(Tiểu luận) bài tập dài ngành điều khiển và tự động hóa tìm hiểu tổng quan về xe tự hành

TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Khái niệm mobile robot Robot là một loại thiết bị có thể thực hiện những công việc một cách tựđộng bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ-KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN

-

-BÀI TẬP DÀINGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH Giảng viên hướng dẫn: Võ Thu Hà

Sinh viên thực hiện: Đỗ Tùng Lâm

Lớp: DHTD13A1HN MSV: 19104300057

Hà Nội 2022-2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG 2

1.1 Khái niệm mobile robot 2

1.2 Các thành phần tiêu chí và khả năng tự chủ của robot tự hành 3

1.3 Nguyên lý hoạt động của mobile robot 4

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của mobile robot 5

1.4.1 Ưu điểm 5

1.4.2 Nhược điểm 6

1.5 Ứng dụng của mobile robot 6

1.6 Xe tự hành AGV 13

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC 18

2.1 Cơ sở lý thuyết động học robot di động hai bánh xe 18

2.1.1.Giới thiệu robot di động trong khung tọa độ 18

2.1.2 Ràng buộc động học robot di động 19

2.2 Mô hình động học robot di động 23

2.3 Mô hình động lực học robot di động 27

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MATLAB SIMULINK 38

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI

ĐỘNG 1.1 Khái niệm mobile robot

Robot là một loại thiết bị có thể thực hiện những công việc một cách tựđộng bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.Robot có một số đặc điểm sau đây: Do con người sáng tạo ra, tùy theo công nghệtrang bị trên mà robot có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh vàtương tác với những vật thể trong môi trường, có khả năng đưa ra các lựa chọndựa trên môi trường và điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã đượclập trình trước, có thể điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theoyêu cầu của người sử dụng, có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một haynhiều chiều và khéo léo trong vận động

Robot di động là loại robot có thể thực hiện nhiệm vụ ở các địa điểm khácnhau, không cố định một vị trí nào Khác với robot cố định, robot di động có nhữngyêu cầu cao hơn, đòi hỏi đầu tư nhiều hơn Trong khi robot cố định vận hành khá đơngiản, chỉ cần không gian cố định để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, còn hệthống robot di động hoạt động trong không gian mở, thay đổi liên tục và đôi khi rấtphức tạp Linh động là đặc tính của robot di động, có thể có được từ các bộ phậnchuyển động như bánh xe, chân, tay, cánh quạt … Robot di động “Phải biết” định vị

và “Thu nhận” được thông tin đầy đủ về môi trường xung quanh, sau đó mới quyếtđịnh thực hiện hành động nào cho phù hợp

Do đó, robot di động thường được tích hợp các cảm biến nhằm giúp chochúng có thể nhận biết Ngoài ra, robot di động còn có thể gắn kết với một hệthống máy tính điều khiển và hệ thống cung cấp điện năng cho các chuyển độngcũng như các cảm biến Tùy vào tính chất công việc, các robot di động có thểmang theo nguồn điện, camera, micro, bộ cảm biến và các bộ xử lý Tuy nhiên,

do các robot di động đều có một tải trọng nhất định, nên khi thiết kế, cần tínhtoán trọng lượng các vật mang theo này ở mức vừa phải Một đặc điểm quantrọng khác nữa là các robot di động cần phải có tính tự động một cách tương đối,nghĩa là phải có khả năng tự làm một hành động nào đó mà không cần có sự canthiệp của con người

Phân loại

Có thể phân loại robot di động dựa vào môi trường làm việc hoặc theo ứng dụng của chúng

Theo môi trường làm việc có các loại robot di động sau:

- Robot di động trên không

- Robot di động dưới nước

- Robot di động trên đất liền

Tùy thuộc vào môi trường hoạt động mà mỗi loại robot cần một hệ thống truyền động khác nhau.

Đối với robot di động trên không, các bộ phận chuyển động là cánh quạt hay cánh bay và động cơ, với robot di động dưới nước, tùy thuộc vào nơi làm việc trên hay trong mặt nước mà sẽ có cấu trúc truyền động khác nhau: làm việc trên mặt nước, bộ phận chuyển động là phao hoặc động cơ với bộ phận điều khiển, hoạt động sâu dưới nước, bộ phận chuyển động có thể là chân hoặc có thể là cả động cơ phản lực; robot di động trên cạn có bộ phận chuyển động khá đa dạng, phụ thuộc vào địa hình hoạt động mà bộ phận chuyển động có thể là chân, bánh xe, bánh xích hay là loại kết hợp Phổ biến nhất là robot di chuyển bằng bánh xe

Theo ứng dụng ta có loại robot di động sau:

trường, y tế, giải trí, vận chuyển…

Robot có khả năng giúp rất nhiều trong những công việc mà con người không thể làm Tuy nhiên, vẫn có khả năng xảy ra những sự cố đáng tiếc, nhất là đối với những robot giúp việc nhà hay hỗ trợ những việc trong sinh hoạt hàng ngày, bởi vì robot có thể bị mất kiểm soát khi các linh kiện trong

hệ thống bị bất ngờ gặp trục trặc ngoài tầm kiểm soát

1.2 Các thành phần tiêu chí và khả năng tự chủ của robot tự hành

- Tự bảo trì

Yêu cầu của đầu tiên để tự chủ hoàn toàn về thể chất là khả năng để robot

tự chăm sóc bản thân Nhiều robot chạy pin trên thị trường hiện nay có thểtìm và kết nối với trạm sạc

Tự bảo trì dựa trên “nhận thức”, hoặc cảm nhận trạng thái bên trong của chínhmình robot nói chung hay robot tự hành nói riêng Trong ví dụ sạc pin, robot cóthể tự nhận biết rằng pin của nó sắp hết và sau đó nó sẽ tìm kiếm bộ sạc Một cảmbiến nhạy cảm phổ biến khác là theo dõi nhiệt Khả năng tự nhận diện ngày càngtăng sẽ được yêu cầu để theo dõi nhiệt Khả năng tự nhận diện ngày càng tăng sẽđược yêu cầu để robot hoạt động tự chủ khi ở gần người và

trong môi trường khắc nghiệt Các cảm biến nhạy cảm phổ biến bao gồm cảm biến nhiệt, quang học và xúc giác, cũng như hiệu ứng Hall (điện).

- Cảm biến môi trường

Khả năng mở rộng là cảm nhận mọi thứ về môi trường Robot tự hành phảicó

một loạt các cảm biến môi trường để thực hiện nhiệm vụ của chúng và tránhgặp

rắc rối Các cảm biến mở rộng phổ biến bao gồm phổ điện từ, âm thanh, cảmứng,

hóa chất, nhiệt độ, phạm vi tới các đối tượng khác nhau và độ cao

- Điều hướng tự động

Điều hướng trong nhà: Để robotics liên kết các hành vi với một địa điểm (bản

địa hóa) đòi hỏi nó phải biết vị trí của nó và có thể điều hướng từ điểm đến điểm

Khi các kỹ thuật trong nhà tiếp tục phát triển, robot hút bụi sẽ có khả nănglàm sạch một căn phòng cụ thể do người dùng chỉ định hoặc toàn bộ tầng.Robot an ninh sẽ có thể hợp tác bao vây những kẻ xâm nhập và các lối ra.Khả năng tự chủ ngoài trời: Dễ dàng đạt được nhất vì hiếm khi có chươngngại

vật Một số máy bay không người lái (UAV) có khả năng bay toàn bộ sứ mệnhcủa chúng mà không cần bất kỳ sự tương tác nào của con người, ngoại trừ khảnăng hạ có thể can thiệp bằng cách sử dụng điều khiển vô tuyến

1.3 Nguyên lý hoạt động của mobile robot

Mobile robot hoạt động dựa trên 4 nguyên lý sau:

Nguyên lý 1: Dẫn đường với phương pháp dead – reckoning

Hiện nay, phương pháp dead – reckoning ở mobile robot được sử dụng kháphổ biến và rộng rãi Đây cũng là giải pháp được nhiều người lựa chọn bởicho độ chính xác cao, tốc độ lấy mẫu nhanh, giá thành lại thấp

Phương pháp này có nguyên tắc cơ bản chính sự tích lũy thông tin về gia tốcchuyển động theo thời gian Nó được thực hiện được một cách dễ dàng, sử dụng

dữ liệu từ bộ mã hóa số vòng quanh bánh xe nhờ theo một phương trình

đơn giản Phương pháp dead – reckoning cũng dựa trên nguyên tắc chuyển

đổi số vòng quay bánh xe thành độ dịch tuyến tính tương ứng của robot

Nguyên lý 2: Sử dụng hệ thống đường cột mốc chủ động

Đây cũng là một trong những phương pháp dẫn đường của mobile robot được

áp dụng chủ yếu trên tàu biển và máy bay Nguyên lý hoạt động này cung cấpthông tin vị trí chính xác với quá trình xử lý tối thiểu Bên cạnh đó cho phéptốc độ và độ tin cậy lấy mẫu cao Thế nhưng, việc dẫn đường robot di độngbằng phương pháp sử dụng hệ thống đường cột mốc chủ động hiện naythường có giá rất cao

Tại phương pháp sử dụng hệ thống đường cột mốc chủ động ta lại chia thành

2 cách đo dùng trong hệ thống mốc chủ động là: Cách đo 3 tam giác và Phép

đo 3 góc tam giác

Nguyên lý 3: Hệ thống dẫn đường cột mốc

Tương tự như hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động, tuy nhiên hệ thống dẫnđường có vật mốc nhân tạo và tự nhiên

Nguyên lý 4: Định vị sử dụng bản đồ

Phương pháp định vị sử dụng bản đồ cho phép mobile robot sử dụng các

cảm biến được trang bị để tạo ra một bản đồ cục bộ môi trường xung quanh.Sau đó, bản đồ này sẽ được so sánh trực tiếp với bản đồ được lưu trữ sẵntrong bộ nhớ Nếu hai bản đồ tương ứng với nhau, robot sẽ tính toán vị trí vàgóc hướng thực tế của nó trong môi trường

Trên thực tế, phương pháp định vị sử dụng bản đồ thường cho độ chính xáckém Do đó, nếu muốn tăng độ chính xác thì có thể kết hợp hai hay nhiềuphương pháp định vị khác được nêu trên cột mốc có vật mốc nhân tạo và tựnhiên

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của mobile robot

1.4.1 Ưu điểm

Rất linh hoạt: Đây là đặc tính của robot di động bởi nó có thể dễ dàngchuyển động nhờ vào wheel mobile robot và các bộ phận như bánh xe, chân,tay, cánh quạt… Nhờ đó, mobile robot có thể thực hiện các công việc ở cácđịa điểm khác nhau, không cố định một vị trí nào

Biết định vị và thu nhận thông tin: Mobile robot có hệ thống control ofmobile robot nên biết định vị và “thu nhận” được thông tin đầy đủ về môi trườngxung quanh Tiếp đó mới đưa ra quyết định thực hiện hành động nào cho phùhợp Mobile robot được tích hợp các cảm biến nên dễ dàng nhận biết

mọi việc xung quanh chúng Hơn nữa, chúng còn có thể gắn kết với một hệthống máy tính điều khiển và hệ thống cung cấp điện năng cho các chuyểnđộng cũng như các cảm biến.

Ngoài ra, dựa vào từng tính chất công việc khác nhau mà mobile robot có thểphải mang theo nguồn điện, camera, micro, bộ cảm biến và các bộ xử lý Tuynhiên, do mobile robot chỉ chịu được một tải trọng nhất định nên khi thiết kếcần có sự tính toán về trọng lượng sao cho hợp lý và vừa phải

Tự động hóa: Mobile robot có tính tự động một cách tương đối, nghĩa là phải

có khả năng tự làm một hành động nào đó mà không cần có sự can thiệp củabàn tay con người

1.4.2 Nhược điểm

Yêu cầu phức tạp: Mobile robot có những yêu cầu cao hơn, đòi hỏi đầu

tư nhiều hơn Khác với robot cố định vận hành đơn giản, thực hiện các côngviệc có tính chất lặp đi lặp lại, thì mobile robot hoạt động trong không gian

mở, cần thường xuyên thay đổi và đầu tư phức tạp

Chi phí đắt: Mobile robot có những yêu cầu sản xuất cao chính vì vậy

chi phí đầu tư thường đắt hơn so với các loại robot khác

Giới hạn về tải trọng: Robot di động chỉ chịu được vật có tải trọng vừa

phải và không thể đáp ứng được nếu vật đó quá lớn

1.5 Ứng dụng của mobile robot

Mobile Robot được dùng phổ biến trong những môi trường độc hại, nhữngnơi con người không thể đi tới hay đi tới một cách khó khăn và nguy hiểm,Mobile Robot cũng được dùng trong lĩnh vực giải trí và phục vụ đời sống.Các nơi con người không có khả năng đến được như sao Hỏa, đáy biển, núilửa người ta phải sử dụng Robot tự hành với cấu trúc phù hợp với môitrường Ví dụ như: Robot Sojourner trong nhiệm vụ tìm kiếm sự sống trên saohỏa năm 1997 Robot MBARI’s ALTEX AUV là robot hoạt động dưới đáybiển với nhiệm vụ thăm dò độ phóng xạ, áp suất, độ sâu…và Robot Pioneerđược thiết kế để dò tìm và kiểm tra nồng độ thảm họa Chernobyl

Hình 1.1 Robot Pioneer và Robot MBARI’s ALTEX AUV

Mobile robot ứng dụng cho rất nhiều loại công việc khác nhau từ xây dựngđến nông nghiệp, từ đào mìn đến thăm dò dầu khí, xử lý môi trường, y tế, giảitrí, vận chuyển…

Đóng gói bán dẫn và kiểm tra: di chuyển khay chip IC qua xe đẩy

- Mobile Device Sản xuất: di chuyển tote của PCBs trong lắp ráp thiết bị cầm tay

- Trung tâm dữ liệu: giám sát môi trường và xử lý sự cố trong máy chủ trang trại lớn

- Đồ ăn - uống

Nhà máy Snack: di chuyển các hộp các tông để đóng gói đường

Cơ sở phục vụ: di chuyển totes thực phẩm nướng để phòng chứng khoán

- Logictics

Kho hàng: thương mại điện tử thực hiện đơn hàng, trung tâm phân phối hàng Chung ánh sáng Sản xuất Sản phẩm / tiêu dùng

- Sản xuất đồ trang sức

Di chuyển khuôn mẫu trang sức hoàn thành trạm đúc

Sản xuất kính mát: băng tải ảo để di chuyển hộp kính mát từ ASRS đài sắp xếp lại và sau đó mang lại cho phần hoàn thiện đến tải

- Khách san: Dịch vụ phòng giao hàng

Trong cứu hộ và quan trắc môi trường

Sau nhiều năm nghiên cứu, thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã cho rađời các phiên bản robot tự hành trên mặt nước, robot ngầm dưới nước vớinhững phiên bản khác nhau

Cụ thể, robot không người lái vận hành trên mặt nước (USV), được coi là phươngtiện hiện đại ngày nay giúp cho con người khám phá nhiều hơn về môi trườngnước, đặc biệt là biển USV ứng dụng trong thực tế để nghiên cứu và giám sát môitrường (khí tượng, thủy văn học…); Lấy mẫu nước; Lập bản đồ; Tuần tra, trinh sát;Trung chuyển thông tin, vận tải thiết bị; Có thể mang vũ khí và đa dạng tác vụ chomục đích quân sự Ngoài ra, USV còn có thể kết hợp với robot khác tạo thành hệthống tự động tự hành cho các tác vụ lớn cả trên không và dưới nước USV đượcnhóm chế tạo có các phiên bản VIAM-USV1000, VIAM-USV1500, VIAM-USV2000, có khối lượng từ 23 – 150kg; tốc độ tối đa

4 knots (1 knot = 1.852 km/h), kích thước từ 1,1 – 2m (dài) x 0,5 – 1m (rộng)

x 0,2 – 0,35 m (cao) Thiết bị điều khiển bằng phím chức năng, dễ dàngchuyển đổi giữa các chế độ điều khiển tự động và bằng tay

Hình 1.2 Robot không người lái vận hành trên mặt nước VIAM-USV1000

Robot ngầm điều khiển từ xa (ROV), có thể làm việc dưới nước trong thờigian dài, trong môi trường khắc nghiệt ROV ứng dụng trong đặt, tháo gỡ bommìn, thủy lôi 46; Tuần tra, đảm bảo an ninh, cứu hộ; Thăm dò mỏ dầu khí,khoáng sản; Đóng mở van, lắp đặt sửa chữa đường ống, bảo trì giàn khoan;Đào rãnh, lắp đặt, kiểm tra tình trạng cáp ngầm; Thu thập thông tin địa hình,sinh học biển; Khảo cổ dưới nước, thăm dò tàu đắm ROV do nhóm chế tạo cócác phiên bản VIAM-ROV500, VIAM-ROV900, KIAL-CROV, có khốilượng từ 25 – 70kg, kích thước 0.6 – 1m (dài) x 0.37 -0,6m (rộng), 0.4 – 0,9

m (cao), tốc độ tối đa 2 knots

Hình 1.3 Robot ngầm điều khiển từ xa (ROV)

Robot ngầm tự hành (AUV), là bản cải tiến của ROV, là một phương tiệnkhông người lái có khả năng tự hành cao cho các ứng dụng dưới nước Chủ yếu códạng ngư lôi với động cơ đẩy và cánh lái, có tính tự điều khiển AUV được trang bịcác thiết bị cảm biến, phục vụ đa dạng tác vụ cho mục đích quân sự và dân dụngnhư xây dựng bản đồ đáy biển; Khảo sát, giám sát theo từng khu vực; Thăm dò bềmặt địa chất, thu thập thông tin về các mỏ, khoáng sản; Phát hiện, tiêu diệt các mụctiêu dưới nước, rà phá bom mìn; … AUV với độ sâu di chuyển 100m, có khốilượng 31,5kg, kích thước 0.18m x 1.67m, tốc độ 3 knots

Hình 1.4 Robot ngầm tự hành (AUV)

Trong y tế

Robot y tế tự động hóa đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong ngành

y tế chữa bệnh, chăm sóc sức khỏe Đây là giải pháp hoàn hảo giảm sự tiếpxúc lây bệnh giữa người với người, đồng thời đảm bảo chăm sóc tốt bệnhnhân, tạo môi trường bệnh viên sạch sẽ và hỗ trợ người bệnh trong nhiều chứcnăng khác nhau

1 Receptionist Robots (Robot lễ tân)

Hình 1.5 Robot y tế Receptionist Robots

Receptionist Robots là robot hiện đại, được ứng dụng trong nhiều bệnh viện hiện đại, có khả năng thực hiện nhiệm vụ chào đón khách, tiếp nhận yêu cầu của bệnh nhân, giới thiệu thông tin về bệnh viện, sơ đồ các khu vực chữa bệnhtrong bệnh viện, hướng dẫn người bệnh làm các thủ tục để khám bệnh, Receptionist Robots có thể hướng dẫn lên đến hàng trăm người bệnh, tiếp nhận thông tin, hướng dẫn người bệnh mọi lúc với thái độ ân cần không mệt mỏi, Robot này cũng có giao diện thân thiện nên rất hấp dẫn đối với cả trẻ em

và người lớn đến trị bệnh, giúp họ có thêm năng lượng tích cực

Những trải nghiệm thú vị mà Receptionist Robots- Robot y tế mang lại cũng giảm được những triệu chứng khó chịu hoặc căng thẳng của người bệnh khi đến khám tại bệnh viện, là cách rất tốt để hỗ trợ chữa bệnh hiệu quả

2 Nurse Robots in Hospitals (Robot điều dưỡng)

Hình 1.6 Robot y tế Nurse RobotsRobot y tế Nurse Robots là robot điều dưỡng thực hiện đầy đủ nhiệm vụ như một điều dưỡng viên chuyên nghiệp, robot y tế này giúp ích rất nhiều cho hoạtđộng của người cao tuổi, giúp di chuyển bệnh nhân, soạn thuốc và trợ lý chăm sóc người bệnh

3 Ambulance Robots (Robot cứu thương)

Nhiệm vụ cứu sinh, cấp cứu cho bệnh nhân bị tim ngoài bệnh viện thường có chỉ số rất thấp, chỉ khoảng 8% bệnh nhân được sống sót trong tổng số 800.000người ngừng tim theo thống kê hằng năm ở Châu Âu

Nguyên nhân chỉ số cứu bệnh nhân thấp là do thời gian cung ứng các trang thiết bị, dụng cụ cấp cứu quá lâu lên đến hơn 10 phút, trong khi thời gian cấp cứu tiêu chuẩn để cứu sống bệnh nhân ngừng tim là 4-6 phút

Các nhà khoa học, bác sĩ và kỹ thuật viên đã nghiên cứu các chiến lược cứu sinh, rút ngắn thời gian cung cấp dụng cụ, thiết bị bằng cách thay thế máy rung tự động, thuốc cấp cứu, máy hồi tim, máy khử trùng… nhỏ gọn, có thể vận chuyển tốc độ nhanh bằng máy bay không người lái, di chuyển đến địa điểm cần được cấp cứu

Những Robot y tế và máy bay không người lái hỗ trợ rất đắc lực, có tốc độ di chuyển linh hoạt, nhanh hơn nhiều so với con người để đáp ứng kịp thời mốc thời gian vàng chữa bệnh cho các bệnh nhân tại hiện trường

4 Telemedicine Robots (Robot tư vấn sức khỏe trực tuyến từ xa)

Hình 1.7 Robot y tế Telemedicine RobotsRobot y tế Telemedicine Robots là robot tư vấn sức khỏe trực tuyến từ xa rất

lý tưởng để bác sĩ theo dõi và chữa bệnh cho những bệnh nhân ở nơi vùng sâuvùng xa, không có sẵn nhân viên y tế hay bệnh viện

Robot y tế Telemedicine Robots giúp các bác sĩ chẩn đoán bệnh chuẩn hơn bằng các thiết bị nghe nhìn, lấy tất cả các thông số sinh học cần thiết.Robot y tế Telemedicine Robots ứng dụng rộng rãi cũng có ích trong các hoạt động điều trị dịch bệnh truyền nhiễm ở quy mô lớn, giúp theo dõi bệnh nhân không cần tiếp xúc trực tiếp để hạn chế nguy cơ lan rộng các căn bệnh này

5 Serving Robots in Hospital (Robot phục vụ trong bệnh viện)

Robot y tế Serving Robots hỗ trợ thực hiện các công việc nặng nhọc trong bệnh viện như kéo đẩy vật liệu, có thể kết hợp kéo đẩy xe nâng hàng giúp việcvận chuyển thiết bị y tế, dụng cụ dễ dàng, nhanh chóng, ít tốn kém thời gian

và công suất.

Robot y tế Serving Robots cũng là robot phục vụ giúp phát thuốc, cung cấp thực phẩm, bỏ đồ giặt, cung cấp khăn trải giường mới, vận chuyển cả những chất thải y tế trong bệnh viện

6 Rehabilitation Robots (Robot phục hồi chức năng)

Robot y tế Rehabilitation Robots này rất hữu ích trong việc phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau đột quỵ hoặc tai nạn, hỗ trợ điều trị những người già, người tàn tật

Những Rehabilitation Robots này thúc đẩy quá trình tái tạo hệ thần kinh và tổ chức lại chức năng của bệnh nhân, đồng thời làm giảm chứng teo cơ, hỗ trợ cho các bác sĩ và nhân viên phục hồi chức năng không phải lao động thể chất quá sức

7 Radiologist Robots (Robot chẩn đoán hình ảnh)

Radiologist Robots là robot y tế thực hiện chức năng chẩn đoán hình ảnh quang

X-Twin Robotic X-ray cung cấp phương pháp chụp mạch, soi huỳnh quang và hình ảnh 3D

Với thiết kế này, bác sĩ có thể nhìn thấy dễ dàng hình ảnh 3D theo thời gian thực khi robot di chuyển thay vì bệnh nhân

Hệ thống X-quang Multitom Rax Twin Robotic phát hiện được các vết nứt gãy nhỏ trong xương từ hình ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT) 3D, có thể được thuthập một cách thuận tiện hình ảnh 3D trên cùng một hệ thống

8 Surgical Robots (Robot phẫu thuật)

Hình 1.10 Surgical Robots- Robot y tế phẫu thuật

Phẫu thuật xâm lấn là kỹ thuật cần mức độ chính xác rất cao, bác sĩ phẫu thuậtthường gặp khó khăn với các cuộc phẫu thuật này

Nhờ sự hỗ trợ của robot y tế Surgical Robot là phát minh lý tưởng cho nhiệm

vụ phẫu thuật xâm lấn, robot này được lập trình sẵn chức năng phẫu thuật với

độ chính xác cao, hạn chế thấp nhất những sai sót và rủi ro phẫu thuật cho bệnh nhân

Ngày nay, robot phẫu thuật Surgical Robot đã được thiết kế mở rộng hơn cho các ca phẫu thuật từ xa, tiêu biểu với hệ thống phẫu thuật robot Da Vinci

1.6 Xe tự hành AGV

1 Khái quát về xe tự hành AGV

Xe tự hành AGV, xe kéo hàng tự động, robot tự hành, robot kéo hàng…trong các nhà máy, nhà kho thông minh trong kỷ nguyên 4.0 đã không còn xa

lạ với những người làm kỹ thuật

Hình 1.11 Robot AGV

2 Lợi ích của xe tự hành AGV

Xe tự hành giúp thay thế các phương tiện trong chuỗi cung ứng vật liệuvận hành thủ công như xe nâng tay, xe nâng forklift, xe đẩy tay, xe kéo… Đápứng đảm bảo năng suất ngay cả khi thiếu lao động trong công việc này Chophép nhân viên được chỉ định lại các khu vực ra vào hàng hóa, nơi họ có thểtăng giá trị cho sản phẩm

Cung cấp giải pháp di chuyển an toàn, hiệu quả, tiết kiệm chi phí với tínhnăng phát hiện người, vật cản, dừng khẩn cấp Khả năng tải lên tới 1000kg,hơn hẳn phương pháp vận chuyển truyền thống

Những lợi ích của xe tự hành AGV bao gồm:

Giảm chi phí lao động

Việc sử dụng xe tự hành AGV vào công đoạn vận chuyển hàng hóa, trungchuyển giữa các khâu sản xuất, lắp ráp, lưu kho của chuỗi sản xuất, giữa dâychuyền phân loại sản phẩm với đầu vào, đầu ra trong logictics thương mại điện tửgiúp giảm sự tham gia của con người Một robot kéo hàng xe AGV có thể làm việc24/7(trừ thời gian sạc pin) với 3 ca làm việc/ ngày so với một nhân công rõ ràngnăng suất khá chênh lệch Sẽ không có một xe AGV nào nghỉ ốm nhiều như conngười trừ khi nó bị hỏng hoàn toàn Xe tự hành AGV cũng cần “nghỉ” để bảodưỡng định kỳ nhưng thời gian đó đều nằm trong kế hoạch của nhà quản lý.Không chỉ đơn giản là năng suất lao động tăng, một xe kéo hàng AGV giúpcắt giảm chi phí đào tạo, thử việc, trợ cấp sức khỏe, bảo hiểm, các chế độ lễtết, thưởng hưu trí… cho doanh nghiệp đáng kể Chi phí cho xe tự hành AGV

sẽ thường dừng ở mức đáp ứng ác yêu cầu về bảo trì, bảo dưỡng định kỳ.Giá xe tự hành AGV so với mức lương bạn phải trả cho một công nhân trongmột năm rõ ràng là cao hơn nhiều lần Nhưng thực tế thì một xe tự hành AGV lại

làm việc với năng suất bằng 2-3 công nhân với 3 ca làm việc/ngày và gần nhưcác ngày trong năm, hơn nữa là không có chi phí làm thêm giờ, ngày lễ tết, trợcấp bảo hiểm sức khỏe, chế độ thai sản…theo luật lao động.

Giảm rủi ro trong quá trình làm việc cho cả người lao động và doanh nghiệp

Một xe tự hành AGV được lập trình và điều hướng bởi các lệnh lập trìnhhoặc một công nghệ điều hướng bất kì trong tương lai sẽ luôn tuân thủ mệnhlệnh của con người một cách tuyệt đối Xe kéo hàng tự động biết và chắc chắnthực hiện yêu cầu cần đi tới vị trí nào, nâng hạ, vận chuyển kiện hàng nào tới

vị trí nào mà không cần mất nhiều thời gian tìm kiếm Xe AGV khi biết gặpvật cản thì phát tín hiệu cảnh báo, tránh né ra sao, quay lại lộ trình như thếnào Xe tự hành chắc chắn không bị rơi vào tình cảnh mệt mỏi, xao nhãng vớicông việc nhàm chán mà đẩy xe hàng đi không đúng lộ trình dẫn tới nhữngảnh hưởng tới bản thân và hàng hóa, thiết bị khác như con người

Xe tự hành AGV không có tâm trạng như con người nên hiệu quả công việckhông thể bị chi phối bởi cản xúc Các tai nạn lao động gần như chắc chắn khôngxảy ra trong môi trường làm việc đòi hỏi sự an toàn, nhịp nhàng và liên tục Nhữngthiệt hại về sức khỏe của con người (chấn thương, thương tật…) và hàng hóa (đổ

vỡ, móp méo, xô lệch…) được đảm bảo trong những công việc nặng nhọc và rủi rovới hàng hóa nặng và khoảng cách di chuyển xa, lộ trình tham gia dày đặc các thiết

bị, phương tiện cơ giới trên nền nhà xưởng

Đặc biệt trong các môi trường làm việc với các điều kiện về ánh sáng, nhiệt

độ, độ ẩm, chất lượng không khí, hóa chất và không gian hẹp, xe tự hànhAGV là phương án thay thế lý tưởng cho con người Ví dụ như khi dịch bệnhCovid-19 trở nên căng thẳng, yêu cầu về giãn cách xã hội và duy trì khoảngcách anh toàn giữa người với người trong các dây chuyền sản xuất, các trungtâm logictics, thương mại điện tử không cần áp dụng với các robot kéo hàngcủa chúng ta Với sự tham gia điều hành của rất ít người, các xe AGV củaAmazon và Alibaba vẫn có thể phân loại và vận chuyển hàng hóa xuất/nhậpmột cách hiệu quả

Đảm bảo chính xác, dễ dàng tích hợp với hệ thống quản lý sản xuất

Việc di chuyển với lộ trình chính xác và được kiểm soát các thông tin theothời gian thực sẽ giúp hệ thống xe tự hành AGV trở nên tin cậy hơn bao giờhết Với việc liên kết với phần mềm của hệ thống quản lý sản xuất, phần mềmlưu kho thông minh tình trạng các đơn hàng sẽ được cập nhật chỉ với một vài

cú click chuột trên máy chủ

Các kịch bản vận chuyển hàng hóa với xe tự hành AGV được lập ra dễdàng và chủ động theo yêu cầu của các đơn hàng, kế hoạch sản xuất giúpdoanh nghiệp chủ động trong sản xuất, dịch vụ Cắt giảm các chi phí khôngcần thiết và chủ động sản xuất góp phần giảm thiểu rủi ro, đảm bảo tiến độ vànâng cao sức cạnh tranh cho doanh nghiệp.

3 Những ứng dụng của xe tự hành AGV

Ứng dụng của xe tự hành AGV được xuất hiện trong hầu hết các ngành sảnxuất bao gồm các nhà máy, dây chuyền lắp ráp, kho thông minh, kho thươngmại điện tử logictics, bệnh viện, trung tâm thương mại, siêu thị…

Sản xuất – cung ứng vật tư

Phân phối bán thành phẩm, sản phẩm giữa các khâu của dây chuyền sảnxuất, lắp ráp Xe tự hành AGV kéo hàng đi khắp các nhà xưởng, kết nối giữacác công đoạn một cách nhanh chóng Robot kéo hàng thay thế hệ thống băngtải, sàn nâng, bàn nâng truyền thống vốn tốn nhiều diện tích, không gian vàkhó khăn trong lắp đặt dịch chuyển khi thay đổi quy mô sản xuất

Vận chuyển, loại bỏ chất thải để tái chế

Xe tự hành AGV vận chuyển các thùng sọt, giỏ chất thải rắn, thùng chấtthải lỏng từ các khu vực gia công, chế biến đưa ra khu vực tập kết rác thảitheo lộ trình được lập sẵn Trong các bệnh viện, xe tự hành AGV có thể đảmnhiệm nhiệm vụ cung cấp vật tư, thiết bị y tế cho các phòng chức năng, phòngđiều trị và thu hồi rác thải tự động

Thực hiện công tác lưu kho

Xe AGV được sử dụng để vận chuyển các sản phẩm từ cuối dây chuyền sảnxuất về kho một các h tự động Sản phẩm được lưu trữ trong các nhà khothông minh sẽ giúp tăng tính tự động cho nhà máy của bạn

Vận chuyển pallet hàng hóa, xe đẩy hàng một cách nhanh chóng, chính xác và an toàn

Các xe tự hành dạng forklift có cấu tạo tương tự một xe nâng với khả năngnâng hạ các pallet hàng trọng lượng nặng một cách dễ dàng, di chuyển chúngtới các vị trí được chỉ định mà không cần sự tham gia của con người Giúpnâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động

4 Cấu tạo của xe tự hành AGV

- Dưới đây là những thành phần phổ biến của một hệ thống cấu tạo xe tự hànhAGV:

Vehicle - Kết cấu cơ khí của xe tự hành

Software - Phần mềm máy chủ

Communication wireless - Giao tiếp không dây

User Interface - Giao diện người dùng

Phần mềm máy chủ đóng vai trò là cảnh sát giao thông chỉ định các yêu cầu dichuyển của xe

Màn hình và điều khiển tất cả các đầu vào và đầu ra bên ngoài (I/O) để cho phép di chuyển vật liệu (ví dụ như sạc pin, cửa tự động, cảm biến hiện tại tải).Giao tiếp với phần mềm giám sát kiểm soát sản xuất / lưu kho (hệ thống quản

lý kho hệ thống kiểm soát sản xuất, hệ thống hoạch định nguồn nguyên liệu vàtương tự)

Hệ thống theo dõi và thông báo cho nhân viên về tình trạng báo

động Tạo báo cáo tiêu chuẩn để phân tích hiệu suất hệ thống

Các hệ thống đơn giản có thể hoạt động mà không cần phần mềm máy chủ

Xe được điều khiển tự động chạy bằng pin Có thể bố trí trạm sạc xe tựhành AGV- Battery charging station ngay tại khu vực lưu thông của các xeAGV Xe tự hành được thiết lập tự động sạc khi lượng pin thấp giúp quá trìnhvận hành không bị gián đoạn

Có nhiều công nghệ pin được sử dụng trong AGV bao gồm:

- Flooded lead acid

- Nicad

- Lithium ion

- Sealed

- Inductive power

- Fuel cells

Với các tùy chọn để sạc pin

Giao diện người dùng cho phép người dùng theo dõi và hỗ trợ hệ thống AGV Giao diện người dùng cung cấp:

- Yêu cầu di chuyển vật liệu cho xe

- Quản lý báo động – Báo động chi xe, lên lạc… có thể nhìn thấy thừa nhận vàxóa

- Quản lý báo cáo để phân tích báo động hệ thống và sử dụng xe để cải thiện hoạt động tổng thể

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC 2.1 Cơ sở lý thuyết động học robot di động hai bánh xe

2.1.1 Giới thiệu robot di động trong khung tọa độ

Bắt nguồn từ mô hình cho hoạt động chung của robot, mỗi bánh xe góp phần tạo

ra sự chuyển động của robot Để mô tả vị trí của robot di động trong môi trườnghoạt động của nó thì cần định nghĩa hai hệ tọa độ như sau:

- Hệ tọa độ gốc {X, Y, Z}: Là một hệ tọa độ tổng quát được gắn cố định trongkhông gian làm việc của robot hoặc gắn cố định trên mặt phẳng mà robot diđộng hoạt động, hệ tọa độ này coi như hệ tọa độ tham chiếu

- Hệ tọa độ robot {Xr, Yr, Zr}: Là hệ tọa độ được gắn trên robot, khi robotchuyển động thì hệ tọa độ này cũng chuyển động theo Hệ tọa độ robot có gốctọa độ là điểm A là trung điểm đoạn thẳng nối hai bánh xe robot

Hình 2.1 Hệ tọa độ gốc và hệ tọa độ robot

Do hai hệ tọa độ có trục Z và Zr cùng hướng nên ta chỉ xét tọa độ trên mặt phẳng{X, Y}

Để xác định vị trí và hoạt động của robot ta xây dựng ma trận chuyển tọa độrobot về hệ tọa độ gốc Hệ tọa độ robot có gốc là A ( xa , ya ) và lệch so với hệtọa độ gốc góc θ (chính là góc thể hiện hướng di chuyển của robot)

Ma trận phép biến đổi mô tả hệ tọa độ robot so với hệ tọa độ gốc:

Trong hệ tọa độ robot (hệ tọa độ gắn trên robot) vecto vị trí robot sẽ được mô

qR xT yT 1T

tả bằng vecto:

vecto đồng nhất:

x y

q

1 (2.4)Chuyển động của robot được đặc trưng bởi hai phương trình thu được bằng haigiả thiết chính sau:

Không có chuyển động trượt ngang: Phương trình ràng buộc này có thể hiểu một

cách đơn giản robot chỉ có thể chuyển động tiến về phía trước hoặc lùi về phía sau màkhông thể chuyển động ngang, có nghĩa là trong hệ tọa độ gắn trên robot vậntốc của điểm A theo trục nằm ngang bằng 0 (có nghĩa là: yR

Hình 2.3 Ràng buộc chuyển động quay thuần túy bánh xe robot

Ràng buộc quay thuần túy:

Ràng buộc quay thuần túy mô tả rằng mỗi bánh xe chủ động luôn duy trì một

điểm tiếp xúc với mặt đất (Điểm P) như hình vẽ 2.3 Ở đây không có tác động

trượt của bánh xe theo phương dọc (Xr), và cũng không có tác động trượt của

bánh xe theo phương ngang (Yr) Quan hệ giữa vận tốc của điểm tiếp xúc P bánh

xe trái, phải trong hệ tọa độ trên robot và vận tốc của các bánh xe được biểu diễn

tương ứng bởi hệ phương trình:

đường trong hệ tọa độ robot được xác định tương ứng bởi vecto sau:

Vecto vị trí điểm tiếp xúc bánh xe trái và phải của robot với mặt đường trong hệ

tọa độ gốc được mô tả tương ứng bằng các biểu thức sau:

(2.8)

22

CS 0 xa 0 L.S xa P

x d.Ca

C y a d S

0

1 (2.10)

Từ (2.8), (2.9), (2.10) ta có vị trí điểm tiếp xúc bánh trái, phải với mặt đường

và tọa độ điểm C trong tọa độ OXY viết dưới dạng:

xx L cosw2 a

Thay lần lượt hệ phương trình (2.14) và (2.15) vào các phương trình (2.17) và

(2.18) ta được kết quả như sau:

xa cos ya sin L R 2 0(2.19)

xa cos ya sin L R 1 0(2.20)

Kết hợp các phương trình (2.5), (2.19), (2.20) có thể viết lại hệ phương trình

ràng buộc dưới dạng ma trận sau:

0

(q)q g

(2.21)Với:

2.2 Mô hình động học robot di động

Mô hình động học là nghiên cứu về các chuyển động của các hệ cơ học vàkhông xét đến tác động của các lực lên chuyển động của hệ cơ đó Với Robot diđộng mục đích chính của mô hình động học là biểu diễn vận tốc của robot nhưmột hàm theo vận tốc của các bánh xe chủ động

24

Để xác định tốc độ quay của robot phụ thuộc như thế nào vào tốc độ quay của

hai bánh xe ta giả sử nếu chỉ có bánh xe trái quay và bánh xe phải đứng im (tức

Tương tự bánh xe bên phải quay và bánh xe bên trái đứng im thì robot sẽ

quay tròn quanh trục tâm C với bán kính quay là 2L và quay với chiều ngược lại,

R: tốc độ quay của robot quanh tâm A trong hệ tọa độ gắn với robot

Như vậy vecto vận tốc của robot trong hệ tọa độ robot sẽ gồm ba thành phần sau:+ Thành phần theo chiều X sẽ là trung bình cộng tốc độ dài hai bánh xe