Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình Robot Delta Trong Phân Loại Sản Phẩm Qua Xử Lý Ảnh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật cơ điện tử xây dựng và điều khiển mô hình robot song song delta phân loại sản phẩm dựa, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Trần Sĩ Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Công Bằng
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Mô Hình Robot Delta Phân Loại Sản Phẩm Bằng Xử Lý Ảnh
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot

Trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng, robot delta đã trở thành một công cụ quan trọng trong tự động hóa sản xuất. Phân loại sản phẩm và xử lý ảnh là hai lĩnh vực mà robot delta có thể phát huy hiệu quả. Mô hình robot delta được thiết kế với cấu trúc vòng kín, cho phép thực hiện các nhiệm vụ nhanh chóng và chính xác. Việc ứng dụng công nghệ robot trong sản xuất không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu sai sót do con người gây ra. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao. Theo nghiên cứu, robot delta có thể hoạt động với tốc độ cao và khả năng chịu tải tốt, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.1 Giới thiệu về robot delta

Robot delta, được phát triển lần đầu tiên vào năm 1980, là một trong những loại robot song song nổi bật nhất. Với 3 bậc tự do, robot delta có khả năng thực hiện các tác vụ phức tạp như gắp và sắp xếp sản phẩm. Cấu trúc nhẹ và khả năng chuyển động linh hoạt của nó giúp robot delta thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ và độ chính xác cao. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng robot delta có thể tích hợp với các hệ thống xử lý hình ảnh để cải thiện khả năng nhận diện và phân loại sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc trong dây chuyền sản xuất.

1.2 Ứng dụng của robot delta

Robot delta được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, y tế và công nghệ in 3D. Trong ngành công nghiệp, robot delta có nhiệm vụ chính là gắp thả sản phẩm, đóng gói và sắp xếp. Một số công ty lớn như ABB và FANUC đã phát triển và ứng dụng robot delta trong dây chuyền sản xuất của họ. Các ứng dụng này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, robot delta còn được sử dụng trong lĩnh vực y tế để hỗ trợ các thiết bị phẫu thuật, cho thấy tính linh hoạt và khả năng thích ứng của loại robot này trong nhiều môi trường làm việc khác nhau.

II. Phân tích bài toán động học

Phân tích động học là bước quan trọng để hiểu rõ cách thức hoạt động của robot delta. Việc xác định bậc tự do và phân tích động học ngược giúp tối ưu hóa thiết kế và điều khiển robot. Phân tích động học thuận và ngược cho phép đánh giá khả năng chuyển động của robot, từ đó phát hiện và khắc phục các sai sót trong quá trình hoạt động. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng machine learning vào phân tích động học có thể nâng cao độ chính xác và hiệu quả của robot delta trong các tác vụ phân loại sản phẩm.

2.1 Xác định bậc tự do robot

Bậc tự do của robot delta được xác định dựa trên cấu trúc và số lượng khâu. Việc xác định đúng bậc tự do là cần thiết để đảm bảo rằng robot có thể thực hiện các nhiệm vụ một cách hiệu quả. Các nghiên cứu cho thấy robot delta có thể có từ 3 đến 6 bậc tự do, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Việc tính toán bậc tự do giúp tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất làm việc của robot.

2.2 Phân tích động học ngược và thuận

Phân tích động học ngược cho phép xác định vị trí của robot dựa trên các thông số đầu vào, trong khi phân tích động học thuận giúp dự đoán vị trí của robot dựa trên các thông số điều khiển. Việc ứng dụng xử lý ảnh trong phân tích động học giúp robot delta nhận diện và phân loại sản phẩm một cách chính xác. Hệ thống điều khiển được xây dựng dựa trên kết quả phân tích động học, từ đó tối ưu hóa quá trình hoạt động của robot delta trong thực tế.

III. Xây dựng giải thuật xác định tọa độ và phân loại sản phẩm

Giải thuật xác định tọa độ và phân loại sản phẩm là một phần quan trọng trong việc ứng dụng robot delta. Hệ thống camera công nghiệp như Basler acA3800-14uc được sử dụng để nhận diện và xác định tọa độ của sản phẩm. Việc phát triển các giải thuật nhận diện vật mẫu giúp robot delta thực hiện các nhiệm vụ phân loại và sắp xếp sản phẩm một cách tự động. Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng việc tích hợp machine learning vào giải thuật nhận diện có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của quá trình phân loại.

3.1 Xây dựng giải thuật nhận diện và xác định tọa độ

Giải thuật nhận diện vật mẫu sử dụng công nghệ xử lý ảnh để xác định tọa độ của sản phẩm. Hệ thống camera thu thập hình ảnh và chuyển đổi thành dữ liệu kỹ thuật số, từ đó giúp robot delta thực hiện các tác vụ phân loại một cách chính xác. Việc phát triển giải thuật này không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình phân loại sản phẩm.

3.2 Lập trình robot delta phân loại và sắp xếp sản phẩm

Lập trình robot delta để phân loại và sắp xếp sản phẩm là một nhiệm vụ phức tạp nhưng cần thiết. Các giải thuật được xây dựng dựa trên kết quả nhận diện từ camera và được tích hợp vào hệ thống điều khiển của robot. Việc lập trình này không chỉ giúp robot thực hiện các nhiệm vụ một cách tự động mà còn đảm bảo rằng sản phẩm được phân loại một cách chính xác và nhanh chóng. Những ứng dụng này cho thấy tiềm năng lớn của robot delta trong lĩnh vực tự động hóa sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan lazer lỗ tròn giữa tâm với kích thước thực tế đo được như Bảng 1.4: Kích thước vật mẫu Kích thước hình vuông Đường kính Đường Độ hở Màu sắc Kích thước Cạnh L vòng tròn D kính lỗ d (mm) (mm) (mm) (mm) S 29,87 15,20 14,65 0,55 Đỏ M 39,85 20,31 19,75 0,56 L 49,95 25,25 24,90 0,35 S 29,75 15,10 14,65 0,45 Đen M 39,50 20,10 19,85 0,25 L 49,50 25,10 24,50 0,60 Trung bình 0,46 ➢ Robot có nhiệm vụ xác định vị trí của các vật mẫu bằng camera, tiến hành phân loại và sắp xếp các vật thể.4 Cấu trúc luận văn Với mục tiêu và nhiệm vụ đã đề ra, cấu trúc luận văn dự kiến gồm có 6 chương với nội dung như sau: Chương 2: Tiến hành phân tích động học và khảo sát vùng làm việc, thực hiện mô phỏng. Chương 3: Phân tích mô hình cơ khí, triển khai hệ thống điều khiển chuyển động. Tiến hành thực nghiệm.

Chương 4: Phân tích nguyên nhân sai số, thực hiện thay đổi thiết kế cơ khí. Tiến hành thực nghiệm đánh giá giá lại độ chính xác của robot. Chương 5: Xây dựng giải thuật xác định tọa độ và phân loại sản phẩm mẫu. Tiến hành thực nghiệm và phân tích kết quả.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Phân tích bài toán động học CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC Chương 2 sẽ thực hiện phân tích động học của robot delta. Những thông số tìm được từ việc phân tích động học sẽ chỉ ra mối quan hệ giữa thông số đầu vào là góc quay động cơ và đầu ra là vị trí điểm công tác, tìm ra vùng không gian làm việc của robot.

Toàn bộ những tìm hiểu trên sẽ được dùng để xây dựng hệ thống về sau.1 Xác định bậc tự do robot Mục đích nhằm xác định bậc tự do cơ cấu, từ đó giúp xác định được quy luật chuyển động của robot, số quy luật chuyển động cần biết trước của robot phải bằng số bậc tự do của cơ cấu.1: Cấu trúc cơ bản của robot delta [37] Robot delta bao gồm nhiều chuỗi động vòng kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song với nhau. Robot delta là một robot bao gồm ba cánh tay được nối với các khớp quay ở bệ cố định. Đặc điểm thiết kế chính của robot là sử dụng các khâu hình bình hành để giúp duy trì sự định hướng và cân bằng của khâu đầu cuối. Cấu trúc cơ bản của robot delta được trình bày ở Hình 2.1, thành phần bao gồm: • Khâu đế (Base plate): đế cố định được gá lên khung của robot, có nhiệm vụ định vị vị trí và hướng của động cơ truyền động.

• Khâu chủ động (Upper arm): được gắn với động cơ dẫn động đặt trên khâu đế, có nhiệm vụ nhận lực dẫn động từ động cơ và truyền cho khâu bị động thông qua khớp xoay (khớp loại 5) với 1 bậc tự do. • Khâu bị động (Forearm): kết nối khâu chủ động và khâu công tác bằng cơ 11 Chương 2. Phân tích bài toán động học cấu hình bình hành. Cơ cấu hình bình hành gồm có hai thanh dẫn có cùng kích thước chiều dài, có nhiệm vụ nhận lực dẫn động từ khâu chủ động và truyền cho khâu công tác thông qua 4 khớp cầu (khớp loại 3) với 3 bậc tự do.

Tuy nhiên, các thanh dẫn này không được khóa cứng mà có thể xoay quanh trục của chính nó tạo thành một bậc tự do, bậc tự do này không ảnh hưởng đến quá trình cơ cấu làm việc nên được xem là bậc tự do thừa. Do đó mỗi khâu bị động bị thừa 2 bậc tự do, ứng với mỗi thanh trong cơ cấu hình bình hành. • Khâu công tác (Travelling arm): kết nối ba khâu bị động với nhau, có nhiệm vụ mang theo đầu công tác để thực hiện các tác vụ cho robot. Từ việc phân tích trên, robot delta có tổng cộng 10 khâu chuyển động, 3 khớp loại 5, 12 khớp loại 3 và 6 bậc tự do thừa.

Với kết cấu không gian như vậy, số bậc tự do của robot có cơ cấu dạng song song được xác định theo công thức sau [38]:  5  W = 6n −   kpk − R0 − r  − s (2.1)  k =1  Trong đó: n : số khâu động của cơ cấu. pk : số khớp loại k. 5  kp : tổng số ràng buộc. k =1 k R0 : tổng số ràng buộc trùng.

r : tổng số ràng buộc thừa. s : số bậc tự do thừa. Vậy, theo công thức (2.1) số bậc tự do của robot delta là: W = 6 10 + (3*5 + 12*3 − 0 − 0) − 6 = 3 Như vậy, khâu công tác của robot không thể xoay mà chỉ có thể chuyển động tịnh tiến theo 3 hướng X, Y, Z trong không gian nhờ 3 động cơ dẫn động tại khâu đế.2 Phân tích động học ngược robot Bài toán động học ngược của robot delta là cần xác định giá trị của ba góc 1 , 2 ,3 khi đã biết được tọa độ tâm E0 ( x0 , y0 , z0 ) của bệ di động. Đặt các ký hiệu cho thông số động học của robot gồm có: f chiều dài cạnh khâu đế cố định, e chiều dài cạnh khâu di 12 Chương 2.

Phân tích bài toán động học động, rf chiều dài khâu hình chủ động, re chiều dài khâu bị động. Đặt hệ tọa độ O ( 0, 0, 0 ) là tâm của bệ cố định. Hệ tọa độ của robot được đặt theo Hình 2.2, khi đó tọa độ z0 đặt tại tâm của bệ di động sẽ luôn luôn âm vì vậy vùng hoạt động của robot luôn quay xuống dưới.2: Các thông số động học ngược robot delta [39] Do đặc tính thiết kế của robot nên có một khâu cánh tay trung gian chỉ có thể xoay trong mặt phẳng YZ tạo thành một đường tròn như Hình 2.3 với tâm tại khớp F1 và bán kính F1 J1 = rf .3: Đường tròn tâm E1' bán kính E1' J1 [39] Mặt khác khâu hình bình hành E1 J1 có thể xoay tự do tại khớp E1 tạo thành hình 13 Chương 2. Phân tích bài toán động học cầu có tâm E1 và bán kính bằng chiều dài khâu bị động E1 J1 = re như trong Hình 2.

Khi đó mặt phẳng giao của hình cầu này với mặt phẳng YZ là một đường tròn có tâm tại E1' và có bán kính bằng chiều dài đoạn E1' J1 – trong đó E1' là hình chiếu của E1 lên mặt phẳng YZ. Ngoài ra, hai đường tròn tâm E1' bán kính E1' J1 và đường tròn tâm F1 bán kính rf cắt nhau tại một điểm như Hình 2.4, điểm đó cũng chính là điểm J1, khi đó có thể tính được tọa độ của điểm J1 và từ đó cũng sẽ tính được góc 1 cần tìm.4: Mặt phẳng tọa độ YZ [39] Trong đó: - Tọa độ tâm của bệ di động: E0 ( x0 , y0 , z0 ) Chiều dài đoạn E0 E1 : E 0 E1 = tan ( 30 ) = e e - 2 2 3  e   e  - Tọa độ điểm E1: E1  x0 , y0 − , z0   E1'  0, y0 − , z0   2 3   2 3  - Chiều dài đoạn E1' J1 : EE1' = x0  E1' J1 = E1 J12 − E1 E '21 = re2 − x02  f - Tọa độ điểm F1 : F1  0, − ,0  2 3  Xét hai phương trình đường tròn tâm F1 bán kính rf và đường tròn tâm E1' bán kính E1' J1 , có: ( yJ 1 − yF 1 )2 + ( z J 1 − z F 1 )2 = rf2   ( yJ 1 − yE ' 1 ) + ( z J 1 − z E ' 1 ) = re − x0 2 2 2  f  2  yJ 1 +  + z J 1 = rf 2 2  2 3  2  e   yJ 1 − y0 + 2 3  + ( z J 1 − z0 ) = re − x0 2 2 2   14 Chương 2. Phân tích bài toán động học  f  y1 = − 2 3 Đặt :  y = y − e  E 0 2 3 ( yJ 1 − y1 ) + z J 1 = rf  2 2 2  ( yJ 1 − yE ) + ( z J 1 − z0 ) = re − x0 2 2  2 2  z J21 = rf2 − y 2J 1 + 2 y J 1 y1 − y12   x02 + rf2 + y 2E + z 02 − re2 − y12 y1 − y0  zJ 1 = + yJ 1  2 z0 z0 x02 + rf2 + y 2E + z 02 − re2 − y12 Đặt: a = 2 z0 y −y b= 1 E z0 Từ đó: z J 1 = a + byJ 1  z J 1 = a + byJ 1  2  z J 1 = rf − y J 1 + 2 yJ 1 y1 − y1 2 2 2  z J 1 = a + byJ 1   (1 + b ) y J 1 + ( 2ab − 2 y1 ) yJ 1 − rf + y1 + a = 0 2 2 2 2 2  Đặt:  = ( ab − y1 ) − (1 + b 2 ) ( −rf2 + y 2 + a 2 ) 2 1 = − ( a + by1 ) + rf ( b rf + rf ) 2 2 − ( y1 + ab )    yJ 1 = (1 + b ) 2  J1 ( 0, yJ 1 , z J 1 ) Khi đó góc 1 được tính như sau:  zJ 1   1 = arctan    yF 1 − y J 1  Sau khi tính được góc theta thứ nhất 𝜃1 , xoay hệ trục tọa độ góc quanh trục Z một góc 120o ngược chiều kim đồng hồ. Khi đó tọa độ tâm mới của bệ di động là E0' ( x0' , y0' , z0' ) Trong đó: x0' = x0 cos (120 ) + y0 sin (120 ) y0' = − x0 sin (120 ) + y0 cos (120 ) Bằng cách tính tương tự như trên, tìm được góc  2 :  zJ 2   2 = arctan    yF 2 − y J 2  Sau khi có được góc 𝜃2 , bằng cách xoay tương tự hệ trục tọa độ quanh trục Z một 15 Chương 2.

Phân tích bài toán động học góc 120o cùng chiều kim đồng hồ. Khi đó, tọa độ tâm mới của bệ di động là E0'' ( x0'' , y0'' , z0'' ) .