Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế Mobile Robot phục vụ bàn - SVTH: Lưu Minh Tiến

Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế mobile robot phục vụ bàn. Trình bày chi tiết về phần cơ khí, tính toán động cơ, linh kiện và hệ thống điều khiển.

• Tác giả: Lưu Minh Tiến
• Người hướng dẫn: Nguyễn Hoài Nhân
• Trường học: Đại học Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ - Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Mobile Robot Phục Vụ Bàn: Thiết Kế Cơ Khí, Tính Toán Động Cơ, Linh Kiện và Hệ Thống Điều Khiển
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Robot Phục Vụ

Đồ án Robot Phục Vụ là một dự án nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực robotics hiện đại. Theo thống kê của Liên đoàn Quốc tế về Robot (International Federation of Robotics), thị trường robot dịch vụ đang phát triển mạnh mẽ với khoảng 77,000 robot được tiêu thụ hàng năm, có giá trị thị trường khoảng 13 tỷ USD. Đồ án này tập trung vào thiết kế và lắp ráp một mobile robot có khả năng phục vụ tự động trong các môi trường khác nhau. Robot di động này được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong việc tự động hóa các công việc phục vụ, từ vận chuyển hàng hóa đến hỗ trợ trong các công việc lặp lại, nguy hiểm hoặc bẩn. Dự án được thực hiện bởi nhóm sinh viên từ Viện Kỹ Thuật HUTECH dưới sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Hoài Nhân.

1.1. Nhu Cầu và Tính Cấp Thiết

Cuộc sống con người hiện đại ngày càng bận rộn, khiến nhu cầu về robot phục vụ trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Con người mong muốn được giải phóng khỏi những công việc khó khăn, nguy hiểm, lặp đi lặp lại và dơ bẩn. Robot di động phục vụ chính là giải pháp tối ưu để nâng cao chất lượng cuộc sống, tiết kiệm thời gian và tăng hiệu suất công việc. Các ứng dụng thực tế bao gồm vận chuyển hàng hóa trong nhà hàng, bệnh viện, và các cơ sở công nghiệp.

1.2. Mục Tiêu của Đồ Án

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế, lắp ráp và kiểm thử một mobile robot phục vụ hoàn chỉnh. Robot phải có khả năng tự động dò đường, di chuyển an toàn, và có thể được điều khiển từ xa thông qua kết nối Wifi. Đồ án cần đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác, tính ổn định và thời gian phản ứng nhanh để có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường thực tế.

II. Thiết Kế Cơ Khí và Lựa Chọn Động Cơ

Thiết kế cơ khí là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong dự án. Robot phục vụ cần được thiết kế với cấu trúc vững chắc, nhẹ nhàng và dễ lắp ráp. Phần cơ khí bao gồm khung xe, hệ thống bánh xe, cơ cấu nâng hạ, và các linh kiện cơ khí khác. Việc lựa chọn động cơ phải dựa trên các giả thiết kỹ thuật cụ thể như khối lượng robot, quãng đường cần di chuyển, và lực cần thiết. Sơ đồ nguyên lý truyền động được thiết kế để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Tính toán công suất và lựa chọn nguồn năng lượng (pin hoặc acquy) là các bước tiếp theo để đảm bảo robot hoạt động liên tục trong thời gian dài.

2.1. Cấu Tạo Phần Cơ Khí Robot

Cấu tạo cơ khí robot bao gồm khung chính được chế tạo từ các vật liệu nhẹ nhàng nhưng bền vững. Robot sử dụng hệ thống bánh xe để di chuyển trên mặt phẳng. Cơ cấu truyền động được thiết kế với độ chính xác cao để đảm bảo sự ổn định khi di chuyển. Các chi tiết cơ khí phải được lựa chọn sao cho dễ lắp ráp, sửa chữa và nâng cấp.

2.2. Tính Toán và Lựa Chọn Động Cơ

Việc tính toán công suất động cơ dựa trên các giả thiết: khối lượng toàn bộ robot, lực cản từ mặt đất, và tốc độ mong muốn. Sơ đồ nguyên lý truyền động được vẽ để xác định cách động cơ kết nối với bánh xe. Công suất được tính bằng công thức: P = F × v, trong đó F là lực kéo và v là vận tốc. Nguồn năng lượng phải đủ để cung cấp công suất này liên tục.

III. Các Linh Kiện Điện Tử và Vi Điều Khiển

Hệ thống điều khiển của robot sử dụng Arduino MEGA làm vi điều khiển trung tâm với chip ATmega 2560. Đây là bộ vi xử lý mạnh mẽ có khả năng xử lý nhiều tín hiệu cảm biến đồng thời. Robot trang bị cảm biến dò line 5 LED để phát hiện và theo dõi đường vạch trên mặt đất. Khối cầu H (H-bridge) được sử dụng để điều khiển chiều quay của động cơ. Modul Wifi ESP8266 NodeMCU cho phép robot được điều khiển từ xa qua kết nối không dây. Tất cả các linh kiện này được lựa chọn dựa trên thông số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu của dự án. Hệ thống sạc pin được tích hợp để đảm bảo hoạt động lâu dài.

3.1. Vi Điều Khiển Arduino MEGA và Thông Số Kỹ Thuật

Arduino MEGA là bộ vi điều khiển phổ biến trong các dự án robotics. Nó có 54 chân I/O kỹ thuật số và 16 chân analog, cho phép kết nối nhiều cảm biến. Tốc độ xung nhịp 16 MHz cho phép xử lý dữ liệu nhanh chóng. ATmega 2560 có bộ nhớ SRAM 8 KB, đủ để lưu trữ các chương trình điều khiển phức tạp. Điện áp hoạt động từ 5V, tương thích với các linh kiện khác.

3.2. Cảm Biến và Modul Truyền Thông

Cảm biến dò line 5 LED giúp robot phát hiện đường đen trên nền trắng với độ chính xác cao. H-bridge điều khiển điện áp và chiều dòng điện cho động cơ DC. Modul Wifi ESP8266 có tần số 2.4 GHz, hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11 b/g/n, cho phép truyền tải dữ liệu ổn định đến thiết bị điều khiển từ xa.

IV. Hệ Thống Điều Khiển và Chương Trình Phần Mềm

Hệ thống điều khiển robot được thiết kế dựa trên sơ đồ khối rõ ràng, gồm các phần: cảm biến → vi điều khiển → động cơ. Sơ đồ mạch điện được vẽ chi tiết để đảm bảo tất cả các linh kiện được kết nối đúng cách. Shield được thiết kế và thi công để kết nối các linh kiện với Arduino một cách gọn gàng và an toàn. Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C, cho phép robot thực hiện các chức năng như dò đường tự động, tránh vật cản, và nhận lệnh từ điều khiển từ xa. Robot phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể về tốc độ, độ chính xác, và thời gian phản ứng.

4.1. Sơ Đồ Mạch Điện và Thiết Kế Shield

Sơ đồ mạch điện bao gồm các kết nối từ Arduino đến cảm biến, động cơ, và modul Wifi. Shield được thiết kế để dễ lắp, gỡ và có thể tái sử dụng cho các dự án khác. Các thành phần được bố trí hợp lý để tránh nhiễu điện từ. Điện áp cấp bổ sung 12V được điều chỉnh xuống 5V cho Arduino và các linh kiện cảm biến.

4.2. Nguyên Tắc Hoạt Động và Chương Trình Điều Khiển

Nguyên tắc hoạt động: cảm biến phát hiện đường, gửi tín hiệu cho Arduino, Arduino xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ. Chương trình điều khiển sử dụng các thuật toán như PID để dò đường chính xác. Robot có thể hoạt động ở chế độ tự động (dò đường) hoặc chế độ điều khiển từ xa. Mức độ hoàn thành đồ án được đánh giá dựa trên khả năng thực hiện đầy đủ các chức năng yêu cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bên cạnh lĩnh vực Robot công nghiệp đã phát triển lâu đời, Robot di động trong suốt 30 năm qua đã thu hút càng nhiều nghiên cứu. Chưa bao giờ Robot di động được nhắc đến nhiều như hiện nay, và đang trở thành một ngành công nghiệp lớn. Dựa theo thống kê mới nhất của Liên đoàn quốc tế về Robot (International federation of Robotics), khoảng 77 ngàn Robot dịch vụ (Service Robot) đã được tiêu thụ trong năm vừa qua với giá trị thị trường vào khoảng 13 tỉ USD.

Tổ chức này cũng dự báo, thị trường Robot dịch vụ thế giới sẽ đạt mức 17 tỉ USD tiêu thụ hằng năm vào cuối năm 2014. Robot công nghiệp dành cho thực hiện các công việc trong môi trường công xưởng và đã được phát triển khá mạnh trong thế kỷ XX. Nhưng trong thế kỷ này những nghiên cứu về lĩnh vực robot đang chuyển hướng vào việc nghiên cứu robot dịch vụ khi cuộc sống con người ngày càng bận rộn hơn, con người càng quan tâm đến sức khỏe, chất lượng cuộc sống và không muốn làm các công việc như khó khăn, nguy hiểm, lặp đi lặp lại những công việc đơn giản, dơ bẩn. Vì lý do này cần phải nghiên cứu robot dịch vụ thay thế con người.

Phạm vi nghiên cứu về Robot dịch vụ rất đa dạng về chủng loại, chức năng của robot ngày càng tinh vi hơn. Robot tiếp tân thay thế con người trong các công việc hướng dẫn khách trong không gian văn phòng, robot bảo vệ thay thế bảo vệ trong việc phát hiện kẻ lạ đột nhập, hướng dẫn di chuyển trong một số điều kiện nguy hiểm, biết chơi nhạc trong dàn nhạc nhà hát, hỗ trợ chức năng thể chất cho người ốm hoặc người già, giáo dục trẻ em về những kiến thức trong GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 6 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN cuộc sống, robot làm các công việc lau chùi bề mặt (cửa sổ các toà nhà cao tầng), chơi bóng chày, làm các thủ thuật phụ mổ (y tế) và robot có thể làm thay con người các công việc liên quan đến bảo vệ an ninh, quốc phòng. Đây rõ ràng là một hướng khoa học và một ngành công nghiệp nhiều tiềm năng và cũng đầy thách thức. Nghiên cứu và phát triển robot di động đòi hỏi một lượng kiến thức tổng hợp và chuyên sâu; từ các ngành khoa học tự nhiên, kỹ thuật công nghệ đến cả các ngành sinh học, xã hội học và thẩm mỹ.

Rất nhiều công trình phỏng sinh học tập trung nghiên cứu để học tập từ cuộc sống tự nhiên; cách cảm nhận và ứng xử với thế giới quanh ta và cả trong vũ trụ. Trên bình diện thế giới, các cường quốc Robot công nghiệp như Mỹ, Nhật, Đức vẫn tiên phong trong nghiên cứu và phát triển công nghệ di động. Tuy nhiên, những thành tựu gần đây của Israel, Canada, Hàn Quốc, Trung Quốc đã chứng tỏ rằng đấy không còn là độc tôn của các nước công nghiệp phát triển truyền thống, mà còn là cơ hội cho tất cả các nước, kể cả Việt Nam. Trên phương diện trong nước, đến giữa những năm 80 mới bắt đầu nghiên cứu và chế tạo một số Robot công nghiệp.

Điển hình như các trường đại học bách khoa Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh, trung tâm khoa học kỹ thuật quân sự thuộc Bộ quốc phòng đã chế tạo Robot dịch vụ hỗ trợ cho các hoạt động của con người… Trong thế kỷ XXI, cuộc sống con người trở nên bận rộn để làm những công việc hỗ trợ cuộc sống con người ngày càng tiện nghi và dễ dàng hơn. Robot dịch vụ có thể cung cấp sự tiện nghi cho người sử dụng bằng việc thực hiện các công việc nhàm chán, lặp đi lặp lại, nguy hiểm. GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 7 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN Tuy nhiên, việc đầu tư và kết quả nghiên cứu về Robot di động đặc biệt các robot phục vụ chuyên nghiệp các nhiệm vụ như: tiếp tân, quét dọn, phục vụ nhà cửa, nội trợ còn khá khiêm tốn. Đấy là do chúng ta mới bắt đầu nghiên cứu robot dich vụ với sản phẩm chủ lực là Robot tiếp tân cũng như lực lượng nghiên cứu về lĩnh vực này hiện tại còn rất mỏng.

Vì vậy, bên cạnh những nghiên cứu ban đầu này, vẫn chưa có một nghiên cứu mang tính hệ thống hay là một sản phẩm Robot di động hoàn thiện đáp ứng được yêu cầu trong khi nhu cầu thực tế đặt ra đối với Robot dịch vụ và an ninh là cấp bách. Tình hình nghiên cứu a. Các nghiên cứu ngoài nước Tại Nhật bản - PEPPER. Gần đây nhất tại Nhật bản, Aldebaran Robotics và SoftBank Mobile thiết kế và chế tạo thành công robot Pepper với khả năng đọc được cảm xúc.

Nó được giới thiệu tại một hội nghị về ngày 05 tháng 6 năm 2014, và đã được trưng bày cho công chúng tại hệ thống các cửa hàng điện thoại di động Softbank tại Nhật Bản từ ngày 06 tháng 6. Pepper là một robot dịch vụ có thể trò chuyện với con người , nhận ra và phản ứng với cảm xúc của họ , di chuyển và sống độc lập. GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 8 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN Robot Pepper Pepper là robot hình người đầu tiên được thiết kế để sống với con người, nó có thể trò chuyện với con người, cảm nhận và phản ứng với cảm xúc của người. Pepper có thể kiểm tra nhiệt độ bên trong của mình và quản lý năng lượng pin của mình.

Pepper được lập trình để có thể nhận ra bạn đang ở trong trạng thái gì bằng cách sử dụng kiến thức của nó về những cảm xúc (niềm vui, bất ngờ, tức giận, nghi ngờ và nỗi buồn) và khả năng phân tích biểu hiện trên khuôn mặt, ngôn ngữ cơ thể của bạn và những từ bạn sử dụng. Thông qua nhiều bộ cảm biến của mình, Pepper là có thể phát hiện những cảm xúc của bạn và chọn cách lý tưởng để giao tiếp với bạn cho phù hợp. Pepper còn có thể kết nối vào Internet để tìm kiếm thông tin để mở rộng kiến thức của mình. Nó có đầy đủ các công nghệ tiên tiến bao gồm máy ảnh 3D để cảm nhận môi trường xung quanh mình và hệ thống siêu âm của mình được sử dụng để GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 9 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN tránh chướng ngại vật và di chuyển một cách an toàn trong một không gian nhất định.

* Đánh giá: o Ưu điểm:  Pepper có thể phán đoán tình huống thông qua các cảm biến và thuật toán.  Ước tính cảm xúc dựa trên nét mặt và giọng nói.  Pin hoạt động liên tục 12 giờ.  Có thể có được thông tin thông qua cơ sở dữ liệu điện toán đám mây.

 Tránh va chạm và có autobalance. o Khuyết điểm:  Phạm vi sử dụng bị hạn chế.  Di chuyển bằng bánh xe nên khó khăn ở vài kiểu địa hình.  Chỉ nhận biết được lượng pin còn lại chứ không hỗ trợ chế độ sạc tự động.

 Tập trung quá nhiều về mặt cảm xúc, không hỗ trợ nhiều và vai trò tiếp tân. GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 10 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN b. Nghiên cứu trong nước Robot Topio Dio Cao 1,25m, nặng 45kg, robot Topio Dio do Việt Nam sản xuất mở ra cuộc cách mạng giá cả, với giá chỉ bằng 25% những robot có tính năng tương đương trên thị trường thế giới. Topio Dio là robot dịch vụ đầu tiên do Công ty Cổ phẩn robot Tosy Việt Nam nghiên cứu và chế tạo thành công.

Topio Dio có 3 bánh xe di chuyển, 28 bậc tự do tương đương với các khớp, có thể được vận hành từ bất cứ nơi nào và dịch chuyển tới bất cứ đâu nhờ một thiết bị điều khiển không dây hoạt động qua mạng Internet, camera tích hợp và máy dò chướng ngại vật. Với hình dáng con người, Topio Dio rất có khả năng trong việc giao tiếp, chào đón khách hàng thông qua những hành động thân thiện như tặng một em bé chiếc đĩa bay đồ chơi. Topio Dio được sử dụng như người phục vụ bàn kiêm bartender thân thiện cho ngành nhà hàng, khách sạn. GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 11 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN 3.

Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu nhằm mục đích hướng đến mô hình tự động hóa trong một lĩnh vực cụ thể để giảm thiểu công nhân. Đề tài phù hợp với vốn kiến thức hiện có. Phù hợp với khả năng kinh tế hạn chế. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu các công nghệ đã có trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo:  Tính toán, thiết kế và chế tạo khung Robot.

 Lập trình điều khiển Robot. Phương pháp nghiên cứu Tham khảo các kết quả nghiên cứu đã có trước đó để kế thừa. Khảo sát chế độ điều khiển và cơ cấu của các xe điều khiển từ xa là kỹ thuật đã được dùng rộng rãi, và trong các trò chơi giải trí. Tìm hiểu khả năng, điều kiện công nghệ chế tạo, đề ra phương án thiết kế phù hợp.

Các kết quả đạt được của đề tài Tính toán, thiết kế và chế tạo được khung Robot Lập trình điều khiển động cơ DC Servo, sensor và tự hành ở mức cơ bản. GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 12 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN 7. Kết cấu của DATN ĐATN gồm có 4 chương:  Chương 1: THIẾT KẾ CƠ KHÍ  Chương 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ  Chương 3: CÁC LINH KIỆN  Chương 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 13 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 1.1 Cấu tạo phần cơ khí Robot sẽ có chiều dài đế là 400mm , rộng 350mm và cao khoảng 500mm, được làm từ vật liệu mica. So sánh với các mô hình hiện có cùng chất liệu và sử dụng mô phỏng trong Solid Works, ta ước tính đước khối lượng của robot sẽ nhỏ hơn 30kg.1: Các lực tác dụng Ff : Lực ma sát Fw: Lực động cơ v: vận tốc của robot a: gia tốc của robot GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 14 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN  Khung robot Hình 1.2: Cấu trúc cơ khí  Chú thích: 1.

Phần đế và khung sườn. Phần dẫn động chuyển động chính của hệ thống, bao gồm động cơ, bánh xe chính và bộ truyền động. Phần tầng chức năng của hệ thống. GVHD: NGUYỄN HOÀI NHÂN 15 MOBILE ROBOT PHỤC VỤ BÀN 1.2 Thiết kế khung sườn Hình 1.3: Đế tầng 1 Phần khung sườn và đế robot được chế tạo bằng mica nhằm tiết kiếm chi phí và giảm thiểu trọng lượng cho robot mà vẫn đảm bảo độ cứng vững cho toàn bộ kết cấu.

Động cơ sẽ được đặt trên tầng cuối cùng robot nhằm hạ thấp trọng tâm cho robot, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lập trình và di chuyển robot.