Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot cung cấp nguyên vật liệu tự động cho các trạm sản xuất lắp ráp trong nhà máy công nghiệp

Luận văn thạc sĩ
MỤC LỤC
MỤC LỤC -------------------------------------------------------------------------------- 1
Lời cam đoan ----------------------------------------------------------------------------- 3
Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt -------------------------------------------------------- 4
Danh mục các bảng ---------------------------------------------------------------------- 5
Danh mục các hình vẽ ------------------------------------------------------------------- 5
MỞ ĐẦU --------------------------------------------------------------------------------- 7
Lý do chọn đề tài ------------------------------------------------------------------------ 7
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn ------------------------- 7
Tóm tắt cơ bản --------------------------------------------------------------------------- 7
Phương pháp nghiên cứu --------------------------------------------------------------- 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT -------------------------------------------- 9
1.1

Sơ lược về Robot ----------------------------------------------------------------- 9

1.1.1

Lịch sử phát triển --------------------------------------------------------------- 9

1.1.2

Các dạng robot và ứng dụng -------------------------------------------------10

1.2

Robot tự hành --------------------------------------------------------------------13

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO ROBOT -------------------------15
2.1

Xây dựng mô hình ---------------------------------------------------------------15

2.2

Động cơ ---------------------------------------------------------------------------19

2.2.1

Các loại động cơ ---------------------------------------------------------------19

2.2.2

Công suất động cơ ------------------------------------------------------------20

2.2.3

Điều khiển động cơ -----------------------------------------------------------23

2.3

Cảm biến, hiển thị và phương pháp điều khiển ------------------------------25

2.3.1

Cảm biến dò đường -----------------------------------------------------------25

2.3.2

La bàn số -----------------------------------------------------------------------29

2.3.3

Cảm biến tiệm cận ------------------------------------------------------------30

2.3.4

Màn hình hiển thị LCD -------------------------------------------------------31

2.3.5

Cảm biến siêu âm -------------------------------------------------------------33

2.3.6

Bộ thu phát nRF24L01+ -----------------------------------------------------36

Nguyễn Văn Xô

1


Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ROBOT -------------39
3.1

Phần mềm điều khiển hệ thống ------------------------------------------------39

3.1.1

Lập trình ngôn ngữ C++ trên Visual Studio -------------------------------39

3.1.2

Sơ đồ khối và lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống---------------------40

3.1.3

Giao diện điều khiển hệ thống. ----------------------------------------------45

3.2

Module Arduino -----------------------------------------------------------------45

3.2.1

Giới thiệu Arduino ------------------------------------------------------------45

3.2.2

Cấu trúc Arduino --------------------------------------------------------------48

3.2.3

Môi trường lập trình bo mạch Arduino-------------------------------------49

3.2.4

Lập trình điều khiển động cơ sử dụng Timer/Counter. ------------------50

3.2.5

Lập trình giao tiếp ngoại vi để điều khiển robot. -------------------------56

3.2.6

Sơ đồ khối và lưu đồ thuật toán điều khiển Robot ------------------------64

CHƯƠNG IV ----------------------------------------------------------------------------69
KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN --------------------------------------------69
TÀI LIỆU THAM KHẢO -------------------------------------------------------------70
PHỤ LỤC --------------------------------------------------------------------------------71

Nguyễn Văn Xô

2


Luận văn thạc sĩ

Lời cam đoan
Tôi tên là Nguyễn Văn Xô học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B.
Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot cung cấp nguyên vật liệu tự động
cho các trạm sản xuất lắp ráp trong nhà máy công nghiệp.
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Chí Hưng
Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính
tác giả thực hiện.

Hà Nội, ngày 21 tháng 9 năm 2015

Tác giả luận văn:

Nguyễn Văn Xô

Nguyễn Văn Xô

3


Luận văn thạc sĩ
Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt
AGV

Autonomous Guided Vehicles

PID

Propotional Integral Derivative

AUV

Autonomous Underwater

PWM

Pulse Width Modulation

Vehicles
CE

Chip Enable

R/W

Read/Write

CIM

Computer Intergrated

SCK

Serial Clock (SPI)

Manufacturing
CNC

Computer Numerial Control

SCL

Serial Clock (I2C)

COM

Compare Output Match

SDA

Serial Data

CS

Clock Select

SECS

SEMI Equipment
Communications Standard

GND

Ground

SEMI

Semiconductor Equipment and
Material International

H/L

High/Low

SPI

Serial Peripheral Interface

HSMS

High speed SECS Message

SS

Slave Select

Services
I/O

Input/Output

T/C

Timer/Counter

I2C

TwoWire Serial Intereafce

TCCR

Timer/Counter Control Register

ICP

Input Capture Pin

TCNT

ICR

Input Capture Register

TCP

Transmission Control Protocol

IRQ

Interrupt Request

TIFR

Timer/Counter Interrupt Flag
Register

LCD

Liquid Crystal Display

TIMSK Timer Interrupt Mask Register

LSB

Least Significant Bit

TWI

TwoWire Serial Intereafce

UART

Universal Asynchronous Receiver

MEMS Micro Electro Mechanical
System

Transmitter

MFC

Microsoft Foundation Class

UAV

Unmanned Arial Vehicles

MISO

Master Input / Slave Output

WGM

Waveform Generating Mode

MOSI

Master Output / Slave Input

OC

Ouput Compare

MSB

Most Significant Bit

OCR

Ouput Compare Register

Nguyễn Văn Xô

4


Luận văn thạc sĩ
Danh mục các bảng
Bảng 1 : Chức năng các chân của LCD
Bảng 2. Bố trí chân PWM trên Arduino
Bảng 3. Bảng chế độ chọn xung nhịp của bộ timer
Bảng 4. Các chế độ điều khiển PWM
Bảng 5. Ngắt ngoài trên Arduino.
Bảng 6. Các thanh ghi của HMC5883L

Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1. Robot hàm điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi .
Hình 1.2. Robot gỡ bom, mìn trong quân sự.
Hình 1.3. Ứng dụng trong không gian
Hình 2.1. Một số loại khay đựng linh kiện trong lắp ráp công nghiệp
Hình 2.2. Mô hình kết cấu robot

Hình 2.3. Sử dụng băng tải trong dây chuyền sản xuất
Hình 2.4. Phần đế lắp nguồn và mạch điều khiển robot
Hình 2.5. Băng tải chuyển vật liệu
Hình 2.6. Mô hình robot thực tế.
Hình 2.7. Cấu tạo encoder
Hình 2.8. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder.
Hình 2.9. Robot di chuyển theo vạch
Hình 2.10. Một số cảm biến và nguyên lý nhận diện vạch trắng
Hình 2.11. Cách bố trí 6 cảm biến dò đường.
Hình 2.12. Các trường hợp có thể có với 6 cảm biến
Hình 2.13. Sự thay đổi điện trở dưới tác dụng của từ trường
Hình 2.14. Sơ đồ khối và giao tiếp I2C của HMC5883L
Hình 2.15. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo cảm biến tiệm cận cảm ứng
Hình 2.16. Sơ đồ chân của LCD
Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm.
Hình 2.18. Module SRF05
Hình 2.19. Biểu đồ thời gian hoạt động của SRF05

Nguyễn Văn Xô

5


Luận văn thạc sĩ
Hình 2.20. Module nRF24L01+
Hình 2.21. Sơ đồ khối chức năng nRF24L01+.
Hình 3.1. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống.
Hình 3.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống.
Hình 3.3. Sơ đồ khối nhà máy
Hình 3.4. Log file hệ thống robot

Hình 3.5. Giao diện điều khiển hệ thống
Hình 3.6. Một số loại module Arduino.
Hình 3.7. Một số ứng dụng của Arduino
Hình 3.8. Giao diện Arduino IDE
Hình 3.9. Chế độ Fast PWM và Phase Correct PWM.
Hình 3.10. Mạng TWI (I2C) với nhiều thiết bị.
Hình 3.11. Sơ đồ khối mạch điều khiển robot
Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán điều khiển robot.
Hình 3.13. Sơ đồ khối mạch điều khiển hệ thống.
Hình 3.14. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

Nguyễn Văn Xô

6


Luận văn thạc sĩ
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Nền công nghiệp thế giới hiện nay đang ngày càng phát triển, các hệ thống máy
móc dây chuyền sản xuất được hiện đại hoá, chuyên môn hoá chức năng để thực hiện
các nhiệm vụ và yêu cầu sản xuất khác nhau. Các vấn đề tự động điều khiển và các
thiết bị tự động hoá được đặt lên hàng đầu trong quá trình nghiên cứu cũng như ứng
dụng công nghệ mới vào trong sản xuất. Nó đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo,
sự chính xác của hệ thống ngày một cao hơn để có thể đáp ứng được nhu cầu về số
lượng, chất lượng, thẩm mỹ và nhu cầu giải phóng sức lao động của con người, nâng
cao hiệu quả lao động sản xuất. Với sự phát triển của các dây chuyền sản xuất tự động
hoá thì robot cũng ngày càng được sử dụng nhiều trong quá trình sản xuất.
Việt Nam hiện nay thu hút được rất nhiều nhà đầu tư nước ngoài. Các nhà máy
chế tạo và lắp ráp linh kiện với mức độ tự động hóa cao được xây dựng khắp nơi. Tuy

nhiên mối quan tâm chủ yếu vẫn là việc tự động hóa dây chuyền lắp ráp còn việc vận
chuyển nguyên vật liệu giữa các thiết bị, các line sản xuất chưa được quan tâm nhiều;
chỉ có một vài công ty áp dụng nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Trước những nhu cầu
thực tiễn sản xuất cần cải tiến tự động hóa cung cấp nguyên vật liệu tác giả đã quyết
định nghiên cứu chế tạo và phát triển hệ thống robot tự hành cung cấp nguyên vật liệu
tự động cho các trạm lắp ráp sản phẩm trong công nghiệp.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục đích: Thiết kế robot vận chuyển nguyên vật liệu trong nhà máy và xây dựng
hệ thống điều khiển, theo dõi hoạt động của các robot.
Đối tượng nghiên cứu: Robot vận chuyển nguyên vật liệu.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển hệ thống robot vận chuyển nguyên
vật liệu tự động trong nhà máy.

Tóm tắt cơ bản
Luận văn được trình bày gồm 4 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan robot và việc áp dụng robot vào thực tế.
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết và tính toán thiết kế phần cứng cho robot.

Nguyễn Văn Xô

7


Luận văn thạc sĩ
Từ yêu cầu chức năng của robot xây dựng kết cấu, chọn động cơ, các loại cảm
biến và phương pháp điều khiển robot.
Chương 3: Thuật toán và lập trình điều khiển robot.
Dựa vào thực tiễn xác định các yêu cầu, chức năng của robot và hệ thống điều
khiển. Từ đó xây dựng thuật toán điều khiển cho robot và hệ thống.

Chương 4: Kết quả và hướng phát triển của đề tài.

Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kinh nghiệm
thực tiễn sản xuất:
Luận văn nghiên cứu về các loại robot tự hành, các loại cảm biến cần thiết cho
hoạt động và phương pháp điều khiển robot.
Dựa vào quá trình thực tế sản xuất đề ra các yêu cầu cho robot và xây dựng phần
mềm điều khiển hệ thống robot có thể liên kết với hệ thống sản xuất.

Nguyễn Văn Xô

8


Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1

Sơ lược về Robot

1.1.1 Lịch sử phát triển
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng
sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở NewYork vào ngày 09/10/1922
trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết
năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công
việc lao dịch. Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng
dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu
Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm

đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những
động cơ điện kết hợp với các công tắc hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế
tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên
khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời
tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển.
Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị
biết đi có bốn chân sử dụng động cơ đốt trong có công suất 100 mã lực. Năm 1969
viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford đã thiết kế robot Shakey di động tinh
vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình
ảnh để nhận dạng đối tượng. Robot này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng
bằng camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối
tượng.
Năm 1952 máy điều khiển trương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công
Nghệ Massachustts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế
robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát
minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình. Joseph Engelberger, người mà
ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng
Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những thế
hệ robot điều khiển theo chương trình. Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa

Nguyễn Văn Xô

9


Luận văn thạc sĩ
vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong
không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan không gian
NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả. Một thành tựu khoa học công nghệ
đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng

Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất.
Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của
“cánh tay cơ khí” đối với sản xuất nó mang lại lợi ích to lớn, cũng chính vì vậy mà đôi
khi ta gặp thuật ngữ người máy - tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình
về robot.
Ngày nay có rất nhiều robot hoạt động hoàn toàn tự động theo các chương trình
đã được lập trình sẵn. Tuy nhiên có rất nhiều công việc phức tạp cần có sự điều khiển
mềm dẻo linh hoạt của con người. Ngoài ra các robot còn có thể tiếp cận những vị trí
mà con người khó có thể thực hiện được hay trong các môi trường độc hại nguy hiểm;
con người sẽ phải vận hành các robot này ở các vị trí cách xa môi trường làm việc.
Theo dự đoán trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một
robot cá nhân như nhu cầu một máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một
cuộc cách mạng lớn sau Internet. Với xu hướng này, cùng các ứng dụng truyền thống
khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt là trong an
ninh quốc phòng thì thị trường robot sẽ vô cùng to lớn.

1.1.2 Các dạng robot và ứng dụng
Robot đã có những bước tiến đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên
được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm
những công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu sử dụng
ngày càng nhiều trong quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có
những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ
khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm
sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng đang là động lực
cho sự phát triển của ngành công nghiệp robot.
Có thể kể đến những loại robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua là: tay
máy robot (Robot Manipulators), robot di động (Mobile Robots), robot phỏng sinh

Nguyễn Văn Xô

10


Luận văn thạc sĩ
học (Bio Inspired Robots) và robot cá nhân (Personal Robots). Robot di động được
nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles),
robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), robot tự hành trên
không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và robot vũ trụ (Space robots). Với robot
phỏng sinh học, các nghiên cứu trong thời gian qua tập trung vào hai loại chính là
robot đi bộ(Walking robot) và robot dáng người (Humanoid robot). Bên cạnh đó các
loại robot phỏng sinh học như cá dưới nước, các cấu trúc chuyển động phỏng theo
sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu, phát triển. Dưới đây là một số ứng
dụng điển hình của robot.
Ứng dụng trong sản xuất:
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nghiều nghành công nghiệp. Những ứng
dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot
nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp
nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn,
trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước (Hình 1.1).

Hình 1.1. Robot hàm điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi .
Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy
công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, sơn, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra
khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian.
Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn toàn, ở đó
một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can

Nguyễn Văn Xô

11


Luận văn thạc sĩ
thiệp của con người vào quá trình sản xuất. Hãy thử hình dung một môi trường sản
xuất tự động hoàn toàn từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người
ta thiết kế ra sản phẩm. Sau đó đặt vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến
lược đường đi của chi tiết trong nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia
công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy gia công CNC và các robot hỗ
trợ.
Ứng dụng trong y học:
Ngày nay với sự trợ giúp của hệ thống máy tính và robot teleoperation các
phương pháp phẫu thuật từ xa đã nhanh chóng được phát triển. Phương pháp này còn
cho phép các bác sĩ có thể trao đổi chuyên môn y tế trên toàn thế giới. Ngoài ra các
dụng cụ phẫu thuật được thiết kế nhỏ gọn không gây các vết thương lớn. Tuy nhiên độ
chính xác của hệ thống thì vẫn còn đòi hỏi sự phát triển hơn nữa của công nghệ nên
chưa thể thay thế hoàn toàn sự có mặt của con người.
Ứng dụng trong quân sự:
Các hệ thống robot với kích thước và thiết kế hợp lý có thể tiến sâu và thăm dò
thông tin đối phương đóng góp một phần lớn trong chiến đấu. Các thông tin được
phản hồi về sẽ được phân tích từ đó có thể giảm được các nguy cơ rủi do trong tác
chiến. Ví dụ như các máy bay do thám, máy bay tàng hình không người lái điều khiển
từ xa; các robot gỡ bom, mìn (Hình 1.2); các robot do thám cỡ nhỏ…

Hình 1.2. Robot gỡ bom, mìn trong quân sự.

Nguyễn Văn Xô

12

Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng trong khoa học vũ trụ:
Trong không gian việc di chuyển hay vận hành một cỗ máy phức tạp đòi hỏi
nhiều người rất phức tạp và khó có thể thực hiện. Vì vậy việc sử dụng các robot sẽ
đem lại hiệu quả cao.

Hình 1.3. Ứng dụng trong không gian.

1.2 Robot tự hành
Robot tự hành được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự di chuyển,
tự vận động dưới sự điều khiển tự động để thực hiện tốt những công việc được giao.
Môi trường hoạt động của robot có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay
là sự tổ hợp của các môi trường trên. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có
thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể
chia robot tự hành làm 2 lớp: chuyển động bằng chân và bằng bánh. Trong lớp đầu
tiên, chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động của con người
và động vật. Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm, phức
tạp. Tuy nhiên, cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế là công việc
cực kỳ khó khăn. Lớp còn lại di chuyển bằng bánh tỏ ra thực tế hơn, chúng có thể làm
việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra. Điều khiển robot di chuyển bằng
bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định cho robot. Lớp này
có thể chia làm 3 loại robot: Loại chuyển động bằng bánh xe, loại chuyển động bằng
vòng xích khi cần mô men phát động lớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy, cát
và băng tuyết, và loại hỗn hợp bánh xe và xích. Những ứng dụng thực tế đòi hỏi
những robot di động có tính tự động cao và những kỹ thuật hiện đại, bao gồm sự đa

Nguyễn Văn Xô

13

Luận văn thạc sĩ
dạng của những cảm biến rẻ mà đáng tin cậy và tính toán điện tử công suất làm tăng
tính tự động hóa của robot di động. Tính tự động hóa có nghĩa là robot phải dựa vào
chính khả năng của nó để xuất ra những dữ liệu vận hành có ích từ bộ phận cảm biến
và tự nó đưa ra quyết định thích hợp.Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức
rộng lớn. Có thể kể đến robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà
máy, cửa hàng, sân bay và thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân
không; robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm; robot canh gác, do thám; robot
khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh; robot hàn, sơn trong nhà máy; robot
xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v....Mặc dù nhu
cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của robot tự hành, như
chi phí chế tạo cao, đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi. Một nhược điểm
khác của robot tự hành phải kể đến là còn thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm
việc ở những vị trí khác nhau. Một trong các yêu cầu cơ bản của robot tự động thực
thụ là khả năng định hướng tốt trong phạm vi môi trường chưa xác định và hình dung
ra một bản đồ định hướng. Bằng cách sử dụng những quan sát thích hợp từ môi
trường, kết hợp với bản đồ cùng lúc để định hướng cho robot đang là một yêu cầu cần
nghiên cứu cho robot di động. Việc đồng thời định vị và vẽ bản đồ cùng lúc là một
phương pháp chung có liên quan đến việc triển khai một hệ thống di động trong môi
trường chưa xác định. Đối với một robot di động tự động, định hướng là một công
việc để di chuyển một cách an toàn từ nơi này đến nơi khác. Việc định hướng gặp
nhiều khó khăn do nhiều vấn đề khá phức tạp. Vấn đề gây trở ngại chính là những hạn
chế của việc ước tính năng lượng, những khó khăn trong việc phát hiện và nhận biết
đối tượng, những khó khăn trong việc tránh xung đột với các đối tượng khác nhau, và
những khó khăn liên quan tới việc sử dụng thông tin cung cấp từ môi trường. Ở đề tài
này tác giả nghiên cứu về robot tự hành vận chuyển nguyên vật liệu tự động cho các
trạm lắp ráp sản phẩm trong nhà máy.

Nguyễn Văn Xô

14


Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO ROBOT
2.1 Xây dựng mô hình
Để xây dựng được mô hình robot có khả năng ứng dụng cao thì phải nghiên
cứu từ yêu cầu thực tiễn của quá trình sản xuất.
Hiện nay Việt Nam thu hút được rất nhiều vốn đầu tư nước ngoài. Có rất nhiều
nhà máy sản xuất và lắp ráp linh kiện của các hãng sản xuất lớn trên thế giới như
Samsung, LG, Panasonic, Canon, Microsoft,... với công nghệ sản xuất ngày càng hiện
đại các sản phẩm trở lên nhỏ gọn, thông minh hơn. Để hoàn thiện một sản phẩm phải
trải qua nhiều công đoạn, lắp ráp rất nhiều linh kiện với nhau. Thông thường các linh
kiện này sẽ được đặt trong các khay nhỏ rồi xếp chồng lên nhau (Hình 2.1). Sau đó
các khay này sẽ được vận chuyển đến các dây chuyền lắp ráp tự động hoặc các vị trí
công nhân sản xuất. Từ thực tế đó tác giả đề xuất nghiên cứu chế tạo robot vận chuyển
vật liệu từ kho đến các trạm lắp ráp này hoặc là vận chuyển từ trạm này sang trạm
khác.

Hình 2.1. Một số loại khay đựng linh kiện trong lắp ráp công nghiệp.
Trong một nhà máy có rất nhiều line sản xuất vì vậy một robot không đủ khả
năng vận chuyển cho tất cả các line. Yêu cầu phải có nhiều robot thực hiện. Tuy nhiên
để các robot này có thể hoạt động chính xác thì cần có một hệ thống điều khiển toàn
bộ các robot này. Đặc biệt hiện nay hệ thống vận hành sản xuất trong các nhà máy là
các hệ thống CIM vô cùng hiện đại; kết nối tất cả các thiết bị với hệ thống để vận
hành trơn tru tuần tự nên yêu cầu robot vận chuyển vật liệu cũng phải có khả năng kết
nối với hệ thống này. Như vậy yêu cầu phải chế tạo các robot vận chuyển vật liệu giữa

Nguyễn Văn Xô

15


Luận văn thạc sĩ
các vị trí trong nhà máy được điều khiển bằng một chương trình có khả năng kết nối
với hệ thống sản xuất.
Về kết cấu robot được lựa chọn gồm có 4 bánh (Hình 2.2) trong đó 2 bánh chủ
động phía sau và 2 bánh tùy động có khả năng quay tùy ý. Với kết cấu cơ khí này
robot có khả năng di chuyển linh hoạt.

Hình 2.2. Mô hình kết cấu robot
Xét về cơ cấu lấy và trả vật liệu: Đối với các vị trí có công nhân sản xuất đứng
thì công việc này có thể do chính công nhân thực hiện. Nhưng tại các vị trí máy tự
động hóa thì cần có cơ cấu để đưa vật liệu lên robot và chuyển vật liệu từ robot vào
các thiết bị. Về phương án thì có thể sử dụng robot dạng xe kéo hoặc các cánh tay gắp
thả vật liệu. Tuy nhiên 2 phương án này khó khả thi vì nếu sử dụng dạng xe kéo thì tại
mỗi line sẽ cần có một xe chứa vật liệu dẫn đến cần rất nhiều xe gây tốn kém kinh phí
trong khi khối lượng vật liệu vận chuyển nhỏ. Sử dụng tay máy cũng khó khả thi vì
vật liệu để trong các khay xếp chồng lên nhau rất dễ rơi trong quá trình gắp thả. Trên
thực tế trong các dây chuyền sản xuất sử dụng rất nhiều băng tải (Hình 2.3).

Hình 2.3. Sử dụng băng tải trong dây chuyền sản xuất

Nguyễn Văn Xô

16

Luận văn thạc sĩ
Quá trình nhập xuất vật liệu vào ra trên thiết bị cũng thường sử dụng băng tải
hoặc con lăn. Vì vậy chỉ cần lắp băng tải lên trên robot thì có thể dễ dàng chuyển vật
liệu giữa robot và thiết bị và chi phí cũng ít tốn kém.
Như vậy trong đề tài này sẽ sử dụng robot kết cấu dạng xe vận chuyển sử dụng
băng tải để chuyển vật liệu.
Để chọn vật liệu làm khung robot thì phải dựa vào yêu cầu công việc của robot:
nguyên vật liệu cần vận chuyển, khối lượng. Trong đề tài này vật liệu robot cần vận
chuyển được đựng vào các khay nhựa và xếp chồng lên nhau trọng lượng khoảng 47kg. Vì vậy để làm khung cho robot có thể sử dụng các thanh nhôm định hình để giảm
khối lượng nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững cho robot.
Về cấu tạo robot sẽ chia làm 2 phần:
Phần đế sẽ lắp nguồn, động cơ và mạch điều khiển cho robot. Cảm biến dò
đường và cảm biến phát hiện vật cản sẽ lắp phía trước robot. (Hình 2.4)

Hình 2.4. Phần đế lắp nguồn và mạch điều khiển robot

Nguyễn Văn Xô

17


Luận văn thạc sĩ
Phần trên lắp băng tải để lấy và trả vật liệu. Cảm biến phát hiện vật liệu sẽ lắp
ở phần đầu băng tải phía trong để xác định khoảng cách của vật liệu từ đó xác định khi
nào thì chuyển vật liệu xong. Kích thước phụ thuộc khay chứa vật liệu cần chuyển.

Hình 2.5. Băng tải chuyển vật liệu

Hình 2.6. Mô hình robot thực tế.

Nguyễn Văn Xô

18


Luận văn thạc sĩ
2.2

Động cơ

2.2.1 Các loại động cơ
Trong kỹ thuật robot ta có thể sử dụng nhiều loại động cơ khác nhau: động cơ
xoay chiều, động cơ một chiều, động cơ bước và động cơ servo. Tuy nhiên trong thực
tế người ta thường dùng động cơ bước và động cơ servo.
Việc chọn động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nhưng đối với động cơ dẫn
động bánh xe và băng tải thì thường yêu cầu: công suất động cơ, khả năng chịu tải
cao, tính hãm tốt.
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Nó có thể được coi là tổng hợp của hai loại
động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất
nhỏ. Chúng biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp
nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố
định rôto vào các vị trí cần thiết. Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường,
chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng
làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo
thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần
chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự
chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp

hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện chính xác các lệnh đưa ra dưới dạng số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hoá, chúng được ứng dụng
trong các thiết bị cần điều khiển chính xác.
Tuy nhiên động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở: ta
cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với
động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc
thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định chính xác số vòng quay và những yếu tố
ngăn cản chuyển động quay không phải dễ dàng.
Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều
máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay

Nguyễn Văn Xô

19


Luận văn thạc sĩ
và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các
động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra
của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ
trả tín hiệu về mạch điều khiển. Động cơ được điều khiển tới vị trí chính xác tránh
hiện tượng do nhiễu gây ra. Vì vậy ở đề tài này tác giả lựa chọn động cơ Servo DC để
dẫn động cho Robot.

2.2.2 Công suất động cơ
Để xác định công suất động cơ thì trước hết ta phải xác định lực hay momen
tác dụng lên trục động cơ.
a. Đối với động cơ dẫn động băng tải: như đã nói ở phần trước, vật liệu mà
robot cần vận chuyển là các linh kiện được xếp vào các khay và chồng lên nhau khối

lượng khoảng 4-7kg nên ta có các lực tác dụng lên băng tải và bộ truyền.

Áp dụng định luật II Newton và chiếu lên hệ trục tọa độ ta có các phương trình:

Như vậy để băng tải có thể hoạt động thì: T1> Fms
Lại có :

Fms = µ.N = µ.P = µ.m.g

Do băng tải có kích thước nhỏ và khối lượng vật liệu cần vận chuyển cũng nhỏ
nên để đỡ dây băng tải ở đây không cần thiết sử dụng con lăn mà có thể thay thế bằng
1 tấm inox phẳng. Như vậy hệ số ma sát giữa dây băng tải và bề mặt đỡ là: µ = 0.3.
Khối lượng m ở đây lấy bằng khối lượng lớn nhất của vật liệu: 7kg
Như vậy ta có: T1> 0,3.7.10 = 21(N)
Momen trên trục bánh đai : M = T1.r

(r=3cm ở đây là bán kính con lăn)

 M > 21.3 = 63 (Ncm)

Nguyễn Văn Xô

20


Luận văn thạc sĩ
Để xác định được công suất của động cơ thì ta cần xác định được tốc độ: Ở đây
yêu cầu tốc độ chuyển vật liệu vào ra băng tải là 5cm/s tương đương 3m/phút. Bán
kính con lăn là 5cm nên chu vi con lăn băng tải là:
2.π.r = 2.3,14.3= 18,84(cm)

 Tốc độ quay con lăn là : 3/0.1884 ≈16(v/p)
Hệ thống băng tải sử dụng hộp giảm tốc và 1 bộ truyền đai với tích hệ số
truyền là 30:
 Tốc độ động cơ yêu cầu: n = 16.30 =480(v/p)
 Chọn tốc độ động cơ n = 500(v/p)
 Công suất động cơ:
(W)
Trên thực tế cần phải tính đến hiệu suất các bộ truyền. Công suất động cơ cần
thiết:

Pct = Pt /η
η là tích hiệu suất các bộ truyền.
Với bộ truyền đai hiệu suất 0,95 và bộ truyền bánh răng trụ là 0,96
 Pct>33/(0,95.0,96) =36(W)
b. Đối với động cơ dẫn động bánh xe:
Quá trình robot vận chuyển vật liệu thì bánh xe sẽ chịu tải trọng của cả vật liệu

và xe với tổng khối lượng là 30kg. Robot có cấu tạo gồm 4 bánh nên lực tác dụng sẽ
chia đều trên 4 bánh xe do đó ma sát tác dụng lên xe là tổng lực ma sát trên 4 bánh.
Tuy nhiên chỉ có 2 bánh được gắn động cơ dẫn động nên để tính công suất cho 2 động
cơ thì ta có thể mô hình hóa trọng lực tác dụng lên mỗi bánh là 15kg. Ta có sơ đồ lực
tác dụng.

Để robot có thể hoạt động được thì momen tác động lên trục bánh xe từ động
cơ phải thắng được momen của lực ma sát lăn và momen của lực quán tính tác dụng
lên bánh xe :

Nguyễn Văn Xô

M > (Fms+ m.a) R

21


Luận văn thạc sĩ
Khi robot bắt đầu chuyển động nó sẽ tăng tốc độ từ v0=0 đến tốc độ ổn định là
vt thì gia tốc a > 0, còn khi robot sắp đến vị trí cần dừng để lấy nguyên vật liệu nó lại
phải giảm tốc độ từ vt về 0 và khi đó gia tốc a <0. Như vậy để xác định momen lớn
nhất tác dụng lên trục động cơ ta phải xác định khi robot bắt đầu chuyển động.
Để đảm bảo tốc độ vận chuyển vật liệu đồng thời sự an toàn trong quá trình
hoạt động thì vận tốc của robot không được quá nhanh hoặc quá chậm. Từ đó ta chọn
vận tốc robot trong nhà máy là vt = 21m/phút. Thời gian để robot đạt được tốc độ này
kể từ khi bắt đầu hoạt động lấy bằng 5 giây. Đồ thị vận tốc như sau:
V(m/s)

Như vậy ta có:
vt = v0 + a.t
→

25
20

a = (vt - v0)/t

15

= 21/(60.5)= 0,07(m/s2)

10

Lực ma sát được tính theo công thức :

5
0

Fms = µ.N = µ.P = µ.m.g

0

10

20

t(s)30

Hệ số ma sát µ ở đây là hệ số ma sát lăn
giữa bánh xe cao su và nền xưởng và thường được lấy từ 0,4 – 0,6. Để đảm bảo robot
hoạt động ổn định, ở đây lấy hệ số ma sát là 0,6. Vậy ta có:
M > (0,6.15.10+15.0,07).0,05 = 4,5525(Nm)
Tốc độ robot trong nhà máy khoảng 21m/phút => tốc độ bánh xe là
n = 21/0.314 ≈ 67 (v/p)
Robot sử dụng bộ truyền đai giữa động cơ và bánh xe với tỷ số truyền bằng 7
nên ta có tốc độ động cơ yêu cầu: n = 67.7 = 469(v/p)
 Chọn tốc độ n = 500(v/p)
 Công suất động cơ:
(W)
Trên thực tế cần phải tính đến hiệu suất các bộ truyền. Công suất động cơ cần
thiết:

Pct = Pt /η

η là tích hiệu suất các bộ truyền.
Với bộ truyền đai hiệu suất 0,95
 Pct>238,25/0,95 ≈ 250(W)

Nguyễn Văn Xô

22


Luận văn thạc sĩ
2.2.3 Điều khiển động cơ
Để điều khiển động cơ DC có 2 phương pháp là điều khiển tương tự và điều
khiển số. Ở đây tác giả sử dụng phương pháp số mà cụ thể là phương pháp điều rộng
xung (PWM) để điều khiển động cơ DC-servo này. Tác giả sẽ trình bày phương pháp
điều khiển này ở chương sau. Có 2 đại lượng điều khiển chính là vị trí và vận tốc. Để
có thể điều khiển tự động thì ta cần đọccác đại lượng điều khiển: vị trí hoặc vận tốc
motor và hồi tiếp về vi điều khiển để hiệu chỉnh PWM cấp cho động cơ. Có một số
phương pháp có thể dùng để xác định góc quay của motor bao gồm biến trở xoay,
encoder hoặc tachometer. Động cơ sử dụng ở đây là động cơ DC servo bên trong đã
có sẵn một encoder thực hiện nhiệm vụ này nó sẽ đọc số vòng quay để hồi tiếp về cho
vi điều khiển. Từ số vòng quay này ta cũng có thể xác định quãng đường robot đi
được. Hệ thống encoder bao gồm một nguồn phát quang, một cảm biến quang và một
đĩa có chia rãnh. Encoder thường có 3 kênh bao gồm kênh A, kênh B và kênh I.

Hình 2.7. Cấu tạo encoder
Chú ý rằng trong hình trên có một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một
cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần motor
quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn
phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến.
Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay

được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là
kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là
trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa
và được gọi là độ phân giải của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau,
để điều khiển động cơ, ta phải biết độ phân giải của encoder đang dùng và ở đây độ

Nguyễn Văn Xô

23


Luận văn thạc sĩ
phân giải của encoder là 200xung/vòng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác
điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Trên các encoder còn có một cặp thu phát
khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (0,5 rãnh), đây là
kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch
pha 90o. Bằng cách phối hợp kênh A và B ta sẽ xác định được chiều quay của động cơ
như hình dưới đây:

Hình 2.8. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder.
Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại
xuyên qua, và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét trường hợp
motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Lúc tín hiệu A
chuyển từ mức cao xuống thấp thì kênh B đang ở mức thấp. Ngược lại, khi động cơ
quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống
của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B
chúng ta không những xác định được góc quay mà còn biết được chiều quay của động
cơ thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A. Để xác định tốc độ của động
cơ ta phải sử dụng các bộ timer trong vi điều khiển tác giả sẽ trình bày ở chương sau.
Xung PWM từ vi điều khiển không trực tiếp làm quay động cơ mà thông qua

một mạch công suất gọi là dirver - một bộ điều khiển PID (Propotional - tỉ lệ, Integral
- tích phân và Derivative - đạo hàm. Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là
giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động.

Nguyễn Văn Xô

24


Luận văn thạc sĩ
2.3 Cảm biến, hiển thị và phương pháp điều khiển
2.3.1 Cảm biến dò đường
Đối với robot vận chuyển nguyên vật liệu thì việc xác định vị trí robot là việc
cơ bản và quan trọng nhất. Robot phải biết và di chuyển đến chính xác vị trí cần vận
chuyển vật liệu. Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về việc định hướng và xác định
đường đi cho robot về đích thậm chí robot còn có khả năng vừa định vị vừa vẽ lại bản
đồ trong môi trường chưa xác định. Nhưng để áp dụng vào sản xuất công nghiệp thì
còn yêu cầu rất cao về sự ổn định của hệ thống. Qua tìm hiểu tác giả thấy rằng biện
pháp đảm bảo được sự chính xác và ổn định tốt nhất là sử dụng vạch màu để xác định
đường đi cho robot (Hình 2.9). Đây là phương pháp đơn giản dễ áp dụng và giá thành
sản xuất thấp.

Hình 2.9. Robot di chuyển theo vạch
Có rất nhiều kỹ thuật để robot đi theo các đường line định sẵn. Các kỹ thuật
đơn giản có thể giúp thực hiện đơn giản, tuy nhiên không ổn định, và không có khả
năng chống nhiễu và dao động lớn khi di chuyển. Các kỹ thuật tốt hơn có thể tăng tốc
độ dò đường lên rất cao, và sử dụng quán tính như một cách chống nhiễu hiệu quả.
Tuy nhiên kỹ thuật tốt nhất cho phép robot hoạt động đúng, ổn định ngay cả khi các
cảm biến là không tin cậy hoặc có trục trặc xảy ra với các cảm biến.
Để dò đường, dĩ nhiên ta phải làm sao để robot nhận biết được đâu là đường

đâu là nền xưởng. Theo lý thuyết vật có màu sáng thì phản xạ ánh sáng nhiều hơn vật
sẫm màu, vì các vật sẫm màu hấp thu ánh sáng mạnh, cường độ ánh sáng phản xạ sẽ
được chuyển thành tín hiệu điện sau khi khuyếch đại sẽ gửi về mạch điều khiển. Có
rất nhiều module dò đường cho robot sử dụng nguyên lý này (Hình 2.10).

Nguyễn Văn Xô

25