Untitled TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tp Hồ Chí Minh, 01/2021 SVTH PH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT LẤY[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT LẤY HÀNG TỰ ĐỘNG SVTH: PHAN THANH NAM MSSV: 17146367 SVTH: TRẦN HẢI YẾN MSSV: 17146226 Khóa: K17 Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: ThS PHẠM BẠCH DƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, 01/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT LẤY HÀNG TỰ ĐỘNG SVTH: PHAN THANH NAM MSSV: 17146367 SVTH: TRẦN HẢI YẾN MSSV: 17146226 Khóa: K17 Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: ThS PHẠM BẠCH DƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, 01/2021 LỜI CẢM ƠN Lời nhóm sinh viên thực xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật nói chung thầy khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức, kinh nghiệm quý báu thời gian qua Tiếp theo, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phạm Bạch Dương, giảng viên hướng dẫn nhóm, thày Nguyễn Văn Sơn góp phần hình thành nên ý tưởng đề tài Trong q trình thực đề tài, nhóm chúng em nhận nhiều giúp đỡ, hướng dẫn góp ý từ thày Vũ Quang Huy, thày Bùi Hà Đức, thày Nguyễn Minh Triết, thày Dương Thế Phong để đề tài nhóm hồn thành thời điểm Một lần nữa, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu tận tình giúp đỡ chúng em suốt trình thực đề tài nghiên cứu Trong trình thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý quý thầy bạn để đề tài hồn thiện Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiền đề tài Phan Thanh Nam Trần Hải Yến i TĨM TẮT Lịch sử hình thành phát triển hệ thống bán hàng đại nước có kinh tế phát triển cho thấy hình thức tổ chức thương mại có hiệu ngày đóng vai trị quan trọng hình thức phân phối hàng hóa Tuy nhiên, Việt Nam, hệ thống phân phối kiểu truyền thống cịn giữ vai trị quan trọng việc đại hóa hệ thống phân phối nói chung hệ thống bán lẻ nói riêng yêu cầu tất yếu cấp bách Trên thực tế, việc tìm kiếm mặt hàng nhiều mặt hàng tốn nhiều thời gian người tiêu dùng Việt Nam Việc tìm giải pháp để giảm bớt việc lại rút ngắn thời gian cơng việc cần thiết Đó lý nhóm nghiên cứu định chọn đề tài “Thiết kế chế tạo robot lấy hàng tự động” để khó khăn giải quyết, cần vài thao tác người tiêu dùng dễ dàng nhận mặt hàng cần thiết khoảng thời gian ngắn Đề tài thực thời gian từ tháng 20/9/2020 đến 5/1/2021 Nội dung sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu đề tài chủ yếu lý thuyết thuật toán A-star, điều khiển PID lý thuyết web server Nội dung đồ án trình bày cách đầy đủ việc xây dựng mơ hình robot tự động lấy hàng vị trí u cầu, phân tích tính tốn đường cho nhanh ngắn nhờ việc xây dựng thuật tốn A-star Ngồi ra, robot hệ thống tự cập nhật vị trí để phục vụ cho việc tránh né q trình vận hành thơng qua web server Kết đề tài sở để giảm thiểu thời gian sức người việc lấy hàng Và tảng để phát triển thành hệ thống lưu kho tự động tương lai ii MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 1.1.1: Tổng quan Robot lấy hàng tự động: 1.1.2: Tổng quan hệ thống điều khiển thuật toán PID: 1.1.3: Tổng quan thuật tốn tìm đường A-star: 1.2 Lý chọn đề tài: 1.4 Mục tiêu đề tài: 1.5 Bố cục: CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống robot lấy hàng tự động: 2.1.1 Tìm hiểu chung hệ thống vận chuyển hàng hóa: 2.1.2 Tìm hiểu cơng nghệ lấy cất hàng hóa tự động ASRS (Automated Storage & Retrieval System) 2.1.3 Về hệ thống khí: 2.1.4 Về phần mềm quản lý hệ thống: 2.1.5 Mơ hình tổng quan hệ thống: 10 2.2 Bộ điều khiển PID: 10 2.2.1 Khái niệm: 10 2.2.2 Các khâu hiệu chỉnh PID: 12 2.2.3 Các phương pháp dựa đặc tính: 16 2.3 Web server sở liệu: 16 2.3.1 Các ngơn ngữ lập trình cho Website: 16 2.3.2 Khái quát ngôn ngữ PHP: 17 2.3.3 Khái quát sở liệu MySQL: 17 2.4 Thuật tốn tìm đường A-star: 18 2.4.1: Khái niệm: 18 2.4.2: Thuật giải, thuật ngữ A-star: 19 2.4.3: Nguyên lý hoạt động thuật toán A-star: 19 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 24 iii 3.1 Đưa ý tưởng thông số, yêu cầu kỹ thuật mô hình: 24 3.1.1 Đưa ý tưởng: 24 3.1.2 Thông số yêu cầu kĩ thuật ban đầu mơ hình: 24 3.1.3 Tổng quan mơ hình robot: 25 3.2 Tính tốn, thiết kế khí: 26 3.2.1 Chọn động cơ: 26 3.2.2 Trục vít – đai ốc: 27 3.2.3 Bộ truyền đai: 30 3.2.4 Bánh côn: 31 3.2.5 Trục: 35 3.3 Tính tốn điều khiển PID: 52 3.3.1: Xác định mức vận tốc làm việc mơ hình: 52 3.3.2: Hiệu chỉnh điều khiển PID: 53 3.4 Thuật tốn tìm đường A-star: 54 3.5 Web server: 56 3.6 Lưu đồ giải thuật: 58 CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM 62 4.1 Các thiết bị sử dụng mơ hình: 62 4.1.1: Động Cơ Giảm Tốc GA25-370 12V 60rpm 62 4.1.2: Động Planet: 63 4.1.3: Nhơm định hình 20x20: 64 4.1.4: Trục vít – đai ốc: 65 4.1.5: Bộ truyền đai: 65 4.1.6: Raspberry Pi Model B: 67 4.1.7: Vi điều khiển ARDUINO MEGA 2560 69 4.1.8: Mạch điều khiển động DC L298: 71 4.1.9: Mạch điều khiển động XY-160D: 73 4.1.10: Mạch giảm áp XL4016 8A: 74 4.1.11: Mạch Giảm Áp DC XL4015 5A: 75 4.1.12: Mạch chuyển mức logic TXS0108E: 76 iv 4.1.13: Pin Lipo ShangYi 77 4.1.14: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F- DS30C4: 77 4.1.15: Cơng tắc hành trình SW14 5A: 78 4.1.16: Khóa điện từ solenoid lock LY- 01: 80 4.2 Các hệ thống mơ hình robot: 81 4.2.1 Hệ thống truyền trục bánh xe: 81 4.2.2 Hệ thống chuyển phương: 83 4.2.3 Hệ thống nâng hạ giỏ hàng: 85 4.3 Kết kiểm nghiệm thông số PID điều khiển đánh giá: 88 4.3.1 Xác định cấp vận tốc mơ hình: 88 4.3.2 Xác định thông số PID: 89 4.3.3 Đánh giá thông số điều khiển: 93 4.4 Kết thực nghiệm ứng dụng thuật tốn tìm đường A-star: 93 4.4.1 Ứng dụng thuật toán A-star mơ hình: 93 4.4.2 Đánh giá thuật toán A-star: 106 4.5 Thiết kế Web server quản lý vị trí robot: 107 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 110 5.1 Kết đạt được: 110 5.2 Kết luận: 110 5.3 Những hạn chế đề tài: 111 5.4 Những hướng phát triển cho đề tài: 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 v DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Mơ hình robot lấy hàng cửa hàng tạp hóa Mỹ Hình 2.1: Thiết bị vận chuyển Hình 2.2: Thiết bị vận chuyển Hình 2.3: Mơ mơ hình robot qua Inventor 10 Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển PID 11 Hình 2.5: Quá trình điều khiển với hệ số Kp khác 13 Hình 2.6: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tích phân với số thời gian 14 Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh vi phân với số thời gian 16 Hình 2.8: Mơ hình tương tác client-server: PHP MySQL 18 Hình 2.9: Ma trận đường 19 Hình 2.10: Các điểm lân cận so với điểm xét 21 Hình 2.11: Đường robot ma trận sau tính tốn 23 Hình 2.12: Mơ hình tổng quan robot 25 Hình 2.13: Mơ hình phân rã robot 26 Hình 3.1: Biểu đồ nội lực trục dài 38 Hình 3.1: Biểu đồ nội lực trục vừa 45 Hình 3.1: Biểu đồ nội lực trục ngắn 51 Hình 3.2: Mảng chiều tạo 55 Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật chương trình 58 Hình 3.4 : Lưu đồ giải thuật điều khiển PID 60 Hình 4.1: Động GA25-370 62 Hình 4.2: Thông số động GA25-370 63 Hình 4.3: Động Planet 30W 63 Hình 4.4: Thơng số động Planet 64 Hình 4.5: Nhơm định hình 64 Hình 4.6: Trục vít me 65 Hình 4.7: Bánh đai GT2 40 66 Hình 4.8: Bánh đai GT2 20 66 vi Hình 4.9: Dây đai GT2 67 Hình 4.10: Thơng số dây đai 67 Hình 4.11: Raspberry Pi 68 Hình 4.12: Ardiuno mega 2560 70 Hình 4.13: mạch cơng suất L298 71 Hình 4.14: sơ đồ chân mạch L298 72 Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch L298 72 Hình 4.17: Mạch giảm áp XL4016 8A 74 Hình 4.18: Mạch giảm áp XL4015 5A 75 Hình 4.19: Mạch chuyển mức logic TXS0108E 76 Hình 4.20: Pin Lipo 77 Hình 4.21: Cảm biến hồng ngoại 78 Hình 4.22: Cơng tắc hành trình 79 Hình 4.23: thơng số cơng tắc hành trình 80 Hình 4.24: Khóa điện từ solenoid 81 Hình 4.25: Bản vẽ chi tiết bánh xe 81 Hình 4.26: Bánh xe chạy theo phương y 82 Hình 4.27: Bánh xe chạy theo phương x 82 Hình 4.28: Bộ truyền trục vít đai ốc 84 Hình 4.29: Động giảm tốc truyền đai thang 84 Hình 4.30: Khóa điện từ solenoid sử dụng hệ thống 86 Hình 4.31:Mơ hình theo phương x 86 Hình 4.32: Mơ hình theo phương y 86 Hình 4.34: Sản phẩm hồn thiện 87 Hình 4.36: Đồ thị thể vận tốc theo thời gian 88 Hình 4.37: Đồ thị thể vận tốc theo thời gian setpoint = 150 rpm 89 Hình 4.38: Đồ thị thể vận tốc theo thời gian setpoint = 50 rpm 90 Hình 4.39: Đồ thị thể vận tốc theo thời gian setpoint = 16 rpm 91 Hình 4.40: Đồ thị đáp ứng vận tốc robot bắt đầu 92 Hình 4.41: Mảng chiều thể vị trí lấy hàng-trả hàng vị trí có vật cản 94 vii Hình 4.42: Đường robot 95 Hình 4.43 Tọa độ ô robot cần qua 96 Hình 4.44 Chuỗi data gửi từ Raspberry xuống Arduino 96 Hình 4.46: Các vị trí đầu vào robot 97 Hình 4.47: Các vị trí lân cận vật cản 97 Hình 4.48: Đường robot sau tính tốn 98 Hình 4.49: Các tọa độ robot qua 98 Hình 4.50: Tọa độ vị trí đầu vào 98 Hình 4.51: Các vị trí đầu vào 99 Hình 4.52: Các vị trí lân cận với vật cản 99 Hình 4.53: Đường robot sau tính tốn 100 Hình 4.54: Các tọa độ robot qua 100 Hình 4.55: Tọa độ vị trí đầu vào 100 Hình 4.56: Các vị trí đầu vào 101 Hình 4.57: Các vị trí lân cận với vật cản 101 Hình 4.58: Đường robot sau tính tốn 102 Hình 4.59: Các tọa độ robot qua 102 Hình 4.60: Các tọa độ vị trí đầu vào 102 Hình 4.61: Các vị trí đầu vào 103 Hình 4.62: Các vị trí lân cận với vật cản 103 Hình 4.63: Đường robot sau tính tốn 104 Hình 4.64: Các tọa độ mà robot qua 104 Hình 4.65: Các tọa độ vị trí đầu vào 104 Hình 4.66: Các vị trí đầu vào 105 Hình 4.67: Các vị trí lân cận với vật cản 105 Hình 4.68: Đường robot sau tính tốn 106 Hình 4.69: Các tọa độ robot qua 106 Hình 4.70: Đường tối ưu 107 Hình 4.71 : lưu đồ phát vật cản lúc di chuyển 108 Hình 4.72: Màn hình hiển thị lúc robot gặp vật cản di chuyển 109 viii