Tiêu chí đánh giá Trọng số Phương án 1 Phương án 2
Cứng vững, ổn định 2 2 2
Khả năng chịu tải 1 2 1
Kết cấu nhỏ gọn 1 0 1
Điều kiện triển khai 1 0 1
Tổng 4 5
Dựa vào kết quả đánh giá 2 phương án cho cơ cấu nâng, kết quả cho thấy phương án số 2 sử dụng lực nâng trực tiếp từ xylanh chiếm ưu thế. Ở phương án này, yêu cầu thiết yếu đĩ là độ chính xác về thiết kế cơ khí, vấn đề quản lý sai số chế tạo cũng như lắp đặt được đưa lên hàng đầu.
Vậy phương án số 2 được lựa chọn: sử dụng lực nâng trực tiếp từ xylanh.
2.3. Phân tích, lựa chọn xylanh trong cơ cấu nâng
Xylanh cĩ tác dụng tạo lực nâng cũng như chịu lực dọc trục trong quá trình robot nâng và di chuyển cùng tải. Các yêu cầu được đặt ra như sau:
- Xylanh nâng và chịu lực tối thiểu 50kg (yêu cầu đề bài)
- Kết cấu gọn, khơng quá cồng kềnh, chiếm diện tích
- Dễ dàng điều khiển
Dựa trên yêu cầu trên, các phương án xylanh được đề xuất: Bảng 2. 6: Phân tích các phương án xylanh
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Tên phương án Ưu điểm Nhược điểm
Xy lanh điện (linear actuator)
Nguyên lý của xylanh điện là biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của xylanh thơng qua cơ cấu vit me đai ốc được tích hợp sẵn trong xy lanh. Vì vậy rất dễ dàng sử dụng, độ ổn định cao. Tốc độ chậm, gây ồn do sử dụng bộ truyền bánh răng. Xylanh thủy lực
Khả năng tải vượt trội, tốc độ cao
Khĩ khăn trong việc thiết kế, lắp đặt trong robot do phải kèm theo hệ thống bơm dầu.
Xylanh điện – thủy lực
Tích hợp động cơ ngay trên xylanh thủy lực, nên khắc phục được các yếu tố của 2 loại xylanh trên.
Khơng được sử dụng phổ biến, hành trình ngắn, tải khơng cao.
➢ Dựa trên các phân tích trên, kết hợp với yêu cầu bài tốn, thấy rằng robot nâng
tải với khối lượng khơng lớn (50kg), kích thước robot yêu cầu nhỏ gọn, khơng quá cồng kềnh, vì vậy phương án sử dụng Xylanh điện được lựa chọn.
2.4. Lựa chọn bánh xe
2.4.1. Lựa chọn bánh chủ động
Các phương án đề xuất:
✓ Bánh đa hướng:
- Bánh đa hướng (bao gồm bánh omni và mecanum) là loại bánh cĩ các bánh vệ
tinh nhỏ đặt đặt xung quanh chu vi bánh và vuơng gĩc với trục bánh.
- Ưu điểm:
+ Di chuyển linh hoạt, cĩ thể chuyển hướng tại chỗ + Ma sát với mặt sàn nhỏ
- Nhược điểm:
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
+ Làm việc trong mơi trường nhiều bụi bẩn sẽ khiến các bánh vệ tinh dễ bị kẹt và mài mịn.
✓ Bánh cao su:
- Ưu điểm:
+ Kết cấu đơn giản, chịu lực tốt + Di chuyển nhanh, linh hoạt + Ma sát với mặt sàn lớn
Phương án sử dụng bánh cao su được lựa chọn, kết hợp việc tham khảo đường kính bánh của các thiết bị AGV trên thế giới, lựa chọn đường kính bánh chủ động là 170mm.
2.4.2. Lựa chọn bánh bị động
Với đặc điểm chịu tải trọng lớn, bánh Caster được lựa chọn. Với kết cấu sử dụng 4 bánh, yêu cầu thiết kế đồng phẳng cho 4 bánh là bắt buộc, hiện tại trên thị trường cĩ bán loại bánh Caster cĩ khả năng đàn hồi, việc lựa chọn bánh này sẽ giảm bớt áp lực cơ khí mà vẫn đảm bảo được khả năng đồng phẳng của 4 bánh xe.
2.5. Phân tích, lựa chọn thiết bị định vị vị trí.
Trong q trình hoạt động của robot trong nhà xưởng, vấn đề định vị trí của robot trong nhà kho rộng lớn là vơ cùng thiết yếu. Khi quản lý được vị trí, hệ thống điều khiển mới cĩ thể ra lệnh cho robot di chuyển theo đúng vị trí yêu cầu, từ đĩ thực hiện các tác vụ vận chuyển kệ hàng theo mong muốn. Cĩ phương pháp được đề xuất gồm sử dụng RFID và mã QR mà ngun lí đã được trình bày trong Chương 1.
Phương án Ưu điểm Nhược điểm
RFID
Mã RFID cho phép đọc tín hiệu nhanh và chính xác, khoảng cách đọc lớn.
Khả năng ứng dụng cao, phổ biến, thẻ cĩ khả năng tái chế sử dụng nhiều lần
Chi phí thẻ RFID cao hơn thẻ mã vạch rất nhiều.
Việc đọc RFID bị nhiễu khi đi qua kim loại hoặc chất lỏng. Đầu đọc RFID cĩ thể đọc chồng lấn tín hiệu lên nhau và khơng phân biệt được dữ liệu tại khu
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Mã QR
Mã QR cho khả năng lưu trữ một lượng thơng tin lớn, và cĩ thể hiệu chỉnh.
Độ chính xác về thơng tin cao.
Phải sử dụng Camera hoặc thiết bị chuyên dụng, giải thuật xửl ý ảnh để đọc.
Địi hỏi bề mặt mã QR khơng bị trầy xước, bụi bẩn, mã cịn nguyên vẹn.
Dựa vào các phân tích trên, cho thấy mã thẻ RFID cho khả năng ứng dụng linh hoạt, tốc độ đọc cao, dễ dàng sử dụng, đồng thời với thiết kế mã được gá cố định dưới mặt sàn, nếu sử dụng mã QR cĩ thể dẫn đến trường hợp mã bị trầy xước, bụi bẩn, gây mất thơng tin, ảnh hưởng lớn đến hoạt động quản lí của hệ thống.
➢ Phương án sử dụng mã thẻ RFID được sử dụng.
2.6. Phân tích, lựa chọn phương án dẫn hướng
Để đảm bảo robot di chuyển theo đúng hành trình, hệ thống dẫn hướng được sử dụng. Hiện nay trên thế giới cĩ rất nhiều phương pháp dẫn hướng khác nhau cho AGV, dưới đây là một số phương án đề xuất được sử dụng phổ biến:
Phương án Đánh giá
Đường dẫn từ Chính xác, ổn định, sử dụng đầu đọc và dải băng từ chuyên
dụng, chi phí đầu tư ban đầu lớn. Dễ dàng tùy chỉnh đường dẫn
Đường băng kẻ Độ chính xác tùy thuộc thiết bị đọc, dễ dàng thay đổi, mở rộng
đường dẫn. Chi phí đầu tư ban đầu thấp, ứng dụng phổ biến
Dẫn hướng Laser Chính xác, cho biết đầy đủ các thơng số về vị trí. Chi phí đầu
tư ban đầu lớn, thiết bị đọc khơng bị che chắn, gá cao so với mặt đất
Dẫn hướng tự nhiên
Tự động thiết lập bản đồ đường đi, phù hợp sử dụng trong mơi trường tự nhiên. Giải thuật xử lý phức tạp, chưa phổ biến.
Lựa chọn phương án dẫn hướng
Từ các phân tích trên, xét thấy phương pháp sử dụng đường băng kẻ cho độ linh hoạt cao khi sử dụng, đồng thời giá thành các trang thiết bị phù hợp với điều kiện triển khai. Để sử dụng các phương pháp khác, điều kiện bắt buộc đĩ là phải lựa chọn các
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
đầu đọc Transpoter chuyên dụng, giá thành rất cao. Vì vậy phương án sử dụng đường băng kẻ sàn được sử dụng.
2.7. Phân tích lựa chọn phương án điều khiển
Phương án điều khiển khiển là cơ sở để thiết kế hệ thống điện và xây dựng giải thuật khiển. Bộ phận điều khiển của robot phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Cĩ khả năng đáp ứng được tốc độ cao, làm việc ổn định.
- Đơn giản, dễ tính tốn, thiết lập và sửa chửa.
2.7.1. Điều khiển tập trung
Hình 2. 6: Bộ điều khiển tập trung
Ưu điểm
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Nhược điểm
- Giải thuật phức tạp, khĩ chỉnh sửa.
- Tốc độ đáp ứng chậm một vì một vi điều khiển thực hiện tất cả các nhiệm vụ. –
- Dễ gây ra xung khắc hoặc sai lệch trong quá trình điều khiển do cĩ thể cĩ nhiều
tín hiệu ngắt, mơ đun xử lý dữ liệu xảy ra đồng thời.
2.7.2. Điều khiển phân cấp
Hình 2. 7: Bộ điều khiển phân cấp
Sử dụng một vi điều khiển trung tâm và các vi điều khiển con (slave) để chia nhỏ nhiệm vụ điều khiển cả robot ra thành từng mơ đun độc lập như trên hình 2.8. Vi điều khiển trung tâm tính tốn nhiệm vụ riêng biệt cho từng mơ đun và gửi giá trị điều khiển về cho slave. Các vi điều khiển slave thực hiện nhiệm vụ nhận được và gửi kết quả hồi tiếp về cho vi điều khiển trung tâm.
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Ưu điểm
- Giải thuật đơn giản do được mơ đun hĩa, dễ dàng điều chỉnh khi cần thay đổi. - Nhờ việc xử lý độc lập cơng việc giữa các vi điều khiển, nên tốc độ xử lý của hệ
thống sẽ nhanh hơn và tránh được các xung đột ngắt, xử lý tín hiệu xảy ra đồng thời.
Nhược điểm
- Chi phí đắt do sử dụng nhiều vi điều khiển.
- Phải xử lý thêm mơ đun truyền nhận dữ liệu giữa các vi điều khiển với nhau.
2.7.3. Lựa chọn phương án điều khiển
Bảng 2. 7: So sánh 2 phương án điều khiển
Tiêu chí đánh giá Trọng số Điều khiển tập
trung
Điều khiển phân cấp Giải thuật đơn giản, dễ chỉnh
sửa
1 0 1
Tiết kiệm chi phí 1 1 0
Tốc độ đáp ứng 1 0 1
Khối lượng nhỏ gọn 1 1 0
Điều kiện triển khai 1 1 0
Tổng điểm 3 2
Dựa trên những phân tích đánh giá trên, phương án điều khiển tập trung được lựa chọn.
2.8. Tổng kết
Qua q trình phân tích và đánh giá các phương án thiết kế. Chương 2 đã đưa ra được các phương án thiết kế kết cấu xe, bộ phận nâng hạ kệ hàng, chọn xylanh, thiết bị định vị vị trí và phương án điều khiển cho robot. Các phương án thiết kế được lựa chọn sẽ là cơ sở để thiết kế cơ khí và hệ thống điện sẽ được trình bày ở chương 3 và chương 4.
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Bảng 2. 8: Tổng kết các phương án lựa chọn
Đặc tính yêu cầu Phương án được lựa chọn
Phương án di chuyển 2 bánh chủ động, 2 bánh tự lựa
Phương án cơ cấu nâng Nâng trực tiếp bởi xylanh
Phương án sử dụng xylanh Xylanh điện
Phương án thiết bị định vị Mã thẻ RFID
Phương án điều khiển Bộ điều khiển tập trung
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Kết cấu cơ khí là điều kiện quan trọng nhất quyết định khả năng hoạt động của robot, đảm bảo robot di chuyển ổn định, chịu được tải trọng yêu cầu. Robot cần phải cĩ một kết cấu cứng vững, kích thước phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của đề tài.
Chương 3 sẽ tiến hành thiết kế cơ khí cho cơ cấu nâng – hạ, tính tốn bền cho kết cấu, tính tốn và lựa chọn động cơ.
3.1 Yêu cầu bài tốn
AGV được thiết kế cĩ khả năng nâng – hạ kệ hàng với tải trọng tối đa 50kg. Thơng số kệ hàng theo tiêu chuẩn kệ hàng của tập đồn Amazon (Mỹ) và các thơng số yêu cầu đối với AGV được thiết kế như sau:
Bảng 3.1: Thơng số thiết kế AGV
Thơng số Giá trị
Kệ hàng
Chiều dài 800mm
Chiều rộng 800mm
Chiều cao 2000mm
Khoảng cách giữa hai kệ liên tiếp 250mm
Khoảng cách từ mặt sàn tới mặt dưới cùng của kệ
360 (mm)
Cụm di chuyển
Vận tốc tối đa vmax = 0.3 (m/s)
Gia tốc lớn nhất amax = 0.25 (m/s2)
Hệ số ma sát 𝜇 = 0.8
Gĩc cua 𝛼 = 90𝑜
Sai số bám line lớn nhất ±12 (mm)
Sai số dừng ±10 (mm)
Cụm cơ cấu nâng
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Tốc độ nâng vnâng = 10 (mm/s)
Khối lượng xe (ước lượng) Mxe = 50 (kg)
3.2 . Tính tốn kích thước cho AGV
Trong quá trình hoạt động, AGV tiến hành vận chuyển kệ hàng đến vị trí mong muốn theo nguyên tắc như sau:
AGV di chuyển xuyên qua gầm kệ hàng, và dừng khi tâm xe trùng với tâm kệ, cơ
cấu nâng bắt đầu hoạt động nâng kệ hàng khỏi mặt đất. Trong quá trình cua 90o, robot
hạ kệ hàng tiếp xúc mặt đất, quay một gĩc 90o , sau đĩ nâng kệ hàng lên và tiếp tục di
chuyển thẳng.
Dựa theo nguyên lý trên, kích thước của AGV phải đảm bảo sao cho robot cĩ khả
năng di chuyển vào gầm kệ hàng và quay được một gĩc 90o trong gầm kệ mà khơng bị
cản trở bởi 4 chân kệ.
800
800
Hình 3. 1: Mơ hình tính tốn kích thước robot
Mơ hình tính tốn được thiết lập như hình 3.1. Trong đĩ: A, B, C lần lượt là chiều dài, chiều rộng, bán kính quay lớn nhất của AGV.
Theo phân tích, ta cĩ được các điều kiện ràng=======>
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
{𝐴 ≤ 800 (𝑚𝑚)
𝐵 ≤ 800 (𝑚𝑚)
Với sai số dị line ±12mm, kết hợp việc tham khảo kích thước của KIVA Robot, chọn bề rộng B của AGV bằng 630 (mm) để luơn đảm bảo robot di chuyển được vào gầm kệ mà khơng bị cản bởi chân kệ.
Chiều cao của AGV lúc khơng nâng phải nhỏ hơn khoảng cách từ sàn đến mặt dưới cùng của kệ. Chọn H = 350 (mm)
Kết hợp tham khảo kích thước các loại AGV hoạt động trong nhà kho hiện đang cĩ trên thị trường bao gồm Kiva Robot với khả năng nâng tải lên đến 500kg, chọn chiều dài AGV được chọn là 740 (mm), chiều rộng 630 (mm), chiều cao khi khơng nâng H= 350 (mm).
3.3 . Tính tốn cơ cấu nâng – hạ
3.3.1 Tính tốn kích thước tấm nâng - hạ
Tấm nâng hạ là bộ phận tiếp xúc trực tiếp giữ AGV và kệ hàng. Tấm nâng hạ phải được thiết kế đảm bảo các yêu cầu sau:
- Giữ kệ hàng thăng bằng, khơng rung lắc trong quá trình robot nâng – hạ, di
chuyển.
- Khơng bị cong, vênh khi chịu lực từ tải kệ hàng.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
P1
Fn
Khi AGV tăng tốc, hoặc giảm tốc với gia tốc a=0.25 m/s2
Với :
+ P =500N : tải trọng do tải tác dụng
+ Fqt = m.a = 50.0,25 = 12,5 N : lực quán tính do q trình tăng tốc
+ M= Fqt.h = 12,5. 0.5 = 6,25 Nm : Moment do lực quán tính tác dụng tại biên bàn nâng
+ h = 500 (mm) : Chiều cao trọng tâm C của tải + b : Chiều rộng tấm nâng tính từ tâm xe
Để kệ hàng khơng bị lật khi tăng tốc và giảm tốc, cần đảm bảo điều kiện:
Fqt. h ≤ P. b => 𝑏 ≥ 𝐹𝑞𝑡
𝑃 =
12,5.0,5
500 = 0,0125
Kết hợp việc tham khảo từ các robot cĩ sẵn trên thị trường, chọn kích thước tấm nâng như sau : dài 500mm, rộng 400mm.
3.3.2 Tính tốn cơ cấu nâng – hạ
Tính tốn chọn Linear Actuator
Hình 3. 3: Phân tích lực cơ cấu nâng hạ F𝑛: 𝐿ự𝑐 𝑛â𝑛𝑔 F𝑛: 𝐿ự𝑐 𝑛â𝑛𝑔
P1 ∶ 𝑇𝑟ọ𝑛𝑔 𝑙ự𝑐 tả P: Trọng lực bàn nâng
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Lực nâng cần thiết :
Fn = P1 + P = 50.9,81+0.5.9,81 = 496 (N)
Chọn xylanh điện XTL100 của hãng JUGETEK với các thơng số như sau : Bảng 3. 2: Thơng số xylanh điện
Tính tốn then chịu lực tại đầu trục Linear Actuator
3
1: Then chịu lực 3: Bàn nâng 2: Linear Actuator
Hình 3.4 : Sơ đồ then chịu lực
Then cĩ tiết diện hình trịn, chịu trách nhiệm truyền lực tác động từ xylanh lên bàn nâng, đồng thời chịu tải trọng của kệ hàng khi quá trình nâng đã hồn thành.
Thơng số Giá trị Điện áp 24VDC Dịng 1.5A Cơng suất 60W Tải trọng chịu dọc trục 9000N Vận tốc nâng 10mm/s Hành trình tối đa 100mm
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Kết cấu then chịu lực cho phép bàn nâng nghiêng một gĩc nhỏ trong quá trình xe tăng tốc hoặc giảm tốc, tránh được lực hướng tâm tác động trực tiếp vào xylanh, cĩ thể gây cong vênh, gãy xylanh.
Mơ hình tính tốn :
30mm
Hình 3.5: Sơ đồ tính tốn then chịu lực quy về bài tốn sức bền Các thơng số đầu vào : Các thơng số đầu vào :
+ P=500N : Lực tập trung + L=30mm : Chiều dài then + D : Đường kính then
+ [𝜎] = 600 MPa Ứng suất uốn cho phép của thép C45 thường hĩa (tiêu chuẩn TCVN 8301_2009_901814)
Biểu đồ nội lực trong thanh :
30mm
Q
Hình 3. 6: Biểu đồ nội lực then
15mm 15mm 15mm 15mm 250 N 3.75 Nm
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Moment uốn gây ứng suất pháp lớn nhất :
𝜎𝑍 = 𝑀 𝑊 = 𝑀 𝜋𝐷3/32= 3.75 𝜋𝐷3/32= 120 𝜋𝐷3
Do hệ khơng cĩ moment xoắn nên ứng suất tiếp 𝜏 = 0 Điều kiện bền theo thuyết bền thứ ba:
√𝜎2+ 𝜏2 ≤ [𝜎] √1202 𝜋2𝐷6+ 0