Đặt vấn đề Sự phát triển của nền công nghiệp đã trải qua nhiều giai đoạn quan trọng, từ cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất với sự ra đời của máy hơi nước, đến cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư với sự xuất hiện của công nghệ số và tự động hóa. Trong mỗi giai đoạn, việc cải tiến công nghệ và quy trình sản xuất luôn đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả và năng suất. Đặc biệt, với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và viễn thông, nền công nghiệp hiện đại ngày nay đang chuyển đổi mạnh mẽ sang mô hình sản xuất thông minh, nơi mà robot giữ một vai trò không thể thiếu.1 Cánh tay robot trong công nghiệp Cánh tay robot có thiết kế tương tự như cánh tay con người, với nhiều khớp nối và khả năng chuyển động linh hoạt, cho phép chúng thực hiện các tác vụ phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao. Robot trở nên cần thiết bởi khả năng tăng cường hiệu quả sản xuất và giảm chi phí lao động.
Trước hết, robot có thể thực hiện các công việc lặp đi lặp lại với độ chính xác cao, giúp tăng năng suất và giảm thiểu sai sót. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao như điện tử, ô tô, và hàng không. Thứ hai, sử dụng robot công nghiệp giúp giảm thiểu rủi ro cho con người khi phải làm việc trong các môi trường nguy hiểm như nhà máy hóa chất, hầm mỏ, hoặc những nơi có nhiệt độ cao. Điều này không chỉ bảo vệ sức khỏe và an toàn của người lao động mà còn giảm thiểu chi phí liên quan đến tai nạn lao động.
1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngoài ra, robot còn giúp các doanh nghiệp linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh quy trình sản xuất để đáp ứng nhu cầu thị trường thay đổi nhanh chóng. Khả năng lập trình và tái cấu hình của robot cho phép các nhà máy dễ dàng chuyển đổi giữa các dòng sản phẩm mà không cần thay đổi cơ sở hạ tầng lớn. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ, robot ngày càng trở nên thông minh mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tối ưu hóa sản xuất và quản lý chuỗi cung ứng.2 Biểu đồ mật độ sử dụng robot từ năm 2017 đến năm 2022 Cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhờ khả năng linh hoạt, chính xác và hiệu quả. Đây là một số ứng dụng phổ biến của cánh tay robot: Lắp ráp các linh kiện và bộ phận trong các sản phẩm như điện tử, ô tô, và đồ gia dụng.
Thực hiện các công việc hàn trong ngành công nghiệp ô tô và chế tạo kim loại, đảm bảo mối hàn chất lượng cao và đồng nhất. Được sử dụng để sơn các sản phẩm với độ phủ đồng đều và chất lượng bề mặt cao, thường thấy trong ngành sản xuất ô tô và đồ nội thất. Nhờ vào sự linh hoạt và độ chính xác cao, cánh tay robot có thể thực hiện việc phân loại sản phẩm nhanh chóng và hiệu quả. 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.3 Ứng dụng cánh tay robot trong dây chuyền lắp ráp Với nhiều ưu điểm, ứng dụng vượt trội của cánh tay robot giúp cải thiện năng suất, tiết kiệm chi phí và tính cấp thiết của hệ thống robot giúp thay thế con người trong phân loại sản phẩm nên nhóm đã thực hiền đề tài “Thiết kế và điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm”.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài là thiết kế, thi công và điều khiển mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do.
Xây dựng giao diện điều khiển trực quan, dễ dàng vận hành, có khả năng giao tiếp với PLC để điều khiển hệ thống. Hệ thống nhận dạng và phân loại sản phẩm theo hình dạng khác nhau (hình tròn, tam giác, lục giác, hình vuông) với độ chính xác trên 90%. Băng tải vận chuyển sản phẩm liên tục không dừng lại khi robot gắp vật, có thể điều chỉnh tốc độ băng tải khi robot đang hoạt động. Tốc độ phân loại sản phẩm từ 10 đến 15 sản phẩm/phút.3 Giới hạn đề tài Vật liệu sử dụng chủ yếu cho robot là nhựa in 3D có thể hút các vật có khối lượng nhỏ hơn 300g, có bề mặt nhẵn.
Chương trình xử lý ảnh chỉ hoạt động chính xác trong điều kiện ánh sáng ổn định, khi hoạt động trong môi trường ngoài trời hay thiếu ánh sáng tỉ lệ chính xác sẽ giảm. Hệ thống chỉ có thể nhận dạng và phân loại các sản phẩm có hình dạng và màu sắc được quy định từ trước, diện tích phải lớn hơn 7cm2 và nhỏ hơn 50cm2. Tốc độ băng tải nhỏ hơn 110mm/s. Hệ thống chỉ hoạt động trong môi trường không có vật cản.4 Phương pháp nghiên cứu 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dựa trên các mẫu cánh tay robot trên thị trường, nhóm đã thực hiện thay đổi cấu trúc từ 6 bậc tự do còn 4 bậc tự do và thay đổi vật liệu thành nhựa in 3D, gia công nhôm những phần chịu lực nhiều giúp giảm chi phí, phù hợp với mục đích đặt ra.
Dùng phần mềm Solidworks để thiết kế, tính toán công suất động cơ, tỉ lệ truyền cho từng khâu của robot. Tính toán, mô phỏng động học robot trên phần mềm Matlab. Chạy thực nghiệm với nhiều điều kiện và môi trường khác nhau để đánh giá và hiệu chỉnh hệ thống.5 Nội dung của đề tài Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau: Chương 2 Cơ sở lý thuyết: chương 2 trình bày lý thuyết các bước xử lý ảnh trong đề tài, lý thuyết tính toán về động học robot. Giải thích về khái niệm và cơ chế của Conveyor Tracking.
Chương 3 Thiết kế phần cứng: chương 3 sẽ đưa ra yêu cầu thiết kế của phần cứng, từ những yêu cầu đó ta sẽ tính toán và lựa chọn thiết bị sử dụng cho hệ thống. Trình bày và giải thích sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nối dây của các thiết bị. Chương 4 Thiết kế phần mềm: chương 4 sẽ tính toán động học của robot. Trình bày các giải thuật xử lý ảnh, giải thuật điều khiển robot và hệ thống.
Giải thích các chức năng của giao diện người dùng. Chương 5 Kết quả thực nghiệm: chương 5 sẽ trình bày kết quả xây dựng mô hình, trình bày phương pháp và kết quả của từng trường hợp thực nghiệm. Từ kết quả thực nghiệm ta sẽ kiểm chứng động học robot, tính chính xác của hệ thống ở các điều kiện khác nhau. Chương 6 Kết luận và hướng phát triển: chương 6 trình bày những kết quả đã đạt được dựa trên mục tiêu đã đặt ra ban đầu.
Kết luận những ưu điểm, nhược điểm còn chưa khắc phục được từ đó nêu ra các phương án giải quyết và hướng phát triển của đề tài. 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 2 Cơ sở lý thuyết 2.1 Bài toán động học robot Động học robot là lĩnh vực nghiên cứu về chuyển động của robot mà không xét đến các lực và mô-men gây ra chuyển động đó. Động học tập trung vào mối quan hệ hình học giữa các khớp của robot và vị trí, hướng của đầu cuối. Nó tập trung vào việc xác định vị trí của robot trong không gian ba chiều.
Đây là nền tảng quan trọng để hiểu và điều khiển các hệ thống robot trong các ứng dụng công nghiệp. Động học robot được chia thành hai phần chính: động học thuận (forward kinematics) và động học nghịch (inverse kinematics).1 Lý thuyết động học thuận Động học thuận liên quan đến việc xác định vị trí và hướng của đầu cuối (end effector) của robot khi biết các giá trị biến khớp. Để tính toán vị trí và hướng từ tập hợp các giá trị biến khớp thì các tham số của bảng Denavit-Hartenberg(DH) phải được biết. Để tính toán động học thuận cho robot sử dụng phương pháp Denavit- Hartenberg ta cần thực hiện các bước sau: • Bước 1: Đặt trục cho robot.
• Bước 2: Xác định các thông số của bảng DH. • Bước 3: Tính các ma trận chuyển đổi liền kề. • Bước 4: Tính toán ma trận chuyển đổi giữa góc tọa độ và cơ cấu chấp hành.1 Bảng tham số DH i a d 1 2 3 … n Các tham số của bảng D-H lần lượt là: • i : góc giữa zi và z i +1 quay xung quanh trục xi. • ai : khoảng cách giữa zi và z i +1 dọc theo xi.
• i : góc giữa xi −1 và x i quay xung quanh trục zi. • di : khoảng cách giữa xi −1 và x i dọc theo zi. 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.1 Mô hình hóa khâu và khớp theo DH Công thức xác định ma trận chuyển đổi hệ trục {i} từ hệ trục {i-1}: ci − si 0 ai −1 s c ci c i −1 − s i −1 − s i −1di i −1 iT = i i −1 (2.1) si s i −1 ci s i −1 c i −1 c i −1di 0 0 0 1 Công thức xác định ma trận chuyển đổi hệ trục {i} từ hệ trục {0} được tính bằng cách nhân ma trận chuyển đổi giữa các khâu lại với nhau: 0 T = 01T 21T .2 Lý thuyết động học nghịch Động học nghịch liên quan đến việc xác định các giá trị khớp cần thiết để đạt được một vị trí và hướng cụ thể của đầu cuối. Đây là một bài toán phức tạp hơn vì có thể có nhiều hoặc không có lời giải.
Sự phức tạp của bài toán phụ thuộc vào cấu trúc của robot, khi số bậc tự do của robot tăng thì sự phức tạp cũng tăng lên. Các phương pháp thường được dùng để giải bài toán động học nghịch là: • Phương pháp đại số. • Phương pháp hình học. • Phương pháp kết hợp hình học và đại số.2 Tổng quan lý thuyết về xử lý ảnh 2.1 Các khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh Điểm ảnh Điểm ảnh (pixel) là một khái niệm cơ bản trong đồ họa máy tính và công nghệ hình ảnh kỹ thuật số, nó đại diện cho đơn vị nhỏ nhất của một hình ảnh số.
Một hình ảnh số được tạo thành từ nhiều điểm ảnh xếp cạnh nhau. Mỗi điểm ảnh có một màu 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP sắc và độ sáng riêng biệt, và sự kết hợp của tất cả các điểm ảnh này tạo ra toàn bộ hình ảnh.2 Minh họa điểm ảnh Độ phân giải của một hình ảnh hoặc màn hình là số lượng điểm ảnh theo chiều ngang và chiều dọc. Ví dụ, một hình ảnh có độ phân giải 1920x1080 có 1920 điểm ảnh theo chiều ngang và 1080 điểm ảnh theo chiều dọc, độ phân giải càng cao thì hình ảnh càng chi tiết.