TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Lịch sử hình thành và nghiên cứu
1.1.1 Khái niệm chung về robot
Robot, tên tiếng anh nghĩa là người máy Nguồn gốc đầu tiên của từ
Thuật ngữ "Robot", xuất phát từ tiếng Séc "robota" có nghĩa là "lao động cưỡng bức", lần đầu tiên được nhà văn Karel Čapek sử dụng trong vở kịch "Các Robot Toàn năng của Rossum" vào năm 1920 Sự ra đời của robot đã đánh dấu một kỷ nguyên mới, góp phần làm thay đổi tương lai của nhân loại.
Robot là một loại máy được lập trình để hoạt động tự động thông qua các bo vi mạch điện tử hoặc hệ thống máy tính, cho phép chúng thực hiện những công việc nhất định mà không cần sự can thiệp của con người.
Robot là một hệ thống cơ khí điện tử được tạo ra từ trí tuệ và sự sáng tạo của con người, mang tính ảo và nhân tạo Từ "Robot" phản ánh sự kết hợp giữa phần mềm lập trình và hệ thống cơ khí, cho phép chúng hoạt động một cách tự động.
Hình 1.1 Robot công nghiệp Yamaha Hình 1.2 Robot HRP-5P được nghiên cứu bởi AIST
Trên thế giới, có rất nhiều loại Robot với đa dạng công dụng và hình dáng
Sự khác nhau này xuất phát từ mức độ tự động của hệ thống cơ khí – điện tử của chúng
Việc áp dụng giải pháp điều khiển thông minh cho phép robot tự học và tự giải quyết vấn đề, từ đó mở ra cơ hội cho robot di động được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và các ứng dụng dân sinh.
1.1.2 Giới thiệu chung về robot di động
Robot tự hành, hay còn gọi là robot di động, là những thiết bị có khả năng di chuyển tự động đến các vị trí khác nhau mà không cần sự hỗ trợ của con người Khác với robot công nghiệp chỉ hoạt động trong một không gian cố định, robot di động được thiết kế với tính năng di chuyển linh hoạt, cho phép chúng hoạt động trong môi trường có trật tự hoặc không có trật tự Chúng có thể tự điều hướng trong các môi trường không kiểm soát mà không cần thiết bị hướng dẫn vật lý, hoặc dựa vào các thiết bị hướng dẫn để di chuyển theo lộ trình đã định sẵn trong không gian tương đối kiểm soát Sự khác biệt này khiến robot di động trở thành một công cụ hữu ích trong nhiều ứng dụng, vượt ra ngoài khả năng của robot công nghiệp truyền thống.
Robot hoạt động trên mặt đất, hay còn gọi là Robot di động WMRs, được chia thành hai loại chính: robot di chuyển bằng bánh xe (Wheeled Robot di động) và robot di chuyển bằng chân (Legged Robot di động LMRs).
Hình 1.3 Robot di động MPO-500 Hình 1.4 Boston Dynamics’ Robot
Phân loại robot theo môi trường làm việc của chúng:
+ Đối với robot di động trên không, các bộ phận chuyển động là cánh quạt hay cánh bay và động cơ
Robot di động dưới nước có cấu trúc truyền động khác nhau tùy thuộc vào môi trường làm việc Khi hoạt động trên mặt nước, robot sử dụng phao hoặc động cơ kết hợp với bộ phận điều khiển Ngược lại, khi làm việc sâu dưới nước, bộ phận chuyển động có thể là chân hoặc động cơ phản lực.
Robot di động trên cạn có nhiều loại bộ phận chuyển động đa dạng, tùy thuộc vào địa hình hoạt động Các bộ phận chuyển động này có thể bao gồm chân, bánh xe, bánh xích hoặc sự kết hợp của chúng Trong số đó, robot di chuyển bằng bánh xe là phổ biến nhất.
Phân loại mobile robot theo phương pháp di chuyển của chúng:
+ Robot có chân, chân giống người hay động vật;
+ Robot di chuyển bằng xích, đai …;
+ Robot di chuyển bằng bánh xe
Hình 1.5 Robot naro-tartaruga phát triển bởi Viện Kỹ thuật liên bang Thụy Sĩ Hình 1.6 Flycam
Hình 1.7 Robot HRP-3P Hình 1.8 Robot DJI Robomaster S1
Tổng quan về mobile robot vận chuyển hàng hóa
Để đáp ứng nhu cầu tự động hóa trong ngành công nghiệp ngày càng tăng, robot vận chuyển hàng trong nhà máy đã trở thành giải pháp hiệu quả giúp doanh nghiệp tối ưu hóa dây chuyền sản xuất, nâng cao thông lượng và rút ngắn thời gian vận chuyển.
Robot vận chuyển hàng trong nhà xưởng và nhà máy là những xe robot di động tự hành, được lập trình để điều hướng chính xác Chúng sử dụng các điểm đánh dấu bằng băng từ, dây điện trên sàn hoặc công nghệ laser để di chuyển hàng hóa đến vị trí quy định Ứng dụng của robot này rất phổ biến trong ngành công nghiệp, giúp di chuyển vật tư và sản phẩm trong khu vực sản xuất và kho hàng.
Hình 1.9 Robot tự hành AGV PERBOT Series A của Uniduc nghiên cứu phát triển
Vai trò robot vận chuyển trong nhà máy:
Sử dụng robot vận chuyển trong nhà máy mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống hoặc phụ thuộc vào sức lực của công nhân.
- Robot vận chuyển có thể hoạt động liên tục 24/24h, đây là ưu điểm vượt trội nếu so sánh vào sức người, con người không thể làm việc liên tục 24h
Robot vận chuyển có khả năng di chuyển hàng hóa từ các vị trí được lập trình sẵn, giúp bao quát toàn bộ nhà xưởng Điều này rất quan trọng, đặc biệt khi diện tích kho hàng quá lớn, vì sức người khó có thể đáp ứng nhu cầu vận chuyển hiệu quả.
Robot vận chuyển có khả năng di chuyển khối lượng hàng hóa lớn một cách nhanh chóng và hiệu quả Con người chỉ cần giám sát và theo dõi toàn bộ quá trình, trong khi mọi công việc còn lại được thực hiện hoàn toàn tự động.
Việc sử dụng Robot vận chuyển trong nhà máy mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm nâng cao hiệu quả và năng suất, đồng thời tiết kiệm chi phí và thời gian Nhờ đó, doanh nghiệp có thể giảm thiểu chi phí nhân công, tăng năng suất lao động và nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.
Robot vận chuyển hàng trong nhà máy đem lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp
Robot vận chuyển trong nhà máy có thể thay thế các phương tiện vận hành thủ công, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho các doanh nghiệp:
- Đảm bảo năng suất và chất lượng công việc, tiết kiệm nhân lực và thời gian
- Toàn bộ quy trình được vận hành tự động, người lao động chỉ cần giám sát và lập trình theo đúng yêu cầu kỹ thuật
- Cung cấp giải pháp di chuyển an toàn, hiệu quả, tiết kiệm chi phí tối ưu cho doanh nghiệp
- Ngoài ra robot vận chuyển còn còn làm tăng hiệu suất, tăng tính cạnh tranh cho doanh nghiệp.
Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: giải pháp tự hành cho Mobile Robot
Phạm vi nghiên cứu: các giải pháp bám theo chỉ dẫn cho robot hoạt động trong nhà, văn phòng, công xưởng, nhà máy, bệnh viện …;
- Thiếu kế hệ thống cơ khí cho xe: xác định vận tốc, sai số, góc cua nhỏ nhất, tính toàn lựa chọn động cơ, bánh xe,…
Thiết kế hệ thống điện bao gồm việc lựa chọn nguồn điện và các linh kiện điện tử như cảm biến, cũng như việc bố trí và kết nối các thiết bị điện tử trên mô hình thực tế.
- Nêu vấn đề của đối tượng nghiên cứu robot di động
- Nghiên cứu, xây dựng mô hình động học thuận, mô hình động học ngược cho robot di động
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG
Phương trình động học Robot
Bài toán xe dò line có thể được giải quyết bằng nhiều cấu hình khác nhau, trong đó phương án dẫn động 3 và 4 bánh với khả năng tự lựa chọn bánh trước hoặc sau là phổ biến nhất Dù sử dụng cơ cấu nào, điều quan trọng là robot phải đảm bảo khả năng cân bằng và duy trì tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, đặc biệt khi vào các khúc cua có bán kính nhỏ Ưu nhược điểm của các loại xe 3 và 4 bánh được trình bày rõ trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Đánh giá ưu nhược điểm các loại cấu hình xe
Cấu hình xe Ưu điểm Nhược điểm
3 bánh (dẫn động 2 bánh trước)
- Tiếp xúc mặt đường tốt (do 3 điểm tạo mặt phẳng)
- Khi ôm cua, xe mang tải dễ bị lật
- Trọng lượng phân bố không tốt (trên hình tam giác)
3 bánh (dẫn động 2 bánh sau)
- Tiếp xúc mặt đường tốt
- Khi ôm cua, xe mang tải khó bị lật hơn trường hợp trên
- Bánh tự lựa ở phía sau có ma sát nhỏ khiến xe có thể bị xoay khi cua ở tốc độ cao
- Trọng lượng phân bố không tốt (trên hình tam giác)
4 bánh (dẫn động 2 bánh sau, 2 bánh trước tự lựa)
- Khi rẽ hướng mang theo tải khó lật hơn do có hai điểm tựa ở bánh
- Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ giác
- Tiếp xúc mặt đường không tốt (đường đua không bằng phẳng)
- Khó cua hơn dẫn động bằng 2 bánh trước
4 bánh (dẫn động 2 bánh trước, 2 bánh sau tự lựa)
- 2 bánh trước dẫn hướng kéo tải nên xe khó lật
- Xe cân bằng tốt do trọng lượng phân phối trên một tứ giác
- Bánh tự lựa ở phía sau có ma sát nhỏ khiến xe có thể bị xoay khi cua ở tốc độ cao
- Tải chia ra cho các động cơ nên giảm tải cho động cơ
- Xe dễ bị trượt, giải thuật điều khiển phức tạp
- Khó rẽ hướng ở khúc cua có bán kính cong nhỏ
Sau khi so sánh, đánh giá, nhóm sinh viên quyết định chọn cấu hình robot
3 bánh ( dẫn động 2 bánh sau, bánh trước tự lựa) vì những lí do đã nêu ở trên
2.1.2 Phương trình động học thuận Robot Visai
Hình 2.1 Mô hình robot di động và cá thông số động học vl: Vận tốc dài bánh trái vr: Vận tốc dài bánh phải
B: Khoảng cách từ tâm của trục 2 bánh dẫn động đến trọng tâm G của xe D: Chiều dài thân xe
Xây dựng hệ tọa độ xuy rộng trong không gian truyền động và không gian nhiệm vụ của robot:
Với: 𝜃 𝑟 là góc quay của bánh phải
𝜃 𝑙 là góc quay của bánh phải
Vi phân các biểu thức p và q:
Vận tốc dài của các bánh truyền động:
Vận tốc dài của thân xe:
2(𝜃 𝑟 ̇ + 𝜃 𝑙 ̇ ) Vận tốc dài của thân xe trong không gian nhiệm vụ:
Từ ta có phương trình động học thuận:
2.1.3 Phương trình động học nghịch Robot Visai
Vì n
