Toàn văn đồ án thiết kế Robot AMR vận chuyển hàng hóa trong nhà máy (ĐH BKHN)

Toàn văn đồ án thiết kế robot AMR vận chuyển hàng hóa trong nhà máy. Gồm tính toán cơ khí, thiết kế hệ thống điện và lập trình điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Hải Nam
• Người hướng dẫn: GS. Vũ Toàn Thắng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế phát triển Robot AMR ứng dụng vận chuyển hàng hóa trong nhà máy
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot AMR Trong Vận Chuyển Hàng Hóa

Robot AMR (Autonomous Mobile Robot) là những chiếc xe tự động hóa được thiết kế để vận chuyển hàng hóa, vật liệu và sản phẩm trong các môi trường sản xuất hiện đại. Đây là giải pháp công nghệ tiên tiến giúp các nhà máy tối ưu hóa quy trình logistics nội bộ và giảm tải công việc thủ công cho con người. Robot AMR sở hữu khả năng tự động di chuyển, định vị vị trí và lập kế hoạch đường đi thông minh, nhờ vào hệ thống cảm biến tiên tiến và thuật toán lập bản đồ hiện đại. Ứng dụng robot vận chuyển trong nhà máy mang lại nhiều lợi ích: tiết kiệm chi phí nhân công, tăng hiệu suất sản xuất, giảm thời gian vận chuyển, và cải thiện an toàn lao động. Với khả năng hoạt động 24/7 mà không mệt mỏi, robot tự hành trở thành đối tác lý tưởng cho các kỳ vọng sản xuất hiện đại.

1.1. Khái Niệm Và Đặc Điểm Robot AMR

Robot AMR là loại robot di động tự chủ có khả năng điều hướng độc lập trong môi trường công nghiệp mà không cần đường dẫn hoặc hạ tầng cố định. Đặc điểm nổi bật bao gồm: hệ thống cảm biến LIDAR để lập bản đồ không gian, thuật toán tránh vật cản thông minh, và giao diện điều khiển tập trung. Robot có khả năng tự động sạc pin khi lượng năng lượng thấp, đảm bảo hoạt động liên tục trong nhà máy.

1.2. Lợi Ích Ứng Dụng Trong Nhà Máy

Việc triển khai robot AMR vận chuyển hàng hóa giúp giảm chi phí nhân lực đáng kể và tăng năng suất lao động. Các hệ thống tự động hóa nhà máy sử dụng robot AMR có khả năng xử lý khối lượng vật liệu lớn với độ chính xác cao. Robot tích hợp với hệ thống quản lý kho hiện đại, cải thiện tốc độ vận chuyển logistics và giảm sai sót con người.

II. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí Robot AMR

Hệ thống cơ khí của robot AMR được thiết kế với độ chính xác cao để đảm bảo hoạt động ổn định và linh hoạt. Cấu trúc robot bao gồm khung sắt chắc chắn, hệ thống bánh xe dẫn động với động cơ DC công suất phù hợp, và hệ thống băng tải để vận chuyển hàng hóa. Thiết kế sử dụng phương pháp DDR (Differential Drive Robot) cho phép robot di chuyển linh hoạt, xoay 360 độ và tối ưu hóa không gian di chuyển. Tính toán thiết kế bao gồm lựa chọn động cơ phù hợp với tải trọng, thiết kế băng tải vận chuyển với khả năng chịu tải cao, và chọn thanh ray dẫn hướng chất lượng. Mỗi thành phần được kiểm nghiệm kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền và an toàn khi hoạt động trong môi trường nhà máy đòi hỏi cao.

2.1. Kiến Trúc Khung Và Bánh Xe

Khung robot AMR được chế tạo từ thép chất lượng cao với cấu trúc hình chữ nhật chắc chắn, có khả năng chịu tải từ 50-100kg. Hệ thống bánh xe tự hành sử dụng 2 bánh dẫn động và 2 bánh hỗ trợ, với động cơ DC brushless 24V công suất tối ưu. Thiết kế cơ khí đảm bảo độ cân bằng tốt, giảm rung lắc khi vận chuyển hàng hóa, và cho phép robot tự động định hướng trên các bề mặt khác nhau.

2.2. Hệ Thống Băng Tải Vận Chuyển

Băng tải robot AMR được thiết kế với chiều rộng phù hợp, có khả năng chịu tải động và tĩnh cao. Hệ thống vận chuyển hàng hóa sử dụng động cơ điều khiển riêng, cho phép điều chỉnh tốc độ và hướng vận chuyển. Tính toán thiết kế băng tải dựa trên khối lượng hàng hóa, tần suất vận chuyển, và điều kiện môi trường nhà máy để đảm bảo hiệu suất tối đa.

III. Hệ Thống Điều Khiển Điện Và Vi Điều Khiển

Hệ thống điện của robot AMR được thiết kế với các thành phần chất lượng cao, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn. Vi điều khiển chính của robot sử dụng board XPC nano NC02U hoặc Arduino Uno R3 kết hợp với ESP32 để xử lý dữ liệu từ cảm biến và điều khiển động cơ. Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A có khả năng cung cấp dòng điện mạnh, cho phép điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ một cách chính xác. Hệ thống tích hợp cảm biến hồng ngoại LM393 để phát hiện vật cản, module cảm biến dòng điện INA226 để giám sát tiêu thụ năng lượng, và màn hình HMI LCD để giao diện điều khiển trực quan. Bộ điều chế xung PWM (Pulse Width Modulation) được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm nhiệt tỏa từ các linh kiện điện.

3.1. Các Thành Phần Linh Kiện Chính

Hệ thống điện robot bao gồm pin LiPo 6S cung cấp 24V nguồn chính, các mạch hạ áp DC-DC chuyển đổi thành các mức điện áp khác nhau, và module relay 12VDC để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Cảm biến dòng điện INA226 giúp giám sát pin và dự báo thời gian hoạt động. Led dây WS2811 cung cấp hiển thị trạng thái robot, trong khi module khuếch đại âm thanh TPA3110 cho phép robot phát âm thanh cảnh báo hoặc thông báo.

3.2. Sơ Đồ Kết Nối Và Điều Khiển

Sơ đồ khối kết nối của robot AMR được thiết kế sao cho các thành phần giao tiếp qua giao thức I2C, SPI, hoặc UART. Vi điều khiển nhận dữ liệu từ cảm biến vị trí và cảm biến khoảng cách, sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến mạch điều khiển động cơ để thực hiện chuyển động. Nút khẩn cấp được kết nối trực tiếp để đảm bảo an toàn hoạt động trong trường hợp khẩn cấp.

IV. Lập Trình Và Thuật Toán Điều Khiển Tự Động

Lập trình điều khiển hệ thống robot AMR được thực hiện dựa trên nền tảng Robot Operating System (ROS 2), cung cấp các thư viện mở giúp phát triển nhanh chóng và hiệu quả. Thuật toán lập bản đồ sử dụng dữ liệu từ cảm biến LIDAR để tạo bản đồ 3D của môi trường nhà máy, cho phép robot định vị chính xác vị trí của mình. Thuật toán tránh vật cản được tích hợp để đảm bảo robot di chuyển an toàn và không va chạm với các vật thể hay con người. Robot được lập trình chu trình làm việc tự động, bao gồm: đón hàng hóa từ điểm A, vận chuyển đến điểm B, thả hàng, và trở về vị trí ban đầu. Hệ thống quản lý pin tự động hóa, cho phép robot tự động về trạm sạc khi năng lượng còn lại dưới ngưỡng an toàn. Giao diện người dùng cho phép quản lí nhà máy theo dõi trạng thái robot và gửi lệnh điều khiển từ xa thông qua ứng dụng web hoặc mobile.

4.1. Thuật Toán Lập Bản Đồ Và Định Vị

Thuật toán SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) cho phép robot AMR tạo bản đồ môi trường đồng thời xác định vị trí của chính nó. Cảm biến LIDAR quét môi trường 360 độ, dữ liệu được xử lý bằng thuật toán phát hiện cạnh để xác định tường, trụ, và vật cản khác. Hệ thống định vị GPS bên trong kết hợp với đốc hướng con quay hồi chuyển (IMU) cải thiện độ chính xác định vị trong nhà máy lên 5-10cm.

4.2. Chu Trình Làm Việc Tự Động Và Quản Lý Pin

Chu trình làm việc tự động của robot bao gồm các trạng thái: chế độ chờ, vận chuyển hàng, quay trở lại, và sạc pin. Lập trình điều khiển sử dụng máy trạng thái (State Machine) để quản lý các chuyển đổi trạng thái mượt mà. Quản lý pin thông minh giám sát mức sạc năng lượng liên tục và tự động định hướng robot đến trạm sạc tự động khi pin còn 20%, đảm bảo hoạt động 24/7 liên tục mà không gián đoạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT AMR 1.1 Tổng quan về robot tự hành 1.1 Tổng quan về robot Hình 1. 1 Robot Asimo Robot là một thiết bị tự động có thể thực hiện các công việc theo lệnh được lập trình trước. Robot thường được thiết kế để thay thế hoặc hỗ trợ con người trong việc thực hiện các nhiệm vụ khó khăn, nguy hiểm hoặc mất nhiều thời gian Hình 1. 1 mô tả Robot dạng người Asimo của Honda.

Ngày nay, với nhu cầu của con người ngày càng tăng nên nhiều loại robot được tạo ra để đáp ứng những nhu cầu đó: dọn dẹp (Hình 1. 2: Robot lau nhà 14 Hình 1. 3: Robot y tế Vibot 1.2 Autonomous Mobile Robot (AMR) AMR là viết tắt của "Autonomous Mobile Robot," có nghĩa là "Robot Tự Động Di Động. AMR có khả năng tự định vị, tức là có thể xác định vị trí của nó trong không gian mà không cần sự giúp đỡ từ cơ sở hạ tầng ngoại trừ các thông tin đánh dấu trên môi trường.

Điều này giúp chúng trở nên linh hoạt hơn và dễ triển khai trong các môi trường công nghiệp hay kho hàng có sự biến động cao và yêu cầu tính linh hoạt. 4: Robot AMR Robot AMR có thể di chuyển an toàn trong môi trường động, tránh các chướng ngại vật và thích ứng với các điều kiện biến đổi nhờ việc sử dụng nhiều loại cảm biến như camera, Lidar,…. Và chúng có thể kết nối với nhau và kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm giúp người quản lý có thể theo dõi điều khiển từ xa.2 Ứng dụng của robot tự hành 1.1 Robot tự hành trong nhà kho Hình 1. 5: Robot tự hành trong nhà kho Robot tự vận hành trong kho bãi để nâng và vận chuyển hàng hóa nặng trong nhà kho giúp giảm thời gian công nhân đi lại trong nhà kho, cho phép họ thực hiện nhiều nhiệm vụ có giá trị gia tăng hơn.2 Robot tự hành ứng dụng trong các dịch vụ Robot tự hành được sử dụng trong các nhà hàng, quán ăn, quán cà phê, khách sạn… với các nhiệm vụ khác nhau như giao đồ ăn, dọn dẹp,.

6: Robot tự hành ứng dụng trong nhà hàng 16 1.3 Ứng dụng trong công nghệ sinh học Robot tự hành có thể gắn thêm cánh tay robot có thể được sử dụng thực hiện các nhiệm vụ xử lý và vận chuyển chất thải y tế và sinh học, giúp đảm bảo an toàn cho nhân viên và giảm nguy cơ lây nhiễm. Robot tự hành có thể giúp thu thập và phân tích dữ liệu, vận chuyển thiết bị và mẫu vật giữa các khu vực nghiên cứu khác nhau, và hỗ trợ trong các quy trình thử nghiệm lâm sàng. 7: Robot tự hành ứng dụng trong công nghệ sinh học 1.4 Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học Robot tự hành được ứng dụng rất lớn trong nghiên cứu khoa học như:Thám hiểm không gian, khảo sát địa chất, địa vật lý ,… Hình 1. 8: Mẫu robot thám hiểu bề mặt sao Hỏa tự hành Perseverance của NASA 1.3 Các hãng đang sản xuất hiện nay 1.1 Trên thế giới Yaskawa Electric Corporation là một công ty công nghệ Nhật Bản chuyên về các giải pháp tự động hóa công nghiệp.

Yaskawa chuyên sản xuất Robot tự hành bên cạnh thế mạnh cánh tay Robot. Với hai sản phẩm chính là Robot kéo hàng và Robot chui gầm. Có tải trọng trung bình 500kg tốc độ 10m/phút. Các loại Robot của công ty phù hợp với các doanh nghiệp sản xuất cỡ vừa.

9: Robot của công ty Yaskawa Công ty Kuka có hơn 40 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực tự động hóa.Trong việc sản xuất Robot AGV công ty đẩy mạnh sự đa dạng về sản phẩm. Với Robot kéo, robot nâng,… được trọng tâm phát triển vào thiết kế ngoại hình bắt mắt. Kuka cũng đang chiếm được chỗ đứng đối với thị trường doanh nghiệp lớn. 10: Robot của công ty KUKA Tiền thân của việc chế tạo Robot của tập đoàn Omron là doanh nghiệp USA Adept Technology Inc.

Với trên 40 năm kinh nghiệm. AGV của Omrin có nhiều lựa chọn sản phẩm tải trọng từ >500 kg khá lớn. Có thể lựa chọn Pin cho Model thời gian sạc 6h/8h/10h. Đồng hồ và màn HMI có nút bấm khá tiện lợi.

11: Robot của công ty OMRON 18 1.2 Tại Việt Nam Công ty cổ phần tập đoàn công nghệ IDEA (IDEA GROUP). IDEA Group có 7 công ty, gồm 1 công ty mẹ; Công ty Cổ Phần Tập Đoàn Công nghệ IDEA và 6 công ty con. Sở hữu 01 Trung tâm R&D, 2 doanh nghiệp Khoa học công nghệ có thế mạnh về Robot, AGV, chuyên nghiên cứu tự động hóa 4. Ngoài ra còn tự thành lập 3 liên doanh, trong đó có 1 liên doanh với Công ty Nhật Bản.

12: Xe tự hành phun thuốc khử khuẩn của IDEA tại Bệnh Viện Nhi Đồng 1 Intech Group được thành lập năm 2011, tiền thân là một công ty cơ khí đơn thuần với thương hiệu Intech Việt Nam. Hơn một thập kỷ phát triển, Intech Việt Nam đã chuyển mình thành Tập đoàn Kỹ thuật và Công nghệ (Intech Group) mạnh về giải pháp, tốt về chất lượng và dịch vụ chuyên nghiệp; khẳng định bản lĩnh và vị thế của mình trên thị trường. 13: Robot của công ty Intech 1.4 Đề xuất thiết kế mô hình Hình 1.16 là mẫu robot được sử dụng để tham khảo và phát triển đề tài. Thông qua việc khảo sát, mô hình thiết kế của robot được đề xuất sao cho phù hợp với mục đích và yêu cầu hoạt động của robot: - Robot hình hộp chữ nhật, thấp.

- Trên thân gắn cảm biến, camera, sạc pin, màn hình điều khiển, các nút điều khiển. - Trên lưng Robot có gắn băng tải để lấy trả hàng hóa. 14: ROBOT tự hành AGV ITA-02RC 1.5 Mục tiêu đề tài - Tăng năng suất công việc: Sử dụng robot AMR để vận chuyển, xếp dỡ và hỗ trợ sản xuất, giảm thời gian chờ đợi và tăng hiệu suất sản xuất. - Tối ưu quản lý kho và logistics: Robot AMR di chuyển linh hoạt trong không gian kho, tối ưu hóa không gian lưu trữ, giảm sai sót và tăng khả năng tổ chức và truy xuất thông tin.

- Điều phối trong công nghiệp: Robot AMR tương tác và phối hợp với các thiết bị khác để thực hiện nhiệm vụ sản xuất. - An toàn làm việc: Robot AMR an toàn với cảm biến và hệ thống tránh va chạm. - Tối ưu nhân lực: Robot AMR tự động hóa vận chuyển và xếp dỡ, giảm tải công việc cho nhân viên. - Tiết kiệm chi phí và tăng cạnh tranh: Sử dụng robot AMR tự động hóa vận chuyển và hỗ trợ sản xuất để giảm chi phí lao động và tăng cạnh tranh.6 Kết luận Trong chương một này, nhóm em đã trình bày được những vấn đề sau: - Tìm hiểu thế nào là Robot AMR và ứng dụng chính của chúng trong thực tế.

- Tình hình sản xuất Robot AMR trên thế giới và Việt Nam. - Tham khảo một số mô hình thiết kế Robot AMR các hãng sản xuất. - Đề xuất mô hình thiết kế cho đề tài. - Đưa ra mục tiêu của đề tài.

20 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Yêu cầu thiết kế 2.1 Đặt vấn đề Trên thế giới hiện nay các doanh nghiệp, tập đoàn đi đầu về công nghệ đã ứng dụng robot AMR trong các nhà máy, kho hàng, dây truyền sản xuất …. trở lên rất phổ biến. Tùy vào mục đích sử dụng, đặc điểm không gian làm việc mà robot cũng có nhiều kích thước và hình dạng. Đối với robot AMR sử dụng vận chuyển hàng trong nhà máy vấn đề đặt ra là: tải trọng hàng hóa mà robot phải mang, tự định hướng bằng các cảm biến, camera, , đảm bảo tránh va chạm các vật cản, phải tương tác với người điều khiển và không gian xung quanh, tìm đường đi ngắn.

Và hơn nữa phải đáp ứng được khối lượng công việc của nhiều người cộng lại.2 Yêu cầu thiết kế cơ khí Robot phải đáp ứng được: - Robot có kích thước nhỏ gọn phù hợp hoạt động trong không gian nhỏ hẹp của kho hàng. - Robot phải chở được đủ tải trọng yêu cầu. - Robot đảm bảo được tốc độ phục vụ cho công việc và khi di chuyển hàng hóa sẽ không bị văng ra ngoài. - Vận tốc tối đa của robot: ~ 0.2 Đưa ra thiết sơ bộ 2.1 Giới thiệu robot DDR: Hình 2.

1: Hình minh họa loại robot DDR Robot DDR (Differential Drive Robot – DDR) là một loại robot di chuyển nhờ 2 động cơ riêng biệt được đặt ở hai bên thân của robot. Điều này cho phép nó thay đổi hướng bằng cách điều chỉnh tốc độ quay tương đối của các bánh xe mà không cần thêm chuyển động lái thêm. Robot thường có bánh bị động hay còn gọi là bánh đa hướng dùng để dẫn hướng và giữ thăng bằng cho robot.1 bánh màu đen là 2 bánh chủ động, được gắn với động cơ để điều khiển robot. Bánh màu vàng là bánh đa hướng.2 Cấu trúc robot của nhóm Hình 2.

2: Mô hình thiết kế xe Từ những đặc điểm về cách thiết kế khung xe và bánh xe như trên thì ta có sơ đồ robot như sau: Hình 2. 3: Mô hình động học của robot DDR Robot DDR với 2 bánh chủ động được bố trí ở 2 bên : - 𝑥𝑅, 𝑦𝑅, 𝜃𝑅 : là tọa độ và góc của robot theo hệ tọa độ cố định - 𝑥𝑅 ′, 𝑦𝑅 ′, 𝜃𝑅′ : là tốc độ tịnh tiến theo phương x, y và tốc độ góc của robot - 𝑙[𝑚]: khoảng cách giữa trục của 2 bánh xe - 𝑣𝐿, 𝑣𝑅[𝑚/𝑠][rad/s]: vận tốc của các bánh xe, có thể là m/s hoặc rad/s - 𝜑[𝑟𝑎𝑑]: Góc của robot khi chuyển động theo cung tròn với tâm quay ICC - 𝑑[𝑚] : Độ dài cung tròn - 𝑅[𝑚] : Bán kính cung tròn 22 Các phương trình động học: - Vị trí của robot được xác định bởi tọa độ 𝐴(𝑥, 𝑦, 𝜃) - Vận tốc tịnh tiến và tốc độ góc của robot: 𝑑𝑥 (𝑡) PT 1 𝑣𝑥 (𝑡) = 𝑑𝑡 𝑑𝑦 (𝑡) PT 2 𝑣𝑦 (𝑡) = 𝑑𝑡 𝑑𝜃(𝑡) 𝑉 PT 3 𝑤(𝑡) = = 𝑑𝑡 𝑅 Công thức biến đổi vận tốc từ hệ tọa độ cố định sang hệ tọa độ động gắn trên robot. Để đơn giản ta gọi vận tốc góc của robot khi quay xung quanh tâm quay ICC với bánh kính R là 𝜔. Khi đó ta có: 𝑙 𝑙 𝑣𝑙 + 𝑣𝑟 PT 4 𝑤 (𝑅 + ) = 𝑣𝑅 𝑅= { 2 => { 2 𝑣𝑟 − 𝑣𝑙 𝑙 𝑣𝑟 − 𝑣𝑙 𝑤 (𝑅 − ) = 𝑣𝑙 𝑤= 2 𝑙 + Nếu 𝑣𝑙 = 𝑣𝑟 , robot sẽ đi thẳng.

Bán kính quay R bằng vô cùng, tốc độ góc của robot bằng 0 + Nếu 𝑣𝑙 = −𝑣𝑅 , robot quay tròn tại tâm robot.