Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống robot phục vụ tự động

Ở lĩnh vực kinh doanh, ăn uống một số nước tiên tiến đã ứng dụng hệ thống tự động bán hàng tự động, hệ thống nhà hàng thông minh, robot phục vụ,… đã đem lại những hình thức mới mẽ trong

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Đà Nẵng, 2018

TÓM TẮT

Tên đề tài : thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống robot phục vụ tự động

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Vủ - 13CDT1

2 Phạm vi nghiên cứu

Trong đề tài này, chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống robot phục vụ bao gồm :

- Phần cơ khí gồm có:

+ Thiết kế hệ thống cấp thức uống cho robot

+ Thiết kế, chế tạo phần di chuyển của robot

+ Thiết kế, chế tạo phần giữ khay thức uống và chuyển thức uống ra bàn thực khách

- Phần điều khiển gồm có:

+ Thiết kế mạch điều khiển cho robot

+ Xây dựng lưu đồ giải thuật cho robot di chuyển đến vị trí các bàn

3 Nội dung đề tài đã thực hiện :

- Giới thiệu một số phương án và lựa chọn phương án thiết kế cho toàn hệ thống

- Tính toán thiết kế toàn bộ hệ thống

- Tính toán, thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống

- Hoàn thiện mô hình hệ thống robot phục vụ tự

động

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Hiện nay, tự động hóa và robot đang dần dần được đưa vào ứng dụng trên nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người Ở lĩnh vực kinh doanh, ăn uống một số nước tiên tiến đã ứng dụng hệ thống tự động bán hàng tự động,

hệ thống nhà hàng thông minh, robot phục vụ,… đã đem lại những hình thức mới mẽ trong kinh doanh, kích thích sự tò mò khám phá điều mới lạ cho khách hàng quá đó nâng cao hiệu suất bán hàng, thu nhiều lợi nhuận

Xuất phát từ ý tưởng trên, nhóm đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo mô hình hệ

thống robot phục vụ tự động” Nội dung đồ án gồm có 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống robot phục vụ tự động

Chương 2: Phân tích và chọn phương án thiết kế cho hệ thống

Chương 3: Tính toán, thiết kế các bộ phận của hệ thống

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống

Vì lần đầu làm quen với công việc thiết kế tổng thể, mặc dù được sự hướng dẫn của

thầy ThS Nguyễn Thế Tranh nhưng cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ Hơn nữa,

tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít, thời gian thực hiện đề tài không nhiều, khả năng còn hạn chế nên chắc trong quá trình thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô

Sau thời gian làm đề tài bằng chính nỗ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian qui định Chúng em xin chân thành

cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy, cô trong khoa Cơ khí, đặc biệt là thầy Th.S Nguyễn

Thế Tranh đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

- Khoa Cơ khí

Nhóm đồ án xin cam đoan: Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống robot ohucj vụ tự động” là công trình nghiên cứu của nhóm, không sao chép bất

cứ đồ án hay công trình nào đã có trước đây Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án

đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố

Nhóm sinh viên thực hiên

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ vi

Danh sách bảng biểu viii

Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ROBOT PHỤC VỤ TỰ ĐỘNG 11

1.1 Tổng quan chung về robot 11

1.1.1.Giới thiệu chung 11

1.1.2 Phân loại robot 11

1.1.3 Một số dạng điều khiển 15

1.1.4 Giới thiệu về robot phục vụ 16

1.2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài 20

1.3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 20

1.4 Phương pháp nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO HỆ

THỐNG 22

2.1 Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống 22

2.2 Các phương án lựa chọn, thiết kế cho bộ phận cấp ly 24

2.2.1 Các phương án cấp thức uống tự động 24

2.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho băng tải 27

2.2.3 Các phương án đưa thức uống ra khay của robot 28

2.3 Các phương án lựa chọn, thiết kế các bộ phận cho robot 30

2.3.1 Lựa chọn cơ cấu di chuyển cho robot 30

2.3.2 Lựa chọn cơ cấu đưa sản phẩm ra bàn 31

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG 33

3.1 Robot 33

3.1.1 Động học của robot di chuyển bằng bánh xe 34

3.1.2 Phần đế di chuyển 37

Hình 3 4 Động cơ giảm tốc 12VDC 39

3.1.3 Phần cánh tay robot 39

3.2 Cơ cấu cấp sản phẩm cho robot sử dụng băng tải 43

3.2.1 Tính chọn động cơ cho băng tải 44

3.2.2 Phân phối tỉ số truyền 46

3.2.3 Tính thông số trên các trục 46

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH 49

4.1 Tổng quan về điều khiển trong các hệ thống tự động 49

4.1.1 Yêu cầu điều khiển tự động trong các hệ thống điều khiển hiện nay 49

4.1.2 Giới thiệu các loại điều khiển phổ biến 50

4.1.3 Tổng quan về PLC 50

4.1.4 Giới thiệu tổng quan vi điều khiển 54

4.2 Yêu cầu về điều khiển của mô hình hệ thống robot phục vụ tự động 57

4.3 Thuật toán PID trong điều khiển đường đi của robot 57

4.3.1 Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) 57

4.3.2 Ứng dụng giải thuật PID kết hợp với phương pháp PWM trên robot dò đường 58

4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình hệ thống robot phục vụ tự động. 60

4.4.1 Board Arduino Uno R3 61

4.4.2 Cảm biến dò đường TCRT5000 65

4.4.3 Modul điều khiển động cơ L298 66

4.4.4 Cảm biến siêu âm SRF05 67

4.4.5 Modul điều khiển động cơ bước A4988 68

4.4.6 Bộ thu phát tín hiệu RF 69

4.4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ băng tải cấp thức uống 70

4.5 Mạch điều khiển của hệ thống 71

4.5.1 Khối xử lý trung tâm của robot kết nối với các thiết bị ngoại vi 71

4.5.2 Mạch hệ thống cấp thức uống cho robot 72

4.6 Sơ đồ thuật toán hệ thống 72

4.7 Chương trình hệ thống robot phục vụ tự động 73

4.8 Một số hình ảnh hệ thống đã được thi công 85

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Robot hình người và hình dáng động vật 12

Hình 1 2 Robot trên không 12

Hình 1 3 Robot dưới nước 13

Hình 1 4 Robot tự hành di chuyển bằng bánh của NASA 13

Hình 1 5 Các cách bố trí bánh xe của robot 15

Hình 1 6 Robot di chuyển bằng bánh xích 15

Hình 1 7 Robot chữ thập đỏ, hướng dẫn viên du lịch và phục vụ bàn của Việt Nam 17 Hình 1 8 Một số robot phục vụ do Việt Nam tự chế tạo 17

Hình 1 9 Những Robot phục vụ hiện đại do Nhật Bản sản xuất 18

Hình 1 10 Robot Asimo nổi tiếng của hãng Honda có thể phục vụ trà và robot bồi bàn của Nhật 18

Hình 1 11 Robot dùng trong phục vụ ăn uống 19

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống 22 Hình 2 2 Các mức độ lệch khỏi line của robot 23

Hình 2 3 Hình vẽ mô phỏng băng tải dùng trong mô hình 24

Hình 2 4 Sushi băng chuyền sushi 25

Hình 2 5 Mô hình mâm xoay cấp sản phẩm 26

Hình 2 6 Bộ truyền đai 27

Hình 2 7 Bộ tuyền xích 28

Hình 2 8 Hình vẽ mô phỏng cánh tay robot gắp sản phẩm 28

Hình 2 9 Hình vẽ mô phỏng cơ cấu đẩy sản phẩm 29

Hình 2 10 Vít me đai ốc bi 31

Hình 3 1 Sơ đồ bố trí bàn và không gian làm việc của robot 33 Hình 3 2 Phân tích động học của robot di chuyển theo quỹ đạo cho trước 35

Hình 3 3 Đế di động của robot 38

Hình 3 4 Động cơ giảm tốc 12VDC 39

Hình 3 5 Sơ đồ tính toán chọn động cơ đẩy 40

Hình 3 6 Các thông số của vít me – đai ốc bi 41

Hình 3 7 Biểu đồ tần số và thời gian của động cơ bước 42

Hình 3 8 Động cơ bước STP – 43D3014 43

Hình 3 9 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống băng tải 43

Hình 3 10 Động cơ dùng cho băng tải 46

Hình 4 1 Sơ đồ cấu trúc của PLC 51 Hình 4 2 Tủ điện điều khiển bằng PLC 52

Hình 4 3 Điều khiển thang máy 53

Hình 4 4 Hệ thống rửa xe tự động dùng PLC 54

Hình 4 5 Điều khiển máy CNC 54

Hình 4 6 Board mạch Arduino Uno và Mega 2560 55

Hình 4 7 Robot sử dụng vi điều khiển 56

Hình 4 8 Mô hình điều khiển đèn giao thông dùng vi điều khiển 57

Hình 4 9 Sơ đồ khối giải thuật PID 58

Hình 4 10 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot 59

Hình 4 11 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 61

Hình 4 12 Vi điều khiển Arduino 62

Hình 4 13 Các cổng vào ra 64

Hình 4 14 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 65

Hình 4 15 Modul điều khiển động cơ L298N 66

Hình 4 16 Sơ đồ nguyên lý của mạch 67

Hình 4 17 Cảm biến siêu âm SRF05 67

Hình 4 18 Modul điều khiển động cơ bước 68

Hình 4 19 Sơ đồ nguyên lý 69

Hình 4 20 Modul thu - phát RF433 69

Hình 4 21 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ 70

Hình 4 22 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển robot 71

Hình 4 23 Mạch được thiết kế trên phần mềm Altium 72

Hình 4 24 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp thức uống cho robot 72

Hình 4 25 Lưu đồ thuật toán của hệ thống 73

Hình 4 26 Mô hình hệ thống thiết kế 85

Hình 4 27 Khung xe robot 85

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Ký hiệu các loại bánh xe 14

Bảng 3 1 Thông số điều khiển số vòng quay của bánh xe trái và phải 37

Bảng 3 2 Bảng các thông số động học của băng tải 48

Bảng 4 1 Một vài thông số Arduino Uno R3 61

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ROBOT PHỤC VỤ TỰ ĐỘNG

1.1 Tổng quan chung về robot

1.1.1.Giới thiệu chung

Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỉ qua Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Do nhu cầu cần hòa nhập ngày càng nhiều với quá trình sản xuất phức tạp nên Robot cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn Ngày nay, ngoài ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng Robot trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang

có nhu cầu gia tăng là động lực cho các Robot địa hình và Robot dịch vụ phát triển

Robot xuất hiện đầu tiên ở Hoa Kì, là loại tay máy chép hình dùng trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 thế kỉ trước, bên cạnh các tay máy chép hình

cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực diện từ đã xuất hiện Tuy nhiên các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự di động Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó Ngược lại mobile robot là loại robot có thể di chuyển từ không gian này sng không gian khác một cách độc lập hay có điều khiển từ xa, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn

Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi trường tự nhiên Với

sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi qua điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang robot phục vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người

1.1.2 Phân loại robot

Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot

để giúp cho việc phân loại chúng được dễ dàng hơn Có 4 yếu tố chính để phân loại robot như sau:

Theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động Tuy nhiên trong giới hạn của đề tài này chỉ là đề cập đến lĩnh vực nghiên cứu là robot di động dùng trong phục vụ Robot di động là một hệ robot có khả năng thực hiện các nhiệm vụ ở nhiều vị trí khác nhau với khả năng di chuyển bằng bánh xe, xích hay bằng chân phụ thuộc vào địa hình Đối với robot di chuyển dưới nước hay trên không,

ta cần có động cơ cánh quạt, chân vịt hay động cơ phản lực để tạo di chuyển cho robot Khả năng di động giúp robot có nhiều ứng dụng và đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề mới Một trong những vấn đề chung cần nghiên cứu ở robot di động là khả năng xác định phương hướng di chuyển của robot

Robot di động có thể phân loại bằng các cách:

- Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển:

+ Robot ngoài trời và robot trong nhà Thông thường, chúng được lắp bánh xe, nhưng cũng có loại robot có chân ( gồm 2 hoặc nhiều chân) như robot hình người ( 2 chân ), Robot hình dạng động vật hoặc côn trùng (4-6 chân)

+ Robot dưới nước dùng cho các phương tiện hoạt động dưới nước, chúng hoạt động độc lập

Hình 1 3 Robot dưới nước

- Phân loại theo phương pháp di chuyển:

+ Robot có chân, chân giống người hay chân giống động vật Ưu điểm lớn nhất của loại Robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu

Nhược điểm chính của Robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp Chân Robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của Robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các kỹ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm

độ cứng vững của Robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao

Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế mà chúng có loại chân, loại 2, 4, 6 chân và có thể nhiều hơn

+ Robot di chuyển bằng bánh xe (wheeled mobile robot)

Hình 1 4 Robot tự hành di chuyển bằng bánh của NASA

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong Robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi Robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề của Robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động v.v Dưới đây là các loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành:

+ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc + Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái

+ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc

Bảng 1 1 Ký hiệu các loại bánh xe

1.1.3 Một số dạng điều khiển

Robot điều khiển từ xa bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển khiển có thể được gắn trực tiếp hoặc những thiết bị điều khiển khác Thiết bị điều vào robot, ví dụ: một

cần gạt không dây, hoặc một phụ kiện của một máy tính không dây Robot điều khiển từ

xa giúp con người tránh khỏi những nguy hiểm

Robot điều khiển từ xa tự bảo vệ có khả năng phát hiện và tránh những chướng ngại vật nhưng điều khiển cũng giống như robot điều khiển từ xa bằng tay Có rất ít con robot chỉ dùng đơn lẻ bộ điều khiển từ xa tự bảo vệ

Một vài robot tự động đầu tiên là những robot theo lộ trình Chúng có thể theo những đường được sơn khắc trên sàn, trần nhà hay trên một dây điện trên sàn Đa số robot này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ xử lý trung tâm, chúng không thể đi vòng qua các chướng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi có vật nào đó cản đường chúng Rất nhiều mẫu của loại robot này vẫn được bày bán bởi FMC, Egemin, HK system

và một vài công ty khác

Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những chuyển động như nhảy bật lên tường, những bức tường này được cảm nhận do sự cản trở về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba, hoặc với bộ cảm biến điện tử nh ư máy cắt cỏ Friendly Robotics

1.1.4 Giới thiệu về robot phục vụ

Trong đề tài chỉ tập trung nghiên cứu robot phục vụ nên trong phần này chỉ giới thiệu các nghiên cứu có liên quan đến robot phục vụ

Trong nước:

Từ những năm 1980, các nhà khoa học VN đã tiếp cận với việc nghiên cứu chế tạo robot Đến nay, nhiều đề tài nghiên cứu đã được thực hiện thành công như đề tài nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tay máy, người máy trong bảo hộ lao động, ứng dụng người máy công nghiệp trong kỹ thuật bốc xếp vận chuyển ở phân xưởng công nghiệp, nghiên cứu ứng dụng robot trong công nghệ bề mặt, chế tạo robot phục vụ gia công cơ khí, chế tạo robot gắp sản phẩm cho khuôn ép Một số robot của Việt Nam đã chế tạo thành công và được công bố nhiều trên các hội nghị và tạp chí trong, ngoài nước cũng như phương tiện truyền thông như:

Hình 1 7 Robot chữ thập đỏ, hướng dẫn viên du lịch và phục vụ bàn của Việt Nam

Có thể thấy, robot đã xuất hiện trong một số nhà hàng ở Nhật Bản, Trung Quốc hay những nước tiên tiến trên thế giới trong vai trò phục vụ bàn Nhưng giờ đây, ở Việt Nam cũng đã xuất hiện những chú robot như thế Điều đáng nói hơn nữa là những con robot này hoàn toàn do người Việt Nam lên ý tưởng và thiết kế

Hình 1 8 Một số robot phục vụ do Việt Nam tự chế tạo

Ngoài nước:

Hình 1 9 Những Robot phục vụ hiện đại do Nhật Bản sản xuất

Hình 1 10 Robot Asimo nổi tiếng của hãng Honda có thể phục vụ trà và robot bồi bàn

của Nhật

Hình 1 11 Robot dùng trong phục vụ ăn uống

- Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống xã hội, robot có thể thay thế sức lao động của con người và thực hiện những công việc lặp đi lặp lại mà không biết mệt mỏi, những công việc có tính chất nguy hiểm hoặc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt Chính vì những ưu điểm trên mà việc ứng dụng robot vào việc phục vụ trong phòng chờ ở nhà ga, bến xe, khách sạn hoặc văn phòng là một việc làm hết sức cần thiết trong giai đoạn hiện nay

Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó Ngược lại, mobile robot có thể di chuyển,

do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư nghiên cứu

- Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Để có khả năng tiếp cận công nghệ hiện đại của thế giới, từng bước có thể tự thiết kế, chế tạo các thiết bị, máy móc điều khiển, việc nghiên cứu và ứng dụng tự động hóa là một bước đi rất quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tạo ra những sản phẩm mới có tính cạnh tranh trên thế giới, nước ta cũng không nằm ngoài quy luật này

Ý nghĩa thực tiễn: Để giải quyết nhu cầu thiếu hụt lao động trong tương lai, ở lĩnh vực dịch vụ hoặc những công việc lặp đi lặp lại dễ nhàm chán và có thu nhập thấp, cụ thể là công việc phục vụ trong phòng chờ, việc thuê người để phục vụ bàn đôi khi gặp nhiều khó khăn do sự khác biệt văn hoá, quan niệm sống, cách ứng xử không khéo lại

dễ gây xung đột, rất phức tạp Vì vậy nếu có robot thay thế thì điều này sẽ không xảy

ra, việc sử dụng robot để thay thế hoặc hỗ trợ con người trong công việc này thì rất thích hợp

1.2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, chế tạo robot ứng dụng trong việc phục vụ

trong phòng chờ có nhiều bàn

Đối tượng tập trung nghiên cứu của đề tài là đưa ra giải pháp điều khiển cho robot

di động dùng trong phục vụ, di chuyển theo lộ trình đã được vạch trước

1.3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống robot phục vụ bao gồm :

- Phần cơ khí gồm có:

+ Thiết kế hệ thống cấp thức uống cho robot

+ Thiết kế, chế tạo phần di chuyển của robot

+ Thiết kế, chế tạo phần giữ khay thức uống và chuyển thức uống ra bàn thực khách

- Phần điều khiển gồm có:

+ Thiết kế mạch điều khiển cho robot

+ Xây dựng lưu đồ giải thuật cho robot di chuyển đến vị trí các bàn

Đề tài này có nhiệm vụ cho robot di động bằng bánh để thực hiện công việc đưa thức uống đến các bàn yêu cầu Robot di chuyển bằng cách bám theo lộ trình được chỉ định trước, nếu gặp vật cản thì robot sẽ dừng lại và khi không có vật cản thì robot sẽ tiếp tục đi để hoàn thành nhiệm vụ Bàn ghế và khay chứa thức uống được thiết kế riêng phục vụ cho việc robot bưng dễ dàng hơn

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Qua việc xác định nhiệm vụ thiết kế trên, các phương pháp nghiên cứu sẽ tập trung vào việc giải quyết các vấn đề như sau:

- Xây dựng cơ sở lý thuyết bao gồm :

+ Sưu tầm các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

+ Tìm hiểu, ứng dụng vi điều khiển ARDUINO làm bộ xử lý trung tâm cho robot + Tìm hiểu các cảm biến tránh vật cản, thu phát tín hiệu RF để điều khiển robot + Giải thuật điều khiển robot bám theo đường line

- Xây dựng mô hình thực nghiệm bao gồm:

+ Thiết kế, chế tạo hệ thống cấp thức uống tự động

+ Thiết kế, chế tạo mô hình robot

+ Thiết kế mạch điều khiển, mạch xử lý

+ Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình điều khiển robot

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO HỆ

THỐNG

2.1 Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học công nghệ, robot đang dần

dần thay thế con người ở các lĩnh vực khác nhau Những robot phục vụ đang ngày càng

được tạo ra để thay thế cho hoạt động của con người Ở một số nước đã chế tạo ra những

chú robot phục vụ về đồ ăn và thức uống một cách linh hoạt và tinh vi Do hạn chế về điều

kiện cũng như kiến thức nên ở đồ án này, chúng em chỉ dừng lại ở việc thiết kế mô hình hệ

thống robot phục vụ đơn giản, tối đa cho việc học tập, nghiên cứu Nguyên lý hoạt động

của hệ thống này như sau:

Trên mỗi bàn sẽ có các nút nhấn để gọi đồ uống mà khách hàng cần khi khách hàng gọi

thức uống bằng việc nhấn nút, tín hiệu sẽ được đưa về quầy để xử lí

Sau khi nhận được tín hiệu gọi thức uống từ các bàn, sẽ có một hệ thống đưa thức uống đến

cho robot và robot sẽ nhận thức uống từ quầy nhận sản phẩm sau đó di chuyển đến đúng vị

trí của bàn đó Robot được lập trình đi theo các đường có sẵn trên sàn nhà để đến với các

bàn Khi đến được nơi, cơ cấu đẩy trên robot sẽ đẩy thức uống xuống bàn và quay về vị trí ban đầu để tiếp tục thực hiện nhiệm vụ tiếp theo

Đối với robot, để robot có thể di chuyển đến quầy phục vụ, nhấc khay chứa thức uống và đặt nó ở bàn khách hàng thì cần có tín hiệu điều khiển, sau đó robot sẽ thực hiện việc dò đường, sao cho robot đi theo 1 vạch thẳng màu trắng trên một nền màu đậm(đen,xanh,…)

Có 6 cảm biến quang được đặt ở phía trước robot và hướng các cảm biến xuống mặt sân

ta có 9 trạng thái của robot như hình 2.2

• Trạng thái giữa vạch, khi cảm biến số 3,4 nằm trên vạch trắng (giữa vạch) robot chạy đúng đường, trong trường hợp này ta điều khiển 2 động cơ trái và phải chạy cùng mộ tốc

độ

• Khi robot lệch sang trái: quay phải để điều chỉnh robot về đúng vạch

• Khi robot lệch sang phải: quay trái để điều chỉnh robot về đúng vạch

Hình 2 2 Các mức độ lệch khỏi line của robot

Đối với chương trình dò đường đơn giản, khi robot lệch trái hoặc lệch phải, robot sẽ quay phải hoặc quay trái để điều chỉnh cho dù lệch ít hay lệch nhiều

Như vậy, trong quá trình di chuyển, robot sẽ mất ổn định Do đó, với các mức độ lệch ra khỏi vạch trắng khác nhau, ta điều chỉnh tốc độ 2 bánh trái hoặc phải cho phù hợp, để quá trình di chuyển theo vạch của robot được ổn định hơn

Mô hình hệ thống là tập hợp của các bộ phận như:

- Robot di động tiếp nhận và vận chuyển thức uống đến thực khách

- Bộ phận cấp ly từ quầy

- Bộ phận tiếp nhận thức uống

- Các đường line giúp robot nhận diện được đường đi

2.2 Các phương án lựa chọn, thiết kế cho bộ phận cấp ly

Hình 2 4 Sushi băng chuyền sushi

Do băng tải dùng cho hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong mô hình đồ

án đã lựa chọn loại băng tải dây đai để mô phỏng cho hệ thống với những lý do sau:

- Tải trọng băng tải không quá lớn

- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp

- Dễ dàng thiết kế, chế tạo

- Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải

Tuy nhiên các loại băng tải này có một vài nhược điểm như: độ chính xác khi vận chuyển không cao, đôi lức băng tải hoạt động không ổn định do những yếu tố như nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua thời gian,…

b) Phương án 2: Dùng mâm xoay

Các băng tải sử dụng bộ truyền đai để truyền chuyển động từ động cơ đến trục băng tải

Ưu điểm của cơ cấu này là bộ phận truyền động đơn giản, dễ chế tạo, sản phẩm di chuyển liên tục

Nhược điểm: đối với mô hình này, khi dùng cho nhiều loại thức uống thì việc nhận biết các loại thức uống trở nên khó khăn Cơ cấu cồng kềnh, chiếm không gian lớn

*Kết luận chọn phương án:

Dựa trên kết quả phân tích ưu nhược điểm ở trên, ta thấy phương án thứ nhất hợp lí hơn

về mặt bố trí không gian và kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

Vậy, hệ thống cấp sản phẩm sử dụng 2 băng tải đặt thẳng hàng với nhau và ở giữa là bàn để chứa sản phẩm

Hệ thống tự động điều khiển với vi điều khiên, sử dụng cảm biến quang để phát hiện sản phẩm

Hình 2 6 Bộ truyền đai

2.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho băng tải

a) Phương án sử dụng bộ truyền đai

Truyền động đai thường được dùng để truyền dẫn giữa các trục tương đối xa nhau và yêu cầu làm việc êm

Cấu tạo của nó bao gồm puly và dây đai Dây đai có thể được làm bằng vải hoặc cao su Với phương án bố trí được chọn ở trên thì theo cách này sử dụng một bộ đai bố trí trực tiếp

để thực hiện chuyển động

* Ưu điểm và nhược điểm:

- Ưu điểm: Dễ chế tạo, giá thành rẻ, bộ truyền có kết cấu đơn giản, chuyển động của

bộ truyền rất êm

- Nhược điểm: Có sự trượt giữa dây đai và puly nên tỷ số truyền không ổn định Dây đai rất dễ bị đứt do thiếu tính bền Một nhược điểm nữa là do tính đàn hồi của dây đai nên khi tải trọng thay đổi ta khó kiểm soát được tốc độ một cách chính xác Cần một lực căng ban đầu lớn nhằm tạo ma sát trên bánh và dây đai

Hình 2 7 Bộ tuyền xích

* Ưu điểm:

- So với bộ truyền đai thì bộ truyền xích có kích thước nhỏ gọn hơn, khi làm việc không

có trượt, hiệu suất khá cao khi chăm sóc tốt, lực tác dụng lên trục nhỏ do không cần lực căng ban đầu

- Nó có thể truyền momen xoắn và chuyển động đến 1 số trục cách nhau tương đối xa, lợi dụng đặc điểm này khi cơ cấu trượt cần hành trình tương đối dài

- Hiệu suất cao hơn so với truyền đai, kết cấu nhỏ gọn Lực tác dụng lên trục bộ truyền xích nhỏ hơn so với trong bộ truyền đai Khả năng tải lớn

* Nhược điểm: Có nhiều tiếng ồn khi làm việc do va đập khi vào khớp, nhất là khi đĩa xích nhỏ và bước xích lớn

Trong hai phương án ở trên, tùy theo mục đích sử dụng các loại băng tải ở trên mà có thể sử dụng một trong hai phương án sao cho đem lại hiệu quả cao nhất

2.2.3 Các phương án đưa thức uống ra khay của robot

a) Phương án 1: Dùng cánh tay robot

Hình 2 8 Hình vẽ mô phỏng cánh tay robot gắp sản phẩm

Ở phương án này thì ta dùng 1 cánh tay robot được bố trí như hình Hệ thống gồm có động cơ, băng tải, cảm biến, một cánh tay robot (dùng các cơ cấu như xylanh, động cơ, cảm biến) và bộ vi điều khiển Các sản phẩm được di chuyển trên băng tải sau khi qua bộ phận

xử lí như cảm biến phát hiện sản phẩm sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển để cánh tay robot hoạt động gắp sản phẩm đó ra Cảm biến cho phép dừng chính xác vị trí của sản phẩm để cho cánh tay robot hoạt động chính xác

+ Ưu điểm:

- Hoạt động chính xác, nhanh chóng

- Phân loại được nhiều sản phẩm

- Ứng dụng linh hoạt trong các hệ thống khác nhau

+ Nhược điểm: Hệ thống xi-lanh khí nén khá rườm rà, kết cấu phức tạp Dễ sai sót trong quá trình hoạt động vì phải xác định chính xác vị trí của cánh tay và vị trí của ly đựng thức uống Việc gắp ly đựng thức uống khó khăn đòi hỏi phải thiết kế ly riêng để thuận tiện cho việc gắp, dễ đổ thức uống

b) Phương án 2: sử dụng cơ cấu đẩy

Hình 2 9 Hình vẽ mô phỏng cơ cấu đẩy sản phẩm

Ở phương án này ta dùng 1 động cơ bước có cơ cấu vít me - đai ốc như hình, cơ cấu vít me đai ốc được dùng để đẩy các ly đựng thức uống từ các băng tải vào khay của robot, các băng tải được chuyển động nhờ bộ phận truyền đai từ động cơ

+ Ưu điểm: Hệ thống này hoạt động linh hoạt, nhẹ nhàng, cơ cấu gọn nhẹ,dễ điều khiển + Nhược điểm: vì là hệ thống đẩy nên có khả năng gây đổ ly trong quá trình đẩy của cơ cấu vít-me

Kết luận chọn phương án:

Phương pháp 2 hợp lý hơn về mặt bố trí không gian và kết cấu các thành phần trong hệ thống

Vậy hệ thống cấp ly tự động cho robot thì ta dùng cơ cấu vít-me đại ốc được đặt ở giữa và

2 băng tải cấp 2 loại thức uống khác nhau được đặt đối diện nhau

Hệ thống sử dụng cảm biến quang ( cảm biến laze) để phát hiện ly trên băng tải, cần gạt sử dụng động cơ servo để gạt ly vào vị trí thích hợp

2.3 Các phương án lựa chọn, thiết kế các bộ phận cho robot

2.3.1 Lựa chọn cơ cấu di chuyển cho robot

a) Di chuyển bằng bánh xe

Bánh xe là phương pháp phổ biến nhất cung cấp khả năng di chueyenr cho một robot, được

sử dụng với nhiều kích thước và nền tảng robot khác nhau Thông thường chúng được sử dụng với loại bánh xe cỡ nhỏ, cỡ 5 cm trở lại với 3 bánh xe/robot, một bánh lái và hai bánh

di chuyển Loại phức tạp hơn có thể sử dụng con quay hồi chuyển

Ưu điểm:

- Chi phí thường thấp hơn so với phương pháp khác

- Đơn giản trong việc thiết kế và chế tạo

Ưu điểm:

- Tiếp xúc bề mặt lớn, giảm khả năng trượt

- Phân bố trọng lượng đều, hoạt động linh hoạt trong nhiều loại bề mặt khác nhau

- Tăng đáng kể không gian sử dụng của robot

Nhược điểm:

- Gây tổn hại bề mặt khi di chuyển

- Ổ xích hạn chế đáng kể số lượng động cơ có thể sử dụng

- Tính phức tạp cơ khí tăng

Từ những phương án trên, theo yêu cầu của đồ án nhóm đã quyết định lựa chọn phương án

di chuyển bằng bánh xe với 1 bánh lái và 2 bánh di chuyển

2.3.2 Lựa chọn cơ cấu đưa sản phẩm ra bàn

Cũng giống như việc đưa thức uống đến khay robot, ta chọn cơ cấu đẩy sử dụng vít me –đai ốc như phương án đẩy thức uống đến khay robot

Cơ cấu vít me - đai ốc:

Trong máy công cụ điều khiển số công nghiệp, người ta thường sử dụng 2 dạng vít me – đai ốc đó là vít me – đai ốc với mặt tiếp xúc còn được gọi là vít me đai ốc thường (như đã giới thiệu ở trên) và một dạng nữa đó là vít me – đai ốc bi Đây là dạng vit me – đai ốc thay

vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho đai ốc chuyển động

Hình 2 10 Vít me đai ốc bi Trên đây là kết cấu bộ truyền vít me – đai ốc bi Tuy có kết cấu đa dạng nhưng các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me, đai ốc, các viên bi và rãnh hồi bi

Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là dạng profin răng vít me và đai ốc Profin răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo dễ dàng hơn cả song khả năng chịu tải kém Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế tạo profin dạng tròn

Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền đó là kết cấu của rãnh hồi bi Rãnh

hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp

Với các đặc điểm như đã phân tích ở trên, ta chọn cơ cấu vít me đai ốc để đưa thức uống

ra bàn Cơ cấu vít me đai ốc được bố trí tiếp xúc với khay chứa thức uống

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG

3.1 Robot

Đặt vấn đề

Để robot có thể thực hiên công việc phục vụ nước, ta giả định có sơ đồ mặt bằng được thiết kế như hình 3.1, kích thước khoảng cách từ quỹ đạo di chuyển đến bàn phục vụ là 250mm, kích thước của bàn (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) là 350 x 300 x 500 mm Yêu cầu đặt ra cho robot là di chuyển đến vị trí yêu cầu và thực hiện việc lấy thức uống sau đó di chuyển bám theo đường vạch màu trắng được bố trí trên nền sân màu tối đến vị trí đã được lập trình sẵn, đặt thức uống ra bàn, sau đó chạy về vị trí chờ của robot để thực hiện nhiệm vụ mới vì thế, vấn đề cần giải quyết ở chương này là :

Hình 3 1 Sơ đồ bố trí bàn và không gian làm việc của robot

• Tính toán động học của robot

• Lựa chọn kết cấu phù hợp, thiết kế phần đế cho robot để có thể di chuyển đến vị trí yêu cầu

• Thiết kế phần cơ cấu cánh tay robot đảm bảo độ cứng vững để trong quá trình di chuyển không làm đổ thức uống

• Lựa chọn cơ cấu đặt thức uống lên bàn, cơ cấu nhận thức uống từ quầy…

Tất cả các cơ cấu trên sau khi tiến hành xong sẽ được lắp ghép lại thành một hệ thống

để có thể thực hiện công việc đã được lập trình

3.1.1 Động học của robot di chuyển bằng bánh xe

Động học là nghiên cứu cơ bản nhất để tìm hiểu quá trình hoạt động của hệ thống cơ khí., trong lĩnh vực mobile robot, chúng ta cần tìm hiểu đặc tính cơ của robot để thiết kế sao cho phù hợp với các nhiệm vụ đặt ra, ngoài việc tìm hiểu đặc tính cơ của robot giúp

ta xác định được phương pháp thiết kế phần mềm điều khiển sao cho phù hợp với từng phần cứng của robot

Mobile robot là một thiết bị tự động độc lập, nó hoàn toàn cs thể tự do di chuyển trong môi trường hoạt động Không có phương pháp nào giúp ta đo vị trí tức thời của mobile robot Thông thường để xác định vị trí của mobile robot, người ta phải tích hợp chuyển động của robot theo thời gian Ngoài ra, quá trình trượt của bánh xe khi chuyển động còn

là nguyên nhân khiến cho quá trình đánh giá, ước lượng chuyển động của robot giảm bớt

độ chính xác Vì vậy việc đo chính xác vị trí của mobile robot vẫn là lĩnh vực đầy thách thức

Theo các yếu tố trình bày ở trên, mobile robot là lĩnh vực khá rộng và đa dạng Tuy nhiên quá trình điều khiển robot chính là điều khiển các động cơ Trong đồ án này chúng

em sẽ tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển mô hình mobile robot kết hợp với cơ cấu tay máy, trong đó mobile robot là một xe tự hành có 3 bánh, với 2 bánh sau là 2 bánh chủ động và được điều khiển bởi 2 động cơ độc lập, một bánh lái đa hướng ở phía trước Coi bánh xe di chuyển trên mặt phẳng là lăn không trượt, vận tốc của robot là tốc độ của trung điểm khoảng cách giữa 2 bánh xe sau

Hình 3 2 Phân tích động học của robot di chuyển theo quỹ đạo cho trước

Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng di chuyển theo quỹ đạo cho trước,

ta xây dựng mối quan hệ giữa tọa độ tham chiếu toàn cục của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của robot như hình 2.1 Các trục x, y xác định tọa độ của điểm bất kỳ trong hệ tọa độ toàn cục có gốc O (Oxyz) Điểm P là tâm dịch chuyển của robot, nó dùng

gắn liền với robot Như vậy vị trí điểm P trong hệ tọa độ tham chiếu toàn cục được xác định bởi tọa độ X, Y và góc lệch θ giữa hai hệ tọa độ toàn cục và cục bộ

- Các thông số hình học của robot bao gồm:

Vp: Vận tốc của robot tại điểm P

Vl: Vận tốc của bánh bên trái

θ: Góc quay của robot so với hệ tọa độ toàn cục

r: Bán kính của bánh xe của robot

L: Khoảng cách giữa 2 bánh xe

R: bán kính cong quỹ đạo cho trước của robot tới tâm vận tốc tức thời

ICC: trục quay của quỹ đạo cho trước và là tâm vận tốc tức thời

R - L/2: Bán kính mô tả quỹ đạo chuyển động cong của bánh bên trái

R + L/2: Bán kính mô tả quỹ đạo chuyển động cong của bánh bên phải

Để điều khiển phần đế di động của robot thực hiện công việc phục vụ di chuyển theo quỹ đạo cho trước, ta có 2 loại chuyển động:

- Chuyển động thẳng

- Chuyển động vòng theo quỹ đạo với bán kính cho trước

* Chuyển động quẹo trái

* Chuyển động quẹo phải

Ta thiết lập số vòng quay cho 2 bánh lái trong từng trường hợp cụ thể như sau:

- Đối với chuyển động thẳng, ta điều chỉnh số vòng quay của 2 động cơ bên trái và bên phải bằng nhau

- Đối với chuyển động vòng, theo quỹ đạo với bán khính cho trước ta có mối quan hệ vận tốc của 2 bánh trái và phải như sau:

L= 250 mm

r = 50 mm

Giả định cho robot chuyển động theo quỹ đạo cho trước với bán kính cong R = 375 mm

Thay các giá trị trên vào (3) ta được:

n = r 15 w / 2 375 125 250 1

l r

Chọn cấp độ chuyển động quay vòng cho robot

Bảng 3 1 Thông số điều khiển số vòng quay của bánh xe trái và phải

Hình 3 3 Đế di động của robot

* Tính toán chọn động cơ cho bộ phận di chuyển của robot

Ta có : vận tốc để xe di chuyển là : v = 0,5 m/s

Tổng khối lượng của xe: m = 2kg

Khi xe chuyển động thẳng đều, ta có:

Hệ thống dẫn động ở đây là động cơ bước DC 5V, còn cơ cấu truyền động bằng vít me – đai ốc vì chúng có những ưu điểm phù hợp với yêu cầu đặt ra

- Bộ truyền vít me – đai ốc có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp, có kích thước nhỏ gọn, đồng thời có tính tự hãm tốt

- Có khả năng tải cao, làm việc tin cậy, không gây tiếng ồn