CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI: đưa ra giới thiệu về đề tài bao gồm lý do chọn đề tài, mục tiêu và phương pháp thực hiện, giới thiệu về kết cấu của bản báo cáo CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN: gới thiệu về các nội dung có trong đề tài CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ MOBILE ROBOT: Sử dụng cơ sở lý thuyết trình bày tính toán thiết kế hệ thống cơ khí cho mobile robot CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN: Trình bày tính toán động học cho mobile robot, thiết kế hệ thống điều khiển CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRÊN ROS: Trình bày ứng dụng thuật toán SLAM để mobile robot xây dựng bản đồ khi di chuyển, tránh né vật cản CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN: Trình bày kết quả đạt đươc của đề tài đưa ra phân tích và đánh giá 3 CHƯƠNG 2. Giới thiệu mobile robot Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Trong tác phẩm, nhân vật Rossum và con trai đã tạo ra những chiếc máy giống con người để phục vụ cho con người. Robot tự hành hay Robot di động (Mobile Robot) được định nghĩa là một loại xe Robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình) dưới sự điều khiển tự động để thực hiện và hoàn thành công việc được giao.
Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của Robot tự hành 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 đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm.1 Một số mẫu mobile robot đầu tiên Tóm tắt lịch sử phát triển mobile robot -Giai đoạn đầu (Trước năm 1960) Khái niệm về robot di động bắt đầu hình thành trong các nghiên cứu khoa học và quân sự. Máy móc tự động ban đầu chỉ có khả năng di chuyển đơn giản và được điều khiển từ xa. -Giai đoạn khởi đầu (những năm 1970): Các phòng thí nghiệm và trường đại học bắt đầu nghiên cứu robot di động.
Shakey, được phát triển bởi SRI International, là một trong những robot di động đầu tiên với khả năng lập kế hoạch và điều hướng đơn giản. -Giai đoạn phát triển (những năm 1980): Các công nghệ về cảm biến và xử lý dữ liệu bắt đầu tiến bộ. Các robot di động bắt đầu có khả năng tự động điều hướng trong môi trường phức tạp hơn. -Giai đoạn trưởng thành (Những năm 1990): Với sự phát triển của công nghệ vi xử lý và cảm biến, các robot di động trở nên thông minh hơn và có khả năng tự hành tốt hơn.
Các 4 công ty phát triển những sản phẩm thương mại như robot hút bụi tự động, đưa công nghệ robot vào cuộc sống hàng ngày. -Giai đoạn bùng nổ (Những năm 2000): Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ máy tính và trí tuệ nhân tạo (AI) đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của robot di động. Robot tự hành được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, dịch vụ và thậm chí cả trong các nhiệm vụ quân sự và thám hiểm không gian. -Giai đoạn hiện tại: Công nghệ LiDAR, bản đồ hóa đồng thời và định vị (SLAM), cũng như trí tuệ nhân tạo đã nâng cao khả năng của robot di động.
Robot di động hiện đại có khả năng nhận diện môi trường, lập kế hoạch đường đi, và tương tác với con người một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. Để hiểu rõ hơn về mức độ phổ biến, sức ảnh hưởng và ứng dụng của mobile robot có thể thông qua một số ngiên cứu mobile robot và sản phẩm Tại Việt Nam, nghiên cứu về mobile robot dò đường và vẽ bản đồ tự động đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và sinh viên đại học. Tập trung vào việc phát triển các hệ thống Robot thông minh có khả năng di chuyển trong môi trường không cấu trúc, như các môi trường trong nhà hoặc ngoài trời. Các robot này thường được trang bị các cảm biến như lidar, camera, và các bộ cảm biến để thu thập thông tin về môi trường xung quanh và sử dụng các thuật toán điều khiển và SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) để tự định vị và tạo bản đồ môi trường.
Mobile robot của STI Việt Nam là một giải pháp tự động hóa tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, kho bãi, và các khu vực công nghiệp khác. Robot sử dụng các cảm biến LiDAR và camera để tự động di chuyển và tránh chướng ngại vật, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong quá trình sản xuất và vận hành.2 Mobile Robot của STI Việt Nam 5 Trên thế giới, lĩnh vực nghiên cứu này đang phát triển rất nhanh với sự đóng góp của các trường đại học và tổ chức nghiên cứu hàng đầu trên thế giới. Các hội nghị và tạp chí quốc tế về robot và trí tuệ nhân tạo thường là nơi các nhà nghiên cứu chia sẻ kết quả nghiên cứu và công bố các công trình mới trong lĩnh vực này. Đại học Illinois Urbana-Champaign đã phát triển dự án TerraSentia, một mobile robot tự động nhỏ gọn được sử dụng trong nghiên cứu nông nghiệp.
TerraSentia được trang bị cảm biến và camera để tự động điều khiển và thu thập dữ liệu từ các cánh đồng nông nghiệp. Nó có khả năng xác định sự phát triển của cây trồng, xác định bệnh tật và thu thập thông tin về đất đai.3 Robot Tera Sentia Robot tự động Mamut của Cambridge Consultants được thiết kế để khám phá các cánh đồng và thu thập dữ liệu hữu ích, có thể giúp cải thiện năng suất cây trồng. Bởi vì quá trình thu thập dữ liệu hoàn toàn tự động, nó loại bỏ sự cần thiết của nông dân và các nhóm nghiên cứu trên các cánh đồng.4 Robot Mamut của Cambridge Consultants TurtleBot được phát triển chủ yếu bởi Willow Garage, để hỗ trợ cộng đồng nghiên cứu và phát triển robot. Với thiết kế linh hoạt và chi phí hợp lý, TurtleBot được xây dựng dựa trên phần cứng và phần mềm mã nguồn mở, giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh và mở rộng theo nhu cầu cụ thể của họ.
TurtleBot thường được trang bị cảm biến đa dạng như lidar và 6 camera, giúp nó thực hiện nhiều nhiệm vụ, từ định vị vị trí đến thám hiểm môi trường. Được tích hợp chặt chẽ với ROS (Robot Operating System), giúp nhanh chóng triển khai các ứng dụng và thuận tiện trong quá trình phát triển phần mềm cho mobile robot.5 Thiết kế tự do thay đổi của TurtleBot 2. Cơ cấu vi sai cơ khí và cơ cấu vi sai điện Cơ cấu vi sai hay còn gọi là lái trượt một hệ thống điều khiển hướng di chuyển của robot bằng cách thay đổi tốc độ của các bánh xe bên trái và bên phải bằng cầu vi sai. Thường được sử dụng với hai bánh lái độc lập khi hai bánh xe quay cùng tốc độ, robot sẽ di chuyển theo đường thẳng.
Khi tốc độ của hai bánh xe khác nhau, robot sẽ quay theo hướng của bánh xe có tốc độ chậm hơn.6 Cơ cấu bánh răng vi sai Ưu điểm: Đơn giản và dễ chế tạo: Hệ thống vi sai thường đơn giản và dễ dàng lắp ráp với ít bộ phận chuyển động và không cần các liên kết quá phức tạp. Khả năng quay tại chỗ: Robot có thể quay tại chỗ bằng cách quay hai bánh xe ngược chiều nhau, rất hữu ích trong không gian hạn chế. Độ bền cao, ít bộ phận cần bảo trì hay thay thế. Nhược điểm: Khó điều khiển chính xác: Việc điều chỉnh tốc độ của các bánh xe để điều khiển hướng di chuyển có thể gặp khó khăn do yêu cầu độ chính xác cao 7 và phức tạp đặc biệt là ở tốc độ cao Yêu cầu bề mặt phẳng: Hệ thống vi sai hoạt động tốt nhất trên bề mặt phẳng và có độ bám cao do chuyển động trượt gây mất cân bằng Ứng dụng: Robot công nghiệp: Sử dụng trong nhà máy, kho hàng vận chuyển hàng.
Robot dịch vụ: Sử dụng trong các dịch vụ như dọn dẹp, giao hàng. Để có thể điều khiển còn có cơ cấu vi sai điện (Electric Differential Steering): là một phiên bản tiên tiến của cơ cấu vi sai truyền thống, sử dụng động cơ điện để điều khiển tốc độ của từng bánh xe một cách chính xác. Mỗi bánh xe được điều khiển độc lập bởi một động cơ điện và một hệ thống điều khiển điện tử, cho phép điều chỉnh tốc độ và hướng di chuyển một cách hiệu quả.7 Mô tả cơ cấu vi sai điện Ưu điểm: Độ chính xác cao: cho phép điều chỉnh tốc độ và hướng di chuyển của từng bánh xe một cách chính xác. Phản ứng nhanh: Hệ thống điều khiển điện tử có thể phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong môi trường hoặc lệnh điều khiển.
Khả năng lập trình cao: Hệ thống vi sai điện có thể được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp và tối ưu hóa hiệu suất. Nhược điểm: Chi phí cao: Hệ thống vi sai điện thường có chi phí cao hơn so với hệ thống vi sai truyền thống do yêu cầu các bộ phận điện tử và động cơ điện. Phức tạp trong thiết kế: Thiết kế và tích hợp hệ thống vi sai điện đòi hỏi kiến thức kỹ thuật cao và phần mềm điều khiển phức tạp. 8 Ứng dụng: Xe tự hành: Sử dụng trong các xe tự hành để cải thiện độ chính xác và hiệu quả củahệ thống lái.
Robot tiên tiến: Sử dụng trong các robot yêu cầu độ chính xác cao và khả năng phản ứng nhanh với môi trường. Cơ cấu lái Ackerman, Anti-ackerman và Ackerman-like Mechanism Cơ cấu lái Ackerman Khái niệm và Lịch sử phát triển: Cơ cấu lái Ackerman là một hệ thống thiết kế đặc biệt dành cho các phương tiện có bánh xe, nhằm tối ưu hóa việc điều khiển hướng đi và giảm thiểu hiện tượng trượt bánh khi quay vòng. Được phát minh bởi Georg Lankensperger vào đầu thế kỷ 19 và được cấp bằng sáng chế bởi Rudolph Ackermann vào năm 1818, cơ cấu lái Ackerman đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô và nhiều loại phương tiện khác. Nguyên lý hoạt động cảu cơ cấu lái Ackerman dựa trên nguyên tắc hình học cơ bản để đảm bảo rằng tất cả các bánh xe của phương tiện đều quay quanh một tâm quay chung khi phương tiện quay vòng.
Điều này được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc lái của các bánh xe trước sao cho bánh xe bên trong (gần tâm quay hơn) quay một góc lớn hơn bánh xe bên ngoài (xa tâm quay hơn).8 Phân tích các giá trị góc và khoảng cách tham khảo tài liệu [10] 9 Nguyên lý này được minh họa qua một hình thang liên kết giữa các bánh xe. Khi bánh lái quay, các bánh trước sẽ xoay theo các góc khác nhau để duy trì quỹ đạo chuyển động phù hợp.