Băng tải đa hướng ứng dụng vào phân loại và sắp xếp hàng hóa

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, thương mại điện tử và mạng xã hội đang thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của kinh doanh online, trở thành xu hướng phổ biến trên thị trường Sự gia tăng người tiêu dùng tham gia mua sắm trực tuyến dẫn đến sự gia tăng số lượng sản phẩm có sẵn.

Hình 1.1 Quy mô thị trường thương mại điện tử Việt Nam (theo Sách trắng Thương mại điện tử Việt Nam năm 2022)

Vận chuyển hàng hóa từ nhà bán lẻ đến tay người tiêu dùng là một yếu tố quan trọng trong ngành thương mại điện tử, đòi hỏi chất lượng và thời gian giao hàng để đảm bảo sự hài lòng của khách hàng Tuy nhiên, các loại băng tải truyền thống như băng tải định hướng hay băng tải xoắn ốc không đáp ứng đủ yêu cầu vận chuyển hiện nay Do đó, băng tải thông minh đang ngày càng được ưa chuộng, giúp khắc phục nhược điểm của băng tải thủ công như di chuyển theo một hướng cố định, khó vệ sinh và sửa chữa, cũng như nâng cao năng suất làm việc.

2 chuyển được theo một hướng nhất định Ưu điểm của băng tải đa hướng so với băng tải thông thường:

Quy trình linh hoạt cho phép hàng hóa di chuyển theo nhiều hướng khác nhau nhờ vào các bánh xe đa hướng có thể điều chỉnh, từ đó nâng cao năng suất làm việc và tiết kiệm thời gian.

Băng tải được thiết kế với nhiều khối module lục giác độc lập, giúp việc sửa chữa và thay mới trở nên dễ dàng Mỗi khối đều được trang bị bánh xe omni, cho phép tháo rời nhanh chóng để kiểm tra hoặc thay thế.

Mặc dù mô hình băng tải đa hướng chưa được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam, nhưng việc thiết kế và chế tạo chúng là rất cần thiết Giải pháp này không chỉ giúp vận chuyển hàng hóa nhanh chóng và tự động hóa hoàn toàn, mà còn nâng cao năng suất và giảm bớt sức lao động cho các nhà máy, xí nghiệp Do đó, chế tạo băng tải đa hướng là một giải pháp tối ưu, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững và ổn định của nền kinh tế, đồng thời giải quyết các vấn đề hiện tại.

Đề tài “Băng tải đa hướng ứng dụng vào phân loại và sắp xếp hàng hóa” đóng vai trò quan trọng và cấp thiết trong việc cải thiện quy trình logistics, tối ưu hóa hiệu suất làm việc và nâng cao chất lượng dịch vụ.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật hiện đại vào

Việc chuyển đổi phương pháp vận chuyển thủ công sang ứng dụng công nghệ hiện đại trong quy trình sản xuất tại các nhà máy, trang trại và khu công nghiệp đang ngày càng trở nên cần thiết Sự tích hợp này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn tối ưu hóa quy trình logistics, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

Hướng tới một nền công nghiệp hiện đại, bền vững và thân thiện với môi trường, mục tiêu là giảm bớt sức lao động của con người, đồng thời nâng cao năng suất và chất lượng hàng hóa Qua đó, chúng ta có thể tăng cường hiệu quả sản xuất một cách bền vững.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu và phát triển hệ thống vận chuyển hàng đa hướng nhằm giảm thiểu nguồn nhân lực, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu suất làm việc Công nghệ mới sẽ được áp dụng để khắc phục các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế và vận hành băng tải.

Phát triển băng tải có khả năng di chuyển theo nhiều hướng khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng trong công nghiệp

Giảm tỉ lệ hư hỏng hàng hóa

Quản lí hàng hóa dễ dàng, hiệu quả.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các yếu tố đặc trưng cơ bản và cách thức hoạt động của các hệ thống băng tải tự động

Nghiên cứu các thiết bị cơ bản trong hệ thống băng tải đa hướng bao gồm bánh xe Omni, động cơ DC giảm tốc và vi điều khiển STM32F103C8T6 Những thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và khả năng điều khiển của hệ thống băng tải.

Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của hệ thống

Nghiên cứu, thiết kế phần điện tối ưu cho hệ thống

Nghiên cứu, tính toán đường đi tối ưu của gói hàng khi đặt lên băng tải

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo băng tải đa hướng ứng dụng cho nhà máy, trang trại, khu công nghiệp

Nghiên cứu và tính toán động học cho hệ thống

Phân tích giao thức truyền thông UART và CAN_BUS để lập trình điều khiển các module trong cơ cấu.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận Đề tài kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình Trước tiên, nhóm đã nghiên cứu kĩ lưỡng các loại băng tải trên thị trường và cách thức vận hành của chúng Sau đó tiến hành nghiên cứu về thành phần cấu tạo và cách thức hoạt động của băng tải đa hướng từ các nguồn tài liệu về cơ khí, điện – điện tử, các bài báo nghiên cứu ở nước ngoài Tiếp theo, nhóm cùng với giáo viên hướng dẫn tiến hành phân tích, đánh giá các ưu, nhược điểm và chọn ra phương án thiết kế và thi công tối ưu nhất có thể Bên cạnh đó, nhóm cũng đã áp dụng các kiến thức chuyên ngành trong quá trình học, sử dụng các phần mềm máy tính để tính toán, thiết kế, mô phỏng và dự đoán kết quả

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

1.5.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Đọc và tham khảo các tài liệu liên quan đến đề tài

Tài liệu về thiết kế chế tạo máy cung cấp kiến thức quan trọng về các nguyên lý cơ học, giúp phân tích và tính toán hiệu quả trong quá trình thiết kế và điều khiển hệ thống Việc nghiên cứu các nguyên lý này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất của các hệ thống máy móc.

Nghiên cứu về các thành phần cấu tạo có trong hệ thống và cách thức hoạt động của từng loại

Nghiên cứu các cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động Tìm hiểu về thuật toán di chuyển của băng tải

Quan sát, tìm hiểu tình hình thực tế để đưa ra phương án thiết kế tối ưu cho hệ thống

Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống băng tải đa hướng và tiến hành áp dụng, kiểm nghiệm lại các kết quả tính toán trước đó

Mô phỏng thực nghiệm hệ thống trên phần mềm máy tính giúp dự đoán kết quả hiệu quả Thiết kế giao diện hệ thống đơn giản và trực quan cho phép người dùng dễ dàng điều khiển và lựa chọn đường đi tối ưu nhất cho gói hàng trên băng tải.

Giới hạn đề tài

Giới hạn là kích thước gói hàng tối thiểu 200x200x80mm và tối đa 400x400x80mm Khối lượng tối đa gói hàng 4kg

Phân loại hàng hóa theo mã QR gồm 3 hoặc 4 ngõ ra.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm có 6 chương:

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Vào năm 2009, một nghiên cứu đã giới thiệu băng tải di động Flexconveyor, được coi là một trong những băng tải di động sớm nhất Flexconveyor bao gồm các con lăn cho chuyển động dọc và bộ chuyển hướng cho chuyển động ngang, với các bộ chuyển hướng được giấu dưới con lăn và nâng lên khi cần thiết Các con lăn trong mỗi ô hoạt động đồng bộ nhờ vào cấu trúc cơ khí tương tự cũng được áp dụng cho bộ chuyển hướng, tuy nhiên, Flexconveyor không thể điều khiển hướng thùng carton, nên được phân loại là băng tải di động một chiều Mỗi ô được trang bị điện trở quang và đầu đọc RFID để phát hiện thùng carton, cùng với bốn giao diện truyền thông để kết nối với các ô lân cận Hệ thống băng tải có thể dễ dàng thay đổi bố trí nhờ vào bánh xe di chuyển gắn vào từng ô Phương pháp điều khiển phi tập trung cho phép mỗi ô hoạt động độc lập dựa trên chỉ thị từ các ô xung quanh, đánh dấu Flexconveyor là một bước đột phá so với các hệ thống băng tải truyền thống, mặc dù không kiểm soát được hướng di chuyển.

Băng tải di động Flexconveyor với các module băng tải quy mô nhỏ (wheel sorter) là giải pháp tự động hóa hiệu quả cho quá trình di dời hàng hóa Các module này được thiết kế từ con lăn xoay điều khiển servo, con lăn xoay điều khiển bằng dây đai, piston hướng trục hoặc bàn xoay, mang lại tính linh hoạt cao Mỗi hàng con lăn trong module được kết nối cơ học với hai bộ bánh xe xoay độc lập, giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển Wheel sorter có khả năng mở rộng và tùy chỉnh từng module, nhờ vào cấu trúc lắp ghép từ các khối module nhỏ Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống này là mỗi module chỉ được trang bị một bộ truyền động điều khiển.

Khác với module băng tải quy mô nhỏ sử dụng khái niệm xoay, bánh xe Omni là một lựa chọn lý tưởng cho băng tải đa hướng nhờ khả năng di chuyển linh hoạt Năm 2016, Wang và cộng sự đã phát triển một nền tảng băng tải có khả năng di chuyển nhiều hướng bằng cách kết hợp kích thước nhỏ và lớn của bánh xe omni Nền tảng này không phải là loại module, mà mỗi hàng bánh xe omni được kết nối cơ khí Sự kết hợp giữa bánh xe đa hướng và bánh răng dẫn động đã được đề xuất để tạo ra băng tải máy chạy bộ, mang lại nền tảng băng tải đa hướng (BSO) Hình (c) cung cấp cái nhìn tổng quan về băng tải này, cho thấy ưu điểm vượt trội của BSO.

Wheel sorter có khả năng di chuyển gói hàng theo nhiều hướng trong quá trình vận hành, tuy nhiên, nhược điểm của nó là khó khăn trong việc bảo trì và chi phí lắp đặt khá cao.

Năm 2019, Uriarte và cộng sự đã giới thiệu Celluveyor, một băng tải đa hướng với các module hình lục giác, mỗi module được trang bị ba bánh xe omni wheels đồng kích thước Các module này có thể được điều khiển riêng lẻ, cho phép vận chuyển vật thể theo mọi hướng một cách linh hoạt Việc bảo trì và sửa chữa băng tải cũng trở nên dễ dàng nhờ cấu hình module, giúp thay thế nhanh chóng khi gặp sự cố hoặc hư hỏng Hình 2.1 cung cấp cái nhìn tổng quan và so sánh về hình dáng bên ngoài của các loại băng tải này.

Hình 2.1 Hình dáng của: (a) Flexconveyor, (b) Wheel sorter, (c) comprises big and small omniwheels (BSO), (d) Celluveyor

Băng tải Flexconveyor và băng tải có bánh xe omni wheels (BSO) mặc dù không có khả năng điều khiển theo lệch hướng, nhưng lại đạt hiệu quả cao trong điều kiện làm việc hạn chế về hướng di chuyển nhờ vào bánh xe chuyển hướng và bánh xe đa năng lớn hơn, giúp vận chuyển thùng carton xa hơn Hệ thống Wheel sorter và Celluveyor có độ phân giải cao hơn nhờ vào việc bố trí bánh xe gần nhau, dễ dàng xử lý thùng giấy Hệ thống Wheel sorter tuy nhỏ gọn với bánh xe nhỏ nhưng có hệ thống điều khiển phức tạp Tóm lại, hệ thống Celluveyor là tối ưu nhất với độ phân giải tốt, khả năng di chuyển hàng hóa đa hướng và dễ dàng trong việc vận hành và bảo dưỡng.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về xử lý ảnh và thư viện Aforge

Nghiên cứu về các thành phần cấu tạo có trong hệ thống và cách thức hoạt động của từng loại

Nghiên cứu các cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động Tìm hiểu về thuật toán di chuyển của băng tải

Quan sát, tìm hiểu tình hình thực tế để đưa ra phương án thiết kế tối ưu cho hệ thống

Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống băng tải đa hướng và tiến hành áp dụng, kiểm nghiệm lại các kết quả tính toán trước đó

Mô phỏng thực nghiệm hệ thống trên phần mềm máy tính giúp dự đoán kết quả một cách chính xác Giao diện hệ thống được thiết kế thân thiện, cho phép người dùng dễ dàng điều khiển và lựa chọn đường đi tối ưu nhất cho việc vận chuyển gói hàng trên băng tải.

Giới hạn là kích thước gói hàng tối thiểu 200x200x80mm và tối đa 400x400x80mm Khối lượng tối đa gói hàng 4kg

Phân loại hàng hóa theo mã QR gồm 3 hoặc 4 ngõ ra

1.7 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm có 6 chương:

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Vào năm 2009, một nghiên cứu đã giới thiệu Flexconveyor, một băng tải di động linh hoạt được coi là một trong những băng tải di động sớm nhất Flexconveyor bao gồm các con lăn cho chuyển động theo chiều dọc và bộ chuyển hướng cho chuyển động ngang, với các bộ chuyển hướng được giấu dưới con lăn và được nâng lên khi cần thiết Các con lăn trong mỗi ô hoạt động đồng bộ nhờ vào cấu trúc cơ khí liên kết, tuy nhiên, Flexconveyor không thể điều khiển hướng di chuyển của thùng carton, do đó được phân loại là băng tải di động một chiều Mỗi ô được trang bị điện trở quang và đầu đọc RFID để phát hiện thùng carton, cùng với bốn giao diện truyền thông để kết nối với các ô lân cận Hệ thống băng tải có thể dễ dàng thay đổi bố trí nhờ vào bánh xe di chuyển gắn trên từng ô Flexconveyor áp dụng phương pháp điều khiển phi tập trung, cho phép mỗi ô hoạt động độc lập dựa trên chỉ thị từ các ô xung quanh, đánh dấu một bước đột phá so với các hệ thống băng tải truyền thống.

Băng tải di động Flexconveyor với các module băng tải quy mô nhỏ (wheel sorter) là giải pháp tự động hóa hiệu quả cho quá trình di dời hàng hóa Các module này bao gồm con lăn xoay điều khiển servo, con lăn xoay điều khiển bằng dây đai, piston hướng trục và bàn xoay, cho phép linh hoạt trong ứng dụng Mỗi hàng con lăn được kết nối cơ học bằng hai bộ bánh xe xoay độc lập, mang lại sự linh hoạt cho hệ thống Wheel sorter có thể mở rộng và thay thế tùy chỉnh từng module, nhờ vào cấu trúc lắp ghép từ các khối module nhỏ Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống là mỗi module chỉ được trang bị một bộ truyền động điều khiển.

Khác với module băng tải quy mô nhỏ, bánh xe omni là một lựa chọn lý tưởng cho băng tải đa hướng nhờ vào khả năng di chuyển linh hoạt và xoay tròn Năm 2016, Wang và cộng sự đã phát triển một nền tảng băng tải đa hướng bằng cách kết hợp kích thước nhỏ và lớn của bánh xe omni, trong đó các hàng bánh xe được kết nối cơ khí Sự kết hợp giữa bánh xe đa hướng và bánh răng dẫn động đã tạo ra băng tải máy chạy bộ, được đề xuất như một nền tảng băng tải đa hướng (BSO) Hình (c) minh họa tổng quan về băng tải này, nổi bật với những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống khác.

Wheel sorter có khả năng di chuyển gói hàng theo nhiều hướng trong quá trình vận hành, tuy nhiên, nó gặp khó khăn trong việc bảo trì và có chi phí lắp đặt cao.

Năm 2019, Uriarte và cộng sự đã giới thiệu Celluveyor, một băng tải đa hướng với các module hình lục giác được cấu tạo từ ba bánh xe omni wheels có kích thước tương đương Mỗi module có thể được điều khiển độc lập, cho phép vận chuyển vật thể theo mọi hướng một cách linh hoạt Việc bảo trì và sửa chữa cũng trở nên dễ dàng nhờ vào cấu hình module, giúp dễ dàng thay thế khi gặp sự cố hoặc hư hỏng Hình 2.1 cung cấp cái nhìn tổng quan và so sánh hình dáng bên ngoài của các loại băng tải này.

Hình 2.1 Hình dáng của: (a) Flexconveyor, (b) Wheel sorter, (c) comprises big and small omniwheels (BSO), (d) Celluveyor

Băng tải Flexconveyor và băng tải có bánh xe omni wheels (BSO) mặc dù không thể điều khiển theo lệch hướng, nhưng lại đạt hiệu suất cao trong điều kiện làm việc hạn chế nhờ vào bánh xe chuyển hướng và bánh xe đa năng lớn hơn, giúp vận chuyển thùng carton xa hơn Trong khi đó, hệ thống Wheel sorter và Celluveyor có độ phân giải cao hơn nhờ vào việc bố trí bánh xe gần nhau, dễ dàng xử lý thùng giấy Hệ thống Wheel sorter, với bánh xe nhỏ và thiết kế gọn nhẹ, có hệ thống điều khiển phức tạp Tổng quan, hệ thống Celluveyor là tối ưu nhất với độ phân giải tốt, khả năng di chuyển hàng hóa đa hướng, và dễ dàng trong việc vận hành và bảo trì.

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Băng tải đa hướng đang được ứng dụng tại Việt Nam, chủ yếu dưới dạng băng tải thủ công như băng chuyền, băng tải máng, băng tải ống và băng tải con lăn Những lợi ích của băng tải này bao gồm việc vận chuyển hàng hóa nhanh chóng trong khu vực, giảm sức lao động và chi phí nhân công Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải một số nhược điểm như hạn chế trong việc di chuyển hàng hóa theo nhiều hướng khác nhau, khó khăn trong việc tháo rời để vệ sinh hoặc sửa chữa, và có nguy cơ làm hư hỏng hàng hóa trong quá trình vận hành.

Băng tải con lăn là một trong những thiết bị phổ biến trong dây chuyền phân loại và vận chuyển hàng hóa, nhờ vào khả năng chịu tải tốt và độ bền cao Thiết kế của nó bao gồm nhiều con lăn nối tiếp, giúp tiết kiệm thời gian và sức lao động trong quá trình vận chuyển Tuy nhiên, băng tải con lăn chỉ có thể vận chuyển hàng hóa theo một hướng duy nhất, đồng thời yêu cầu không gian lắp đặt lớn và chi phí đầu tư cao.

Hình 2.2 Băng tải con lăn

Hệ thống phân loại Push tray sorter là một mô hình cải tiến từ băng tải con lăn, được trang bị công nghệ IoT để tối ưu hóa việc vận hành, giám sát và quản lý dữ liệu hàng hóa Băng tải này sử dụng xi lanh để phân loại sản phẩm, đẩy hàng vào từng khay chứa một cách nhẹ nhàng và chính xác, giúp giảm thiểu tỷ lệ hư hỏng và móp méo của hàng hóa.

Hình 2.3 Hệ thống phân loại Push tray sorter

Một số loại băng tải phân loại khác trên thị trường Việt Nam

Hình 2.4 Các loại băng tải: (a) Vertical crossbelt , (b) Belt sorter, (c) wave sorter, (d) Arm sorter (tham khảo CÔNG TY TNHH SẢN XUẤT THƯƠNG MẠI VÀ PHÁT TRIỂN

Bảng 2-1 Ưu và nhược điểm các loại băng tải trong nước

Loại băng tải Ưu điểm Nhược điểm

• Tốc độ vận chuyển cao

• Dễ dàng tích hợp vào hệ thống

• Đòi hỏi định vị chính xác để vận chuyển chính xác và tránh gây hư hỏng hàng hóa

• Giới hạn về hướng di chuyển

• Thiết kế đơn giản và dễ sử dụng

• Không phân loại được hàng hóa có kích thước phức tạp

• Giới hạn về hướng di chuyển

• Di chuyển được nhiều hướng

• Khi vận hành chỉ có một cơ cấu truyền động dẫn đến khả năng xử lý nhiều hàng hóa cùng lúc bị hạn chế

• Giới hạn về kích thước và trọng lượng hàng hóa

• Phân loại nhanh, chi phí đầu tư thấp

• Không có khả năng sắp xếp và di chuyển được nhiều hướng

• Dễ gây hư hỏng hàng hóa trong quá trình vận hành

Các loại băng tải được đề cập đều có khả năng phân loại hàng hóa hiệu quả, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế về tính linh hoạt trong vận hành, điều này có thể hạn chế ứng dụng của chúng trong một số tình huống cụ thể Hơn nữa, việc lắp đặt và bảo trì các băng tải này có thể gặp khó khăn, đặc biệt là với những loại băng tải cố định, không dễ tháo lắp Do đó, cần có sự chuẩn bị kỹ lưỡng và đầu tư công sức trong quá trình triển khai và duy trì hệ thống băng tải.

Mặc dù băng tải đã mang lại nhiều lợi ích trong việc phân loại hàng hóa, nhưng để tối ưu hóa quy trình này, cần nghiên cứu và phát triển công nghệ mới với tính linh hoạt cao hơn Việc cải thiện quy trình lắp đặt và bảo trì cũng sẽ nâng cao hiệu quả và tính linh hoạt của hệ thống băng tải, từ đó hỗ trợ sản xuất và kho hàng hiệu quả hơn trong tương lai.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Động học

Băng tải đa hướng Celluveyor là một hệ thống băng tải module được cấu thành từ các khối lục giác đồng nhất, sắp xếp theo hình dạng nhất định Mỗi ô băng tải bao gồm một tấm đế lục giác, ba bánh xe đa hướng và một bộ điều khiển, với mỗi bánh xe được dẫn động bởi một động cơ điện Nhờ vào việc điều khiển tốc độ riêng biệt của các bánh xe và sự tương tác giữa các ô liền kề, Celluveyor cho phép các đối tượng quay và di chuyển theo mọi hướng Hệ thống này hỗ trợ di chuyển nhiều đối tượng cùng lúc, theo các lộ trình tự do và độc lập.

Mỗi khối lục giác có thể được coi như một robot đa hướng với ba bánh xe omni, cho phép di chuyển và tự định hướng Với thiết kế bánh xe đa hướng, robot có khả năng di chuyển linh hoạt đến mọi vị trí trên mặt phẳng Sự kết hợp giữa chuyển động xoay và chuyển động tịnh tiến giúp quá trình vận hành trở nên dễ dàng hơn.

Gắn hệ trục tọa độ vào robot cho phép xác định vị trí của robot so với vị trí ban đầu và tính toán động học vận tốc của nó Tính toán này dựa trên hai chuyển động chính của robot: chuyển động tịnh tiến theo trục và chuyển động quay.

Chuyển động tịnh tiến là chuyển động dọc theo các trục vuông góc với nhau trong không gian, ta có ma trận chuyển vị tịnh tiến

T dx dy dz dy dz

Với dx, dy, dz là khoảng dịch chuyển theo 3 phương so với vị trí ban đầu

Chuyển động quay là chuyển động quay quanh các trục x, y , z tương ứng với các ma trận chuyển vị xoay R x , R y , R z ta có:

Với các góc quay quanh các trục là góc α (trục z), góc β (trục y), góc γ (trục x)

Phép quay ROLL-PITCH-YAW hay còn gọi là phép quay RBY được biểu diễn như sau:

Với: C là cos, S là sin

Tổng quan về PID

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, giúp điều chỉnh và duy trì các thông số đo Nó hoạt động dựa trên việc tính toán sai số, tức là sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị mục tiêu mong muốn.

Hình 3.4 Bộ điều khiển hồi tiếp-PID

Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần cơ bản: thành phần tỷ lệ (P) phản ứng theo sai số hiện tại, thành phần tích phân (I) tích lũy sai số theo thời gian, và thành phần vi phân (D) dự đoán sự thay đổi của sai số Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển hiệu quả hơn.

Khâu P phản hồi tỷ lệ với sai số hiện tại, tạo ra tín hiệu điều chỉnh dựa trên độ lệch giữa giá trị đo được và giá trị đặt mục tiêu Khâu tỷ lệ này giúp tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống và giảm độ lệch Tuy nhiên, việc chỉ sử dụng khâu tỷ lệ có thể dẫn đến dao động và không đủ để đạt được độ ổn định và chính xác cao.

Khâu I : tích lũy sai số theo thời gian và tạo ra tín hiệu điều chỉnh để giảm tổng độ lệch theo thời gian Khâu tích phân giúp giảm sai số ổn định và đạt đến giá trị mục tiêu chính xác hơn Nó hỗ trợ trong việc khắc phục sai số xác lập và hạn chế độ dao động Tuy nhiên, việc áp dụng quá nhiều khâu tích phân có thể gây ra độ ổn định kém và tăng thời gian khởi động

Khâu D là một yếu tố quan trọng trong việc dự đoán tốc độ thay đổi của sai số và điều chỉnh tín hiệu tương ứng Thành phần vi phân trong khâu D giúp giảm thiểu độ dao động, đồng thời cải thiện thời gian đáp ứng của hệ thống.

Công nghệ này có khả năng dự đoán xu hướng thay đổi và giảm thời gian phản hồi một cách đáng kể Tuy nhiên, nếu áp dụng quá mức, quá trình vi phân có thể dẫn đến việc gia tăng nhiễu và gây ra sự không ổn định.

Hàm truyền hệ thống điều khiển PID:

- 𝐾 𝑝 Là hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh PID

- 𝐾 𝐼 Là tốc độ tích phân hay hệ số tích phân

- 𝐾 𝐷 Là hệ số vi phân hay hằng số thời gian vi phân

Khi triển khai bộ điều khiển PID trong thực tế, đầu vào biến (lỗi) được lấy mẫu từ đầu ra của nhà máy theo tỷ lệ mẫu nhất định Thuật toán PID cũng được tính toán với tỷ lệ tương tự để đảm bảo hiệu quả điều khiển.

Tốc độ lấy mẫu được gọi là thời gian lấy mẫu, 𝑇 (𝑠)

Việc điều chỉnh giá trị các thông số Kp, Ki và Kd trong bộ điều khiển PID có tác động đáng kể đến thời gian khởi động, độ vọt, thời gian quá độ và sai số xác lập, như thể hiện trong bảng 3.1.

Bảng 3-1 Tác động của việc tăng một thông số độc lập trong bộ điều khiển PID

Thông số Thời gian khởi động Vọt lố Thời gian quá độ Sai số xác lập

Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm

Ki Giảm Tăng Tăng Giảm

Kd Giảm ít Giảm Giảm Thay đổi ít

Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật PID

Bằng cách điều chỉnh thủ công, chúng ta khởi tạo các thông số Kp, Ki, Kd của PID cùng với giá trị tốc độ mong muốn (setpoint) Vi xử lý sẽ nhận dữ liệu từ máy tính và Encoder để tính toán sai số hệ thống Nếu sai số đạt yêu cầu, các thông số PID sẽ được chấp nhận; nếu không, chúng ta sẽ tiếp tục điều chỉnh các giá trị Kp, Ki.

Kd của PID đến khi hệ thống ổn định

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín điều khiển PID

- PC: Chịu trách nhiệm gửi thông số điều khiển cho động cơ, nhằm điều khiển hệ thống

STM32 được sử dụng để triển khai giải thuật PID, cho phép tính toán và xuất giá trị điều khiển đến L298 Bên cạnh đó, nó cũng thu thập thông tin về tốc độ và vị trí hiện tại từ Encoder, sau đó gửi dữ liệu này về máy tính.

- L298: Có chức năng nhận tín hiệu xung PWM từ STM32, và điều chỉnh mức điện áp vào động cơ

GA25-170rpm, Encoder hoạt động theo tốc độ mong muốn dựa trên điện áp cung cấp từ L298 Encoder đóng vai trò quan trọng trong việc đếm số xung, từ đó xác định vận tốc và vị trí hiện tại.

Các chuẩn giao tiếp

Việc lựa chọn chuẩn giao tiếp phù hợp với yêu cầu của phần cứng là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy và hiệu suất hệ thống Mỗi chuẩn giao tiếp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó, việc chọn đúng chuẩn cho ứng dụng cụ thể là quyết định mang tính chất then chốt Nhóm đã nghiên cứu và lựa chọn hai chuẩn giao tiếp là UART và CAN nhằm tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu và khả năng giao tiếp với nhiều thiết bị ngoại vi.

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) is a straightforward and user-friendly communication standard that enables configurable data transmission and reception between two devices at adjustable speeds.

Giao tiếp UART sử dụng hai dây truyền dữ liệu: dây truyền (TX) để gửi dữ liệu từ thiết bị gốc và dây nhận (RX) để nhận dữ liệu tại thiết bị đích Thêm vào đó, có một dây điều khiển bổ sung, gọi là dây đồng bộ (SYNC) hoặc dây Clock (CLK), dùng để truyền dữ liệu đồng bộ giữa các thiết bị.

Khung truyền dữ liệu giao tiếp UART:

Hình 3.7 Khung truyền dữ liệu giao tiếp UART

- Start bit: đây là bit bắt đầu của khung truyền Thông thường, bit start có giá trị logic thấp 0 và được truyền trước khi truyền dữ liệu

Các bit dữ liệu trong giao tiếp UART thường nằm trong khoảng từ 5 đến 9 bit, tùy thuộc vào cấu hình cụ thể Những bit này được truyền theo thứ tự từ bit LSB (Bit ít quan trọng nhất) đến bit MSB (Bit quan trọng nhất).

Bit parity là một phương pháp kiểm tra lỗi giúp đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Có ba loại kiểm tra lỗi: không kiểm tra (none), kiểm tra lỗi chẵn (even parity) và kiểm tra lỗi lẻ (odd parity).

Bit dừng là bit kết thúc của khung truyền, thường có giá trị logic cao 1 Bit này được truyền sau các bit dữ liệu hoặc bit kiểm tra lỗi nếu có.

UART là một chuẩn giao tiếp đơn giản và phổ biến, được hỗ trợ bởi hầu hết các vi điều khiển và thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

- Linh hoạt về tốc độ truyền: Giao tiếp UART cho phép tốc độ truyền dữ liệu được cấu hình linh hoạt từ và trăm bit/s đến vài Mbit/s

- Không hỗ trợ giao tiếp giữa nhiều thiết bị với nhau

- Kích thước khung dữ liệu bị giới hạn là 9 bit, khá nhỏ với nhu cầu sử dụng

Dựa vào những ưu nhược điểm đã phân tích, giao thức UART được chọn làm phương thức giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển trung tâm, nhằm truyền tải dữ liệu cần thiết cho quá trình điều khiển hiệu quả.

Hình 3.8 Kết nối giao tiếp UART trong hệ thống

Giao tiếp CAN (Controller Area Network) là một giao thức truyền thông phổ biến trong ô tô, thiết bị công nghiệp và hệ thống nhúng, được thiết kế để hỗ trợ truyền thông đồng thời giữa nhiều thiết bị trong một mạng.

Cấu trúc của mạng CAN:

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối các module giao tiếp CAN

Thiết bị truyền thông trong mạng CAN, bao gồm vi điều khiển, cảm biến, bộ điều khiển và các thành phần khác, đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp Mỗi thiết bị trong mạng này được gán một địa chỉ duy nhất, giúp xác định và tương tác hiệu quả với các thiết bị khác.

Bus CAN là hệ thống truyền dữ liệu chung cho tất cả thiết bị trong mạng, sử dụng một cặp dây truyền (CAN_HIGH và CAN_LOW) để truyền tải dữ liệu và tín hiệu điều khiển.

Bộ điều khiển CAN là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền thông, chịu trách nhiệm điều khiển quá trình truyền và nhận dữ liệu trên bus CAN Nó thực hiện các nhiệm vụ như quản lý kiểm soát truyền, đóng gói và giải gói dữ liệu, đồng thời xử lý các tình huống lỗi phát sinh trong quá trình truyền thông.

Bộ thu phát CAN (CAN transceiver) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền và nhận dữ liệu trên bus CAN Thiết bị này chuyển đổi tín hiệu dữ liệu thành luồng thông tin mà bộ điều khiển CAN có thể hiểu và xử lý.

Khung tin là đơn vị dữ liệu cơ bản trong mạng CAN, bao gồm các trường như địa chỉ, dữ liệu, bit điều khiển và kiểm tra lỗi Khung tin này được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị trong mạng.

Hình 3.10 Khung truyền dữ liệu trong giao tiếp CAN

- Start of Frame (SOF): là trường dùng để đánh dấu sự bắt đầu của khung tin Trường SOF có giá trị logic LOW (dominant) và có độ dài 1 bit

- Arbitration Field (ARBITRATION): trường này chứa địa chỉ (ID) của khung tin và các bit điều khiển khác

The Control Field (CONTROL) contains essential control bits, including data length, remote transmission request status, and reserved control bits.

- Data Field (DATA): trường này chứa dữ liệu cần truyền đi Độ dài trường dữ liệu có thể là từ 0 đến 8 byte

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

Yêu cầu đề tài

Dựa theo yêu cầu trong các nhà máy, băng tải đa hướng cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Kích thước: chiều dài 800 - 1200mm, chiều rộng 500 - 1000mm

Băng tải cần linh hoạt và chính xác trong việc di chuyển theo quỹ đạo đã được thiết kế Ngoài ra, nó có thể được điều khiển bằng tay, cho phép người sử dụng tùy chỉnh vị trí và tốc độ hàng hóa theo nhu cầu.

- Thiết kế các module đa hướng để di chuyển được nhiều hướng khác nhau

- Vận tốc di chuyển: tương đối để gói hàng không bị văng ra khỏi băng tải

- Vật liệu chuyển tải: là gói hàng, các hộp, thùng carton, vv Điều kiện vận hành:

- Thời gian phục vụ thiết bị: trong thời gian làm việc của nhà máy, 2 ca/ngày, 4 giờ/ca Chức năng và yêu cầu kĩ thuật:

- Chức năng: vận chuyển tự động các gói hàng theo đúng khu vực đã thiết lập

Băng tải cần được thiết kế để vận chuyển các hộp có kích thước khác nhau, đảm bảo độ chính xác trong quá trình vận hành và đánh giá chất lượng hiệu quả.

Hệ thống giám sát liên tục truyền tín hiệu để phân loại và sắp xếp các gói hàng vào vị trí đã được thiết lập Điều này giúp tăng cường độ chính xác trong việc kiểm soát, đảm bảo rằng các gói hàng được đặt đúng khu vực quy định và không bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển.

Phương hướng và giải pháp thực hiện

4.2.1 Giải pháp và phương án 1

Hình 4.1 Phương án thiết kế 1

Băng tải với thiết kế module hình chữ nhật và 4 bánh xe là giải pháp hiệu quả cho việc di chuyển vật liệu trong sản xuất và vận chuyển hàng hóa Với ưu điểm dễ lắp ráp và tháo rời, băng tải có thể điều chỉnh kích thước để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Việc vận hành rất đơn giản, chỉ cần điều khiển các module di chuyển theo hướng mong muốn.

Băng tải này có hạn chế chỉ di chuyển được theo 2 phương là phương ngang và phương thẳng đứng, điều này gây khó khăn trong việc sử dụng băng tải trong các quy trình sản xuất cần di chuyển theo nhiều hướng khác nhau.

Mô hình thiết kế được cải tiến từ phương án 1 với việc thay thế bánh xe thông thường bằng bánh xe đa hướng, cho phép cơ cấu di chuyển linh hoạt hơn trong nhiều hướng khác nhau, khắc phục vấn đề hạn chế di chuyển chỉ trong 2 phương Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là chi phí sản xuất cao và chưa tối ưu hóa khoảng cách lắp ráp giữa các module, dẫn đến việc còn nhiều khoảng trống trên mỗi module, làm tăng đáng kể giá thành sản xuất.

Mô hình khối lục giác với 3 bánh xe đa hướng cách nhau 120° là giải pháp tối ưu cho khả năng di chuyển đa hướng và ổn định của băng tải Thiết kế này tối ưu hóa khoảng cách giữa các mô hình, giúp giảm chi phí sản xuất mà vẫn đảm bảo băng tải hoạt động hiệu quả, không gặp phải rào cản hoặc khoảng trống quá lớn giữa các module.

Lựa chọn phương hướng và giải pháp

Sau khi thảo luận và tính toán, nhóm đã quyết định chọn mô hình thiết kế khối module lục giác với 3 bánh xe đa hướng cách nhau 120°, được coi là tối ưu nhất Số lượng module cho băng tải không cố định, phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống như diện tích và các hướng phân loại hàng hóa Công thức tính số module cho băng tải là: N = n.a + m.(a-1).

Băng tải được cấu tạo từ các module lục giác xếp xen kẽ, tạo thành n hàng đầy đủ số lượng module và m hàng thiếu một module, trong đó a là số module trên mỗi hàng.

Mục tiêu của đồ án là phân loại từ 2 đến 3 sản phẩm, nhằm đảm bảo đầu ra cho nhóm sản phẩm với 3 module trên một hàng, bao gồm 2 hàng đủ và 2 hàng thiếu Tổng cộng sẽ có 10 module, con số này đủ để mô phỏng gói hàng đi theo nhiều hướng khác nhau.

Hình 4.4 Phương án thiết kế hệ thống

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Thiết kế hệ thống cơ khí

Thiết kế cơ khí là yếu tố then chốt trong việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất của hệ thống cơ cấu Nó cần phải đáp ứng các tiêu chí về độ chính xác, tính bền vững, hiệu suất và an toàn cho các linh kiện cơ khí.

5.1.1 Thiết kế hệ dẫn động

Hệ dẫn động của băng tải đa hướng được cấu thành từ 10 module hộp Omni, mỗi module bao gồm 3 cơ cấu truyền động Mỗi cơ cấu này gồm một bộ truyền đai, một động cơ và một bánh xe đa hướng, đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt và hiệu quả cho băng tải.

Hình 5.1 Mô hình dẫn động

3: Bộ phận công tác-bánh xe Omni

5.1.1.1 Lựa chọn bánh xe Omni

Dựa trên yêu cầu thiết kế, việc có một cơ cấu vận hành linh hoạt trong quá trình điều khiển là rất quan trọng Bánh xe omni là một lựa chọn tốt, vì nó cho phép di chuyển theo nhiều hướng khác nhau Loại bánh xe đặc biệt này có khả năng quay xung quanh các trục x, y và z, giúp xe hoặc robot di chuyển linh hoạt mà không cần thay đổi hướng của bánh xe.

Bánh xe đa hướng omni wheel 58mm là loại bánh xe được sử dụng cho các thiết kế robot chuyên nghiệp, cần độ linh hoạt, chuyển hướng nhanh

5.1.1.2 Khớp nối bánh omni với trục động cơ

Khớp nối omni là bộ phận quan trọng kết nối bánh xe omni với trục động cơ, giúp truyền động từ động cơ đến bánh xe, tạo thành cơ cấu vận hành hiệu quả cho băng tải.

Hình 5.3 Khớp nối bánh xe omni với trục động cơ 6mm

5.1.1.3 Lựa chọn động cơ điện Động cơ đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp moment cho các bánh xe chuyển động Quá trình chuyển động của băng tải sẽ chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng vật tải trên băng tải và ma sát giữa mặt tiếp xúc của kiện hàng và bánh xe Giả sử gia tốc trong chuyển động gói hàng bằng 0.5 /m s 2

Hình 5.4 Phân tích lực trên từng bánh xe

Phương trình phân tích lực tác dụng lên A trên hình 5.4:

Chiếu lên hệ trục Oxy ta có :

( với  =0,5;m=4kg g; =9,8m s/ 2 ) Thay (5.3) vào (5.2) ta được:

- Lực đẩy của băng tải (F) : 21,6 (N)

- Vận tốc trung bình băng tải (V) : 0,5 (m/s)

- Đường kính bánh omni (D) : 58 (mm)

Công suất trên trục công tác:

Công suất cần thiết của động cơ:

Hệ thống truyền động cơ khí có bộ truyền đai

Ta có: n ct =n u lv d (Với: u d =1 là tỉ số truyền sơ bộ truyền động đai)

Vậy chọn động cơ thỏa mãn P dc P ct =0,0116(KW)và n dc n ct 4,64(rpm)

Bảng 5-1 Thông số động cơ GA25-370 12V

Tốc độ không tải (rpm) 1360 620 280 170 130 77 60 35 26 16 12

(Kg.cm) 0.1 0.22 0.5 0.8 1 1.8 2.4 4 5.2 8.4 9 Tốc độ có tải

Chiều dài hộp số (mm) 17 17 19 21 21 23 23 25 25 27 27

Tra bảng thông số động cơ 12V GA25-370 ta chọn động cơ GA25 - 370 170rpm

5.1.1.4 Tính toán các thông số trên các trục

Theo như tính toán 5.1.2.3 ta có :

Tỉ số truyền cho bộ truyền đai:

Số vòng quay trên trục:

= u = (5.12) Moment xoắn trên trục động cơ:

Moment xoắn trên trục công tác:

Bảng 5-2 Hệ thống số liệu

Thông số Động cơ Trục Công tác u u d =1,03 n (rpm) 170 164,64 164,64

5.1.1.5 Thiết kế bộ truyền động

Thông số đầu vào dựa vào bảng 5-2:

- Công suất của động cơ: P dc =0,0156(KW).

- Số vòng quay: n dc 0(rpm).

- Moment động cơ: T dc 6,35(Nmm).

Lựa chọn trên thị trường đai răng chọn d 1 (mm).

Kiểm tra vận tốc bánh đai:

(với  =0,02 là hệ số trượt) Chọn d 2 (mm)theo thông số thị trường

Dựa vào mô hình dẫn động hệ thống với đường kính bánh Omni là 58mm ta chọn sơ bộ khoảng cách trục a5(mm)

(5.18) Thay a5(mm d), 1 (mm d), 2 (mm)vào (5.18):

(5.19) Dựa theo thông số thị trường ta chọn L2(mm)

Tính toán lại khoảng cách trục:

4 2 2 d d d d a=  L− + + L− +  − d −d   (5.20) Thay L2(mm d), 1 (mm d), 2 (mm)vào (5.20):

(5.22) Lực tác dụng lên trục:

(5.24) Dựa trên tính toán và thiết kế ở trên nên ta chọn đai và puly có kích thước như sau:

Hình 5.5 Vòng Dây Đai GT2 122mm

Hình 5.6 Puly GT2 20 răng đường kính

12mm trục 4mm Thông số kỹ thuật:

- Đường kính bánh răng: 12mm

Hình 5.7 Puly GT2 20 răng đường kính

12mm trục 6mm Thông số kỹ thuật:

- Đường kính bánh răng: 12mm

Lực tác dụng lên dây đai:

Dựa vào phân tích lực hình 5.9 ta có các phương trình Áp dụng phương trình cân bằng lực:

Xét mặt phẳng OYZ ta có :

Xét mặt phẳng OXZ ta có :

Thông số trục với thiết kế để kết nối với puly phi 6 và gối đỡ KP08 Các chi tiết được trình bày ở hình bên dưới

Hình 5.8 Bản vẽ thiết kế trục phải Omni

Biểu đồ nội lực mô tả lực trên biểu diễn phân tích lực và moment của trục phải Omni với các thông số đã tính toán từ (5.28) và (5.30)

Hình 5.9 Biều đồ nội lực biểu diễn lực và moment trục phải Omni

5.1.1.7 Thiết kế trục đầu ren

Bánh xe Omni được kết nối với gối đỡ qua hai trục: trục phải Omni và trục đầu ren Hai trục này giúp liên kết đồng tâm hai gối đỡ, đảm bảo bánh xe Omni hoạt động ổn định và cân bằng.

Hình 5.10 Bản vẽ chi tiết trục đầu ren

5.1.1.8 Mô hình lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống dẫn động

Hình 5.11 Mô hình lắp ráp module động cơ Omni trên phần mềm Solidworks

1: Động cơ GA25 170rpm 2: Pat động cơ

4: Khớp nối Omni phải 5: Trục đầu ren

Mô hình hoàn thiện lắp ráp của module động cơ Omni bao gồm các thiết kế như Puly phi 4mm và 6mm, vòng đai 122mm, 2 gối đỡ KP08, bánh xe, khớp nối trục Omni, động cơ, pat động cơ và trục đầu ren.

Hình 5.12 Bản vẽ thiết kế nắp hộp Omni

Nhóm thiết kế đã chọn khung lục giác cho hộp Omni, với 3 bánh xe Omni được đặt cách nhau 120°, tạo ra một thiết kế độc đáo và tối ưu cho băng tải đa hướng Các bánh Omni cho phép di chuyển độc lập ở mọi hướng, nâng cao độ chính xác và tính linh hoạt trong vận hành Để tối ưu hóa điều khiển và chính xác trong quá trình hoạt động, các điểm A, B được xác định rõ ràng.

C trên hình 5.12 phải nằm trong đường thẳng và AB = BC

Xét tam giác OBC ta có:

BC OC OB OB OC BOC

Mặc khác xét tam giác O’AB ta có:

Gói hàng cần có kích thước tối thiểu 20x20x8cm để thiết kế phù hợp với việc bao phủ qua 3 bánh xe Omni Để đảm bảo sự ổn định, khoảng cách giữa 2 bánh xe phải nhỏ hơn hoặc bằng kích thước của gói hàng.

Chọn r = 7cm vậy bán kính của hộp Omni 3

Hộp omni là khung của module, được thiết kế để kết nối các linh kiện với nhau Chúng tôi sử dụng phương pháp cắt laser và dập khuôn để định hình sản phẩm Bên cạnh đó, các rãnh dọc được thiết kế như hình 5.13 giúp dễ dàng tùy chỉnh việc bắt ốc các linh kiện, đồng thời giảm trọng lượng mà vẫn đảm bảo độ bền cao.

- Vật liệu: thép (độ dày 1mm).

Hình 5.13 Ảnh thiết kế hộp Omni

5.1.3 Thiết kế trục kết nối

Trục kết nối là thành phần quan trọng trong kết cấu chịu lực của băng tải đa hướng, giúp liên kết khung mặt trên và khung mặt dưới, tạo nên hệ thống khung vững chắc và cân bằng Điều này đảm bảo băng tải hoạt động ổn định và hiệu quả.

Trục kết nối đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết khung mặt trên và khung mặt dưới của băng tải, do đó cần được thiết kế với độ bền cao và chắc chắn nhằm đảm bảo an toàn và tính ổn định Nhóm thiết kế trục kết nối sử dụng các vật liệu sắt trụ với thông số kỹ thuật như hình 5.14.

Hình 5.14 Bản vẽ trục kết nối

5.1.4 Thiết kế pat nối tam giác

Hình 5.15 Bản vẽ pat nối tam giác

Pat nối là thành phần quan trọng trong việc kết nối khung mặt trên với các hộp Omni, giúp giữ cho các hộp này không bị xê dịch trong quá trình vận hành của băng tải đa hướng Nhờ vào pat nối, mặt phẳng được tạo thành một cách chính xác, đảm bảo tính ổn định và an toàn cho cả thiết bị lẫn nhân viên sử dụng.

5.1.5 Thiết kế khung băng tải

Khung mặt trên được thiết kế để lắp ráp các hộp Omni, tạo thành kết cấu băng tải đa hướng Nhóm dự định thiết kế 10 module hộp Omni lắp đặt xen kẽ, kết nối với nhau qua pat nối tam giác để đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành.

Hình 5.16 Thiết kế khung mặt trên

Vậy ta thiết kế khung băng tải mặt trên với kích thước 100x83cm

Hình 5.17 Khung mặt trên băng tải đa hướng

Khung mặt dưới của băng tải là phần đáy chịu lực, được thiết kế để gắn kết 10 module, đảm bảo sự ổn định và không rung lắc trong quá trình vận hành Mỗi module được kết nối với khung mặt dưới thông qua trục kết nối, giúp tăng cường khả năng giữ vững.

Động học robot

Động học nghiên cứu chuyển động của vật thể trong không gian, bao gồm sự tương tác giữa chúng và môi trường Tính toán động học đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và điều khiển robot, với các chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến và chuyển động xoay.

Hình 5.20 Động học từng module

41 Áp dụng công thức (3.6) chuyển vị từ hệ trục 0 đến hệ trục 2 ta được:

: là tọa độ điểm P theo hệ trục số 2

: là tọa độ điểm P theo hệ trục số 0

T = R T : là ma trận chuyển vị từ hệ trục số 0 sang hệ trục số 2

0 1 cos sin 0 0 1 0 0 cos sin cos 0 0 0 1 0 sin

0 2 cos sin 0 0 1 0 0 cos sin cos 0 0 0 1 0 sin

0 2 cos sin 0 cos(2 ) sin cos 0 sin(2 )

Ma trận chuyển vị từ hệ trục 0 đến hệ trục 2 biểu diễn như sau:

0 cos sin 0 cos(2 ) sin cos 0 sin(2 ) 0

Từ (5.39) ta có phương trình động học nghịch robot:

 Mối quan hệ giữa vận tốc 3 bánh xe khi di chuyển tịnh tiến:

Hệ thống ba bánh được mô tả trong Hình 5.21 với cấu hình của ba bánh, cùng với các trục, lực và vận tốc liên quan Các bánh xe trong hệ thống này được bố trí cách nhau 120 độ.

- x, y là vị trí và góc (góc xoay) so với giá trị xác định mặt trước của robot

- v1, v2, v3 [m / s] - Vận tốc tịnh tiến của bánh xe

Mô hình động học hệ thống băng tải đa hướng có vị trí (x, y) có thể được viết là

= dt (tham khảo hình để biết các vấn đề về ký hiệu)

Phương trình cho phép biến đổi từ vận tốc tuyến tính v x và v y trên trục tĩnh thành vận tốc tuyến tính v trên trục như hình

Từ (5.40) và (5.41) ta có ma trận vận tốc của 3 bánh xe:

( ) cos 30.cos sin 30.sin ( ) cos 30.cos sin 30.sin ( ) v t v t v t v t

Trong chuyển động xoay tại tâm O một góc , 3 động cơ xoay với giá trị một góc  tương ứng

Hình 5.22 Chuyển vị xoay tại tâm O với góc xoay 

là góc xoay của chuyển vị tại tâm O

 là góc xoay tại tâm của bánh Omni

R là khoảng cách từ tâm O đến tâm bánh xe r là bán kính của bánh xe

Ta có mối quan hệ giữa và  :

Thiết kế hệ thống điện

5.3.1 Sơ đồ hệ thống điện

Hình 5.23 Sơ đồ khối hệ thống điện

Camera: sử dụng webcam Imilab FullHD 1080p để phát hiện, xác định góc xoay và vị trí của hộp

Bộ xử lý có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ camera, xử lý hình ảnh và truyền tín hiệu đến vi điều khiển trung tâm thông qua giao thức UART.

Vi điều khiển trung tâm sử dụng module STM32F103C8T6, nổi bật với khả năng tạo ra đầu ra PWM và hỗ trợ các giao thức truyền thông như SPI, I2C, UART và CAN Module này còn tích hợp nhiều kênh ngắt, phục vụ hiệu quả cho quá trình điều khiển PID và đọc encoder Đặc biệt, giá cả hợp lý và khả năng tương thích với nhiều ngoại vi là những ưu điểm nổi bật của module này.

TJA1050: là module truyền thông CAN_BUS dùng để truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển trung tâm và khối điều khiển

Khối điều khiển: khối gồm 10 module điều khiển, mỗi module điều khiển sẽ gồm 1 vi điều khiển STM32F103C8T6 và 2 module L298 điều khiển 3 động cơ

Khối động cơ: gồm 3 động cơ DC encoder 12V-170rpm

Khối nguồn: là nguồn cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoạt động như: Vi xử lí STM32F103C8T6 , L298, động cơ, camera,…

5.3.2.1 Module vi điều khiển STM32F103C8T6

Nhóm sử dụng module vi điều khiển STM32F103C8T6 để lập trình và điều khiển các thiết bị hoạt động theo chu trình của hệ thống

Bo mạch STM32F103C8T6 là một chip công nghệ flash CMOS với bộ nhớ Flash 64 KB và RAM 20 KB, cho phép tốc độ xung nhịp lên đến 72 MHz Chip này hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông như SPI, I2C, UART và USB, cùng với các tính năng nổi bật như bộ chuyển đổi Analog-to-Digital (ADC) 12-bit, bộ định thời (timer), và chức năng bảo mật cũng như mã hóa phần cứng.

Hình 5.25 Sơ đồ chân STM32F103C8T6

Các chân của STM32F103C8T6 được trình bày ở hình 5.24, các thông số và chú thích của từng chân được thể hiện ở bảng sau

Bảng 5-4 Thông số chân STM32F103C8T6

Kiểu chân Tên chân Mô tả

5V Chân cấp nguồn ở cổng USB hoặc nguồn bên ngoài 5V

3.3V Điện áp hoạt động ngõ ra

Chân Analog PA0-PA7, PB0-PB1 Các chân ADC độ phân giải 10, 12 bit

Giao tiếp dữ liệu nối tiếp (UART) TX1, RX1, TX2, RX2, TX3,

RX3 Chân RTS, CTS của UART

MISO0, MOSI0, SCK0, MISO1, MOSI1, SCK1,

CAN CAN0TX, CAN0RX Chân Bus của mạng CAN

I2C SCL1, SCL2, SDA1, SDA2 Chân dữ liệu I2C và chân xung nhiệt

Chân I/O PA0-PA15, PB0-PB15,

Các chân I/O đa chức năng (tổng cộng 37 chân)

Ngắt ngoài PA0-PA15, PB0-PB15,

PC13-PC15 Đây là các chân ngắt

PWM PA0-PA3, PA6-PA10, PB0-

PB1, PB6-PB9 Các chân dùng để điều chế độ rộng xung (tổng cộng 15 chân)

Thông số kĩ thuật vi điều khiển STM32F103C8T6:

- Tổng cộng có 48 pin gồm 5 pin nguồn, 4 pin GND và 37 chân I/O đều có thể sử dụng để làm ngắt ngoài

- Tần số hoạt động: 72Mhz

- Các chân giao tiếp: USB, 3x UART, 2xSPI, 2x I2C, CAN, 37 port I/O

- Mạch nạp KIT STM32F103C8T6: J-Link, ST-Link mini, USB-TO-COM

Hình 5.26 Sơ đồ khối STM32F103C8T6

5.3.2.2 Module điều khiển động cơ L298N - cầu H

Hình 5.27 Module điều khiển động cơ L298N

Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng, nhóm đã quyết định chọn module điều khiển động cơ L298N (mạch cầu H L298N) làm driver cho động cơ Lựa chọn này dựa trên sự phổ biến, giá thành hợp lý, dễ sử dụng và khả năng điều khiển đồng thời 2 động cơ.

- Dòng điện của tín hiệu điều khiển: 0-36ma

- Nhiệt độ bảo quản thiết bị: (-25)-130°C

Hình 5.28 Sơ đồ chân Module điều khiển động cơ L298N

- 4 chân input IN1, IN2, IN3, IN4 có chức năng nhận tín hiệu từ vi điều khiển hoặc Arduino để điều khiển động cơ

- 4 chân OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 là các chân nối với động cơ để điều khiển

- 2 chân ENA và ENB là các chân dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298N Đây là các chân đầu vào để điều khiển động cơ

Khi ENA/ENB được thiết lập ở mức logic "1" (kết nối với nguồn 5V), mạch cầu H sẽ được kích hoạt, cho phép dòng điện từ nguồn được điều khiển qua các chân IN1, IN2 và IN3, IN4 để cung cấp năng lượng cho động cơ Ngược lại, khi ENA/ENB ở mức logic "0", mạch cầu H sẽ không hoạt động, dẫn đến việc động cơ không nhận được nguồn điện và không thể hoạt động.

5.3.2.3 Động cơ encoder GA25-370 170rpm

Nhóm đã quyết định chọn động cơ encoder GA25-370 170rpm do kích thước nhỏ gọn, tính phổ biến trên thị trường và giá cả hợp lý.

Hình 5.29 Động cơ GA25 encoder 170rpm

- Điện áp Encoder hoạt động: 3.3V

- Tốc độ không tải: 170RPM

- Độ phân giải Encoder: 11 xung, hai kênh A-B

Camera với độ phân giải cao được sử dụng để nhận diện và xác định vị trí cũng như góc xoay của hộp, sau đó gửi dữ liệu này đến máy tính điều khiển.

Hình 5.30 Thiết bị Camera Imilab FullHD 1080p

5.3.2.5 Module truyền thông CAN_BUS TJA1050

TJA1050 là bộ chuyển đổi giao tiếp CAN, giúp chuyển đổi tín hiệu CAN từ hệ thống điều khiển sang tín hiệu CAN trên đường truyền.

Hình 5.31 Module truyền thông CAN_BUS TJA1050

- Tương thích với tiêu chuẩn ISO 11898

- Tốc độ cao (lên đến 1 Mbaud)

- Phát xạ điện từ rất thấp (EME)

- Bộ thu vi sai với phạm vi chế độ chung rộng cho khả năng miễn nhiễm điện từ (EMI) cao

- Chức năng hết thời gian vượt trội của Truyền dữ liệu (TXD)

- Mức đầu vào tương thích với các thiết bị 3,3 V và 5 V

Hình 5.32 Sơ đồ khối Module TJA1050

Hình 5.33 Sơ đồ chân TJA1050T

- TXD, RXD: chân truyền nhận dữ liệu giữa CAN_BUS với vi điều khiển

- VCC, GND: chân cấp nguồn cho TJA1050

- CANH, CANL: chân kết nối với đường CAN_BUS

- S: chọn đầu vào cho chế độ tốc độ cao/chế độ im lặng

- Vref: đầu ra điện áp tham chiếu

5.3.2.6 Mạch chuyển USB-UART CP2102

Hình 5.34 Mạch chuyển USB-UART CP2102

Mạch chuyển USB-UART CP2102 là một bộ chuyển đổi giao diện phổ biến trong ứng dụng nhúng và vi điều khiển Với kích thước nhỏ gọn cùng tốc độ truyền nhanh và tính ổn định cao, CP2102 giúp đơn giản hóa và nâng cao hiệu suất hệ thống.

- Cổng kết nối: USB 1.1 hoặc 2.0

- Tốc độ truyền dữ liệu UART: từ 300 bps đến 1 Mbps

- Hỗ trợ các hệ điều hành: Windows, macOS và Linux

- Các kết nối đầu vào và đầu ra: TX, RX, RTS, CTS

- Điện áp hoạt động: 3.3V hoặc 5V

- Có tính năng bảo mật và mã hóa phần cứng

5.3.3 Tính toán bộ nguồn cấp

Hệ thống sử dụng nguồn vận hành chủ yếu là nguồn 12V và nguồn 5V nên dùng mạch nguồn chuyển đổi 220VAC - 12VDC, 220VAC - 5VDC để sử dụng

Tính toán nguồn cấp 12V cấp cho khối động cơ, ta có dòng tối đa động cơ cho mỗi cầu

Vì hệ thống mắc song song nên dòng tổng của hệ thống sẽ bằng tổng dòng của các thiết bị cộng lại với nhau

- Output: Dòng điện 58.3A, điện áp 12V, công suất: 700W

Tính toán nguồn 5V cấp cho các STM32F103C8T6 và module CAN TJA1050:

Hình 5.36 Nguồn tổ ong 5V - 5A Thông số kỹ thuật:

5.3.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống

Hình 5.37 Sơ đồ mạch điện vi điều khiển trung tâm

Vi điều khiển trung tâm sử dụng STM32, kết nối với 10 module điều khiển qua giao tiếp CAN, như minh họa trong hình 5.38 Bên cạnh đó, vi điều khiển này còn trang bị 2 chân UART_TX và UART_RX để thực hiện giao tiếp UART với máy tính.

Hình 5.38 Sơ đồ mạch module điều khiển

Mỗi module điều khiển được trang bị vi điều khiển STM32 và 2 module L298N để điều khiển động cơ Sơ đồ mạch điện tổng quát bao gồm 10 module kết nối qua giao tiếp CAN_BUS thông qua 2 chân CAN_TX và CAN_RX với vi điều khiển trung tâm, nhằm thực hiện quá trình điều khiển hiệu quả.

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Kết quả mô phỏng

6.1.1 Đồ thị đáp ứng vận tốc

Mô phỏng đáp ứng vận tốc thực tế của ba động cơ cho thấy sự so sánh với vận tốc tính toán theo công thức động học (5.42), trong đó vận tốc trung bình được xác định là 100RPM.

Với  = 0 thay vào (5.42) ta được:

Hình 6.1 Đồ thị đáp ứng vận tốc với  = 0°

Qua quá trình mô phỏng và thử nghiệm, nhóm đã xác định rằng các giá trị vận tốc giữa ba động cơ có độ chính xác cao và nằm trong ngưỡng sai số cho phép khi thay đổi góc xoay.

Trong trường hợp này, thông số mô phỏng gần gũi với giá trị đã tính toán, với sai lệch nhỏ không đáng kể Sự khác biệt giữa giá trị điều khiển trong mô phỏng và giá trị điều khiển thực tế có thể giải thích cho hiện tượng này Bên cạnh đó, cấu trúc phần cứng cũng có thể tác động đến độ chính xác của mô hình.

Việc điều khiển không đạt giá trị tối ưu có thể dẫn đến sai lệch trong đồ thị đáp ứng vận tốc Để cải thiện tình trạng này, cần tinh chỉnh các thông số điều khiển hoặc nâng cấp kết cấu phần cứng.

6.1.2 Đồ thị đáp ứng vị trí

Trong phần mô ta đồ thị điều khiển vị trí mô phỏng các đáp ứng vị trí và sai số của 3 động cơ so với vị trí đặt (Setpoint)

Hình 6.5 Đồ thị đáp ứng vị trí và sai số động cơ với setpoint = 60°

Đồ thị thể hiện sự đáp ứng vị trí của ba động cơ rất đồng nhất với giá trị setpoint, cho thấy thời gian phản hồi nhanh chóng Hệ thống không xảy ra hiện tượng vọt lố, và mức sai số nằm trong phạm vi cho phép của bộ điều khiển.

6.1.3 Đồ thị đáp ứng đường đi

Mô tả sự so sánh giữa quỹ đạo tính toán và đường đi thực tế của gói hàng trên băng tải, với đường màu xanh biểu thị quỹ đạo tính toán và đường màu đỏ thể hiện đường đi thực của gói hàng.

Hình 6.9 Quãng đường đi thực nghiệm và tính toán từ (3) - (4)

Trong quá trình thực nghiệm, hệ thống đã đáp ứng một phần yêu cầu về điều khiển, nhưng vẫn còn một số sai số nhất định do thi công và lắp đặt không chính xác Những sai số này ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình, dẫn đến quỹ đạo di chuyển của các vật thể bị sai lệch Hơn nữa, thuật toán điều khiển chưa được tối ưu cũng góp phần làm cho quỹ đạo di chuyển không ổn định, đặc biệt là ở các đoạn gấp khúc.

Cải thiện cấu trúc phần cứng và giảm thiểu sai số trong quá trình thi công, đồng thời tối ưu hóa thuật toán điều khiển, là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong việc quản lý hệ thống.

Thi công thực tế

Sau khi tính toán và thiết kế dựa trên hình 5.19, nhóm đã thi công và hoàn thiện các module như hình dưới đây Quá trình này yêu cầu sự cẩn thận và chính xác, đặc biệt trong việc lắp đặt động cơ và bánh Omni để đảm bảo hoạt động hài hòa và đồng bộ Mặc dù có một số sai số trong quá trình thi công, các module vẫn được hoàn thiện và đưa vào hoạt động với sai số chấp nhận được.

Hình 6.13 Thi công lắp ráp hộp Omni

Sau khi nghiên cứu và thiết kế mạch điện, việc sử dụng mạch in PCB là lựa chọn tối ưu để đảm bảo tính chính xác và ổn định PCB được thiết kế bằng máy tính, giúp định vị chính xác các thành phần điện tử và mạch dẫn Hơn nữa, PCB không chỉ mang lại tính thẩm mỹ cao mà còn có khả năng chống lại các yếu tố bên ngoài.

Hình 6.14 Thi công lắp ráp mạch điện

6.2.3 Gia công khung camera và lắp ráp hoàn thiện băng tải đa hướng

Hình 6.15 Thi công lắp đặt camera

Hình 6.16 Thi công lắp đặt hệ thống điện

72 Hình 6.17 Hình ảnh lắp ráp băng tải đa hướng.

Tiêu đề	Băng Tải Đa Hướng Ứng Dụng Vào Phân Loại Và Sắp Xếp Hàng Hóa
Tác giả	Phạm Duy Phong, Ngô Minh Quang, Nguyễn Hữu Thuận
Người hướng dẫn	TS. Trịnh Đức Cường
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	6,92 MB