CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN 1.1 Tổng quan về Mobile Robot Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng. Việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản suất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm. Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng, đặc biệt là ở các nước phát triển, nhằm đáp các nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng… Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới Mobile Robot với những đặt thù riêng mà những loại robot khác không có. Mobile robot có khả năng tự di chuyển, có nghĩa là chúng có khả năng tự điều hướng trong một môi trường không biết trước mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện.
Ngoài ra, mobile robot có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển trên tuyến đường dẫn được xác định trước trong không gian được cho trước (robot tự điều khiển), khác với các loại robot công nghiệp thường đặt gần như cố định và hoạt động bằng các cánh tay robot.1 Phân loại Mobile robot Mobile robot có thể được phân loại theo các cách sau: *Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển: - Robot ngoài trời và robot trong nhà. Thông thường chùng đước lắp bánh xe nhưng cũng có khi được trang bị bánh xích hoặc chân giống người hoặc động vật. - Robot trên không: như các loại máy bay không người lái, drones, … - Robot dưới nước. Robot chuyển động bằng bánh xe [1]; b.
Robot chuyển động bằng bánh xích [2] Hình 1.1: Robot chuyển động bằng bánh xe (a) và bánh xích (b) 1 a. Robot 6 chân giống nhện [3] b. “Chó Robot” di chuyển bằng 4 chân [4] Hình 1.2: Robot truyền động bằng chân *Phân loại theo phương pháp di chuyển: - Robot di chuyển bằng bánh xe (hình 1. - Robot di chuyển bằng bánh xích (hình 1.
- Robot có chân, chân giống người hay giống động vật (hình 1. Cách định hướng di chuyển của Mobile Robot: a. Laser guidance: Hình 1.2: Hệ thống Laser guidance [5] Tia laser được phát ra từ Mobile robot sẽ được truyền đến các mốc được đặt trong khu vực hoạt động như (hình 1. Khoảng cách và góc từ Mobile robot đến các mốc sẽ được truyền đến bộ xử lý để tính toán vị trí Mobile robot, từ đó truyền tín hiệu để Mobile robot đi đúng hướng đến vị trí mong muốn.
Đặc điểm: - Bản đồ hoạt động của Mobile robot được lưu trữ trước trong bô nhớ. 2 - Đường đi của Mobile robot có thể dễ dáng được thay đổi và mở rộng. - Đây là phương pháp dẫn hướng chính xác nhất. Magnetic spot guidance (hay còn gọi là điểm từ): Hình 1.3: Magnetic spot guidance [6] Các điểm từ được đặt trước trên nền nhà như (hình 1.
Bộ cảm biến từ được lắp trên robot sẽ cảm biến trên robot sẽ nhận diện các điểm từ này. Ứng với mỗi điểm từ sẽ có một lệnh được cài đặt sẵn từ trước cho robot (đi thẳng, rẽ trái/ phải 90 o, …). Robot sẽ thực hiện lệnh đó cho đến khi gặp phải một điểm từ khác. Khoảng di chuyển giữa 2 điểm từ gọi là khoảng không tính toán (dead-reckoning) (hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động Magnetic spot guidance [7] Đặc điểm: - Đường đi được quy định bằng các điểm từ.
- Đường dẫn gián đoạn. - Hệ thống đường dẫn có thể thay đổi. 3 - Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ. - Hệ thống có thể mở rộng mà không ảnh hưởng đến cơ sở vật chất.
Magnetic Tape guidance (hay còn gọi là băng từ): Hình 1.5: Nguyên tắc hoạt động magnetic guidace [8] Giống như điểm từ, băng từ được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot. Robot được trang bị cảm biến để nhận diện băng từ, đi theo băng từ để đi đến điểm mong muốn như (hình 1. Đặc điểm: - Đường dẫn được quy định bới băng từ. - Hệ thông đường dẫn liên tục.
- Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dễ dàng. - Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến từ. Wire guidance: Hình 1.6: Wire guidance [9] Line dẫn đường được dán trước trên sàn để tạo vùng hoạt động cho robot. Vật liệu của line dẫn không quan trọng.
Line dẫn thường được chọn màu đối xứng với mặt sàn hoạt động. Robot được trang bị camera hoặc led để nhận diện line này, từ đó truyền tín 4 hiệu đến bộ xử lý, xác định vị trí và điều khiển xe. Hệ thống xe dò line được thể hiện như (hình 1. Chi tiết về xe dò line sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo.
Đặc điểm: - Đường dẫn được quy định bởi line dẫn. - Hệ thông đường dẫn liên tục. - Hệ thống đường dẫn thay đổi hoặc điều chỉnh dễ dàng, hệ thống dễ dàng mở rộng. - Sai lệch khi di chuyển phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến.2 Ứng dụng của Mobile robot Hình 1.7: Robot Opportunity của NASA [10] Mobile robot được sử dụng phổ biến để thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ….
Những nơi con người không thể đặt chân được như bề mặt hành tính khác, bề mặt long biển sâu, … người ta phải dùng robot tự hành với cầu trúc đặt biệt. Robot Opportunity (hình 1.7) được NASA gửi lên Sao Hỏa vào năm 2003 trong nhiệm vụ thám hiểm sao Hỏa 90 ngày. Robot có thể hoàn toàn điều khiển từ xa được từ bề mặt Trái Đất, nhưng cũng có thể tự động thực hiện công việc một cách độc lập. Trong 15 năm làm việc, Opportunity đã không ngừng di chuyển, đưa ra các quan sát khoa học và báo cáo lại cho Trái Đất với thời gian dài hơn 55 lần tuổi thọ thiết kế của nó.
Cho đến năm 2018, Opportunity đã đi được quãng đường 45,16 km trong suốt quãng đời của mình trước khi ngưng hoạt động hoàn toàn. Robot nói chung và mobile robot nói riêng có thể được thiết kế và vận hành thay thế hoàn toàn con người trong các môi trường độc hại. Hình cho thấy 5 Robot Scorpion do công ty Toshiba thiết kế (2015) (hình 1.8) trong nhiệm vụ dọn dẹp nhà máy hạt nhân sau sự cố hạt nhân Fukushima, Nhật Bản hồi năm 2011.8: Robot Scorpion của TOSHIBA [11] Trong công nghiệp, mobile robot thường được sử dụng chủ yếu để di chuyển các thiết bị, mang vác các nguyên vật liệu nặng và các phụ kiện cần thiết. Mobile robot được ứng dụng rộng rãi đặt biệt trong các kho hàng, để vận chuyển và phân phối hàng hóa (hình 1.
Robot thường được dẫn hướng bằng các đường line, bang từ đặt dưới sàn và được lập trình để thực hiện một số công việc nhất định.9: Robot vận chuyển hàng hóa [12] 6 Hình 1.10: Robot lau nhà Xiaomi Roborock Gen 3 [13] Ngoài ra, mobile không chỉ được sử dụng trong công nghiệp mà cả trong lĩnh vực quân sự và cuộc sống hàng ngày. Robot hút bụi Xiaomi Roborock Gen 3 (ra mắt năm 2019) (hình 1.10) có khả năng tìm đường đi về dock sạc với thời gian ngắn nhất, bất chấp mọi loại bản đồ phức tạp. Robot được trang bị thuật toán thiết lập bản đồ nhà và khoảng đường thông minh nhất. Người dùng cũng có thể thiết lập và phân vùng bản đồ bằng điện thoại thông minh.
Trong quân sự, robot được trang bị súng, radar và di chuyển linh hoạt trân các địa hình (hình 1.11: Robot 510 PackBot được sản xuất bởi iRobot trang bị cho quân đội Mỹ[14] 7 Hình 1.12: Robot phục vụ nhà hàng của LKK Group [15] Mobile Robot có thể được sử dụng để phục vụ trong các nhà hàng như (hình 1. Phương pháp định hướng của robot này là dùng cảm biến từ (magnetic sensors tracking) để đi theo băng từ (magnetic tape) được dán sẵn trên nền. Ngoài ra, robot này còn có thể được điều khiển từ xa và tránh được chướng ngại vật.1 Tổng quan về robot dò line: Robot dò line (Line following robot) là một dạng robot di động (mobile robot) di chuyển bằng bánh xe. Robot sẽ di chuyển bám theo các đường Line được vẽ/dán trên mặt đất.
Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệ thống các đường Line được vẽ/dán sẵn. Phần này trình bày về yêu cầu đề bài được đặt ra, các thành phần quan trọng của xe dò line cũng như một số mô hình nguyên lý đã xuất hiện trong các cuộc thi trước khi bắt đầu vào công việc thiết kế hệ thống cơ khí, điện, điều khiển.2 Một số mô hình robot dò line trong các cuộc thi: Có nhiều thiết kế về robot dò line được sử dụng trong các cuộc thi. Dưới đây là một số mô hình các robot dò line được sử dụng và đạt giải cao trong các kỳ thi ngoài nước: *Chariot: Mô hình xe Chariot (hình 1.13) về nhì cuộc thi LV Bots April line following. - Xe có trọng lượng: 210 (gram).
- Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 1 bánh trước tự lựa. - Xe sử dụng động cơ DC Servo, thanh cảm biến hồng ngoại gồm 6 sensor QTR-8RC. - Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiển A- Start 32u4 Mini LV (MCU Atmega32u4), cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PID. - Xe có vận tốc qua khúc cua cao, có thể thực hiện được góc cua cong với bán kính 8 nhỏ.
a) Robot dò line “The Chariot b) Sơ đồ nguyên lý xe “The Chariot” Hình 1.13: Robot dò line “The Chariot” (a) và sơ đồ nguyên lý của nó (b) [16] *Silvestre: Mô hình xe Silvestre (hình 1.14) đạt giải vô địch Cosmo bot 2012. - Xe có trọng lượng: 250 (gram). Kết cấu xe: 2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tự lựa. - Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến hồng ngoại gồm 8 sensor.
- Phần cứng trung tâm của xe là vi điều khiển LPC2148 ARM7, cấu trúc điều khiển tập trung, bộ điều khiển PD. - Xe có khả năng nhớ đường, tốc độ xe cao. a) Mô hình xe dò line “Silvestre” b) Sơ đồ nguyên lý xe “Silvestre” Hình 1.14: Robot dò line Silvestre (a) và sơ đồ nguyên lý (b) [17] 9 *Fireball: Mô hình và sơ đồ nguyên lý xe dò line Fireball như trong hình. Xe Fire đạt được các giải thưởng cao trong các cuộc thi Bot Brawl (2010) ở Peoria; ChiBot’s Fall (2010) ở I hobby Expo.
- Xe sử dụng động cơ DC Servo (Maxon DC Motor), thanh cảm biến hồng ngoại gồm 8 sensor QTR-8RC.