nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot amr ứng dụng trong nhà máy sản xuất

Vì vậy việc sử dụng những robot thông minh chuyên dụng cho việc vận chuyển hàng hóa, vật nặng đã và đang được sử dụng nhiều ở các công ty và nhà máy như robot AGV, AMR, … Robot AMR được

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Robot AMR đang thúc đẩy một cuộc cách mạng tự động hóa công nghiệp và các lĩnh vực khác Việc sử dụng robot thông minh có khả năng tự động di chuyển và làm việc trong bất cứ môi trường cụ thể và thậm chí thay đổi có thể giúp cho quy trình làm việc được tối ưu hóa và giảm thiểu sự phụ thuộc lẫn rủi ro so với lao động con người

Tăng cường hiệu suất và giảm thiểu chi phí bởi khả năng làm việc liên tục đồng thời chính xác thực hiện nhiệm vụ hiệu quả hơn so với con người trong một số phạm vi và trường hợp khác Robot AMR có thể được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm giúp bảo vệ sự an toàn của con người, cụ thể hơn là làm việc trong những môi trường chứa khí độc hại hoặc các trường hợp khẩn cấp

Hình 1.1 – Autonomous Mobile Robots ứng dụng trong sản xuất (cssi – technology) [1]

Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng gia tăng, sự cung và cầu cũng đã và đang được đẩy lên nhanh chóng, việc mua sắm trực tuyến và nhu cầu về vận chuyển quản lý hàng hóa kho chứa làm tăng sự cần thiết của robot AMR Bên cạnh đó, sự phát triển của công nghệ trí tuệ nhân tạo AI cũng đã làm cho AMR trở nên hoàn hảo hơn, linh hoạt và ngày càng thông minh hơn Việc phát triển và nghiên cứu đối với lĩnh vực này là một cơ hội đầy khả quan và hứa hẹn

Tóm lại, đề tài về robot AMR không chỉ đem lại sự phát triển về lĩnh vực tự động hóa mà còn là chìa khóa để giải quyết các vấn đề liên quan tới nguồn lực lao động và nền kinh tế của xã hội.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Robot AMR viết tắt của “Autonomous Mobile Robot”, nó có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực robot học, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo Là một phần không thể thiếu của các lĩnh vực, hệ thống tự động hóa sử dụng trong các môi trường công nghiệp Với vai trò vận chuyển và xử lý hàng hóa trong các nhà máy, kho lưu trữ và nhiều môi trường sản xuất khác nhau

Robot AMR có thể được áp dụng trong các hoạt động liên quan đến vận tải và quản lý kho Với khả năng di chuyển tự động trong kho để tìm kiếm, lấy và trả hàng hóa, cải thiện quá trình quản lý hàng tồn kho và giao hàng Được trang bị trí tuệ nhân tạo để tự động điều hướng, đưa ra kết quả, quyết định đường đi dựa trên môi trường xung quanh Liên quan đến Machine Learning, Vision Machine, cải thiện việc robot tương tác với môi trường, không gian và con người

Vai trò đối với kho sản xuất: Robot AMR tự động di chuyển hàng hóa trong kho lưu trữ, hoạch định đường đi cụ thể, lấy và trả hàng hóa Việc này giúp giảm thời gian, công sức của công nhân, cải thiện độ chính xác và giảm nguy cơ sai sót Trong môi trường sản xuất, robot AMR có thể đảm nhiệm các vai trò như vận chuyển linh kiện đến các máy móc sản xuất, giao hàng giữa các dây chuyền sản xuất và thậm chí là kiểm tra chất lượng của sản phẩm dựa vào các thuật toán trí tuệ nhân tạo thông minh, có thể tối ưu hóa dòng sản xuất và tăng hiệu suất công việc

Có thể thấy việc sử dụng cũng như ứng dụng Robot thông minh AMR đang dần trở thành việc thiết yếu cho mỗi ngành công nghiệp, các môi trường làm việc khác nhau và dạng Đối với y tế: Robot AMR có thể được bệnh viện sử dụng trong các tình huống như vật chuyển vật dụng y tế và dược phẩm, hỗ trợ việc giao thuốc, thức ăn đến cho các phòng bệnh

Hình 1.2 – Autonomous Mobile Robots ứng dụng y tế [2]

Service: Trong mảng dịch vụ khách hàng, robot AMR được ứng dụng vào vai trò phục vụ thức ăn, thậm chí là vệ sinh khu vực và dọn bàn

Hình 1.3 – Autonomous Mobile Robots ứng dụng trong dịch vụ [3]

Trong nông nghiệp: Robot AMR có thể được sử dụng để tiến hành thu hoạch tự động, vận chuyển thực phẩm, rau củ và giám sát mức độ phát triển của cây trồng hoặc vật nuôi

Hình 1.4 – Autonomous Mobile Robots ứng dụng trong nông nghiệp [4]

Tóm lại, robot AMR có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhiều ngành công nghiệp đa dạng và đều đem lại mức hiệu quả tối ưu về khả năng làm việc và nâng cao năng suất Nhưng cũng đòi hỏi nhiều về sự sắp xếp, tính toán các thuật toán phức tạp để robot có thể đáp ứng được với yêu cầu đưa ra

Hình 1.5 – Các mẫu Autonomous Mobile Robots [5]

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

− Chế tạo mẫu robot AMR với mục đích ứng dụng trong nhà máy sản xuất

− Phát triển hệ thống robot AMR hoàn chỉnh bao gồm thiết kế cơ khí, điều khiển, hệ thống điện và phần mềm điều hành

− Khả năng di chuyển tự động của robot trong một môi trường cụ thể

− Đóng vai trò cho việc giảm lượng công việc và nâng cao hiệu suất làm việc cho nhà máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

− Môi trường làm việc của Robot

− Robot AMR, cấu trúc và các thành phần của Robot

− Hệ thống điều khiển, ngôn ngữ lập trình

− Quy trình làm việc trong nhà máy sản xuất

− Thiết kế chế tạo robot AMR hoạt động trong lĩnh vực nhà máy sản xuất, tập trung vào nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa, vật phẩm.

Hình 1.6 – AMR robot trong lĩnh vực công nghiệp [6]

Phương pháp nghiên cứu

− Xác định mục tiêu cụ thể

− Tìm hiểu về các cơ sở, nghiên cứu liên quan

− Thiết kế chế tạo robot

− Thiết lập môi trường thử nghiệm

− Thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu suất

− Phân tích dữ liệu và đưa ra kết luận

− Đề xuất cải tiến và phát triển.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp gồm 7 chương, trong đó:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Tổng quan nghiên cứu

Chương 4: Tính toán, thiết kế cơ khí, động học robot và hệ thống điện Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 6: Kết quả và thực nghiệm

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về AMR

AMR – Autonomous Mobile Robot là dạng robot có khả năng tự điều hướng và thực hiện di chuyển mà không cần hướng dẫn từ người điều khiển, tự động lập ra kế hoạch đường đi khi gặp vật cản

2.1.1 Yêu cầu thiết kế của robot vận chuyển hàng hóa

AMRs đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của hầu hết các lĩnh vực công nghiệp trong xã hội ngày nay, hiệu suất mà robot mang lại cho ngành sản xuất là vô cùng to lớn AMRs đã thay đổi cách nhà máy sản xuất, các kho hàng hoạt động, là phiên bản nâng cấp của AGVs Cả hai mẫu robot đều có khả năng di chuyển tự điểm xuất phát đến đích đến và chịu tải lên đến 500kg Tuy nhiên, mẫu robot AGV hoạt động như tàu điện, di chuyển theo một đường ray duy nhất được tạo ra Do đó việc sử dụng AMR robot vẫn luôn chiếm tỉ lệ cao hơn so với AGV robot

Hình 2.1 – Các thành phần của AMR robot [7]

• Tự động và độc lập: AMR có khả năng di chuyển độc lập trong mội trường cụ thể, tương tác với môi trường bằng bản địa hóa, điều hướng thực hiện nhiệm vụ được giao

• Khả năng điều hướng: AMR sử dụng cảm biến quét Lidar, máy ảnh và cảm biến tiếp xúc để xác định vị trí của chúng trong môi trường cụ thể Dựa vào các

7 | P a g e dữ liệu, chúng có thể lập ra kế hoạch đường đi theo thời gia thực và tới điểm đến an toàn hiệu quả

Vì được gắn cảm biến nên AMR robot có thể tránh được vật cản, tự động phát hiện chướng ngại vật nhờ vào cảm biến và bản địa hóa để hoàn thành nhiệm vụ được giao

2.1.2 Môi trường làm việc lý tưởng

Tính đến bài toán môi trường làm việc của robot là điều cần thiết, tuy nhiên việc đó cũng là tương đối không quá phức tạp và đòi hỏi nhiều thứ Đối với robot AMR, môi trường lý tưởng bao gồm các yếu tố sau:

- Mặt đất không gian làm việc bằng phẳng: đối với thiết kế của robot, xét theo tính năng chung của loại AMR hiện tại thì việc leo dốc hay địa hình gồ ghề là không cần thiết vì việc vận chuyển hàng hóa nặng có thể lên đến vài trăm kilogram hoặc vài tấn, do đó sàn làm việc bằng phẳng là điều tất yếu

- Hệ thống truyền thông và kết nối: để ưu tiên robot hoạt động trơn tru, không bị can thiệp hoặc nhiễu do các loại sóng khác ảnh hưởng đến việc kết nối khi robot đang thực hiện chương trình cần đầu tư các thiết bị kết nối WIFI, Bluetooth hoặc các giao thức liên quan

- Môi trường làm việc an toàn: việc Robot có thể tránh vật cản là điều hiển nhiên, tuy vậy vẫn luôn phải ưu tiên và tuân theo các tiêu chuẩn an toàn lao động để đảm bảo robot có thể làm việc một cách an toàn đối với môi trường xung quanh, con người và các thiết bị khác

- Hệ thống sạc: cần có các trạm sạc tự động để đảm bảo khả năng vận hành liên tục của robot đối với các chương trình đã đưa ra và công việc đảm nhận

Hình 2.2 – Môi trường làm việc của robot [8]

Giao thức truyền thông

UART (Universal Asychronous Receiver-Transmitter) giống với tên gọi, đây là một loại giao thức truyền thông giữa các thiết bị với nhau, là bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ Khi hai thiết bị trao đổi dữ liệu cho nhau, UART chuyển đổi dữ liệu song song từ một thiết bị điều khiển như CPU thành dạng nối tiếp đến UART nhận tiếp đó sẽ chuyển đổi dữ liệu đó thành song song đến thiết bị nhận

Hình 2.3 – Giao tiếp UART giữa hai thiết bị [9]

Sự truyền và nhận dữ liệu trong giao tiếp UART giữa hai thiết bị được xác định bằng hai tín hiệu, Chân Tx (Transmitter) của thiết bị kết nối với chân Rx (Receiver) của thiết bị còn lại và ngược lại Trong chuẩn giao tiếp UART sẽ có các bit start và stop để xác định điểm bắt đầu và kết thúc của gói dự liệu nhằm nhận biết khi nào bắt đầu đọc các bit Trong quá trình chuyền dữ liệu, UART đọc các bit ở một tần số cụ thể là tốc độ truyền (baud rate) Định nghĩa tốc độ truyền được hiểu là tốc độ truyền tải dữ liệu đơn vị là bit trên giây (bps – bit per second)), chẳng hạn như 9600 bps, 115200 bps Khi hai thiết bị kết nối UART phải hoạt động cùng một tốc độ truyền, cả hai thiết bị cũng cần phải được cấu hình để truyền nhận cùng một cấu trúc gói dữ liệu

Hình 2.4 – Cấu trúc giao tiếp UART [10]

UART truyền dữ liệu được tổ chức thành các gói chứa 1 bit bắt đầu, 5 đến 9 bit dữ liệu, một bit chẵn lẻ tùy chọn và 1 hoặc 2 bit dừng

Start bit: Khi không truyền dữ liệu mức điện áp sẽ được giữ ở mức cao UART truyền sẽ đưa đường truyền xuống mức thấp trong chu kỳ một đồng hồ Khi thiết bị nhận phát hiện có sự chuyển đổi điện áp cao xuống thấp bắt dầu đọc các bit trong khung dữ liệu ở một tốc độ truyền đã thiết lập (baurd rate)

Frame: Khung sẽ chứa dữ liệu thực tế đang được truyền, có thể từ 5 đến 8 bit nếu sử dụng Parity Bit (bit chẵn lẻ), nếu không sử dụng bit Parity có thể dài 9 bit

Parity Bit: đây là kiểu dữ liệu giúp UART nhận biết những thay đổi của dữ liệu trong quá trình truyền Nếu bit là 0, tổng các bit 1 trong khung phải là một số chẵn và ngược lại, nếu khớp với dữ liệu thì quá trình truyền dữ liệu không có lỗi

Stop bit: Bit dừng báo hiệu kết thúc gói dữ liệu và tiếp đó điện áp thấp chuyển thành điện áp cao trong ít nhất khoảng thời gian 2 bit

Rosserial là một gói chứa các messages, topics và services của ROS được chuyển đổi dưới dạng dữ liệu có thể sử dụng trong giao tiếp truyền thông nối tiếp Đây là cầu nối giữa các phần cứng điện tử giao tiếp trực tiếp với hệ thống ROS Khi sử dụng rosserial cho một mô hình Client – Server, rosserial – server là một thiết bị, một máy tính khởi chạy ROS, rosserial – client là một vi xử lý nhận dữ liệu từ cảm biến và chuyển nó đến máy chủ dưới dạng ROS messages Rosserial – server là một publishing node trong khi rosserial – client là một subcriber node và đôi khi có thể ngược lại Sau đây là một số khái niệm cơ bản:

• Nodes: Là các quy trình độc lập chạy trong ROS với nhiệm vụ thực hiện các chức năng cụ thể

• Messages: Là một dạng dự liệu được định dạng và truyền tải giữa các nodes thông qua topics Có thể là các loại kiểu dữ liệu đơn giản như số nguyên, số thực, chuỗi, …

• Topics: Cho phép các node gửi và nhận dữ liệu, ví dụ một node đọc dữ liệu từ cảm biến và gửi nó lên một topic, một node khác sẽ đăng kí (subscriber) topic đó và xử lý dữ liệu từ cảm biến

• Services: Là một cơ chế trong ROS, nó cho phép node yêu cầu nhiệm vụ từ node khác và nhận kết quả khi nhiệm vụ hoàn thành ví dụ yêu cầu một node điều khiển động cơ di chuyển robot ở một khoảng cách xác định

• Publishing node (Nút xuất bản): Đây là một node trong ROS đóng vài trò gửi messages đến một topic

• Subscriber node (Nút đăng kí): Là node có nhiệm vụ đăng ký để nhận thông diệp từ một topic

Hình 2.5 – Ứng dụng ROS cho dự án Mini Moblie Robot [11]

Gói Rosserial – client có sẵn cho nhiều loại vi xử lý bao gồm Arduino, SMT32 và các loại khác Mặt khác, gói rosserial – server có sẵn dưới dạng Python và C++

Hình 2.6 – Giao tiếp truyền thông giữa Publisher_node và Subscriber_node [11]

Động học Mobile robot

Hiện tại có nhiều thiết kế cho robot di động dựa trên nguyên lý động học lái khác biệt, bao gồm cơ cấu hai bánh xe đặt hướng đối diện kết nối với động cơ, hướng di chuyển của robot dựa vào tốc độ thay đổi của hai động cơ Động học robot chủ yếu nghiên cứu về chuyển động của robot, tập trung chủ yếu vào cấu trúc của robot, cách robot di chuyển và thay đổi vị trí trong không gian Đối với robot di động, vùng hoạt động thuộc không gian phẳng Oxy do đó robot chỉ có 2 bậc tự do tịnh tiến là tiến và lùi, bậc tự do xoay (quay quanh trục z) Bản chất robot di động thuộc nhóm robot dạng di chuyển bằng bánh xe, do đó tập trung chủ yếu vào việc điều khiển các biến khớp là góc quay của bánh

Mô hình động học sẽ chỉ ra mối quan hệ giữa tốc độ của bánh xe với tốc độ di chuyển tuyến tính cũng như tốc độ góc của robot Với cơ cấu lái khác biệt, mô hình sẽ tập trung vào việc tính toán tốc độ tuyến tính và góc quay dựa trên tốc độ của bánh xe

Hình 2.7 – Cơ cấu lái của robot di động

Dựa theo thiết kế của robot, hệ dẫn động sẽ bao gồm hai bánh xe chủ động và bốn bánh xe điều hướng (bị động), bài toán động học sẽ tập trung vào hai biến khớp quay trái và phải là hai bánh chủ động

Việc robot di chuyển từ điểm A đến điểm B đòi hỏi chính xác về bài toán động học, chúng ta cần phải biết được chính xác hướng của robot bằng việc xác định từ tốc độ bánh xe thông qua encoder được tích hợp phía sau động cơ, kết quả của quá trình tính toán sẽ thu được vận tốc và từ đó xác định hướng di chuyển của robot Trọng tâm của robot đóng vai trò quan trọng đối với việc giải bài toán động học, việc xác định được vị trí trọng tâm của robot chính là việc có thể xác định được vị trí của robot trên bản đồ

Hình 2.8 – Động học robot di động cơ cấu 2 bánh xe

Ta có các biến x, y và góc quay được xác định như sau dựa theo mô hình của robot di động: cos ( ) cos

Dựa theo thiết kế của robot, chúng ta có vận tốc v là vận tốc tuyến tính được xác định bởi công thức:

Trong đó 𝑣, 𝑣 𝑙 và 𝑣 𝑟 lần lượt là vận tốc trọng tâm, vận tốc bánh trái và bánh phải của robot Ta lại có công thức sau cho vận tốc dài: r = ( ) 2

Ta có công thức tính toán vận tốc góc 𝜔:

Từ công thức (2.2) và (2.3) có thể suy ra được công thức tính toán cho vận tốc góc bánh trái và vận tốc góc bánh phải:

L: Khoảng cách giữa 2 bánh xe tính từ trọng tâm (m)

R: Đường kính bánh xe (m) ω: vận tóc góc của robot (rad/s) v: Vận tốc dài của robot (m/s)

Bộ điều khiển PID

2.4.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được coi là một thuật toán nổi tiếng được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điện tử hoặc bất kỳ lĩnh vực nào đòi hỏi điều khiển chuyển động chính xác cao, đặc biệt là trong lĩnh vực robot học Bộ điều khiển PID có thể giúp tối ưu hóa giá trị đầu ra của một hệ thống để làm cho nó gần giá trị đầu vào nhất có thể, từ đó loại bỏ tất cả các lỗi nhiễu do các yếu tố bên ngoài gây ra Điều này có nghĩa là bộ điều khiển PID có thể giúp hệ thống điều chỉnh giá trị đầu ra của nó một cách linh hoạt, tự động và chính xác để đáp ứng yêu cầu của giá trị đặt, giúp đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong mọi điều kiện, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài

Trong lĩnh vực robot học, bộ điều khiển PID đóng một vai trò quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của robot, đảm bảo chính xác và linh hoạt trong các tác vụ như di chuyển, định vị, và tương tác với môi trường xung quanh PID trở thành một công cụ không thể thiếu trong nhiều ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác và đáng tin cậy

Hình 2.9 – Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

(Ảnh sưu tầm trên Internet)

2.4.2 Lý thuyết về thuật toán PID

Một robot tự hành sử dụng một số thiết bị bao gồm bo mạch Arduino, cảm biến và bộ điều khiển động cơ Tuy nhiên làm thế nào để điều khiển robot di chuyển thẳng mà không bị cong do sai lệch tốc độ giữa hai bánh xe

Hãy giả sử chúng ta muốn một động cơ quay với tốc độ 100 vòng/phút Tuy nhiên, giá trị đầu ra quan sát được chỉ là 50 vòng/phút do sự ma sát cao làm yếu tố nhiễu Trong thời điểm này, có một sai số được biểu diễn như sau: e = 100 –

50 = 50 Sau đó có thể kết luận sai số là 50 vòng/phút Cách điều khiển tốc độ của động cơ phụ thuộc vào sai số vừa tìm thấy Rõ ràng, động cơ vẫn quay chậm với sai số 50 vòng/phút, do đó cần tăng tốc độ của động cơ bằng cách tăng độ rộng xung (PWM) PWM = 50 + 50 (giả sử: 100 vòng/phút ~ với 50 PWM) Trong trường hợp động cơ chạy quá nhanh so với giá trị thiết lập (sai số e < 0), cần giảm độ rộng xung Kết quả cuối cùng của thuật toán là một sai số tốc độ trong một thời điểm cụ thể, giá trị này sẽ được điều chỉnh và tính toán một cách đúng đắn để trích xuất giá trị đầu ra chính xác nhất Giá trị đầu ra trả về được

15 | P a g e tính toán bởi thuật toán là sự kết hợp của 3 yếu tố bao gồm P, I, D có thể được giải thích như là sai số tại thời điểm đó, sai số dựa trên toàn bộ quá trình và đạo hàm của sai số tại thời điểm đó

Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số K p , được gọi là hệ số tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được tính như sau:

𝐾 𝑝 : Hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh

𝑡: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Kp nên được chọn dựa trên việc chạy thời gian thực của động cơ Điều này là công việc tốn thời gian nhất

Hình 2.10 – Độ thị PV theo thời gian đối với các giá trị Kp [22]

(Ảnh sưu tầm trên Internet)

Giá trị đầu ra có thể được điều chỉnh chính xác thông qua phương trình X Kp.e Tuy nhiên, điều này không hoạt động như mong đợi trong thực tế do giá trị lỗi trả lại quá nhỏ và ảnh hưởng đến giá trị X, vì vậy không thể thay đổi tốc độ của động cơ Kết quả là, động cơ luôn chạy ở một giá trị nhất định rất gần giá trị thực tế nhưng không bao giờ đạt được nó Ví dụ, giá trị kỳ vọng là 100 vòng/phút, nhưng giá trị thực tế chỉ là 99 vòng/phút, do giá trị X quá nhỏ nên không thể tăng tốc độ động cơ

Trong trường hợp này, chúng ta cần tích lũy tổng của sai số theo thời gian Sau một khoảng thời gian cụ thể, chúng ta sẽ thêm nhiều giá trị lỗi hơn cho đến khi giá trị đủ lớn để thay đổi tốc độ của động cơ Phương trình độ rộng xung từ tài liệu tham khảo [22] được hiện thị như sau:

𝐾 𝑖 : Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

𝑒: sai số = SP – PV (SP: giá trị đặt, PV: biến số quá trình)

𝑡: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Hình 2.11 – Độ thị PV theo thời gian đối với các giá trị Ki [22]

(Ảnh sưu tầm trên Internet)

Phương pháp đạo hàm này có thể được sử dụng để dự đoán trạng thái tương lai của tốc độ động cơ dựa trên tỷ lệ thay đổi hiện tại của nó Giả sử động cơ đang tăng tốc và đạt đến gần giá trị thiết lập (e = 0), chúng ta ngừng điều chỉnh PWM ngay khi X = 0, tốc độ sẽ có khả năng giữ ổn định hoặc giảm Tuy nhiên, tốc độ vẫn tiếp tục tăng do lực quán tính gây ra bởi trục động cơ và các thành phần khác bên trong nó Do đó, chúng ta cần điều chỉnh giá trị X để làm cho nó nhỏ hơn để giảm tốc độ động cơ Tại thời điểm e = 0, X = 0 Sau đó ngừng điều chỉnh độ rộng xung Thực tế, tốc độ không duy trì ở một giá trị cố định mà giảm một chút Hành vi của tốc độ vượt quá giá trị yêu cầu một chút hơn so với giá trị thực tế được gọi là hành vi phản ứng dao động

Cách để ngăn chặn dao động này là làm chậm hoặc giảm tốc độ của động cơ khi nó gần đạt đến giá trị thiết lập Tỷ lệ thay đổi này có thể được tính toán thông qua tài liệu tham khảo [22] như sau:

Với: 𝑒: sai số tại một thời điểm đã thiết lập

𝑒(𝑡): Giá trị sai số tại thời điểm trước đó

Phương trình độ rộng xung được trình bày qua tài liệu tham khảo [22] như sau:

𝑋 = 𝐾 𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾 𝑖 ∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏 0 𝑡 + 𝐾 𝑑 (𝑒 − 𝑒(𝑡)) (2.9) Trong đó: 𝐾 𝑑 là hệ số đạo hàm

Hình 2.12 – Độ thị PV theo thời gian đối với các giá trị Kd [22]

(Ảnh sưu tầm trên Internet)

Cơ sở lý thuyết về vi điều khiển

Đóng vai trò là bộ não trung tâm, có nhiệm vụ xử lý điều khiển các thiết bị điện tử, vi điều khiển (Microcontroller) được tích hợp trên một chip là máy tính

Có hiệu suất đủ dùng và giá thành tương đối Vi điều khiển được thiết kế để thực hiện các chương trình ứng dụng cụ thể, thường được ứng dụng trong Embeded Systems và các ứng dụng khác

Một số đặc điểm của vi điều khiển như CPU (bộ xử lý trung tâm) thực hiện các lệnh và quản lý mọi thứ của hệ thống Memory (bộ nhớ) gồm bộ nhớ lưu trữ chương trình (Flash) và RAM để lưu trữ dữ liệu tạm thời Giao diện I/O giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như cảm biến hoặc các linh kiện khác Giao thức truyền thông (Communication Protocols) gồm những loại giao thức truyền thông như I2C, UART, SPI dể giao tiếp với các thiết bị khác

Tùy vào ứng dụng và dự án, vi điều khiển sẽ được lựa chọn để phù hợp với các chức năng, nhiệm vụ và các bài toán đưa ra để thực hiện.

Hình 2.13 – Một số vi điều khiển hiện nay [12]

Hiện nay có rất nhiều loại vi xử lý có tính năng nổi trội và khả năng xử lý cao, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển, từ những ứng dụng cơ bản đến những hệ thống phức tạp và đa nhiệm

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu

AMR – Autonomous Mobile Robot, là một dạng robot thông minh sử dụng cảm biến quét map Lidar Sensor để thu thập dữ liệu, tạo bản đồ, hoạch định đường đi và né vật cản Hướng đến mục tiêu điều hướng cho robot đạt được vị trí đưa ra, thực hiện nhiệm vụ như vận chuyển hàng hóa

Nghiên cứu về thiết kế robot AMR không chỉ đơn thuần đi sâu về công nghệ mà còn phải đưa ra được các ứng dụng cụ thể, nhiệm vụ hoặc tính khả thi khi đưa vào môi trường sản xuất Để làm ra được một loại robot tự hành cần phải nắm vững các kiến thức chuyên môn, sự hợp tác từ các nhóm để lên kế hoạch, từng bước tiến hành nghiên cứu, thiết kế phần cứng, phần mềm và nhiều vấn đề liên quan đến dự án

Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc thiết kế hình dáng, phần cứng cho robot, sử dụng phần mềm điều khiển có cộng đồng lớn để giảm thiểu thời gian thực hiện, tham khảo các loại robot trên thị trường từ những thương hiệu công nghệ nổi tiếng để đảm bảo thiết kế mang tính thẩm mỹ, ổn định và phù hợp với môi trường làm việc đưa ra

Hình 3.1 – Phác thảo hình dáng thiết kế robot AMR trên Inventor

Hầu hết các loại robot di động hiện nay đều có cùng một kiểu thiết kế do tính chất công việc và khả năng di chuyển, phục vụ hoặc vận chuyển nên những thiết kế cầu kỳ là không cần thiết

Hình 3.2 – Kiểu dáng robot AMR bản thử nghiệm

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

Hiện nay, vì tính tự động hóa là cần thiết và luôn là ưu tiên hàng đầu của các doanh nghiệp trong và ngoài nước do đó tại Việt Nam đã có các doanh nghiệp chuyên sản xuất và thiết kế robot tự hành AMR IROCO VN, một trong những doanh nghiệp, công ty về giải pháp tự động hóa Tại IROCO có các mẫu robot tự hành AGV, AMR với ứng dụng vận chuyển hàng hóa hoàn toàn tự động

Hình 3.3 – Robot AMR AR – 300, IROCO Company [13]

- Kéo hàng, cõng hàng trên lưng

- Lưu trữ và lấy trong ngăn xếp

- Vận chuyển sản phẩm hàng hóa trên một quãng đường dài

Ngoài ra còn đi kèm với các phụ kiện khác như kệ chứa đồ hoặc bàn nâng, móc kéo hoặc các cơ cấu hỗ trợ khác

DẪN ĐƯỜNG LiDAR ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN Động cơ không chổi than

CẢM BIẾN AN TOÀN Radar + Hồng ngoại + An toàn dài

VẬN TỐC CÓ TẢI Max 1.2m/s

Bảng 3.1 – Thông số kĩ thuật robot AMR AR – 300 Iroco

Là một trong những doanh nghiệp hàng đầu thế giới, MiR đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực robot tự hành đặc biệt là AMR Như tên của công ty MiR – Mobile industrial robots, chủ yếu tập trung vào robot di động, ngoài ra còn có các phụ kiện đi kèm kết hợp với AMR Các sản phẩm của MiR mang tính chất công nghệ cao, được kiểm nghiệm bởi các chuyên gia và được các doanh nghiệp thế giới ưu tiên sử dụng ứng dụng cho công nghiệp

Ngoài Mir, ABB cũng là một trong những ông lớn của tự động hóa, từ Cánh tay robot cho tới xe tự hành, các sản phẩm của những doanh nghiệp lớn này đều có sự tin cậy cao, mang tính công nghệ hiện đại, thiết kế tối ưu, mạnh mẽ và đảm bảo về mặt kỹ thuật Việc ứng dụng AMR vào tự động hóa, vận chuyển hàng hóa và các nhiệm vụ thao tác khác được tối ưu bởi sản phẩm của những công ty doanh nghiệp hàng đầu này Đa phần dựa trên thiết khế khung đến hệ dẫn động đều có tính chắc chắn và cấu trúc chịu lực phức tạp, do đó những loại robot này có thể chịu tải lên đến hàng trăm kilogram Robot AMR còn được tích hợp thêm AI – Trí tuệ nhân tạo để có thể hoàn hảo hơn trong quá trình xử lý nhiệm vụ, thông tin một cách chính xác, mượt mà và hiệu quả

Hình 3.4 – Các dòng robot AMR thuộc MiR Company [14]

Hình 3.5 – Các dòng robot AMR thuộc ABB Company [15]

Đặc điểm cấu tạo của robot AMR

Đề tài tập trung vào phần thiết kế và triển khai điều khiển robot điều hướng tới vị trí được chỉ định, lấy các mẫu robot AMR trên thế giới làm nền tảng để tiến hành thi công, phát triển và hoàn thiện robot để đạt được những yêu cầu đưa ra Việc thiếu hụt kiến thức và nền tảng nên hoàn thiện robot mang tính công nghệ và đảm bảo làm việc trơn tru là không thể

Cấu tạo của Robot AMR gồm 3 phần:

• Hệ thống khung: Để đảm bảo về mặt an toàn, khả năng chịu tải, độ bền, tính khả thi khi vận chuyển hàng hóa nặng thì khung xe luôn cần phải ưu tiên thiết kế hoàn chỉnh, đáp ứng về các thông số bền đối với vật liệu được chọn làm khung Phần vỏ cũng thuộc hệ thống khung, vỏ mang tính chất thẩm mỹ cho robot cũng như đảm bảo robot có thể tránh được các yếu tố như bụi bẩn, các yếu tố gây hại trong môi trường làm việc

• Hệ thống dẫn động: Để robot di chuyển mượt mà trơn tru và di chuyển được trong các môi trường bất lợi hoặc ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác thì việc thiết kế hệ thống dẫn động là cần thiết Một hệ thống dẫn động bao gồm hai thành phần chính đó là cơ cấu dẫn động chính và bánh đa hướng Cơ cấu dẫn động chính là cơ cấu chịu trách nhiệm di chuyển robot, cấu tạo gồm bánh dẫn động được gắn trực tiếp vào trục động cơ hoặc thông qua một bộ truyền tốc, việc robot chịu được tải trọng lớn cũng phụ thuộc vào hệ thống lái của bánh xe có hoạt động được với sức nặng đó hay không, việc lựa chọn động cơ cũng là yếu tố quan trọng đối với hệ thống lái

• Hệ thống điện: Quyết định sự hoạt động của robot, hai hệ thống trên là thể xác thì hệ thống điện chính là linh hồn của robot Bao gồm Pin cung cấp điện cho cả hệ thống, các cơ cấu cảm biến như cảm biến quét lidar sensor, cảm biến vật cản, các cụm nút nhấn thao tác, các cụm đèn báo, camera Cung cấp cho máy tính chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ hệ thống, tiếp đến là bộ xử lý trung tâm vi điều khiển, cung cấp điện cho động cơ hoạt động

Bên cạnh đó robot có thể được thiết kế dưới dạng tích hợp thêm các phụ kiện đi kèm như bàn nâng, móc kéo, cơ cấu vận chuyển hàng hóa hoặc các cơ cấu tùy theo nhiệm vụ và ứng dụng dành cho robot thực hiện

Hình 3.6 – Cấu tạo robot AMR [16]

Hầu hết các mẫu robot AMR hiện nay đều có cấu tạo giống nhau, tuy nhiên tùy vào ứng dụng mà robot được đưa vào sử dụng, robot sẽ được thiết kế theo hướng mong muốn

Nhóm thực hiện đề tài dựa theo thiết kế của các mẫu robot sẵn có để phát triển, ứng dụng vào trong lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong nhà máy sản xuất, robot với vai trò là công cụ hỗ trợ vận chuyển hàng hóa với mức tải trọng 50kg, tích hợp cảm biến quét map Lidar và phần mềm ROS hỗ trợ trong việc thiết kế điều khiển robot hoạch định đường đi cụ thể, tự động né tránh vật cản và cùng nhiều chức năng bổ trợ để robot phù hợp với những yêu cầu hiện nay, đáp ứng được các mục đề ra

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ, ĐỘNG HỌC ROBOT VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Cơ sở thiết kế cơ khí

Để đảm bảo tính bền cũng như khả năng chịu tải cho robot, vật liệu và kết cấu của khung là vô cùng quan trọng, bên cạnh đó hệ thống lái, cơ cấu lái cũng đóng vai trò chính trong cụm truyền động của robot giúp di chuyển linh hoạt, dưới tác động của tải trong lớn mà không gặp phải lỗi hoặc thiệt hại nào

Thông thường khung robot hay được làm từ khung nhôm định hình với các yếu tố như dễ lắp đặt, dễ xử lý và lên khung hình nhanh chóng cho robot mà không cần phải trải qua các giai đoạn gia công phức tạp

Tùy vào ứng dụng mà robot được đưa vào hoạt động để chọn loại vật liệu thích hợp cho khung của robot

Theo hướng thiết kế đưa ra, robot hoạt động ở phạm vi công nghiệp sản xuất do đó nhóm tác giả sử dụng thép tấm C45 để tiến hành xây dựng khung robot Thiết kế theo kế hoạch đề ra sử dụng vỏ in 3D do đó việc khung được làm bằng nhôm định hình là hạn chế

Kết cấu của robot di động AMR thường được thiết kế để đáp ứng tùy vào nhu cầu sử dụng bao gồm tính linh hoạt, độ chính xác và khả năng làm việc, chịu tải, tương tác với môi trường xung quanh Robot bao gồm khung, hệ thống điện và vỏ Khung đóng vai trò quan trọng vì là phần cơ thể cùa robot, yêu cầu nâng đỡ cả hệ thống, chịu tải trọng chính và gắn kết các chi tiết thiết bị lại với nhau

Phần khung: bao gồm khung được làm từ thép tấm có độ dày từ 2mm đến 5mm tùy vào vị trí chịu lực nhất định và hệ thống bánh lái gồm hai bộ giảm xóc bánh lái chủ động và bốn bánh lái bị động, thiết kế và gia công theo phương pháp hàn lắp ghép, việc này đảm bảo cho quá trình hàn khung trở nên nhanh hơn, chính xác và dễ dàng hàn các chi tiết lại với nhau

Hệ thống điện: với nhiệm vụ cung cấp năng lượng hoạt động để robot làm việc xuyên suốt trong một thời gian dài, bao gồm pin hoặc bộ nguồn cung cấp năng lượng

26 | P a g e khác được đặt ở trung tâm robot nhằm đảm bảo mức độ cân bằng, giữ trọng lượng ổn định cho robot, cung cấp năng lượng liên tục

Hệ thống điều khiển: gồm máy tính, vi điều khiển, động cơ, driver và các thiết bị thu phát tín hiệu như cảm biến quét, camera, nút nhấn, màn hình giao tiếp hiển thị Với nhiệm vụ xử lý các vấn đề phức tạp liên quan đến tính hoạt động của robot, khả năng vận hành, thực thi nhiệm vụ và các chức năng khác

Hình 4.1 – Kết cấu robot AMR

1 – Cảm biến quét Lidar Sensor

3 – Cụm nút nhấn và màn hình OLED

4 – Cụm bốn bánh điều hướng caster

6 – Các cổng kết nối với máy tính

10 – Hệ giảm chấn cụm bánh chủ động

4.1.2 Trình tự thực hiện công việc

STT MỤC TIÊU CÔNG VIỆC CỤ THỂ

Giai đoạn 1 Nghiên cứu, tìm hiểu các mẫu robot AMR hiện nay

Tổng hợp các mẫu robot AMR hiện có trên thị trường quốc tế

Nghiên cứu chi tiết cấu trúc của một robot di động gồm các thành phần nào

Giai đoạn 2 Thiết kế, tạo dựng mô hình 3D

Phác thảo kích thước ước tính của robot, liệt kê các thành phần cần có của robot

Thiết kế, dựng hình robot bằng Solidworks, dựng khung, hệ giảm chấn, vỏ, lên mô hình 3D

Giai đoạn 3 Gia công cơ khí

Tiến hành đặt cắt các chi tiết kim loại tấm, xử lý bề mặt kim loại, tạo lỗ ren cho các chi tiết có lỗ cần tạo ren

Tiến hành hàn lắp ghép các chi tiết của khung, làm sạch bề mặt, sơn phủ đen các chi tiết

Giai đoạn 4 Thiết kế hệ thống điện

Lên danh sách các vật tư cần thiết cho robot, lên sơ đồ khối cho hệ thống điện

Tiến hành thi công lắp đặt cố định hệ thống điện gồm hộp điều khiển, máy tính, các bộ nguồn như bộ hạ áp, pin

Giai đoạn 5 Lập trình điều khiển

Tiến hành lập trình điều khiển robot, sử dụng ROS để điều khiển

Nghiên cứu, tham khảo tài liệu, quá trình này chủ yếu tập trung vào sử dụng xử lý bằng ROS để điều khiển robot

Bảng 4.1 – Kế hoạch thực hiện theo từng giai đoạn

Thiết kế cơ khí

Khung được thiết kế gồm nhiều tấm thép có độ dày 2 – 5mm được hàn lại với nhau tạo thành một khối có không gian đủ để chứa đựng các vật tư cần thiết cho robot bao gồm cả phần gá vỏ cho robot

Phần khung chịu lực tác dụng từ trên xuống do đó có xu hướng bị uốn cong trong quá trình chịu tải trọng lớn vậy nên việc tính toán kiểm nghiệm bền cho vật liệu là cần thiết Sử dụng vật liệu thép tấm C45 làm khung có độ bền cao, giá thành hợp lí, khả năng chịu tải tốt

Tính chất cơ học của thép C45:

• Giới hạn bền đứt σ b : 610 MPa

• Giới hạn bền uốn σ c : 360 Mpa

• Độ giãn dài tương đối: 16%

Thông số Đơn vị Giá trị

Khối lượng (không tải) kg 2.5

Bảng 4.2 – Thông số khung robot

Vì hoạt động trong môi trường sản xuất hỗ trợ vận chuyển hàng hóa vì vậy tổng khối lượng cho phép khi tính cả tải là 70kg Đặt lực 700N lên cơ cấu khung của robot, tập trung chủ yếu ở các gối và tấm đáy chịu lực chính, đối với tấm đáy chịu lực từ cụm bánh xe có khối lượng 2.5kg cho một bên nên tổng lực đặt trên tấm đế ít nhất 50N, chịu lực tác dụng từ pin với một lực đặt ở trọng tâm là 25N Các chi tiết, vật tư khác không đáng kể Sử dụng phần mềm Inventor để phân tích, tính toán kiểm nghiệm bền cho khung của robot

Hình 4.3 – Ứng suất phân bổ lên khung của robot

30 | P a g e Đánh giá kết quả: Hình 4.3 – phân tích ứng suất đối với tổng các lực theo phương thẳng đứng tác dụng vào khung robot lớn nhất là 86.17 MPa