CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN nhiệm vụ phức tạp khác. Nhờ vào khả năng lập trình linh hoạt, chúng có thể được tùy chỉnh để thực hiện các chu trình công việc một cách hiệu quả. Điều này bao gồm việc chuyển linh kiện quan trọng từ bước sản xuất này đến bước tiếp theo một cách nhanh chóng và chính xác, tối ưu hóa quy trình sản xuất để đảm bảo sự liên tục và giảm thiểu thời gian hoàn thành sản phẩm.
Thay vì tiềm ẩn nguy cơ tai nạn lao động, robot tự hành giúp tăng cường cả hiệu suất và chất lượng sản phẩm [2]. Logistics và giao hàng: Trong lĩnh vực logistics và giao hàng, robot tự hành đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa toàn bộ chuỗi cung ứng. Chúng có khả năng di chuyển tự động và vận chuyển hàng hóa từ điểm này đến điểm khác trong kho hoặc nhà máy sản xuất. Điều này giúp tăng cường đáng kể sự chính xác và tốc độ của quá trình giao hàng, đồng thời giảm bớt nhược điểm liên quan đến sự can thiệp con người.
Qua việc kết hợp với hệ thống tự động quản lý kho, robot tự hành cùng nhau tạo nên môi trường làm việc hiệu quả hơn và giảm bớt sự phụ thuộc vào sự tham gia của con người [2]. Y tế: Lĩnh vực y tế đang tận dụng tiềm năng của robot tự hành để cải thiện quá trình chăm sóc sức khỏe và quản lý tài nguyên y tế. Tại các bệnh viện và cơ sở chăm sóc sức khỏe, robot tự hành được sử dụng để vận chuyển thuốc, dụng cụ y tế và mẫu xét nghiệm. Chúng giúp giảm nguy cơ lây nhiễm trong quá trình vận chuyển và tăng tính hiệu quả của việc quản lý tài nguyên quý báu.
Hơn nữa, robot có thể được lập trình để theo dõi tình trạng của bệnh nhân, ghi nhận dấu hiệu quan trọng và cung cấp thông tin chi tiết và kịp thời cho nhà điều hành, giúp tối ưu hóa quá trình chăm sóc y tế [2]. Nông nghiệp: Trong lĩnh vực nông nghiệp, robot tự hành đã mang đến sự cách mạng thông tin về môi trường và phát triển cây trồng. Nhờ việc trang bị cảm biến hiện đại, chúng có khả năng thu thập dữ liệu về độ ẩm, nhiệt độ, độ pH của đất và môi trường xung quanh. Dữ liệu này cung cấp thông tin quý báu để tối ưu hóa quản lý cây trồng, từ việc điều chỉnh lượng nước và phân bón phù hợp đến việc kiểm soát sâu bệnh và côn trùng gây hại.
Sử dụng robot tự hành giúp nâng cao năng suất và chất lượng nông sản, đồng thời giảm bớt lãng phí tài nguyên và hóa chất trong quá trình sản xuất nông nghiệp [2]. TỔNG QUAN Trên thực tế, robot tự hành không chỉ đơn thuần thay thế con người trong các công việc cụ thể mà còn mở ra một thế giới mới về tối ưu hóa, hiệu quả và tiết kiệm tài nguyên trong nhiều khía cạnh của cuộc sống và hoạt động con người. Đặc biệt, trong lĩnh vực nghiên cứu về Robot di động, các vấn đề liên quan đến định vị và tìm đường đóng vai trò cực kỳ quan trọng và đang được nghiên cứu và phát triển các giải pháp hiệu quả. Việc xác định các con đường phù hợp để đưa Robot đến đích và đảm bảo đường đi ngắn nhất là một trong những thách thức lớn.
Phương pháp truyền thống có thể giải quyết vấn đề này thông qua lập trình thủ công hoặc hướng dẫn Robot di chuyển. Tuy nhiên, các phương pháp này có nhược điểm là đường dẫn có thể không chính xác và không phải là con đường ngắn nhất, đặc biệt là khi đối diện với các bản đồ phức tạp. Một lựa chọn thay thế là áp dụng các thuật toán tự động. Điều này cho phép Robot tự động tìm ra đường dẫn đến vị trí mục tiêu một cách chính xác, và tốc độ xử lý được quyết định bởi thuật toán được áp dụng.
Phương pháp này có ưu điểm là giúp xác định con đường ngắn nhất một cách hiệu quả. Tuy nhiên, để áp dụng thuật toán tự động, thông tin chi tiết về bản đồ là điều bắt buộc. Ngoài việc tìm đường, Robot di động cũng phải giải quyết vấn đề về bản đồ hóa để đạt được yêu cầu của bài toán trên. Từ những cơ hội và thách thức trên, đề tài “Thiết kế và lập trình Robot tự hành kết hợp mang cánh tay Robot 6 bậc tự do ứng dụng Robot Operating System và Depth Camera.” là một giải pháp nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot tự hành di động có thể tự động vận chuyển hàng hóa trong môi trường nhà máy, là sự kết hợp giữa Robot AMR (Autonomous Mobile Robot) và cánh tay Robot cộng tác.
Loại Robot nhằm cải thiện hiệu suất và hiệu quả trong quá trình sản xuất, giúp tiết kiệm thời gian và tăng năng suất làm việc. Bằng cách sử dụng robot AMR, người dùng có thể loại bỏ những công việc vận chuyển hàng hóa tay, giảm nguy cơ sai sót và tăng tính an toàn trong môi trường làm việc. Ngoài ra, việc ứng dụng AMR Robot kết hợp cánh tay Robot vào sản xuất còn có những lợi ích khác như: - Có thể thay thế con người trong việc di chuyển các loại hàng hóa nặng nề, cồng kềnh và lặp đi lặp lại. - Giúp cắt giảm chi phí vận hành, đặc biệt là chi phí liên quan đến đào tạo và sử dụng lao động.
TỔNG QUAN - Độ chính xác và ổn định cao giúp duy trì sự liên tục trong quá trình sản xuất. - Giảm thiểu thời gian cần thiết để vận chuyển hàng hóa. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài “Thiết kế và lập trình Robot tự hành kết hợp mang cánh tay Robot 6 bậc tự do ứng dụng Robot Operating System và Depth Camera.” được nghiên cứu nhằm tích hợp các ưu điểm của dòng Robot tự hành và sự linh hoạt của cánh tay Robot, sản phẩm cuối cùng là một Robot có tích hợp cánh tay Robot 6 bậc tự do (6DoF Arm Robot) lên trên Robot tự hành (AMR) để thực hiện các tác vụ lấy hàng bằng cánh tay Robot từ trạm lấy hàng để đặt lên Robot tự hành và di chuyển đến vị trí đích. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.
Cách tiếp cận - Nghiên cứu các phần mềm và công cụ mã nguồn mở: Sử dụng các công cụ tính toán và mô phỏng như Matlab,… đồng thời sử dụng các phần mềm mã nguồn mở như ROS, Gazebo (mô phỏng robot) và các thư viện liên quan. - Nghiên cứu các bài báo khoa học uy tín về các đề tài liên quan đến Robot tự hành, Robot AGV, Robot AMR và các loại Robot di động khác. - Kết hợp việc mô phỏng và việc xây dựng hệ thống phần cứng để thử nghiệm các chức năng của Robot. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp thực nghiệm 1.
Giới hạn đề tài - Chỉ thiết kế và thi công cho 1 Robot (1 Robot là bao gồm Robot tự hành AMR kết hợp 1 cánh tay Robot 6 bậc tự do) nên đề tài không đề cập đến việc phối hợp hoạt động giữa nhiều Robot hoặc lập trình vận hành “bầy đàn” cho các Robot. - Không có GUI hoàn thiện cho toàn bộ hệ thống (tức hiện tại đề tài có GUI điều khiển cho Robot tự hành riêng – dùng để set goal cho Robot tự hành và GUI cho cánh tay Robot riêng – GUI này đóng vai trò là Teach Pendant học lệnh cho cánh tay Robot). TỔNG QUAN - Giới hạn về phần động lực học cho cánh tay Robot: đề tài có thiết kế cơ khí và thi công hoàn thiện cánh tay Robot 6 bậc tự do, có trải qua bước ước tính tải và chịu lực của các khâu, khớp. Có nghiên cứu động học nhưng không nghiên cứu chi tiết về động lực học, tĩnh học cho cánh tay Robot.
Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu “Thiết kế và lập trình Robot tự hành kết hợp mang cánh tay Robot 6 bậc tự do ứng dụng Robot Operating System và Depth Camera” có thể được chia làm 3 phần nội dung lớn như sau: Nội dung 1: Về cánh tay Robot 6 bậc tự do - Thiết kế phần cứng cánh tay Robot 6 bậc tự do - Thiết kế mạch điều khiển cho cánh tay Robot - Tìm hiểu các chuẩn giao tiếp, truyền thông như RS-485, UART, SPI, I2C,… - Nghiên cứu truyền thông giữa ESP32 và các Driver trong hệ thống cánh tay Robot 6 bậc tự do - Tính toán phần động học cánh tay Robot 6 bậc tự do - Lập trình điều khiển cánh tay Robot 6 bậc tự do - Thiết kế và lập trình giao diện HMI – Teach Pendant cho cánh tay Robot Nội dung 2: Về Robot tự hành – AMR - Thiết kế phần cứng Robot tự hành - Tìm hiểu về hệ điều hành dành cho Robot (Framework: ROS) - Tìm hiểu về rospy và roscpp - Lập trình phần điều khiển Robot tự hành, lập trình phần navigation, xây dựng bản đồ cho Robot Nội dung 3: Về phần kết hợp giữa cánh tay Robot 6 bậc tự do và Robot tự hành - Thiết kế phần cứng – phần thân trung gian của cánh tay Robot 6 bậc tự do và Robot tự hành AMR. - Tìm hiểu về ảnh Depth và các Depth Camera được sử dụng. - Nghiên cứu xử lý ảnh và tác vụ pose estimation bằng ArUco Marker. - Tìm hiểu các chuẩn giao tiếp, truyền thông như RS-232, TCP/IP,… 5 CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN - Lập trình tác vụ gắp hàng bằng cánh tay Robot sử dụng Depth Camera Microsoft Azure Kinect. Tác vụ điều chỉnh tư thế Robot tự hành sử dụng Depth Camera Microsoft Kinect V2 – Xbox One. - Lập trình phối hợp hoạt động giữa Robot tự hành và cánh tay Robot 6 bậc tự do. - Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng, phần mềm cho Robot.
Bố cục báo cáo Chương 1. Tổng quan: Chương này giới thiệu tổng quan về đề tài sẽ nghiên cứu, bao gồm trình bày những vấn đề đang tồn đọng trong việc kết hợp Robot tự hành và cánh tay Robot 6 bậc tự do, những phương pháp nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và những giới hạn trong phạm vi của đề tài được thực hiện. Cơ sở lý thuyết: Phần cơ sở lý thuyết đề cập đến các nội dung lý thuyết, kiến thức, phần cứng quan trọng và các chuẩn giao tiếp chính mà đề tài được sử dụng. Đặc biệt là lý thuyết về hệ thống Robot Operating System và các thuật toán SLAM/AMCL và tổng quan về mã ArUco Marker được sử dụng để Pose Estimation, lý do chọn ArUco thay vì những phương pháp khác để ước tính tư thế vật thể.
Thiết kế hệ thống: Chương này sẽ trình bày toàn bộ quá trình thiết kế và lập trình Robot.