Đồ Án: Thiết Kế và Chế Tạo Robot Vận Chuyển Thực Phẩm - Đại Học Đà Nẵng

Đồ án tốt nghiệp thiết kế robot vận chuyển thực phẩm: Tìm hiểu quy trình, giải pháp sáng tạo và kết quả chế tạo robot hữu ích, hiệu quả trong thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hóa
• Người hướng dẫn: TS. Lê Đoàn Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Robot Vận Chuyển Thực Phẩm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp Đại Học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• Nhận xét của người hướng dẫn
• Nhận xét của người phản biện
• Tóm tắt
• Nhiệm vụ đồ án
• Lời nói đầu
• Lời cam đoan
• Danh sách các bảng, hình vẽ
• Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về robot tự hành
• 1.2. Mục đích đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Mục tiêu ,nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Phân tích mô hình cho robot tự hành
• 2.1.1. Mô hình động học cho robot tự hành
• 2.1.2. Phương trình động lực học của robot tự hành
• 2.2. Giới thiệu về động cơ servo dùng encoder
• 2.2.1. Nguyên lí hoạt động của động cơ dc servo
• 2.2.2. Giới thiệu về encoder
• 2.3. Giới thiệu về điều khiển vòng kín
• 2.3.1. Mô hình điều khiển vòng kín
• 2.3.2. Giới thiệu về bộ điều khiển PID
• 3. CHƯƠNG 3: Thiết kế hệ thống cơ khí
• 3.1. Bản vẽ kĩ thuật thiết kế
• 3.2. Tính toán lựa chọn công suất động cơ
• 4. CHƯƠNG 4: Thiết kế hệ thống điện điện – điện tử
• 4.1. Lựa chọn các thiết bị
• 4.1.1. Vi điều khiển
• 4.1.2. Mạch điều khiển động cơ L298N
• 4.1.3. Ghép nối từng thành phần vào vi điều khiển
• 4.2. Lập trình và mô phỏng
• 4.2.1. lập trình trên phần mềm
• 4.2.2. Chạy trên proteus
• 5. CHƯƠNG 5: Mô hình sản phẩm và thực nghiệm đánh giá kết quả
• 5.1. Mô hình sản phẩm sau khi hoàn thành
• 5.2. Kết quả đạt được
• 6. CHƯƠNG 6: Tổng kết và hướng kết quả phát triển đề tài
• 6.1. Đánh giá kết quả đề tài
• 6.1.1. Những công việc đã đạt được
• 6.1.2. Những hạn chế trong đề tài
• 6.2. Hướng phát triển đề tài

Tóm tắt

I. Khám phá tổng quan về robot vận chuyển thực phẩm tự hành

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, robot tự hành đang trở thành một giải pháp công nghệ then chốt, góp phần tự động hóa nhiều quy trình sản xuất và dịch vụ. Robot vận chuyển thực phẩm là một ứng dụng tiêu biểu, giải quyết bài toán vận chuyển nội bộ trong các nhà hàng, bệnh viện, nhà máy một cách hiệu quả và an toàn. Sự phát triển của lĩnh vực robotics tại Việt Nam, dù còn mới mẻ, đang cho thấy những bước tiến đáng kể. Các dự án nghiên cứu và chế tạo robot tại các trường đại học và viện nghiên cứu là nền tảng quan trọng để ứng dụng công nghệ vào thực tiễn. Đề tài thiết kế và chế tạo robot vận chuyển thực phẩm của Nguyễn Văn Hóa và Bùi Thanh Vạn (2022) là một minh chứng rõ ràng cho xu hướng này, hướng tới việc tạo ra một sản phẩm tự hành có khả năng di chuyển ổn định, chịu tải lớn và tránh vật cản thông minh. Sản phẩm này không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu sự tiếp xúc trực tiếp, đặc biệt hữu ích trong các môi trường yêu cầu vệ sinh cao hoặc trong bối cảnh dịch bệnh.

1.1. Tầm quan trọng của robot tự hành trong công nghiệp 4.0

Công nghiệp 4.0 đã thúc đẩy sự tích hợp giữa thế giới thực và thế giới ảo, trong đó robot tự hành hay robot di động (mobile robots) đóng vai trò trung tâm. Các robot này có khả năng tự di chuyển, tự vận động dưới sự điều khiển tự động để thực hiện các nhiệm vụ được lập trình sẵn. Chúng được ứng dụng rộng rãi từ sản xuất công nghiệp, logistics, đến các lĩnh vực dịch vụ như y tế và nhà hàng. Việc đưa robot vào hoạt động giúp tối ưu hóa nguồn nhân lực, tăng độ chính xác, giảm thiểu sai sót do con người và hoạt động liên tục 24/7. Tại Việt Nam, việc ứng dụng robot vận chuyển thực phẩm trong các khu cách ly hoặc bệnh viện đã chứng tỏ hiệu quả vượt trội, đặc biệt trong việc hỗ trợ đội ngũ y tế, giảm nguy cơ lây nhiễm và đảm bảo cung ứng kịp thời.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu robot vận chuyển thực phẩm

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một robot vận chuyển thực phẩm có khả năng tự hành, tránh vật cản và hoạt động ổn định. Cụ thể, theo tài liệu nghiên cứu gốc, robot phải đáp ứng các yêu cầu: chịu được tải trọng tối đa 10kg, di chuyển thẳng trên quãng đường 25m với vận tốc ổn định 0.5m/s. Robot được thiết kế để hoạt động trong không gian phẳng, giới hạn bởi các bức tường, nơi các chướng ngại vật được xem là đối tượng tĩnh hoặc động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ba mảng chính: (1) Thiết kế kết cấu cơ khí vững chắc; (2) Thiết kế hệ thống điện – điện tử sử dụng vi điều khiển và các cảm biến; (3) Xây dựng thuật toán điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID để đảm bảo độ chính xác về vị trí và tốc độ.

II. Phân tích các thách thức cốt lõi khi thiết kế robot tự hành

Việc thiết kế và chế tạo robot vận chuyển thực phẩm phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Một trong những vấn đề cơ bản nhất là xây dựng mô hình toán học chính xác cho robot. Mô hình này bao gồm cả động học và động lực học, là nền tảng để phân tích và mô phỏng chuyển động trước khi chế tạo. Bài toán động học xác định mối quan hệ giữa vận tốc của các bánh xe và chuyển động của toàn bộ robot. Trong khi đó, bài toán động lực học xem xét các lực và momen tác động lên hệ thống, bao gồm trọng lực, lực ma sát và lực quán tính. Một thách thức lớn khác là đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình vận hành. Robot cần duy trì tốc độ và đi đúng quỹ đạo mong muốn, ngay cả khi có tải trọng thay đổi hoặc gặp các bề mặt di chuyển khác nhau. Điều này đòi hỏi một hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín hiệu quả, có khả năng tự điều chỉnh để bù trừ sai số một cách nhanh chóng và chính xác, tránh các hiện tượng như vọt lố hay dao động kéo dài.

2.1. Bài toán mô hình hóa động học và động lực học robot

Mô hình hóa là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Mô hình động học giúp thiết lập phương trình toán học mô tả chuyển động của robot mà không cần quan tâm đến lực gây ra chuyển động. Theo nghiên cứu, các phương trình này liên kết vận tốc góc của bánh xe (ϕL, ϕR) với vận tốc dài và vận tốc góc của trọng tâm robot. Ngược lại, mô hình động lực học phức tạp hơn, sử dụng phương trình Euler-Lagrange để phân tích động năng và thế năng của toàn hệ thống. Nó tính đến các yếu tố như khối lượng của thân xe (m), momen quán tính (IM, I0) và các lực tác động bên ngoài. Việc xây dựng chính xác các mô hình này cho phép mô phỏng hoạt động của robot trên các phần mềm như Matlab, từ đó tinh chỉnh các thông số thiết kế trước khi chế tạo thực tế.

2.2. Yêu cầu về độ chính xác khi điều khiển tốc độ và vị trí

Để robot di chuyển ổn định, hệ thống điều khiển phải có khả năng bám sát giá trị tốc độ và vị trí đặt trước. Bất kỳ sai lệch nào cũng có thể khiến robot đi chệch hướng hoặc không đến đúng đích. Thách thức nằm ở việc xử lý các yếu tố nhiễu như sự thay đổi tải trọng, ma sát không đều, hoặc sai số của cơ cấu cơ khí. Để giải quyết vấn đề này, giải pháp điều khiển vòng kín được áp dụng. Hệ thống sử dụng các cảm biến như encoder để liên tục đo lường tốc độ và vị trí thực tế của động cơ, sau đó so sánh với giá trị mong muốn. Sai số giữa hai giá trị này sẽ được đưa vào một bộ điều khiển, chẳng hạn như bộ điều khiển PID, để tạo ra tín hiệu điều chỉnh phù hợp, đảm bảo robot luôn hoạt động với độ chính xác cao nhất.

III. Hướng dẫn thiết kế hệ thống cơ khí cho robot chịu tải 10kg

Hệ thống cơ khí là bộ khung xương, quyết định sự cứng vững, khả năng chịu tải và độ bền của robot vận chuyển thực phẩm. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc phác thảo các bản vẽ kỹ thuật chi tiết cho từng bộ phận, từ khung xe, bánh xe cho đến các khớp nối. Vật liệu chế tạo thường là kim loại nhẹ nhưng có độ bền cao như nhôm hoặc thép không gỉ để tối ưu hóa trọng lượng và khả năng chịu lực. Trong đồ án tham khảo, khung xe được thiết kế với kết cấu vững chắc để có thể mang tải trọng lên tới 10kg. Một trong những phần quan trọng nhất của thiết kế cơ khí là việc tính toán và lựa chọn động cơ. Công suất động cơ phải đủ lớn để thắng được các lực cản như ma sát lăn, ma sát tĩnh và cung cấp đủ momen xoắn để robot có thể tăng tốc và di chuyển ổn định với tải trọng tối đa. Việc tính toán sai có thể dẫn đến tình trạng động cơ quá tải, hoạt động không hiệu quả hoặc không thể di chuyển.

3.1. Quy trình thiết kế khung xe và lựa chọn vật liệu

Quy trình thiết kế khung xe bắt đầu bằng việc xác định kích thước tổng thể và hình dáng của robot để đảm bảo tính nhỏ gọn và linh hoạt. Các bản vẽ 2D và 3D được thực hiện bằng phần mềm CAD, cho phép mô phỏng và kiểm tra kết cấu trước khi gia công. Tài liệu nghiên cứu đã trình bày chi tiết các bản vẽ kỹ thuật cho khung xe và bánh xe (Hình 3.1, 3.2). Khung xe được thiết kế để phân bố đều tải trọng lên các bánh xe, đảm bảo sự cân bằng khi di chuyển. Vật liệu được lựa chọn phải đáp ứng tiêu chí về độ cứng, khối lượng nhẹ và chi phí hợp lý. Cấu trúc robot bao gồm hai bánh chủ động phía sau và các bánh đa hướng (bánh xe bị động) phía trước để dễ dàng điều hướng và xoay trở.

3.2. Phương pháp tính toán và lựa chọn công suất động cơ

Việc lựa chọn động cơ là một bước then chốt. Công suất cần thiết được xác định dựa trên phân tích lực tác dụng lên robot. Các lực này bao gồm trọng lực (tổng khối lượng robot và hàng hóa), phản lực từ mặt sàn, và lực ma sát. Dựa trên các thông số như khối lượng tối đa (10kg), tốc độ mong muốn (0.5 m/s) và hệ số ma sát của bề mặt di chuyển (sàn bê tông µl = 0,015), nghiên cứu đã tính toán được momen xoắn cần thiết. Từ đó, động cơ DC servo JGB37-520 với điện áp 12V và tích hợp hộp giảm tốc đã được lựa chọn. Động cơ này cung cấp đủ momen xoắn và có tốc độ phù hợp với yêu cầu của đề tài, đồng thời tích hợp sẵn encoder để phục vụ cho việc điều khiển chính xác.

IV. Bí quyết xây dựng hệ thống điện tử và điều khiển thông minh

Hệ thống điện tử và điều khiển là bộ não của robot vận chuyển thực phẩm, chịu trách nhiệm xử lý thông tin từ cảm biến và ra quyết định điều khiển động cơ. Trái tim của hệ thống là vi điều khiển, có nhiệm vụ thực thi các thuật toán điều khiển phức tạp. Bên cạnh đó, mạch điều khiển động cơ đóng vai trò trung gian, nhận tín hiệu logic mức thấp từ vi điều khiển và chuyển đổi thành dòng điện công suất lớn để cấp cho động cơ. Việc lập trình thuật toán điều khiển là yếu tố quyết định đến hiệu năng của robot. Thuật toán phải có khả năng đọc dữ liệu từ encoder một cách chính xác, tính toán sai số và áp dụng bộ điều khiển PID để tạo ra tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation) phù hợp. Tín hiệu PWM này sẽ điều chỉnh điện áp trung bình cấp cho động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay một cách mượt mà và chính xác. Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn bởi một nguồn pin sạc, đòi hỏi phải có thiết kế quản lý năng lượng hiệu quả để đảm bảo thời gian hoạt động lâu dài.

4.1. Lựa chọn vi điều khiển Arduino và mạch công suất L298N

Nghiên cứu đã lựa chọn Arduino Uno R3 làm vi điều khiển trung tâm. Đây là một lựa chọn phổ biến nhờ cộng đồng hỗ trợ lớn, thư viện phong phú và môi trường lập trình (IDE) thân thiện. Arduino Uno R3 có đủ số chân I/O để kết nối với các module cần thiết như driver động cơ và màn hình LCD. Để điều khiển hai động cơ DC, module L298N được sử dụng. Module này tích hợp hai mạch cầu H, cho phép điều khiển tốc độ và chiều quay của hai động cơ một cách độc lập. L298N có thể chịu được dòng điện tối đa 2A cho mỗi động cơ, hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của động cơ JGB37-520 đã chọn.

4.2. Lập trình thuật toán điều khiển PID cho động cơ DC servo

Thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là giải pháp kinh điển và hiệu quả để ổn định tốc độ động cơ. Thuật toán này hoạt động dựa trên sai số (E) giữa tốc độ đặt (vantocdat) và tốc độ thực tế (vantocthuc). Khâu tỷ lệ (P) tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai số hiện tại. Khâu tích phân (I) giúp triệt tiêu sai số xác lập về 0. Khâu vi phân (D) có tác dụng chống lại sự thay đổi đột ngột của sai số, giúp hệ thống đáp ứng nhanh hơn và giảm vọt lố. Các tham số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển được hiệu chỉnh thông qua thực nghiệm hoặc các phương pháp như Ziegler-Nichols để đạt được đáp ứng tối ưu.

4.3. Tích hợp encoder để giám sát và phản hồi vị trí chính xác

Encoder là một thiết bị phản hồi không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển vòng kín. Nó được gắn trên trục động cơ và tạo ra các xung tín hiệu kỹ thuật số khi động cơ quay. Bằng cách đếm số xung này trong một khoảng thời gian nhất định, vi điều khiển có thể tính toán chính xác tốc độ và quãng đường di chuyển của robot. Trong dự án này, tín hiệu từ hai kênh A và B của encoder được đưa vào các chân ngắt (interrupt) của Arduino. Điều này cho phép vi điều khiển đọc số xung một cách tức thời mà không làm gián đoạn các tác vụ khác. Thông tin từ encoder là đầu vào quan trọng cho thuật toán PID, giúp hệ thống liên tục điều chỉnh để bám sát mục tiêu đã định.

V. Case Study Kết quả thực nghiệm chế tạo robot vận chuyển

Sau quá trình thiết kế và chế tạo, mô hình robot vận chuyển thực phẩm đã được hoàn thiện và đưa vào chạy thử nghiệm để đánh giá hiệu năng. Giai đoạn thực nghiệm là bước quan trọng để kiểm chứng các tính toán lý thuyết và hiệu quả của thuật toán điều khiển. Các bài kiểm tra tập trung vào việc đo lường các thông số hoạt động quan trọng nhất, bao gồm tốc độ di chuyển thực tế và quãng đường đi được. Các kết quả này sau đó được so sánh trực tiếp với các mục tiêu đã đề ra trong nhiệm vụ đồ án. Việc đánh giá này không chỉ cho thấy mức độ thành công của dự án mà còn chỉ ra những điểm cần cải tiến, hoàn thiện. Quá trình thử nghiệm được tiến hành trong môi trường mô phỏng không gian làm việc thực tế, giúp đưa ra những nhận xét khách quan về khả năng vận hành của robot. Kết quả thực nghiệm là bằng chứng xác thực nhất về sự thành công của việc áp dụng lý thuyết vào chế tạo một sản phẩm công nghệ cụ thể.

5.1. Đánh giá hiệu năng hoạt động thực tế của robot tự hành

Kết quả thực nghiệm cho thấy robot hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các tín hiệu điều khiển. Cụ thể, khi thiết lập vận tốc mong muốn là 0.5 m/s, tốc độ thực tế đo được của robot dao động trong khoảng 0.51 m/s. Sai số này là rất nhỏ và hoàn toàn chấp nhận được, chứng tỏ bộ điều khiển PID đã được tinh chỉnh hiệu quả, giúp hệ thống bám sát tốt giá trị đặt. Về quãng đường, mục tiêu di chuyển là 25m, và kết quả đo được sau khi robot dừng lại là 24.5m. Độ lệch 0.5m có thể xuất phát từ các yếu tố như sai số tích lũy của encoder hoặc sự trượt nhẹ của bánh xe. Tuy nhiên, kết quả này vẫn nằm trong phạm vi cho phép và cho thấy hệ thống định vị tương đối hoạt động chính xác.

5.2. So sánh kết quả thực nghiệm với mục tiêu thiết kế ban đầu

Đối chiếu kết quả thực nghiệm với mục tiêu đề tài, có thể thấy dự án đã đạt được những thành công đáng kể. Mục tiêu về tải trọng 10kg đã được đảm bảo bởi kết cấu cơ khí vững chắc và động cơ đủ mạnh. Mục tiêu về tốc độ 0.5 m/s gần như đạt được hoàn hảo với sai số chỉ 0.01 m/s. Mục tiêu về quãng đường 25m cũng đạt được với độ chính xác cao (sai số 2%). Những con số này khẳng định rằng từ khâu phân tích lý thuyết, mô phỏng, lựa chọn linh kiện đến chế tạo robot và lập trình điều khiển đều được thực hiện một cách bài bản và khoa học. Mô hình robot vận chuyển thực phẩm này hoàn toàn có tiềm năng để phát triển thành một sản phẩm thương mại.

VI. Định hướng tương lai cho robot vận chuyển thực phẩm tự hành

Mặc dù mô hình robot vận chuyển thực phẩm đã đạt được những kết quả ban đầu rất khả quan, vẫn còn nhiều tiềm năng để cải tiến và phát triển trong tương lai. Việc nhận diện những hạn chế của phiên bản hiện tại là bước đầu tiên để đề ra các hướng nâng cấp. Các phiên bản tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ thông minh, khả năng tương tác và tính linh hoạt của robot. Việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI), thị giác máy tính (computer vision) hay Internet vạn vật (IoT) sẽ mở ra những ứng dụng rộng lớn hơn cho robot tự hành. Thay vì chỉ di chuyển theo một lộ trình cố định, robot có thể tự động lập bản đồ không gian, tìm đường đi tối ưu và tương tác với các thiết bị thông minh khác trong môi trường làm việc. Tương lai của robot vận chuyển thực phẩm không chỉ dừng lại ở các nhà hàng hay bệnh viện mà còn có thể mở rộng sang các lĩnh vực như logistics kho hàng, nông nghiệp công nghệ cao và dịch vụ chăm sóc cá nhân.

6.1. Những hạn chế của mô hình hiện tại và giải pháp cải tiến

Một trong những hạn chế của mô hình hiện tại là hệ thống định vị và tránh vật cản còn đơn giản. Robot chủ yếu dựa vào encoder để ước tính quãng đường và chưa có khả năng nhận diện các vật cản phức tạp hay tự lập bản đồ. Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp thêm các cảm biến tiên tiến hơn như cảm biến LiDAR để quét không gian 3D, hoặc camera kết hợp thuật toán xử lý ảnh để nhận dạng vật thể. Ngoài ra, việc cải tiến hệ thống giao tiếp không dây (Wi-Fi, Bluetooth) sẽ cho phép điều khiển và giám sát robot từ xa, thậm chí quản lý một đội robot hoạt động đồng thời.

6.2. Tiềm năng ứng dụng robot trong các lĩnh vực khác nhau

Nền tảng thiết kế robot từ dự án này có thể dễ dàng được tùy biến để phục vụ nhiều mục đích khác. Bằng cách thay đổi kết cấu phần cứng và phần mềm, robot có thể được biến đổi thành robot lau nhà, robot khử khuẩn bằng tia UV, hoặc robot tuần tra an ninh. Trong lĩnh vực công nghiệp, nó có thể trở thành một phương tiện tự hành có hướng dẫn (AGV - Automated Guided Vehicle) để vận chuyển vật liệu trong nhà máy. Khả năng tùy biến cao và chi phí chế tạo hợp lý là những ưu điểm lớn, giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của mô hình robot tự hành này trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay nền công nghiệp 4.0 đã và đang phát triển mạnh rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng của nền kinh tế trong mỗi quốc gia. Một trong những ứng dụng được sử dụng gần đây nhất đó là ứng dụng công nghệ thông tin vào công nghệ chế tạo và điều khiển robot thông minh. Xu thế phát triển hiện nay trên thế giới khoa học và công nghệ luôn có những thay đổi mạnh mẽ. Nền kinh tế tri thức cùng với công nghệ thông tin và kỹ thuật đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.

Trong nền kinh tế tri thức thực sự phát triển của xã hội không thể tách khỏi sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ thông tin và đặc biệt là sự phát triển của tin học, ngành khoa học công nghệ mới tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics. Ở Việt Nam việc đưa robot vào trong các hoạt động sản xuất công nghiệp đã trở nên phổ biến. Tuy nhiên đối với các robot phục vụ trong gia đình, robot giải trí – gọi chung là các robot dịch vụ còn là một lĩnh vực khá mới mẻ. Thị trường robot tại Việt Nam mới chỉ đang trên đà phát triển, cần được quan tâm, và việc nghiên cứu , thiết kế,mô phỏng những robot trong các trường đại học, viện nghiên cứu… để từ đó ứng dụng vào sản xuất công nghiệp là một hướng đi đúng đắn, sáng suốt và cần được khuyến khích phát triển.

Một số robot ở Việt Nam : Hình 1:1 : Một số hình ảnh về robot tự hành của Việt Nam Sinh viện thực hiện : Nguyễn Văn Hóa 18CDT2 Bùi Thanh Vạn 18CDT2 Người hướng dẫn: TS Lê Đoàn Anh 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và chế tạo robot vân chuyển thực phẩm 1. Giới thiệu về robot tự hành Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường được gọi tắt là mobots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao Một trong những vấn đề then chốt, tối quan trọng cho việc vận hành robot là bài toán di chuyển ( cách thức di chuyển, cách thức xử lý khi nhận tác động từ môi trường). Ở đề tài này, như tên gọi, robot chúng em thiết kế thực hiện di chuyển một cách hoàn toàn tự động, với các tính năng nổi bật : tự tránh vật cản , cảm nhận độ cao để không bị rơi khi hoạt động ở bậc thang, có thể gắn thêm các khối chuyên biệt để thực hiện chức năng ( như hút bụi , lau nhà, quét nhà …). Thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng , dễ di chuyển, tiêu tốn ít năng lượng và chi phí thiết kế thấp là những ưu điểm đáng kể của Robot này.

Mục đích đề tài Mục đính của đề tài là áp dụng công nghệ thông tin vào kỹ thuật “Xây dựng 1 xe tự hành có khả năng tự tránh vật cản, di chuyển với độ ổn định cao và chịu được sức tải lớn”. Giúp đỡ được đội ngũ nhân viên y tế trong thời kì dịch covid 19 rất phức tạp. Phương pháp nghiên cứu - Tìm tòi và nghiên cứu các tài liệu liên quan về robot tự hành - Tìm hiểu về lý thuyết điều khiển tự động học cách xây dựng mô hình hóa - Xem video về phương pháp di chuyển tìm ra cách xác định bài toán động học - Nhờ sự giúp đỡ của thầy cô hướng đi tối ưu cho đề tài. Mục tiêu ,nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu - Mục tiêu đề tài  Xe tự hành có thể chịu được tải trọng 10kg  Di chuyển theo đường thằng 25m với cùng vận tốc 0.5m/s  Bỏ hàng xong nhấn nút và tự động vận hành  Tự động lui về khi hết hàng bằng cách đảo chiều động cơ - Đối tượng nguyên cứu đề tài  Nghiên cứu và tạo ra một kết cấu cơ khí hợp lý và vững chắc cho  AGV.

 Phương pháp điều khiển động cơ ( theo phương thức tự hành)  Thiết kế bộ driver điều khiển động cơ dùng mạch cầu H và kết hợp  với bộ PID điều khiển một cách chính xác vị trí, tốc độ.  Phương pháp tính công suất của hệ thống chịu được tải trọng Sinh viện thực hiện : Nguyễn Văn Hóa 18CDT2 Bùi Thanh Vạn 18CDT2 Người hướng dẫn: TS Lê Đoàn Anh 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và chế tạo robot vân chuyển thực phẩm  Cách kết nối các mạch lại với nhau để tạo một AGV hoàn chỉnh. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nguyên cứu  Không gian làm việc của xe là 1 mặt phẳng được giới hạn bởi các bức tường, các vật cản được xem là vật cản 2 chiều tĩnh và động. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Phân tích mô hình cho robot tự hành 2.1 Mô hình động học cho robot tự hành Hình 2:2 : Mô hình động lực học của robot tự hành. Trong đó ϕL,ϕR là vận tốc góc của bánh trái và bánh phải robot (rad/s) ϕ. di chuyển của robot so với mặt đường (độ) θ là hướng XM ,YM tọa độ trọng tâm của robot tự hành ( m) r là bán kính của bánh xe robot (m) b là 1 nữa bề ngang của robot (m) Phương trình động. học của robot di động tại điểm M: r .sin(θ) (m/s) Vận tốc điểm M theo trục y.

r θ = (rad/s) Vận tốc góc của bánh xe theo hướng θ 2b 2.2 Phương trình động lực học của robot tự hành: Tổng động năng của robot tự hành sẽ bằng : Tt + Tr+Twr Với các thông số: Sinh viện thực hiện : Nguyễn Văn Hóa 18CDT2 Bùi Thanh Vạn 18CDT2 Người hướng dẫn: TS Lê Đoàn Anh 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và chế tạo robot vân chuyển thực phẩm C là tọa độ đích đến của robot d là khoảng cách từ điểm M đến điểm C m là khối lượng của thân xe robot và tải trọng(kg) Vc là vận tốc dài di chuyển từ tâm robot đến điểm C(m/s) IM là mômen quán tính của toàn bộ rô bốt mo-bốt đối với điểm M(kg.m2) I0 là mômen quán tính của động cơ truyền động kết hợp (rôto) và bánh xe(kg.m2) Động năng của robot di động khi dịch chuyển là : 1 1 Tt =. chuyển động quay của robot di động: Động năng 1 Tr = .m2 /s2) 2 Động năng của chuyển động quay của bánh xe và rôto của động cơ điện một chiều: 1 Twr =. vận tốc của điểm C khi xét vị trí của điểm M bây giờ là: X. (m/s) vận tốc của điểm C theo trục X với một đoạn là d YC = YM + d.cos(θ) (m/s) vận tốc của điểm C theo trục Y với.

là d Tổng động năng của rô bốt di động có thể được tính theo hai giá trị ϕR và ϕL. dạng Euler-Lagrange: Phương trình chuyển động dưới d σ. trình Phương. r 2 B=( 4 − +¿I0) (2 b)2 Sinh viện thực hiện : Nguyễn Văn Hóa 18CDT2 Bùi Thanh Vạn 18CDT2 Người hướng dẫn: TS Lê Đoàn Anh 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và chế tạo robot vân chuyển thực phẩm 2.

Giới thiệu về động cơ servo dùng encoder 2.1 Nguyên lí hoạt động của động cơ dc servo Hình 2:3 : Hình ảnh động cơ servo Động cơ dc Servo là một bộ phận của hệ thống điều khiển chuyển động của máy móc. Động cơ Servo cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành Hình 2:4 : Cấu tạo của động cơ servo Nguyên lí hoạt động: Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh và stator của động cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay rotor. Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác thì chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số và pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator. Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín.

Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Khi đó bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác nhất.

Bộ điều khiển servo. Sinh viện thực hiện : Nguyễn Văn Hóa 18CDT2 Bùi Thanh Vạn 18CDT2 Người hướng dẫn: TS Lê Đoàn Anh 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và chế tạo robot vân chuyển thực phẩm 2.2 Giới thiệu về encoder Encoder hay rõ hơn là rotary encoder là bộ mã hóa được tích hợp trong hệ thống tự động nhằm tạo tín hiệu xung trong việc điều khiển động cơ máy móc thiết bị trong quá trình vận hành Mục đích khi sử dụng encoder: mục đích chính của các dòng encoder chính là mã hóa số vòng quay nhằm tạo tín hiệu xung dạng vuông trong quá trình điều khiển. Dựa trên tín hiệu dạng nhị phân thì các dòng encoder có thể hỗ trợ hoán đổi các vị trí góc; hoặc vị trí thẳng theo yêu cầu người sử dụng muốn dịch chuyển vị trí điều khiển như thế nào. - Cấu tạo của encoder: Board electronics: mạch điện tử Photodetector asembily:cảm biến quang Code disk: khe rảnh Light source: đèn Housing asembily: đế của bộ mã hóa - Nguyên lí làm việc của encoder: Encoder hoạt động theo nguyên lí ta cấp nguồn cho nó và khi các trục quay hoạt động.

Đồng thời tạo cho đĩa tròn xoay vòng. Khi đã xoay kéo theo dèn led sáng. Trên đĩa tròn xoay nó có lỗ và các lỗ này xen kẽ nhau. Dựa vào đó, bộ xử lý vi boar mạch sẽ đếm các lượt quay bằng cách đèn xuyên qua lỗ; hoặc không xuyên qua bằng một con bắt tích hợp trong đó báo về vi xử lí.

Động cơ encoder có nhiệm vụ tạo các điểm xung vuông trên đồ thị; và các góc xung vuông này sẽ lệch nhau một góc 90oC. Từ 2 tín hiệu lệch góc đó chúng ta sẽ xác định được hướng quay; và vị trí quay của con động cơ servo motor. Hình 2:5 : Cấu tạo của Encoder Sinh viện thực hiện : Nguyễn Văn Hóa 18CDT2 Bùi Thanh Vạn 18CDT2 Người hướng dẫn: TS Lê Đoàn Anh 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.