Đang tải... (xem toàn văn)
Lập trình điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm đang chạy trên băng tải dựa theo màu sắc sản phẩm. Cánh tay robot được cấu thành từ các động cơ servo sg90, nhận diên màu sắc bằng module TCS3200
Đồ án tốt nghiệp Đại học Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Lời cảm ơn Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian dài nghiên cứu thực đến đề tài tốt nghiệp “Cánh tay robot phân loại sản phẩm băng chuyền theo màu sắc” nói bước đầu hồn thiện Chỉ thời gian em hồn thành chương trình đại học bắt đầu đường Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa kỹ thuật điện tử Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng suốt q trình em học tập học viện nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em để em trang bị cho kiến thức tảng đường nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt chân thành tới thầy Ngô Đức Thiện-giảng viên Khoa Kỹ thuật điện tử hỗ trợ, giúp đỡ em trình thực đồ án tốt nghiệp Nhờ bảo kiến thức thầy truyền đạt giúp em hoàn thành đề tài tốt nghiệp Qua em muốn gửi lời cảm ơn tới người bạn đồng hành suốt năm tháng đại học, người thân thiết đặc biệt em muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình mình, nguồn động lực nguồn động viên to lớn để giúp em hoàn thành năm tháng sinh viên Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Trần Ngọc Tú Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Lời cảm ơn Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DC: Direct Current Dòng điện 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật máy móc vào lĩnh vực sản xuất cơng nghiệp đóng vai trò quan trọng cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Sự đời Robot mở nột cách mạng công nghiệp mà Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục hoạt động xác liên tục thời gian dài, thay người để làm việc môi trường khắc nghiệt độc hại Việc đưa Robot vào hoạt động sản xuất tạo bước đà thúc đẩy hoạt dộng sản xuất doanh nghiệp Việc sản xuất tự động thay cho hoạt dộng sản xuất thủ công giúp tăng sản lượng, suất công việc, cắt giảm chi phí nhân cơng từ vừa nâng cao chất lượng đồng thời lại hạ giá thành sản phẩm tạo tiền đề cạnh tranh thị trường Chính quan trọng Robot mà em chọn đề tài “Cánh tay robot bậc tự phân loại sản phẩn băng chuyền dựa theo màu sắc” cho đồ án tốt nghiệp Với giúp đỡ nhiệt tình thầy khoa Kỹ thuật điện tử đặc biệt thầy giá Ngô Đức Thiện, em mong muốn xây dựng tiền đề để nghiên lĩnh vực robotic Tuy nhiên, kiến thức chun mơn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót sản phẩm làm ra, em mong nhận thơng cảm ý kiến đóng góp q thầy cô bạn sinh viên Em xin trân thành cảm ơn Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Tổng quan chung 1.1.1 Dẫn nhập Khoa học ngày phát triển sản sinh công cụ hộ trợ tối đa cho người lao động sống Trong ngành khoa học ứng dụng khác khoa học robot vấn đề trội, tình lao động sản xuất, ngày sức người giảm tải cơng đoạn máy móc đưa vào thay Và hết, nhu cầu tìm hiểu khám phá người không đủ, trình khám phá cải tạo giới, người gặp phải vấn đề trở ngại môi trường người sống Vì vậy, nhu cầu tất yếu phải có cỗ máy đảm nhiệm cơng việc Từ đó, người nảy sinh nhu cầu chế tạo robot mang hình dáng người để đảm nhận thay người công việc từ đơn giản đến phức tạp Hình 1.1 Robot công nghiệp Ngày nay, robot lĩnh vực phát triển nhanh chóng Nhờ cơng nghệ phát triển liên tục, robot chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, robot nước, robot công nghiệp robot quân sự,… Nhiều robot thay người làm công việc độc hại, nguy hiểm tháo ngòi nổ bom mìn, thăm dò tìm tàu bị đắm… Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 1.1.2 Lịch sử phát triển Các robot độc lập với đầy đủ ý nghĩa có xuất nửa sau kỷ 20 Robot kỹ thuật số lập trình có tên gọi Unimate, chế tạo vào năm 1961 dùng để nâng phần nóng miếng kim loại từ máy đúc chết xếp lại chúng theo trật tự Ngày nay, robot thương mại robot công nghiệp sử dụng phổ biến để thực công việc với giá rẻ hơn, xác đáng tin cậy người Chúng sử dụng công việc mà có độ nhiễm cao, nguy hiểm đơn điệu Robot sử dụng rộng rãi sản xuất, lắp ráp, đóng gói, mở gói, vận chuyển, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, thăm dò khơng gian lòng đất, , nghiên cứu phòng thí nghiệm dây chuyền sản xuất hàng loạt Hình 1.2 Robot cơng nghiệp Trên thực tế, hầu hết robot Unimate bán để làm công việc lấy khuôn khỏi máy dập khuôn để hàn điểm ôtô, hai loại công việc mà công nhân không muốn làm Tuân theo lệnh lưu trữ trống từ, cánh tay nặng 4000 pound đủ linh hoạt để làm nhiều loại tác vụ Cả hai ứng dụng thành công lớn thương mại, cụ thể robot làm việc đáng tin cậy tiết kiệm tiền thuê nhân công Một công nghiệp đời với nhiều công việc robot thực Robot công nghiệp Unimate robot sử dụng phổ biến giới Unimate robot cho phép lập trình chuyển động hoàn toàn trục thiết kế để nâng trọng lượng 500 pound với tốc độ nhanh Sau 20 năm cải tiến, robot có độ tin cậy cao dễ sử dụng Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Năm 1969, Victor Scheinman – sinh viên chế tạo máy làm việc phòng thí nghiệm trí thơng minh nhân tạo Standford chế tạo cánh tay Standford Thiết kế trở thành chuẩn mực ảnh hưởng nhiều đến thiết kế cánh tay robot ngày Đây cánh tay robot chạy điện điều khiển máy tính thành cơng Robot có khớp, cho phép giải động học ngược cho robot (arm solution) Robot theo lộ trình tùy ý mở rộng khả cho ứng dụng phức tạp robot lắp ráp hàn hồ quang Cũng robot sử dụng để phát triển kỹ thuật lắp ráp công nghiệp cho cánh tay robot thương mại Victor Scheinman sau bán thiết kế cho Unimation, hãng với giúp đỡ General Motors phát triển robot thành dòng robot cơng nghiệp PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) sử dụng rộng rãi dây chuyền lắp ráp tự động nhiều tác vụ cơng nghiệp khác Hình 1.3 Robot PUMA Shakey robot di động suy luận hoạt động nó, trung tâm trí tuệ nhân tạo SRI ( viện nghiên cứu Stanford, Menlo Park, California ) phát triển từ năm 1966 năm 1972 Shakey tảng có ảnh hưởng to lớn đến trí thơng minh nhân tạo khoa học robot ngày Shakey có camera vô tuyến, máy đo khoảng cách phương pháp điểm, cảm biến chấn động Shakey kết nối với hai máy tính DEC PDP – 10 DPD – 15 thơng qua sóng Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 10 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng Chương 2: Giới thiệu linh kiện Hình 3.6 Cấu tạo động DC Động điện chiều bao gồm phận chính: cuộn dây đóng vai trò rotor phần quay xung quanh trục, nam châm điện đóng vai trò stator phần đứng yên không chuyển động phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor liên tục Nguyên lý hoạt động: Hình 3.7 Nguyên lý hoạt động động DC Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dòng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Điều khiển tốc độ động cơ: Thông thường, tốc độ quay động điện chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Điều khiển tốc độ động Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 45 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng Chương 2: Giới thiệu linh kiện cách điều khiển điểm chia điện áp bình ắc quy, điều khiển cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trở mạch điện tử Chiều quay động thay đổi cách thay đồi chiều nối dây phần kích từ, phần ứng, thay đổi hai Thông thường thực công tắc tơ đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều) Điện áp tác dụng thay đổi cách xen vào mạch điện trở nối tiếp sử dụng thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp Thyristor, transistor loại cổ điển đèn chỉnh lưu hồ quang Thủy ngân Trong mạch điện gọi mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động thay đổi cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật nhanh Khi tỷ lệ thời gian "on" thời gian "off" thay đổi làm thay đổi điện áp trung bình Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn cho điện áp trung bình đặt vào động Như với điện áp nguồn cung cấp 100V, tỷ lệ thời gian ON 25% điện áp trung bình 25V Trong thời gian "Off", điện áp cảm ứng phần ứng làm cho dòng điện khơng bị gián đoạn, qua ốt gọi ốt phi hồi, nối song song với động Tại thời điểm này, dòng điện mạch cung cấp khơng dòng điện qua động khác khơng dòng trung bình động ln lớn dòng điện mạch cung cấp, trừ tỷ lệ thời gian "on" đạt đến 100% Ở tỷ lệ 100% "on" này, dòng qua động dòng cung cấp Mạch đóng cắt tức thời bị tổn hao lượng mạch dùng điện trở Phương pháp gọi phương pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (pulse width modulation, or PWM), thường điều khiển vi xử lý Động điện chiều sử dụng hệ thống với vai trò vận hành băng tải Khi động quay băng tải chạy theo nhờ việc đặt quay đầu lại cuộn dây tải Nhờ việc ứng dụng phương pháp điều biến độ rộng xung ta điều khiển động DC dừng/quay theo ý muốn từ điều khiển vận hành băng tải (5) Các linh kiện khác sử dụng mơ hình - Module cảm biến hồng ngoại Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 46 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng Chương 2: Giới thiệu linh kiện Hình 3.8 Cảm biến hồng ngoại sử dụng hệ thống Hình 3.9 Cấu tạo module cảm biến hồng ngoại Cảm biến có khả nhận biết vật cản môi trường với cặp LED thu phát hồng ngoại để truyền nhận liệu hồng ngoại Tia hồng ngoại phát với tần số định, có vật cản đường truyền LED phát phản xạ vào LED thu hồng ngoại, LED báo vật cản module sáng, khơng có vật cản, LED tắt Với khả phát vật cản khoảng ~ 30cm khoảng cách điều chỉnh thơng qua chiết áp cảm biến cho thích hợp với ứng dụng cụ thể như: xe dò line, xe tránh vật cản, … Thơng số kỹ thuật • • • • • • IC so sánh: LM393 Điện áp: 3.3V - 6VDC Dòng tiêu thụ: Vcc = 3.3V: 23 mA Vcc = 5.0V: 43 mA Góc hoạt động: 35° Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 47 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng • • • • • • Chương 2: Giới thiệu linh kiện Khoảng cách phát hiện: ~ 30 cm LED báo nguồn LED báo tín hiệu ngõ Mức logic ngõ ra: Mức thấp - 0V: có vật cản Mức cao - 5V: khơng có vật cản Kích thước: 3.2cm x 1.4cm Chức cảm biến hồng ngoại sử dụng hệ thống: đặt vị trí vừa vặn cho cánh tay robot gắp sản phẩm chạy băng tải Khi sản phẩm đến vị trí đặt cảm biến hồng ngoại cảm biến gửi tín hiệu mức cao đến Arduino để báo sản phẩm đến vị trí phù hợp, arduino gửi tín hiệu xung PWM để dừng băng tải Lúc sản phẩm đứng im vị trí thuận tiện cho cánh tay robot thực việc gắp vật 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động hệ thống Ban đầu băng tải không hoạt dộng, cánh tay robot trạng thái chờ Khi arduino gửi tín hiệu mức cao để đóng relay 12V lúc dòng điện chạy qua relay đến động điện chiều Tín hiệu gửi tới động DC tín hiệu analog với độ rộng xung dương 255 nên động quay với tốc độ cao Khi động quay chạy băng tải Sản phẩm đặt băng tải đưa tới vị trí đặt cảm biến hồng ngoại làm bật trở lại tín hiệu từ đèn phát tia hồng ngoại đèn thu tín hiệu hồng ngoại Lúc cảm biến hồng ngoại gửi tín hiệu digital mức tới arduino để thông báo sản phẩm tới vị trí cánh tay robot gắp Lúc arduino ngắt tín hiệu điện gửi tới relay để ngắt relay Khi khơng có dòng điện qua realy, động DC khơng có dòng điện chạy qua nó, độ rộng xung dương lúc 0, động dừng hoạt dộng Module cảm biến màu sắc TCS3200 đặt dối diện module cảm biến hồng ngoại Khi sản phẩm tới vị trí đặt cảm biến hồng ngoại, module TCS3200 thực trình phân tách thành phần R, G, B sản phẩm Mỗi màu sắc có khoảng giá trị red, green, blue khác nhau, vi điều khiển sử dụng kết phân tích thành phần R, G, B sản phẩm băng tải để đối chiếu với khoảng giá trị R, G B khảo sát lấy làm chuẩn trước từ nhận diện màu sắc sản phẩm Sau nhận diện xong màu sắc, arduino gửi tín hiệu băm xung pwm để điều khiển góc quay servo sg90 Việc thiết lập góc quay servo để cánh tay robot Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 48 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng Chương 2: Giới thiệu linh kiện thực hành động quay trái, quay phải, nâng, hạ tay đòn, gắp, thả sản phẩm khảo sát từ trước để tìm góc quay phù hợp cho hoạt động Có loại sản phẩm với màu sắc đỏ, xanh lá, xanh nước biển Với màu sắc khác nhau, cánh tay robot thực gắp thả sản phẩm vào hộp màu tương ứng quy định từ trước Sau thực xong trình phân loại sản phẩm, cách tay robot trở vị trí sẵn sàng chờ sản phẩm tiếp theo, arduino gửi tín hiệu mức cao đóng relay, dòng điện qua relay tới động DC, băng tải tiếp tục chạy để đưa sản phẩm tới vị trí phân loại 3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.3.1 Lưu đồ thuật toán Dựa vào nguyên tắc hoạt động hệ thống nêu phần thiết kế phần cứng, ta vẽ lưu đồ thuật tốn sau Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 49 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng Chương 2: Giới thiệu linh kiện Hình 3.10 Lưu đồ thuật tốn thiết kế Từ lưu đồ thuật tốn ta xứ lý lập trình mã nguồn cho hệ thống phần mềm Arduino IDE nhà sản xuất Quá trình cấu hình để ghép nối Arduino Uno R3 với máy tính thực sau: Bước 1: Kết nối Arduino với máy tính qua cổng COM máy tính Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 50 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng Chương 2: Giới thiệu linh kiện Hình 3.11 Kết nối Arduino Uno R3 với máy tính qua cổng COM Bước 2: Khởi động Arduino IDE,cấu hình phiên làm việc cho Arduino IDE Vào menu Tools -> Board -> chọn Arduino Uno Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 51 Đồ án tốt nghiệp Đại học sử dụng Chương 2: Giới thiệu linh kiện Vào menu Tools -> Serial Port -> chọn cổng Arduino kết nối với máy tính Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 52 Đồ án tốt nghiệp Đại học động Chương 3: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt Xác nhận cổng COM Arduino IDE góc bên phải cửa sổ làm việc Vào menu Tools -> Programmer -> chọn AVR ISP Bước 3: Nạp chương trình viết vào board Trần Ngọc Tú - D15DTMT2 53 Đồ án tốt nghiệp Đại học động Chương 3: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt 3.3.2 Mã nguồn Một số hàm quan trọng sử dụng lập trình - Trong thư viện servo.h, ta sử dụng hàm servo.attach(x) để khai báo chân kết nối servo sg90 Arduino, x chân Digital xuất tín hiệu điều chế độ rộng xung, ký hiêu PWM board mạch Để điều khiển servo quay theo góc mong muốn, sử dụng hàm servo.write(y) với y góc quay mong muốn thỏa mãn y