Toàn văn Đồ án: Nghiên cứu thiết kế Robot vận chuyển tự động - SV. Nguyễn Thị Hiền

Đồ án tốt nghiệp thiết kế robot vận chuyển tự động. Tài liệu tham khảo về sơ đồ phần cứng, lập trình điều khiển và hướng phát triển.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiền
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Thị Duyên
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế robot vận chuyển tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot vận chuyển tự động

Robot vận chuyển tự động (AGV - Automated Guided Vehicle) là giải pháp đổi mới công nghệ trong ngành logistics và sản xuất hiện đại. Những chiếc robot thông minh này có khả năng di chuyển độc lập, vận chuyển hàng hóa giữa các điểm trong nhà máy mà không cần tài xế. Công nghệ này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí nhân công, và nâng cao hiệu suất làm việc. Đồ án thiết kế robot vận chuyển tự động là một chủ đề thực tiễn, kết hợp kiến thức về cơ khí, điện tử và lập trình.

1.1. Định nghĩa và phân loại AGV

Robot vận chuyển tự động được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Về cơ cấu, có AGV bánh xe, AGV cẩu kéo, và AGV cầu trục di động. Về phương thức điều khiển, gồm AGV theo đường dây từ, AGV định vị laser, và AGV sử dụng công nghệ SLAM. Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong môi trường sản xuất và kho bãi.

II. Các thành phần chính của hệ thống AGV

Một robot vận chuyển tự động bao gồm nhiều thành phần cấu thành hệ thống hoàn chỉnh. Hệ thống cơ khí bao gồm khung gầm, hệ thống bánh xe, và cơ cấu nâng hạ. Hệ thống điện tử gồm pin, động cơ, bộ điều khiển. Hệ thống cảm biến bao gồm camera, cảm biến laser, cảm biến vận tốc. Hệ thống điều khiển là bộ não của robot, xử lý thông tin từ các cảm biến để đưa ra quyết định di chuyển phù hợp.

2.1. Hệ thống cơ khí và động lực

Hệ thống cơ khí bao gồm khung thép được thiết kế để chịu tải trọng lớn. Động cơ điện DC hoặc servo motor được sử dụng để drivetrain. Hệ thống truyền động sử dụng các bánh xe omni hoặc mecanum cho khả năng di chuyển linh hoạt. Cơ cấu nâng hạ sử dụng xilanh điện hoặc hydro để nâng vật liệu theo yêu cầu. Thiết kế phải đảm bảo ổn định khi di chuyển và vận hành an toàn.

2.2. Hệ thống cảm biến và điều khiển

Cảm biến laser (LiDAR) giúp robot phát hiện chướng ngại vật và định vị trong môi trường. Camera RGB-D cung cấp thông tin thị giác ba chiều. Cảm biến IMU đo gia tốc và quay. Bộ điều khiển PLC hoặc máy tính nhúng xử lý dữ liệu từ cảm biến. Thuật toán điều khiển như PID được áp dụng để điều chỉnh chuyển động. Giao tiếp không dây WiFi hoặc 5G kết nối với hệ thống trung tâm.

III. Quy trình thiết kế đồ án robot vận chuyển tự động

Quy trình thiết kế là một hành trình phức tạp, từ ý tưởng đến sản phẩm hoàn thiện. Bước đầu tiên là phân tích yêu cầu và xác định các thông số kỹ thuật cần thiết như tải trọng, tốc độ, và phạm vi di chuyển. Tiếp theo là thiết kế cơ khí sử dụng phần mềm CAD để mô phỏng 3D. Sau đó là lựa chọn và tích hợp các thành phần điện tử. Cuối cùng là lập trình hệ thống điều khiển, thử nghiệm và tối ưu hóa hiệu suất.

3.1. Giai đoạn phân tích và thiết kế

Phân tích yêu cầu xác định các chỉ tiêu kỹ thuật chi tiết. Thiết kế cơ khí lựa chọn loại bánh xe, kích thước, trọng lượng phù hợp. Mô phỏng CAD kiểm tra các lực, mô-men và độ ổn định. Tính toán khả năng chịu lực của các thành phần. Dự toán chi phí sản xuất và lợi nhuận. Quy trình này đòi hỏi sự lặp đi lặp lại để đạt được thiết kế tối ưu.

3.2. Lập trình và kiểm thử hệ thống

Lập trình hệ thống điều khiển sử dụng ngôn ngữ C++ hoặc Python. Xây dựng thuật toán định vị và lập kế hoạch đường đi sử dụng ROS (Robot Operating System). Kiểm thử chức năng từng thành phần riêng lẻ. Thử nghiệm tích hợp toàn hệ thống trong môi trường mô phỏng. Kiểm thử trường hợp thực tế với các chướng ngại vật khác nhau. Tối ưu hóa tốc độ, độ chính xác và hiệu quả năng lượng.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Robot vận chuyển tự động có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong lĩnh vực sản xuất, AGV vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm giữa các trạm làm việc. Trong kho bãi, robot tự động lấy và sắp xếp hàng hóa trên kệ. Trong bệnh viện, AGV vận chuyển thuốc và dụng cụ y tế. Trong tương lai, sự phát triển của trí tuệ nhân tạo, IoT, và công nghệ 5G sẽ giúp AGV trở nên thông minh hơn, linh hoạt hơn, và hiệu suất cao hơn.

4.1. Ứng dụng hiện tại trong các ngành

Trong ngành ô tô, AGV vận chuyển linh kiện giữa các dây chuyền lắp ráp. Trong ngành điện tử, robot tự động sắp xếp linh kiện nhỏ với độ chính xác cao. Trong ngành thực phẩm, AGV vận chuyển sản phẩm giữa khu sản xuất và kho lạnh. Trong bán lẻ, robot tự động quản lý hàng hóa trong kho. Trong logistics, AGV giúp tăng tốc độ xử lý đơn hàng và giảm lỗi con người.

4.2. Xu hướng phát triển tương lai

Tương lai AGV sẽ tích hợp công nghệ AI để tự học môi trường làm việc. Sử dụng cloud computing cho xử lý dữ liệu nhanh hơn. Áp dụng 5G cho giao tiếp thời thực ổn định. Phát triển robot cộng tác làm việc an toàn cạnh con người. Sử dụng năng lượng tái tạo để bảo vệ môi trường. Thiết kế mô-đun để dễ dàng nâng cấp và sửa chữa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VẬN CHUYỂN 1.1 Tổng quan về robot Thuật ngữ robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác phẩm R.R(Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek. Kể từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi. Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người máy trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm để phát triển các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.

Trong hơn nửa thế kỷ qua thì robot có nhưng tiến bộ đáng kể như trong những năm 1960 thì robot đã thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong các môi trường nguy hiểm, độc hại. Tiếp đó là sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng môi trường. Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh hoạt cho robot.

Trong những thập kỷ 80-90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt và có thể đạt nhiều tính năng, ứng dụng trong đời sống và sản xuất. Trong những ngày qua thì khái niệm “ Cách mạng công nghiệp 4.0” đã được nhắc đến nhiều trên truyền thông và mạng xã hội. Cùng với đó là ngành khoa học công nghệ mới đã tạo ra nhiều sản phẩm robotics. Trong robotstic có hầu hết vấn đề của “ cơ điện tử”, nó là sự kết hợp giữa cơ học máy và điều khiển điện tử.

1 Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng lập trình được, muốn có khả năng này thì robot phải dùng đến máy tính hoặc các thiết bị khác co chức năng tương tự. Trong đó máy tính đóng vai trò như bộ não của robot. Ngày nay với sự phát triển của các bộ vi điều khiển và cải thiện tốc độ máy tính đã tạo ra những bước phát triển đáng kể cho robot. Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày.

Chúng sẽ thực hiện những công việc nguy hiểm, những công việc mà đòi hỏi tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng con người. Robot là tổng hợp của cả khoa học và công nghệ. Để thiết kế và chế tạo được robot thì ta cần các tri thức của toán học, cơ học, vật lý, điện tử, lý thuyết điều khiển, khoa học tính toán và nhiều tri thức khác. Do nhu cầu sử dụng của con người trong đời sống sản xuất nên càng ngày robot càng được cải tiến như robot chăm sóc sức khỏe trong y tế, robot thay thế con người trong các nhà máy xí nghiệp, robot xây dung trong quân sự, Trong đời sống thì có một số loại robot được quan tâm nhiều như là: tay máy robot, robot di động, robot phỏng sinh học và robot các nhân.

Tay máy robot bao gồm các loại robot như robot công nghiệp, robot y tế và robot trợ giúp người tàn tật. Còn trong robot di động được thì con người nghiên cứu nhiều về robot tự hành như robot tự tránh vật cản, robot dò đường,. Robot vận chuyển tự động là robot có thể tự động vận chuyển hàng hóa mà không cần người điều khiển – nó có thể dừng lại khi gặp vật cản.2 Giới thiệu chung về robot vận chuyển 1.1 Robot vận chuyển Robot vận chuyển hay robot di động (mobile robots, thường được gọi tắt là mobots) được định nghĩa là một loại robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động - có thể lập trình lại được dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao. Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot vận chuyển có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng.

Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên 2 đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia robot tự hành làm 2 loại: - Loại di chuyển bằng chân - Loại di chuyển bằng bánh Loại di chuyển bằng chân, chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động của con người và động vật (hình 1. Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm, phức tạp. Tuy nhiên, cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế là công việc cực kỳ khó khăn.

Loại di chuyển bằng bánh tỏ ra thực tế hơn, chúng có thể làm việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra. Điều khiển robot di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định cho robot. Loại này có thể chia làm 3 loại robot: - Loại chuyển động bằng bánh xe, đây là loại phổ biến (hình 1.1) - Loại chuyển động bằng vòng xích, khi cần mô men phát động lớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy, cát và băng tuyết (hình 1.2) - Loại hỗn hợp bánh xe và xích, loại này rất ít gặp Hình 1.1: Hình ảnh robot di chuyển bằng chân và bánh 3 Hình 1.2: Hình ảnh robot di chuyển bằng bánh xích Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể. Nhiều đơn vị trên toàn quốc đã thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như: Trung tâm Tự động hoá - Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN… Bên cạnh đó, còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế.

Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu quan tâm. Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot.2 Một số robot vận chuyển Robot vận chuyển hàng trong nhà xưởng, nhà máy là các sản phẩm robot di động tự hành có khả năng điều hướng dưới sự lập trình của con người. Theo đó, để vận chuyển 4 hàng đến đúng nơi quy định các loại robot này sẽ được lập trình đi theo các điểm đánh dấu sẵn bằng băng từ, dây điện trên sàn hoặc sử dụng laser điều hướng để di chuyển. Được biết ứng dụng của robot vận chuyển vô cùng phổ biến, chúng thường được sử dụng trong công nghiệp để di chuyển vật tư, di chuyển sản phẩm đi quanh một khu vực, trong nhà xưởng sản xuất hay nhà kho.3: Hình ảnh xe kéo hàng Trong quân đội, một loại robot tự hành đa năng phục vụ chiến đấu và trinh sát trên mặt đất do Viện Công nghệ -Tổng cục Công nghiệp quốc phòng nghiên cứu chế tạo đã được giới thiệu 5 Hình 1.4: Robot tự hành đa năng do Viện Công nghệ -Tổng cục Công nghiệp quốc phòng nghiên cứu chế tạo Cấu tạo sản phẩm gồm 2 bộ phận chính là trung tâm chỉ huy và thiết bị tự hành robot.

Trong đó trung tâm chỉ huy là nơi lưu trữ bản đồ, thu nhận thông tin quan sát và ra lệnh điều khiển tới các thiết bị gắn kèm, thiết bị tự hành có thể chạy trên tuyến đường định sẵn theo bản đồ số. Tốc độ chạy trên đường bằng phẳng: 1m/10s. Được điều khiển thông qua máy tính và có chức năng truyền dữ liệu về trung tâm chỉ huy thông qua camera quang điện tử. Đây chỉ là một trong những đề tài sản phẩm nghiên cứu của Viện công nghệ trong thời đại bùng nổ của kỹ thuật số và trí tuệ nhân tạo.

Bước đầu nó đã đạt được những thành tựu đáng ghi nhận, tạo tiền đề quan trọng cho sự ra đời của những thế hệ robot tiếp theo. Trong y tế, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Công nghệ Toyohashi, Nhật Bản đang phát triển một robot có thể di chuyển mọi hướng tên là Terapio. Nó có khả năng thay thế chức năng của một xe đẩy y tế truyền thống, chuyên vận chuyển dụng cụ, đồ dùng y tế cho các bác sĩ, y tá.5: Robot Terapio 6 Khi đi cùng với nhân viên y tế, Terapio hoạt động ở chế độ “Theo dấu” (Human- Tracking mode). Terapio đi theo phía sau nhân viên nó được phân công trợ giúp và chủ động tránh chướng ngại vật.

Để điều khiển vị trí của Terapio chính xác hơn, người sử dụng có thể di chuyển nó bằng tay thông qua chế độ “Điều khiển” (Power-Assist mode). Trong trường hợp này, nhân viên đẩy nhẹ vào tay cầm hình tròn phía trên robot. Nó sẽ di chuyển theo hướng người đó mong muốn. Ở chế độ “Quay vòng” (Round mode), Terapio ghi lại những dữ liệu quan trọng về tình hình bệnh nhân, lưu trữ thông tin và hiển thị chúng trên màn hình cảm ứng LCD.

Trong thời gian không sử dụng, Terapio sẽ tập kết tại một trạm sạc pin, cập nhật phần mềm thông qua kết nối với máy chủ.3 Phân loại robot vận chuyển 1.1 Phân loại theo chức năng Xe kéo (Towing Vehicle) Xe kéo xuất hiện đầu tiên và đang được sử dụng nhiều. Loại này có thể kéo được nhiều loại toa hàng nối liên tiếp nhau. Xe có thể kết nối tự động hoặc bằng tay với các toa hàng nhờ hệ thống móc kéo. Chúng có thê kéo được từ vài trăm kg đến hàng tấn tùy cấu hình xe.

Ưu điểm của hệ thống xe kéo: - Khả năng chuyên chở lớn - Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như đảm bảo an toàn - Tăng tính an toàn Ứng dụng: Thường dùng vận chuyển khung, vỏ, phụ tùng xe trong các xưởng lắp ráp ô tô, các chi tiết, linh kiện trong nhà máy sản xuất thiết bị điện tử, các thùng quần áo trong xưởng may mặc,.6: Mô hình xe kéo hàng Xe chở (Unit Load Vehicle) Xe chở có thể chờ sẵn tại vị trí băng tải thông qua cảm biến. Khi hành được đẩy khỏi băng tải lên xe, xe sẽ tự chạy đến trạm khác theo yêu cầu.