Báo cáo đồ án môn cơ điện tử Nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy

Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy Nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy

TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Hình 2 1: Hệ tọa độ của 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

Để chuyển đổi vị trí của robot từ hệ tọa độ tương đối (PxrYr) sang hệ tọa độ tuyệt đối (OXY), chúng ta sử dụng ma trận chuyển đổi R được xác định cụ thể.

(2-2)Trong đó R(θ) là ma trận quay của robot quanh trục thẳng đứng

MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT 4 BÁNH

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

Hình 2 1: Hệ tọa độ của 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

Để chuyển đổi vị trí của robot từ hệ tọa độ tương đối (PxrYr) sang hệ tọa độ tuyệt đối (OXY), chúng ta cần sử dụng ma trận chuyển đổi R được xác định một cách cụ thể.

(2-2)Trong đó R(θ) là ma trận quay của robot quanh trục thẳng đứng

Vận tốc tuyến tính của robot trong hệ tọa độ bằng trung bình vận tốc tuyến tính của hai bánh xe theo hệ tọa độ robot

(2-4) Vận tốc góc của robot là:

Các vận tốc của robot trong hệ tọa độ giờ có thể biểu diễn dưới dạng các vận tốc của điểm trung tâm P trong khung robot như sau:

(2-7) Với R=0.15 là bán kính bánh xe của robot

L=0.3 : 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:

Ma trận vận tốc theo hệ tuyệt đối được thể hiện như sau:

(2-8) Với R=0.15 là bán kính bánh xe của robot

L=0.3 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe ´ φ R ,φ´ L =0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robot θ =0: là góc quay của bánh xe Thay vào ta được:

Ma trận q ´ l còn được thể hiện theo vận tốc dài v và vận tốc ω theo công thức sau: cos 0 sin 0

TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange, do Lagrange phát minh, là một phương pháp phổ biến trong việc xây dựng phương trình chuyển động cho các động cơ.

Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau: i i i i d K K P dt q q q Q

K: là động năng của hệ P: là thế năng của hệ

Hệ thống chuyển động của robot bao gồm 2 bánh sau dẫn động và 2 bánh omni phía trước để dẫn hướng Do đó, mọi chuyển động của robot phụ thuộc vào việc điều khiển vận tốc của 2 bánh sau, cụ thể là v_wR và v_wL.

Ta có tổng động năng của robot:

Hình 2 2: Mô hình phân tích lực bánh sau của robot [6] tt b

K K  K (2-11) Động năng tịnh tiến của thân xe:

K tt : là động năng tịnh tiến của thân xe m t : là khối lượng thânxe v t : là vận tốc dài của xe

(2-13) Động năng của bánh xe:

K b : là động năng của bánh xe

J wR , J wL : là momen quán tính của từng bánh xe

Coi bánh xe là đĩa tròn mỏng thì:

R: là bán kính bánh xe m b : là khối lượng bánh xe v wR , v wL : là vận tốc dài của 2 bánh xe

Thay vào công thức (2-12),(2-13), (2-14),(2-15) ta được:

Suy ra: Tổng động năng của robot là:

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

1 i dc mst msl dc dc 4 t b

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 m b : là khối lượng bánh xe u: là hệ số tổn thất trên trục động cơ

Thay vào phương trình Lagrange

Với φ ´ wR = ´φ wL = ´φ w ta được:

Trong đó ´ φ w : là gia tốc góc của bánh xe (rad/ s 2 ) a: là gia tốc dài (m/ s 2 )

V b ,V a : là vận tốc tại điểm A,B (m/s) t: là thời gian di chuyển từ A đến B (s)

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560

Arduino Mega 2560 là một sản phẩm nổi bật trong dòng mạch Mega, với nhiều cải tiến vượt trội so với Arduino Uno Bộ nhớ Flash của Mega đã được tăng gấp 4 lần so với phiên bản Uno R3, cho phép lưu trữ dữ liệu lớn hơn Ngoài ra, mạch này được trang bị 3 timer và 6 cổng interrupt, giúp giải quyết hiệu quả các bài toán phức tạp, điều khiển nhiều động cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số và tương tự.

Các tính năng nổi bật của Arduino Mega 2560:

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

54 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:

Cổng Serial Chân RX Chân TX

Bảng 3.2 Các cổng Serial của Arduino Mega 2560

1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz

Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560

Chip xử lý ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào ( đề nghị) 7V-15V Điện áp ra (giới hạn) 6V-20V

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

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

Một số lưu ý khi sử dụng Arduino Mega 2560

Khi bắt đầu với Arduino Mega 2560, hãy chắc chắn chọn đúng board bằng cách vào Tool → Board → Arduino Mega 2560 Điều này giúp tránh tình trạng cổng vẫn nhận diện board cũ từ việc sử dụng loại Arduino khác trước đó, nhằm ngăn ngừa các lỗi khi biên dịch.

Khi sử dụng chân RX và TX của Arduino, bạn cần rút dây cắm khỏi hai chân này trước khi bắt đầu quá trình tải lên Sau khi hoàn tất, hãy cắm lại dây như bình thường để tránh gặp phải lỗi.

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

MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Hình 3 2: Mạch cầu H dung IR2184 Đặc tính kỹ thuật:

Driver công suất sử dụng 4 MOSFET IRF540 cho dòng đỉnh tối đa 22A. Điện áp cấp từ +24V.

Sử dụng IC kich FET chuyên dụng IR2184 bảo đảm FET dẫn tốt và chống hiện tượng trùng dẫn.

Driver cách ly tần công suất dùng OPTO xung P900V của SHARP làm cho Driver đáp ứng được với tín hiệu PWM có tần số cao.

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+ và PWM-, cho phép người dùng linh hoạt lựa chọn mức tác động điều khiển cao hoặc 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.

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

Module nguồn không sử dụng cách ly

BỘ NGUỒN

 Nguồn cấp cho động cơ

Thông số kỹ thuật: Điện thế ra: 12V

 Nguồn cấp cho Arduino Để arduino hoạt động ổn định thì cần bộ nguồn riêng phù hợp với arduino Nên nhóm đồ án quyết định sử dụng pin Lipo.

Module dò line là một thành phần quan trọng trong các cuộc thi robot như Robocon, đua xe dò line và Robo Sumo Nó được sử dụng cho các robot tự động hoặc bán tự động, giúp chúng di chuyển chính xác theo đường đi đã được xác định Ngoài ra, tính năng dò line cũng được áp dụng trong ngành công nghiệp, hỗ trợ các robot tự hành trong việc thực hiện các nhiệm vụ một cách hiệu quả.

Hình 3 6: Cảm biến dò line 8 LED

Bộ sản phẩm dò line gồm có :

 Module dò line 8 kênh sử dụng quang trở với công nghệ led đôi 2 hàng đảm bảo

Lưu ý: khi sử dụng module cần setup khoảng cách từ mặt quang trở đến mặt sàn là 5mm-10mm để tối ưu độ chính xác của quang trở

Module đọc ADC chuyển đổi 8 kênh ADC thành tín hiệu số với tốc độ nhanh, giúp người dùng dễ dàng đọc và xử lý tín hiệu Trên module có 8 đèn LED hiển thị kết quả chuyển đổi ADC tương ứng với từng kênh và nút nhấn để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến.

Hình 3 8: Module đọc ADC Hướng dẫn sử dụng:

 Đấu Bus bo quang trở và led vào bo main có kí hiệu ADC sensor.

 Đấu bus bo main có ki hiệu là OUT vđk về bo master.

 Cấp nguồn vào thì thấy 8 led đơn chớp 4 lần (dấu hiệu bo tốt).

Sau khi gắn thiết bị vào robot, tiến hành canh chỉnh thông số trên sân bằng cách đưa phần bo quang trở tới vùng sáng nhất, thường là màu đỏ hoặc xanh lá, tránh các vạch trắng Nhấn nút mode để thấy 8 LED đơn chạy từ ngoài vào trong Bạn có thể điều chỉnh độ nhạy bằng cách nhấn các nút từ 0 đến 6, trong đó nút 0 có độ nhạy cao nhất và nút 6 có độ nhạy thấp nhất Sau khi điều chỉnh, đưa thiết bị vào vạch trắng để kiểm tra kết quả Nếu chưa đạt yêu cầu, đưa ra vùng nền để điều chỉnh lại và thử nghiệm tiếp Khi kết quả đạt yêu cầu, nhấn nút mode để thoát khỏi chương trình setup và lưu kết quả vào EEPROM, lúc này 8 LED đơn sẽ chạy từ trong ra ngoài.

Ngoài ra nếu các chế độ trên vẫn còn nhạy các bạn có thể tổ hợp nút mode + nút

Để vào chế độ setup, bạn nhấn nút mode và nút 1, lúc này độ nhạy của modul sẽ được giảm Các bước thao tác tiếp theo vẫn giống như trước, và có ba chế độ khác nhau để phân biệt.

 mode là khi nhấn xong không có led sáng

 mode + nút 0 khi nhấn tổ hợp thì có led 0 sáng.

 mode + nút 1 khi nhấn tổ hợp thì có led 1 sáng

 Tín hiệu trả về MCU:

Các chân tín hiệu từ 0 -> 7 trên module chuyển đổi tương ứng với các kênh từ

Trên module dò line, có tổng cộng 7 kênh Khi không phát hiện line trắng, các chân tương ứng sẽ duy trì ở mức 1 (5V) Ngược lại, nếu bất kỳ kênh nào phát hiện line trắng, chân tương ứng với kênh đó sẽ hạ xuống mức 0 (0V).

3.6.HỆ THỐNG TRÁNH VẬT CẢN

Hình 3 9: Cảm biến vật cản hồng ngoại DS30c4

Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC.

Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm.

Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.

Dòng kích ngõ ra: 300mA.

Ngõ ra dạng NPN với cực thu hở cho phép tùy chỉnh điện áp ngõ ra Điện áp ngõ ra sẽ tương ứng với mức trở treo được thiết lập, tạo ra điện áp đầu ra theo yêu cầu.

Chất liệu sản phẩm: nhựa.

Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.

ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH XE AGV

CỤM BÁNH ĐỘNG LỰC

Bánh động lực cần có khả năng chịu tải tốt và ma sát lớn với mặt nền xưởng để tránh trượt và đảm bảo sự ổn định cho xe trong quá trình làm việc Do đó, nhóm đề xuất sử dụng cụm bánh động lực với thiết kế phù hợp.

Hình 4 1: Module cụm bánh động lực

4 Gá vòng bi và trục bánh xe

Inox tấm Cắt lazer, dập tấm, khoan, taro

CỤM NÂNG

- Yêu cầu module phải nâng, hạ được một khối lượng hàng hóa nhất định, tối đa là 50 kg.

- Đảm bảo được sự vững chắc để hàng hóa an toàn trong quá trình vận chuyển.

Nhóm đề xuất mô hình cụm module nâng hàng như sau:

Cắt lazer, dấp, uốn, hàn, khoan taro

Cắt lazer, dấp, uốn, hàn, khoan taro

Thép CT3 Cắt lazer, dấp, uốn, hàn,khoan taro

KHUNG VÀ VỎ MÔ HÌNH AGV

Khung xe cần thiết phải có khả năng chịu tải trọng lớn và được thiết kế để dễ dàng lắp ráp với các module bánh, cảm biến, module mạch và hệ thống nút điều khiển của xe.

- Kích thước phù hợp với chức năng và không gian làm việc.

- Đảm bảo được sự an toàn của hàng hóa trong quá trình di chuyển.

- Có được sự bền chắc và có tính thẩm mỹ.

Nhóm để xuất mô hình vỏ AGV như sau:

1 Đế xe Thép tấm CT3

Cắt lazer, gấp, khoan, taro

2 Tấm nắp Thép tấm CT3

Cắt lazer, uốn, sơn tĩnh điện

Cắt lazer, sơn tĩnh điện