Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot vận chuyển hành lý trong khách sạn đồ án tốt nghiệp khoa đào tạo chất lượng cao ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 11 DANH MỤC BẢNG 12 DANH MỤC HÌNH ẢNH 13 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 16 1.1 Tổng quan 16 1.2 Lý chọn đề tài 16 1.3 Tính cấp thiết đề tài 17 1.4 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 17 1.5 Mục tiêu đề tài 17 1.6 Phương pháp nghiên cứu 18 1.7 Tình hình nghiên cứu nước 18 1.7.1 Vali Cowarobot 18 1.7.2 Robot KLM 20 1.8 Giới hạn đề tài 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 2.1 Lựa chọn cấu lái 22 2.1.1 Cơ cấu lái đồng bánh chủ động 22 2.1.2 Cơ cấu lái sử dụng bánh có bánh điều hướng 23 2.1.3 Cơ cấu lái vi sai 23 2.2 Lựa chọn truyền động 24 2.2.1 Bộ truyền đai 24 2.2.2 Bộ truyền đai 25 2.2.3 Bộ truyền xích 26 2.2.4 Bộ truyền bánh 28 2.3 Máy tính Raspberry Pi 29 2.3.1 Giới thiệu Raspberry Pi 29 2.3.2 Phần cứng Raspbery 29 2.4 Công nghệ IoT 29 2.5 Mã nguồn nodeJS 30 2.5.1 Giới thiệu Web Server 30 2.5.1.1 Giới thiệu Website 30 2.5.1.2 Ngơn ngữ lập trình web 31 2.5.2 Mã nguồn NodeJS 33 2.5.2.1 NodeJS 33 2.5.2.2 Các đặc tính NodeJS 33 2.5.2.3 Hoạt động NodeJS 33 2.5.2.4 Quản lý gói NPM NodeJS 34 2.6 Thuật toán điều khiển động DC PID 34 2.7 Truyền thông UART 36 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 37 3.1 Yêu cầu thiết kế 37 3.2 Sơ đồ khối 38 3.3 Nguyên lý hoạt động robot 38 3.4 Tính tốn hệ thống truyền động 39 3.4.1 Sơ đồ truyền động 39 3.4.2 Tính tốn chọn động 40 3.5 Thiết kế khung vỏ robot 47 3.5.1 Thiết kế đế robot 48 3.5.1.1 Kiểm nghiệm độ bền đế robot 49 3.5.2 Thiết kế vỏ robot 53 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT 55 4.1 Bài toán động học robot 55 4.1.1 Mơ hình tốn robot 55 4.1.2 Động học thuận robot 56 4.1.3 Động học nghịch robot 57 4.2 Bài toán động lực học robot 58 4.3 Giải thuật điều khiển 60 4.3.1 Di chuyển điểm đến điểm 60 4.3.2 Giải thuật tìm đường cho robot 62 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 65 5.1 Tổng quan hệ thống điện 65 5.2 An toàn điện 65 5.3 Các thiết bị điện sử dụng robot 66 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 68 6.1 Hệ thống điều khiển robot 68 6.1.1 Điều khiển động 69 6.1.2 Phát vật cản 70 6.1.3 Hệ thống thu nhập thông tin 71 b Định vị robot 72 CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN 74 7.1 Giới thiệu, tổng quan giao diện 74 7.2 Thiết kế ứng dụng điều khiển 75 7.3 Thiết kế chức ứng dụng điều khiển robot 76 7.3.1 Chức điều khiển robot đến điểm đích 76 7.3.1.1 Giới thiệu 76 7.3.1.2 Nguyên lý điều khiển đến phòng khách sạn 76 7.3.2 Chức camera giám sát 77 7.3.2.1 Giới thiệu 77 7.3.2.2 Nguyên lý hoạt động 78 CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 81 8.1 Kết 81 8.1.1 Kết cấu khí 81 8.1.2 Hệ thống điện điều khiển 82 8.1.3 Giao diện điều khiển 82 8.1.4 Thông số robot 82 8.2 Thực nghiệm đánh giá 83 8.2.1 Thực nghiệm khả tìm đường robot 83 8.2.1.1 Điều khiển điểm đến điểm 83 8.2.1.2 Robot di chuyển theo đường hoạch định 85 8.2.2 Thực nghiệm đánh giá giao diện điều khiển 86 8.2.1.1 Đánh giá giao diện điều khiển 86 8.2.3 Đánh giá khả hỗ trợ giám sát qua camera 88 CHƯƠNG : KẾT LUẬN 89 9.1 Kết luận 89 9.2 Hạn chế đề tài 89 9.3 Hướng phát triển đề tài 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 10 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam PID : Proportional integral derivative PC : Personal computer IOT : Internet of Things HTML : Hyper text markup language CSS : Cascading style sheets UART : Universal asynchronous receiver-transmitter PWM : Pulse width modulation 11 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Thông số động 43 Bảng 3.2: Thông số đai 44 Bảng 3.3: Tổng hợp thông số 47 Bảng 5.1: Các thiết bị điện sử dụng robot 67 Bảng 8.1: Thông số robot 82 Bảng 8.2: Sai số di chuyển đường thẳng (Đơn vị: cm) 84 Bảng 8.3: Sai số kiểm tra robot di chuyển theo gốc (Đơn vị: cm) 84 Bảng 8.4: Sai số robot di chuyển ngẫu nhiên (Đơn vị: cm) 84 Bảng 8.5: Sai số robot quỹ đạo di chuyển thực tế (Đơn vị: cm) 85 12 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hình ảnh khách sạn 16 Hình 1.2 Vali Cowarobot 19 Hình 1.3 Robot KLM 20 Hình 2.1: Cơ cấu lái bánh chủ động 22 Hình 2.2: Cơ cấu lái bánh có bánh điều hướng 23 Hình 3: Cơ cấu lái bánh vi sai 23 Hình 2.4: Cơ cấu lái vi sai bánh tự lựa 24 Hình 2.5: Bộ truyền đai dẹt 25 Hình 2.6: Bộ truyền đai 26 Hình 2.7: Bộ truyền xích 27 Hình 2.8: Bộ truyền bánh 28 Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo Raspberry Pi model B 29 Hình 2.10: Thuật tốn điều khiển động PID 34 Hình 2.11: Giao tiếp UART 36 Hình 3.1: Sơ đồ khối ý tưởng 38 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động 39 Hình 3.3: Sơ đồ truyền động 40 Hình 3.4: Phân tích lực tác dụng lên robot di chuyển 40 Hình 3.5: Kích thước động 43 Hình 3.6: Bộ truyền đai XL 47 Hình 3.7: Thiết kế đế robot 48 Hình 3.8: Bố trí cấu chi tiết đế robot 49 13 Hình 3.9: Phân bố ứng suất uốn bề mặt đế robot 50 Hình 3.10: Phân bố ứng suất uốn bề mặt đế chứa hành lý 52 Hình 3.11: Phân tích ứng suất uốn trụ nhôm 52 Hình 3.12: Phân tích chuyển vị trụ nhơm 53 Hình 3.13: Vỏ robot 54 Hình 4.1: Mơ hình tốn robot 55 Hình 4.2: Vị trí tâm quay tức thời robot 57 Hình 4.3: Mơ hình động lực học 59 Hình 4.4: Lưu đồ di chuyển điểm đến điểm 61 Hình 4.5: Sơ đồ khối điều khiển 62 Hình 4.6: Sơ đồ tạo điều khiển 63 Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật tìm đường 63 Hình 4.8: Lưu đồ điều khiển robot 64 Hình 5.1: Hệ thống điện robot 65 Hình 6.1: Tổng quan hệ thống điều khiển động 68 Hình 6.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot 69 Hình 6.4: Bộ điều khiển PID cho động 70 Hình 6.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển động 70 Hình 6.5: Sơ đồ bố trí cảm biến robot 71 Hình 7.1: Sơ đồ khổi tổng quát giao diện điều khiển 74 Hình 7.2: Giao diện robot 75 Hình 7.3: Sơ đồ điều khiển qua WEB 75 Hình 7.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển đến vị trí phịng 76 Hình 7.5: Giao diện điều khiển đến vị trí 77 14 Hình 7.6: Lưu đồ giải thuật kết nối camera robot 78 Hình 7.7: Sơ đồ giao tiếp camera robot 79 Hình 7.8: Giao diện camera giám sát sau kết nối thành công 80 Hình 8.1: Bản vẽ thiết kế 3D 81 Hình 8.2: Robot hoàn thiện thực tế 81 Hình 8.3: Quỹ đạo chuyển động minh họa 83 Hình 8.4: Quỹ đạo di chuyển thực tế đường hoạch định robot 85 Hình 8.5: Giao diện thực tế robot 86 Hình 8.6: Giao diện chọn phịng 87 Hình 8.7: Giao diện camera giám sát 87 Hình 8.8: Giao diện camera giám sát sau kết nối thành công 88 15 Việc thiết kế ứng dụng điều khiển hành khách trực tiếp điều khiển, giao tiếp với robot thực mong muốn 7.3 Thiết kế chức ứng dụng điều khiển robot 7.3.1 Chức điều khiển robot đến điểm đích 7.3.1.1 Giới thiệu Để có di chuyển linh hoạt địa hình khách sạn, robot cần có khả biết vị trí khách sạn tự di chuyển đến vị trị phịng Nhờ khả này, robot hỗ trợ dẫn đường vận chuyển hành lý cho người đến phòng giúp tiết kiệm thời gian công sức 7.3.1.2 Nguyên lý điều khiển đến phịng khách sạn a Lưu đồ giải thuật Hình 7.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển đến vị trí phịng 76 b Ngun lý hoạt động Hình 7.5: Giao diện điều khiển đến vị trí - Khi người dùng chọn vào biểu tượng di chuyển, giao diện khởi tạo kết nối Websocket-client với Websocket server - Sau khởi tạo thành công, giao diện nhận liệu từ Raspberry gửi lên bao gồm tọa độ x, y góc quay robot - Một hàm Javascript tiếp nhận liệu đó, vẽ đồ vị trí robot (được vẽ chấm tròn) đồ 7.3.2 Chức camera giám sát 7.3.2.1 Giới thiệu Để hỗ trợ cho việc di chuyển từ xa, robot tích tích hợp thêm chức camera giám sát Nhờ chức tiếp tân quan sát robot từ xa thơng qua máy tính 77 cá nhân mà khơng cần trực tiếp đến giám sát hành trình robot điều khiển thơng qua internet 7.3.2.2 Nguyên lý hoạt động a Lưu đồ giải thuật Hình 7.6: Lưu đồ giải thuật kết nối camera robot 78 b Nguyên lý hoạt động Hình 7.7: Sơ đồ giao tiếp camera robot Camera kết nói với raspberry để thu hình ảnh, trang web raspberry kết nối wifi gửi hình ảnh sang cho trang web máy tính tiếp tân máy tính tiếp tân kết nối wifi Một webserver xây dựng để làm trung gian vận chuyển 79 Hình 7.8: Giao diện camera giám sát sau kết nối thành công 80 CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM Trong chương này, nhóm trình bày kết trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot hỗ trợ vận chuyển hành lý kết thực nghiệm mà nhóm khảo sát khả vận hành robot 8.1 Kết Sau trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo, robot đạt kết định trình bày cụ thể sau đây: Hình 8.1: Bản vẽ thiết kế 3D Hình 8.2: Robot hồn thiện thực tế 8.1.1 Kết cấu khí - Hồn thành kết cấu khung, nắp vỏ robot, đáp ứng yêu cầu độ bền, khả chịu tải kích thước hợp lý - Hệ thống truyền động robot hoạt động ổn định, không xãy 81 tượng trượt đai, kiêu đáp ứng yêu cầu khả vận hành khách sạn - Kết cấu bên robot tương đối đơn giản 8.1.2 Hệ thống điện điều khiển - Việc thiết kế thêm Board giúp cho hệ thống điện thiết kế gọn gàng, hợp lý, đáp ứng yêu cầu an toàn điện - Nguồn lượng (Pin) ổn định cho robot hoạt động thời gian hành làm việc tiếp tân - Hệ thống xử lý điều khiển vận hành ổn định 8.1.3 Giao diện điều khiển - Giao diện thiết kế tính mang tính thẩm mỹ, đơn giản, dễ sử dụng - Khả tương tác với hành khách phản hồi tốt - Các chức hiển thị giao diện rõ ràng hoạt động tốt 8.1.4 Thơng số robot Sau q trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo, robot hoàn thành với thơng số trình bảng 8.1: STT Thơng số Đề xuất Đạt Chiều cao 1000 – 1100 mm 1000 mm Khối lượng 20 – 30 kg Vật liệu Thép CT3 Không gian chiếm dụng 0.3136 m3 Màn hình LCD cảm ứng, 7inch Độ phân giải camera 720 px 0.3136 m3 LCD cảm ứng, inch, phân giải 800x480 px 720px Nguồn cấp Tốc độ di chuyển Cơ cấu chuyển động Pin lipo 24 V 0.5 – m/s bánh vi sai chủ động, bánh tự lựa (5,5 Ah) Pin lipo 24 V 0.8 m/s bánh vi sai chủ động, bánh tự lựa (5,5 Ah) 1giờ 10 11 Thời gian hoạt động Thời gian sạc 25kg Thép CT3, nhựa Bảng 8.1: Thông số robot 82 8.2 Thực nghiệm đánh giá 8.2.1 Thực nghiệm khả tìm đường robot Để đánh giá khả tìm đường độ sai lệnh vi trí điểm đến robot khách sạn trước hết nhóm chia thực nghiệm thử với di chuyển điểm điểm sau di chuyển ổn định chạy theo hoạch định ban đầu đề 8.2.1.1 Điều khiển điểm đến điểm Đường quỹ đạo robot chia thành nhiều đoạn để điều khiển robot Số đoạn chia nhỏ robot chuyển động giống với đường thực tế, sai số Bộ điều khiển giúp robot đạt đến điểm quỹ đạo Về điều khiển robot di chuyển điểm đến điểm, nhóm thử nghiệm trường hợp quỹ đạo chuyển động minh họa biểu đồ bên (với đường đứt gãy lý thuyết đường liền nét thực tế) Hình 8.3: Quỹ đạo chuyển động minh họa a Kiểm tra robot di chuyển theo đường thẳng 83 Cho robot di chuyển từ vị trí (0; 0) đến vị trí (2500; 0), đo lần kết đạt là: Lần đo Sai số theo trục X Y 17 19 16 3.5 17.5 16 Bảng 8.2: Sai số di chuyển đường thẳng (Đơn vị: cm) b Kiểm tra robot di chuyển theo đường xiên Cho robot di chuyển từ vị trí (0; 0) đến vị trí (1000;-800) đến (1700;2200) đo lần vầ kết đạt là: Lần đo Sai số theo trục X Y 7.5 -12 6.5 -13.5 -13.7 5.5 -13.4 -12.6 Bảng 8.3: Sai số kiểm tra robot di chuyển theo gốc (Đơn vị: cm) c Kiểm tra robot di chuyển ngẫu nhiên Cho robot di chuyển từ vị trí (0; 0) đến vị trí (1000; 1800), sau đến vị trí (2500; -700) quay vị trí (0; 0), đo lần kết đạt là: Lần đo Sai số theo trục X Y 11 -59.5 -3.5 -54 16 -58.4 14.2 -57.5 11.5 -54.4 Bảng 8.4: Sai số robot di chuyển ngẫu nhiên (Đơn vị: cm) Nhận xét: Qua kết thực nghiệm cho thấy robot di chuyển với sai số nhỏ, năm khoảng sai số đạt ban đầu (>3%) Đạt tốc độ 0.8 m/s Robot di chuyển không rung lắc, ổn định thõa mãn yêu cầu đề đặt 84 8.2.1.2 Robot di chuyển theo đường hoạch định Bản đồ xây dựng có tỉ lệ 10 mm thực tế tương ứng với điểm ảnh Trên ảnh vùng robot di chuyển có màu trắng, vùng có vật cảng màu đen Robot ban đầu vị trí home hình 8.4 có ba đích đến ba điểm P1, P3 P2 đồ Bản đồ chuyển sang ma trận để tính toán với tỉ lệ 100mm thực tế tương ứng với điểm ma trận Hình 8.4: Quỹ đạo di chuyển thực tế đường hoạch định robot Lần đo Sai số theo trục X Y 30 22.4 32.5 24 29.5 23.5 31 24 34 22.5 Bảng 8.5: Sai số robot quỹ đạo di chuyển thực tế (Đơn vị: cm) Nhận xét: Robot di chuyển sát với đường quỹ dạo Tuy nhiên sai số phần khí điều khiển gây Khoảng cách cách điểm nhỏ robot 85 bám sát đường hoạch định nhiên tốc độ tính tốn robot chậm Robot sai số nhiều đoạn chuyển động nghiên lúc cua 8.2.2 Thực nghiệm đánh giá giao diện điều khiển 8.2.1.1 Đánh giá giao diện điều khiển Hình 8.5: Giao diện thực tế robot 86 Hình 8.6: Giao diện chọn phịng Hình 8.7: Giao diện camera giám sát 87 Hình 8.8: Giao diện camera giám sát sau kết nối thành công Kết đạt được: - Giao diện trực quan, đơn giản - Các chức trình bày rõ ràng, dễ hiểu - Dễ sử dụng, thao tác, phản hồi tốt Hạn chế: Nơi sử dụng yêu cầu phải có wifi 8.2.3 Đánh giá khả hỗ trợ giám sát qua camera Kết đạt được: - Đường truyền hình ảnh gần thời gian thực (realtime), mượt điều kiện Internet ổn định - Hình ảnh sắc nét Hạn chế: - Cần phải đặt robot nơi có đường truyền Internet ổn định - Hình ảnh bị run nhẹ chuyển động robot 88 CHƯƠNG : KẾT LUẬN 9.1 Kết luận Đề tài tìm hiểu giải thuật tìm đường A* ứng dụng vào giải thuật tìm đường ngắn robot đến vị trí kho khách sạn, đảm bảo robot di chuyển đến vị trí khác mà khơng va chạm vào vật cản Dựa kiến thức học để xây dựng thành cơng ứng dụng điều khiển có trực quan dễ hiểu, rõ ràng , mang đến tính hữu ích điều khiển vị trí camera hỗ trợ giám sát Từ nhóm thiết kế, chế tạo thành công robot hỗ trợ mang hành lý khách sạn với phần khí, hệ thống điện, điều khiển giao diện, kết hợp tạo nên robot có khả vận hành tốt môi trường khách sạn hỗ trợ tốt cho người khách sạn qua tính mà mang lại 9.2 Hạn chế đề tài Cùng với kết đạt đề tài có hạn chế chưa giải toán tránh vật cản di động, phải sử dụng đồ có sẵn Phần khí chưa tối ưu Robot phải điều khiển đồ cài đặt sẵn Camera khơng thể chỉnh góc quay từ xa chưa tích hợp microphone khiến cho người dùng nghe âm từ xa 9.3 Hướng phát triển đề tài Trong tương lai, để nâng cao khả chuyển động linh hoạt robot phải xây dựng giải thuật xác định hướng cho robot gặp vật cản di động Cải thiện khả hỗ trợ giám sát từ xa qua camera với việc điều chỉnh từ xa góc quay camera giám sát 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh chất Lê văn uyển, “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, 2”, NXB Giáo dục [2] Trần Quốc Hùng, “Dung sai kĩ thuật đo”, Nhà xuất ĐHQG [3] Nguyễn Hữu Lộc, “Cơ sở thiết kế máy”, Nhà xuất ĐHQG [4] Nguyễn Trường Thịnh, “Giáo trình kỹ thuật robot”, Nhà xuất ĐHQG [5] Dudek and Jenkin, “Differential Drive Robots”, báo khoa học đại học Columbia, xuất ngày 19/6/2013 [6] Mohammed Faisal, Ramdane Hedjar, Mansour Al Sulaiman, “Fuzzy Logic Navigation and Obstacle Avoidance by a Mobile Robot in an Unknown Dynamic Environment”, tạp chí sage journals, xuất ngày 1/1/2013 [7] https://developer.mozilla.org/vi/docs/Web/API/WebSocket [8] https://www.w3schools.com/nodejs/default.asp [9] https://pypi.org/project/websocket_client/ [10] https://vnexpress.net/vali-thong-minh-tu-di-theo-chu-nhan-cua-xiaomiva-cowarobot-4006803.html [11] https://edition.cnn.com/travel/article/klm-airport-robot/index.html [12] https://cmcdistribution.com.vn/kien-thuc-cnc/giao-tiep-uart-la-gi-ungdung-cua-uart-trong-cuoc-song/ 90 ... cấp thiết đề tài Trong môi trường khách sạn, việc vận chuyển hành lý đồ dùng cần thiết lên phòng cho khách, vận chuyển từ phòng qua phòng khác có u cầu chuyển phịng hay hỗ trợ vận chuyển hành lý. .. mong muốn tạo sản phẩm giúp đỡ nhân viên khách sạn giảm thiểu công việc nặng nhọc vận chuyển đồ đạt tới phịng cho khách hàng nhóm nghiên cứu lựa chọn đề tài : ? ?Robot mang hành lý khách sạn sử dụng... dụng robot cho mục đích vận chuyển hành lý đồ đạc Nhưng có số ứng dụng vể vali thông minh sáng tạo để việc vận chuyển hành lý thuận lợi 1.7.1 Vali Cowarobot Chiếc vali có động giới mà du khách