ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

C
C

R
L
.
T

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT
GẮP THỨC ĂN

U
D

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Số thẻ sinh viên:
Lớp:

TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
VÕ NGỌC VŨ
NGUYỄN HUY LUẬT

101140209
101140190
14CDT2

Đà Nẵng, 06/2019


C
C

U
D

R
L
.
T


C
C

U
D

R
L
.
T



TÓM TẮT
Tên đề tài:
Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn
Sinh viên thực hiện:
Võ Ngọc Vũ
Số thẻ SV: 101140209
Lớp:
14CDT2
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Huy Luật
Số thẻ SV: 101140190
Lớp:
14CDT2
Trong phạm vi nghiên cứu, thức ăn gồm ba loại là súp lơ, bánh bao và thịt miếng được
đặt ở các vị trí xác định trên bàn. Mục tiêu cần giải quyết là di chuyển các loại thức ăn
này đến các khay xác định có sẵn mà không làm hư hại đến thức ăn với thuật toán hiệu
quả nhất.
Để thực hiện vấn đề này, nhóm tác giả đưa ra mẫu thiết kế bàn tay robot gồm ba ngón
tay riêng biệt. Mỗi ngón tay đều có khả năng di chuyển linh hoạt nhờ hai khớp nối thông
qua cơ cấu kéo dây. Ban đầu các ngón tay mặc định duỗi ra nhờ các lò xo được nối giữa
các khớp. Ngoài ra, cánh tay được trang bị thêm một camera để xử lý ảnh nhằm nhận
biết các loại thức ăn thông dụng. Qua đó xác định được các góc xoay cần thiết để xoay

C
C

R
L
.

T

ngón tay đến vị trí thích hợp. Sau đó, các ngón tay co lại theo nguyên tắc kéo dây truyền
động bởi ba động cơ servo. Kết thúc chu trình, động cơ xoay đảo chiều, dây được giãn
ra, đồng thời lò xo kéo các ngón tay trở về vị trí ban đầu.
Cơ cấu truyền động được điều khiển theo 2 phương X và Y, nhóm tác giả sử dụng PLC
Mitsubishi FX3G-60M và mô-đun truyền thông CC-Link FX3U-16CCL-M để gửi tín
hiệu vị trí gắp tới Raspberry cũng như nhận dữ liệu vị trí đích để dịch chuyển cánh tay
đến vị trí thích hợp. Ngoài ra, dữ liệu còn được truyền từ Raspberry Pi về Arduino Uno
để điều khiển bàn tay gắp thả thức ăn theo yêu cầu.
Kết quả đạt được của nhóm tác giả là mẫu robot gắp thức ăn có bàn tay gồm 3 ngón có

U
D

khả năng gắp, di chuyển và thả thức ăn vào những vị trí yêu cầu.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Lớp: 14CDT2

Họ tên sinh viên:
Lớp: 14CDT2

Nguyễn Huy Luật
Khoa: Cơ Khí
Võ Ngọc Vũ

Số thẻ sinh viên:
101140190
Ngành:
Kỹ thuật Cơ Điện tử
Số thẻ sinh viên:

Khoa: Cơ Khí

101140209

Kỹ thuật Cơ Điện tử

Ngành:

1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn
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:
Theo yêu cầu của công ty Sunfield
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí


C
C

R
L
.
T

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Kết luận
5. Các bản vẽ, đồ thị:
Bản vẽ hệ thống máy: 1A0
Bản vẽ chi tiết bàn tay robot: 1A0
Bản vẽ lưu đồ thuật toán: 1A0
Bản vẽ sơ đồ mạch điện: 1A0
6. Họ tên người hướng dẫn:
TS. Đặng Phước Vinh

U
D

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hoàn thành đồ án:

01/02/2019
01/06/2019
Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2019

Trưởng Bộ môn ………………


Người hướng dẫn

TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay, robot dần thay thế mọi hoạt động của con
người trong cuộc sống. Trong lĩnh vực thực phẩm trên thế giới, nhiều quốc gia đã nghiên
cứu và chế tạo ra các mẫu robot gắp thức ăn đa dạng về chức năng. Tuy nhiên nếu ứng
dụng với ngành thực phẩm trong nước hiện nay sẽ gặp nhiều bất cập liên quan đến kỹ
thuật, mức độ linh hoạt, chi phí đầu tư ban đầu cũng như khó khăn trong quá trình bảo
dưỡng, sửa chữa. Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Đặng Phước Vinh, cũng
như sự chia sẻ kiến thức từ các bạn, anh chị và nhiều thầy cô khác, sau một thời gian dài
nghiên cứu và thiết kế, nhóm tác giả đưa ra kết quả của quá trình Thiết kế và chế tạo
robot gắp thức ăn. Đây là giải pháp có tính ứng dụng cao trong nền thực phẩm trong
nước hiện nay.

C
C

Do khả năng tiếp thu kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên đồ án của nhóm
không thể tránh khỏi những sai sót về hình thức cũng như nội dung. Nhóm tác giả rất
mong nhận được góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn.

R
L
.
T


Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị và bạn bè đã nhiệt tình giúp
đỡ để hoàn thành đồ án này.

U
D

Nhóm tác giả
Võ Ngọc Vũ
Nguyễn Huy Luật

i


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

CAM ĐOAN
Nhóm tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của nhóm dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo TS. Đặng Phước Vinh không vi phạm các quy định về liêm chính học
thuật. Các số liệu sử dụng phân tích trong thuyết minh được thu thập từ các nguồn khác
nhau nhưng có nguồn gốc rõ ràng, được tham khảo và tính toán chính xác, không sao
chép của các luận văn trước đây. Nếu phát hiện ra có sự gian lận nào nhóm tác giả xin
chịu trách nhiệm hoàn toàn trách nhiệm.
Nhóm tác giả
Võ Ngọc Vũ
Nguyễn Huy Luật

C
C


R
L
.
T

U
D

ii


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

MỤC LỤC

Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu ........................................................................................................................i
Lời cam đoan liêm chính học thuật ................................................................................ ii
Mục lục ......................................................................................................................... iii
Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ ....................................................................v
Danh sách các cụm từ viết tắt ....................................................................................... vii
Trang
Chương 1: Tổng quan về đề tài ................................................................................. vii
1.1. Giới thiệu chung về robot ..................................................................................2
1.1.1. Tổng quan .....................................................................................................2
1.1.2. Phân loại robot ..............................................................................................3
1.2. Đối tượng ............................................................................................................4
1.3. Hệ thống gắp thức ăn tự động ...........................................................................5
Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí ......................................................7

2.1. Kết cấu của hệ thống ..........................................................................................7

C
C

R
L
.
T

U
D

2.2. Cơ cấu truyền động ............................................................................................8
2.3. Gá đỡ .................................................................................................................10
2.3.1. Gá đỡ trục dọc .............................................................................................10
2.3.2. Gá đỡ bàn tay robot.....................................................................................10
2.4. Bàn tay robot ....................................................................................................10
2.4.1. Cấu tạo ........................................................................................................10
2.4.2. Nguyên lý hoạt động ...................................................................................11
2.4.3. Cấu tạo ngón tay .........................................................................................12
2.4.4. Tính động học ngón tay robot .....................................................................13
2.4.5. Chọn động cơ ..............................................................................................15
Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển .............................................18
3.1. Sơ đồ hoạt động của hệ thống .........................................................................18
3.2. Bộ điều khiển trung tâm RPi3 .......................................................................18
3.2.1. Giới thiệu ....................................................................................................18
3.2.2. Cấu trúc của RPi 3 B ..................................................................................20
3.3. Adruino Uno .....................................................................................................22
iii



Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

3.3.1. Giới thiệu ....................................................................................................22
3.3.2. Arduino Uno R3..........................................................................................23
3.4. Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3G-60M ...................................24
3.4.1. Giới thiệu ....................................................................................................24
3.4.2. PLC Mitsubishi FX3G-60M .......................................................................25
3.4.3. Hoạt động PLC ...........................................................................................27
3.4.4. Các tính năng ..............................................................................................29
3.5. Mô-đun mở rộng CC-Link FX3U-16CCL-M ................................................29
3.6. Bộ suất PCON-CB/CFB ...................................................................................30
3.6.1. Cấu tạo và kết nối .......................................................................................31
3.6.2. Phần mềm PC Interface Software for RCEC ..............................................32
3.6.3. Kiểu kết nối điều khiển PCON ...................................................................34
3.7. Các linh kiện sử dụng ......................................................................................34
3.7.1. Camera Raspberry Pi ..................................................................................34
3.7.2. PC817..........................................................................................................35
3.8. Mạch chuyển đổi tín hiệu ................................................................................36
3.9. Điều khiển .........................................................................................................37

C
C

R
L
.
T


3.9.1. Cài đặt phần cứng và phần mềm .................................................................37
3.9.2. Tín hiệu I/O cho mỗi trục ...........................................................................41
3.9.3. Điều khiển tín hiệu ......................................................................................45
3.10. Xử lý ảnh .........................................................................................................46
3.10.1. Giới thiệu chung .......................................................................................46

U
D

3.10.2. Các ngôn ngữ lập trình..............................................................................47
3.10.3. Một số khái niệm liên quan tới xử lý ảnh .................................................49
3.10.4. Thư viện OpenCV .....................................................................................50
3.10.5. Các bước xử lí ảnh ....................................................................................51
3.11. Lưu đồ thuật toán...........................................................................................55
Chương 4: Kết luận .....................................................................................................59
4.1. Kết quả đạt được ..............................................................................................59
4.2. Hạn chế ..............................................................................................................59
4.3. Hướng phát triển ..............................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................60
PHỤ LỤC 1 ..................................................................................................................61

iv


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ

Bảng 2. 1 Thông số cơ cấu truyền động (mm) ................................................................9
Bảng 2. 2 Các thông số động học của ngón tay robot ...................................................14

Bảng 3. 1 So sánh phương pháp điều khiển PLC và Rơ-le ...........................................25
Bảng 3. 2 So sánh các phương pháp truyền dữ liệu của CC-Link ................................30
Bảng 3. 3 Điện trở khóa.................................................................................................38
Bảng 3. 4 Chiều dài cáp CC-Link .................................................................................38
Bảng 3. 5 Tín hiệu I/O ...................................................................................................43
…………………………………………………………………………………………...
Hình 1. 1 Cấu tạo chung của robot ..................................................................................3
Hình 1. 2 Công nhân làm cơm hộp trong nhà máy .........................................................5
Hình 1. 3 Robot gắp thức ăn bằng khí trong nhà máy.....................................................6
Hình 2. 1 Kết cấu hệ thống ..............................................................................................7
Hình 2. 2 Cấu tạo của cơ cấu truyền động.......................................................................8
Hình 2. 3 Các thông số hình học của bộ truyền động (mm)............................................9
Hình 2. 4 Giá đỡ trục dọc ..............................................................................................10
Hình 2. 5 Gá đỡ bàn tay robot .......................................................................................10
Hình 2. 6 Cấu tạo bàn tay robot .....................................................................................11
Hình 2. 7 Cánh tay robot khi gắp thức ăn......................................................................12
Hình 2. 8 Cánh tay robot khi duỗi .................................................................................12
Hình 2. 9 Vị trí đi dây ....................................................................................................13
Hình 2. 10 Vị trí giới hạn góc quay của ngón tay khi duỗi ...........................................13
Hình 2. 11 Vị trí giới hạn góc quay của ngón tay khi co ..............................................13
Hình 2. 12 Hệ toạ độ cho ngón tay robot ......................................................................14
Hình 2. 13 Động cơ servo DS3218................................................................................16
Hình 2. 14 Cấu tạo servo ...............................................................................................17
Hình 3. 1 Sơ đồ kết nối ..................................................................................................18
Hình 3. 2 Raspberry Pi ..................................................................................................19
Hình 3. 3 Cấu tạo Raspberry Pi 3 B ..............................................................................20
Hình 3. 4 Các chân GPIO của Raspberry ......................................................................22
Hình 3. 5 Arduino Uno R3 ............................................................................................23
Hình 3. 6 PLC Mitsubishi FX3G-60M ..........................................................................26
Hình 3. 7 Cấu tạo bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3G-60M .......................26

Hình 3. 8 Chu kỳ quét của PLC .....................................................................................28
Hình 3. 9 Mô-đun CC-Link FX3U-16CCL-M ..............................................................30
Hình 3. 10 Cấu tạo bộ PCON ........................................................................................31
Hình 3. 11 Kết nối dây PCON không sử dụng chế độ Emergency stop .......................31
Hình 3. 12 Kết nối dây PCON kích hoạt chế độ Emergency stop ................................32
Hình 3. 13 Tự động kết nối khi khởi động và chọn chế độ hoạt động ..........................32

C
C

R
L
.
T

U
D

v


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

Hình 3. 14 Thiết lập các thông số ..................................................................................33
Hình 3. 15 Thiết lập Position .........................................................................................33
Hình 3. 16 Kiểu nối dây CC-Link .................................................................................34
Hình 3. 17 Camera Raspberry .......................................................................................34
Hình 3. 18 PC817 ..........................................................................................................35
Hình 3. 19 Mạch chuyển tín hiệu PLC sang RPi...........................................................36
Hình 3. 20 Mạch chuyển tín hiệu RPi sang PLC và Uno ..............................................36

Hình 3. 21 Kết nối CC-Link ..........................................................................................37
Hình 3. 22 Kết nối dây CC-Link ...................................................................................37
Hình 3. 23 Chiều dài cáp CC-Link ................................................................................38
Hình 3. 24 Nối dây PLC kiểu SINK ..............................................................................39
Hình 3. 25 Nối dây PLC kiểu SOURCE .......................................................................39
Hình 3. 26 Cài đặt thông số trạm ...................................................................................40
Hình 3. 27 Cài đặt thông tin các trạm ............................................................................40
Hình 3. 28 Truyền dữ liệu từ PLC đến PCON ..............................................................40
Hình 3. 29 Lệnh MOVE ................................................................................................41
Hình 3. 30 Lệnh FROM.................................................................................................41
Hình 3. 31 Lệnh TO .......................................................................................................41
Hình 3. 32 Cấu trúc thanh ghi ngõ ra PLC ....................................................................44
Hình 3. 33 Cấu trúc thanh ghi ngõ vào PLC .................................................................45
Hình 3. 34 Ngôn ngữ lập trình xử lý ảnh phổ biến........................................................48
Hình 3. 35 Cấu trúc không gian 2 chiều trong ảnh........................................................50
Hình 3. 36 Cấu trúc không gian 3 chiều trong ảnh........................................................50
Hình 3. 37 Không gian màu BGR .................................................................................52
Hình 3. 38 Không gian màu HSV .................................................................................52
Hình 3. 39 Một số hình dáng của phần tử cấu trúc........................................................54
Hình 3. 40 Ảnh chụp vật................................................................................................54
Hình 3. 41 Ảnh sau khi nhị phân ...................................................................................54
Hình 3. 42 Ảnh xác định vật ..........................................................................................55
Hình 3. 43 Lưu đồ thuật toán xử lí ảnh .........................................................................55
Hình 3. 44 Lưu đồ thuật toán của Raspbery và Arduino Uno .......................................56
Hình 3. 45 Lưu đồ thuật toán của PLC ..........................................................................57
Hình 3. 46 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển bàn tay..............................58

C
C


R
L
.
T

U
D

vi


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

RPi
MP

Raspberry Pi
Megapixel

HSV
RGB

Hue, Saturation, Value
Red Green Blue

GPIO

General Purpose Input Output


I/O

In/Out

FA
Mb
CPU

Factory Automation
Megabyte
Central Processing Unit

BFM

Buffer Memory

Kbps
Mbps

Kilobit per second
Megabit per second

SV

Servo ON

µs

Microsecond


GPU

Graphics Processing Unit

ARM
RAM
A/V
CC-Link
CSI

Acorn RISC Machine
Random Access Memory
Audio/Video
Control và Communication Link
Camera Serial Interface

R
L
.
T

C
C

U
D

vii



Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, khi nền kinh tế phát triển kèm theo áp lực công việc lớn,
nhằm tiết kiệm thời gian, nhu cầu sử dụng thức ăn được chế biến sẵn của con người
ngày một tăng cao.
Để làm cơm hộp thông thường người công nhân phải đưa những loại thức ăn khác nhau
vào hộp một cách thủ công gây tốn nhiều thời gian, nhân lực cũng như không gian làm
việc dẫn đến năng suất thấp.
Đề tài thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn: robot thực hiện gắp thức ăn trên khay
chứa từ vị trí 3 vị trí ban đầu đến 3 vị trí mới cách 20-30 cm, thời gian thực hiện 1 chu
kỳ 5-6s, thức ăn không bị hư hỏng hoặc biến dạng thử nghiệm trên 3 mẫu thức ăn được
công ty Sunfield cung cấp.
Thuyết minh gồm có 4 chương với nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí

C
C

R
L
.
T

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Kết luận


U
D

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

1


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Giới thiệu chung về robot
1.1.1. Tổng quan
- Với sự phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, robot được kì vọng sẽ có vai trò
chính trong sự phát triển của công nghệ và kỹ thuật. Robot có khả năng giúp ích con
người nhiều hơn trong các công việc trong các nhà máy công nghiệp. Robot công nghiệp
có thể thay thế con người thực hiện các công việc đơn điệu, lặp đi lặp lại trong nhà máy
nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và năng suất ổn định.
- Robot trong nhà là một trong những loại robot được nghiên cứu rộng rãi nhất. Ứng
dụng của robot trong nhà có thể thấy trong cuộc sống hàng ngày như robot lau nhà trong
các hộ gia đình, robot vận chuyển trong các kho bãi, robot phục vụ trong các bệnh viện.
Nhu cầu về robot gia tăng đi kèm với sự phát triển của ngành chế tạo robot theo nhiều
hướng khác nhau và trong đó cánh tay robot gắp sản phẩm là một trong những đề tài
chưa bao giờ cũ với công nghệ robot. Việc phổ biến các cánh tay robot gắp vật cản trở

C

C

R
L
.
T

thành một bài tập cơ bản cho học sinh và sinh viên sẽ là một sự bổ trợ cho sự phát triển
của ngành công nghiệp robot nói riêng và các ngành công nghệ khác nói chung.
- Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo nhờ hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận
động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống
này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí.
- Robot có chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng
thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống
này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu hay đơn giản là hệ thống cảm biến.
- Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều

U
D

chỉnh "hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện
môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống
điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Robotics
được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các robot và
ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như
nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh
- Ứng dụng của robot không giới hạn phạm vi, do đó hầu hết robot hiện đang có đều
được dùng trong công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được
thống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi. Lớp robot này được gọi là robot công nghiệp
(Industrial Robot - IR).

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

2


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

- Robot công nghiệp là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị hình
dạng tay có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể
tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động, điều khiển trong quá trình sản xuất.
- Chức năng vận động bao gồm các hoạt động "cơ bắp" như vận chuyển, định hướng,
xếp đặt, lắp ráp, ... đối tượng. Chức năng điều khiển đề cập tới vai trò của robot như một
phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dụng cụ và vật liệu, phân loại và phân
phối sản phẩm, duy trì nhịp sản xuất và thậm chí cả điều khiển các thiết bị liên quan.
- Với đặc điểm có thể lập trình lại, robot công nghiệp là thiết bị tự động hoá khả trình
và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của hệ thống sản xuất linh hoạt.
- Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:
+ Tay máy (Manipulator) 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 (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực
của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết
hợp giữa chúng.
+ Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết

C
C


R
L
.
T

khác. Các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái thực tế của
bản thân các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của
môi trường.
+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là các máy tính để giám sát và điều khiển
hoạt động của robot.

U
D

Hình 1. 1 Cấu tạo chung của robot
1.1.2. Phân loại robot
- Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy việc phân loại robot là
một vấn đề không đơn giản. Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau và mỗi quan
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

3


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

điểm đều dựa trên những tiêu chí riêng. Tuy nhiên, chúng ta có thể phân loại robot bằng

3 cách cơ bản dựa theo kết cấu, phương pháp điều khiển và phạm vi ứng dụng của robot.
- Phân loại theo kết cấu
+ Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành các loại: đề các, trụ,
cầu, SCARA, kiểu tay người và các dạng khác.
- Phân loại theo phương pháp điều khiển
+ Có 2 phương pháp điều khiển robot: điểu khiển hở và điều khiển kín.
o Điều khiển hở dùng truyền động (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí
nén, ...) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu
điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác không cao do không kiểm soát
được vị trí của cơ cấu khi hoạt động.
o Điều khiển kín (hay điều khiển servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ
chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều
khiển theo đường.
- Phân loại theo ứng dụng
+ Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ, có robot công nghiệp,
robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng

C
C

trong quân sự, ....

R
L
.
T

U
D


1.2. Đối tượng
- Tay máy là bộ phận nền tảng, quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là thiết bị
cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc,
như nâng hạ vật, lắp ráp, .... Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế, chế tạo tay máy là phỏng
tác cấu tạo và chức năng của tay người. Về sau, đây không còn là điều bắt buộc nữa mà
các cánh tay được chế tạo linh hoạt theo mục đích ứng dụng, tính đa dạng về mẫu thiết
kế và nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot
người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc dùng cho các bộ phận trên cơ thể người như
vai (shoulder), cánh tay (arm), cổ tay (wrist), bàn tay (hand) và các khớp (articulations),
... để chỉ tay máy và các bộ phận của nó.
- Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh
hướng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:
+ Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay, ...
+ Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác có
thể với tới.
+ Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng
làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

4


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

- Để định vị và định hướng phần công tác một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều nó
cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định hướng. Một số
công việc như nâng hạ, xếp dỡ, ... yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6. Robot hàn, sơn thường

có 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc cần tối ưu hoá
quỹ đạo, ... người ta có thể dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6. Các tay máy có đặc
điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình
thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần công tác. Các khớp được dùng phổ
biến là khớp trượt và khớp quay. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể
tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA và kiểu tay người.
1.3. Hệ thống gắp thức ăn tự động
- Trong cuộc sống hiện đại, khi nền kinh tế phát triển cùng với sự tiến bộ về khoa học
kỹ thuật, năng suất lao động là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Xét riêng trong ngành
sản xuất cơm hộp, thông thường người công nhân phải di chuyển những loại thức ăn
khác nhau vào hộp một cách thủ công. Điều này đòi hỏi nguồn lao động lớn cho ngành
công nghiệp. Một số quốc gia, vùng lãnh thổ do thiếu nguồn nhân lực địa phương trầm
trọng như Nhật Bản, Đài Loan phải sử dụng nguồn lao động được xuất khẩu từ các nước
khác chỉ để chuyển thủ công thức ăn từ một vị trí cố định vào khay. Một giải pháp đưa

C
C

R
L
.
T

ra là sử dụng cơ cấu hút thức ăn nhưng giải pháp này chỉ áp dụng được đối với một số
loại thức ăn nhất định.

U
D

Hình 1. 2 Công nhân làm cơm hộp trong nhà máy


Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

5


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

Hình 1. 3 Robot gắp thức ăn bằng khí trong nhà máy
- Giải pháp của nhóm tác giả là thiết kế hệ thống gắp thức ăn với bàn tay gồm 3 ngón
tay với đặc điểm
+ Có thể gắp nhiều loại thức ăn có hình dạng khác nhau
+ Thời gian đáp ứng mỗi lần 6s.

C
C

R
L
.
T

+ Cơ cấu gắp không làm biến đổi hình dạng thức ăn.

U
D


Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

6


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

2.1. Kết cấu của hệ thống
- Mô tả: Robot gắp thức ăn từ vị trí chứa thức ăn di chuyển lên và đi qua thả vào
các khay đặt cố định bên cạnh. Trong đó, vị trí chứa thức ăn được kí hiệu là 1, 2, 3 và
vị trí thả thức ăn là 4, 5, 6 từ phải sang trái.
- Yêu cầu:
+ Robot có thể xác định vị trí và phân biệt các loại thức ăn nhất định để gắp và thả
vào đúng vị trí xác định trong hộp.
+ Robot có khả năng xác định và gắp được các loại thức ăn.
+ Tay gắp được thiết kế sao cho có thể gắp được các món ăn có hình dạng bất kỳ mà
không làm biến dạng hoặc rơi trên đường vận chuyển vào hộp thức ăn.
+ Robot đạt được tốc độ làm việc yêu cầu (5-6s/1 chu trình gắp, thả).

C
C

- Với những yêu cầu đặt ra, nhóm tác giả đã thiết kế hệ thống có kết cấu như sau

R

L
.
T

U
D

Hình 2. 1 Kết cấu hệ thống
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

7


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

- Các thành phần chính của hệ thống:
1. Giá đỡ trục dọc
2. Bộ truyền động theo trục dọc.
3. Giá đỡ bàn tay robot
4. Bàn tay robot

5. Bộ truyền động theo trục ngang
6. Khay
7. Hộp điện

2.2. Cơ cấu truyền động
- Cấu tạo chung:


C
C

R
L
.
T

Hình 2. 2 Cấu tạo của cơ cấu truyền động
1. Vị trí nối cáp
5. Con trượt
2. Lớp bao phủ động cơ
6. Lớp thép che bụi
3. Khung nối
7. Lớp bao phủ 2 bên
4. Lớp bao phủ con trượt.
8. Tấm giữ
- Cách xác định các thông số cơ bản của bộ truyền động qua mã ký hiệu
RCP6 -SA6C -WA- 42P- 6- 150- P3- M- B- **
1
2
3
4
5 6 7 8 9 10
1. Tên sê-ri: <PCP6> sê-ri tiêu chuẩn

U
D


2. Loại động cơ: Động cơ loại thuần.
3. Loại encoder: <WA> không cần thiết sử dụng pin
4. Loại motor: 42P: 42 size
5. Bước ren: 6
6. Hành trình: 150mm
7. Loại bộ điều khiển: <P3> PCONCB/CGB
8. Chiều dài cáp: <M> 5m
9. Tuỳ chọn: <B> có lực hãm
10. Chứng nhận cho sử dụng cho IAI
- Đối với hệ thống trên nhóm tác giả sử dụng 2 cơ cấu sau:
+ Trục truyền động dọc: RCP6 -SA6C - WA- 42P - 6- 150 - P3- M- B
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

8


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

+ Trục truyền động ngang: RCP6 -SA6C - WA- 42P - 20- 450 - P3- M
+ Hệ thống truyền động của 2 trục truyền động là cơ cấu vít me – đai ốc đường
kính 10mm nối với trục của động cơ servo.
+ Hành trình trục dọc là 150 mm, trục ngang 450 mm
+ Dung sai khi chuyển động ± 0.01 mm
+ Tải trọng cho phép tra bảng 1- Phụ lục 1
+ Tốc độ tra bảng 2 - Phục lục 1
+ Các thông số hình học:


C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2. 3 Các thông số hình học của bộ truyền động (mm)
Bảng 2. 1 Thông số cơ cấu truyền động (mm)
Hành trình

L

A

B

D

G

150 mm

462.5

310.5


272

1

2

450 mm

723

610.5

572

4

5

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

9


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

2.3. Gá đỡ

2.3.1. Gá đỡ trục dọc

C
C

R
L
.
T

Hình 2. 4 Giá đỡ trục dọc

- Gá đỡ có nhiệm vụ giữ bộ truyền động theo trục dọc cố định để di chuyển bàn tay robot
đến vị trí cần thiết để thực hiện gắp thức ăn.
2.3.2. Gá đỡ bàn tay robot

U
D

Hình 2. 5 Gá đỡ bàn tay robot
- Gá đỡ có nhiệm vụ giữ cho bàn tay robot cố định không rung lắc khi hoạt động.
2.4. Bàn tay robot
2.4.1. Cấu tạo
- Bàn tay robot gồm 3 ngón tay với các đốt xoay linh hoạt có khả năng gắp thả các vật
thể có hình dạng khác nhau. Mỗi ngón được điều khiển một cách độc lập nhờ các động
cơ servo riêng.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


10


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

C
C

Hình 2. 6 Cấu tạo bàn tay robot

R
L
.

- Trong đó:
1. Các tấm đỡ
2. Động cơ điều khiển
3. Thanh nâng

D

T
U

5. Tấm nâng
6. Đĩa quay
7. Trục giữ

4. Các ngón tay

- Giữa trục bàn tay robot là camera có nhiệm vụ xử lí ảnh nhằm xác định các thông số
cần thiết để điều khiển các ngón tay, trên mỗi ngón tay được phủ một lớp cao su mềm
để không làm biến dạng thức ăn mà vẫn giữ được không làm rơi rớt khi di chuyển.
- Các động cơ được gắn sẵn các đĩa quay để kéo dây và cố định trên một tấm nâng.
- Toàn bộ bàn tay thiết kế cố định nhờ các trục giữ và lắp với đồ gá nhờ các tấm đỡ.
2.4.2. Nguyên lý hoạt động
- Các ngón tay được cố định trị trí ban đầu là duỗi thẳng nhờ lực căng của lò xo. Khi
cần gắp thức ăn, động cơ kéo dây được đi sẵn bên trong các khớp. Khi lực kéo đạt được
giá trị đủ lớn so với lực đàn hồi của lò xo thì các ngón tay co lại. Góc quay của động cơ
được chiều chỉnh sao cho lớp cao su đàn hồi ở đốt cuối vừa chạm vào thức ăn, đảm bảo
thức ăn không bị hư hỏng, rơi vỡ.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

11


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

C
C

Hình 2. 7 Cánh tay robot khi gắp thức ăn
- Khi thực hiện thả thức ăn vào khay, động cơ xoay theo chiều ngược lại làm các dây
giãn ra, lực đàn hồi của lò xo lúc này lớn hơn lực căng dây. Lúc này, các ngón tay duỗi

R

L
.
T

thẳng về vị trí ban đầu.

U
D

Hình 2. 8 Cánh tay robot khi duỗi
2.4.3. Cấu tạo ngón tay
- Mỗi ngón tay được cấu tạo bởi 2 đốt nối với nhau thông qua các trục và được cố định
vị trí ban đầu nhờ các lò xo. Dây kéo được luồn vào trong các rãnh trên mỗi đốt tay và
đi qua một lỗ cố định trên tấm nâng để nối với động cơ.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

12


Thiết kế và chế tạo robot gắp thức ăn

Hình 2. 9 Vị trí đi dây
- Trên đốt giữa và tấm nâng được thiết kế thêm các chốt nhằm giới hạn góc quay cho
ngón tay. Cụ thể đốt cuối chỉ có thể quay một góc tối đa 90° quanh đốt giữa và đốt giữa
chỉ có thể quay một góc tối đa 90° quanh tấm nâng.

Hình 2. 10 Vị trí giới hạn góc quay của ngón tay khi duỗi


C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2. 11 Vị trí giới hạn góc quay của ngón tay khi co
2.4.4. Tính động học ngón tay robot
- Ta đặt hệ tọa độ cho ngón tay robot theo quy tắc Denavit - Hatenberg như sau:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Luật
Võ Ngọc Vũ

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

13