Thiết kế và thực hiện robot tự hành vận chuyển thuốc trong phòng khám

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM
• PHẦN MỀM VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PHÁT TRIỂN ROBOT 1. Pycharm

Khác với AGV, robot AMR có các tính năng nổi bật hơn như tự vận hành trong hầu hết các môi trường mà không cần được định sẵn tuyến đường vận chuyển, tích hợp nhiều cảm biến giúp robot có thể hiểu và di chuyển trong môi trường một cách độc lập, khả năng xử lý thông tin và đưa ra các quyết định trong khi vận chuyển một cách chính xác. Các thành tựu của RL có thể kể đến như AlphaGo Zero của DeepMind đã chiến thắng kỳ thủ cờ vây Lee Sedol vào năm 2017 [17], trong việc giải các mê cung tĩnh, bằng cách lặp lại việc thử nghiệm và đánh giá các hành động (Action), Agent có thể tìm ra được đường đi đến đích [18].

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

• TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Với tiêu chí về thời gian phản hồi cần thiết cho hệ thống, đề tài dựa trên mục tiêu thiết kế Robot có vận tốc di chuyển (vRobot) là 15 cm/s, và thời gian phản hồi của hệ thống (thệ thống) là 0.3 s để tính toán khoảng cách dừng lại trước vật cản dựa vào phương trình 3.1 và đánh giá dựa trên khoảng cách Robot dừng lại trước vật cản lớn hơn 950 mm (an toàn) với ngưỡng thiết lập khi phát hiện vật cản là 1000 mm. Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định số vòng quay động cơ trong khoảng thời gian nhất định, một phương pháp phổ biến trong số đó là bộ mã hóa quay (encoder) sử dụng ngắt quãng ánh sáng chiếu xuyên qua các khe trên đĩa quay vào cảm biến được gắn trên trục của động cơ [23]. Sơ đồ chân kết nối giữa vi điều khiển và encoder được tích hợp trong động cơ được mô tả như hình 3.4. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. Sơ đồ chân kết nối của Encoder b) Khối động cơ di chuyển.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Trong đó,

Dựa vào thông số của động cơ, đề tài này lựa chọn tám diode HER208 được thể hiện ở hình 3.8 có dòng chuyển tiếp 2 A kết nối song song với cỏc ngừ ra của IC L298N giỳp bảo vệ khối điều khiển động cơ và cỏc linh kiện khác trong mạch. Một số công nghệ phổ biến hiện nay: Wifi, Zigbee, Bluetooth, v.v…Sau khi tìm hiểu, đề tài này ưu tiên sử dụng Bluetooth do tính đơn giản và phổ biến trong việc tích hợp và lập trình hệ thống giúp cho đề tài này có thể tập trung khai thác và phát triển các khía cạnh quan trọng khác của đề tài.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ d) Khối hiển thị

• PHƯƠNG PHÁP DI CHUYỂN CỦA ROBOT

Các lỗ bắt ốc được thiết kế để sử dụng ốc M4 (đường kính 4 mm) và hai lỗ được thiết kế riêng để đi dây kết nối. Bên cạnh đó, đề tài này sử dụng ba thanh nhôm 300 mm và hai thanh nhôm 500 mm tạo thành kết cấu khung gầm để cố định động cơ và bánh xe nhằm mục đích giữ cho bộ cơ chuyển động luôn ổn định và tăng khả năng chịu tải cho Robot. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. b) Thiết kế chi tiết mặt trước của bộ khung Robot. Chi tiết mặt trước khung Robot c) Thiết kế chi tiết hai mặt bên và nắp đậy của bộ khung. Có các khoảng trống sử dụng cho việc cắm sạc và nạp code cho Arduino, vì thế bộ khung Robot được thiết kế thêm chi tiết nắp đậy có kích thước bằng với phần chứa các bộ phận của Robot (370x300 mm) để thuận tiện trong thao tác chỉnh sửa và bảo trì các bộ phận bên trong Robot. Chi tiết hai mặt bên Robot. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. Chi tiết nắp đậy Robot d) Mô hình khung tổng thể Robot.

THI CÔNG HỆ THỐNG

THI CÔNG HỆ THỐNG. các linh kiện được thể hiện bằng các lớp màu vàng. Vị trí các linh kiện được sắp xếp theo từng khối để đảm bảo hiệu quả hoạt động .Sơ đồ sắp xếp linh kiện được mô tả ở hình 4.1. Lắp ráp và kiểm tra. a) Lắp ráp mạch nguồn. Mô tả chi tiết khối nguồn. Dựa vào sơ đồ nguyên lý, sơ đồ PCB và các linh kiện đã lựa chọn, đề tài này tiến hành lắp ráp khối nguồn. Các linh kiện của khối nguồn được đặt ở gần IC. THI CÔNG HỆ THỐNG. LM2596T-5V để giúp cho bộ chuyển đổi điện áp hoạt động ổn định. Chi tiết lắp ráp khối nguồn được mô tả ở hình 4.2. b) Lắp ráp mạch điều khiển động cơ. Sau khi lắp ráp xong khối nguồn đề tài này tiền hành lắp ráp khối điều khiển động cơ. Các diode HER208 của khối điều khiển động cơ được đặt song song với nhau và hai IC L298N được đặt ở giữa để đảm bảo hiệu suất hoạt động của khối động cơ luôn ở mức tốt nhất và sử dụng thêm tản nhiệt cho IC L298N để làm mát cho IC. Khối động cơ sau khi lắp ráp được mô tả ở hình 4.3. THI CÔNG HỆ THỐNG. Mô tả chi tiết board mạch toàn hệ thống d) Kiểm tra board mạch. Cầu chì tại khối nguồn không bị cháy chứng tỏ dòng diện cấp cho board mạch không vượt quá giới hạn.

THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2. THI CÔNG MÔ HÌNH

THI CÔNG HỆ THỐNG. THI CÔNG HỆ THỐNG. Mô tả chi tiết khung chứa Robot c) Mặt trước của Robot. Mặt trước của Robot là nơi để tương tác với người sử dụng thông qua các nút nhấn và màn hình LCD. Mô tả chi tiết mặt trước của Robot được thể hiện ở hình 4.8. Mô tả chi tiết mặt trước của Robot d) Mô hình hộp thuốc. Đề tài này sử dụng ba nút nhấn có ba màu khác nhau (đỏ, xanh lá, vàng) loại nhấn giữ có hai cặp tiếp điểm để phân biệt các lựa chọn vị trí đích đến của Robot.

THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

Lưu đồ giải thuật ở hình 4.12 thể hiện rằng sau khi người dùng nhấn nút để chọn phòng, giá trị của biến “room”sẽ được gán bằng giá trị tương ứng với phòng đã chọn thông qua việc gọi hàm xử lý nút nhấn. Hành động này được thực hiện để đảm bảo rằng nếu Robot đã di chuyển đến một phòng đã chọn trước đó và muốn chuyển đến phòng kế tiếp thì phải nhấn chọn một phòng khác.

THI CÔNG HỆ THỐNG Hàm xử lý nút nhấn

THI CÔNG HỆ THỐNG. THI CÔNG HỆ THỐNG. b) Lưu đồ giải thuật chương trình gửi và nhận thông tin của Robot. Lưu đồ giải thuật chương trình gửi và nhận thông tin của Robot Lưu đồ giải thuật trong hình 4.14 được giải thích như sau. Báo cáo này sử dụng kiểu dữ liệu JSON nhằm đồng bộ hóa các dạng dữ liệu được gửi đồng thời qua Bluetooth giúp thuận tiện trong việc truyền dữ liệu. Đồng thời, các giá trị của các biến “dir” là hành động được gửi, “num_step” là tổng số bước trong một quá trình di chuyển và “key_last” được sử dụng để báo hiệu Robot có hoàn thành một quá trình di chuyển hay chưa. Thêm vào đó, sử dụng các biến “error” để phát hiện có xảy ra lỗi trong quá trình gửi và nhận dữ liệu, nếu có xảy ra lỗi thì biến “pass” giúp Robot thông báo với khối xử lý trung tâm rằng là có nhận được lệnh điều khiển hay chưa bằng việc cập nhật biến “pass” để gửi về bộ xử lý trung tâm. THI CÔNG HỆ THỐNG. c) Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý và gửi lệnh của khối xử lý trung tâm. Ở trạng thái ban đầu của hệ thống, khi giá trị của biến “first” là 0, khi Robot đang ở trạng thái đứng yên thì kiểm tra lần lượt các nút nhấn, nếu người dùng nhấn nút sẽ gán biến “goal” tương ứng với phòng tương ứng, sau đó, thực hiện bước A để tìm tập hành động phù hợp cho từng phòng muốn đến dựa trên thuật toán Q-learning.

THI CÔNG HỆ THỐNG Lưu đồ giải thuật hàm run_model

Bước D được mô tả việc điều chỉnh hướng Robot khi thực hiện hành động hướng xuống dưới được trình bày như sau, khi hướng hiện tại của Robot là hướng xuống, khi gặp lệnh “MOVE_LEFT” đưa ra hành động “GO_RIGHT” cùng với việc đặt lại hướng là “LEFT”, lệnh “MOVE_RIGHT” chuyển thành “GO_LEFT”. “robot_route” được trả về từ hàm “get_robot_route”, để có thể đơn giản quá trình truyền nhận dữ liệu và xử lý các thông tin, đề tài này lựa chọn giải pháp thay thế tập lệnh bằng chữ cái thành các chữ số đại diện cho hành động đó.

THI CÔNG HỆ THỐNG Lưu đồ giải thuật chương trình Odometry

Trước tiên, kiểm tra xem giá trị của biến “prev_step" có nhỏ hơn giá trị của biến “num_step” hay không với biến “prev_step” là số bước mà Robot hoàn thành và “num_step” là tổng số bước mà Robot cần phải thực hiện được gửi từ khối xử lý trung tâm. Sau cùng, khi đến vị trí đích việc kiểm tra biến “key_last” được gửi từ khối xử lý trung tâm có bằng 1 hay không thể hiện người sử dụng muốn đi đến phòng khác để trả các giá trị biến “prev_step” và.

THI CÔNG HỆ THỐNG Lưu đồ giải thuật hàm Stop

“Bluetooth & Services”, sau đó chọn “View more devices” và tiếp theo chọn “More Bluetooth Settings”. Robot sau khi kết nối với Khối xử lý trung tâm thành công sẽ ở trạng thái sẵn sàng và chờ chọn phòng như hình 4.38.

THI CÔNG HỆ THỐNG Nhấn nút màu đỏ để chọn phòng 1

Nếu muốn tiếp tục di chuyển đến phòng tiếp theo cần nhấn nhả nút của phòng đã chọn để trở lại giao diện chọn phòng và nhấn chọn phòng tiếp theo muốn đến. Người sử dụng cần phải thực hiện đúng các trình tự thao tác và hướng dẫn sử dụng để Robot có thể di chuyển đến đúng vị trí phòng đã chọn.

KẾT QUẢ - NHẬN XÉT -ĐÁNH GIÁ

Thi công mô hình. Mặt trước của Robot bao gồm các nút chọn phòng và giao diện chọn phòng thông qua LCD. Đề tài sử dụng ba nút nhấn cùng loại với ba màu khác nhau để phân biệt các lựa chọn phòng muốn đến của người sử dụng. Robot sau khi được khởi động sẽ hiển thị giao diện chọn phòng lên LCD. Hai mặt bên của Robot. Hoàn thiện sản phẩm. Mô hình Robot bao gồm hai phần là phần chứa hộp thuốc và phần trung tâm chứa các bộ phận quan trọng như Board mạch, bộ sạc và pin acquy. Phần khung gầm với mô hình ba bánh xe luôn hoạt động tốt với khả năng chịu tải lên đến 5 Kg. Hình 5.4 mô tả phần trung tâm của Robot sau khi đã hoàn thiện thi công. Đối với phần. chứa hộp thuốc của Robot, đề tài đã hoàn thiện thiết kế và thi công với không gian có kích thước phù hợp để đặt hộp thuốc và cố định bằng các ke góc vuông sử dụng ốc M4. Hộp thuốc có các ngăn kéo để chứa các loại sản phẩm y tế như thuốc chữa bệnh dạng uống, thuốc dạng bôi, băng gạc y tế và các loại thực phẩm chức năng khác. Phần hộp thuốc chứa các nhu yếu phẩm khi di chuyển được mô tả ở hình 5.5. Phần trung tâm sau khi hoàn thiện thi công. Phần hộp thuốc chứa các nhu yếu phẩm khi di chuyển. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM. Đề tài đánh giá độ hiệu quả trong việc bám line của Robot bằng cách tính sai số tuyệt đối của Robot khi di chuyển so với đường tham chiếu. Khi Robot lệch khỏi quỹ đạo chuẩn, sai số tuyệt đối sẽ tính bằng cách lấy đường di chuyển thí nghiệm trừ cho đường tham chiếu. Thêm vào đó, báo cáo này đánh giá độ bám line của Robot sau khi gặp vật cản và độ hiệu quả khi gặp vật cản trên đường di chuyển. Các ômàu xanh biểu thị cho các ô trống, các ô màu đỏ đại diện cho vật cản, màu vàng biểu diễn cho các đích đến và màu xanh dương đại diện cho Robot ở vị trí ban đầu. Bản đồ môi trường 2D. Các ô màu xanh lá là các ô trống mà Robot có thể tự do di chuyển. Các ô màu đỏ là các ô có chướng ngại vật. Cuối cùng, ô màu xanh dương được ký hiệu “O” chính là Robot tại thời điểm ban đầu. Đánh giá độ bám line. a) Mô tả thí nghiệm. Ở trường hợp này, Robot cần thực hiện các hành động bao gồm “Xoay trái” sau đó “Xoay phải” với các mũi tên màu xám và “Đi thẳng” 4 lần để đến đích với mũi tên màu trắng.

KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Trường hợp Robot di chuyển đến phòng số 2

Đầu tiên, Robot di chuyển đến đích (vị trí phòng số 2), đồng thời vật cản sẽ di chuyển ngược chiều Robot trên đường đi. Sau khi phát hiện vật cản, Robot sẽ dừng lại. Cuối cùng, bằng việc thực hiện ghi lại khoảng cách tại vị trí Robot dừng lại so với vật cản, đề tài này đánh giá khoảng cách an toàn thực tế so sánh với khoảng an toàn lý tưởng là 950 mm với ngưỡng thiết lập phát hiện vật cản là 1000 mm. b) Kết quả thí nghiệm. Đề tài này thực hiện 10 lần thí nghiệm và ghi nhận các kết quả vào bảng 5.4. Từ đó, báo cáo này sẽ đưa ra nhận xét về khả năng nhận biết vật cản của Robot trong quá trình di chuyển khi gặp vật cản chuyển động trên đường di chuyển có đạt độ hiệu quả tốt hay không. Ởbảng 5.4, đề tài này đưa ra nhận xét rằng là khi Robot gặp vật cản di chuyển trên đường thì Robot sẽ dừng lại với độ hiệu quả xử lý phát hiện vật cản đạt hiệu quả cao. Cụ thể, Robot đạt 9/10 lần dừng lại trong khoảng cách an toàn với khoảng cách dừng lại trung bình là 967.1 mm. Trong đó, sai số tuyệt đối về khoảng cách dừng lại so với vị trí của vật cản chuyển động là khoảng 958 – 985 mm. Với trường hợp chưa đạt yêu cầu, Robot đã vượt quá khoảng cách an toàn khoảng 18 mm so với khoảng cách an toàn mà đề tài mong muốn. Kết quả 10 lần thực nghiệm độ hiệu khi gặp vật cản chuyển động Số lần thực Khoảng cách dừng Khoảng cách dừng. Đánh giá độ bám line sau khi gặp vật cản tĩnh. a) Mô tả thí nghiệm. Mô tả thí nghiệm đánh giá độ hiệu quả bám line của Robot sau khi gặp vật cản đứng yên. Ban đầu, đặt vật cản đứng yên trên đường đi của Robot và cách vị trí ban đầu là 1500 mm, khi Robot dừng lại trước vật cản khoảng 8 giây, lấy vật cản ra khỏi đường đi của Robot. Từ đó, đề tài đánh giá độ hiệu quả bám line của Robot khi tiếp tục di chuyển đến vị trí đích lúc không còn vật cản. Hình 5.14 mô tả thí nghiệm độ hiệu quả bám line của Robot sau khi gặp vật cản. b) Kết quả thí nghiệm. Tuy nhiên, đối với các vị trí phòng 1 và phòng 3 do phải sử dụng kết hợp thêm thuật toán Odometry để thực hiện các chuỗi hành động phức tạp hơn như “xoay trái” và “xoay phải” nên vẫn còn trường hợp không đến được đích, trong đó với vị trí phòng 1 là 4/5 lần về đích và 4/5 lần đối với vị trí phòng 3.Về khả năng nhận biết vật cản, Robot đã có thể dừng lại khi nhận thấy vật cản chuyển động trên đường di chuyển và với ngưỡng thiết lập mong muốn là 1000 mm thì Robot đã đạt được độ hiệu quả tương đối cao trong việc dừng lại ở khoảng cách an toàn mong muốn là 950 mm.