CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN trong việc chế tạo ra Robot khử khuẩn với hai chế độ điều khiển là điều khiển tự động và điều khiển thủ công cùng với khả năng di chuyển theo đường zizac. Từ những khảo sát trên, sinh viên thực hiện quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế và thi công Robot tự hành vận chuyển thuốc trong phòng khám”, với mong muốn góp phần cải thiện về khả năng lựa chọn điểm đến, xử lý khi gặp vật cản trong việc tự hành. MỤC TIÊU Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công Robot tự hành vận chuyển thuốc trong phòng khám, có khối lượng Robot khoảng 15 kg và tải trọng vận chuyển khoảng 5 kg.
Có khả năng di chuyển đến phòng đã được thiết lập, dừng lại khi phát hiện vật cản ở phía trước và tiếp tục đi đến đích khi không còn vật cản phía trước. Sau khi đến phòng đã chọn, có thể đi tiếp đến phòng kế tiếp nếu người sử dụng mong muốn. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi công Robot tự hành vận chuyển thuốc trong phòng khám”, báo cáo này đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau: NỘI DUNG 1: Tìm hiểu các loại Robot vận chuyển thuốc đang có trên thị trường cũng như các dòng Robot tự hành hiện nay. NỘI DUNG 2: Tìm hiểu các mô hình thuật toán được sử dụng trong các đề tài nghiên cứu trong việc tìm đường cho Robot.
NỘI DUNG 3: Lựa chọn mô hình thuật toán. NỘI DUNG 4: Lập trình, điều khiển Robot thông qua Bluetooth. NỘI DUNG 5: Thiết kế mô hình Robot. NỘI DUNG 6: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
NỘI DUNG 7: Viết báo cáo thực hiện. NỘI DUNG 8: Bảo vệ luận văn 1. GIỚI HẠN Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN - Giao tiếp với hệ thống máy tính chỉ thông qua Bluetooth.
- Diện tích sàn di chuyển: 4 x2. - Kích thước Robot (DxRxC): 50 x 45 x 24 (cm). - Thời gian làm việc 1 ngày: 8 tiếng và thời gian nạp pin Robot: 10-12 tiếng Khối lượng Robot là 15 kg, tải trọng là 5 kg và tốc độ tối đa Robot đạt 15 cm/s. - Phương di chuyển: Song song với mặt sàn - Thí nghiệm trong môi trường tĩnh với số đích di chuyển giới hạn: 3.
- Không di chuyển khứ hồi. BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan Chương này đưa ra vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài hướng đến, nội dung thực hiện và giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này trình bày về các loại Robot Tự hành hiện có, giới thiệu cơ bản về nguyên lý và lý thuyết để áp dụng cho đề tài. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này trình bày về giải thích sơ đồ khối, các thông số của linh kiện, tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, mô hình và trình bày các thuật toán.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này trình bày về các bước thi công board mạch, thi công mô hình, lập trình hệ thống và lập trình mô phỏng dựa trên các cơ sở đã tính toán ở chương 3. Chương 5: Kết quả, Nhận xét và Đánh giá Chương này trình bày về quy trình tiến hành thí nghiệm, kết quả và đánh giá kết quả của hệ thống. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Chương này trình bày về kết luận và hướng phát triển mà đề tài hướng đến. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này, đề tài này trình bày về nội dung cơ sở lý thuyết khi thực hiện đề tài bao gồm các loại Robot đang có trên thị trường, phương pháp di chuyển của Robot, giao thức truyền tín hiệu và nền tảng phát triển Robot. MỘT SỐ LOẠI ROBOT TỰ HÀNH PHỔ BIẾN HIỆN NAY 2. Robot tự hành trong môi trường công nghiệp a) Robot tự hành không người lái (AGV) AGV là loại Robot vận hành tự động theo tuyến đường đã được chỉ định sẵn và cần có sự giám sát của người vận hành.
Robot AGV thường được sử dụng để vận chuyển hàng hóa và vật liệu trong các môi trường cần có sự kiểm soát như nhà kho và nhà máy công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của robot AGV là tải trọng có thể vận chuyển lên đến hàng nghìn kg. Điển hình như Robot M10K-T Tugger được thể hiện như hình 2.1 đến từ công ty Daifuku với tải trọng vận chuyển lên đến 4500 kg và vận tốc di chuyển tối đa đạt 110 m/phút [8]. Robot M10K-T Tugger BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT b) Robot tự hành (AMR) Khác với AGV, robot AMR có các tính năng nổi bật hơn như tự vận hành trong hầu hết các môi trường mà không cần được định sẵn tuyến đường vận chuyển, tích hợp nhiều cảm biến giúp robot có thể hiểu và di chuyển trong môi trường một cách độc lập, khả năng xử lý thông tin và đưa ra các quyết định trong khi vận chuyển một cách chính xác. Tuy nhiên, tải trọng vận chuyển của AMR không lớn như AGV, thường chỉ đạt đến vài trăm kg. Ví dụ như Robot LD-250 ESD được thể hiện như hình 2.2 từ công ty OMRON có tải trọng đạt 250 kg, vận tốc tối đa đạt 1.2 m/s, tích hợp hệ thống tự xác định vị trí và định vị độ cao [9]. Robot LD-250 ESD 2.
Robot tự hành trong môi trường bệnh viện a) Robot y tế vận chuyển VIBOT Hệ thống ROBOT Y tế vận chuyển VIBOT-2 là sản phẩm được thiết kế và chế tạo bởi học viện Kỹ Thuật Quân Sự trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19 tại thành phố Hồ Chí Minh đang có diễn biến phức tạp. Hệ thống Robot bao gồm một trung tâm giám sát vận hành và 5 Robot VIBOT. Thông số của Robot VIBOT bao gồm: tốc độ di chuyển tối đa đạt 30 m/s, tải trọng có thể vận chuyển đạt 60 kg, thời gian hoạt động tối đa 12 tiếng. Bên cạnh đó, VIBOT còn có những tính năng hữu ích như Tự xây dựng tuyến đường vận chuyển, tự nạp pin, né tránh vật cản đứng yên hoặc di chuyển bao gồm con người [10].
Robot VIBOT được thể hiện như hình 2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. VIBOT b) Robot vận chuyển TUG – Aethon Robot TUG-Aethon được phát triển bởi công ty Aethon.
Sở hữu các tính năng phù hợp để có thể sử dụng trong môi trường bệnh viện và công nghiệp như Tự lập kế hoạch đường đi vận chuyển, tự điều hướng, phát hiện vật cản, tự nạp pin, tự động lấy và giao hàng đúng vị trí. Robot TUG – Aethon có tải trọng vận chuyển đạt tới 635 kg, tốc độ di chuyển đạt 76 cm/s, khả năng tự xử lý vật liệu, được tích hợp các thiết bị hiện đại bao gồm Real-time multi-LIDAR, Sonar và cảm biến hồng ngoại [11]. Robot Tug-Aethon được thể hiện như hình 2. Robot Tug-Aethon BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 CHƯƠNG 2.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM Nguyên lý điều chế: Bằng cách thay đổi hệ số công tác (Duty Cycle) trong mạch tạo xung vuông, vì thế tạo ra điện áp hoặc dòng điện trung bình từ nguồn cung cấp trong khoảng thời gian nhất định cung cấp cho động cơ tiêu thụ [12]. Hay nói cách khác, xung PWM là số lần thay đổi trạng thái giữa bật (On) và tắt (Off) trong một chu kỳ (Period) được mô tả trong hình 2. Mô tả về việc điều chế độ rộng xung PWM 2. PHƯƠNG PHÁP DÒ LINE Trong thực tế, do sự không đảm bảo về thiết kế cơ khí cùng với đó sự khác biệt về mặt sàn cũng là nguyên nhân dẫn đến việc khi Robot di chuyển sẽ tích lũy sai số về tốc độ của các bánh xe trong quá trình di chuyển theo hướng thẳng.
Chính vì thế, phương pháp dò line được áp dụng giúp Robot có thể dựa vào sự thay đổi các cảm biến trên môi trường xung quanh để điều chỉnh quỹ đạo di chuyển Robot bằng việc tăng hoặc giảm xung PWM của các động cơ. Hiện nay, có hai phương pháp dò line chính được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực Robot: dò line bằng cảm biến từ và cảm biến hồng ngoại. Cảm biến từ Là phương pháp giúp điều hướng Robot dựa trên các dải từ được đặt trên mặt sàn. Robot sử dụng các tín hiệu đầu ra của các cảm biến từ tính, từ đó xác định sai số tuyệt đối so với quỹ đạo di chuyển ban đầu [13].6 minh họa Robot sử dụng dò line bằng cảm biến từ trong thực tế: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Robot AGV sử dụng cảm biến từ 2. Cảm biến hồng ngoại Là phương pháp phổ biến nhờ vào việc phát và nhận lại tín hiệu ánh sáng hồng ngoại không bị vật cản hấp thụ qua hai mắt của cảm biến được mô tả như hình 2. Bằng cách ghi nhận và xác định trạng thái từ tất cả tín hiệu của các cảm biến, xác định hướng lệch của Robot [14].
Mô tả nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại 2. PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VẬT CẢN 2. Phương pháp phát hiện vật cản bằng sóng siêu âm Phương pháp phát hiện vật cản bằng sóng siêu âm hoạt động bằng cách phát ra các sóng siêu âm liên tục, khi gặp bề mặt vật cản sóng siêu âm sẽ bị phản xạ lại và bộ thu sẽ thu nhận các sóng siêu âm này. Từ đó có thể xác định được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản dựa vào phương trình [15] BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25 CHƯƠNG 2.1) ∗ = 2 Với: D là khoảng cách giữa vật cản và cảm biến, t là khoảng thời gian tại thời điểm sóng siêu âm từ bộ phát được phản xạ về bộ thu, v là vận tốc của sóng siêu âm đạt 343 m/s.
Phương pháp phát hiện vật cản bằng laser Phương pháp đo khoảng cách và nhận biết vật cản bằng tia Laser hoạt động dựa trên nguyên tắc ToF (Time of Flight) như hình 2. Cảm biến phát ra các chùm tia Laser, khi gặp vật cản các chùm tia Laser này sẽ bị phản xạ trở lại cảm biến. Khoảng thời gian trong quá trình chùm tia Laser được phát đi và bị phản xạ trở lại cảm biến được dùng để xác định khoảng cách giữa cảm biến và vật cản theo phương trình sau [16] = ∗ (2.