Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ khí điện tử: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot phục vụ khám bệnh trong bệnh viện

Điểm nổi bật nhất của cuộc Cách mạng này là việc đưa Robot vào thay thế con người ở một số ngành nghề: AGV vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy, xe nâng hàng Forklift sử dụng để bóc dỡ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CƠ KHÍ ĐIỆN TỬ

: ThS.HÀ LÊ NHƯ NGỌC THÀNH SVTH : TRẦN PHI TUẤN DŨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Sinh viên thực hiện: Trần Phi Tuấn Dũ MSSV: 19146312 ĐThoại: 0835096847

Bùi Trọng Tường MSSV: 19146425 ĐThoại: 0582374921

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu, Thiết kế, Chế tạo Robot phục vụ khám bệnh trong bệnh viện

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Số liệu ban đầu:

- Kích thước xe: 500x400x800 mm

- Khối lượng 2 kg, tải trọng 15 kg

⇨ Tài liệu ban đầu:

- Sách tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển

- Tài liệu sức bền vật liệu

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tính toán thiết kế hệ thống truyền động

- Chọn lựa các linh kiện cơ khí

- Kiểm nghiệm bền cho phần khung xem

- Thiết kế chế tạo mô hình xe AGV

4 Các sản phẩm dự kiến

Xe tự hành AGV hoạt động tốt

5 Ngày giao đồ án: 19/02/2024

6 Ngày nộp đồ án: 04/07/2024

7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh ◻ Tiếng Việt 🗹

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh ◻ Tiếng Việt 🗹

TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ Môn Cơ Điện Tử

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: Trần Phi Tuấn Dũ MSSV: 19146312 Hội đồng:

Họ và tên sinh viên: Bùi Trọng Tường MSSV: 19146425 Hội đồng:

Tên đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Robot phục vụ khám bệnh trong bệnh viện

Ngành đào tạo: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Họ và tên GV hướng dẫn: TS Hà Lê Như Ngọc Thành

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATĐCK (không đánh máy) 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATĐCK:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2

2.3.Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

3 Đánh giá:

Điểm tối đa

Điểm đạt được

1 Hình thức và kết cấu ĐATĐCK 30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Tính cấp thiết của đề tài 10

2 Nội dung ĐATĐCK 50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,

khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy

trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng cải tiến và phát triển 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

4

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hà Lê Như Ngọc Thành đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập và hoàn thành đồ án này Đặc biệt, nhóm em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy đã rất tận tâm truyền đạt những kiến thức bổ ích và hướng dẫn chúng em thực hiện đề tài này

Ngoài ra, nhóm cũng xin gửi lời tri ân đến các giảng viên của trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM nói chung, cũng như giảng viên khoa Cơ khí chế tạo máy nói riêng Nhờ có sự truyền đạt hết mình, chỉ dạy những kiến thức

và kinh nghiệm từ các giảng viên, chính là hành trang cho không những nhóm nói mà còn là toàn thể sinh viên của trường trong việc học tập, nghiên cứu, công việc sau này Để có được kết quả như ngày hôm nay, nhóm cũng không quên bày tỏ sự biết ơn đến với các anh chị sinh viên khóa trước - Những người đã có công chỉ dạy, góp ý và giúp đỡ cho nhóm

Lời cuối nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn to lớn đến sự ủng hộ của gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, động lực để cho chúng tôi có cơ hội học tập ở trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật và hoàn thành sản phẩm đồ án tốt nghiệp lần này

Để có được kết quả đề tài nghiên cứu sát với mục tiêu nhóm đề ra, là thành quả của quá trình làm việc, nghiên cứu, học tập và tiếp thu nghiêm túc, có chọn lọc và sáng tạo không ngừng nghỉ của cả tập thể Do kinh nghiệm và kiến thức là vô hạn, cần phải học tập, tích lũy lâu dài nên nhóm khó có thể tránh khỏi những sai sót Nhóm rất mong nhận về những góp ý quý giá của thầy (cô) để đề tài có thể hoàn thiện nhất

Xin chân thành cảm ơn

5

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 15

1.1 Giới thiệu chung 15

1.2 Lý do chọn đề tài 16

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 16

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 17

1.5 Mục tiêu đề tài 18

1.6 Giới hạn và phạm vi của đề tài 18

1.7 Phương pháp nghiên cứu 18

1.8 Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp 19

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

2.1 Tổng quan về robot AGV 20

2.1.1 AGV là gì? 20

2.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 20

2.1.3 Phân loại 22

2.1.3.1 Phân loại theo chức năng 22

2.1.3.1.1 Xe tự hành AGV dạng kéo (Towing Vehicle) 22

2.1.3.1.2 Xe tự hành AGV dạng chở (Unit Load Vehicle) 22

2.1.3.1.3 Xe tự hành AGV dạng nâng (Fork Vehicle) 23

2.1.3.1.4 Xe tự hành AGV dạng đẩy (Cart Vehical) 24

2.1.3.2 Phân loại theo dạng đường đi 24

6

2.1.3.2.1 AGV không theo đường dẫn (Free Path Navigation)

24 2.1.3.2.2 AGV chạy theo đường dẫn (Fixed Path Navigation)

24

2.1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 25

2.1.4.1 Nước ngoài 25

2.1.4.2 Trong nước 26

2.2 Lựa chọn hệ thống cơ khí 27

2.2.1 Cơ cấu di chuyển 27

2.2.2 Cơ cấu dẫn động 29

2.3 Động học và Động lực học của Robot 31

2.3.1 Động học của mobile robot 31

2.3.2 Động lực học của mobile robot 32

2.3.3 Tổng quan về ROS 35

2.3.3.1 Khái niệm 35

2.3.3.2 Lịch sử về ROS 36

2.3.3.3 Các thành phần quan trọng của ROS 36

2.3.3.4 Các ứng dụng của ROS 38

2.3.4 Tổng quan về Slam 39

2.3.4.1 Khái niệm 39

2.3.4.2 Quy trình xử lý của SLAM 40

2.3.4.3 Ứng dụng của SLAM 41

7

2.3.5 Tổng quan về Navigation 41

2.3.5.1 Khái niệm 41

2.3.5.2 Các thành phần chính 42

2.3.6 Nghiên cứu về điều hướng 43

2.3.6.1 Tổng quan về điều hướng cho robot di động 43

2.3.6.2 Định vị 45

2.3.6.2.1 Định vị 45

2.3.6.3 Xây dựng bản đồ và lập kế hoạch đường đi 46

2.3.6.3.1 Xây dựng bản đồ 47

2.3.6.3.2 Lập kế hoạch đường đi 49

2.3.7 Bộ điều khiển PID 50

2.3.8 Tổng quan về Trí Tuệ nhân Tạo 57

2.3.8.1 Mục Đích và Phạm Vi Của Dự Án 57

2.3.8.2 Thư viện Tensorflow 57

2.3.8.2.1 Lịch Sử Phát Triển 57

2.3.8.2.2 Kiến Trúc 57

2.3.8.2.3 Mô Hình Lập Trình 57

2.3.8.2.4 DNN và TensorFlow 58

2.3.8.2.5 Ưu Điểm 58

2.3.8.2.6 Nhược Điểm 58

2.3.8.3 Phương Pháp Nghiên Cứu 58

2.3.8.3.1 Chuẩn bị Dữ liệu 58

8

2.3.8.3.1.1 Thu thập Dữ liệu 58

2.3.8.3.1.2 Tiền xử lý dữ liệu 59

2.3.8.3.1.3 Xử lý dữ liệu để dùng làm input cho model 60

2.3.8.4 Huấn luyện Mô hình 62

2.3.8.4.1 Các lý thuyết cơ bản 62

2.3.8.4.1.1 Thuật toán Deep Neural Network (DNN): 62

2.3.8.4.1.2 Học có giám sát 62

2.3.8.4.1.3 Cập nhật Tham số 63

2.3.8.4.1.4 Regularization và Dropout 63

2.3.8.4.1.5 Lớp Dense trong mạng DNN 63

2.3.8.4.1.6 Hàm Kích Hoạt ReLU (Rectified Linear Unit)64 2.3.8.4.2 Chuẩn bị model 64

2.3.8.4.3 Quá trình huấn luyện 65

2.3.8.5 Đánh Giá và Tối Ưu Mô Hình 66

2.3.8.5.1 Kiểm thử và Validation 66

2.3.8.5.2 Tinh chỉnh 66

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 67

3.1 Yêu cầu kỹ thuật của xe AGV 67

3.1.1 Đặt vấn đề 67

3.1.1.1 Yêu cầu thiết kế 68

3.1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật 68

3.1.2 Tính toán hệ thống cơ khí 69

9

3.1.2.1 Tính toán lựa chọn động cơ 69

3.1.2.2 Tính toán bộ truyền 71

3.1.2.3 Tính toán trục bánh xe 75

3.1.2.4 Tính toán ổ bi 79

3.1.2.5 Lựa chọn bánh xe cho AGV 81

3.1.3 Thiết kế gia công chi tiết cho robot 82

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 84

4.1 Sơ đồ khối 84

4.2 Hệ thống điều khiển 85

4.1.1 Thiết lập sơ đồ hệ thống điều khiển 85

4.1.2 Các linh kiện được sử dụng 86

4.3 Xây dựng giải thuật điều khiển 93

4.3.1 Bài toán quỹ đạo di chuyển của robot 93

4.3.2 Nguyên lý hoạt động 94

4.3.3 Xác định vị trí của robot thông qua encoder và mpu6050 95

4.3.3.1 Tính toán vị trí đặt mpu6050 95

4.3.3.2 Thuật toán Sensor Fusion 96

4.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 97

4.4.1 Mô tả Hệ thống 97

4.4.2 Mối quan hệ giữa vận tốc bánh xe với tốc độ quay của bánh xe 97 4.4.3 Mối quan hệ giữa xung PWM và tốc độ trục động cơ 97

10

4.4.4 Hàm truyền 98

4.4.5 Các dữ liệu đầu vào: 98

4.4.6 Hàm truyền 100

4.4.6.1 Động cơ phải 100

4.4.6.2 Động cơ trái 100

4.4.7 Tinh chỉnh PID 101

4.4.7.1 Phương pháp Ziegler-Nichols 101

4.4.7.2 Thiết lập và xác định bất ổn định 101

4.4.7.3 Đặt các thông số PID ban đầu: 101

4.4.7.4 Áp dụng mô phỏng để tính toán 101

4.4.7.5 Áp dụng vào thực tế 102

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 105

5.1 Đáp ứng của động cơ và bộ điều khiển PID 105

5.2 Dữ liệu đọc về từ MPU 6050 và Bộ lọc Kalman 106

5.3 Việc chuẩn đoán bệnh của AI 107

5.4 Navigation của robot 109

5.5 Đánh giá tổng thể kết quả sản phẩm: 110

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111

6.1 Kết luận 111

6.2 Hạn chế của đề tài 111

6.3 Hướng phát triển 111

CHƯƠNG 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

11

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình Robot phẫu thuật nội soi Da Vinci 15

Hình 2.1 Mô hình xe tự hành đầu tiên trên thế giới 21

Hình 2.2 Xe tự hành AGV dạng kéo 22

Hình 2.3 Xe tự hành AGV dạng chở 23

Hình 2.4 Xe tự hành dạng nâng 23

Hình 2.5 Xe tự hành dạng đẩy 24

Hình 2.6 Robot “Pepper” 26

Hình 2.7 Robot " Moxi " của Diligent Robotics 26

Hình 2.8 Rô-bốt của Học viện Kỹ thuật Quân sự phục vụ bệnh nhân Covid-19 tại Bệnh viện Đa khoa Bắc Giang 27

Hình 2.9 Sơ đồ mô hình cơ khí 30

Hình 2.10 Phân tích động học robot 31

Hình 2.11 Phân tích lực chuyển động của bánh xe 33

Hình 2.12 Khái niệm của ROS 35

Hình 2.13 Mô hình cấu trúc của ROS 38

Hình 2.14 Ứng dụng ROS trong robot vận chuyển hàng 39

Hình 2.15 Tổng quan về bản đồ trong SLAM 39

Hình 2.16 Các thành phần cấu hình nên Navigation 42

Hình 2.17 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường cho mobile robot 44

Hình 2.18 Điều hướng tối ưu cho robot 44

12

Hình 2.19 Lưu đồ định vị 45

Hình 2.20 Lưu đồ lập kế hoạch đường đi 46

Hình 2.21 Sơ đồ khối thuật toán bộ điều khiển PID 50

Hình 2.22 Đồ thị giá trị PV theo thời gian, ba giá trị K_p (K_i,K_d là không đổi) 52

Hình 2.23 Đồ thị giá trị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị K_i (K_p,K_d là không đổi) 54

Hình 2.24 Đồ thị giá trị PV theo thời gian, với 3 giá trị K_d (K_p,K_i là không đổi) 55

Hình 2.25 Mẫu của dữ liệu sau khi đã qua xử lý 59

Hình 2.26 Mô tả cho dữ liệu đã qua tiền xử lý 60

Hình 2.27 Dữ liệu sau khi qua xử lý 61

Hình 2.28 Dữ liệu đầu vào của một trường hợp 61

Hình 2.29 Dữ liệu đầu ra của một trường hợp 61

Hình 2.30 Hình mạng nơ-ron DNN 62

Hình 2.31 Mô tả về Dropout 63

Hình 2.32 Mạng nơ-ron sau khi thiết kế 65

Hình 3.1 Các lực tác dụng lên robot khi di chuyển 69

Hình 3.2 Kích thước động cơ 71

Hình 3.3 Bộ truyền đai gồm dây đai GT2, pully lớn nhỏ S5M 75

Hình 3.4 Biểu đồ nội lực Qy và momen Mx 76

Hình 3.5 Biểu đồ nội lực Qx và momen My 77

13

Hình 3.6 Biểu đồ lực xoắn lên trục 78

Hình 3.7 Vòng bi SKF W 638-2Z 79

Hình 3.8 Bánh xe chủ động và bánh xe tự lựa 82

Hình 3.9 Thiết kế khung robot 82

Hình 3.10 Mô hình robot đã thiết kế trên phần mềm Inventor 83

Hình 4.1 Sơ đồ khối hoạt động của robot 84

Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 85

Hình 4.3 Sơ đồ tổng quát điều khiển động cơ 86

Hình 4.4 Raspberry pi 4 86

Hình 4.5 Arduino Mega 2560 87

Hình 4.6 Microphone Hình 4.7 Loa 89

Hình 4.8 Cảm biến RPLidar M1C1 91

Hình 4.9 Pin cell 12V 5A 92

Hình 4.10 Encoder LPD3806-600BM 600 xung 93

Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật cụm di chuyển của hệ thống 94

Hình 4.12 Setpoint vận tốc và xung PWM xuất ra 99

Hình 4.13 Dữ liệu Setpoint và tốc độ quay động cơ phải và trái 99

Hình 4.14 Đầu ra của hàm truyền động cơ phải với đầu vào là setpoint 100

Hình 4.15 Đầu ra của hàm truyền động cơ trái với đầu vào là setpoint 100 Hình 4.16 Đáp ứng thực tế của bộ PID đã qua tinh chỉnh của mô phỏng 103

14

Hình 4.17 Đáp ứng thực tế của bộ PID đã qua tinh chỉnh bằng tay 104

Hình 5.1 Đáp ứng của động cơ 105

Hình 5.2 Kết quả kiễm tra AI lần 1 107

Hình 5.3 Kết quả kiễm tra AI lần 2 108

Hình 5.4 Kết quả Navigation 1 109

Hình 5.5 Kết quả Navigation 2 109

Hình 5.6 Kết quả Navigation 3 109

MỤC LỤC BẢNG Bảng 2-1 Ưu và nhược điểm của các loại cơ cấu di chuyển 28

Bảng 2-2 Ưu và nhược điểm các loại cơ cấu truyền động 29

Bảng 2-3 Tác động của việc tăng của các thông số K_p, K_i, K_d, 57

Bảng 2-4 Mẫu của dữ liệu thu thập được 59

Bảng 3-1 Thông số robot 69

Bảng 3-2 Thông số của đai 74

Bảng 3-3 Thông số vòng bi SKF W 638-2Z 79

Bảng 4-1 Một vài thông số của Arduino Mega 2050 88

Bảng 4-2 Mạch cầu H XY160D 89

15

1.1 Giới thiệu chung

Trong thời đại Cách mạng 4.0, việc ứng dụng các nền tảng công nghệ số vào cuộc sống hằng ngày trong các ngành nghề, lĩnh vực đã trở thành xu hướng tất yếu, nhằm nâng cao năng suất, lợi thế cạnh tranh và tối ưu hóa quản trị doanh nghiệp Nếu không thay đổi, nắm bắt các xu hướng công nghệ mới thì doanh nghiệp sẽ khó tồn tại, phát triển Điểm nổi bật nhất của cuộc Cách mạng này là việc đưa Robot vào thay thế con người ở một số ngành nghề: AGV vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy, xe nâng hàng Forklift (sử dụng để bóc dỡ hàng hóa trong nhà kho), Robot phục vụ nhà hàng,… Ngành y tế cũng không là ngoại lệ,

ở các bệnh viện, trung tâm y tế lớn trên thế giới đã bắt đầu triển khai kế hoạch đưa Robot vào phục vụ, khám bệnh, chữa bệnh - mang đến nhiều trải nghiệm mới lạ và hào hứng cho bệnh nhân và người nhà của bệnh nhân, cũng như có những chẩn đoán chính xác hơn mà nhiều lúc bác sỹ có thể bỏ qua, tham gia vào các công đoạn chữa bệnh giúp tiết kiệm thời gian, nguồn lực khi thăm khám và chữa bệnh

Hình 1.1 Mô hình Robot phẫu thuật nội soi Da Vinci.

Robot phục vụ khám bệnh không chỉ là một ý tưởng mới mẻ mà còn là một giải pháp đáp ứng nhanh chóng với các thách thức trong ngành y tế hiện đại Với sự phát triển của công nghệ, robot đã trở thành một nguồn lực đáng kể trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ y tế và giảm bớt gánh nặng cho nhân viên y tế

Sự lựa chọn này cũng đồng nghĩa với việc tối ưu hóa quá trình chăm sóc bệnh nhân, từ việc giảm thiểu thời gian chờ đợi, tăng tính chính xác trong việc chẩn đoán, đến việc cải thiện trải nghiệm của bệnh nhân trong quá trình điều trị Robot không chỉ là một công cụ hỗ trợ mà còn là một người bạn đồng hành đáng tin cậy trong hành trình phục hồi sức khỏe của mỗi bệnh nhân

Với những lý do trên, việc lựa chọn đề tài nghiên cứu về Robot phục vụ khám bệnh trong bệnh viện không chỉ mang tính chiến lược mà còn là sứ mệnh nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống và sức khỏe cho cộng đồng, nên nhóm đã

nghiên cứu và lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế , chế tạo Robot phục vụ

khám bệnh trong bệnh viện”

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh hệ thống y tế đang đối mặt với nhiều thách thức như quá tải bệnh nhân và thiếu hụt nhân lực, việc áp dụng công nghệ hiện đại để cải thiện chất lượng dịch vụ là một yêu cầu cấp bách Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot phục vụ khám bệnh trong bệnh viện" không chỉ mang tính mới mẻ mà

- Tăng cường hiệu quả chẩn đoán ban đầu: Robot được tích hợp trí tuệ nhân tạo có thể thực hiện chẩn đoán sơ bộ cho các bệnh thường gặp, giúp bệnh nhân có những thông tin ban đầu trước khi gặp bác sĩ Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giúp bệnh nhân nhanh chóng nhận được sự tư vấn và hướng dẫn cần thiết

- Cải thiện trải nghiệm của bệnh nhân: Robot có thể hướng dẫn bệnh nhân tìm đến các phòng khám, khu vực cần thiết trong bệnh viện một cách dễ dàng và thuận tiện Điều này giúp bệnh nhân cảm thấy thoải mái và an tâm hơn khi đến khám bệnh, giảm bớt sự lo lắng và khó khăn trong quá trình di chuyển

- Ứng phó với tình trạng thiếu hụt nhân lực y tế: Trong bối cảnh nhiều bệnh viện đang thiếu hụt nhân lực, việc sử dụng robot sẽ là một giải pháp hữu hiệu

để đảm bảo các dịch vụ y tế cơ bản vẫn được duy trì liên tục và hiệu quả Robot có thể thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại mà không cần nghỉ ngơi, giúp nâng cao năng suất làm việc của bệnh viện

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Với đề tài này, nhóm mong muốn tạo ra một Robot có khả năng tự hành trong môi trường bệnh viện, thay thế lễ tân trong việc tư vấn, theo dõi triệu chứng, và hỗ trợ trong chẩn đoán sơ bộ bệnh nhân và đưa họ tới nơi cần tới trong bệnh viện Giúp giảm thiểu chi phí thuê nhân công, tăng cường năng lực của các cơ sở y tế, đặc biệt là trong các bệnh viện lớn và đông đúc, giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm cho bệnh nhân và nhân viên y tế, giảm thiểu thời gian chờ đợi cho bệnh nhân và tăng cường tiện ích trong việc tiếp cận dịch vụ y tế

● Hoạt động độc lập mà không cần người giám sát

● Dẫn bệnh nhân hoặc người nhà tới phòng bệnh cần tới

● Robot có ngoại hình gần gũi, thân thiện với môi trường dịch vụ

- Thiết kế hệ thống AI:

● Chuẩn đoán được căn bệnh từ những triệu chứng của bệnh nhân

● Giao tiếp với người dùng qua giọng nói

1.6 Giới hạn và phạm vi của đề tài

Nội dung đề tài được nhóm chúng tôi giới hạn ở một số nội dung sau:

- Robot phục vụ khám bệnh trong bệnh viện: các kết quả tính toán nghiên cứu được dựa vào thông số dựa trên các mô hình bệnh viện hiện có ở Việt Nam

- Xây dựng giao diện vận hành cục bộ chưa có liên kết với mạng lưới IOT

1.7 Phương pháp nghiên cứu

⇨ Để đạt được các mục tiêu đã đặt ra, nhóm đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp thu thập thông tin, dữ liệu

- Phương pháp phân tích tổng hợp

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

19

1.8 Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp

Bài báo cáo gồm 6 chương:

- Chương 1: Tổng quan đề tài

Nội dung chính của chương này giới thiệu tổng quan về đề tài với những nội dung chính bao gồm tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chính của chương này trình bày tổng quan, đưa ra các phân tích

về robot AGV cũng như phân loại AGV Các cơ sở lý thuyết, thuật toán, động học, động lựa học của robot mà nhóm sử dụng

- Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí

Nội dung chính của chương này trình bày về phần thiết kế cơ khí, cách bố trí cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển Phân tích ưu nhược điểm, lựa chọn bộ truyền động cũng như tính toán lựa chọn động cơ, trục bánh xe, gối đỡ và các chi tiết khác Nêu ra các yêu cầu đầu vào và đầu ra, từ đó lên kế hoạch thiết kế,

lắp ráp, thi công sao cho đáp ứng những yêu cầu đặt ra ban đầu

- Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

Nội dung chính của chương này trình bày sơ đồ khối các thiết bị cần dùng trong bộ điều khiển của robot, thông số kỹ thuật và chức năng của từng thiết bị

mà nhóm lựa chọn

- Chương 5: Xây dựng hệ thống điện- điều khiển

Nội dung chính của chương này giới thiệu về phần mềm lập trình điều khiển và thiết kế giao diện cho hệ thống cùng với các lưu đồ giải thuật

- Chương 6: Chế tạo thử nghiệm, phân tích, đánh giá

20

[1], [2], [3], [6], [7], [8], [9], [10], [11] tài liệu tham khảo

2.1 Tổng quan về robot AGV

2.1.1 AGV là gì?

AGV – Automated Guided Vehicle được gọi là xe tự hành vận chuyển, đây là sản phẩm thông minh ứng dụng trong vận chuyển hàng hóa mà không cần đến sự can thiệp của con người Còn được gọi là robot di động tự động (AMR – Autonomous Mobile Robot) AGV di chuyển theo các lộ trình định sẵn được đánh dấu hoăc sử dụng sóng vô tuyến, camera quan sát, lasers để dẫn đường AGV có vai trò quan trọng trong toàn bộ lĩnh vực vận chuyển vật liệu Đặc biệt

là trong các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, chi tiết lắp ráp, sản phẩm khuôn đúc, thực phẩm – đồ uống, …

2.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Vào năm 1953, xe tự hành đầu tiên xuất hiện do Arthur “MAC” Barett chế tạo nên và được đặt tên là “Guide - O - Matic” Guide - O - Matic sử dụng 1 sợi dây dẫn gắn trên sàn nhà để định hướng di chuyển, Barett sử dụng cần trục điều khiển bằng sóng radio để vận hành xe di chuyển từ điểm lấy hàng trên pallet ròi di chuyển tới địa điểm lấy hàng tiếp theo Sau này, hệ thống được đổi tên thành AGV và mọi người công nhận Arthur “MAC” Barett là cha đẻ của chúng Mục tiêu hình thành xe tự hành AGV là để giảm thải, hỗ trợ nhân viên trong việc di chuyển hàng hóa từ khu vực này sang khu vực khác Và cho đến thời điểm hiện tại thì mục tiêu đó vẫn không thay đổi

21

Hình 2.1 Mô hình xe tự hành đầu tiên trên thế giới

Năm 1954, những xe tự hành AGV đầu tiên được đưa vào sử dụng tại Mỹ Tại thời điểm này, AGV di chuyển khá đơn giản, bắt đầu bằng lệnh - di chuyển theo các đường line có sẵn - dừng bằng công tắc hành trình với cảm biến đơn giản Dù chưa thực sự linh hoạt trong khâu hoạt động, nhưng AGV đã làm thay đổi rất lớn trong sản xuất góp phần giải phóng sức lao động, quy chuẩn hóa dây chuyền sản xuất

Đến năm 1973, Volvo - công ty về lắp ráp ô tô nổi tiếng của Thụy Điển

đã triển khai 280 chiếc xe tự hành vào dây chuyền lắp ráp hệ thống Lúc này, AGV bắt đầu có những cải tiến mới: tạm dừng, đảo chiều chuyển động, thay thế dây dẫn hướng bằng sóng vô tuyến, vạch kẻ từ,

Giai đoạn từ năm 1990 - 2010, nhờ sự phát triển của các công nghệ khoa học đã tạo ra các loại cảm biến mới (trong đó có cảm biến không tiếp xúc), công nghệ nhận dạng hình ảnh và các bộ vi xử lý , đã tạo nên các xe tự hành AGV với độ “thông minh” vượt bậc: tốc độc di chuyển cao hơn, cảm biến tốt hơn, ghi nhớ nhanh hơn, tự về điểm nạp năng lượng và chi phí đầu tư thấp

Từ năm 2010 - 2020, xe tự hành AGV ngày càng có những cải tiến hiện đại, chi phí sản xuất cảng thấp Ứng dụng được nhiều lĩnh vực do có sự đa dạng

về mẫu mã, thiết kế, chức năng,

22

2.1.3 Phân loại

2.1.3.1 Phân loại theo chức năng

2.1.3.1.1 Xe tự hành AGV dạng kéo (Towing Vehicle)

Xe kéo xuất hiện đầu tiên và đang được sử dụng nhiều nhất Loại này có thể kéo được một hay nhiều toa được nối liên tiếp nhau, xe có thể kết nối bằng tay hoặc tự động với các toa hàng thông qua hệ thống móc kéo Khối lượng tải dao động từ vài trăm kg cho đến hàng tấn tùy cấu hình xe

Đặc điểm:

- Vận chuyển được tải trọng lớn

- Phù hợp với thiết bị có bánh xe

Hình 2.2 Xe tự hành AGV dạng kéo.

2.1.3.1.2 Xe tự hành AGV dạng chở (Unit Load Vehicle)

Xe chở được trang bị các khay chứa riêng biệt Các khay chứa được thiết

kế phần đáy cách mặt đất bằng với chiều cao của xe chở để xe chở có thê nâng

hạ một cách dễ dàng Hàng hóa sẽ được chuyển lên băng tải, khay đựng bằng tay hoặc tự động

Đặc điểm:

- Nhanh chóng, linh hoạt và có độ bền cao

- Phù hợp để vận chuyển hàng hóa gọn, nhẹ, ít cồng kềnh

23

Hình 2.3 Xe tự hành AGV dạng chở.

2.1.3.1.3 Xe tự hành AGV dạng nâng (Fork Vehicle)

Xe dạng nâng có khả năng nâng hàng hóa đặt trên sàn, được thiết kế với chức năng di chuyển hàng hóa lên cao

Đặc điểm:

- Phù hợp cho hàng hóa đặt trên bục hoặc pallet

- Có khả năng đưa hàng hóa lên cao

- Chi phí cao hơn so với các dòng AGV khác

Hình 2.4 Xe tự hành dạng nâng.

24

2.1.3.1.4 Xe tự hành AGV dạng đẩy (Cart Vehical)

Xe dạng đẩy thì ngược lại với dạng kéo, được chế tạo để vận chuyển các hàng hóa đặt phía trước của xe

2.1.3.2 Phân loại theo dạng đường đi

2.1.3.2.1 AGV không theo đường dẫn (Free Path

Navigation)

Loại này có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào trong không gian hoạt động Đây là loại AGV có tính linh hoạt cao nhất được định vị bởi các cảm biến

để xác định di chuyển, cảm biến laser để xác định vị trí các vật thể xung quanh,

hệ thống định vị cục bộ (Local Naviation Location) để xác định tọa độ tức thời nhằm xác định vị trí AGV trên bản đồ

2.1.3.2.2 AGV chạy theo đường dẫn (Fixed Path Navigation)

Loại này được thiết kế để chạy theo các đường dẫn được thiết kế sẵn, gồm các loại đường dẫn:

25

- Đường dẫn từ: là loại làm bằng các dây từ được chôn ngầm dưới nền sàn AGV bám theo đường dẫn dể di chuyển nhờ các cảm biến cảm ứng Loại này không nằm trên mặt sàn nên có tính thẩm mĩ cao, không ảnh hướng để các hoạt động khác trong cùng không gian

- Đường ray dẫn: loại này được lắp đặt sẵn trên các mặt sàn nên chỉ sử dụng với những hệ thống chuyên dụng, Thiết kế của hệ thống đơn giản, xe có thể

di chuyển với tốc độ cao nhưng lại không linh hoạt

- Đường băng kẻ trên sàn: các vạch kẻ đường được dán sẵn trên sàn, xe AGV bám theo các vạch kẻ đường di chuyển nhờ các cảm biến Loại này có tính linh hoạt cao nhờ việc có thể dễ dàng thay đổi lộ trình đường đi nhờ việc vẽ lại các vạch kẻ đường, Tuy nhiên, các vạch kẻ đường này có thể bị bẩn hay

hư hại trong quá trình hoạt động

2.1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Việc nghiên cứu và ứng dụng robot hướng dẫn trong bệnh viện đang phát triển mạnh mẽ cả trong và ngoài nước Mặc dù Việt Nam vẫn đang trong giai đoạn đầu, nhưng với sự quan tâm và đầu tư ngày càng tăng, tiềm năng ứng dụng robot hướng dẫn trong bệnh viện ở Việt Nam là rất lớn Nghiên cứu robot tại Việt Nam đã có những bước phát triển đáng kể trong 25 năm qua Nhiều trường đại học trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng

về Robot như Đại học Bách khoa Tp.HCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Tp.HCM, Đại học Tôn Đức Thắng,… Một số bệnh viện lớn: Như Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Đại học Y Dược TP.HCM đã thử nghiệm và đưa vào sử dụng một số mẫu robot hướng dẫn, giúp bệnh nhân tìm kiếm phòng khám,

phòng xét nghiệm một cách dễ dàng hơn Sau đây, nhóm xin trình bày một vài robot hướng dẫn trong bệnh viện tiêu biểu

2.1.4.1 Nước ngoài

Nhật Bản: Pepper là một robot nửa hình người do SoftBank Robotics (trước đây là Aldebaran Robotics) sản xuất, được thiết kế với khả năng nhận dạng biểu hiện cảm xúc Pepper được giới thiệu trong một hội nghị vào ngày 5 tháng 6 năm 2014, và được trưng bày tại các cửa hàng điện thoại SoftBank

Mobile ở Nhật Bản ngay vào ngày hôm sau Khả năng nhận biết biểu lộ cảm xúc của Pepper dựa trên việc phát hiện và phân tích các biểu hiện trên khuôn mặt và tông giọng

Hình 2.7 Robot " Moxi " của Diligent Robotics.

2.1.4.2 Trong nước

Mô hình trong nước:

- Hiện tại thị trường trong nước chưa có bệnh viện ở bất kỳ quy mô lớn, nhỏ sử dụng Robot thay cho nhân viên hướng dẫn

27

- Các robot hướng dẫn trong bệnh viện vẫn đang trong quá trình nghiên cứu với sự tham gia của nhiều trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ…

- Tại Bệnh viện đa khoa Bắc Giang năm 2021, một con robot đã được triển khai để

hỗ trợ công tác chăm sóc bệnh nhân và giảm bớt gánh nặng cho nhân viên y tế Con robot này có thể được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ như vận chuyển dược phẩm, thực phẩm và các vật dụng y tế từ một nơi đến nơi khác trong bệnh viện Điều này giúp giảm thiểu sự tiếp xúc trực tiếp giữa con người

Hình 2.8 Rô-bốt của Học viện Kỹ thuật Quân sự phục vụ bệnh nhân Covid-19 tại

Bệnh viện Đa khoa Bắc Giang

2.2 Lựa chọn hệ thống cơ khí

2.2.1 Cơ cấu di chuyển

Sử dụng 2 bánh bị động đóng vai trò dẫn động

Sử dụng 4 bánh đều

có động cơ để dẫn động và đều có cơ cấu để bẻ lái

- Bán kính quay bằng không

- Dễ dàng thi lắp đặt

Ưu điểm:

- Hệ thống cơ khí đơn giản

- Bán kính quay bằng 0

- Dễ dàng thi lắp đặt

- Cơ cấu gồm 4 bánh nên sẽ khó lật khi vào khúc cua

Ưu điểm:

- Di chuyển tốt trên địa hình hơi

gồ ghề

- Bán kinh quay bằng 0

- Di chuyển được

đa hướng mà không cần quay

- Dễ bị lật

Nhược điểm:

- Dễ có sai số trong quá trình di chuyển khi sử dụng 2 động

cơ cho 2 bánh dẫn động

- Yêu cầu phải có hệ thống nhún đàn hồi cho 2 bánh tự lựa

để đảm bảo luôn tiếp xúc với mặt di

chuyển

Nhược điểm:

- Sử dụng nhiều động cơ

- Điều khiển phức tạp vì có nhiều động cơ

- Hệ thống cơ khí

phức tạp

29

KẾT LUẬN: Mô hình robot hoạt động trong môi trường bệnh viện nên

chỉ cần một cơ cấu lái đơn giản Robot cần linh hoạt khi vào những khúc cua và đặc biệt là bán kính quay bằng 0 để có thể dễ dàng né tránh con người trong quá trình di chuyển Do robot có trọng tâm cao nên dễ bị lật Với những yếu tố này, nhóm quyết định chọn cơ cấu lái vi sai đơn giản gồm hai bánh dẫn động và hai bánh tự lựa

2.2.2 Cơ cấu dẫn động

Bảng 2-2 Ưu và nhược điểm các loại cơ cấu truyền động

Bộ truyền động đai Bộ truyền động xích Bộ truyền bánh răng Bộ truyền đai răng

giữa dây đai và bánh

đai, tạo lực căng ban

đầu để tạo lực pháp

tuyến

Bộ truyền xích gồm: trục chủ động, trục bị động và dây xích

Xích truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn, sang trục bị dẫn nhờ sự ăn khớp của ác mắt xích với các rang đĩa xích

Bộ truyền bánh răng thực hiện truyền chuyển động giữa 2 trục với tỷ số truyền được xác định bởi sự

ăn khớp của các răng

Có thể truyền chuyển động giữa các trục song song hay cắt nhau

Bộ truyền đai răng tương tự như đai dẹt nhưng bề mặt trong giờ có các gờ hình thang hoặc tròn

Bánh đai được thay bằng bánh răng tương ứng

xa nhau

- Kích thước nhỏ gọn hơn truyền động đai

- Không có tình trạng trượt răng

- Hiệu suất cao

Ưu điểm:

- Kích thước nhỏ, khả năng chịu tải lớn

- Tuổi thọ cao

- Không có tình trạng trượt

- Hiệu suất cao

Ưu điểm:

- Giảm được nhược điểm của bộ truyền đai thông thường

- Kích thước bộ truyền nhỏ

- Lực tác dụng lên

ổ trục nhỏ hơn bộ truyền đai thường

Nhược điểm: Nhược điểm: Nhược điểm: Nhược điểm:

30

- Xảy ra hiện tượng

trượt khi bị quá tải

- Phải có cơ cấu

-

- Yêu cầu chăm sóc thường xuyên

- Chế tạo phức tạp, đòi hởi độ chính xác cao

- Tạo tiếng ồn khi làm việc

- Tuổi thọ không cao

KẾT LUẬN: Robot trong đề tài này có kích thước và khối lượng không

quá lớn Do đó, phương án sử dụng bộ truyền đai và bộ truyền xích được loại

bỏ Bộ truyền bánh răng gây ra tiếng ồn trong quá trình hoạt động, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ Kích thước của bộ truyền đai răng nhỏ hơn so với bộ truyền đai thường Với các ưu điểm của bộ truyền đai răng đáp ứng được các yêu cầu đặt ra, nhóm quyết định lựa chọn phương án này cho đề tài

Dựa vào việc chọn cơ cấu di chuyển, cơ cấu dẫn động và yêu cầu thiết kế

ở trên ta có cơ cấu truyền động của robot như sau:

Hình 2.9 Sơ đồ mô hình cơ khí.

1 Bánh xe dẫn động 4 Động cơ DC

2 Bộ truyền động 5 Bánh xe tự lựa

31

2.3 Động học và Động lực học của Robot

2.3.1 Động học của mobile robot

Động học của robot AGV được thiết kế dựa trên hệ thống dẫn động vi sai, với hai bánh xe chính ở hai bên, đóng vai trò là bánh dẫn động chính, được đặt ở trung tâm của AGV Mỗi bánh xe được trang bị một động cơ riêng biệt Hướng

và tư thế của robot sẽ được điều khiển thông qua việc điều chỉnh tốc độ của từng động cơ

Để điều khiển robot di chuyển đến các điểm một cách chính xác, cần phải tính toán động học của từng bánh xe một cách chính xác Thông qua encoder, chúng ta có thể xác định được vị trí và hướng hiện tại của robot, giúp robot đến điểm dừng một cách chính xác Để dự đoán vị trí và hướng hiện tại của robot, chúng ta cần giải các phương trình động học của robot, bao gồm động học thuận

và động học nghịch

Hình 2.10 Phân tích động học robot.

- 𝑣𝑙, 𝑣𝑟 là vận tốc dài tức thời của bánh trái và bánh phải

- 𝜔𝑙, 𝜔𝑟 là vận tốc góc tức thời của bánh trái và bánh phải

32

[𝑥̇𝑀 𝑦̇𝑀 𝜑̇𝑀 ] = [𝑐𝑜𝑠𝜑 0 𝑠𝑖𝑛𝜑 0 0 1 ][𝑣 𝜔 ] Trong đó:

 [𝜔𝑣] = [

𝑟 2

𝑟 2 𝑟

2.3.2 Động lực học của mobile robot

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến

để xây dựng phương trình chuyển động cho các động cơ Phương pháp được phát minh bởi Lagrange

Phương trình Lagrange viết dưới dạng:

(2.1)

𝜔 =𝑣𝑟− 𝑣𝑙

𝐿 =

(𝜔𝑟− 𝜔 𝑙 ) 𝑟 𝐿

(2.2)

(2.3)

33

Hình 2.11 Phân tích lực chuyển động của bánh xe.

Chuyển động của hệ gồm 2 bánh sau dẫn động và 2 bánh xe tự lái phía trước và sau Cho nên mọi chuyển động của robot phụ thuộc vào việc điều khiển vận tốc 2 bánh sau 𝑣𝑤𝑅 và 𝑣𝑤𝐿

Ta có tổng động năng của Robot:

𝐾𝑡𝑡: là động năng tịnh tiến của thân xe

𝑚𝑡: là khối lượng thân xe

𝑣𝑡: là vận tốc dài của xe được tính theo công thức

𝑣𝑡 =1

2(𝑣𝜔𝑅 + 𝑣𝜔𝐿) = 1

2𝑅(𝜑𝑅̇ + 𝜑𝐿̇ ) Động năng của bánh xe:

34

R: bán kính bánh xe

𝑚𝑏: khối lượng bánh xe

𝑣𝑤𝑅, 𝑣𝑤𝐿: là vận tốc dài của 2 bánh xe

Thế năng của robot: Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

Ngoại lực của robot

𝑄𝑖∗ = 𝑀𝑑𝑐 − 𝑀𝑚𝑠𝑡 − 𝑀𝑚𝑠𝑙 = 𝑀𝑑𝑐 − 𝑀𝑑𝑐𝑢 − 𝑅𝑔𝐾𝑚𝑠(1

4𝑚𝑡 + 𝑚𝑏)

Trong đó:

𝑀𝑑𝑐: momen do động cơ sinh ra

𝑀𝑚𝑠𝑡: momen hao tổn trên trục

𝑄𝑖∗ = 𝑑

𝑑𝑡( 𝜕𝐾

𝜕𝜑̇𝜔) =1

2𝑅2𝑚𝑡𝜑̈𝜔 + 3𝑅2𝑚𝑏𝜑̈𝜔Thay (2.10) vào (2.11) ta được:

(2.10)

(2.11)

Hình 2.12 Khái niệm của ROS.

(2.12)