Research And Development Of Soft Gripper For Robot Arm Nghiên Cứu Và Phát Triển Đầu Gắp Mềm Cho Cánh Tay Robot

i

ĐẠI HOC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐỨC TIẾN

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐẦU GẮP MỀM CHO CÁNH TAY

ROBOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI – 2022

ii

ĐẠI HOC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐỨC TIẾN

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐẦU GẮP MỀM CHO CÁNH TAY

ROBOT

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã: 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn: Ts. Nguyễn Thị Thanh Vân

HÀ NỘI – 2022

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ

tận tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công

Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Trước hết, em muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành

đến giáo viên hướng dẫn của mình, Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Vân, Khoa Điện tử

Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã hướng dẫn trong

quá trình nghiên cứu của em. Cô đã luôn theo sát em trong quá trình làm luận văn, sự

hỗ trợ, chỉ bảo của cô đã giúp cho em có thể củng cố lại kiến thức, phát triển và hoàn

thành nội dung đề tài này.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Bùi Thanh Tùng, Khoa Điện tử Viễn

thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và đưa ra

những đánh giá có giá trị cho em. Bên cạnh đó, em xin được gửi lời cám ơn đến Ths.

Phan Hoàng Anh đã hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình nghiên cứu, anh đã chỉ bảo và

chia sẻ cho em rất nhiều kiến thức cần thiết để có thể hoàn thành luận văn này.

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy/Cô đã và đang giảng dạy

tại Khoa Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà

Nội đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này.

Tiếp đến mình muốn gửi lời cảm đến nhóm sinh viên Trần Công Minh, Nguyễn

Việt Tiến, Nghiêm Ngọc Hùng, nhóm sinh viên Đỗ Tuấn Anh, Trần Hữu Quốc Đông,

Bùi Duy Nam, Đàm Phương Nam cùng các bạn sinh viên tại bộ môn Vi cơ điện tử và

vi hệ thống đã dành thời gian để hỗ trợ thực hiện luận văn này.

Cuối cùng, em muốn gửi lời biết ơn sâu sắc nhất của mình dành cho gia đình và

những người bạn của mình vì sự hỗ trợ tinh thần của họ trong suốt quá trình làm luận

văn. Trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong

nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy cô và các bạn học để có thể

tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài này.

Em xin chân thành cám ơn.

Hà Nội, tháng , năm 2022

Nguyễn Đức Tiến

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu, chế tạo đầu gắp mềm cho cánh tay robot”

do TS. Nguyễn Thị thanh Vân hướng dẫn là công trình nghiên cứu của tôi được thực

hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, không sao chép các tài liệu hay

công trình của người nào khác.

Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều được nêu nguồn

gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc

đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo.

Hà Nội, tháng , năm 2022

Nguyễn Đức Tiến

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... iv

MỤC LỤC ....................................................................................................................... v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ ix

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ........................................................................................... 3

1.1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 3

1.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. 11

1.1.2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................... 11

1.1.3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 11

1.1.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 11

1.2. Lịch sử phát triển của đầu gắp mềm .................................................................. 12

1.3. Cơ sở nghiên cứu .............................................................................................. 14

1.3.1. Mối liên hệ giữa momen uốn và chiều dài của tay gắp mềm ................... 14

1.3.2. Mối liên hệ giữa bán kính uốn và tổng góc uốn của cơ cấu truyền động

của tay gắp mềm. ................................................................................................. 15

1.3.3. Mối liên hệ giữa góc uốn và chiều dài cong của đầu gắp mềm ................ 17

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU GẮP MỀM ............................................. 18

2.1. Cơ sở thiết kế ................................................................................................... 18

2.1.1. Cơ sở hoạt động của bộ truyền động mềm dùng khí nén ......................... 18

2.1.2. Mô hình thiết kế ...................................................................................... 19

2.2. Kiểm chứng bằng mô phỏng số ........................................................................ 20

2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................. 20

2.2.2. Phần mềm mô phỏng .............................................................................. 21

2.2.3. Phần mềm thiết kế .................................................................................. 22

2.2.4. Thiết kế và mô phỏng ............................................................................. 23

2.2.5. Kết quả sau mô phỏng ............................................................................ 30

2.3. Kiểm chứng bằng phương pháp thực nghiệm .................................................... 31

2.3.1. Chế tạo và lắp ráp ................................................................................... 31

2.3.1.1. Phương pháp in 3D .............................................................................. 31

2.3.1.2. Quá trình đổ khuôn bộ truyền động mềm ............................................. 33

2.3.2. Lắp đặt và kiểm thử ................................................................................ 42

2.4. Kết quả chế tạo và thử nghiệm .......................................................................... 44

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG ĐẦU GẮP MỀM ............................................................ 47

3.1. Robot di chuyển................................................................................................ 47

vi

3.1.1. Thiết kế cánh tay robot 3 bậc tự do ......................................................... 47

3.1.1.1. Cơ sở và giải thích việc chọn mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do? ...... 47

3.1.1.2. Thiết kế và chế tạo ............................................................................... 47

3.1.2. Thân robot di chuyển .............................................................................. 48

3.1.3. Kết quả ................................................................................................... 50

3.2. Hệ băng tải cánh tay máy phân loại sản phẩm ................................................... 51

3.2.1. Thiết kế hệ thống tổng thể ....................................................................... 51

3.2.2. Kết quả ................................................................................................... 52

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .......................................................................................... 54

4.1. Đánh giá ........................................................................................................... 54

4.2. Hạn chế của đề tài............................................................................................. 54

4.3. Khả năng phát triển .......................................................................................... 55

4.3.1. Những ứng dụng thiết thực ở hiện tại ...................................................... 55

4.3.2. Hướng phát triển ..................................................................................... 55

Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 56

PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................... 59

PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................... 65

1. Hệ băng tải cánh tay máy phân loại sản phẩm ................................................... 65

2. Bộ logic khả trình PLC - Giao tiếp giữa máy tính và PLC qua Snap7 ............... 68

a. Giới thiệu ......................................................................................................... 68

b. Giao tiếp giữa máy tính và PLC qua Snap7....................................................... 70

c. Cài đặt chương trình cho băng tải ..................................................................... 71

3. Khối nhận diện ảnh ........................................................................................... 74

a. Tổng quan về xử lý ảnh .................................................................................... 74

b. Quy trình xử lý ảnh ........................................................................................... 74

c. Giải thích thuật toán đo kích thước vật: ............................................................ 76

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. Đầu gắp mềm của tác giả Suzumori (1996) ......................................................... 4

Hình 2. Găng tay robot mềm phục hồi chức năng của nhóm tác giả Panagiotis

Polygerinos (2013) .......................................................................................................... 5

Hình 3. Mô hình robot của nhóm nghiên cứu Christian Duriez ........................................ 6

Hình 4. Minh họa sắp xếp buồng và cấu trúc lớp của nhóm nghiên cứu Xuanming Lu..... 6

Hình 5. Các mô hình điều áp và kết quả mô phỏng của nhóm nghiên cứu Xuanming

Lu: (a) cuộn, (b) tạo rãnh, (c) vươn dài, (d) uốn ............................................................... 7

Hình 6. (a) Sơ đồ của quá trình tạo mô hình bằng phương pháp in 3D. (b) Các tệp thiết

kế 3D ở định dạng tệp STL đã được tải lên phần mềm Cura-phần mềm xuất file cho

máy in 3D (c) thiết kế đang được in ngang bằng cách sử dụng máy in 3D(d) chế độ

xem mặt cắt của tệp thiết kế. Bộ truyền động một kênh được thiết kế không có khoang

bên trong. Bộ truyền động kênh đôi được thiết kế với khoang bên trong. ......................... 8

Hình 7. Các hành vi uốn của thiết bị truyền động một kênh ở các áp suất đầu vào khác

nhau của tác giả Hong Kai Yap ........................................................................................ 8

Hình 8. Các hành vi uốn của bộ truyền động kênh đôi ở các áp suất đầu vào khác nhau

của tác giả Hong Kai Yap. ............................................................................................... 9

Hình 9. Kết quả mô phỏng các bộ gắp khác nhau nắm và nâng một vật mềm. (a) thể

hiện cấu hình ban đầu; (b), (c) và (d) cho thấy cấu hình cuối cùng sau khi nắm và nâng

vật bằng các thiết kế ngón tay khác nhau của tác giả Zhongkui Wang.............................. 9

Hình 10. Ảnh chụp thí nghiệm về việc nắm và nâng (a) một hộp giấy chứa hạt, (b)một

hộp giấy chứa gà rán, (c) một quả bóng gỗ và (d) một quả trứng sống của tác giả

Zhongkui Wang. ............................................................................................................ 10

Hình 11. Thiết kế của mô hình PBA .............................................................................. 10

Hình 12. Quá trình phát triển của các hệ thống robot có sử dụng đầu gắp mềm .............. 13

Hình 13. Mô hình mạng khí nén nhanh của tay gắp mềm [16] ....................................... 14

Hình 14. Quan hệ giữa bán kính uốn và tổng góc uốn [17]............................................. 15

Hình 15. Biểu diễn các thông số về góc uốn và chiều dài cong của đầu gắp mềm [18] ... 17

Hình 16. Chú thích các kích thước của mô hình mạng khí nén nhanh của tay gắp mềm. 19

Hình 17. Thiết kế của thiết bị truyền động bằng khí nén. (a) Cấu trúc của bộ truyền

động, (b) Hình chiếu cắt ngang thể hiện các kích thước ................................................. 20

Hình 18. Ví dụ về chia lưới mô hình 3D trong phương pháp phần tử hữu hạn ................ 21

Hình 19. Kết quả mô phỏng cơ cấu chấp hành mềm. (a) và (b) cho thấy sự biến dạng

của một buồng không khí trước (a) và sau khi (b) bơm không khí vào trong buồng ....... 23

Hình 20. Thiết kế của bộ kẹp mềm. (a) Các bước để tạo ra bộ kẹp mềm bằng cách sử

dụng bộ truyền động khí nén và các bộ phận hỗ trợ, (b) Bộ kẹp mềm sau khi được lắp

ráp ................................................................................................................................. 24

Hình 21. Chọn mô hình và thông số của vật liệu ............................................................ 26

Hình 22. Thiết kế mô hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, góc

nhìn toàn bộ. .................................................................................................................. 26

Hình 23. Thiết kế mô hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, mặt

cắt .................................................................................................................................. 27

viii

Hình 24. Biểu đồ thông số của vật liệu phụ thuộc áp suất .............................................. 27

Hình 25. Xác định các mặt phẳng chịu áp suất khi mô phỏng ........................................ 28

Hình 26. Chia lưới để áp dụng tính toán FEM cho mô phỏng......................................... 28

Hình 27. Cài đặt thời gian mô phỏng ............................................................................. 29

Hình 28. Cài đặt điều kiện vật lí là trọng lực cho mô hình mô phỏng ............................. 29

Hình 29. Xác định mặt cố định khi mô phỏng ................................................................ 30

Hình 30. Đặt áp suất tác động vào mô hình .................................................................... 30

Hình 31. Một số hình ảnh về quá trình in khuôn 3D đổ đầu gắp 4 ngón mềm ................ 31

Hình 32. Khuôn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ máy in thông thường .............. 32

Hình 33. Khuôn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ in 3D SLA .............................. 33

Hình 34. Khuôn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ in 3D PLA (a) khuôn đổ một

bộ truyền động riêng, (b) khuôn chung 4 bộ truyền động ............................................... 33

Hình 35. Trộn dung dịch ecoflex theo tỉ lệ 1:1 vào cốc rồi quan sát số liệu trên cân ....... 34

Hình 36. Đổ khuôn hỗn hợp sau khi trộn đều ................................................................. 34

Hình 37. Quá trình hút chân không hỗn hợp dung dịch sau khi đã đổ vào khuôn ........... 36

Hình 38.Công đoạn chờ Ecoflex đông đặc trong khoang nước ....................................... 36

Hình 39. Quá trình sấy chân không xử lý độ nhớt bề mặt của đầu gắp mềm ................... 37

Hình 40. Mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm sau khi chế tạo ................................................ 37

Hình 41. Một số hình ảnh của quá trình đo đạc mẫu thử nghiệm sau khi chế tạo ............ 38

Hình 42. Kiểm tra khả năng hoạt động của đầu gắp mềm sau chế tạo ............................ 39

Hình 43. Quy trình chế tạo mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm ............................................. 40

Hình 44. Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo. (a) đế kẹp, (b) cơ cấu

truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu gắp đã lắp ráp. .. 41

Hình 45. Thiết kế đầu nối trên (a) không có đường khí tích hợp, (b) có đường khí tích

hợp ................................................................................................................................ 42

Hình 46. Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo phiên bản số 2. (a) đế kẹp,

(b) cơ cấu truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu gắp

đã lắp ráp. ...................................................................................................................... 43

Hình 47. Biến dạng uốn của bộ truyền động mềm dưới các áp suất tác dụng khác nhau

trong thí nghiệm (trái) và mô phỏng (phải). ................................................................... 45

Hình 48. Dịch chuyển của đầu thiết bị truyền động ở các áp suất tác dụng khác nhau

trong mô phỏng và thực tế đối với độ dày thành trên tương ứng là 0,5mm (b), 1mm (c)

và 1,5mm (d). ................................................................................................................ 45

Hình 49. Kiểm tra độ bám: cốc sứ, b nút Stop, c lon nhôm, d Ống tiêm 60cc, ePCB

70x50 mm, f bánh răng .................................................................................................. 46

Hình 50. Mối tương quan giữa khối lượng và áp suất tối thiểu cần thiết cho mỗi vật

liệu ................................................................................................................................ 46

Hình 51. Mô hình cánh tay robot “uArm Metal Commercial” ........................................ 48

Hình 52. Mô hình cánh tay 3 bậc lắp trên robot trong thiết kế và thực tế chế tạo ............ 48

Hình 53. Bản thiết kế về phần cứng của rô bốt bằng phần mềm Solidworks 2019 và

thực tế [26] .................................................................................................................... 49

Hình 54. Sơ đồ các thành phần của hệ thống robot ......................................................... 50

Hình 55. Thử nghiệm robot cùng đầu gắp mềm ............................................................. 51

ix

Hình 56. Mô hình thiết kế hệ thống phân loại bằng băng tải và cánh tay máy ................ 51

Hình 57. Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 52

Hình 58. Mô hình thực tế ............................................................................................... 52

Hình 69. Kết quả gắp và phân loại sản phẩm ................................................................. 53

Hình 70. Kết quả nhận diện kích thước vật .................................................................... 53

Hình 71. Cấu thành hệ thống khí nén ............................................................................. 66

Hình 72. Băng tải trong nhà máy dùng để vận chuyển ................................................... 67

Hình 59. Module mở rộng của PLC S7 1200 .................................................................. 69

Hình 60. Các module hỗ trợ có thể tương thích với S7-1200 .......................................... 69

Hình 61. Màn hình giao diện của Tia Portal .................................................................. 70

Hình 73. Thư viện Snap7 và các nền tảng hỗ trợ Snap 7 ................................................ 71

Hình 62. PLC tag lưu địa chỉ của các biến .................................................................... 71

Hình 63. Data_block_1 lưu địa chỉ của các biến đọc ghi thông quan Snap7 .................. 72

Hình 64. Chương trình điều khiển I/O trên PLC ............................................................ 73

Hình 65. Chương trình điều khiển trục xoay trên PLC ................................................... 73

Hình 66. Chương trình nhận lệnh điều khiển trục xoay từ PC trên PLC......................... 74

Hình 74. Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý ảnh ................................................ 74

Hình 67. Lưu đồ thuật toán đo kích thước vật (a) căn chỉnh sử dụng Chessboard (b) đo

kích thước vật sau khi căn chỉnh .................................................................................... 76

Hình 68. Các ví dụ về ứng dụng của thuật toán Camera Calibration ............................. 77

Hình 75. Minh họa giải thuật bước 1 ............................................................................. 78

Hình 76. Các ma trận chuyển đổi................................................................................... 78

Hình 77. Minh họa giải thuật bước 2 ............................................................................ 79

Hình 78. Hệ tọa độ mặt phẳng và ảnh ............................................................................ 79

Hình 79. Minh họa tổng quan thuật toán ....................................................................... 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. Các thông số thiết kế của một bộ kẹp mềm dựa trên thiết kế trong Hình 17. ... 31

Bảng 2. Kết quả khảo sát đo kích thước vật ................................................................. 53

Bảng 3. Chức năng của từng bậc của cánh tay khí và băng tải ...................................... 66