Nghiên cứu KHCN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Hữu Thành Minh 1711040377 17DCKB1 Nguyễn Phan Anh Tuấn 1711040473 17DCKB1 Nguyễn Đức Thắng 1711770041 17DCKB1 TP HCM, ngày 05 tháng 09 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PGS T.
GIỚI THIỆU
Khái niệm
Robot, hay còn gọi là người máy, là thiết bị có khả năng thực hiện các công việc tự động nhờ vào sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình sẵn.
Robot là một hệ thống cơ khí-điện tử nhân tạo, mang lại cảm giác giống như con người nhờ vào khả năng chuyển động và tương tác Thuật ngữ "robot" thường được hiểu theo hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự động Trong lĩnh vực robot, Mỹ và Nhật Bản dẫn đầu thế giới với những công nghệ tiên tiến và đổi mới.
Hầu hết các robot hiện nay sử dụng động cơ điện, chủ yếu là động cơ DC chổi thay hoặc không chổi than cho robot di động, trong khi động cơ AC thường được áp dụng trong robot công nghiệp và máy CNC Các loại động cơ này rất phù hợp với các hệ thống nhẹ tải, với chuyển động chủ yếu là chuyển động quay.
Ứng dụng của robot trong đời sống hiện nay
1.2.1 Ứng dụng trong công nghiệp
Cánh tay robot là một thiết bị được thiết kế mô phỏng theo cánh tay con người, bao gồm các thành phần như bộ điều khiển, tay vận hành (Manipulator), kẹp gắp robot (Grippers) và hệ thống cảm biến (Sensor) Mỗi loại cánh tay robot từ các hãng sản xuất khác nhau sẽ được ứng dụng vào những công việc cụ thể, phù hợp với nhu cầu và yêu cầu của từng lĩnh vực.
Tay Robot có khả năng vận chuyển hàng hóa với tốc độ cao và độ chính xác cao Chúng có thể hoạt động hiệu quả trong những không gian chật hẹp và đảm bảo an toàn cho con người.
Hình 1.1: Cánh tay robot trong công nghiệp
Robot vận chuyển được thiết kế cho các công ty có quy trình làm việc phức tạp, giúp cải thiện tính liên tục của các công đoạn sản xuất Chúng không chỉ tăng tốc độ sản xuất mà còn giảm thiểu sức lao động cần thiết cho các sản phẩm có khối lượng lớn, từ đó cắt giảm chi phí nhân công và nâng cao độ chính xác trong mỗi chuyến hàng Với khả năng hoạt động liên tục 24/24, robot vận chuyển đảm bảo sự ổn định trong nguồn nhân lực.
1.2.2 Robot ứng dụng trong đời sống Ứng dụng trong y học: Y học là một ngành khá đặc thù, cần những người giỏi và xuất sắc nhất Việc phát triển Robot trong ngành y là 1 bước tiến lớn, nhằm nâng cao chất lượng phục vụ và khả năng chăm sóc người bệnh Qua đó cũng giảm thiểu khả năng tiếp giữa cán bộ y tế và người bệnh
Các ứng dụng tự động hóa trong y học đang ngày càng phát triển, với 12 loại hình robot được áp dụng như: robot lễ tân, robot điều dưỡng, robot phẫu thuật, robot xạ trị, robot tư vấn sức khỏe từ xa, robot cứu thương, robot phục hồi chức năng, robot giao hàng ngoài trời, robot thực phẩm, robot phun xịt khử trùng, robot làm vệ sinh và robot phục vụ trong bệnh viện Sự hiện diện của các robot này không chỉ mang lại lợi ích trong ngành y tế mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác trong đời sống.
5 kinh tế,… con người mới được tiếp xúc với Robot, ngay tại ngôi nhà của mình chúng ta có thể cũng đang sử dụng và tương tác với Robot
Robot lau nhà thông minh đang trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều gia đình hiện nay Mặc dù được phát minh vào năm 1997 nhưng không được đón nhận ngay lập tức, song với sự phát triển về thiết kế tinh xảo và tính năng tiện lợi, robot này đã lấy lại cảm tình từ người dùng Chúng hỗ trợ hiệu quả trong việc hút bụi và lau chùi, giúp duy trì môi trường sống trong sạch và gọn gàng hàng ngày.
Robot đồ chơi cho trẻ em đang ngày càng phổ biến trên thị trường, giúp phát triển tư duy và khả năng học hỏi của trẻ Những sản phẩm này được thiết kế để kích thích sự tìm tòi và khám phá, cho phép cập nhật và thêm các bài học, bài hát, cũng như kiến thức tiếng Anh, mang lại trải nghiệm học tập thú vị cho trẻ nhỏ.
Hình 1.5: Robot trong nhà bếp
Vai trò của robot hiện nay
Trong bối cảnh phát triển của nền công nghiệp 4.0, công nghệ robot đang được ứng dụng rộng rãi, tạo ra những thay đổi mạnh mẽ cho nền kinh tế An toàn là ưu tiên hàng đầu trong thiết kế cobot, với các mô hình đầu tiên ra mắt vào những năm 90 không có động cơ và phụ thuộc vào người công nhân để vận hành Các cobot sau này được trang bị động cơ, mặc dù vẫn còn hạn chế Đặc biệt, cobot cần phải thông minh hơn robot công nghiệp truyền thống, với khả năng nhận thức về bối cảnh và chuyển động của cả cobot và con người, nhằm hỗ trợ công nhân một cách an toàn nhất.
- Trong các nhà máy, Robot công nghiệp gia công kim loại, cắt may và chế biến thực phẩm
Nhà sáng lập Dự án Robot 3T cho biết, một robot đa năng với 6 bậc tự do tại nước ngoài có giá từ 30.000 đến 40.000 đô la Mỹ, được ứng dụng vào các sản phẩm phục vụ thị trường ASEAN.
- Trong công nghệ sinh học, công nghệ thực phẩm , Robot tạo ra năng xuất không giới hạn, độ chính xác cao
- Máy hút bụi và các thiết bị gia dụng khác
- Trong ngành khoa học, nghiên cứu, Robot hộ trợ tạo điều kiện tối ưu cho nghiên cứu hoặc phân tích với độ chính xác 0.1mm (0.004 in)
- Tại Nhật Bản và các nước phát triển, Robot thay thế con người làm việc, quản lý và giải trí
- Nâng cao hiệu quả điều trị cho người bệnh
- Robot thay thế con người làm công việc hàng ngày với hiệu quả và linh hoạt chưa từng thấy
- Đưa Robot vào phát triển giáo dục, trở thành công cụ giảng dạy
Khái quát chung
Robot AGV, được phát triển lần đầu tiên vào năm 1953 bởi Barrett Electronics ở Illinois, hiện nay là sản phẩm của Savant Automation tại Michigan Xuất phát từ một giấc mơ tự động hóa, AGV ban đầu chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ hoạt động theo đường dẫn cố định Đến giữa những năm 70, công nghệ đã tiến bộ, cho phép AGV không chỉ kéo rơ moóc trong kho mà còn tham gia vào quy trình sản xuất và lắp ráp ô tô Ngày nay, AGV chủ yếu sử dụng hệ thống Lazer Guided Vehicle (LGV), cho phép tự hành và giao tiếp với các robot khác để đảm bảo sản phẩm được chuyển đến đúng vị trí LGV hiện đóng vai trò quan trọng trong thiết kế nhà máy và kho bãi, giúp vận chuyển hàng hóa một cách an toàn và hiệu quả.
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
Robot AGV
Robot AGV là hệ thống vận chuyển tự động không cần người điều khiển, thường được áp dụng trong ngành công nghiệp AGV giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển hàng hóa trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất
- Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất
- Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn
- Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng
Robot AGV mang lại hiệu quả rõ rệt trong nhiều ứng dụng, như giảm thiệt hại trong kiểm kê, tối ưu hóa quy trình sản xuất, và giảm thiểu nguồn nhân lực cho các công việc lặp đi lặp lại Ngoài ra, AGV còn giúp giảm chi phí chế tạo và tăng hiệu quả sản xuất Với hệ thống an toàn và bền bỉ, robot AGV là giải pháp lý tưởng cho các công ty muốn duy trì thời gian hoạt động sản xuất lâu dài.
Chúng có thể được chế tạo để chuyển hàng, kéo hàng, nâng hàng cấp phát cho một số vị trí làm việc nhất định.
Phân loại
Robot AGV được phân loại theo 2 dạng:
Hình 2.1 Robot AGV chở hàng trong nhà xưởng
• Loại chạy không chạy theo đường dẫn
• Loại chạy theo đường dẫn
2.2.1 Phân loại theo chức năng
• Robot kéo (Towing Vehicle) (Hình 1.2)
Robot kéo xuất hiện đầu tiên và bay giờ vẫn còn thịnh hành Loại này có thể kéo được nhiều loại toa hàng khác nhau và chở được từ
8000 đến 60000 pounds Ưu điểm của hệ thống Robot kéo:
– Khả năng chuyên chở lớn
– Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như đảm bảo an toàn
• Robot chở (Unit Load Vehicle)
Robot chở (Hình 1.3) được trang bị các tầng khay chứa có thể là các nâng, hạ chuyền động bằng băng tải, đai hoặc xích
Loại này có ưu điểm:
– Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu
– Thời gian đáp ứng nhanh gọn
Hình 2.2 Robot AGV kéo hàng
Hình 2.3 Robot AGV chở hàng
– Giảm hư hại tài sản
– Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở
– Lập kế hoạch hiệu quả
• Robot đẩy (Cart Vehicle) (Hình 1.4)
Robot đẩy được cho là có tính linh hoạt cao và rẻ tiền Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp
• Robot nâng (Fork Vehicle) (Hình 1.5)
Có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên các bục cao hay các khối hàng đặt trên giá
2.2.2 Phân loại theo dạng đường đi
• Loại chạy không chạy theo đường dẫn (Free path navigation) (Hình 1.6)
Robot AGV có khả năng di chuyển linh hoạt đến bất kỳ vị trí nào trong không gian hoạt động Chúng sử dụng cảm biến con quay hồi chuyển để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để nhận diện các vật thể xung quanh, và hệ thống định vị cục bộ để xác định tọa độ tức thời Thiết kế loại xe này yêu cầu công nghệ cao và phức tạp hơn so với các loại AGV khác.
Hình 2.4 Robot AGV đẩy hàng
Hình 2.5 Robot AGV nâng hàng
Hình 2.6 Loại chạy không theo đường
• Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation) (Hình 1.7)
Robot AGV được thiết kế để di chuyển theo các đường dẫn định sẵn, bao gồm hai loại chính: đường dẫn từ và đường băng kẻ trên sàn Đường dẫn từ sử dụng dây từ chôn ngầm, cho phép xe di chuyển mà không ảnh hưởng đến mỹ quan và hoạt động khác, nhưng tiêu tốn năng lượng và không thể thay đổi Ngược lại, đường băng kẻ trên sàn có tính linh hoạt cao, cho phép thay đổi dễ dàng, nhưng có thể gặp khó khăn khi các vạch dẫn bị bẩn hoặc hư hại.
Thành phần cấu tạo của xe AGV
Các bộ phận chính của AGV bao gồm: Các bộ phận dẫn động: Động cơ, cơ cấu nâng hạ và giảm tốc, phanh hãm…
Bộ phận điều khiển: mạch điều khiển, cảm biến, đèn báo tín hiệu
Bộ phận kết nối tải: Được thiết kế tùy theo loại AGV và yêu cầu sử dụng
Nguồn năng lượng : Ắc quy, nguồn điện một chiều
Hình 2.7 Loại chạy theo đường dẫn
Quy trình hoạt động
Ca làm việc bắt đầu tại bãi xe không ở cuối line sản xuất, nơi đặt AGV AGV di chuyển đến bến khu vực chờ xe có hàng, kết nối với xe Last đã được chất đầy và kéo xe Last đến đầu line sản xuất Sau đó, AGV thả xe Last vào các vị trí định sẵn tại bến xe có hàng Tiếp theo, AGV đến khu vực chờ xe không hàng, kết nối với xe Last đã được dỡ và kéo xe về cuối line sản xuất, thả xe vào khu vực xếp xe khi vận chuyển AGV tiếp tục trở lại khu vực chờ xe có hàng để thực hiện công việc.
Thực trạng
Tự động hóa đóng vai trò then chốt trong sản xuất và logistics, là một phần của Công nghiệp 4.0 và Chuỗi cung ứng 4.0, nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững Robot là yếu tố quan trọng trong quá trình tự động hóa này.
Tăng trưởng mạnh mẽ trong thương mại điện tử là yếu tố chính thúc đẩy nhu cầu về AGV và AMR trong tự động hóa kho hàng Doanh số thương mại điện tử toàn cầu đã tăng trưởng với tỷ lệ CAGR 20% trong thập kỷ qua, đạt khoảng 3,5 nghìn tỷ đô la vào năm 2019 và dự kiến sẽ tăng lên khoảng 7,5 nghìn tỷ đô la vào năm 2026 Thị phần của doanh số bán lẻ trực tuyến đã tăng từ khoảng 2% lên khoảng 13% và dự kiến sẽ đạt khoảng 22% vào năm 2026.
Chi phí nhân sự cao và mức lương cao ở các nước phát triển đã dẫn đến chi phí hàng năm cho một người vận hành xe nâng lên đến 50.000 đô la Để một chiếc xe nâng hoạt động liên tục suốt ngày đêm, cần ít nhất 3-4 tài xế, cộng với chi phí đầu tư 10.000 đô la cho một chiếc xe nâng, tổng chi phí hàng năm cho một xe nâng có thể vượt quá 200.000 đô la.
Hình 2.8: Hệ thống line và quy trình hoạt động của xe AGV
Trí tuệ nhân tạo và Học sâu đang bùng nổ, tác động mạnh mẽ đến nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực kho bãi Năm 2017, RightHand Robotics giới thiệu giải pháp RightPick, cho phép chọn lựa hàng hóa với tốc độ 500-600 mục mỗi giờ, tương đương với năng suất của một công nhân Học máy và trí tuệ nhân tạo không chỉ cải thiện công nghệ chọn mà còn nâng cao tính linh hoạt và dễ sử dụng của các hệ thống tự động trong quy trình tự động hóa Logistics.
Giải pháp
Một số cách để giải quyết tình trạng trên:
Trong bối cảnh dịch Covid vẫn đang diễn ra và mọi người phải thực hiện giãn cách xã hội, việc bổ sung nguồn nhân lực trở nên khó khăn và có thể phát sinh thêm chi phí vận hành cho khâu vận chuyển hàng hóa Để giải quyết vấn đề này, cần đầu tư vào việc thiết lập và xây dựng nhà máy, phân xưởng thông minh, thực hiện trên phạm vi toàn diện từ đặt hàng, sản xuất đến lưu kho Mô hình nhà máy thông minh không chỉ tập trung vào dây chuyền sản xuất mà còn bao gồm hệ thống kho thông minh, áp dụng công nghệ tiên tiến để tự động hóa quy trình xuất nhập hàng và kết hợp quản lý vận tải với định vị toàn cầu, giúp việc lưu thông hàng hóa trở nên dễ dàng hơn.
Ưu điểm và nhược điểm
2.7.1 Một số ưu điểm của xe tự hành AGV:
Xe nâng công nghiệp AGV mang đến tính an toàn cao khi phục vụ việc nâng đỡ hàng hóa, với nhiều đặc điểm tương đồng với các loại xe nâng thông thường Đặc biệt, một số mẫu xe AGV còn cho phép người dùng điều khiển theo phương pháp thủ công, tạo sự linh hoạt trong quá trình sử dụng.
Nghiên cứu và phát triển công nghệ AGV không chỉ nâng cao tốc độ làm việc mà còn đảm bảo an toàn cho môi trường sản xuất Xe tự động này có khả năng dừng lại khi gặp vật cản hoặc bị tác động từ bên ngoài, đồng thời có thể dự đoán hành vi và xử lý các tình huống cần thiết Nhờ vậy, công nghệ AGV giúp giảm thiểu tối đa sự cố và tai nạn trong các nhà máy, xí nghiệp.
Giảm thiệt hại là một yếu tố quan trọng trong vận hành xe nâng có người lái, vì công nhân có thể bị phân tâm và mệt mỏi sau thời gian dài làm việc, dẫn đến hư hỏng sản phẩm và thiết bị cũng như nguy cơ mất an toàn Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ AGV giúp loại bỏ những rủi ro này, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
14 điều này xảy nên bởi chúng có thể hoạt động liên tục 24/7, tránh tai nạn và hạn chế thiệt hại đến mức tối thiểu
Hệ thống AGV giúp tiết kiệm chi phí sản xuất bằng cách nâng đỡ hàng hóa nhanh chóng và hiệu quả, giảm thiểu tai nạn và thiệt hại Việc áp dụng AGV, so với các hệ thống tự động khác như băng tải, cho phép doanh nghiệp hoạt động liên tục với công suất lớn, từ đó giảm thiểu chi phí Đặc biệt, robot AGV có khả năng thay thế nhân lực, giúp giảm chi phí lao động và tăng năng suất theo yêu cầu khách hàng.
Khả năng ứng dụng linh hoạt trong sản xuất đang ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt khi nhu cầu vận chuyển và bốc dỡ hàng hóa tăng cao Sự phát triển của các nhà máy thông minh thúc đẩy việc áp dụng tự động hóa, giúp thay thế sức lao động con người và nâng cao hiệu quả hoạt động.
Hệ thống vận chuyển bên trong nhà máy như băng tải và AGV đang ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực vận chuyển vật liệu và hàng hóa Đặc biệt, trong các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, sản phẩm khuôn đúc, hóa mỹ phẩm, thực phẩm – đồ uống và chi tiết lắp ráp, những hệ thống này được sử dụng phổ biến hơn bao giờ hết.
Xe tự hành AGV là dòng xe được sử dụng phổ biến trong sản xuất nhờ khả năng kéo theo nhiều thùng hàng, giúp tăng năng suất tối ưu Với tải trọng lên đến 1.000kg, AGV cho phép doanh nghiệp tái sử dụng các thùng hàng hiện có mà không cần đầu tư mới, từ đó đảm bảo hiệu quả sản xuất tốt nhất.
2.7.2 Một số nhược điểm của xe tự hành AGV Đầu tư ban đầu có khả năng cao: AGV tăng lợi nhuận cuối cùng cho một hoạt động bằng cách giảm chi phí lao động và tăng năng suất, nhưng nó có thể có khoản đầu tư ban đầu cao Việc mua một AGV ngắn hạn có thể sẽ đắt hơn so với việc thuê nhân viên hoặc sử dụng các thiết bị khác như xe nâng Thông thường trong dài hạn, khoản tiết kiệm được thực hiện đầy đủ Khoản đầu tư ban đầu này có thể gây gánh nặng cho các hoạt động nhỏ chưa sẵn sàng tiếp cận vốn
Chi phí bảo trì AGV là yếu tố quan trọng cần xem xét, vì thiết bị này yêu cầu bảo dưỡng định kỳ và thỉnh thoảng cần sửa chữa Mặc dù AGV không được điều khiển trực tiếp bởi nhân viên, vẫn có thời gian ngừng hoạt động do quá trình đào tạo và triển khai.
AGV không phù hợp cho các công việc không lặp lại, vì chúng được lập trình chủ yếu để thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại Trong trường hợp các nhiệm vụ trong hoạt động của bạn có tính chất không lặp lại, nhân viên vận hành thiết bị khác, như xe nâng, có thể thực hiện chúng nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Việc có nhân sự linh hoạt giúp doanh nghiệp dễ dàng thích ứng với những thay đổi nhanh chóng, điều mà AGV không thể thực hiện hiệu quả do hoạt động dựa trên các hệ thống và quy trình cố định Mô hình kinh doanh có khả năng phản ứng với xu hướng thị trường có thể gặp khó khăn khi phụ thuộc vào AGV, dẫn đến giảm tính linh hoạt trong hoạt động.
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Phương pháp giải quyết tối ưu
Việc sử dụng robot vận chuyển AGV sẽ giúp các nhà máy giải quyết hiệu quả nhiều vấn đề hiện tại Nhóm chúng tôi sẽ nghiên cứu và thiết kế robot AGV có khả năng chở và nâng hạ hàng hóa, góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất.
Mô hình thực tiễn mà nhóm em nhắm tới để tối ưu hóa cá các vấn đề và nhược điểm của các loại xe AGV khác trên thị trường.
Ưu điểm và nhược điểm của xe nâng AGV
- Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu
- Thời gian đáp ứng nhanh gọn
- Nhỏ gọn, giảm hư hại tài sản
- Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở
- Lập kế hoạch hiệu quả
Hình 3.1: Sản phẩm thực tiễn nhóm hướng tới
- Không thể vận chuyển các mặt hàng trên cao
- Không thể tải trọng quá nâng như xe AGV loại kéo
- Thời gian hoạt động liên tục chỉ hơn 1 ca làm việc, thời gian nạp nhiên liệu lâu
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống
➢ Bộ nguồn gồm có acquy 12v-6A cung cấp cho động cơ và sử dụng nguồn riêng 7.4V cho vi điều khiển,cảm biến, khối hiển thị
➢ Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến siêu âm và cảm biến đường line giúp nhận biết đường line chạy tránh vật cản trên đường di chuyển của xe
➢ Khối động cơ: Bao gồm động cơ Planet, xi lanh điện
Chức năng từng khối
Khối xử lý trung tâm
- Nhận tín hiệu từ khối cảm biến
- Xử lý tín hiệu điều khiển
- Gửi tín hiệu điều khiển qua khối hiển thị
- Truyền tín hiệu điều khiển đầu ra
- Giao tiếp với bộ điều khiển thông qua bộ truyền / thu nhận tín hiệu (tín hiệu điều khiển bằng điều khiển từ xa)
- Điều khiển thông minh thông qua chế độ tự động
Thiết bị chính: Arduino UNO R3 Atmega328 (Hình 2.1)
Arduino là bo mạch vi xử lý cho phép lập trình và tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ và đèn Điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình dễ học, phù hợp cho cả những người không có nhiều kiến thức về điện tử Sự phổ biến của Arduino đến từ mức giá thấp và tính chất mã nguồn mở của cả phần cứng và phần mềm.
Khả năng của bo mạch Arduino
Bo mạch Arduino sử dụng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel, chủ yếu là ATmega328 và ATmega2560, cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp Những vi xử lý này được trang bị cấu hình mạnh mẽ với bộ nhớ ROM, RAM và Flash, cùng với nhiều ngõ vào ra digital I/O, trong đó có các ngõ xuất tín hiệu PWM, ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp như UART, SPI, TWI (I2C).
• EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560)
• SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)
• Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)
Người dùng có thể linh hoạt số lượng ngõ vào và ngõ ra
Digital: Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54
Các bo mạch Arduino được trang bị ngõ vào analog với độ phân giải 10-bit, cho phép đọc 1024 mức khác nhau; ví dụ, với điện áp chuẩn 5V, độ phân giải đạt khoảng 0.5mV Bo mạch Atmega328 có 6 cổng vào analog, trong khi Atmega2560 có tới 16 cổng Tính năng đọc analog này giúp người dùng dễ dàng kết nối và thu thập dữ liệu từ nhiều loại cảm biến như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro và accelerometer.
PWM có độ phân giải 8-bit, với 6 cổng PWM trên bo Atmega328 và 14 cổng trên bo Atmega2560 PWM được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông, xử lý âm thanh và điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ DC trong máy bay mô hình.
Môi trường lập trình Arduino nổi bật với thiết kế bo mạch nhỏ gọn và nhiều tính năng hữu ích, nhưng sức mạnh thực sự của nó đến từ phần mềm Với giao diện lập trình đơn giản và ngôn ngữ Wiring dễ hiểu, dựa trên C/C++, Arduino phù hợp cho cả những người mới bắt đầu và kỹ sư chuyên nghiệp Đặc biệt, số lượng thư viện mã nguồn mở phong phú được chia sẻ bởi cộng đồng càng làm tăng khả năng ứng dụng của Arduino trong các dự án khác nhau.
➢ Giao diện IDE của Arduino
Môi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Macintosh OSX và Linux
Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng
Ngôn ngữ lập trình C++ có khả năng mở rộng thông qua các thư viện, cho phép người dùng tích hợp mã viết bằng AVR C vào chương trình, nhờ vào nền tảng ngôn ngữ C của AVR.
Kết nối phần cứng Arduino với phần mềm Arduino trên máy tính là bước đầu tiên để bắt đầu lập trình Dưới đây là các bước đơn giản để thực hiện kết nối này.
Bước 1: Tải và cài đặt phần mềm
Bước 2: Các bạn kết nối phần cứng là
Board mạch Arduino vào máy tính qua cổng
USB, giúp Arduino giao tiếp với máy tính
(truyền nhận dữ liệu) cũng như cấp nguồn
5VDC qua cổng USB cho board hoạt động
Khi kết nối board mạch với máy tính, hệ thống sẽ tự động cài đặt Driver Nếu không, bạn cần thực hiện thêm các bước cần thiết trên hệ điều hành Windows, Linux hoặc Mac.
Nhấp chuột phải vào My Computer > Device Manager > Other Devices sẽ thấy
1 mục xuất hiện khi cắm board vào là Unknow devices hoặc Arduino ( Hình 0.2)
Right-click on the newly appeared item under Other Devices, then select Update Driver Software Next, choose "Browse my computer for driver software" and navigate to the Arduino folder typically located in Program Files Finally, click OK and wait for the installation to complete successfully.
Hình 4.2 Giao diện vào Ports (COM&LPT)
Sau khi cài đặt thành công, trong
Device Manager sẽ hiện tên board tương ứng kèm thứ tự cổng Comport như sau:
Khi cài đặt thành công Arduino, thiết bị sẽ xuất hiện như một kết nối cổng COM trên máy tính, cho thấy giao tiếp giữa Arduino và máy tính không phải qua USB mà thông qua một IC chuyển đổi từ USB sang COM Giao tiếp COM đơn giản và dễ sử dụng hơn nhiều so với USB, đặc biệt trong quá trình lập trình.
Bước 3: Mở phần mềm Arduino vừa cài đặt > Tools > Board, chọn board
Để kết nối Arduino, hãy chọn cổng COM tương ứng trong Tools > Serial Port theo thứ tự của Board trong Device Manager Nếu có mục Tools > Processor, hãy chọn vi điều khiển tương ứng trên board, thường được in trên IC trung tâm Nếu không có mục này, bạn có thể bỏ qua bước chọn.
Bước 4: Chọn 1 ví dụ đơn giản trong File > Examples > Basic > Blink, sau đó nhấn Ctrl
Để thực hiện nạp thử, bạn cần chú ý rằng khi quá trình nạp diễn ra, hai đèn báo TX và RX trên board sẽ chớp nháy để thông báo việc nạp chương trình Khi quá trình nạp hoàn tất, hai đèn này sẽ ngừng chớp và chương trình sẽ bắt đầu hoạt động (Hình 2.4)
Khi chương trình đã được nạp, nó sẽ được lưu giữ cho đến khi có chương trình mới được nạp Việc nạp chương trình mới đồng nghĩa với việc xóa chương trình cũ và nạp chương trình mới Để theo dõi toàn bộ tiến trình nạp chương trình, vui lòng chọn File.
Hình 4.4 Giao diện Arduino-hướng dẫn nạp chương trình
Preferences > Show verbose output during, tick vào hai mục là compilation và upload để theo dõi toàn bộ quá trình này
Các loại bo mạch Arduino:
Các bo mạch Arduino được phân loại thành hai loại chính: bo mạch chính sử dụng chip Atmega và bo mạch mở rộng chức năng, thường được gọi là shield.
Các bo mạch chính có chức năng tương tự nhau, nhưng khác biệt về cấu hình như số lượng cổng I/O, dung lượng bộ nhớ và kích thước Một số bo mạch còn được trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth.
Acquy Và Khối Nguồn 5V
Để đảm bảo xe AGV hoạt động hiệu quả trong 4 giờ làm việc, việc chọn acquy phù hợp là rất quan trọng Công thức tính thời gian sử dụng ắc quy sẽ giúp xác định loại acquy cần thiết cho quá trình vận hành.
T –thời gian cần có điện trong hệ thống, giờ;
Ah –dung lượng bình ắc quy, Ah;
U – hiệu điện thế của ắc quy, V; pt – hiệu suất của hệ thống: 0,8
P – công suất tiêu thụ của tải, W;
Vậy đối với loại bình ắc quy 12VDC để đáp ứng được yêu cầu làm việc 8h thì dung lượng ắc quy cần thiết sẽ là:
Nguồn 7.4V chúng em sử dụng nguồn riêng từ 2 quả Cell pinsamsung Lion
Khối cảm biến
Nguyên lí cảm biến hồng ngoại:
- Gồm một mắt phát và thu hồng ngoại
- Khi nhân được tín hiệu hồng ngoại từ đèn phát thì đèn thu sẽ hoạt động
- Khi có ánh sáng hồng ngoại từ led phát, nếu có một vật cản, ánh sáng sẽ được phản xạ lại led thu
- Ứng dụng: dùng trong các ứng dụng phát hiện vật cản, xe dò đường,
Cảm biến dò line làm việc dựa trên nguyên lí giống cảm biến hồng ngoại
Cảm biến dò line MTE-L021 bao gồm một đèn phát hồng ngoại và một đèn thu hồng ngoại Khi đèn phát phát ra tín hiệu hồng ngoại, đèn thu sẽ hoạt động khi nhận được tín hiệu này Nếu có vật cản giữa hai đèn, ánh sáng hồng ngoại sẽ bị phản xạ trở lại đèn thu, tạo ra tín hiệu để nhận diện.
- Điện áp hoạt động: 5V (DC)
Hình 4.8 Mạch dò line Hình 4.7 Pin cell 18650
- Vi xử lí tích hợp: Stm8s003F3P6
- Số mắt line số: 5 mắt
- Tín hiệu trả về: Digital (0/1)
- Kích thước: Rộng: 27mm, Dài: 107mm, Cao 190mm.
Sơ đồ nguyên lý mạch : (Hình 2.9)
Cảm biến siêu âm HC-SRF04
Cảm biến siêu âm HC-SRF04 (Hình 4.10+4.11)
- Nguồn làm việc: 5V (một số mạch điện tử có thể cấp nguồn 3.3V vẫn hoạt động bình thường nhưng cảm biến siêu âm cần hoạt động ở mức 5V)
- Dòng tiêu thụ: nhỏ hơn 2mA
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý
Hình 4.11 Các chân HC_SRF04 Hình 4.10 Nguyên lý hoạt động
- Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) và LOW (0V)
- Khoảng cách đo: 2cm – 300cm (3 mét)
Cảm biến siêu âm có 4 chân:
- Trig > nối vi điều khiển (ngõ phát) (có thể sử dụng mức áp 3.3V để kích cảm biến mà không ảnh hưởng đến kết quả)
- Echo > nối vi điều khiển (ngõ thu)
Cảm biến siêu âm HC SR04 sử dụng 2 thành phần phát – nhận siêu âm
Cảm biến siêu âm SR04 hoạt động bằng cách phát 1 tín hiệu siêu âm (tần số 40Khz) và bắt đầu đếm thời gian nhận được tín hiệu phản hồi
Khoảng cách đo được bởi cảm biến siêu âm SR-04 được xác định dựa trên tốc độ và thời gian phản hồi Độ chính xác của cảm biến siêu âm HC-SR04 chủ yếu phụ thuộc vào cách lập trình phát và thu tín hiệu.
Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát ra một xung tín hiệu và đo thời gian nhận được tín hiệu phản hồi Sau khi xác định thời gian từ khi phát đến khi nhận, chúng ta có thể tính toán khoảng cách dựa trên thời gian này.
Để đạt được kết quả chính xác từ mạch cảm biến siêu âm, cần đo thời gian một cách chính xác và không có nhiễu Điều này phụ thuộc vào việc lập trình mà không sử dụng các hàm delay.
Khối động cơ
4.5.1 Chọn động cơ Đối với cơ cấu di chuyển của xe, lực cản tĩnh phụ thuộc vào khối lượng chuyên chở và khối lượng của xe, trạng thái đường đi (cong, thẳng, ổ gà, dốc )
Do vậy lực cản được tính theo công thức sau:
G : Khối lượng chuyên chở, kg;
Gx: Khối lượng của xe, Kg;
Bán kính bánh xe (Rb) được đo bằng mét, trong khi hệ số ma sát trượt (β) có giá trị từ 8.10-4 đến 15.10-4 Bán kính cổ trục bánh xe (rct) cũng được tính bằng mét Hệ số ma sát lăn (f) có giá trị 5.10-4, và k ms là hệ số thể hiện tính ma sát giữa mép bánh xe và đường ray.
- Mô men của động cơ sinh ra để thắng lực cản chuyển động đó bằng:
F: Lực cản chuyển động, N; i: Tỉ số truyền từ trục động cơ đến bánh xe; η: Hiệu suất của cơ cấu;
- Công suất của động cơ khi di chuyển có tải bằng:
Động cơ Planet RS775 12V/24V-60W 200RPM là loại động cơ servo nam châm vĩnh cửu có chổi than, được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Đặc biệt, động cơ này được trang bị một encoder để cung cấp phản hồi vị trí cho bộ điều khiển, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình hoạt động.
* Một vị trí có thể được giới hạn đến một xung
* Tính năng kỹ thuật cao
* Hộp giảm tốc Planet 2 cấp bánh răng
* Tốc độ đầu trục: 200RPM tại điện áp 12V (350-400RPM tại điện áp 24V)
* Dòng tải làm động cơ kẹt trục: 10-15A
4.5.2 Khối Driver Điều Khiển Động Cơ
Diver nhận tín hiệu từ bộ vi xử lý trung tâm để điều khiển tốc độ chạy của động cơ Ngoài ra, Diver cũng cho phép hãm dừng động cơ một cách nhanh chóng và hiệu quả.
- Qua tìm tìm tòi nghiên cứu tài liệu cẩn thận kĩ lưỡng, nhóm sử bộ driver điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp PID vận tốc
Hệ thống điều chỉnh tốc độ của robot AGV hoạt động bằng cách điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động cho hai bánh phía sau, tạo thành một hệ thống kín Tốc độ của xe AGV được đo thông qua bộ Encoder, với đầu ra là lượng xung phát ra tương ứng với số vòng quay hoặc vận tốc đầu vào.
Giá trị tốc độ phản hồi được đo bởi encoder sẽ được truyền đến bộ điều khiển, nơi diễn ra quá trình tính toán để đưa ra giá trị đầu ra cho bộ điều xung Bộ điều khiển tạo ra xung để điều chỉnh van bán dẫn, từ đó tạo ra điện áp đầu ra U thay đổi cung cấp cho động cơ Nhờ vào hệ thống điều chỉnh tốc độ phản hồi mạch kín, giá trị vận tốc luôn được duy trì ổn định và bám sát giá trị lượng đặt.
Việc nghiên cứu và thiết kế driver điều khiển động cơ là một quá trình quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc của xe AGV
Nhóm em đã sử dụng vi điều khiển Atmega 328P để xử lý tín hiệu phản hồi từ encoder của động cơ, qua đó truyền dữ liệu nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ Thông tin chi tiết về mã nguồn điều khiển động cơ được đính kèm.
Xây dựng lưu đồ thuật toán
Quy trình hoạt động của Robot AGV bắt đầu tại vị trí xuất phát, sau đó di chuyển đến khu vực có hàng để nâng và vận chuyển hàng đến vị trí yêu cầu Trong suốt quá trình vận chuyển, AGV đảm bảo hiệu quả và chính xác trong từng bước.
Hình 4.13 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ động cơ
Nếu gặp vật cản hoặc có người đi qua robot AGV sẽ dừng lại và cảnh báo
Nếu robot bị lệch khỏi line, robot tùy trường hợp robot sẽ tự bắt line hoặc dừng lại cảnh báo
Bài viết này mô tả các chân kết nối và chức năng của các cảm biến và đèn LED trong một hệ thống điều khiển Các cảm biến line được đánh số từ ss1 đến ss5, với mỗi cảm biến đảm nhận vai trò phát hiện đường đi Các chân in1 đến in4 và enA, enB được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của bánh trái và bánh phải Ngoài ra, chân trig và echo phục vụ cho việc phát và thu sóng của cảm biến siêu âm Cuối cùng, led_right (A6) và led_left (A7) được sử dụng để điều khiển đèn LED bên phải và bên trái, tương ứng.
Chân cầu H thứ 1 điều khiển bánh trái Chân cầu H thứ 1 điều khiển bánh phải
Chân cầu H thứ 2 điều khiển động cơ nâng hạ
Chân cầu H thứ 2 điều khiển còi
4.6.3 Các lưu đồ thuật toán
Lưu đồ 1: Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ nâng hạ
Lưu đồ 2: Lưu đồ thuật toán di chuyển trạng thái Robot và lưu đồ thuật toán khối cảnh báo [6]
Lưu đồ 3: Lưu đồ thuật toán đoc line và lưu đồ thuật toán vị trí line lệnh [6]
Lưu đồ 4: Lưu đồ thuật toán tính độ lệnh line [6]
Lưu đồ 5: Lưu đồ thuật toán điều khiển AGV [6]
Lưu đồ 6: Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ
Mô hình thực nghiệm
Khung robot là yếu tố thiết yếu của AGV, chứa đựng các bộ phận chuyển động và điều khiển, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định và tính linh hoạt của robot Để đáp ứng yêu cầu về kích thước nhỏ gọn và chắc chắn, nhóm đã quyết định thiết kế khung robot bằng nhựa mica với kích thước 300 x 300 x.
Hình 4.14: Thiết kế khung dưới
Hình 4.15: Khung đỡ nâng hàng hóa
Bánh xe được chọn với đường kính D = 65 mm, độ dày bánh xe là 27 mm, đảm bảo yêu cầu làm việc cùng với yêu cầu về kích thước nhỏ gọn
4.7.3 Thiết kế cơ cấu nâng hạ hàng Để vận chuyển hàng vào kho thì cần có một phương pháp kết nối giữa hàng và robot AGV, nhóm em thống nhất phương pháp nâng hạ, sử dụng trụ nâng hạ có nhiệm vụ nâng hàng vừa tạo sự chuyển động uyển chuyển cho robot AGV, dùng động cơ hộp số, thanh trượt, con trượt để nâng và hạ trụ nâng
Gồm 2 cảm biến chính:dò line và cảm biến siêu âm SRF004
Cảm biến cảm ứng từ có chức năng dò đường và để đảm bảo độ chính xác trong việc theo dõi đường đi, các cảm biến này cần được lắp đặt thành một hàng thẳng và gắn chung trên một cơ cấu hỗ trợ.
Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Hình 4.17) có khả năng phát sóng siêu âm và nhận sóng phản hồi từ vật cản, cho phép đo khoảng cách chính xác Nhờ vào tính năng này, cảm biến HC-SR04 được ứng dụng rộng rãi trong việc phát hiện và né tránh vật cản.
4.7.5 Mạch cầu Đôi (kết hợp từ 2 cầu H)
Mạch cầu H (Hình 4.18) được cấu tạo từ 4 transistor hoặc Fet, có chức năng như các van điều khiển dòng điện từ nguồn tới tải với công suất lớn.
Tìn hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ
Mạch cầu H là một mạch điện quan trọng, cho phép đảo chiều dòng điện và cung cấp điện áp lớn cho tải Nó thường được sử dụng trong các mạch điều khiển động cơ DC và mạch băm áp Đặc biệt, trong mạch điều khiển động cơ, mạch cầu H giúp đảo chiều động cơ một cách đơn giản bằng cách mở khóa các van theo chiều mong muốn.
Hình 4.19 Cách kết nối chân
SRF04 Hình 4.17 Mạch dò line
Hình 4.20: Thi công mạch điện
Hình 4.21: Mô hình thiết kế
THI CÔNG
Do ảnh hưởng của dịch Covid-19, nhóm chúng em vẫn chưa hoàn thành sản phẩm Chúng em thành thật xin lỗi và mong quý thầy cô thông cảm Dưới đây là hình ảnh mô hình mà nhóm đang thực hiện.
Hình 5.1: Mô hình xe tự động AGV
Hình 5.2: Mô hình xe tự động AGV
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN
Kết luận
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot tự hành AGV” đã đạt được những bước tiến đáng kể trong việc ứng dụng vận chuyển trong nhà xưởng Nhóm chúng em nhận thấy rằng dự án đã hoàn thiện và đáp ứng được các yêu cầu đề ra, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
* Mô hình và mạch nhỏ gọn, phù hợp với việc học tập và nghiên cứu
* Chi phí đầu tư cho mô hình thấp nhưng đem lại hiệu quả cao
Mô hình sử dụng các thiết bị thông dụng và dễ tìm, tuy nhiên, chúng có độ bền thấp Để đảm bảo hiệu quả trong thực tế, cần lựa chọn những thiết bị có độ bền cao hơn.
* Khả năng nâng vật nặng còn hạn chế.
Hướng phát triển
Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, các dây chuyền sản xuất đang yêu cầu tính chuyên môn hóa cao, điều này thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của tự động hóa trong sản xuất Nhóm chúng tôi đã xác định hướng phát triển mô hình nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường một cách hiệu quả.
* Có thể nâng cấp lên sử dụng các thiết bị giám sát cao hơn như camera
Hướng tới việc tích hợp khả năng giao tiếp cho robot AGV qua wifi và bluetooth, nhằm tạo ra quy trình làm việc khép kín với tính chuyên môn cao.
Robot AGV không chỉ giới hạn trong việc vận chuyển hàng hóa trong nhà xưởng mà còn có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như bệnh viện, nơi chúng hỗ trợ sắp xếp dụng cụ y tế, hoặc trong các thư viện lớn để tổ chức và sắp xếp sách.
