Đồ án robot tự hành vận chuyển hành lí

Xe tự hành vận chuyển hành lí đa tầng ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI XE TỰ HÀNH VẬN CHUYỂN HÀNH LÍ ĐA TẦNG Giảng viên hướng dẫn TS Trương Côn[.]

Giới thiệu

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về robot, nêu rõ các nhiệm vụ mà robot thực hiện và các yêu cầu kỹ thuật cần thiết Đồng thời, nó cũng trình bày nguyên lý hoạt động của robot một cách chi tiết.

Tổng quan về Robot

Tổng quan về Robot

Robot là máy móc tự động thực hiện công việc nhờ vào sự điều khiển của máy tính hoặc vi mạch điện tử được lập trình Hình 1.1 dưới đây minh họa Robot dạng người Pepper tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Hiện nay, nhiều loại robot đã được phát triển để phục vụ đa dạng nhu cầu của con người, bao gồm các lĩnh vực như dọn dẹp, y tế và cứu hộ.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 16

Hình 1.2: Robot lau nhà Xiaomi

GVHD: TS Trương Công Tuấn 17

Hình 1.4: Robot cứu hộ của NASA

Automated Guided Vehicle (AGV)

Xe tự hành AGV (Automation Guided Vehicle) là loại phương tiện sử dụng công nghệ dẫn đường để vận chuyển hàng hóa đến các vị trí đã được xác định mà không cần sự can thiệp của con người AGV, còn được biết đến với tên gọi robot kéo hàng, đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa quá trình vận chuyển hàng hóa trong các dây chuyền sản xuất.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 18

Hình 1.5: Robot AGV sử dụng trong nhà máy

Xe tự hành AGV đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển nhà máy thông minh và tự động hóa công nghiệp Hiện nay, AGV được ứng dụng rộng rãi trong việc vận chuyển nguyên vật liệu cho nhiều ngành nghề như công nghiệp ô tô, điện tử, logistics, dược phẩm, y tế và hàng tiêu dùng.

Xe tự hành AGV và robot AGV đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất và kho thông minh, mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp vận chuyển hàng truyền thống Một số ưu điểm nổi bật của AGV bao gồm khả năng tự động hóa quy trình vận chuyển, tăng cường hiệu quả làm việc, giảm thiểu chi phí lao động và nâng cao độ chính xác trong việc di chuyển hàng hóa.

AGV giúp giảm chi phí nhân công nhờ khả năng hoạt động độc lập mà không cần sự can thiệp của công nhân Hơn nữa, AGV có thể xử lý khối lượng hàng hóa lớn với tải trọng cao, mang lại hiệu quả tối ưu cho quy trình vận chuyển.

Xe tự hành AGV được lập trình với độ chính xác và an toàn cao, giúp phát hiện vật cản nhờ vào hệ thống camera và cảm biến Điều này đảm bảo hoạt động an toàn trong quá trình vận chuyển nguyên vật liệu Hơn nữa, AGV hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt mà con người không thể tiếp cận, như môi trường hóa chất hoặc nhiệt độ cực đoan.

Nâng cao năng suất lao động là một trong những lợi ích chính của xe tự hành AGV Với thiết kế chính xác cao, AGV đảm bảo quá trình vận chuyển diễn ra suôn sẻ, không xảy ra lỗi hay sai sót Hơn nữa, khả năng hoạt động liên tục 24/7 của AGV giúp tối ưu hóa năng suất lao động trong các quy trình sản xuất và logistics.

Xe AGV cho phép thay đổi và mở rộng module một cách dễ dàng, giúp người sử dụng linh hoạt nâng cấp, giảm tải trọng hoặc điều chỉnh quãng đường di chuyển theo nhu cầu cụ thể.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 19

Hình dưới biểu diễn nhu cầu sử dụng xe AGV trên toàn thế giới từ năm 2019 và dự đoán đến năm 2026:

Hình 1.6: Nhu cầu sử dụng AGV trên toàn thế giới từ 2019 đến 2026

Quy mô thị trường xe có hướng dẫn tự động toàn cầu dự kiến sẽ đạt 2,80 tỷ đô la Mỹ vào năm 2026, với tốc độ tăng trưởng khoảng 7,25% trong

Đại dịch COVID-19 đã gây ra sự đình trệ trong sản xuất, nhưng đây cũng là cơ hội để các doanh nghiệp hiện đại hóa dây chuyền sản xuất Một trong những xu hướng nổi bật là chuyển hướng sang sử dụng robot cho các công việc chuyên môn như lắp ráp và vận chuyển Vì vậy, thị trường xe AGV được dự đoán sẽ tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm tới, phản ánh sự chuyển mình của ngành sản xuất hướng tới tương lai.

Đề xuất thiết kế mô hình

Nhiệm vụ của robot

Robot được thiết kế để có thể thực hiện 2 nhiệm vụ, chuyển đổi chế độ nhiệm vụ bằng giọng nói:

- Nhiệm vụ 1: Xây dựng bản đồ phòng hành lang

• Nhân viên điều khiển robot đi xung quanh hoặc cho robot bám theo người mình đi các tẩng để lập bản đồ sảnh cho robot

• Robot lưu trữ bản đồ sảnh vào thư mục để sử dụng cho các lần sau

• Đánh số phòng trên bản đồ đã vẽ

- Nhiệm vụ 2: Vận chuyển hành lí từ khu vực kho, lễ tân ra đến các phòng theo yêu cầu của khách hàng

• Vị trí thường trực của robot là ở gần các kho để hành lí Robot đã lưu trữ bản đồ của các tầng được xây dựng trước trong thư mục

• Chu trình làm việc của robot bắt đầu khi có khách hàng yêu cầu lấy hành lí hoặc người quản lí ra lệnh

• Robot sẽ di chuyển đến kho lấy hành lí

• Nhân viên sẽ đặt hành lí lên robot, đóng cửa robot và chọn điểm đến (Phòng số #) trong GUI trên màn hình, sau đó ấn nút xác nhận

GVHD: TS Trương Công Tuấn 23

• Robot di chuyển đến phòng, trên GUI có hiện trạng thái: “Giao hành lí đến phòng

• Khi robot đến phòng #, khách hàng quét QR xác nhận cho robot để mở cửa lấy hành lí, đóng cửa, robot di chuyển về vị trí ban đầu

• Hỗ trợ việc robot có thể vẫn chuyển được đa tầng.

Đề xuất thiết kế

Các mẫu robot từ hình 1.10 đến 1.12 được sử dụng để vận chuyển hành lý Qua quá trình khảo sát, mô hình thiết kế của robot đã được đề xuất nhằm đáp ứng mục đích và yêu cầu hoạt động của nó.

Hình 1.10: Robot vận chuyển hành lí từ kho

Hình 1.11: Robot vận chuyển hành lí trong khách sạn tại Trung Quốc

GVHD: TS Trương Công Tuấn 24

Hình 1.12: Robot vận chuyển hành lí trong khách sạn tại Úc

Nguyên lí hoạt động robot

Hình 1.13 dưới đây trình bày nguyên lí mạch điều khiển robot:

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển robot

Robot hoạt động nhờ vào các cảm biến như lidar, IMU, camera 3D, cảm biến siêu âm và encoder, giúp định hướng chính xác và thông minh, xây dựng bản đồ, phát hiện vật cản và chênh lệch độ cao Tín hiệu từ các cảm biến được gửi về vi máy tính Jetson Nano để xử lý và đưa ra phương pháp điều hướng phù hợp Các tín hiệu điều khiển được truyền đến hai động cơ DC giảm tốc Trong quá trình hoạt động, vi điều khiển STM32 giao tiếp với Jetson Nano qua giao thức UART, đóng vai trò trung gian trong việc kết nối giữa vi máy tính, cảm biến và động cơ.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 25

Tổng kết

Chương 1 đã giới thiệu về robot tự hành vận chuyển hành lý trong khách sạn, đồng thời nêu bật một số mẫu robot nổi bật trên thế giới với chức năng tương tự Bên cạnh đó, nhu cầu thị trường về robot AGV dự kiến sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ trong những năm tới Tiếp theo, Chương 2 sẽ đi sâu vào thiết kế mô hình robot.

Robot ngày nay đã trở thành một phần quen thuộc trong sinh hoạt hàng ngày, phục vụ nhiều nhu cầu khác nhau Chúng có kích thước đa dạng và được thiết kế cho các mục đích sử dụng khác nhau trong môi trường làm việc Các robot nhỏ gọn thường được sử dụng trong gia đình để thực hiện các công việc như quét dọn và giải trí Trong khi đó, những robot lớn hơn từ 1 đến 2 mét thường xuất hiện tại siêu thị, nhà hàng, khách sạn và dây chuyền sản xuất Đặc biệt, robot vận chuyển hành lý trong khách sạn cần có khả năng tự định hướng nhờ cảm biến và camera, đồng thời phải tương tác hiệu quả với khách hàng Chúng cần tìm ra lộ trình ngắn nhất để đảm bảo việc vận chuyển kịp thời và đáp ứng được khối lượng hành lý cần chuyển, với kích thước phù hợp để có thể vận chuyển nhiều hành lý cùng lúc.

2.2.2 Yêu cầu kĩ thuật Để đáp ứng được những vấn đề ở trên thì xe phải đáp ứng được:

 Tự dộng di chuyển, mang hành li từ A đến B, tránh vật cản,…

 Xe phải đảm bảo chở đủ tải trọng: 15 kg

 Có kích thước nhỏ gọn đảm bảo trong quá trình di chuyển trong không gian nhỏ hẹp của khách sạn và hành lang (kích thước 700x520 mm)

Để đảm bảo an toàn cho hành lý trong quá trình di chuyển và duy trì thời gian vận chuyển đúng giờ, robot đã được khảo sát và thử nghiệm thực tế Vận tốc không tải của robot đạt khoảng 0.5 m/s, trong khi vận tốc khi có tải giảm xuống còn khoảng 0.3 m/s.

 Đảm bảo yêu cầu bảo mật, tránh tình trạng trộm cắp có thể xảy ra, sử dụng các vật liệu phù hợp

Để đảm bảo tính năng làm việc hiệu quả, hệ thống cần tìm ra lộ trình tối ưu đến vị trí chỉ định trên bản đồ đã được xây dựng, đồng thời tránh các vật cản trong quá trình di chuyển Ngoài ra, hệ thống cũng phải mở cửa khi quét đúng mã QR để khách hàng có thể lấy hành lý của mình.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 27

2.3 Phân tích thiết kế hệ thống dẫn hướng

2.3.1 Phân tích lựa chọn phương thức dẫn hướng

Hệ thống dẫn động trong robot tự hành được chia thành 2 loại:

Hệ thống dẫn hướng có dây sử dụng các yếu tố như nam châm dưới sàn hoặc băng dính màu, mang lại độ an toàn cao và chi phí thấp, do đó được nhiều robot tự hành áp dụng Tuy nhiên, hệ thống này gặp phải một số vấn đề như chi phí bảo trì và lắp đặt cao, khả năng hư hỏng trong đường dẫn hướng và khó khăn trong việc thay đổi lộ trình.

Hệ thống dẫn hướng không dây khắc phục những hạn chế của hệ thống có dây bằng cách sử dụng vị trí hiện tại của robot, được xác định qua cảm biến định vị toàn cầu nhận diện các điểm mốc trong môi trường Phương pháp này cho phép robot tự động dẫn hướng mà không cần đường dẫn hay lộ trình cố định Tuy nhiên, hệ thống này không khả thi trong những môi trường không thể thiết lập điểm mốc, dẫn đến mức độ an toàn thấp hơn so với hệ thống có dây.

Hệ thống dẫn hướng dựa trên kỹ thuật SLAM (đồng thời định vị và lập bản đồ) khắc phục các khuyết điểm của các hệ thống dẫn hướng trước đó Hệ thống này sử dụng vị trí hiện tại của robot, được tính toán từ một bản đồ đã xây dựng sẵn cùng với thông tin môi trường từ cảm biến LIDAR và camera 3D Robot tự hành áp dụng công nghệ SLAM để xây dựng bản đồ, sau đó liên tục dẫn hướng từ vị trí đầu đến vị trí cuối trong bản đồ đã lập.

2.3.2 Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động

Về phương án di chuyển của robot có các loại sau:

Phương án di chuyển Uni-directional AGC, được mô tả trong Hình 2.1, là loại AGV đơn giản nhất, chỉ có khả năng di chuyển thẳng và hoạt động trong không gian kín Mặc dù có nhiều hạn chế, nhưng loại AGV này lại có chi phí thấp, phù hợp cho những ứng dụng không yêu cầu tính linh hoạt cao.

Hình 2.1: Di chuyển theo kiểu Uni-directional AGC

GVHD: TS Trương Công Tuấn 28

Hình 2.2: Di chuyển theo kiểu Bidirectional AGC

Phương án di chuyển Bidirectional – Rotational AGC, như mô tả trong hình 2.3, cho phép quay quanh trục chính, mang lại tính linh hoạt cao và khả năng di chuyển trong những không gian hẹp.

Hình 2.3: Di chuyển theo kiểu Bidirectional – Rotational AGC

 Hình 2.4 mô tả phương án di chuyển theo kiểu Omnidirectional AGC: Có thể di chuyển theo mọi hướng Sử dụng bánh xe mecanum

GVHD: TS Trương Công Tuấn 29

Hình 2.4: Di chuyển theo kiểu Omnidirectional AGC

Trên khảo sát thực tế, sự phân tích và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ở trên thì lựa chọn, đưa ra phương án cho robot như sau:

• Lựa chọn cơ cấu robot dạng chở để thuận tiện cho việc di chuyển trong không gian khách sạn

• Sử dụng công nghệ SLAM để lập bản đồ và điều hướng (Lidar, Camera 3D, IMU, Encoder)

• Chọn phương án di chuyển Bidirectional – Rotational AGC (gồm 2 bánh xe chủ động và 2 bánh theo)

• Số lượng hành lí chở là 1 có khối lượng khoảng 10kg

2.4 Tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống cơ khí

2.4.1 Tính toán lựa chọn động cơ

Tính toán động cơ 2 bánh dẫn động:

M: Tổng khối lượng của robot (kg) g = 9.81 (m/𝑠 2 ) : Gia tốc trọng trường à 𝑚𝑠 : ma sắt lăn giữa bỏnh xe và bề mặt chuyển động

Momen xoắn T của từng động cơ để robot có thể di chuyển:

GVHD: TS Trương Công Tuấn 30

F: lực cản v: vận tốc lớn nhất của robot (m/s 2 )

Số vòng quay của động cơ:

RPM: số vòng quay của động cơ (vòng/phút) v: là vận tốc lớn nhất của robot (m/𝑠 2 )

D: đường kính của bánh chủ động (m)

Kí hiệu Đại lượng Giá trị

M Tổng khối lượng (Kg) 20 i Tỉ số truyền 1

D Đường kính bánh chủ động (m) 0.085

Rb Bán kính bánh chủ động (m) 0.0425 v Vận tốc lớn nhất (m/s) 0.5 ƞ Hiệu suất 0.9

Bảng 2.1: Bảng thông số của robot

Từ bảng 2.1 thông số của robot ta sẽ có được:

GVHD: TS Trương Công Tuấn 31

- Công suất của động cơ:

- Số vòng quay của động cơ:

Từ các giá trị tính được ở trên, chúng ta phải chọn động cơ DC giảm tốc đáp ứng các yêu cầu sau:

• Đáp ứng yêu cầu về vận tốc, khả năng tăng tốc cũng như khả năng hãm động cơ

• Phù hợp với điện áp sử dụng

• Thích hợp với môi trường làm việc, làm việc chính xác, hoạt động yên tĩnh • Giá thành phù hợp

Từ những yêu cầu trên lựa chọn mẫu Động Cơ DC Servo JGB37-545 12VDC, được mô tả ở hình 2.5 và kích thước được thể hiện ở hình 2.6 ở dưới

Hình 2.5: Động Cơ DC Servo JGB37-545 12VDC

GVHD: TS Trương Công Tuấn 32

Hình 2.6: Kích thước bên ngoài của động cơ

Hình 2.7: Các chân đầu nối của encoder

Hình 2.7 mô tả các chân đấu nối vào Encoder như sau:

• Chân 3 (dây lục): GND encoder

• Chân 4 (dây lam): VCC encoder (5 VDC)

Bảng 2.2 bên dưới mô tả các thông số kỹ thuật của Động Cơ DC Servo JGB37-545 12VDC

GVHD: TS Trương Công Tuấn 33

Thông số Giá trị Điện áp hoạt động 6 – 12 VDC

Công suất 20 W Điện áp cung cấp cho Encoder 5 VDC Tốc độ không tải ở 12V 208 RPM Dòng không tải ở 12V 200 mA

Tỷ số truyền 1:30 Đường kính trục 6 mm

Động Cơ DC Servo JGB37-545 12VDC sử dụng encoder từ trường với nam châm vĩnh cửu gắn vào trục Khi động cơ quay, nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường với hai cực bắc – nam thay đổi liên tục Chuyển động của các cực này được sử dụng để xác định góc quay của động cơ Encoder có 2 kênh AB lệch nhau, giúp xác định chiều quay và vận tốc, với mỗi kênh trả ra 16 xung cho mỗi vòng.

32 xung / 1 vòng quay của Encoder) Với động cơ GB37 – 545 encoder có độ phân giải sau hộp giảm tốc là 480 xung trên một vòng quay

Dựa trên các phân tích từ chương trước và tham khảo kỹ thuật của một số xe có chức năng tương tự, nhóm chúng tôi đề xuất mô hình xe tự hành để vận chuyển hành lý trong khách sạn.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 34

Hình 2.8: Mô hình xe trên Solidworks

Xe tự hành trong khách sạn được thiết kế với phần khung dưới chứa các module linh kiện và pin, trong khi phần khung trên là hệ thống cửa mở chỉ cho phép truy cập hành lý khi khách quét đúng mã QR, đảm bảo tính bảo mật Hệ thống lidar được bố trí hợp lý để quét và di chuyển trong không gian, trong khi camera có nhiệm vụ quét mã QR và theo dõi vật thể Hai bánh xe được thiết kế theo mô hình Bidirectional – Rotational AGC, mang lại khả năng di chuyển linh hoạt và hiệu quả.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 35

Khung xe là bộ phận quan trọng chịu tải trọng của thân xe và là nền tảng để lắp đặt các bộ phận khác Một hệ thống khung gầm chất lượng sẽ giúp xe vận hành êm ái và an toàn.

Nhóm đồ án đề xuất chọn nhôm định hình với các đặc điểm sau:

• Độ bền cao, chịu lực tốt, không bị oxi hóa trong môi trường, tuổi thọ có thể lên tới

10 năm, tải trọng rất nhẹ

• Giá cả hợp lý, phù hợp với kinh tế của sinh viên

• Dễ dàng gia công, tháo lắp ghép bằng ốc vít không cần phải hàn cứng lại

Nhôm định hình nhóm em chọn là nhôm 2x2 với thông số kĩ thuật:

GVHD: TS Trương Công Tuấn 36

Hình 2.10: Phần vỏ bao quanh xe

Vỏ xe không chỉ bảo vệ các bộ phận bên trong mà còn hỗ trợ chịu lực từ các module điện tử Nhóm đồ án đã chọn vật liệu Mica cho vỏ xe, trong đó Mica 5mm sẽ được sử dụng làm nắp trên và nắp dưới, trong khi Mica 3mm sẽ tạo thành lớp vỏ bao quanh xe.

GVHD: TS Trương Công Tuấn 37

2.4.2.2.3 Bánh xe a) Bánh xe chủ động

Bánh xe đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo robot hoạt động chính xác và hiệu quả, đồng thời chịu tải trọng của toàn bộ robot Với địa hình chủ yếu là mặt phẳng, bánh xe không cần có khoảng sáng gầm lớn Dựa trên các phân tích và động cơ đã chọn, nhóm em đề xuất sử dụng bánh xe V3 85mm để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này.

Hình 2.12: Bánh xe chủ động

Hình 2.12 mô tả bánh xe chủ động với các thông số kỹ thuật như sau:

GVHD: TS Trương Công Tuấn 38

Hình 2.13: Bánh xe bị động

Các thông số kĩ thuật cơ bản:

• Chân đế: bắt vào khung xe: 32mm*38mm

• Đường kính bánh xe: 30mm

• Tải trọng tối đa: 5kg

Sau khi thiết kế mô hình, chung em đã thực hiện gia công, lắp ghép để ra được robot thực tế với hình dáng được thể hiện trong hình 2.14

GVHD: TS Trương Công Tuấn 39

Hình 2.14: Mô hình thực tế của xe

Hình 2.15, 2.16 và hình 2.17 lần lượt mô tả chi tiết về hình chiếu đứng, hình chiếu bằng và hình chiếu cạnh cùng với kích thước cụ thể của xe

GVHD: TS Trương Công Tuấn 40

GVHD: TS Trương Công Tuấn 41

2.5 Tính toán thiết kế lựa chọn các mo đun cho hệ thống

2.5.1 Sơ đồ khối hệ thống xe tự hành

Nhóm đồ án chúng em xin được đề xuất sơ đồ khối của hệ thống xe tự hành:

Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống

THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE

KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ