Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện đại hóa sản xuất và công nghiệp 4.0, các hệ thống xe tự hành AGV (Autonomous Guided Vehicles) đóng vai trò trung gian quan trọng trong việc tự động hóa quá trình vận chuyển, lưu kho và cấp phát phôi liệu giữa các trạm sản xuất. Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế Mobile Robot dạng bốn bánh vận chuyển sản phẩm trong nhà máy" được thực hiện tại Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (năm 2020) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn A và nhóm tác giả gồm sinh viên Trần Văn A, Lê Minh B, Nguyễn Văn C.

Xuất phát từ quá trình khảo sát thực tế tại dây chuyền sản xuất của Công ty Toyota thuộc Khu công nghiệp huyện Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc, nhóm nghiên cứu nhận thấy nhu cầu cấp thiết trong việc cải tiến trang thiết bị máy móc nhằm nâng cao năng suất vận chuyển phôi và thành phẩm nội bộ. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình Mobile Robot 4 bánh hoạt động trong không gian nhà xưởng, kho bãi để vận chuyển sản phẩm giữa các vị trí làm việc.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bài toán dò đường sử dụng cảm biến dò vạch (line) qua thuật toán điều khiển PID.
    • Thiết lập mô hình và giải bài toán động học nhằm xác định quy luật thay đổi vị trí, quỹ đạo chuyển hướng của robot.
    • Thiết lập phương trình vi phân chuyển động theo bài toán động lực học để xác định lực và mô-men dẫn động cần thiết.
    • Tính toán động học, động lực học và độ bền cho cơ cấu cơ khí nâng hạ dạng vít me – đai ốc theo tải trọng thiết kế.
    • Thiết kế hệ thống điều khiển phần cứng gồm vi điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, mạch công suất cầu H MOSFET, module nguồn và cảm biến an toàn.
    • Đề xuất và chế tạo mô hình kết cấu cơ khí xe AGV tích hợp cụm bánh động lực, cụm nâng tải trọng tối đa 50 kg và cụm đẩy sản phẩm.
  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng: Xe tự hành AGV 4 bánh (kết cấu gồm 2 bánh sau dẫn động độc lập và 2 bánh omni phía trước dẫn hướng) tích hợp cơ cấu nâng và đẩy hàng.
    • Phạm vi: Mô hình xe tự hành vận chuyển trong phạm vi nhà kho, nhà xưởng công nghiệp với nền sàn bằng phẳng có kẻ sẵn vạch dẫn hướng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng phối hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành Cơ điện tử và Chế tạo máy cùng các phương pháp tính toán kỹ thuật:

  • Khung lý thuyết và mô hình:
    • Lý thuyết xe tự hành AGV: Phân loại theo công năng (xe kéo Towing Vehicle với tải kéo 8.000–60.000 pounds, xe chở Unit Load Vehicle, xe đẩy Cart Vehicle, xe nâng Fork Vehicle) và theo phương thức dẫn hướng (không theo đường dẫn - Free path dùng Gyroscope, Laser, Local navigation; chạy theo đường dẫn - Fixed path dùng dây từ chôn ngầm, ray dẫn, băng kẻ sàn).
    • Mô hình động học bánh vi sai: Sử dụng ma trận quay quanh trục thẳng đứng $R(\theta)$ và ma trận chuyển đổi tọa độ từ hệ quy chiếu tương đối $(Px_rY_r)$ gắn trên robot sang hệ tọa độ tuyệt đối $(OXY)$ cố định trong không gian.
    • Mô hình động lực học Lagrange: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động dạng Lagrange loại 2: $\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial K}{\partial \dot{q}_i}\right) - \frac{\partial K}{\partial q_i} + \frac{\partial P}{\partial q_i} = Q_i$.
    • Lý thuyết tính toán chi tiết máy và tiêu chuẩn SKF: Công thức tính toán độ bền, tuổi thọ, tải trọng động, tải tới hạn và hiệu suất của bộ truyền vít me đai ốc bi.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Phương pháp quan sát thực tế: Thu thập số liệu vận hành và đánh giá quy trình sản xuất thực tế tại nhà máy Toyota (Phúc Yên, Vĩnh Phúc).
    • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và giải tích: Tổng hợp tài liệu khoa học, giải tích phương trình toán học mô tả động học - động lực học, tính toán thông số động cơ và kết cấu cơ khí.
    • Phương pháp thiết kế và chế tạo thực nghiệm: Thiết kế mạch điện tử, gia công cơ khí các chi tiết bằng thép tấm CT3, nhôm định hình và lập trình nhúng cho hệ thống điều khiển.
  • Nguồn dữ liệu: Bảng thông số tính chất cơ học của vật liệu (thép C45, thép CT3, đồng thanh), tiêu chuẩn kỹ thuật bạc đạn và trục vít me SKF, bảng thông số kỹ thuật linh kiện điện tử (Atmel ATmega2560, IRF540, IR2184, LM2596, DS30C4).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

Chương 1 khái quát lịch sử hình thành robot từ phác thảo sơ khai thế kỷ thứ 3 TCN (Chu Mục Vương, Yan Shi), sự xuất hiện trên phim ảnh năm 1927, nền tảng tự động hóa năm 1948, đến robot Unimate năm 1961. Hệ thống AGV thương mại đầu tiên được phát triển năm 1953 bởi Barrett Electronics (Mỹ) trên cơ sở tự động hóa xe tải kéo trong xưởng. Vào những năm 1970, AGV được hoàn thiện công nghệ định hướng để vận chuyển phôi và kết nối các dây chuyền lắp ráp.

Chương này phân tích các dòng AGV công nghiệp (xe kéo, xe chở, xe đẩy, xe nâng) và đối chiếu các công nghệ dẫn đường:

  • Dẫn đường bằng dây từ ngầm: Đảm bảo mỹ quan mặt sàn nhưng tiêu tốn năng lượng tạo từ tính và đường đi cố định.
  • Dẫn đường bằng đường ray: Cho phép tải trọng lớn, di chuyển tốc độ cao nhưng kém linh hoạt.
  • Dẫn đường bằng băng dán sàn: Chi phí thấp, dễ thay đổi tuyến đường nhưng dễ bị hư hỏng, bám bẩn.
  • Dẫn đường tự do (Free path): Dùng cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope), cảm biến quét laser và hệ thống định vị cục bộ.

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC AGV 2 BÁNH / MOBILE ROBOT 4 BÁNH

Chương 2 thiết lập toàn bộ công thức toán học mô tả trạng thái chuyển động của robot có cấu trúc 2 bánh dẫn động phía sau và 2 bánh omni phía trước:

  1. Mô hình động học:

    • Vị trí robot được biểu diễn bởi ma trận $q = [x, y, \theta]^T$.
    • Vận tốc dài $v$ và vận tốc góc $\omega$ của thân xe liên hệ với vận tốc dài bánh phải $v_R$ và bánh trái $v_L$ qua công thức: $$v = \frac{v_R + v_L}{2}, \quad \omega = \frac{v_R - v_L}{2L}$$ (trong đó $L = 0{,}47\text{ m}$ là nửa khoảng cách giữa hai bánh xe, bán kính bánh xe $R = 0{,}05\text{ m}$ hoặc $0{,}065\text{ m}$, vận tốc góc bánh xe $\dot{\phi}_R, \dot{\phi}_L = 0{,}4\text{ rad/s}$).
    • Ma trận vận tốc theo hệ tọa độ tuyệt đối được biểu diễn qua ma trận xoay $R(\theta)$: $$\dot{q} = \begin{bmatrix} \dot{x} \ \dot{y} \ \dot{\theta} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos\theta & 0 \ \sin\theta & 0 \ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v \ \omega \end{bmatrix}$$

  2. Mô hình động lực học Lagrange:

    • Động năng tịnh tiến của thân xe: $K_{tt} = \frac{1}{2} m_t v_t^2$.
    • Động năng quay của các bánh xe: $K_b = \frac{1}{2} m_b v_R^2 + \frac{1}{2} m_b v_L^2 + \frac{1}{2} J_{wR} \dot{\phi}R^2 + \frac{1}{2} J{wL} \dot{\phi}_L^2$. Coi bánh xe là đĩa tròn mỏng nên mô-men quán tính $J = \frac{1}{2} m_b R^2$.
    • Tổng động năng của toàn hệ thống được tính toán đạt $K = K_{tt} + K_b = 10{,}43456\text{ kN}$ (theo ghi nhận của văn bản).
    • Thế năng của robot trên mặt phẳng ngang $P = 0$.
    • Tổng ngoại lực và mô-men tác dụng lên hệ: $Q_i = M_{dc} - M_{mst} - M_{msl} = M_{dc}(1 - u) - \frac{1}{4} R g k (m_t + m_b)$.
    • Rút ra phương trình tính mô-men động cơ cần thiết: $$M_{dc} = \frac{1}{1 - u} \left[ \frac{1}{2} R^2 m_t \ddot{\phi}_w + \frac{3}{2} R^2 m_b \ddot{\phi}_w + \frac{1}{4} R g k (m_t + m_b) \right]$$ Với các thông số: bán kính bánh xe $R = 0{,}065\text{ m}$, khối lượng thân xe $m_t = 5\text{ kg}$, khối lượng bánh xe $m_b = 0{,}4\text{ kg}$, gia tốc góc $\ddot{\phi}w = 1{,}53\text{ rad/s}^2$, gia tốc trọng trường $g = 10\text{ m/s}^2$, hệ số tổn thất trục $u = 0{,}9$, mô-men xoắn tính toán đạt được $M{dc} = 2\text{ kNm}$, làm căn cứ chọn động cơ dẫn động chính.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MỘT SỐ KẾT CẤU CƠ KHÍ QUAN TRỌNG

Chương 3 tập trung vào bài toán thiết kế cụm nâng hạ và gắp phôi dạng vít me – đai ốc:

Thông số thiết kế Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn
Tải trọng dọc trục yêu cầu $110\text{ N}$ (bao gồm phôi hàng)
Quãng đường dịch chuyển trục Z ($l_0$) $750\text{ mm}$
Tải trọng khối lượng nâng thiết kế ($m$) $30\text{ kg}$
Vận tốc lớn nhất của đai ốc ($v_{max}$) $2780\text{ mm/s}$
Gia tốc lớn nhất ($a_{max}$) $9{,}6\text{ m/s}^2$ (thời gian khởi động $t = 0{,}29\text{ s} \approx 20%$ chu kỳ $1{,}45\text{ s}$)
Vật liệu trục vít me Thép C45 (hàm lượng carbon 0,45%, chứa Si, S, Mn, Cr)
Vật liệu đai ốc Hợp kim đồng (chống mài mòn, giảm ma sát)
Tải trọng động cơ bản theo SKF ($C_a$) $10{,}7\text{ kN}$
Lực dọc trục trung bình ($F_m$) $458\text{ N} = 0{,}458\text{ kN}$
Đường kính chân ren trục vít ($d_2$) $12{,}6\text{ mm}$
Khoảng cách hai gối đỡ ($l$) $750\text{ mm}$ (kết cấu 1 đầu gối tựa, 1 đầu cố định; $f_1 = 3{,}8$)
Bước vít ($P_h$) và số mối ren ($Z$) $P_h = 10\text{ mm}$, $Z = 4$ mối ren
Tải trọng tới hạn kiểm tra ($F_c$) $3046\text{ N} > F_{max}$ (thỏa mãn điều kiện bền)
Hiệu suất bộ truyền vít me Lý thuyết $\eta = 0{,}99$; thực tế $\eta_p = 0{,}9$
Mô-men xoắn cần truyền vào trục vít ($T$) $0{,}81\text{ Nm}$
Tốc độ quay lớn nhất của động cơ bước $4170\text{ rpm}$
Động cơ bước được lựa chọn NEMA23 (khối lượng $1{,}4\text{ kg}$, kích thước $56 \times 56 \times 112\text{ mm}$)
Chi tiết dẫn hướng và khớp nối Bạc dẫn hướng LMF8UU, khớp nối mềm lò xo $5 \times 8\text{ mm}$

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 lựa chọn và tích hợp các module điện tử phục vụ vận hành:

  • Bộ điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560: Hoạt động trên chip ATmega2560; điện áp hoạt động 5V; điện áp vào đề nghị 7V–15V; bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB; tần số thạch anh 16 MHz; 54 chân digital (trong đó có 15 chân PWM gồm chân 2 đến 13 và 44, 45, 46); 6 chân ngắt ngoài (chân 2, 3, 18, 19, 20, 21); 16 chân analog (A0–A15); 4 cổng Serial phần cứng (UART 0 đến 3).
  • Mạch cầu H công suất điều khiển động cơ: Dùng 4 MOSFET công suất IRF540 cho dòng đỉnh cực đại 22A; IC kích FET chuyên dụng IR2184 chống hiện tượng trùng dẫn; tích hợp Opto cách ly xung P900V của SHARP đáp ứng tín hiệu PWM tần số cao; có biến trở bảo vệ giới hạn dòng; tín hiệu điều khiển gồm DIR+, DIR-, PWM+, PWM-.
  • Module hạ áp LM2596: Mạch giảm áp DC-DC không cách ly; dải điện áp vào 4V–35V; điện áp ra 1V–30V; dòng tải ra cực đại 3A; kích thước board $53 \times 26\text{ mm}$.
  • Bộ nguồn cấp:
    • Nguồn động lực: Sử dụng 2 ắc quy 12V 1,2Ah nối tiếp tạo bộ nguồn 24V (kích thước mỗi ắc quy $9{,}5 \times 4 \times 5\text{ cm}$, khối lượng 568 g).
    • Nguồn điều khiển: Sử dụng pin LiPo cấp riêng cho vi điều khiển Arduino.
  • Hệ thống cảm biến dò đường: Module quang trở 8 kênh sử dụng công nghệ LED đôi 2 hàng (khoảng cách lắp đặt tối ưu cách mặt sàn 5–10 mm); kết hợp module chuyển đổi ADC 8 kênh hiển thị LED và các phím chức năng cài đặt độ nhạy từ mode 0 (nhạy nhất) đến mode 6 (ít nhạy nhất), lưu trữ trực tiếp vào EEPROM. Trả về mức 0 (0V) khi nhận diện vạch trắng và mức 1 (5V) khi nằm ngoài vạch.
  • Hệ thống cảm biến tránh vật cản: Cảm biến hồng ngoại DS30C4; dải điện áp cấp 6–36VDC; khoảng cách phát hiện vật cản 5–30 cm (điều chỉnh qua biến trở); dòng kích ngõ ra 300 mA; ngõ ra dạng NPN cực thu hở tích hợp đèn LED màu đỏ báo trạng thái.

CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH XE AGV

Chương 5 trình bày bản vẽ kết cấu và bảng danh mục vật liệu, phương pháp gia công chế tạo cho từng cụm chức năng trên robot:

  • Cụm bánh động lực: Tấm gá động cơ (thép tấm CT3 gia công cắt laser, khoan, taro) và động cơ dẫn động.
  • Cụm module nâng hàng: Yêu cầu tải trọng nâng tối đa 50 kg; cơ cấu gồm mặt nâng (thép tấm CT3 cắt laser), thanh nhôm định hình (cắt), trục dẫn hướng (thép CT3 cán), kẹp trục (thép CT3 đúc), bạc trượt (thép CT3 đúc), vít me (thép CT3 cán), tấm nâng (thép tấm CT3 cắt laser).
  • Khung và vỏ xe AGV: Kết cấu thép vững chắc, bố trí không gian hợp lý để lắp ghép module bánh xe, bo mạch điều khiển, ắc quy và cảm biến.
  • Cụm đẩy hàng: Trục vít me (thép CT3 cán), bạc trượt (thép CT3 đúc), tấm gá bạc (thép tấm CT3 cắt laser).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xe tự hành AGV được xây dựng dựa trên sự liên kết chặt chẽ giữa ba phân hệ: cơ khí chính xác, mạch công suất - điều khiển nhúng và hệ thống cảm biến định vị:

Phân hệ Thành phần kỹ thuật Quy cách vật liệu / Công nghệ Chức năng kỹ thuật
Cơ khí - Động lực Cụm bánh dẫn động & Khung xe Thép CT3 cắt laser, khoan, taro; nhôm định hình Tạo khung chịu lực, dẫn động di chuyển qua 2 bánh sau và 2 bánh omni
Cơ khí - Nâng đẩy Bộ truyền vít me đai ốc, bạc LMF8UU, khớp nối mềm Thép C45 (vít me), đồng thanh (đai ốc), thép CT3 cán và đúc Nâng hạ hàng hóa khối lượng lên đến 50 kg theo trục Z với hành trình 750 mm
Điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560 (ATmega2560) Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 16 MHz Xử lý thuật toán dò đường, nhận tín hiệu cảm biến và phát xung điều khiển PWM
Mạch công suất Driver cầu H dùng IR2184 & MOSFET IRF540 Tải đỉnh 22A, cách ly quang Opto SHARP P900V Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ DC 24V cấp từ 2 ắc quy nối tiếp
Hạ áp & Nguồn Module LM2596 & Pin LiPo LM2596 (nguồn vào 4–35V, ra 1–30V, 3A max) Cung cấp nguồn ổn định 5V cho vi điều khiển và các module logic
Dò đường (Line) Cảm biến 8 LED quang trở & Module ADC Module 8 kênh quang trở, nút cấu hình EEPROM Nhận diện vạch trắng trên sàn xưởng (khoảng cách đặt 5–10 mm so với sàn)
An toàn vật cản Cảm biến hồng ngoại DS30C4 Nguồn 6–36VDC, NPN cực thu hở, chỉnh dải 5–30 cm Phát hiện chướng ngại vật phía trước và gửi ngắt dừng xe tự động

Quy trình hiệu chỉnh cảm biến dò vạch được thực hiện trực tiếp trên mặt sân thông qua module ADC: đưa mắt quang trở vào vùng nền sáng nhất, nhấn nút MODE để quét LED từ ngoài vào trong, chọn các mức độ nhạy từ nút 0 đến 6 (hoặc bấm tổ hợp MODE + 0 / MODE + 1 để giảm bớt độ nhạy), sau đó kiểm tra đáp ứng trên vạch trắng và nhấn MODE lần cuối để lưu cấu hình cố định vào bộ nhớ EEPROM của mạch.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết lập mô hình toán học: Xây dựng thành công hệ phương trình động học mô tả quan hệ vận tốc dài và vận tốc góc của hệ truyền động bánh vi sai; giải bài toán động lực học bằng phương trình Lagrange để tính toán công suất và mô-men động cơ cần thiết ($M_{dc} = 2\text{ kNm}$).
  2. Tính toán và kiểm nghiệm kết cấu nâng: Xác định đầy đủ các thông số bền của trục vít me đai ốc bi theo tiêu chuẩn SKF ($C_a = 10{,}7\text{ kN}, F_m = 458\text{ N}, F_c = 3046\text{ N} > F_{max}$), tính chọn động cơ bước NEMA23 mô-men $0{,}81\text{ Nm}$ và tốc độ $4170\text{ rpm}$ đáp ứng yêu cầu nâng tải 50 kg trên hành trình 750 mm.
  3. Chế tạo và tích hợp phần cứng: Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển ATmega2560 kết hợp mạch cầu H MOSFET IRF540 (22A) tích hợp IC kích IR2184 và cách ly quang P900V, mạch hạ áp LM2596, hệ thống cảm biến quang trở 8 kênh dò line và cảm biến hồng ngoại DS30C4 nhận diện vật cản từ 5–30 cm.
  4. Bản vẽ gia công cơ khí: Đưa ra danh mục chi tiết, vật liệu (thép C45, thép CT3, nhôm định hình) và phương pháp gia công cắt laser, đúc, cán, taro hoàn chỉnh cho cụm bánh xe, cụm nâng, cụm đẩy và khung vỏ robot.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp giải pháp cơ điện tử hoàn chỉnh cho xe tự hành AGV nâng hàng kích thước nhỏ gọn, phục vụ trực tiếp nhu cầu vận chuyển nội bộ trong các nhà máy và kho hàng công nghiệp.
  • Kết hợp bài toán lý thuyết động lực học giải tích với quy trình chọn thiết bị tiêu chuẩn công nghiệp (tiêu chuẩn SKF cho vít me, module nguồn LM2596, vi điều khiển Arduino Mega), tạo tài liệu kỹ thuật thực tế cho việc chế tạo mô hình AGV dạng module hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phương thức dẫn đường của robot phụ thuộc vào vạch kẻ cố định trên sàn xưởng; trong quá trình sử dụng thực tế, vạch kẻ có thể bị bám bẩn hoặc bong tróc gây khó khăn cho việc nhận diện quang học.
    • Văn bản đồ án chưa trình bày chi tiết thuật toán bám line PID nâng cao và chưa tích hợp hệ thống bản đồ số hoặc giao tiếp mạng công nghiệp không dây.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Hoàn thiện thuật toán điều khiển bám vạch PID kết hợp lọc nhiễu tín hiệu quang trở để tăng độ mượt mà khi đổi hướng.
    • Nghiên cứu phát triển hệ thống điều hướng tự do (Free path navigation) sử dụng cảm biến con quay hồi chuyển Gyroscope và quét Laser (LiDAR) kết hợp thuật toán định vị cục bộ.
    • Phát triển giao thức truyền thông không dây để AGV có thể giao tiếp với các trạm máy và robot khác trong dây chuyền sản xuất tự động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp giải bài toán động lực học robot bằng phương trình vi phân Lagrange, phương pháp tính chọn chi tiết máy theo tiêu chuẩn công nghiệp SKF và quy trình thiết kế mạch điều khiển công suất dùng MOSFET.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu phát triển AGV: Ứng dụng bảng thông số tính toán cụm vít me – đai ốc, phương pháp phân bổ nguồn điện động lực 24V / nguồn logic 5V, quy trình căn chỉnh cảm biến dò vạch 8 LED lưu EEPROM và bố trí kết cấu cụm nâng tải trọng 50 kg.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot AGV trong đề tài sử dụng cấu trúc di chuyển và dẫn hướng như thế nào?

Robot sử dụng cấu trúc di chuyển 4 bánh, bao gồm 2 bánh sau dẫn động độc lập (vi sai) để tạo chuyển động tịnh tiến và quay vòng, kết hợp với 2 bánh omni ở phía trước làm nhiệm vụ dẫn hướng tự do và chịu tải.

2. Mô-men xoắn và động cơ bước của cụm nâng vít me được tính chọn ra sao?

Cơ cấu nâng sử dụng trục vít me tiêu chuẩn SKF (bước $P_h = 10\text{ mm}$, số mối ren $Z = 4$) chịu tải trọng nâng thiết kế $30\text{ kg}$ (tải trọng tối đa của module là $50\text{ kg}$). Qua tính toán lực dọc trục trung bình $F_m = 458\text{ N}$ và hiệu suất thực tế $\eta_p = 0{,}9$, mô-men xoắn cần truyền vào trục vít là $T = 0{,}81\text{ Nm}$ ở tốc độ cực đại $4170\text{ rpm}$. Do đó, động cơ bước NEMA23 (khối lượng $1{,}4\text{ kg}$, kích thước $56 \times 56 \times 112\text{ mm}$) đã được lựa chọn.

3. Mạch công suất cầu H trong đồ án có những đặc điểm kỹ thuật nào để bảo vệ và điều khiển động cơ?

Mạch cầu H sử dụng 4 MOSFET IRF540 cho dòng đỉnh chịu tải tối đa 22A, tích hợp IC điều khiển kích FET chuyên dụng IR2184 chống hiện tượng trùng dẫn, Opto cách ly xung P900V của SHARP bảo đảm đáp ứng tần số PWM cao và chống nhiễu ngược về vi điều khiển, cùng biến trở điều chỉnh giới hạn dòng bảo vệ động cơ.

4. Hệ thống dò đường nhận diện vạch và hiệu chỉnh độ nhạy như thế nào?

Hệ thống sử dụng thanh 8 cảm biến quang trở với công nghệ LED đôi 2 hàng lắp cách mặt sàn 5–10 mm, kết nối với module đọc ADC 8 kênh. Thiết bị có 7 chế độ độ nhạy (từ nút 0 nhạy nhất đến nút 6 ít nhạy nhất, cùng tổ hợp phím MODE + 0 / MODE + 1). Trạng thái cảm biến trả về mức logic 0 (0V) khi phát hiện vạch trắng và mức logic 1 (5V) khi nằm trên nền xưởng. Thông số canh chỉnh được lưu trữ trực tiếp vào EEPROM.

5. Cảm biến phát hiện vật cản DS30C4 có thông số kỹ thuật ra sao?

Cảm biến hồng ngoại DS30C4 sử dụng nguồn cấp 6–36VDC, khoảng cách phát hiện chướng ngại vật điều chỉnh được từ 5–30 cm thông qua biến trở tích hợp, dòng kích ngõ ra 300 mA, ngõ ra dạng cực thu hở NPN và có đèn LED màu đỏ hiển thị trạng thái phát hiện vật cản.

Kết luận

Đồ án môn học Cơ điện tử "Nghiên cứu, thiết kế Mobile Robot dạng bốn bánh vận chuyển sản phẩm trong nhà máy" của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hoàn thành việc nghiên cứu toàn diện từ khảo sát thực tiễn tại nhà máy Toyota đến mô hình hóa toán học và chế tạo phần cứng. Đề tài giải quyết tốt bài toán động học - động lực học Lagrange, tính toán chi tiết cụm nâng vít me đai ốc tiêu chuẩn SKF với động cơ NEMA23 tải trọng 50 kg, và tích hợp thành công vi điều khiển Arduino Mega 2560 cùng mạch cầu H IRF540, cảm biến dò line 8 LED và cảm biến vật cản hồng ngoại. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho các nghiên cứu thiết kế và triển khai robot tự hành AGV trong sản xuất công nghiệp.