Đồ án tốt nghiệp: Cánh tay robot phân loại sản phẩm trên băng chuyền theo màu sắc

• Tác giả: Trần Ngọc Tú
• Người hướng dẫn: Giảng viên Ngô Đức Thiện
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Cánh tay robot phân loại sản phẩm trên băng chuyền theo màu sắc
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Tóm tắt

I. Tổng quan về cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc

Cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc là hệ thống tự động hóa ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại. Hệ thống kết hợp công nghệ thị giác máy tính với cơ chế chấp hành cơ khí để nhận diện và phân loại sản phẩm trên băng chuyền. Robot sử dụng cảm biến màu sắc để phát hiện màu của vật thể. Sau đó, cánh tay robot thực hiện động tác gắp và đặt sản phẩm vào đúng vị trí quy định. Hệ thống bao gồm các thành phần chính: bộ điều khiển trung tâm, cảm biến nhận diện màu, động cơ servo điều khiển khớp robot và băng chuyền vận chuyển sản phẩm. Arduino Uno thường được sử dụng làm bộ điều khiển chính nhờ tính linh hoạt và chi phí thấp. Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được áp dụng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều vận hành băng tải. Cảm biến hồng ngoại hỗ trợ phát hiện vật cản trong khoảng cách từ 2 đến 30cm, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong môi trường sản xuất thực tế.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động cơ bản

Cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc hoạt động dựa trên nguyên lý nhận diện màu sắc bằng cảm biến và điều khiển cơ cấu chấp hành. Hệ thống sử dụng cảm biến TCS3200 để đọc giá trị màu RGB của sản phẩm trên băng chuyền. Khi sản phẩm di chuyển qua vùng cảm biến, bộ vi xử lý Arduino phân tích tín hiệu và xác định màu sắc. Dựa trên kết quả nhận diện, lệnh điều khiển được gửi đến các động cơ servo để cánh tay robot thực hiện thao tác gắp sản phẩm. Quy trình này diễn ra liên tục và tự động, giúp tăng năng suất phân loại.

1.2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống robot

Hệ thống phần cứng bao gồm nhiều thành phần phối hợp hoạt động. Bộ điều khiển trung tâm Arduino Uno R3 đóng vai trò xử lý tín hiệu và điều khiển toàn bộ hệ thống. Động cơ servo được lắp tại các khớp của cánh tay robot, cho phép chuyển động linh hoạt với nhiều bậc tự do. Băng chuyền sử dụng động cơ DC điều khiển bằng phương pháp PWM. Cảm biến hồng ngoại được bố trí để phát hiện sự hiện diện của sản phẩm. Các linh kiện điện tử được kết nối thông qua các chân I/O và giao tiếp UART, tạo thành hệ thống nhúng hoàn chỉnh.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật và thách thức

Thiết kế cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc đặt ra nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Bài toán động học là yếu tố cốt lõi, bao gồm động học thuận và động học ngược. Động học thuận xác định vị trí và hướng của khâu tác động cuối dựa trên các góc khớp đã biết. Động học ngược tính toán các góc khớp cần thiết để đạt vị trí mong muốn. Số bậc tự do của robot ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thao tác. Thông thường, robot cần tối thiểu sáu bậc tự do để tiếp cận đối tượng theo mọi hướng. Ba bậc chuyển động cơ bản đảm nhận vai trò định vị, ba bậc bổ sung thực hiện định hướng. Bài toán nhận diện màu sắc cũng đòi hỏi độ chính xác cao. Điều kiện ánh sáng môi trường, khoảng cách cảm biến và tốc độ băng chuyền đều ảnh hưởng đến kết quả phân loại. Hệ thống phải được hiệu chuẩn kỹ lưỡng để đạt hiệu suất ổn định trong điều kiện vận hành thực tế.

2.1. Bài toán động học cánh tay robot

Bài toán động học là nền tảng toán học để điều khiển cánh tay robot. Động học thuận sử dụng các ma trận biến đổi tọa độ để xác định vị trí khâu cuối cùng khi biết góc các khớp. Động học ngược giải quyết vấn đề ngược lại, tìm góc khớp để đạt vị trí mục tiêu. Thuật giải cho bài toán động học thuận thường sử dụng ký hiệu Denavit-Hartenberg. Robot có cấu trúc khớp bản lề thường có không gian hoạt động dạng hình cầu. Việc tính toán chính xác giúp robot thực hiện thao tác gắp và đặt sản phẩm mượt mà, chính xác.

2.2. Thách thức trong nhận diện và phân loại màu sắc

Nhận diện màu sắc chính xác là thách thức lớn trong hệ thống phân loại. Cảm biến màu TCS3200 hoạt động dựa trên nguyên lý lọc quang học, chuyển đổi tần số phản xạ ánh sáng thành tín hiệu số. Điều kiện ánh sáng thay đổi trong môi trường nhà máy có thể gây sai lệch kết quả đo. Khoảng cách giữa cảm biến và sản phẩm phải được tối ưu hóa để đạt độ chính xác cao nhất. Tốc độ băng chuyền cũng cần điều chỉnh phù hợp, đảm bảo cảm biến có đủ thời gian đọc màu. Việc hiệu chuẩn cảm biến trước khi vận hành là bước không thể bỏ qua.

III. Giải pháp thiết kế phần cứng và phần mềm hệ thống

Giải pháp thiết kế hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm bao gồm hai phần chính: phần cứng và phần mềm. Về phần cứng, hệ thống sử dụng Arduino Uno R3 làm bộ điều khiển trung tâm. Động cơ servo được gắn tại các khớp robot, điều khiển bằng tín hiệu PWM với độ phân giải phù hợp. Băng chuyền vận hành bằng động cơ DC, được điều khiển thông qua mạch cầu H. Cảm biến hồng ngoại phát hiện sản phẩm trên băng chuyền, còn cảm biến màu TCS3200 đọc giá trị màu sắc. Về phần mềm, chương trình được viết trên nền tảng Arduino IDE. Thuật toán điều khiển bao gồm các module: khởi tạo hệ thống, đọc cảm biến, xử lý tín hiệu màu, tính toán động học và điều khiển servo. Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được áp dụng để điều khiển tốc độ động cơ DC chính xác. Giao tiếp giữa các module sử dụng giao thức UART. Chương trình được tối ưu hóa để xử lý thời gian thực, đảm bảo phản hồi nhanh chóng.

3.1. Thiết kế mạch điều khiển và hệ thống chấp hành

Mạch điều khiển được xây dựng dựa trên vi điều khiển Arduino Uno R3 với cấu hình chân I/O linh hoạt. Động cơ servo được kết nối trực tiếp với các chân PWM của Arduino. Mạch nguồn cung cấp điện áp ổn định cho toàn bộ hệ thống. Module cảm biến hồng ngoại sử dụng IC so sánh LM393, hoạt động ở điện áp 3.3V đến 6VDC. Động cơ DC điều khiển băng chuyền được kết nối qua mạch cầu H để đảo chiều quay. Hệ thống dây dẫn được bố trí gọn gàng, dễ bảo trì và sửa chữa trong quá trình vận hành.

3.2. Thuật toán điều khiển và xử lý tín hiệu màu

Thuật toán điều khiển được xây dựng theo mô hình trạng thái. Chương trình liên tục kiểm tra tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại để phát hiện sản phẩm mới trên băng chuyền. Khi phát hiện sản phẩm, cảm biến màu TCS3200 được kích hoạt để đọc giá trị RGB. Vi xử lý so sánh giá trị đo được với ngưỡng đã cài đặt để phân loại màu sắc. Dựa trên kết quả phân loại, thuật toán tính toán góc quay cho từng servo và gửi tín hiệu điều khiển. Quy trình xử lý diễn ra trong thời gian thực, đảm bảo năng suất phân loại cao.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng cánh tay robot

Đồ án cánh tay robot phân loại sản phẩm theo màu sắc đã đạt được mục tiêu đề ra. Hệ thống hoạt động ổn định, có khả năng nhận diện và phân loại sản phẩm với độ chính xác cao. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có thể phân loại hiệu quả nhiều loại sản phẩm theo màu sắc khác nhau. Tốc độ phân loại đạt yêu cầu kỹ thuật, phù hợp với dây chuyền sản xuất quy mô nhỏ và vừa. Hệ thống nhúng được xây dựng hoàn chỉnh, bao gồm đầy đủ phần cứng và phần mềm. Ứng dụng thực tế của hệ thống rất đa dạng. Trong công nghiệp thực phẩm, robot phân loại trái cây, bánh kẹo theo màu sắc bao bì. Ngành sản xuất linh kiện điện tử sử dụng hệ thống để phân loại bo mạch, chip theo mã màu. Ngành dược phẩm áp dụng công nghệ này để phân loại thuốc theo màu viên. Chi phí đầu tư thấp nhờ sử dụng Arduino và các linh kiện phổ biến. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để cải thiện độ chính xác nhận diện và mở rộng khả năng phân loại.

4.1. Đánh giá hiệu quả và ưu điểm của hệ thống

Hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm có nhiều ưu điểm nổi bật. Chi phí đầu tư ban đầu thấp do sử dụng Arduino Uno và các linh kiện điện tử phổ biến. Hệ thống dễ bảo trì và nâng cấp khi cần thiết. Độ chính xác phân loại cao, đạt tỷ lệ trên 90% trong điều kiện ánh sáng ổn định. Tốc độ xử lý nhanh nhờ vi điều khiển hoạt động ở tần số 16MHz. Hệ thống tiêu thụ ít năng lượng, phù hợp với yêu cầu sản xuất xanh. Khả năng mở rộng linh hoạt, có thể thêm nhiều màu sắc phân loại hơn.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong công nghiệp

Hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Hướng phát triển chính bao gồm tích hợp camera công nghiệp kết hợp thuật toán học sâu để cải thiện khả năng nhận diện. Sử dụng robot nhiều bậc tự do hơn để tăng tính linh hoạt trong thao tác. Kết nối mạng công nghiệp để giám sát và điều khiển từ xa. Ứng dụng trong ngành logistics để phân loại kiện hàng theo mã màu. Ngành sản xuất ô tô sử dụng để phân loại phụ tùng theo màu sơn. Hệ thống có thể tích hợp với phần mềm quản lý sản xuất để tối ưu hóa quy trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài nghiên cứu và thực hiện đến nay đề tài tốt nghiệp “Cánh tay robot phân loại sản phẩm trên băng chuyền theo màu sắc” có thể nói bước đầu đã hoàn thiện. Chỉ còn một ít thời gian nữa là em sẽ hoàn thành chương trình đại học và bắt đầu một con đường mới. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa kỹ thuật điện tử 1 của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong suốt quá trình em học tập tại học viện đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em để em có thể trang bị cho mình những kiến thức nền tảng trên con đường sự nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt và chân thành nhất tới thầy Ngô Đức Thiện-giảng viên Khoa Kỹ thuật điện tử 1 đã hết mình hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhờ sự chỉ bảo và những kiến thức thầy truyền đạt đã giúp em hoàn thành được đề tài tốt nghiệp này. Qua đây em cũng muốn gửi lời cảm ơn tới những người bạn đã đồng hành cùng mình suốt những năm tháng đại học, những người thân thiết và đặc biệt em muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình mình, nguồn động lực cũng như nguồn động viên to lớn để giúp em hoàn thành những năm tháng sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực hiện Trần Ngọc Tú Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 i Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC . i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT . iii DANH MỤC HÌNH VẼ .iv DANH MỤC CÁC BẢNG . vi MỞ ĐẦU . vi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT . Tổng quan chung . Lịch sử phát triển . Một số định nghĩa về Robot . Phân loại Robot . Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động . Phân loại theo thế hệ . Phân loại theo bộ điều khiển . Phân loại robot theo nguồn dẫn động . Cánh tay robot . Khái niệm bậc tự do của robot . Bài toán động học . Bài toán động học thuận . Bài toán động học ngược . Thuật giải cho bài toán động học thuận . Xây dựng mô hình hệ thống nhúng cho robot .1: Khối điều khiển: . 24 Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 i Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC 31 3. Yêu cầu kỹ thuật của thiết kế . THIẾT KẾ PHẦN CỨNG . Các linh kiện điện tử được sử dụng . Nguyên tắc hoạt động của hệ thống . THIẾT KẾ PHẦN MỀM . KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC . Bài toán điều khiển . Bài toán nhận diện màu sắc . 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO . 55 Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DC: Direct Current Dòng điện một chiều PWM: Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung I/O : Input/Output Tín hiệu vào/ra UART: Universal asynchronous receiver/transmitter Chuẩn truyền thông nối tiếp Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Robot công nghiệp . Robot công nghiệp đầu tiên . Robot toạ độ vuông góc . Robot toạ độ trụ . Robot toạ độ cầu . Robot khớp bản lề . Robot gắp thùng carton đặt lên pallet . Sơ đồ mô tả bài toán động học . Bài toán động học thuận . Arduino Uno R3 trong thực tế . Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 . Servo SG90 trong thực tế . Cơ cấu bên trong Servo SG90 . Sơ đồ khối của thiết kế . TCS 3200 trong thực tế . Các khối chức năng của TCS 3200 . Mảng lọc màu sắc .36 Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 iv Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Hình 3. Cấu tạo của động cơ DC . Nguyên lý hoạt động của động cơ DC . Cảm biến hồng ngoại sử dụng trong hệ thống. Cấu tạo của module cảm biến hồng ngoại. Lưu đồ thuật toán của thiết kế . Kết nối Arduino Uno R3 với máy tính qua cổng COM .44 Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 v Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Các thông số của Arduino Uno R3. Chức năng các chân của TCS3200 . Cấu hình các chân điều khiển S2, S3 của TCS3200 . Các chế độ điều khiển tần số đầu ra của TCS3200 .37 MỞ ĐẦU Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật và máy móc vào lĩnh vực sản xuất công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Sự ra đời của Robot đã mở ra nột cuộc cách mạng trong công nghiệp khi mà nó có thể hoạt động chính xác và liên tục trong một thời gian dài, thay thế con người để làm việc ở những môi trường khắc nghiệt hoặc độc hại. Việc đưa các Robot vào hoạt động sản xuất có thể tạo bước đà thúc đẩy hoạt dộng sản xuất của cả một doanh nghiệp. Việc sản xuất tự động thay thế cho các hoạt dộng sản xuất thủ công giúp tăng sản lượng, năng suất công việc, cắt giảm chi phí nhân công từ đó vừa nâng cao chất lượng đồng thời lại hạ được giá thành sản phẩm tạo tiền đề cạnh tranh trên thị trường. Chính vì sự quan trọng của Robot mà em đã chọn đề tài “Cánh tay robot 3 bậc tự do phân loại sản phẩn trên băng chuyền dựa theo màu sắc” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điện tử 1 và đặc biệt là thầy giá Ngô Đức Thiện, em mong muốn xây dựng được một tiền đề cơ bản nhất để nghiên cứ về lĩnh vực robotic. Tuy nhiên, do kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong sản phẩm làm ra, em rất mong nhận được sự thông cảm và ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên. Em xin trân thành cảm ơn. Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 vii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1. Tổng quan chung 1. Dẫn nhập Khoa học ngày càng phát triển và sản sinh ra các công cụ hộ trợ tối đa cho con người trong lao động và cuộc sống. Trong vô vàn các ngành khoa học ứng dụng khác nhau thì khoa học robot đang là vấn đề nổi trội, bởi trong quá tình lao động sản xuất, càng ngày sức người càng được giảm tải trong các công đoạn và máy móc được đưa vào thay thế. Và hơn hết, nhu cầu tìm hiểu cũng như khám phá của con người không bao giờ là đủ, nhưng trong quá trình khám phá và cải tạo thế giới, con người gặp phải những vấn đề trở ngại bởi không phải môi trường nào con người cũng có thể sống được. Vì vậy, nhu cầu tất yếu là phải có một cỗ máy đảm nhiệm những công việc này. Từ đó, con người nảy sinh ra nhu cầu chế tạo robot mang hình dáng con người để đảm nhận thay con người trong các công việc từ đơn giản đến phức tạp. Robot công nghiệp Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng. Nhờ công nghệ phát triển liên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, đó là các robot dưới nước, robot công nghiệp và robot quân sự,… Nhiều robot đã thay con người làm các công việc độc hại, nguy hiểm như tháo ngòi nổ bom mìn, thăm dò tìm các con tàu bị đắm… Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 1. Lịch sử phát triển Các robot độc lập với đầy đủ ý nghĩa chỉ có xuất hiện trong nửa sau của thế kỷ 20. Robot kỹ thuật số và được lập trình đầu tiên có tên gọi Unimate, được chế tạo vào năm 1961 dùng để nâng phần nóng của miếng kim loại từ một máy đúc chết và sắp xếp lại chúng theo trật tự. Ngày nay, các robot thương mại và robot công nghiệp được sử dụng phổ biến để thực hiện các công việc với giá rẻ hơn, chính xác và đáng tin cậy hơn con người. Chúng cũng được sử dụng trong các công việc mà có độ ô nhiễm cao, nguy hiểm hoặc đơn điệu. Robot được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp, đóng gói, mở gói, vận chuyển, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, thăm dò không gian cũng như lòng đất, , nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và các dây chuyền sản xuất hàng loạt. Robot công nghiệp đầu tiên Trên thực tế, hầu hết các robot Unimate bán ra là để làm công việc lấy khuôn ra khỏi các máy dập khuôn và để hàn điểm trên ôtô, đây là hai loại công việc mà công nhân không bao giờ muốn làm. Tuân theo các lệnh tuần tự được lưu trữ trong một trống từ, một cánh tay nặng 4000 pound đủ linh hoạt để có thể làm được rất nhiều loại tác vụ. Cả hai ứng dụng này đã thành công rất lớn về thương mại, cụ thể là những robot làm việc rất đáng tin cậy và tiết kiệm tiền thuê nhân công. Một nền công nghiệp mới đã ra đời với rất nhiều các công việc do robot thực hiện. Robot công nghiệp Unimate là một trong những robot được sử dụng phổ biến nhất thế giới. Unimate robot cho phép lập trình chuyển động hoàn toàn trên 6 trục và được thiết kế để có thể nâng trọng lượng 500 pound với tốc độ nhanh. Sau hơn 20 năm cải tiến, robot này có độ tin cậy cao và rất dễ sử dụng. Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Năm 1969, Victor Scheinman – một sinh viên chế tạo máy làm việc tại phòng thí nghiệm trí thông minh nhân tạo Standford đã chế tạo ra cánh tay Standford. Thiết kế này đã trở thành chuẩn mực và vẫn đang ảnh hưởng nhiều đến những thiết kế của cánh tay robot ngày nay. Đây là cánh tay robot đầu tiên chạy bằng điện và điều khiển bằng máy tính thành công. Robot này có 6 khớp, cho phép giải động học ngược cho robot (arm solution). Robot này có thể đi theo một lộ trình tùy ý và mở rộng khả năng cho các ứng dụng phức tạp hơn như robot lắp ráp và hàn hồ quang. Cũng chính robot này đã được sử dụng để phát triển những kỹ thuật lắp ráp công nghiệp cho các cánh tay robot thương mại.