Thiết kế robot tự hành phục vụ vận chuyển trong các nhà máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ XUÂN THẮNG

THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH PHỤC VỤ VẬN CHUYỂN
TRONG CÁC NHÀ MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội - Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ XUÂN THẮNG

THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH PHỤC VỤ VẬN CHUYỂN
TRONG CÁC NHÀ MÁY
Chuyên nghành: Kỹ thuật cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HỒNG THÁI

Hà Nội - Năm 2019

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Xuân Thắng
Đề tài luận văn: Thiết kế Robot tự hành phục vụ vận chuyển trong các nhà máy
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số SV: CB160083
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25/5/2019
với các nội dung sau:
1. Ý kiến hội đồng: Còn nhiều lỗi soạn thảo và trình bày, nhiều hình vẽ mất
chữ.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã chỉnh sửa lại các lỗi soạn thảo văn bản và
trình bày
2. Ý kiến hội đồng: Nên bổ sung danh mục các từ viết tắt.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã bổ sung danh mục các ký hiệu và chữ
viết tắt.
3. Ý kiến hội đồng: Phần tổng quan về Robot tự hành trong chương 1 chưa
làm nổi bật được ý nghĩa và sự cần thiết phải nghiên cứu đề tài luận văn.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã bổ sung và chỉnh sửa lại chương 1 để làm
nổi bật được ý nghĩa và sự cần thiết phải nghiên cứu đề tài luận văn.

i


4. Ý kiến hội đồng: Phần kết luận trong các chương còn sơ sài, chưa khái quát
được các nội dung đã thực hiện cũng như các vấn đề liên quan sẽ nghiên
cứu ở chương sau.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã sửa nội dung kết luận của các chương.

Hà Nội, Ngày 09 tháng 06 năm 2019.
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. NGUYỄN HỒNG THÁI

VŨ XUÂN THẮNG

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là VŨ XUÂN THẮNG, học viên cao học lớp CB160083. Sau thời gian
học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, được sự giúp đỡ của
các thầy cô giáo đặc biệt là TS. NGUYỄN HỒNG THÁI, tơi đã hồn thành luận
văn tốt nghiệp thạc sĩ.
Tơi xin cam đoan các nội dung được trình bày trong luận văn này là kết quả
nghiên cứu của bản thân tơi, khơng có sự sao chép hay copy của bất cứ tác giả nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.
Hà Nội, Ngày 22 tháng 6 năm 2019.
Tác giả

VŨ XUÂN THẮNG

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ......................................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................................ xi
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
I. Đặt vấn đề ....................................................................................................................................... 1
II. Mục đích nghiên cứu của luận văn ................................................................................................ 1
III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn ................................................................................. 1
IV. Phạm vi nghiên cứu của luận văn ................................................................................................. 2
V. Nội dung của luận văn ................................................................................................................... 2
Chương 1 ............................................................................................................................................ 3
TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH AGV TRONG CÁC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÔNG
NGHIỆP ............................................................................................................................................. 3
1.1 Lịch sử phát triển .......................................................................................................................... 3
1.2. Cầu tạo của Robot tự hành AGV ................................................................................................. 6
1.3. Phân loại Robot tự hành AGV ..................................................................................................... 7
1.3.2 Phân loại theo dạng đường đi .................................................................................................. 10
1.4 Ứng dụng của Robot tự hành AGV ............................................................................................ 11
1.4.1 Ngành công nghiệp ô tô và linh kiện ô tô ................................................................................ 11
1.4.2 Sản xuất và chế biến giấy ........................................................................................................ 13
1.4.3 Công nghiệp điện tử ................................................................................................................ 14
1.4.4 Công nghiệp thực phẩm và nước giải khát .............................................................................. 15
Kết luận chương 1 ............................................................................................................................ 16
Chương 2 .......................................................................................................................................... 17
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT TỰ HÀNH AGV .................................................................... 17

2.1 Các tính năng của Robot tự hành AGV ...................................................................................... 17
2.2 Mơ hình tốn học mơ tả động học của Robot tự hành AGV ...................................................... 18

iv


2.3 Xác định quỹ đạo bất kỳ của đường cong .................................................................................. 38
2.4 Thiết lập phương trình động học của Robot tự hành AGV ........................................................ 42
Kết luận chương 2 ............................................................................................................................ 47
Chương 3 .......................................................................................................................................... 48
PHÂN TÍCH LỰC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TỰ HÀNH AGV ........................................... 48
3.1 Bài tốn phân tích lực ................................................................................................................. 48
3.2 Tính tốn lực tác dụng lên xe ..................................................................................................... 57
3.2.1 Trạng thái tĩnh ......................................................................................................................... 57
3.2.2 Trạng thái động........................................................................................................................ 59
3.2.2.1 Lực ma sát ............................................................................................................................ 59
3.2.2.2 Lực quán tính ........................................................................................................................ 61
3.3 Mơ men lực phát động ................................................................................................................ 63
3.4 Phương trình động lực học ......................................................................................................... 70
Kết luận chương 3 ............................................................................................................................ 79
Chương 4 .......................................................................................................................................... 80
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH AGV ............................................ 80
4.1 Mô tả chức năng và nhiệm vụ của Robot tự hành AGV............................................................. 80
4.2 Cấu tạo của Robot tự hành AGV ................................................................................................ 80
4.3. Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển .................................................................................... 82
4.4. Cấu trúc phần mềm điều khiển .................................................................................................. 96
Kết luận chương 4 ............................................................................................................................ 99
KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN ..................................................................................................... 100
1. Về mặt lý thuyết ......................................................................................................................... 100
2. Về mặt thực nghiệm ................................................................................................................... 100

3. Các hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của luận án để hoàn thiện kết quả nghiên cứu ... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 101
Phụ lục ............................................................................................................................................ 103
CODE CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
AGV VÀ ĐỒ THỊ BIẾN THIÊN VẬN TỐC CỦA CÁC BÁNH CHỦ ĐỘNG............................ 103

v


DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
V

: Vận tốc Robot AGV

VR , VL

: Vận tốc bánh chủ động phải, trái

ω

: Vận tốc góc Robot AGV

ωR , ωL

: Vận tốc góc bánh chủ động phải, trái

R

: Bán kính bánh chủ động

ρ(θ )

: Bán kính quỹ đạo chuyển động

l

: Chiều rộng Robot AGV

a

: Gia tốc tiếp tuyến Robot AGV

θ

: Góc quay Robot AGV

ϕ

: Góc nghiêng của mặt phẳng làm việc

µ

: Hệ số ma sát bánh xe và nền

Mt

: Khối lượng tải

M xe

: Khối lượng xe

g

: Gia tốc trọng trường

Fms

: Lực ma sát

Fqtn

: Lực quán tính li tâm

Fqtt

: Lực quán tính tiếp tuyến

Fct

: Lực công tác

Pct

: Công suất công tác

Pđc

: Công suất của đông cơ

ηk

: Hiệu suất khớp nối

ηol

: Hiệu suất ổ lăn

ηbr

: Hiệu suất bánh răng

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Robot tự hành AGV trong giai đoạn đầu ............................................................................. 3
Hình 1.2 Xe được hướng dẫn tự động bằng cảm biến từ.................................................................... 4
Hình 1.3 Robot tự hành AGV hoạt động trong nhà máy sản xuất Ơ tơ .............................................. 5
Hình 1.4 Các bộ phận chính của Robot AGV ..................................................................................... 6
Hình 1.5 AGV kéo hàng trong nhà máy.............................................................................................. 7
Hình 1.6 Xe chở AGV sử dụng hệ thống nâng, hạ .............................................................................. 8
Hình 1.7 Xe AGV sử dụng hệ thống băng tải ..................................................................................... 8
Hình 1.8 Robot tự hành AGV trong một nhà máy sản xuất cơ khí ..................................................... 9
Hình 1.9 Xe nâng tự hành AGV .......................................................................................................... 9
Hình 1.10 Xe nâng AGV hoạt động trong nhà máy thời đại cơng nghệ 4.0 ..................................... 10
Hình 1.11 Xe AGV chạy theo đường dẫn trên nền ........................................................................... 10
Hình 1.12 AGV trong nhà máy máy BMW ở Leipzig (Source DS 2006) .......................................... 12
Hình 1.13 Những mẫu AGV khác trong nhà máy BMW ở Leipzig (Source DS) .............................. 13
Hình 1.14 AGV vận chuyển giấy trong nhà máy Einsa Print International ..................................... 13

Hình 1.15 AGV nâng hàng tại nhà máy Braunschweig .................................................................... 14
Hình 1.16 Hai mẫu AGV trong ngành công nghiệp điện tử ............................................................. 14
Hình 1.17 AGV hoạt động tại dây chuyền tự động ........................................................................... 15
Hình 1.18 AGV hoạt động trong ngành cơng nghiệp nước giải khát ............................................... 15
Hình 2.1 Hệ thống Robot tự hành AGV ............................................................................................ 17
Hình 2.2 Một dạng quỹ đạo đường đi của xe tự hành phục vụ......................................................... 18
trong dây chuyền sản xuất ................................................................................................................ 18
Hình 2.3 Mơ tả quỹ đạo đường đi của AGV ..................................................................................... 19
Hình 2.4 Quỹ đạo xe là đường thẳng ............................................................................................... 19
Hình 2.5 Quỹ đạo xe là đường cong ................................................................................................. 20
Hình 2.6 Xe quay tại chỗ ................................................................................................................. 20
Hình 2.7 Xe AGV đi thẳng ................................................................................................................ 21
Hình 2.8 Xét chuyển động từng bánh ............................................................................................... 21

vii


Hình 2.9 Xe AGV trong trường hợp rẽ trái ...................................................................................... 22
Hình 2.10 Quỹ đạo phương trình x 2 + y 2 =
4(m) .......................................................................... 23
Hình 2.11 Đồ thị quan hệ vận tốc từng bánh với vận tốc AGV ........................................................ 24
Hình 2.12 Xe AGV trong trường hợp rẽ phải ................................................................................... 25
Hình 2.13 Biến thiên vận tốc theo thời gian t ................................................................................... 27
Hình 2.14 Quan hệ vận tốc từng bánh với vận tốc của Robot .......................................................... 28
Hình 2.15 Chiều vận tốc góc khi Robot quay tại chỗ sang phải 90° ................................................ 28
Hình 2.16 Chiều vận tốc góc khi Robot quay tại chỗ sang trái 900.................................................. 29
Hình 2.17 Robot tự hành AGV quay trái .......................................................................................... 30
Hình 2.18 Robot tự hành AGV đi theo quỹ đạo bất kỳ ..................................................................... 31
Hình 2.19 Quỹ đạo chuyển động AGV: y (=
x) 4 x 2 + 2 .................................................................. 32

Hình 2.20 Bán kính quỹ đạo trong q trình chuyển động .............................................................. 33
Hình 2.21 Biến thiên vận tốc từng bánh theo thời gian t.................................................................. 34
Hình 2.22 Chuyển động của Robot theo elip ................................................................................... 35
Hình 2.23 Biến thiên bán kính quỹ đạo chuyển động ....................................................................... 36
Hình 2.24 Vận tốc từng bánh............................................................................................................ 37
Hình 2.25 Robot AGV di chuyển trên quỹ đạo bất kỳ ....................................................................... 39
Hình 2.26 Quỹ đạo chuyển động của Robot ..................................................................................... 40
Hình 2.27 Biểu diễn sự biến thiên của f (θ ) , ω1 và ω2 ..................................................................... 42
Hình 2.28 Sơ đồ thiết lập phương trình động học Robot tự hành AGV............................................ 43
Hình 2.29 Chuyển động từng bánh ................................................................................................... 45
Hình 3.1 Cơ cấu truyền động của động cơ ....................................................................................... 48
Hình 3.2 Phân bố khối lượng của cơ hệ tổng quát ........................................................................... 49
Hình 3.3 Lực quán tính tổng quát của chất điểm ............................................................................. 51
Hình 3.4 Quỹ đạo chuyển động bao gồm tín hiệu tăng tốc và tín hiệu giảm tốc .............................. 54
Hình 3.5 Lực quán tính tác dụng lên xe khi đi theo quỹ đạo cong ................................................... 55
Hình 3.6 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe ................................................................................. 56
Hình 3.7 Các mẫu bánh xe bị động tự lựa thường dùng cho xe AGV .............................................. 56

viii


Hình 3.8 Cơ cấu trục, ổ lăn, bánh xe................................................................................................ 57
Hình 3.9 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe ................................................................................. 58
Hình 3.10 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe trên mặt đường nằm ngang .................................. 59
Hình 3.11 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe trên mặt đường dốc .............................................. 60
Hình 3.12 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe trên mặt đường dốc vuông góc chuyển động ........ 61
Hình 3.13 Lực qn tính trong trường hợp xe tăng tốc.................................................................... 62
Hình 3.14 Lực qn tính với quỹ đạo cong trên mặt phẳng ngang .................................................. 62
Hình 3.15 Phân tích lực ma sát tác dụng lên xe ............................................................................... 64
Hình 3.16 Cơ cấu truyền động cho từng bánh ................................................................................. 65

Hình 3.17 Phân tích lực trong mặt phẳng Oxy ................................................................................. 66
Hình 3.18 Quỹ đạo chuyển động hình xoắn ốc của AGV ................................................................. 68
Hình 3.19 Biến thiên mơmen qua Az ............................................................................................... 69
Hình 3.20 Quy luật hệ thống điều khiển ........................................................................................... 75
Hình 3.21 Khối động lực học Robot AGV ........................................................................................ 76
Hình 3.22 Bộ điều khiển PID............................................................................................................ 76
Hình 3.23 Hệ thống điều khiển trên phần mềm Matlab- Simulink ................................................... 77
Hình 3.24 Quỹ đạo yêu cầu và quỹ đạo chuyển động thực tế........................................................... 78
Hình 3.25 Vận tốc tuyến tính, vận tốc góc theo yêu cầu và thực tế .................................................. 78
Hình 3.26 Vận tốc bánh phải, bánh trái theo yêu cầu và thực tế ..................................................... 79
Hình 4.1 Ảnh chụp Robot thực hành sau khi chế tạo thử nghiệm .................................................... 80
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .......................................................................................... 82
Hình 4.3 Bản thiết kế và bố trí linh kiện trong khối điều khiển trung tâm ....................................... 83
Hình 4.4 Bản thiết kế khối điều khiển cơng suất .............................................................................. 83
Hình 4.5 Bản thiết kế khối hiển thị ................................................................................................... 84
Hình 4.6 Bản thiết kế khối thực thi ................................................................................................... 84
Hình 4.7 Thiết kế mơ đun khối nguồn ............................................................................................... 84
Hình 4.8 Bản thiết kế của khối hạ áp ............................................................................................... 85
Hình 4.9 Các linh kiện điện tử và khí cụ điện được lựa chọn .......................................................... 85

ix


Hình 4.10 Mơ đun WiFi ESP-12F .................................................................................................... 86
Hình 4.11 Mơ đun La Bàn HMC5883L ............................................................................................ 86
Hình 4.12 Mơ đun Relay 8 kênh 12V ............................................................................................... 87
Hình 4.13 Mơ đun hạ áp ................................................................................................................... 88
Hình 4.14 Mơ đun điều khiển trung tâm Arduno - Mega2560 ......................................................... 89
Hình 4.15 Sơ đồ linh kiện của mơ đun Arduno - Mega2560 ............................................................ 89
Hình 4.16 Driver điều khiển động cơ Secvor ................................................................................... 90

Hình 4.17 Sơ đồ đấu nối động cơ ..................................................................................................... 90
Hình 4.18 Sơ đồ kết nối với bộ điều khiển động cơ 57J1854EC-1000 ............................................. 91
Hình 4.19 Mơ đun loa và đèn nháy cảnh báo ................................................................................... 91
Hình 4.20 Nguồn ni Robot ............................................................................................................ 92
Hình 4.21 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK ................................................................................. 92
Hình 4.22 Bố trí cảm biến hồng ngoại trên Robot tự hành AGV ..................................................... 93
Hình 4.23 Kiểm tra cảm biến quan trong quá trình chế tạo thử nghiệm.......................................... 94
Hình 4.24 Hệ thống cảm biến quang nhận diện vạch kẻ đường dưới gầm Robot AGV ................... 94
Hình 4.25 Ảnh chụp hệ thống điều khiển phần cứng sau khi lắp đặt ............................................... 95
Hình 4.26 Cấu trúc tương tác tín hiệu của bộ điều khiển ................................................................ 96
Hình 4.27 Cấu trúc tương tác tín hiệu của bộ điều khiển kết nối khơng dây ................................... 97
Hình 4.28 Lưu đồ thuật tốn Camshift ............................................................................................. 98

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số điều khiển vận tốc góc các bánh khi Robot tự hành AGV di chuyển ................ 37

xi


LỜI MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Các nhà máy sản xuất trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 được gọi là nhà máy thông
minh. Bên trong các nhà máy này là các thiết bị thông minh được kết nối vạn vật (IoT) và
một hệ thống mạng vật lý (CPS) cho phép giám sát và quản lý hoạt động sản xuất của nhà
máy [1]. Một trong các thiết bị quan trọng của các nhà máy thông minh là hệ thống các xe
tự hành (AGV) mà theo hiệp hội kỹ sư Mỹ định nghĩa là loại xe tự hành không người lái
được lập trình đi theo quỹ đạo cho trước hoặc dẫn đường bằng các thiết bị thông minh và

hệ thống cảm biến [2] nhằm thay thế con người trong việc vận chuyển linh kiện, thiết bị,
phôi hoặc sản phẩm trong một quy trình sản xuất. Đối với thế giới [3], AGV đã được đưa
vào sản xuất công nghiệp từ những năm 1954 và chia thành bốn giai đoạn phát triển đó là
(1) giai đoạn 1: từ 1954 đến 1970; (2) giai đoạn 2: từ 1970 đến 1990; (3) giai đoạn 3: từ
1990 đến 2010; (4) giai đoạn 4: từ 2010 đến nay, trong q trình phát triển mức độ thơng
minh hóa được phát triển đột phá về công nghệ của ngành khoa học điều khiển và cơng
nghệ thơng tin. Điều đó cho thấy các xe AGV có một vai trị quan trọng trong các dây
chuyển sản xuất hiện đại và đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu rất nhiều để
ngày càng hồn thiện và thơng minh hơn đáp ứng yêu cầu của sản xuất hiện đại. Trong đó
phải kể đến đó là nghiên cứu tối ưu quỹ đạo chuyển động và tương tác của AGV với môi
trường làm việc cũng như xác định số lượng các AGV trong một một ứng dụng cụ thể
như: trong kho hàng, nhà máy, logictics v.v.. Do đó, tác giả luận văn đã chọn đề tài “Thiết
kế Robot tự hành phục vụ vận chuyển trong các nhà máy” làm đối tượng nghiên cứu
của luận văn với mong muốn góp một phần nhỏ bé vào cơng cuộc hiện đại hóa đất nước.
II. Mục đích nghiên cứu của luận văn
+ Thiết kế chế tạo được một mobile Robot AGV vận chuyển sản phẩm trong các dây
chuyền sản xuất công nghiệp.
+ Nghiên cứu làm chủ về thiết kế và chế tạo Robot AGV vận chuyển thông minh phục vụ
các dây truyền sản xuất công nghiệp.
III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
Ý nghĩa khoa học:
Ứng dụng và tích hợp cơng nghệ của nhiều lĩnh vực khoa học để thiết kế chế tạo Robot
AGV vận chuyển trong phục vụ các dây truyền sản xuất công nghiệp.
Ý nghĩa thực tiễn:

1


Luận văn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các Robot
vận chuyển thông minh trong các dây truyền sản xuất công nghiệp.

IV. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
- Nghiên cứu, tính tốn động học, động lực học Robot AGV và chế tạo thực nghiệm phục
vụ vận chuyển hàng hóa trong các phân xưởng thơng minh.
- Luận văn khơng trình bày bài tốn thiết kế kết cấu cơ khí với lý do đối với loại Robot tự
hành kết cấu Cơ khí khơng q phức tạp. Ngồi ra, các thuật tốn điều khiển thơng minh
như trí tuệ nhân tạo, hay điều khiển bầy đàn v.v.. là những vấn đề lớn có thể hình thành
những luận văn cao học khác cũng như tính hàn lâm về mặt học thuật. Vì vậy, mà
chương 4 của luận văn chỉ đi vào thiết kế và chế tạo hệ điều khiển phần cứng phục vụ
cho việc viết phần mềm và cài đặt các thuật tốn thơng minh.
V. Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về Robot tự hành trong các dây chuyền sản xuất cơng nghiệp
Chương này trình bày tổng quan về q trình phát triển cũng như cấu tạo của các loại
Robot tự hành AGV trong cơng nghiệp, từ đó là cơ sở để nghiên cứu và chế tạo ở các
chương sau.
Chương 2: Phân tích động học Robot tự hành AGV
Nội dung của chương này trình bày về phương pháp thiết lập biểu thức vận tốc góc của
từng bánh xe chủ động theo vận tốc của Robot tự hành AGV trong quá trình làm việc, đây
là bài toán quan trọng trong việc xây dựng các bộ điều khiển vận tốc của xe cũng như thiết
kế.
Chương 3: Phân tích lực và động lực học Robot tự hành AGV
Chương này trình bày về bài tốn phân tích các lực tác động từ mơi trường làm việc cũng
như nội lực của Robot tự hành AGV khi làm việc trong mơi trường, trên cơ sở đó tính
chọn nguồn động lực và giải bài toán động lực học của Robot.
Chương 4: Thiết kế chế tạo bộ điều khiển Robot tự hành AGV
Chương này trình bày về chế tạo thực nghiệm của Robot tự hành AGV bao gồm các vấn
đề từ thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho đến lắp đặt hồn chỉnh một Robot tự hành AGV
có chức năng vận chuyển các vật trong lắp ráp, sản xuất linh kiện điện tử.

2

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH AGV TRONG CÁC DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT CÔNG NGHIỆP
1.1 Lịch sử phát triển
Khái niệm về Robot tự hành AVG (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm
chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái. Trong công
nghiệp Robot tự hành AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong
các lĩnh vực:
+ Cung cấp, sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất.
+ Vận chuyển hàng giữa các trạm sản xuất.
+ Phân phối, cung ứng sản phẩm trong hệ thống kho hàng tự động của hệ thống logictics.
+ Ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phịng.
Chính vì vậy mà Robot tự hành AGV ngày càng trở nên quan trọng đối với sự phát
triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4. Các tiêu chuẩn công nghệ, mức độ kinh
nghiệm hiện tại, cùng với cơng nghệ tự động hóa đã dẫn đến AGV được đưa vào hầu hết
các ngành công nghiệp và các lĩnh vực sản xuất khác nhau. Lịch sử của Robot tự hành
AGV đã được bắt đầu từ năm 1953 bởi Barrett Electonics Of Northbrook, bang IllinoisUSA - quê hương ra đời của nhiều phát minh cải tiến.
Trong quá trình phát triển Robot tự hành AGV được chia ra thành các thời kì và được
phân biệt với nhau thơng qua trình độ công nghệ và sự phản hồi tương tác từ môi trường
làm việc đối với hệ thống. Đây cũng có thể được đánh giá là những giai đoạn phát triển
trong từng thời kỹ của khoa học, công nghệ của thế giới:
Thời kì đầu tiên của Robot tự hành AGV

Hình 1.1 Robot tự hành AGV trong giai đoạn đầu

3

Sáng chế đầu tiên về Robot tự hành AGV ứng dụng trong cơng nghiệp ở Mỹ từ năm
1953, sau đó vài năm là ở những nước châu Âu. Khoa học công nghệ phát triển, những
Robot tự hành đầu tiên được tạo ra và được dẫn đường một cách đơn giản bằng cách sử
dụng những sensor thay cho các công tắc hành trình.
Những năm đầu của thập niên 50 thế kỉ XX, các nhà sáng chế người Mỹ đã có ý
tưởng thay thế người lái xe kéo bằng các thiết bị điều khiển tự động để vận chuyển hàng
hóa. Hệ thống Robot tự hành AGV đầu tiên được thiết kế và lắp đặt vào năm 1954 tại
công ty Mercury Motor Freight ở Colombia, phía Nam Carolina để vận chuyển những kho
hàng đường dài.
Hệ thống dẫn đường rất đơn giản các Robot tự hành AGV đi theo các tuyến đường đã
được định trước từ điểm này đến điểm kia, bắt đầu bằng lệnh và dừng lại khi nhận ra điểm
dừng bằng công tắc hành trình và cảm biến từ đơn giản. Các các Robot tự hành AGV thời
kỳ này khơng có sự linh hoạt và thường chỉ có thể di chuyển theo một chiều định trước.

Hình 1.2 Xe được hướng dẫn tự động bằng cảm biến từ

4


Thời kì thứ 2 - Bùng nổ của tự động hóa
Kỷ nguyên thứ hai phát triển trong 20 năm bắt đầu từ năm 1970 và kết thúc vào đầu những
năm 1990. Trong giai đoạn này các tương tác của Robot tự hành AGV với môi trường làm
việc đã bắt đầu được thực hiện và tích hợp với hệ thống sản xuất. Khả năng ứng dụng của
AGV tăng lên như: có khả năng đảo chiều, dỡ hàng, di chuyển và dừng tại các vị trí định
trước. Điều khiển, truyền tín hiệu bằng sóng vơ tuyến và tín hiệu hồng ngoại, cịn dẫn
đường bằng day dẫn hướng hoặc vạch kẻ. Lĩnh vực được ứng dụng phố biến nhiều nhất
trong thời kỳ này là ngành cơng nghiệp sản xuất Ơ tơ, đặc biệt là các nhà máy sản xuất ô ở
Đức, các Robot tự hành AGV đã trở thành một thành phần quan trọng trong dây chuyền
sản xuất ô tô như:
- Trong lắp ráp ô tô, Robot tự hành AGV được ứng dụng như một trạm lắp ráp di động.

- Trong sản xuất linh kiện, Robot tự hành AGV là một mô đun liên kết các máy móc sản
xuất theo một quy trình.
- Các loại Robot tự hành AGV kéo, nâng dùng để cung cấp linh kiện trong dây chuyền
sản xuất.
- Trong công tác kho vận Robot tự hành AGV được ứng dụng để vận hành và phân phối
sản phẩm.

Hình 1.3 Robot tự hành AGV hoạt động trong nhà máy sản xuất Ô tơ
Thời kì thứ 3- Cơng nghệ đã được chứng minh

5


Kỷ nguyên thứ ba kéo dài từ giữa những năm 1990 đến năm 2010, trong đó các tiêu
chuẩn cơng nghệ đã được thiết lập. Các Robot tự hành AGV đã được trang bị các loại cảm
biến không tiếp xúc và cơng nghệ nhận dạng hình ảnh và xử lý tín hiệu bằng các bộ vi xử
lý và truyền dữ liệu thông qua hệ thống mạng WLAN. Trong giai đoạn này hệ thống dẫn
đường bằng day và vạch kẻ khơng cịn vai trò. Ở thời kỳ này Robot tự hành AGV có các
tính năng vượt trội hơn ở thời kỳ thứ 2 như:
-

Tốc độ di chuyển cao hơn trong vận chuyển, vận tải nhờ cải tiến công nghệ cảm biến.

-

Robot tự hành AGV có chi phí thấp hơn, nhưng hoạt động tin cậy hơn.

-

Tích kiệm niệm năng lượng và có khả năng tự nạp năng lượng.

-

Các Robot tự hành AGV đã được trang bị máy tính cơng nghiệp để xử lý, kiểm
sốt thiết bị và tương tác với mơi trường làm việc bằng các cảm biến thông minh.

-

Truyền dữ liệu chủ yếu qua WLAN.

Thời kì thứ 4 Bùng nổ và thách thức
Kỷ nguyên thứ 4 được bắt đầu từ năm 2010 đến nay, những thách thức về chức năng
được đặt ra:
- Hoạt động an tồn, tin cậy, tích hợp.
- Liên kết tự động và thơng minh hóa.
- Có khả năng hoạt động theo bầy đàn và nhận dạng các Robot tự hành AGV với
nhau, cũng như với các thiết bị trong một dây chuyền sản xuất.
- Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và cơ sở dữ liệu lớn trong vận hành và quản lý hệ thống.
- Phát triển các ứng dụng khác trong các lĩnh vực của cuộc sống như: bệnh viện, nông nghiệp v.v..
1.2. Cầu tạo của Robot tự hành AGV
Cấu tạo cơ bản của Robot tự hành AGV được mơ tả trên hình 1.4 bao gồm các bộ phận
chính sau:

Hình 1.4 Các bộ phận chính của Robot AGV

6


+ Bộ truyền chuyển động: Có nhiệm vụ truyền động năng từ động cơ quan các bộ giảm tốc
đến bánh xe giúp AGV di chuyển một cách linh hoạt và đạt được vận tốc cũng như lực

kéo phù hợp, đáp ứng được yêu cầu công việc.
+ Bánh xe chủ động: phải có độ bám đường tốt nhằm đảm bảo xe không bị trượt trên
đường di chuyển khi chịu tải lớn.
+ Bánh xe bị động (vô hướng): giúp cho việc di chuyển linh hoạt hơn và chịu tải chính,
giúp AGV di chuyển linh hoạt trong các khúc cua hay quay đầu.
+ Hệ thống cảm biến: giúp AGV nhận dạng đường đi, cũng như phát hiện chướng ngại vật
trên đường di chuyển của xe và tương tác với môi trường làm việc.
+ Bộ nguồn nuôi: ắc quy và pin để nuôi bộ điều khiển trung tâm và cơ cấu chấp hành của AGV.
+ Bộ Driver điều khiển động cơ: có nhiệm vụ thay đổi chiều quay và tốc độ của động cơ
dẫn động hệ thống.
1.3. Phân loại Robot tự hành AGV
Về cơ bản Robot tự hành AGV được phân loại theo chức năng và hệ thống nhận dạng
đường đi, dưới đây là các phương pháp phân loại
1.3.1 Phân loại theo chức năng
Khi phân loại theo chức năng thì Robot tự hành AGV lại được phân thành 4 loại như sau:
Xe kéo (Towing Vehicle)
Xe kéo xuất hiện đầu tiên và bây giờ vẫn được sử dụng rất phổ biến, loại này có thể kéo
được nhiều loại hàng khác nhau và chở được từ 8000-60000 pounds.
Ưu điểm của hệ thống xe kéo:
+ Khả năng chun chở lớn.
+ Có thể dự đốn và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như đảm bảo an tồn.
+ Tăng tính an tồn.

Hình 1.5 AGV kéo hàng trong nhà máy

7


Xe chở (Unit LoadVehicle)

Hình 1.6 Xe chở AGV sử dụng hệ thống nâng, hạ
Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là nâng, hạ hay chuyển động bằng băng
tải, đai hoặc xích.

Hình 1.7 Xe AGV sử dụng hệ thống băng tải
Loại này có ưu điểm:
+ Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu.
+ Thời gian đáp ứng nhanh gọn.
+ Giảm hư hại sản phẩm.
+ Đường đi linh hoạt.
+ Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở.

8


+ Lập kế hoạch hiệu quả.
Xe đẩy (CartVehicle)
Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt cao và rẻ tiền. Chúng được sử dụng để chuyên chở
vật liệu và các hệ thống lắp ráp.

Hình 1.8 Robot tự hành AGV trong một nhà máy sản xuất cơ khí

Xe nâng (ForkVehicle)
Có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên các bục cao hay các khối hàng đặt
trên giá.

Hình 1.9 Xe nâng tự hành AGV
Ưu điểm: Vận chuyển hàng hóa với kích thước lớn, tải trọng lớn. Tuy nhiên, xe cần khơng
gian hoạt động rộng, kích thước xe lớn hơn các loại còn lại.

9


Hình 1.10 Xe nâng AGV hoạt động trong nhà máy thời đại công nghệ 4.0
1.3.2 Phân loại theo dạng đường đi
Loại chạy khơng đi theo đường dẫn (Free pathnavigation)
Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong khơng gian hoạt động. Đây là loại xe AGV có
tính linh hoạt cao được định vị, vị trí 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
quanh trong quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để
xác định tọa độ tức thời. Việc thiết kế loại xe này địi hỏi cơng nghệ cao và phức tạp hơn
so với các loại AGV khác.
Loại chạy theo đường dẫn (Fixed pathnavigation)
Hình 1.11 Xe AGV chạy theo đường dẫn trên nền

Hình 1.11 Xe AGV chạy theo đường dẫn trên nền

10


Xe AGV thuộc loại này được thiết kế để chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm các loại
đường dẫn như sau:
+ Đường dẫn từ: Là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ (Magnetic wire) chôn ngầm dưới
nền sàn. Khi di chuyển, nhờ có các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo
đường dây dẫn. Loại đường dẫn này không nằm bên trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt,
khơng ảnh hưởng đến các công việc vận hành khác cũng như di chuyển trong nhà
xưởng. Tuy nhiên, khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo từ tính trong dây,
đồng thời đường dẫn là cố định và không thể thay đổi được. Khi thay đổi công nghệ
hoặc phát triển sản xuất phải cải tạo hoặc thay thế đường dẫn mới gây tốn kém và lãng
phí tài nguyên.

+ Đường ray dẫn: Xe AGV được chạy trên các ray định trước trên mặt sàn. Loại này chỉ
sử dụng đối với những hệ thống chuyên dụng. Nó cho phép thiết kế xe đơn giản hơn và
có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp.
+ Đường quang kẻ trên sàn: Xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ
các loại cảm biến quay 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 kẻ lại các vạch dẫn.
Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều
khiển chính xác xe và thường phải làm mới vạch kẻ sau một thời gian sử dụng nhất định.
1.4 Ứng dụng của Robot tự hành AGV
1.4.1 Ngành công nghiệp ô tô và linh kiện ơ tơ
Ban đầu có vẻ như nghịch lý khi bắt đầu với ngành cơng nghiệp ơ tơ, vì nó gần như
hồn tồn bị bỏ rơi AGV vào khoảng những năm 1980. Nhưng sau nhiều năm các dự án
AGV bắt đầu được đưa vào các nhà máy ô tô một lần nữa vào cuối những năm 1990. Dưới
đây sẽ trình bày một số ví dụ để chứng minh rằng có nhiều cơng đoạn khác nhau để sử dụng,
từ các giải pháp đơn giản, dựa trên cách tiếp cận KAIZEN của Nhật Bản, thơng qua các
chức năng ứng dụng, địi hỏi kỹ thuật cao nhưng hợp lý, tất cả các cách sử dụng đặc biệt.

11


Hình 1.12 AGV trong nhà máy máy BMW ở Leipzig (Source DS 2006)
Ví dụ: Sản xuất dịng BMW 300 trong nhà máy New Leipzig, năm 2005 Nhà máy BMW ở
Leipzig bắt đầu sản xuất dòng 300 (E90). Lần đầu tiên trong lịch sử ngành công nghiệp ô
tô, một hệ thống dẫn đường tự động (AGV) đã thực hiện chức năng hậu cần rộng rãi trong
lĩnh vực cung cấp linh kiện (Hình 1.12). Các quy trình chuẩn sau đây được xác định cho
các bộ phận cung cấp cho khu vực lắp ráp tại nhà máy Leipzig:
1. Giao hàng trực tiếp bằng xe tải: các bộ phận lớn, đơn giản (ví dụ như thảm sàn hoặc ống
lót thân) được phân phối kịp thời bằng xe tải đến khu vực lắp ráp trực tiếp.
2. Phân phối mô đun bằng OM9: cốt liệu lớn và phức tạp (ví dụ buồng lái) lắp ráp trực tiếp
tại nhà máy của các nhà cung cấp bên ngoài hoặc nhân viên BMW.

3. Hàng hoá kho qua AGV: Hầu hết các bộ phận được lưu trữ trong khu vực xếp, được vận
hành và đưa đến các địa điểm lắp ráp tương ứng trong khu vực lắp ráp bằng các phương
tiện dẫn đường tự động (AGV).

12