Thiết kế và lập trình robot tự hành kết hợp cánh tay robot 6 bậc tự do sử dụng ROS và depth camera

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

1.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

1.3.1. Cách tiếp cận

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu

1.4. Giới hạn đề tài

1.5. Nội dung nghiên cứu

1.6. Lý thuyết về Robot tự hành

1.6.1. Các loại Robot tự hành phổ biến trong công nghiệp

1.6.2. Các cơ cấu dẫn động của Robot tự hành

1.6.3. Lý thuyết động học của Robot truyền động vi sai

1.7. Lý thuyết về cánh tay Robot

1.7.1. Các loại cánh tay Robot phổ biến trong công nghiệp

1.7.2. Lý thuyết động học của cánh tay Robot

1.8. Giới thiệu về hệ thống Robot Operating System – ROS

1.8.1. Khái niệm về ROS Framework

1.8.2. Cấu trúc của ROS

1.8.3. ROS File System

1.8.4. ROS Computation Graph Level

1.8.5. Thuật toán SLAM/AMCL

1.9. Các giao thức, chuẩn truyền thông được sử dụng

1.9.1. Giao thức UART

1.9.2. Giao thức SPI

1.9.3. Chuẩn truyền thông TCP/IP

1.9.4. Chuẩn truyền thông RS – 485

1.9.5. Chuẩn truyền thông RS – 232

1.10. Lý thuyết bộ điều khiển PID

1.11. Sơ lược về dòng Fastech Ezi – Servo

1.12. Sơ lược về dòng vi điều khiển Espressif ESP32

1.13. Các loại mã marker phổ biến

2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1. Cánh tay Robot 6 bậc tự do

2.1.1. Thiết kế cơ khí cánh tay Robot

2.1.2. Thiết kế mạch điều khiển cánh tay Robot

2.1.3. Tính toán động học cánh tay Robot

2.1.3.1. Động học thuận

2.1.3.2. Động học nghịch

2.1.4. Lập trình cánh tay Robot

2.1.4.1. Lưu đồ giải thuật chương trình

2.1.5. Thiết kế giao diện Teach Pendant

2.1.5.1. Lập trình giao diện Teach Pendant

2.1.6. Lập trình điều khiển cánh tay Robot

2.2. Robot tự hành

2.2.1. Thiết kế cơ khí Robot tự hành

2.2.2. Thiết kế phần điện Robot tự hành

2.2.3. Các thành phần trong hệ thống

2.2.4. Sơ đồ hệ thống điện Robot

2.2.5. Lập trình điều khiển Robot tự hành

2.2.5.1. Lưu đồ điều khiển Robot tự hành

2.2.6. Tích hợp hệ thống Robot Operating System – ROS

2.3. Kết hợp cánh tay Robot 6 bậc tự do lên Robot tự hành

2.3.1. Thiết kế cơ khí phần tủ liên kết giữa 2 Robot

2.3.2. Thiết kế phần điện Robot kết hợp

2.3.3. Sơ đồ phân phối nguồn toàn hệ thống

2.3.4. Sơ đồ truyền thông toàn hệ thống

2.3.5. Lập trình kết hợp cánh tay Robot 6 bậc tự do và Robot tự hành

2.3.5.1. Nguyên lý hệ thống

2.3.5.2. Hiệu chỉnh máy ảnh – Camera Calibration bằng Chessboard

2.3.5.3. Ước tính tư thế – 6DoF Pose Estimation bằng ArUco Marker

2.3.5.4. Căn chỉnh ảnh Depth và Color – Depth Alignment

2.3.5.5. Sơ đồ quy trình đến lấy hàng tại trạm

2.3.5.6. Lập trình tác vụ điều chỉnh tư thế và lấy hàng tại trạm

2.4. Kết quả phần cứng

2.4.1. Phần cơ khí Robot

2.4.2. Phần điện Robot

2.5. Kết quả phần mềm

2.5.1. Giao diện Teach Pendant điều khiển cánh tay Robot

2.5.2. Giao diện phần mềm Rviz điều khiển Robot tự hành

2.5.3. Kết quả các chương trình xử lý ảnh và ước tính tư thế

2.5.3.1. Tự động di chuyển đến đích khi không có vật cản

2.5.3.2. Tự động di chuyển đến đích khi có vật cản

2.5.3.3. Kết quả điều chỉnh tư thế Robot tự hành khi đến trạm

2.5.3.4. Kết quả lấy hàng tại trạm bằng cánh tay Robot

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

I. Thiết kế robot tự hành

Phần này tập trung vào thiết kế robot tự hành, bao gồm các yếu tố cơ bản như khung cơ khí, hệ thống truyền động và cảm biến. Robot tự hành được thiết kế để di chuyển độc lập trong môi trường công nghiệp, sử dụng các cảm biến như LiDAR và depth camera để nhận diện vật cản. Hệ thống truyền động bao gồm động cơ và driver, được điều khiển thông qua ROS (Robot Operating System). Thiết kế này đảm bảo tính linh hoạt và độ chính xác cao trong các tác vụ di chuyển.

1.1. Khung cơ khí và hệ thống truyền động

Khung cơ khí của robot tự hành được thiết kế để chịu tải và đảm bảo độ ổn định. Hệ thống truyền động sử dụng động cơ ORIENTAL MOTOR và driver AZD-KD, cho phép robot di chuyển mượt mà và chính xác. Các bánh xe được thiết kế để phù hợp với địa hình công nghiệp, đảm bảo khả năng vượt chướng ngại vật.

1.2. Cảm biến và nhận diện môi trường

Hệ thống cảm biến bao gồm LiDAR SICK TIM551 và depth camera Microsoft Azure Kinect. Các cảm biến này giúp robot nhận diện môi trường xung quanh, xây dựng bản đồ và tránh vật cản. Depth camera cung cấp dữ liệu về độ sâu, hỗ trợ xử lý hình ảnh và nhận diện vật thể.

II. Lập trình robot tự hành

Phần này đề cập đến lập trình robot tự hành sử dụng ROS (Robot Operating System). ROS được chọn làm framework chính để điều khiển robot, bao gồm các module như navigation, SLAM và AMCL. Thuật toán điều khiển robot được phát triển để tối ưu hóa chuyển động và đảm bảo an toàn. Các thư viện như OpenCV và Open3D được sử dụng để xử lý hình ảnh và ước tính tư thế.

2.1. Navigation và SLAM

Hệ thống navigation của robot được xây dựng dựa trên thuật toán SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Robot có khả năng tự động xây dựng bản đồ và định vị trong môi trường không xác định. ROS cung cấp các công cụ như Rviz để hiển thị bản đồ và điều khiển robot.

2.2. Xử lý hình ảnh và ước tính tư thế

Depth camera được sử dụng để thu thập dữ liệu hình ảnh và độ sâu. Các thuật toán xử lý hình ảnh như ArUco Marker được áp dụng để ước tính tư thế (pose estimation). Điều này giúp robot xác định vị trí và hướng của các vật thể trong không gian.

III. Cánh tay robot 6 bậc tự do

Phần này tập trung vào cánh tay robot 6 bậc tự do, bao gồm thiết kế cơ khí, mạch điều khiển và lập trình. Cánh tay robot được tích hợp với robot tự hành để thực hiện các tác vụ phức tạp như gắp và di chuyển vật thể. Hệ thống điều khiển sử dụng ESP32 và các driver servo, đảm bảo độ chính xác và linh hoạt.

3.1. Thiết kế cơ khí và mạch điều khiển

Cánh tay robot được thiết kế với 6 khớp, cho phép linh hoạt trong các chuyển động. Mạch điều khiển sử dụng ESP32 để giao tiếp với các driver servo. Các chuẩn giao tiếp như RS-485 và UART được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thành phần.

3.2. Lập trình và điều khiển

Lập trình cánh tay robot bao gồm tính toán động học thuận và nghịch. Các thuật toán điều khiển được phát triển để đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác. Giao diện HMI (Human-Machine Interface) được thiết kế để người dùng dễ dàng điều khiển robot.

IV. Tích hợp hệ thống

Phần này mô tả quá trình tích hợp cánh tay robot với robot tự hành. Hệ thống được thiết kế để phối hợp hoạt động giữa hai thành phần, sử dụng depth camera để điều chỉnh tư thế và thực hiện tác vụ gắp hàng. ROS đóng vai trò trung tâm trong việc điều phối các hoạt động.

4.1. Thiết kế phần cứng tích hợp

Phần cứng tích hợp bao gồm khung liên kết giữa robot tự hành và cánh tay robot. Hệ thống điện và truyền thông được thiết kế để đảm bảo sự đồng bộ giữa các thành phần.

4.2. Lập trình phối hợp hoạt động

Lập trình phối hợp hoạt động bao gồm các tác vụ như điều chỉnh tư thế, gắp hàng và di chuyển. Depth camera được sử dụng để cung cấp dữ liệu về vị trí và hướng của vật thể, đảm bảo độ chính xác trong các tác vụ.

V. Đánh giá và ứng dụng

Phần này đánh giá hiệu quả của hệ thống và các ứng dụng thực tế. Robot tự hành kết hợp cánh tay robot 6 bậc tự do có thể được sử dụng trong các nhà máy, kho bãi và môi trường công nghiệp khác. Hệ thống mang lại hiệu quả cao trong việc tự động hóa các quy trình sản xuất và vận chuyển.

5.1. Hiệu quả và độ chính xác

Hệ thống đạt được độ chính xác cao trong các tác vụ di chuyển và gắp hàng. Depth camera và các thuật toán xử lý hình ảnh giúp robot hoạt động ổn định trong các điều kiện ánh sáng khác nhau.

5.2. Ứng dụng thực tế

Hệ thống có thể được ứng dụng trong các nhà máy để tự động hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lao động thủ công và tăng năng suất. Robot tự hành cũng có thể được sử dụng trong các kho bãi để vận chuyển hàng hóa một cách hiệu quả.

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và lập trình robot tự hành tích hợp cánh tay robot 6 bậc tự do với ROS và depth camera