Thiết kế mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng robot và công nghệ xử lý ảnh

Mô phỏng hệ thống là một phương pháp quan trọng trong việc thiết kế và kiểm tra các… 73 trang · Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh · 2021.

• Tác giả: Ngũ Thế Bảo
• Người hướng dẫn: TS. Trần Mạnh Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế, mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng robot và xử lý ảnh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Giới thiệu nội dung
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Định nghĩa robot
• 2.2. Phân loại Robot
• 2.2.1. Phân loại theo kết cấu
• 2.2.2. Phân loại theo điều khiển
• 2.2.3. Phân loại theo ứng dụng
• 2.3. Động học Robot
• 2.4. Quy hoạch quỹ đạo
• 2.5. Các phương pháp truyền động cho cánh tay Robot
• 2.6. Tổng quan về xử lý ảnh
• 2.6.1. Khái niệm xử lý ảnh
• 2.6.2. Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh
• 2.7. Phần mềm thiết kế
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH
• 3.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.2. Thiết kế phần cứng
• 3.2.1. Lựa chọn mô hình Robot 4 bậc tự do
• 3.2.2. Thiết kế Robot 4 bậc tự do
• 3.2.3. Lựa chọn và tính toán các cơ cấu truyền động
• 3.2.4. Lựa chọn thiết bị
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, KIỂM CHỨNG VÀ MÔ PHỎNG
• 4.1. Động học mô hình thiết kế
• 4.1.1. Động học thuận cánh tay Robot
• 4.1.2. Động học nghịch cánh tay Robot
• 4.2. Kiểm chứng động học cánh tay Robot
• 4.2.1. Động học thuận
• 4.2.2. Động học nghịch
• 4.3. Thiết kế phần mềm
• 4.3.1. Xây dựng nguyên lý hoạt động
• 4.3.2. Thiết kế chương trình điều khiển bằng Matlab
• 4.3.3. Thiết kế chuyển động bằng SolidWorks Motion
• 4.3.4. Thiết kế chương trình phân loại màu sắc trên Matlab
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 5.1. Mô hình robot 4 bậc tự do
• 5.2. Chức năng điều khiển điểm đầu cuối của robot
• 5.3. Chức năng nhận dạng và phân loại qua màu sắc
• 5.4. Chức năng mô phỏng trong môi trường thực tế ảo SolidWorks Motion
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô phỏng hệ thống

Mô phỏng hệ thống là một phương pháp quan trọng trong việc thiết kế và kiểm tra các hệ thống tự động hóa. Trong đề tài này, hệ thống phân loại sản phẩm được mô phỏng bằng cách sử dụng robot và xử lý ảnh. Quá trình mô phỏng giúp đánh giá tính khả thi và hiệu quả của hệ thống trước khi triển khai thực tế. Các công cụ như SolidWorks và Matlab được sử dụng để tạo ra mô hình 3D và mô phỏng động học của robot. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

1.1. Thiết kế mô hình

Thiết kế mô hình là bước đầu tiên trong quá trình mô phỏng. Robot 4 bậc tự do được thiết kế chi tiết trên SolidWorks, với các khớp nối và cơ cấu truyền động được tính toán kỹ lưỡng. Mô hình này được sử dụng để mô phỏng chuyển động và kiểm tra tính chính xác của hệ thống. Việc thiết kế mô hình cũng bao gồm việc lựa chọn vật liệu và tính toán khối lượng để đảm bảo độ bền và ổn định của robot.

1.2. Mô phỏng động học

Mô phỏng động học là quá trình phân tích chuyển động của robot dựa trên các phương trình toán học. Động học thuận và động học nghịch được sử dụng để tính toán vị trí và hướng của các khớp nối. Matlab được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng các tính toán này. Kết quả mô phỏng giúp đảm bảo rằng robot có thể hoạt động chính xác và ổn định trong môi trường thực tế.

II. Phân loại sản phẩm

Phân loại sản phẩm là một ứng dụng quan trọng của hệ thống tự động hóa. Trong đề tài này, hệ thống sử dụng xử lý ảnh để nhận diện và phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc. Camera được kết nối với Matlab để thu thập và xử lý hình ảnh. Các thuật toán xử lý ảnh được áp dụng để xác định vị trí và màu sắc của sản phẩm, từ đó điều khiển robot thực hiện phân loại. Quá trình này giúp tăng hiệu suất và độ chính xác trong việc quản lý kho hàng.

2.1. Nhận diện sản phẩm

Nhận diện sản phẩm là bước đầu tiên trong quá trình phân loại. Camera được sử dụng để thu thập hình ảnh của sản phẩm, sau đó các thuật toán xử lý ảnh được áp dụng để xác định vị trí và màu sắc. Matlab được sử dụng để lập trình và mô phỏng quá trình nhận diện. Kết quả nhận diện được sử dụng để điều khiển robot thực hiện phân loại sản phẩm.

2.2. Phân loại tự động

Sau khi nhận diện sản phẩm, hệ thống sẽ tự động phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc. Robot 4 bậc tự do được điều khiển để di chuyển và đặt sản phẩm vào các vị trí tương ứng. Quá trình này được mô phỏng trên SolidWorks Motion để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. Việc phân loại tự động giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng năng suất trong quản lý kho hàng.

III. Ứng dụng robot và xử lý ảnh

Ứng dụng robot và xử lý ảnh là hai công nghệ chính được sử dụng trong đề tài này. Robot 4 bậc tự do được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ phân loại sản phẩm, trong khi xử lý ảnh được sử dụng để nhận diện và xác định vị trí của sản phẩm. Sự kết hợp giữa hai công nghệ này tạo ra một hệ thống tự động hóa hiệu quả và linh hoạt. Công nghệ robot và công nghệ xử lý ảnh đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất của hệ thống.

3.1. Công nghệ robot

Công nghệ robot được sử dụng để thiết kế và điều khiển robot 4 bậc tự do. Robot này được trang bị các khớp nối và cơ cấu truyền động để thực hiện các chuyển động phức tạp. SolidWorks và Matlab được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra tính chính xác của robot. Công nghệ robot giúp tăng độ chính xác và hiệu suất trong các nhiệm vụ phân loại sản phẩm.

3.2. Công nghệ xử lý ảnh

Công nghệ xử lý ảnh được sử dụng để nhận diện và xác định vị trí của sản phẩm. Camera được kết nối với Matlab để thu thập và xử lý hình ảnh. Các thuật toán xử lý ảnh được áp dụng để phân tích màu sắc và vị trí của sản phẩm. Công nghệ xử lý ảnh giúp tăng độ chính xác và tốc độ trong quá trình phân loại sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình phát triển của sản xuất công nghiệp hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính ổn định của chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí nhân công. Cánh tay robot công nghiệp kết hợp với công nghệ xử lý ảnh là giải pháp tiêu biểu để thay thế con người thực hiện các công đoạn có tính chất lặp lại, đòi hỏi độ chính xác cao hoặc hoạt động trong môi trường làm việc độc hại, khắc nghiệt. Tại Việt Nam, nhu cầu ứng dụng các hệ thống robot tự động từ các hãng công nghệ lớn như ABB, Yaskawa, Universal ngày càng gia tăng, kéo theo yêu cầu cấp thiết về đào tạo và làm chủ quy trình thiết kế, mô phỏng và vận hành robot trong môi trường kỹ thuật.

Đề tài "Thiết kế, mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng Robot và xử lý ảnh" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế cơ khí chi tiết, tính toán động học và mô phỏng hoạt động phân loại sản phẩm của cánh tay robot 4 bậc tự do (4-DOF) trước khi chuyển giao sang giai đoạn gia công mô hình vật lý.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm 5 nhiệm vụ:

1. Thiết kế và lên bản vẽ kỹ thuật chi tiết cho mô hình robot 4 bậc tự do phục vụ việc thi công mô hình thực tế.
2. Tính toán hoàn chỉnh bài toán động học thuận và động học nghịch cho hệ thống robot.
3. Ứng dụng xử lý ảnh qua camera nhằm định vị tọa độ và phân loại một số màu sắc của sản phẩm.
4. Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát và mô phỏng hệ thống trên phần mềm để kiểm tra tính chính xác của các thuật toán.
5. Mô phỏng chuyển động không gian thực tế ảo của toàn bộ hệ thống bằng công cụ SolidWorks Motion.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

• Bản vẽ thiết kế 3D và kết cấu cơ khí chi tiết của robot 4 bậc tự do trên phần mềm SolidWorks.
• Giao diện điều khiển và giải thuật tính toán động học robot lập trình trên môi trường Matlab.
• Mô hình mô phỏng động lực học và chuyển động thực tế ảo trên SolidWorks Motion.
• Thuật toán xử lý ảnh số nhận dạng, định vị tọa độ và đếm sản phẩm theo màu sắc trên Matlab.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu cấu trúc hình học robot 4 bậc tự do lấy cảm hứng từ dòng robot công nghiệp ABB, sử dụng phương pháp giải tích để giải động học và quy hoạch quỹ đạo điểm-điểm, đồng thời xây dựng môi trường mô phỏng phân loại màu sắc độc lập trên máy tính.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ bản của kỹ thuật robot và thị giác máy tính:

• Phân loại robot: Tổng quan các cấu trúc cơ học của tay máy công nghiệp gồm tọa độ Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu và robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm); phân loại hệ thống điều khiển theo dạng vòng hở (động cơ bước) và vòng kín (hệ thống Servo có phản hồi vị trí); phân loại theo lĩnh vực ứng dụng (hàn, sơn, lắp ráp, đóng gói).
• Lý thuyết động học robot: Phương pháp tham số Denavit-Hartenberg (D-H) để gắn các hệ trục tọa độ lên các khâu khớp, thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất $^{i-1}{i}T$ từ hệ tọa độ khâu $i$ về khâu $i-1$, qua đó xác định ma trận vị trí và hướng tổng quát $^{0}{n}T$ của cơ cấu chấp hành cuối (động học thuận).
• Phương pháp đại số trong động học nghịch: Sử dụng các phép biến đổi lượng giác và hàm $\text{atan2}$ để trích xuất nghiệm biến khớp $(\theta_1, \theta_2, \theta_3, \theta_4)$ từ ma trận vị trí và ma trận xoay mong muốn.
• Quy hoạch quỹ đạo: Sử dụng phương trình đa thức bậc ba ($q(t) = a_0 + a_1t + a_2t^2 + a_3t^3$) để tạo quỹ đạo chuyển động điểm-điểm trơn tru cho các khớp, thỏa mãn các điều kiện biên về vị trí và vận tốc ban đầu cũng như vị trí và vận tốc kết thúc.
• Cơ sở xử lý ảnh số: Lý thuyết về biểu diễn điểm ảnh (pixel), độ phân giải, không gian màu và các bước cơ bản trong hệ thống thị giác máy tính bao gồm thu nhận ảnh, phân đoạn và nhận dạng đối tượng.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

• Phương pháp mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế từng chi tiết cơ khí, lắp ráp cụm khớp và xuất bản vẽ phục vụ gia công.
• Phương pháp giải tích toán học: Tính toán công suất động cơ, moment yêu cầu tại các trục, tỷ số truyền cơ cấu giảm tốc và thiết lập hệ phương trình động học robot.
• Phương pháp mô phỏng số và đồng mô phỏng: Sử dụng Matlab/Simulink và công cụ Simscape Multibody kết nối với SolidWorks để mô phỏng kiểm chứng động học; ứng dụng SolidWorks Motion để mô phỏng tương tác động học trong không gian ảo.
• Phương pháp thực nghiệm thuật toán xử lý ảnh: Kết nối camera trực tiếp với Matlab để xử lý luồng video theo thời gian thực, tách ngưỡng màu và trích xuất tọa độ trọng tâm vật thể.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ cơ khí, tính toán truyền động đến giao diện điều khiển và thuật toán thị giác số.

Thiết kế cơ khí và tính toán cơ cấu truyền động

Robot 4 bậc tự do được thiết kế với cấu trúc lấy cảm hứng từ mô hình đơn giản hóa của robot ABB IRB 6620, chế tạo hoàn toàn bằng vật liệu hợp kim nhôm nhằm đảm bảo độ cứng vững và tối ưu hóa trọng lượng. Khớp 3 và khớp 4 được bố trí thẳng hàng để giảm cồng kềnh cho cơ cấu đầu cuối.

Băng tải vận chuyển sản phẩm đi kèm có kích thước tiêu chuẩn được thiết kế là $1200 \times 234 \times 300\text{ mm}$.

Khớp	Khối lượng dự toán (kg)	Động cơ lựa chọn	Cơ cấu truyền động	Tỷ số truyền
Khớp 1	Hộp base (1.2) + AC Servo 200W (1.2) + Hộp số (0.5)	AC Servo 400W ($T_{in} = 1.3\text{ Nm}$)	Hộp số 1:10 kết hợp Pully GT2 tỉ lệ 1:4	1:40 (Tổng)
Khớp 2	Cánh tay khớp 2 (2.7) + AC Servo 100W (0.6) + Hộp số (0.3)	AC Servo 200W ($T_{in} = 0.64\text{ Nm}$)	Hộp số 1:10 kết hợp Pully GT2 tỉ lệ 1:5	1:50 (Tổng)
Khớp 3	Cánh tay khớp 3 (1.3) + Step Motor (0.2)	AC Servo 100W ($T_{in} = 0.32\text{ Nm}$)	Hộp số 1:10, truyền động trực tiếp qua khớp nối	1:10 (Tổng)
Khớp 4	Tay hút chân không (0.2)	Step Motor Nema 17 ($T = 0.26\text{ Nm}$)	Truyền động trực tiếp từ trục động cơ bước	1:1

Danh mục thiết bị điện được tính toán lựa chọn gồm:

• Động cơ AC Servo Mitsubishi HG-KR43 (400W, 230V, 3000 rpm, 1.3 Nm).
• Động cơ AC Servo Mitsubishi HG-KR23 (200W, 230V, 3000 rpm, 0.64 Nm).
• Động cơ AC Servo Mitsubishi HG-KR13 (100W, 230V, 3000 rpm, 0.32 Nm).
• Động cơ bước Step Nema 17 (12V, 1.2A, 0.26 Nm, góc bước $1.8^\circ$).
• Cảm biến góc quay Encoder GTEACH 400BM (độ phân giải 400 xung/vòng, trục 6mm, ngõ ra NPN Open Collector).

Thiết lập bảng thông số Denavit-Hartenberg (D-H)

Dựa trên sơ đồ động học gắn các hệ trục tọa độ tại các khớp quay, bảng thông số D-H của mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do được xác lập như sau:

Khâu ($i$)	$a_i$	$\alpha_i$ (độ)	$d_i$	$\theta_i$
1	$0$	$90^\circ$	$L_1$	$\theta_1$
2	$L_2$	$0^\circ$	$0$	$\theta_2$
3	$L_3$	$0^\circ$	$0$	$\theta_3$
4	$L_4$	$0^\circ$	$0$	$\theta_4$

Từ bảng thông số D-H, ma trận chuyển đổi vị trí và hướng tổng quát từ điểm công tác về gốc tọa độ $^{0}{4}T$ được biểu diễn bởi: $$^{0}{4}T = \ ^{0}{1}T \cdot \ ^{1}{2}T \cdot \ ^{2}{3}T \cdot \ ^{3}{4}T = \begin{bmatrix} R_{3\times3} & P_{3\times1} \ 0 & 1 \end{bmatrix}$$

Kết quả giải bài toán động học nghịch bằng phương pháp đại số cho 4 góc quay biến khớp:

• $\theta_1 = \text{atan2}(p_y, p_x)$
• $\theta_3 = \arccos\left(\frac{A_1^2 + B_1^2 + C_1^2 - L_2^2 - L_3^2}{2 L_2 L_3}\right)$
• $\theta_2 = \text{atan2}(C_1, \sqrt{r^2 - C_1^2}) - \text{atan2}(a, b)$
• $\theta_4 = \phi - (\theta_2 + \theta_3)$ với $\phi = \text{atan2}(n_z, o_z)$

Giao diện điều khiển và mô phỏng thị giác

Hệ thống phần mềm được xây dựng trên nền tảng Matlab Guide, cung cấp giao diện trực quan cho phép nhập tọa độ mong muốn $(p_x, p_y, p_z)$ hoặc điều khiển trực tiếp từng góc khớp. Thuật toán xử lý ảnh nhận luồng dữ liệu từ camera, chuyển đổi và lọc màu để phân biệt vật thể màu đỏ và màu xanh, tự động xác định tâm điểm của vật thể và đếm số lượng vật thể trên băng tải.

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của tự động hóa và ứng dụng cánh tay robot trong dây chuyền sản xuất công nghiệp. Tác giả nêu bật việc giảng dạy kỹ thuật robot tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh với nhiều mô hình đa dạng (Scara, Magician, Fanuc, Delta). Chương này xác định rõ 5 mục tiêu đề tài, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và chỉ ra các giới hạn kỹ thuật: đề tài tập trung vào tính toán và mô phỏng trên phần mềm, chưa thực hiện thi công phần cứng vật lý, chưa tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC cũng như chưa ứng dụng thuật toán điều khiển nâng cao (PID, Fuzzy).

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết chuyên ngành:

• Trình bày định nghĩa robot, phân loại chi tiết các dạng tay máy hình học (Descartes, trụ, cầu, SCARA), cấu trúc điều khiển vòng hở và vòng kín, cùng các ứng dụng thực tiễn trong đúc, hàn, lắp ráp ô tô, khai khoáng, y học và đóng gói dược phẩm.
• Phân tích chi tiết quy tắc thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg (D-H), ma trận biến đổi thuần nhất $^{i-1}_{i}T$, bản chất của bài toán động học thuận và động học nghịch (so sánh ưu nhược điểm của phương pháp đại số, phương pháp hình học và kết hợp).
• Trình bày nguyên lý quy hoạch quỹ đạo điểm-điểm bằng đa thức bậc 3.
• Lập bảng so sánh ưu nhược điểm của ba phương pháp truyền động: truyền động trực tiếp tại khớp, truyền động qua dây đai và truyền động bằng thanh cứng dẫn động.
• Trình bày tổng quan về xử lý ảnh số, các khái niệm pixel, độ phân giải và phân loại ảnh (màu, xám, nhị phân).
• Giới thiệu công cụ thiết kế cơ khí SolidWorks và môi trường tính toán kỹ thuật Matlab.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán thiết kế phần cứng:

• Đưa ra các yêu cầu thiết kế hệ thống (kết cấu nhôm, thời gian đáp ứng từ 4 giây trở lên, khả năng giám sát trên màn hình, mô phỏng thực tế ảo).
• Lựa chọn mô hình robot 4 bậc tự do tối ưu hóa từ dòng ABB IRB 6620.
• Thiết kế chi tiết từng cụm cơ khí: cụm đế và Khớp 1 vững chắc; Khớp 2 chịu lực tải nặng nhất được gia cố bằng bulong căng đai M8; Khớp 3 đặt động cơ trên thân khớp 2; Khớp 4 thẳng hàng với khớp 3 mang cơ cấu hút chân không.
• Thiết kế băng tải vận chuyển kích thước $1200 \times 234 \times 300\text{ mm}$.
• Tính toán chi tiết moment tải, chọn động cơ AC Servo Mitsubishi (400W cho khớp 1, 200W cho khớp 2, 100W cho khớp 3), động cơ bước Nema cho khớp 4; tính toán tỷ số truyền Pully GT2 kết hợp hộp số giảm tốc ($1:40$ cho khớp 1, $1:50$ cho khớp 2) và tính chiều dài dây curoa $L$.
• Tổng hợp bảng dự toán khối lượng từng khớp, bảng vật tư cơ khí (ty thép, pully, khớp nối nhôm, gối đỡ vòng bi, dây đai GT2) và bảng thông số kỹ thuật các thiết bị điện thi công (AC Servo, Step motor, Encoder GTEACH 400BM).

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, KIỂM CHỨNG VÀ MÔ PHỎNG

Chương 4 tập trung vào giải quyết các bài toán kỹ thuật và thuật toán điều khiển:

• Thiết lập bảng thông số D-H cho robot 4 bậc ($L_1, L_2, L_3, L_4$), tính toán cụ thể các ma trận biến đổi $^{0}{1}T, \ ^{1}{2}T, \ ^{2}{3}T, \ ^{3}{4}T$ và trích xuất ma trận $^{0}_{4}T$.
• Giải chi tiết hệ phương trình đại số để tìm nghiệm tường minh cho bài toán động học nghịch ($\theta_1, \theta_2, \theta_3, \theta_4$).
• Kiểm chứng tính đúng đắn của giải thuật động học thuận và nghịch trên Matlab thông qua các bảng số liệu ví dụ cụ thể.
• Thiết kế lưu đồ giải thuật hoạt động của toàn hệ thống.
• Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát đồ họa trên Matlab Guide, liên kết mô hình với Simscape Multibody.
• Thiết lập môi trường mô phỏng chuyển động thực tế ảo bằng SolidWorks Motion.
• Lập trình giải thuật xử lý ảnh trên Matlab để nhận dạng màu sắc từ camera đầu vào, tách biên và xác định tọa độ trọng tâm vật thể.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Chương 5 báo cáo các sản phẩm và chức năng cụ thể đã hoàn thành:

• Mô hình 3D hoàn chỉnh của cánh tay robot 4 bậc tự do và hệ thống băng tải trên SolidWorks.
• Giao diện GUI trên Matlab hỗ trợ điều khiển điểm đầu cuối, hiển thị trực quan các thông số góc khớp và tọa độ công tác.
• Chức năng nhận dạng phân loại màu sắc: nhận diện chính xác và khoanh vùng tọa độ vật thể màu đỏ và màu xanh, đếm chính xác số lượng vật thể đi vào vùng quét của camera.
• Chức năng mô phỏng chuyển động thực tế ảo trên SolidWorks Motion: mô phỏng quá trình gắp vật thể từ mặt băng tải và thả vào các hộp chứa tương ứng theo quy hoạch quỹ đạo định trước.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các mục tiêu đã đạt được về mặt tính toán lý thuyết và mô phỏng thực tế ảo. Đồng thời, tác giả đề xuất định hướng phát triển tiếp theo gồm việc tiến hành gia công mô hình phần cứng vật lý, tích hợp bộ điều khiển công nghiệp PLC và triển khai các thuật toán điều khiển chuyên sâu (PID, Fuzzy) để tạo thành hệ thống tự động hóa đồng bộ hoàn chỉnh.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

• Xây dựng hoàn chỉnh bộ bản vẽ thiết kế cơ khí 3D cho cánh tay robot 4 bậc tự do bằng nhôm và hệ thống băng tải kích thước $1200 \times 234 \times 300\text{ mm}$ trên SolidWorks.
• Tính toán và kiểm chứng thành công thuật toán động học thuận và động học nghịch bằng phương pháp đại số trên Matlab, đảm bảo độ chính xác khi chuyển đổi giữa không gian biến khớp và không gian Cartesian.
• Tính toán chính xác hệ thống truyền động động cơ và giảm tốc với tổng tỷ số truyền $1:40$ (Khớp 1 dùng AC Servo 400W), $1:50$ (Khớp 2 dùng AC Servo 200W) và truyền động trục khớp 3 (AC Servo 100W), khớp 4 (Step Motor Nema 17).
• Phát triển giao diện điều khiển đồ họa GUI trên Matlab kết nối mô hình Simscape Multibody và mô phỏng chuyển động thực tế ảo trên SolidWorks Motion tái hiện quá trình gắp đặt vật thể từ băng tải vào hộp chứa.
• Xây dựng chương trình xử lý ảnh trên Matlab phân loại thành công hai gam màu (đỏ, xanh), xác định vị trí tọa độ trọng tâm và đếm số lượng vật phẩm.

Giải pháp và kiến nghị

Tác giả đề xuất quy trình thiết kế tối ưu hóa khối lượng cơ khí, sử dụng phương pháp căng đai bằng bulong trượt M8 tại Khớp 2 để triệt tiêu độ rơ và rung lắc, đồng thời kiến nghị sử dụng mô phỏng thực tế ảo làm bước đệm bắt buộc để đánh giá va chạm và kiểm tra động học trước khi đầu tư kinh phí gia công cơ khí chính xác.

Đóng góp về mặt kỹ thuật

Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh bao gồm bảng thông số D-H, công thức giải tích nghiệm động học nghịch tường minh, dự toán moment cơ cấu truyền động và quy trình liên kết mô phỏng giữa SolidWorks và Matlab cho dòng robot 4 bậc tự do.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

• Đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng số và thực tế ảo trên phần mềm máy tính, chưa thi công chế tạo mô hình phần cứng thực tế do hạn chế về thời gian và kế hoạch thực hiện.
• Hệ thống chưa tích hợp bộ điều khiển lập trình công nghiệp PLC để điều khiển tập trung và đồng bộ hóa các thiết bị ngoại vi.
• Chưa áp dụng các giải thuật điều khiển kín chuyên sâu như bộ điều khiển PID hoặc bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic) để kiểm soát chất lượng động học và bù sai số.
• Quá trình nhận diện màu sắc bằng xử lý ảnh trên Matlab mới chỉ hoạt động độc lập, chưa được kết nối đồng bộ trực tiếp với tín hiệu điều khiển chuyển động của cánh tay robot trong cùng một chu trình điều khiển kín.

Hướng phát triển

• Tiến hành gia công cơ khí chính xác các chi tiết nhôm theo bản vẽ SolidWorks và lắp ráp hoàn thiện mô hình vật lý.
• Tích hợp các bộ điều khiển công nghiệp (PLC) và driver AC Servo thực tế để điều khiển chấp hành.
• Lập trình thuật toán điều khiển PID/Fuzzy trên phần cứng để nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo.
• Ghép nối dữ liệu tọa độ thời gian thực từ module xử lý ảnh sang bộ điều khiển robot để tự động hóa hoàn toàn quy trình phân loại và gắp đặt sản phẩm.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot: Nguồn tài liệu học tập chi tiết về phương pháp thiết lập bảng thông số D-H, các bước thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất và kỹ thuật giải hệ phương trình động học nghịch bằng đại số cho cánh tay máy 4 bậc tự do.
• Kỹ sư thiết kế cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tính chọn công suất động cơ AC Servo, tính toán tỷ số truyền động đai Pully GT2 kết hợp hộp số giảm tốc và kết cấu căng đai cơ khí.
• Người làm đề tài về mô phỏng hệ thống: Tham khảo phương pháp xây dựng giao diện điều khiển Matlab GUI kết hợp công cụ mô phỏng động lực học Simscape Multibody và SolidWorks Motion.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình cánh tay robot trong đồ án được thiết kế dựa trên cấu trúc của loại robot công nghiệp nào?
Mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do được tác giả nghiên cứu và thiết kế dựa trên việc đơn giản hóa cấu trúc cơ khí của dòng robot công nghiệp 6 bậc ABB IRB 6620, tối ưu hóa vật liệu hoàn toàn bằng hợp kim nhôm để phục vụ việc tính toán và định hướng thi công thực tế.

2. Cơ cấu truyền động tại Khớp 1 và Khớp 2 sử dụng loại động cơ nào và có tổng tỷ số truyền là bao nhiêu?
Khớp 1 sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi công suất 400W ($T_{in} = 1.3\text{ Nm}$) kết hợp hộp số $1:10$ và bộ truyền đai Pully GT2 tỉ lệ $1:4$, cho tổng tỷ số truyền là $1:40$. Khớp 2 sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi công suất 200W ($T_{in} = 0.64\text{ Nm}$) kết hợp hộp số $1:10$ và bộ truyền đai Pully GT2 tỉ lệ $1:5$, cho tổng tỷ số truyền là $1:50$.

3. Tác giả sử dụng phương pháp toán học nào để giải bài toán động học nghịch và quy hoạch quỹ đạo cho robot?
Tác giả sử dụng phương pháp đại số (biến đổi ma trận lượng giác và hàm $\text{atan2}$) để tìm đầy đủ các nghiệm góc khớp $(\theta_1, \theta_2, \theta_3, \theta_4)$ từ ma trận vị trí - hướng của điểm công tác, và sử dụng phương pháp đa thức bậc 3 để quy hoạch quỹ đạo chuyển động điểm-điểm trơn tru cho các khớp.

4. Giới hạn nghiên cứu lớn nhất của đề tài được tác giả và giáo viên hướng dẫn xác nhận là gì?
Hạn chế lớn nhất là đề tài chưa kịp gia công chế tạo mô hình phần cứng vật lý do vấn đề quản lý thời gian và lập kế hoạch; hệ thống mới chỉ hoàn thiện ở giai đoạn tính toán lý thuyết, thiết kế 3D, mô phỏng chuyển động thực tế ảo và xử lý ảnh độc lập trên máy tính, chưa tích hợp PLC hay thuật toán điều khiển PID/Fuzzy.

5. Module xử lý ảnh lập trình trên phần mềm Matlab thực hiện những chức năng cụ thể nào?
Module xử lý ảnh kết nối camera thu nhận hình ảnh đầu vào, thực hiện phân loại hai màu sắc cơ bản (màu đỏ và màu xanh), định vị tọa độ trọng tâm của vật thể và đếm số lượng vật phẩm xuất hiện trên băng tải.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Ngũ Thế Bảo đã hoàn thành việc thiết kế cơ khí 3D, tính toán hoàn chỉnh động học và kiểm chứng mô phỏng thành công hệ thống robot 4 bậc tự do kết hợp xử lý ảnh phân loại sản phẩm. Các giải pháp tính toán chọn động cơ AC Servo, tỷ số truyền đai răng và quy hoạch quỹ đạo đa thức bậc 3 được xây dựng chặt chẽ và trực quan hóa qua giao diện Matlab GUI cùng môi trường SolidWorks Motion. Mặc dù chưa kịp hoàn thiện mô hình vật lý và tích hợp PLC thời gian thực, các kết quả tính toán giải tích và mô phỏng thực tế ảo trong đồ án là nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc chế tạo và ứng dụng hệ thống robot trong thực tế sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.5 Phương pháp nghiên cứu Dựa trên các mô hình thực tế đã được nghiên cứu và tham khảo, thực hiện nghiên cứu thiết kế mô hình Robot 4 bậc tự do chi tiết trên SolidWorks. Thay thế chất liệu thông thường hay sử dụng là nhựa bằng sử dụng kim loại nhôm giúp cho cơ cấu chắc chắn và ổn định. Nghiên cứu về lý thuyết động học thuận, động học nghịch robot theo nhiều hướng, hướng đến việc điều khiển robot hoạt động ổn định, mượt mà, khả năng đáp ứng nhanh. Nghiên cứu quy hoạch quỹ đạo cho robot để robot hoạt động ổn định với cơ cấu đã thiết kế.

Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh, phân loại màu sắc mô phỏng phân loại trên Matlab. Hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống. Kết luận và rút ra kinh nghiệm cũng như hướng phát triển tương lai 1.6 Giới thiệu nội dung Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau: Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 2 trình bày tổng quan về định nghĩa robot, nguyên lý hoạt động, cơ sở thiết kế mô hình và liệt kê thiết bị được sử dụng Chương 3: Thiết kế mô hình Chương 3 trình bày cách thiết kế Robot 4 bậc tự do, tính toán cơ cấu truyền và lên dự toán các thiết bị, vật liệu xây dựng mô hình Chương 4: Tính toán, kiểm chứng và mô phỏng Chương 4 trình bày cách nguyên lý hoạt động, tính toán động học cho Robot, xây dựng giao diện mô phỏng động học cho Robot và mô phỏng nhận diện màu sắc Chương 5: Kết quả đạt được Chương 5 trình bày các kết quả đã đạt được thông qua quá trình thực hiện đề tài Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Định nghĩa robot Robot, "Người máy" là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.

Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo thường là một hệ thống cơ khí - điện tử. Cánh tay robot là một loại máy được lập trình sẵn nhằm thực hiện một công việc nào đó lặp đi lặp lại, tỉ mỉ, tốc độ làm việc cao và độ chính xác của cánh tay robot lớn gấp nhiều lần so với con người. Nó hoạt động rất linh hoạt với cơ chế khớp ngón hệt như một con người. Thay thế bàn tay của con người trong các công đoạn lắp ráp, sửa chữa, thay thế linh kiện siêu nhỏ trong nhà máy.

Cơ chế hoạt động của chúng dựa trên liên kết giữa bộ điều khiển và các khớp nối chuyển động. Robot công nghiệp là một cơ cấu máy có thể lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng mục đích phục vụ công việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người. Đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm.2 Phân loại Robot Robot có rất nhiều loại ví dụ: cánh tay Robot, Mobile Robot, Robot điều khiển từ xa,… Nên robot nói chung thì có nhiều cách phân loại tùy theo loại robot và cách sử dụng cho các mục đích khác nhau. Nhưng nếu nói về cánh tay robot nói riêng thì nhìn chung robot có thể chia thành ba loại: theo kết cấu, theo phương pháp điều khiển và theo phạm vi ứng dụng của robot.1 Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu (hình học), người ta thường phân loại robot thành các loại: Descartes, Robot toạ độ trụ (cylindrical robot), Robot toạ độ cầu (spherical robot), SCARA.

Tay máy kiểu tọa độ Descartes, còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục toạ độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu nên độ vững chắc cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu Descartes được dùng để vận chuyển và lắp ráp.

4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Tay máy tọa độ Descart Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy kiểu Descartes ở khớp đầu tiên dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy "thò" được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.2: Tay máy tọa độ trụ Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay.

Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên, loại này có thể "nhặt" được cả vật dưới nền. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Tay máy tọa độ cầu SCARA được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại Trường đại học Yamanashi ( Nhật bản) dùng cho công việc lắp ráp.

Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững (Compliance) theo phương được chọn (Selective), là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm" để mô tả các đặc điểm trên.

Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng.2 Phân loại theo điều khiển Có hai kiểu điều khiển robot: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. - Điều khiển hở dùng truyền bước 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 này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác khá thấp.5: Cấu trúc điều khiển vòng hở - Điều khiển kín (điều khiển kiểu Servo): sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác. Có 2 cách điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).

6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển vòng kín 2.3 Phân loại theo ứng dụng Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt. Ngày nay, Robot đã được ứng dụng vào rất nhiều trong đời sống củng như sản xuất: Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm… Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội .7: Robot láp ráp ô tô 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.8: Ứng dụng Robot trong nhà bếp-Robot rửa chén Hình 2.9: Ứng dụng robot trong khai thác khoáng sản 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.10: Robot đóng gói trong ngành dược phẩm 2.3 Động học Robot Để biểu diễn toán học mô hình robot, hệ trục tham chiếu thường gắn tại một điểm để từ đó có thể xác định mối quan hệ với robot. Mỗi khâu của robot được gắn với một hệ trục tham chiếu nhằm mục đích bám theo vị trí, hướng của khâu và mô hình hóa toàn bộ hệ thống robot di chuyển trong không gian mà không quan tâm đến các lực xung quanh tác động.

Các cảm biến khớp đo góc quay đối với các khớp chuyển động quay hoặc đo khoảng cách trượt đối với các khớp chuyển động tịnh tiến cho phép bộ điều khiển tính toán giá trị điều khiển một cách chính xác để điều khiển các cơ cấu chấp hành. Việc tính toán ma trận vị trí và hướng từ các biến khớp cũng như mối quan hệ này theo chiều ngược lại được gọi là tính toán động học thuận, động học nghịch (còn được gọi là tính toán động học robot).1 Động học thuận cánh tay Robot Động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối khi biết trước tất cả các giá trị biến khớp, mối quan hệ đó biểu diễn như hình 2. Để giải được bài toán này thì tuân thủ quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H). 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.11: Cấu trúc động học thuận Giả sử trong chuỗi động học của tay máy có n khâu, khâu thứ i nối khớp thứ i với khớp thứ i+1.12 Mô hình hóa khâu khớp robot Để mô hình hóa robot với sự biểu diễn D-H, việc đầu tiên cần làm là gắn hệ trục tham chiếu lên mỗi và mọi khớp xoay.

Tất cả mọi khớp được biễu diển theo trục Z. Nếu khớp là khớp quay, trục Z sẽ được định hướng theo hướng dịch chuyển tạo ra sự quay theo quy tắc bàn tay phải. Nếu khớp là khớp tịnh tiến, trục Z của khớp dọc theo hướng di chuyển. Nếu gọi a biểu diễn khoảng cách đường vuông góc chung giữa trục Z n−1 và Z n thì hướng của trục xn sẽ dọc theo hướng của đoạn a.

Hướng của trục y được xác định theo tam diện thuận mà hệ trục tham chiếu có được. Từ đó có bảng thông số D-H. Bảng thông số DH i a  d  1 2 3 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT … n Trong đó: a là khoảng cách giữa Z n−1 và Z n so với xn−1  là góc giữa Z n−1 và Z n so với xn−1 d là khoảng cách giữa xn−1 và xn so với Z n−1  là góc giữa xn−1 và xn so với Z n−1 Ma trận chuyển vị từ hệ i đến hệ i-1 được thể hiện ở công thức (2.1), với các thông số được xác định trong bảng D-H: cosi − sin i cos  i sin i sin  i ai cosi   sin  cosi cos i − cosi sin  i ai sin i  i −1 T=  i  (2.