CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tổng quan về robot và sự phát triển của robot trong cách mạng công nghiệp 4.0 Từ thuật ngữ “Robot” đến sự phát triển của nền công nghiệp điện tử dẫn đến sự ra đời của robot tự động điện tử đầu tiên vào những năm 1948, cũng như các công cụ máy tính điều khiển số (CNC) cuối những năm 1940. Robot kỹ thuật số và lập trình đầu tiên được xây dựng từ những năm 1954 theo dòng lịch sử đã đặt nền móng cho vai trò của Robot trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 chính thức đặt dấu mốc quan trọng vào sự hỗ trợ xây dựng phát triển xã hội đa lĩnh vực từ y học, khoa học quân sự, khoa học giáo dục, đến các ngành dịch vụ, giải trí,… Robot là một loại máy hay một hệ thống cơ khí - điện tử có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Thuật ngữ "robot" thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động.
Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt, được con người mô phỏng theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế con người làm một số công việc xác định. Để hoàn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người. Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí.
Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.
2 Luan van Về phát triển Robot công nghiệp, Mỹ và Nhật Bản tiên phong nắm thị trường. Theo thống kê, Nhật Bản hiện nay là nước có số lượng robot dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất thế giới, khoảng hơn 70% trong tổng số chừng 300.000 robot công nghiệp trên toàn thế giới. Trong công nghiệp Nhật Bản, những robot hay tay máy được điều khiển bằng camera cũng được liệt vào hàng ngũ robot. Lĩnh vực ứng dụng của robot không chỉ được nhân rộng mà ngày càng được đón nhận.
Ngày nay, khái niệm về robot đã phát triển hơn khái niệm nguyên thuỷ rất nhiều. Kết cấu sáng tạo cũng được đưa vào robot giúp tối ưu hoá khả năng thực hiện được những việc thay thế cho nguồn lực con người. Đặt vấn đề Đi cùng với sự phát triển nhanh chóng của khối ngành công nghiệp, mỗi năm nhu cầu sử dụng giải pháp công nghệ của khối ngành này trong những quy trình sản xuất, vận hành đều tăng lên đáng kể. Với yêu cầu đòi hỏi sự chuẩn xác về thao tác, thời gian cùng với mức chi phí phù hợp để đầu tư thì Robot tự hành là giải pháp khả thi để giải quyết bài toán cho doanh nghiệp trong bối cảnh phát triển bền vững và xu hướng tích hợp công nghệ như hiện nay.
Vậy robot tự hành là gì? Robot tự hành là loại robot có thể tự quản lý, giám sát và giao tiếp với nhau. Sử dụng các công nghệ dẫn đường để vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu đến những địa điểm đã được đánh dấu sẵn mà không cần đến sự can thiệp của con người. Với robot tự hành, doanh nghiệp vừa giảm được chi phí thuê nhân công vừa hạn chế được rủi ro và sự cố phát sinh bởi tính toán chính xác. Hơn nữa robot hoàn toàn đáp ứng được khối lượng hàng hóa với trọng tải lớn, tiết kiệm được thời gian và dễ dàng quản lý hệ thống một cách chặt chẽ.
Cùng với sự phát triển của công nghệ 4.0, hệ thống nhúng và Internet vạn vật, robot tự hành đã, đang và sẽ phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội, nâng cấp phiên bản phù hợp với thị trường mở trong bối cảnh hội nhập quốc tế. Mục tiêu đề tài Hoàn thành một mô hình robot tự hành, tự di chuyển theo một lộ trình nhất định trông qua hình thức dò line. Robot hoạt động trong môi trường ROS 2. Dùng công nghệ RFID để quản lý trạng thái làm việc của robot.
Trạng thái làm việc của robot có thể thông tin trên web để hiển thị khi làm việc hoặc vị trí cụ thể của robot. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: Đặt vấn đề, tổng quan kiến thức về robot và cơ cấu vận hành máy. Tổng quan kiến thức về ROS và ROS2 từ lý thuyết đến ứng dụng thực tế thông qua phương thức vận hành, lắp đặt, thử nghiệm trên mô hình robot công nghiệp. Tìm kiếm, nghiên cứu dữ liệu, thống kê về các loại module, cảm biến cần thiết với Raspberry Pi 4 để tạo ra một mô hình robot tự hành.
Tham khảo thông tin, tính năng, so sánh hiệu suất linh kiện phần cứng, phần mềm. Tìm kiếm, thực hành, sáng tạo và chỉnh sửa thiết kế web phù hợp với đối tượng nghiên cứu. - Quy trình thực hiện: 1. Lựa chọn phần mềm thiết kế và vật liệu làm khung mô hình theo ý tưởng thiết kế.
Thi công lắp ráp linh kiện điện tử vào khung xe. Cài đặt hệ điều hành Ubuntu cho Raspberry Pi 4. Cài đặt môi trường ROS2 Dashing trên Ubuntu. Tạo ROS2 workspace cho robot 8.
Xây dựng thuật toán dò line trong môi trường Python 3. Xử lý logic, viết giải thuật, vẽ lưu đồ giải thuật, giải quyết các vấn đề liên quan. Xây dựng giao thức giao tiếp giữa robot với web. Tiến hành thử nghiệm hoạt động của xe nhiều lần.
Khắc phục các lỗi phần mềm, cải thiện tính năng. Thi công hoàn chỉnh mô hình robot dò line. Giới hạn của đề tài Giới hạn số lượng quy mô nghiên cứu một mô hình robot. Chính vì thế đề tài không làm nổi bật được điểm mạnh giao tiếp khi gia tăng số lượng robot của ROS2.
5 Luan van II. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về Robot dò line Robot dò line là loại robot có thể đi theo một đường vẽ (gọi là line) có màu đen hoặc trắng sử dụng cảm biến quang điện (quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng, từ đó điều chỉnh hướng đi thích hợp. Ở robot dò line, cảm biến được bố trí gần mặt đường và nguồn sáng để so sánh do chính robot tạo ra.
Đường vẽ thường có màu đen để hấp thụ ánh sáng, khi robot đi lệch vào vùng có đường vẽ, ánh sáng phát ra từ cảm biến không phản xạ lại như bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ một phần làm cho sai lệch độ sáng giữa các cảm biến. Ta phải thiết kế sao cho robot khắc phục được sự sai lệch đó bằng cách sử dụng thuật toán. Robot dò đường trên nền tảng ROS2 2. Giới thiệu ROS và ROS2 Robot Operating System (ROS – hệ điều hành robot) là một hệ thống phần mềm chuyên dụng để lập trình và điều khiển robot.
Bao gồm các công cụ để lập trình, hiển thị, tương tác trực tiếp với phần cứng, cung cấp các thư viện và các công cụ để giúp các nhà phát triển phần mềm tạo ra các ứng dụng cho robot và kết nối cộng đồng robot trên toàn thế giới. Tất cả đều là mã nguồn mở và ROS chạy trên nền Ubuntu. Tổng quan về cách hoạt động của ROS Về cơ bản ROS files được bố trí và hoạt động từ trên xuống theo thứ tự như sau, metapackages, packages, packages manifest, Misc, messages, Services, codes. 6 Luan van Hình 1: Sơ đồ khối ROS file Trong đó Metapackages (gói tổng) là một nhóm các packages (gói) có liên quan tới nhau.
Packages là các phân tử cơ bản nhất tạo nên ROS. Trong một package gồm có, ROSnode, datasets, configuration files, source files, tất cả được gói lại trong một package. Sự tương tác giữa các node trong ROS Hình 2: Sự tương tác của các nodes, topics với nhau - Node: ROS node là quá trình sử dụng ROS API để giao tiếp với nhau. Một con robot có thể có rất nhiều nodes để thực hiện các quá trình giao tiếp của nó.
Ví dụ như: 7 Luan van Robot tự hành sẽ có những node như: node đọc dữ liệu từ RFID, Encoder, các cảm biến dò line, node điều khiển động cơ,… - Master: ROS Master là một node trung gian để kết nối giữa các node khác nhau. Nó sẽ trao đổi chi tiết của một node với node khác nhằm thiết lập kết nối giữa chúng. Sau khi trao đổi thông tin, giao tiếp sẽ bắt đầu giữa hai node ROS. Khi chạy một chương trình ROS, lúc nào ROS master cũng luôn chạy trước.
- Message: Các node ROS có thể giao tiếp với nhau bằng cách gửi và nhận dữ liệu dưới dạng ROS message. ROS message là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng bởi các node ROS để trao đổi dữ liệu. Nó giống như một giao thức, định dạng thông tin gửi đi giữa các node, ví dụ như: string, float, int… - Topic: ROS topic là phương pháp để giao tiếp và trao đổi dữ liệu giữa hai node. ROS topic giống như một kênh tin nhắn, trong đó dữ liệu được trao đổi bằng ROS message.
Mỗi topic sẽ có một tên khác nhau phụ thuộc vào những thông tin mà nó phụ trách cung cấp. Một node sẽ publish (thiết lập) thông tin cho một topic và một node có thể đọc thông tin từ topic đó bằng cách subscribe (truy cập / đăng ký) với nó. - Service: Service là một loại phương pháp giao tiếp khác với topic. Topic sử dụng tương tác publish hoặc subscribe nhưng trong service, nó tương tác theo kiểu request – response.
Một node sẽ hoạt động như một server, có một server thường xuyên chạy và khi node client gửi yêu cầu dịch vụ cho server. Máy chủ sẽ thực hiện dịch vụ và gửi kết quả cho máy khách. Node client phải đợi cho đến khi máy chủ phản hồi với kết quả. Đã có rất nhiều thay đổi kể từ khi ROS được bắt đầu.