THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE ROBOT VẬN TẢI HÀNG NẶNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE ROBOT VẬN TẢI HÀNG NẶNG

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 15 THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE ROBOT VẬN TẢI HÀNG NẶNG DESIGN OF MOBILE ROBOTIC PLATFORM FOR HIGH LOAD TRANSPORTATION Cái Việt Anh Dũng, Lê Ngọc Huẩn, Nguyễn Việt Thắng, Nguyễn Đức Cảnh, Nguyễn Thành Sơn, Trịnh Trung Dũng, Lê Minh Khiêm, Phan Trần Thành Lợi, Thái Nhật An, Huỳnh Tấn Hưng, Nguyễn Hùng Tịnh Vũ, Nguyễn Huy Thiện Trường Đại học Quốc Tế Miền Đơng, Bình Dương, Việt Nam Ngày soạn nhận 30/12/2020, ngày phản biện đánh giá 09/02/2021, ngày chấp nhận đăng 11/03/2021 TÓM TẮT Bài báo mô tả phương pháp thiết kế điều khiển thiết bị xe robot chuyên dùng để vận tải hàng hóa có khối lượng lớn Cấu trúc sử dụng gồm bánh lái độc lập có gắn động nằm thân xe bánh tự lựa đầu thân, qua cho phép xe lái phương pháp vi sai vận tốc, với ưu điểm xoay vịng chuyển hướng xe chỗ mà không cần phải bẻ cua Hệ thống treo thiết kế bánh xe cho phép bánh xe tiếp xúc với mặt đất, qua giảm thiểu rung lắc di chuyển Thiết kế khí theo dạng đa tầng với cấu trúc đơn giản cho phép chịu tải trọng lớn Hệ thống lắp đặt chạy thử nghiệm thực tế Thuật toán định vị cài đặt robot cho phép thiết bị hoạt động tự hành Từ khóa: Xe robot chở tải nặng; Hệ thống treo cho xe robot; Phương pháp lái vi sai; Thiết kế đa tầng; Thuật toán điều khiển di chuyển bám theo người ABSTRACT This paper describes the design method of a mobile robotic platform for high-load transportation as well as its control The structure of the robot includes independent motorized driven wheels that are located right at the middle of the platform and other caster wheels that are located at the front and the back of the platform This architecture allows the robot to realize a rapid change of direction simply by turning around itself The suspension systems assembled at each wheel allow the wheels to keep contact with the ground permanently, thus minimizing vibrations of the platform during its motion The platform design takes the form of a multi-level architecture which is simple but effective for high-load support The system was tested in real scenario with success A localization algorithm was also implemented onto the robot allowing it to operate autonomously Keywords: Robotic platform for high-load transportation; Suspension system for mobile robot; Differential driving method; Multi-level structure design; Man tracking algorithm GIỚI THIỆU Việc sử dụng robot nhà máy, xí nghiệp sản xuất nước xem nhu cầu cấp thiết ngành sản xuất cơng nghiệp Việt Nam nhanh chóng đại hóa tự động hóa quy trình sản xuất nhằm tăng suất, nâng cao chất lượng để cạnh tranh quy mơ tồn cầu Việt Nam có Doi: https://doi.org/10.54644/jte.64.2021.56 lợi nguồn nhân lực giá rẻ Tuy nhiên, bối cảnh giới hướng đến cách mạng công nghiệp lần thứ 4, điều nhanh chóng thay đổi Kỹ thuật Robot, với IOT, công nghệ bước đưa vào sử dụng hàng loạt cách mạng Trong xu hướng này, nhu cầu sử dụng xe robot để vận chuyển sản phẩm hàng hóa nhà máy, xí nghiệp Việt Nam nhu cầu có thật, 16 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh thiết Nhiều doanh nghiệp tiếp tục đề cập đến khả ứng dụng công nghệ sở sản xuất họ Hiện cơng nghiệp, ngồi sản phẩm cánh tay máy cơng nghiệp truyền thống, sản phẩm xe robot (mobile robotic platform) ứng dụng chuyên chở hàng hóa (logistics) sản phẩm đặt hàng ngày nhiều Các loại xe robot phân loại thành nhóm có chức hoạt động khác sau: Nhóm thứ robot chạy theo đường dẫn (line following), tích hợp với loại cảm biến phát vật cản (ví dụ: hệ thống Kiva Robots hoạt động kho Amazon) [1] Công nghệ phát triển từ lâu [2] Hiện nhiều cơng ty hồn thiện công nghệ bán rộng rãi thị trường (Kiva System [3]) Ngay nước có nhiều nhóm nghiên cứu có đủ lực chế tạo tích hợp hệ thống vào nhà xưởng, nhà máy Tuy nhiên, công nghệ phù hợp với nhà xưởng, nhà máy có diện tích lớn địi hỏi phải lắp đặt hệ thống dây dẫn mặt đất (dây màu dây xạ từ) không gian làm việc phải xếp trước, với chướng ngại vật tốt Nhóm thứ hai sử dụng cột mốc định vị (beacons) cho phép định vị robot theo vùng phủ cột mốc [4] Hệ thống tích hợp với cảm biến gắn robot cho phép định vị robot cách tức thời (odometry) Trong thập niên 90s, cảm biến IMU thường sử dụng cho chức Bộ lọc Kalman sử dụng cho phép hiệu chỉnh sai số cộng dồn cảm biến, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định [5] Hiện nay, công nghệ định vị cột mốc phát tín hiệu wifi [6] nghiên cứu đưa vào sử dụng rộng rãi ứng dụng robot dân dụng (robot hút bụi, lau nhà) với độ xác cao Nhóm thứ ba sử dụng camera, camera hồng ngoại cảm biến quét laser, cho phép xây dựng đồ môi trường xung quanh (SLAM – Simultaneous Localization and Mapping) cho phép liên tục cập nhật vị trí robot so với đồ xác lập [7], [8] Hiện nay, với xuất công nghệ camera phát độ sâu (Kinect) [9] công nghệ quét laser (LIDAR, Light Imaging, Detection and Ranging) [10] với giá thành ngày thấp, nhóm robot thứ ba hứa hẹn xuất ngày nhiều ứng dụng công nghiệp dân dụng Trong báo này, nhóm tác giả mơ tả thiết kế phần cứng thuật toán điều khiển cấp thấp xe robot chở hàng Xe robot trang bị nhiều cảm biến hồng ngoại siêu âm cho phép phát vật cản cự ly gần Camera kinect sử dụng cho phép lập trình ứng dụng theo người Ngồi ra, thiết bị sử dụng ắc quy sạc thay được, cho phép hoạt động liên tục lên đến 4, tiếng đồng hồ Phần báo mô tả chi tiết thiết kế khí xe robot Thiết kế cấu trúc đa tầng, đơn giản, dễ chế tạo, đồng thời cho phép chịu tải trọng lớn Phần mơ tả hệ thống điều khiển Các thuật tốn theo người hệ thống định vị robot giới thiệu THIẾT KẾ CƠ KHÍ Xe robot chở hàng thiết kế theo dạng đa tầng xếp lớp với trục chống inox cho phép chịu tải trọng lớn Việc sử dụng trục inox làm tác nhân chịu tải trọng cho xe cho phép dễ dàng thay đổi thiết kế nhằm tăng giảm tải trọng tối đa, cách thay đổi kích thước trục inox Ngồi ra, thiết kế cho phép tháo lắp thiết bị dễ dàng, đồng thời linh hoạt bố trí linh kiện khác (pin, bo mạch điều khiển, máy tính, cảm biến, …) phía bên xe robot 2.1 Thiết kế thân xe Hình thể góc nhìn 3D xe robot (đã tách chi tiết) Thân xe bao gồm kim loại nhôm xếp lớp chồng lên thành tầng Giữa có trụ đỡ inox Kích thước trụ đỡ thiết kế theo tải tối đa mà xe robot chở Hai bánh lái kết nối với Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh thân xe thơng qua cặp phuộc nhún, tiếp xúc trục chịu lực inox Hình Thiết kế chi tiết khung xe robot (góc nhìn 3D tách chi tiết) 17 thứ hai có gắn lị xo nén giảm chấn Cơng dụng lò xo giữ cho bánh tự lựa tiếp xúc với mặt đất Hai động DC không chổi than với hộp số hành tinh gắn trực tiếp vào bánh xe lớn Chuyển động quay động đo cảm biến quang (encoder) 1000 xung thiết kế nằm bên động Tất chi tiết hợp thành khối bố trí lắp chặt vào đế Tấm đế bánh xe có kết nối với chi tiết đế thông qua trục quay inox (chi tiết trục quay đế bánh xe) chuyển động quay xung quanh trục Tấm đế đồng thời kết nối với đầu phuộc nhún thông qua trục quay inox (chi tiết trục phuộc nhún) Đầu lại phuộc nhún kết nối với chi tiết đế Đây phương án lắp phuộc nhúng gồm khớp quay quen thuộc loại xe gắn máy thông thường 2.2 Thiết kế vỏ xe Hình Thiết kế tầng thứ xe robot Hình thể thiết kế chi tiết tầng thứ Xe có bánh lái độc lập, có gắn động DC khơng chổi than bánh, bánh tự lựa đầu xe Cấu trúc cấu trúc lái vi sai, cho phép xe tự xoay chuyển hướng chỗ mà không cần phải bẻ cua Hai bánh tự lựa gắn chặt với đế di động Hai đế di động trượt lên xuống đế thứ đế thứ hai Giữa đế di động đế Hình Bản vẽ tách robot phần vỏ 18 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Bốn miếng vỏ xe nhựa thiết kế để che kín tồn thân xe robot, tháo lắp dễ dàng theo chiều từ ngồi vào dọc theo thân xe (xem hình 3) Trên miếng vỏ xe có thiết kế lỗ hở để đặt cảm biến siêu âm hồng ngoại, camera bảng điều khiển 3.2 Mơ hình động học xe robot HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 3.1 Sơ đồ mạch điện Sơ đồ hệ thống điện robot mô tả hình Cụ thể, robot dẫn động bánh gắn với động không chổi than (sau gọi BLDC), hoạt động nguồn điện chiều 24V cấp xung driver Mạch điều khiển sử dụng bo Arduino Mega 2560 Bo thứ có nhiệm vụ điều khiển tốc độ động BLDC sử dụng thuật toán PID, đồng thời nhận giá trị hệ thống cảm biến khoảng cách gắn xung quanh robot Hệ thống cảm biến bao gồm 12 cảm biến hồng ngoại cảm biến siêu âm, cho phép phát tất vật cản phạm vi 50 centimet Bo thứ hai có nhiệm vụ nhận giá trị từ cảm biến vị trí (sau gọi GPS) phân tích liệu, đồng thời giao tiếp với người dùng thơng qua phát sóng không dây bluetooth PS2 PS2 Bluetooth Bộ định vị S2 DC 12V Đèn báo Mạch điều khiển S1 Driver Đèn báo ● Oi (xi, yi) – Vị trí tâm robot hệ trục tọa độ R0(O0, x0, y0) đồ ● xr, yr – Các véc tơ đơn vị hệ trục tọa độ Rr(Oi, xr, yr) gắn với xe robot ● α – Góc quay véc tơ xr véc tơ x0 đồ ● ωL – Vận tốc quay bánh xe trái ● ωR – Vận tốc quay bánh xe phải ● l – Khoảng cách bánh xe robot Vận tốc thẳng xe robot đồ, đo vị trí tâm robot, tính cơng thức: vOi = vL + vR r = ( L + R ) 2 (1) Với r bán kính bánh xe vL vR vận tốc tịnh tiến bánh xe Vận tốc quay ω (theo phương z0) xe robot tính sau: = ( vR − vL ) 2r = ( R − L ) l l (2) Từ [1] [2], ta suy cơng thức tính vị trí tức thời Oi (xi, yi) góc quay tức thời α robot sau: Hệ cảm biến khoảng cách DC 24V Hình Mơ hình động học xe robot M Motor Driver M Motor Hình Sơ đồ tổng quát hệ thống điện cho robot  =  +      xi = xi +  vOi cos    yi = yi +  vOi sin  (3) 3.3 Thuật toán điều khiển xe robot Robot điều khiển theo chế độ tay tự động (xem hình 6) Ở chế độ Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 19 điều khiển tay, người dùng dùng máy tính để điều khiển giám sát vị trí robot hình Việc địi hỏi robot phải kết nối với máy tính thơng qua thu phát sóng bluetooth Trường hợp người dùng khơng muốn dùng máy tính, sử dụng tay cầm khơng dây PS2 để thực việc điều khiển từ xa Trong chế độ này, hệ thống cảm biến phát vật cản bật hay tắt tùy ý người dùng Ở chế độ điều khiển thứ 2, chế độ vận hành tự động, người dùng gửi mã lệnh yêu cầu robot đến vị trí đánh dấu sẵn trước Trong chế độ này, robot cần thu thập liệu từ hệ thống định vị GPS hãng Marvelmind để nhận biết vị trí Dựa vị trí vị trí cần đến, robot tính tốn xoay góc phù hợp, sau di chuyển theo đường thẳng tới vị trí đích mong muốn Hình Giao diện người dùng máy tính Đối với chế độ tự động, trước cho robot tự vận hành, người dùng cần mở phần mềm giao diện máy tính để định vị trí cần đến cho robot (xem hình 7) Khi người dùng nhấp vào điểm đồ lưu vị trí lại, điểm hiển thị màu vàng đồ lưu vào file để tự động mở lại lần hoạt động Sau có vị trí vị trí cần đến, robot thực chế độ chạy tự động Việc di chuyển từ điểm đến điểm kia, ví dụ, từ điểm A đến điểm B, thực theo bước: Bước 1, robot tính tốn quay góc cho hướng tới robot trùng với hướng véc tơ AB Bước 2, robot vào khoảng cách từ vị trí đến B để thực việc tăng giảm tốc độ Theo đó, khoảng cách từ vị trí đến B lớn, robot di chuyển nhanh Ngược lại, khoảng cách ngắn, robot di chuyển chậm lại Đồng thời, đường đi, robot điều chỉnh vận tốc bánh cho mũi robot hướng điểm B Hình Lưu đồ điều khiển tổng quát cho robot KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình thể hình ảnh xe robot lắp hoàn thiện Robot tiến hành chạy thử nghiệm không tải có tải nặng 70 Kg Việc thực nghiệm thực chế độ điều khiển tay chế độ chạy tự động 20 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ở chế độ điều khiển tay, robot thử nghiệm cho di chuyển thẳng với vận tốc bánh xe 25 vịng/phút 50 vịng/phút, khơng tải có tải Việc lấy mẫu liệu vận tốc tiến hành 50 miligiây Dữ liệu đáp ứng vận tốc bánh xe mô tả hình 9_1 hình 9_2, với đường xanh xanh dương vận tốc bánh xe, đường đỏ vận tốc thiết lập (setpoint) Với hệ số PID thiết lập cố định, bánh xe cho đáp ứng vận tốc giống ổn định quanh vận tốc thiết lập So sánh trường hợp khơng tải có tải nặng 70kg, đáp ứng bánh xe khơng có khác biệt đáng kể Nếu so sánh vận tốc thiết lập khác nhau, thấy với vận tốc 50 vòng/phút, đáp ứng động chậm hơn, nhiên thời gian xác lập khoảng giây trước đạt đến mức ổn định, so với khoảng khoảng giây vận tốc 25 vịng/phút Hình Sản phẩm xe robot lắp hoàn thiện đồ, nhóm tác giả đánh dấu điểm A, B C - Bước 2, điều khiển tay để robot di chuyển thẳng từ điểm đến điểm điểm Hình 10 hiển thị kết thực nghiệm mà hệ thống GPS trả đồ máy tính Ta thấy, khoảng cách từ A đến B mét thực tế (đường đỏ) Tuy nhiên, dựa giá trị mà hệ thống GPS trả (điểm màu xanh lá), khoảng cách AB đo dựa khoảng 7,9 mét Tương tự, khoảng cách BC thực tế 4,8 mét, giá trị mà GPS trả khoảng 5,5 mét Điều chứng minh sai số giá trị hệ thống GPS với giá trị thực tế phi tuyến Ngồi ra, giá trị vị trí mà GPS trả có sai số thay đổi tùy theo khu vực Đoạn từ A đến B, tín hiệu mà GPS trả có đoạn nhiễu mạnh Tuy nhiên, giá trị trả đoạn BC AC tương đối ổn định Độ xác hệ thống GPS đo chế độ điều khiển tay qua bước: Hình 9_1 Kết thực nghiệm vận tốc bánh xe Hình a: Vận tốc thiết lập 25 vịng/phút khơng tải Hình b: Vận tốc thiết lập 50 vịng/phút khơng tải - Bước 1, đánh dấu vị trí mặt sàn, lưu vị trí robot mà GPS trả Ở chế độ vận hành tự động, nhóm định điểm A, B, C, D đồ điểm Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh lấy cách di chuyển robot đến điểm lưu lại tọa độ điểm theo giá trị mà GPS trả Sau đó, robot A làm vị trí đầu tiên, di chuyển đến vị trí B Trong trình di chuyển đến B, robot cập nhật vị trí theo số vịng quay bánh xe Khi đến B, robot cập nhật lại vị trí theo tín hiệu GPS trả Sau lại tiếp tục đến C cập nhật vị trí đó, tương tự với hành trình cịn lại Kết thực nghiệm mơ tả hình 11 Đường màu đỏ đường thẳng nối điểm A, B, C, D Các điểm tròn màu xanh dương điểm cập nhật vị trí robot dựa quãng đường đi, đo số vòng quay bánh xe Các điểm màu xanh tọa độ mà GPS liên tục trả Có thể thấy robot di chuyển đường thẳng, đồ mà GPS trả không tuyến tính với đồ thực tế, tín hiệu GPS bị nhiễu nên giá trị trả khơng xác Do đó, nhóm sử dụng phương trình động học để tính tốn vị trí robot, sau cập nhật lại giá trị đến vị trí đích, điểm A, B, C, D 21 Hình 12 thể kết thực nghiệm cho robot chạy liên tục vòng Quỹ đạo vòng chạy gần tương đồng Tại điểm, robot cần xoay góc tương ứng để hướng điểm Giá trị góc quay robot, thế, thay đổi robot đến điểm A, B, C, D Hình 13 minh họa hướng robot thời gian chạy vòng Có thể thấy, di chuyển từ A đến B, hướng robot khoảng 90 độ, sau robot quay góc từ 90 độ sang 28 độ để hướng đến điểm C, thay đổi sang -83 độ để đến D trước chuyển thành -130 độ để trở A Hình 10 Kết thực nghiệm độ xác GPS Hình 9_2 Hình c: Vận tốc thiết lập 25 vịng/phút có tải Hình d: Vận tốc thiết lập 50 vịng/phút có tải Hình 11 Kết thực nghiệm việc di chuyển tự động robot qua điểm 22 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 12 Kết chạy thực nghiệm lần KẾT LUẬN Ở báo này, nhóm thực việc thiết kế chế tạo xe robot tự hành có khả vận chuyển tải trọng lớn Xe robot thiết kế theo cấu trúc đa tầng xếp lớp với trục chống cho phép vừa chịu tải trọng lớn, vừa dễ dàng hiệu chỉnh thiết kế nhằm tăng giảm khả tải robot Xe điều khiển theo vi sai vận tốc, gồm bánh có gắn động bánh tự hành Ở bánh có hệ thống treo, đảm bảo tiếp xúc bánh xe so với mặt đường Hình 13 Hướng robot trình di chuyển Robot điều khiển từ xa máy tính tay cầm điều khiển thơng qua kết nối Bluetooth Ở chế độ tự hành, nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống GPS indoor cho phép định vị robot cột mốc siêu âm Kết thực nghiệm cho thấy robot chạy tự hành theo điểm đồ với độ xác lặp lại cao Hiện hệ thống có khả vận hành ổn định với độ xác lặp lại cao, phù hợp để sử dụng ứng dụng công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] E Guizzo, Three Engineers, Hundreds of Robots, One Warehouse, IEEE Spectrum, Vol 45, Issue 7, pp 26-34, 2008 R A Brooks, A Robust Layered Control System for a Mobile Robot, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol RA-2, No 1, pp 14-23, 1986 P R Wurman and al., Kiva Transporting Inventory Items, Patent n° US20140100690A1 J J Leonard and H F Durrant-Whyte, Mobile Robot Localization by Tracking Geometric Beacons, IEEE Transaction of Robotics and Automation, Vol 1, No 3, pp 376-382, 1991 F Chevalier and J L Crowley, Position Estimation for a Mobile Robot Using Vision and Odometry, Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp 2588-2593, 1992 J Biswas and M M Veloso, Wifi Localization and Navigation for Autonomous Indoor Mobile Robots, Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp 4379-4384, 2010 T Bailey and H Durrant-Whyte, Simultaneous Localization and Mapping: Part II, IEEE Robotics and Automation Magazine, pp 108-117, 2006 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 23 H Durrant-Whyte and T Bailey, Simultaneous Localization and Mapping: Part I, IEEE Robotics and Automation Magazine, pp 99-108, 2006 [9] P Fankhauser, M Bloesch, D Rodriguez, R Kaestner, M Hutter and R Siegwart, Kinect V2 for Mobile Robot Navigation: Evaluation and Modeling, International Conference on Advanced Robotics, 2015 [10] U Weiss and P Biber, Plant Detection and Mapping for Agricultural Robots Using a 3D LIDAR Sensor, Robotics and Autonomous Systems, Vol 59-5, pp 265-273, 2011 [8] Tác giả chịu trách nhiệm viết: Cái Việt Anh Dũng Trường Đại Học Quốc Tế Miền Đông Email: dung.cai@eiu.edu.vn Nguyễn Việt Thắng Trường Đại Học Quốc Tế Miền Đông Email: thang.nguyen@eiu.edu.vn