Đồ Án Truyền động điều khiển, Robot phục vụ

Hiện nay, một trong những nhu cầu cấp thiết đối với công nghệ chế tạo robot đối với cuộc sống làrobot có thể giúp đỡ và thay thế con người trong mọi công việc, không chỉ dừng lại tại các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: “ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ”

SVTH : NGUYỄN TRUNG KIỆT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

Giảng viên hướng dẫn: ThS Tưởng Phước Thọ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Kiệt MSSV: 15146062

Phan Trần Huy MSSV: 15146306

Nguyễn Quốc Việt MSSV: 15146119

Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

1 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot phục vụ

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

2.1 Khích thước sơ bộ 400x400x1000mm

2.2 Sử dụng cảm biến dò đường định hướng di chuyển

2.3 Sử dụng bo mạch vi xử lý Arduino Mega 2560

3 Nội dung thực hiện đề tài:

3.1 Tìm hiểu các mẫu robot tự di chuyển trên thị trường

3.3 Tính toán, thiết kế, gia công, lắp ráp phần cơ khí

3.4 Tính toán, lắp ráp phần điện tử

4 Các sản phẩm dự kiến:

4.1 Mô hình máy hoàn chỉnh

4.2 Tập bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp, bản thuyết minh đồ án

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Kiệt MSSV: 15146062 Họ và tên Sinh viên: Phan Trần Huy MSSV: 15146306 Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Quốc Việt MSSV: 15146119 Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot phục vụ Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Tưởng Phước Thọ NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Kiệt MSSV: 15146062

Họ và tên Sinh viên: Phan Trần Huy MSSV: 15146306

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Quốc Việt MSSV: 15146119

Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot phục vụ

Họ và tên Giáo viên phản biện: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ***

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án truyền động điện này, nhóm đã nhận được sự hỗ trợ của các tổ chức,

cá nhân Với tình cảm chân thành, cho xin phép nhóm được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các cá nhân và tổ chức đã tạo điều kiện giúp đỡ nhóm trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án Trước hết nhóm xin được gởi đến các thầy cô trong Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn Với sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của Thầy Cô không những truyền đạt cho nhóm những kiến thức chuyên môn mà còn giáo dục cho tụi em về lý tưởng, đạo đức trong cuộc sống Đây là những hành trang không thể thiếu cho cuộc sống và sự nghiệp của nhóm sau này Đặc biệt, nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Tưởng Phước Thọ đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án Và

đồ án này cũng cột mốc quan trọng làm tiền đề phát triển các đồ án sau tốt hơn Qua đây nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện để nhóm hoàn thành đồ án

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 2.1 : robot tránh vật cản

Hình 2.2 : Một dạng robot bám đối tượng di động

Hình 2.3 : robot dọn vệ sinh

Hình 2.4: Peper robot của công ty Softbank

Hình 2.5: Morta robot của kỹ sư Việt Nam

Hình 2.6: ‘‘ Cô Ba‘‘ robot của thầy trò tiến sĩ Nguyễn Bá Hải - trưởng khoa sáng tạo và khởi nghiệp ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM

Hình 3.6: Mạch cầu H điều khiển motor PWM

Hình 3.7: bảng thông số ngõ vào mạch cầu H

Hình 3.8: Mạch ghi phát âm và loa

Hình 3.9: Arduino Mega 2560 R3

Hình 3.10: sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 R3

Bảng 4.1: Sai số ứng với các trường hợp cảm biến

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN a

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN b PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN d

LỜI CẢM ƠN f DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ g

Chương 1: Tổng quang 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Thị trường robot phục vụ 1

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.6 Cơ sở phương pháp luận 2

1.7 Phương pháp nghiên cứu 2

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2

2.1 Tổng quan về robot phục vụ: 2

2.2 Phân loại Mobile robot 3

2.3 Robot phục vụ sử dụng cảm biến dò đường 6

Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí 7

3.1 Thiết kế khung máy 7

3.2 Động cơ DC 9

3.3 Cảm biến dò đường BFD-1000 11

3.4 Mạch cầu H điều khiển motor PWM 12

3.5 Mạch ghi phát âm thanh 13

3.6 Mạch vi xử lý Arduino Mega 2560 R3 15

Chương 4: Phần điều khiển 17

4.1 LẬP TRÌNH ROBOT DI CHUYỂN THEO PHƯƠNG PHÁP DÒ LINE 17

4.2 Viết code điều khiển và giải thích 19

4.2.1 Thiết lập timer 19

4.2.2 Đọc cảm biến dò line 21 4.2.3 Tính giá trị P, I, D: 22 4.2.4 Điều khiển động cơ: 22

Chương 1: Tổng quang

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ tạo chế tạo robot tự động hóa từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất nhiều Các chủng loại robot và đa dạng ứng dụng ra đời, mỗi công nghệ chế tạo có những ưu điểm riêng

Hiện nay, một trong những nhu cầu cấp thiết đối với công nghệ chế tạo robot đối với cuộc sống làrobot có thể giúp đỡ và thay thế con người trong mọi công việc, không chỉ dừng lại tại các nhiệm vụ đơn giản mà còn thực hiện được những công việc phức tạp Ngoài lĩnh vực công nghiệp, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như là robot có chức năng phụ vụ

có thể thay thế một người bồi bàn với nhiều tính năng ưu việt Trong môi trường đông đúc và đầy áp lực những con robot phần nào giúp con người giảm tải công việc như tiếp khách, nhận đặt món, ghi nhớ chi tiết mọi yêu cầu của khách hàng

mà không sợ quên hay chậm trễ Ngoài ra với một con robot thay thế người phục

vụ còn thể hiện sự chuyên nghiệp, sáng tạo góp phần tăng năng suất và thị hiếu của người tiêu dùng

1.2 Thị trường robot phục vụ

Tính đến thời điểm hiện, tại đã có 20 công ty đã thay thế nhân viên của mình bằng robot ví dụ: Amazon, DHL, CIG, UBER,… nhưng tất cả đều là robot công nghiệp phục công việc sản xuất hàng hóa và thực hiện những công việc nặng nhọc

Hiện tại chỉ mới có chú robot Pepper của tập đoàn Softbank Nhật Bản được sản xuất và xử dụng trong mục đích phục vụ khách hàng Robot Pepper sẽ được sử dụng để chào đón khách, nói chuyện và tư vấn, cung cấp thông tin sản phẩm phù hợp cho người mua hàng, giúp khách hàng được thoải mái tại cửa hàng Ở Việt Nam thì chưa có công ty nào sản xuất và đưa ra thị trường những chú robot phục

vụ tiện ích như vậy Trong bối cảnh đó cùng với sự nhiệt huyết và năng động của thanh niên Việt Đã có nhiều robot phục vụ của Việt Nam ra đời như robot Morta của nhóm kỹ sư Đỗ Trung Thanh, robot ‘’Cô Ba’’ của thầy trò tiến sĩ Nguyễn Bá Hải - trưởng khoa sáng tạo và khởi nghiệp ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM…

Nhưng tất cả chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ từng cá thể, hoạt động nội bộ chưa mở rộng và được sử dụng nhiều Nắm bắt được điều đó ta thấy việc sản xuất hàng loạt robot phục vụ gần gũi thân thiện với con người, dễ dàng tương tác hỗ trợ giúp đỡ khách hàng là một hướng đi rất tiềm năng

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Tự động hóa là một trong sáu ngành ưu tiên của Chính phủ Việt Nam và robot đóng vai trò quan trọng trong ngành này

- Tại Việt Nam, ngành robot được giảng dạy trong nhiều trường Đại học

- Robot góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống con người

- Ứng dụng robot phục vụ vào cuộc sống thỏa mãn cuộc cách mạng công nghiệp 4.0

- Phát triển và nghiên cứu robot phục vụ thân thiện dễ tiếp cận với mọi người, giá thành sản xuất chi phí rẻ

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nhằm nghiên cứu thiết kế chế tạo robot phục vụ tự động, thay đổi kiểu dáng gọn nhẹ của một số dòng robot truyền thống, nâng cao chất lượng và hoạt động ổn định của robot

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot phụ vụ

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài như sau:

- Nghiên cứu tổng quang về robot phục vụ

- Nghiên cứu thiết kế kiểu dáng của robot

- Nghiên cứu tính toán phần điện, điều khiển

- Nghiên cứu phần giao tiếp, cách chuyển động của robot

1.6 Cơ sở phương pháp luận

Từ cơ cở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước, các mẫu robot có trên thị trường để phân tích những ưu điểm cũng như những nhược điểm của các dòng robot đó có trước, từ đó lựa chọn thiết kế được mẫu kiểu dáng robot tốt hơn

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình Cụ thể:

Nghiên cứu lý thuyết:

- Tìm kiếm, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài

- Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chính xác, tối ưu hóa chuyển động

- Tìm hiểu thuật toán điều khiển chuyển động tối ưu

định sẵn Nó khác với các loại robot công nghiệp như các loại tay máy chỉ có khả năng đạt tới một vị trí nhất định

2.2 Phân loại Mobile robot

Robot di động (mobile robot): là các robot mà trong đó nhiệm vụ chủ yếu của nó là di chuyển, định vị, tìm đường đi tối ưu và vẽ lại bản đồ Có nhiều mobile robot dạng này phổ biến:

 Robot tránh vật cản:

Nhóm tác giả xây dựng một mô hình mobile robot hoàn chỉnh có khả năng tìm đường đến đích và tránh chướng ngại vật trên quãng đường di chuyển Một điểm mới được nhấn mạnh là khối thị giác máy tính cho mobile robot, đáp ứng được sự chính xác cần thiết khi phối hợp với các giải thuật điều khiển truyền thống cho robot

Hình 2.1 : robot tránh vật cản

 Robot bám đối tượng:

Nhờ có camera quan sát nên robot có thể phát hiện và bám đối tượng để điều chỉnh hướng đi

Hình 2.2 : Một dạng robot bám đối tượng di động

 Robot dọn vệ sinh:

Robot vệ sinh sẽ giúp bạn tiết kiệm thời gian làm việc và công sức đổ ra để chăm sóc phòng ốc, sàn nhà, bể bơi để được như ý muốn Bên cạnh đó, một số người hàng tháng còn phải trích một khoản tiền lương cho người làm công tác vệ sinh hàng tuần, nhưng không phải mọi dịch vụ được cung cấp đều tốt nếu không được làm thường xuyên và đều đặn, bởi vậy chỉ có robot mới thay người trong công việc này một cách bài bản, định kỳ hơn

Hình 2.3 : robot dọn vệ sinh

 Robot phục vụ:

Robot phục vụ có ứng dụng thiết thực cao Thay thế và hỗ trợ công việc chăm sóc khách hàng của các nhân viên trong các cửa hàng, nhà hàng, khách sạn với nhiều tính năng ưu việt hiện đại dễ dàng đáp ứng nhu cầu của khách hàng Tiếp nhận thông tin và hỗ trợ người khách hàng giao tiếp với người chủ sử dụng Ví dụ: trong một nhà hàng một con robot phục vụ có thể tiếp khách, mời vào bàn, nhận order và mang thức ăn đến thực khách

Hình 2.4: Peper robot của công ty Softbank

Hình 2.5: Morta robot của kỹ sư Việt Nam

Hình 2.6: ‘‘ Cô Ba‘‘ robot của thầy trò tiến sĩ Nguyễn Bá Hải - trưởng khoa sáng

tạo và khởi nghiệp ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM

2.3 Robot phục vụ sử dụng cảm biến dò đường

Hình 2.7: Robot dò đường

Robot dò đường là loại robot có thể đi theo 1 đường vẽ hay có thể là băng dính đen Robot dò đường có nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến quang điện (quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng từ đó điều chỉnh hướng đi thích hợp

Ở robot dò đường, cảm biến được bố trí gần mặt đường và nguồn sáng để so sánh lúc này

do chính robot tạo ra Nhưng do đâu lại có sự sai lệch về cường độ sáng Câu trả lời nằm

ở đường vẽ, đường vẽ này có tính chất khác với xung quanh, thường thì nó có màu đen

để hấp thụ ánh sáng Khi robot đi lệch vào vùng có vạch vẽ, ánh sáng phát ra từ robot không phản xạ lại như bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ 1 phần làm sai lệch độ sáng giữa 2 cảm biến

Nên khi sử dụng cảm biến dò đường cho robot phục vụ, chúng ta dễ dàng cho robot đi đúng quỹ đạo đường đi và có thể tùy chỉnh điểm xuất phát , điểm dừng và các trạm nghỉ

Mà khi ứng dụng phục vụ trong nhà hàng thì các vị trí bàn cho khách sẽ là các trạm nghỉ

Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí

3.1 Thiết kế khung máy

Lựa chọn kết cấu khung máy robot phục vụ:

 Phương án 1: kết cấu người máy

Robot sẽ có đủ 2 tay có thể cầm nắm dễ dàng

Ưu điểm:

- Bề ngoài thân thiện với con người

- Linh hoạt khi cầm nắm đồ vật

Nhược điểm:

- Quá nhiều chuyển động phức tạp

- Chi phí cao khi gia công

- Nhiều cơ cấu chuyển động dẫn đến rung lắc, gia công gặp khó khăn

 Phương án 2: kết cấu dạng khối hộp

Robot sẽ có dạng hộp khối vuông, bản

Ưu điểm:

- Hình dáng đa dạng hiện đại

- Chi phí rẻ, độ cứng vững tương đối cao

- Kết cấu đơn giản dễ thi công, lắp đặt Nhược điểm:

Hình 3.1: sắt hộp mạ kẽm 20x20

 Bản vẽ thiết kế khung máy :

Vì đảm nhận công việc phục vụ trong nhà hàng, chiều cao tối ưu cho robot là

từ 1 m đến 1,2 m Sẽ thuận tiện cho khách hàng yêu cầu gọi món khi đang ngồi tại bàn

Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các hình dạng kết cấu của robot Nhóm chọn thiết kế kết cấu như hình 2.2:

Hình 3.2: Bản vẽ khung máy

Thiết kế trên đảm bảo sự nhỏ gọn, dễ dàng cải tiến và nâng cấp tùy thuộc vào mục đích sử dụng Và khối lượng nhẹ cũng là một yếu tố quan trọng góp phần

ổn định khi vận hành

 Vỏ bên ngoài của robot

Vỏ robot có chức năng gắn kết, bảo vệ các phần cứng và mạch điều khiển bên trong robot Và một chức năng quang trọng hơn hết là tạo vẻ thẩm mỹ, bắt mắt cho robot

Nhận biết được tầm quan trọng của vỏ ngoài robot, nhóm chúng tôi quyết định

sử dụng vật liệu composite Composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính chất vượt trội hơn hẳn so với các vật liệu ban đầu Ở đây nhóm sử dụng vật liệu tổng hợp từ sợ thủy tinh và hổn hợp nhựa polyester với đặc tính nhẹ, bền và giá thành rẻ

Chuẩn bị nguyên liệu:

Động cơ trong trường hợp này được xem như đôi chân của con người giúp

robot chuyển động từ vị trí này đến vị trí khác Yêu cầu động cơ phải có công suất phù hợp, phải chịu được tải nhiều hơn khối lượng của bản thân robot mà vẫn đảm bảo tốc

Ta có mô hình tương đương:

Hình 3.3: Ngoại lực tác dụng lên mô hình