BÁO cáo đồ án môn cơ điện tử NGHIÊN cứu, THIẾT kế MOBILE ROBOT DẠNG bốn BÁNH vận CHUYỂN PHÔI TRONG NHÀ máy

Lịch sử phát triển của xe AGV Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương Trung Quốc và một người nữa là Yan Shi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

-

-BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MOBILE ROBOT DẠNG BỐN BÁNH VẬN

CHUYỂN PHÔI TRONG NHÀ MÁY

Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Văn Trường

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 7

1.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU 7

1.1.1 Lịch sử phát triển của xe AGV 7

1.1.2 Phân loại xe AGV 8

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 11

1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 11

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT 4 BÁNH 13

2.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC 13

2.2.TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 20

3.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560 20

3.2.MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 22

3.3.MODULE LM 2596 23

3.4.BỘ NGUỒN 23

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH XE AGV 29

4.1 CỤM BÁNH ĐỘNG LỰC 29

4.2 CỤM NÂNG 31

4.3 KHUNG VÀ VỎ MÔ HÌNH AGV 34

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1 1: Sơ đồ vận hành xe AGV trong nhà máy 8

Hình 1 2: Xe AGV kéo hàng 9

Hình 1 3: Xe AGV chở hàng 9

Hình 1 4: Xe AGV nâng hàng 10

YHình 2 1: Hệ tọa độ của Robot 13

Hình 2 2: Mô hình phân tích lực bánh sau của robot [6] 16

Y Hình 3 1: Arduino Mega 2560 20 Hình 3 2: Mạch cầu H dung IR2184 22 Hình 3 3: Module LM2596 23 Hình 3 4: Ác quy 12V 24 Hình 3 5: Pin Lipo 25 Hình 3 6: Cảm biến dò line 8 LED 25 Hình 3 7: Module dò line 26 Hình 3 8: Module đọc ADC 26 Hình 3 9: Cảm biến vật cản hồng ngoại DS30c4 28 Hình 4 1: Module cụm bánh động lực 29

Hình 4 2: Module cụm nâng 32

Hình 4 3:Khung và mô hình AGV 34

CÁC TỪ VIẾT TẮTAGV : Autonomous Guided Vehicles

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

2 Lịch sử phát triển của xe AGV

Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương (Trung Quốc) và một người nữa là Yan Shi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí đầu tiên Đến năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh Năm

1948, các nguyên lý nền tảng về robot và tự động hóa ra đời, tạo tiền đề cho robot học sau này

Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặt tên là Unimate.Trong các loại Mobile Robot áp dụng trong lĩnh vực công nghiệp, thì Robot tự hành trên mặt đất AGV( Autonomous Guided Vehicles) đang được cả thế giớiquan tâm đến

Hệ thống xe tự hành (AGV) 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 đã sáng chế ra một phương pháp tự động hoá con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều năm nhờ vào giấc mơ của mình

Robot tự hành AGV được chế tạo để vận chuyển các phôi gia công vào những năm 70, vấn đề định hướng của xe tự hành là một trong những vấn đề quan trọng Ban đầu AGV chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn Công nghệ những năm 70 đã điều khiển các hệ thống để nâng cao khả năng và tính linh hoạt của xe AGV, xe không chỉ được dùng để kéo, đẩy hàng trong kho, mà còn có chức năng trunggian , kết nối trong quá trình sản xuất, lắp ráp, phân loại hàng hóa

Trải qua nhiều năm, khi công nghệ phát triển mạnh hơn, trong quá trình tự hành, AGV 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 giữ lại hoặc chuyển đến một vị trí khác

3 Phân loại xe AGV

Xe AGV được sử dụng với mục đích chung là để chuyển hàng trong các nhà máy, các kho chứa sản phẩm

Hình 1 1: Sơ đồ vận hành xe AGV trong nhà máy

Ngày nay, xe AGV đã có rất nhiều các dòng sản phẩm khác nhau ở trên thị trường Các sản phẩm AGV này bao gồm:

 Xe kéo (Towing Vehicle)

Xe kéo xuất hiện đầu tiên trong các dòng xe AGV và bây giờ vẫn còn rất thịnh hành trên thị trường Loại này có thể kéo được nhiều toa hàng khác nhau và trở được

Hình 1 2: Xe AGV kéo hàng

 Xe chở ( Unit Load Vehicle)

Xe chở được trang bị các tâng khay chứa có thể nâng, hạ chuyênr động bằng băng tải, đai hoặc xích

Ưu điểm của xe chở:

 Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu

 Thời gian đáp ứng nhanh gọn

 Giảm hư hại tài sản

 Đường đi linh hoạt

 Giảm thiếu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở

Hình 1 3: Xe AGV chở hàng

 Xe đẩy ( Cart Vehicle)

Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt và rẻ tiền Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp

 Xe nâng ( Fork Vehicle)

Có khả năng nâng các tải trọng trên sàn hoặc trên các bục cao hay khối hàng đặttrên giá

 AGV không theo đường dẫn ( free path navigation)

Có thể di chuyển đến vị trí bất kì trong không gian làm việc Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao được định vị nhờ các cảm biến con quay hồi chuyển

(Gyroscop sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để xác định vị trí các vật thể xung quanh trog quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigationLocation) để xác định tọa đọ tức thời, việc thiết kế loại xe này đòi hỏi công nghệ cao

và phức tạp hơn các xe AGV khác

 Loại chạy theo đường dẫn ( fixed path navigation)

Xe AGV loại này được thiết kế chạy theo đường dẫn định sẵn bao gồm các loại đường như sau:

Hình 1 4: Xe AGV nâng hàng

Đường dẫn từ: là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ chôn ngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo đường dẫn Loại đường dẫn này không nằm trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến công việc vận hành khác Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việctạo từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định không thay đổi được.

Đường ray dẫn: xe AGV được chạy trên các ray đặt sẵn trên mặt sàn.loại này chỉ sử dụng với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế đơn giản hơn và cóthể di chuyển với tốc độ cao nhưng không linh hoạt

Đường băng kẻ trên sàn: xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ cảm biến nhận dạng vạch kẻ Loại này có tính linh hoạt cao vì trong quá trình

sử dụng người ta có thể thay đổi đường đi một cách dễ dàng nhờ vẽ lại các vạch kẻ đường Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn trong quá trình điều khiển xe hoạt động

4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài chính là nghiên cứu và chế tạo Mobile Robot 4 bánh làm việc trong một không gian rộng ( nhà máy, nhà kho, ) với nhiệm vụ của Robot là vận chuyển hàng giữa các vị trí khác nhau trong không gian đó

Giới hạn của đề tài: khi nhóm đồ án nhận đề tài về thiết kế và chế tạo một Mobile Robot tự động 4 bánh, nhóm đã quyết định thiết kế và chế tạo một xe nâng hàng AGV với mục đích dùng để vận chuyển hàng trong một kho chứa của một công ty

5 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Phương pháp quan sát thực tế: nhóm chúng em đã có thời gian tiếp cận với quy trình sản xuất trong công ty HOYA nằm trong khu công nghiệp Bắc Thăng Long từ đó tìm ra được những công đoạn trong quá trình sản xuất cần cải tiến về máy móc nhằm nâng cao năng suất lao động

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Trong thời gian nghiên cứu, nhóm đồ án đã tìm hiểu qua các sách tài liệu, các đồ án sinh viên khóa trước, các trang web, … liên quan đến đề tài Mobile Bobot 4 bánh

Từ quá trình bên trên, nhóm đồ án đã quyết định tiến hành xây dựng một robot

tự động 4 bánh để nâng hàng Giúp quá trình vận chuyển hàng trong công ty được năng suất hơn

Để đạt được việc chế tạo ra một con robot tự động 4 bánh, thì những vấn đề saucần được tìm hiểu và nghiên cứu:

Bài toán dò đường sử dụng cảm biến dò line qua bộ điều khiển PID

Tính toán bài toán động học xác định mối liên hệ giữa các chuyển động và tìm quy luật thay đổi vị trí, quy luật chuyển hướng của AGV

Tính toán bài toán động lực học tìm hiểu nguyên nhân gây chuyển động và sự liên kết giữa các robot

Bài toán điều khiển động cơ planet và điều khiển tốc độ bằng xung PWM.Tính toán bộ truyền đai xích

Sau khi đã tìm hiểu và nghiên cứu, việc tiến hành làm ra sản phẩm cũng rất quan trọng Khi sản phẩm được hoàn thành thì sản phẩm phải đạt được những tiêu chí sau:

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

2.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

Hình 2 1: Hệ tọa độ của Robot

Hệ tọa độ tuyệt đối ( hệ tọa độ gốc) là hệ tọa độ cố định được đặt trong môi trường và được biểu diễn bằng (X,Y)

Hệ tọa độ tương đối ( hệ tạo độ robot) là hệ tọa độ gắn liền với robot và được biểu thị bằng (Xr,Yr)

Gốc của hệ tọa độ robot là P

Vị trí robot so với hệ tọa độ robot được xác định bằng ma trận vị trí

 

cos sin 0 sin cos 0

2 0 2

p r p

R L

y R

r p

R

r r p

L r

L=0.3 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe

´φ R , ´φ L=0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robotThay vào ta được:

L=0.3 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe

´φ R , ´φ L=0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robot

θ =0: là góc quay của bánh xeThay vào ta được:

0.15cos 0 0.15cos 0

0.4 0.15 0.15

0.4

0.2 0.15 0.15

2.2.TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến để xâydựng phương trình chuyển động cho các động cơ Phương pháp được phát minh bởi Lagrange

Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau:

Ta có tổng động năng của robot:

Hình 2 2: Mô hình phân tích lực bánh sau của robot [6]

tt t t

K  m v

(2-12)Trong đó:

K tt : là động năng tịnh tiến của thân xe

m t : là khối lượng thânxe

b b R b L R R L L

K  m v m v J  J 

(2-14)Trong đó:

m b =0.5 kg

Thay vào công thức (2-12),(2-13), (2-14),(2-15) ta được:

1 0.5 0.5 0.5 / 1.8 / 2

Thế năng của robot

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

Ngoại lực của robot

1 4

M dc : là momen do động cơ sinh ra

M mst : là momen hao tổn trên trục

Từ quá trình bên trên, nhóm đồ án đã quyết định tiến hành xây dựng một robot

tự động 4 bánh để nâng hàng Giúp quá trình vận chuyển hàng trong công ty được năng suất hơn.

Để đạt được việc chế tạo ra một con robot tự động 4 bánh, thì những vấn đề sau cần được tìm hiểu và nghiên cứu:

Bài toán dò đường sử dụng cảm biến dò line qua bộ điều khiển PID.

Tính toán bài toán động học xác định mối liên hệ giữa các chuyển động và tìm

liên kết giữa các robot.

Bài toán điều khiển động cơ planet và điều khiển tốc độ bằng xung PWM Tính toán bộ truyền đai xích.

Sau khi đã tìm hiểu và nghiên cứu, việc tiến hành làm ra sản phẩm cũng rất quan trọng Khi sản phẩm được hoàn thành thì sản phẩm phải đạt được những tiêu chí sau:

12

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

2.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

Hình 2 1: Hệ tọa độ của Robot

Hệ tọa độ tuyệt đối ( hệ tọa độ gốc) là hệ tọa độ cố định được đặt trong môi

Hệ tọa độ tương đối ( hệ tạo độ robot) là hệ tọa độ gắn liền với robot và được biểu thị bằng (Xr,Yr).

Gốc của hệ tọa độ robot là P.

Vị trí robot so với hệ tọa độ robot được xác định bằng ma trận vị trí

13

 

cos sin 0sin cos 0

20

2

p r p

y R

r p

R

p

L r

Ma trận vận tốc theo hệ tuyệt đối được thể hiện như sau:

0.15 0.15cos 0 cos 0

0.40.15 0.15

0.4

0.20.15 0.15

2 0.3 2 0.3

l q

16

2.2.TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến để xây dựng phương trình chuyển động cho các động cơ Phương pháp được phát minh bởi Lagrange.

Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau:

Q i¿ : là ngoại lực

Cấu trúc chuyển động của hệ gồm 2 bánh sau dẫn động và 2 bánh omni phía trước dẫn hướng Vì vậy mọi chuyển động của robot phụ thuộc vào việc điều khiển vận tốc 2 bánh sau v wR và v wL

Ta có tổng động năng của robot:

17

Hình 2 2: Mô hình phân tích lực bánh sau của robot [6]

(2-12) Trong đó:

K tt : là động năng tịnh tiến của thân xe

m t : là khối lượng thânxe

K  m v m v J J

(2-14) Trong đó:

m b =0.5 kg

Thay vào công thức (2-12),(2-13), (2-14),(2-15) ta được:

10.5 0.5 0.5 / 1.8 /2

tt

Thế năng của robot

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

Ngoại lực của robot

14

M dc : là momen do động cơ sinh ra

M mst : là momen hao tổn trên trục

M msl : là momen ma sát lăn

R: là bán kính bánh xe G: là gia tốc trọng trường K: là hệ số ma sát bánh xe với mặt đường

m t : là khối lượng thân xe

19

V b ,V a : là vận tốc tại điểm A,B (m/s)

t: là thời gian di chuyển từ A đến B (s)

Thay số vào ta tính được :

20

 

0.25

dc

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm đồ án đã biết được ưu, nhược của nhiều loại thiết bị khác nhau từ đó đã đưa ra được sự lựa chọn các thiết bị phù hợp nhất cho đồ án này Dưới đây là các thiết bị đó:

3.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560

Arduino mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch mega, là dòng mạch

có nhiều cải tiến hơn so với Arduino Uno Đặc biệt bộ nhớ Flash của Mega được tăng lên một cách đáng kể, gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của Uno R3 Cùng với việc được trang bị 3 timer và 6 cổng interput khiến cho bo mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được nhiều bài toán khó, sử dụng nhiều động cơ và có thể xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự.

Các tính năng nổi bật của Arduino Mega 2560:

Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip ATmega2560 Bao gồm:

21

Hình 3 1: Arduino Mega 2560

54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân PWM là từ chân số 2 → 13 và chân 44 45 46)