Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot vận chuyển trong xưởng cơ khí chế tạo

Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu, một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot di động

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên cứu nào đã công bố, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và tuân thủ kết luận đánh giá luận văn của Hội đồng khoa học

Hà Nội, ngày 14 tháng 07 năm 2018

Người cam đoan

Nguyễn Quang Minh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy hướng dẫn khoa học TS Lê Ngọc Huẩn, đã dành rất nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Trân trọng cảm ơn lãnh đạo nhà trường, phòng sau Đại học, khoa Cơ điện và Công trình trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu của mình

Trân trọng cảm ơn lãnh đạo trường Cao đẳng nghề Vĩnh Long đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học và luận văn tốt nghiệp này

Trân trọng cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong suốt quá trình làm và hoàn chỉnh luận văn

Hà Nội, ngày 14 tháng 07 năm 2018

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Minh

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN NHẬN XÉT

Của người hướng dẫn luận văn thạc sĩ

Họ và tên người hướng dẫn: TS LÊ NGỌC HUẨN

Họ và tên học viên: NGUYỄN QUANG MINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Khóa học: 2016 - 2018

Nội dung nhận xét

1 Tinh thần, thái độ làm việc, ý thức tổ chức kỹ luật:

- Học viên Nguyễn Quang Minh có ý thức làm việc tốt trong suốt quá trình thực hiện đề tài

2 Về năng lực và trình độ chuyên môn:

- Học viên có đủ năng lực và trình độ chuyên môn để hoàn tất đề tài theo các yêu cầu của người hướng dẫn

3 Về quá trình thực hiện đề tài và kết quả của luận văn:

- Học viên đã hoàn thành đề tài và có kết quả đáp ứng đủ yêu cầu của người hướng dẫn

4 Đồng ý cho học viên bảo vệ luận văn trước Hội đồng: Có Không

Hà Nội, ngày 17 tháng 05 năm 2018

Người hướng dẫn khoa học

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

NHẬN XÉT CỦA GVHD ………3

MỤC LỤC iv

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 1

2 Phạm vi nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Khái quát 3

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Robot 4

1.1.2 Phân loại mobile robot 10

1.1.2.2 Căn cứ theo môi trường hoạt động 14

1.1.2.3 Theo dạng điều khiển mobile robot 14

1.2 Tổng quan về tình hình 15

1.3 Tổng quan nghiên cứu về Robot 18

1.4 Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu giải quyết 20

Chương 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 22

2.1 Cơ sở lý thuyết động học mobile robot 22

2.1.1 Khái niệm 22

2.1.2 Mô hình bánh xe robot 23

2.1.3 Mô hình động học robot 27

2.2 Thiết kế phần thân robot 29

2.2.1 Yêu cầu chung 29

2.2.2 Phương án thiết kế 30

2.2.3 Bản vẽ thiết kế xe robot 35

2.2.3.1 Phần đế 35

2.2.3.2 Phần thân trên 35

2.2.3.3 Phần hông 36

2.2.3.4 Gối đỡ trụ 38

2.2.3.5 Đồ gá động cơ 38

2.2.3.6 Trụ đồ gá chở hàng 39

2.2.3.7 Tấm để hàng 39

2.3 Tính toán và chọn động cơ 40

2.3.1 Tính toán kích thước trục chính 40

2.3.2 Tính toán chọn động cơ 41

2.4 Các thiết bị điều khiển robot 43

2.4.1 Mạch điều khiển 43

2.4.1.2 Mạch công suất 45

2.4.1.3 Khối nguồn 46

2.4.2 Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển 48

2.4.3 Phương thức truyền nhận dữ liệu 48

2.4.4 Cảm biến 54

2.4.4.1 Cảm biến vật cản 54

2.4.4.2 Cảm biến dò line 55

Chương 3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT 57

3.1 Ngôn ngữ lập trình 57

3.1.1 Phần mềm Arduino IDE 57

3.1.2 Phần mềm Android studio 65

3.2 Sơ đồ giải thuật điều khiển 81

3.3 Giao diện điều khiển và cách sử dụng 81

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 84

4.1 Thiết kế phần cứng của robot 84

4.1.1 Lắp ráp hệ thống ……… .84

4.1.2 Đánh giá thực nghiệm ……… 84

4.2 Điều khiển robot theo đường dẫn 85

4.2.1 Sơ đồ đường dẫn ……… 85

4.2.2 Đánh giá thực nghiệm ……… … 88

4.3 Điều khiển robot từ xa khi có tín hiệu từ smartphone 89

4.3.1 Điều khiển robot ở chế độ chạy bằng tay ……….……… .89

4.3.2 Đánh giá thực nghiệm ……… ….90

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

5.1.Kết luận 91

5.2.Các hạn chế của đề tài 91

5.3.Kiến nghị 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Oxy Hệ tọa độ quy chiếu cố định

R Khoảng cách từ tâm robot tới tâm vận tốc tức thời

ICC Tâm vận tốc tức thời

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.3 Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành[16] 35

2.31 Sơ đồ phương pháp truyền thông song song 60

3.1 Biểu tượng hai phần mềm được cài trên máy tính 68

3.4 Chọn biểu mẫu ứng dụng chạy 78

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh tạo ra nhiểu sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người trong mọi lĩnh vực Các công nghệ mới luôn thu hút được sự quan tâm, chú ý của nhiều người Đặc biệt là công nghệ chế tạo robot

Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công nghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm tăng năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng

có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Không gian làm việccủa chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau

Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng

có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau

Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu, một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot di động là làm thế nào để robot biết được vị trí nó

đang đứng và có thể di chuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi

Ở Việt Nam hiện nay việc sử dụng robot trong các nhà máy xí nghiệp hiện nay đang được xem như là một nhu cầu rất cấp thiết khi ngành sản xuất công nghiệp Việt Nam đang nhanh chóng hiện đại hóa và tự động hóa các quy trình sản xuất của mình nhằm tăng năng suất, nâng cao chất lượng để cạnh tranh trên quy mô toàn cầu Việc triển khai nghiên cứu về công nghệ xe robot là phù hợp với xu thế này Nhu cầu xe robot vận chuyển sản phẩm và hàng hóa trong các nhà máy xí nghiệp tại Việt Nam là một nhu cầu có thật, và khá bức thiết

Với các nhu cầu thực tế như trên, học viên chọn và thực hiện đề tài“

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot vận chuyển trong xưởng cơ khí chế tạo”

2 Phạm vi nghiên cứu

Do thời gian nghiên cứu có hạn, trong đề tài này chỉ giới hạn các nội dung sau:

- Nghiên cứu tính toán chế tạo robot chở được tối đa 10Kg

- Thiết kế phần khung cơ khí

- Lựa chọn các linh kiện điện tử, nguồn điện lắp đặt cho robot

- Nghiên cứu phương thức truyển tải dữ liệu tối ưu giữa robot và laptop hoặc smart phone

- Lập trình cho robot hoạt động theo ý muốn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát

Khái niệm chung về robot theo nghĩa chung thường được hiểu đồng nghĩa với khái niệm tự động hóa công nghiệp, điều này chỉ đúng một phần bởi robot chỉ là một thành phần trong quá trình tự động hóa, hơn nữa việc trình bày , miêu

tả robot trong sinh hoạt xã hội ít nhiều phóng đại

Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở kịch “ Rossum’s Univerersal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen Chapek, còn từ robot là cách gọi khác của từ Robota theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Khi đó, Karen Chapek cho rằng robot là những người máy có thể làm việc nhưng không có khả năng suy nghĩ Một loại máy có thể làm thay công việc của con người tạo ra hiệu quả lao động rất cao

và giảm rất nhiều chi phí không cần thiết.[1]

Trong công nghiệp ngày nay, tay máy (manipulator) là ngành công nghiệp

mang lại hàng tỷ USD, tay máy có thể làm việc với tốc độ và độ chính xác cao trong những công việc đòi hỏi độ chính xác cao và thao tác nhanh như điện tử, chế tạo và lắp ráp các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính Tuy nhiên, tay máy có một nhươc điểm là không thể di chuyển trong không gian mà được gắn cố định, để khắc phục nhược điểm lớn này mà không làm mất công dụng, hướng nghiên cứu về loại robot có khả năng di chuyển được gọi là mobile

robot (robot di động)

Mobile robot là một loại máy tự động mà có khả năng di chuyển trong một môi trường nhất định Robot di động có khả năng di chuyển xung quanh môi trường của chúng và không cố định với một môi trường vật lý nào Robot di động tập trung với số lượng lớn các nghiên cứu hiện nay và hầu hết các trường đại học lớn đều có một hoặc nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu các robot này

Robot tự hành cũng được ứng dụng trong công nghiệp như các xe AVG, quân

sự và an ninh quốc phòng

Chúng cũng xuất hiện như những sản phẩm dành cho ngành giải trí hoặc thực hiện những nhiệm vụ nhất định trong cuộc sống hàng ngày như hút bụi hay cắt cỏ

Đa số các Robot ngay nay được sử dụng trong các nhà máy để chế tạo những sản phẩm như xe hơi và điện tử, máy móc công nghiệp Những loại khác được dùng trong các công việc nghiên cứu, thám hiểm mặt đất, đại dương và trên các hành tinh khác

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Robot

Sự ra đời của Robot gắn liền với sự phát triển của công nghiệp, khi nền công nghiệp phát triển, đòi hỏi một đội ngũ lao động dồi dào để đảm bảo cho việc sản xuất hàng hoá Tuy nhiên, nền công nghiệp phát triển rất mạnh trong khi đó lực lượng lao động không thể tăng lên mãi, nên không thể đáp ứng đủ cho nhu cầu sản xuất

Trước thực trạng này, người ta đã nghiên cứu và chế taọ ra các máy móc

để thay thế cho lực lượng lao động con người, tuy vậy cũng cần có lực lượng lao động con người để điều khiển máy móc Có những công việc lặp đi lặp lại rất nhàm chán, nhưng lại đòi hỏi độ chính xác cao Để khắc phục tình trạng này, máy móc đã được cải tiến dần dần để có thể tự động thực hiện tốt hơn một số công việc, quá trình cải tiến máy móc theo hướng tự động hoá đã dẫn đến sự ra đời của robot công nghiệp

Các thành tựu khoa học công nghệ đã dần dần làm cho chi phí lao động khi dùng robot được hạ thấp dần, trong khi đó chi phí lao động cho con người không ngừng tăng lên, điều này đã dẫn đến việc Robot được áp dụng rộng rãi trong sản xuất và các ứng dụng khác

Hình dạng robot đầu tiên xuất hiện ở Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dùng trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 thế kỷ trước, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thuỷ lực điện 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 di động có thể di chuyển từ không gian này tới không gian khác một cách độc lập hay có điều khiển từ xa, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn

- Từ năm 1939 đến 1945 trong cuộc chiến tranh thế giới lần thứ II, những robot di động đầu tiên được xuất hiện Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính

và điều khiển học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định sử dụng hệ thống hướng dẫn

và rađa điều khiển Tên lửa V1 và V2 có “phi công tự động” và hệ thống phát

nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại

- Từ năm 1948 đến 1949 W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai robot

tự động trông giống con đồi mồi về mặt hành chính, chúng được gọi là Machina Speculatrix bởi vì những robot này hoạt động trong môi trường như những chú chim đồi mồi Elmer và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sang Nếu chúng nhận ra một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía đó Chúng có thể tránh hoặc chuyển những chướng ngại trên đường di chuyển của chúng Những robot này chứng minh rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản Elmer và Elsie chỉ được thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh

- Từ năm 1961 đến 1963 trường Đại học Johns Hopkins phát triển ‘Beast’ Beast sử dụng hệ thống định vị để chuyển động xung quanh Khi pin yếu , nó

sẽ tự tìm ổ cắm điện và cắm vào

- Từ 1969 đến năm 1970 Mowbot là robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách

tự động The Stanford Cart line follower là robot di động có thể di chuyển thông qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn Nó bao gồm một cảm biến gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính toán.Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng và nghiên cứu ra Shakey Shakey có một camera, một dãy kính gắm, một bộ cảm biến và một bộ phận truyền thanh Shakey là robot đầu tiên có thể lý giải về những chuyển động của nó Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa cho nhiều lệnh chung và robot này sẽ tính toán những bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ được giao

Hình 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9]

Hình 1.2 Robot Shakey[11]

- Năm 1977 bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope

mô tả R2D2 (một robot di động hoạt động độc lập) và C3P0 (một robot hình người) Họ đã khiến công chúng biết đến những robot

- Năm 1980 thị hiếu của người tiêu dùng về robot tăng, robot được bày bán để sử dụng trong nhà Ví dụ , RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loạt mẫu robot HERO Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó có thể lái tàu biển vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua

Hình 1.3 Robot RB5X[10]

- Năm 1990 cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với các đồng nghiệp và đã phát minh ra những robot tự động trong ngành

y tế và được bán bởi Helpmate Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ trong nhà Cybermotion

- Năm 1993-1994 Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học Carnegie Mellon, cả hai là robot dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt động

Hình 1.4 Robot Dante II[10]

- Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (người tiên phong) được bán sẵn ở một mức giá chấp nhận được,điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về nghiên cứu robot và các trường đại học nghiên cứu về robot trong suốt các thập sau Robot di động trở thành một phần không thể thiếu trong chương trình giảng dạy của các trường đại học

Hình 1.5 Robot Pioneer[9]

- Năm 1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 robot Rover

và Sojourner lên sao Hoả

Hình 1.6 Robot Sojourner[9]

- Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một robot có khả năng đi lại, quan sát Robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBot cũng được giới thiệu

Hình 1.7 Robot Abio[10] Hình 1.8 Robot PackBot[10]

- Năm 2001: Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng được khởi động Chúng bao gồm một số lượng lớn các robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp

- Năm 2002: Roomba, một robot di động dùng trong gia đình, thực hiện việc lau nhà được xuất hiện

Hình 1.9 Robot Roomba[11]

- Năm 2004: Robosapien, một robot đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden được bán sẵn Trong dự án “The Centibots Project” 100 robot cùng làm việc với nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng không xác định và tìm những vật thể trong môi trường đó Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge, các robot tự động đã cùng nhau tranh tài cùng nhau trên sa mạc

- Năm 2007: Hệ thống KiVa, robot thông minh tăng nhanh về số lượng trong quy trình phân phối, những robot thông minh này được phân loại theo mức độ phổ biến những nội dung của chúng Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến trong các bệnh viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác ARCSinside Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm Seekur, robot dịch vụ dùng ngoài trời với mục đích phi quân

sự có thể kéo một xe qua một bãi đậu xe, lái một cách độc lập (tự động) vào trong nhà và bắt đầu học cách lái ra ngoài Trong khi đó, PatrolBot học cách theo sau con người và nếu cửa mà mở thì đóng lại

1.1.2 Phân loại mobile robot

Tùy từng trường hợp cụ thể ta có thể phân loại mobile robot như sau:

1.1.2.1 Căn cứ theo dạng di chuyển

- Chuyển động bằng chân: ( Legged mobile robot )

Hình 1.10 Robot 2 chân, 4 chân , 6 chân[11]

Mobile robot chuyển động bằng chân là loại robot có những chuyển động hết sức phức tạp bằng cách rời rạc hóa việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm, việc chuyển động như vậy làm cho loại robot này có ưu thế trên địa hình phức tạp, gồ ghề và không kiên tục Đồng thời, bằng cách thay đổi chiều dài các chân cho phù hợp với môi trường loại robot này di chuyển rất “êm” Tùy thuộc vào

số chân mà người ta phân chia thành các loại robot một chân, hai chân (biped),

bốn chân (quadruped), sáu chân (hexpod) Tuy nhiên nhược điểm của loại robot này là khó chế tạo và điền khiển

- Chuyển động bằng xích: (Tracked mobile robot)

Loại robot này chuyển bằng các bánh có lắp các bánh xích như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển trên các đia hình phức tạp Để đổi hướng, nó thay đổi tốc độ quay của hai bánh xích chủ động Tuy nhiên do chuyển động bằng xích nên khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện tượng trượt do đó khó điều khiển di chuyển chính xác Một vấn đề nữa là loại robot này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt là khi đổi hướng Tùy theo số nhánh xích mà người ta phân loại thành robot 2 nhánh xích, 4 nhánh xích, 6 nhánh xích, 8 nhánh xích Loại robot này rất phổ biến trong công tác cứu hộ

Hình 1.11 Robot 4 nhánh xích[11]

- Chuyển động bằng bánh xe: (Wheels mobile robot)

Là loại robot dùng bánh xe để di chuyển Phần lớn mobile robot dùng bánh xe để di chuyển do bánh xe dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh

hơn bánh xích hay chân Tuy nhiên mobile robot chuyển động bằng bánh chỉ phù hợp với địa hình phẳng, nhẵn và cứng Tùy theo số bánh người ta phân chia thành các loại robot 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh, 6 bánh Các loại robot này phù hợp với điều kiện nghiên cứu chế tạo của nước ta với chi phí chế tạo không quá cao

Hình 1.12 Mobile robot Curiosity của NASA[9]

Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì khả năng di chuyển ngày càng phức tạp hơn Các chuyển động không còn đơn giản là bánh xe, xích hay chân nữa mà có những robot được phối hợp chuyển động của cả bánh xe , xích và chân Các robot loại này được điều khiển hết sức phức tạp, công nghệ chế tạo hết sức tinh vi đòi hỏi sự chính xác cao, các chuyển động khớp cũng mền dẻo hơn Các robot loại này thường được ứng dụng trong việc vượt các chướng ngại vật hay di chuyển trong các địa hình hết sức phức tạp Chúng được gắn các sensor tự hành nhằm tự xử lý các sự cố xảy ra trên đường đi

1.1.2.2 Căn cứ theo môi trường hoạt động

Robot mặt đất và robot trong nhà: thông thường chúng được lắp bánh xe nhưng cũng có loại robot có chân như robot phỏng sinh dạng người, động vật, côn trùng

- Robot trên không thường dùng cho các phương tiện trên không, phương tiện không người lái

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

1.1.2.3 Theo dạng điều khiển mobile robot

- Điều khiển từ xa bằng tay

Một robot điều khiển từ xa bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển hoặc những thiết bị điều khiển khác Thiết bị điều khiển có thể được gắn trực tiếp 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 Ví dụ robot điều khiển từ xa bằng tay gồm có: Foster-Miller’s Talon và iRobot’s PackBot

- Điều khiển từ xa tự bảo vệ

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 robot chỉ dùng đơn lẻ bộ điều khiển từ xa tự bảo vệ

- Robot theo lộ trình

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 cảm biển 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 ngẫu nhiên hoạt động độc lập

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 như máy cắt cỏ Friendly Robotics

- Robot chỉ dẫn độc lập

Một robot được chỉ dẫn độc lập biết ít nhất một vài thông tin về nơi nó đang đứng và lập kế hoạch đường đi của nó cho rất nhiều đích đến hoặc những điểm dọc đường Nó có thể thu thập thông tin vào bộ cảm biến là thời gian và địa điểm được ghi lại Ví dụ robot thám hiểm hoặc cứu hộ nó có thể biết chính xác khi nào và ở đâu mức độ phóng xạ vượt quá mức cho phép Những robot này thường là một phần của mạng lưới không dây, nối với những hệ thông cảm biến và điều khiển khác

1.2 Tổng quan về tình hình

Cuộc sống ngày càng văn minh hiện đại, mức sống của người dân ngày càng được nâng cao, đòi hỏi phải nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm Vì vậy càng phải ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá vào sản xuất nên càng tăng nhanh nhu cầu về ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động và linh hoạt

Robot có những đặc điểm nổi trội đó là:

- Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt mỏi nên chất lượng sản phẩm được giữ ổn định Giá thành sản phẩm hạ do giảm được chi phí cho người lao động Ở nước ta trong những năm gần đây ở nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương bổng cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong giá thành sản phẩm, càng cần phải ứng dụng công nghệ robot vào dây chuyền sản xuất

- Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để cải thiện điều kiện lao động vì trong thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt,ồn ào quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người

- Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần lưu ý

và phân tích kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các nguyên công

và phù hợp với tình hình sản xuất của nhà máy Cần xét đến đầy đủ các chi phí phụ và hiệu quả mang lại cho toàn bộ hệ thống Khi xác định đưa robot vào hệ thống sản xuất thì cũng cần phải xét xem khả năng liệu robot có thay thế được hay không và có hiệu quả hơn không Vì trong thực tế sản xuất cho thấy xu hướng thay thế hoàn toàn bằng robot nhiều khi không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà cần phải có sự khéo léo của con người

- Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất Mà trong đó kĩ thuật robot và máy vi tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt Vì vậy trong những năm gần đây không những chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất

đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất linh hoạt

- So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đã có những bước phát triển vượt bậc Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỉ trước, với sự góp mặt của máy tính Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những

cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các

bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu

từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot

- Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng Mặt khác chi phí về lương và các khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng tăng Robot ngày càng vạn năng hơn để

có thể làm được nhiều việc trên các dây chuyền

- Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền Công việc lại đòi hỏi phải cẩn thận, nhẹ nhàng tinh tế và chính xác Nên nếu là công nhân thì cần phải thợ có tay nghề cao và làm việc đơn điệu, căng thẳng Robot đã có mặt nhiều trên các công đoạn lắp ráp phức tạp do được thừa hưởng kĩ thuật cảm biến, kĩ thuật tin học với những ngôn ngữ lập trình bậc cao

- Robot tự hành cũng sẽ phát triển mạnh trong tương lai, có thể đi được bằng chân để thích hợp với mọi địa hình ví dụ như có thể tự leo bậc thang Việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí vừa bền vững, nhẹ nhàng chính xác và linh hoạt như chân tay người là đối tượng nghiên cứu chủ yếu

Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo và đưa vào ứng dụng trong công nghiệp Cải tiến và bổ xung các modul cảm biến và các modul phần mềm phù hợp có thể cải tiến và thông minh hoá nhiều loại robot Điều quan trọng là các cơ cấu chấp hành của robot phải hoạt động chính xác

Việc sử dụng robot trong các nhà máy xí nghiệp hiện nay đang được xem như là một nhu cầu rất cấp thiết khi ngành sản xuất công nghiệp Việt Nam đang nhanh chóng hiện đại hóa và tự động hóa các quy trình sản xuất của mình nhằm tăng năng suất, nâng cao chất lượng để cạnh tranh trên quy mô toàn cầu Việt Nam hiện vẫn đang có lợi thế về nguồn nhân lực giá rẻ, tuy nhiên trong bối cảnh thế giới đang hướng đến cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, điều này

sẽ nhanh chóng thay đổi Robotics là công nghệ chủ đạo của cuộc cách mạng

công nghiệp lần 4, cùng với IOT Việc triển khai nghiên cứu về công nghệ xe robot là phù hợp với xu thế này Nhu cầu xe robot vận chuyển sản phẩm và hàng hóa trong các nhà máy xí nghiệp tại Việt Nam là một nhu cầu có thật, và khá bức thiết Nhiều doanh nghiệp đã và đang tiếp tục đề cập đến khả năng áp dụng ứng dụng này tại cơ sở của họ

1.3 Tổng quan nghiên cứu về Robot

Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng

có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc ngoài

vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu

Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra Vấn đề đầu tiên là

di chuyển, Robot tự hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào

là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo Robot tự hành Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot tự hành có hai hướng nghiên cứu khác nhau:

- Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng

ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ở mối trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài Loại robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao,

dải đo lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp

- Loại thứ hai: nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng để hoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot tự hành này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản

Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành thường không giống như các loại robot khác Để có thể điều hướng cho Robot tự hành, quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến Robot tự hành phải

có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định

Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm: khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động

Robot tự hành (Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngành Robot học Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của

nó trong công nghiệp và sinh hoạt Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và

có thể di chuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi Vì vậy, việc chế tạo thành công đề tài này

sẽ mở ra một hướng tiếp cận mới và góp phần thúc đẩy việc ứng dụng của robot ngày càng nhiều vào trong đời sống hằng ngày và trong nghiên cứu chế tạo Robot thường có 3 phần chính:

- Bộ não (Brain): Thường là một máy tính, vi xử lý hoặc vi điều khiển

- Các bộ phận cơ khí và chấp hành (Actuator): Động cơ, piston, cơ cấu kẹp, bánh răng, bánh xe

- Cảm biến (Sensor): Thị giác, âm thanh, nhiệt độ, chuyển động, ánh sáng, xúc giác

Với 3 thành phần này, Robot có thể tương tác và tác động đến môi trường của chúng ta trở nên hữu dụng

1.4 Những vấn đề tồn tại cần nghiên cứu giải quyết

Như đã trình bày ở trên, chúng ta đã thấy được ứng dụng rộng rãi và sự phát triển của các loại mobile robot trong hơn nữa thế kỷ qua Có thể kể đến một số loại mobile robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles)

Ở Việt Nam hiện nay việc sử dụng robot trong các nhà máy xí nghiệp hiện nay đang được xem như là một nhu cầu rất cấp thiết khi ngành sản xuất công nghiệp Việt Nam đang nhanh chóng hiện đại hóa và tự động hóa các quy trình sản xuất của mình nhằm tăng năng suất, nâng cao chất lượng để cạnh tranh trên quy mô toàn cầu Việc triển khai nghiên cứu về công nghệ xe robot là phù hợp với xu thế này Nhu cầu xe robot vận chuyển sản phẩm và hàng hóa trong các nhà máy xí nghiệp tại Việt Nam là một nhu cầu có thật, và khá bức thiết Tỉnh Vĩnh Long hiện nay, theo tôi nhận thấy các công ty chưa nghiên cứu

và ứng dụng mobile robot đưa vào sử dụng trong phân xưởng, nhà máy, kho…

vì các lý do sau: chưa có các nghiên cứu và cung cấp các sản phẩm mobile

robot made in Việt Nam để tạo ra các sản phẩm thân thiện dễ sử dụng, sản phẩm nhập khẩu thì giá thành rất đắt so với lực lượng lao động còn dư thừa hiện nay

Để giải quyết những vấn đề còn tồn tại đó, tôi nghiên cứu đề tài này hy vọng

có thể giúp cho tỉnh nhà trong tương lai gần có thể hiện đại hóa công ty của họ với sản phẩm dễ sử dụng, thân thiện, bảo hành, sửa chữa dễ dàng và đặc biệt là giá thành hợp lý

Chương 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Cơ sở lý thuyết động học mobile robot

2.1.1 Khái niệm

Động học là nghiên cứu cơ bản nhất để tìm hiểu hoạt động của một hệ thống cơ khí, trong lĩnh vực mobile robot, cần phải tìm hiểu đặc tính cơ của robot để thiết kế sao cho phù hợp với các nhiệm vụ đặt ra Việc tìm hiểu đặc tính cũng giúp xác định được phương pháp thiết kế phần mềm điều khiển sao cho phù hợp với từng phần cứng của robot

Động học của một robot là cơ sở để xây dựng một robot có khả năng tự trị (Autonomous robot) Đây là một hướng phát triển của lĩnh vực robotic mà trọng tâm là nghiên cứu chuyển động của robot trong một không gian nhất định (không gian làm việc của robot) Việc điều khiển robot trong không gian làm việc của nó chính là việc điều khiển động cơ gắn trên robot cùng với hệ thống cảm biến, camera, GPS

Trong đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu chế tạo robot tự hành có 3 bánh, 2 động cơ độc lập được bố trí như hình 2.1

Hình 2.1 Phương án sơ đồ nguyên lý

2.1.2 Mô hình bánh xe robot

Mô hình bánh xe được lý tưởng hóa như hình 2.2 Bánh xe quay quanh trục của nó (trục YW ) Bánh xe chuyển động theo phương XW (trục X w ) Bỏ qua ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe so với mặt địa hình

Hình 2.2 Mô hình bánh xe được lý tưởng hóa[16]

Các thông số bánh xe:

r : Bán kính bánh xe

 : Vận tốc dài của bánh xe

: Vận tốc góc của bánh xe Động học là bài toán về chuyển động mà không xét tới sự tác động của lực tới chuyển động của robot, nó bao gồm các yếu tố hình học xác định vị trí của robot, thể hiện mối quan hệ giữa các thông số điều khiển và các thông số trạng thái của hệ thống trong không gian

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành 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 di chuyển bằng bánh là lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động, v.v

Các loại bánh xe cơ bản dùng cho 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 đông thời xung quanh trục bánh

xe, trục lăn và điểm tiếp xúc

Hình 2.3 Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành[17]

Sơ đồ sắp xếp bánh xe của robot tự hành 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh được liệt kê trong bảng 2.1 dưới đây:

Bảng 2.1 Sơ đồ bánh xe của mobile robot

ở phía sau và một bánh lái ở

phía trước

Hai bánh truyền động được nối với trục ở phía sau, một bánh lái ở phía trước Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trước vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái

3 bánh Swedisk được đặt ở các đỉnh của một tam giác đều, kết cấu này cho phép robot di chuyển theo đa

hướng

4

Hai bánh chủ động ở phía sau, hai bánh lái ở phía trước

Hai bánh phía trước vừa là bánh lái vừa là bánh chủ động

Hai bánh chuyển động vi sai

và thêm 2 điểm tiếp xúc

4 bánh vừa là truyền động vừa

2.1.3 Mô hình động học robot

Hình 2.4 Mô hình động học robot

Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng, ta xây dựng mối quan hệ giữa hệ tọa độ tham chiếu cố định của mặt phẳng và hệ tọa độ tham

chiếu vật của robot như hình 2.4 Các trục X 0 ,Y0 dùng để xác định tọa độ của

điểm bất kì trong hệ tọa độ cố định (X 0 O 0 Y 0) Điểm P coi là tâm dịch chuyển của robot (trung điểm của đường nối tâm hai bánh L), nó được dùng để xác định vị trí của robot Hệ tọa độ (Xm PY m) là hệ tọa độ tham chiếu vật được đặt trên robot Như vậy vị trí điểm P trong hệ tọa độ tham chiếu cố định được xác định bởi tọa độ X, Y và góc lệch  giữa hai hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ vật Các thông số hình học của robot bao gồm:

- V1(t): Vận tốc dài của bánh bên trái

- V2(t): Vận tốc dài của bánh bên phải

- w 1 (t) : Vận tốc góc của bánh bên trái

- w 2 (t) : Vận tốc góc của bánh bên phải

- r : Bán kính của bánh robot

- L: Là khoảng cách 2 bánh

- R: Khoảng cách từ tâm robot tới tâm vận tốc tức thời

- ICC: Tâm vận tốc tức thời

R : Bán kính mô phỏng quỹ đạo chuyển động cong của bánh phải

Từ tâm vận tốc tức thời ICC, ta xác định được vận tốc góc của robot:

2

) ( )

L R

t v t w



 (2.1)

2

) ( )

L R

t v t w



 (2.2)

L

t v t v t

w( ) 2( ) 1( )

(2.3) Bán kính cong từ tâm di chuyển của robot tới tâm vận tốc tức thời được tính theo công thức:

 ( ) ( )

2

) ( ) ( 1 2

1 2

t v t v

t v t v L R

Phương trình toán học trong không gian trạng thái có thể được viết thành

x(t)=v(t)cos(t) y(t)=v(t)cos(t) (t)=(t)

Tích phân 2 vế ta được



 t v t t dt t

x

0

)) ( cos(

) ( )



 t v t t dt t

y( ) ( ) sin(  ( ))

 t t dt t

0 ) ( )

) ( )

(

sin ) (

cos ) ( ) (

) ( 1 0

0 sin

0 cos )

(

) (

2

1

t v

t v

t

t v

t v

t

t v t

v

t v

y x

1 2

1 2

1 2

/ 1 /

1

sin 2

1 sin 2 1

cos 2

1 cos 2 1

/

sin ) (

2 1

cos ) (

2 1

v v L L

L v v

v v

v v

2.2 Thiết kế phần thân robot

2.2.1 Yêu cầu chung

Mẫu Mobile Robot được tôi nghiên cứu, chế tạo là mẫu robot phục vụ cho việc vận chuyển hàng trong xưởng nên phải phù hợp với các yêu cầu: