Đồ án: Thiết Kế và Thực Thi Robot Di Động Đa Hướng (Omnidirectional)

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và triển khai robot di động đa hướng. Tìm hiểu về cấu trúc, điều khiển và ứng dụng của robot omni-wheel. Tải miễn phí!

• Tác giả: Nguyễn Đình Thiên Ân
• Người hướng dẫn: PTS. Trần Vi Đô
• Trường học: Ho Chi Minh City University Of Technology And Education
• Chuyên ngành: Mechatronics Engineering
• Đề tài: Design And Implementation Of Omnidirectional Mobile Robot
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Tổng Quan Về Robot Di Động Đa Hướng OMR

Trong vài năm trở lại đây, sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ đã chuyển đổi phần lớn nguồn nhân lực sang cho máy móc, đặc biệt là robot. Robot đã trở thành biểu tượng của sự hiện đại, và trong số đó, robot di động ngày càng được ưa chuộng. Tuy nhiên, các thiết kế robot di động truyền thống thường không cho phép robot thực hiện chuyển động toàn hướng (holonomic), gây khó khăn khi di chuyển trong không gian hẹp. Để khắc phục hạn chế này, robot di động đa hướng (Omnidirectional Mobile Robot - OMR) ra đời với thiết kế đặc biệt, sử dụng các loại bánh xe độc đáo cho phép di chuyển linh hoạt theo mọi hướng mà không cần xoay trở. Công nghệ này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi, từ tự động hóa nhà kho, robot dịch vụ trong y tế, đến các hệ thống sản xuất thông minh. Sự khác biệt cốt lõi của robot di động đa hướng nằm ở khả năng di chuyển ngang, tiến, lùi và xoay tại chỗ một cách tức thời. Điều này đạt được nhờ cấu trúc cơ khí của bánh xe đa hướng (omni wheel) hoặc bánh xe Mecanum. Mỗi bánh xe bao gồm nhiều con lăn nhỏ phụ, cho phép trượt tự do theo phương vuông góc với hướng quay chính của bánh. Nhờ vậy, robot có thể tổng hợp các vector vận tốc từ mỗi bánh để tạo ra một chuyển động tổng thể theo bất kỳ hướng nào mong muốn. Đề tài "Thiết Kế & Thực Thi Robot Di Động Đa Hướng" tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán và chế tạo một mô hình OMR hoàn chỉnh, có khả năng di chuyển chính xác và được điều khiển dễ dàng thông qua một ứng dụng trên điện thoại di động.

1.1. Tìm hiểu công nghệ bánh xe đa hướng và bánh xe Mecanum

Công nghệ cốt lõi đằng sau sự linh hoạt của OMR là thiết kế bánh xe. Có hai loại chính: bánh xe đa hướng (omni wheel) và bánh xe Mecanum. Bánh xe đa hướng, được cấp bằng sáng chế lần đầu bởi J. Grabowiecki vào năm 1919, có các con lăn nhỏ được gắn vuông góc với trục quay chính của bánh xe. Thiết kế này cho phép bánh xe trượt tự do theo phương dọc trục, trong khi vẫn truyền lực kéo theo phương quay. Ngược lại, bánh xe Mecanum, do Bengt Erland Ilon phát minh năm 1973, có các con lăn được đặt nghiêng một góc 45 độ so với trục bánh xe. Sự khác biệt này tạo ra các vector lực phức tạp hơn, đòi hỏi cấu hình bốn bánh để đạt được chuyển động toàn hướng. Mỗi loại bánh xe đều có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế và khả năng vận hành của robot.

1.2. So sánh ưu nhược điểm giữa cấu hình 3 bánh và 4 bánh

Việc lựa chọn cấu hình bánh xe là một quyết định quan trọng trong thiết kế. Cấu hình 3 bánh và 4 bánh là phổ biến nhất. Robot di động đa hướng 3 bánh thường sắp xếp các bánh xe cách nhau 120 độ. Ưu điểm lớn nhất của cấu hình này là cả ba bánh xe luôn tiếp xúc với mặt phẳng di chuyển mà không cần hệ thống treo phức tạp, đảm bảo sự ổn định. Thiết kế này cũng tiết kiệm chi phí hơn do sử dụng ít động cơ và bánh xe hơn. Tuy nhiên, việc tính toán động học robot phức tạp hơn. Ngược lại, cấu hình 4 bánh (sử dụng bánh omni hoặc Mecanum) dễ dàng hơn trong việc tính toán và có thể tận dụng hiệu suất động cơ tốt hơn. Nhược điểm là nó đòi hỏi một cấu trúc cơ khí chính xác để đảm bảo cả bốn bánh đều tiếp xúc với mặt đất, nếu không sẽ gây ra hiện tượng trượt và giảm hiệu quả. Dựa trên mục tiêu của dự án là sự linh hoạt và tối ưu chi phí, cấu hình 3 bánh được lựa chọn.

II. Thách Thức Trong Tính Toán Động Học và Động Lực Học OMR

Việc thiết kế và điều khiển một robot di động đa hướng không chỉ dừng lại ở lắp ráp cơ khí mà còn đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các nguyên lý vật lý chi phối chuyển động của nó. Thách thức lớn nhất nằm ở việc xây dựng một mô hình toán học chính xác, bao gồm cả động học (kinematics) và động lực học (dynamics). Động học mô tả mối quan hệ giữa vận tốc của các bánh xe và vận tốc tổng thể của robot, không quan tâm đến lực tác động. Đây là bài toán cơ bản để ra lệnh cho robot di chuyển theo một hướng cụ thể. Ngược lại, động lực học xem xét các lực và mô-men xoắn cần thiết để tạo ra chuyển động đó, có tính đến các yếu tố như khối lượng, mô-men quán tính và ma sát. Một mô hình động lực học không chính xác sẽ dẫn đến việc điều khiển không ổn định, gây ra sai số vị trí và tiêu tốn năng lượng. Việc giải quyết các phương trình phức tạp này là nền tảng để thiết kế một bộ điều khiển hiệu quả, chẳng hạn như bộ điều khiển PID, giúp robot bám theo quỹ đạo mong muốn một cách chính xác và mượt mà. Đặc biệt với cấu hình 3 bánh, mối quan hệ hình học giữa các bánh xe càng làm cho việc phân tích và tổng hợp lực trở nên phức tạp hơn so với cấu hình 4 bánh đối xứng.

2.1. Phân tích mô hình động học cho robot 3 bánh đa hướng

Mô hình động học robot là công cụ toán học thiết yếu để chuyển đổi vận tốc mong muốn của robot (tiến/lùi, ngang, xoay) thành vận tốc góc cần thiết cho mỗi động cơ. Đối với robot 3 bánh đa hướng với các bánh xe đặt cách nhau 120 độ, ma trận động học thuận (forward kinematics) được xây dựng để xác định vận tốc của robot từ vận tốc đã biết của ba bánh xe. Tuy nhiên, trong ứng dụng điều khiển, bài toán động học ngược (inverse kinematics) quan trọng hơn. Ma trận động học ngược cho phép tính toán vận tốc góc (ω₁, ω₂, ω₃) cho từng bánh xe từ một vector vận tốc toàn cục mong muốn [vx, vy, ωz]. Theo tài liệu nghiên cứu, ma trận này được xác định là: [ω₁, ω₂, ω₃]ᵀ = J⁻¹ * [vx, vy, ωz]ᵀ, trong đó J⁻¹ là ma trận nghịch đảo Jacobian, phụ thuộc vào bán kính bánh xe (r) và khoảng cách từ tâm robot đến bánh xe (L).

2.2. Xây dựng phương trình động lực học sử dụng phương pháp Euler Lagrange

Để điều khiển chính xác, mô hình động lực học robot là không thể thiếu. Phương pháp Euler-Lagrange là một cách tiếp cận mạnh mẽ để xây dựng mô hình này. Phương trình Lagrange được định nghĩa là L = K - P, trong đó K là động năng và P là thế năng. Do robot di chuyển trên mặt phẳng, thế năng (P) có thể được bỏ qua. Động năng (K) của robot bao gồm động năng tịnh tiến của khối tâm và động năng quay quanh khối tâm. Bằng cách áp dụng phương trình Euler-Lagrange, d/dt(∂L/∂q̇) - ∂L/∂q = τ, chúng ta có thể suy ra mối quan hệ giữa các lực và mô-men xoắn tác động lên robot (τ) với gia tốc của nó (q̈). Mô hình này giúp tính toán chính xác mô-men xoắn mà mỗi động cơ cần tạo ra để robot đạt được gia tốc mong muốn, có tính đến các yếu tố như khối lượng (m) và mô-men quán tính (I) của robot.

III. Phương Pháp Thiết Kế Cơ Khí Lựa Chọn Linh Kiện Robot

Giai đoạn thiết kế cơ khí và lựa chọn linh kiện là bước hiện thực hóa các tính toán lý thuyết. Một thiết kế tốt không chỉ đảm bảo độ bền, sự ổn định mà còn phải tối ưu hóa không gian để lắp đặt các thành phần điện tử. Dự án này tập trung vào việc tạo ra một khung robot vững chắc, có trọng tâm thấp để tăng tính ổn định khi di chuyển và thay đổi hướng đột ngột. Vật liệu in 3D nhựa PLA được lựa chọn để chế tạo khung và vỏ robot nhờ ưu điểm nhẹ, dễ gia công và chi phí hợp lý. Quá trình thiết kế bao gồm việc lựa chọn bánh xe đa hướng phù hợp, tính toán và chọn động cơ DC giảm tốc có encoder để cung cấp đủ mô-men xoắn và phản hồi tốc độ chính xác. Cụ thể, dựa trên giả định trọng lượng robot khoảng 5.5 kg (bao gồm tải), mô-men xoắn yêu cầu cho mỗi động cơ được tính toán là khoảng 1.47 Nm để tránh trượt. Dựa trên tính toán này, động cơ giảm tốc DC JGB37-545 được chọn. Khung xe được thiết kế hai tầng: tầng dưới để gắn ba động cơ và mạch điều khiển động cơ, tầng trên để đặt vi điều khiển, nguồn và các module cảm biến. Thiết kế này giúp phân bổ trọng lượng đồng đều và dễ dàng cho việc đi dây, bảo trì.

3.1. Tính toán và lựa chọn động cơ DC giảm tốc có encoder

Việc lựa chọn động cơ là cực kỳ quan trọng, quyết định khả năng vận hành của robot. Các yếu tố cần xem xét bao gồm tốc độ tối đa và mô-men xoắn yêu cầu. Giả sử tốc độ tối đa mong muốn của robot là 0.5 m/s, tốc độ quay cần thiết của động cơ được tính toán dựa trên đường kính bánh xe (78mm). Về mô-men xoắn, cần phải thắng được lực ma sát và tạo ra gia tốc cho robot. Dựa trên phân tích lực, với trọng lượng robot và tải giả định là 5.5 kg và hệ số ma sát 0.7, mô-men xoắn tối thiểu cho mỗi động cơ là 1.47 Nm. Động cơ giảm tốc DC JGB37-545 với hộp số 30:1, mô-men xoắn định mức 2.5 kg.cm và mô-men xoắn tối đa 15 kg.cm đã được chọn. Quan trọng hơn, động cơ này tích hợp encoder 480 xung/vòng, cung cấp phản hồi tốc độ chính xác cho bộ điều khiển PID.

3.2. Thiết kế khung gầm robot hai tầng và vỏ bảo vệ

Khung gầm của robot di động đa hướng được thiết kế gồm hai mặt đế tròn bằng nhựa PLA. Mặt đế dưới có đường kính 350mm, được khoét ba rãnh lớn để lắp bánh xe và động cơ. Thiết kế này đảm bảo các bánh xe có đủ không gian hoạt động và giữ cho trọng tâm robot ở mức thấp nhất có thể. Mặt đế trên nhỏ hơn, dùng để lắp đặt các linh kiện điện tử. Hai mặt đế được kết nối với nhau bằng các trụ đồng lục giác M3 dài 50mm, tạo ra một không gian đủ rộng để chứa động cơ và mạch điều khiển. Vỏ bảo vệ cũng được in 3D, thiết kế vừa vặn với mặt đế dưới và có chiều cao đủ để che chắn toàn bộ hệ thống điện tử bên trong, đồng thời có các khe cắm cho công tắc và giúp robot có ngoại hình bắt mắt hơn.

IV. Bí Quyết Xây Dựng Hệ Thống Điện và Thuật Toán Điều Khiển

Hệ thống điện và điều khiển là bộ não của robot di động đa hướng, quyết định độ chính xác và ổn định trong vận hành. Trung tâm của hệ thống là vi điều khiển, có nhiệm vụ nhận lệnh từ người dùng, xử lý các thuật toán điều khiển và gửi tín hiệu đến các cơ cấu chấp hành. Trong dự án này, Vietduino Mega 2560 được chọn làm vi điều khiển chính. Đây là một phiên bản cải tiến của Arduino Mega 2560, với ưu điểm về mạch nguồn ổn định hơn (dải điện áp rộng 6-24VDC), sử dụng IC giao tiếp USB CP2102 bền bỉ và có khả năng cách ly nguồn USB, bảo vệ an toàn cho máy tính người dùng. Để giao tiếp không dây với điện thoại, module Bluetooth HC-05 được sử dụng, cho phép truyền và nhận dữ liệu qua giao thức UART. Trái tim của hệ thống điều khiển chuyển động là bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative). Thuật toán này được cài đặt để điều chỉnh tốc độ của từng động cơ. Nó liên tục so sánh tốc độ thực tế (đọc từ encoder) với tốc độ mong muốn (tính từ ma trận động học ngược) và điều chỉnh độ rộng xung PWM cấp cho driver động cơ để giảm thiểu sai số. Việc tinh chỉnh các tham số P, I, D là một quá trình quan trọng để đạt được phản ứng nhanh, ổn định và không có vọt lố.

4.1. Lựa chọn vi điều khiển Vietduino Mega 2560 và module Bluetooth

Sự lựa chọn Vietduino Mega 2560 thay vì Arduino Mega 2560 tiêu chuẩn mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Mạch nguồn chuyển đổi (switched-mode) tích hợp cho phép cấp nguồn từ 6 đến 24VDC với hiệu suất cao và có bảo vệ ngắn mạch. Điều này rất quan trọng khi robot sử dụng pin có điện áp thay đổi. IC USB-to-UART CP2102 chính hãng đảm bảo kết nối ổn định và bền bỉ hơn so với chip Atmega16U2 trên bo mạch Arduino gốc. Về giao tiếp, module Bluetooth HC-05 là một lựa chọn phổ biến và đáng tin cậy. Nó hoạt động như một cầu nối UART không dây, dễ dàng kết nối với vi điều khiển và các ứng dụng di động được xây dựng trên nền tảng như MIT App Inventor 2.

4.2. Triển khai bộ điều khiển PID cho từng động cơ độc lập

Để robot di chuyển chính xác theo quỹ đạo, tốc độ của cả ba động cơ phải được kiểm soát chặt chẽ. Bộ điều khiển PID được triển khai cho mỗi động cơ. Tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển là sai số e(t) giữa tốc độ đặt (setpoint) và tốc độ thực tế đo từ encoder. Tín hiệu đầu ra là giá trị PWM điều khiển driver động cơ BTS7960. Thành phần P (Proportional) tạo ra một lực điều khiển tỉ lệ với sai số hiện tại, giúp phản ứng nhanh. Thành phần I (Integral) tích lũy sai số theo thời gian, giúp triệt tiêu sai số xác lập (steady-state error). Thành phần D (Derivative) phản ứng với tốc độ thay đổi của sai số, giúp giảm vọt lố và tăng độ ổn định. Việc tinh chỉnh các hệ số Kp, Ki, Kd là một quá trình thực nghiệm để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

V. Cách Kiểm Tra và Đánh Giá Hiệu Năng Vận Hành Của Robot

Sau khi hoàn tất thiết kế và lắp ráp, giai đoạn kiểm tra và đánh giá đóng vai trò quyết định để xác nhận hiệu quả của các giải pháp đã triển khai. Quá trình này được chia thành hai phần chính: kiểm tra điều khiển thủ công và kiểm tra điều khiển tự động. Điều khiển thủ công được thực hiện thông qua một ứng dụng di động được thiết kế bằng MIT App Inventor 2, kết nối với robot qua Bluetooth. Các bài kiểm tra này nhằm xác nhận khả năng đáp ứng tức thời của robot với lệnh của người dùng theo 8 hướng cơ bản, đồng thời đánh giá độ chính xác khi di chuyển thẳng. Kết quả cho thấy sai lệch góc khi di chuyển thẳng về phía trước và phía sau là rất nhỏ, trung bình dưới 1 độ. Sai lệch khi di chuyển sang ngang lớn hơn một chút nhưng vẫn trong giới hạn chấp nhận được. Giai đoạn kiểm tra điều khiển tự động phức tạp hơn, yêu cầu robot tự di chuyển theo các quỹ đạo được lập trình sẵn như hình vuông, hình tam giác đều và hình tròn. Mục tiêu là đánh giá độ chính xác bám quỹ đạo của robot di động đa hướng và hiệu quả của bộ điều khiển PID. Các sai số về vị trí và góc được ghi lại để phân tích và tinh chỉnh thêm thuật toán điều khiển.

5.1. Kết quả thử nghiệm điều khiển robot bằng ứng dụng di động

Ứng dụng di động được tạo bằng MIT App Inventor 2 cung cấp một giao diện trực quan để gửi lệnh điều khiển đến robot. Các bài kiểm tra chuyển động thẳng theo bốn hướng chính (tiến, lùi, trái, phải) được thực hiện. Kết quả từ Bảng 4.3 đến 4.6 trong tài liệu gốc cho thấy độ lệch góc trung bình khi robot di chuyển thẳng về phía trước (90 độ) là 0.725 độ, và lùi (270 độ) là 0.775 độ. Độ lệch khi di chuyển sang phải (0 độ) là 1.8 độ và sang trái (180 độ) là 1.6 độ. Những con số này chứng tỏ hệ thống điều khiển cơ bản hoạt động tốt, giữ cho robot đi thẳng với sai số thấp, đặc biệt là theo trục dọc.

5.2. Phân tích sai số khi robot di chuyển theo quỹ đạo tự động

Các bài kiểm tra tự động là thước đo chính xác nhất về hiệu năng của hệ thống. Khi di chuyển theo quỹ đạo hình vuông 900x900 mm, sai số vị trí trung bình là 31.3 mm và sai số góc trung bình là 2.875 độ. Đối với quỹ đạo tam giác đều cạnh 900 mm, sai số vị trí trung bình là 46.1 mm và sai số góc là 3.75 độ. Cuối cùng, với quỹ đạo tròn đường kính 900 mm, sai số trung bình là 42.6 mm. Các kết quả này cho thấy bộ điều khiển PID và mô hình động học đã hoạt động tương đối hiệu quả, tuy nhiên vẫn còn sai số tích lũy do các yếu tố như độ trượt của bánh xe, sự không hoàn hảo của bề mặt di chuyển và sai số trong khâu đo lường. Đây là những điểm có thể được cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Phát Triển Của Robot Đa Hướng

Dự án "Thiết Kế & Thực Thi Robot Di Động Đa Hướng" đã đạt được mục tiêu đề ra là chế tạo thành công một mô hình robot hoàn chỉnh có khả năng di chuyển linh hoạt theo mọi hướng. Dự án đã áp dụng thành công các kiến thức về cơ khí, điện tử và lập trình điều khiển, từ việc xây dựng mô hình động học và động lực học robot, lựa chọn linh kiện phù hợp, cho đến triển khai bộ điều khiển PID để ổn định tốc độ động cơ. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có khả năng di chuyển chính xác trong cả chế độ điều khiển thủ công và tự động bám theo các quỹ đạo cơ bản. Các sai số ghi nhận được là cơ sở quan trọng để đánh giá hiệu năng và định hướng các cải tiến trong tương lai. Sự thành công của dự án này không chỉ là một sản phẩm học thuật mà còn mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng thực tiễn. Robot di động đa hướng có thể được phát triển thành các robot dịch vụ trong bệnh viện, khách sạn, robot vận chuyển hàng hóa tự động trong nhà kho thông minh (AGV), hoặc thậm chí là nền tảng cho các hệ thống giám sát an ninh di động. Để thương mại hóa, các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện độ chính xác, tích hợp thêm các cảm biến cao cấp hơn như LiDAR, camera để robot có khả năng tự định vị và lập bản đồ (SLAM), và phát triển các thuật toán lập kế hoạch đường đi thông minh hơn.

6.1. Tóm tắt những thành tựu chính đã đạt được trong dự án

Dự án đã hoàn thành các mục tiêu cốt lõi. Thứ nhất, đã thiết kế và chế tạo thành công một khung cơ khí cho robot di động đa hướng 3 bánh ổn định và tối ưu. Thứ hai, đã xây dựng được mô hình toán học bao gồm cả động học thuận và động học ngược, làm cơ sở cho việc điều khiển. Thứ ba, đã triển khai thành công bộ điều khiển PID trên vi điều khiển Vietduino Mega 2560 để điều khiển chính xác tốc độ của từng động cơ dựa trên tín hiệu từ encoder. Cuối cùng, đã phát triển một ứng dụng di động để điều khiển robot từ xa qua Bluetooth, đồng thời lập trình thành công các chế độ di chuyển tự động theo quỹ đạo định trước. Đây là một hệ thống hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm.

6.2. Hướng nghiên cứu và cải tiến tiềm năng trong tương lai

Mặc dù dự án đã thành công, vẫn còn nhiều hướng để cải tiến và phát triển. Về phần cứng, có thể nâng cấp động cơ và driver để tăng tải trọng và tốc độ. Về thuật toán, có thể nghiên cứu các bộ điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc điều khiển thích nghi để đối phó tốt hơn với sự thay đổi của tải trọng và bề mặt di chuyển. Hướng phát triển quan trọng nhất là tích hợp các cảm biến môi trường như LiDAR hoặc camera 3D để robot có khả năng tự động hóa cao hơn. Việc áp dụng các thuật toán SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) sẽ cho phép robot tự xây dựng bản đồ không gian và xác định vị trí của mình trong đó, mở ra khả năng hoạt động hoàn toàn tự율 trong các môi trường phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT MECHATRONICS ENGINEERING DESIGN AND IMPLEMENTATION OF OMNIDIRECTIONAL MOBILE ROBOT LECTURER: TRAN VI DO, PH. STUDENT: NGUYEN DINH THIEN AN SKL010427 Ho Chi Minh City, February 2023 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT DESIGN AND IMPLEMENTATION OF OMNIDIRECTIONAL MOBILE ROBOT Author: NGUYỄN ĐÌNH THIÊN ÂN Student ID: 18146005 Major: MECHATRONICS ENGINEERING Advisor: TRẦN VI ĐÔ, PH. Ho Chi Minh City, February 18th 2023 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT DESIGN AND IMPLEMENTATION OF OMNIDIRECTIONAL MOBILE ROBOT Author: NGUYỄN ĐÌNH THIÊN ÂN Student ID: 18146005 Major: MECHATRONICS ENGINEERING Advisor: TRẦN VI ĐÔ, PH. Ho Chi Minh City, February 18th 2023 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, February 10th, 2023 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: NGUYỄN ĐÌNH THIÊN ÂN Student ID: 18146005 Student name: __________________________ Student ID: ___________________ Student name: __________________________ Student ID: ___________________ Major: Mechatronics Engineering Class: 18146CLA3 Advisor: TRẦN VI ĐÔ PH.

Phone number: 0866408284 Date of assignment: _____________________ Date of submission: _____________ 1. Project title: Design and implementation of Omnidirectional Mobile Robot 2. Initial materials provided by the advisor: ___________________________________ 3. Content of the project: - Calculation of vehicle kinematics and dynamics.

- Design a PID controller for precise motion control. - Simple path planning for automatic control. Final product: - An Omnidirectional Mobile robot. - An app on phone to control the robot.

- A project report and PowerPoint slide. CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) i THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, February 10th, 2023 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: NGUYỄN ĐÌNH THIÊN ÂN Student ID: 18146005 Student name:. Major: MECHATRONICS ENGINEERING Project title: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF OMNIDIRECTIONAL MOBILE ROBOT. Advisor: TRẦN VI ĐÔ, PH.

Content of the project:. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) th Ho Chi Minh City, February 10 , 2023. ADVISOR (Sign with full name) ii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, February 18th, 2023 EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: NGUYỄN ĐÌNH THIÊN ÂN Student ID: 18146005 Student name:. Major: MECHATRONICS ENGINEERING Project title: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF OMNIDIRECTIONAL MOBILE ROBOT.

Name of Defense Committee Member:. Content and workload of the project: .) th Ho Chi Minh City, February 18 , 2023. COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) iii ACKNOWLEDGEMENT Graduation project is the one final subject in to evaluate the students’ ability before entering the professional environment. This project helps me to synthesize all the knowledge I have learned in during the last 4 years, at the same time, strengthen my ability to solve problems which could provide lots of advantages in the future.

The project is considered as the very first work of each student upon graduation, it requires the students to make unremitting efforts and perseverance to overcome difficulties and challenges. To be able to complete this project, first, I would like to express my gratitude towards family, those who have been not just material but also mental support, for always encouraging and accompanying me in the most challenging times. I would like to offer my special thanks to PhD. Trần Vi Đô, for not just giving valuable advice but also for accepting my appeal to become my advisor even though not being a lecturer of the Mechatronics faculty.

Also, I would express my appreciate to all the teachers who had guide me in any projects I had made. And finally, I am particularly grateful to friends at Real Time Robotics Inc., for sharing experience of their own. Although spending much effort to finish the project, due to the lack of time and experience, mistakes are inevitable. I hope teachers to ignore and guide more so that the topic can be better and more completed.

iv ABSTRACT Over the past few years, the world has witnessed amazing development in the field of science and technology by transferring most of human resources to machines, especially robots. Robots are today’s world icon of modernity, and above all, mobile robots are more referable. However, most traditional designs of the mobile robot do not allow the robots to perform holonomic movement. Thus, omnidirectional mobile robots are introduced with new type of design as well as using unique wheels so that the vehicle can avoid blocking obstacle more comfortably.

In this project, the author provides some methods to calculate and design of an omnidirectional mobile robot so that it can move and be controlled easily in any directions through a mobile phone. v TABLE OF CONTENTS GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT. i ADVISOR'S EVALUATION SHEET. ii EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER.

v TABLE OF CONTENTS. vi LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES. x LIST OF ABBREVIATIONS.

Overview of robot. Overview of mobile robot. Omnidirectional mobile robot overview. Recent research on omnidirectional mobile robot.

Goal of the project. Kinematics of generalized wheel model. Kinematics of 3-omni-wheel mobile robot. Mobile robot dynamics.

3-wheel omnidirectional mobile robot dynamics. DESIGN AND COMPONENTS SELECTION. Omni wheel and motor selection. Design robot base.

Electrical system design. Power source and DC-to-DC converter. Introduction about MIT App Inventor 2. App design on MIT App Inventor 2.

PID for motor controller. Manual control testing. Automatic control testing. Evaluation on experiment result.62 vii LIST OF FIGURES Figure 1.1 : Robot arms that are being used in industries .2 : Weston’s Disinfecting Mobile Robot used during COVID-19 pandemic [2] .3 : Agema Unmanned Ground Vehicle, United Arab Emirates [3] .4 : Boston Dynamics’ Atlas going viral thanks to its human-like motion [4] .5 : Different types of omni wheel available on the market.

Grabowiecki’s first design of the omnidirectional wheel [7] .7 : An example of mecanum wheel design [8] .8 : Stanford’s omnidirectional wheelchair concept in 1982 [9] .9 : GoliathCNC could be an evolution to CNC industry [10] .10: A Sekizli omnidirectional forklift .1 : Basic motion comparison between two common types of OMR .2 : Force analysis on a general omnidirectional wheel (1).3 : Force analysis on a general omnidirectional wheel (2).4 : Force analysis on the vehicle (base) frame .5 : Generalizing a 3-wheel OMR model .6 : Dynamics analysis of a general mobile robot .7 : Dynamics analysis of 3-wheel OMR .1 : Hardware design overview diagram .2 : 78mm omnidirectional wheel.3 : Omni wheel hub .4 : Way to install an omnidirectional wheel to motors .5 : Force analyzing on single wheel .6 : JGB37-545 DC geared motor .7 : 37 mm DC geared motor mounting bracket.8 : Lower base design .9 : Upper base design .10: M3 50mm brass hexagonal .11: Assembly of the two bases .12: Cover design – the body (1) .13: Cover design - the body (2).14: Cover design – the cap (1) .15: Cover design – the cap (2) .16: Complete design of the cover (1) .17: Complete design of the cover (2) .18: Complete design of the cover (3) .20: HC-05 Bluetooth module.21: BTS7960 motor driver.22: 18650 Panasonic battery cell (up) and 9V battery.23: DC-to-DC converter.24: MIT App Inventor 2 homepage.1 : Flow diagram for vehicle controlling.2 : An example of a PID controller.3 : The effect of P term.4 : The effect of I term.5 : The effect of D term.6 : Discrete PID controller for motor speed.3 : PID for 90 degrees forward motion.4 : PID for 270 degrees backward motion.5 : PID for 0 degrees to the right.6 : PID for 180 degrees to the left.7 : PID for square path.8 : PID for equilateral triangle path.9 : PID for circular path. 57 ix LIST OF TABLES Table 2.1 : Comparison between 3-wheel and 4-wheel OMR design [11].1 : 78mm omnidirectional wheel specifications.2 : Omni wheel hub specifications.4 : Lower base specifications.5 : Upper base specifications.6 : Brass hexagonal specifications.7 : Cover’s body specifications.8 : Cover’s cap specifications.9 : Vietduino Mega 2560 specifications.10 : HC-05 Bluetooth module specifications.11 : Basic AT Commands for setting up HC-05.12 : BTS7960 motor driver specifications.1 : Angular velocity setpoint for some motions.2 : PID values chosen.3 : Angle deviation when robot moves forward.4 : Angle deviation when robot moves backward.5 : Angle deviation when robot moves right.6 : Angle deviation when robot moves left.7 : Angular velocity setpoint for some motions.8 : 900x900 mm square path error.9 : 900x900 mm square path phases’ error.10 : Equilateral triangle path (900 x 900 x 900 mm) error.11 : 900x900 mm triangle path phases’ error.12 : Circular path (∅900mm) error x LIST OF ABBREVIATIONS OMR Omnidirectional mobile robot AMR Autonomous mobile robot w. With respect to UGV Unmanned Ground Vehicles AUV Autonomous Underwater Vehicles DOF Degree of freedom PID Proportional, Integral and Derivative xi Chapter I. Overview of robot The term Robot derives from the Czech word Robota, used in Karel Čapek’s play Romans Universal Robot in 1920, which related to “force labour” or “serf”.

And as it means, the robots in the play were manufactured human, then being exploited by the owners [1]. According to Robot Institute of America (1979), A Robot is a programmable, multifunctional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks. As robotics manufacturers continue to innovate in features, pricing, and form factors, robotics solutions are being implemented in an increasing number of industries and applications. Advances in computing power and AI capabilities have enabled robots to be used in a variety of ways to achieve important objectives.

Robots can be divided into two groups: those that move around their environment and those that do not.1: Robot arms that are being used in industries. Overview of mobile robot In today’s world, factories have been increased rapidly which led to the demanding of intelligent types of machines controlled and supervised from distance to fulfil various tasks, especially in transporting from one place to another. This kind of machine called mobile robot. A mobile robot is controlled by software that uses multiples sensors to identify or assist a specific task and moves around the area that are dangerous to a human being.2: Weston’s Disinfecting Mobile Robot used during COVID-19 pandemic [2].

Recently, due to the outspread of COVID-19, social distance has become the cause of rapid rising of mobile robot needs, from Autonomous Mobile Robots (AMRs) that used in distribution centres, cleaning and disinfection, healthcare to security applications, even in military. Using mobile robots is also currently a trend in building smart and convenience environment in the modern world, thus, many companies and corporations have been and are improving and developing their own mobile robots that meet some specific needs. Mobile robots can be classified by the environment they are used in: - Polar robots – used on icing surface. 2 - Aerial robots – used on the air.

- Unmanned Ground Vehicles (UGVs) – used on normal ground. - Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) – used underwater.3: Agema Unmanned Ground Vehicle, United Arab Emirates [3]. Or the robot moves: - Robot using wheels. - Robot using tracks and treads.

- Robot using legs (human-like or animal-like legs).4: Boston Dynamics’ Atlas going viral thanks to its human- like motion [4]. Omnidirectional mobile robot overview 1. Omnidirectional wheel Currently, mobile robots are mostly designed on wheels to achieve mobility. The use of wheels is more energy efficient on hard and smooth surfaces comparing to the legged and treads [5 - 6].

The most popular wheeled mobile robot uses two independent fixed driving wheels with two degree-of-freedom (DOF) including rotation around the wheel axle and around its contact point with the ground.