Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot phân phối hàng hoá theo màu sắc

Đồ án nghiên cứu thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot phân phối hàng hoá theo màu sắc, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Hồ Kiến An
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Robot phân phối hàng hoá theo màu sắc
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử
• Năm xuất bản: 2024
• 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 cơ điện tử tiên tiến được thiết kế để tự động phân loại và vận chuyển hàng hóa dựa trên đặc tính màu sắc. Đây là một ứng dụng thực tế của công nghệ hệ thống cơ điện tử trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Hệ thống này kết hợp các thành phần cơ khí, điện tử và lập trình để tạo ra một giải pháp toàn diện cho các nhà máy, kho hàng và trung tâm phân phối.

Dự án này được phát triển bởi sinh viên Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của các giảng viên chuyên nghiệp. Robot dò line nhận diện màu sắc có khả năng hoạt động độc lập, theo dõi đường đi được định sẵn và thực hiện phân loại hàng hóa với độ chính xác cao.

1.1. Định nghĩa và mục đích của hệ thống

Hệ thống cơ điện tử là sự kết hợp giữa cơ học, điện, và điều khiển tự động. Robot phân phối hàng hóa sử dụng các cảm biến quang điện, vi điều khiển, và động cơ DC để thực hiện nhiệm vụ phân loại. Mục đích chính là tối ưu hóa quá trình vận chuyển hàng hóa, giảm nhân công, tăng hiệu suất làm việc, và đảm bảo độ chính xác cao trong phân loại theo màu sắc. Hệ thống này có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo, logistics, và thương mại điện tử.

1.2. Ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp 4.0

Trong era Công nghiệp 4.0, robot tự động phân phối hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa chuỗi cung ứng. Hệ thống này có thể tích hợp với các hệ thống IoT để theo dõi và quản lý hàng hóa trong thời gian thực. Cảm biến nhận diện màu sắc cho phép phân loại đa dạng sản phẩm mà không cần can thiệp thủ công. Ứng dụng này giúp các doanh nghiệp giảm chi phí vận hành, tăng độ tin cậy, và cải thiện chất lượng dịch vụ khách hàng.

II. Cấu trúc thiết kế cơ điện tử của hệ thống

Thiết kế hệ thống cơ điện tử cho robot phân phối hàng hóa bao gồm ba phần chính: phần cơ khí, phần điện, và phần điều khiển. Phần cơ khí bao gồm khung xe, bánh xe, hệ thống truyền động, và cơ cấu nâng hạ hàng hóa. Phần điện gồm các cảm biến dò line, cảm biến nhận diện màu sắc, vi điều khiển, driver động cơ, và bộ nguồn. Phần điều khiển bao gồm các giải thuật điều khiển, lập trình vi điều khiển, và hệ thống xử lý tín hiệu. Sự tích hợp hài hòa của ba phần này tạo nên một hệ thống tự động hoàn chỉnh có khả năng hoạt động độc lập và hiệu quả.

2.1. Phần cơ khí Khung và hệ thống truyền động

Phần cơ khí của robot dò line được thiết kế với khung nhôm nhẹ nhưng bền vững. Bánh xe được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tỷ số truyền tối ưu và mô men quay đủ để di chuyển robot cùng hàng hóa. Động cơ DC được kết nối với hộp số để điều chỉnh tốc độ. Hệ thống này cho phép robot thực hiện bám line một cách chính xác và di chuyển với tốc độ kiểm soát được, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả hoạt động.

2.2. Hệ thống cảm biến và xử lý tín hiệu

Cảm biến quang điện được sắp xếp thành một mảng để dò line và định vị vị trí của robot trên đường chỉ định. Cảm biến nhận diện màu sắc sử dụng công nghệ quang học để phân biệt các màu sắc khác nhau trên hàng hóa. Vi điều khiển xử lý tín hiệu từ các cảm biến bằng các phương pháp trung bình trọng số hoặc nội suy bậc 2 để tăng độ chính xác. Các tín hiệu này sau đó được sử dụng để điều khiển động cơ và cơ cấu phân phối theo đúng yêu cầu.

III. Thiết kế điện và mạch điều khiển

Thiết kế mạch điện là một phần quan trọng trong hệ thống cơ điện tử của robot phân phối hàng hóa. Mạch điểu khiển bao gồm vi điều khiển chính (thường là ARM Cortex hoặc Microchip), driver động cơ (L298N hoặc tương đương), mạch cách ly để bảo vệ thiết bị điện tử, và mạch nguồn để cung cấp điện áp ổn định cho tất cả các thành phần. Thiết kế PCB được tối ưu hóa để giảm nhiễu, cải thiện độ tin cậy, và dễ lắp ráp. Hệ thống này được kiểm tra và calib cảm biến để đảm bảo độ chính xác cao trong phát hiện màu sắc và bám line.

3.1. Mạch cảm biến dò line và nhận diện màu sắc

Mạch cảm biến dò line sử dụng quang điện trở hoặc cảm biến quang học hiện đại để phát hiện sự khác biệt giữa đường line (thường là màu đen) và nền (thường là màu trắng). Mạch cảm biến màu sắc sử dụng camera RGB hoặc cảm biến TCS3200 để nhận diện chính xác các màu sắc. Mỗi cảm biến được kết nối với mạch điều hòa tín hiệu để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu digital phù hợp cho vi điều khiển.

3.2. Bộ điều khiển động cơ và nguồn điện

Driver động cơ (như L298N) kiểm soát hướng quay và tốc độ của động cơ DC bằng cách điều chỉnh điện áp và hướng dòng điện. Mạch giảm áp (LDO hoặc buck converter) cung cấp các điện áp khác nhau cho các thành phần khác nhau (5V cho logic, 12V cho động cơ). Tính toán công suất đảm bảo bộ pin hoặc nguồn cấp có đủ năng lượng để vận hành toàn bộ hệ thống trong thời gian dài.

IV. Lập trình điều khiển và thuật toán hoạt động

Lập trình vi điều khiển cho robot phân phối hàng hóa bao gồm các thuật toán điều khiển bám line, nhận diện màu sắc, và quản lý hoạt động tổng thể. Giải thuật bám line sử dụng phương pháp điều khiển proportional-integral-derivative (PID) để duy trì robot luôn theo đúng đường line. Thuật toán nhận diện màu sắc so sánh giá trị màu nhận được từ cảm biến với các giá trị chuẩn đã được calib để xác định loại hàng hóa. Lưu đồ giải thuật được thiết kế chi tiết để đảm bảo logic rõ ràng và dễ bảo trì. Hệ thống cũng được mô phỏng trước khi triển khai thực tế để kiểm tra tính khả thi.

4.1. Thuật toán bám line và điều khiển hướng

Giải thuật bám line xử lý dữ liệu từ mảng cảm biến quang điện để xác định sai lệch của robot so với line và điều chỉnh động cơ để bám line chính xác. Bộ điều khiển PID tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên sai số hiện tại, tích lũy sai số, và tốc độ thay đổi sai số. Thông qua lập trình và calib thích hợp, robot có thể theo dõi line với độ chính xác cao, ngay cả khi line có các ngoặc cong hoặc độ cong lớn.

4.2. Thuật toán nhận diện màu sắc và phân phối hàng hóa

Thuật toán nhận diện màu sắc đọc dữ liệu từ cảm biến màu và so sánh với các mẫu màu chuẩn được lưu trữ trong bộ nhớ của vi điều khiển. Khi phát hiện được màu sắc của hàng hóa, robot gửi tín hiệu điều khiển đến cơ cấu phân phối để đưa hàng vào khay tương ứng. Lưu đồ giải thuật chung tổ chức toàn bộ quá trình từ khởi động, bám line, nhận diện màu, cho đến phân phối hàng hóa một cách tuần tự và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU TỔNG QUAN 1. Mục đích thực hiện đồ án môn học 1. Mục đích của đồ án Thực hiện Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử với đề tài Robot phân phối hàng hoá theo màu sắc nhằm hướng đến sự phát triển hơn và nắm bắt tốt hơn các kiến thức được học, cũng như có cái nhìn từ tổng quát đến chi tiết về việc vận dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tiễn.

Đồ án hướng đến thiết kế mô hình Robot AGV có khả năng tải hàng và phân loại hàng hóa bằng màu sắc. Mô hình được thiết kế với đầy đủ tính năng và chức năng cơ bản như một AGV công nghiệp và thỏa mãn được các yêu cầu vận hành của đề bài. Nhóm mong muốn ứng dụng được kiến thức về thiết kế chế tạo máy, qua đó xây dựng được bài toán cơ bản về thiết kế AGV Robot, làm nền tảng để có thể phát triển AGV có khả năng tải hàng lớn. Ngoài ra, nhóm cũng ứng dụng kiến thức về thiết kế mạch và vi điều khiển, để có thể thiết kế ra mạch điều khiển giảm thiểu được tối đa sai số của mô hình.

Thông qua việc tự thiết kế mạch và chế tạo bộ điều khiển, nhóm có cơ hội rèn luyện các kỹ năng cơ bản để hỗ trợ cho tương lai. Những kinh nghiệm thực tiễn trong thiết kế hệ thống Cơ điện tử đã được học hỏi từ đồ án là nền tảng kiến thức vững chắc để nhóm có thể tiếp tục ứng dụng trong Đồ án tốt nghiệp và thực tiễn trong tương lai. Tóm lại, Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử vừa là bước củng cố kiến thức đã được học, vừa là đề tài thực nghiệm giúp nhóm đạt được kinh nghiệm thực tiễn. Thiết kế mô hình Robot AGV giúp nhóm ứng dụng và củng cố các kiến thức từ thiết kế chế tạo máy, thiết kế mạch, động lực học và điều khiển, vi điều khiển đến mô hình hóa, mô phỏng.

Mục tiêu đề ra Robot thực hiện được nhiệm vụ của đề bài và đảm bảo các sai số thỏa mãn các yêu cầu. 1 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 1. Tìm hiểu tổng quan về Robot dò line 1. Robot MiR100 Hình 1.1: Mô hình Robot MiR100 Bảng 1.1: Thông số MiR100 Thông số Giá trị Kích thước (mm) 890x580x352 Khối lượng(kg) 67 Tải (𝑘𝑔) 100 Kéo (𝑘𝑔) 300 Tốc độ tối đa (𝑚/𝑠) 1.5 Bề mặt tải 600 x 800 mm -1/2 EU pallet Đường kính bánh lái 125 mm Đường kính bánh dẫn 125 mm Bán kính cong để tránh chướng ngại vật 1.3 m 2 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Hình 1.

Pioneer 3 - DX Hình 1.3: Mô hình Pioneer 3-DX Bảng 1.2: Thông số Pioneer 3-DX Thông số Giá trị Kích thước (mm) 455x381x237 Khối lượng(kg) 9 3 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Tải trọng tối đa (kg) 17 Tốc độ tối đa (𝑚/𝑠) 1.2 Đường kính bánh lái 72 mm Đường kính bánh dẫn 195 mm Vật liệu thân Nhôm dày 1,6mm Thời lượng pin 8h - 10h Cơ cấu: 3 bánh, 2 bánh chủ động, 1 bánh dẫn hướng.4: Sơ đồ nguyên lý Pioneer 3-DX c. Robot AGV S2 Hình 1.5: Mô hình Robot AGV S2 4 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Bảng 1.3: Thông số Robot AGV S2 Thông số Giá trị Kích thước (𝑚𝑚) 710x450x260 Khối lượng(𝑘𝑔) 95 Tải (𝑘𝑔) 150 Kéo (kg) 500 Tốc độ tối đa (𝑚/𝑠) 1 Bán kính cong nhỏ nhất để cua 0.7 m Chiều rộng khúc cua để quay đầu 520 mm Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý Robot AGV S2 d. Đánh giá cơ cấu và nhận xét Bảng 1.4: Đánh giá các mô hình Robot Tên robot Ưu điểm Nhược điểm 5 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Robot MiR100 Chịu được tải Cần phải có hệ trọng lớn do trọng thống treo để đảm bảo lượng phân bố đều trên đồng phẳng cho các toàn bộ xe. Khó bị lật khi vào Nhiều bánh xe nên Visai cua.

tiếp xúc mặt đường kém Có thể chuyển động quay tại chỗ. Khephera IV Cho phép xe chạy Có 4 bánh nên cần với tốc độ cao đảm bảo đồng phẳng khi Bánh dẫn động đặt di chuyển trên bề mặt gồ ngang trọng tâm xe ghề. Gây tải tập trung khi đổi chiều chạy xe. Pioneer 3 – DX Tiếp xúc với mặt Trọng lượng xe đường tốt do 3 bánh phân bố không đều đồng phẳng Bánh tự lựa phía Dẫn động bằng 2 sau có ma sát nhỏ nên bánh trước nên xe khó khi cơ cấu rẽ thì sẽ bị bị lật hơn 2 bánh dẫn trượt.

động phía sau 6 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Safelog AGV S2 Ba bánh đồng Xe dễ bị lật khi ôm phẳng tạo điều kiện tiếp cua với tốc độ cao. xúc mặt đường tốt Khả năng bám Kết cấu cơ khí đường, vào cua tốt phức tạp Kết cấu 4 bánh Mô hình toán phức giúp tăng khả năng tải tạp khó điều khiển. So sánh giữa cơ cấu 3 bánh và 4 bánh: Bảng 1.5: So sánh cơ cấu 3 bánh và 4 bánh Nguyên lý Ưu điểm 3 bánh xe luôn đồng phẳng Hai bánh bị động ở trước Xe di chuyển được ở những giúp xe ổn định hơn khi vào bán kính cong nhỏ. 7 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Truyền động cầu trước nên khó lật.

Nhược Khả năng bám mặt đường 4 bánh khó đồng phẳng điểm kém làm giảm độ bám đường. Xe có thể bị trượt khi vào cua có bán kính nhỏ với vận tốc lớn. Về cảm biến - Cảm biến dò line Để có thể đáp ứng yêu cầu đề bài thì việc cảm biến phát hiện line cho robot đóng vai trò quan trọng do sai số dò line được xác định khi lựa chọn hoặc thiết kế được cảm biến phù hợp. Đối với sa bàn sử dụng line vật lý ta sẽ có các phương án sử dụng cảm biến sau: ➢ Camera Camera sẽ trả về là hình ảnh thực, thu được từ camera và từ đó thông qua các giải thuật xử lí ảnh để xác định được các vị trí và góc lệch của xe so với đường line.

CMU Camera là một dạng camera có tích hợp vi xử lý để xử lý tín hiệu ảnh của camera trả về và xuất ra tín hiệu cho vi điều khiển. Đầu vào của bộ điều khiển là sai số giữa vị trí lắp đặt camera và điểm đang xét trên line: - 𝑒1 : Khoảng cách từ camera tới tâm line điểm cần xét theo phương vuông góc với trục 2 bánh dẫn động - 𝑒2 : Khoảng cách từ camera tới tâm line điểm cần xét theo phương song song với trục 2 bánh dẫn động - 𝑒3 : Góc lệch giữa trục đối xứng của xe và tiếp tuyến của đường line tại điểm cần xét 8 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Hình 1.7: Sai số giữa MCU camera và điểm xét trên line Đầu ra của CMU camera sẽ là khung đường đi đã chụp và tâm đường đi đã chụp, từ đó ta có thể tính được (𝑥1 , 𝑦1 ), (𝑥2 , 𝑦2 ), (𝑥3 , 𝑦3 ) Ưu điểm của camera là có thể đạt được độ chính xác cao với camera có độ phân giải cao, camera sẽ ghi hình đường line thực tế, sau đó đưa ra thông số độ sai lệch vị trí tương đối của xe so với line. Do đó khối lượng xử lý nhiều nên sẽ dẫn đến ảnh hưởng đến tốc độ của xe, ngoài ra trong quá trình di chuyển, camera có thể sẽ bị nhiễu bởi môi trường có cường độ ánh sáng khác nhau. ➢ Cảm biến quang dẫn Bộ cảm biến gồm một đầu phát và một đầu thu.

Đầu phát sử dụng đèn LED để phát ra ánh sáng màu hoặc hồng ngoại có bước sóng 760 ÷ 950 nm. Nếu bề mặt được chiếu màu trắng thì ánh sáng được phản xạ vào đầu thu (phototransistor hoặc quang điện trở). Nếu bề mặt được chiếu màu đen thì ánh sáng bị hấp thụ. Nền trắng Nền đen Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang dẫn ➢ Quang điện trở 9 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 Cảm biến quang điện trở có giá trị điện trở thay đổi khi cường độ ánh sáng thay đổi.

Khi ánh sáng chiếu vào quag điện trở, các electron trong vật liệu bán dẫn được kích thích và trở thành các electron tự do, làm giảm điện trở của linh kiện. Do đó khi led chiếu xuống sa bàn, ánh sáng phản xạ sẽ cho các giá trị điện trở khác nhau, từ giá trị điện trở ta có thể chuyển về giá trị điện áp, từ đó có thể suy ra được đường line.9: Quang điện trở ➢ Cảm biến hồng ngoại (phototransistor) Phototransistor là một loại cảm biến cực nhạy với ánh sáng. Cấu tạo của nó như một transistor thông thường, nhưng khác ở chỗ cực Base của nó sẽ được thiết kế nhạy cảm với ánh sáng hon, khi có ánh sáng chiếu vào cực Base của nó, các photon ánh sáng sẽ kích các electron trong vật liệu bán dẫn, tạo ra các cặp electron – lỗ trống. Nghĩa là khi có ánh sáng mạnh hơn, dòng điện qua phototransistor sẽ lớn hơn.

Ban đầu khi bộ thu chưa có sóng hồng ngoại chiếu vào thì nội trở sẽ rất lớn (vài trăm KΩ) khi led thu được tia hồng ngoại chiếu vào đủ lớn thì nội trở của nó giảm xuống (cỡ vài chục Ω). Từ đó ta có thể chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành dòng điện, có thể suy ra được đường line. Tốc độ xử lí cao nhất có thể đạt 15ns.10: Phototransistor Cảm biến quang dẫn được dùng phổ biến hơn trong các cuộc thi robot dò line hiện nay, ví dụ như quang điện trở trong robot ALF trong cuộc thi ROBOCON 2006 hoặc phototransistor kết hợp với LED. Phototransistor và cảm biến quang dẫn đều có nguyên 10 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ_HK241 tắc hoạt động giống nhau, bộ thu sẽ thu tín hiệu ánh sáng phản xạ từ bộ phát xuống mặt đất, từ đó xử lí để xác định vị trí của đường line.

Mặc dù vậy, photo-transistor được ứng dụng nhiều hơn bởi nó cho thời gian đáp ứng nhanh hơn quang điện trở. Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến Đối với các loại cảm biến quang dẫn, tín hiệu tương tự từ cảm biến sẽ được hiểu chuẩn và xử lí bằng các giải thuật so sánh hoặc xấp xỉ để tìm ra vị trí tương đối của robot dò line và đường tâm line Giải thuật so sánh: Đây là chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital. Tín hiệu đầu ra của cảm biến sẽ được lấy ngưỡng để chuyển thành các giá trị 0 và 1. Sau đó sẽ dùng giải thuật để suy ra vị trí xe theo một bảng trạng thái đã được định sẵn, từ đó suy ra được vị trí tương đối giữa đường line so với cảm biến.

Sai số dò line phụ thuộc vào khả năng phân biệt các trạng thái của hệ thống, hay khoảng cách giữa các sensor.