TỔNG QUAN
Tổng quan đề tài
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã dẫn đến việc ứng dụng rộng rãi của Robot trong sản xuất và đời sống Robot không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất ở các ngành công nghiệp dây chuyền và công nghệ cao mà còn đảm bảo tính chính xác và liên tục mà con người và máy móc khó đạt được Hơn nữa, Robot còn đóng vai trò quan trọng trong việc thay thế con người làm việc trong những môi trường khắc nghiệt, như nặng nhọc, độc hại hoặc có nhiệt độ cao.
Hình 1.1: Dây chuyền sản xuất ô tô tự động bằng Robot
Nhận thức được tầm quan trọng của Robot trong đời sống, các quốc gia phát triển đang cạnh tranh để nghiên cứu và chế tạo những thế hệ Robot tiên tiến nhất Nhiều công ty toàn cầu đã và đang tập trung vào việc phát triển Robot có khả năng tư duy giống con người Do đó, lĩnh vực Robot ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và xã hội Dự đoán rằng trong tương lai, Robot sẽ trở thành trung tâm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet, tạo ra một thị trường Robot vô cùng tiềm năng.
Dựa trên nhu cầu thực tế và niềm đam mê với robot, cùng với sự hướng dẫn từ thầy Đường Khánh Sơn, em đã quyết định chọn đề tài “Robot SCARA ứng dụng”.
DỤNG XỬ LÝ ẢNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC VÀ HÌNH DẠNG” cho luận văn tốt nghiệp của mình.
Hình 1.2: Robot Scara phân loại sản phẩm
Thiết kế và chế tạo mô hình Robot SCARA hoàn chỉnh Từ đó, thiết kế bộ điều khiển và giao diện điều khiển cho Robot.
Việc áp dụng công nghệ xử lý ảnh trong phân loại sản phẩm tự động không chỉ nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn giúp giảm bớt gánh nặng lao động cho con người trong quy trình sản xuất.
Mục tiêu của việc làm chủ kỹ thuật chế tạo Robot là phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm của trường cao đẳng, đại học, đồng thời ứng dụng hiệu quả trong sản xuất công nghiệp.
Để đạt được mục tiêu xây dựng mô hình cánh tay Robot, cần vận dụng và củng cố những kiến thức đã học Đồng thời, nâng cao kỹ năng sử dụng các phần mềm hỗ trợ như Inventor, Matlab và Arduino IDE là rất quan trọng.
1.1.3 Giới hạn đề tài Đề tài “ Thiết kế và chế tạo mô hình Robot Scara phân loại sản phẩm theo màu sắc và hình dạng” dùng một camera đặt cố định để thu nhận ảnh, ảnh thu được sẽ được máy tính xử lý để xác định các thông số của đối tượng bao gồm: vị trí, màu sắc và hình dạng từ đó điều khiển cánh tay Robot Scara thực hiện chuyển động gắp và phân loại sản phẩm ở bất kỳ vị trí nào trong phạm vi hoạt động của nó.
Giới thiệu sơ lượt về Robot công nghiệp
Robot là máy móc tự động được điều khiển bởi máy tính hoặc vi mạch điện tử, giúp thực hiện công việc một cách hiệu quả Robot công nghiệp được lập trình theo trình tự cụ thể, phục vụ cho lắp ráp, sản xuất và chế biến sản phẩm Chúng hỗ trợ con người, đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt và nguy hiểm, đồng thời mang lại độ chính xác cao và hiệu suất vượt trội so với sản xuất thủ công.
Hình 1.3: Cánh tay Robot 5 bậc tự do của hãng YASKAWA MOTOMAN
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek.
Thuật ngữ Robot Công nghiệp (IR) lần đầu tiên được giới thiệu tại Mỹ bởi công ty AMF (American Machine and Foundry Company), khi họ quảng bá một thiết bị có hình dạng và chức năng tương tự như tay người, được điều khiển tự động để thực hiện các thao tác trong quy trình sản xuất, mang tên Versatran.
Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:
- Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.
- Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF.
- Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ những năm 1967.
- Ở các nước Tây Âu khác như: Đức, Ý, Pháp, Thuỵ Điển thì bắt đầu chế tạo IR từ những năm 1970.
- Châu á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968.
- Nhất là vào những năm 1990 số lượng Robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc.
Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có
Số lượng robot công nghiệp đang gia tăng nhanh chóng, với tỷ lệ đạt 80 robot trên 10.000 lao động ở Tây Âu, 90 ở Mỹ và 30 ở các quốc gia khác Sự phát triển này nhờ vào việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ trong công nghệ vi xử lý, tin học và vật liệu mới, dẫn đến giảm giá thành và cải tiến tính năng Robot công nghiệp thể hiện ưu thế nổi bật trong các lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ và trong các hệ thống điều khiển liên hợp.
1.2.2 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp
1.2.2.1 Các thành phần chính của Robot công nghiệp
Hình 1.4: Sơ đồ khối của Robot công nghiệp
Robot công nghiệp bao gồm các thành phần chính như cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn ở khâu chấp hành cuối, cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị dạy học và máy tính Ngoài ra, phần mềm lập trình cũng được xem là một thành phần quan trọng trong hệ thống robot.
Hình 1.5: Các thành phần chính của hệ thống Robot
Cánh tay Robot, hay tay máy, là một cấu trúc cơ khí được tạo thành từ các khâu liên kết với nhau qua các khớp động, cho phép thực hiện những chuyển động cơ bản của Robot Cổ tay mang lại sự khéo léo và linh hoạt, trong khi bàn tay thực hiện các thao tác trực tiếp trên đối tượng.
Nguồn động lực cho tay máy bao gồm các loại động cơ điện như động cơ DC, động cơ servo và động cơ step, cùng với hệ thống xi-lanh khí nén và thủy lực, giúp tạo ra sức mạnh cần thiết cho hoạt động của thiết bị.
Dụng cụ thao tác của robot, gắn trên khâu cuối, có nhiều kiểu khác nhau, bao gồm dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng và các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, hay đầu phun sơn.
Thiết bị dạy-học (Teach-Pendant) là công cụ quan trọng giúp giáo viên lập trình các thao tác cần thiết cho Robot theo yêu cầu của quy trình làm việc Sau khi được dạy, Robot có khả năng tự động lặp lại các động tác đã được lập trình, nâng cao hiệu quả làm việc và giảm thiểu sai sót trong quá trình hoạt động.
Hệ thống cảm biến bao gồm các cảm biến và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết, giúp nhận biết trạng thái của các cơ cấu robot cũng như tình hình môi trường xung quanh.
Hệ thống điều khiển: Máy tính hay vi xử lý để giảm sát và điều khiển hoạt động của Robot.
Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển Robot: Được cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển Robot thông qua bộ điều khiển (controller).
Một bộ điều khiển có thể tích hợp nhiều cổng vào-ra (I/O port) để tương tác với các thiết bị khác nhau, bao gồm cảm biến giúp Robot nhận biết trạng thái của chính nó và xác định vị trí đối tượng làm việc, cũng như điều khiển băng tải và cơ cấu cấp phôi hoạt động đồng bộ với Robot.
1.2.2.2 Kết cấu của tay máy
Tay máy là yếu tố quyết định khả năng làm việc của Robot, cho phép chúng di chuyển và thực hiện các thao tác cần thiết Nhiều tay máy được thiết kế theo cấu trúc và chức năng của tay người, nhưng hiện nay có sự đa dạng về hình dáng và chức năng Khi thiết kế và sử dụng tay máy, cần chú ý đến các thông số quan trọng như tầm với, số bậc tự do, độ cứng vững, tải trọng vật nâng và lực kẹp, để đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu cho Robot.
Các tay máy thường có cấu trúc gồm các khâu liên kết với nhau qua các khớp, tạo thành một chuỗi động học từ thân đến đầu công tác Hai loại khớp phổ biến là khớp trượt và khớp quay Sự đa dạng trong số lượng và cách bố trí các khớp cho phép thiết kế các tay máy với nhiều kiểu tọa độ khác nhau.
1.2.2.3 Phân loại theo hình dạng hình học của không gian hoạt động
Robot được phân loại dựa trên sự phối hợp của ba trục chuyển động cơ bản, sau đó được cải tiến để mở rộng bậc chuyển động, nhằm tăng cường tính linh hoạt Không gian làm việc của Robot được xác định bởi vùng giới hạn tầm hoạt động của nó.
- Robot khớp bản lề (Articular Robot) : Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục chuyển động quay.
- Robot toạ độ trụ (Cylindrical Robot) : Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một chuyển động trục quay.
- Robot toạ độ cầu (Spherical Robot) : Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục chuyển động tịnh tiến và hai trục chuyển động quay.
- Robot Scara (Scara Robot): Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục chuyển động tịnh tiến và hai trục chuyển động quay.
- Robot toạ độ vuông góc (Cartesian Robot) : Có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc.
Hình 1.6: Phân loại Robot theo hình dạng hình học của không gian hoạt động
1.2.2.4 Phân loại theo thế hệ
Theo loại hình, mức độ điều khiển và khả năng nhận diện thông tin, robot được sản xuất trên toàn cầu có thể được phân loại thành các thế hệ IR khác nhau.
- Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin.
- Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 3 là thế hệ có trí tuệ nhân tạo tinh vi, với khả năng nhận diện thông tin và bắt đầu thể hiện một số chức năng lý trí tương tự như con người.
1.2.2.5 Phân loại theo hệ thống truyền động
Giới thiệu sơ lượt về Robot Scara
Robot Scara, được phát triển vào năm 1979 tại trường đại học Yasamaski (Nhật Bản), là một loại tay máy đặc biệt với hai khớp quay và một khớp trượt, tất cả đều có trục song song Kết cấu này mang lại độ cứng cáp theo phương thẳng đứng, nhưng lại kém vững hơn theo phương ngang Robot Scara chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng.
Robot Scara, viết tắt của “Selective Compliance Articulated Robot Actuator”, được thiết kế và chế tạo bởi nhiều hãng nổi tiếng như Hitachi, Mitsubishi, IBM, MOTOMAN, EPSON, PANASONIC và SONY, phục vụ cho các mục đích như hàn, lắp ráp, vận chuyển, khoan và doa Hiện nay, các nhà sản xuất đang tiếp tục cải tiến bộ điều khiển và kết cấu cơ khí của Robot Scara để nâng cao tính linh hoạt và hiệu suất làm việc.
Hình 1.14: Robot SCARA của hãng MITSUBISHI
Tay máy Scara hoạt động trong không gian hình trụ và là cấu hình dễ thực hiện nhất cho Robot, bao gồm khớp nối bản lề và khớp trượt Loại tay máy này rất phổ biến trong công nghiệp vì cho phép các nhà sản xuất Robot dễ dàng sử dụng các cơ cấu chuyển động quay như động cơ điện và khí nén Robot Scara có hai khớp xoay song song, giúp thao tác trên mặt phẳng, phù hợp cho việc gắp, nhả vật, lắp ráp và cầm nắm máy công cụ.
Hình 1.15: Robot SCARA trong dây chuyền sản xuất linh hoạt
- Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít nhưng tầm vươn khá lớn, tỉ lệ kích thước/tầm vươn được đánh giá cao
Cấu hình khớp nối bản lề với ba trục quay theo phương thẳng đứng là giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất cho việc gắp đặt và định vị chi tiết theo phương thẳng Trong trường hợp này, bài toán tọa độ hoặc quỹ đạo chuyển động của Robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y, trong khi ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z sẽ được phối hợp.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Đề tài “Thiết kế và chế tạo Robot Scara phân loại sản phẩm theo màu sắc và hình dạng” bao gồm các thành phần chính:
- Thiết kế mô hình cho Robot Scara bằng phần mềm Inventor 3D.
- Tìm hiểu cách liên kết Matlab với Inventor 3D.
- Xây dựng mô hình Matlab Simulink và tiến hành mô phỏng.
- Thiết kế mạch điện điều khiển cho Robot.
- Xây dựng chương trình điều khiển cánh tay Robot.
- Áp dụng giải thuật điều khiển PID cho động cơ DC.
- Tìm hiểu giao tiếp I2C giữa các board mạch Arduino.
- Thiết kế giao diện người dùng trên trên phần mềm Matlab.
- Tìm hiểu cách giao tiếp Matlab với Arduino thông qua cổng COM.
- Xây dựng phương trình động học thuận, động học ngược cho Robot.
- Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh vào mô hình Robot Scara để phân loại sản phẩm.
- Chạy mô hình thực tế.
Đề tài luận văn này tập trung vào ứng dụng công nghệ xử lý ảnh cho Robot, nhằm xây dựng một cánh tay Robot công nghiệp hoàn chỉnh, phục vụ cho ngành sản xuất Ngoài ra, nghiên cứu còn hỗ trợ việc học tập và nghiên cứu tại các trường cao đẳng, đại học Trong khuôn khổ luận văn, tôi sẽ phát triển mô hình Robot Scara, sử dụng công nghệ xử lý ảnh để xác định màu sắc và hình dạng của đối tượng, từ đó đưa ra quyết định cho cánh tay Robot.
Phương pháp nghiêm cứu
Matlab là phần mềm mạnh mẽ dành cho máy tính PC, hỗ trợ tính toán khoa học kỹ thuật với cấu trúc cơ bản là các ma trận.
Matlab, viết tắt của Matrix và Laboratory, tập trung vào các phép toán vector và ma trận Chương trình bao gồm các hàm toán học, chức năng xuất nhập, và khả năng điều khiển, tạo nên nền tảng vững chắc cho các ứng dụng khoa học và kỹ thuật.
Hình 2.1: Phần mềm Matlab
2.2.1.2 Hệ thống làm việc của Matlab
Hệ thống giao diện của Matlab được chia thành 5 phần:
Môi trường phát triển là không gian chứa các thanh công cụ và phương tiện hỗ trợ người dùng thực hiện lệnh và quản lý file Một số thành phần quan trọng trong môi trường này bao gồm Desktop, Command Window, Command History và các trình duyệt để xem hướng dẫn.
Thư viện toán học cung cấp nhiều hàm hữu ích, bao gồm các cấu trúc tính toán như tính tổng, sin, cos, atan và atan2 Nó hỗ trợ từ các phép tính đơn giản đến những phép toán phức tạp như tính ma trận nghịch đảo, trị riêng, và các biến đổi Fourier, Laplace, cùng với thư viện biểu tượng.
Ngôn ngữ Matlab là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ, chuyên về xử lý ma trận và mảng Nó hỗ trợ các dòng lệnh và hàm, cùng với cấu trúc dữ liệu đầu vào, cho phép lập trình viên thực hiện lập trình hướng đối tượng một cách hiệu quả.
Đồ hoạ trong Matlab bao gồm các lệnh cho phép thể hiện hình ảnh trong môi trường 2D và 3D, tạo ra các hình ảnh chuyển động và cung cấp giao diện tương tác giữa người sử dụng và máy tính.
- Giao tiếp với các ngôn ngữ khác: Matlab cho phép tương tác với các ngôn ngữ khác như C, Fortran,…
2.2.1.3 Giao diện làm việc của Matlab
Hình 2.2; Giao diện làm việc của Matlab
Cửa sổ Command Window là giao diện chính trong Matlab, nơi người dùng có thể nhập giá trị biến, hiển thị và tính toán các biểu thức, cũng như thực thi các hàm có sẵn trong thư viện hoặc các hàm do người dùng lập trình trong M-file Các lệnh được nhập sau dấu nhắc “>>”, và nếu có lỗi trong quá trình nhập, người dùng chỉ cần nhấn phím Enter cho đến khi nhận được dấu nhắc “>>” để tiếp tục Để thực thi lệnh, chỉ cần nhấn phím Enter.
- Cửa sổ Command History: Các dòng mà bạn nhập vào trong cửa sổ Command
Cửa sổ Command History lưu trữ các lệnh và biến đã nhập, cho phép người dùng dễ dàng truy cập và sử dụng lại chúng bằng cách nhấp chuột vào các lệnh hoặc biến cần thiết.
Cửa sổ Workspace hiển thị tên các biến cùng với kích thước vùng nhớ, kiểu dữ liệu và các biến được giải phóng sau khi tắt chương trình Nó cho phép người dùng thay đổi giá trị và kích thước của biến bằng cách nhấp chuột vào biến hoặc vào nút bên cạnh nút save Khi chọn biến (ví dụ biến b) và nhấp chuột, người dùng sẽ mở cửa sổ Variable Editor với tiêu đề là tên biến b, định dạng dữ liệu hiển thị là Numeric format (mặc định là dạng short) và kích thước là 1 by 3.
Để thay đổi kích thước của một hàng và ba cột, người dùng có thể điều chỉnh giá trị trong ô kích thước (size) Cửa sổ này cho phép lưu trữ các biến, trong đó dữ liệu của biến b có thể được thay đổi thông qua các ô tương ứng Tất cả các biến được lưu trữ trong Workspace, bao gồm thông tin về kích thước (size), số Bytes và kiểu dữ liệu (class), với mỗi phần tử dữ liệu kiểu double chiếm 8 bytes, cụ thể là 24 bytes cho biến b và 8 bytes cho biến a.
Cửa sổ M-file là nơi để soạn thảo và thực thi chương trình ứng dụng Người dùng có thể chạy chương trình bằng cách nhập tên file trong cửa sổ Commandwindow Chương trình viết trong M-file có thể được thiết kế theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào ứng dụng và phong cách của lập trình viên.
Dạng Script file là chương trình bao gồm một tập hợp các câu lệnh được liệt kê, không sử dụng biến dữ liệu đầu vào và cũng không có biến để lấy giá trị ra.
+ Dạng hàm function: Có biến dữ liệu vào và biến ra.
GUI (Giao diện Người dùng Đồ họa) là một giao diện tương tác giữa người dùng và chương trình thông qua các thanh công cụ được lập trình sẵn Mỗi chương trình có giao diện do lập trình viên thiết kế để thực hiện các chức năng cụ thể Matlab cung cấp khả năng lập trình giao diện rất mạnh mẽ và dễ sử dụng, cho phép tạo ra giao diện người dùng tương tự như trong Visual Basic (VB) và C++.
Giao diện đồ họa người dùng (GUI) bao gồm các chương trình hỗ trợ thực hiện phép toán logic, mô phỏng không gian 2D và 3D, cũng như đọc và hiển thị dữ liệu Nó cho phép người dùng tương tác thông qua hình ảnh và các nút nhấn để thực thi các chức năng.
Hầu hết các giao diện người dùng đồ họa (GUI) thực hiện lệnh từ người dùng thông qua các tương tác trực tiếp, cho phép người sử dụng không cần hiểu cấu trúc chương trình vẫn có thể thao tác dễ dàng Các chức năng của GUI được triển khai thông qua các hàm CALLBACK, và mỗi khi người dùng tương tác với giao diện, hàm CALLBACK sẽ được kích hoạt để thực hiện lệnh.
2.2.2.2 Khởi động GUI Để khởi động GUI tại cửa sổ Command Window gõ lệnh “guide” và nhấn enter, lập tức cửa sổ GUIDE Quick Start xuất hiện.
Hình 2.3: Cửa sổ GUIDE Quick Start