Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài. Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về thiết kế.
4 Chương 5: Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống điện và điều khiển. Chương 6: Kết quả thi công, thực nghiệm. Chương 7: Kết luận và đề nghị. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.
Giới thiệu Mobile Robot là loại robot di chuyển tự do và thông minh sử dụng cảm biến Lidar Sensor để quét bản đồ để thu thập một số thông tin quan trọng như: dữ liệu, bản đồ, hoạch định đường đi và né chướng ngại vật, ghi lại hình ảnh, cũng như truyền thông tin về trung tâm điều khiển hướng đến nhiệm vụ tuần tra và giám sát. Loại robot di động này đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực robot học nhờ vào khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, quân sự và nhiều lĩnh vực khác. Việc sử dụng robot để thực hiện các nhiệm vụ này không chỉ giúp giảm bớt công việc cho con người mà còn tăng cường hiệu quả và tính an toàn giảm thiểu rủi ro cho con người khi phải làm việc trong môi trường nguy hiểm hoặc khó tiếp cận. Với sự phát triển không ngừng của các công nghệ tiên tiến vào các hoạt động hiện nay đang trở nên phổ biến hơn bao giờ hết.
Sự tiến bộ của các công nghệ cảm biến, hệ thống điều khiển và trí tuệ nhân tạo đã góp phần làm cho việc ứng dụng mobile robot vào các hoạt động tuần tra giám sát ngày càng trở nên thông minh, hiệu quả và linh hoạt. Đặc điểm cấu tạo của robot di động Đề tài tập trung vào phần thiết kế và triển khai điều khiển robot điều hướng tới vị trí đã đặt ra, tham khảo trau dồi các mẫu robot trên thế giới để làm tài liệu tiến hành thi công và hoàn thiện robot với yêu cầu đã đề ra. Việc có nhiều kiến thức, kinh nghiệm và nền tảng là một lợi thế, sẽ giảm bớt khó khăn khi hoàn thiện và giúp robot hoạt động ổn định hiệu quả linh hoạt. Cấu tạo của Robot di động gồm 3 phần: Hệ thống khung: Để đảm bảo về mặt an toàn, khả năng chịu tải, độ bền, tính khả thi khi tuần tra giám sát thì khung xe luôn cần phải ưu tiên thiết kế hoàn chỉnh, đáp ứng về các thông số bền đối với vật liệu được chọn làm khung.
Vì chú trọng phần khung nên cần phải có độ bền cao, nhẹ nhàng nhưng vẫn đủ chắc chắn để chịu được các rung động và tác động khi di chuyển trên nhiều loại địa hình khác nhau. Hệ thống truyền động: Cơ cấu truyền động chính là cơ cấu chịu trách nhiệm di chuyển robot, cấu tạo gồm bánh răng xích được gắn cố định trên trục động cơ. Bánh răng phải được thiết kế chính xác để phù hợp với kích thước của xích và tạo ra một hệ thống truyền động hiệu quả và ít mài mòn. Hệ thống xích có khả năng truyền tải mô men xoắn lớn và có độ chính xác cao trong việc điều khiển tốc độ và vị trí của robot.
Hệ thống dẫn động: Để chịu mài mòn và có tuổi thọ lâu dài, giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa thì dây đai là lựa chọn hợp lí. Phù hợp sử dụng trong các robot cần vượt qua 6 các địa hình khác nhau như đất đá, địa hình không bằng phẳng, cây cỏ, v. Hệ thống dẫn động gồm hai thành phần chính đó là dây đai răng và bánh puly. Hệ thống điện: Hệ thống điện là một phần không thể thiếu và cực kỳ quan trọng trong thiết kế mobile robot, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng hoạt động của robot trong các ứng dụng thực tế.
Bao gồm pin cung cấp điện cho cả hệ thống, cảm biến quét map lidar sensor, driver điều khiển động cơ hoạt động, máy tính chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ hệ thống, bộ xử lý trung tâm vi điều khiển. Ngoài ra có thể tích hợp robot với nhiều phụ kiện khác: bàn nâng, cơ cấu vận chuyển hàng hóa,.tùy vào chức năng và nhiệm vụ để thiết kế hệ thống một cách phù hợp với yêu cầu và mục đích. Đề tài hoạt động dựa trên ý tưởng những mẫu robot có sẵn để phát triển và ứng dụng vào việc tuần tra giám sát, kết hợp cảm biến quét map lidar và phần mềm lập trình để điều khiển robot tránh được chướng ngại vật, di chuyển đến vị trí mong muốn, cùng với những chức năng bổ trợ thêm sẽ phù hợp với hiện nay và đề tài đã đặt ra. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.
Nghiên cứu trong nước Hiện nay xu thế tự động đang là vấn đề ưu tiên của các doanh nghiệp trong và ngoài nước. Ở Việt Nam đã có các doanh nghiệp thiết kế và sản xuất xe tự hành. Robot di động được thiết kế để di chuyển tự động và linh hoạt trên các môi trường làm việc khác nhau như nhà máy, kho bãi, văn phòng, không gian công cộng, v. Chúng có thể điều hướng và thích nghi với các địa hình và chướng ngại vật một cách hiệu quả.
UNIFEE một trong những doanh nghiệp, công ty về giải pháp về công nghệ tự động hóa. Tại UNIFEE có các mẫu robot tự hành AGV, AMR với ứng dụng vận chuyển hàng hóa hoàn toàn tự động và có kết hợp băng chuyền sản phẩm.1: Robot AMR thuộc UNIFEE 7 • Tính năng: Thích ứng với bản đồ thay đổi thường xuyên Định vị vị trí dừng có độ chính xác cao Quản lý robot trên hệ thống theo thời gian thực Yêu cầu bề rộng đường đi nhỏ, dễ dàng xoay trở trong không gian hẹp Còn có hệ thống gọi từ xa, hệ thống quản lý kho, hệ thống điều phối AMR CLOUDIA.1: Thông số kỹ thuật Robot AMR EMMA400L THÔNG SỐ KỸ THUẬT Kích thước 84x540x286 (mm) Phương pháp điều LiDAR hướng Khả năng vận chuyển tải nâng 400KG Hệ thống an toàn 3D camera + cảm biến va chạm cứng(bumper) + báo đèn âm thanh khi di chuyển Nguồn điện 48V Vận tốc 1.2m/s Tuy nhiên đó chỉ là ứng dụng robot di động trong nhà máy sản xuất, còn ứng dụng robot địa hình trong nước ta vẫn là vấn đề nghiên cứu. Các công ty công nghệ như FPT, TMA Solutions có trung tâm nghiên cứu phát triển các giải pháp tự động hóa và robot cho nhiều lĩnh vực, bao gồm cả robot di động địa hình cho nông nghiệp và an ninh quân sự. Nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu về mobile robot đã nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nước phát triển trên thế giới.
Các nghiên cứu và ứng dụng của robot di động trong các lĩnh vực khác nhau đã mang lại nhiều đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong các môi trường khắc nghiệt và đòi hỏi tính linh hoạt cao. Các nước như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức và Hàn Quốc là những quốc gia tiên phong trong nghiên cứu và phát triển robot di động. Các tổ chức nghiên cứu và các công ty công 8 nghệ lớn từ các nước này đã đưa ra nhiều dự án tiên tiến về mobile robot, từ các ứng dụng nông nghiệp đến dịch vụ và quân sự. Ví dụ, Nhật Bản nổi tiếng với các nghiên cứu về robot di động áp dụng trong nông nghiệp để tăng năng suất và giảm sự phụ thuộc vào lao động.
Một số dự án ở Đức và Hoa Kỳ tập trung vào phát triển robot di động cho các môi trường khó tiếp cận, như khả năng hoạt động trên địa hình không bằng phẳng và trong điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới như học máy, trí tuệ nhân tạo (AI) và thị giác máy (computer vision) đã làm cho các robot di động ngày càng thông minh và có khả năng tự động hoá cao hơn, từ đó mở ra nhiều tiềm năng mới cho các ứng dụng trong tương lai.2: Robot phun thuốc trừ sâu do công ty Legmin (Nhật Bản) Hình 2.3: Meet OTTO 600 (Hoa Kỳ) Robot này được thiết kế để tự động hóa việc vận chuyển vật liệu và hàng hóa trong các môi trường công nghiệp, giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí vận hành. 9 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3. Động học Mobile Robot Động học của robot tập trung nghiên cứu về các quy luật chuyển động của robot, bao gồm cấu trúc cơ học của robot và cách thức mà nó di chuyển và thay đổi vị trí trong không gian.
Động học không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển động mà còn cung cấp các công cụ để điều khiển robot một cách hiệu quả, đảm bảo chúng hoạt động chính xác theo ý định của người lập trình. Mô hình động học cơ bản của một số loại robot di động: Robot bánh xe dẫn động vi sai: robot có hai bánh xe điều khiển độc lập đặt đối diện nhau và mỗi bánh xe được gắn một động cơ riêng. Robot bánh xe Omni-directional: sử dụng các bánh xe có khả năng di chuyển theo nhiều hướng khác nhau, cho phép robot di chuyển một cách linh hoạt mà không cần thay đổi hướng của thân robot. Robot chân: mô hình động học phức tạp hơn, liên quan đến chuyển động của từng khớp chân.
Động học thuận của robot bánh đai tương tự như robot bánh xe dẫn động vi sai, nên ta có thể áp dụng công thức đối với robot bánh xe dẫn động vi sai, các thông số tính toán như sau: v: vận tốc thẳng robot (m/s) ω: vận tốc góc robot (rad/s) ω𝐿 : vận tốc góc bánh puly trái (rad/s) ω𝑅 : vận tốc góc bánh puly phải (rad/s) N𝐿𝑀 : tốc độ động cơ trái (vòng/phút) N𝑅𝑀 : tốc độ động cơ phải (vòng/phút) V𝐿 : vận tốc thẳng bánh puly trái (m/s) V𝑅 : vận tốc thẳng bánh puly phải (m/s) θ: góc xoay robot (rad) R 𝑇 : bán kính cung tròn mà robot xoay quanh điểm O với một góc θ (m) R = 0,0435 m: bán kính bánh puly chủ động L = 0,45 m: khoảng cách giữa tâm hai bánh puly chủ động 10 𝑣 𝑣𝐿 𝑣𝑅 L Hình 3.1: Robot chuyển động thẳng Robot có hai bánh puly chủ động và 2 bánh puly bị động, theo lý thuyết ta có thể tính vận tốc tuyến tính của hai bánh puly thông qua công thức: 2.2) 60 Vận tốc v tuyến tính được tính thông qua công thức: 𝑣𝐿 + 𝑣𝑅 v = (3.3) 2 Để robot có thể chuyển động thẳng thì vận tốc v tuyến tính của 2 bánh puly chủ động trái và phải phải đồng tốc với nhau: v = 𝑣𝑅 = 𝑣𝐿 (3.4) Từ (1), (2) và (3) suy ra mối liên hệ giữa vận tốc tuyến tính robot và tốc độ quay của động cơ khi robot chuyển động thẳng như sau: 2.