NGHIÊN cứu, THIẾT kế MOBILE ROBOT DẠNG bốn BÁNH vận CHUYỂN sản PHẨM TRONG NHÀ máy

Lịch sử phát triển của xe AGV Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương Trung Quốc và một người nữa là Yan Shi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

- -BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MOBILE ROBOT DẠNG BỐN BÁNH VẬN

CHUYỂN SẢN PHẨM TRONG NHÀ MÁY

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A

Tên thành viên nhóm:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

1.1- LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

1.1.1-LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN XE AGV

1.1.2- PHÂN LOẠI XE AGV

1.2- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

1.3- PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC AGV 2 BÁNH

2.1- TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

2.2- TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MỘT SỐ KẾT CẤU CƠ KHÍ QUAN TRỌNG…. 3.1- BỘ TRUYỀN VIT ME ĐAI ỐC………

3.1.1- VẬT LIỆU VIT ME ĐAI ỐC………

3.1.2- CHỌN BẠC DẪN HƯỚNG VÀ KHỚP NỐI LÒ XO………

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1- BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560

4.2- MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

4.3- MODULE LM 2596

4.4- BỘ NGUỒN

CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH XE AGV

5.1- CỤM BÁNH ĐỘNG LỰC

5.2- CỤM NÂNG

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

1 q Ma trận vị trí

31 Z1, Z2 Số răng của bánh răng 1, 2

CÁC TỪ VIẾT TẮTAGV : Autonomous Guided Vehicles – Xe tự hành

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

2 Lịch sử phát triển của xe AGV

Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương (Trung Quốc)

và một người nữa là Yan Shi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí đầutiên Đến năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh Năm 1948, cácnguyên lý nền tảng về robot và tự động hóa ra đời, tạo tiền đề cho robot học sau này.Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặt tên

là Unimate.Trong các loại Mobile Robot áp dụng trong lĩnh vực công nghiệp, thìRobot tự hành trên mặt đất AGV( Autonomous Guided Vehicles) đang được cả thế giớiquan tâm đến

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

Robot tự hành AGV được chế tạo để vận chuyển các phôi gia công vào những năm

70, vấn đề định hướng của xe tự hành là một trong những vấn đề quan trọng Ban đầuAGV chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn Công nghệ những năm 70

đã điều khiển các hệ thống để nâng cao khả năng và tính linh hoạt của xe AGV, xekhông chỉ được dùng để kéo, đẩy hàng trong kho, mà còn có chức năng trung gian ,kết nối trong quá trình sản xuất, lắp ráp, phân loại hàng hóa

Trải qua nhiều năm, khi công nghệ phát triển mạnh hơn, trong quá trình tự hành,AGV được lập trình để giao tiếp với các robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm đượcchuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữ lại hoặc chuyển đến một vị tríkhác

3 Phân loại xe AGV

Xe AGV được sử dụng với mục đích chung là để chuyển hàng trong các nhà máy, các kho chứa sản phẩm

Hình 1.1- Sơ đồ vận hành xe AGV trong nhà máy

Ngày nay, xe AGV đã có rất nhiều các dòng sản phẩm khác nhau ở trên thị trường Các sản phẩm AGV này bao gồm:

 Xe kéo (Towing Vehicle)

Xe kéo xuất hiện đầu tiên trong các dòng xe AGV và bây giờ vẫn còn rất thịnh hànhtrên thị trường Loại này có thể kéo được nhiều toa hàng khác nhau và trở được từ

Hình 1.2- Xe AGV kéo hàng

 Xe chở ( Unit Load Vehicle)

Xe chở được trang bị các tâng khay chứa có thể nâng, hạ chuyênr động bằng băng tải, đai hoặc xích

Ưu điểm của xe chở:

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

 Thời gian đáp ứng nhanh gọn

 Giảm hư hại tài sản

 Đường đi linh hoạt

 Giảm thiếu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở

Hình 1.3- Xe AGV chở hàng

 Xe đẩy ( Cart Vehicle)

Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt và rẻ tiền Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp

 Xe nâng ( Fork Vehicle)

Có khả năng nâng các tải trọng trên sàn hoặc trên các bục cao hay khối hàng đặt trên giá.

Hình 1.4- Xe AGV nâng hàng

 AGV không theo đường dẫn ( free path navigation)

quanh trog quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) đểxác định tọa đọ tức thời, việc thiết kế loại xe này đòi hỏi công nghệ cao và phức tạp hơn các xe AGV khác.

 Loại chạy theo đường dẫn ( fixed path navigation)

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

Đường dẫn từ: là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ chôn ngầm dưới nền sàn Khi

di chuyển, nhờ các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo đường dẫn Loại đường dẫn này không nằm trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến công việc vận hành khác Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo

từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định không thay đổi được

Đường ray dẫn: xe AGV được chạy trên các ray đặt sẵn trên mặt sàn.loại này chỉ sử dụng với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế đơn giản hơn và có thể dichuyển với tốc độ cao nhưng không linh hoạt

Đường băng kẻ trên sàn: xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ cảm biến 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 vẽ lại các vạch kẻ

đường Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn trong quá trình điều khiển xe hoạt động

4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài chính là nghiên cứu và chế tạo Mobile Robot 4 bánh làm việc trong một không gian rộng ( nhà máy, nhà kho, ) với nhiệm vụ của Robot là vận chuyển hàng giữa các vị trí khác nhau trong không gian đó

Giới hạn của đề tài:

Khi nhóm đồ án nhận đề tài về thiết kế và chế tạo một Mobile Robot tự động 4 bánh, nhóm đã quyết định thiết kế và chế tạo một xe nâng hàng AGV với mục đích dùng để vận chuyển hàng trong một kho chứa của một công ty

5 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Phương pháp quan sát thực tế: nhóm chúng em đã có thời gian tiếp cận với quy trình sản xuất trong công ty TOYOTA nằm trong khu công nghiệp huyện Phúc Yên, Vĩnh Phúc từ đó tìm ra được những công đoạn trong quá trình sản xuất cần cải tiến về máy móc nhằm nâng cao năng suất lao động

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Trong thời gian nghiên cứu, nhóm đồ án đã tìm hiểu qua các sách tài liệu, các đồ án sinh viên khóa trước, các trang web, … liên quan đến đề tài Mobile Bobot 4 bánh

Từ quá trình bên trên, nhóm đồ án đã quyết định tiến hành xây dựng một robot tự động 4 bánh để nâng hàng Giúp quá trình vận chuyển hàng trong công ty được năng suất hơn

Để đạt được việc chế tạo ra một con robot tự động 4 bánh, thì những vấn đề sau cần được tìm hiểu và nghiên cứu:

 Bài toán dò đường sử dụng cảm biến dò line qua bộ điều khiển PID

 Tính toán bài toán động học xác định mối liên hệ giữa các chuyển động và tìm quy luật thay đổi vị trí, quy luật chuyển hướng của AGV

 Tính toán bài toán động lực học tìm hiểu nguyên nhân gây chuyển động và

sự liên kết giữa các robot

 Bài toán điều khiển động cơ planet và điều khiển tốc độ bằng xung PWM

 Tính toán bộ truyền đai xích

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

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE

ROBOT 4 BÁNH2.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

Hình 2.1- Hệ tọa độ robot

Hệ tọa độ tuyệt đối ( hệ tọa độ gốc) là hệ tọa độ cố định được đặt trong môi trường

và được biểu diễn bằng (X,Y) Hệ tọa độ tương đối ( hệ tạo độ robot) là hệ tọa độ gắn liền với robot và được biểu thị bằng (Xr,Yr) Gốc của hệ tọa độ robot là P

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

(2.2)Trong đó R(θ) là ma trận quay của robot quanh trục thẳng đứng

p r p

x R y R

r p

R

p

L r

L=0.47 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe

´φ R , ´φ L=0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robotThay vào ta được:

´q r=[ 0.05

2

0.052

L= 0.47 (m) : là khoảng cách giữa 2 bánh xe

´φ R , ´φ L=0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robot

θ = 0 (độ): là góc quay của bánh xeThay vào ta được:

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

2.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến để xây dựng phương trình chuyển động cho các động cơ Phương pháp được phát minh bởi Lagrange.Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau:

Q i¿ : là ngoại lực

Hình 2.2- Mô hình phân tích lực bánh sau cảu robot [6]

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

Ta có tổng động năng của robot:

tt t t

K  m v

(2.12)Trong đó:

K tt : là động năng tịnh tiến của thân xe

m t : là khối lượng thân xe

K  m v m v J  J 

(2.14)Trong đó:

Thế năng của robot:

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

Ngoại lực của robot:

1 4

Q M  M  M M  M u Rgk  m m 

M dc : là momen do động cơ sinh ra

M mst : là momen hao tổn trên trục

M msl : là momen ma sát lăn

R: là bán kính bánh xe G: là gia tốc trọng trường K: là hệ số ma sát bánh xe với mặt đường

m t : là khối lượng thân xe

V b ,V a : là vận tốc tại điểm A,B (m/s)

t: là thời gian di chuyển từ A đến B (s)

Thay số vào (2.19) ta tính được :

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MỘT SỐ KẾT CẤU CƠ KHÍ QUAN TRỌNG

3.1- Bộ truyền vit me - đai ốc

Trong cơ cấu tay gắp phôi, cơ cấu chuyển động là cơ cấu có chuyển động dưới dạng chuyển động tịnh tiến tương đối với khâu 1 Và để truyền động cho khâu 2

mà vẫn sử dụng động cơ bước thì ta cần một cơ cấu nhằm biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Đáp ứng nhu cầu đó thì bộ truyền vít me đai ốc bi là một sự lựa chọn phù hợp.

Bộ truyền vít me đai ốc bi là một hệ thống truyền động, được gia công với độ chính xác cao nhằm tạo ra khả năng biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Tùy theo dạng chuyển động của vít và đai ốc có thể chia ra các loại: vít 1 quay và tịnh tiến, đai ốc 2 cố định với giá, như trường hợp vít ép trên hình 3.1a, hoặc đai ốc 2 quay còn vít 1 tịnh tiến (H3.1b) hoặc vít quay đai ốc tịnh tiến (H3.1c).

Hình 3.1- Một số dạng vít me đai ốc

có thể chế tạo đai ốc có vỏ ngoài bằng gang hoặc thép bên trong lót đồng (chế tạo bằng phương pháp đúc ly tâm).

Trong đồ án này, sử dụng vật liệu như sau:

a- Vít me

Thép C45.

Thép C45 là một loại thép hợp kim có hàm lượng Cacbon là 0,45% Ngoài ra loại thép này còn chứa một số tạp chất khác như silic, lưu huỳnh, mangan, crom,… (H3.2) Có độ cứng, độ kéo phù hợp trong ứng dụng cơ khí chế tạo máy, các chi tiết chịu tải trong và sự va đập mạnh.

Hình 3.2- Bảng hàm lượng các chất trong thép C45

Dựa vào các đặc tính cơ bản của thép C45, ta có thể tính ra các thông số của trục vit nhằm đáp ứng tải trọng đã được đề bài đặt ra Đặc biệt là thông số về giới hạn chảy của thép (H3.3).

Hình 3.3- Bảng thông số tính chất cơ học thép C45

b- Đai ốc

Để giảm ma sát và mòn ren, đai ốc được chế tạo từ các loại đồng thanh như đồng thanh thiếc, đồng thanh thiếc – chì - kẽm và đồng thanh nhôm – sắt hoặc gang Nhằm giảm chi phí đồng, thường dùng đai ốc bằng hai kim loại.

Trong đồ án, ta chọn vật liệu làm đai ốc làm bằng đồng.

c Sơ đồ truyền động

Hình 3.4 – Sơ đồ truyền động của trục vit me M8

Các thông số đầu vào:

Vận tốc lớn nhất của đai ốc: v =2780 mm/s .

Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0, và gia tốc là hằng số ở

cả giai đoạn khởi đầu và hãm (Thời gian khởi động xấp xỉ 20% thời gian 1 vòng chu kì).

s2 =9,6 m/s2

Lực dọc trục lớn nhất:

Trong đó: L10 - Tuổi thọ (triệu vòng quay)

f1 - Hệ số tốc độ Với kết cấu 1 đầu gối tựa, một đầu cố định; f1=3,8

d2 - Đường kính chân ren của trục vít, d2=12,6(mm ).

l - Khoảng cách hai gối đỡ

l - Tổng hành trình + chiều đai đai ốc + chiều dài 2 đầu không ren;

+ Kiểm tra tải:

Vậy nên trục vít hoạt động tốt.

+ Hiệu suất lý thuyết của bộ truyền:

Hình 3.6- Thông số động cơ NEMA23

Hình 3.7- Động cơ NEMA23 3.1.2- Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo

Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo có kích thước sau:

Hình 3.8- Bạc dẫn hướng LMF8UU

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

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

4.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560

Arduino mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch mega, là dòng mạch có nhiều cải tiến hơn so với Arduino Uno Đặc biệt bộ nhớ Flash của Mega được tăng lên một cách đáng kể, gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của Uno R3 Cùng với việc được trang bị 3 timer và 6 cổng interput khiến cho bo mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được nhiều bài toán khó, sử dụng nhiều động cơ và có thể xử lý song song nhiều luồng

dữ liệu số cũng như tương tự

Hình 4.1- Arduino Mega 2560

Các tính năng nổi bật của Arduino Mega 2560:

Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip ATmega2560 Bao

 4 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân PWM

là từ chân số 2 → 13 và chân 44 45 46)

 6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2)

 16 chân vào analog (từ A0 đến A15)

 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng:

Bảng 4.1 Các cổng Serial của Arduino Mega 2560

1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

SRAM 8 KB

Một số lưu ý khi sử dụng Arduino Mega 2560

Khi bắt đầu sử dụng Arduino Mega 2560, bạn nên chú ý lựa chọn lại board Bằng cách vào Tool → Board → Arduino Mega 2560 Nhằm tránh trước đó bạn đã sử dụng loại Arduino khác cổng vẫn còn nhận là board cũ nên khi build bạn sẽ gặp lỗi

Khi sử dụng chân RX, TX cuả Arduino, các bạn nên nhớ rút dây cắm tại 2 chân này ra rồi hãy bắt đầu upload Sau đó hãy cắm lại bình thường và sử dụng để tránh gặp phải lỗi

Không được phép cắm trực tiếp chân GND vào chân nguồn 5V, có thể dẫn tới hỏng mạch

4.2- MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Hình 4.2- Mạch cầu H dùng IR2184

 Driver có biến trở dùng chỉnh dòng giới hạn qua động cơ giúp bảo vệ thiết bị.

 Tín hiệu vào điều khiển bao gồm: DIR+, DIR-, PWM+, PWM- Điều này giúp người dùng dễ dàng tùy chọn tín hiệu điều khiển tác động mức cao hay mức thấp

 Board gồm 2 led SMD báo nguồn và báo chiều quay động cơ

 Board được thiết kế nhỏ gọn

 Board mạch 2 lớp, chất lượng cao, phủ màu đỏ ,rất thích hợp cho Robocon

3.3- MODULE LM 2596

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

nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khi giảm áp ta

có thể lấp được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V

Thông số kỹ thuật:

 Module nguồn không sử dụng cách ly

 Nguồn đầu vào từ 4V - 35V

 Nguồn đầu ra: 1V - 30V

 Dòng ra Max: 3A

 Kích thước mạch: 53mm x 26mm

Hình 4.3- Module LM2596 3.4- BỘ NGUỒN

 Nguồn cấp cho động cơ

Với đề tài này, nhóm đồ án sử dụng 2 ác quy 12V nối tiếp với nhau tạo thành bộ nguồn 24V để cấp nguồn cho động cơ trong quá trình hoạt động