Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống robot phục vụ tự động

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG ROBOT PHỤC VỤ TỰ ĐỘNG Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS NGUYỄN THẾ TRANH NGUYỄN TUẤN VŨ NGUYỄN ĐÌNH QUỐC KHÁNH Số thẻ sinh viên : 101130190 101130205 Lớp: 13CDT1 13CDT2 Đà Nẵng, 2018 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động TÓM TẮT Tên đề tài : thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Vủ - 13CDT1 Nguyễn Đình Quốc Khánh – 13CDT2 GV hướng dẫn: ThS Nguyễn Thế Tranh GV duyệt : T.S Võ Như Thành Mục đích đề tài Hiện nay, lĩnh vực dịch vụ ăn uống trở thành lĩnh vực kinh doanh thu lợi nhuận cao Việc ứng dụng hệ thống tự động hóa để phục vụ cho ăn uống trở thành bước mẽ, góp phần giải phóng sức lao động người, đồng thời đem lại suất lao động cao Dựa ý tưởng đặt ra, chúng em tìm hiểu bắt tay vào thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động phục vụ cho quán ăn, nhà hàng… Phạm vi nghiên cứu Trong đề tài này, chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ bao gồm : - Phần khí gồm có: + Thiết kế hệ thống cấp thức uống cho robot - + Thiết kế, chế tạo phần di chuyển robot + Thiết kế, chế tạo phần giữ khay thức uống chuyển thức uống bàn thực khách Phần điều khiển gồm có: + Thiết kế mạch điều khiển cho robot + Xây dựng lưu đồ giải thuật cho robot di chuyển đến vị trí bàn Nội dung đề tài thực : - Số trang thuyết minh: - Số vẽ: vẽ A0 - Mơ hình: mơ hình Kết đạt - Tìm hiểu tổng quan hệ thống robot phục vụ GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động - Giới thiệu số phương án lựa chọn phương án thiết kế cho tồn hệ thống - Tính tốn thiết kế tồn hệ thống - Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống - Hồn thiện mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, đời sống người dân ngày nâng cao, việc thay hoạt động thủ công thiết bị tự động người dân ứng dụng nhiều công nghiệp sinh hoạt Hiện nay, tự động hóa robot đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực sống, phục vụ nhu cầu ngày cao người Ở lĩnh vực kinh doanh, ăn uống số nước tiên tiến ứng dụng hệ thống tự động bán hàng tự động, hệ thống nhà hàng thông minh, robot phục vụ,… đem lại hình thức mẽ kinh doanh, kích thích tò mò khám phá điều lạ cho khách hàng nâng cao hiệu suất bán hàng, thu nhiều lợi nhuận Xuất phát từ ý tưởng trên, nhóm lựa chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống robot phục vụ tự động” Nội dung đồ án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống robot phục vụ tự động Chương 2: Phân tích chọn phương án thiết kế cho hệ thống Chương 3: Tính tốn, thiết kế phận hệ thống Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống Vì lần đầu làm quen với công việc thiết kế tổng thể, hướng dẫn thầy ThS Nguyễn Thế Tranh không tránh khỏi bỡ ngỡ Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho cơng việc thiết kế cịn q ít, thời gian thực đề tài không nhiều, khả cịn hạn chế nên q trình thiết kế khơng tránh khỏi thiếu sót, mong giúp đỡ bảo thầy cô Sau thời gian làm đề tài nỗ lực thân hướng dẫn thầy chúng em hoàn thành xong đồ án thời gian qui định Chúng em xin chân thành cảm ơn bảo tận tình thầy, khoa Cơ khí, đặc biệt thầy Th.S Nguyễn Thế Tranh giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng - Khoa Cơ khí Nhóm đồ án xin cam đoan: Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot ohucj vụ tự động” cơng trình nghiên cứu nhóm, khơng chép đồ án hay cơng trình có trước Mọi giúp đỡ cho việc thực đồ án cảm ơn, thơng tin trích dẫn đồ án ghi rõ nguồn gốc phép cơng bố Nhóm sinh viên thực hiên Nguyễn Tuấn Vủ GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án Lời nói đầu i Lời cam đoan Mục lục ii iii Danh sách hình vẽ Danh sách bảng biểu vi viii Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ROBOT PHỤC VỤ TỰ ĐỘNG 11 1.1 Tổng quan chung robot 11 1.1.1.Giới thiệu chung 11 1.1.2 Phân loại robot 11 1.1.3 Một số dạng điều khiển 15 1.1.4 Giới thiệu robot phục vụ 16 1.2 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu đề tài 20 1.3 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu 20 1.4 Phương pháp nghiên cứu 21 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG 22 2.1 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống 22 2.2 Các phương án lựa chọn, thiết kế cho phận cấp ly 24 2.2.1 Các phương án cấp thức uống tự động 24 2.2.2 Lựa chọn cấu truyền động cho băng tải 27 2.2.3 Các phương án đưa thức uống khay robot 28 2.3 Các phương án lựa chọn, thiết kế phận cho robot 30 GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động 2.3.1 Lựa chọn cấu di chuyển cho robot 30 2.3.2 Lựa chọn cấu đưa sản phẩm bàn 31 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG 33 3.1 Robot 33 3.1.1 Động học robot di chuyển bánh xe 34 3.1.2 Phần đế di chuyển 37 Hình Động giảm tốc 12VDC 39 3.1.3 Phần cánh tay robot 39 3.2 Cơ cấu cấp sản phẩm cho robot sử dụng băng tải 43 3.2.1 Tính chọn động cho băng tải 44 3.2.2 Phân phối tỉ số truyền 46 3.2.3 Tính thơng số trục 46 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH 49 4.1 Tổng quan điều khiển hệ thống tự động 49 4.1.1 Yêu cầu điều khiển tự động hệ thống điều khiển 49 4.1.2 Giới thiệu loại điều khiển phổ biến 50 4.1.3 Tổng quan PLC 50 4.1.4 Giới thiệu tổng quan vi điều khiển 54 4.2 Yêu cầu điều khiển mô hình hệ thống robot phục vụ tự động 57 4.3 Thuật toán PID điều khiển đường robot 57 4.3.1 Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) 57 4.3.2 Ứng dụng giải thuật PID kết hợp với phương pháp PWM robot dò đường 58 4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển cho mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động 60 4.4.1 Board Arduino Uno R3 61 4.4.2 Cảm biến dò đường TCRT5000 65 GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động 4.4.3 Modul điều khiển động L298 66 4.4.4 Cảm biến siêu âm SRF05 67 4.4.5 Modul điều khiển động bước A4988 68 4.4.6 Bộ thu phát tín hiệu RF 69 4.4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động băng tải cấp thức uống 70 4.5 Mạch điều khiển hệ thống 71 4.5.1 Khối xử lý trung tâm robot kết nối với thiết bị ngoại vi 71 4.5.2 Mạch hệ thống cấp thức uống cho robot 72 4.6 Sơ đồ thuật toán hệ thống 72 4.7 Chương trình hệ thống robot phục vụ tự động 73 4.8 Một số hình ảnh hệ thống thi công 85 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Robot hình người hình dáng động vật 12 Hình Robot không 12 Hình Robot nước 13 Hình Robot tự hành di chuyển bánh NASA 13 Hình Các cách bố trí bánh xe robot 15 Hình Robot di chuyển bánh xích 15 Hình Robot chữ thập đỏ, hướng dẫn viên du lịch phục vụ bàn Việt Nam 17 Hình Một số robot phục vụ Việt Nam tự chế tạo 17 Hình Những Robot phục vụ đại Nhật Bản sản xuất 18 Hình 10 Robot Asimo tiếng hãng Honda phục vụ trà robot bồi bàn Nhật 18 Hình 11 Robot dùng phục vụ ăn uống 19 Hình Sơ đồ nguyên lý chung hệ thống 22 Hình 2 Các mức độ lệch khỏi line robot 23 Hình Hình vẽ mơ băng tải dùng mơ hình 24 Hình Sushi băng chuyền sushi 25 Hình Mơ hình mâm xoay cấp sản phẩm 26 Hình Bộ truyền đai 27 Hình Bộ tuyền xích 28 Hình Hình vẽ mơ cánh tay robot gắp sản phẩm 28 Hình Hình vẽ mơ cấu đẩy sản phẩm 29 Hình 10 Vít me đai ốc bi 31 Hình Sơ đồ bố trí bàn khơng gian làm việc robot 33 Hình Phân tích động học robot di chuyển theo quỹ đạo cho trước 35 Hình 3 Đế di động robot 38 Hình Động giảm tốc 12VDC 39 Hình Sơ đồ tính tốn chọn động đẩy 40 GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động Hình Các thơng số vít me – đai ốc bi 41 Hình Biểu đồ tần số thời gian động bước 42 Hình Động bước STP – 43D3014 43 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống băng tải 43 Hình 10 Động dùng cho băng tải 46 Hình Sơ đồ cấu trúc PLC 51 Hình Tủ điện điều khiển PLC 52 Hình Điều khiển thang máy 53 Hình 4 Hệ thống rửa xe tự động dùng PLC 54 Hình Điều khiển máy CNC 54 Hình Board mạch Arduino Uno Mega 2560 55 Hình Robot sử dụng vi điều khiển 56 Hình Mơ hình điều khiển đèn giao thơng dùng vi điều khiển 57 Hình Sơ đồ khối giải thuật PID 58 Hình 10 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot 59 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 61 Hình 12 Vi điều khiển Arduino 62 Hình 13 Các cổng vào 64 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 65 Hình 15 Modul điều khiển động L298N 66 Hình 16 Sơ đồ nguyên lý mạch 67 Hình 17 Cảm biến siêu âm SRF05 67 Hình 18 Modul điều khiển động bước 68 Hình 19 Sơ đồ nguyên lý 69 Hình 20 Modul thu - phát RF433 69 Hình 21 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động 70 Hình 22 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển robot 71 Hình 23 Mạch thiết kế phần mềm Altium 72 Hình 24 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp thức uống cho robot 72 Hình 25 Lưu đồ thuật tốn hệ thống 73 Hình 26 Mơ hình hệ thống thiết kế 85 Hình 27 Khung xe robot 85 GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động #include int msg[1]; RF24 radio(9,10);//check your pin number on RF24 github check you have the right const uint64_t pipe = 0xF0F0F0F0D2L; int led1 = 4; int led2 = 3; int led3 = 2; #define Time_Exm 50 #define DL // left directiom #define DR //Right direction #define PWML //PWM left #define PWMR // PWM Right #define trig #define echo float error = 0; bool IsStart = false; long LastTime = 0; float Kp = 40; //40 float Ki = 0.05; //0.01 float Kd =30;//12 //30 float I = 0; float LastError = 0; GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 74 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động int sensor[5] = {1, 1, 1, 1, 1}; float OffsetSensor = 0; int tempt = 0; //bien nho trang thai int dem_nga_tu = 0; int vach_ngang=0; int last_err; int nho_vach_ngang = 1; // đặt n số vạch ngang nhận long duration; // biến đo thời gian int distance; // biến lưu khoảng cách void setup() { Serial.begin(9600); //Enable Serial Communications radio.begin(); radio.openReadingPipe(1, pipe); radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); radio.startListening(); pinMode(DL, OUTPUT); pinMode(DR, OUTPUT); pinMode(PWML, OUTPUT); pinMode(PWMR, OUTPUT); pinMode(trig,OUTPUT); // chân trig phát tín hiệu pinMode(echo,INPUT); // chân echo nhận tín hiệu GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 75 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động pinMode(led1, OUTPUT); pinMode(led2, OUTPUT); pinMode(led3, OUTPUT); Timer1.initialize(50000); Timer1.attachInterrupt(kt_nga_tu); delay(2000); } void loop() { if(radio.available()){ bool done = false; while (!done) { radio.read(msg, 1); if ((msg[0] == 111)) { digitalWrite(led1, HIGH); go(1); Serial.println("go 1"); } else if(msg[0] == 222){ digitalWrite(led2, HIGH); go(2); Serial.println("go 2"); GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 76 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động } else if(msg[0] == 212){ delay(100); digitalWrite(led3, HIGH); go(3); } } } } void read_sensor_values() { sensor[0] = digitalRead(A0); sensor[1] = digitalRead(A1); sensor[2] = digitalRead(A2); sensor[3] = digitalRead(A3); sensor[4] = digitalRead(A4); Sensor2Value(); if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 1) && (sensor[2] == 1) && (sensor[3] == 1) && (sensor[4] == 0)) error = 4; else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 1) && (sensor[2] == 1) && (sensor[3] == 0) && (sensor[4] == 0)) error = 3; GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 77 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 1) && (sensor[2] == 1) && (sensor[3] == 0) && (sensor[4] == 1)) error = 2; else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 1) && (sensor[2] == 0) && (sensor[3] == 0) && (sensor[4] == 1)) error = 1; else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 1) && (sensor[2] == 0) && (sensor[3] == 1) && (sensor[4] == 1)) error = 0; else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 0) && (sensor[2] == 0) && (sensor[3] == 1) && (sensor[4] == 1)) error = -1; else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 0) && (sensor[2] == 1) && (sensor[3] == 1) && (sensor[4] == 1)) error = -2; else if ((sensor[0] == 0) && (sensor[1] == 0) && (sensor[2] == 1) && (sensor[3] == 1) && (sensor[4] == 1)) error = -3; else if ((sensor[0] == 0) && (sensor[1] == 1) && (sensor[2] == 1) && (sensor[3] == 1) && (sensor[4] == 1)) error = -4; else if ((sensor[0] == 0) && (sensor[1] == 0) && (sensor[2] == 0) && (sensor[3] == 0) && (sensor[4] == 0)) // bam vach ngang error = -5; else if ((sensor[0] == 0) && (sensor[1] == 0) && (sensor[2] == 0) && (sensor[3] == 0) && (sensor[4] == 1)) // bam vach ngang GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 78 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động error = -5; else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 0) && (sensor[2] == 0) && (sensor[3] == 0) && (sensor[4] == 0)) error = -5; else if ((sensor[0] == 1) && (sensor[1] == 1) && (sensor[2] == 1) && (sensor[3] == 1) && (sensor[4] == 1)) //k bam vach error = 5; } void Sensor2Value(){ float sumSensor = 0; int _k = 0; for(int i = 0; i < 5; i++){ if(sensor[i] == LOW) { sumSensor += i - 2; _k++; } } if(_k == 0) IsStart = false; else { IsStart = true; OffsetSensor = (float)sumSensor/_k; GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 79 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động } } void RunMotor(int _intA, int _intB){ digitalWrite(DL, LOW); digitalWrite(DR, LOW); if(_intA < 0) _intA = 0; if(_intB < 0) _intB = 0; analogWrite(PWML, _intA); analogWrite(PWMR, _intB); } void do_line() { read_sensor_values(); float error = 0; int PIDout = 0; if(millis() - LastTime > Time_Exm) { LastTime = millis(); error = OffsetSensor; I += Ki*error; PIDout = (int)(Kp*error + I + Kd*(error - LastError)); LastError = error; GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 80 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động //Serial.println("A"); if(PIDout < 0) { RunMotor( 55 - abs(PIDout),55 + abs(PIDout)); } else { RunMotor( 55 + PIDout,55 - PIDout); } if(IsStart == false){ //RunMotor(0, 0); } } } void lui() { digitalWrite(DL, HIGH); digitalWrite(DR, HIGH); analogWrite(PWML, 255-55); analogWrite(PWMR, 255-55); } GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 81 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động void dung() { digitalWrite(DR, LOW); digitalWrite(DL, LOW); analogWrite(PWML, 0); analogWrite(PWMR, 0); } boolean kt_nga_tu() { read_sensor_values(); if (error != -5) nho_vach_ngang = 0; if ((error == -5)&& (!nho_vach_ngang)) { nho_vach_ngang = 1; vach_ngang++; Serial.println("Dang o vach ngang thu: " + (String)vach_ngang); error =0; return true; } else { return false; } } GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh 82 Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động void go(int des) { while(vach_ngang< des) { do_line(); } if ((nho_vach_ngang ==1) && (vach_ngang ==des)) { dung(); Serial.println("dung"); delay(50); lui(); delay(100); dung(); vach_ngang = des; } delay(3000); while(vach_ngang