TỔNG QUAN
Giới thiệu robot tự hành trong nhà xưởng
Nhà xưởng là nơi tập trung nhân lực, thiết bị và nguyên vật liệu cho sản xuất và quản lý hàng hóa Phương pháp di chuyển hàng hóa truyền thống thường sử dụng xe đẩy và xe nâng do con người điều khiển, dẫn đến công việc nặng nhọc và tiềm ẩn nguy hiểm Trên toàn cầu, robot tự hành đã được ứng dụng rộng rãi trong quy trình di chuyển hàng hóa, mang lại hiệu quả cao trong các nhà máy và kho bãi.
Robot tự hành trong nhà xưởng (AGV) là loại robot di động tự động hóa vận chuyển, sử dụng các tín hiệu dẫn đường như laser, hình ảnh, từ trường và đường ray Kể từ cuối thế kỷ XX, sự phát triển của khoa học và công nghệ đã làm cho robot tự hành ngày càng trở nên phổ biến Những cải tiến trong công nghệ cảm biến, dẫn đường, bộ xử lý, truyền thông, thiết bị truyền động và nguồn năng lượng đã giúp tạo ra hệ thống robot tự hành (AGVS) với năng suất cao, hoạt động ổn định và chi phí vận hành thấp.
Việc áp dụng AGVS vào kho hàng, nhà xưởng có lợi ích sau:
- Hoạt động liên tục: cả ngày và đêm
- Thay thế con người vận chuyển hàng hóa nặng nhọc, có tính lặp lại
- Giảm chi phí vận hành, đặc biệt là chi phí đào tạo, sử dụng nhân công
- Tính chính xác và độ ổn định cao giúp quá trình sản xuất được liên tục
- Giảm thời gian vận chuyển
Do đó, các công ty sản xuất, thương mại đã và đang đẩy mạnh phát triển hệ thống nhà xưởng, kho hàng tự động dùng AGV
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến Đề tài này tập trung vào việc ứng dụng robot tự hành trong môi trường nội thất, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiệu quả trong các hoạt động hàng ngày Qua việc thiết kế và lập trình, sinh viên sẽ có cơ hội áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, đồng thời phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề và sáng tạo Việc nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích cho cá nhân mà còn góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ robot tại Việt Nam.
Trong nhà xưởng, hệ thống AGVS được sử dụng để tự động vận chuyển hàng hóa từ khu vực cấp hàng đến các vị trí sản xuất Hệ thống này thường bao gồm các phương tiện vận chuyển (xe), bộ điều khiển tích hợp trên AGV, phần mềm quản lý, cùng với hệ thống giao tiếp và dẫn đường.
Hệ thống giao tiếp Phần mềm quản lý
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống AGV
Phần mềm quản lý AGV trên máy tính là yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng AGV, bao gồm nhận yêu cầu, quản lý hàng hóa và theo dõi thống kê kho Năng suất của hệ thống AGV phụ thuộc nhiều vào phần mềm quản lý, và vai trò cũng như phương thức quản lý sẽ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của hệ thống AGV.
Hệ thống AGV trong dây chuyền lắp ráp sử dụng phần mềm quản lý để thu nhận thông tin loại hàng, cho phép lập trình các bước di chuyển trên từng AGV Đường đi từ khu sản xuất, lưu trữ đến khu lắp ráp được thiết lập cố định, giảm thiểu sự cần thiết phải tính toán phức tạp từ máy chủ Tốc độ di chuyển của AGV được điều chỉnh theo tốc độ lắp ráp.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà xoay quanh việc tối ưu hóa dây chuyền lắp ráp Dây chuyền này sử dụng nhân công và yêu cầu điều khiển robot bằng tay Đối với kho hàng, trung tâm xử lý cần thu nhận thông tin về vị trí và hàng hóa trên AGV để quản lý hệ thống hiệu quả Điều này bao gồm việc lựa chọn vị trí robot, tính toán lộ trình di chuyển tối ưu, và điều chỉnh vận tốc để tránh va chạm với các robot khác, từ đó giảm thiểu thời gian di chuyển khi sắp xếp hàng hóa trong kho.
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống kho hàng của Kiva [4]
Hệ thống giao tiếp trong AGV bao gồm việc trao đổi thông tin giữa máy chủ và robot, cũng như giữa các robot với nhau Do tính di động của robot, phương thức giao tiếp không dây được ưu tiên sử dụng Các công nghệ sóng vô tuyến phổ biến trong ngành công nghiệp bao gồm Wireless LAN (IEEE 802.11), IEEE 802.15.4 và Bluetooth (IEEE 802.15.1) Hệ thống AGV cần đáp ứng các yêu cầu về công nghệ không dây để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
- Có tính năng bảo mật cao
- Cấu hình và phương thức giao tiếp đơn giản
Công nghệ Bluetooth là lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị tự động nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp Mặc dù tầm hoạt động tiêu chuẩn của Bluetooth khoảng 10 mét, một số module đặc biệt có thể mở rộng phạm vi lên tới 200 đến 400 mét.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận động trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa Bài luận này tập trung vào việc phát triển và ứng dụng các giải pháp robot tự hành để cải thiện hiệu suất làm việc trong môi trường nhà xưởng Qua việc thiết kế và lập trình, robot có khả năng di chuyển linh hoạt, thực hiện các nhiệm vụ cụ thể và tương tác với môi trường xung quanh Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào sự phát triển của công nghệ robot mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Công nghệ Wireless LAN (IEEE 802.11) là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống AGV, giúp mở rộng quy mô và theo dõi, phân tích dữ liệu với tốc độ cao Băng thông 2.4 GHz có tầm hoạt động lên đến 200 mét, trong khi băng thông 5 GHz đạt khoảng 50 mét.
Có nhiều phương pháp vận chuyển khác nhau để đáp ứng yêu cầu lưu trữ và vận chuyển của từng loại hàng hóa Trong môi trường nhà xưởng, thường sử dụng ba kiểu AGV, giúp tối ưu hóa hầu hết các công việc vận chuyển.
AGV kéo hàng là một giải pháp hiệu quả cho việc vận chuyển hàng hóa với khoảng cách xa, có khả năng kéo các khay hàng với nhiều kích thước và số lượng khác nhau Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn và hiệu quả, cần có không gian di chuyển rộng rãi và các đoạn cua với bán kính lớn để tránh va chạm.
Hình 1.3: AGV kiểu kéo hàng
AGV chở hàng được trang bị bộ phận chứa hàng, nâng hàng hoặc băng tải, cho phép lấy hàng hiệu quả Kiểu AGV này có thể kết hợp với băng tải trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp, mang lại sự linh hoạt cao hơn so với AGV kéo hàng Điều này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống kho hàng có không gian hẹp và góc cua nhỏ.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, giúp phát triển công nghệ robot phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường nội thất Đề tài này không chỉ nâng cao kiến thức về thiết kế và lập trình robot mà còn mở ra cơ hội ứng dụng thực tiễn trong đời sống Việc nghiên cứu và phát triển robot tự hành sẽ góp phần nâng cao hiệu quả công việc và cải thiện chất lượng cuộc sống Thông qua luận văn, sinh viên sẽ có cơ hội thể hiện khả năng sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề trong lĩnh vực công nghệ robot.
Hình 1.4: AGV kiểu chở hàng
Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về robot tự hành trong nhà xưởng
Robot tự hành trong nhà xưởng đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu, với nhiều ứng dụng đa dạng nhờ vào việc tích hợp các công nghệ tiên tiến Một ví dụ điển hình là Kiva Robot, được Amazon Robotics (Mỹ) nghiên cứu và sản xuất, có khả năng nhận và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ và tự động tiếp nhận công việc mới sau khi sạc pin Robot này nặng khoảng 150 kg và có khả năng nâng kệ hàng lên đến 320 kg, với vận tốc di chuyển tối đa trong kho hàng là 1 m/s.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ Bài luận này tập trung vào việc phát triển và ứng dụng các robot tự hành, nhằm cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các hoạt động trong nhà Việc thiết kế robot tự hành không chỉ đòi hỏi kiến thức kỹ thuật mà còn cần sự sáng tạo trong việc giải quyết các vấn đề thực tiễn Qua đó, luận văn góp phần nâng cao hiểu biết về công nghệ robot và mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
Các công ty trong nước đang nghiên cứu và ứng dụng robot tự hành vào nhà máy nhằm giảm giá thành và nắm bắt công nghệ mới Tuy nhiên, hạn chế về công nghệ sản xuất ảnh hưởng đến quy mô và chất lượng sản phẩm robot Năm 2013, công ty Changsing Việt Nam đã triển khai hệ thống AGV (xe tự hành) để vận chuyển hàng hóa trong quy trình sản xuất giày, do nhóm AZauto từ Đại học Lạc Hồng thực hiện Hệ thống AGV sử dụng công nghệ dẫn đường bằng line từ trường và RFID để nhận diện khúc cua cũng như vị trí sạc Với khối lượng 150 kg, AGV có khả năng kéo hàng lên đến 400 kg và di chuyển với tốc độ khoảng 0,5 m/s.
Hình 1.7: Smart AGV trong công ty Changsing Việt Nam.
Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn
Nhu cầu sản xuất và mua bán hàng hóa tại Việt Nam đang gia tăng, khiến các nhà máy cần cải tiến quy trình vận chuyển để nâng cao năng suất Do đó, việc nghiên cứu và phát triển xe tự hành trở nên cần thiết Mục tiêu của đề tài là phân tích và thiết kế robot tự hành hoạt động trong nhà xưởng, với nhiệm vụ đầu tiên là phân tích và lựa chọn phương án thiết kế để giải quyết vấn đề hiệu quả.
- Đề xuất phương án khả thi: cơ khí, điện, điều khiển
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một chủ đề nghiên cứu quan trọng Nó tập trung vào việc phát triển các hệ thống robot có khả năng tự động hóa các tác vụ trong môi trường nhà ở Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả công việc mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống Các robot tự hành sẽ được thiết kế để hoạt động an toàn và hiệu quả trong không gian sống, mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng.
- Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế
Để thực hiện phương án thiết kế hệ thống cơ khí, trước tiên cần tìm hiểu và đánh giá các thiết bị trên thị trường, bao gồm động cơ và vi điều khiển Sau khi lựa chọn được kết cấu cơ khí phù hợp, tiến hành tính toán và thiết kế hệ thống để đảm bảo hiệu suất và tính khả thi.
- Thiết lập các phương trình động học, quan hệ giữa vận tốc góc của động cơ và vận tốc của robot
- Tính toán công suất để lựa chọn động cơ
- Tính toán thiết kế các chi tiết cơ khí của robot c) Thiết kế hệ thống điện – điện tử
Với các phương án điện đã được lựa chọn, tiến hành xác định các thông số và sử dụng các thiết bị phù hợp, kết hợp chúng thành một hệ thống hoàn chỉnh Công việc này bao gồm việc lựa chọn thiết bị, đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả trong hoạt động.
- Lựa chọn thông số vi điều khiển, các mô đun công suất và cảm biến
Sử dụng cảm biến của robot để thiết kế bộ điều khiển, áp dụng hồi tiếp vận tốc nhằm điều khiển động cơ hiệu quả Tiến hành xây dựng các giải thuật điều khiển cho robot, tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong các nhiệm vụ thực hiện.
- Thiết kế giải thuật tìm đường trên máy tính cho một hệ thống kho hàng cụ thể
Thiết kế giải thuật điều khiển robot tự hành nhằm đáp ứng các yêu cầu cụ thể Công việc lập trình bao gồm lập trình trên máy tính và vi điều khiển, đảm bảo hiệu suất và tính năng của robot.
Lập trình giao diện chọn hàng hóa trên máy tính
- Lập trình giải thuật tìm đường đi đến tất cả vị trí hàng hóa
- Gửi dữ liệu đã xử lý cho robot
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nó tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm cải thiện hiệu suất và khả năng tự động hóa trong môi trường nội thất Đề tài này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn mà còn đóng góp vào lĩnh vực robot tự hành, mở ra nhiều cơ hội nghề nghiệp trong tương lai Thực hiện luận văn này, sinh viên sẽ nâng cao kỹ năng thiết kế, lập trình và phân tích hệ thống, từ đó tạo ra những sản phẩm hữu ích cho cuộc sống hàng ngày.
- Nhận dữ liệu từ máy tính, thực hiện di chuyển
- Gửi về máy tính những thông số về trạng thái của robot f) Thực nghiệm và đánh giá kết quả
- Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những hạn chế của giải thuật và mô hình
1.3.3 Giới hạn và phạm vi luận văn Robot tự hành trong điều kiện địa hình bằng phẳng, với các thông số sau:
- Khối lượng robot ước tính: 50 (kg)
- Khối lượng vận chuyển: tối đa 50 (kg)
- Vận tốc di chuyển tối đa: 0,5 (m/s)
- Thời gian làm việc ước tính: 8 (giờ).
Tổ chức luận văn
Chương 2 tập trung vào việc lựa chọn phương án thiết kế cơ khí cho robot, bao gồm cơ cấu lái và bộ truyền Đồng thời, bài viết cũng đề cập đến việc lựa chọn phương án điện - điện tử cho robot, trong đó có động cơ, cảm biến dẫn đường và bộ điều khiển.
Chương 3 tập trung vào việc phân tích phương trình động học và các biểu thức liên quan đến vận tốc của robot Nội dung bao gồm việc tính toán công suất cần thiết cho động cơ, cũng như thiết kế cơ khí với các tính toán cho các trục chịu tải của robot.
Chương 4 tập trung vào việc xây dựng hệ thống điện, bao gồm việc lập sơ đồ kết nối các mô đun trong hệ thống điện và sử dụng, điều khiển các thiết bị trên robot.
- Chương 5: thiết kế giải thuật chương trình tìm đường trên máy tính, chương trình điều khiển trên robot
- Chương 6: thực nghiệm và đánh giá kết quả
- Chương 7: tổng kết và nêu phương hướng phát triển đề tài
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vệ tinh hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển công nghệ robot phục vụ cho nhiều ứng dụng thực tiễn Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo robot có khả năng tự động di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ trong không gian nội thất, sử dụng công nghệ vệ tinh để định vị và điều hướng Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào lĩnh vực kỹ thuật robot mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT
Phương án cơ khí
Để có phương án di chuyển phù hợp, ta cần phân tích các dạng cơ cấu lái thường được sử dụng cho robot trong nhà xưởng như sau:
Cơ cấu lái vi sai (differential drive)
Cơ cấu này sử dụng hai bánh dẫn động phía sau để đạt được tốc độ và góc xoay mong muốn, đồng thời yêu cầu có bánh tự lựa để duy trì sự cân bằng.
- Đơn giản về cơ khí và dễ dàng áp dụng
- Không cần cơ cấu bẻ lái
- Bán kính quay xe bằng không
- Điều khiển đồng thời vận tốc và hướng của xe bằng hai động cơ
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho việc tự động hóa trong môi trường nội thất Dự án này không chỉ nâng cao khả năng vận hành của robot mà còn cải thiện hiệu suất làm việc và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng Việc thiết kế robot tự hành cần chú trọng đến các yếu tố như cảm biến, điều khiển và tương tác với môi trường xung quanh Kết quả của nghiên cứu sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.
- Khó điều khiển chạy thẳng do hai động cơ độc lập
- Dễ lật đối với xe chỉ có một bánh tự lựa trên địa hình gồ ghề
Cơ cấu lái xe ba bánh (tricycle)
Cơ cấu này bao gồm một động cơ điều khiển hai bánh sau với bộ vi sai, kết hợp với một động cơ cho bánh trước, có thể hoạt động để lái hoặc vừa lái vừa dẫn động.
- Điều khiển dẫn động và bẻ lái độc lập
- Cơ cấu lái đơn giản (nếu bánh dẫn động phía sau)
- Di chuyển qua đoạn đường cong ổn định
- Dẫn động bánh sau cần có bộ vi sai (nếu không có sẽ bị trượt bánh lái)
- Dễ lật trên địa hình gồ ghề
Hình 2.2: Robot Athena sử dụng cơ cấu lái xe 3 bánh [7]
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một chủ đề nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp tự động hóa trong môi trường nội thất Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo robot có khả năng hoạt động độc lập, thực hiện các nhiệm vụ cụ thể trong không gian sống và làm việc Các ứng dụng của robot tự hành trong nhà không chỉ giúp nâng cao hiệu quả công việc mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống Thông qua việc áp dụng các công nghệ hiện đại, luận văn sẽ trình bày quy trình thiết kế, lập trình và thử nghiệm robot, từ đó đưa ra những kết luận và khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.
Cơ cấu lái đồng bộ (Synchronous drive, swerve drive) Tất cả các bánh xe đều gắn động cơ dẫn động và bẻ lái
Hình 2.3: DEWBOT XIII sử dụng cơ cấu lái đồng bộ 4 bánh [8]
- Bán kính quay xe bằng không
- Di chuyển tốt trên địa hình gồ ghề (đối với xe bốn bánh trở lên)
- Di chuyển về mọi hướng mà không cần quay xe
- Hệ thống cơ khí phức tạp vì mỗi bánh phải có động cơ dẫn động và bẻ lái
- Điều khiển phức tạp do có nhiều động cơ
Mô hình robot cần một cơ cấu lái đơn giản và linh hoạt để dễ dàng xoay trở trong kho hàng, với ưu điểm lớn là bán kính góc quay xe bằng không Điều kiện di chuyển trong nhà xưởng là mặt phẳng, vì vậy cơ cấu lái vi sai là lựa chọn phù hợp cho mô hình robot Cơ cấu lái vi sai đơn giản bao gồm hai bánh dẫn động phía sau và một bánh tự lựa phía trước.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ Bài viết này tập trung vào việc phát triển và ứng dụng robot tự hành để cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa quy trình làm việc trong môi trường nhà xưởng Các giải pháp thiết kế và công nghệ tiên tiến được áp dụng nhằm tạo ra những robot có khả năng tự động hóa cao, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Kết quả nghiên cứu không chỉ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển robot trong tương lai.
Bộ truyền đai bao gồm bánh dẫn được lắp trên trục động cơ và bánh bị dẫn lắp trên tải Momen được truyền đi nhờ vào lực ma sát giữa dây đai và các bánh đai.
- Không gây ồn ào, làm việc êm
- Khi động cơ bị quá tải sẽ không gây thiệt hại do sự trượt của đai
- Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau
- Tỷ số truyển khi làm việc thay đổi do đai bị trượt
- Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh
Bộ truyền đai răng có cơ cấu tương tự bộ truyền đai nhưng momen truyền đi nhờ ăn khớp giữa dây đai và các bánh đai
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nội dung chính của luận văn tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ cho robot tự hành, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động trong môi trường nhà Đặc biệt, luận văn sẽ trình bày các phương pháp thiết kế, lập trình và kiểm tra robot, đảm bảo tính năng vận động linh hoạt và chính xác Thông qua nghiên cứu này, sinh viên sẽ có cơ hội áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ robot tại Việt Nam.
Hình 2.5: Bộ truyền đai răng
- Kích thước bánh đai nhỏ
- Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai
- Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh
Bộ truyền xích bao gồm xích và các đĩa xích dẫn, bị dẫn, giúp chuyển động và tải trọng từ trục dẫn động sang trục bị dẫn Sự ăn khớp giữa các mắt xích và răng của đĩa xích là yếu tố quan trọng trong quá trình truyền động này.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho robot Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và triển khai các hệ thống robot có khả năng tự động hóa các tác vụ trong môi trường sống, mang lại hiệu quả và tiện ích cho người sử dụng Qua đó, luận văn sẽ trình bày các phương pháp thiết kế, các công nghệ cảm biến và điều khiển, cũng như các ứng dụng thực tiễn của robot tự hành trong nhà.
- Không có hiện tượng trượt
- Lực tác dụng lên trục nhỏ hơn bộ truyền đai
- Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau
- Kích thước bộ truyền lớn, cồng kềnh, tốc độ chậm
- Gây ra tiếng ồn, không thích hợp khi làm việc ở vận tốc cao
- Dễ bị ăn mòn, biến dạng xích, phải thường xuyên thay thế
Bộ truyền bánh răng là hệ thống truyền động và momen thông qua sự ăn khớp giữa các bánh răng Trục dẫn động và bị dẫn có thể sắp xếp theo nhiều cách, bao gồm song song, giao nhau, chéo nhau, hoặc chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.
Hình 2.7: Bộ truyền bánh răng
- Kích thước bộ truyền nhỏ, khả năng tải lớn
- Tỷ số truyền không đổi, hiệu suất cao
- Vận tốc làm việc và tỉ số truyền lớn nhờ lắp nhiều bánh răng ăn khớp
- Tuổi thọ và độ bền cao
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vệ hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Đề tài này tập trung vào việc phát triển và ứng dụng công nghệ robot trong môi trường nội thất, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và tự động hóa Qua việc thiết kế và chế tạo robot tự hành, luận văn sẽ trình bày các phương pháp, kỹ thuật và ứng dụng thực tế, góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.
- Chế tạo tương đối phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao
Khi làm việc ở vận tốc cao, tiếng ồn là một vấn đề cần lưu ý Trong nghiên cứu này, robot chế tạo có kích thước và khối lượng nhỏ, do đó, phương án sử dụng bộ truyền đai và bộ truyền xích không được xem xét Mặc dù bộ truyền đai răng nhỏ hơn bộ truyền đai thông thường, nhưng độ bền và tuổi thọ của nó không bằng bánh răng Hơn nữa, bộ truyền bánh răng đáp ứng tốt các yêu cầu về hiệu suất, khả năng tải và kích thước cho robot Vì vậy, bộ truyền bánh răng đã được lựa chọn là giải pháp tối ưu cho đề tài này.
Phương án điện – điện tử
Robot tự hành di động thường sử dụng động cơ dòng điện DC, bao gồm động cơ bước, động cơ DC và động cơ DC servo Để điều khiển vận tốc, động cơ DC cần có hồi tiếp vận tốc, mặc dù một số loại động cơ DC có thể điều khiển chính xác mà không cần hồi tiếp, nhưng chi phí sẽ rất cao Do đó, động cơ bước hoặc động cơ DC servo là những lựa chọn khả thi Bài viết này sẽ phân tích ưu và nhược điểm của hai loại động cơ này, giúp xác định loại động cơ phù hợp với yêu cầu cụ thể.
Động cơ bước là loại động cơ điều khiển vòng hở, chuyển đổi các xung điện thành chuyển động quay của rotor Góc quay của động cơ phụ thuộc vào số lượng xung điện được cấp vào, với mỗi vòng quay có số bước cố định Tốc độ quay có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ tín hiệu điện cung cấp cho động cơ.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa Bài luận này tập trung vào việc phát triển các giải pháp robot có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường nhà ở, từ việc di chuyển đến thực hiện các tác vụ cụ thể Thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến, luận văn không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn mở ra cơ hội cho việc ứng dụng robot trong cuộc sống hàng ngày Mục tiêu chính là tạo ra một robot tự hành có thể thích ứng với các điều kiện khác nhau trong nhà, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống cho con người.
- Không cần hồi tiếp tín hiệu
- Điều khiển chính xác, không có vọt lố và có momen giữ tại một vị trí
- Dễ bị trượt bước khi mang tải lớn
- Tốc độ của động cơ không cao, tối đa từ 1000 2000 (rpm) ÷
Động cơ DC servo là loại động cơ DC được trang bị bộ phận đo lường các thông số đầu ra như góc quay và vận tốc quay Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh dòng điện cung cấp cho động cơ dựa trên các sai số về góc quay và vận tốc, nhằm đạt được các giá trị mong muốn.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa Đề tài này không chỉ tập trung vào việc thiết kế và chế tạo robot, mà còn khám phá các ứng dụng thực tiễn của robot trong môi trường nội thất Qua đó, nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiệu suất làm việc và cải thiện chất lượng cuộc sống Việc áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại sẽ giúp tạo ra những sản phẩm robot thông minh, có khả năng tương tác và thực hiện nhiệm vụ tự động một cách hiệu quả.
Hình 2.9: Động cơ DC servo
- Momen khởi động và vận tốc lớn
- Động cơ chạy êm khi đạt vận tốc cố định
- Có tín hiệu hồi tiếp nên có thể điều khiển được góc quay và vận tốc
- Khi dừng lại, tùy theo chất lượng của bộ điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng nên có thể gây dao động, rung lắc
- Tín hiệu hồi tiếp có thể bị nhiễu
Bảng 2.1 tổng kết các đặc điểm so sánh giữa động cơ bước và động cơ DC servo Động cơ bước có khả năng điều khiển góc quay và vận tốc nhưng có tốc độ tối đa thấp và không có hồi tiếp Ngược lại, động cơ DC servo cũng cho phép điều khiển góc quay và vận tốc, nhưng có tốc độ tối đa cao và có hồi tiếp.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nghiên cứu này nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến, giúp cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của robot trong môi trường nội thất Qua đó, luận văn sẽ trình bày quy trình thiết kế, lập trình và thử nghiệm robot tự hành, đồng thời phân tích các ứng dụng thực tiễn của nó trong đời sống hàng ngày Các kết quả đạt được sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.
Dựa vào phân tích và điều kiện hoạt động của robot, động cơ DC servo sẽ là phương án được lựa chọn để thiết kế robot
Dựa trên các so sánh, phương án tối ưu là sử dụng động cơ DC servo kết hợp với bộ truyền bánh răng Để đáp ứng yêu cầu thiết kế robot linh hoạt và nhỏ gọn, nên lựa chọn loại động cơ DC servo đã tích hợp sẵn hộp giảm tốc.
2.2.2 Lựa chọn phương pháp dẫn đường
Trong chương tổng quan, chúng ta đã xác định được các loại đường dẫn cố định phù hợp với đề tài này Bài viết sẽ phân tích các đặc điểm của những loại đường dẫn thông dụng, bao gồm màu sắc, từ trường và dây cảm ứng điện.
Đường dẫn màu sắc tương phản với mặt sàn giúp robot nhận biết vị trí nhờ cảm biến quang học Lợi ích của đường dẫn màu là dễ dàng lắp đặt và thay đổi mà không làm ảnh hưởng đến mặt sàn Tuy nhiên, cảm biến quang có thể bị nhiễu bởi ánh sáng điện và mặt trời, trong khi bề mặt đường dẫn dễ bám bẩn và mài mòn, gây ra sai lệch khi robot di chuyển.
Hình 2.10: Đường dẫn màu đen trên nền trắng
Đường dẫn từ trường có thể được lắp đặt theo hai phương pháp: dán trực tiếp lên mặt sàn hoặc thi công âm sàn Phương pháp âm sàn yêu cầu sử dụng máy móc để lắp đặt, trong khi đó, việc dán băng từ lên mặt sàn mang lại lợi ích về sự dễ dàng trong lắp đặt và khả năng điều chỉnh đường dẫn một cách linh hoạt.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà xuồng Robot tự hành được thiết kế với ưu điểm là không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng và bụi bẩn, giúp duy trì hiệu suất hoạt động trong môi trường khắc nghiệt Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống dẫn đường từ là dễ bị nhiễu do từ trường, ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu quả của robot.
Hình 2.11: Đường dẫn từ và cảm biến từ
Đường dẫn cảm ứng điện sử dụng dòng điện thay đổi để tạo ra từ trường quanh dây dẫn, được chôn dưới bề mặt sàn Robot được trang bị anten với các cuộn dây quấn để nhận biết đường đi Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phân biệt nhiều đường dẫn bằng tần số khác nhau Tuy nhiên, nhược điểm bao gồm việc cần có bộ nguồn điều khiển dòng điện, chi phí lắp đặt cao do phải cắt xuống bề mặt sàn, và sự khan hiếm của thiết bị dẫn đường trên thị trường nội địa.
Hình 2.12: Nguyên lý dẫn đường bằng cảm ứng điện
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một nghiên cứu quan trọng Bài luận này tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ để tối ưu hóa khả năng hoạt động của robot trong môi trường nội thất Qua đó, nó không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong đời sống hàng ngày Việc thiết kế và lập trình robot tự hành sẽ giúp cải thiện sự tiện nghi và hiệu quả trong các công việc thường nhật, đồng thời góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.
Hình 2.13: Anten dò đường dẫn cảm ứng điện
Từ những phân tích trên và điều kiện thiết kế hệ thống robot cũng như giá thành, đường dẫn từ trường được chọn cho đề tài này
2.2.3 Lựa chọn phương án bộ điều khiển
Có ba phương án điều khiển có thể sử dụng cho robot đó là:
Bộ điều khiển PLC được ưa chuộng trong ngành công nghiệp nhờ vào độ bền và tính tin cậy cao Các thành phần của hệ thống PLC đã được chuẩn hóa, dễ dàng tìm mua trên thị trường Tuy nhiên, hệ thống điều khiển sử dụng PLC thường có kích thước lớn và giá thành khá cao.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Yêu cầu thiết kế
Dựa trên các phương án đã lựa chọn sơ đồ cho mô hình cơ khí được thết kế như sau:
1 Bánh xe dẫn động 4 Khung robot
2 Cơ cấu truyền động 5 Động cơ DC encoder
3 Bánh xe tự lựa 6 Trục dẫn động Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình xe tự hành
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một dự án nghiên cứu quan trọng Dự án này tập trung vào việc phát triển robot có khả năng hoạt động tự động trong môi trường nội thất Mục tiêu chính là tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiệu quả trong các hoạt động hàng ngày Qua việc thiết kế và lập trình, robot sẽ có khả năng nhận diện và tương tác với các vật thể trong không gian sống Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào lĩnh vực công nghệ mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong đời sống thực tiễn.
Các thông số của robot cho trước:
là bán kính bánh xe dẫn động
là khoảng cách trung điểm trục xe đến điểm bám line.
Phân tích mô hình động học của robot
Để bộ điều khiển theo dõi một điểm mong muốn, cần xác định hệ tọa độ của xe Hệ trục tọa độ tuyệt đối được ký hiệu là OXY, trong khi hệ trục tọa độ tương đối gắn liền với xe được ký hiệu là XYZ.
Hình 3.2: Hệ trục tọa độ cho phương trình chuyển động của hệ thống với Với:
- , là vận tốc dài tức thời bánh trái và bánh phải
- là khoảng cách trung điểm trục xe đến điểm bám line
- là khoảng cách trung điểm trục xe với tâm vận tốc tức thời
- là trung điểm của tâm 2 bánh xe
- là hướng của xe tại điểm bám line
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nó tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ hiện đại để cải thiện hiệu suất và tính tự động hóa trong môi trường nhà ở Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, mà còn góp phần nâng cao khả năng cạnh tranh trong lĩnh vực robot tự hành Thông qua việc thiết kế và chế tạo robot, sinh viên có cơ hội trải nghiệm quy trình làm việc thực tế, từ khâu ý tưởng đến sản phẩm hoàn thiện Luận văn này cũng mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng robot trong đời sống hàng ngày, mang lại tiện ích cho người sử dụng.
Tọa độ tâm vận tốc tức thời trên hệ tọa độ là:
Với bán kính quay tức thời là:
2 ( − ) (3.2) Phương trình động học của xe tại điểm là:
Phương trình động học của xe quy về điểm bám line C là:
Trong đó: , là vận tốc dài, vận tốc góc của xe được tính như sau:
- là bán kính bánh xe
- , là tốc độ quay của bánh phải và bánh trái
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Robot tự hành ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến đời sống Việc thiết kế robot có khả năng tự động di chuyển theo vết hoạt động không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người Đề tài này không chỉ mang tính ứng dụng cao mà còn góp phần phát triển công nghệ robot tại Việt Nam Nghiên cứu và phát triển robot tự hành sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho sinh viên trong lĩnh vực kỹ thuật và công nghệ.
Phương trình động học của điểm tham chiếu R nằm trên đường line là:
0 1 (3.8) Với , là vận tốc dài, vận tốc góc mong muốn thiết kế cho xe
Bộ điều khiển được thiết kế nhằm đưa điểm bám đường đến vị trí và vận tốc mong muốn Để thực hiện điều này, cần xác định các sai số bám line trong hệ tọa độ.
Sau khi có giá trị sai số vị trí, ta đạo hàm chúng để có được sai số về vận tốc như sau:
0 −1 (3.11) Thay (3.7) vào (3.11) ta được sai số về vận tốc:
Mục đích của giải thuật điều khiển là làm cho điểm C bám theo điểm tham chiếu
R Để làm điều này ta phải xác định các sai số , , Trên thực tế, vận tốc thực của xe xấp xỉ với vận tốc mong muốn nên sai số = 0, sai số được đo từ cảm biến và
Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về việc thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình di chuyển, việc tính toán sai số là rất quan trọng Để tính sai số này, ta cho xe di chuyển theo phương trước đó một đoạn nhỏ, sao cho đoạn di chuyển đủ nhỏ để khi nối hai điểm ta có thể xác định được tiếp tuyến của đường cong Công thức xác định sai số sẽ được trình bày chi tiết trong bài viết.
Hình 3.3: Xe di chuyển đoạn trong thời gian lấy mẫu.
Tính toán lựa chọn công suất động cơ
Các thông số của robot:
- Khối lượng robot ước tính: = 50 (kg)
- Khối lượng hàng tối đa: 50 (kg)
- Chọn bánh xe có đường kính: 2 = 100 (mm)
- Tốc độ tối đa là: 0,5 (m/s)
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Đề tài này tập trung vào việc phát triển các giải pháp robot có khả năng hoạt động tự động trong môi trường nội thất Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn góp phần vào sự phát triển của công nghệ robot trong cuộc sống hàng ngày Việc thiết kế robot tự hành có thể cải thiện nhiều lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, logistics và dịch vụ khách hàng Hơn nữa, luận văn này cũng đề xuất các phương pháp tối ưu hóa để nâng cao khả năng vận hành và độ chính xác của robot trong không gian hạn chế.
Hình 3.4: Bánh xe dẫn động
Thông số cơ bản của bánh xe là: đường kính là 100 (mm), bề rộng của bánh xe là
40 (mm), tải trọng tối đa 350 (kg)
Phân tích lực tác dụng lên một bánh xe chủ động gồm 4 lực tác dụng như sau:
Hình 3.5: Sơ đồ phân tích lực
- là lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và bề mặt sàn bê tông
- là lực kéo sinh ra do momen của động cơ
- là phản lực của mặt sàn
- là một nửa trọng lực của xe, = /2
- là momen xoắn của động cơ
- là một nửa tổng trọng lượng của robot và hàng, = /2
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho việc tự động hóa và cải thiện hiệu suất làm việc trong môi trường nội thất Robot tự hành có khả năng di chuyển linh hoạt và thực hiện các nhiệm vụ đa dạng, từ dọn dẹp đến giao hàng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Việc thiết kế và triển khai robot tự hành trong nhà không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn tối ưu hóa quy trình làm việc, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội hiện đại.
Robot được thiết kế để di chuyển theo phương thức chuyển động thẳng, với hai bánh dẫn động hoạt động đồng bộ cùng tốc độ 0,5 m/s Tốc độ quay của bánh xe sẽ được tính toán dựa trên vận tốc này.
100 = 95,5 (rpm) (3.13) Phương trình cân bằng lực:
Với là gia tốc của xe
Khi xe chuyển động đều Vận tốc không đổi là = 0,5 (m/s), nên gia tốc = 0 (m/s ) Khi đó:
2 = 245 (N) Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:
= = = 0,015 × 245 = 3,7 (N) Với: hệ số ma sát lăn = 0,015 khi di chuyển trên sàn bê tông
Công suất cần thiết để xe di chuyển ổn định với vận tốc 0,5 (m/s) là:
Xe tăng tốc với gia tốc = 0,5 (m/s ) để hàng không rơi
Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:
= + = + = 1 × 245 + 50 × 0,5 = 270(N) Với hệ số ma sát tĩnh là = 1
Momen xoắn cần thiết để xe tăng tốc là:
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ robot Bài luận này tập trung vào việc phát triển và ứng dụng các giải pháp robot tự hành, nhằm tối ưu hóa quy trình làm việc trong môi trường nhà xưởng Qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến, luận văn không chỉ trình bày phương pháp thiết kế mà còn phân tích hiệu quả hoạt động của robot trong các tình huống thực tế Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro trong sản xuất, đồng thời mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp tự động hóa.
Công suất cần thiết để xe tăng tốc lên 0,5 (m/s) là:
Công suất động cơ cần thiết được xác định là 135 W với tốc độ yêu cầu là 95,5 rpm Để đáp ứng yêu cầu này, động cơ 57BL03A DC servo được chọn, hoạt động với điện áp 12V và có công suất 135 W, đi kèm với hộp giảm tốc cho tốc độ không tải là 95 rpm.
Hình 3.6: Động cơ 57BL03A DC servo có giảm tốc.
Tính toán thiết kế trục dẫn động
- Số vòng quay là: = 95,5 (rpm)
- Đường kính vòng lăn bánh răng bị động là: = 30 (mm)
Phản lực từ bánh xe là: = = 50 × 9,8 = 490 (N) Lực vòng tác dụng lên bánh răng là:
= 450 (N)Lực hướng tâm tác dụng lên bánh răng là:
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa Robot tự hành có khả năng thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường nội thất, nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu sự can thiệp của con người Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào kiến thức về thiết kế và lập trình robot, mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày Thông qua việc áp dụng các phương pháp hiện đại, luận văn sẽ trình bày chi tiết quy trình phát triển và thử nghiệm robot tự hành, từ giai đoạn ý tưởng đến thực hiện.
Sơ đồ phân tích lực:
Hình 3.7: Sơ đồ phân tích lực trục dẫn động Phương trình cân bằng lực và momen là:
/ = 0 ⇔ 12 − 24 = 0 Suy ra phản lực tại các gối tựa là:
= 689 (N) Moment tương đương tại các tiết diện là:
Luận văn tốt nghiệp đại học về thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho tự động hóa Robot tự hành có khả năng thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường nội thất, giúp nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu sức lao động Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp thiết kế, lập trình và tối ưu hóa hoạt động của robot, đồng thời xem xét các ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống hàng ngày Thông qua việc phân tích các yếu tố kỹ thuật và công nghệ, luận văn sẽ đóng góp vào lĩnh vực robot tự hành, mở ra hướng đi mới cho sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.
Tính toán đường kính các đoạn trục tại các tiết diện với [ = 63 (MPa) ] là ứng suất cho phép của thép CT6 theo bảng 10.5 [6]
Chọn đường kính trục tại vị trí lắp ổ lăn là: = = 17 (mm) theo kích thước vòng trong ổ lăn tiêu chuẩn bảng 6.5 [5] Đường kính tại vị trí lắp bánh răng chọn
= 18 (mm) Vị trí lắp với bánh xe chọn đường kính là = 16 (mm)
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho việc tự động hóa trong môi trường nội thất Việc thiết kế robot tự hành không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình làm việc mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sức lao động Thông qua việc áp dụng các công nghệ mới nhất, luận văn này sẽ trình bày những ứng dụng thực tiễn và thách thức trong việc triển khai robot tự hành trong không gian sống và làm việc.
Hình 3.8: Biểu đồ momen trục dẫn động
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nó tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến để cải thiện hiệu suất và khả năng hoạt động của robot trong môi trường nội thất Bài luận này sẽ phân tích các yếu tố kỹ thuật, thiết kế và ứng dụng thực tiễn của robot tự hành, đồng thời đề xuất các phương pháp tối ưu hóa cho việc vận hành của chúng trong không gian sống.
3.4.2 Chọn và kiểm nghiệm then Chọn mối ghép then bằng với vật liệu là thép C45
Dựa vào bảng 9.1a [6], chọn kích thước then × ℎ theo tiết diện lớn nhất của trục Chọn chiều dài của then theo tiêu chuẩn, nhỏ hơn chiều dài mayeu từ
5 ÷ 10mm Kiểm nghiệm then theo độ bền dập và độ bền cắt
= − là chiều dài làm việc của then bằng 2 đầu tròn Đường kính d (mm)
Các mặt cắt có độ bền cắt và độ bền dập nhỏ hơn độ bền giới hạn của then, vì vậy cả hai then đều đáp ứng yêu cầu về độ bền cắt và độ bền dập.
Chương này đã hoàn thành phân tích, tính toán thiết kế cơ khí cho mô hình robot thử nghiệm
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng nhằm phát triển các giải pháp robot tự động hóa cho môi trường sống Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo robot có khả năng hoạt động hiệu quả trong không gian nhà ở, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Các yếu tố như cảm biến, điều khiển và lập trình sẽ được xem xét để đảm bảo robot có thể thực hiện các nhiệm vụ một cách linh hoạt và chính xác Luận văn không chỉ mang lại kiến thức chuyên môn mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Sơ đồ khối chung của hệ thống điện
Mô hình robot được cấu thành từ bộ điều khiển trung tâm là vi điều khiển, trong đó mỗi động cơ được trang bị encoder để theo dõi góc quay và vận tốc Động cơ được điều khiển thông qua driver công suất bằng tín hiệu PWM từ vi điều khiển Cảm biến từ đo độ lệch của xe và gửi tín hiệu analog về vi điều khiển Máy tính gửi lệnh đến vi điều khiển qua cổng COM của mô đun bluetooth, cho phép vi điều khiển nhận chỉ dẫn đường đi qua kết nối này.
VI ĐIỀU KHIỂN Nguồn DC 5V Cảm biến từ
Encoder động cơ phải Driver công suất
Máy tính Động cơ phải
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.
Lựa chọn thông số các thiết bị
Arduino là vi điều khiển phổ biến nhờ tính dễ sử dụng và nguồn tài liệu phong phú Phần mềm Arduino IDE, được viết bằng ngôn ngữ C++, giúp việc lập trình trở nên thuận lợi hơn.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, tập trung vào việc phát triển và ứng dụng công nghệ robot trong môi trường nội thất Bài luận này nhằm phân tích các phương pháp thiết kế, chế tạo và lập trình cho robot tự hành, từ đó nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của chúng trong cuộc sống hàng ngày Thông qua việc nghiên cứu các yếu tố như cảm biến, trí tuệ nhân tạo và điều khiển, luận văn sẽ đóng góp vào việc phát triển các giải pháp robot thông minh phục vụ cho nhu cầu của con người trong không gian sống.
Board mạch được sử dụng ở đây là Arduino Mega 2560 có các thông số sau:
- Chip vi xử lý: ATmega2560
- Số chân digital: 54 (chân), 15 chân có thể xuất xung PWM
- Các bộ giao tiếp: 4 bộ UART, 1 bộ SPI, 1 bộ I2C
- Có 6 chân ngắt ngoài là: 2, 3, 18, 19, 20, 21
Hình 4.2: Vi điều khiển Arduino Mega 2560
4.2.2 Mạch công suất động cơ Các yêu cầu của mạch công suất:
- Dòng ngõ ra đủ đáp ứng cho động cơ
- Điều khiển được bằng xung PWM
- Hoạt động ổn định trong thời gian dài
- Có thể lắp đặt trên robot thường xuyên di chuyển
Thông số động cơ 57BL03A DC servo như sau:
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vệ tinh hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến để tạo ra robot có khả năng hoạt động tự động trong môi trường nội thất Qua đó, luận văn sẽ trình bày các phương pháp thiết kế, lập trình và kiểm tra hiệu suất của robot, nhằm nâng cao tính chính xác và hiệu quả trong quá trình vận hành Kết quả của nghiên cứu sẽ có ý nghĩa lớn trong việc ứng dụng robot tự hành trong các lĩnh vực như dịch vụ, y tế và giáo dục.
Từ những thông số động cơ, có thể chọn mạch Hbr-M công suất 200 (W) có thông số như sau:
- Điện áp hoạt động: 10 28 (VDC) ÷
- Dòng điện liên tục lên đến: 10 (A)
- Điện áp tín hiệu điều khiển: 3,3 5 (V) ÷
- Tần số PWM tối đa: 100 (KHz)
- Có bảo vệ quá nhiệt
Hình 4.3: Mạch công suất động cơ DC Hbr-M công suất 200(W)
Các chân của mạch công suất là:
- P , GND: nguồn cấp cho phần công suất
- VCC, GND: nguồn điều khiển
- PWM: cấp xung PWM cho mạch cầu H
- DIR: đảo chiều động cơ
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến Bài luận này tập trung vào việc thiết kế và triển khai robot có khả năng tự động hóa các nhiệm vụ trong môi trường nội thất Qua đó, nó không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong đời sống hàng ngày Việc nghiên cứu và phát triển robot tự hành sẽ góp phần vào sự tiến bộ của ngành công nghiệp tự động hóa, đồng thời tạo ra những sản phẩm hữu ích cho con người.
Sử dụng cảm biến từ
Cảm biến từ trường dẫn đường MACOME GS-2744B hoạt động với điện áp từ 10,8 đến 30 VDC và có đường dẫn từ bề rộng 25 mm Các thông số kỹ thuật của cảm biến từ này rất đáng chú ý.
- Điện áp hoạt động: từ 10,8 ÷ 30 (VDC)
- Điện áp đầu ra: analog 2 8 (V), trả về 5 (V) khi không lệch tâm line ÷
- Chiều cao lắp đặt: từ 5 40 (mm) ÷
Hình 4.4: Cảm biến từ trường MACOME GS-2744B
Sử dụng vi điều khiển đọc cảm biến từ
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến từ GS-2744B như sau:
Các phần tử cảm biến Đường dẫn từ
Mạch ngõ ra lệch trái lệch phải
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho việc tự động hóa trong môi trường nội thất Đề tài này không chỉ tập trung vào thiết kế và chế tạo robot, mà còn xem xét các ứng dụng thực tiễn, giúp cải thiện hiệu suất làm việc và nâng cao chất lượng cuộc sống Việc nghiên cứu và ứng dụng robot tự hành trong nhà có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học.
Cảm biến từ GS-2744B có tín hiệu ngõ ra từ 2 đến 8 (V), nhưng vi điều khiển chỉ có thể đọc giá trị từ 0 đến 5 (V) Do đó, cần thiết phải sử dụng mạch chuyển đổi điện áp để phù hợp với vi điều khiển Theo datasheet, đầu ra analog của cảm biến có thể chịu tải với điện trở tải nhỏ nhất là 2 (kΩ) Vì vậy, mạch phân áp có thể được sử dụng để đọc giá trị bằng vi điều khiển, với các thông số điện trở là R1 = 1,2 (kΩ) và R2 = 2 (kΩ).
Hình 4.6: Nguyên lý mạch phân áp
Để xác định giá trị điện áp tương ứng với độ lệch thực của cảm biến trong tín hiệu qua cầu chia áp, cần sử dụng công thức tính điện áp Tuy nhiên, việc mắc điện trở tại đầu ra có thể dẫn đến sự suy giảm tín hiệu, làm cho giá trị đọc được không chính xác Do đó, việc tiến hành thí nghiệm là cần thiết để đạt được kết quả chính xác hơn.
1.1.1 Mô hình thí nghiệm cảm biến từ
Sử dụng mô hình để xác định đường dẫn từ tịnh tiến từ cạnh trái đến cạnh phải của cảm biến Vi điều khiển sẽ đọc giá trị cảm biến sau mỗi lần dịch chuyển 0,1 mm, và trước khi đọc, cần dừng dịch chuyển trong một giây để giảm thiểu rung lắc Các giá trị điện áp cần xác định bao gồm: lệch phải lớn nhất, lệch trái lớn nhất và trạng thái không lệch.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài quan trọng trong lĩnh vực công nghệ hiện đại Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các giải pháp robot có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường nội thất Các ứng dụng của robot tự hành đang ngày càng trở nên phổ biến, từ hỗ trợ trong công việc đến cải thiện chất lượng cuộc sống Qua đó, luận văn sẽ trình bày các phương pháp thiết kế, lập trình và thử nghiệm robot, đồng thời phân tích những thách thức và cơ hội trong việc áp dụng công nghệ này vào thực tiễn.
1 Động cơ bước 2 Cơ cấu tịnh tiến
3 Cảm biến từ trường 4 Đường dẫn từ
5 Đai răng truyền động 6 Công tắc hành trình
Hình 4.7: Mô hình thí nghiệm cảm biến
Các bước tiến hành thí nghiệm là:
- Gá đường dẫn từ lên bề mặt cơ cấu tịnh tiến
- Cho đường dẫn chạy đến chạm công tắc hành trình Chọn vị trí này là vị trí ban đầu
Cảm biến từ được lắp đặt song song với mặt phẳng tịnh tiến, với chiều cao 20 mm so với mặt phẳng này và khoảng hoạt động trong khoảng 5 đến 40 mm.
Di chuyển cảm biến gần sát cạnh bên đường dẫn nhưng đảm bảo vẫn nằm ngoài đường dẫn Sử dụng ê-ke để canh cho cạnh cảm biến tiếp xúc với cạnh đường dẫn và cố định cảm biến một cách chắc chắn.
- Dùng vi điều khiển để đọc giá trị đồng thời điều khiển động cơ bước dịch chuyển Khoảng cách di chuyển là 175 (mm) rồi dừng lại
- Xử lý tín hiệu thu được: Đọc toàn bộ giá trị thu được Các giá trị đọc được từ
0 ÷ 12,5(mm) và từ 162,5 175 (mm) bị loại, thu kết quả thí nghiệm trong khoảng ÷ ÷
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ Bài viết này trình bày quy trình thiết kế và phát triển robot tự hành, nhấn mạnh các ứng dụng trong môi trường nội thất Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến giúp cải thiện hiệu suất và tính năng của robot Qua đó, luận văn cung cấp cái nhìn sâu sắc về tương lai của robot tự hành trong các lĩnh vực như tự động hóa và dịch vụ.
Để lấy giá trị cảm biến, tâm đường dẫn được xác định là tâm ảo và chỉ có thể suy ra từ một cạnh đường dẫn Theo cách gá cảm biến, vị trí ban đầu của tâm đường dẫn là −12,5 mm, như được thể hiện rõ trong sơ đồ dưới đây.
Vị trí tâm line kết thúc
Vị trí tâm line ban đầu Hướng di chuyển 25mm
Hình 4.8: Sơ đồ mô hình thí nghiệm cảm biến
4.3.2 Kết quả thí nghiệm cảm biến
Kết quả thu được từ mô hình thực nghiệm là giá trị điện áp của cảm biến ứng với mỗi vị trí từ phải qua trái
Hình 4.9: Đồ thị giá trị đọc được từ cảm biến
Vị trí dịch chuyển cảm biến (mm)
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Đề tài này tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ nhằm tối ưu hóa khả năng hoạt động của robot trong môi trường nội thất Thông qua việc áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại, luận văn sẽ trình bày quy trình thiết kế và lập trình robot tự hành, đồng thời đánh giá hiệu quả hoạt động của nó trong các tình huống thực tế Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào lĩnh vực thiết kế robot mà còn mở ra hướng đi mới cho ứng dụng công nghệ trong đời sống hàng ngày.
Vị trí tâm line lý thuyết đo được là 75 mm, trong khi khoảng nhận biết thực tế của cảm biến dao động từ 70,6 đến 76,2 mm Do đó, khi tín hiệu cảm biến cho biết vị trí 75 mm, khoảng sai lệch đạt 5,6 mm.
Các giá trị thu được từ cảm biến là 1,92 V và 4,72 V, trong khi điện áp không lệch line từ là 3,32 V Từ các giá trị này, có thể thiết lập mối quan hệ giữa điện áp và độ lệch line từ của cảm biến Những thông số này rất quan trọng trong việc lập trình và hiệu chỉnh robot trong quá trình vận hành.
Điều khiển động cơ DC encoder
Sử dụng bộ điều khiển PID cho từng động cơ giúp điều khiển chính xác vận tốc Bộ điều khiển này nhận tín hiệu đầu vào từ encoder, sau đó tạo ra giá trị độ rộng xung để cung cấp cho mạch công suất của động cơ.
Hình 4.10: Sơ đồ bộ điều khiển PID cho động cơ Áp dụng sơ đồ và các công thức toán để xây dựng giải thuật điều khiển cho động cơ
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vệ tinh hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến Robot tự hành có khả năng hoạt động độc lập, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiệu quả trong nhiều lĩnh vực Đề tài này không chỉ tập trung vào thiết kế và lập trình robot mà còn nghiên cứu các ứng dụng thực tiễn trong môi trường sống và làm việc Việc áp dụng công nghệ robot vào thực tiễn sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp 4.0, mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.
Speed = Pulse – pre_Pulse pre_Pulse = Pulse Err = ctrl_Speed – Speed
D = kD*(Err – pre_Err)/sam_Time
Output = Period xuất xung PWM pre_Err = Err Kết thúc
Hình 4.11: Chương trình PID điều khiển tốc độ động cơ
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ Bài luận này tập trung vào việc phát triển robot có khả năng hoạt động độc lập trong môi trường nội thất, nhằm nâng cao hiệu quả và tiện ích trong cuộc sống hàng ngày Các phương pháp thiết kế và công nghệ điều khiển được áp dụng để đảm bảo robot có thể thực hiện các nhiệm vụ đa dạng, từ dọn dẹp đến hỗ trợ người dùng trong các hoạt động thường nhật Luận văn không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy trình thiết kế mà còn đề xuất các giải pháp cải tiến cho các thế hệ robot sau này.
Encoder Kênh A: A ngắt Kênh B: B input
Hình 4.12: Chương trình đọc giá trị encoder
Phương pháp Ziegler-Nichols được sử dụng để xác định các thông số cho bộ điều khiển PID bằng cách bắt đầu với giá trị và bằng không Độ lợi được điều chỉnh từ 0 cho đến khi tín hiệu phản hồi bắt đầu dao động, tại đó ta xác định được độ lợi tới hạn và chu kỳ dao động Dựa trên thông tin này, có thể suy ra độ lợi cho các bộ điều khiển thông qua bảng tham chiếu.
Bảng 4.1: Công thức tính thông số các bộ điều khiển
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nội dung chính của luận văn tập trung vào việc phát triển và ứng dụng công nghệ robot tự hành trong môi trường nhà ở Qua đó, luận văn sẽ trình bày các phương pháp thiết kế, lập trình và kiểm tra hiệu quả hoạt động của robot Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một hệ thống robot có khả năng hoạt động độc lập, hỗ trợ con người trong các công việc hàng ngày, nâng cao chất lượng cuộc sống.
Tiến hành lập trình để tăng độ lợi của từng động cơ và quan sát thông qua Serial Plotter của Arduino IDE Khi vận tốc ổn định, ghi lại giá trị độ lợi đã tìm được Cho động cơ hoạt động với độ lợi này và lưu lại kết quả vận tốc Dựa trên kết quả thu được, tiến hành tính toán và xác định thông số cho bộ điều khiển PID của động cơ.
Thiết kế bộ điều khiển bám đường
Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều chỉnh sai lệch đường đi về không, yêu cầu robot tính toán vận tốc phù hợp cho cả hai động cơ Để đơn giản hóa, bộ điều khiển sử dụng chênh lệch vận tốc giữa hai động cơ làm đầu ra, với một ngõ vào duy nhất Nhờ đó, luật điều khiển PID có thể được áp dụng hiệu quả cho bộ điều khiển robot bám đường.
Bắt đầu Đọc giá trị cảm biến
Tính giá trị chênh lệch vận tốc bằng công thức PID
PID điều khiển vận tốc từng động cơ
Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình bám line
Chương này đã hoàn thành lựa chọn thông số cho các thiết bị điện Cũng như sử dụng và thiết kế giải thuật điều khiển các thiết bị
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà là một chủ đề nghiên cứu quan trọng Dự án này tập trung vào việc phát triển các robot có khả năng tự động di chuyển và thực hiện nhiệm vụ trong môi trường nội thất Các thiết kế sẽ được tối ưu hóa để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn trong quá trình hoạt động Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào lĩnh vực công nghệ robot mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DI CHUYỂN
Giải thuật trên máy tính
Sơ đồ nhà xưởng thử nghiệm bao gồm khu vực xuất phát của robot, các vị trí đặt hàng và nơi giao hàng Quá trình vận chuyển hàng của robot bắt đầu khi nhận tín hiệu yêu cầu món hàng từ vị trí kệ hàng, sau đó robot di chuyển đến đúng kệ hàng để nhận hàng và cuối cùng chuyển đến điểm giao hàng.
Hình 5.1: Sơ đồ bố trí hàng trong nhà xưởng
Một nhánh rẽ robot có khả năng tiếp cận hai dãy hàng, giúp giảm chiều dài đường dẫn và tiết kiệm chi phí Trong sơ đồ, các ký hiệu chữ đại diện cho các cột, các số biểu thị thứ tự hàng, ô vuông chỉ vị trí kệ hàng, và các đường nối cùng rẽ nhánh thể hiện đường dẫn từ trường.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ để cải thiện khả năng hoạt động của robot trong môi trường nội thất Mục tiêu chính là tạo ra một robot tự hành có thể thực hiện các nhiệm vụ tự động, giúp nâng cao hiệu quả công việc và giảm thiểu sự can thiệp của con người Qua đó, luận văn sẽ đóng góp vào lĩnh vực thiết kế robot, mang lại những ứng dụng thiết thực trong đời sống hàng ngày.
Giao diện điều khiển trên máy tính cho phép người dùng chọn món hàng, sau đó gửi đường đi đến vị trí hàng cho robot Robot sẽ di chuyển theo lộ trình này để lấy hàng và vận chuyển đến điểm giao hàng.
Chương trình tính toán đường đi dựa vào thứ tự các cột và hàng, trong đó cột A tương ứng với thứ tự cột là 1 Từ đường đi chính, các nhánh rẽ được đánh số từ trái qua phải, bắt đầu từ số 1 Giải thuật yêu cầu chỉ rõ hướng đi khi gặp giao điểm.
Robot di chuyển từ vị trí xuất phát đến kệ hàng có tọa độ (x,y) để lấy hàng Sau khi hoàn tất, robot vận chuyển hàng đến vị trí kết thúc Cuối cùng, robot quay trở lại vị trí ban đầu để chờ lệnh tiếp theo, giữa ba giai đoạn di chuyển là quá trình quay xe 180°.
Quy định hướng đi bằng các kí hiệu như sau: là đi thẳng, là quay s b 180° , là rẽ l trái, là rẽ phải, là kết thúc r e
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển công nghệ robot phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường nội thất Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, mà còn góp phần vào việc cải thiện hiệu suất làm việc và nâng cao chất lượng cuộc sống Qua đó, sinh viên sẽ có cơ hội rèn luyện kỹ năng thiết kế, lập trình và vận hành robot, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường công nghệ.
Robot sẽ bắt đầu di chuyển từ vị trí xuất phát đến vị trí hàng, với sự hỗ trợ của một giải thuật giúp thực hiện các bước di chuyển chính xác Cụ thể, công thức tính toán là n = y/2, trong đó robot sẽ đi thẳng n-1 giao điểm, sau đó rẽ phải và tiếp tục di chuyển thẳng x-1 giao điểm.
Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật tạo đường đi đến vị trí một món hàng
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vệ tinh hoạt động trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển công nghệ robot có khả năng hoạt động tự động trong không gian nội thất Dự án này không chỉ tập trung vào thiết kế và lập trình robot, mà còn nghiên cứu các ứng dụng thực tiễn của robot trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, dịch vụ và an ninh Thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến, luận văn sẽ cung cấp giải pháp tối ưu cho việc nâng cao hiệu quả và tính linh hoạt của robot trong môi trường sống hiện đại.
Khi robot nhận hàng, nó sẽ di chuyển đến điểm giao hàng và sau đó trở về vị trí chờ lệnh tiếp theo Quy trình di chuyển của robot được điều khiển theo một thuật toán cụ thể.
Kệ hàng Đi thẳng x-1 giao điểm, rẽ phải, đi thẳng 2-n giao điểm
Quay đầu lại, đi thẳng n giao điểm
Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật đi từ kệ hàng về lại vị trí xuất phát.
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Phương pháp thực nghiệm
Sử dụng mô hình thí nghiệm không giống hoàn toàn nhưng vẫn đảm bảo đúng các yêu cầu về:
- Cơ cấu lái của robot
- Phương án điều khiển: sử dụng vi điều khiển
- Đáp ứng được một số tín hiệu để điều khiển robot như động cơ có encoder, sử dụng cảm biến từ trường, sử dụng giao tiếp với máy tính
Mạch giao tiếp sử dụng mô đun bluetooth HC-05 để truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến máy tính có hỗ trợ bluetooth Sau khi kết nối bluetooth, máy tính sẽ có một cổng COM để giao tiếp với mạch Arduino sử dụng cổng UART để truyền dữ liệu cho mạch bluetooth HC-05 Các thông số kỹ thuật của mạch bluetooth HC-05 cũng rất quan trọng trong quá trình truyền dữ liệu.
- Giao tiếp với vi điều khiển bằng UART
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp robot tự động hóa cho môi trường sống Bài viết tập trung vào việc thiết kế và triển khai các hệ thống robot có khả năng hoạt động hiệu quả trong không gian nội thất, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống và tối ưu hóa quy trình làm việc Thông qua việc áp dụng công nghệ tiên tiến, luận văn sẽ trình bày những kỹ thuật và phương pháp thiết kế, cũng như các thí nghiệm thực tiễn để chứng minh tính khả thi của robot tự hành trong nhà.
Thực nghiệm điều khiển động cơ
Kết quả thực nghiệm tìm hai thông số là độ lợi và chu kì dao động của hai động cơ như sau:
- Động cơ bên trái dao động khi = 4,1 và = 0,525 (s)
Hình 6.2: Đồ thị vận tốc động cơ trái khi đạt độ lợi tới hạn
Theo bảng 4.1, tính đước các hệ số bộ điều khiển PID động cơ bên trái:
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một dự án nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển công nghệ robot phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường sống Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, mà còn góp phần nâng cao khả năng tự động hóa trong các hoạt động hàng ngày Thiết kế robot tự hành sẽ bao gồm việc lập trình, cảm biến và hệ thống điều khiển, đảm bảo robot hoạt động hiệu quả và an toàn trong không gian nội thất.
- Động cơ bên phải dao động khi = 4,1 và = 0,525 (s)
Hình 6.3: Đồ thị vận tốc động cơ phải khi đạt độ lợi tới hạn
Suy ra thông số bộ điều khiển PID động cơ bên phải là = 2,46 ; = 9,37 ;
= 0,16 Đưa các thông số vào bộ điều khiển, thử nghiệm lại với tốc độ mong muốn là
Tốc độ 180 vòng/phút (rpm) tương đương khoảng 0,6 mét/giây (m/s) qua bánh xe thử nghiệm Thời gian đáp ứng của động cơ bên trái là 0,6 giây, trong khi động cơ bên phải là khoảng 0,8 giây Như vậy, đáp ứng vận tốc của động cơ đạt yêu cầu với điều kiện tăng tốc lớn hơn 0,5 mét/giây.
Hình 6.4: Đồ thị đáp ứng của động cơ bên trái
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ hiện đại Bài luận này tập trung vào việc phát triển các giải pháp robot tự động hóa, giúp nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu sức lao động trong môi trường nhà xưởng Thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến, robot tự hành có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, từ vận chuyển hàng hóa đến hỗ trợ trong quy trình sản xuất Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn cho ngành công nghiệp, mở ra hướng đi mới cho sự phát triển bền vững trong tương lai.
Hình 6.5: Đồ thị đáp ứng của động cơ bên phải.
Thực nghiệm điều khiển bám line
Phương pháp Ziegler-Nichols được áp dụng để xác định thông số cho luật điều khiển PID của bộ điều khiển bám line Độ lợi được tăng lên cho đến khi xe bắt đầu dao động, thu được thông số = 0,26 và từ đồ thị dao động, xác định được = 0,62 (s) Dựa vào bảng 4.1, các hệ số điều khiển cũng được tính toán.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho việc tự động hóa trong môi trường nội thất Bài viết này tập trung vào việc ứng dụng robot tự hành trong các hoạt động hàng ngày, từ việc dọn dẹp đến hỗ trợ người cao tuổi Qua đó, luận văn không chỉ trình bày quy trình thiết kế và phát triển robot mà còn phân tích các thách thức và cơ hội trong lĩnh vực này Việc áp dụng robot tự hành trong nhà hứa hẹn sẽ nâng cao chất lượng cuộc sống và tiết kiệm thời gian cho con người.
Hình 6.6: Đồ thị dao động của vị trí tâm line đọc từ cảm biến
Để kiểm tra sai số, cần thay các giá trị tìm được vào bộ điều khiển và cho xe chạy theo đường thẳng Gắn ngòi bút 0,1mm tại trung điểm cảm biến để vẽ lại đường chạy Sử dụng camera để chụp lại đường chạy và xử lý ảnh bằng LabView nhằm xác định sai số lớn nhất Các bước xử lý ảnh được thực hiện thông qua công cụ Image Calibration trên NI Vision Assistant.
- Chỉnh bức ảnh về mặt phẳng vuông góc với camera
- Chỉnh đường dẫn từ song song với trục tọa độ của bức ảnh
- Đo độ lệch lớn nhất bằng công cụ Clamp (Rack)
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Nó tập trung vào việc phát triển các giải pháp robot tự động hóa để nâng cao hiệu quả trong môi trường sống Các nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện khả năng vận hành của robot mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày Việc thiết kế robot tự hành có thể hỗ trợ con người trong nhiều lĩnh vực, từ chăm sóc sức khỏe đến quản lý nhà thông minh Luận văn này sẽ trình bày các phương pháp thiết kế, các thách thức gặp phải và những ứng dụng tiềm năng của robot tự hành trong tương lai.
Hình 6.7: Xử lý bức ảnh vuông góc với camera
Hình 6.8: Xoay bức ảnh để line từ song song trục tọa độ bức ảnh
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ Bài luận này tập trung vào việc phát triển các giải pháp robot tự động hóa để cải thiện hiệu suất làm việc trong môi trường nội thất Các ứng dụng của robot tự hành trong nhà có thể bao gồm dọn dẹp, vận chuyển hàng hóa và hỗ trợ con người trong các nhiệm vụ hàng ngày Nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích cho người sử dụng mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của công nghệ robot trong tương lai.
Hình 6.9: Đo khoảng lệch lớn nhất
Sai số bám line đo được là ± 10 mm, nguyên nhân chủ yếu là do các hệ số PID chưa chính xác với đáp ứng của hệ thống robot Để cải thiện sai số này, cần thực hiện lại phương pháp Ziegler-Nichols nhiều lần.
Tiến hành nhiều lần thực nghiệm lại nhiều lần và đạt được sai số là ±6 (mm), đủ điều kiện để robot di chuyển ổn định
Hình 6.10: Khoảng lệch giảm xuống sau nhiều lần chỉnh
Luận văn tốt nghiệp đại học về thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho tự động hóa trong môi trường sống Bài viết tập trung vào việc áp dụng các nguyên lý thiết kế để tạo ra robot có khả năng hoạt động hiệu quả trong không gian nội thất, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống và tối ưu hóa các quy trình làm việc Nghiên cứu này không chỉ mang lại những hiểu biết sâu sắc về công nghệ robot mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp và dịch vụ.
Thực nghiệm giải thuật di chuyển trong kho hàng
Sơ đồ thử nghiệm phải đảm bảo có đủ các trường hợp của giải thuật đã thiết kế
Sơ đồ line sau dùng để kiểm nghiệm giải thuật
Hình 6.11: Sơ đồ kho hàng thực nghiệm
Sơ đồ bao gồm hai nhánh và bốn cột, cho phép kiểm tra các thuật toán theo từng cột khác nhau Chỉ cần hai hàng để phân biệt các thuật toán theo hàng Để dễ dàng nhận diện, các cột được ký hiệu bằng chữ cái A, B, C, D.
Lắp đặt hệ thống line thực nghiệm có kích thước 1,2 × 1,6 (m) là bước quan trọng trong quá trình thí nghiệm Để robot có thể nhận diện chính xác, cần đánh dấu các vị trí giao điểm một cách rõ ràng.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến Đề tài này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức về thiết kế và lập trình robot, mà còn ứng dụng vào thực tiễn trong môi trường sống hàng ngày Việc thiết kế robot tự hành có khả năng hoạt động linh hoạt trong không gian nội thất sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực như tự động hóa, chăm sóc sức khỏe và dịch vụ khách hàng Thông qua luận văn, sinh viên có thể thể hiện khả năng sáng tạo và tư duy kỹ thuật, đồng thời góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.
Hình 6.12: Sơ đồ lắp đặt line từ thực nghiệm
Hình 6.13: Hệ thống line từ thực nghiệm
Giao diện trên máy tính lập trình bằng ngôn ngữ C# có các vị trí tương ứng trên sơ đồ để chọn
Lập trình trên giao diện và tạo ra lệnh dẫn đường để gửi xuống vi điều khiển
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Đề tài này tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa khả năng di chuyển và hoạt động của robot trong môi trường nội thất Qua việc áp dụng các thuật toán điều khiển và cảm biến hiện đại, robot có thể nhận diện và theo dõi vết hoạt động, từ đó thực hiện các nhiệm vụ một cách hiệu quả Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào việc nâng cao hiệu suất làm việc của robot mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như tự động hóa nhà ở và dịch vụ.
Hình 6.14: Giao diện điều khiển trên máy tính và kết quả vị trí tính được
Robot thực hiện lệnh điều khiển từ máy tính và sau 0,2 giây, nó gửi về giá trị sai số bám line một lần sau khi nhận lệnh.
- Tiến hành đặt robot vào vị trí bắt đầu, bật nguồn cho robot
- Kết nối máy tính với cổng giao tiếp, gửi xuống dữ liệu đường đi là điểm B1 có hành trình tính toán trên máy tính là: rlbrrsbsse
- Chờ robot di chuyển hết quãng đường
- Lưu dữ liệu nhận được, vẽ lại đồ thị
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận động trong nhà là một chủ đề nghiên cứu quan trọng Đề tài này tập trung vào việc phát triển các hệ thống robot có khả năng di chuyển và hoạt động hiệu quả trong môi trường nội thất Nghiên cứu nhằm cải thiện tính năng tự động hóa, giúp robot thực hiện các nhiệm vụ như vận chuyển, dọn dẹp và hỗ trợ con người trong sinh hoạt hàng ngày Qua đó, luận văn sẽ đóng góp vào lĩnh vực công nghệ robot, nâng cao khả năng ứng dụng của robot tự hành trong đời sống.
Hình 6.15: Giao diện chọn vị trí B1
Hình 6.16: Đồ thị sai số bám line thực nghiệm
Phân tích đồ thị, với giá trị sai số lệch phải là âm, lệch trái là dương:
- Khoảng thời gian từ 0 đến 6 giây: di chuyển trên đoạn đường thẳng, có một thời điểm bị nhiễu là do đánh dấu giao điểm tại vị trí xuất phát
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ Bài viết này trình bày quy trình thiết kế và phát triển robot tự hành, nhấn mạnh các ứng dụng thực tiễn trong môi trường nhà thông minh Robot tự hành có khả năng hoạt động độc lập, giúp nâng cao hiệu quả công việc và cải thiện chất lượng cuộc sống Nghiên cứu cũng đề cập đến các thách thức trong việc lập trình và điều khiển robot, cùng với các giải pháp khả thi để tối ưu hóa hiệu suất Kết quả từ luận văn sẽ đóng góp vào việc phát triển công nghệ robot tại Việt Nam, mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành công nghiệp tự động hóa.
Trong khoảng thời gian từ 6 đến 12 giây, robot đã nhận diện giao điểm đầu tiên và thực hiện rẽ phải theo lệnh Đồ thị minh họa cho thấy robot đã xoay phải và gặp nhánh rẽ bên phải, dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng từ lệch phải sang lệch trái.
- Khoảng 14 đến 18 giây: là đoạn robot rẽ trái
- Khoảng 18 đến 26 giây: là đoạn xoay 180° ngược chiều kim đồng hồ, tại vị trí này robot nhận biết giao điểm là kệ hàng và thực hiện lện quay lại
- Khoảng 26 đến 30 giây: robot rẽ phải
- Khoảng 38 đến 40 giây: robot rẽ phải, tuy nhiên không có line phía trước nên không có tín hiệu lệch phải (âm)
- Khoảng 50 đến 54 giây: robot đã đến vị trí Pick nên quay lại ngược chiều kim đồng hồ
- Robot di chuyển trên các đoạn thẳng có sai số nhỏ hơn 10 (mm)
- Robot đã hoạt động đúng với tín hiệu điều khiển, cho thấy giải thuật trên vi điều khiển hoạt động tốt, các cảm biến phát hiện giao điểm tốt
- Hệ thống line thực nghiệm khá nhỏ nên robot di chuyển chưa liên tục, bị rẽ nhiều nhánh
Thời gian di chuyển để lấy hàng trong kho rất ngắn, cho thấy rằng khi áp dụng quy mô lớn, robot có khả năng đáp ứng nhanh chóng nhu cầu vận chuyển hàng hóa.
Chương này đã hoàn thành việc thực nghiệm điều khiển hệ thống robot, phân tích kết quả và đưa ra nhận xét về hệ thống robot thử nghiệm
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hành trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Đề tài này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn mà còn phát triển các kỹ năng thiết kế và lập trình Robot tự hành có khả năng thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường nội thất, từ việc dọn dẹp đến hỗ trợ con người trong các công việc hàng ngày Việc nghiên cứu và phát triển robot tự hành sẽ góp phần nâng cao hiệu quả công việc và cải thiện chất lượng cuộc sống Thông qua luận văn, sinh viên sẽ trình bày quy trình thiết kế, các công nghệ sử dụng, cũng như những thách thức trong việc phát triển robot tự hành.
TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Đánh giá kết quả đề tài
7.1.1 Những công việc đã đạt được Đề tài này đã hoàn thành được các công việc như sau:
- Phân tích mô hình động học, tìm ra mối qua hệ giữa vận tốc hai bánh và góc lệch của mô hình robot
- Thiết kế cơ khí cho mô hình robot tự hành trong nhà xưởng thử nghiệm
- Xây dựng được hệ thống điện, cảm biến, điều khiển và hoàn thiện kết nối các mô đun điện
- Thực nghiệm sử dụng cảm biến, điều khiển động cơ, tìm sai số bám đường cho robot
Đã phát triển một thuật toán tìm đường hiệu quả cho robot trong hệ thống kho hàng Thực nghiệm cho thấy robot có khả năng di chuyển linh hoạt và hoàn thành nhiệm vụ trong kho hàng một cách thành công.
7.1.2 Những hạn chế trong thực hiện đề tài
- Giải thuật trên máy tính chưa đáp ứng được cho tất cả các dạng bố trí kho hàng, chỉ sử dụng cho một mô hình kho hàng nhất định
Giải thuật điều khiển robot chỉ hoạt động hiệu quả trong những điều kiện môi trường nhất định Tuy nhiên, môi trường kho hàng rất đa dạng và có nhiều yếu tố bên ngoài tác động đến quá trình di chuyển của robot.
Mô hình thí nghiệm hiện tại vẫn gặp hạn chế về cơ khí, chưa đảm bảo độ đồng tâm của trục động cơ Điều này dẫn đến việc robot cần được điều chỉnh bằng lập trình khi di chuyển thẳng Hiện tại, mô hình chỉ đáp ứng nhu cầu chở hàng và di chuyển trong môi trường nhà xưởng.
- Robot trong quá trình thực hiện di chuyển chưa thực sử ổn định do môi trường bên ngoài có nhiều tác động mà không thể kiểm soát được
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vận hoạt động trong nhà là một đề tài nghiên cứu quan trọng Bài viết này trình bày các phương pháp và công nghệ hiện đại trong việc phát triển robot tự hành, nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động trong môi trường nội thất Việc thiết kế robot tự hành không chỉ giúp cải thiện quy trình làm việc mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như dịch vụ, y tế và giáo dục Luận văn sẽ phân tích các yếu tố kỹ thuật, thiết kế và thử nghiệm để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả và an toàn trong không gian sống.
Các hướng phát triển của đề tài
Để phát triển và mở rộng nghiên cứu về robot tự hành trong nhà xưởng, cần tập trung vào một số hướng nghiên cứu chính nhằm tận dụng tối đa những ưu điểm của công nghệ này.
- Sử dụng các phương pháp dẫn đường khác có thể đáp ứng được yêu cầu hoạt động trong nhà xưởng như dẫn đường bằng laser
Thay đổi thuật toán điều khiển trên máy tính cho các mô hình nhà xưởng với bố trí khác nhau là cần thiết Đồng thời, việc tìm kiếm giải thuật nhằm giảm thời gian chờ từ khi lấy hàng đến khi giao hàng cũng rất quan trọng.
Thiết kế cơ cấu lấy hàng tự động cho robot cho phép robot di chuyển đến vị trí hàng hóa, tự động lấy hàng và chuyển đến địa điểm nhận hàng.
Luận văn tốt nghiệp đại học thiết kế robot tự hành theo vết hoạt động trong nhà là một dự án nghiên cứu quan trọng, nhằm phát triển các giải pháp công nghệ tiên tiến cho robot tự hành Dự án này tập trung vào việc tối ưu hóa khả năng di chuyển và hoạt động của robot trong môi trường nội thất, từ đó nâng cao hiệu quả và tính linh hoạt trong các ứng dụng thực tiễn Việc thiết kế và triển khai robot tự hành có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực tự động hóa và công nghệ thông minh, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp robot.