ÁO cáo đồ án môn cơ điện tử NGHIÊN cứu, THIẾT kế MOBILE ROBOT DẠNG bốn BÁNH vận CHUYỂN sản PHẨM TRONG NHÀ máy

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:
Trần Văn A
Lê Minh B
Nguyễn Văn C

Hà Nội 2020

0

download by :


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
1

download by :


.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

MỤC LỤC

2

download by :


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: MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC AGV 2 BÁNH..............
2.1- TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC.......................................................................................
2.2- TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC..............................................................................
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN 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 MƠ HÌNH XE AGV.............................................................
5.1- CỤM BÁNH ĐỘNG LỰC.......................................................................................
5.2- CỤM NÂNG............................................................................................................
5.3- KHUNG VÀ VỎ MÔ HÌNH AGV...........................................................................
5.2- CỤM ĐẨY
3

download by :


BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

ST
T

Kí hiệu

Chú thích
4

download by :

Đơn vị


1

q

Ma trận vị trí

2

θ

Góc của robot so với phương ngang

3

ϑ

Vận tốc tuyến tính của robot

, vL

Vận tốc bánh phải, trái

5

ω

Vận tốc góc của robot

6

R

Bán kính bánh xe

7

L

Nửa khoảng cách giữa 2 bánh xe

K

Động năng tịnh tiến của thân xe

4

v

R

8

tt

9

Kb

Động năng quay của bánh xe

10

vt

Vận tốc dài của xe

11

vwR , vwL

Vận tốc dài bánh phải, trái

12

J

Momen quán tính của từng bánh

13
14
15
16
17
18
19

wR

, JwR

mb

Khối lượng bánh xe

m

Khối lượng thân xe

t

M

Momen động cơ

dc

M

Momen hao tổn trên trục

mst

u

Hệ số tổn thất trên trục động cơ

M

Momen ma sát lăn

msl

k

Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường

20

g

Gia tốc trọng trường

21

φ´

Vận tốc góc của bánh

22

φ´

Gia tốc góc của bánh

23

a

Gia tốc dài

24

V a ,V

25

t

26

Pdc

Cơng suất động cơ

27

ξ

Ma trận vị trí robot

28

d

Đường kính trục vít me

29

u

Bước của vít me

30

d1 ,d2

b

Vận tốc tại điểm đầu A, điểm cuối B
Thời gian xe di chuyển

Đường kính bánh răng 1, 2
5


download by :
skknchat@gmai
l.com


31
32

CÁC TỪ VIẾT TẮT
AGV : Autonomous Guided Vehicles – Xe tự hành

6

download by :


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 đầu
tiên. Đến năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh. Năm 1948, các
nguyên 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 cơng nghiệp, thì Robot tự
hành trên mặt đất AGV( Autonomous Guided Vehicles) đang được cả thế giới quan tâm
đến.
Hệ thống xe tự hành (AGV) đã tồn tại từ năm 1953 bởi Barrett Electronics Of
Northbrook, 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 người
trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều năm nhờ vào
giấc 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 đầu

AGV 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, xe
khơng chỉ được dùng để kéo, đẩy hàng trong kho, mà còn có chức năng trung gian , kết
nối trong q 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 được
chuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữ lại hoặc chuyển đến một vị trí
khác.

7

download by :


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 hành
trên thị trường. Loại này có thể kéo được nhiều toa hàng khác nhau và trở được từ 8000
đến 60000 pounds.
Ưu điểm của hệ thống xe kéo:

Khả năng chuyên chở lớn.
Có thể dự đốn và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chun chở cũng như
việc đảm bảo an tồn.
Tính năng an toàn tốt
8

download by :


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

9

download by :


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)

10

download by :


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)
Có thể di chuyển đến vị trí bất kì trong không gian làm việc. Đây là loại xe AGV có
tính linh hoạt cao được định vị nhờ các cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscop
sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để xác định vị trí các vật thể xung
11

download by :


quanh trog quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để
xác định tọa đọ tức thời,... việc thiết kế loại xe này địi hỏi cơng 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 chơn 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 khơng 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 di
chuyển với tốc độ cao nhưng khơng 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 q 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 q 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 khơng 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.

12

download by :


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 cơng ty TOYOTA nằm trong khu cơng nghiệp huyện Phúc n,
Vĩnh Phúc từ đó tìm ra được những cơng đoạn trong q 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 q 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 tốn dò đường sử dụng cảm biến dò line qua bộ điều khiển PID.
Tính tốn bài tốn 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 tốn bài tốn động lực học tìm hiểu ngun 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 tốn 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:

13

download by :


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

ROBOT 4 BÁNH
2.1. TÍNH TỐN 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
q x

y

Để chuyển đổi vị trí của robot từ hệ tạo độ tương đối (PxrYr) sang hệ tọa độ tuyệt đối
(OXY) ta sử dụng ma trận chuyển đổi R được xác định như sau:
RR

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

14

download by :


cos
Rsin

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

v

v

v
R

RR

L

L

Vận tốc góc của robot là:

v

v

R

L

R

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:

(2.6)
R

Suy ra:

R

q

(2.7)

R

2L

Với

R=0.05 (m) là bán kính bánh xe của robot
L=0.47 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe

φ

´
R

,φ

´=
L

0.4

: là vận tốc của bánh phải, trái
của robot

Thay vào ta được:

15


download by :


´r
q

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

x Pl

x

l

q

l

yp
l

Với

R = 0.05 (m) là bán kính b

L= 0.47 (m) : là khoảng cá
φ´R ,φ´L=0.4
θ = 0 (độ): là góc quay của bánh xe

Thay vào ta được:

2

0.05

r

q´

=

2

[
16

s


download by :

Ma trận
sau:

q

17

download by :


2.2. TÍNH TỐN 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:
d

K

dt

qi

Trong đó:
K: là động năng của hệ
P: là thế năng của hệ
Q¿i : là ngoại lực

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

18

download by :


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:
K K ttKb

Động năng tịnh tiến của thân xe:

1

K

mv2

tt

Trong đó:
Ktt : là động năng tịnh tiến của thân xe
mt : là khối lượng thân xe
vt : là vận tốc dài của xe
vt

1
2

Động năng của bánh xe:
Kb

mb v R

mb v L J R

R

JL

L

Trong đó:
2

2

2

2

Kb : là động năng của bánh xe
J

wR

, JwL : là momen quán tính của từng bánh xe

Coi bánh xe là đĩa trịn mỏng thì:

R: là bán kính bánh xe

19

vR vL


download by :


mb : là khối lượng bánh xe

v ,v
wR

wL

Với

Thay vào công thức (2.12),(2.13), (2.14),(2.15) ta được:

1

vt = 2 (0.4 +0.4) =0.4(m/s)=1.44 (km/h)

1

Ktt=

(10 ×1.442 )=10.368 (kN )

2

1

J ω=

× 0.18 × 0.052 =1.4 × 10−3 (kNm2)

2

[

(

0.

Kb= 0.18 ×0.4 2 + 0.18 × 0.42+ 1.4 ×10−3 × 0. 05

42

)+(1.4 × 10

−3

×0.05

0.42

)]=0,06656(kN )

Suy ra:
Tổng động năng của robot là:
K =K

tt

+K b=10.368+0.6656=10.43456(kN )

Thế năng của robot:
Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0.
Ngoại lực của robot:
1
Qi

M dc

M mst

M msl

M dc M dcu Rgk

Trong đó:
20

download by :