Đồ án chuyên ngành cơ điện tử me4071 hk231 đề tài robot phân phối hàng hóa theo màu sắc

Đồ án cơ điện tử ME4071 HK231 nghiên cứu robot phân phối hàng hóa theo màu sắc, ứng dụng trong tự động hóa và tối ưu quy trình logistics.

• Tác giả: Trương Giới Vĩnh Khang
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Tường Quân
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Robot Phân Phối Hàng Hóa Theo Màu Sắc
• Loại tài liệu: Đồ án chuyên ngành
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot Phân Phối Hàng Hóa Theo Màu Sắc

Robot phân phối hàng hóa theo màu sắc là một hệ thống tự động tiên tiến được phát triển tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. Đây là một đồ án cơ điện tử kết hợp các ngành khoa học như cơ khí, điện tử và lập trình nhúng. Robot này có khả năng nhận diện và phân loại hàng hóa dựa trên màu sắc của chúng, sau đó di chuyển và phân phối chúng đến các vị trí chỉ định trên sa bàn. Ứng dụng của robot này rất rộng rãi trong các lĩnh vực logistics, kho bãi, và sản xuất công nghiệp. Việc phát triển robot phân phối tự động giúp tối ưu hóa quy trình làm việc, giảm chi phí lao động và tăng hiệu suất công việc. Các thành phần chính bao gồm cảm biến dò line, cảm biến phát hiện màu sắc, động cơ DC, vi điều khiển, và các mạch điều khiển chuyên dụng.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản

Nguyên lý hoạt động của robot dựa trên ba bước chính: phát hiện đường dò bằng cảm biến line, nhận diện màu sắc hàng hóa thông qua cảm biến TCS3200, và điều khiển động cơ DC để di chuyển robot đến nơi phân phối. Robot sử dụng thuật toán điều khiển để duy trì chuyển động ổn định trên đường dò và thực hiện các lệnh phân phối chính xác.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn

Trong thực tế, robot phân phối được áp dụng trong các nhà máy, kho bãi và trung tâm phân phối hàng hóa. Nó giúp tự động hóa quy trình phân loại và vận chuyển hàng hóa, đặc biệt hữu ích khi cần xử lý lượng lớn sản phẩm với các loại khác nhau.

II. Lựa Chọn Phương Án Kỹ Thuật

Quá trình lựa chọn phương án đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng giữa các yêu cầu thiết kế, khả năng năng, chi phí và tính khả thi. Nhóm thiết kế đã phân tích chi tiết các thông số kỹ thuật cần thiết cho hệ thống robot phân phối. Các yếu tố chính cần xem xét bao gồm kết cấu xe, loại bánh xe phù hợp, lựa chọn cảm biến dò line chính xác, và hệ thống điều khiển điện tử. Mỗi thành phần được lựa chọn dựa trên tiêu chí hiệu suất, độ tin cậy, chi phí và sự tương thích với các thành phần khác. Cảm biến màu sắc TCS3200 được chọn vì độ chính xác cao trong phát hiện các sắc thái khác nhau. Vi điều khiển được lựa chọn có khả năng xử lý nhanh và tích hợp đầy đủ các giao diện cần thiết.

2.1. Lựa Chọn Kết Cấu và Bánh Xe

Kết cấu xe được thiết kế với hai bánh xe chính và một bánh hỗ trợ (bánh castor) để đảm bảo cân bằng. Loại bánh xe cố định được chọn cho các bánh chính vì tính ổn định và dễ điều khiển. Các thông số kích thước xe được tính toán để phù hợp với sa bàn thí nghiệm.

2.2. Lựa Chọn Thiết Bị Điện Tử

Cảm biến dò line TCRT5000 được lựa chọn vì độ nhạy cao và kích thước nhỏ gọn. Driver TB6612 điều khiển động cơ DC với hiệu suất tốt. Vi điều khiển STM32 xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển toàn bộ hệ thống với tốc độ cao.

III. Thiết Kế Cơ Khí và Hệ Thống Điện

Thiết kế cơ khí là nền tảng của toàn bộ hệ thống, đảm bảo robot có thể hoạt động ổn định và hiệu quả. Các bước thiết kế bao gồm tính toán kích thước xe, lựa chọn động cơ DC phù hợp với công suất cần thiết, và xác định dung sai gia công để đảm bảo độ chính xác. Mô hình 3D của robot được xây dựng để kiểm tra tính khả thi và tối ưu hóa không gian. Hệ thống điện bao gồm mạch cảm biến để xử lý tín hiệu từ các cảm biến dò line và màu sắc, mạch hạ áp để cấp điện ổn định cho các thành phần, mạch cách ly để bảo vệ các linh kiện yếu. Tính toán nguồn điện được thực hiện để xác định dung lượng pin Li-ion cần thiết cho thời gian hoạt động đủ dài.

3.1. Tính Toán Động Cơ và Kích Thước

Tính toán động cơ dựa trên công suất cần thiết để kéo khối lượng robot trên sa bàn. Động cơ DC có chổi than được chọn vì độ tin cậy cao và dễ điều khiển. Các thông số như mô-men xoắn, tốc độ quay, và dòng điện được tính toán chi tiết để đảm bảo robot có thể vận hành ổn định.

3.2. Thiết Kế Mạch Điều Khiển

Mạch điều khiển được thiết kế để xử lý tín hiệu từ cảm biến TCRT5000 và cảm biến TCS3200. Calib cảm biến được thực hiện để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu nhập. Mạch tổng tích hợp tất cả các thành phần điện tử với các kết nối an toàn và hiệu quả.

IV. Mô Hình Hóa Điều Khiển và Kết Quả Thực Nghiệm

Mô hình hóa robot bao gồm mô hình hóa động học để mô tả chuyển động của robot trong không gian 2D, và mô hình hóa động cơ để hiểu rõ hành vi của các động cơ DC dưới các điều kiện khác nhau. Bài toán bám line được giải quyết thông qua các thuật toán điều khiển tinh vi, sử dụng phản hồi từ cảm biến dò line để điều chỉnh tốc độ và hướng của robot. Lưu đồ giải thuật chi tiết được xây dựng để hướng dẫn hành động của robot từ bước khởi động đến hoàn thành nhiệm vụ phân phối. Mô phỏng động học trên máy tính giúp xác thực tính đúng đắn của thuật toán trước khi thực nghiệm trên thực tế. Thực nghiệm trên sa bàn được tiến hành để đánh giá hiệu suất thực tế của robot, kiểm tra độ chính xác của phân loại màu sắc, độ ổn định của chuyển động dò line, và thời gian xử lý của hệ thống điều khiển.

4.1. Thuật Toán Điều Khiển Bám Line

Thuật toán điều khiển bám line sử dụng phương pháp PID để điều chỉnh tốc độ quay của các động cơ DC dựa trên vị trí hiện tại của robot trên đường dò. Lưu đồ giải thuật chuyển chuyển động của cảm biến thành lệnh điều khiển động cơ một cách thời gian thực, đảm bảo robot luôn bám theo đường dò chính xác.

4.2. Kết Quả Thực Nghiệm và Đánh Giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy robot có thể dò line với độ chính xác cao, phát hiện màu sắc chính xác lên tới 95%, và hoàn thành nhiệm vụ phân phối trong thời gian yêu cầu. Nhận xét tổng thể cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu đề tài đề ra.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Sơ lược về robot dò line 1. Giới thiệu Robot dò line là một loại robot được thiết kế đặc biệt để di chuyển dọc theo đường line hoặc đường viền có màu sắc hoặc đặc điểm đặc trưng. Đây là một loại robot tự động hóa được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Cấu trúc Robot dò line thường được trang bị bánh xe hoặc bánh răng để di chuyển trên mặt đất hoặc bề mặt phẳng. Chúng có các cảm biến quang học hoặc cảm biến hồng ngoại để phát hiện đường line hoặc đặc điểm trên đường, và có thể có các cảm biến khác để theo dõi môi trường xung quanh. Để điều khiển, robot thường được trang bị vi xử lý hoặc vi điều khiển, cùng với các thiết bị điều khiển như motor để điều chỉnh tốc độ và hướng di chuyển. Nguyên lý hoạt động Robot dò line hoạt động bằng cách sử dụng cảm biến để quét và phát hiện màu sắc hoặc đặc điểm trên đường line.

Khi robot nhận biết đường line, nó sẽ điều chỉnh hướng di chuyển của mình để duy trì trên đường line bằng cách điều khiển bánh xe hoặc bánh răng. Nếu robot mất đường hoặc gặp rào cản, nó có thể sử dụng thuật toán điều chỉnh để tìm lại đường hoặc tránh vật cản. Một số mô hình xe Robot dò line ❖ Robot TurtleBot4: 20 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân + Sơ đồ nguyên lý: (a) (b) Hình 1.(a) Robot TurtleBot4; (b) Sơ đồ nguyên lý Robot TurtleBot4 + Cấu trúc: Gồm 3 bánh, trong đó có 2 bánh dẫn động phía sau, 1 bánh tự lựa phía trước Tốc độ tối đa 0.31 (m/s) Tải trọng tối đa 4-5 kg Kích thước 341x339 mm ❖ Robot Chassis: + Sơ đồ nguyên lý: 21 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS.

Võ Tường Quân (a) (b) Hình 1.(a) Kích thước Robot Chassis; (b) Robot Chassis; (c) Sơ đồ nguyên lý Robot Chassis + Cấu trúc: Gồm 3 bánh sử dụng hệ thống lái đồng bộ (Syncho Drive) bao gồm 2 động cơ, 3 bánh trong đó khi một động cơ quay thì tất cả các bánh đều sẽ đổi hướng. Tốc độ tối đa 1 (m/s) Tải trọng tối đa 10 kg Kích thước 280x170 mm - Robot Pinto của đội Grant tại cuộc thi LVBolts Line Following 4/2015: + Sơ đồ nguyên lý: 22 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân (a) (b) Hình 1.(a) Robot Pinto; (b) Sơ đồ nguyên lý Robot Pinto + Cấu trúc: Xe gồm 3 bánh, trong đó có 2 bánh phía trước vừa dẫn động vừa dẫn hướng, 1 bánh castor phía sau Tốc độ tối đa 0.(a) Robot Khepera IV; (b) Sơ đồ nguyên lý Robot Khepera IV + Cấu trúc: Gồm 4 bánh, trong đó có 2 bánh dẫn hướng và 2 bánh mắt trâu dẫn hướng. Xe chuyển động, thay đổi hướng dựa vào việc điều khiển tốc độ quay tương đối của các bánh xe.

Tốc độ tối đa 1 (m/s) Tải trọng tối đa 2 kg Kích thước 140x58 ❖ OMRON ROBOT 23 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân (a) (b) Hình 1.(a) Robot OMRON; (b) Sơ đồ nguyên lý Robot OMRON + Cấu trúc: Gồm 4 bánh, trong đó có 2 bánh dẫn hướng và 2 bánh mắt trâu dẫn hướng. Xe chuyển động, thay đổi hướng dựa vào việc điều khiển tốc độ quay tương đối của các bánh xe.(a) Robot Thouzer; (b) Sơ đồ nguyên lý Robot Thouzer 24 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân + Cấu trúc: Đây là robot 4 bánh sử dụng hệ thống lái 2 bánh dựa trên hệ thống lái Ackerman được đặt trên 2 bánh ở phía trước robot.

Nó chuyển động dựa vào việc điều khiển tốc độ quay tương đối của các bánh xe, 2 bánh phía trước do một cùng động cơ khác đảm nhiệm giữ vai trò điều hướng cho robot.9 (m/s) Tải trọng tối đa 100 kg Kích thước 600x900x900 1. Đầu bài thiết kế Dựa vào các phân tích trên các robot dò line trên, yêu cầu đề bài được đặt ra như sau: ● Vận tốc dự kiến của robot: v = 0.4 m/s ● Tải trọng của robot: m = 4 kg ● Bán kính cong nhỏ nhất: ρmin = 500 mm ● Sai số bám line lớn nhất: e max = ± 5 mm Hình 1. Sơ đồ sa bàn cho robot phân phối hàng hóa theo màu sắc 25 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.

Lựa chọn kết cấu xe ❖ Một số yêu cầu cho đặc điểm của xe robot dò line cần thiết kế: ● Kích thước nhỏ gọn, kết cấu không quá phức tạp. ● Xe vào cua không bị lật. ● Xe bám line tốt, di chuyển trên địa hình bằng phẳng không có dốc. ● Khả năng tải trọng tối thiểu 2 kg (để tải vật cần phân loại màu sắc) ● Đảm bảo di chuyển theo đúng lộ trình đề bài đặt ra: xe bắt đầu di chuyển từ vị trí “Bắt đầu”, tới khu vực tải hàng, xe dừng lại để nhận hàng được đặt lên bằng tay, sau đó chở hàng đến một trong hai vị trí ”Kết thúc” (đỏ hoặc xanh).

❖ Phân tích ưu nhược điểm của từng loại kết cấu cơ khí: Bảng 2. So sánh ưu, nhược điểm của các kết cấu cơ khí Tên Robot Ưu điểm Nhược điểm Robot TurtleBot4 - Kết cấu 3 bánh nhỏ - Khi vào cua gọn, đơn giản. dễ bị lật. - Mô hình toán đơn - Khả năng bám giản, dễ điều khiển.

- Cần đảm bảo 26 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân đồng trục giữa 2 bánh chủ động. - Không có khả năng chịu tải. Robot Chassis - Kết cấu cơ khí đơn - Khả năng vào giản.

cua kém do các bánh - Mô hình toán đơn trước và sau là bánh giản dễ điều khiển. - Bánh dẫn động đặt - Cần đảm bảo ngang trọng tâm của xe. đồng phẳng cho các bánh xe. - 2 bánh giữa chịu áp lực lớn do làm hai chức năng là dẫn động và dẫn hướng.

Robot Pinto - Kết cấu cơ khí đơn - Kết cấu cơ khí giản. - Robot di chuyển - Mô hình toán linh hoạt, đa hướng. - Khả năng vào cua - Không di tốt. chuyển được trên địa - Khả năng bám hình gồ ghề.

27 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân Robot Khepera IV - Kết cấu cơ khí đơn - Khả năng vào giản. cua kém do các bánh - Mô hình toán đơn trước và sau là bánh giản dễ điều khiển. - Bánh dẫn động đặt - Đảm bảo đồng ngang trọng tâm của xe.

phẳng cho các bánh xe. - 2 bánh giữa chịu áp lực lớn do làm hai chức năng là dẫn động và dẫn hướng. Robot OMRON - Kết cấu cơ khí đơn - Đảm bảo đồng giản. trục 2 bánh dẫn động.

- Khả năng vào cua - Đảm bảo đổng tốt. phẳng cho các bánh - Khả năng bám xe. - Mô hình toán - Kết cấu 4 bánh giúp phức tạp khó điều tăng khả năng tải. Robot Thouzer - Khả năng bám - Kết cấu cơ khí đường tốt.

- Khả năng vào cua - Mô hình toán tốt. phức tạp khó điều - Kết cấu 4 bánh giúp khiển. tăng khả năng tải. - Đảm bảo đồng phẳng giữa các bánh xe, đồng phẳng giữa 2 trục bánh xe trước và sau.

28 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân ❖ Phân tích ưu, nhược điểm về số bánh xe Bảng 2. So sánh ưu, nhược điểm của xe 3 bánh và xe 4 bánh Số bánh Ưu điểm Nhược điểm 3 bánh - Đảm bảo đồng - Khi vào cua dễ bị phẳng giữa các bánh xe. - Mô hình toán đơn - Khả năng bám giản, dễ điều khiển.

- Kết cấu cơ khí đơn - Cần đảm bảo đồng giản. trục giữa 2 bánh chủ động. 4 bánh - Khả năng bám - Kết cấu cơ khí và đường tốt. bài toán điều khiển phức - Khả năng vào cua tạp hơn 3 bánh.

- Phải đảm bảo đồng - Khi sử dụng vi sai, phẳng giữa các bánh và vấn đề đồng trục có thể bỏ đảm bảo đồng trục (nếu qua. không sử dụng bộ vi sai). Sau khi phân tích ưu, nhược điểm của từng loại kết cấu cơ khí mỗi xe, số bánh xe, kết hợp với những yêu cầu cần đảm bảo cho đặc điểm của xe, nhóm đã quyết định chọn kết cấu cơ khí có đặc điểm tương đồng với Robot Khepera IV : gồm 2 bánh chủ động dẫn hướng và 2 bánh bị động để giữ cân bằng cho xe. 29 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS.

Võ Tường Quân Hình 2. Kết cấu cơ khí được lựa chọn Lí do nhóm quyết định chọn kết cấu cơ khí này là: ● Tải trọng phân bố đều lên 4 bánh xe. ● Xe 4 bánh di chuyển bám đường tốt hơn, khó lật khi vào cua hơn xe 3 bánh. ● So với xe 4 bánh thì xe 3 bánh bị một nhược điểm là trọng tâm xe không nằm ngay giữa mà nằm lệch về phía sau xe.

Điều này sẽ dẫn đến việc khi tải nặng hoặc chạy ở tốc độ nhanh thì xe có khả năng bị lật ra phía sau. ● Với kết cấu 2 bánh chủ động có chức năng vừa dẫn động vừa dẫn hướng giúp đơn giản hóa giải thuật điều khiển. ● Đối với xe 4 bánh có 2 bánh dẫn động nằm sau và 2 bánh bị động nằm trước, thì kết cấu cơ khí của việc đặt 2 bánh xe chủ động ngang tâm sẽ lợi thế hơn so với 2 bánh sau vì trọng tâm luôn được đảm bảo cũng như không cần sử dụng hệ thống vi sai hoặc như hệ thống treo Ackerman để điều hướng. Lựa chọn loại bánh xe Có 2 loại bánh xe phổ biến đối với xe dò line là bánh thông thường và bánh đặc biệt.

❖ Đối với bánh thông thường: ● Bánh cố định (Fixed Wheel): có tâm và trục được gắn liền vào khung, chúng phải luôn đồng trục để đảm bảo luôn có 2 bậc tự do cho khung robot. 30 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS. Võ Tường Quân (a) (b) Hình 2. (a) Bánh lái, (b) Sơ đồ nguyên lý bánh lái 31 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK231 GVHD: PGS.

Võ Tường Quân ● Bánh Castor (Castor Wheel): loại bánh này thường sử dụng cho bánh phụ, nhưng chúng vẫn có thể là bánh lái và chuyển động xoay của chúng vẫn có thể được điều khiển. (a) Bánh castor, (b) Sơ đồ nguyên lý bánh castor ❖ Bánh đặc biệt: Những loại bánh này thường được sử dụng để di chuyển chủ động về một hướng và bị động về một hướng khác.