Thiết kế robot tự hành phục vụ vận chuyển trong các nhà máy

Tổng quan về robot tự hành AGV trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp; phân tích động học robot tự hành AGV; phân tích lực và động lực học robot tự hành AGV; thiết kế chế tạo điều khiển robot tự hành AGV. Tổng quan về robot tự hành AGV trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp; phân tích động học robot tự hành AGV; phân tích lực và động lực học robot tự hành AGV; thiết kế chế tạo điều khiển robot tự hành AGV.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ XUÂN THẮNG

THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH PHỤC VỤ VẬN CHUYỂN

TRONG CÁC NHÀ MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội - Năm 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ XUÂN THẮNG

THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH PHỤC VỤ VẬN CHUYỂN

TRONG CÁC NHÀ MÁY

Chuyên nghành: Kỹ thuật cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN HỒNG THÁI

Hà Nội - Năm 2019

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Xuân Thắng

Đề tài luận văn: Thiết kế Robot tự hành phục vụ vận chuyển trong các nhà máy

Mã số SV: CB160083

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25/5/2019 với các nội dung sau:

1 Ý kiến hội đồng: Còn nhiều lỗi soạn thảo và trình bày, nhiều hình vẽ mất

chữ

* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã chỉnh sửa lại các lỗi soạn thảo văn bản và

trình bày

2 Ý kiến hội đồng: Nên bổ sung danh mục các từ viết tắt

* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã bổ sung danh mục các ký hiệu và chữ

viết tắt

3 Ý kiến hội đồng: Phần tổng quan về Robot tự hành trong chương 1 chưa

làm nổi bật được ý nghĩa và sự cần thiết phải nghiên cứu đề tài luận văn

* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã bổ sung và chỉnh sửa lại chương 1 để làm

nổi bật được ý nghĩa và sự cần thiết phải nghiên cứu đề tài luận văn

4 Ý kiến hội đồng: Phần kết luận trong các chương còn sơ sài, chưa khái quát

được các nội dung đã thực hiện cũng như các vấn đề liên quan sẽ nghiên cứu ở chương sau

* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã sửa nội dung kết luận của các chương

Hà Nội, Ngày 09 tháng 06 năm 2019

TS NGUYỄN HỒNG THÁI VŨ XUÂN THẮNG

GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH

L ỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là VŨ XUÂN THẮNG, học viên cao học lớp CB160083 Sau thời gian

học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo đặc biệt là TS NGUYỄN HỒNG THÁI, tôi đã hoàn thành luận

văn tốt nghiệp thạc sĩ

Tôi xin cam đoan các nội dung được trình bày trong luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, không có sự sao chép hay copy của bất cứ tác giả nào Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Hà Nội, Ngày 22 tháng 6 năm 2019

Tác giả

VŨ XUÂN THẮNG

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

L ỜI MỞ ĐẦU 1

I Đặt vấn đề 1

II M ục đích nghiên cứu của luận văn 1

III Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 1

IV Phạm vi nghiên cứu của luận văn 2

V Nội dung của luận văn 2

Chương 1 3

TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH AGV TRONG CÁC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP 3

1.1 Lịch sử phát triển 3

1.2 Cầu tạo của Robot tự hành AGV 6

1.3 Phân lo ại Robot tự hành AGV 7

1.3.2 Phân loại theo dạng đường đi 10

1.4 Ứng dụng của Robot tự hành AGV 11

1.4.1 Ngành công nghiệp ô tô và linh kiện ô tô 11

1.4.2 Sản xuất và chế biến giấy 13

1.4.3 Công nghiệp điện tử 14

1.4.4 Công nghiệp thực phẩm và nước giải khát 15

Kết luận chương 1 16

Chương 2 17

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT TỰ HÀNH AGV 17

2.1 Các tính năng của Robot tự hành AGV 17

2.2 Mô hình toán học mô tả động học của Robot tự hành AGV 18

2.3 Xác định quỹ đạo bất kỳ của đường cong 38

2.4 Thiết lập phương trình động học của Robot tự hành AGV 42

Kết luận chương 2 47

Chương 3 48

PHÂN TÍCH LỰC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TỰ HÀNH AGV 48

3.1 Bài toán phân tích lực 48

3.2 Tính toán lực tác dụng lên xe 57

3.2.1 Tr ạng thái tĩnh 57

3.2.2 Trạng thái động 59

3.2.2.1 L ực ma sát 59

3.2.2.2 Lực quán tính 61

3.3 Mô men lực phát động 63

3.4 Phương trình động lực học 70

Kết luận chương 3 79

Chương 4 80

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH AGV 80

4.1 Mô tả chức năng và nhiệm vụ của Robot tự hành AGV 80

4.2 Cấu tạo của Robot tự hành AGV 80

4.3 Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển 82

4.4 Cấu trúc phần mềm điều khiển 96

Kết luận chương 4 99

KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 100

1 Về mặt lý thuyết 100

2 Về mặt thực nghiệm 100

3 Các hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của luận án để hoàn thiện kết quả nghiên cứu 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

Phụ lục 103

CODE CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT AGV VÀ ĐỒ THỊ BIẾN THIÊN VẬN TỐC CỦA CÁC BÁNH CHỦ ĐỘNG 103

DANH M ỤC CÁC KỸ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ρ : Bán kính quỹ đạo chuyển động

l : Chiều rộng Robot AGV

a : Gia tốc tiếp tuyến Robot AGV

θ : Góc quay Robot AGV

ϕ : Góc nghiêng của mặt phẳng làm việc

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Robot t ự hành AGV trong giai đoạn đầu 3

Hình 1.2 Xe được hướng dẫn tự động bằng cảm biến từ 4

Hình 1.3 Robot t ự hành AGV hoạt động trong nhà máy sản xuất Ô tô 5

Hình 1.4 Các bộ phận chính của Robot AGV 6

Hình 1.5 AGV kéo hàng trong nhà máy 7

Hình 1.6 Xe chở AGV sử dụng hệ thống nâng, hạ 8

Hình 1.7 Xe AGV sử dụng hệ thống băng tải 8

Hình 1.8 Robot t ự hành AGV trong một nhà máy sản xuất cơ khí 9

Hình 1.9 Xe nâng tự hành AGV 9

Hình 1.10 Xe nâng AGV ho ạt động trong nhà máy thời đại công nghệ 4.0 10

Hình 1.11 Xe AGV chạy theo đường dẫn trên nền 10

Hình 1.12 AGV trong nhà máy máy BMW ở Leipzig (Source DS 2006) 12

Hình 1.13 Những mẫu AGV khác trong nhà máy BMW ở Leipzig (Source DS) 13

Hình 1.14 AGV v ận chuyển giấy trong nhà máy Einsa Print International 13

Hình 1.15 AGV nâng hàng tại nhà máy Braunschweig 14

Hình 1.16 Hai m ẫu AGV trong ngành công nghiệp điện tử 14

Hình 1.17 AGV hoạt động tại dây chuyền tự động 15

Hình 1.18 AGV hoạt động trong ngành công nghiệp nước giải khát 15

Hình 2.1 H ệ thống Robot tự hành AGV 17

Hình 2.2 Một dạng quỹ đạo đường đi của xe tự hành phục vụ 18

trong dây chuy ền sản xuất 18

Hình 2.3 Mô tả quỹ đạo đường đi của AGV 19

Hình 2.4 Qu ỹ đạo xe là đường thẳng 19

Hình 2.5 Quỹ đạo xe là đường cong 20

Hình 2.6 Xe quay t ại chỗ 20

Hình 2.7 Xe AGV đi thẳng 21

Hình 2.8 Xét chuy ển động từng bánh 21

Hình 2.9 Xe AGV trong trường hợp rẽ trái 22

Hình 2.10 Quỹ đạo phương trình 2 2 4( ) x +y = m 23

Hình 2.11 Đồ thị quan hệ vận tốc từng bánh với vận tốc AGV 24

Hình 2.12 Xe AGV trong trường hợp rẽ phải 25

Hình 2.13 Bi ến thiên vận tốc theo thời gian t 27

Hình 2.14 Quan hệ vận tốc từng bánh với vận tốc của Robot 28

Hình 2.15 Chiều vận tốc góc khi Robot quay tại chỗ sang phải 90° 28

Hình 2.16 Chiều vận tốc góc khi Robot quay tại chỗ sang trái 90 0 29

Hình 2.17 Robot tự hành AGV quay trái 30

Hình 2.18 Robot t ự hành AGV đi theo quỹ đạo bất kỳ 31

Hình 2.19 Qu ỹ đạo chuyển động AGV: 2 ( ) 4 2 y x = x + 32

Hình 2.20 Bán kính qu ỹ đạo trong quá trình chuyển động 33

Hình 2.21 Biến thiên vận tốc từng bánh theo thời gian t 34

Hình 2.22 Chuy ển động của Robot theo elip 35

Hình 2.23 Biến thiên bán kính quỹ đạo chuyển động 36

Hình 2.24 V ận tốc từng bánh 37

Hình 2.25 Robot AGV di chuyển trên quỹ đạo bất kỳ 39

Hình 2.26 Qu ỹ đạo chuyển động của Robot 40

Hình 2.27 Bi ểu diễn sự biến thiên của f( ) θ , ω1và ω2 42

Hình 2.28 Sơ đồ thiết lập phương trình động học Robot tự hành AGV 43

Hình 2.29 Chuy ển động từng bánh 45

Hình 3.1 Cơ cấu truyền động của động cơ 48

Hình 3.2 Phân bố khối lượng của cơ hệ tổng quát 49

Hình 3.3 L ực quán tính tổng quát của chất điểm 51

Hình 3.4 Quỹ đạo chuyển động bao gồm tín hiệu tăng tốc và tín hiệu giảm tốc 54

Hình 3.5 L ực quán tính tác dụng lên xe khi đi theo quỹ đạo cong 55

Hình 3.6 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe 56

Hình 3.7 Các m ẫu bánh xe bị động tự lựa thường dùng cho xe AGV 56

Hình 3.8 Cơ cấu trục, ổ lăn, bánh xe 57

Hình 3.9 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe 58

Hình 3.10 Phân tích l ực ma sát tác dụng lên xe trên mặt đường nằm ngang 59

Hình 3.11 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe trên mặt đường dốc 60

Hình 3.12 Phân tích l ực ma sát tác dụng lên xe trên mặt đường dốc vuông góc chuyển động 61

Hình 3.13 Lực quán tính trong trường hợp xe tăng tốc 62

Hình 3.14 Lực quán tính với quỹ đạo cong trên mặt phẳng ngang 62

Hình 3.15 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe 64

Hình 3.16 Cơ cấu truyền động cho từng bánh 65

Hình 3.17 Phân tích l ực trong mặt phẳng Oxy 66

Hình 3.18 Quỹ đạo chuyển động hình xoắn ốc của AGV 68

Hình 3.19 Biến thiên mômen qua A z 69

Hình 3.20 Quy luật hệ thống điều khiển 75

Hình 3.21 Kh ối động lực học Robot AGV 76

Hình 3.22 Bộ điều khiển PID 76

Hình 3.23 H ệ thống điều khiển trên phần mềm Matlab- Simulink 77

Hình 3.24 Quỹ đạo yêu cầu và quỹ đạo chuyển động thực tế 78

Hình 3.25 V ận tốc tuyến tính, vận tốc góc theo yêu cầu và thực tế 78

Hình 3.26 Vận tốc bánh phải, bánh trái theo yêu cầu và thực tế 79

Hình 4.1 Ảnh chụp Robot thực hành sau khi chế tạo thử nghiệm 80

Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 82

Hình 4.3 Bản thiết kế và bố trí linh kiện trong khối điều khiển trung tâm 83

Hình 4.4 B ản thiết kế khối điều khiển công suất 83

Hình 4.5 Bản thiết kế khối hiển thị 84

Hình 4.6 B ản thiết kế khối thực thi 84

Hình 4.7 Thiết kế mô đun khối nguồn 84

Hình 4.8 B ản thiết kế của khối hạ áp 85

Hình 4.9 Các linh kiện điện tử và khí cụ điện được lựa chọn 85

Hình 4.10 Mô đun WiFi ESP-12F 86

Hình 4.11 Mô đun La Bàn HMC5883L 86

Hình 4.12 Mô đun Relay 8 kênh 12V 87

Hình 4.13 Mô đun hạ áp 88

Hình 4.14 Mô đun điều khiển trung tâm Arduno - Mega2560 89

Hình 4.15 Sơ đồ linh kiện của mô đun Arduno - Mega2560 89

Hình 4.16 Driver điều khiển động cơ Secvor 90

Hình 4.17 Sơ đồ đấu nối động cơ 90

Hình 4.18 Sơ đồ kết nối với bộ điều khiển động cơ 57J1854EC-1000 91

Hình 4.19 Mô đun loa và đèn nháy cảnh báo 91

Hình 4.20 Nguồn nuôi Robot 92

Hình 4.21 C ảm biến hồng ngoại E18-D80NK 92

Hình 4.22 Bố trí cảm biến hồng ngoại trên Robot tự hành AGV 93

Hình 4.23 Ki ểm tra cảm biến quan trong quá trình chế tạo thử nghiệm 94

Hình 4.24 Hệ thống cảm biến quang nhận diện vạch kẻ đường dưới gầm Robot AGV 94

Hình 4.25 Ảnh chụp hệ thống điều khiển phần cứng sau khi lắp đặt 95

Hình 4.26 Cấu trúc tương tác tín hiệu của bộ điều khiển 96

Hình 4.27 C ấu trúc tương tác tín hiệu của bộ điều khiển kết nối không dây 97

Hình 4.28 Lưu đồ thuật toán Camshift 98

DANH M ỤC CÁC BẢNG

B ảng 2.1 Thông số điều khiển vận tốc góc các bánh khi Robot tự hành AGV di chuyển 37

L ỜI MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Các nhà máy sản xuất trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 được gọi là nhà máy thông minh Bên trong các nhà máy này là các thiết bị thông minh được kết nối vạn vật (IoT) và một hệ thống mạng vật lý (CPS) cho phép giám sát và quản lý hoạt động sản xuất của nhà máy [1] Một trong các thiết bị quan trọng của các nhà máy thông minh là hệ thống các xe

tự hành (AGV) mà theo hiệp hội kỹ sư Mỹ định nghĩa là loại xe tự hành không người lái được lập trình đi theo quỹ đạo cho trước hoặc dẫn đường bằng các thiết bị thông minh và

hệ thống cảm biến [2] nhằm thay thế con người trong việc vận chuyển linh kiện, thiết bị, phôi hoặc sản phẩm trong một quy trình sản xuất Đối với thế giới [3], AGV đã được đưa vào sản xuất công nghiệp từ những năm 1954 và chia thành bốn giai đoạn phát triển đó là (1) giai đoạn 1: từ 1954 đến 1970; (2) giai đoạn 2: từ 1970 đến 1990; (3) giai đoạn 3: từ

1990 đến 2010; (4) giai đoạn 4: từ 2010 đến nay, trong quá trình phát triển mức độ thông minh hóa được phát triển đột phá về công nghệ của ngành khoa học điều khiển và công nghệ thông tin Điều đó cho thấy các xe AGV có một vai trò quan trọng trong các dây chuyển sản xuất hiện đại và đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu rất nhiều để ngày càng hoàn thiện và thông minh hơn đáp ứng yêu cầu của sản xuất hiện đại Trong đó phải kể đến đó là nghiên cứu tối ưu quỹ đạo chuyển động và tương tác của AGV với môi trường làm việc cũng như xác định số lượng các AGV trong một một ứng dụng cụ thể như: trong kho hàng, nhà máy, logictics v.v Do đó, tác giả luận văn đã chọn đề tài “Thiết

kế Robot tự hành phục vụ vận chuyển trong các nhà máy” làm đối tượng nghiên cứu

của luận văn với mong muốn góp một phần nhỏ bé vào công cuộc hiện đại hóa đất nước

II M ục đích nghiên cứu của luận văn

+ Thiết kế chế tạo được một mobile Robot AGV vận chuyển sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp

+ Nghiên cứu làm chủ về thiết kế và chế tạo Robot AGV vận chuyển thông minh phục vụ các dây truyền sản xuất công nghiệp

III Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa khoa học:

Ứng dụng và tích hợp công nghệ của nhiều lĩnh vực khoa học để thiết kế chế tạo Robot AGV vận chuyển trong phục vụ các dây truyền sản xuất công nghiệp

Ý nghĩa thực tiễn:

Luận văn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các Robot vận chuyển thông minh trong các dây truyền sản xuất công nghiệp

IV Ph ạm vi nghiên cứu của luận văn

- Nghiên cứu, tính toán động học, động lực học Robot AGV và chế tạo thực nghiệm phục

vụ vận chuyển hàng hóa trong các phân xưởng thông minh

- Luận văn không trình bày bài toán thiết kế kết cấu cơ khí với lý do đối với loại Robot tự hành kết cấu Cơ khí không quá phức tạp Ngoài ra, các thuật toán điều khiển thông minh như trí tuệ nhân tạo, hay điều khiển bầy đàn v.v là những vấn đề lớn có thể hình thành những luận văn cao học khác cũng như tính hàn lâm về mặt học thuật Vì vậy, mà chương 4 của luận văn chỉ đi vào thiết kế và chế tạo hệ điều khiển phần cứng phục vụ cho việc viết phần mềm và cài đặt các thuật toán thông minh

V N ội dung của luận văn

Nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về Robot tự hành trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp

Chương này trình bày tổng quan về quá trình phát triển cũng như cấu tạo của các loại Robot tự hành AGV trong công nghiệp, từ đó là cơ sở để nghiên cứu và chế tạo ở các chương sau

Chương 2: Phân tích động học Robot tự hành AGV

Nội dung của chương này trình bày về phương pháp thiết lập biểu thức vận tốc góc của

từng bánh xe chủ động theo vận tốc của Robot tự hành AGV trong quá trình làm việc, đây

là bài toán quan trọng trong việc xây dựng các bộ điều khiển vận tốc của xe cũng như thiết

kế

Chương 3: Phân tích lực và động lực học Robot tự hành AGV

Chương này trình bày về bài toán phân tích các lực tác động từ môi trường làm việc cũng như nội lực của Robot tự hành AGV khi làm việc trong môi trường, trên cơ sở đó tính chọn nguồn động lực và giải bài toán động lực học của Robot

Chương 4: Thiết kế chế tạo bộ điều khiển Robot tự hành AGV

Chương này trình bày về chế tạo thực nghiệm của Robot tự hành AGV bao gồm các vấn

đề từ thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho đến lắp đặt hoàn chỉnh một Robot tự hành AGV

có chức năng vận chuyển các vật trong lắp ráp, sản xuất linh kiện điện tử

Chương 1

T ỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH AGV TRONG CÁC DÂY CHUYỀN SẢN

XU ẤT CÔNG NGHIỆP 1.1 L ịch sử phát triển

Khái niệm về Robot tự hành AVG (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái Trong công nghiệp Robot tự hành AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực:

+ Cung cấp, sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất

+ Vận chuyển hàng giữa các trạm sản xuất

+ Phân phối, cung ứng sản phẩm trong hệ thống kho hàng tự động của hệ thống logictics + Ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng

Chính vì vậy mà Robot tự hành AGV ngày càng trở nên quan trọng đối với sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 Các tiêu chuẩn công nghệ, mức độ kinh nghiệm hiện tại, cùng với công nghệ tự động hóa đã dẫn đến AGV được đưa vào hầu hết các ngành công nghiệp và các lĩnh vực sản xuất khác nhau Lịch sử của Robot tự hành AGV đã được bắt đầu từ năm 1953 bởi Barrett Electonics Of Northbrook, bang Illinois- USA - quê hương ra đời của nhiều phát minh cải tiến

Trong quá trình phát triển Robot tự hành AGV được chia ra thành các thời kì và được phân biệt với nhau thông qua trình độ công nghệ và sự phản hồi tương tác từ môi trường làm việc đối với hệ thống Đây cũng có thể được đánh giá là những giai đoạn phát triển trong từng thời kỹ của khoa học, công nghệ của thế giới:

Th ời kì đầu tiên của Robot tự hành AGV

Hình 1.1 Robot t ự hành AGV trong giai đoạn đầu

Sáng chế đầu tiên về Robot tự hành AGV ứng dụng trong công nghiệp ở Mỹ từ năm

1953, sau đó vài năm là ở những nước châu Âu Khoa học công nghệ phát triển, những Robot tự hành đầu tiên được tạo ra và được dẫn đường một cách đơn giản bằng cách sử dụng những sensor thay cho các công tắc hành trình

Những năm đầu của thập niên 50 thế kỉ XX, các nhà sáng chế người Mỹ đã có ý tưởng thay thế người lái xe kéo bằng các thiết bị điều khiển tự động để vận chuyển hàng hóa Hệ thống Robot tự hành AGV đầu tiên được thiết kế và lắp đặt vào năm 1954 tại công ty Mercury Motor Freight ở Colombia, phía Nam Carolina để vận chuyển những kho hàng đường dài

Hệ thống dẫn đường rất đơn giản các Robot tự hành AGV đi theo các tuyến đường đã được định trước từ điểm này đến điểm kia, bắt đầu bằng lệnh và dừng lại khi nhận ra điểm

dừng bằng công tắc hành trình và cảm biến từ đơn giản Các các Robot tự hành AGV thời

kỳ này không có sự linh hoạt và thường chỉ có thể di chuyển theo một chiều định trước

Hình 1.2 Xe được hướng dẫn tự động bằng cảm biến từ

Thời kì thứ 2 - Bùng nổ của tự động hóa

Kỷ nguyên thứ hai phát triển trong 20 năm bắt đầu từ năm 1970 và kết thúc vào đầu những năm 1990 Trong giai đoạn này các tương tác của Robot tự hành AGV với môi trường làm việc đã bắt đầu được thực hiện và tích hợp với hệ thống sản xuất Khả năng ứng dụng của AGV tăng lên như: có khả năng đảo chiều, dỡ hàng, di chuyển và dừng tại các vị trí định trước Điều khiển, truyền tín hiệu bằng sóng vô tuyến và tín hiệu hồng ngoại, còn dẫn đường bằng day dẫn hướng hoặc vạch kẻ Lĩnh vực được ứng dụng phố biến nhiều nhất trong thời kỳ này là ngành công nghiệp sản xuất Ô tô, đặc biệt là các nhà máy sản xuất ô ở Đức, các Robot tự hành AGV đã trở thành một thành phần quan trọng trong dây chuyền sản xuất ô tô như:

- Trong lắp ráp ô tô, Robot tự hành AGV được ứng dụng như một trạm lắp ráp di động

- Trong sản xuất linh kiện, Robot tự hành AGV là một mô đun liên kết các máy móc sản

Hình 1.3 Robot t ự hành AGV hoạt động trong nhà máy sản xuất Ô tô

Th ời kì thứ 3- Công nghệ đã được chứng minh

Kỷ nguyên thứ ba kéo dài từ giữa những năm 1990 đến năm 2010, trong đó các tiêu chuẩn công nghệ đã được thiết lập Các Robot tự hành AGV đã được trang bị các loại cảm biến không tiếp xúc và công nghệ nhận dạng hình ảnh và xử lý tín hiệu bằng các bộ vi xử

lý và truyền dữ liệu thông qua hệ thống mạng WLAN Trong giai đoạn này hệ thống dẫn đường bằng day và vạch kẻ không còn vai trò Ở thời kỳ này Robot tự hành AGV có các tính năng vượt trội hơn ở thời kỳ thứ 2 như:

- Tốc độ di chuyển cao hơn trong vận chuyển, vận tải nhờ cải tiến công nghệ cảm biến

- Robot tự hành AGV có chi phí thấp hơn, nhưng hoạt động tin cậy hơn

- Tích kiệm niệm năng lượng và có khả năng tự nạp năng lượng

- Các Robot tự hành AGV đã được trang bị máy tính công nghiệp để xử lý, kiểm soát thiết bị và tương tác với môi trường làm việc bằng các cảm biến thông minh

- Truyền dữ liệu chủ yếu qua WLAN

Thời kì thứ 4 Bùng nổ và thách thức

Kỷ nguyên thứ 4 được bắt đầu từ năm 2010 đến nay, những thách thức về chức năng được đặt ra:

- Hoạt động an toàn, tin cậy, tích hợp

- Liên kết tự động và thông minh hóa

- Có khả năng hoạt động theo bầy đàn và nhận dạng các Robot tự hành AGV với nhau, cũng như với các thiết bị trong một dây chuyền sản xuất

- Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và cơ sở dữ liệu lớn trong vận hành và quản lý hệ thống

- Phát triển các ứng dụng khác trong các lĩnh vực của cuộc sống như: bệnh viện, nông nghiệp v.v

1.2 C ầu tạo của Robot tự hành AGV

Cấu tạo cơ bản của Robot tự hành AGV được mô tả trên hình 1.4 bao gồm các bộ phận chính sau:

Hình 1.4 Các b ộ phận chính của Robot AGV

+ Bộ truyền chuyển động: Có nhiệm vụ truyền động năng từ động cơ quan các bộ giảm tốc

đến bánh xe giúp AGV di chuyển một cách linh hoạt và đạt được vận tốc cũng như lực kéo phù hợp, đáp ứng được yêu cầu công việc

+ Bánh xe chủ động: phải có độ bám đường tốt nhằm đảm bảo xe không bị trượt trên

đường di chuyển khi chịu tải lớn

+ Bánh xe bị động (vô hướng): giúp cho việc di chuyển linh hoạt hơn và chịu tải chính,

giúp AGV di chuyển linh hoạt trong các khúc cua hay quay đầu

+ Hệ thống cảm biến: giúp AGV nhận dạng đường đi, cũng như phát hiện chướng ngại vật

trên đường di chuyển của xe và tương tác với môi trường làm việc

+ Bộ nguồn nuôi: ắc quy và pin để nuôi bộ điều khiển trung tâm và cơ cấu chấp hành của AGV

+ Bộ Driver điều khiển động cơ: có nhiệm vụ thay đổi chiều quay và tốc độ của động cơ

dẫn động hệ thống

1.3 Phân lo ại Robot tự hành AGV

Về cơ bản Robot tự hành AGV được phân loại theo chức năng và hệ thống nhận dạng đường đi, dưới đây là các phương pháp phân loại

1.3.1 Phân lo ại theo chức năng

Khi phân loại theo chức năng thì Robot tự hành AGV lại được phân thành 4 loại như sau:

Xe kéo ( Towing Vehicle)

Xe kéo xuất hiện đầu tiên và bây giờ vẫn được sử dụng rất phổ biến, loại này có thể kéo được nhiều loại hàng khác nhau và chở được từ 8000-60000 pounds

Ưu điểm của hệ thống xe kéo:

Xe chở (Unit LoadVehicle)

Hình 1.6 Xe ch ở AGV sử dụng hệ thống nâng, hạ

Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là nâng, hạ hay chuyển động bằng băng

tải, đai hoặc xích

Hình 1.7 Xe AGV s ử dụng hệ thống băng tải

Loại này có ưu điểm:

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

+ Thời gian đáp ứng nhanh gọn

+ Giảm hư hại sản phẩm

+ Đường đi linh hoạt

+ Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở

+ Lập kế hoạch hiệu quả

Hình 1.10 Xe nâng AGV ho ạt động trong nhà máy thời đại công nghệ 4.0

1.3.2 Phân lo ại theo dạng đường đi

Loại chạy không đi theo đường dẫn (Free pathnavigation)

Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao được định vị, vị trí 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 trong quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để xác định tọa độ tức thời Việc thiết kế loại xe này đòi hỏi công nghệ cao và phức tạp hơn

so với các loại AGV khác

Loại chạy theo đường dẫn (Fixed pathnavigation)

Hình 1.11 Xe AGV chạy theo đường dẫn trên nền

Hình 1.11 Xe AGV ch ạy theo đường dẫn trên nền

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

+ Đường dẫn từ: Là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ (Magnetic wire) chôn ngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ có các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo đường dây dẫn Loại đường dẫn này không nằm bên trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến các công việc vận hành khác cũng như di chuyển trong nhà xưởng Tuy nhiên, khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định và không thể thay đổi được Khi thay đổi công nghệ hoặc phát triển sản xuất phải cải tạo hoặc thay thế đường dẫn mới gây tốn kém và lãng phí tài nguyên

+ Đường ray dẫn: Xe AGV được chạy trên các ray định trước trên mặt sàn Loại này chỉ

sử dụng đối với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế xe đơn giản hơn và

có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp

+ Đường quang kẻ trên sàn: Xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ các loại cảm biến quay 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 kẻ lại các vạch dẫn Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác xe và thường phải làm mới vạch kẻ sau một thời gian sử dụng nhất định

1.4 Ứng dụng của Robot tự hành AGV

1.4.1 Ngành công nghi ệp ô tô và linh kiện ô tô

Ban đầu có vẻ như nghịch lý khi bắt đầu với ngành công nghiệp ô tô, vì nó gần như hoàn toàn bị bỏ rơi AGV vào khoảng những năm 1980 Nhưng sau nhiều năm các dự án AGV bắt đầu được đưa vào các nhà máy ô tô một lần nữa vào cuối những năm 1990 Dưới đây sẽ trình bày một số ví dụ để chứng minh rằng có nhiều công đoạn khác nhau để sử dụng,

từ các giải pháp đơn giản, dựa trên cách tiếp cận KAIZEN của Nhật Bản, thông qua các chức năng ứng dụng, đòi hỏi kỹ thuật cao nhưng hợp lý, tất cả các cách sử dụng đặc biệt

Hình 1.12 AGV trong nhà máy máy BMW ở Leipzig (Source DS 2006)

Ví dụ: Sản xuất dòng BMW 300 trong nhà máy New Leipzig, năm 2005 Nhà máy BMW ở Leipzig bắt đầu sản xuất dòng 300 (E90) Lần đầu tiên trong lịch sử ngành công nghiệp ô

tô, một hệ thống dẫn đường tự động (AGV) đã thực hiện chức năng hậu cần rộng rãi trong lĩnh vực cung cấp linh kiện (Hình 1.12) Các quy trình chuẩn sau đây được xác định cho các bộ phận cung cấp cho khu vực lắp ráp tại nhà máy Leipzig:

1 Giao hàng trực tiếp bằng xe tải: các bộ phận lớn, đơn giản (ví dụ như thảm sàn hoặc ống lót thân) được phân phối kịp thời bằng xe tải đến khu vực lắp ráp trực tiếp

2 Phân phối mô đun bằng OM9: cốt liệu lớn và phức tạp (ví dụ buồng lái) lắp ráp trực tiếp tại nhà máy của các nhà cung cấp bên ngoài hoặc nhân viên BMW

3 Hàng hoá kho qua AGV: Hầu hết các bộ phận được lưu trữ trong khu vực xếp, được vận hành và đưa đến các địa điểm lắp ráp tương ứng trong khu vực lắp ráp bằng các phương tiện dẫn đường tự động (AGV)

Hình 1.13 Nh ững mẫu AGV khác trong nhà máy BMW ở Leipzig (Source DS)

1.4.2 S ản xuất và chế biến giấy

+ Vận chuyển và xử lý cuộn giấy tại Einsa Print International - công ty hàng đầu của Tây Ban Nha trong ngành công nghiệp in ấn (Hình 1.14)

Hình 1.14 AGV v ận chuyển giấy trong nhà máy Einsa Print International

+ In báo trong ở Braunschweig thuộc Tập đoàn Truyền thông WAZ nổi tiếng ở Đức và sản xuất nhiều tờ báo hàng ngày (Hình 1.15)

Hình 1.15 AGV nâng hàng t ại nhà máy Braunschweig

1.4.3 Công nghi ệp điện tử

Ngành công nghiệp điện tử là đại diện cho các nhà sản xuất chất lượng cao theo sự nối tiếp giữa các công đoạn Nhu cầu chất lượng của họ thường bao gồm độ sạch và độ chính xác cao Trọng lượng được vận chuyển thường không lớn, hộp tiêu chuẩn kích thước phổ biến

600 × 400 mm

Hình 1.16 Hai m ẫu AGV trong ngành công nghiệp điện tử

Trong vòng 4 năm, chức năng AGV và kích thước của các AGV đã được mở rộng liên tục,

do đó hai loại xe này đã tiếp nhận cung cấp toàn bộ khu vực sản xuất kể từ đầu năm 2010 Năm xe vận chuyển các container nhỏ (600 × 400 mm) và hai mang theo các thùng chứa lớn (800 × 600 mm) Bảy phương tiện được điều khiển tự động hiện tại đã thực hiện việc cung cấp lắp ráp với các bộ phận, linh kiện và thành phẩm riêng lẻ từ kho chứa và ASPW

Hình 1.17 AGV ho ạt động tại dây chuyền tự động

1.4.4 Công nghi ệp thực phẩm và nước giải khát

Do áp lực giá cả trong các lĩnh vực này là vô cùng cạnh tranh nên các công ty đã nghĩ ra sáng kiến áp dụng AGV vào dây chuyền nhằm giảm bớt chi phí

Hình 1.18 AGV ho ạt động trong ngành công nghiệp nước giải khát

Ngoài những lĩnh vực nổi bật trên thì AGV còn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: xây dựng, công nghiệp sản xuất thép, hàng không, giao thông vận tải và nông nghiệp

K ết luận chương 1

Từ những phân tích và tổng hợp trên đây cho thấy Robot tự hành AGV đang được ứng dụng khá phổ biến trong các dây chuyền sản xuất và đặc biệt trong bối cảnh bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, cùng với sự phát triển của ngành logictics

Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT TỰ HÀNH AGV 2.1 Các tính năng của Robot tự hành AGV

Hình 2.1 H ệ thống Robot tự hành AGV

Như đã trình bày ở chương 1 với sự phát triển của khoa học và công nghệ Đặc biệt là công nghệ thông tin đã thúc đẩy công nghệ phát triển lên tầm cao mới để đáp ứng đòi hỏi của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Khi mà máy móc, thiết bị, thiết bị phụ trợ được kết nối vạn vật IOT để thực hiện một quy trình công nghệ Trong đó Robot tự hành AGV là một mô đun thành phần quan trọng trong nhà máy sản xuất thông minh Như vậy, để có thể đáp ứng được điều đó thì xe tự hành phải có tính năng:

- Mức độ thông minh hóa cao

- Khả năng chịu tải theo yêu cầu của công nghệ mà xe phải đáp ứng

- Khả năng nhận biết chướng ngại vật trong môi trường làm việc

- Khả năng tương tác với nhau và với môi trường làm việc

- Khả năng định vị trong không gian làm việc và tự tìm đến vị trí được chỉ định

- Di chuyển theo các thuật toán thông minh

Để đáp ứng được yêu cầu trên đòi hỏi quá trình thiết kế phải giải quyết được bài toán động học của xe nhằm:

Xác định vận tốc giới hạn để xác định năng suất của xe đồng thời cung cấp các tín

hiệu điểu khiển vị trí tới các động cơ dẫn động ở các bánh xe

Từ các tín hiệu điều khiển của hệ thống IOT có thể tính toán ra tín hiệu điều khiển điều khiển các động cơ dẫn động để xe:

Hình 2.2 M ột dạng quỹ đạo đường đi của xe tự hành phục vụ

trong dây chuy ền sản xuất

2.2 Mô hình toán h ọc mô tả động học của Robot tự hành AGV

Giả thiết Robot tự hành AGV di chuyển trên sàn nhà theo một quỹ đạo bất kì {∑} cho

trên hình 2.3 Để thiết lập mô hình động học gọi ϑo {Oxy} là hệ quy chiếu gốc đặt tại điểm

quy chiếu của hệ thống nhà xưởng để định vị “điểm định vị chuẩn 0”, ϑ1 {Puv} gắn tại

tâm của Robot tự hành AGV Với cách đặt hệ quy chiếu như trên thì khi điều khiển Robot

tự hành AGV di chuyển trên quỹ đạo {∑} thì điểm P đặt tại trọng tâm Robot luôn phải

trùng với các điểm Ai trên quỹ đạo {∑}

Nếu gọi là tiếp tuyến của quỹ đạo bất kì của xe, V

là vận tốc tiếp tuyến của xe Với

kết cấu xe gồm 6 bánh, trong đó 2 bánh chủ động ở giữa 2 với nhiệm vụ tạo chuyển động,

4 bánh tự lựa ở 4 góc xe có tác dụng chịu tải của xe

Khi đó, quỹ đạo chuyển động của xe sẽ phụ thuộc vào vận tốc góc của từng bánh chủ động

với những vận tốc khác nhau thì sẽ có các trường hợp dưới đây:

Trường hợp 1: 2 bánh quay cùng chiều và cùng vận tốc góc thì xe đi chuyển theo đường thẳng

ω R

ω L

Hình 2.4 Qu ỹ đạo xe là đường thẳng

Trường hợp 2: 2 bánh xe quay cùng chiều nhưng vận tốc góc khác nhau hoặc 1 bánh

dừng, 1 bánh quay thì xe sẽ di chuyển trên quỹ đạo đường cong

Hình 2.5 Quỹ đạo xe là đường cong

Trường hợp 3: 2 bánh xe quay ngược chiều và cùng vận tốc góc thì xe sẽ tự quay quanh

Và để tìm hiểu rõ tính toán động học của xe AGV thì chúng ta cùng đi phân tích trong

các trường hợp cụ thể dưới đây:

a) Robot tự hành AGV đi thẳng

V L =V R =V (2.3)

G

V

L

V

G

V

R

V

,

V V 

Trong đó ω L , ω R ần lượt là vận tốc góc bánh xe, R là bánh kính bánh xe

b) Robot tự hành AGV rẽ trái

ω

,

L R

V

R

Hình 2.8 Xét chuy ển động từng bánh

Hình 2.9 Xe AGV trong trường hợp rẽ trái

Giả thiết Robot đi từ cung đường 1 sang cung đường 2 thì phải rẽ trái, tại cung cong rẽ trái

2

L V V

L

V V

l

θ θ

ρρ

ρω

R V V

ρρ

ρω

ρ

+

Ví dụ 2.1: Tính vận tốc mỗi bánh chủ động và vẽ đồ thị liên hệ vận tốc từng bánh với vận

tốc AGV để AGV di chuyển trên đường tròn có phương trình: 2 2

Từ công thức (2.8) và (2.11) ta vẽ đồ thị liên hệ vận tốc của từng bánh so với vận tốc của Robot tự hành AGV:

( ) ( ) ( ) ( )

ρρρρ

++

+Như vậy, để Robot tự hành AGV đi hết quỹ đạo trong thời gian t=10s với vận tốc không

l

ρρρρ

Trong trường hợp này Robot tự hành AGV đi từ cung đường 2 sang cung đường 3 thì phải

rẽ phải, tại cung cong rẽ phải giả sử Robot đạt vận tốc là V

2

R V V

R

V V

l

θ θ

ρρ

V V

θ θ

ρω

ρ

+ (2.16) Xét với bánh 2: tương tự ta cũng có

Hình 2.12 Xe AGV trong trường hợp rẽ

h ả

( ) ( )

2

L V V

ρρ

V

θ θ

ρω

ρ + =

Đồ thị quỹ đạo như trường hợp Ví dụ 2.1 Tuy nhiên, AGV đi từ điểm C đến điểm B

Gọi ( )tθ là hàm của tọa độ góc theo thời gian t

2

t t t

l l

l

ρρρρ

0.2 0.25

0.3 0.35