CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, THU THẬP KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 6 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Cơ sở lí thuyết về công nghệ 2.1 Tổng quan về mobile robot Robot đã ra đời rất sớm thay thế con người làm những việc nặng nhọc và độc hại. Trong thời đại công nghiệp hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cũng như trong đời sống. Do yêu cầu ngày càng cao và phức tạp, robot cần có sự thay đổi linh hoạt và đáp ứng nhanh, nhất là mobile robot. Cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành Cơ - Điện tử, mobile robot ngày càng được hoàn thiện và ứng dụng nhiều hơn nhằm tạo sự tự động hóa trong quá trình sản xuất, giảm sức lao động con người.
Tiềm năng ứng dụng của mobile robot vào cuộc sống là rất lớn, có thê kể đến robot vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy, robot phục vụ quét dọn, robot phun sơn, robot hàn, robot khử trùng dùng trong bệnh viện hay thậm chí là những mobile robot trong ngành hàng không vũ trụ. Hình dưới cho thấy một vài mobile robot khác nhau được ứng dụng vào thực tế. Robot vận chuyển hàng hóa b. Robot lau sàn Hình 2.1: Một số hình ảnh về mobile robot Mobile robot là một loại robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động có khả năng hoàn thành công việc được giao.
Trong đó robot bám biên quỹ đạo vật cản là loại robot có thể tự xác và di chuyển theo biên của vật cản. Dựa trên dữ liệu từ các cảm biến như cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, camera, hoặc lidar thường được tích hợp vào robot để cung cấp thông tin về môi trường xung quanh. Dựa trên dữ liệu từ các cảm biến này, robot có thể xác định vị trí của biên vật cản và điều chỉnh hướng di chuyển của mình để duy trì một khoảng cách an toàn hoặc thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. 7 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Ứng dụng của robot bám biên quỹ đạo vật cản rất đa dạng, từ công nghiệp tự động hóa đến dịch vụ và y tế.
Chẳng hạn, trong môi trường công nghiệp, robot có thể được sử dụng để di chuyển hàng hóa qua các khu vực có nhiều vật cản mà không cần sự can thiệp của con người. Trong lĩnh vực y tế, chúng có thể hỗ trợ việc di chuyển và theo dõi bệnh nhân trong môi trường bệnh viện.2 Nguyên lý làm việc của robot bám quỹ đạo Robot bám quỹ đạo (trajectory tracking robot) là loại robot được thiết kế để theo dõi một quỹ đạo (trajectory) đã được xác định trước đó. Nguyên lý hoạt động của robot bám quỹ đạo thường bao gồm các bước sau: - Xác định quỹ đạo: Trước hết, hệ thống điều khiển của robot xác định quỹ đạo mà robot cần đi qua. Quỹ đạo này có thể được mô tả bằng các hàm toán học hoặc bằng các điểm cụ thể trong không gian.
- Cảm biến và Lấy thông tin: Robot sử dụng các cảm biến như bộ cảm biến vị trí, cảm biến hình ảnh, hoặc cảm biến siêu âm để lấy thông tin về môi trường xung quanh và vị trí của nó. - Điều khiển và Điều chỉnh: Hệ thống điều khiển của robot sẽ so sánh thông tin lấy được từ cảm biến với quỹ đạo đã xác định trước đó. Nếu có sự chệch giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn trên quỹ đạo, hệ thống điều khiển sẽ tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để đưa robot về đúng quỹ đạo. - Tính toán điều khiển: Hệ thống điều khiển sử dụng các thuật toán điều khiển để tính toán các tín hiệu điều chỉnh dựa trên sự chệch giữa vị trí thực tế và vị trí trên quỹ đạo.
Các thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) thường được sử dụng để điều khiển vị trí của robot. - Lặp lại quy trình: Quá trình này được lặp lại liên tục trong khi robot di chuyển, giúp nó liên tục điều chỉnh hướng đi để duy trì trên quỹ đạo. Ngoài việc duy trì vị trí trên quỹ đạo, robot cũng có thể cần kiểm soát tốc độ di chuyển để đảm bảo rằng nó có thể theo kịp quỹ đạo đã định. Cụ thể, để rẽ trái tốc độ bánh xe bên phải robot nhanh hơn bên trái, ngược lại để rẽ phải tốc độ bánh xe bên trái nhanh hơn tốc độ bên phải, để đi thẳng tốc độ hai bánh xe đều nhau.
Khi robot đi thẳng thì tốc độ di chuyển của robot lớn nhât, khi robot lệch khỏi quỹ đạo tốc độ di chuyển robot chậm dần.3 Một số thuật toán cho robot bám quỹ đạo Để nghiên cứu về lĩnh vực mobile robot thì những vấn đề đặt ra là vị trí (đang 8 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ở đâu, sẽ đi đến đâu), cách thức di chuyển (đi đến mục tiêu bằng cách nào) và làm sao để di chuyển từ điểm xuất phát đến điểm đích mà không va chạm các vật cản. Theo Lagoudakis, Michail G thì để di chuyển được, robot cần thực hiện một loạt các tác vụ (còn gọi là task), mỗi tác vụ này sẽ gắn với một bài toán nhỏ trong bài toán di chuyển (navigation). Các bài toán đó bao gồm: - Mapping (Lập bản đồ): lập bản đồ môi trường hoạt động của robot. - Localization (Định vị robot): Robot phải có khả năng biết được vị trí mình đang ở đâu trong bản đồ.
- Path planning (tạo đường đi): sau khi robot có được bản đồ và biết mình đang ở vị trí nào thì sẽ hoạch định di chuyển để đi tới mục tiêu. - Obstacle avoidance (Tránh vật cản): mobile robot có khả năng tránh vật cản trên đường di chuyển. Trong những bài toán nêu trên, bài toán được quan tâm nhiều nhất là bài toán “Bám quỹ đạo”. Nó giữ vai trò quan trọng giúp cho robot di chuyển từ điểm xuất phát đến mục tiêu một cách tối ưu.
- Một số thuật toán điều khiển + Điều Khiển Tương Ứng-Tích Phân-Đạo Hàm (PID): Đây là một thuật toán điều khiển cổ điển điều chỉnh đầu ra điều khiển của robot dựa trên các thành phần tỷ lệ, tích phân và đạo hàm của tín hiệu lỗi. Nó được sử dụng rộng rãi để theo dõi quỹ đạo trong nhiều ứng dụng. + Ưu Điểm: Dễ triển khai và hiệu quả trong nhiều ứng dụng. Có thể điều chỉnh thông qua các hệ số PID để đáp ứng yêu cầu cụ thể.
+ Nhược Điểm: Không xử lý được động chậm và động nhanh cùng lúc. Yêu cầu hiệu chỉnh cẩn thận để tránh dao động. + Điều Khiển Dựa Trên Mô Hình (MPC) MPC là một chiến lược điều khiển tiên tiến dự đoán hành vi tương lai của hệ thống và tối ưu hóa đầu ra điều khiển trong một khoảng thời gian hữu hạn. Nó hiệu quả để xử lý ràng buộc và nhiễu.
+ Ưu Điểm: Tối ưu hóa đầu ra trong khoảng thời gian hữu hạn. Xử lý tốt ràng buộc và nhiễu. + Nhược Điểm: Đòi hỏi tính toán lớn, đặc biệt là đối với các mô hình phức tạp. Độ trễ tính toán có thể làm tăng độ phức tạp của hệ thống.
9 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY + Pure Pursuit: Thuật toán này liên quan đến việc chọn một điểm mục tiêu dọc theo quỹ đạo mong muốn và điều chỉnh hướng của robot để giảm thiểu khoảng cách đến điểm đó. Nó thường được sử dụng để theo dõi đường đi trong robot di động. + Ưu Điểm: Đơn giản và dễ triển khai. Hoạt động tốt cho các robot di động đơn giản.
+ Nhược Điểm: Có thể gặp vấn đề khi đối mặt với quỹ đạo có độ cong lớn. Yêu cầu xử lý đặc biệt nếu có sự trượt bánh xe. + Lập Kế Hoạch và Theo Dõi Quỹ Đạo: Các thuật toán lập kế hoạch quỹ đạo khác nhau, như A (A-star) hoặc RRT (Rapidly-exploring Random Tree), có thể được sử dụng để tạo ra một quỹ đạo mượt và khả thi. Sau đó, robot sẽ đi theo quỹ đạo này bằng cách sử dụng thuật toán điều khiển như PID.
+ Ưu Điểm: Tạo ra quỹ đạo mượt và tối ưu. Xử lý tốt môi trường phức tạp. + Nhược Điểm: Đòi hỏi nhiều tính toán và bộ nhớ nếu môi trường động. Khó khăn khi cần điều chỉnh quỹ đạo trong thời gian thực.
- Điều Khiển Logic Mờ: Điều khiển logic mờ sử dụng biến ngôn ngữ để đại diện cho hành vi của hệ thống. Nó đặc biệt hữu ích khi xử lý thông tin không chính xác hoặc không chắc chắn. + Ưu Điểm: Linh hoạt và giúp xử lý thông tin không chính xác. Dễ hiểu và áp dụng trong môi trường không chắc chắn.
+ Nhược Điểm: Khó đặt các quy tắc mờ phù hợp. Không tối ưu trong mọi tình huống.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí Cơ cấu cơ khí của Mobile Robot cơ bản bao gồm: Khung Robot: Định hình và kết cấu của khung xương cơ bản của robot, bao gồm các bộ phận như bánh xe, khung, cánh tay, và các bộ phận khác. Bánh xe và hệ thống làm chuyển động: Nghiên cứu về hệ thống bánh xe, trục, và cơ cấu lái để đảm bảo chuyển động hiệu quả và ổn định của robot. 10 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Bảng 2.1: Bảng so sánh một số cơ cấu Xe 3 bánh Xe 4 bánh 2 bánh chủ động 2 bánh chủ động 2 bánh tự lựa phía 2 bánh tự lựa phía phía sau và bánh phía trước và bánh trước và 2 bánh chủ trước có hệ thống tự lựa phía trước.
tự lựa phía sau. động phía sau. * Ưu điểm: * Ưu điểm: * Ưu điểm: * Ưu điểm: - 3 bánh xe luôn - 3 bánh xe luôn -Xe bẻ lái dễ - Xe có kết cấu đơn đồng phẳng tiếp đồng phẳng tiếp dàng khi qua cua giản. xúc với mặt đất.
xúc với mặt đất. và không bị lật dù -Xe có 4 bánh nên - Kết cấu cơ khí - Kết cấu cơ khí mang tải nặng. khi qua cua dù đơn giản. - 4 bánh xe luôn mang tải nặng cũng - Qua cua dễ - Xe dù có lực bên đồng phẳng do có không bị lật như xe dàng.
ngoài cũng khó bị hệ thống treo. văng hơn là bánh tự lựa phía trước. -Qua cua dễ dàng. * Nhược điểm: *Nhược điểm: * Nhược điểm: *Nhược điểm: - Bánh tự lựa - Khi xe mang tải - Thiết kế cơ khí -Khó đảm bảo cho phía trước nên chỉ nặng nên khi qua phức tạp khó chế 4 bánh xe luôn cần chịu một tác cua xe dễ bị lật.
11 KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY động nhỏ cũng có đồng phẳng, đồng - khó điều khiển thể làm cho xe trục. - khó qua cua do - Xe mang tải đặc điểm của bánh nặng nên khi qua xe tự lựa. cua dễ bị lật.