GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Đại dịch COVID-19 đã nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc duy trì môi trường sạch sẽ và thực hiện khử trùng, nhằm ngăn chặn sự lây lan của virus và vi khuẩn gây bệnh.
Việc sử dụng robot chở hàng trong các ngành công nghiệp, nhà máy sản xuất và cơ sở y tế giúp giảm thiểu tiếp xúc giữa con người và hàng hóa, từ đó giảm nguy cơ lây nhiễm Điều này không chỉ bảo vệ sức khỏe của nhân viên mà còn đảm bảo an toàn cho cộng đồng.
Robot chở hàng tự động không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn tiết kiệm thời gian đáng kể Với khả năng hoạt động liên tục và không biết mệt mỏi, việc tích hợp tính năng khử khuẩn vào robot giúp tăng cường an toàn trong vận chuyển hàng hóa Điều này không chỉ mang lại sự nhanh chóng trong quá trình giao nhận mà còn giảm thiểu thời gian cần thiết cho việc quản lý và giám sát quy trình khử trùng.
Trong thời đại công nghệ 4.0, nhu cầu vận chuyển hàng hóa đang gia tăng mạnh mẽ, đặc biệt trong các lĩnh vực y tế, sản xuất, thương mại và giao thông Việc sử dụng robot chở hàng kết hợp với chức năng khử khuẩn không chỉ tối ưu hóa quy trình vận chuyển mà còn đáp ứng hiệu quả nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Robot chở hàng kết hợp khử khuẩn ra đời giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong vận chuyển, đồng thời hỗ trợ nghiên cứu, học tập và sáng tạo.
- Robot với giá thành phù hợp sẽ thúc đẩy áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất
- Robot sử dụng năng lượng tái tạo góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cho người sử dụng.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Với tính cấp thiết của đề tài được đề cập ở phần trên, các mục tiêu của đề tài được đưa ra như sau:
+ Robot có chức năng vận chuyển hàng hoá và phun thuốc khử khuẩn
+ Chế tạo và thử nghiệm thành công robot hoạt động tương đối linh hoạt
Có một kết cấu cơ khí đơn giản nhưng hiệu quả, cho phép di chuyển linh hoạt trong các tình huống phức tạp Sự kết hợp giữa thiết bị điện và cơ khí tạo ra hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Robot xe chở hàng hoặc phun thuốc khử khuẩn di chuyển bằng bánh điều khiển bằng tay và có giao diện webserver
- Nghiên cứu các robot chở hàng và robot khử khuẩn ở Việt Nam và trên thế giới
- Nghiên cứu, tính toán khả năng chịu tải của hệ thống khung gầm, chi tiết robot
- Nghiên cứu các thông số, chọn động cơ của robot.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở của phương pháp luận
Phương pháp nghiên cứu là các nguyên tắc và cách thức khoa học nhằm đạt được chân lý khách quan thông qua chứng minh khoa học Để thực hiện nghiên cứu hiệu quả, cần có những nguyên tắc cụ thể làm cơ sở giải quyết các vấn đề Một ví dụ điển hình là nghiên cứu thiết kế xe chở hàng và phương án chuyển động của nó.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Một số phương pháp nghiên cứu chúng sử dụng trong đề tài này là:
Phương pháp nghiên cứu tài liệu bao gồm việc tìm đọc giáo trình, sách, bài viết trực tuyến, các bài báo khoa học và đồ án trước đó để xác định những phương án khả thi cho đồ án của bạn.
Phương pháp thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng chở hàng, di chuyển trên nhiều loại địa hình và phun thuốc khử khuẩn của robot Những yếu tố này sẽ được sử dụng làm mục tiêu để tính toán, thiết kế và chế tạo các chi tiết của robot một cách hiệu quả.
Phương pháp phân tích học hỏi là việc nghiên cứu các loại robot chở hàng hiện có để rút ra ưu điểm và nhược điểm của từng loại Qua đó, người nghiên cứu có thể đề xuất phương án điều khiển tối ưu và phù hợp cho đồ án của mình.
Phương pháp mô hình hóa thí nghiệm là quá trình chế tạo mô hình nhằm kiểm tra các tính toán và thiết kế, giúp phát hiện sai sót và tiến hành sửa chữa Qua đó, phương pháp này không chỉ giúp hệ thống hóa kiến thức đã học mà còn mang lại kinh nghiệm quý báu cho công việc sau này.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
- Đồ án tốt nghiệp có kết cấu gồm 6 chương như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu: Trình bày tính cấp thiết, ý nghĩa, mục tiêu, các phương pháp và đối tượng nghiên cứu của đề tài
+ Chương 2: Tổng quan về đề tài: Giới thiệu tổng quan về đề tài cũng như trình bày tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
+ Chương 3: Cơ sở lý thuyết: Chương này giới thiệu và trình bày về những kiến thức được sử dụng trong đề tài
Chương 4 tập trung vào việc xác định các phương hướng và giải pháp thực hiện, bao gồm đánh giá ưu nhược điểm của từng phương án Qua đó, chúng tôi sẽ đưa ra phương án tối ưu nhất để đảm bảo hiệu quả trong quá trình triển khai.
Chương 5 trình bày đề xuất công nghệ và tính toán thiết kế cho robot, bao gồm việc tính toán các thông số kỹ thuật cần thiết Bài viết cũng đề cập đến việc lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp và xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình điều khiển, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và chức năng của robot.
Chương 6 tập trung vào thực nghiệm và đánh giá, bao gồm việc chế tạo mô hình thực tế để kiểm tra khả năng hoạt động trên các địa hình khác nhau, từ phẳng đến không bằng phẳng Nghiên cứu cũng xem xét khoảng cách điều khiển, độ cao và tầm phun khử khuẩn Cuối cùng, chương đưa ra kết luận về hiệu quả của mô hình và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu về đề tài
Robot chở hàng kết hợp với công nghệ khử khuẩn đang tạo ra một hệ thống tự động hóa vận chuyển hàng hóa hiệu quả trong môi trường không người Ứng dụng này không chỉ đảm bảo việc vận chuyển an toàn mà còn đảm bảo các khu vực được khử trùng hiệu quả, hứa hẹn mang lại lợi ích lớn cho ngành công nghiệp, y tế và nhiều lĩnh vực khác.
Robot chở hàng là thiết bị điều khiển từ xa, có khả năng di chuyển và vận chuyển hàng hóa trong nhiều môi trường khác nhau Nhờ vào tính năng khử khuẩn, robot này giúp giảm thiểu nguy cơ lây lan vi khuẩn, virus và các tác nhân gây bệnh khác.
- Các tính năng và chức năng của robot chở hàng kết hợp khử khuẩn có thể bao gồm:
+ Vận chuyển hàng: Robot có khả năng vận chuyển các đơn hàng, kiện hàng hoặc vật liệu từ một điểm đến một điểm khác
+ Hệ thống khử khuẩn: Robot được trang bị các công nghệ khử khuẩn như sử dụng bét phun để có thể diệt vi rút.
Đặc tính của hệ thống
- Robot có kiểu dáng của xe chở hàng
- Robot được điều khiển từ xa thông qua bộ điều khiển cầm tay
- Robot có camera để theo dõi hoạt động từ xa
- Hệ thống truyền động bằng hệ vi sai cầu sau để đảm bảo ổn định và tăng hiệu suất động cơ điện
- Các thiết bị hoạt động trên robot đều sử dụng điện.
Các nghiên cứu liên quan của đề tài
Hiện nay, một nhóm sinh viên trường Đại học Lạc Hồng (Đồng Nai) đã thành công trong việc nghiên cứu và chế tạo robot khử khuẩn và vận chuyển hàng hóa.
Thiết bị có khả năng tải trọng lên đến 100kg, với tốc độ di chuyển 30m/phút và thời gian hoạt động liên tục trong 4 giờ Phạm vi hoạt động của thiết bị đạt 400m, đi kèm với bình chứa dung dịch khử khuẩn có dung tích 20 lít Tổng chi phí chế tạo thiết bị này là 60 triệu đồng.
Hình 2.1: Robot vận chuyển hàng hóa của trường Đại Học Lạc Hồng
- Bên cạnh đó, nước ta có robot Vibot-2 do Học viện Kỹ thuật Quân Sự, Bộ Quốc Phòng triển khai thực hiện
Hình 2.2: Vibot-2 tại Bệnh viện Bạch Mai cơ sở 2
Kỹ sư Vĩnh Duy đã phát triển một robot điều khiển từ xa có khả năng vận chuyển trọng lượng từ 100-200kg, đạt tốc độ tối đa 15 km/h, với tổng chi phí chế tạo khoảng 80 triệu đồng.
Hình 2.3: Robot vận chuyển thực phẩm do anh Vĩnh Duy chế tạo 2.3.2 Nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay, nhiều quốc gia phát triển như Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản đang sử dụng robot cho việc giao hàng và khử khuẩn Các robot này thường được phân chia thành hai loại riêng biệt: robot giao hàng và robot khử khuẩn, mỗi loại đảm nhận một chức năng cụ thể.
+ Robot giao hàng hiện nay trên thế giới có như: Kiwibot, Starship Robot,…
+ Robot khử khuẩn như: SEIT-UV Robot, UV-C Robot,…
- Chi tiết về robot giao hàng Kiwibot:
KiwiBot là robot giao hàng tự động do công ty Kiwi phát triển, được thiết kế để cung cấp thực phẩm hiệu quả Ra mắt lần đầu vào năm 2017, KiwiBot hiện đang hoạt động tại California, Hoa Kỳ, và có khả năng kết nối với các máy bán hàng tự động.
Kiwibot có khả năng xử lý đồng thời 2 đơn đặt hàng thực phẩm Thiết bị này được trang bị 3 camera phía trước, một camera góc rộng 180 độ ở phía sau và đèn chiếu sáng điểm, cùng với nhiều camera khác, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình giao hàng.
Bot giao hàng này sử dụng hiệu quả công nghệ HD, LTE, GPS và các cảm biến để hoàn thành nhiệm vụ Mục tiêu của nó là tạo ra sự hợp tác liền mạch giữa con người và robot.
KiwiBot có kích thước ước tính với chiều dài 22 inch (55,9 cm), chiều rộng 17 inch (43,2 cm) và chiều cao 22 inch (55,9 cm) Robot này có khả năng di chuyển với tốc độ tối đa 1,5 dặm/giờ (2,4 km/h).
+ Giá thành hiện nay của kiwibot dao động từ 2500$ đến 4000$
- Chi tiết về robot khử khuẩn UVC:
+ Robot đã vượt qua kiểm tra và chứng nhận của tổ chức chứng nhận CMA
+ Robot có thể đạt được khử trùng và khử trùng không khí và bề mặt Mô-đun khử trùng phun
Hạt sương siêu khô dưới 10μm với kích thước mịn và đồng đều, không có góc chết, mang lại hiệu ứng phun hiệu quả Sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn khử trùng và có khả năng tiêu diệt vi khuẩn trong không khí lên tới 99,9999%.
Bức xạ của đèn cực tím đạt tiêu chuẩn GB19258 về "Đặc điểm kỹ thuật để khử trùng," với cường độ bức xạ của mỗi đèn là 200 µW/cm².
Công nghệ định vị và dẫn đường tiên tiến, hàng đầu trong ngành, mang lại khả năng hoạt động ổn định lâu dài ngay cả trong các môi trường phức tạp và cho nhiều loại robot khác nhau Kích thước sản phẩm là 500x500x1350 mm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Flask là gì và các đặc điểm của Flask framework
Flask là một framework Python được thiết kế để phát triển ứng dụng web một cách đơn giản và linh hoạt, phù hợp với mọi loại dự án từ nhỏ đến lớn.
- Một số đặc điểm của Flask framework gồm 5 đặc điểm :
Flask là một micro framework nổi bật, chuyên cung cấp các công cụ cơ bản để phát triển ứng dụng web, giúp giữ cho mã nguồn gọn gàng và dễ hiểu.
Flask có khả năng xác định các đường dẫn URL và liên kết chúng với các hàm xử lý tương ứng, giúp xác định các API mà ứng dụng sẽ xử lý.
Flask cho phép tách biệt giữa mã HTML và mã Python, điều này giúp lập trình viên dễ dàng bảo trì, chỉnh sửa và nâng cấp giao diện một cách hiệu quả.
+ Extensions: Flask có một thư viện đa dạng cung cấp nhiều phần mở rộng, cho phép xây dựng nhiều chức năng mở rộng một cách dễ dàng
+ Flask-WTF: Flask-WTF là một phần mở rộng phổ biến cho Flask, cung cấp tích hợp với WTForms - một thư viện xử lý biểu mẫu trong Flask
Cấu trúc của một chương trình sử dụng Flask framework
- Dưới đây là sơ đồ cấu trúc của một thư mục chứa chương trình sử Flask framework:
Hình 3.2: Cấu trúc của chương trình sử dụng flask
- Chi tiết về các thành phần của cấu trúc trên:
+ Thư mục “App/”: Đây là thư mục gốc của ứng dụng Flask
+ Thư mục “stactic/”: Đây là nơi lưu trữ các tệp như CSS, JavaScripts, hình ảnh,… Tệp tin trong thư mục sẽ được truy cập trực tiếp từ trình duyệt
+ Thư mục “templates/”: Đây là thư mục lưu trữ các file HTML được thiết kế cho các trang web
+ File “App.py”: Đây là file chương trình chính, nơi ta import Flask và các module khác cũng như là nơi chúng ta viết chương trình.
Quy trình hoạt động của ứng dụng Flask
- Đầu tiên, Flask hoạt động dựa trên mô hình “Request – Response” của giao thức HTTP
- Quy trình chung của mọi ứng dụng Flask gồm các bước như sau:
Bước 1: Khởi tạo ứng dụng Flask
+ Tạo một đối tượng Flask
+ Thiết lập các config cho đối tượng Flask
Bước 2: Định nghĩa các route và các hàm xử lý tương ứng
+ Mỗi route sẽ được định nghĩa bằng một decorator “@app.route”
+ Tương ứng với mỗi route sẽ có một hàm xử lý đi kèm
Bước 3: Xử lý các HTTP Request
+ Flask sẽ chờ đợi và xử lý các HTTP Request được gửi từ trình duyệt
+ Flask sẽ xác định route phù hợp với HTTP Request bằng cách phân tích đường dẫn và phương thức của HTTP Request (PUT,POST,GET,…)
Bước 4: Gọi hàm xử lý
+ Flask gọi hàm xử lý của route tương ứng phù hợp với HTTP Request
Bước 5: Trả lại các phản hồi (HTTP Reponse) sau khi xử lý
+ Hàm xử lý sẽ trả về một đáp ứng, đáp ứng ở đây có thể là một đối tượng Response hoặc một templates được render
+ Đáp ứng có thể chứa thông tin, dữ liệu, tài nguyên hoặc có thể là thông báo
Bước 6: Gửi đáp ứng cho client
+ Flask gửi đáp ứng từ máy chủ tới trình duyệt theo yêu cầu
+ Các đáp ứng sẽ được hiện thị trên trình duyệt để người dùng thấy kết quả xử lý hoặc tương tác với nó
Ưu và nhược điểm của Flask framework
- Flask là một framework phát triển ứng dụng web trong Python, đem lại nhiều ưu điểm hấp dẫn và đồng thời đi kèm với một số nhược điểm
+ Dễ học và sử dụng: Flask có cấu trúc đơn giản và dễ hiểu, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và bắt đầu xây dựng ứng dụng web
Flask mang lại sự linh hoạt và tiết kiệm thời gian cho người dùng, cho phép họ tự do thiết kế và xây dựng ứng dụng theo ý muốn mà không bị ràng buộc bởi nhiều quy tắc và giới hạn Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn tăng cường tính linh hoạt trong quá trình phát triển ứng dụng.
Flask tích hợp mượt mà với nhiều công cụ và thư viện trong hệ sinh thái Python, giúp người dùng tận dụng tối đa các tài nguyên mạnh mẽ.
Flask là một framework web hiệu suất cao, hoạt động nhanh chóng và tiêu thụ ít tài nguyên máy chủ, giúp đảm bảo ứng dụng web chạy mượt mà và mang lại trải nghiệm tốt cho người dùng.
Flask được hỗ trợ bởi một cộng đồng Python rộng lớn, mang đến nhiều tài liệu, ví dụ và sự trợ giúp từ cộng đồng Điều này giúp người dùng dễ dàng giải quyết vấn đề và cải thiện kỹ năng của mình.
- Tuy nhiên, Flask cũng có một số nhược điểm:
Flask là một framework nhỏ gọn không tích hợp nhiều chức năng sẵn có, điều này yêu cầu người dùng phải tự bổ sung các tính năng cần thiết cho ứng dụng của mình.
Để tối ưu hóa hiệu suất của Flask, người dùng cần nắm vững kiến thức bổ sung như Restful API Việc này đòi hỏi quá trình học tập và nghiên cứu để sử dụng Flask một cách hiệu quả.
Flask là một framework lý tưởng cho các ứng dụng web nhỏ và trung bình, nhưng khi triển khai cho các dự án web lớn và phức tạp, nó có thể gặp khó khăn trong việc mở rộng và quản lý.
- Tóm lại, Flask là một framework web linh hoạt, dễ học và sử dụng trong Python
Flask mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như tính linh hoạt, tiết kiệm thời gian, khả năng tích hợp tốt và hiệu suất cao Tuy nhiên, người dùng cũng cần chú ý đến một số nhược điểm, bao gồm thiếu chức năng mặc định, yêu cầu kiến thức phụ thuộc và hạn chế trong việc mở rộng khi áp dụng Flask cho các dự án web quy mô lớn và phức tạp.
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
Yêu cầu của đề tài/ Thông số thiết kế
+ Thiết kế webserver kết nối webcam để theo dõi từ xa
Phương hướng và giải pháp thực hiện
Hình 4.1: Cơ cấu robot theo phương án 1
- Robot sẽ được thiết kế dựa trên cơ cấu lái xích đạo (different drive mechansim)
Cơ cấu này được áp dụng phổ biến ở các robot di động như robot tự hành, robot hút bụi, robot dò line,…
Nguyên lý hoạt động của robot dựa trên hai động cơ chính: động cơ (1) và (4) điều khiển bánh (3) và (6) thông qua các bộ truyền xích (2) và (5) Khi robot di chuyển về phía trước, cả hai động cơ quay cùng chiều và cùng tốc độ, khiến cho hai bánh quay đồng bộ Để rẽ trái, động cơ (1) cần quay nhanh hơn động cơ (2), trong khi để rẽ phải, động cơ (2) phải quay nhanh hơn động cơ (1).
- Ưu điểm của cơ cấu lái xích đạo:
Cơ cấu lái xích đạo mang lại tính linh hoạt cao, giúp đơn giản hóa quá trình nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển Với chỉ 2 động cơ điện điều khiển 2 bánh, việc vận hành trở nên dễ dàng hơn, giảm thiểu sự phức tạp và chi phí cho robot.
Cơ cấu linh động của robot cho phép nó di chuyển hiệu quả trên địa hình ít gồ ghề, đồng thời thực hiện các động tác chuyển hướng một cách linh hoạt mà không cần sử dụng các bộ phận cồng kềnh.
Cấu trúc lái xích đạo với hai bánh giúp robot duy trì thăng bằng hiệu quả, cho phép nó giữ vững sự cân bằng trong suốt quá trình lăn và xoay.
- Nhược điểm của cơ cấu lái xích đạo:
Trong không gian chật hẹp, robot gặp phải hạn chế lớn khi phải giữ nguyên tư thế khi thực hiện các cú rẽ trái, rẽ phải hoặc rẽ tại điểm cố định Điều này khiến robot không có đủ không gian để di chuyển, dẫn đến khó khăn trong việc hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Rô-bốt lái xích đạo có khả năng leo dốc kém, chỉ thích hợp với địa hình bằng phẳng Điều này là do khả năng truyền lực hạn chế và sự mất ma sát khi di chuyển trên các bề mặt dốc.
Hệ thống lái xích đạo thiếu cơ chế lái độc lập cho từng bánh xe, điều này có thể làm giảm độ chính xác trong việc điều hướng, dẫn đến sai số trong quỹ đạo chuyển động.
Hình 4.2: Cơ cấu robot theo phương án 2
Robot được thiết kế với cơ cấu lái hai bánh, một công nghệ phổ biến hiện nay trong nhiều lĩnh vực như ô tô, xe máy và robot công nghiệp.
Nguyên tắc hoạt động của robot dựa vào động cơ (2) kết hợp với hệ vi sai cầu sau (3), điều khiển tốc độ và chiều quay của cặp bánh phía sau, giúp robot di chuyển thẳng hoặc lùi Đồng thời, động cơ (1) hỗ trợ trong việc điều hướng cặp bánh trước, cho phép robot rẽ phải hoặc rẽ trái.
- Ưu điểm của cơ cấu lái 2 bánh:
Robot với cơ cấu lái 2 bánh có khả năng quay và xoay linh hoạt, giúp nâng cao hiệu suất trong việc thay đổi hướng nhanh chóng Điều này cho phép robot dễ dàng xử lý các tình huống phức tạp và tối ưu hóa khả năng di chuyển của mình.
Cơ cấu lái 2 bánh mang lại sự ổn định và khả năng điều chỉnh cao trong quá trình di chuyển, nhờ vào việc tách biệt điều khiển cho 2 bánh trước.
2 bánh sau giúp cân bằng tải trọng cho xe và linh hoạt trong việc điều hướng
Robot với cơ cấu lái 2 bánh cho phép điều chỉnh hướng di chuyển một cách chính xác và nhạy bén Việc điều khiển riêng biệt các bánh trước giúp robot di chuyển linh hoạt và chính xác đến vị trí cần thiết.
Tính an toàn và khả năng tránh va chạm của robot được cải thiện nhờ độ chính xác và nhạy bén cao, giúp bảo vệ robot trong suốt quá trình hoạt động.
- Nhược điểm của cơ cấu lái 2 bánh:
Cơ cấu có độ phức tạp cao hơn so với các cơ cấu khác, dẫn đến chi phí gia công và chế tạo tăng lên Điều này cũng yêu cầu sự tỉ mỉ trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa.
Việc điều khiển hai động cơ tách biệt đòi hỏi một nguồn cung cấp lớn, ảnh hưởng đến thời gian hoạt động và thời gian sạc lại của robot Hơn nữa, lập trình cho robot sử dụng cơ cấu lái hai bánh là một thách thức lớn, yêu cầu phần cứng phải có độ tương thích cao.
4.2.3 Phân tích và đánh giá các phương án
Bảng 4.1: Phân tích và đánh giá phương án thiết kế
Lựa chọn giải pháp/ Phương án
4.3.1 Tổng quan kiểu dáng thiết kế
Hình 4.3: Thiết kế bên ngoài robot
Hình 4.4: Thiết kế nhìn từ bên trên xuống robot
Hình 4.5: Thiết kế khi được mở nắp và thùng chở hàng
Nhóm thiết kế đã nghiên cứu và phát triển một sản phẩm có hình dạng giống như xe, với không gian rộng rãi để chứa hàng hóa và trang bị vòi phun cùng hệ thống quạt nhằm khuếch tán thuốc khử khuẩn một cách hiệu quả Sản phẩm được tối ưu hóa cho nhiều khu vực khác nhau, giúp việc chứa và vận chuyển hàng hóa trở nên thuận tiện, đồng thời giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc của hàng hóa với thuốc khử khuẩn để đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Bên cạnh hiệu suất, robot còn được thiết kế với tính thẩm mỹ cao, thân thiện và an toàn cho người sử dụng.
- Cụm di chuyển phía trước
Hình 4.6: Cụm di chuyển phía trước
Trụ lái là bộ phận truyền sức đẩy từ động cơ tới bộ phận lái Nó giúp điều chỉnh và điều khiển hướng di chuyển của robot
Bộ phận lái của robot bao gồm trục lái và các khớp nối thông qua vòng bi mắt trâu, có chức năng truyền động quay từ trụ lái tới các bánh xe trái và phải Bộ phận này đảm bảo sự ổn định và khả năng phản ứng nhanh khi robot thực hiện các thao tác rẽ hướng.
Hệ thống treo của robot bao gồm các bộ phận như càng lái và bộ phận giảm xóc, giúp giảm chấn và cân bằng lực tác động khi di chuyển trên địa hình không bằng phẳng Điều này đảm bảo sự ổn định cho robot trong quá trình di chuyển.
Bánh xe được bộ phận lái truyền lực tác động vào để tạo hướng di chuyển cho robot
- Cụm di chuyển phía sau
Sử dụng bộ vi sai cầu sau là giải pháp tối ưu cho việc truyền động của robot, đặc biệt khi phải chịu tải trọng lớn Bộ vi sai này giúp truyền lực từ hộp số tới bánh xe sau một cách hiệu quả, phân bổ đều lực kéo giữa hai bánh sau, từ đó cải thiện khả năng bám đường và vận hành của xe Việc ngăn chặn vi sai cầu sau là rất quan trọng, nhất là khi di chuyển trên địa hình khó hoặc khi rẽ với tốc độ cao Thường được chế tạo từ vật liệu chất lượng cao, bộ vi sai cầu sau được thiết kế để chịu đựng tải trọng và lực tác động lớn, góp phần gia tăng độ bền và tuổi thọ cho hệ thống truyền động, đồng thời giảm thiểu hao mòn và hư hỏng.
Sử dụng máy bơm áp suất để hút thuốc khử từ bình chứa và dẫn đến các vòi phun Vòi phun được lắp đặt phía trước quạt giúp phân tán thuốc khử một cách xa và rộng hơn.
Sử dụng camera gắn phía trước của robot giúp theo dõi vị trí của robot một cách chính xác, đồng thời truyền tín hiệu về màn hình để người điều khiển dễ dàng nắm bắt vị trí trong những góc khuất, từ đó cải thiện khả năng điều khiển robot.
Hình 4.10: Chi tiết cửa và bản lề
Các vị trí cửa được lắp với bản lề giúp việc đóng mở dễ dàng Trong khu vực chứa hàng, việc này bảo vệ hàng hóa an toàn và đảm bảo vệ sinh trong quá trình phun khử khuẩn, đồng thời thuận tiện cho việc lấy hàng hóa Đối với khu vực điện, việc lắp đặt cửa giúp bảo vệ mạch điện khỏi hư hỏng trong quá trình phun khử khuẩn, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho sửa chữa và kiểm tra hệ thống điện.
Hình 4.11: Bộ giảm xóc trước
Bộ giảm xóc sau được thiết kế để hấp thụ lực tác động và giảm xóc khi robot di chuyển trên bề mặt không bằng phẳng, giúp duy trì sự ổn định của bánh xe và giảm lực va đập Điều này không chỉ tăng cường độ êm ái cho hàng hóa, mà còn ngăn ngừa hư hỏng và va đập Phuộc nhún còn hỗ trợ giảm lực nghiêng và lật của robot trong quá trình cua, đảm bảo bánh xe tiếp xúc đều đặn với mặt đường, từ đó giảm nguy cơ mất kiểm soát và lật xe.
Lưu đồ giải thuật của robot
Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật cụm di chuyển
+ Bước 1: Khi khởi động robot, trạng thái không hoạt động
+ Bước 2: Khởi động robot khi giá trị đọc kênh 6 nhỏ hơn 1500, ngược lại robot chưa hoạt động
• Giá trị kênh 5 nhỏ hơn 1500 thì bơm bật ngược lại bơm tắt
• Giá trị kênh 2 nhỏ hơn 1400 thì động cơ lùi, nếu giá trị kênh 2 lớn hơn 1550 thì động cơ tiến, ngược lại động cơ dừng
• Giá trị kênh 4 nhỏ hơn 1400 thì động cơ rẽ trái, nếu giá trị kênh 4 lớn hơn 1470 thì
+ Bước 4: Thực hiện lặp lại chương trình ở bước 2.
Xây dựng website
Hình 4.14: Lưu đồ chương trình cập nhật live webcam
+ Bước 1: Import các thư viện cần thiết cho ứng dụng ví dụ như Flask, Opencv, time,… + Bước 2: Khởi tạo đối tượng Flask ví dụ như “app = Flask( name )”
Bước 3: Sau khi khởi tạo, bạn có thể tùy chỉnh đối tượng theo cấu hình mong muốn, chẳng hạn như thiết lập tên đăng nhập và mật khẩu.
Sử dụng decorator @app.route() để định nghĩa các route cho ứng dụng của bạn Thông thường, bạn sẽ khai báo @app.route('/') để áp dụng route gốc cho mọi chương trình.
+ Bước 5: Tạo hàm xử lý tương ứng với route gốc, hàm trả về với việc xuất ra một mẫu dựa trên file HTML đã xây dựng
+ Bước 6: Tạo hàm lấy hình ảnh và truyền hình ảnh từ webcam lên websever
+ Bước 7: Tạo một route để xử lý yêu cầu lấy hình ảnh từ websever và gửi reponse cho websever ví dụ @app.route('/video’)
+ Bước 8: Chạy ứng dụng Flask bằng câu lệnh app.run()
Hình 4.15: Sơ đồ hoạt động
Trình tự công việc tiến hành
- Phân công cho từng thành viên trong nhóm:
TT Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5
Thảo luận nhiệm vụ của từng thành viên
Tính toán chọn động cơ Quân Quân
Tính toán thiết kế chi tiết robot
Quang Quang Điều khiển động cơ Nhật Nhật
Gia công cơ khí Quang Quang
Kết nối phần điện Nhật Nhật
Nguyên lý hoạt động Quân Quân
Viết báo cáo Cả nhóm Cả nhóm Cả nhóm
Quay video mô phỏng Cả nhóm
Bảng 4.2: Phân công nhiệm vụ từng thành viên
TÍNH TOÁN CHI TIẾT CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ, CÁC BỘ PHẬN CỦA ROBOT, ĐIỀU KIỆN BỀN CỦA KHUNG GẦM
Tính toán công suất cần thiết, chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền cho hệ thống truyền động
STT Tên Khối lượng (Kg) Số lượng
5 Bộ vi sai cầu sau 25 1
Bảng 5.1: Khối lượng các bộ phận sử dụng trên robot
- Giả sử Robot di chuyển trong điều kiện là bằng phẳng hoặc lên dốc với góc α = 10⁰
- Tổng khối lượng xe không tải là: m0≈ 80 (kg) (từ bảng 5.1)
- Khối lượng thuốc bằng: 𝑚𝑚𝑡𝑡ℎ𝑢𝑢ố𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑡𝑡ℎ𝑢𝑢ố𝑐𝑐.𝜌𝜌𝑡𝑡ℎ𝑢𝑢ố𝑐𝑐 = 20 1 = 20 (kg)
+ Thể tích của thuốc mang theo của robot bằng 20 (l)
+ Khối lượng riêng của thuốc bằng xấp xỉ với nước 1 (kg/l)
- Khối lượng hàng hóa của robot có thể mang theo yêu cầu của đề tài bằng 100 (kg)
- Như vậy tổng khối lượng của robot là: m = 𝑚𝑚 0 +𝑚𝑚ℎà𝑛𝑛𝑛𝑛 ℎó𝑎𝑎 + 𝑚𝑚 𝑡𝑡ℎ𝑢𝑢ố𝑐𝑐 = 80 + 100 + 20 200 (kg)
Xác định công suất động cơ điện
Trường hợp 1: Robot chuyển động thẳng đều với vận tốc 3m/s
Hình 5.1: Các lực tác dụng lên robot chuyển động phẳng
- Áp dụng định luật 2 Newton trong trường hợp tổng quát ta có biểu thức như sau: theo phương 0x
- Lực ma sát lăn là:
+ Hệ số ma sát lăn của 4 bánh xe: μ= 4.0,01 = 0,04
- Lực cản không khí là:
+ k là hệ số cản không khí, chọn k = 0,5
+ S là tiết diện mặt trước của xe, S = 0,75 (m 2 )
- Thay vào công thức (3.1) ta có:
Trường hợp 2: Robot chuyển động nhanh dần đều từ vận tốc v 0 = 0 (m/s) đến vận tốc v = 3 (m/s) trong khoảng thời gian ∆t = 5 (s)
- Áp dụng định luật 2 Newton trong trường hợp tổng quát ta có biểu thức như sau: theo phương 0x
- Lực quán tính khi xe bắt đầu chuyển động là:
- Với a là gia tốc của xe:
- Thay vào công thức (5.5) ta có:
Trường hợp 3: Robot chuyển động đều lên dốc nghiêng 10 0
Hình 5.2: Các lực tác dụng lên robot khi lên dốc nghiêng 10 0
- Áp dụng định luật 2 Newton trong trường hợp tổng quát ta có biểu thức như sau: theo phương 0x
- Lực ma sát lăn khi lên dốc là: 10 0
+ Tổng trọng lượng của xe: P = 2000 (N)
+ Hệ số ma sát lăn của 4 bánh xe: μ= 4.0,01 = 0,04
+ α = 10⁰ là độ dốc của mặt phẳng so với phương ngang
- Lực cản khi xe lên dốc là:
- Thay vào công thức (5.9) ta có:
Trong trường hợp tổng hợp lực đầy đủ, lực F_fk = 547 N (5.12) được xác định Tuy nhiên, trong thực tế, trường hợp này thường không tồn tại đồng thời Do đó, lực cần thiết của động cơ cần được tính toán lại.
+ Hiệu suất bộ vi sai là: 𝜂𝜂1 = 0,96
+ Hiệu suất bộ giảm tốc là: 𝜂𝜂2 = 0,97
+ Hiệu suất động cơ >80% nên chọn là: 𝜂𝜂3 = 0,86
- Hiệu suất bộ truyền là: 𝜂𝜂 =𝜂𝜂 1 𝜂𝜂 2 𝜂𝜂 3 = 0,96.0,97.0,86 = 0,8 (5.14)
- Công suất cần thiết của động cơ:
Công suất cần thiết cho hoạt động ổn định trên các đoạn đường khác nhau được tính bằng công thức 𝑃𝑃 𝑐𝑐𝑡𝑡 = 𝑃𝑃 𝜂𝜂 𝑙𝑙𝑙𝑙 = 0,36 * 0,8 ≃ 0,45 (kW) Để đảm bảo an toàn, hệ số an toàn được chọn là 𝛾𝛾 = 1,25, từ đó ta có thể tính lại công suất cần thiết.
- Bán kính bánh xe là 15cm
- Chọn tỉ số truyền động 𝑢𝑢 𝑏𝑏 = 1 => 𝑢𝑢 𝑐𝑐 = 1
- Động cơ được chọn phải thoả mãn điều kiện : � 𝑃𝑃 𝑐𝑐𝑡𝑡 = 560𝑊𝑊 ≤ 𝑃𝑃 đ𝑐𝑐
- Do đó, nhóm em chọn động cơ Brushless DC 48V-500W do có bộ giảm tốc
+ Động cơ motor có thông số kỹ thuật như sau:
• Tốc độ tối đa: 2800-3000 (vòng/phút)
Bán kính quay đầu
Hình 5.4: Sơ đồ quay vòng của robot
𝛼𝛼 ∶ Góc quay trung bình của các bánh dẫn hướng
𝛼𝛼 1 ∶ Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng thứ nhất đo từ thực nghiệm 𝛼𝛼 1 = 30 0
𝛼𝛼 2 : Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng thứ haiđo từ thực nghiệm 𝛼𝛼 2 = 35 0
𝐿𝐿 : chiều dài cơ sở của robot 𝐿𝐿 = 1000 (𝑚𝑚𝑚𝑚)
𝐵𝐵 1 là khoảng cách tâm trụ đứng của cầu trước 𝐵𝐵 1 = 587 (𝑚𝑚𝑚𝑚)
𝐵𝐵 là khoảng cách 2 vết bánh xe trước 𝐵𝐵 = 900 (𝑚𝑚𝑚𝑚)
Thay các thông số trên vào (5.16) ta được 𝑅𝑅𝑞𝑞𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛 = 2280 (𝑚𝑚𝑚𝑚)
Vậy xe có bán kính quay vòng nhỏ nhất là 𝑅𝑅 𝑞𝑞𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛 = 2280 (𝑚𝑚𝑚𝑚)
Tính toán, chọn vi sai cầu sau
- Tốc độ của xe mong muốn đạt là 𝑉𝑉𝑏𝑏𝑏𝑏 = 1 (m/s)
- Tốc độ động cơ lựa chọn là 𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑐𝑐 = 3000 𝑅𝑅𝑃𝑃𝑅𝑅 = 50 (vòng/s)
- Vì vậy tỉ số truyền giữa động cơ và hệ thống vi sai là 𝑠𝑠 = 47 1 = 47 Vì vậy ta chọn hệ thống vi sai có tỉ số truyền là 50
Hình 5.5: Hình vi sai cầu sau
Sức bền của khung
5.4.1 Chọn vật liệu làm khung:
- Vật liệu làm khung là thép vuông 30 (mm) x 30 (mm), bề dày 1.4 (mm) với mác thép là CT3
- Khung và vỏ được nối chung bằng mối hàn, chúng đồng thời tiếp nhận và chịu tải trọng + Khối lượng riêng 7.85 (g/cm 3 )
+ Giới hạn chảy: σch = 340 (MPa)
Hình 5.6: Khung xe thiết kế trong Inventer
5.4.2 Kết quả kiểm nghiệm độ bền khung trên Inventer:
- Ứng suất pháp lớn nhất: 4,614 (MPa) < [𝜎𝜎 𝑏𝑏 ] = 207 (MPa)
Hình 5.7: Kết quả phân tích ứng suất bền
Theo hình 5.8, chuyển vị lớn nhất ghi nhận là 0,083 mm Dựa trên nguyên lý hoạt động và chức năng của các bộ phận robot, mức chuyển vị này không gây ảnh hưởng đáng kể đến các vị trí tương quan và chức năng của robot.
Hình 5.8: Kết quả phân tích chuyển vị
Vậy khung robot trong trạng thái động đủ bền để chịu tải trọng
Kết luận: Qua 2 quá trình kiểm nghiệm, có thể thấy khung robot được thiết kế đủ bền để robot luôn được vận hành ổn định.
Tính động cơ lái Servo DC
Hình 5.9: Mô hình tính động cơ lái
𝐹𝐹 𝑚𝑚𝑚𝑚 = 60𝑁𝑁 từ (3.2) để bánh xe có thể quay được thì cần thắng được lực ma sát nên ta có: 𝑅𝑅 1 =𝑅𝑅 2 =𝐹𝐹 𝑚𝑚𝑚𝑚 0,1 = 6 (𝑁𝑁.𝑚𝑚)
Từ (1) suy ra ta có: 𝑅𝑅 =−𝑅𝑅 1 − 𝑅𝑅 2 =−6−6 =−12𝑁𝑁.𝑚𝑚 ≈ −1,2 (𝑘𝑘𝑔𝑔.𝑚𝑚)
Chúng ta đã quyết định chọn động cơ có mô men lớn hơn 1,2 Kg.m Do chưa tìm được động cơ phù hợp trong quá trình mua sắm, nhóm đã tạm thời sử dụng động cơ ASMC-04A.
Loại thông số Giá trị
Góc quay 300 0 Điện áp tín hiệu đầu vào 0 (V) đến +5 (V) Điều khiển độ chính xác 0,32 0
Kích thước 95,5(mm) x 60,5 (mm) x 102,6 (mm)
Bảng 5.2: Thông số động cơ servo DC
Tính toán chọn trục trước
- Nhóm dùng phần mềm MDSolid để tính toán chọn trục bánh trước
- Tiết diện nguy hiểm nhất tại khớp A: Mtd = 12200 (N.mm)
- Dựa vào công thức xác định đường kính trục:
Tính toán lựa chọn ổ bi
Fms = 80 (N) (Khi chuyển động nằm ngang)
Q = 𝑃𝑃 4 = 375 (N) (Phản lực tại mỗi bánh xe)
- Ta có lực tổng hợp tại 2 đầu trục lần lượt bằng
- Vậy ta tính theo giá trị F1 = 383 (N)
- Theo công thức với 𝐹𝐹 𝑎𝑎 = 0 (lực dọc trục)
Trong đó: đối với ổ đỡ chỉ chịu lực hướng tâm X = 1, V =1 (Vòng trong quay), 𝑘𝑘 𝑡𝑡 = 1 (nhiệt độ t