CHƯƠNG 3 mô HÌNH ĐỘNG học, ĐỘNG lực học AGV ROBOT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT1.1- Lịch sử nghiên cứu 1.1.1- Lịch sử phát triển của xe AGV Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương TrungQuốc và một người nữ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC Trang

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT 5

1.1.3- Chiến lược phát triển công nghiệp robot của các quốc gia 11

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ AGV ROBOT 17

2.1.1- Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí 17

CHƯƠNG 5- THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THUẬT

TOÁN

52

6.2- Hoàn thiện code và nạp chương trình vào vi điều khiển 636.3- Chạy thực nghiệm mô hình robot AGV vận chuyển hàng hóa 63

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

2 θ Góc của robot so với phương ngang Rad

11 v wR ,v wL Vận tốc dài bánh phải, trái m/s

12 J wR ,J wR Momen quán tính của từng bánh Kg/m2

24 V a ,V b Vận tốc tại điểm đầu A, điểm cuối B m/s

26 P dc Công suất động cơ W

27 ξ Ma trận vị trí robot

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

1.1- Lịch sử nghiên cứu

1.1.1- Lịch sử phát triển của xe AGV

Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương (TrungQuốc) 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 chorobot học sau này

Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặttên 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 cảthế giới quan tâm đến

Hệ thống xe tự hành (AGV) đã tồn tại từ năm 1953 bởi Barrett Electronics OfNorthbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation of Walker, bangMichigan – USA Một nhà phát minh đã sáng chế ra một phương pháp tự độnghoá con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trongnhiều năm nhờ vào giấc mơ của mình

Robot tự hành AGV được chế tạo để vận chuyển các phôi gia công vào nhữngnăm 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 nghệnhững năm 70 đã điều khiển các hệ thống để nâng cao khả năng và tính linh hoạtcủa xe AGV, xe không chỉ được dùng để kéo, đẩy hàng trong kho, mà còn có chứcnăng trung gian , 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 đượcchuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữ lại hoặc chuyển đến một

vị trí khác

1.1.2- 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 thịnhhành trên thị trường Loại này có thể kéo được nhiều toa hàng khác nhau và trởđược từ 8000 đến 60000 pounds

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 cũngnhư việc đảm bảo an toàn;

 Tính năng an toàn tốt

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 bằngbăng 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 chuyênchở 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

Hình 1.4- Xe AGV nâng hàng

 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 xeAGV 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 trícác vật thể xung quanh trog quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Localnavigation Location) để xác định tọa đọ tức thời, việc thiết kế loại xe này đòi hỏicông 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 loạiđường như sau:

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 đườngdẫn 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 nănglượng cho việc tạo từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định không thayđổi được.

Đường ray dẫn: xe AGV được chạy trên các ray đặt sẵn trên mặt sàn.loại nàychỉ sử dụng với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế đơn giản hơn

và có thể 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 trênsàn nhờ cảm biến nhận dạng vạch kẻ Loại này có tính linh hoạt cao vì trong quátrình sử dụng người ta có thể thay đổi đường đi một cách dễ dàng nhờ vẽ lại cácvạch 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

1.1.3- Chiến lược phát triển công nghiệp robot của các quốc gia

a- Tại các nước trên thế giới

Công nghiệp robot thông minh là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá mức độtân tiến về công nghệ và cấp độ sản xuất cao nhất của một quốc gia Để nắm bắt cơhội phát triển và chiếm vị thế cạnh tranh mũi nhọn trong lĩnh vực này, những nềnkinh tế chủ lực trên thế giới đã liên tục đề ra các chiến lược phát triển công nghiệprobot Một số quốc gia đầu tư sớm đã thu được nhiều thành quả xứng đáng như:Hoa Kỳ, một số quốc gia châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc

Hoa Kỳ: là quốc gia đầu tiên phát triển và xúc tiến đẩy mạnh ứng dụng robot,nước này hiện đang giữ vai trò dẫn đầu trong công nghệ robot thông minh Năm

2011, Hoa Kỳ đã bắt đầu thực hiện kế hoạch Chung tay cùng sản xuất tiên tiến(Advanced Manufacturing Partnership - AMP), trong đó tuyên bố tiếp sức chocông nghiệp sản xuất bằng robot, phát triển một thế hệ robot thông minh mới dựatrên việc khai thác thế mạnh của công nghệ thông tin, đồng thời đầu tư 70 triệuUSD cho nghiên cứu những robot thế hệ tiếp theo Cùng năm đó, Trường Đại họcCarnegie Mellon đã khởi công kế hoạch robot quốc gia (National Robot Plan),nhắm mục tiêu giúp Hoa Kỳ giữ vững vai trò dẫn đầu trong giai đoạn kế tiếp của

công nghệ robot và ứng dụng Năm 2013, nước này phát hành cuốn “The RobotRoadmap: From Internet to robot”, đặt robot vào vị trí quan trọng ngang bằng vớiinternet thế kỷ XX, và nhấn mạnh tầm quan trọng của công nghệ robot trong sảnxuất và sức khỏe y tế Phiên bản mới nhất của “The Robot roadmap” đã được pháthành năm 2016, đưa ra hướng dẫn về chính sách và kỹ thuật cho việc ứng dụngrobot trong thiết bị lặn không người lái, cộng tác người - robot và giáo dục chămsóc sức khỏe Trong cùng năm, kế hoạch robot quốc gia 2.0 đã được thực hiện,nhằm tạo ra hàng loạt robot cộng tác giúp thiết lập một mối quan hệ cộng sinh giữarobot và con người.

Châu Âu: Tại đây, đổi mới công nghệ robot đã và đang là một lĩnh vực chủ đạođược ưu tiên, được đưa vào các chương trình nghị sự cũng như kế hoạch nghiêncứu phát triển của khu vực Năm 2013 “Kế hoạch công nghiệp 4.0” của Đức cũng

dự định duy trì vai trò tiên phong của họ trong công nghiệp chế tạo, đồng thời coicông nghệ sản xuất thông minh và công nghệ robot như là sự khởi đầu của cáchmạng công nghiệp mới Trong năm đó, Pháp đã đầu tư 129,6 triệu USD vào côngnghiệp robot với mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển bền vững của côngnghiệp robot Năm 2014, Hội đồng chung châu Âu và Hiệp hội robot châu Âu đãtài trợ để hiện thực hóa Kế hoạch nghiên cứu phát triển robot châu Âu, đây là kếhoạch cải tiến đổi mới robot tự phục vụ phi chính phủ lớn nhất trên thế giới với 2,8

tỷ EURO tiền đầu tư đến năm 2020 Kế hoạch này được kỳ vọng tạo ra 240.000công việc và tập hợp được sức mạnh của hơn 200 công ty cùng 12.000 nhà nghiêncứu phát triển để kích thích ứng dụng robot trong sản xuất, nông nghiệp, chăm sócsức khỏe, vận chuyển, an toàn và gia đình

Nhật Bản: là một cường quốc robot, Nhật Bản đã đề ra chiến lược phát triển dàihạn cho ngành công nghệ này Chính phủ Nhật Bản dự tính đổ nhiều tiền cho pháttriển công nghiệp robot, đưa lĩnh vực này trở thành một trụ cột quan trọng hỗ trợtăng trưởng kinh tế quốc gia Tháng 6/2014, Chiến lược phục hồi Nhật Bản đãđược đề xuất với mục tiêu phát động một cuộc cách mạng công nghiệp mới đượcvận hành bởi robot Tiếp đó, Ủy ban cải cách robot được thành lập, phát triển robot

công nghiệp được đưa vào danh sách 3 nhiệm vụ chủ đạo trong thế kỷ mới Năm

2015, Chiến lược mới về robot đã được ban hành, nhằm tích hợp sâu robot vớicông nghệ máy tính, dữ liệu lớn, mạng và trí thông minh nhân tạo, với chủ đích tạo

ra một nền công nghiệp robot đẳng cấp thế giới, xây dựng một xã hội ứng dụngrobot và trở thành nước dẫn đầu về robot thông minh trong thời đại mới

Hàn Quốc: quốc gia này hiện đang xem robot thông minh là 1 trong 10 phươngtiện để thúc đẩy tăng trưởng kinh tế quốc gia trong thế kỷ XXI Kế hoạch phát triểnrobot thông minh được xây dựng vào năm 2009 Chính phủ hy vọng sẽ nâng caođược tính cạnh tranh của công nghiệp robot nội địa, từng bước hoàn thành chuyểnđổi từ robot sản xuất truyền thống sang robot dịch vụ thông minh, thông qua mộtchuỗi chính sách tích cực trong nghiên cứu và phát triển công nghệ Trong cùngnăm này, Chiến lược phát triển công nghiệp robot dịch vụ đã được xây dựng, với

hy vọng đưa công nghiệp robot của Hàn Quốc xếp hạng cao trên thế giới Năm

2012, Chính phủ khởi công Chiến lược Robot tương lai 2022, với kinh phí đầu tư

350 tỷ won để mở rộng gấp 10 lần quy mô công nghiệp robot hiện tại (tăng giá trị

từ 2 nghìn tỷ won thành 25 nghìn tỷ won vào năm 2022) Chiến lược này tập trungvào phát triển robot cứu hộ, robot y tế, robot công nghiệp thông minh và robot sửdụng trong nhà, nhằm phát triển robot như là một công nghiệp trụ cột, cuối cùngnắm lấy thời đại robot Dựa vào chiến lược này, Bộ Kinh tế tri thức đã đề ra Kếhoạch hành động lần thứ hai về robot thông minh (2014-2018), trong đó yêu cầunâng cao GDP robot quốc nội lên tới 20 nghìn tỷ won và xuất khẩu robot lên tới 7

tỷ USD, chiếm vị trí thứ 3 trên thế giới về robot công nghiệp

Ngoài ra, một số quốc gia đã và đang âm thầm xây dựng chiến lược phát triểnphù hợp với mục đích của họ, ví dụ như Trung Quốc - quốc gia hiện đang sử dụngrobot công nghiệp nhiều nhất trên thế giới

b- Nghiên cứu robot ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã và đang được triển khai ở hầu hếtcác trường đại học, viện nghiên cứu trong cả nước Trong đó, nổi bật ở Hà Nội làTrường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Công nghệ thông tin, Viện Cơ học (Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Học viện Kỹ thuật Quân sự, ViệnNghiên cứu Điện tử, Tin học và Tự động hoá; ở TP Hồ Chí Minh là Trường Đạihọc Bách khoa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Viện Cơ học và Tin học Ứngdụng, Phân viện Nghiên cứu điện tử, Tin học và Tự động hóa, Trung tâm Nghiêncứu và Phát triển (Khu Công nghệ cao TP Hồ Chí Minh) Đội ngũ nhà khoa học

đã quan tâm và tập trung giải quyết một số vấn đề liên quan tới hệ thống robot nhưthiết kế tối ưu, động học, động lực học, điều khiển, thiết kế phần cứng, lập trìnhphần mềm song những nghiên cứu này phần lớn liên quan tới vấn đề học thuật,tạo cơ sở khoa học làm nền tảng ban đầu cho giai đoạn phát triển robot tiếp theo.Nhìn chung, nghiên cứu và ứng dụng robot ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, nổibật là những vấn đề sau:

- Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu chuyên sâu về robot còn yếu và thiếu,như thiếu mô hình robot vật lý, thiết bị cho thí nghiệm, thử nghiệm Kết quả thiRobocon của sinh viên Việt Nam so với sinh viên nước bạn là đáng ghi nhận,nhưng điều này chỉ phản ánh được phần nào về mặt ý tưởng

- Robot được chế tạo tại Việt Nam còn rất ít và hầu hết sử dụng công nghệ cũcủa thế giới, chưa có đủ khả năng làm chủ công nghệ cũng như phát triển côngnghệ phù hợp

- Robot công nghiệp đã được quan tâm nghiên cứu nhưng mới chỉ dừng ở việcđưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bài toán động lực học cho robot phục vụđiều khiển chuyển động, chưa chủ động được quá trình thiết kế và chế tạo robotđáp ứng yêu cầu cụ thể Nhiều vấn đề mới đang được quan tâm trên thế giới nhằmnâng cao kỹ năng động lực học và khả năng ứng xử thông minh giống con ngườicho robot chưa có điều kiện để nghiên cứu sâu ở Việt Nam như: vấn đề tránh vậtcản, tránh điểm kỳ dị… và đặc biệt là vấn đề tương tác lực của robot với môitrường trong quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển động

- Robot nói chung và robot công nghiệp thông minh nói riêng đang được sửdụng tại Việt Nam phần lớn được nhập khẩu Có rất ít công ty sản xuất và phânphối sản phẩm trong nước Nếu có thì hầu hết sản phẩm thuộc phân loại robot công

nghiệp truyền thống, hạn chế về tính thông minh, bậc tự do, kỹ năng động lực họcnâng cao

Xu hướng chuyển dịch sản xuất từ các nước phát triển sang các nước đang pháttriển trong thập kỷ vừa qua, tất yếu làm gia tăng nhu cầu sử dụng robot côngnghiệp ở thị trường các nước đang phát triển Tuy nhiên, việc hấp thụ công nghệ và

sử dụng hệ thống robot công nghiệp hiện đại, đa năng tại doanh nghiệp vừa và nhỏ

ở Việt Nam còn gặp khó khăn về mặt chi phí (giá quá cao) và không hiệu quả vềmặt ứng dụng (không sử dụng hết chức năng sẵn có của robot)

1.2- Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài chính là nghiên cứu và chế tạo Mobile Robot 4 bánh làmviệc trong một không gian rộng ( nhà máy, nhà kho, ) với nhiệm vụ của Robot làvận 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 4bánh, nhóm đã quyết định thiết kế và chế tạo một xe nâng hàng AGV với mục đíchdùng để vận chuyển hàng trong một kho chứa của một công ty

1.3- Phương pháp thực hiện đề tài

Phương pháp quan sát thực tế: nhóm chúng em đã có thời gian tiếp cận với quytrình sản xuất trong các công ty nằm trong khu công nghiệp từ đó tìm ra đượcnhững công đoạn trong quá trình sản xuất cần cải tiến về máy móc nhằm nâng caonăng 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 4bánh

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 đượcnăng 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 vàtìm 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 giảm tốc và điều khiển tốc độ bằng xungPWM

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

- Thiết kế được mô hình robot mobile AGV nâng hàng;

- Robot hoạt động theo đường line có sẵn trong nhà máy;

- Thuật toán điều khiển robot chạy chính xác với các điểm được thiết lập trênmàn hình điều khiển LCD;

- Tải trọng nâng hàng hóa đạt tới 20-30 kg

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ AGV ROBOT

2.1- Lựa chọn các phương án thiết kế

2.1.1- Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí

Đặc điểm và yêu cầu của xe:

- Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng, không có dốc nghiêng

- Xe di chuyển tự do trong không gian nhà máy

- Xe nhỏ gọn có thể di chuyển đến nhiều vị trí khác nhau trong nơi sản xuất

Phương án thiết kế cơ khí:

Bảng 2.1: So sánh các ưu nhược điểm cho sơ đồ cơ khí robot AGV vận chuyển hàng hóa.

Xe 2 bánh

2 bánh chủđộng,

không cóbánh bịđộng

Sơ đồ nguyên lý phương án 1

- Xe có kết cấu đơn giản, dễ thiếtkế

- Xe có khả năng xoay chuyển linh hoạt

- Gặp khó khăn trong vấn đề vừa bám line, vừa tự cân bằng xe

- Khó phân bố đều tải trọng

- Xe di chuyểnvới tốc độ thấp

Xe 2 bánhchủ độngđặt phíasau, 1 bánh

bị động đặtphía trước

Sơ đồ nguyên lý phương án 2a

- Ba bánh xe luônđồng phẳng, đảmbảo cả ba bánh

xe đều tiếp xúc với mặt đất

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Khả năng qua

- Dễ bị văng khỏiđường line khi

có lực nhỏ tác dụng vào bánh bịđộng ở phía trước

- Qua cua dễ bịlật khi mang tải

xe đều tiếp xúc với mặt đất.

- Khó bị văng rakhỏ đường linehơn so với bánh

bị động ở phía trước

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Khả năng quacua dễ dàng

- Qua cua dễ bị lậtkhi mang tảinặng

Xe 4 bánh

2 bánh chủ động và 2 bánh bị động

- Không đảm bảo 4 bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đất

- Qua cua tốc

độ thấp do có 2bánh bị động nên kém linhhoạt

2 bánh chủ động và 2 bánh trước

có hệ thống treo

Sơ đồ nguyên

lý phương án 3b

- Xe bẻ lái dễ dàng khi qua cua

- Không bị lật khi mang tải nặng

- Bốn bánh xe luôn đồng phẳng

do có hệ thống treo

- Kết cấu cơ khí phức tạp, khó chế tạo

- Khó điểu khiển

4 bánh chủ

lý phương án 3c

- Cấu trúc bốn bánh có các dạnggiúp phân phối đều lực kéo của động cơ

- Chịu tải trọngtốt, không bị lật

- Điểu khiển phức tạp

- Qua cua khókhăn và tốc độchậm

khi qua cua.

Lựa chọn phương án 3a: Xe gồm có 4 bánh, trong đó 2 bánh chủ động đặt ở

phía sau và 2 bánh bị động ở phía trước

2.1.2- Lựa chọn động cơ

Động cơ là một chi tiết không thể thiếu trong mô hình robot AGV vận chuyểnhàng Tùy thuộc vào tải trọng và công suất hoạt động mà ta có thể lựa chọn cácđộng cơ khác nhau cho mô hình Sau đây, nhóm sẽ liệt kê một số động cơ thường

sử dụng trong các mô hình robot và dựa vào ưu nhược điểm của chúng và tính toán

cơ khí sẽ chọn ra loại phù hợp với đồ án này

Bảng 2.2- Bảng lựa chọn phương án cho động cơ

Động cơ

bước

- Có thể điều khiển chính xác vịtrí theo bước

- Hiện tượng trượt bước, muốn hồi tiếp cần gắn thêm encoder, lúc dừng tại 1 vị trí động cơ ngậm

điện để giữ rotor

- Tránh

Step DC,

- Hoạt động ở tốc

độ cao, momen

khiển phức tạp Giá thành cao

xoắn cao,

xác trong góc giớihạn, kiểm soát vịtrí chính xác

Động cơ DC

gắn encoder

- Tốc độ tỉ lệ với điện áp hiệu dụng, đặc tuyến torque/dòng tuyếntính, khả năng bị quá tải thấp Giá thành

cơ này được sử dụng rất nhiều với mô hình nghiên cứu các nghành kĩ thuật

- Chỉ dùng với các

mô hình nhỏ, tai trọng và momen thấp

2.1.3- Phương án để thiết kế bộ điều khiển

- Phương án 1 : điều khiển bằng rơ le

Rơ le là một thiết bị chuyển mạch bằng hoạt động bằng điện, sử dụng một nâm châm điện như một đòn bẫy, khi dòng điện chạy qua nâm châm thì sẽ tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòng điện qua nâm châm điện có thể có hoặc không vì thế mà rơ le có 2 vị trí chuyển mạch, trong đó khi mà có điện thì rơ le sẽ có trạng thái ON ngược lại thì là trạng thái OFF

Hình 2.1- Một số loại rơ le thông dụng

Hệ thống điều khiển Rơ le là tập hợp nhiều thiết bị chuyển mạch Rơ le, cùngvới các thiết bị như: Timer, CP, … Mà cấu hành hệ thống điều khiển rơ le Hiệnnay hệ thống này vẫn được sử dụng trong các loại tủ điện như tủ điện ATS, UPS,

… Ngoài ra còn được sử dụng như một phần tử cách ly điện áp điều khiển và điện

áp cháp hành

Ưu điểm :

 Thiết kế nhỏ gọn với trọng lượng nhẹ dễ di chuyển khi cần thiết;

 Cấu thành từ những nguyên vật liệu có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt

Nhược điểm :

 Người vận hành phải có kiến thức và kinh nghiệm cao

- Phương án 2 : điều khiển bằng PLC

Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ

số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt côngnghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế vàhiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mởrộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năngtrên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điềukhiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động

Hình 2.2- Bộ điều khiển PLC

Ứng dụng của PLC trong công nghiệp:

Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnhvực khác nhau trong công nghiệp như:

– Hệ thống nâng vận chuyển

– Dây chuyền đóng gói

– Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh

– Sản xuất xi măng

– Công nghệ chế biến thực phẩm

– Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn

– Dây chuyền lắp giáp Tivi

- Phương án 3 : điều khiển bằng vi điều khiển

Vi điều khiển giống như một máy tính được tích hợp trên một con chip và được

sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Nó là một hệ thống nhúng khép kín vớicác thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ Nó được ứng dụng trong việc chế tạo khánhiều thiết bị điện tử dân dụng như điện thoại, xe hơi, thiết bị đèn led, máy đonhiệt độ môi trường,…

Hình 2.3- Vi điều khiển ATMEGA

Ưu điểm:

- Vi điều khiển hoạt động như máy vi tính;

- Việc sử dụng đơn giản, dễ khắc phục sự cố và bảo trì;

- Hầu hết các chân chức năng có thể được người dùng sử dụng;

- Dễ kết nối các cổng RAM, ROM I/O

Nhược điểm:

- Có kiến trúc phức tạp hơn so với vi xử lí;

- Chỉ thực hiện đồng thời một số lệnh thực thi có giới hạn;

- Không thể làm việc với các thiết bị có công suất cao

Nhóm chọn vi điều khiển làm bộ điều khiển chính để thiết kế, bởi vi điều khiển có những ưu điểm sau:

– Công suất tiêu thụ thấp

– Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần cứng

– Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất

– Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

– Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

– Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC AGV ROBOT

3.1- Tính toán động học

Hình 3.1- Hệ tọa độ robot

Hệ tọa độ tuyệt đối ( hệ tọa độ gốc) là hệ tọa độ cố định được đặt trong môitrường và được biểu diễn bằng (X,Y) Hệ tọa độ tương đối ( hệ tạo độ robot) là hệtọa độ gắn liền với robot và được biểu thị bằng (X r ,Y r) Gốc của hệ tọa độ robot làP

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

ω= ˙v R − ˙v L

2 =R

˙φ R − ˙φ L

2Các vận tốc của robot trong hệ tọa độ giờ có thể biểu diễn dưới dạng các vận tốc của điểm trung tâm P trong khung robot như sau:

Với R=0.05(m) là bán kính bánh xe của robot;

L=0.426(m) là khoảng cách giữa 2 bánh xe;

˙φ R , ˙φ L =0,4(m/s) là vận tốc của bánh phải, trái của robot

Thay vào ta được:

L=0.426(m) là khoảng cách giữa 2 bánh xe;

˙φ R , ˙φL=0.4 là vận tốc của bánh phải, trái của robot;

θ= 0 (độ) là góc quay của bánh xe

Thay vào ta được:

˙q r=[0 05

2 cos0 0.052 cos00.05

2 sin 0 0.052 sin 00.05

2× 0 426 2× 0.4260.05 ]×[0.4

0.4]=[ 0.02

0 0.046]

Ma trận ˙q l còn được thể hiện theo vận tốc dài v và vận tốc ω theo công thức sau:

Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau:

Hình 3.2- Mô hình phân tích lực bánh sau của robot

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

Ta có tổng động năng của robot:

K= K tt+∑K b

Động năng tịnh tiến của thân xe:

K tt=12m t v t2

Trong đó:

 K tt: là động năng tịnh tiến của thân xe

 m t: là khối lượng thân xe (bao gồm cả hàng hóa)

 v t: là vận tốc dài của xe

v t= 1

2(v ωR +v ωL)= 1

2R( ˙φ R + ˙φ L)Động năng của bánh xe:

Kb =(m b vωR2 +m b vω L2 +J ωR ˙φ ωR2 +J ω L ˙φ ωL2 )Trong đó:

 K b: là động năng của bánh xe;

 J wR ,J wL: là momen quán tính của từng bánh xe

Coi bánh xe là đĩa tròn mỏng thì:

J ω= 12m b R2

 R: là bán kính bánh xe;

 m b: là khối lượng bánh xe;

 v wR ,v wL: là vận tốc dài của 2 bánh xe

Với: v wR=0.4 m/s;

v wL=0.4 m/s;

m t =25 kg;

m b =0.2kg;Thay vào công thức ta được:

Thế năng của robot:

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

Ngoại lực của robot:

Q i¿=M đc −M mst −M msl =M đc −M đc u−Rgk ( 1

4m t +m b)Trong đó:

 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;

 m b: là khối lượng bánh xe;

¨φ ω = a R= 0.10.05=2Trong đó

 ¨φ w là gia tốc góc của bánh xe (rad/s2);

 a là gia tốc dài (m/ s2);

 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 :

3.3- Tính chọn cơ cấu nâng hạ hàng hóa

Với khối lượng robot tối đa khi cõng vật là 20 kg Vì vậy cần 1 xy lanh vừa cóhành trình 50mm để thỏa mãn điều kiện chở hàng vừa có tải trọng làm việc lớnhơn hoặc bằng 200 N

Chọn xy lanh điện sau đây:

Hình 2.4- Xy lanh điện hàng trình 50mm

Một số thông số cơ bản sau:

M max =20kg

 Vật liệu: Hợp kim nhôm;

 Khối lượng riêng: γ=2,7(g/cm3 );

 Ứng suất: σ b = 6kg

mm2=60 ×106(N /m2);

 Tiết diện mặt cắt ngang xy lanh: 18,4*18,4 (mm)

Ngoài chịu lực nén P cột còn chịu nén do trọng lượng bản thân robot Lực nénlớn nhất của cơ cấu xuất hiện ớ mặt cắt đáy của đoạn

CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

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

4.1- Các linh kiện sử dụng

4.1.1- Module Wifi ESP32

Hiện nay trong các ứng dụng sản phẩm IOT có 2 kiểu module Wifi mà thườngxuyên được áp dụng Thứ nhất là Module ESP32 và thứ hai là module ESP8266.Mỗi loại lại sở hữu những ưu và nhược điểm khác nhau, vì vậy thông qua tìm hiểucác đặc điểm đó, nhóm đã lựa chọn module ESP32 là vi điều khiển chính cho đềtài.

Đây là một vi điều khiển lõi kép của Espressif Systems với Wi-Fi và Bluetoothtích hợp ESP32 (H4.1) là một hệ thống vi điều khiển trên chip (SoC) giá rẻ củaEspressif Systems, nhà phát triển của ESP8266 SoC Nó là sự kế thừa của SoCESP8266 và có cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6của Tensilica với Wi-Fi và Bluetooth tích hợp

Điểm tốt về ESP32, giống như ESP8266 là các thành phần RF tích hợp của nónhư bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-ten,

bộ lọc và Balun RF

Kit RF thu phát Wifi ESP32 được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập

dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT.Kit RF thu phát Wifi ESP32 sử dụng chip nạp và giao tiếp UART mới và ổnđịnh nhất là CP2102 có khả năng tự nhận Driver trên tất cả các hệ điều hànhWindow và Linux, đây là phiên bản nâng cấp từ các phiên bản sử dụng IC nạp giá

rẻ CH340

Hình 4.1- Module Wifi ESP32

Thông số kỹ thuật của ESP32:

ESP32 có nhiều tính năng hơn ESP8266

 Bộ vi xử lý LX6 32-bit lõi đơn hoặc lõi kép với xung nhịp lên đến 240MHz

 520 KB SRAM, 448 KB ROM và 16 KB SRAM RTC

 Hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11 b / g / n với tốc độ lên đến 150 Mbps

 Hỗ trợ cho cả thông số kỹ thuật Bluetooth v4.2 và BLE cổ điển

 34 GPIO có thể lập trình

 18 kênh SAR ADC 12 bit và 2 kênh DAC 8 bit

 Kết nối nối tiếp bao gồm 4 x SPI, 2 x I2C, 2 x I2S, 3 x UART

 Ethernet MAC cho giao tiếp mạng LAN vật lý (yêu cầu PHY bên ngoài)

 1 bộ điều khiển host cho SD / SDIO / MMC và 1 bộ điều khiển slave choSDIO / SPI

 Động cơ PWM và 16 kênh LED PWM

 Khởi động an toàn và mã hóa Flash

 Tăng tốc phần cứng mật mã cho AES, Hash (SHA-2), RSA, ECC vàRNG

Hình 4.2- Sơ đồ chân kết nối ESP32

4.1.2- Cảm biến siêu âm

Để đo khoảng cách từ vật cản tới robot, ta cần một loại cảm biến hoặc thiết bị

đo phù hợp Sau quá trình nghiên cứu tìm hiểu và chọn lựa, nhóm sử dụng cảmbiến siêu âm HC SR04 làm thiết bị thực hiện nhiệm vụ này bởi giá cả hợp lí và tínhnăng đáp ứng đầy đủ

Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến đểxác định khoảng cách Cảm biến HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm và có thể đokhoảng cách trong khoảng từ 2 đến 300cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộcvào cách lập trình Với 4 chân kết nối như sau: VCC (5V), trig (chân điều khiểnphát), echo (chân nhận tín hiệu phản hồi), GND (nối đất)

Cảm biến siêu âm SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm Cảm biếngồm 2 module: 1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản

xạ về Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz Nếu cóchướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên modulenhận sóng Bằng cách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính đượckhoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật

Khoảng cách=¿

Hình 4.3- Cảm biến siêu âm HC SR04

Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SR04:

Là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A LM2596 là IC

nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khigiảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V

Thông số kỹ thuật:

 Module nguồn không sử dụng cách ly

 Nguồn đầu vào từ 4V - 35V

 Nguồn đầu ra: 1V - 30V

 Dòng ra Max: 3A