Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế Mobile Robot dạng bốn bánh vận chuyển

lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van1 of 98 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MOBILE ROBOT DẠNG BỐN BÁNH VẬN CHUYỂN PHÔI TRONG NHÀ MÁY Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Văn Trường Tên thành viên nhóm: Trần Văn Linh 2017600551 Lê Minh Hùng 2017600190 Nguyễn Văn Hiệu 2017601118 Hà Nội 2020 document, khoa luan1 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van2 of 98 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN document, khoa luan2 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van3 of 98 MỤC LỤC document, khoa luan3 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van4 of 98 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 1.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU .7 1.1.1 Lịch sử phát triển xe AGV .7 1.1.2 Phân loại xe AGV 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 11 1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 11 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT BÁNH 13 2.1 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC .13 2.2.TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC .16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .20 3.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560 20 3.2.MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 22 3.3.MODULE LM 2596 23 3.4.BỘ NGUỒN 23 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH XE AGV 29 4.1 CỤM BÁNH ĐỘNG LỰC .29 4.2 CỤM NÂNG 31 4.3 KHUNG VÀ VỎ MƠ HÌNH AGV 34 document, khoa luan4 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van5 of 98 MỤC LỤC HÌNH Hình 1: Sơ đồ vận hành xe AGV nhà máy Hình 2: Xe AGV kéo hàng .9 Hình 3: Xe AGV chở hàng .9 Hình 4: Xe AGV nâng hàng 10 YHình 1: Hệ tọa độ Robot .13 Hình 2: Mơ hình phân tích lực bánh sau robot [6] 16 Y Hình 1: Arduino Mega 2560 20 Hình 2: Mạch cầu H dung IR2184 22 Hình 3: Module LM2596 23 Hình 4: Ác quy 12V 24 Hình 5: Pin Lipo 25 Hình 6: Cảm biến dị line LED 25 Hình 7: Module dị line 26 Hình 8: Module đọc ADC 26 Hình 9: Cảm biến vật cản hồng ngoại DS30c4 28 Hình 1: Module cụm bánh động lực .29 Hình 2: Module cụm nâng .32 Hình 3:Khung mơ hình AGV 34 document, khoa luan5 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van6 of 98 BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT ST T 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Kí hiệu Chú thích q Ma trận vị trí Góc robot so với phương ngang Vận tốc tuyến tính robot Vận tốc bánh phải, trái Vận tốc góc robot Bán kính bánh xe Nửa khoảng cách bánh xe Động tịnh tiến thân xe Động quay bánh xe Vận tốc dài xe Vận tốc dài bánh phải, trái Momen quán tính bánh Khối lượng bánh xe Khối lượng thân xe Momen động Momen hao tổn trục Hệ số tổn thất trục động Momen ma sát lăn Hệ số ma sát bánh xe mặt đường Gia tốc trọng trường Vận tốc góc bánh Gia tốc góc bánh Gia tốc dài Vận tốc điểm đầu A, điểm cuối B Thời gian xe di chuyển Công suất động Ma trận vị trí robot Đường kính trục vít me Bước vít me Đường kính bánh 1, Số bánh 1, Số mắt xích θ ϑ vR , vL ω R L K tt Kb vt v wR , v wL J wR , J wR mb mt M dc M mst u M msl k g φ´ φ´ a V a ,V b t Pdc ξ d u d ,d Z1 , Z2 x document, khoa luan6 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) Đơn vị Rad m/s m/s Rad/s mm mm J J m/s m/s Kg/ m2 Kg Kg N.m N.m N.m m/ s Rad/s rad/ s m/ s m/s s W mm mm mm lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van7 of 98 CÁC TỪ VIẾT TẮT AGV : Autonomous Guided Vehicles document, khoa luan7 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van8 of 98 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU Lịch sử phát triển xe AGV Robot đời từ kỷ trước công nguyên Chu Mục Vương (Trung Quốc) người Yan Shi phác thảo ý tưởng máy tự động khí Đến năm 1927, robot điện tử lần xuất phim ảnh Năm 1948, nguyên lý tảng robot tự động hóa đời, tạo tiền đề cho robot học sau Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử giới đời, đặt tên Unimate.Trong loại Mobile Robot áp dụng lĩnh vực cơng nghiệp, Robot tự hành mặt đất AGV( Autonomous Guided Vehicles) giới quan tâm đến Hệ thống xe tự hành (AGV) tồn từ năm 1953 Barrett Electronics Of Northbrook, bang Illinois – USA, Savant Automation of Walker, bang Michigan – USA Một nhà phát minh sáng chế phương pháp tự động hoá người xe tải kéo mà sử dụng nhà máy nhiều năm nhờ vào giấc mơ Robot tự hành AGV chế tạo để vận chuyển phôi gia công vào năm 70, vấn đề định hướng xe tự hành vấn đề quan trọng Ban đầu AGV xe kéo nhỏ chạy theo đường dẫn Công nghệ năm 70 điều khiển hệ thống để nâng cao khả tính linh hoạt xe AGV, xe khơng dùng để kéo, đẩy hàng kho, mà cịn có chức trung gian , kết nối trình sản xuất, lắp ráp, phân loại hàng hóa Trải qua nhiều năm, công nghệ phát triển mạnh hơn, trình tự hành, AGV lập trình để giao tiếp với robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm chuyển qua trạm, kho nơi mà sau chúng giữ lại chuyển đến vị trí khác document, khoa luan8 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van9 of 98 Phân loại xe AGV Xe AGV sử dụng với mục đích chung để chuyển hàng nhà máy, kho chứa sản phẩm Hình 1: Sơ đồ vận hành xe AGV nhà máy Ngày nay, xe AGV có nhiều dịng sản phẩm khác thị trường Các sản phẩm AGV bao gồm:  Xe kéo (Towing Vehicle) Xe kéo xuất dòng xe AGV thịnh hành thị trường Loại kéo nhiều toa hàng khác trở từ 8000 đến 60000 pounds Ưu điểm hệ thống xe kéo:  Khả chun chở lớn  Có thể dự đốn lên kế hoạch tính hiệu việc chuyên chở việc đảm bảo an tồn  Tính an toàn tốt document, khoa luan9 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van10 of 98 Hình 2: Xe AGV kéo hàng  Xe chở ( Unit Load Vehicle) Xe chở trang bị tâng khay chứa nâng, hạ chuyênr động băng tải, đai xích Ưu điểm xe chở:  Tải trọng phân phối di chuyển theo yêu cầu  Thời gian đáp ứng nhanh gọn  Giảm hư hại tài sản  Đường linh hoạt  Giảm thiếu tắc nghẽn giao thông chuyên chở Hình 3: Xe AGV chở hàng document, khoa luan10 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van24 of 98 Một số lưu ý sử dụng Arduino Mega 2560 Khi bắt đầu sử dụng Arduino Mega 2560, bạn nên ý lựa chọn lại board Bằng cách vào Tool → Board → Arduino Mega 2560 Nhằm tránh trước bạn sử dụng loại Arduino khác cổng nhận board cũ nên build bạn gặp lỗi Khi sử dụng chân RX, TX cuả Arduino, bạn nên nhớ rút dây cắm chân bắt đầu upload Sau cắm lại bình thường sử dụng để tránh gặp phải lỗi Không phép cắm trực tiếp chân GND vào chân nguồn 5V, dẫn tới hỏng mạch 3.2.MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Hình 2: Mạch cầu H dung IR2184 Đặc tính kỹ thuật: Driver cơng suất sử dụng MOSFET IRF540 cho dòng đỉnh tối đa 22A Điện áp cấp từ +24V Sử dụng IC kich FET chuyên dụng IR2184 bảo đảm FET dẫn tốt chống tượng trùng dẫn Driver cách ly tần công suất dùng OPTO xung P900V SHARP làm cho Driver đáp ứng với tín hiệu PWM có tần số cao Driver có biến trở dùng chỉnh dịng giới hạn qua động giúp bảo vệ thiết bị document, khoa luan24 of 98 23 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van25 of 98 Tín hiệu vào điều khiển bao gồm: DIR+, DIR-, PWM+, PWM- Điều giúp người dùng dễ dàng tùy chọn tín hiệu điều khiển tác động mức cao hay mức thấp Board gồm led SMD báo nguồn báo chiều quay động Board thiết kế nhỏ gọn Board mạch lớp, chất lượng cao, phủ màu đỏ ,rất thích hợp cho Robocon 3.3.MODULE LM 2596 Là module giảm áp có khả điều chỉnh dịng đến 3A LM2596 IC nguồn tích hợp đầy đủ bên Tức cấp nguồn 9v vào module, sau giảm áp ta lấp nguồn 3A < 9v 5V hay 3.3V Thông số kỹ thuật: Module nguồn không sử dụng cách ly Nguồn đầu vào từ 4V - 35V Nguồn đầu ra: 1V - 30V Dòng Max: 3A Kích thước mạch: 53mm x 26m Hình 3: Module LM2596 3.4.BỘ NGUỒN  Nguồn cấp cho động Với đề tài này, nhóm đồ án sử dụng ác quy 12V nối tiếp với tạo thành nguồn 24V để cấp nguồn cho động trình hoạt động document, khoa luan25 of 98 24 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van26 of 98 Hình 4: Ác quy 12V Thông số kỹ thuật: Điện ra: 12V Dung lượng: 1.2Ah Sạc vào: 0.1A – 1.2A – 12V Kích thước: 9.5 x x Cm Trọng lượng: 568 gam  Nguồn cấp cho Arduino Để arduino hoạt động ổn định cần nguồn riêng phù hợp với arduino Nên nhóm đồ án định sử dụng pin Lipo document, khoa luan26 of 98 25 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van27 of 98 Hình 5: Pin Lipo 3.5.HỆ THỐNG DỊ ĐƯỜNG Module dị line dùng nhiều thi robot robocon, đua xe dò line, robo sumo Sử dụng cho robot tự động bán tự động Ngay cơng nghiệp dùng tính dị line cho robot tự hành Hình 6: Cảm biến dị line LED Bộ sản phẩm dị line gồm có :  Module dò line kênh sử dụng quang trở với công nghệ led đôi hàng đảm bảo cho bạn dò line trắng cực tốt document, khoa luan27 of 98 26 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van28 of 98 Hình 7: Module dò line Lưu ý: sử dụng module cần setup khoảng cách từ mặt quang trở đến mặt sàn 5mm-10mm để tối ưu độ xác quang trở  Module đọc ADC chuyển đổi kênh ADC thành tín hiệu số với tốc độ chuyển đổi nhanh giúp người dùng dễ dàng đọc xử lí tín hiệu Trên module có led hiển thị kết chuyển đổi adc tương ứng với kênh nút nhấn điều chỉnh độ nhạy cảm biến Hình 8: Module đọc ADC Hướng dẫn sử dụng:  Set up module:  Đấu Bus bo quang trở led vào bo main có kí hiệu ADC sensor  Đấu bus bo main có ki hiệu OUT vđk bo master  Cấp nguồn vào thấy led đơn chớp lần (dấu hiệu bo tốt) document, khoa luan28 of 98 27 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van29 of 98  Sau gắn vào robot tiến hành canh chỉnh lấy thơng số sân sau: Đưa phần bo quang trở tới vùng sáng sân thường mầu đỏ xanh (không phải vạch trắng) vùng sân b Nhấn nút mode thấy led đơn chạy từ ngồi vào c Bạn nhấn nút nút , nút cho ta độ nhạy khác nhau, nút nhạy nút nhạy d Sau nhân nút xong đưa vào vạch trắng sân để quan sát, chưa tốt đưa sân (không phải vạch trắng) để chụp lại nút khác, lại thử đưa vào vạch trắng để xem kết có ok khơng, ok nhấn nút mode để khỏi chương trình setup lưu kết lại vào eeprom thấy led đơn chạy từ Ngoài chế độ nhạy bạn tổ hợp nút mode + nút nút mode + nút để vào chế độ setup độ nhạy modul giảm bớt đi, sau bước thao tác trên, dấu hiệu phân biệt chế độ :  mode nhấn xong khơng có led sáng  mode + nút nhấn tổ hợp có led sáng  mode + nút nhấn tổ hợp có led sáng  Tín hiệu trả MCU: Các chân tín hiệu từ -> module chuyển đổi tương ứng với kênh từ -> module dò line Khi kênh không phát line trắng chân tương ứng mức (5V) Ngược lại kênh phát line trắng chân tương ứng với kênh kéo xuống mức (0V) document, khoa luan29 of 98 28 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van30 of 98 3.6.HỆ THỐNG TRÁNH VẬT CẢN Hình 9: Cảm biến vật cản hồng ngoại DS30c4 Thông số kỹ thuật: Nguồn điện cung cấp: ~ 36VDC Khoảng cách phát hiện: ~ 30cm Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở Dịng kích ngõ ra: 300mA Ngõ dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến điện áp ngõ ra, trở treo lên áp tạo thành điện áp ngõ nhiêu Chất liệu sản phẩm: nhựa Có led hiển thị ngõ màu đỏ Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L) document, khoa luan30 of 98 29 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van31 of 98 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH XE AGV 4.1 CỤM BÁNH ĐỘNG LỰC Yêu cầu đặt bánh động lực cần phải chịu tải tốt, ma sát bánh với mặt xưởng phải thật lớn để tránh bị trượt di chuyển, gây không ổn định xe trình làm việc Vì nhóm đề xuất sử dụng cụm bánh động lực sau: Hình 1: Module cụm bánh động lực ST T TÊN CHI TIẾT Tấm gá động HÌNH ẢNH VẬT LIỆ U Thép CT3 document, khoa luan31 of 98 30 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG Cắt lazer, khoan, taro lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van32 of 98 Đệm trục bánh Thép CT3 Tiện CNC Trục trượt Thép CT3 Tiện Gá vòng bi trục bánh xe Thép CT3 Cắt lazer, Phay CNC, khoan, taro Trục bánh xe Thép CT3 Tiện document, khoa luan32 of 98 31 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van33 of 98 Gá động Inox Lò xo Thép Bánh động lực Cắt lazer, dập tấm, khoan, taro 4.2 CỤM NÂNG - Yêu cầu module phải nâng, hạ khối lượng hàng hóa định, tối đa 50 kg - Đảm bảo vững để hàng hóa an tồn q trình vận chuyển - Khả nâng hạ trơn chu để thuận tiện cho điều khiển lấy hàng - Phù hợp với kích thước khung xe document, khoa luan33 of 98 32 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van34 of 98 Nhóm đề xuất mơ hình cụm module nâng hàng sau: Hình 2: Module cụm nâng STT TÊN CHI TIẾT Mặt nâng HÌNH ẢNH VẬT LIỆU Thép CT3 document, khoa luan34 of 98 33 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG Cắt lazer, khoan lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van35 of 98 Gá bạc trượt Thép CT3 Cắt lazer, dấp, uốn, hàn, khoan taro Gân gá bạc trượt Thép CT3 Cắt lazer Gá xilan h nâng Thép CT3 Cắt lazer, dấp, uốn, hàn, khoan taro Trục trượt Thép CT3 Tiện, khoan, taro document, khoa luan35 of 98 34 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van36 of 98 Gá đầu xilan h nâng Thép CT3 Cắt lazer, dấp, uốn, hàn, khoan taro 4.3 KHUNG VÀ VỎ MƠ HÌNH AGV - Khung xe yêu cầu phải có khả chịu tải trọng cao, dễ dàng lắp ráp với module bánh, cảm biến, module mạch, hệ thống nút điều khiển xe - Kích thước phù hợp với chức không gian làm việc - Đảm bảo an tồn hàng hóa q trình di chuyển - Có bền có tính thẩm mỹ Nhóm để xuất mơ hình vỏ AGV sau: Hình 3:Khung mơ hình AGV document, khoa luan36 of 98 35 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van37 of 98 ST T TÊN CHI TIẾT Đế xe HÌNH ẢNH VẬT LIỆU Thép CT3 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG Cắt lazer, gấp, khoan, taro Tấm nắp Thép CT3 Cắt lazer, uốn, sơn tĩnh điện Vỏ mặt trước Thép tầm CT3 Cắt lazer, sơn tĩnh điện document, khoa luan37 of 98 36 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van38 of 98 Vỏ mặt sau Thép CT3 Cắt lazer, sơn tĩnh điện Vỏ mặt bên Thép CT3 Cắt lazer, sơn tĩnh điện Tấm gá linh kiện Thép CT3 Cắt lazer Khoan, taro Sơn tĩnh điện document, khoa luan38 of 98 37 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) ... robot so với phương ngang Vận tốc tuyến tính robot Vận tốc bánh phải, trái Vận tốc góc robot Bán kính bánh xe Nửa khoảng cách bánh xe Động tịnh tiến thân xe Động quay bánh xe Vận tốc dài xe Vận. .. án nhận đề tài thiết kế chế tạo Mobile Robot tự động bánh, nhóm định thiết kế chế tạo xe nâng hàng AGV với mục đích dùng để vận chuyển hàng kho chứa công ty PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Phương... TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài nghiên cứu chế tạo Mobile Robot bánh làm việc không gian rộng ( nhà máy, nhà kho, ) với nhiệm vụ Robot vận chuyển hàng vị trí khác khơng gian Giới hạn đề tài: nhóm