Đồ án HCMUTE: Thiết kế và chế tạo mô hình robot tự động lấy hàng

• Tác giả: Phan Thanh Nam
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Bạch Dương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Robot Lấy Hàng Tự Động
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
• 1.2. Tổng quan về Robot lấy hàng tự động
• 1.3. Tổng quan về hệ thống điều khiển bằng thuật toán PID
• 1.4. Tổng quan về thuật toán tìm đường A-star
• 1.5. Lý do chọn đề tài
• 1.6. Mục tiêu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống robot lấy hàng tự động
• 2.2. Tìm hiểu chung về hệ thống vận chuyển hàng hóa
• 2.3. Tìm hiểu về công nghệ lấy cất hàng hóa tự động ASRS (Automated Storage & Retrieval System)
• 2.4. Về hệ thống cơ khí
• 2.5. Về phần mềm quản lý hệ thống
• 2.6. Mô hình tổng quan của hệ thống
• 2.7. Bộ điều khiển PID
• 2.8. Các khâu hiệu chỉnh PID
• 2.9. Các phương pháp dựa trên đặc tính
• 2.10. Web server và cơ sở dữ liệu
• 2.11. Các ngôn ngữ lập trình cho Website
• 2.12. Khái quát về ngôn ngữ PHP
• 2.13. Khái quát về cơ sở dữ liệu và MySQL
• 2.14. Thuật toán tìm đường A-star
• 2.14.1. Thuật giải, thuật ngữ A-star
• 2.14.2. Nguyên lý hoạt động của thuật toán A-star
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Đưa ra ý tưởng và các thông số, yêu cầu kỹ thuật của mô hình
• 3.2. Thông số và yêu cầu kĩ thuật ban đầu của mô hình
• 3.3. Tổng quan về mô hình robot
• 3.4. Tính toán, thiết kế cơ khí
• 3.4.1. Trục vít – đai ốc
• 3.4.2. Bộ truyền đai
• 3.4.3. Bánh răng côn
• 3.5. Tính toán bộ điều khiển PID
• 3.5.1. Xác định các mức vận tốc làm việc của mô hình
• 3.5.2. Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID
• 3.6. Thuật toán tìm đường A-star
• 4. CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM
• 4.1. Các thiết bị được sử dụng trong mô hình
• 4.1.1. Động Cơ Giảm Tốc GA25-370 12V 60rpm
• 4.1.3. Nhôm định hình 20x20
• 4.1.4. Trục vít – đai ốc
• 4.1.5. Bộ truyền đai
• 4.1.6. Raspberry Pi 4 Model B
• 4.1.7. Vi điều khiển ARDUINO MEGA 2560
• 4.1.8. Mạch điều khiển động cơ DC L298
• 4.1.9. Mạch điều khiển động cơ XY-160D
• 4.1.10. Mạch giảm áp XL4016 8A
• 4.1.11. Mạch Giảm Áp DC XL4015 5A
• 4.1.12. Mạch chuyển mức logic TXS0108E
• 4.1.13. Pin Lipo ShangYi
• 4.1.14. Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F- DS30C4
• 4.1.15. Công tắc hành trình SW14 5A
• 4.1.16. Khóa điện từ solenoid lock LY- 01
• 4.2. Các hệ thống của mô hình robot
• 4.2.1. Hệ thống bộ truyền của trục bánh xe
• 4.2.2. Hệ thống chuyển phương
• 4.2.3. Hệ thống nâng hạ giỏ hàng
• 4.3. Kết quả kiểm nghiệm thông số PID của bộ điều khiển và đánh giá
• 4.3.1. Xác định các cấp vận tốc của mô hình
• 4.3.2. Xác định thông số PID
• 4.3.3. Đánh giá thông số bộ điều khiển
• 4.4. Kết quả thực nghiệm khi ứng dụng thuật toán tìm đường A-star
• 4.4.1. Ứng dụng thuật toán A-star của mô hình
• 4.4.2. Đánh giá thuật toán A-star
• 4.5. Thiết kế Web server quản lý vị trí của robot
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Những hạn chế của đề tài
• 5.3. Những hướng phát triển cho đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thiết kế robot tự động lấy hàng tại HCMUTE Tổng quan và mục tiêu

Đồ án tốt nghiệp này, thực hiện tại HCMUTE, tập trung vào thiết kế và chế tạo mô hình robot lấy hàng tự động. Đây là một dự án có ý nghĩa thiết thực, nhắm đến việc ứng dụng công nghệ robot vào quản lý kho hàng tự động. Mô hình robot được thiết kế nhằm giải quyết bài toán tối ưu hóa quá trình lấy hàng, giảm thiểu thời gian và nhân lực. Thiết kế robot tự động này sử dụng thuật toán A* để lập trình đường đi hiệu quả nhất. Ứng dụng robot trong logistics là một xu hướng đang phát triển mạnh mẽ, và đồ án này đóng góp vào việc nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này tại Việt Nam. Nghiên cứu robot tại HCMUTE phản ánh sự nỗ lực của trường trong việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao đáp ứng yêu cầu của thị trường. Sinh viên HCMUTE đã thể hiện khả năng ứng dụng kiến thức chuyên môn vào giải quyết bài toán thực tiễn.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo thành công mô hình robot lấy hàng tự động. Mô hình robot cần đáp ứng các yêu cầu về khả năng di chuyển chính xác, tải trọng phù hợp và khả năng hoạt động ổn định. Việc tích hợp phần mềm điều khiển robot và cảm biến robot để đảm bảo robot có thể tự động điều hướng và tránh vật cản cũng là một mục tiêu quan trọng. Lập trình robot sử dụng thuật toán A* để tìm đường đi ngắn nhất và hiệu quả nhất. Đồ án cũng hướng đến việc đánh giá hiệu quả của mô hình robot về tốc độ, độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn. An toàn lao động trong kho tự động cũng được xem xét trong thiết kế. Hiệu quả tự động hóa kho hàng là yếu tố then chốt được đánh giá. Cuối cùng, đồ án sẽ đề xuất các hướng phát triển để tối ưu hóa mô hình robot và mở rộng ứng dụng trong tương lai.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Đồ án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Thiết kế robot HCMUTE được thực hiện dựa trên các nguyên lý cơ khí, điện tử và lập trình. Cơ sở lý thuyết về thuật toán A-star, điều khiển robot, và cơ khí chế tạo robot được nghiên cứu kỹ lưỡng. Mô phỏng robot được tiến hành để tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo. Thực tế ảo trong thiết kế robot có thể được xem xét trong các nghiên cứu mở rộng. Sau khi chế tạo, mô hình robot được kiểm tra và đánh giá hiệu quả hoạt động. Dữ liệu thu thập được được phân tích để đánh giá hiệu quả của thuật toán A* và các thông số thiết kế. AI trong robot lấy hàng được thể hiện qua việc sử dụng thuật toán tìm đường thông minh. Học máy trong robot là một hướng phát triển tiềm năng. Điện tử robot và thiết kế cơ khí robot đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng mô hình robot.

II. Phân tích và thiết kế hệ thống robot

Phần này tập trung vào thiết kế cơ khí robot, bao gồm cấu trúc cơ khí, hệ thống truyền động, và cơ cấu robot. Thiết kế robot được tối ưu hóa về trọng lượng, kích thước và khả năng vận hành. Cảm biến robot được lựa chọn và bố trí phù hợp để đảm bảo robot hoạt động chính xác và an toàn. Phần mềm điều khiển robot được phát triển dựa trên thuật toán A*, cho phép robot tự động tìm đường đến vị trí lấy hàng. Lập trình nhúng robot là một phần quan trọng trong việc hiện thực hóa hệ thống. Điều khiển robot được thực hiện bằng vi điều khiển và phần mềm điều khiển. Hệ thống robot tự động hóa kho được xây dựng dựa trên mô hình robot này. Cổng giao tiếp giữa các thành phần của hệ thống được thiết kế cẩn thận. Giải pháp tự động hóa kho được đưa ra dựa trên mô hình robot này.

2.1. Thiết kế cơ khí và điện tử

Thiết kế cơ khí robot bao gồm việc lựa chọn vật liệu, thiết kế khung gầm, và thiết kế hệ thống truyền động. Mô hình robot được thiết kế nhỏ gọn để phù hợp với không gian kho hàng. Các linh kiện điện tử được lựa chọn dựa trên tiêu chí độ tin cậy, hiệu suất và giá thành. Điện tử robot bao gồm việc thiết kế mạch điều khiển, chọn lựa vi điều khiển và cảm biến. Cảm biến vật cản được sử dụng để tránh va chạm. Cảm biến robot khác như cảm biến khoảng cách và cảm biến vị trí cũng được xem xét. Lập trình nhúng robot sử dụng ngôn ngữ C hoặc C++. Mô hình robot được thiết kế mô đun để dễ dàng bảo trì và nâng cấp. Chi phí tự động hóa kho được đánh giá trong quá trình thiết kế. Xu hướng tự động hóa kho hàng được xem xét trong việc lựa chọn công nghệ.

2.2. Thuật toán điều khiển và lập trình

Thuật toán A* được sử dụng để tính toán đường đi tối ưu cho robot. Lập trình robot sử dụng ngôn ngữ phù hợp để triển khai thuật toán này. Điều khiển robot được thực hiện thông qua phần mềm điều khiển, cho phép giám sát và điều khiển robot từ xa. Phần mềm điều khiển robot giao tiếp với các cảm biến robot và hệ thống truyền động. Giao diện người dùng thân thiện được thiết kế để người dùng dễ dàng thao tác. Hệ thống robot tự động được kiểm tra và hiệu chỉnh để đảm bảo hoạt động ổn định. An toàn lao động là yếu tố quan trọng được tích hợp vào phần mềm điều khiển robot. Lập trình robot cần đảm bảo độ chính xác và tốc độ cao. Robot tự hành lấy hàng cần khả năng định vị chính xác.

III. Thử nghiệm và đánh giá

Mô hình robot được chế tạo và thử nghiệm trong môi trường mô phỏng và thực tế. Kết quả thử nghiệm được phân tích để đánh giá hiệu quả của thiết kế robot. Hiệu quả tự động hóa kho hàng được đánh giá dựa trên tốc độ lấy hàng, độ chính xác, và khả năng hoạt động liên tục. Chi phí tự động hóa kho hàng được so sánh với phương pháp truyền thống. An toàn lao động trong kho tự động được đánh giá thông qua các bài test. Nghiên cứu khoa học HCMUTE đã có đóng góp trong lĩnh vực này. Giáo dục robot tại HCMUTE đang được phát triển mạnh mẽ. Đồ án này là một ví dụ điển hình cho nghiên cứu khoa học tại trường.

3.1. Kết quả thử nghiệm

Các chỉ số hiệu suất của mô hình robot được đo đạc và phân tích, bao gồm thời gian lấy hàng, độ chính xác của vị trí, và khả năng tránh vật cản. Robot tự hành lấy hàng cho thấy hiệu quả đáng kể so với phương pháp thủ công. Hiệu quả tự động hóa kho được đánh giá thông qua việc so sánh thời gian và chi phí. An toàn lao động trong quá trình vận hành được đảm bảo. Dữ liệu thử nghiệm cung cấp cơ sở để cải tiến và tối ưu hóa thiết kế robot trong tương lai. Mô hình robot thể hiện sự thành công trong việc tích hợp các thành phần cơ khí, điện tử, và phần mềm. Thiết kế robot tự động thành công là nền tảng cho các ứng dụng rộng rãi hơn.

3.2. Đánh giá và kết luận

Đồ án đã đạt được các mục tiêu đề ra. Mô hình robot lấy hàng tự động hoạt động hiệu quả và đáp ứng được yêu cầu về tốc độ, độ chính xác và an toàn. Thiết kế robot tự động đã chứng minh được khả năng ứng dụng trong thực tế. Robot tự động hóa kho là một hướng đi đúng đắn. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục trong tương lai, chẳng hạn như cải thiện khả năng thích ứng với môi trường phức tạp hơn và nâng cao khả năng xử lý các tình huống bất ngờ. Nghiên cứu robot tại HCMUTE cần được tiếp tục phát triển. Giáo dục robot tại HCMUTE cần đào tạo thêm sinh viên về lĩnh vực này. Sinh viên HCMUTE đã có đóng góp đáng kể cho nghiên cứu này.