Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám theo người hỗ trợ vận chuyển hàng hóa trong nhà xưởng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT BÁM
THEO NGƯỜI HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN HÀNG HÓA
TRONG NHÀ XƯỞNG

GVHD: TS. HÀ LÊ NHƯ NGỌC THÀNH
SVTH: LƯƠNG ANH KIỆT
NGÔ VĂN HỮU LUÂN
NGUYỄN THÀNH VINH

SKL011132

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 7 năm 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
ROBOT BÁM THEO NGƯỜI
HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN HÀNG HÓA TRONG NHÀ XƯỞNG”

Giảng viên hướng dẫn: TS. HÀ LÊ NHƯ NGỌC THÀNH
Sinh viên thực hiện:

LƯƠNG ANH KIỆT

MSSV: 19146347 Lớp: 191462A

NGÔ VĂN HỮU LUÂN

MSSV: 19146352 Lớp: 191462A

NGUYỄN THÀNH VINH MSSV: 19146426 Lớp: 191462C
Khóa:

2019 - 2023

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023
i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
ROBOT BÁM THEO NGƯỜI

HỖ TRỢ VẬN CHUYỂN HÀNG HÓA TRONG NHÀ XƯỞNG”

Giảng viên hướng dẫn: TS. HÀ LÊ NHƯ NGỌC THÀNH
Sinh viên thực hiện:

Khóa:

LƯƠNG ANH KIỆT

MSSV: 19146347 Lớp: 191462A

NGƠ VĂN HỮU LUÂN

MSSV: 19146352 Lớp: 191462A

NGUYỄN THÀNH VINH

MSSV: 19146426 Lớp: 191462C

2019 – 2023

ii
Tp. Hồ Chí Minh, tháng
07 năm 2023


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Học kỳ 2 / năm học 2023
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hà Lê Như Ngọc Thành
Sinh viên thực hiện:
1. Lương Anh Kiệt

MSSV: 19146347

Điện thoại: 0398657323

2. Ngô Văn Hữu Luân MSSV: 19146352
3. Nguyễn Thành Vinh MSSV: 19146426

Điện thoại: 0332936343
Điện thoại: 0947007803

1. Mã số đề tài: 22223DT117
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám theo người hỗ trợ vận chuyển
hành lí, hàng hóa
2.
-

Các số liệu, tài iệu ban đầu:
Khối lượng 15kg

Vận tốc 5km/h
Kích thước 300x200x150mm

- Môi trường làm việc: nhà xưởng
3. Nội dung chính của đồ án:
-

Thiết kế, chế tạo robot
Thiết kế bộ điều khiển động cơ robot bám theo người

4.
5.

Các sản phẩm dự kiến:
Mơ hình robot
Cuốn báo cáo, tóm tắt
Thuật tốn điều khiển robot
Ngày giao đồ án: 22/02/2023

6. Ngày nộp đồ án: 21/07/2023
7. Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo:
Trình bày bảo vệ:

iii

Tiếng Anh



Tiếng Anh



Tiếng Việt

✓

Tiếng Việt ✓


TRƯỞNG KHOA
(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ........................................................................................................
.
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

iv


LỜI CAM KẾT
-

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám theo người hỗ trợ vận chuyển hành lí,

hàng hóa

-

GVHD: TS. Hà Lê Như Ngọc Thành
Họ tên sinh viên: Lương Anh Kiệt

-

MSSV: 19146347

-

Địa chỉ sinh viên: 5/22 Lê Văn Chí, phường Linh Trung, TP. Thủ Đức, TPHCM

-

Số điện thoại liên lạc: 0398657323
Email:
Họ tên sinh viên: Ngô Văn Hữu Luân
MSSV: 19146352
Lớp: 191462A

-

Địa chỉ sinh viên: 29/6 đường số 8, phường Linh Trung, TP. Thủ Đức, TPHCM
Số điện thoại liên lạc: 0332936343

-

Email:
Họ tên sinh viên: Nguyễn Thành Vinh
MSSV: 19146426
Lớp: 191462C

-

Địa chỉ sinh viên: 20/22/24/14 đường 160 phường Tăng Nhơn Phú A, TP Thủ Đức, TPHCM
Số điện thoại liên lạc: 0947007803

-

Email:
Ngày nộp khóa luận tốt nghiệm (ĐATN):

-

Lời cam kết: “Chúng tơi xin cam đốn khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình do
chính nhóm tơi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào

Lớp: 191462A

đã được công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 07 năm 2023
Ký tên

v

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hà Lê Như Ngọc Thành đã đồng
hành cũng chúng em từ đồ án truyền động cơ khí đến đồ án tốt nghiệp lần này. Chúng em xin gửi
lời cảm ơn chân thành đến thầy vì đã chỉ bảo tận tình chúng em. Cảm ơn thầy vì đã định hướng
cho chúng em đến đề tài tốt nghiệp lần này.
Sau đó, em xin cảm ơn đến tất cả giảng viên của bộ môn Cơ điện tử cũng như khoa Cơ
khí chế tạo máy trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã trang bị đầy đủ kiến thức cũng
như kinh nghiệm để chúng em có một nền tảng thực hiện được đồ án lần này.
Bên cạnh đó chúng em cũng xin cảm ơn tất cả các anh chị khóa trên và người chú đã hỗ
trợ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án
Cuối cũng, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Ba Mẹ, những người luôn cố gắng hỗ trợ
cho chúng em trong suốt quá trình học tập và ln ủng hộ chúng em trong các mục tiêu khác
trong tương lai.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 07 năm 2023
Nhóm thực hiện

Lương Anh Kiệt

Ngơ Văn Hữu Luân

vi

Nguyễn Thành Vinh


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong lĩnh vực vận chuyển, robot di chuyển bám theo người hỗ trợ vận chuyển hàng hóa
là một giải pháp tiềm năng để tối ưu hóa, nâng cao hiệu quả trong quá trình vận chuyển và giảm
thiểu sự phụ thuộc vào lao động.

Đề tài này sẽ tập trung vào việc thiết kế, chế tạo mơ hình robot di chuyển bám theo người
với tốc độ 5km/h, sử dụng cơ cấu cơ khí rocker-bogie tinh giản, đồng thời sử dụng hệ thống nhận
diện và và phân loại các đối tượng ‘SSD-Mobilenet’, kết hợp cùng thuật toán theo vết đối tượng
CSRT thuộc bộ cơng cụ xử lí hình ảnh OpenCV để nhận diện và theo vết đối tượng. Máy tính
nhúng Jetson Nano được sử dụng làm bộ vi xử lý trung tâm để xử lý và phân tích hình ảnh từ
camera, trong khi vi điều khiển STM32F103C8T6 được tích hợp để điều khiển các động cơ và
thiết bị ngoại vi khác. Qua việc kết hợp hai nền tảng này, nhóm đã thiết kế và triển khai một hệ
thống hoàn chỉnh có khả năng thực hiện nhận dạng hình ảnh và điều khiển động cơ một cách
chính xác và linh hoạt.
Sau khi hồn thành nghiên cứu, robot sẽ có khả vận chuyển hàng hóa và hành lí trong các
khu vực như nhà xưởng, sân bay, khu công nghiệp, trung tâm thương mại... Robot này sẽ giúp
tăng năng hiệu quả công việc trong quá trình vận chuyển, giảm thiểu sự phụ thuộc vào sức người
cũng như tối ưu hóa q trình vận chuyển hàng hóa.

vii


ABSTRACT
In the transportation field, a robot that follows a human to assist in carrying goods is a
potential solution for optimizing and enhancing efficiency during transportation while reducing
dependence on labor.
This research focuses on designing and fabricating a robot model capable of following a
human at a speed of 5 km/h, utilizing a simplified rocker-bogie mechanical mechanism.
Additionally, the robot incorporates the 'SSD-Mobilenet' object detection and classification
system, combined with the CSRT object tracking algorithm from the OpenCV image processing
toolkit, to detect and track objects. The Jetson Nano embedded computer serves as the central
processing unit to handle image processing and analysis from the camera, while the
STM32F103C8T6 microcontroller is integrated to control the motors and other peripheral
devices. By combining these two platforms, we have designed and deployed a complete system
capable of accurately and flexibly performing image recognition and motor control.

Upon completion of this study, the robot will be able to transport goods and luggage in
areas such as airports, industrial zones, shopping centers, and warehouses. This robot will
enhance work efficiency during the transportation process, reduce dependence on human labor,
and optimize the goods transportation workflow.

viii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 1
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1

1.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước............................................................... 2

1.2.1.

Các nghiên cứu liên quan trên thế giới ........................................................... 2

1.2.2.

Các nghiên cứu liên quan trong nước ............................................................. 4

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.................................................................................. 5

1.4.

Phạm vi và nội dung nghiên cứu của đề tài .............................................................. 5

1.5.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp ..................................................................................... 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ........................................................................................ 6
2.1.

Mơ hình hóa robot ..................................................................................................... 6

2.2.

Cơ cấu Rocker-Bogie tinh giản.................................................................................. 8

2.3.

Nhận dạng xử lí và theo dõi người .......................................................................... 11

2.3.1.

Kiến trúc mạng thần kinh MobileNet SSD v2 .............................................. 11

2.3.2.

Nguyên lý Maximum a Posteriori Probabilities (MAP) ............................... 15

2.4.1.

Xác định khoảng cách giữa người được bám theo và robot......................... 15

2.4.2.

Thuật tốn điều khiển robot .......................................................................... 21

2.4.3.

Tìm thơng số cho bộ điều khiển động cơ ....................................................... 24

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH . 27
3.1.

Tính tốn bền cho khung robot ............................................................................... 27

3.2.

Tính tốn chọn động cơ ........................................................................................... 28

3.3.

Chế tạo mơ hình cơ khí ............................................................................................ 29

3.3.1.

Khung sườn robot .......................................................................................... 29

3.3.2.

Thanh vi sai .................................................................................................... 31

3.3.3.

Cụm rocker..................................................................................................... 34

3.3.4.

Vỏ robot .......................................................................................................... 36

3.3.5.

Trục chính của thân robot ............................................................................. 39

3.3.6.

Cụm gá bánh tự lựa ....................................................................................... 39

3.3.7.

Bản vẽ tổng thể của robot .............................................................................. 43

3.4.

Phần điện và thiết bị điều khiển .............................................................................. 44

3.4.1.

Jetson nano developer kit A02 ....................................................................... 44
ix

3.4.2.

STM32F103C8T6 ........................................................................................... 46

3.4.3.

Driver BTS7960 .............................................................................................. 46

3.4.4.

Động cơ và mơ hình toán học của động cơ.................................................... 47

3.4.5.

Webcam Xiaomi Xiaovv XVV-6320S-USB 1080P ........................................ 50

3.4.6.

Nguồn pin ....................................................................................................... 51

3.4.7.

Mạch giảm áp 12A 200W ............................................................................... 54

3.4.8.

Cảm biến siêu âm HCSR04 ........................................................................... 55

3.5.

Thi công mạch điện cho robot ................................................................................. 56

3.6.

Thiết kế bộ điều khiển ............................................................................................. 57

3.6.1.

Lưu đồ bộ điều khiển PID ............................................................................. 57

3.6.2.

Lưu đồ bộ phận xử lí ảnh và theo dõi ........................................................... 68

3.6.3.

Lưu đồ tổng của hệ thống .............................................................................. 73

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......................................................................... 74
4.1.

Kết quả thực nghiệm................................................................................................ 74

4.2.

Nhận xét kết quả ...................................................................................................... 76

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................... 77

5.1.

Kết luận .................................................................................................................... 77

5.2.

Hướng phát triển ..................................................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 79
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 80

x


Phụ lục hình ảnh
Hình 1. 1: Robot vận chuyển cơng nghiệp ................................................................................. 1
Hình 1. 2: Robot VMR-01 tại Trung tâm khơng gian mạng Viettel (VTCC) [5] ........................ 4
Hình 2. 1: Mơ hình chuyển động trong mặt phẳng của robot ..................................................... 6
Hình 2. 2: Cơ cấu Rocker-Bogie ............................................................................................... 8
Hình 2. 3: Robot thám hiểm sao hỏa sử dụng cơ cấu Rocker-Bogie .......................................... 9
Hình 2. 4: Cơ cấu đơn giản của Rocker-Bogie........................................................................... 9
Hình 2. 5: Cơ cấu thanh vi sai ................................................................................................. 10
Hình 2. 6: Robot khi khơng có thanh vi sai ............................................................................. 10
Hình 2. 7: Cơ cấu hoạt động thanh vi sai ................................................................................. 11
Hình 2. 8: Độ chính xác và độ trễ của hai phiên bản................................................................ 12
Hình 2. 9: Mơ hình kết hợp kiến trúc mạng MobileNet và SSD............................................... 13
Hình 2. 10: Tổng quan về ứng dụng LiDAR trong hệ thống xe tự hành ................................... 16
Hình 2. 11: Cảm biến LiDAR được trang bị trên một xe hơi tự lái .......................................... 17
Hình 2. 12: Ứng dụng RADAR trên robot để xác định khoảng cách........................................ 17
Hình 2. 13: Intel RealSense D435 Depth Camera .................................................................... 18

Hình 2. 14: Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm .......................................................... 19
Hình 2. 15: Bộ điều khiển PID ................................................................................................ 22
Hình 2. 16: Điều khiển tốc độ động cơ của robot .................................................................... 23
Hình 2. 17: Đáp ứng vận tốc của động cơ DC Servo ............................................................... 24
Hình 2. 18: Đáp ứng bộ hiệu chỉnh PID của Ziegler-Nichols 2 ................................................ 26
Hình 3. 1: Trục chính chịu lực ................................................................................................. 27
Hình 3. 2: Phân tích lực tác động lên trục ................................................................................ 27
Hình 3. 3: Phân tích lực robot ................................................................................................. 29
Hình 3. 4: Nhơm định hình 20x20 ........................................................................................... 30
Hình 3. 5: Ke vng góc 2020................................................................................................. 30
Hình 3. 6: Lắp ghép nhơm định hình bằng ke vng góc ......................................................... 30
Hình 3. 7: Vị trí lắp cơ cấu Rocker và thân robot .................................................................... 31
Hình 3. 8: Vị trí thanh vi sai được lắp trên xe .......................................................................... 31
Hình 3. 9: Hoạt động của cơ cấu rocker .................................................................................. 32
Hình 3. 10: Bạc đạn mắt trâu................................................................................................... 32


Hình 3. 11: Thiết kế thanh vi sai bằng phần mềm Solidworks ................................................. 33
Hình 3. 12: Lập trình gia cơng bằng phần mềm Mastercam ..................................................... 33
Hình 3. 13: Mơ phỏng q trình gia cơng ................................................................................ 34
Hình 3. 14: Cụm Rocker ......................................................................................................... 34
Hình 3. 15: Thành phần rocker trong cụm rocker .................................................................... 35
Hình 3. 16: Kích thước cung cấp cho bên gia cơng.................................................................. 35
Hình 3. 17: Bạc đạn 6900 ........................................................................................................ 36
Hình 3. 18: Bánh xe tự lựa ...................................................................................................... 36
Hình 3. 19: Bản vẽ thiết kế vỏ robot ........................................................................................ 37
Hình 3. 20: Tấm phíp Cam tĩnh điện ....................................................................................... 37
Hình 3. 21: Máy phay CNC gia cơng vỏ robot ........................................................................ 38
Hình 3. 22: Robot sau khi lắp vỏ ............................................................................................. 38
Hình 3. 23: Cố định cụm rocker .............................................................................................. 39

Hình 3. 24: Bánh tự lựa ........................................................................................................... 40
Hình 3. 25: Thành phần cụm gá bánh tự lựa 1 ......................................................................... 40
Hình 3. 26: Thành phần cụm nối bánh tự lựa 2 ........................................................................ 41
Hình 3. 27: Thiết kế cụm nối bánh tự lựa ................................................................................ 41
Hình 3. 28: Cụm nối thành phần thứ 2..................................................................................... 42
Hình 3. 29: Cụm nối thành phần thứ 1..................................................................................... 42
Hình 3. 30: Lắp ghép hồn chỉnh cụm nối ............................................................................... 43
Hình 3. 31: Mơ hình hồn chỉnh .............................................................................................. 43
Hình 3. 32: STM32F103CT6 .................................................................................................. 46
Hình 3. 33: Driver điều khiển động cơ BTS 7960.................................................................... 47
Hình 3. 34: Mơ hình điện của động cơ DC Servo .................................................................... 48
Hình 3. 35: Sơ đồ khối của động cơ DC Servo ........................................................................ 49
Hình 3. 36: Webcam Xiaomi Xiaovv XVV-6320S-USB 1080P ............................................... 50
Hình 3. 37: Pin Lithium LifePO4 12V 12Ah ........................................................................... 54
Hình 3. 38: Mạch giảm áp 12A 200W ..................................................................................... 54
Hình 3. 39: Cảm biến siêu âm HC-SR04 ................................................................................. 55
Hình 3.40: Sơ đồ ngun lí mạch điện robot ........................................................................... 56
Hình 3. 41: Dây dẫn 0.5mm2 ................................................................................................... 56
Hình 3. 42: Dây tín hiệu .......................................................................................................... 57
Hình 3. 43: Lưu đồ điều khiển của subMCU ........................................................................... 57
Hình 3. 44: Lưu đồ điều khiển................................................................................................. 59
Hình 3. 45: Lưu đồ điều khiển robot ....................................................................................... 60


Hình 3. 46: Lưu đồ hoạt động của hàm PID ............................................................................ 61
Hình 3. 47: System and Identification toolbox ........................................................................ 62
Hình 3. 48: Kết quả hàm truyền động cơ trái ........................................................................... 63
Hình 3. 49: Đồ thị hàm truyền động cơ trái ............................................................................. 63
Hình 3. 50: Kết quả hàm truyền động cơ phải ......................................................................... 64
Hình 3. 51: Đồ thị hàm truyền động cơ phải............................................................................ 64

Hình 3. 52: Mơ phỏng đáp ứng vận tốc của động cơ với bộ điều khiển PID ............................ 65
Hình 3. 53: Đáp ứng vận tốc của động cơ bên trái qua ba bộ điều khiển P, PI và PID .............. 66
Hình 3. 54: Đáp ứng vận tốc của động cơ bên phải qua ba bộ điều khiển P, PI và PID ............ 66
Hình 3. 55: Lưu đồ PID cân bằng 2 động cơ ........................................................................... 68
Hình 3. 56: Lưu đồ nhận diện.................................................................................................. 69
Hình 3. 57: Giao diện tải xuống của thư viện NIVIDIA Hello AI World................................ 710
Hình 3. 58: Thuật toán CSRT đang theo vết đối tượng được chỉ định .................................... 731
Hình 3. 59: Hiển thị của chương trình xử lí hình ảnh…………………………………………..732
Hình 3. 60: Biểu đồ giá trị khoảng cách đo được trong quá trình theo vết đối tượng………….732
Hình 3. 61: Lưu đồ tổng hợp của tồn bộ hệ thống…………………………………………….733

Hình 4. 1: Mơ hình robot thực tế ............................................................................................. 74
Hình 4. 2: Nhận diện của robot ............................................................................................... 74
Hình 4. 3: Tốc độ đáp ứng động cơ bên trái............................................................................. 75
Hình 4. 4: Tốc độ đáp ứng của động cơ bên phải ..................................................................... 75
Hình 4.5: Tốc độ đáp ứng của robot……………………………………………………………76


Phụ lục bảng
Bảng 1: Một số loại robot vận chuyển hàng di chuyển bằng bánh xe ........................................ 2
Bảng 2: Công thức xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols
thứ nhất................................................................................................................................... 25
Bảng 3: Công thức xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegle-Nichols thứ
hai........................................................................................................................................... 26
Bảng 4: Các phiên bản của máy tính nhúng Jetson ................................................................. 44
Bảng 5: Thông số kỹ thuật Jetson Nano .................................................................................. 45
Bảng 6: Thông số kỹ thuật Driver BTS 7960 ........................................................................... 47
Bảng 7: Thông số kỹ thuật Webcam Xiaomi Xiaovv XVV-6320S-USB 1080P .......................... 50
Bảng 8: Các loại pin sạc phổ biến hiện nay ............................................................................ 51
Bảng 9: Thông số kỹ thuật của HC-SR04 ................................................................................ 55

Bảng 10: Thông số bộ điều khiển PID theo Ziegler–Nichols thứ nhất của động cơ trái ........... 65
Bảng 11: Thông số bộ điều khiển PID theo Ziegler–Nichols thứ nhất của động cơ phải .......... 65


Danh mục từ viết tắt
ADAS

Advanced Driver Assistance Systems

AI

Artificial Intelligence

ARM

Adaptive Multi-Rate

ASRS

Automated Storage and Retrieval Systems

AVG

Automated guided vehicle system

CNC

Computerized Numerical Control

COCO

Common Objects in Context

CSI

Camera Serial Interface

CSRT

Channel and Spatial Reliability Tracker

DC

Direct Current

FPS

Frames Per Second

GPIO

General Purpose Input/Output

GPS

Global Positioning System

HDMI

High-Definition Multimedia Interface

IC

Integrated Circuit

LiDAR

Light Detection and Ranging

MAP

Maximum a Posteriori Probabilities

MCU

Microcontroller Unit

PID

Proportional-Integral-Derivative

PWM

Pulse Width Modulation

RADAR

Radio Detection and Ranging

SDK

Software Development Kit

SPI

Serial Peripheral Interface

SSD

Single-shot Detector

TOF

Time-of-Flight


UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

VGG

Visual Geometry Group

VOC

Visual Object Classes

YOLO

You Only Look Once


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài
Việc vận chuyển hàng hóa trong các khu vực như nhà kho, phân xưởng, sân bay, ... đòi

hỏi sự linh hoạt và nhanh chóng để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Nhưng thực tế q
trình vận chuyển hàng hóa từ nơi này đến nơi khác hiện tại vẫn chưa tối ưu và còn chưa được
phổ biến rộng rãi. Vì vậy, nghiên cứu và phát triển các cơng nghệ tự động hóa trong lĩnh vực vận
chuyển hàng hóa là điều cấp thiết. Việc sử dụng robot để hỗ trợ việc vận chuyển hàng hóa, hành
lí sẽ giúp tối ưu hóa q trình vận chuyển, giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động tay chân và tăng
hiệu quả công việc.

Hình 1. 1: Robot vận chuyển cơng nghiệp
Thế nhưng, chúng ta lại có thể gặp một vài vấn đề khi sử dụng một hệ thống toàn bộ là
robot để giảm sự phụ thuộc vào sức lao động của con người trong việc sắp xếp hàng hóa đó là
giá thành cực kì cao đi đơi với việc cần có một đội hỗ trợ về kĩ thuật cho hệ thống sắp xếp tự
động đó. Giải pháp phù hợp và tối ưu cho vấn đề này là sử dụng kết hợp robot và con người.
Triển khai sử dụng các loại robot hỗ trợ cho con người việc khuân vác các kiện hàng còn con
người sẽ đảm nhận việc sắp xếp hàng hóa. Từ đó, robot giúp tiết kiệm được thời gian và sức lực
do việc kéo hàng hóa và sắp xếp chúng.
Với sự phát triển của cơng nghệ, robot vận chuyển hàng hóa, hành lí được tin tưởng sử
dụng ngày càng nhiều trong hầu hết các hoạt động về sản xuất và dịch vụ. Tuy nhiên, ở Việt Nam,
nhiều khu vực còn gặp khó khăn về cơ sở hạ tầng và địa hình khơng bằng phẳng, gây khó khăn
cho việc di chuyển của các robot hiện có trên thị trường.
1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Với mục đích giải quyết vấn đề này, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot bám
theo người hỗ trợ vận chuyển hành lí, hàng hóa" được phát triển, robot có khả năng di chuyển
qua các địa hình khơng bằng phẳng một cách linh hoạt. Robot có thể tự động theo người hỗ trợ
để chuyển hàng hóa, robot cịn có khả năng đảm bảo khoảng cách giữa robot và người để tránh
việc va chạm.
1.2.
1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Các nghiên cứu liên quan trên thế giới
Ở các nước đi đầu trong việc phát triển robot, việc sử dụng robot vận chuyển hàng hóa đã

và đang trở nên phổ biến trong các nhà máy, kho bãi, trung tâm thương mại và các cơng ty sản
xuất. Chúng cung cấp một số lợi ích quan trọng như tiết kiệm thời gian, công sức, tiết kiệm chi
phí nhân sự theo thời gian, giảm thiểu rủi ro về sức khỏe và tai nạn lao động... Dưới đây là bảng
một số loại robot di động di chuyển bằng bánh xe nổi bật đã được ứng dụng vào các hoạt động
vận chuyển hàng hóa trong phân xưởng, nhà máy, các trung tâm thương mại và được sử dụng
rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới.
Bảng 1: Một số loại robot vận chuyển hàng di chuyển bằng bánh xe
Loại robot
Automated Guided Vehicle (AGV)

Đặc điểm
AGV là một loại robot di chuyển
trên bánh xe được sử dụng để chuyên chở
hàng hóa trong phân xưởng. AGV có thể
được lập trình để di chuyển trên các
đường đi cố định hoặc được điều khiển

bằng máy tính để di chuyển đến các vị trí
được chỉ định. [1]

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Autonomous Mobile Robot (AMR)

AMR là một loại robot tự hành được
trang bị bánh xe và được sử dụng để
chuyên chở hàng hóa trong phân xưởng.
AMR có khả năng tự động tìm đường đi
và tránh các vật cản, và có thể được lập
trình nhằm thực hiện nhiều nhiệm vụ
khác nhau. [2]

Omni-Directional Mobile Robot

Loại robot này được thiết kế với cơ
cấu bánh xe có khả năng nhiều hướng
khác nhau v à có khả năng quay vịng tại
chỗ. Omni-Directional Mobile Robot
thường được sử dụng để chuyên chở
hàng hóa nhẹ trong phân xưởng. [3]

Automated Storage and Retrieval
System (ASRS)

Đây là một hệ thống tự động được sử

dụng để lưu trữ và chuyển đổi hàng hóa
trong phân xưởng. Hệ thống ASRS bao
gồm các robot di chuyển trên bánh xe để
lấy và đặt hàng hóa từ các kệ chứa hàng.
[4]

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.2.2.

Các nghiên cứu liên quan trong nước

Robot vận chuyển hàng hóa là một trong những ứng dụng của cơng nghệ tự động hóa
trong lĩnh vực logistics, đang được quan tâm và phát triển tại Việt Nam. Đây là một lĩnh vực mới
tại Việt Nam nhưng đã có những bước phát triển đáng kể trong thời gian gần đây.
Hiện nay, tại Việt Nam, các nhà sản xuất và nhà cung cấp robot vận chuyển hàng bằng
bánh xe như Viettel, FPT, Vintech, Homa... đang phát triển và cung cấp các sản phẩm robot vận
chuyển hàng như AGV (Automated Guided Vehicle) và AMR (Autonomous Mobile Robot) cho
các doanh nghiệp và các kho hàng.

Hình 1. 2: Robot VMR-01 tại Trung tâm không gian mạng Viettel (VTCC) [5]
Robot vận chuyển hàng bằng bánh xe được ứng dụng rộng rãi trong các kho hàng, nhà
máy sản xuất và các trung tâm logistics tại Việt Nam để tăng năng suất, giảm chi phí và nâng cao
chất lượng dịch vụ. Ngồi ra, với sự phát triển của thị trường thương mại điện tử tại Việt Nam,
các doanh nghiệp điện tử cũng đang sử dụng robot vận chuyển hàng để cải thiện quy trình vận
chuyển và đáp ứng nhu cầu giao hàng nhanh và chính xác cho khách hàng. Tuy nhiên, việc áp
dụng cơng nghệ robot vận chuyển hàng bằng bánh xe tại Việt Nam vẫn còn đối mặt với một số
thách thức như chi phí đầu tư ban đầu cao, cần phải có hệ thống cơ sở hạ tầng phù hợp và chính

sách hỗ trợ từ phía chính phủ.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.3.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Thiết kế, chế tạo một mơ hình robot di động có khả năng nhận diện và di chuyển bám theo
người với tốc độ 5km/h.
1.4.

Phạm vi và nội dung nghiên cứu của đề tài

Thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình cơ khí của xe robot di chuyển theo
người, robot có thể mang tải có khối lượng 5kg và di chuyển với tốc độ 5km/h, có thể di chuyển
trong nhà xưởng, sân bay.
Thực hiện thiết kế hệ thống điện cho mơ hình robot dựa trên các linh kiện có sẵn trên thị
trường.
Tính tốn hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển ổn định cho hai động cơ của robot.
Tìm hiểu và ứng dụng hệ thống nhận diện và và phân loại các đối tượng ‘SSD-Mobilenet’,
kết hợp cùng thuật tốn theo vết đối tượng CSRT thuộc bộ cơng cụ xử lí hình ảnh OpenCV để
nhận diện và theo dõi đối tượng.
1.5.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Đồ án tốt nghiệp bao gồm 5 chương, trong đó chương 1 nói về các vấn đề nghiên cứu

trong và ngồi nước; chương 2 nói về các cở sở lí thuyết sử dụng trong đề tài; chương 3 trình
bày về các phân tích và tính tốn các thơng số để đáp ứng được các thơng số ban đầu đưa ra và
q trình thiết kế và thi cơng mơ hình cơ khí cho robot; chương 4 và 5 nói về các kết quả đạt
được trong đề tài và các hướng phát triển.

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1.

Mơ hình hóa robot

Robot giao hàng sử dụng cơ cấu Rocker- Bogie tinh giản sử dụng hai động cơ để
di chuyển. Khi robot di chuyển thì tốc độ của các bánh mỗi bên phải đồng bộ với nhau.
Mơ hình robot di chuyển trên mặt phẳng xOy và chuyển hướng theo góc định hướng 𝜑
được phác họa như bên dưới

Hình 2. 1: Mơ hình chuyển động trong mặt phẳng của robot
Hình trên cho thấy các tham số được sinh ra trong một mơ hình chuyển động của
mobile robot, trong đó:
L: chiều rộng của thân robot
𝜑: góc xoay của robot từ vị trí hiện tại đến vị trí đích
𝜔: tốc độ chuyển hướng của robot
𝑟: bán kính bánh xe
Từ mơ hình động của robot, ta có:

6

Vận tốc mỗi bên của robot:
𝑤𝑙
2
{
𝑤𝑙
𝑣𝑟 = 𝑣 −
2

(1)

𝑣𝑙 = 𝑟𝜔𝑙
{𝑣 = 𝑟𝜔
𝑟
𝑟

(2)

𝑣𝑙 = 𝑣 +

Mà

Từ (1) và (2) chúng ta có phương trình vận tốc:
2𝑣 + 𝜔𝑙
2𝑟
{
2𝑣 + 𝜔𝑟
𝜔𝑟 =
2𝑟
𝜔𝑙 =

(3)

Từ (1), vận tốc dài và vận tốc gốc của robot được biểu diễn như sau:
1
(𝑣 + 𝑣𝑟 )
2 𝑙
{
1
𝜔 = (𝑣𝑙 − 𝑣𝑟 )
2
𝑣=

(4)

Phương trình động học của mobile robot:
𝑥̇ = 𝑣𝑐𝑜𝑠𝜙
{ 𝑦̇ = 𝑣𝑠𝑖𝑛𝜙
𝜙̇ = 𝜔

(5)

Từ (4) và (5) ta có:
1
(𝑣 + 𝑣𝑟 )𝑐𝑜𝑠𝜙
2 𝑙
1
𝑦̇ = (𝑣𝑙 + 𝑣𝑟 )𝑠𝑖𝑛𝜙
2
1
̇ = (𝑣𝑟 − 𝑣𝑙 )

𝜙
{
𝐿
𝑥̇ =

7

(6)


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Từ (2) và (6) ta có:
𝑅
(𝜔 + 𝜔𝑟 )𝑐𝑜𝑠𝜙
2 𝑙
𝑅
𝑦̇ = (𝜔𝑙 + 𝜔𝑟 )𝑠𝑖𝑛𝜙
2
𝑅
̇ = (𝜔𝑟 − 𝜔𝑙 )
𝜙
{
𝐿
𝑥̇ =

(7)

Với cơ cấu thông thường, để thay đổi hướng chuyển động ta cần phải sử dụng thêm cơ
cấu lái được gắn vào hai bánh trước. Tuy nhiên, với việc trang bị hai bánh xe tự lựa thì để điều
khiển robot quay chỉ cần điều chỉnh vận tốc hai bánh đẩy.

2.2.

Cơ cấu Rocker-Bogie tinh giản
Cơ cấu Rocker-Bogie được sử dụng bởi NASA trong chiến dịch thám hiểm sao hỏa. Cơ

cấu được trang bị cho robot mang tên “Spirit” và “Opportunity”. Robot này có nhiệm vụ di
chuyển trên sao hỏa để thu thập các mẫu đá và các mẫu vật thể cần thiết cho việc nghiên cứu về
sự tồn tại của sự sống trên bề mặt sao hỏa. [6]

Hình 2. 2: Cơ cấu Rocker-Bogie

8