(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh

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 5 BẬC TỰ DO PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TRÊN BĂNG T

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Giới thiệu về đề tài

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt Ban đầu Robot được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên Robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của Robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng và cả trong an ninh quốc phòng Các chuyên gia đầu ngành đã đánh giá, với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ứng dụng robot trong dây chuyền sản xuất công nghiệp sẽ là một trong những trọng tâm của một cuộc cách mạng công nghệ lớn sau Internet

Hình 1.1 Quá trình phát triển công nghiệp qua các thời kì

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển Robot đã có những bước tiến đáng kể trong

25 năm vừa qua Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về Robot như: Trung tâm tự động hóa, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện công nghệ thông tin thuộc viện KHCNVN… Bên cạnh đó còn phải kể đến các công ty cổ phần như Robot TOSY, là doanh nghiệp thiết kế và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế Ngoài ra ở các trường ĐH Bách

Khoa Hà Nội, ĐH Bách Khoa Đà Nẵng, ĐH Bách Khoa Tp.HCM… đã có những đồ án về Robot như: Robot cá, Robot Dancing, Robot hoa, Cánh tay Robot…

Hình 1.2 Cánh tay robot hoạt động trên dây chuyền sản xuất công nghiệp

Bên cạnh đó, trước sự ra đời mạnh mẽ của Robot công nghiệp, xử lý ảnh cũng được nghiên cứu mạnh mẽ và đã có nhiều ứng dụng trong thực tế Như trong y học, xử lý ảnh đã được dùng để phát hiện và nhận dạng các khối u, cải thiện ảnh X quang, nhận dạng đường biên mạch máu từ những ảnh chụp mạch bằng tia X

Hình 1.3 Ứng dụng xử lí ảnh phân loại sản phẩm Trong cuộc sống hằng ngày, xử lý ảnh có mặt hầu hết ở các đồ dùng thông dụng như: Tivi, điện thoại, máy ảnh… Còn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, xử lý ảnh đã và đang có những đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực Robot Robot thông minh ngày nay không thể thiếu yếu tố xử lý ảnh Đó là các vấn đề nhận dạng đối tượng ngoài môi trường Từ việc nhận dạng có thể giải quyết rất nhiều bài toán như tránh vật cản, dò đường, tìm tọa độ của vật…

Với xu hướng của thời đại và sự bùng nổ cuộc cách mạng 4.0, việc ứng dụng công nghệ xử lí ảnh vào công nghiệp là hết sức thiết thực, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất Giải pháp cho nhu cầu hiện nay chính là ứng dụng xử lý ảnh vào trong điều khiển cánh tay Robot Đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng công nghệ xử lí ảnh” cũng xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đồng thời áp dụng được những kiến thức đã học vào thực tế đời sống.

Phân tích đề tài

Với ý tưởng thiết kế một hệ thống gồm cánh tay robot phân loại sản phẩm trên băng tải động trong các nhà máy công nghiệp ứng dụng công nghệ xử lí ảnh Các sản phẩm chuyển động trên băng tải với màu sắc khác nhau, sau khi được một camera chụp hình, qua quá trình xử lí tính hiệu trên máy tính sẽ gửi tính hiệu cho cánh tay robot sẽ thực hiện công việc gắp và phân loại các sản phẩm vào các nơi khác nhau

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống phân loại sản phẩm tự động

Tính cấp thiết của đề tài

Bài toán sắp xếp sản phẩm tự động ứng dụng công nghệ xử lý ảnh đã được áp dụng trong ngành công nghiệp từ lâu với nhiều phương pháp thực hiện khác nhau như sử dụng camera chụp vật mẫu, chụp vật được sản xuất, sau đó so sánh ảnh của vật mẫu và ảnh của vật thật hoặc phân tích đặc tính riêng trên sản phẩm rồi từ đó phân loại xác định được sản phẩm có đạt chất lượng hay không Nếu đạt chất lượng sẽ đưa sang đóng gói thành phẩm Nếu không đạt chất lượng sẽ loại bỏ trở thành phế phẩm Với việc áp dụng công nghệ hiện đại này sẽ giúp cho hệ thống sản xuất tối ưu hóa công nghệ, giảm chi phí sản xuất, đồng thời hạn chế những sai sót trong quá trình vận hành 1.4 Cấu trúc của đề tài Đề tài gồm có 4 phần chính với các nội dung như sau:

- Giới thiệu tổng quan về đề tài: Trong phần này sẽ giới thiệu tổng quát về hệ thống Trình bày tính cấp thiết và các ứng dụng về đề tài đã lựa chọn

- Tính toán thiết kế phần cơ khí: Phần này sẽ đưa ra các phương án thiết kế, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án Từ đó chọn phương án phù hợp để tiến hành thực hiện tính toán cơ cấu và chế tạo hệ thống sao cho phù hợp

- Tính toán thiết kế phần điều khiển: Lựa chọn phương án điều khiển phù hợp đáp ứng tính chính xác và hiệu quả Thiết kế mạch, lựa chọn linh kiện phù hợp

- Tìm hiểu về xử lí ảnh và phần mềm Matlab sử dụng cho hệ thống

- Đánh giá đề tài: Đánh giá kết quả đạt được Những hạn chế và hướng khắc phục.

Cấu trúc của đề tài

2.1 Thiết kế cánh tay robot

2.1.1 Phân tích lựa chọn phương án

Với hệ thống phân loại sản phẩm cần tốc độ xử lí nhanh, các sản phẩm nằm trên băng tải động nên cánh tay robot đòi hỏi khả năng xử lí linh hoạt, đồng thời đạt độ chính xác cao nên với yêu cầu đề bài, cánh tay robot cần số bậc tự do đủ lớn để có thể đáp ứng được việc xử lí Tuy nhiên số bậc tự do càng cao thì độ phức tạp trong quá trình thiết kế cũng như chi phí đầu tư sẽ tăng lên Ta lựa chọn cánh tay robot 5 bậc tự do RRRRR

Robot bao gồm: khớp đầu tiên là khớp xoay giúp cánh tay xoay sang hai bên, tiếp đó là 3 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để nâng hạ vật thể, một khớp xoay tay kẹp dùng để gắp vật

Hình 2.1: Sơ đồ động của robot 5 bậc tự do RRRRR

• Tầm với của robot lớn Do đó không gian làm việc lớn hơn, phù hợp hơn với công việc

• Với 5 bậc tự do robot linh hoạt hơn trong việc di chuyển tiếp cận vật theo các phương khác nhau so với 4 bậc tự do

• Việc gá động cơ khi sử dụng các khớp R (Rotation) sẽ dễ dàng hơn so với việc sử dụng chuyển động tịnh tiến T(Transion)

• Không có khả năng nâng hạ vật theo chiều dọc trục như chuyển động tịnh tiến.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Thiết kế cánh tay robot

2.1.1 Phân tích lựa chọn phương án

Với hệ thống phân loại sản phẩm cần tốc độ xử lí nhanh, các sản phẩm nằm trên băng tải động nên cánh tay robot đòi hỏi khả năng xử lí linh hoạt, đồng thời đạt độ chính xác cao nên với yêu cầu đề bài, cánh tay robot cần số bậc tự do đủ lớn để có thể đáp ứng được việc xử lí Tuy nhiên số bậc tự do càng cao thì độ phức tạp trong quá trình thiết kế cũng như chi phí đầu tư sẽ tăng lên Ta lựa chọn cánh tay robot 5 bậc tự do RRRRR

Robot bao gồm: khớp đầu tiên là khớp xoay giúp cánh tay xoay sang hai bên, tiếp đó là 3 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để nâng hạ vật thể, một khớp xoay tay kẹp dùng để gắp vật

Hình 2.1: Sơ đồ động của robot 5 bậc tự do RRRRR

• Tầm với của robot lớn Do đó không gian làm việc lớn hơn, phù hợp hơn với công việc

• Với 5 bậc tự do robot linh hoạt hơn trong việc di chuyển tiếp cận vật theo các phương khác nhau so với 4 bậc tự do

• Việc gá động cơ khi sử dụng các khớp R (Rotation) sẽ dễ dàng hơn so với việc sử dụng chuyển động tịnh tiến T(Transion)

• Không có khả năng nâng hạ vật theo chiều dọc trục như chuyển động tịnh tiến

2.1.2 Tính chọn động cơ cho robot a Chọn động cơ cho khớp quay

Cánh tay robot phải được điều khiển một cách chính xác nên ta chọn động cơ bước để điều khiển các khớp Chọn động cơ bước giảm tốc Nema 17 Động cơ bước giảm tốc Nema 17 tỉ số 3969/289 là động cơ bước được tích hợp hộp số giảm tốc tỉ số 3969/289 giúp tăng lực kéo và độ chính xác của động cơ, thích hợp cho các ứng dụng Robot cần chịu tải lớn và có độ chính xác cao như cánh tay Robot, robot Scara, , động cơ có chất lượng tốt, hộp số hoàn toàn bằng kim loại cho độ bền và độ ổn định cao

Hình 2.3 Động cơ bước giảm tốc Nema 17

Bảng 3.1Thông số kỹ thuật động cơ Nema 17

STT Đại lượng Giá trị

2 Điện áp cấp tối đa 24VDC

4 Độ phân giải bước 1.8 độ

5 Độ dài hộp số 38.5mm

8 Khối lượng 550g b Chọn động cơ cho tay gắp

Sử dụng 2 động cơ servo điều khiển hoạt động của tay kẹp Một động cơ điều khiển góc xoay của tay kẹp, một động cơ thực hiện cơ cấu gắp vật Ứng dụng nguyên lý tay kẹp hình bình hành để có thể đóng mở má kẹp song song, tiếp xúc tốt hơn với vật công tác Với việc sử dụng hai động cơ servo nhỏ gọn dễ dàng điều khiển, kết cấu nhỏ gọn so với việc sử dụng xilanh khí nén điều khiển

Hình 2.4 Động cơ servo SG90

• Chi phí sản xuất thấp

• Hệ thống điều khiển đơn giản

• Hoạt động không nhanh bằng xylanh khí nén

• Chỉ phân loại được các sản phẩm nhỏ, nhẹ

➢ Từ những phương án trên, vật thể gắp kết cấu nhỏ gọn, tải trọng nhẹ, theo yêu cầu của hệ thống nhóm đã quyết định sử dụng động cơ servo để sử dụng cho bộ phận tay gắp

Bảng 2.2 Thông số động cơ servo SG90

STT Đại lượng Giá trị

2.1.3 Mô phỏng 3D cánh tay robot

Hình 2.5 Mô phỏng 3D cánh tay robot

Dựa vào việc tính toán kích thước, lựa chọn động cơ, sử dụng phần mềm mô phỏng 3D soliworks ta có hình dạng của cánh tay robot như hình vẽ Sử dụng ba động cơ bước giảm tốc Nema 17 điều khiển ba khớp xoay đầu tiên của cánh tay robot, động cơ servo SG90 điều khiển cơ cấu xoay tay gắp, 1 động cơ servo điều khiển cơ cấu gắp vật của robot

2.1.4 Chọn vật liệu cho robot a Thân robot

Với việc sử dụng động cơ bước Nema 17 có trọng lượng khá lớn ( 550g) Để tăng độ chịu tải cho thân robot nhưng đồng thời vật liệu phải nhẹ( giảm trọng lượng thân robot ), ta chọn vật liệu là nhôm tấm

• Độ chịu tải tốt so với in nhựa 3D và nhựa tấm mica

❖ Nhược điểm: Chi phí cao trong việc quá trình gia công

Hình 2.5 Nhôm tấm b Với cơ cấu gắp vật

Vật thể được làm bằng xốp nhẹ, kích thước nhỏ gọn nên tay gắp không đòi hỏi độ chịu tải lớn, cơ cấu gắp hình bình hành nên chọn vật liệu là nhựa in PLA là hợp lí

❖ Ưu điểm: dễ dàng thiết kế và gia công ( in 3D)

• Khả năng giữ vật thể không cao so với việc sử dụng xilanh khí nén

Hình 2.6 Cơ cấu gắp vật

2.1.5 Thiết kế bộ phận truyền chuyển động cho các khớp của robot

Khớp 1 ( Khớp đế ) Đây là khớp đế xoay của cánh tay, chủ yếu chịu lực uốn và nén Ta chọn vòng bi chà tròn, có thiết kế viên bi tròn So với vòng bi chà đũa, vòng bi chà tròn chịu tải kém hơn tuy nhiên tốc độ quay của vòng bi tròn lại tốt hơn vòng bi chà đũa Chính vì vậy với cơ cấu cần tốc độ quay nhanh, vòng bi chà tròn được lựa chọn trong hệ thống này Chọn vòng bi chà đường kính trong 40mm , đường kính ngoài 60mm

Hình 2.7 Vòng bi chà 40mm x 60mm

Khớp đế )

Thiết kế hệ thống băng tải

Hệ dẫn động băng tải là một loại máy được dùng khá rộng rãi trong nhà máy, công trường…có đặc điểm là số lượng vận chuyển lớn, kết cấu đơn giản, sửa chữa thuận tiện, linh kiện tiêu chuẩn hóa, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, có thể dùng để vận chuyển, dây chuyền sản suất, công trình xây dựng, khai thác mỏ, luyện kim, hóa chất, đúc, vật liệu xây dựng…có thể vận chuyển vật liệu rời hoặc vật phẩm thành kiện, để đáp ứng từng yêu cầu dây chuyền sản xuất về hình thức phân bố và căn cứ yêu cầu công nghệ vận chuyển, có thể chỉ dùng một máy vận chuyển, cũng có thể tổ hơp nhiều băng tải, để thực hiện tính liên tục và tự động hóa trong khâu sản xuất, nâng cao năng suất và giảm bớt cường độ lao động Ưu nhược điểm của hệ dẫn động băng tải: Băng tải cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển vật liệu theo hướng nằm ngang, nằm nghiêng hay kết hợp cả hai với khoảng cách lớn, làm việc êm, năng suất tiêu hao không lớn Nhưng băng tải còn có một số hạn chế như: Tốc độ vận chuyển không cao, độ nghiêng băng tải nhỏ (15m) Tính chất đàn hồi cao, có thể trượt khi quá tải Độ dẻo dai cao, truyền động êm nên làm việc không gây ồn, thích hợp truyền động lớn Vận tốc truyền động của đai lớn Kết cấu đơn giản, không cần bôi trơn

❖ Nhược điểm: Phải căng đai trước khi làm việc, kích thước bộ truyền đai lớn, tỉ số truyền thay đổi được khi bị trượt đai Tải trọng tác dụng lên các trục và ổ lớn Tuổi thọ kém (1000-1500 giờ)

❖ Ưu điểm: Không trượt, hiệu suất làm việc cao Làm việc không cần căng xích, kích thước nhỏ hơn bộ truyền đai Có thể dùng bộ truyền xích để thay đổi tốc độ Khả năng tải và hiệu suất làm việc cao hơn bộ truyền động đai

❖ Nhược điểm: Làm việc ồn và gây tải trọng phụ Phải kiểm tra hệ thống bôi trơn thường xuyên Dễ bị mòn bánh xích, răng và bản lề, dễ đứt xích khi làm việc quá tải

Qua những phân tích ưu và nhược điểm của từng bộ truyền xét thấy việc sử dụng bộ truyền đai răng giải quyết được các vấn đề

• Kích thước bộ truyền nhỏ

• Không có hiện tượng trượt đai

• Tỷ số truyền lớn, u 12 (có thể đến 20)

• Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

• Công suất truyền đến 200kW (có thể đến 750kW)

Hình 2.12 Bộ truyền đai răng

2.2.4 Lựa chọn và tính toán băng tải

Với hệ thống cần một băng tải đơn giản, không đòi hỏi sự phân tách các sản phẩm để sử dụng băng tải xích, và chịu tải trọng lớn cũng như vận chuyển theo đường cong để sử dụng băng tải con lăn… thì việc sử dụng băng tải cao su cho hệ thống xét thấy là tối ưu hơn cả

Hệ thống băng tải sử dụng tấm phẳng chế tạo từ cao su được nâng đỡ bằng những con lăn để di chuyển các sản phẩm theo chiều chuyển động của băng tải

- An toàn cao, cấu tạo đơn giản, bền, chi phí sản xuất thấp

- Vận chuyển được các sản phẩm có kích thước khác nhau

- Làm việc không ồn, năng suất cao

- Không thể vận chuyển theo đường cong, sản phẩm dễ bị sai lệch hướng di chuyển

Trên thị trường có rất nhiều loại băng tải cao su khác nhau như băng tải cao su lòng máng, băng tải cao su gân, băng tải xanh Với hệ thống nhỏ gọn này thì việc lựa chọn băng tải cao su xanh là hợp lí

Hình 2.13 Dây băng tải xanh

Tính toán công suất băng tải

Hình 2.14 Sơ đồ tính toán để xác định công suất băng tải

* Chọn các thông số ban đầu cho bộ truyền:

- Đường kính bánh dẫn và bị dẫn: D = D1 = D2 = 42mm

- Khối lượng của vật: m = 0.03kg

* Tính chọn động cơ cho băng tải: Để đảm bảo việc ổn định tốc độ băng tải, ta chọn động cơ bước servo KH42KM2R015F với thông số kĩ thuật DC 4.42 V -1.3 A -1.8 /step

* Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu:

F1: Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu a: Khoảng cách trục (m) δ: Khối lượng của vật liệu trên một mét dài của băng tải (kg/m) k1: Hệ số có tính đến lực cản khi dịch chuyển vật liệu, chọn k1 = 0,05 v: Vận tốc di chuyển của băng tải (m/s) g: Gia tốc trọng trường (m/s 2 )

* Công suất cần thiết để khắc phục tổn hao công suất do lực ma sát:

- F2: Lực cản trong các ổ đỡ các con lăn và lực cản do ma sát khi băng chuyển động trên các con lăn

- δb: Khối lượng mét băng tải (kg/m)

- k2: Hệ số có tính đến lực cản khi không tải

*Công suất tĩnh của băng tải:

*Công suất cần thiết của động cơ truyền động:

Trong đó: k3: hệ số dự trữ về công suất (k3 = 1,2 ~ 1,25) η: Hiệu suất truyền động (η = 0,95)

*Số vòng quay trên trục công tác:

Trong đó: v: Vận tốc băng tải (m/s)

*Tính sơ bộ số vòng quay của động cơ:

Trong dó: u t : Tỉ số truyền toàn bộ của hệ thống dẫn động n lv : Số vòng quay trên trục công tác

2.3 Thiết kế khay chứa sản phẩm

Khay dùng để chứa sản phẩm yêu cầu gọn nhẹ, dễ thực hiện thao tác gắp thả cho cánh tay robot Chọn vật liệu là xốp mềm vì dễ chế tạo.Các dải màu để phân biệt các sản phẩm được phân loại

Hình 2.15 Khay chứa sản phẩm.

Sơ đồ động hệ thống

Hình 2.16 Sơ đồ động toàn bộ hệ thống

Hình 2.17 Mô phỏng 3D toàn bộ hệ thống

Hình 2.18 Mô hình đã chế tạo

Từ việc chọn động cơ, vật liệu cũng như các cơ cấu của từng bộ phận trong hệ thống

Ta thiết lập được sơ đồng của hệ thống Sơ đồ bao gồm một băng tải sử dụng bộ truyền đai răng với tỷ số truyền 1:3, một cánh tay robot 5 bậc tự do RRRRR sử dụng 3 động cơ bước Nema 17 điều khiển ba khâu đầu tiền 1,2,3 Hai động cơ servo điều khiển cánh tay gắp của robot.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Vi điều khiển Arduno

Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328P Uno có 14 chân I/O digital ( trong đó có 6 chân xuất xung PWM), 6 chân Input analog, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC, 1 nút reset

Uno hỗ trợ đầy đủ những thứ cần thiết để chúng ta có thể bắt đầu làm việc

Hình 3.2 Sơ đồ chi tiết của Uno R3

3.2.2 Thông số kĩ thuật –Uno R3

Bảng 3.1.Thông số kỹ thuật – Uno R3

Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12 V Điện áp cấp (giới hạn) 6 – 12 V

Chân I/O digital 14 ( có 6 chân xuất xung PWM)

Dòng điện mỗi chân I/O 20 mA

Bộ nhớ Flash 32 kB (Atmega328P)

Tốc độ xung nhịp 16 MHz

Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P:

Hình 3.3: Sơ đồ chân của Atmega328

* Digital: Các chân I/O digital (chân số 2 – 13) được sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thông qua các hàm chính: pinMode (), digital Write (), digital Read () Điện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển

* Analog: Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 –

1023) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với

1024 giá trị, sử dụng hàm analog Read ()

* PWM: các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analog Write ()

*UART: Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1 (TX)

3.3 Mạch điều khiển động cơ bước A4988

A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, 1/2, 1/4 , 1/8 …

- Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A

- Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước

- Điểu chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5

- Tự động ngắt điện khi quá nhiệt

Hình 3.4 Mạch điều khiển động cơ bước A4988 đỏ

Module LM2596

Mạch Giảm Áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 12v vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V\

Hình 3.5 Module hạ áp LM2596

Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật LM2596

Kích thước mạch 53mm x 26mm

Khối nguồn 12 V được lựa chọn là khối nguồn có điện áp đầu vào là 220V xoay chiều (phù hợp với lưới điện ở việt nam) Có công suất đủ lớn và điện áp ra ổn định Ta chọn nguồn tổ ong được dùng phổ biến hiện nay với các thông số cơ bản:

Sơ đồ mạch điện

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Tính toán động học cánh tay robot

Hình 4.1 Hệ tọa độ của cánh tay robot

Phương trình động học thuận

Bảng 4.1 Thông số DH ai αi di θi

Trong quá trình hoạt động, robot chỉ thực hiện gắp và xoay vật thể nên khâu 4 luôn hướng xuống: θ 4 ∗ = −(θ 2 ∗ + θ 3 ∗ ) Động học thuận:

Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán và rút gọn: ti = θi* ; t4 = - (t2 + t3)

0 0 0 cos(t1) (a1 + a4 + a3 cos(t2 + t3) + a2 cos(t2)) sin(t1) (a1 + a4 + a3 cos(t2 + t3) + a2 cos(t2)) d1 − d5 + a3 sin(t2 + t3) + a2 sin(t2)

Pz = d1 − d5 + a3 sin(t2 + t3) + a2 sin(t2) tan(t1) = Py

Px) a3 cos(t2 + t3) + a2 cos(t2) = Px cos(t1) + Py sin(t1) − a1 = N1 a3 sin(t2 + t3) + a2 sin(t2) = Pz − d1 + d5 = N2 a2 2 + a3 2 + 2 a2 a3 cos(t3) = N1 2 + N2 2 cos(t3) =N1 2 + N2 2 − a2 2 − a3 2

→ t3 = −acosd(cos(t3)) cos(t2) =N1 + a3 sin(t2) sin(t3) a2 + a3 cos(t3) sin(t2) = N2 − a3 cos(t2) sin(t3) a2 + a3 cos(t3) cos(t2) N1 + a3 sin(t3) N2 − a3 cos(t2) sin(t3) a2 + a3 cos(t3) a2 + a3 cos(t3) cos(t2) =N1 (a2 + a3 cos(t3)) + N2 a3 sin(t3) − cos(t2) (a3 sin(t3)) 2

(a2 + a3 cos(t3)) 2 + (a3 sin(t3)) 2 cos(t2) =N1 (a2 + a3 cos(t3)) + N2 a3 sin(t3) a2 2 + a3 2 + 2 a2 a3 cos(t3) Tương tự: sin(t2) =N2 (a2 + a3 cos(t3)) − N1 a3 sin(t3) a2 2 + a3 2 + 2 a2 a3 cos(t3) tan(t2) = N2 (a2 + a3 cos(t3)) − N1 a3 sin(t3)

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình

Xử lý ảnh

4.2.1 Tổng quan về xử lý ảnh

Xử lý ảnh là một lĩnh vực khoa học và công nghệ, một ngành khoa học mới mẻ so với nghiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng,… Nó là đối tượng nghiên cứu của lĩnh vực thị giác máy, là quá trình biến đổi từ một ảnh ban đầu sang một ảnh mới với các đặc tính và tuân theo ý muốn của người sử dụng Xử lý ảnh có thể gồm quá trình phân tích, phân lớp và các đối tượng, làm tăng chất lượng, phân đoạn và tách cạnh, gán nhãn cho vùng hay quá trình biên dịch các thông tin hình ảnh của ảnh

Xử lý ảnh số là một lĩnh vực của tin học ứng dụng, bao gồm các phương pháp và kỹ thuật biến đổi để truyền tải hoặc mã hóa các ảnh tự nhiên Mục đích của xử lý ảnh gồm:

- Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh

- Tự động nhận dạng ảnh, đoán nhận ảnh, đánh giá các nội dung của ảnh

Nhận biết và đánh giá các nội dung của ảnh là sự phân tích một hình ảnh thành những phần có ý nghĩa để phân biệt đối tượng này với đối tượng khác, dựa vào đó ta có thể mô tả cấu trúc của hình ảnh ban đầu Có thể liệt kê một số phương pháp nhận dạng cơ bản như nhận dạng ảnh của các đối tượng trên ảnh, tách ảnh, phân đoạn hình ảnh, Kỹ thuật này được dùng nhiều trong y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể), nhận dạng chữ trong văn bản,

Các quá trình xử lý ảnh

Hình 4.3: Các quá trình xử lý ảnh

* Thu nhận ảnh: Đây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với quá trình xử lý ảnh Ảnh đầu vào sẽ được thu nhận qua các thiết bị như camera, sensor, máy scanner, và sau đó các tín hiệu này sẽ được số hóa Việc lựa chọn các thiết bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tượng cần xử lý Các thông số quan trọng ở bước này là độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị.

* Tiền xử lý: Ở bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử nhiễu, khử bóng, khử độ lệch, với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở nên tốt hơn nữa, chuẩn bị cho các bước xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình xử lý ảnh Quá trình này thường được thực hiện bởi các bộ lọc

Phân đoạn ảnh là bước then chốt trong xử lý ảnh Giai đoạn này phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào đó dựa theo biên hay các vùng liên thông Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thông có thể là cùng màu, cùng mức xám, Mục đích của phân đoạn ảnh là để có một miêu tả tổng hợp về nhiều phần tử khác nhau cấu tạo nên ảnh thô Vì lượng thông tin chứa trong ảnh rất lớn, trong khi đa số các ứng dụng chúng ta chỉ cần trích một vài đặc trưng nào đó, do vậy cần có một quá trình để giảm lượng thông tin khổng lồ đó Quá trình này bao gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu

Kết quả của bước phân đoạn ảnh thường được cho dưới dạng dữ liệu điểm ảnh thô,trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc tập hợp tất cả các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó Trong cả hai trường hợp, sự chuyển đổi dữ liệu thô này thành một dạng thích hợp hơn cho việc xử lý trong máy tính là rất cần thiết Quá trình tách các đặc tính bao gồm việc chọn lựa cách biển diễn thích hợp cho một vùng ảnh và đưa ra phương pháp mô tả dữ liệu đã được chuyển đổi để làm nổi bật các tính chất cần quan tâm

* Nhận dạng và giải thích:

Quá trình nhận dạng ảnh có thể được nhìn nhận một cách đơn giản là việc gán nhãn cho các đối tượng trong ảnh, còn quá trình giải thích là công đoạn gán nghĩa cho một tập các đối tượng đã được nhận biết

Trong thực tế, không phải bất kỳ một ứng dụng xử lý ảnh nào cũng bắt buộc phải tuân theo tất cả các bước xử lý đã nêu trên, ví dụn như các ứng dụng chỉnh sửa ảnh nghệ thuật thì chỉ dừng lại ở bước tiền xử lý Một cách tổng quát thì những chức năng xử lý bao gồm cả nhận dạng và giải thích thường chỉ có mặt trong hệ thống phân tích ảnh tự đông hoặc bán tự động, được dùng để rút trích ra những thông tin quan trọng từ ảnh, ví dụng như các ứng dụng nhận dạng ký tự quang họ, nhận dạng chữ viết tay,

Phạm vi ứng dụng của xử lý ảnh

Trong thời đại công nghệ 4.0, công nghệ xử lý ảnh đã đem lại nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, khoa học hình sự, khí tượng thủy văn, quản lý, hay ứng dụng trong quá trình sản xuất như phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra chất lượng sản phẩm

Matlab là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế Matlab cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

Matlab là một hệ thống tương tác mà tất cả các phần tử dữ liệu cơ bản là một mảng không yêu cầu về mặt kích thước Đây là một thuận lợi cho phép người sử dụng giải quyết các bài toán trong kỹ thuật đặc biệt là các công thức được xây dựng từ ma trận hay vector

4.2.3 Cấu trúc dữ liệu matlab và các ứng dụng

Dữ liệu của Matlab thể hiện dưới dạng ma trận (hoặc mảng - tổng quát), và có các kiểu dữ liệu được liệt kê sau đây:

- Kiểu đơn single, kiểu này có lợi về bộ nhớ dữ liệu vì nó đòi hỏi ít byte nhớ hơn, kiểu dữ liệu này không được sử dụng trong các phép tính toán học, độ chính xác kém hơn

- Kiểu double kiểu này là kiểu thông dụng nhất của các biến trong Matlab

- Kiểu uint8, uint8, uint16, uint64

- Kiểu char ví dụ “Hello”

Trong Matlab kiểu dữ liệu double là kiểu mặc định sử dụng trong các phép tính số học

Matlab tạo điều kiện thuận lợi cho:

- Các khoá học về toán học

- Các kỹ sư, các nhà nghiên cứu khoa học

4.2.4 Cấu trúc của chương trình Matlab

Development Environment: Tập hợp các công cụ và những tiện ích cho phép người dùng sử dụng các hàm và file Matlab Phần lớn các công cụ này là giao tiếp người dùng bao gồm: Matlab Desktop và Command Window, Command History…

The Matlab Mathematical Function Library: Đây là thư viện tập hợp các giải thuật tính toán, được tập hợp trong các hàm cơ bản như: sum, sin, cosine …

Lập trình trong môi trường Matlab: Matlab là ngôn ngữ lập trình cấp cao thực thi theo các đoạn lệnh, các hàm, cấu trúc dữ liệu …, cho phép xây dựng các chương trình từ đơn giản, nhỏ cho đến các chương trình lớn, phức tạp