LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thiết kế, chế tạo và điều khiển cánh tay robot công nghiệp dạng cơ cấu hình bình hành

LỜI CAM ĐOAN.. i

LỜI CẢM ƠN.. ii

MỤC LỤC.. iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG.. vii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH.. viii

LỜI MỞ ĐẦU.. xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỂ TÀI. 1

1.1 Sơ lược về ngành công nghiệp Robotic:1

1.2 Giới thiệu sơ lược tay máy và cơ cấu hình bình:4

1.3 Giới thiệu sơ lược về Visual servoing:5

1.4 Huớng phát triển:7

1.5 Phạm vi của đề tài:8

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.. 9

2.1 Thiết kế cơ khí:9

2.1.1 Cơ cấu truyền động hệ hở:9

2.1.2 Cơ cấu hình bình hành hệ kín:9

2.1.3 Cơ cấu định hướng của tay máy:11

2.2 Thiết kế hệ thống điện:11

2.2.1 Truyền động:11

2.2.2 Truyền động qua bộ trung gian:12

2.3 Cảm biến:13

2.4 Thiết kế bộ điều khiển:14

2.4.1 Vi điều khiển:14

2.4.2 PLC:14

2.5 Cấu trúc điều khiển:14

2.5.1 Điều khiển tập trung:14

2.5.2 Điều khiển phân cấp:15

2.6 Luật điều khiển robot:15

2.6.1 Điều khiển PID:16

2.6.2 Điều khiển moment16

2.7 Lựa chọn phương pháp thu nhận tín hiệu camera cho Visual servoing:17

2.7.1 Xác định vị trí của vật trên hình ảnh:17

2.7.2 Xác định chiều sâu của vật trên hình ảnh:17

2.8 Tổng kết lựa chọn:18

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG HỌC.. 19

3.1 Động học thuận:19

3.2 Động học nghịch:22

3.3 Moment của tay máy:24

CHƯƠNG 4: Thiết kế cơ khí25

4.1 Thiết kế 2D:25

4.2 Thông số thiết kế:26

4.3 Lựa chọn vật liệu cho robot:28

4.4 Khối lượng của các khâu:29

4.5 Tải trọng, ứng suất tác động lên máy:30

4.5.1 Tải trọng:30

4.5.2 Ứng suất:32

4.6 Mô phỏng ứng suất, chuyển vị:33

4.7 Cách khắc phục sự phá hủy và biến dạng ở các khâu:40

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN.. 43

5.1 Sơ đồ hệ thống điện sơ bộ:43

5.2 Sơ đồ đấu nối:43

5.3 Lựa chọn động cơ:45

5.4 Lựa chọn driver động cơ:47

5.5 Lựa chọn vi điều khiển:48

5.6 Lựa chọn thiết bị cho hệ thốn hút chân không:50

5.6.1 Van xả điện từ hai chiều:50

5.6.2 Máy bơm hút chân không:51

5.6.3 Giác hút chân không:52

5.7 Stereo Camera:53

5.8 Công tắc hành trình:54

5.9 Lựa chọn nguồn:54

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG.. 57

6.1 Phương trình động học của motor:57

6.2 Tìm các thông số cho visual servoing qua xử lý hình ảnh:58

6.2.1 Tìm tọa độ của vật trên camera:58

6.2.2 Tìm chiều sâu của vật:63

6.2.3 Thuật toán tìm chiều sâu của ảnh dựa vào Stereo Camera:66

6.3 Điều khiển bằng phương pháp VISUAL SERVOING cho Robot:66

6.3.1 Các thành phần cơ bản của visual servoing:67

6.3.2 Giải bài toán điều khiển và tìm ra các tham số cần thiết:68

6.4 Thực nghiệm mô phỏng nhận diện màu sắc cho camera với matlab:71

6.4.1 Thiết lập tham số cho màu sắc cần nhận dạng:73

6.4.2 Lọc tín hiệu hình ảnh:75

6.4.3 Phân loại kết quả nhận được và hiển thị ra camera:76

6.5 Thực nghiệm xác định chiều sâu của hình ảnh thu được từ camera:80

6.6 Lập trình simulink trên matlab cho Raspberry Pi:84

6.6.1 Nhận diện và xử lý hình ảnh từ camera:84

6.6.2 Visual Servoing:86

6.6.3 Motor Control:88

6.7 Gửi giá trị tìm được lên ROS network và Raspberry Pi:90

6.8 Tiến hành mô phỏng:93

6.8.1 Mô phỏng animation trong công nghiệp:93

6.8.2 Mô phỏng điều khiển chuyển động:94

6.8.3 Kiểm chứng phần thiết kế điện bằng phần mềm mô phỏng Proteus.95

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.. 97

7.1 Nhận xét tổng quan:97

7.2 Hướng phát triển:98

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 99

PHỤ LỤC.. 101

 

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Phương án lựa chọn. 18

Bảng 4.1: Thông số kích thước và góc của các khâu. 26

Bảng 4.2: Thông số bản DH, để thiết kế. 26

Bảng 4.3: Tính chất vật lý của nhôm 6061. 28

Bảng 4.4: Chi tiết và khối của khâu 1. 29

Bảng 4.5: Chi tiết và khới lượng của khâu 2 :29

Bảng 4.6: Chi tiết và khối lượng của khâu 3. 30

Bảng 4.7: Chi tiết và khối lượng của khâu 4. 30

Bảng 5.1: Lựa chọn thiết bị54

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Tay máy Yaskawa (nguồn Internet). 1

Hình 1.2: Ứng dụng vào nông nghiệp (nguồn Internet). 2

Hình 1.3: Ứng dụng vào xếp dỡ hàng hóa (nguồn Internet). 2

Hình 1.4: Ứng dụng vào công tác phòng dịch (nguồn Internet). 3

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động. 3

Hình 1.6: Tay máy RRR.. 5

Hình 1.7: Cách làm việc của Visual Servoing (nguồn Internet). 6

Hình 1.8: Ứng dụng của Visual Servoing (nguồn Internet). 6

Hình 1.9: Tiêu chí thiết kế. 7

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí của serial Robot9

Hình 2.2: Mô hình cơ cấu hình bình hành. 9

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí của robot ABB IRB 460 (nguồn Internet). 10

Hình 2.4: Minh họa giải thuật PID (nguồn Internet). 16

Hình 2.5: Minh họa giải thuật điều khiển moment (nguồn Internet). 16

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý động học thuận của rbot :19

Hình 3.2: Sơ đồ tính toán động học nghịch theo hình chiếu đứng. 22

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán động học nghịch theo hình chiếu bằng. 22

Hình 4.1: Sơ đồ sơ lược và các vị trí tọa độ của robot25

Hình 4.2: Sơ đồ tham số cần thiết của robot25

Hình 4.3: Minh họa sơ đồ các góc của robot27

Hình 4.4: Mô phỏng thiết kế khâu cuối27

Hình 4.5: Tải trọng không thay đổi theo thởi gian. 31

Hình 4.6: Tải trọng thay đổi theo thời gian. 31

Hình 4.7: Ứng suất không thay đổi theo thời gian. 32

Hình 4.8: Ứng suất thay đổi theo thời gian. 33

Hình 4.9: Mô phỏng phân tích ứng suất khâu 2. 34

Hình 4.10: Mô phỏng sự chuyển vị khâu 2:35

Hình 4.11: Mô phỏng phân tích ứng suất khâu 3. 36

Hình 4.12: Mô phỏng sự chuyển vị khâu 3. 36

Hình 4.13: Mô phỏng phân tích ứng suất khâu 7. 37

Hình 4.14: Mô phỏng sự chuyển vị khâu 7. 38

Hình 4.15: Mô phỏng phân tích ứng suất khâu 1. 39

Hình 4.16: Mô phỏng sự chuyển vị khâu 1. 39

Hình 4.17:  Bản vẽ chi tiết, Gối SKF FYJ 40mm.. 41

Hình 4.18: Bulong đai ốc, ví dụ 1 số vị trí gắn bulong. 42

Hình 4.19: Robot khi hoàn thiện. 42

Hình 5.1: Sơ đồ điện tổng quát43

Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối linh kiện điện tử. 44

Hình 5.3: Động cơ 24V 60W  hộp số hành tinh và encoder (nguồn Internet). 45

Hình 5.4: Bản vẽ thiết kế. 46

Hình 5.5: DC driver PID MSD_EM của CCSmart (nguồn Internet). 47

Hình 5.6: Sơ đồ đấu chân driver PID MSD_Em.. 47

Hình 5.7: Raspberry Pi 4 (nguồn Internet). 48

Hình 5.8: Sơ đồ chân và các cổng giao tiếp của mạch (nguồn Internet). 49

Hình 5.9: Giá trị điện áp của 40 chân (nguồn Internet). 49

Hình 5.10: Van xả điện từ hai chiều (nguồn Internet). 51

Hình 5.11: Máy bơm hút chân không Micro (nguồn Internet). 51

Hình 5.12: Giác hút chân không (nguồn Internet). 52

Hình 5.13: Sơ đồ lắp hệ thống hút chân không. 52

Hình 5.14: Hệ thống thực tế (nguồn Internet). 52

Hình 5.15: Stereo camera (nguồn Internet). 53

Hình 5.16: Công tắc hành trình (nguồn Internet). 54

Hình 5.17: Nguồn tổ ong 12 V-5 A (nguồn Internet). 55

Hình 5.18: Nguồn meanwell 24 V-30 A 750 W (nguồn Internet). 56

Hình 6.1: Ví dụ về màu sắc (nguồn Internet). 58

Hình 6.2: Màu sắc và độ sáng (nguồn Internet). 59

Hình 6.3: Toạ độ sắc độ (Chromaticity coordinate) (nguồn Internet). 60

Hình 6.4: Ví dụ Chromaticity coordinate (nguồn Internet). 61

Hình 6.5: Sơ đồ phương pháp gamma encoder (nguồn Internet). 62

Hình 6.6: Ví dụ minh họa về tác động của gamma encoder (nguồn Internet). 63

Hình 6.7: Khoảng cách của điểm nhận được từ 2 mắt (nguồn Internet). 64

Hình 6.8: Ví dụ cụ thể về sự thay đổi của vật từ 2 điểm nhìn. 64

Hình 6.9: Khoảng cách của vật so với camera (nguồn Internet). 65

Hình 6.10: Ví dụ về tìm chiều sâu của ảnh (nguồn Internet). 66

Hình 6.11: Sơ đồ điều khiển vòng kín của robot67

Hình 6.12: Lưu đồ giải thuật67

Hình 6.13: Kiểm tra giá trị tham số cho nhận diện màu. 73

Hình 6.14: Kiểm tra giá trị tham số cho nhận diện màu xanh dương. 74

Hình 6.15: Minh họa về quá trình lọc hình ảnh. 75

Hình 6.16: Hình ảnh đầu ra trước và sau khi lọc vùng. 76

Hình 6.17: Phương pháp phân loại dựa vào option 4 và 8. 77

Hình 6.18: Ví dụ về việc sử dụng bwlabel77

Hình 6.19: Kết quả mô phỏng thực tế camera. 79

Hình 6.20: Hình ảnh với giá trị d đo được từ câu lệnh stdisp. 80

Hình 6.21: Xác định chiều sâu của vật và biểu thị bằng grayscale map. 81

Hình 6.22: Kết quả mô phỏng thực nghiệm.. 82

Hình 6.23: Kết quả mô phỏng matlab phân tích chiếc giường. 82

Hình 6.24: Hình ảnh được xác định chính xác hơn nhờ độ phân giải cao (nguồn Internet)  83

Hình 6.25: Tổng quan chương trình điều khiển. 84

Hình 6.26: Image Processing. 85

Hình 6.27: Visual Servoing. 86

Hình 6.28: Tổng quan về khối Visual servoing. 86

Hình 6.29: Quá trình tính toán giá trị ma trận Jacobian. 87

Hình 6.30: Giá trị vận tốc của khâu cuối robot87

Hình 6.31: Tổng quan về khối Motor Control88

Hình 6.32: Công thức tính toán ma trận Jacobian. 89

Hình 6.33: Ma trận Jacobian. 90

Hình 6.34: Gửi hình ảnh thu được từ camera sau khi đã chuyển đổi lên ROS. 90

Hình 6.35: Gửi các giá trị góc quay của từng motor lên ROS. 91

Hình 6.36: Nạp các giá trị góc quay của từng Pin ra Raspberry Pi91

Hình 6.37: Quy trình điều khiển Task của robot92

Hình 6.38: Quy trình điều khiển về vị trí Home của robot92

Hình 6.39: Mô phỏng, định vị và gắp sản phẩm.. 93

Hình 6.40: Mô phỏng di chuyển sản phẩm qua khu vực đóng gói93

Hình 6.41: Giao diện Motion Animation. 94

Hình 6.42: Mô phỏng robot trên matlab simscape. 94

Hình 6.43: Giao diện điều khiển robot thông qua GUIDE.. 95

Hình 6.44: Giao diện mô phỏng hệ thống điện. 96

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây tự động hóa đang tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực công nghiệp hiện nay, vì nó giúp cho các doanh nghiệp giảm tải được số lượng nhân lực và thởi gian sản xuất. Do đó, việc các nhà doanh nghiệp đổ xô đi nghiên cứu và ứng dụng các robot trong sản xuất ngày càng 1 nhiều.

Không chỉ riêng trong ngành công nghiệp, nông nghiệp. Robot còn được ứng dụng đa dạng trong mọi loại ngành như dịch vụ, y tế…Và nhiều nơi trên thế giới robot còn được con người sử dụng như một công cụ hỗ trợ cho cuộc sống con người, giúp cho cuộc sống dễ dàng hơn.

Robot xếp pallet ngày càng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa hậu cần. Nó có thể hoàn thành việc xếp chồng một cách chính xác và hiệu quả, có thể giảm bớt lao động cường độ của người lao động và nâng cao hiệu quả sản xuất. Palletizing nghiên cứu của rô bốt ở Hoa Kỳ và các nước phát triển khác đã đạt được những thành công rực rỡ. Nhưng Robot xếp pallet trong nước về mặt nghiên cứu và phát triển vẫn đang ở giai đoạn đầu. Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế quốc dân và sự mở rộng của quy mô sản xuất, mức độ tự động hóa cơ khí của doanh nghiệp đang tăng. Các kỹ thuật tự động hóa đương đại đã được sử dụng rộng rãi cho các lĩnh vực khác nhau như: nghiên cứu về ngưỡng hình ảnh toàn cầu, nghiên cứu về dự báo sông, dự báo mực nước và lưu lượng dự báo dòng chảy hàng ngày và hàng tháng của sông và nghiên cứu về các yêu cầu xây dựng. Robot xếp hàng đó là một loại ứng dụng quan trọng của tự động hóa kỹ thuật cũng đã được sử dụng rộng rãi, do phạm vi ứng dụng rộng rãi, tính linh hoạt tốt, chi phí thấp, v.v. 

Hiện tại, các kỹ sư trên toàn thế giới đang tập trung vào phát triển loại hình robot hình bình hành này sao thiết kế và ứng dụng tối ưu hết mức có thể, thiết kế theo kinh nghiệm thường được sử dụng cho thiết kế cấu trúc của robot xếp hàng. Tính hợp lý và khoa học của kết cấu với phương pháp thiết kế truyền thống không có lý thuyết đáng tin cậy cơ sở và nó cũng có thể mang lại rất nhiều bất lợi.Trên một mặt, có thể có cấu trúc cục bộ quá mạnh. Các trọng lượng của cánh tay và lực quán tính quá lớn, v.v. Tất cả những yếu tố này sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến hoạt động bình thường của rô bốt xếp dỡ . Mặt khác,sức mạnh của cấu trúc cục bộ có thể không đủ,có thể ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể của rô bốt và dẫn đến sớm hư hỏng trong quá trình sử dụng. Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật phân tích phần tử hữuhạn (FEA), phương pháp thiết kế truyền thống dần được thay thế bằng phần tử hữu hạn phân tích và thiết kế. Có khá nhiều CAE (Máytính Phần mềm hỗ trợ kỹ thuật),chẳng hạn như: ANSYS, ABAQUS.v.v . Sự phân bố ứng suất của các bộ phận trước và sautối ưu hóa theo vị thế rủi ro có thể đạt được bằng cách Phân tích ABAQUS.Để đảm bảo độ tin cậy của các kết quả của thí nghiệm phân tích, ứngsuất và biến dạng được thực hiện để xác nhận kết quả phân tích. 

Nhiệm vụ mà nhóm đề ra:

• Thiết kế và mô phỏng mô hình cơ khí
• Thiết kế mạch điều khiển
• Lập trình điều khiển vị trí tay máy bằng động học thuận và nghịch
• Ứng dụng camera và phương pháp điều khiển Visual servoing cho robot

Cánh tay robot là một trợ thủ đắc lực giúp chúng ta tiết kiệm sức lực nhưng vẫn đảm bảo được tốc độ và độ chính xác. Điều này đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất đòi hòi nhiều thời gian và sức lực. Điển hình là ngành công nghiệp lắp ráp sản xuất oto, vận chuyển kho hàng, xử lí bề mặt, … Hơn thế nữa, với sự phát triển khoa học kĩ thuật về vật liệu cũng như phương pháp gia công, giờ đây một cánh tay robot loại vừa và nhỏ với giá thành thấp hơn đã có thể khả thi hơn bao giờ hết Vấn đề hướng đến diện vật thể hoạt động trong phòng lab phục vụ cho nhu cầu học tập cũng như nghiên cứu cho sinh viên. Hướng phát triển sau này là với thiết kế nhỏ gọn, ứng dụng để lắp trên xe tự hành và có thể hoạt động ở các kho hàng, nhà máy, xí nghiệp. Kết quả của đề tài có thể ứng dụng trong điều khiển cánh tay đến vị trí mong muốn để có thể thực hiện thao thác giữ vật bằng hệ thống hút chân không và đưa đến vị trí yêu cầu. Việc thiết kế, mô phỏng một cánh tay robot Palletizing 3 bậc tự do và tích hợp camera nhận 

Thông qua luận văn tốt nghiệp của nhóm em, chúng em sẽ nghiên cứu và phát triển một loại robot công nghiệp phổ thông và được ứng dụng rất rộng rãi trong môi trường công nghiệp và nông nghiệp sản xuất. Đó là robot dạng bình hành pallettizing 3 bậc tự, có tích hợp camera, ứng dụng trong việc dỡ hàng trong các kho hàng của nhà máy, xí nghiệp.  

Thách thức ở đây là chúng ta phải tính toán các khớp chi tiết sao cho các khâu tạo nên hình bình hành và giúp cho robot có thể hoạt động và đáp ứng được các nhu cầu cơ bản nhất của một robot dỡ hàng cần phải có. 

Tổ chức nội dung: Gồm 7 chương:

• Chương 1: Tổng quan đề tài
• Chương 2: Phương án thiết kế.
• Chương 3: Mô hình hóa động học
• Chương 4: Thiết kế cơ khí.
• Chương 5: Thiết kế hệ thống điện
• Chương 6: Thiết kế chương trình điều khiển và mô phỏng
• Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1:  TỔNG QUAN ĐỂ TÀI

1.1 Sơ lược về ngành công nghiệp Robotic:

Hình 1.1: Tay máy Yaskawa (nguồn Internet)

Robotic là ngành nghiên cứu làm thế nào để có thể áp dụng những ý tưởng vào đời sống , sản xuất. Từ việc chuyển hóa năng lượng điện đến mô tơ, thông qua các cơ cấu được thiết kế , bộ truyền động để điều hướng các bộ phận của máy đến vị trí mong muốn. Giống như con người sinh ra có cánh tay để có thể cầm nắm và di chuyển vật. Robot trong tương lai được thiết kế để thay thế con người, giúp tận dụng được năng lượng xung quanh để tiết kiệm sức lực, thời gian, sự chính xác cũng như sự an toàn. Cùng với công nghệ AI đang phát triển, dự báo vai trò robot là không thể thiếu trong tự động hóa, nhà máy xí nghiệp.

Hơn thế nữa với sự phát triển và ngày càng phổ biến của robot, việc đem một cánh tay robot hay một xe tự hành to lớn trong công nghiệp vào cuộc sống có không gian giới hạn như ở các đô thị, phòng làm việc đang ngày càng khả thi. Từ việc quét dọn nhà cửa (xe tự hành,roomba,…) hay các cánh tay robot có khả năng làm việc trong văn phòng với thiết kế nhỏ gọn (Dobot ,…). Mọi thứ đang đơn giản hơn bao giờ hết. Từ vai  trò thực hiện các tác vụ nặng và nguy hiểm trong công nghiệp cho đến vai trò trong đời sống thường nhật.

Việc ứng dụng robot đang ngày một đa dạng:

Hình 1.2: Ứng dụng vào nông nghiệp (nguồn Internet)

Hình 1.3: Ứng dụng vào xếp dỡ hàng hóa (nguồn Internet)

Hình 1.4: Ứng dụng vào công tác phòng dịch (nguồn Internet)

Vì vậy nghiên cứu robot với giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn đưa vào đô thị đang là một hướng đi tiềm năng. Mai sau con người chúng ta không còn quá xa lạ với robot mà chấp nhận nó như một phần của xã hội, một phần của cuộc sống.

Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên tại Mỹ do công ty AMF ( American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô phỏng một thiết bị có dáng dấp và tính năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản  xuất có tên là Versatran.

Về tổng quát, robot được cấu thành từ những thành phần cơ bản: Cơ cấu tay máy (manipulator), khâu cuối (tool), nguồn dẫn động, bộ điều khiển, cảm biến.

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động

1.2 Giới thiệu sơ lược tay máy và cơ cấu hình bình:

Tay máy là một dạng robot hoạt động phỏng theo cấu tạo cơ bản của cánh tay người. Tay máy được phân loại dựa theo cấu trúc cơ khí. Thông thường cấu trúc của tay  máy gồm nhiều khâu (link), mỗi khâu được nối với nhau bằng khớp (joint). Chuyển động của tay máy mô phỏng sẽ gồm phần “cánh tay” giúp đảm bảo tính linh động trong  không gian lớn, phần “cổ tay’’ đảm bảo cho sự linh động trong không gian nhỏ và cuối cùng là “phần bàn tay’’ hay còn gọi là khâu cuối để thực hiện tác vụ mong muốn.

Số bậc tự do của tay máy (hay còn gọi là số bậc chuyển động) là số khả năng chuyển động độc lập trong vùng không gian làm việc của tay máy. Tay máy có số bậc tự do càng cao thì càng linh hoạt. Thông thường trong công nghiệp, robot thường được thiết kế có 6 bậc tự do. Với 6 bậc tự do và cách bài trí hợp lí tay máy đủ khả năng để tiếp cận đối tượng cần được tác động từ mọi hướng trong vùng không gian làm việc của  nó bao gồm:

• 3 bậc tự do định vị (x,y,z).
• 3 bậc tự do định hướng (α,β,γ).

Cơ cấu định vị của tay máy:

Phân loại tay máy: Dựa theo các khớp nối (thông thường là khớp tịnh tiến và khớp bản lề) và vùng không gian làm việc ta chia ra:

• Tay máy cơ cấu hình bình hành:

Ngoài ra, với cơ cấu RRR, có thể kết hợp thêm cơ cấu hình bình hành để tăng độ cứng vững cho tay máy khi dời bộ phận chấp hành từ khâu 3 sang khâu 2 từ đó giảm lượng lớn tải cho bộ phận chấp hành khâu 2. Đổi lại tính linh động trong không gian sẽ bị giảm và mất đi khả năng tránh vật cản của cơ cấu truyền thống.

Tay máy kết hợp cơ cấu hình bình hành thích hợp cho những ứng dụng có không gian lớn trong khi tay máy toàn khớp bản lề truyền thống thích hợp cho các ứng dụng không gian hẹp và đòi hỏi tính linh động.

Hình 1.6: Tay máy RRR

1.3  Giới thiệu sơ lược về Visual servoing:

Tay máy robot hiện đại ngày nay là một cỗ máy vô cùng chính xác. Chúng có thể sử dụng trong các thao tác tỉ mỉ như hàn thiết bị, lắp đặt chip lên các bo mạch, hay sử dụng trong việc phẫu thuật với độ chính xác vô cùng cao với tốc độ rất nhanh. Nhưng làm sao chúng có thể thực sự làm vậy.

Trên thực tế, vị trí của khâu cuối robot không bao giờ được đo lường một cách trực tiếp. Thay vào đó chúng ta sẽ đo lường các góc của khớp và sử dụng mô hình động học thuận để tính toán ra vị trí của khâu cuối robot.

Visual Servoing là phương pháp điều khiển mà ở đây chúng ta không hề biết trước vị trí chính xác của vật cần thao tác cũng như vị trí của khâu cuối robot. Ta chỉ biết được hình ảnh của vị trí điểm đến và hình ảnh của khâu cuối robot. Sau đó ta sẽ giảm dần độ sai lệch giữa 2 vị trí cho đến khi khâu cuối đạt được vị trí mong muốn với độ sai lệch được giảm dần đến 0.

Hình 1.7: Cách làm việc của Visual Servoing (nguồn Internet)

Hình trên mô tả cho ta thấy cách hoạt động của visual servoing, những hình vẽ với nét đứt khúc chính là vị trí của vật mà ta mong muốn sẽ hiển thị trên camera, và hình khối phía sau chính là vị trí hiện tại của vật. 

Mục đích của visual servoing chính là điều khiển camera chuyển động để thu hẹp sự sai lệch về vị trí mong muốn với vị trí hiện tại của vật, và vì camera sẽ được gắn vào khâu cuối của tay máy robot, để camera chuyển động tức là khâu cuối robot phải chuyển động

Việc ứng dụng Visual Servoing vào điều khiển robot đang là một công nghệ hội nhập trên toàn cầu. Visual Servoing có thể giúp robot hoạt động linh hoạt hơn cũng như giảm kích cỡ và giá thành của chúng.

Hình 1.8: Ứng dụng của Visual Servoing (nguồn Internet)

Visual Servoing có thể được ứng dụng trong rất nhiều công việc khác nhau như, gắp các vật được đặt ngẫu nhiên trên băng chuyền, bắt các vật đang bay trong không trung hay trong việc đổ xăng tự động khi vị trí xe là ngẫu nhiên hay vị trí nắp đổ xăng là khác nhau giữa các xe, hoặc ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp khi chúng ta không hề biết được vị trí x, y, z của các loại hoa quả trong vườn và ta thậm chí còn không biết toạ độ vị trí của robot trong khu vườn đó, hay sử dụng trong việc đáp cánh tự động cho các phi cơ,…

1.4  Huớng phát triển: 

Đồ án đặt ra mục tiêu thiết kế có ứng dụng thực tế, cụ thể tay máy sẽ thực hiện việc gắp các vỉ thuốc với vị trí và góc xoay ngẫu nhiên trên băng tải để phân loại và sắp xếp chúng. Mục tiêu đề ra là tay máy có thể gắp và phân loại một vỉ thuốc trong thời gian khoảng 5 giây, từ đó ta xác định được trong 1 giờ robot có thể tiến hành phân loại 720 vỉ thuốc.

Hình 1.9: Tiêu chí thiết kế

1.5 Phạm vi của đề tài:

• Kích thước tay máy: 250×230
• Tầm với tối đa: 475 mm
• Mô phỏng camera
• Khối lượng gắp: 500g

CHƯƠNG 2:  PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Thiết kế cơ khí:

Cánh tay robot được thiết kế yêu cầu độ cứng vững và động lực học tốt cũng như kích thước nhỏ. Hiện tại có 2 cơ cấu tay máy toàn khớp bản lề phổ biến dựa theo cách sắp đặt động cơ:

2.1.1 Cơ cấu truyền động hệ hở:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí của serial Robot

Đặc điểm: Các động cơ được bố trí tại các điểm nối các khớp, tạo thành một chuỗi động hở.

Ưu điểm: Có độ linh động cao, tính động lực học đơn giản.

Nhược điểm: Độ cứng vững không tốt khi không có cơ cấu đỡ lực, các động cơ phía sau bố trí xa trọng tâm nên làm tăng moment tác động các khớp. 

2.1.2 Cơ cấu hình bình hành hệ kín:

Hình 2.2: Mô hình cơ cấu hình bình hành

 

 

 

 

 

Có hình dạng được phát triển thêm từ tay máy toàn khớp bản lề hình bình hành bằng cách thêm 2 hình bình hành ở khâu 1 và khâu 2 nhằm giữ hướng xoay của khâu cuối (thông thường là song song với mặt đất). 

Đồng thời độ cứng vững cũng tốt hơn tay máy toàn khớp bản lề hình bình hành khi lực đã được phân chia ít nhiều về khâu hình bình hành. Do đó tay máy được sử dụng nhiều trong việc di chuyển các vật nặng với tốc độ cao.

Đặc điểm: Các động cơ được đưa về một khâu. Dựng thêm một cơ cấu hình bình hành để dẫn động từ động cơ số 3 lên khâu 3.

Ưu điểm: Độ cứng vững tốt, phần khâu 2 và khâu 3 sẽ nhẹ hơn đang kể, hoạt động với tốc độ cao hơn.

Nhược điểm: Tính động lực học khó vì nó là hệ kín và là phần quan trọng nhất trong luận án này, nhiều khâu. Bị giới hạn khi  phát triển lên robot 6 bậc, tính linh động không cao bằng cánh tay dạng truyền thống.

Ngoài ra, cơ cấu hình bình hành thường được phát triển thành các dạng robot palletizing như robot ABB IRB 460 nhằm tối ưu độ cứng vững vốn có của robot dạng hình bình hành đồng thời giữ được hướng của khâu cuối, giúp tiết kiệm bộ phận công tác điều hướng khâu cuối. Thích hợp cho các ứng dụng đặc trưng không đòi hòi độ linh động như gắp vật, hàn mạch, khâu vá, ....

Kết luận:

Sơ đồ nguyên lí cơ cấu robot palletizing được lựa chọn nhờ độ cứng vững của cơ cấu, giảm thiểu moment cần cung cấp, tốc độ cao. Thích hợp trong ứng dụng văn phòng  và dễ dàng lựa chọn động cơ.

2.1.3 Cơ cấu định hướng của tay máy:

Cơ cấu định hướng của khâu cuối tay máy có hướng song song với mặt đất và cố định do nhu cầu hoạt động của tay máy được tối giản cũng như thoả mãn mục đích đặt ra ban đầu của để tài là sử dụng tay máy cơ cấu hình bình hành. Và tool được kết nối với khâu cuối ta chọn hệ thống hút chân không.

2.2 Thiết kế hệ thống điện:

2.2.1 Truyền động:

Yêu cầu:

• Kết cấu nhỏ gọn, có bán nhiều trên thị trường.
• Tối ưu về năng lượng.
• Thích hợp hoạt động trong văn phòng.
• Trong các nguồn truyền động là thủy lực, khí nén và điện cơ thì truyền  động điện cơ là phù hợp với mục tiêu đặt ra nhất.

Có 2 loại động cơ thường kể đến trong công nghiệp đó là động cơ DC servo, động cơ bước:

Động cơ bước:

Ưu điểm:

• Độ chính xác cao nếu moment tải nằm trong giới hạn cho phép của động cơ.
• Điều khiển đơn giản khi động cơ bước thực hiện quay qua các bước góc của động  cơ, không cần dùng giải thuật điều khiển phức tạp.
• Giá thành rẻ.

Nhược điểm:

• Hiệu suất không cao (tầm 50-60%).
• Không có quá trình phản hồi nên quá trình kiểm tra độ chính xác gặp khó khi  hiện tượng trượt xung diễn ra trong quá trình điều khiển

Động cơ Dc servo:

Ưu điểm:

• Hiệu suất cao (từ 80-90%).
• Có tín hiệu hồi tiếp từ encoder phục vụ cho luật điều khiển.
• Đường đặc tuyến giữa moment và tốc độ là tuyến tính.
• Moment cấp hoạt động từ vị trí dừng lớn.

Nhược điểm:

• Thường xuyên bảo trì chổi than để đảm bảo động cơ hoạt động tốt.
• Độ chính xác phụ thuộc vào encoder và bộ điều khiển.

Kết luận:

Với ưu điểm tối ưu về moment so với động cơ bước và giá thành rẻ không phải yếu tố chủ yếu. Động cơ DC servo được chọn sử dụng trong luận văn này.

2.2.2 Truyền động qua bộ trung gian:

Bộ truyền bánh răng:

Ưu điểm:

• Tỷ số truyền không thay đổi do không có hiện tượng trượt trơn.
• Hiệu suất truyền cao, có thể đạt 0,97 ÷ 0,99.
• Tuổi thọ cao, làm việc với độ tin cậy cao.

Nhược điểm:

• Kết cấu trở nên cồng kềnh và nặng nề khi khoảng cách hai trục truyền lớn.
• Cần có phương pháp bôi trơn, che chắn.

Bộ truyền xích:

Ưu điểm:

• Hiệu suất bộ truyền 0,95 ÷ 0,97.
• Chủ động trong việc bố trí khoảng cách 2 trục.

Nhược điểm:

• Ồn khi các mắt xích và bánh xích vào ra khớp.
• Cần phải có giả pháp bôi trơn che chắn.

Bộ truyền đai răng:

Ưu điểm:

• Hiệu suất bộ truyền 0,92 ÷ 0,98.
• Kích thước bộ truyền nhỏ gọn, dễ bố trí, và tìm mua.

Nhược điểm:

• Hiện tượng trượt đai do quán tính.
• Cần phải có giải pháp căng đai.

Kết luận:

Vì yêu cầu thiết kế nhỏ gọn, truyền động trực tiếp được lựa chọn khi động cơ thường được bán sẵn kèm hộp số hành tinh.

2.3 Cảm biến:

Yêu cầu: Cảm biến có khả năng nhận biết vị trí của vật cần thao thác với vị trí khâu cuối của tay máy robot.

Kết luận:

Với mục tiêu đề ra cho đề tài ta chọn camera là cảm biến định hướng cho tay máy robot.

2.4 Thiết kế bộ điều khiển:

Có hai phương án phổ biến để lựa chọn cho thiết bị điều khiển của hệ thống.

2.4.1 Vi điều khiển:

Là một hệ thống bao gồm một vi xử lí có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ sử lí đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun I/O, các mô đun ADC và DAC, … để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển có ưu điểm nhỏ gọn,giá thành thấp, phù hợp cho các mạch điện tử, hệ thống nhúng. Nhược điểm của nó là độ tin cậy trong công nghiệp thấp, hoạt động với điện áp thấp.

2.4.2 PLC:

Là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái ở đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra được lập trình sẽ thay đổi theo. PLC có độ tin cậy cao, hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp trong công nghiệp, lập trình dễ với dung lượng bộ nhớ lớn. Nhược điểm là giá thành tương đối cao, thường sử dụng trong công nghiệp thay vì các dự án nhỏ lẻ.

Kết luận:

Với kích thước nhỏ gọn của tay máy, vi điều khiển được lựa chọn là thiết bị điều  khiển cho hệ thống trong luận văn.

2.5 Cấu trúc điều khiển:

Có 2 loại điều khiển là điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân cấp

2.5.1 Điều khiển tập trung:

Là cấu trúc điều khiển 1 bộ điều khiển trung tâm đảm nhận toàn bộ tính toán, cũng như nhận tính hiệu phản hồi, xuất tính hiệu cơ cấu chấp hành, giao tiếp với máy tính,…

Ưu điểm:

• Khối lượng lập trình và đi dây được giảm tải khi giao tiếp truyền thông giữa các bộ xử lí được giảm tải.
• Bộ điều khiển đơn giản, dễ xử lí.
• Dễ kiểm tra khi có lỗi xảy ra, dễ quản lí.

Nhược điểm:

• Đòi hỏi bộ xử lí trung tâm mạnh
• Đòi hỏi bộ xử lí tập trung nhiều chức năng để sử dung dẫn đến khó khăn trong lựa chọn.

2.5.2  Điều khiển phân cấp:

Là cấu trúc điều khiển gồm 1 bộ xử lí trung tâm và nhiều bộ xử lí nhỏ lẻ để thực hiện các tác khác nhau đồng thời.

Ưu điểm:

• Giảm thiểu tính toán cho bộ trung tâm.
• Dễ dàng đáp ứng thời gian thực khi có nhiều bộ xử lí đồng thời.
• Bộ xử lí slave không đòi hỏi quá mạnh.

Nhược điểm:

• Truyền thông giữa các vi điều khiển tương đối phức tạp.
• Khó quản lí, phát hiện lỗi.
• Đi dây rối rắm, bộ điều khiển cồng kềnh.

Kết luận:

Vì tay máy được thiết kế có 3 bậc tự do nên bộ điều khiển tập trung được lựa chọn trong luận văn này nhờ sự đơn giản, dễ quản lí.

2.6 Luật điều khiển robot:

Có nhiều luật điều khiển được áp dụng ở robot có 2 luật điều khiển đặc trưng: điều khiển PID, điều khiển moment.

2.6.1 Điều khiển PID:

Hình 2.4: Minh họa giải thuật PID (nguồn Internet)

Dựa vào tín hiệu hồi tiếp và giá trị ref, PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động.

Ưu điểm:

• Không cần phần cứng quá mạnh.
• Giải thuật đơn giản và đã được ứng dụng rộng rãi trong một thời gian dài
• Đa dạng trong tùy chỉnh để cải thiện chất lượng điều khiển.

Nhược điểm:

• Phụ thuộc nhiều và mô hình toán của Plant để điều khiển chính xác

2.6.2  Điều khiển moment

Hình 2.5: Minh họa giải thuật điều khiển moment (nguồn Internet)

Giải thuật điều khiển moment dựa vào phương trình động lực học để tính ra  moment cần thiết ở các khớp.

Ưu điểm:

• Giải thuật giúp robot đạt được tốc độ cao.

Nhược điểm:

• Khối lượng tính toán lớn và đòi hỏi phải đáp ứng nhanh trong quá trình vận hành robot.
• Yêu cầu thiết kế về phần cứng cao.

Kết luận:

Vì giới hạn robot đòi hỏi tốc độ không cao nên giải thuật PID được lựa chọn trong luận văn nay.

2.7 Lựa chọn phương pháp thu nhận tín hiệu camera cho Visual servoing:

Yêu cầu: Để thực hiện việc điều khiển robot bằng phương pháp visual servoing ta cần phân tích được vị trí và chiều sâu của vật cần thao tác trên hình ảnh nhận được từ camera.

2.7.1 Xác định vị trí của vật trên hình ảnh: 

Để xác định được vị trí của vật, ta lựa chọn phương pháp phân loại vùng (Feature extraction region) cụ thể là phân loại vùng dựa trên màu sắc.

Feature extraction region sẽ cho ta biết các đặc điểm về màu sắc, hình dạng, trọng tâm, hướng của vật hay đặc điểm được phân tính trong ảnh.

2.7.2 Xác định chiều sâu của vật trên hình ảnh:

Để có thể xác định được chiều sâu của vật hay cụ thể hơn là khoảng cách từ vật đến camera, ta lựa chọn phương pháp so sánh sự khác biệt của hình ảnh ở 2 điểm nhìn (Binocular disparity).

Với stereo camera ta có thể thu được hình ảnh của vật tại 2 điểm nhìn khác nhau, từ đó ta sẽ xác định được khoảng cách của vật mong muốn đến camera được gắn vào khâu cuối.

2.8 Tổng kết lựa chọn:

Bảng 2.1: Phương án lựa chọn

BẢNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Kết cấu tay máy	Dạng hình bình hành palletizing
Truyền động	Động cơ DC servo
Cơ cấu truyền động	Truyền động trực tiếp
Cảm biến HOME	Công tắc hành trình
Thiết bị điều khiển	Vi điều khiển
Kiểu điều khiển	Điều khiển tập trung
Luật điều khiển	PID
Thông số cho Visual servoing	Nhận diện màu sắc kết hợp stereo camera

...

Kết luận:

Thông qua việc mô phỏng trên phần mềm Proteus. Camera nhận diện ảnh thể hiện qua màn hình LCD, encoder hoạt động. Như vậy, việc mô phỏng đã được kiểm chứng. Các thiết bị đều đều hoạt động khi được kết nối với nhau.

CHƯƠNG :  KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1.1  Nhận xét tổng quan:

Nhược điểm:

 Visual Servoing được ứng dụng cho các thao tác của robot trở nên đơn giản và linh hoạt, tuy nhiên do robot được áp dụng chỉ có 3 bậc tự do, do đó camera được kết nối vào khâu cuối của robot cũng chỉ có 3 bậc tự do, điều này hạn chế các góc và hướng chuyển động của robot do đó robot chỉ có thể thao tác và nhận biết đối với các vật bị hạn chế bởi 3 góc xoay quanh trục x y z.

• Bộ điều khiển vẫn còn đơn giản nên đầu ra chính xác vẫn chưa đủ tốt.
• Robot di chuyển chậm do khả năng kiểm soát bộ điều khiển còn hạn chế.
• Vùng làm việc bị giới hạn.
• Hộp số của động cơ cũng như độ chính xác của encoder có thể ảnh hướng đến độ chính xác của robot.
• Việc dùng vít cố định trục động cơ là không tối ưu về mặt cơ khí khi có thể làm biến dạng then của trục một cách không đồng đều. Dẫn đến tháo lắp khó khăn.
• Không có phần ngắt điện tự động khi động cơ bị nhiễu dẫn đến tình trạng mất kiểm soát tay máy.

Ưu điểm:

Tuy vậy, đồ án vẫn đáp ứng được những yêu cầu của phạm vi đề tài, thu được những kết quả tốt:

• Với ứng dụng phương pháp điều khiển bằng Visual Servoing ta không cần phải xác định trước toạ độ vị trí của vật cần thao tác.
• Với việc ứng dụng kết nối hệ thống với ROS (Robot Operating System) ta có thể dễ dàng quan sát tín hiệu và giá trị được truyền và nhận từ robot. Thiết lập được robot chạy trong thời gian thực.
• Với thiết kế nhỏ gọn, cánh tay dễ dàng lắp đặt lên các xe tự hành AGV
• Sử dụng các bộ điều khiển tối ưu về tốc độ, ứng dụng trong việc vận chuyển trong  công nghiệp.

1.2 Hướng phát triển:

Ta có thể sử dụng nhận diện vật dựa vào mã QR thay cho việc nhận diện bằng màu sắc, kết quả mang lại giúp robot nhận diện vật chính xác hơn, không bị phụ thuộc vào màu sắc của vật cũng như các tín hiệu nhiễu từ môi trường bên ngoài.

Ta có thể thay đổi stereo camera bằng camera cảm biến chiều sâu bằng lazer giúp tín hiệu nhận được nhanh hơn.

Sử dụng ROS network như một công cụ giao tiếp giữa người dùng với robot thay vì chỉ truyền giá trị quan sát từ robot về ROS.