TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KĨ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN NHẬP MÔN NGÀNH KĨ THUẬT NGÀNH KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LẮP RÁP, VẬN HÀNH ROBOT ĐA HƯỚNG OMNI Người hướng dẫn TS Mai Thế Anh Sinh viên thự.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KĨ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN NHẬP MÔN NGÀNH KĨ THUẬT NGÀNH KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LẮP RÁP, VẬN HÀNH ROBOT ĐA HƯỚNG OMNI Người hướng dẫn : TS.Mai Thế Anh Sinh viên thực hiện: Hoàng Anh Sáng Trần Phương Nam Nguyễn Tiến Nam Ngô Xuân Mạnh Nguyễn Văn Mạnh Cao Hoàng Quốc Cường Trần Ngọc Sang K62 - Kĩ thuật điều khiển tự động hóa Khóa: 2021-2025 Nghệ An, 2021 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điều khiển tự động hóa ngành học nghiên cứu, thiết kế, vận hành hệ thống tự động, dây chuyền sản xuất tự động nhà máy (xi măng, sắt thép, nước giải khát, dược phẩm,…); thiết kế, điều khiển chế tạo robot; quản lý sản phẩm cơng ty ngồi nước kinh doanh thiết bị điện tử tự động… Trên đường tiến tới cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước vấn đề phát triển khoa học kĩ thuật mấu chốt hàng đầu.Với xu hướng giảm tối thiểu sức người tăng suất lao động địi hỏi phải có nhiều trang thiết bị, nhiều dây chuyền tự động hóa, lấy sức máy móc thay sức người ,…Để đáp ứng nhu cầu này, chắn phải nghiên cứu thiết bị tự động để phục vụ cho nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nơng nghiệp…Trong robot lĩnh vực mà nước ta nghiên cứu bước chế tạo để ứng dụng vào trình sản xuất để góp phần nâng cao suất lao động Nổi bật robot tự hành đa hướng ứng dụng rộng rãi với khả di chuyển linh hoạt Với xu hướng phát triển kỹ thuật nay, người hoạt động lĩnh vực tự động, kiến thức robot hoàn toàn cần thiết Từ nhu cầu thực tiễn thiết thực trên, nhóm định lựa chọn đề tài “ Robot đa hướng omni mecanum“ để tìm hiểu phát triển Nhóm xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Mai Thế Anh tận tình giúp đỡ chúng em hồn thành học phần Trong q trình thiết kế trình bày chúng em khơng tránh khỏi khó khăn sai sót mong thầy bảo, giúp đỡ chúng em để có kết tốt học phần Xin chân thành cảm ơn! PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ Người thực MSSV Nhiệm vụ Trần Phương Nam 215752021610076 Làm báo cáo Nguyễn Tiến Nam 215752021610105 Làm báo cáo Cao Hoàng Quốc Cường 215752021610097 Làm báo cáo Ngô Xuân Mạnh 215752021610053 Nguyễn Văn Mạnh 215752021610011 Trần Ngọc Sang Hoàng Anh Sáng 215752021610009 215752021610034 Yêu cầu Báo cáo đầy đủ, rõ ràng chi tiết Báo cáo đầy đủ, rõ ràng chi tiết Báo cáo đầy đủ, rõ ràng chi tiết Làm slide thuyết trình Slide ngắn gọn, thuyết trình dễ hiểu Làm slide thuyết trình Làm slide thuyết trình Slide ngắn gọn, thuyết trình dễ hiểu Slide ngắn gọn, thuyết trình dễ hiểu Mua đúng, đủ linh kiện, đảm bảo linh kiện chạy Mua linh kiện, lắp ráp robot Đánh giá 95% 90% 80% 90% 95% 85% 95% CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài Ở nước ta có nhiều đề tài nói robot di động robot tránh vật cản, robot leo tường, robot leo cầu thang… Nhưng nhóm chưa tìm thấy đề tài nói robot di chuyển linh hoạt đa hướng áp dụng kỹ thuật tiên tiến GPS, la bàn, Bluetooth Nếu có tài liệu có số tài liệu khái qt, chưa có tài liệu kỹ thuật chi tiết robot Hiện tại, robot định hướng công nghệ xử lý ảnh, đường dẫn (line), la bàn, GPS, Bluetooth Cơng nghệ xử lý ảnh cịn mẻ công nghệ để phát đối tượng chưa phải cách để định vị định hướng cho robot Dùng line robot hoạt động phạm vi nhỏ hẹp thích hợp thi robot La bàn điện tử thiết bị dùng để định hướng cho robot thơng qua cảm biến từ trường Trái Đất, cịn GPS chưa phổ biến Để góp phần vào phát triển khoa học nước nhà, nhóm em chọn robot di chuyển đa hướng bánh xe omni với hệ thống điều khiển bluetooth để làm đề tài nghiên cứu Vì tính tốn đơn giản omni bánh, tận dụng hiệu suất động bố trí vng góc Từ suy nghĩ chúng em sử dụng kiến thức hạn chế để nghiên cứu chế tạo robot omni bánh đa hướng di động Robot áp dụng vào giám sát khu vực nơi người không tới 1.2 Mục tiêu, phương pháp thực đề tài a Mục tiêu Về mặt thiết kế khí: Mobile robot có thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, đảm bảo độ cứng vững đủ không gian lắp ráp linh kiện Các bánh lắp đặt theo góc đảm bảo trọng tâm mơ hình trình di chuyển Hệ thống điều khiển: Sử dụng linh kiện điện tử phổ biến thị trường, dễ dàng trình thiết kế hệ thống điều khiển, lập trình Các linh kiện, đường dây bố trí hợp lí, gọn gàng, khơng bị lỏng lẻo, ngắt kết nối trình hoạt động Mục tiêu hoạt động mơ hình: Mobile robot có khả di chuyển đa hướng, di chuyển theo quỹ đạo đơn giản thiết kế giao diện điện thoại Mơ hình sử dụng chế độ điều khiển tay chế độ điều khiển tự động kết nối thông qua module Bluetooth với độ xác 95% Về phần lập trình: Tính tốn giải thuật điều khiển cho robot di chuyển hướng Ở phần cần phải biết sử dụng ngôn ngữ lập trình nào, dùng phần mềm để lập trình học cách sử dụng phần mềm b Phương pháp thực - Tham khảo tài liệu đánh giá: Đọc tài liệu động lực học robot, robot đa hướng, tìm hiểu ngun lí điều khiển, phương trình động lực học, điều khiển PID vận dụng kiến thức môn học đưa vào thực tế Tìm hiểu tài liệu vi điều khiển, cụ thể Arduino để tạo chương trình điều khiển cho robot, tài liệu kĩ thuật điện tử, vi mạch, để hiểu nguyên lí linh kiện Sử dụng phần mềm hỗ trợ thiết kế Solidworks để tạo mẫu thử, từ đánh giá mơ hình thích hợp Phần mềm Proteus dùng để vẽ sơ đồ mạch điện, đường dây - Quan sát: Hoạt động robot đa hướng video hay thi Robocon xem khả hoạt động Mobile robot đưa yêu cầu cho mơ hình 1.3 Giới thiệu chung robot Robot từ người lao động hệ ngôn ngữ Sla-vơ Cho đến có nhiều định nghĩa khác robot Những định nghĩa có nội dung tương tự Robot hay người máy loại máy thực cơng việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạnh điện tử lâp trình Ngày người ta tranh cãi vấn đề “Một loại máy đủ tiêu chuẩn để gọi robot ?” Một cách gần xác robot phải có vài (khơng thiết phải đầy đủ đặc điểm sau đây): − − − − Không phải tự nhiên tức người sáng tạo ra; Có khả nhận biết mơi trường xung quanh; Có thể tương tác với vật thể mơi trường; Có thơng minh, có khả đưa lựa chọn dựa môi trường điều khiển cách tự động theo trình tự lập trình trước; − Có khả điều khiển lệnh để thay đổi tùy theo yêu cầu người sử dụng; − Có thể quay tịnh tiến theo hay nhiều chiều; − Có khéo léo vận động Robot dùng phổ biến môi trường độc hại, nơi người tới hay tới cách khó khăn nguy hiểm, robot dùng lĩnh vực giải trí phục vụ đời sống Các nơi người khơng có khả đến Sao Hỏa, đáy biển, núi lửa,… Người ta phải sử dụng robot tự hành với cấu trúc phù hợp với mơi trường Ví dụ như: Robot Sojourner nhiệm vụ tìm kiếm sống Sao Hỏa vào năm 1997 Hình 1.1 Robot Sojourner Robot MBARI’s ALTEX AUV robot hoạt động đáy biển với nhiệm vụ thăm dị độ phóng xạ, áp suất, độ sâu,… Robot Pioneer thiết kế để dị tìm kiểm tra nồng độ thảm họa Chernobyl Hình 1.2 Robot Pioneer Robot MBARI’s ALTEX AUV Robot sử dụng quân như: Military-Robot … Robot sử dụng sinh hoạt như: Robot lau nhà Robotking… 1.4 Một số dạng điều khiển a Điều khiển từ xa tay Robot điều khiển từ xa tay thơng qua sóng RF, wifi, hồng ngoại hay Bluetooth… Robot điều khiển từ xa giúp người tránh khỏi nguy hiểm Ví dụ robot điều khiển từ xa tay gồm có: Military-Robot iRobot’s PackBot,… Hình 1.3 iRobot’s PackBot b Thực thi theo lộ trình Là robot theo lộ trình sẵn Chúng theo đường sơn khắc sàn, trần nhà hay dây điện Đa số robot hoạt động theo thuật tốn đơn giản giữ lộ trình cảm biến trung tâm, chúng khơng thể vịng qua chướng ngại vật, chúng dừng lại có vật cản đường chúng c Ngẫu nhiên hoạt động độc lập Robot hoạt động độc lập với chuyển động ngẫu nhiên, chuyển động nhảy bật lên tường, tường cảm nhận cản trở mặt vật lý máy hút bụi Roomba với cảm biến điện tử máy cắt cỏ Friendly Robotics 1.5 Giới thiệu chung robot omni Robot omni loại mobile robot di chuyển bánh xe ứng dụng nhiều thực tế quỹ đạo chuyển động đa dạng Robot omni thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng tự tránh vật cản Ứng dụng phục vụ cơng tác dịnh vụ chăm sóc y tế, đặc biệt môi trường lây nhiễm cao hay môi trường có cường độ phóng xạ cao thay người… Robot omni có đặc điểm kết cấu đơn giản, có quỹ đạo di chuyển linh hoạt nên thay phát triển cho loại mobile robot truyền thống Ưu nhược điểm robot omni: Ưu điểm: − − − − Di chuyển linh hoạt; Dễ điều khiển; Thiết kế đơn giản; Có khả ứng dụng vào đời sống Nhược điểm: − Di chuyển số mơi trường địa hình định; − Sai lệch vị trí định vị hệ thống GPS; − Hướng di chuyển sai lệch Một số nghiên cứu robot omni giới Việt Nam: Trên giới, robot omni phát triển từ lâu ngày có nhiều ứng dụng đa dạng tích hợp cơng nghệ Hình 1.4 Wow Wee Rovio Robot Đặc điểm: − Cho phép điều khiển qua wifi; − Có thể điều khiển qua mạng internet; − Có thể tự di chuyển xung quanh nhà có nguồn trự Những nghiên cứu robot omni Việt Nam thực thời gian gần sinh viên giảng viên trường đại học Những nghiên cứu đạt kết bước đầu, tạo sản phẩm thực nghiệm 10 2.5 Bộ khung xe robot bánh Omni Mecanum Bộ khung sử dụng bánh xe mecanum giúp di chuyển đa hướng theo nhiều phương: Đi thẳng, ngang, theo phương chéo xoay tròn , xe thiết kế đẹp mắt, khung kim loại chắn, dễ dàng sử dụng Bộ khung xe bao gồm: − − − − − động DC vàng: điện áp 6-9V; bánh xe mecanum: đường kính 60mm; khung xe: kim loại, dài x rộng: 25.5 x 15cm; Ốc vít lắp đặt; Trọng lượng: 300g Hình 2.7 Bộ khung xe robot omni mecanum 2.6 Dây kết nối mạch động Sử dụng dây nối 40P màu dài 10cm Dây Nối 40P với lõi dây đồng độ dẫn nhiệt cao, mối tiếp xúc chắn, dây cắm với đầu kim cứng, tiếp xúc tốt, kết nối siêu nhanh cho Breadboard board phát triển Arduino giúp dễ dàng thao tác, tiết kiệm thời gian so với dây rắn tự chế Hình 2.8 Dây nối 40P màu 24 2.7 Phần mềm điều khiển Bluetooth Arduino Hình 2.9 Giao diện App điều khiển Sơ đồ khối chức chạy có điều khiển: Hình 2.10 Chức chạy có điều khiển 25 2.8 Tiến hành lắp ráp Bước 1: Lần lượt lắp động vào khung xe Hình 2.11 Lắp động vào khung xe Bước 2: Nối dây cực âm vào bên trái,cực dương vào bên phải động Hình 2.12 Nối dây Bước 3: Lắp mạch Arduino Hình 2.13 Lắp mạch Arduino 26 Bước 4: Lắp Arduino Motor Shield cắm dây Hình 2.14 Lắp Arduino Motor Shield cắm dây Bước 5: Kết nối nạp chương trình cho Arduino Hình 2.15 Kết nối nạp chương trình cho Arduino 27 Cách nạp chương trình cho Arduino: − Khởi động Arduino IDE máy tính; − Vào Menu Tools Board Chọn Arduino Uno; − Vào Menu Tools Port Chọn cổng Arduino kết nối với máy tính, chọn cổng USB; − Vào Menu Tools Programmer Chọn AVR ISP; − Tải chương trình lên Nhấn Upload; Chú ý: Trong trình nạp code phải tháo chân RX, TX HC05 để không xảy xung đột HC05 dùng giao thức UART − Tiếp theo, kết nối lại dây cắm thêm Relay 5V vào chân 11 để ta điều khiển thiết bị đó; − Tiếp tục cắm nguồn điện cho Arduino, ta thấy đèn led HC05 chớp sáng đỏ liên tục Đến ta tiến hành bật Bluetooth điện thoại lên để tìm kiếm HC05 pair thiết bị Mật mặc định HC05 xuất xưởng 1234 2.9 Kết thực Lắp ráp hoàn chỉnh khung xe với độ chắn, đầu dây đấu nối xác, xe chạy ổn định không bị sai lệch hướng trình di chuyển Hình 2.16 Kết sau lắp ráp 28 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu thực đề tài, nhóm hồn thành mơ hình Robot Omni Mecanum với khả di chuyển vượt trội, di chuyển tất hướng mà khơng cần thay đổi vị trí với độ nhanh nhẹn, xác Tuy nhiên đề tài nhóm tồn số khuyết điểm kết nối cịn chưa ổn định, độ thu phát sóng cịn giới hạn Trong suốt q trình thực đồ án nhóm gặp số khó khăn tài chính, kiến thức chun mơn thời gian có hạn nên nhóm chưa hoàn thiện tốt vấn đề Đây đề tài hay mới, có nhiều hướng phát triển, có tính thực tế cao Nhóm hy vọng mơ hình khóa sau hồn thiện, phát triển để góp phần làm cho khoa học công nghệ nước nhà phát triển mạnh Đây mơ hình nhóm thực với quy mơ nhỏ Trong tương lai mơ hình phát triển thêm áp dụng vào nhiều lĩnh vực Để hoàn thiện sản phẩm hơn, nhóm có số đề xuất hướng phát triển sau: − Nghiên cứu cải tiến thuật tốn thích nghi robot di chuyển loại địa hình phức tạp khác ứng dụng thực tế; − Hoàn thiện tối ưu phần lập trình điều khiển; − Đồng hóa tác vụ điều khiển tổng thể hệ thống, tích hợp công nghệ cảm biến Lidar, camera, tối ưu thời gian xử lý ứng dụng hệ điều hành lập trình cho robot ROS để lập trình thơng minh; − Có thể gắn thêm tay máy cho thuận tiện vào việc cầm nắm, tránh vật cản Một lần nữa, nhóm xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy Mai Thế Anh hỗ trợ, giúp nhóm củng cố kiến thức để hồn thành đề tài 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Tính: “Nghiên cứu phát triển số thuật tốn điều khiển robot di động có tính đến ảnh hưởng trượt bánh xe” Luận án TS kỹ thuật điều khiển tự động hóa 2018 [2] Đào Văn Hiệp, “Kỹ thuật Robot”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2003 [3] Nguyễn Thiện Phúc, “Robot công nghiệp”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [4] Website: https://xdocs.pl/doc/kltn-nguyen-viet-khiem-le-quoc-lanh-thietke-che-tao-robot-di-dong-da-huong-4-banhkltndocx-vod46we411o6 [5] Website: https://text.123docz.net/document/4934162-do-an-robot-dichuyen-da-huong-bang-banh-omni.htm [6] Website: http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi [7] Website: https://dientutuonglai.com/arduino-ide-la-gi.html [8] Website: https://mesidas.com/arduino-la-gi/ [9] Website: https://dientutuonglai.com/module-dieu-khien-dong-col293d.html [10] Website: https://vidieukhien.xyz/2014/11/04/giao-tiep-voi-bluetoothhc05-dieu-khien-led-rgb-qua-smartphone/#muc-module-bluetooth-hc05 30 PHỤ LỤC //Code_DoAnRoBotOmni #include #include #include SoftwareSerial Bluetooth(13, 2); // Arduino(RX, TX)-HC-05 Bluetooth(TX, RX) AF_DCMotor motor(1, MOTOR12_64KHZ); AF_DCMotor motor1(2, MOTOR12_64KHZ); AF_DCMotor motor2(3, MOTOR12_64KHZ); AF_DCMotor motor3(4, MOTOR12_64KHZ); int wheelSpeed=100; int dataIn, m; void setup() { Serial.begin(9600); Bluetooth.begin(9600); Bluetooth.setTimeout(1); delay(20); } void loop() { // Check for incoming data if (Bluetooth.available() > 0) { dataIn = Bluetooth.read(); // Read the data Serial.println(dataIn); if (dataIn == 0) { m = 0; } if (dataIn == 1) { m = 1; } 31 if (dataIn == 2) { m = 2; } if (dataIn == 3) { m = 3; } if (dataIn == 4) { m = 4; } if (dataIn == 5) { m = 5; } if (dataIn == 6) { m = 6; } if (dataIn == 7) { m = 7; } if (dataIn == 8) { m = 8; } if (dataIn == 9) { m = 9; } if (dataIn == 10) { m = 10; } if (dataIn == 11) { m = 11; } 32 if (dataIn == 12) { m = 12; } if (dataIn == 14) { m = 14; } // Set speed if (dataIn >= 16) { wheelSpeed = dataIn; Serial.println(wheelSpeed); } } if (m == 5) { moveSidewaysLeft(); } if (m == 4) { moveSidewaysRight(); } if (m == 2) { moveForward(); } if (m == 7) { moveBackward(); } if (m == 1) { moveRightForward(); } if (m == 3) { moveLeftForward(); } 33 if (m == 6) { moveRightBackward(); } if (m == 8) { moveLeftBackward(); } if (m == 9) { rotateLeft(); } if (m == 10) { rotateRight(); } if (m == 0) { stopMoving(); } //Serial.println(dataIn); // If button "SAVE" is pressed if (m == 12) { } } void moveForward() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor1.run(FORWARD); motor.run(FORWARD); motor3.run(FORWARD); motor2.run(FORWARD); } 34 void moveBackward() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor1.run(BACKWARD); motor.run(BACKWARD); motor3.run(BACKWARD); motor2.run(BACKWARD); } void moveSidewaysRight() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor1.run(BACKWARD); motor.run(FORWARD); motor3.run(BACKWARD); motor2.run(FORWARD); } void moveSidewaysLeft() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor1.run(FORWARD); motor.run(BACKWARD); motor3.run(FORWARD); motor2.run(BACKWARD); } 35 void rotateLeft() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor1.run(FORWARD); motor.run(BACKWARD); motor3.run(BACKWARD); motor2.run(FORWARD); } void rotateRight() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor1.run(BACKWARD); motor.run(FORWARD); motor3.run(FORWARD); motor2.run(BACKWARD); } void moveRightForward() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(0); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(0); motor3.run(RELEASE); motor1.run(RELEASE); motor.run(FORWARD); motor2.run(FORWARD); } 36 void moveRightBackward() { motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor.setSpeed(0); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(0); motor.run(RELEASE); motor2.run(RELEASE); motor1.run(BACKWARD); motor3.run(BACKWARD); } void moveLeftForward() { motor.setSpeed(0); motor1.setSpeed(wheelSpeed); motor2.setSpeed(0); motor3.setSpeed(wheelSpeed); motor2.run(RELEASE); motor.run(RELEASE); motor1.run(FORWARD); motor3.run(FORWARD); } void moveLeftBackward() { motor.setSpeed(wheelSpeed); motor1.setSpeed(0); motor2.setSpeed(wheelSpeed); motor3.setSpeed(0); motor3.run(RELEASE); motor1.run(RELEASE); motor.run(BACKWARD); motor2.run(BACKWARD); } 37 void stopMoving() { motor.run(RELEASE); motor1.run(RELEASE); motor2.run(RELEASE); motor3.run(RELEASE); motor1.setSpeed(0); motor2.setSpeed(0); motor3.setSpeed(0); motor.setSpeed(0); } 38 ... 1.6 Nguyên lý hoạt động robot omni a Bánh xe Omni Bánh xe Omni bố trí vng góc theo trục động cơ, bánh đặt cách góc 360°/n Bánh xe Omni ứng dụng nhiều robot tự hành cho phép robot di chuyển đến vị... cắt cỏ Friendly Robotics 1.5 Giới thiệu chung robot omni Robot omni loại mobile robot di chuyển bánh xe ứng dụng nhiều thực tế quỹ đạo chuyển động đa dạng Robot omni thuộc hệ robot di động tự... 1.5 Robot omni đại học bách khoa Hồ Chí Minh thiết kế Robot omni tránh vật cản sử dụng cảm biến hồng ngoại sinh viên đại học bách khoa Hà Nội chế tạo Hình 1.6 Robot omni sử dụng hồng ngoại tránh