CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này sẽ trình bày tổng quan về đề tài: “ Nghiên cứu, chế tạo robot tự hành hoạt động phục vụ trong bệnh viện”.Nội dung bao gồm Lý do chọn đề tài, tổng quát về AGV, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Từ đó rút ra mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu. Lý do chọn đề tài Trong thế kỉ XXI, đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Để sánh kịp với các quốc gia, cường quốc năm châu trên thế giới , nền công nghiệp nước nhà cần phải tiếp cận và trang bị các kiến thức khoa học – kỹ thuật tiên tiến, như vậy mới có thể đưa đất nước đi lên, phát triển.
Kỹ thuật Robot đã và đang được ứng dụng rộng rải trong nhiều lĩnh vực. Nó đem lại hiệu quả to lớn trong nông nghiệp, công nghiệp, quốc phòng, y tế, …… Hiện nay xuất hiện rất nhiều loại robot với nhiều công dụng, chức năng, hình dáng khác nhau để có thể ứng dụng vào nhiều môi trường làm việc khác nhau. Trong số đó được sử dụng nhiều đó chính là Robot Automated Guided Vehicle (gọi tắt là AGV). Robot AGV là dạng mobile robot tự di chuyển theo tín hiệu dẫn đường như theo line, từ trường, bản đồ, … Nó được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, nguy hiểm và lặp đi lặp lại nhiều lần để tăng năng suất sản xuất.
Ngoài ra, nó còn được ứng dụng vào y tế khi đại dịch COVID vẫn còn trong hiện tại, nó giúp tránh được tiếp xúc trực tiếp, giúp an toàn hơn cho cả bệnh nhân và bác sĩ. Nhận thấy những lợi ích mà Robot AGV mang lại, nhóm chúng em quyết định sẽ thực hiện đề tài “Nghiên cứu, chế tạo robot tự hành hoạt động phục vụ trong bệnh viện”. Giới thiệu về Robot tự hành AGV : 1. Tổng quát về Robot AGV - Automated Guided Vehicle: Robot AGV (Automated Guided Vehicle) là một loại robot tự động được thiết kế để di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ cụ thể trong một môi trường sản xuất hoặc nhà máy mà không cần sự can thiệp của con người.
Điều này giúp tăng cường hiệu suất, giảm chi phí và cải thiện an toàn trong quá trình sản xuất và vận chuyển hàng hóa. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: • Trong nước: Hiện nay, Việt Nam đã có những bước đi đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển Robot tự hành AGV. Nhiều doanh nghiệp, nhà máy sản xuất công nghiệp và nhà kho thông minh đã bắt đầu tiếp cận và áp dụng xe tự hành vào quy trình sản xuất. Vinamilk, Thaco Trường Hải và nhiều đơn vị khác đã là những cái tên tiên phong trong việc ứng dụng xe tự hành AGV vào nhà máy, mang lại hiệu quả to lớn.
AGV được sử dụng rộng rãi ở nhà máy Vinamilk [14] Dưới đây là sản phẩm của sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh nghiên cứu và chế tạo. Hình ảnh Follobot [15] Robot có tên là followbot, ứng dụng AI,thuật toán xử lí ảnh, xử lý 3D, giúp robot nhận diện được người, vùng nền và thuật toán điều khiển quỹ đạo chuyển động của robot. Robot hoàn thiện với kích thước nhỏ gọn 506 x 466 x 680mm (dài x rộng x cao), khối lượng 18.5Kg, tốc độ hoạt động tối đa 0.7 m/s, tải trọng tối đa 15Kg, đặc biệt rất dễ sử dụng chỉ với thao tác một nút nhấn. Robot cơ bản có thể bám theo người để chứa hàng hoá cho họ, nó chưa phân biệt được nhiều người 2 • Ngoài nước: Trên toàn cầu, nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực robot tự hành AGV đang phát triển mạnh mẽ.
Các quốc gia tiên tiến công nghệ như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Đức và Hàn Quốc đang dẫn đầu trong việc đầu tư và phát triển các công nghệ AGV tiên tiến. Điển hình trong số đó là Kiva Robot – Robot vận chuển được nghiên cứu và sản xuất bởi Amazon Robotics (USA). Nó được lập trình để thực hiện nhiều tính năng quan trọng như nhận và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ và tự động tiếp tục công việc mới sau khi sạc pin xong. Robot có trọng lượng khoảng 150 kg và có khả năng nâng kệ hàng lên đến 320 kg.
Tốc độ di chuyển tối đa của robot trong kho hàng là 1 m/s. Robot Kiva [16] Robot giao hàng Starship là một hệ thống giao hàng tự động của công ty Starship Technologies. Với hình dáng nhỏ gọn và khả năng tự điều hướng, nó có thể di chuyển an toàn trên đường phố và vỉa hè. Robot này được sử dụng để giao hàng trong các khu vực đô thị và trường đại học, mang lại sự tiện lợi và tốc độ cho quá trình giao hàng.
Robot giao hành Starship [17] 3 1. Mục tiêu - Tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu, kiến thức về Robot - Automated Guided Vehicle - Thiết kế được cơ khí - Tính toán các thông số kỹ thuật, lựa chọn động cơ phù hợp. - Tìm hiểu thuật toán điều khiển PID cho động cơ. - Sử dụng các thuật toán để robot vẽ được bản đồ và di chuyển trong môi trường chưa biết.
Đối tượng nghiên cứu : Đối tượng nghiên cứu của đề tài là robot phục vụ trong lĩnh vực bệnh viện. Nhóm tập trung vào vấn đề giao hàng, nhu yếu phầm cho bệnh nhân, giúp họ dễ dàng hơn trong việc giao hàng mà không cần phải tiếp xúc. Phạm vi nghiên cứu: - Robot tự hành trong điều kiện địa hình bằng phẳng, với các thông số sau: - Khối lượng robot ước tính: 20 (kg). - Khối lượng vận chuyển: tối đa 10 (kg).
- Vận tốc di chuyển tối đa: 0,5 (m/s). Phương pháp nghiên cứu: Đề tài này đa dạng nên yêu cầu có một quy trình nghiên cứu cẩn thận và phương pháp hợp lý. Nhóm đã tiến hành các phương pháp nghiên cứu sau: ➢ Tìm hiểu về AGV và công nghệ liên quan. Tìm hiểu về các hệ thống AGV đã được phát triển trước đó và các ứng dụng của chúng.
➢ Đặt mục tiêu nghiên cứu: Xác định mục tiêu cụ thể của đồ án tốt nghiệp. ➢ Tìm hiểu và lựa chọn các công nghệ phù hợp: Tìm hiểu và so sánh các công nghệ, phương pháp có thể sử dụng xây dựng xe AGV. (Các loại động cơ, hệ thống điều khiển, giao thức truyền thông, cảm biến và phần mềm điều khiển) ➢ Thiết kế: Sử dụng phần mềm Solidworks thiết kế mô hình của xe AGV. ➢ Gia công chế tạo: Dựa trên mô hình tiến hành gia công và lắp ráp xe AGV thực tế.
➢ Thực nghiệm và đánh giá: Tiến hành các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của xe AGV theo các tiêu chí như tốc độ, độ chính xác, khả năng định vị và tương tác với môi trường. ➢ Phân tích kết quả và hướng phát triển tương lai: Đánh giá những kết quả đạt được 4 và phân tích các vấn đề và hạn chế trong quá trình nghiên cứu. Đề xuất các cải tiến hoặc hướng phát triển tiếp theo cho xe AGV. ➢ Tìm kiếm và đọc các công trình nghiên cứu liên quan, tham khảo sách, bài báo, hướng dẫn kỹ thuật và tài liệu kỹ thuật để nắm bắt kiến thức sâu hơn về đề tài.
5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết bao gồm tổng quát về Robot AGV, phân loại AGV, thuật toán PID, khái niệm ROS (Robot Operation System), khái niệm về SLAM, Khái niệm về Navigation, các khái niệm liên quan. Tổng quan robot AGV: 2. Khái niệm AGV: Khái niệm xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái. Trong công nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực: - Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất.
- Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất. - Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn. - Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng… Qua tất cả các ứng dụng trên, AGV thể hiện rất rõ hiệu quả của mình như: Giúp giảm thiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nguồn nhân lực v.v… AGV còn giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất. Chúng có thể được chế tạo để chuyển hàng, kéo hàng, nâng hàng cấp phát cho một số vị trí làm việc nhất định.
Xe AGV trong công nghiệp 6 Hình 2. AGV trong y tế 2. Lịch sử phát triển của AGV Hệ thống xe dẫn hướng tự động (AGVS) đã tồn tại từ năm 1953 bởi Barrett Electronics Of Northbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation of Walker, bang Michigan – USA. Một nhà phát minh với một giấc mơ sáng chế ra một phương pháp tự động hóa con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều năm.
Lúc đầu chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn. Hệ thống hướng dẫn đầu tiên được tạo ra khi xuất hiện các cảm biến dò theo một từ trường. AGV tồn tại ở mức này cho đến giữa những năm 70. Công nghệ lúc này đã điều khiển các hệ thống để mở rộng khả năng và tính linh hoạt.
Xe không chỉ còn được dùng để kéo rơ moóc trong kho, mà còn được sử dụng trong quá trình sản xuất, làm việc, và các hệ thống lắp ráp ô tô. Lịch sử AGV Qua nhiều năm, khi công nghệ trở nên tinh vi hơn, thì ngày nay các AGV chủ yếu được định vị bởi hệ thống Lazer LGV (Lazer Guided Vehicle). Trong quá trình tự hành, LGV được lập trình để giao tiếp với các robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm được chuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữa lại hoặc chuyển đến một vị trí khác. Ngày nay, LGV đóng vai trò quan trọng trong thiết kế các nhà máy và nhà kho, đưa hàng hóa đến đúng địa điểm một cách an toàn.
Phân loại AGV Phân loại theo chức năng Xe kéo (Towing Vehicle) Xe kéo xuất hiện đầu tiên và bay giờ vẫn còn thịnh hành. Loại này có thể kéo được nhiều loại toa hàng khác nhau và chở được từ 8000 đến 60000 pounds. AGV kéo Ưu điểm của hệ thống xe kéo: - Khả năng chuyên chở lớn. - Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như đảm bảo an toàn.
- Tăng tính an toàn. Xe chở (Unit Load Vehicle) Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là các nâng, hạ chuyền động bằng băng tải, đai hoặc xích.