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 TẢI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
ẢNH

Người hướng dẫn: TS. VÕ NHƯ THÀNH
Sinh viên thực hiện: VI ĐÔNG VŨ
LÊ MAI XUÂN
Số thẻ sinh viên
: 101140171
101140172
Lớp: 14CDT1

Đà Nẵng, 2019


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin chung:
1. Họ và tên sinh viên: Vi Đông Vũ - Lê Mai Xuân
2. Lớp: 14CDT1 Số thẻ SV: 101140171- 101140172
3. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên
băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh
4. Người hướng dẫn: Ngô Thanh Nghị - Nguyễn Danh Ngọc
5 Học hàm/ học vị: Tiến sĩ
II. Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:
1. Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
2. Về kết quả giải quyết các nội dung nhiệm vụ yêu cầu của đồ án: (điểm tối đa là 4đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
3. Về hình thức, cấu trúc, bố cục của đồ án tốt nghiệp: (điểm tối đa là 2đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
4. Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp
hoặc nhà trường: (điểm tối đa là 1đ)
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
5. Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:
………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………..
III. Tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: (điểm tối đa 1đ)
………………………………………………………………………………………..
IV. Đánh giá:

1. Điểm đánh giá:

……../10 (lấy đến 1 số lẻ thập phân)

2. Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án

☐ Bổ sung để bảo vệ

☐ Không được bảo vệ

Đà Nẵng, ngày
Người hướng dẫn

tháng

năm 201


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
I.
1.
2.


Thông tin chung:
Họ và tên sinh viên: Vi Đông Vũ – Lê Mai Xuân
Lớp: 14 CDT1
Số thẻ SV: 101140171 - 101140172

3.

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm

trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh
Người phản biện: PGS- TS : Trần Xuân Tùy
TS: Đặng Phước Vinh

4.

ThS: Nguyễn Đắc Lực
Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

II.

TT Các tiêu chí đánh giá

1

1a

1b

1c


Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải quyết
đủ nhiệm vụ đồ án được giao
Tính mới (nội dung chính của ĐATN có những phần
mới so với các ĐATN trước đây).
Đề tài có giá trị khoa học, cơng nghệ; có thể ứng dụng
thực tiễn.

80

15

Kỹ năng giải quyết vấn đề; hiểu, vận dụng được kiến
thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu.
50
Chất lượng nội dung ĐATN (thuyết minh, bản vẽ,
chương trình, mơ hình,…).
Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm ứng
dụng trong vấn đề nghiên cứu;
Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài 15
ứng dụng trong vấn đề nghiên cứu;
-

Có kỹ năng làm việc nhóm;

2

Kỹ năng viết:

2a


tích

Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc

-

Thuyết minh đồ án khơng có lỗi chính tả, in ấn, định

2b

Điểm
Điểm
đánh
tối đa
giá

dạng

20
15
5


3

Tổng điểm đánh giá theo thang 100:
Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)

1.


Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

………………………………………..…………………………………………………
……………………………………...
2.
Câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời trong buổi bảo vệ:
…………………………………………………………………………………………
………………………………...
3.

Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án

bảo vệ
Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 201…

☐ Bổ sung để bảo vệ

☐ Không được


TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên
băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh
Sinh viên thực hiện: Vi Đông Vũ – Lê Mai Xuân
Số thẻ SV: 101140136- 101140151
Lớp: 14CDT1

Nội dung tóm tắt: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot ứng dụng
công nghệ xử lí ảnh. Sản phẩm với các màu sắc khác nhau nằm trên băng tải động, khi
đến vùng xử lí.Q trình phân loại sản phẩm sẽ thực hiện dựa trên việc thu thập thơng
tin về, màu sắc, hình dạng và góc lệch của sản phẩm thông qua hệ thống camera.
Camera lấy dữ liệu, qua phân tích và tính tốn của máy tính. Xuất tín hiệu để điều
khiển cánh tay robot thực hiện công việc phân loại. Các sản phẩm được phân loại theo
mào sắc được phân chia vào các khay đúng theo yêu cầu.


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

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Vi Đông Vũ – Lê Mai Xuân
Số thẻ sinh viên: 10114071 - 101140172
Lớp:14CDT1
Khoa:Cơ khí

Ngành: Cơ điện tử

Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo cánh tay 5 bậc tự do phân loại sản phẩm

1.

trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh.

2.

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

hiện
3.

Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a.Phần chung.
STT

Họ và tên

1

Vi Đơng Vũ

2

Lê Mai Xn

Nội dung
Tìm hiểu một số một số cơ cấu ngoài thực tế để đưa ra
ý tưởng tốt nhất.
Tìm hiểu ngun lí hoạt động , lựa chọn các cơ cấu
phù hợp.
Tìm hiểu tài liệu và phần mềm liên quan.
Hoàn thiện thuyết minh.


b.Phần riêng.
STT

Họ và tên

Nội dung

1

Vi Đơng Đơng

Tìm hiểu các linh kiện điện tử, Lập trình hệ
thống.

2

Lê Mai Xuân

Thiết kế hệ thống bằng phần mềm solidworks,
tính tốn phần động học,

5. Các bản vẽ, đồ thị
a. Phần chung
Họ và tên

Nội dung
vẽ

STT

1

Bản

Vi Đông Vũ

Bản vẽ tổng thể

A0


Lê Mai Xuân

2

Bản vẽ sơ đồ động

b. Phần riêng
Họ và tên

Nội dung

Bản
vẽ

STT
1
2

Vi Đông Vũ

Lê Mai Xuân

Bản vẽ sơ đồ mạch điện
Bản vẽ chi tiết

A0

Bản vẽ lắp
Lưu đồ thuật toán

6. Họ tên người hướng dẫn: TS Ngô Thanh Nghị - TS Nguyễn Danh Ngọc.
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 01./02./2019
8. Ngày hồn thành đồ án:

01./06./2019
Đà Nẵng, ngày
tháng
Trưởng Bộ mơn ……………………..
Người hướng dẫn

năm 2019


LỜI NĨI ĐẦU

Trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng
đóng một vai trò quan trọng. Với tốc độ phát triển như hiện nay chúng ta không chỉ
cần một lượng lao động khổng lồ mà cịn địi hỏi có trình độ, chất lượng tay nghề, kỹ
thuật lao động và thiết bị sản xuất. Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng
cao thì vấn đề tự động hố ngày càng được chú trọng.

Trong cách mạng công nghiệp 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào sản
xuất, kinh doanh là một xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao. Trên thế
giới đã có nhiều nhà máy sử dụng toàn bộ hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa,
đưa rơ-bốt vào thay thế sức lao động của con người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ chính
xác cao. Nhờ vào robot, cuộc sống của chúng ta ngày càng tiện nghi và an toàn hơn.
Thật vậy, robot đang dần thay thế con người trong những công việc nguy hiểm như
cứu nạn, cứu hộ, kiểm tra các môi trường độc hại, những nơi ảnh hưởng trực tiếp đến
sức khoẻ và tính mạng con người. Khơng chỉ vậy, trong các hộ gia đình, robot đã và
đang giúp chúng ta thực hiện những công việc nhàm chán và mất nhiều thời gian như
lau nhà, hút bụi… nhờ đó chất lượng cuộc sống ngày càng cao hơn.
Kết hợp xu thế phát triển của thời đại cũng những những kiến thức đã học, Nhóm
chúng em đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại
sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh”.
Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy TS. Ngô Thanh Nghị và
TS. Nguyễn Danh Ngọc cùng với sự cố gắng của hai thành viên trong nhóm đến nay
đồ án đã hồn thành. Tuy nhiên với kiến thức cịn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng cịn
thiếu, mặc dù có nhiều cố gắng song nhóm em vẫn cịn nhiều thiếu sót cần bổ sung,
hồn thiện. Kính mong các thầy cơ thơng cảm và góp ý để đề tài của nhóm em hồn
thiện hơn và có thể phát triển, ứng dụng trong thời gian sắp tới.
Đà Nẵng, ngày 03 tháng 6 năm 2019
Nhóm sinh viên thực hiện

Vi Đơng Vũ

i

Lê Mai Xn


CAM ĐOAN


Chúng tôi xin cam đoan:
Những nội dung trong đồ án này là do chúng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực
tiếp của Thầy TS. Ngô Thanh Nghị và TS. Nguyễn Danh Ngọc.
Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình,
thời gian, địa điểm cơng bố.
Mọi sao chép khơng hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, chúng tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm.
Nhóm Sinh viên thực hiện

Vi Đông Vũ

ii

Lê Mai Xuân


MỤC LỤC

TÓM TẮT ................................................................................................................... v
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... vi
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. i
CAM ĐOAN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................... 2
1.1.Giới thiệu về đề tài................................................................................................. 2
1.2Phân tích đề tài ....................................................................................................... 4
1.3. Tính cấp thiết của đề tài. ....................................................................................... 4
1.4. Cấu trúc của đề tài................................................................................................. 4
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ........................................................... 6

2.1. Thiết kế cánh tay robot.......................................................................................... 6
2.1.1 Phân tích lựa chọn phương án . .......................................................................... 6
2.1.2. Tính chọn động cơ cho robot. ............................................................................. 7
2.1.3

Mô phỏng 3D cánh tay robot. ......................................................................... 9

2.1.4

Chọn vật liệu cho robot................................................................................. 10

2.1.5

Thiết kế bộ phận truyền chuyển động cho các khớp của robot .................... 11

Khớp 1 ( Khớp đế ) .................................................................................................... 11
2.2 Thiết kế hệ thống băng tải .................................................................................... 12
2.2.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 12
2.2.2 Nguyên lí hoạt động: ........................................................................................ 13
2.2.3 Tính tốn và chọn thiết bị cho băng tải. ............................................................. 13
2.2.4. Lựa chọn và tính tốn băng tải ......................................................................... 15
2.3

Thiết kế khay chứa sản phẩm ........................................................................... 18
iii


2.4. Sơ đồ động hệ thống. ......................................................................................... 19
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................................... 22
3.1Sơ đồ khối của hệ thống. ....................................................................................... 22

3.2. Vi điều khiển Arduno. ......................................................................................... 22
3.2.1.Tổng quan ......................................................................................................... 22
3.2.2. Thông số kĩ thuật –Uno R3 .............................................................................. 23
3.2.3. I/O Pins ............................................................................................................ 23
3.3 . Mạch điều khiển động cơ bước A4988. .............................................................. 24
3.3. Module LM2596 ................................................................................................. 25
3.4 . Khối nguồn 12V................................................................................................. 26
3.5. Sơ đồ mạch điện ................................................................................................. 27
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .................................. 28
4.1 Tính toán động học cánh tay robot. ...................................................................... 28
4.2. Xử lý ảnh ........................................................................................................... 32
4.2.1. Tổng quan về xử lý ảnh .................................................................................... 32
4.2.2. phần mềm matlab. ............................................................................................ 34
4.2.3.Cấu trúc dữ liệu matlab và các ứng dụng ........................................................... 34
4.2.4.Cấu trúc của chương trình Matlab ..................................................................... 34
4.2.5.Toolbox bắt ảnh và xử lý ảnh ............................................................................ 35
4.2.6Các hàm xử lý ảnh cơ bản trong Matlab ............................................................. 35
4.2.7.Tạo giao diện người dùng nhờ công cụ Guide ................................................... 37
4.3. Lưu đồ thuật tốn Matlab và xử lí ảnh. ............................................................... 41
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 46

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1Thông số kỹ thuật động cơ Nema 17 .............................................................. 7
Bảng 2.2 Thông số động cơ servo SG90 ...................................................................... 9
Bảng 2.3 Thông số các khâu của cánh tay robot. ........................................................ 12
Bảng 3.1.Thông số kỹ thuật – Uno R3 ....................................................................... 23

Bảng 3.2. Thông số kĩ thuật LM2596 ......................................................................... 25
Bảng 4.1 Thông số DH .............................................................................................. 28

v


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Q trình phát triển cơng nghiệp qua các thời kì. ........................................... 2
Hình 1.2 Cánh tay robot hoạt động trên dây chuyền sản xuất công nghiệp ................... 3
Hình 1.3. Ứng dụng xử lí ảnh phân loại sản phẩm ........................................................ 3
Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống phân loại sản phẩm tự động ........................................... 4
Hình 2.1: Sơ đồ động của robot 5 bậc tự do RRRRR ................................................... 6
Hình 2.3. Động cơ bước giảm tốc Nema 17 ................................................................. 7
Hình 2.4. Động cơ servo SG90. ................................................................................... 8
Hình 2.5 Mơ phỏng 3D cánh tay robot. ........................................................................ 9
Hình 2.5. Nhơm tấm .................................................................................................. 10
Hình 2.6. Cơ cấu gắp vật............................................................................................ 11
Hình 2.7 Vịng bi chà 40mm x 60mm ........................................................................ 11
Hình 2.8. Cơ cấu thanh truyền . ................................................................................. 12
Hình 2.9. Cấu tạo của băng tải ................................................................................... 13
Hình 2.10. Bộ truyền đai ............................................................................................ 14
Hình 2.11. Bộ truyền xích. ......................................................................................... 14
Hình 2.12. Bộ truyền đai răng. ................................................................................... 15
Hình 2.13. Dây băng tải xanh..................................................................................... 16
Hình 2.14 Sơ đồ tính tốn để xác định cơng suất băng tải .......................................... 16
Hình 2.15. Khay chứa sản phẩm. ............................................................................... 18
Hình 2.16. Sơ đồ động tồn bộ hệ thống .................................................................... 19
Hình 2.17. Mơ phỏng 3D tồn bộ hệ thống. ............................................................... 20
Hình 2.18. Mơ hình đã chế tạo. .................................................................................. 20
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.................................................................................... 22

Hình 3.2 Sơ đồ chi tiết của Uno R3 ............................................................................ 23
Hình 3.3: Sơ đồ chân của Atmega328 ........................................................................ 24
Hình 3.4. Mạch điều khiển động cơ bước A4988 đỏ .................................................. 25
Hình 3.5. Module hạ áp LM2596 ............................................................................... 25
Hình 3.6. khối nguồn 12V .......................................................................................... 26
Hình 3.7. Sơ đồ mạch điện ......................................................................................... 27
vi


Hình 4.1. Hệ tọa độ của cánh tay robot. ..................................................................... 28
Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình ................................................................... 31
Hình 4.3: Các quá trình xử lý ảnh ............................................................................. 32
Hình 4.4 Cửa sổ Guide............................................................................................... 37
Hình 4.5 Cửa sổ biên soạn GUI ................................................................................. 38
Hình 4.6 Cửa sổ thuộc tính của Edit Text................................................................... 39
Hình 4.7. Giao diện của chương trình. ....................................................................... 40
Hình 4.8. Lưu đồ thuật tốn Matlab ........................................................................... 41
Hình 4.9. Lưu đồ thuật tốn xử lí ảnh......................................................................... 42

vii


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

MỞ ĐẦU

Mục đích thực hiện đề tài: Thiết kế chế tạo một hệ thống phân loại sản phẩm tự động
trên băng tải động bằng cánh tay robot ứng dụng cơng nghệ xử lí ảnh. Với việc áp
dụng cơng nghệ xử lí ảnh, nó sẽ làm tăng năng suất và tránh những sai sót có thể xảy
ra trong quá trình sản xuất.

Mục tiêu đề tài: Củng cố lại những kiến thức đã học vào thực tế từ thiết kế chế tạo cơ
khí, mạch điện, lập trình, …. Qua đó hiểu rõ hơn về ngành học cũng như những cơng
việc trong tương lai, để từ đó bổ sung thêm kiếm và rút kinh nghiệm sau này.
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:
Phạm vi: Hệ thống bao gồm những phần chính như: 1 cánh tay robot 5 bậc tự do, 1 hệ
thống băng tải động, 1 camera xử lý ảnh, máy tính. Phạm vi ở dạng mơ hình nhỏ gọn,
phù hợp với việc thực hành và nghiên cứu.
Đối tượng: Cánh tay Robot 5 bậc tự do, hệ thống băng tải, camera xử lý ảnh, máy tính.
Phương Pháp nghiên cứu: Vận dụng các kiến thức đã học từ các mơn liên quan trong
suốt q trình học từ cơ khí, điện tử và lập trình để tiến hành làm mơ hình. Đồng thời
nghiên cứu, học hỏi từ các nguồn khác nhau, ( internet, sách, bài chia sẻ….)
Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đặc điểm động học và động lực học robot, bộ truyền
cho băng tải, lập trình cho robot và xử lý ảnh để nhận diện sản phẩm.
Nghiên cứu thiết kế: Tính tốn và vẽ kết cấu robot, băng tải.
Chế tạo: Dựa vào kết quả tính tốn và thiết kế sau đó tiến hành thi cơng chế tạo
Cấu trúc đồ án tốt nghiệp: Gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống
Chương 2: Thiết kế và tính tốn phần cơ khí
Chương 3: Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Xử lý ảnh
Kết Luận

1
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc



Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.

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 cơng nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và
thơng minh hơn. Ngày nay, ngồi 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, nơng 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 cơng nghệ lớn sau
Internet.

Hình 1.1 Q trình phát triển cơng 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 cịn phải kể đến
các cơng 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
2
SVTH: Vi Đông Vũ

Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

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 cơng 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
3
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc



Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

ngồi mơi trường. Từ việc nhận dạng có thể giải quyết rất nhiều bài tốn như tránh vật
cản, dị đường, tìm tọa độ của vật…
Với xu hướng của thời đại và sự bùng nổ cuộc cách mạng 4.0, việc ứng dụng
cơng 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.
1.2 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 cơng nghiệp ứng dụng cơng 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 cơng 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
1.3 . 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 khơng. 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 cơng
nghệ, giảm chi phí sản xuất, đồng thời hạn chế những sai sót trong q 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.
4
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

Tính tốn 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 tốn cơ cấu và chế tạo hệ thống sao cho phù hợp.
Tính tốn 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.

5
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ.

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
❖ Ưu điểm:
• 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).
❖ Nhược điểm:
• Khơng có khả năng nâng hạ vật theo chiều dọc trục như chuyển động tịnh tiến.
6
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị

TS. Nguyễn Danh Ngọc


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

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 hồn tồn 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

1.

Tỉ số

3969/298

2.


Điện áp cấp tối đa

24VDC

3.

Dòng điện tối đa

1.7A

4.

Độ phân giải bước

1.8 độ

5.

Độ dài hộp số

38.5mm
7

SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc



Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

b.

6.

Kích thước

42x42x106mm

7.

Momen xoắn

60kgf.cm

8.

Khối lượng

550g

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.
❖

Ưu điểm:
• Hoạt động chính xác.
• Chi phí sản xuất thấp.
• Kết cấu đơn giản.
• Hệ thống điều khiển đơn giản.

❖

Nhược điểm:
• Hoạt động khơng 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.
8
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

Bảng 2.2 Thơng số động cơ servo SG90

STT

Đại lượng

Giá trị

1.

Khối lượng

9g

2.

Kích thước

22.2x11.8x32mm

3.

Momen xoắn

1.8kg/cm

4.

Tốc độ hoạt động

60o/0.1s


5.

Điện áp hoạt động

4.8V(~5V)

6.

Nhiệt độ hoạt động

0oC – 55oC

2.1.3 Mô phỏng 3D cánh tay robot.

Hình 2.5 Mơ phỏng 3D cánh tay robot.
Dựa vào việc tính tốn 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.
9
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc


Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh


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 nhơm tấm.
❖ Ưu điểm:
• Trọng lượng nhẹ.
• Độ bền cao
• Độ chịu tải tốt so với in nhựa 3D và nhựa tấm mica.
❖ Nhược điểm: Chi phí cao trong việc q trình gia cơng

Hình 2.5. Nhơm tấm
Với cơ cấu gắp vật.
Vật thể được làm bằng xốp nhẹ, kích thước nhỏ gọn nên tay gắp khơng địi 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)
b.

• Độ chính xác cao.
• Khối lượng nhẹ.
• Chi phí rẻ.
❖ Nhược điểm:
• Độ chịu tải kém.
• Khả năng giữ vật thể không cao so với việc sử dụng xilanh khí nén.
10
SVTH: Vi Đơng Vũ
Lê Mai Xn

GVHD: TS. Ngơ Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc



Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do phân loại sản phẩm trên băng tải sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh

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 vịng bi chà
trịn, 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 vịng bi chà đường kính trong 40mm , đường kính ngồi 60mm.

Hình 2.7 Vịng bi chà 40mm x 60mm
11
SVTH: Vi Đông Vũ
Lê Mai Xuân

GVHD: TS. Ngô Thanh Nghị
TS. Nguyễn Danh Ngọc