kích thước của cánh tay Robot

Từ các mục tiêu ở chương 1, ta thiết kế được kích thước cần có của cánh tay robot

4 bậc tự do trong hệ thống để đáp ứng được yêu cầu của đề tài Cánh tay robot được cấu thành bởi các bộ phận sau:

- Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để

tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

- Nguồn động lực và hệ truyền động tạo chuyển động cho các khâu của tay máy,

sử dụng động cơ bước, servo

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết

khác Robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các

cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường Trong đề tài lần này, chúng em chọn vật liệu robot là mica dày 5mm vì vừa rẻ, vừa dễ gia công, lại đẹp mắt, phù hợp với yêu cầu

R

Hình 2.2: Cơ cấu robot 4 bậc tự do

2.1.3 Tính toán động học

a Động học thuận

Giả sử một robot có cấu hình đã biết: độ dài các thanh nối và góc quay của các khớp hoặc độ dịch chuyển các khớp tịnh tiến Bài toán động học thuận là tính toán vị trí và hướng của cánh tay robot tương ứng với cấu hình robot xác định

- Xác định các hệ tọa độ:

Ta chọn hệ tọa độ Oo như hình vẽ

Hình 2.3: Thông số kích thước của cánh tay robot

Hình 2.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot

cθi −sθicαi sθisαi aicθi

sθi cθicαi −cθisαi aisθi

0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

c s a c

s c a s A

31 32 33

0 0 0 1

x y z

r r r p

r r r p T

2 =arctan 2(sin2, cos2)

Thiết lập phương trình động học là bước rất quan trọng để có thể dựa vào đó phân tích hoạt động của robot và lập trình điều khiển robot

Nếu cho trước các giá trị của biến khớp thay đổi theo thời gian, thì vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối trong mọi thời điểm sẽ hoàn toàn xác định được từ hệ phương trình động học thuận trên

Bài toán động học nghịch nhằm xác định giá trị các biến khớp theo các thông số trạng thái đã biết của điểm tác động cuối Từ các nghiệm của phương trình động học nghịch, ta lập trình điều khiển robot hoạt động

2.1.4 Thiết kế các bộ phận của cánh tay

a Cơ cấu xoay của khâu chấp hành

Ở đây ta dùng phương pháp dẫn động bằng bánh răng, dễ dàng thiết kế nhưng lại

kéo được lực lớn, tốc độ nhỏ, không gây rung giật, thích hợp với các cơ cấu nặng

b Tính chọn động cơ cho cơ cấu

Khối lượng lớn nhất nhất mà robot có thể làm việc là 2kg => Khối lượng lớn nhất trên mỗi cánh tay là 2kg Từ phương trình mômen theo thời gian đã xác lập phần tĩnh học ta tìm được mômen lớn nhất trên mỗi động cơ của cánh tay là:

- Chiều dài thân: 50mm

- Dòng chịu tải:1- 1.3A

- Góc bước: 1.8°/step

Hình 2.5: Bánh răng truyền động

2.1.5 Thiết kế 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do

Nhóm sinh viên chúng em sử dụng phần mêm Solidwork để thiết kế 3D cho cánh tay robot cũng như toàn hệ thống Sử dụng phần Part để vẽ các biên dạng 3D của từng chi tiết, sau đó dùng phần Assembly để lắp ráp các chi tiết lại thành một cánh tay hoàn chỉnh Phần này cũng dùng để kiểm tra xem các mối lắp có xung đột với nhau hay không để khi ra thực tế có thể lắp nối lại dễ dàng

Hình 2.6: Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E

Hình 2.7: Mô hình 3D cánh tay robot

Thông qua bản vẽ kích thước và bản vẽ 3D mô hình cánh tay, chúng ta xuất các chi tiết thành file 2D, sau đó đi cắt mica và về lắp cơ khí thành cánh tay robot 4 bậc tự do hoàn chỉnh

2.2 Thiết kế băng tải

-Tính chọn vật liệu

Dựa vào yêu cầu làm việc, ta chọn chất liệu cho khung băng tải là nhôm định hình, đây là vật liệu dễ tìm, có sẵn trên thị trường, dễ dàng lắp ráp và tháo gỡ, vì vậy ta có thể chỉnh sửa theo yêu cầu đề tài, dễ dang cho cacs cải tiến về sau

Hình 2.9: Nhôm định hình

Hình 2.8: Cánh tay robot sau khi thiết kế

Sử dụng các ke góc dùng để lắp các thanh nhôm lại với nhau một cách dễ dàng, không cần phải dùng đến các mối hàn Nhôm định hình cho phép tháo lắp, sửa chữa

dễ dàng, không gây hư tổn đến vật liệu

-Tính chọn kích thước băng tải

Từ kích thước cũng như vùng làm việc của cánh tay robot 4 bậc tự do, chúng em tính chọn được kích thước của băng tải cần có như sau :

+ Chọn băng tải có kích thước 1056mm×150mm, chiều cao 200mm

+ Các bộ phận cơ khí được thiết kế với kích thước theo bản vẽ

Hình 2.10: Ke góc nhôm định hình

Hình 2.11: Kích thước của băng tải

Hình 2.12: Mô hình 3D khung nhôm băng tải

- Dựng khung 3d băng tải

-Gá động cơ băng tải

Gá động cơ được in 3D bằng chất liệu nhựa, dễ dàng chế tạo lắp ráp, chịu được lực rung giật của động cơ, đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định

- Con lăn, ổ bi

- Yêu cầu:

+ Con lăn phải có kích thước, khối lượng phù hợp

+ Đảm bảo điều kiện làm việc ổn định

+ Tiếp xúc giữa con lăn và băng tải tốt, đảm bảo độ ma sát

+ Ổ bi phù hợp với trục con lăn, không làm dịch chuyển con lăn

- Từ các yêu cầu trên ta thiết kế con lăn phù hợp với loại băng tải đã chọn có: + Truc nối động cơ Ø8 mm

+ Đường kính con lăn Ø50 mm

Hình 2.13: Gá động cơ

Để đáp ứng yêu cầu tải sản phẩm ổn định, không bị dịch chuyển trong quá trình

tải hàng, ta chọn loại băng tải phải đáp ứng các đặt tính sau:

- Có độ bền kéo tốt, không bị dãn trong quá trình hoạt động.

- Không sần sùi

- Độ bền, tuổi thọ cao

Hình 2.14: Ổ bi

Hình 2.15: Bộ căng đai

- Đáp ứng được chiều dài yêu cầu

- Trọng lượng nhẹ, linh hoạt

- Từ các yêu cầu trên ta chọn băng tải cao su PVC kích thước 2130mm×150mm×2mm + Đây là loại băng tải được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp

+ Giá thành vừa phải, mua băng tải dễ dàng

+ Đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu đề ra

2.3 Mô hình tổng quan hệ thống

Hình 2.16: Mô hình sau khi thiết kế

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Sơ đồ khối

Camera chụp ảnh đối tượng cần xử lý

Máy tính(CPU) nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ camera để tiến hành

xử lý ảnh tìm ra hình dạng của vật, đồng thời cũng nhận các tín hiệu và chương trình từ người vận hành

Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và các cảm biến để điều khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển góc quay cho động cơ và gửi xung điều khiển servo Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiện phản hồi của các công tắc hành trình, nút nhấn để thực hiện các chức năng được đề

ra cho bộ điều khiển

Bộ điều khiển trung tâm sau khi nhận các tín hiệu về hình dạng vật phẩm từ máy tính thông qua giao tiếp UART và tín hiệu của các công tắc hành trình, sẽ điều khiển các động cơ bước và tay gắp để gắp và thả vật vào các ô tương ứng

Bộ điều khiển trung tâm sau khi nhận tín hiệu từ cảm biến sẽ cho động cơ băng tải dừng lại và tiếp tục quay khi cánh tay robot thực hiện xong chu trình của 1 hình Đồng thời động cơ servo sẽ hoạt động khi bộ điều khiển nhận được tín hiệu của cảm biến và cánh tay robot thực hiện gắp thả vật phẩm xong

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

3.2 Các thành phần chính và chức năng

3.2.1 Arduino Nano

Đây là khối xử lý trung tâm, kiểm tra trạng thái nút nhấn, tiếp nhận thông tin từ máy tính, điều khiển và giám sát hoạt động của robot

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của Arduino nano

Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit)

Điện áp hoạt động 5V – DC

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân