(Đồ án hcmute) thiết kế chế tạo và điều khiển robot vận chuyển trong kho hàng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT VẬN CHUYỂN TRONG KHO HÀNG GVHD: TS BÙI HÀ ĐỨC SVTH: NGUYỄN QUANG HƯNG PHAN TẤN KHOA NGUYÊN ANH SƠN S K L 008195 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT VẬN CHUYỂN TRONG KHO HÀNG GVHD: TS Bùi Hà Đức SVTH: Nguyễn Quang Hưng Phan Tấn Khoa Nguyễn Anh Sơn TP HCM, tháng năm 2021 17124165 17146141 17146181 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ tốt nghiệp thuộc khoa chất lượng cao trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, nhóm thực đề tài “Thiết kế chế tạo điều khiển robot vận chuyển kho hàng” Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Bùi Hà Đức người trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ, bảo tận tình nhóm em suốt thời gian thực đề tài Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo anh chị khóa trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật, thầy cô Bộ môn Cơ Điện Tử hướng dẫn, đưa ý kiến môn đại cương môn chuyên ngành, giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ chúng em suốt trình học tập thực đề tài Bên cạnh đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, nhà trường bạn bè tạo điều kiện, hỗ trợ, động viên nhóm suốt trình học làm đề tài đồ án Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô môn Cơ Điện Tử, Thầy Bùi Hà Đức, Thầy Vũ Quang Huy sức khỏe, đạt nhiều thành cơng tốt đẹp sống Nhóm em xin trân trọng cảm ơn i TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong năm trở lại đây, Logistics ngành dịch vụ liên quan đến việc chuẩn bị, đóng gói, xếp vận chuyển hàng hóa trọng phát triển cách mạnh mẽ Đề tài nhóm xây dựng dựa đặc điểm chuẩn bị đơn hàng nhà kho, phân xưởng nhằm đáp ứng nhanh chóng đơn hàng theo nhu cầu người Từ rút ngắn thời gian, tăng suất lao động, giảm kinh phí, giúp q trình chuẩn bị hàng hóa trở nên linh hoạt Nội dung đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động, khí cho robot, thuật tốn tối ưu hóa đường để phù hợp với nhu cầu người SUMMARY OF GRADUATION PROJECT In recent years, Logistics is one of the service industries related to the preparation, packaging, arrangement and transportation of goods that is being focused on developing strongly The group's topic is built on the order preparation characteristics of warehouses and workshops to quickly respond to orders according to human needs Thereby shortening the time, increasing labor productivity, reducing costs, making the goods preparation process more flexible The content of the project is to research and design transmission systems, mechanics for robots, algorithms to optimize paths to suit human needs ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………… i TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP………………………………………………….ii DANH MỤC CÁC TỪ …………………………………………………vi DANH MỤC CÁC ………………………………………………… vii DANH MỤC CÁC BIỂU ………………………………….viii ĐỒ VIẾT BẢNG VÀ TẮT BIỂU HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI………………………………………… 1.1 Xác định vấn đề 1.2 Vai trò thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu, phạm vi đề tài 1.3.1 Mục tiêu………………………………………………………………………4 1.3.2 Phạm vi……………………………………………………………………….5 CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT……………………………………………… 2.1 Khái quát xe tự hành AGV 2.2 Phân loại AGV 2.2.1 Phân theo chức năng………………………………………………………….6 2.2.2 Phân loại theo dạng đường dẫn……………………………………………….8 2.3 Cơ sở thiết kế 2.4 Thuật toán lĩnh vực nghiên cứu 12 2.4.1 Thuật tốn tìm đường……………………………………………………… 12 2.4.2 Web server………………………………………………………………… 14 2.4.3 Các giao thức sử dụng web server………………………………………15 2.4.4 Khái niệm cấu trúc ngơn ngữ lập trình web ……………………… 15 2.4.5 Nhận dạng tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification (RFID)……….19 2.5 Khảo sát loại xe AGV di chuyển theo ray dẫn 21 2.6 Giải thuật điều khiển PID 22 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ………………… 26 3.1 Yêu cầu thiết kế 26 iii 3.2 Mơ hình khí 26 3.3 Lựa chọn thiết bị khí 27 3.3.1 Lựa chọn động cơ……………………………………………………………27 3.3.2 Lựa chọn truyền động……………………………………………………28 3.4 Thiết kế khung xe 32 3.4.1 Khung cố định……………………………………………………………….34 3.4.2 Khung di nâng hạ……………………………………………………………39 3.5 Ray dẫn 41 3.6 Cơ cấu nâng hạ giỏ hàng 43 3.7 Phân tích PID động Maxon 144650) 45 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN………………………… 50 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 50 4.2 Thiết kế mạch điều khiển 51 4.2.1 Khối nguồn……………………………………………………………… 52 4.2.2 Khối tín hiệu số………………………………………………………… 52 4.2.3 Khối giao tiếp…………………………………………………………… 54 4.2.4 Khối vi xử lý………………………………………………………………54 4.3 Lựu chọn thiết bị 55 4.3.1 Raspberry………………………………………………………………….55 4.3.2 Bộ điều khiển PID……………………………………………………… 55 4.3.3 Driver Stepper Motor……………………………………………………….56 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DI CHUYỂN………………………59 5.1 Điều khiển động DC Servo…………………………………………………60 5.2 Thuật toán A*………………………………………………………………….61 5.3 Phương pháp quy đổi mã RFID……………………………………………….67 CHƯƠNG 6: GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN…………………………………………68 6.1 Sơ đồ hệ thống đơn hàng 69 6.2 Quá trình giao tiếp điều khiển 71 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG…………………………………………….72 7.1 Mô phỏng: 72 7.1.1 Tiêu chí mơ phỏng: …………………………………………………………72 iv 7.1.2 Kết quả: …………………………………………………………………… 72 7.2 Đánh giá: 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN…………………………………………………………77 8.1 Kết luận: 77 8.2 Hướng phát triển: 77 8.3 Kế hoạch hồn thiện mơ hình: 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….79 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AGV: AUTOMATED GUIDED VEHICLE HHTP: HyperText Transfer Protoco HTML: Hypertext Markup Language CCS: Content Claim Standard PHP: Hypertext Preprocessor SQL: Structured Query Language RFID: Radio Frequency Identification UART: Universal Asynchronous Receiver / Transmitter PID: Proportional, Integral, and Derivative PWM: Pulse Width Modulation vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Ảnh hưởng việc thay đổi thông số PID .25 Bảng 2 Phương pháp Ziegler - Nichols 25 Bảng Thống số đầu vào 26 vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 1 Một số loại xe AGV phổ biến .2 Hình Mơ hình hồn thiện nhóm Hình Xe AGV loại xe kéo Hình 2 Xe AGV loại xe chở Hình Xe AGV loại xe nâng Hình Xe AGV loại kéo, chở 10 Hình Xe AGV loại nâng .11 Hình Mơ hình Solid robot nhóm 12 Hình RFID 20 Hình Tín hiệu Uart .21 Hình Xe AGV di chuyển theo ray dẫn cứng 22 Hình 10 Sơ đồ khối điều khiển PID 23 Hình Cấu tạo xe 26 Hình Động bước 27 Hình 3 Động DC servo .28 Hình Vít me – đai ốc trượt 29 Hình Vít me – đai ốc bi 29 Hình Bộ truyền động đai 30 Hình Thanh trượt vng dẫn hướng 31 Hình Thanh trượt tròn dẫn hướng 31 Hình Khung xe 32 Hình 10 Bánh xe 33 Hình 11 Nhơm định hình 20x20 .34 Hình 12 Khung cố định 34 Hình 13 Phân tích lực bánh xe .35 Hình 14 Động MAXON .37 Hình 15 Biểu đồ nội lực trục dẫn động 38 Hình 17 Khung nâng hạ 39 Hình 18 Cảm biến quang chữ U 40 Hình 19 Thông số trượt MGN12H 40 Hình 20 Thơng số trượt 41 Hình 21 Ray dẫn 42 Hình 22 Chi tiết bánh xe 42 Hình 23 Ròng rọc cố định .43 Hình 24 Cảm biến quang hình 44 viii - -  f(C) = g(C) + h(C) = + √5 = 6.236 Xét D – E:  g(E) = g(D) + s(D,E) = + =  f(E) = g(E) + h(E) = +1 = f(C) vừa tính trùng với f(A) CLOSE lớn nên loại giá trị vừa tính Sơ đồ xưởng đường có hướng nên ta loại giá trị điểm K,H Father(E) = D Kết sau loại giá trị OPEN = {E(5)} Lấy E để phát triển đường OPEN = {EMPTY}, CLOSE = {A(√17), B(4.162), C(4.23), D(4.141),E(5)} Xét E – F, ta thấy F điểm đích tốn, dừng q trình tìm dường xuất kết đoạn đường đi: A → B → C → D → E → F Trang 66 5.3 Phương pháp quy đổi mã RFID Giải thuật đọc vị trí đơn hàng hệ thống ray Hình Lưu đồ giải thuật RFID Trang 67 CHƯƠNG 6: GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN Với mục tiêu kiểm soát người dùng số lượng đơn hàng sở liệu “Grocery Robot” Nhóm thiết kế giao diện website, thuật lợi cho việc điều khiển, tất liệu lưu trữ hệ thống server Giao diện đơn giản dễ dàng điều, giám sát, xử lý lỗi phát sinh hệ thống Hình Giao diện đăng nhập Hình Giao diện web Trang 68 6.1 Sơ đồ hệ thống đơn hàng Hình Sơ đồ nhà xưởng thử nghiêm Sơ đồ nhà xưởng thử nghiệm gồm: khu vực xuất phát robot, vị trí đặt hàng nơi giao hàng Quá trình vận chuyển hàng robot là: nhận tín hiệu u cầu hàng (thơng tin vị trí hàng), di chuyển đến hàng, lấy hàng chuyển đến điểm tiếp nhận Thử nghiệm cho robot thực lệnh điều khiển từ máy tính Sau khoảng 0.2 giây gửi giá trị vị trí lần trình di chuyển Các bước thực hiện: - Tiến hành đặt robot vào vị trí bắt đầu, bật nguồn - Kết nối máy tính với xe, tìm kiếm sản phẩm - Robot nhận lệnh tự dộng đến hàng u cầu, hình web sử hiển thị đường vị trí Robot Trang 69 Hình Màn hình giao diện Web hiển thị đường vị trí Robot - Sau lấy hàng Robot di chuyển dến giao hàng Hình Màn hình giao diện Web hiển thị đường trở Robot Trang 70 6.2 Quá trình giao tiếp điều khiển Hình 6 Lưu đồ giải thuật trình giao tiếp, điều khiển Trang 71 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 7.1 Mơ phỏng: 7.1.1 Tiêu chí mơ phỏng: Thể trình chuẩn bị đơn xe Áp dụng thuật tốn để tìm đường ngắn điều khiển vận tốc xe Sử dụng phép mã hóa để chuyển đổi liệu RFID thành vị trí mặt hàng Truyền nhận liệu trang web hệ thống điều khiển thông qua Raspberry Thể vị trí xe trang web Tạo thân thiện với người dùng 7.1.2 Kết quả: Phần hiển thị website: Hình Chọn mặc hàng mong muốn Trang 72 Hình Hệ thống hiển thị vị trí xe địa điểm hàng định Hình Hệ thống hiển thị vị trí xe quay hàng để thả giỏ Trang 73 Mơ phần cứng: Hình Xe di chuyển đến hàng định Hình Gắp giỏ hàng Trang 74 Hình Xe di chuyển hàng mặc định Hình 7 Thả giỏ hàng vào ô hàng Trang 75 7.2 Đánh giá: Thông qua q trình mơ phỏng: - Nhóm đánh giá thực trình chuẩn bị đơn hàng xe kết hợp với thuật tốn tìm đường ngắn nhất, tránh vật cản - Thể vị trí hoạt động xe thông qua trang web, liệu truyền nhận trang web hệ thống Tuy nhiên mô nên xác vận tốc mong muốn, sử dụng RFID vấn đề khác khí hệ thống điều khiển, hệ thống điện Sự xác, an tồn q trình gắp đặt giỏ hàng Trang 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN 8.1 Kết luận: Đề tài chúng em hồn thành cơng việc sau: - Phân tích mơ hình động học, tìm mối quan hệ giữ cấu kéo giỏ, kẹp hàng - Thiết kế hoàn thiện mạch điện trung tâm điều khiển ngoại vi giao tiếp với driver, đảm bảo độ ổn định chống nhiễu cao công nghiệp - Xây dựng hệ thống điện, kết nối driver với chuẩn truyền thông - Nghiên cứu sử dụng thuật tốn tìm đường ngắn A*, mơ giao diện, áp dụng lên đề tài nhóm Những hạn chế đề tài: - Giải thuật điều khiển bị hạn chế số lượng giỏ hàng quy mơ xưởng - Giải thuật điều khiển cịn hạn chế chưa đạt tốc độ xử lý tối ưu - Mơ hình cịn hạn chế mặt khí: chưa đảm bảo đồng trục động cơ, có nhiều sai số lúc chỉnh chi tiết lắp ráp 8.2 Hướng phát triển: - Nâng cấp tốc độ chuyển động xe - Nâng cấp hệ thống ray dẫn luồng để tiết kiệm không gian, nâng cao hiệu xuất chuẩn bị đơn hàng, tiết kiệm thêm thời gian - Tối ưu tăng tốc độ xử lý giải thuật tìm đường - Thiết kế hệ thống chuẩn bị đơn hàng tự động - Phát triển server để quản lý toàn xe gửi lệnh tự gửi lệnh từ máy chủ để điều khiển nhiều xe với Tạo thành hệ thống kho chủ động trình chuẩn bị đơn hàng 8.3 Kế hoạch hồn thiện mơ hình: - Sau bảo vệ đồ án hồn tất, nhóm tiếp tục nghiên cứu cải thiện phần điện lập trình web Cũng nghiên cứu phần ray dẫn với vật liệu nhẹ hơn, tiết kiệm nhơm định hình 20x20mm Trang 77 - Sau hết giãn cách di chuyển được, nhóm tiến hành tiếp tục hồn thiện mơ hình Cụ thể hồn thiện ray dẫn, lắp đặt hồn tất phần khí cho xe, hồn tất phần điện phần khơng làm tình hình giãn cách Cuối tiến hành thực nghiệm sữa lỗi từ thực nghiệm Trang 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] PGS.TS Trịnh Chất , TS Lê Văn Uyển (2003), “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1” Nhà xuất giáo dục [2] Bộ điều khiển PID – Wikipedia tiếng Việt Tiếng Anh: [3].https://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed§i on=ControlPID [4].https://www.nbk1560.com/images/en/product/technical_data/katasa_kansan/ katasa_kansan_1.pdf [5] Inside A Warehouse Where Thousands Of Robots Pack Groceries YouTube [6] Nilsson, N J (1980) “Principles of Artificial Intelligence” Palo Alto, California: Tioga Publishing Company [7] Schulze, L., Behling, S., & Buhrs, S (2008, May) “Automated Guided Vehicle Systems: a driver for increased business performance” In Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists (Vol 2) [8] https://en.wikipedia.org/wiki/HTML Trang 79