Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vận chuyển thiết bị dụng cụ trong nhà xưởng dùng bánh xe đa hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH VẬN CHUYỂN THIẾT BỊ/DỤNG CỤ TRONG NHÀ XƯỞNG DÙNG BÁNH XE ĐA HƯỚNG GVHD: ThS TRẦN THỤY UYÊN PHƯƠNG SVTH: LÊ NGUYỄN ĐỨC ANH PHẠM NGỌC SƠN ĐỖ MINH TRIỀU S K L Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH VẬN CHUYỂN THIẾT BỊ/DỤNG CỤ TRONG NHÀ XƯỞNG DÙNG BÁNH XE ĐA HƯỚNG” Giảng viên hướng dẫn : ThS TRẦN THỤY UYÊN PHƯƠNG Sinh viên thực hiện: LÊ NGUYỄN ĐỨC ANH - 19146049 PHẠM NGỌC SƠN - 19146045 ĐỖ MINH TRIỀU - 1916283 Lớp: 19146CL2A Khóa: 2019 - 2023 Tp Thủ Đức, tháng 07 năm 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHÃI VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Độc lập – Tự – Hạnh phúc Bộ môn CNKT Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ II/ năm học 2022-2023 Giảng viên hướng dẫn: ThS Trần Thụy Uyên Phương Sinh viên thực hiện: Lê Nguyễn Đức Anh Phạm Ngọc Sơn MSSV: 19146049 MSSV: 19146045 Điện thoại: 0394827250 Điện thoại: 0388189695 Đỗ Minh Triều MSSV: 19146283 Điện thoại: 0852551421 Mã số đề tài: Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vận chuyển thiết bị/dụng cụ nhà xưởng dùng bánh xe đa hướng.” Các số liệu, tài liệu ban đầu: − Khối lượng robot: 25Kg − Khung robot: 50x40x40cm − 3 Robot vận chuyển 5Kg với vận tốc lớn 0,5m/s Nội dung đồ án: Thiết kế chế tạo robot di chuyển bánh xe đa hướng Thiết kế điều khiển cho robot Nghiên cứu thuật toán di chuyển robot Các sản phẩm dự kiến: − Mơ hình mobile robot − Thuật toán điều khiển robot − Giải thuật di chuyển tránh vật cản Ngày giao đồ án: 15 / 03 / 2023 Ngày nộp đồ án: 15 / 07 / 2023 Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh ☐ Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh ☐ Tiếng Việt  I TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) II GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẨN (ký, ghi rõ họ tên) LỜI CAM KẾT − Tên đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vận chuyển thiết bị/dụng cụ nhà xưởng dùng bánh xe đa hướng.” − GVHD: ThS Trần Thụy Uyên Phương − Họ tên sinh viên: • Lê Nguyễn Đức Anh MSSV: 19146049 Số điện thoại liên lạc: 0394827250 Địa liên hệ: 68B KP Thái Hồ, P Long Bình Tân, TP Biên Hồ, Đồng Nai Email: 19146049@student.hcmute.edu.vn • Phạm Ngọc Sơn MSSV: 19146045 Số điện thoại liên lạc: 0388189695 Địa liên hệ: 30B, đường số 3, phường Trường Thọ, Tp Thủ Đức, Tp HCM Email: 19146045@student.hcmute.edu.vn • Đỗ Minh Triều MSSV: 19146283 Số điện thoại liên lạc: 0852551421 Địa liên hệ: 127/6 Hoàng Diệu 2, phường Linh Trung, Tp Thủ Đức, Tp HCM Email: 19146283@student.hcmute.edu.vn − Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): − Lời cam kết:” Chúng tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình chúng tơi nghiên cứu thực Chúng không chép từ viết công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.” Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2023 Ký tên sinh viên thực SV Lê Nguyễn Đức Anh SV Phạm Ngọc Sơn III SV Đỗ Minh Triều LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bậc sinh thành chúng tôi, người ba, mẹ hi sinh điều tốt để bước vào ngưỡng cửa đại học ngày hôm để hồn thành đồ án tốt nghiệp này, ba mẹ ln đứng sau lưng đồng hành động viên việc làm, giúp đỡ từ vật chất đến tinh thần, tiếp động lực để vững tin thực tốt khóa luận tốt nghiệp này, khơng có đấng sinh thành khơng có chúng tơi ngày hơm Để hồn thiện báo cáo cho khóa luận tốt nghiệp chúng tơi xin gửi đến cô Trần Thụy Uyên Phương thầy Hà Lê Như Ngọc Thành biết ơn sâu sắc, thầy tận tình dẫn, hỗ trợ nhóm chúng tơi để hồn thành báo cáo khóa luận tốt nghiệp hoàn thiện, thắc mắc khó khăn thầy, ln tận tâm giúp đỡ Song song q trình học tập, với q trình hồn thiện báo cáo, trình độ lý luận kinh nghiệm thực tế vẩn cịn hạn chế khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong q thầy, hội đồng nhà trường lượng thứ bỏ qua…, nhóm mong nhận nhận xét đánh giá đóng góp từ q thầy, để nhóm chúng tơi thêm nhiều kinh nghiệm từ hồn thiện tốt khóa luận tốt nghiệp Nhóm chúng tơi xin chân thành cảm ơn! IV TĨM TẮT ĐỒ ÁN Trong khố luận tốt nghiệp nhóm chúng tơi thực đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vận chuyển thiết bị/dụng cụ nhà xưởng dùng bánh xe đa hướng.”, với dự án đưa robot vào hoạt động việc vận chuyển loại hàng hóa kho hàng trở nên đơn giản tối ưu hóa đường từ giảm chi phí vận hành Chúng tơi chế tạo robot AMRs hệ nâng cấp dạng xe tiền nhiệm AGV truyền thống đồng thời kết hợp với bánh đa hướng, sử dụng ROS cung cấp thư viện có sẵn cho phép robot di chuyển với việc liên kết với cảm biến LiDAR, IMU để viết thuật toán theo dõi cho phép robot di chuyển không gian nhà xưởng cách dễ dàng, nhanh chóng phía trước tự tạo đường tối ưu đến vị trí mục tiêu tránh va chạm với vật cản Sau nhiều tháng miệt mài tìm hiểu nghiên cứu thiết kế, lắp ráp robot, nhóm chúng tơi đến hơm tạo thành cơng mơ hình sản phẩm robot, với việc thử nghiệm hoạt động robot cho thấy robot quét chướng ngại vật điều hướng hành trình đến mục tiêu mong muốn, khơng vật cản ngẫu nhiên tạo đường đến vị trí mục tiêu V MỤC LỤC LỜI CAM KẾT III LỜI CẢM ƠN IV TÓM TẮT ĐỒ ÁN V MỤC LỤC VI DANH MỤC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC HÌNH VẼ X DANH MỤC SƠ ĐỒ XV DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XVI ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT VẬN CHUYỂN THIẾT BỊ/DỤNG CỤ TRONG NHÀ XƯỞNG DÙNG BÁNH XE ĐA HƯỚNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.2.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu .3 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Robot AMRs .5 2.1.1 Giới thiệu chung robot AMRs 2.1.2 Lịch sử hình thành phát triển robot AMRs .6 2.2 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.2.1 Các nghiên cứu nước 2.2.2 Tình hình nghiên cứu nước .13 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 3.1 Hệ thống ROS 14 3.1.1 Định nghĩa hệ thống ROS 14 3.1.2 Nền tảng phần mềm Robot 14 3.1.3 Sự cần thiết tảng phần mềm Robot .14 3.2 Công nghệ SLAM 14 3.2.1 giới thiệu công nghệ SLAM 14 VI 3.2.2 Cách thức hoạt động SLAM 16 3.2.3 Ưu điểm điều hướng SLAM 17 3.3 Công nghệ LiDAR 17 3.4 Điều hướng Robot (Navigation) .20 3.5 Bộ điều khiển PID 21 3.5.1 Giới thiệu điều khiển PID 21 3.5.2 Lý thuyết thuật toán 22 3.5.3 Phương pháp điều chỉnh PID .24 3.6 Giao thức truyền thông .25 3.7 Tóm tắt UART .26 3.7.1 Giới thiệu UART 26 3.7.2 Giới thiệu Rosserial .27 CHƯƠNG 4: TIẾN HÀNH TÍNH TỐN, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 29 4.1 Yêu cầu thiết kế 29 4.2 Tính tốn lựa chọn .29 4.2.1 Cơ cấu di chuyển 29 4.2.2 Động học robot 30 4.2.3 Bộ truyền 37 4.2.4 Tính tốn thuật toán PID 39 4.2.5 Lựa chọn bánh xe .56 4.2.6 Lựa chọn động 59 4.2.7 kiểm nghiệm độ bền trục 63 4.2.8 Ổ đỡ 67 4.2.9 Khớp nối cứng 71 4.2.10 Khung robot 72 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT 73 5.1 Thiết kế robot AMR 73 5.1.1 Khung gầm 73 5.1.2 Khung robot .75 5.1.3 Vị trí đặt thiết bị điện 78 5.2 Thiết kế sơ đồ khối 80 5.2.1 Lưu đồ giải thuật .80 5.2.2 Giải thích lưu đồ giải thuật .83 5.3 Thiết kế hệ thống điện 85 5.3.1 Sơ đồ khối Robot 85 5.3.2 Sơ đồ điện Robot 86 VII 5.3.3 Các linh kiện điện tử cho mơ hình robot tự hành AMRs 87 5.4 Thuật toán SLAM Navigation 100 5.4.1 Thuật toán Slam .100 5.4.2 Thuật toán Navigation 102 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 117 6.1 Kết thực nghiệm 117 6.1.1 Phần khí: .117 6.1.2 Phần điều khiển 118 6.1.3 Kết đo lường 123 6.2 Đánh giá 133 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 134 7.1 Kết luận 134 7.2 Giải pháp 134 7.3 Hướng phát triển .135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 VIII