Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống robot phục vụ tự động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.39 MB, 89 trang )
..
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ
THỐNG ROBOT PHỤC VỤ TỰ ĐỘNG
Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
ThS. NGUYỄN THẾ TRANH
NGUYỄN TUẤN VŨ
NGUYỄN ĐÌNH QUỐC KHÁNH
Số thẻ sinh viên : 101130190
101130205
Lớp: 13CDT1
13CDT2
Đà Nẵng, 2018
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
TÓM TẮT
Tên đề tài : thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Vủ - 13CDT1
Nguyễn Đình Quốc Khánh – 13CDT2
GV hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thế Tranh
GV duyệt
: T.S Võ Như Thành
1. Mục đích của đề tài
Hiện nay, lĩnh vực dịch vụ ăn uống hiện nay đang trở thành một lĩnh vực kinh
doanh thu được lợi nhuận cao. Việc ứng dụng hệ thống tự động hóa để phục vụ
cho ăn uống trở thành một bước đi mới mẽ, góp phần giải phóng sức lao động
của con người, đồng thời đem lại năng suất lao động cao. Dựa trên những ý
tưởng đặt ra, chúng em đã tìm hiểu và bắt tay vào thiết kế, chế tạo mơ hình hệ
thống robot phục vụ tự động phục vụ cho các quán ăn, nhà hàng….
2. Phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài này, chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo mơ hình hệ
thống robot phục vụ bao gồm :
- Phần cơ khí gồm có:
+ Thiết kế hệ thống cấp thức uống cho robot.
-
+ Thiết kế, chế tạo phần di chuyển của robot.
+ Thiết kế, chế tạo phần giữ khay thức uống và chuyển thức uống ra bàn thực
khách.
Phần điều khiển gồm có:
+ Thiết kế mạch điều khiển cho robot.
+ Xây dựng lưu đồ giải thuật cho robot di chuyển đến vị trí các bàn.
3. Nội dung đề tài đã thực hiện :
-
Số trang thuyết minh:
-
Số bản vẽ: 6 bản vẽ A0
-
Mơ hình: 1 mơ hình
4. Kết quả đạt được
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống robot phục vụ.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
- Giới thiệu một số phương án và lựa chọn phương án thiết kế cho toàn hệ thống.
- Tính tốn thiết kế tồn bộ hệ thống.
- Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống.
- Hoàn thiện mơ hình hệ thống robot phục vụ tự
động.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao,
việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng
dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Hiện nay, tự động hóa và robot đang dần dần được đưa vào ứng dụng trên nhiều lĩnh
vực trong cuộc sống, phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người. Ở lĩnh vực kinh
doanh, ăn uống một số nước tiên tiến đã ứng dụng hệ thống tự động bán hàng tự động,
hệ thống nhà hàng thông minh, robot phục vụ,… đã đem lại những hình thức mới mẽ
trong kinh doanh, kích thích sự tò mò khám phá điều mới lạ cho khách hàng quá đó
nâng cao hiệu suất bán hàng, thu nhiều lợi nhuận.
Xuất phát từ ý tưởng trên, nhóm đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ
thống robot phục vụ tự động”. Nội dung đồ án gồm có 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống robot phục vụ tự động.
Chương 2: Phân tích và chọn phương án thiết kế cho hệ thống.
Chương 3: Tính tốn, thiết kế các bộ phận của hệ thống
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống.
Vì lần đầu làm quen với công việc thiết kế tổng thể, mặc dù được sự hướng dẫn của
thầy ThS. Nguyễn Thế Tranh nhưng cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ. Hơn nữa,
tài liệu phục vụ cho cơng việc thiết kế cịn q ít, thời gian thực hiện đề tài không nhiều,
khả năng cịn hạn chế nên chắc trong q trình thiết kế sẽ khơng tránh khỏi những thiếu
sót, rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô.
Sau thời gian làm đề tài bằng chính nỗ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy
chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian qui định. Chúng em xin chân thành
cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy, cơ trong khoa Cơ khí, đặc biệt là thầy Th.S Nguyễn
Thế Tranh đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này.
Đà Nẵng, ngày... tháng... năm 2018
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi:
- Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
- Khoa Cơ khí
Nhóm đồ án xin cam đoan: Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ
thống robot ohucj vụ tự động” là cơng trình nghiên cứu của nhóm, khơng sao chép bất
cứ đồ án hay cơng trình nào đã có trước đây. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án
đã được cảm ơn, các thơng tin trích dẫn trong đồ án đã được ghi rõ nguồn gốc và được
phép cơng bố.
Nhóm sinh viên thực hiên
Nguyễn Tuấn Vủ
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu
i
Lời cam đoan
Mục lục
ii
iii
Danh sách hình vẽ
Danh sách bảng biểu
vi
viii
Trang
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ROBOT PHỤC VỤ TỰ ĐỘNG ... 11
1.1. Tổng quan chung về robot ............................................................................ 11
1.1.1.Giới thiệu chung....................................................................................... 11
1.1.2 Phân loại robot ......................................................................................... 11
1.1.3 Một số dạng điều khiển ........................................................................... 15
1.1.4. Giới thiệu về robot phục vụ. ................................................................... 16
1.2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài .............................................. 20
1.3. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 20
1.4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 21
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO HỆ
THỐNG .................................................................................................................... 22
2.1. Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống. ................................................. 22
2.2. Các phương án lựa chọn, thiết kế cho bộ phận cấp ly ................................. 24
2.2.1 Các phương án cấp thức uống tự động .................................................... 24
2.2.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động cho băng tải ............................................. 27
2.2.3. Các phương án đưa thức uống ra khay của robot .................................. 28
2.3. Các phương án lựa chọn, thiết kế các bộ phận cho robot ........................... 30
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
2.3.1. Lựa chọn cơ cấu di chuyển cho robot ..................................................... 30
2.3.2. Lựa chọn cơ cấu đưa sản phẩm ra bàn. .................................................. 31
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG ..... 33
3.1. Robot.............................................................................................................. 33
3.1.1. Động học của robot di chuyển bằng bánh xe. ......................................... 34
3.1.2. Phần đế di chuyển ................................................................................... 37
Hình 3. 4. Động cơ giảm tốc 12VDC ......................................................................... 39
3.1.3. Phần cánh tay robot ................................................................................ 39
3.2. Cơ cấu cấp sản phẩm cho robot sử dụng băng tải ....................................... 43
3.2.1.
Tính chọn động cơ cho băng tải ........................................................ 44
3.2.2. Phân phối tỉ số truyền ............................................................................. 46
3.2.3. Tính thông số trên các trục ..................................................................... 46
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH ............. 49
4.1. Tổng quan về điều khiển trong các hệ thống tự động ................................. 49
4.1.1. Yêu cầu điều khiển tự động trong các hệ thống điều khiển hiện nay. .... 49
4.1.2. Giới thiệu các loại điều khiển phổ biến ................................................... 50
4.1.3. Tổng quan về PLC................................................................................... 50
4.1.4 Giới thiệu tổng quan vi điều khiển. ........................................................ 54
4.2. u cầu về điều khiển của mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động. ........ 57
4.3. Thuật toán PID trong điều khiển đường đi của robot. ................................ 57
4.3.1. Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) .......................................... 57
4.3.2. Ứng dụng giải thuật PID kết hợp với phương pháp PWM trên robot dò
đường. ............................................................................................................... 58
4.4. Thiết kế hệ thống điều khiển cho mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động.
.............................................................................................................................. 60
4.4.1. Board Arduino Uno R3 ........................................................................... 61
4.4.2. Cảm biến dò đường TCRT5000. .............................................................. 65
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
4.4.3. Modul điều khiển động cơ L298.............................................................. 66
4.4.4. Cảm biến siêu âm SRF05 ........................................................................ 67
4.4.5. Modul điều khiển động cơ bước A4988................................................... 68
4.4.6. Bộ thu phát tín hiệu RF........................................................................... 69
4.4.7. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ băng tải cấp thức uống. ....... 70
4.5. Mạch điều khiển của hệ thống ...................................................................... 71
4.5.1. Khối xử lý trung tâm của robot kết nối với các thiết bị ngoại vi ............. 71
4.5.2. Mạch hệ thống cấp thức uống cho robot................................................. 72
4.6. Sơ đồ thuật toán hệ thống ............................................................................. 72
4.7. Chương trình hệ thống robot phục vụ tự động ............................................ 73
4.8. Một số hình ảnh hệ thống đã được thi công ................................................. 85
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 88
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Robot hình người và hình dáng động vật. .................................................. 12
Hình 1. 2. Robot trên khơng. ...................................................................................... 12
Hình 1. 3. Robot dưới nước........................................................................................ 13
Hình 1. 4. Robot tự hành di chuyển bằng bánh của NASA. ........................................ 13
Hình 1. 5. Các cách bố trí bánh xe của robot. ............................................................. 15
Hình 1. 6. Robot di chuyển bằng bánh xích. ............................................................... 15
Hình 1. 7. Robot chữ thập đỏ, hướng dẫn viên du lịch và phục vụ bàn của Việt Nam. 17
Hình 1. 8. Một số robot phục vụ do Việt Nam tự chế tạo. .......................................... 17
Hình 1. 9. Những Robot phục vụ hiện đại do Nhật Bản sản xuất. ............................... 18
Hình 1. 10. Robot Asimo nổi tiếng của hãng Honda có thể phục vụ trà và robot bồi bàn
của Nhật. ................................................................................................................... 18
Hình 1. 11. Robot dùng trong phục vụ ăn uống. ......................................................... 19
Hình 2. 1. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống. 22
Hình 2. 2. Các mức độ lệch khỏi line của robot. ......................................................... 23
Hình 2. 3. Hình vẽ mơ phỏng băng tải dùng trong mơ hình ........................................ 24
Hình 2. 4. Sushi băng chuyền sushi. ........................................................................... 25
Hình 2. 5. Mơ hình mâm xoay cấp sản phẩm ............................................................. 26
Hình 2. 6. Bộ truyền đai ............................................................................................. 27
Hình 2. 7. Bộ tuyền xích ............................................................................................ 28
Hình 2. 8. Hình vẽ mơ phỏng cánh tay robot gắp sản phẩm........................................ 28
Hình 2. 9. Hình vẽ mơ phỏng cơ cấu đẩy sản phẩm .................................................... 29
Hình 2. 10. Vít me đai ốc bi ....................................................................................... 31
Hình 3. 1. Sơ đồ bố trí bàn và khơng gian làm việc của robot. 33
Hình 3. 2. Phân tích động học của robot di chuyển theo quỹ đạo cho trước ................ 35
Hình 3. 3. Đế di động của robot. ................................................................................ 38
Hình 3. 4. Động cơ giảm tốc 12VDC ......................................................................... 39
Hình 3. 5. Sơ đồ tính tốn chọn động cơ đẩy. ............................................................. 40
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Hình 3. 6. Các thơng số của vít me – đai ốc bi. .......................................................... 41
Hình 3. 7. Biểu đồ tần số và thời gian của động cơ bước. ........................................... 42
Hình 3. 8. Động cơ bước STP – 43D3014. ................................................................. 43
Hình 3. 9. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống băng tải ...................................................... 43
Hình 3. 10. Động cơ dùng cho băng tải. ..................................................................... 46
Hình 4. 1. Sơ đồ cấu trúc của PLC.
51
Hình 4. 2. Tủ điện điều khiển bằng PLC. ................................................................... 52
Hình 4. 3. Điều khiển thang máy................................................................................ 53
Hình 4. 4. Hệ thống rửa xe tự động dùng PLC ........................................................... 54
Hình 4. 5. Điều khiển máy CNC. ............................................................................... 54
Hình 4. 6. Board mạch Arduino Uno và Mega 2560. ................................................. 55
Hình 4. 7. Robot sử dụng vi điều khiển. ..................................................................... 56
Hình 4. 8. Mơ hình điều khiển đèn giao thơng dùng vi điều khiển.............................. 57
Hình 4. 9. Sơ đồ khối giải thuật PID. ......................................................................... 58
Hình 4. 10. Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot. ........................................ 59
Hình 4. 11. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống. ................................................................. 61
Hình 4. 12. Vi điều khiển Arduino ............................................................................. 62
Hình 4. 13. Các cổng vào ra. ...................................................................................... 64
Hình 4. 14. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến. ............................................................. 65
Hình 4. 15. Modul điều khiển động cơ L298N. .......................................................... 66
Hình 4. 16. Sơ đồ nguyên lý của mạch. ...................................................................... 67
Hình 4. 17. Cảm biến siêu âm SRF05. ....................................................................... 67
Hình 4. 18. Modul điều khiển động cơ bước. ............................................................. 68
Hình 4. 19. Sơ đồ nguyên lý....................................................................................... 69
Hình 4. 20. Modul thu - phát RF433. ......................................................................... 69
Hình 4. 21. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ............................................... 70
Hình 4. 22. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển robot. .................................................. 71
Hình 4. 23. Mạch được thiết kế trên phần mềm Altium. ............................................. 72
Hình 4. 24. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp thức uống cho robot. ...................................... 72
Hình 4. 25. Lưu đồ thuật tốn của hệ thống................................................................ 73
Hình 4. 26. Mơ hình hệ thống thiết kế ........................................................................ 85
Hình 4. 27. Khung xe robot........................................................................................ 85
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Ký hiệu các loại bánh xe ........................................................................... 14
Bảng 3. 1. Thông số điều khiển số vòng quay của bánh xe trái và phải ...................... 37
Bảng 3. 2. Bảng các thông số động học của băng tải. ................................................. 48
Bảng 4. 1. Một vài thông số Arduino Uno R3 ............................................................ 61
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ROBOT PHỤC VỤ TỰ ĐỘNG
1.1. Tổng quan chung về robot
1.1.1.Giới thiệu chung
Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỉ qua. Robot đầu tiên được ứng
dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng
nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần hòa nhập ngày càng nhiều với
quá trình sản xuất phức tạp nên Robot cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thơng
minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng Robot trong y tế,
chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phịng và gia đình đang
có nhu cầu gia tăng là động lực cho các Robot địa hình và Robot dịch vụ phát triển.
Robot xuất hiện đầu tiên ở Hoa Kì, là loại tay máy chép hình dùng trong phịng thí
nghiệm vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 thế kỉ trước, bên cạnh các tay máy chép hình
cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực diện từ đã xuất hiện. Tuy nhiên các tay máy
thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự di động. Các tay máy cố định chỉ hoạt
động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó. Ngược lại mobile robot là loại
robot có thể di chuyển từ khơng gian này sng không gian khác một cách độc lập hay có điều
khiển từ xa, do đó tạo nên khơng gian hoạt động rất lớn.
Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều
hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi trường tự nhiên. Với
sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ
mới được hình thành làm thay đổi qua điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang
robot phục vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người.
1.1.2 Phân loại robot
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot
để giúp cho việc phân loại chúng được dễ dàng hơn. Có 4 yếu tố chính để phân loại robot
như sau:
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
11
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Theo dạng hình học của khơng gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển,
theo nguồn dẫn động. Tuy nhiên trong giới hạn của đề tài này chỉ là đề cập đến lĩnh vực
nghiên cứu là robot di động dùng trong phục vụ. Robot di động là một hệ robot có khả năng
thực hiện các nhiệm vụ ở nhiều vị trí khác nhau với khả năng di chuyển bằng bánh xe, xích
hay bằng chân phụ thuộc vào địa hình. Đối với robot di chuyển dưới nước hay trên khơng,
ta cần có động cơ cánh quạt, chân vịt hay động cơ phản lực để tạo di chuyển cho robot. Khả
năng di động giúp robot có nhiều ứng dụng và đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề mới.
Một trong những vấn đề chung cần nghiên cứu ở robot di động là khả năng xác định phương
hướng di chuyển của robot.
Robot di động có thể phân loại bằng các cách:
- Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển:
+ Robot ngồi trời và robot trong nhà. Thơng thường, chúng được lắp bánh xe, nhưng
cũng có loại robot có chân ( gồm 2 hoặc nhiều chân) như robot hình người ( 2 chân ),
Robot hình dạng động vật hoặc cơn trùng (4-6 chân).
Hình 1. 1. Robot hình người và hình dáng động vật.
+ Robot trên khơng thường dùng cho các phương tiện trên khơng, phương tiện khơng
người lái.
Hình 1. 2. Robot trên không.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
12
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
+ Robot dưới nước dùng cho các phương tiện hoạt động dưới nước, chúng hoạt động
độc lập.
Hình 1. 3. Robot dưới nước.
- Phân loại theo phương pháp di chuyển:
+ Robot có chân, chân giống người hay chân giống động vật. Ưu điểm lớn nhất của
loại Robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng
cịn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu.
Nhược điểm chính của Robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp. Chân Robot là
kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của Robot đồng thời giảm
tốc độ di chuyển. Các kỹ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm
độ cứng vững của Robot. Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao.
Robot tự hành di chuyển bằng chân được mơ phỏng theo các lồi động vật vì thế mà
chúng có loại chân, loại 2, 4, 6 chân và có thể nhiều hơn.
+ Robot di chuyển bằng bánh xe. (wheeled mobile robot).
Hình 1. 4. Robot tự hành di chuyển bằng bánh của NASA.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
13
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự
hành. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong Robot di chuyển
bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh
cũng có thể cân bằng được. Khi Robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thơng thường người ta
phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Vấn đề
của Robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động .v.v. Dưới
đây là các loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành:
+ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc.
+ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
+ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và
điểm tiếp xúc.
Bảng 1. 1. Ký hiệu các loại bánh xe
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
14
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Hình 1. 5. Các cách bố trí bánh xe của robot.
+ Robot di chuyển bằng bánh xích.
Hình 1. 6. Robot di chuyển bằng bánh xích.
Loại robot này chuyển động bằng các bánh có lắp xích như xe tăng, rất phù hợp
khi di chuyển trên các địa hình phức tạp. Để đổi hướng, nó thay đổi tốc độ quay của 2
bánh xích chủ động. Tuy nhiên do chuyển động bằng xích khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện
tượng trượt, do đó khó điều khiển chính xác. Một vấn đề nữa là loại robot này rất dễ
làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt là khi chuyển hướng.
1.1.3 Một số dạng điều khiển
Robot điều khiển từ xa bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển khiển có thể
được gắn trực tiếp hoặc những thiết bị điều khiển khác. Thiết bị điều vào robot, ví dụ: một
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
15
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
cần gạt không dây, hoặc một phụ kiện của một máy tính khơng dây... Robot điều khiển từ
xa giúp con người tránh khỏi những nguy hiểm.
Robot điều khiển từ xa tự bảo vệ có khả năng phát hiện và tránh những chướng
ngại vật nhưng điều khiển cũng giống như robot điều khiển từ xa bằng tay. Có rất ít con
robot chỉ dùng đơn lẻ bộ điều khiển từ xa tự bảo vệ
Một vài robot tự động đầu tiên là những robot theo lộ trình. Chúng có thể theo những
đường được sơn khắc trên sàn, trần nhà hay trên một dây điện trên sàn. Đa số robot này
hoạt động theo một thuật tốn đơn giản là giữ lộ trình trong bộ xử lý trung tâm, chúng
khơng thể đi vịng qua các chướng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi có vật nào đó cản đường
chúng. Rất nhiều mẫu của loại robot này vẫn được bày bán bởi FMC, Egemin, HK system
và một vài công ty khác.
Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những
chuyển động như nhảy bật lên tường, những bức tường này được cảm nhận do sự cản
trở về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba, hoặc với bộ cảm biến điện tử nh ư máy
cắt cỏ Friendly Robotics.
1.1.4. Giới thiệu về robot phục vụ.
Trong đề tài chỉ tập trung nghiên cứu robot phục vụ nên trong phần này chỉ giới
thiệu các nghiên cứu có liên quan đến robot phục vụ.
Trong nước:
Từ những năm 1980, các nhà khoa học VN đã tiếp cận với việc nghiên cứu chế tạo
robot. Đến nay, nhiều đề tài nghiên cứu đã được thực hiện thành công như đề tài nghiên
cứu ứng dụng kỹ thuật tay máy, người máy trong bảo hộ lao động, ứng dụng người máy
công nghiệp trong kỹ thuật bốc xếp vận chuyển ở phân xưởng công nghiệp, nghiên cứu
ứng dụng robot trong công nghệ bề mặt, chế tạo robot phục vụ gia cơng cơ khí, chế tạo
robot gắp sản phẩm cho khuôn ép... Một số robot của Việt Nam đã chế tạo thành công và
được công bố nhiều trên các hội nghị và tạp chí trong, ngồi nước cũng như phương tiện
truyền thông như:
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
16
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Hình 1. 7. Robot chữ thập đỏ, hướng dẫn viên du lịch và phục vụ bàn của Việt Nam.
Có thể thấy, robot đã xuất hiện trong một số nhà hàng ở Nhật Bản, Trung Quốc hay những
nước tiên tiến trên thế giới trong vai trò phục vụ bàn. Nhưng giờ đây, ở Việt Nam cũng đã
xuất hiện những chú robot như thế. Điều đáng nói hơn nữa là những con robot này hoàn
toàn do người Việt Nam lên ý tưởng và thiết kế.
Hình 1. 8. Một số robot phục vụ do Việt Nam tự chế tạo.
Ngoài nước:
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
17
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Hình 1. 9. Những Robot phục vụ hiện đại do Nhật Bản sản xuất.
Hình 1. 10. Robot Asimo nổi tiếng của hãng Honda có thể phục vụ trà và robot bồi bàn
của Nhật.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
18
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Hình 1. 11. Robot dùng trong phục vụ ăn uống.
- Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công nghiệp
cũng như trong đời sống xã hội, robot có thể thay thế sức lao động của con người và
thực hiện những công việc lặp đi lặp lại mà khơng biết mệt mỏi, những cơng việc có tính
chất nguy hiểm hoặc trong điều kiện mơi trường khắc nghiệt. Chính vì những ưu điểm
trên mà việc ứng dụng robot vào việc phục vụ trong phòng chờ ở nhà ga, bến xe, khách
sạn hoặc văn phòng là một việc làm hết sức cần thiết trong giai đoạn hiện nay.
Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những
đặc thù riêng mà các loại robot khác không có. Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong
một khơng gian bị giới hạn quanh vị trí của nó. Ngược lại, mobile robot có thể di chuyển,
do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trị
quan trọng khơng thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư
nghiên cứu.
- Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
19
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
Ý nghĩa khoa học: Để có khả năng tiếp cận công nghệ hiện đại của thế giới, từng
bước có thể tự thiết kế, chế tạo các thiết bị, máy móc điều khiển, việc nghiên cứu và ứng
dụng tự động hóa là một bước đi rất quan trọng trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa và hiện
đại hóa đất nước, tạo ra những sản phẩm mới có tính cạnh tranh trên thế giới, nước ta
cũng khơng nằm ngồi quy luật này.
Ý nghĩa thực tiễn: Để giải quyết nhu cầu thiếu hụt lao động trong tương lai, ở lĩnh
vực dịch vụ hoặc những công việc lặp đi lặp lại dễ nhàm chán và có thu nhập thấp, cụ
thể là cơng việc phục vụ trong phòng chờ, việc thuê người để phục vụ bàn đơi khi gặp
nhiều khó khăn do sự khác biệt văn hố, quan niệm sống, cách ứng xử khơng khéo lại
dễ gây xung đột, rất phức tạp. Vì vậy nếu có robot thay thế thì điều này sẽ khơng xảy
ra, việc sử dụng robot để thay thế hoặc hỗ trợ con người trong cơng việc này thì rất
thích hợp.
1.2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là thiết kế, chế tạo robot ứng dụng trong việc phục vụ
trong phịng chờ có nhiều bàn.
Đối tượng tập trung nghiên cứu của đề tài là đưa ra giải pháp điều khiển cho robot
di động dùng trong phục vụ, di chuyển theo lộ trình đã được vạch trước.
1.3. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ bao gồm :
-
-
Phần cơ khí gồm có:
+ Thiết kế hệ thống cấp thức uống cho robot.
+ Thiết kế, chế tạo phần di chuyển của robot.
+ Thiết kế, chế tạo phần giữ khay thức uống và chuyển thức uống ra bàn thực khách.
Phần điều khiển gồm có:
+ Thiết kế mạch điều khiển cho robot.
+ Xây dựng lưu đồ giải thuật cho robot di chuyển đến vị trí các bàn.
Đề tài này có nhiệm vụ cho robot di động bằng bánh để thực hiện công việc đưa thức uống
đến các bàn yêu cầu. Robot di chuyển bằng cách bám theo lộ trình được chỉ định trước, nếu
gặp vật cản thì robot sẽ dừng lại và khi khơng có vật cản thì robot sẽ tiếp tục đi để hồn
thành nhiệm vụ. Bàn ghế và khay chứa thức uống được thiết kế riêng phục vụ cho việc
robot bưng dễ dàng hơn.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
20
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Qua việc xác định nhiệm vụ thiết kế trên, các phương pháp nghiên cứu sẽ tập trung vào
việc giải quyết các vấn đề như sau:
-
Xây dựng cơ sở lý thuyết bao gồm :
+ Sưu tầm các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
+ Tìm hiểu, ứng dụng vi điều khiển ARDUINO làm bộ xử lý trung tâm cho robot.
+ Tìm hiểu các cảm biến tránh vật cản, thu phát tín hiệu RF để điều khiển robot.
-
+ Giải thuật điều khiển robot bám theo đường line.
Xây dựng mơ hình thực nghiệm bao gồm:
+ Thiết kế, chế tạo hệ thống cấp thức uống tự động.
+ Thiết kế, chế tạo mơ hình robot.
+ Thiết kế mạch điều khiển, mạch xử lý.
+ Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình điều khiển robot.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
21
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO HỆ
THỐNG
2.1. Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Hình 2. 1. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống.
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học công nghệ, robot đang dần
dần thay thế con người ở các lĩnh vực khác nhau. Những robot phục vụ đang ngày càng
được tạo ra để thay thế cho hoạt động của con người. Ở một số nước đã chế tạo ra những
chú robot phục vụ về đồ ăn và thức uống một cách linh hoạt và tinh vi. Do hạn chế về điều
kiện cũng như kiến thức nên ở đồ án này, chúng em chỉ dừng lại ở việc thiết kế mơ hình hệ
thống robot phục vụ đơn giản, tối đa cho việc học tập, nghiên cứu. Nguyên lý hoạt động
của hệ thống này như sau:
Trên mỗi bàn sẽ có các nút nhấn để gọi đồ uống mà khách hàng cần. khi khách hàng gọi
thức uống bằng việc nhấn nút, tín hiệu sẽ được đưa về quầy để xử lí.
Sau khi nhận được tín hiệu gọi thức uống từ các bàn, sẽ có một hệ thống đưa thức uống đến
cho robot và robot sẽ nhận thức uống từ quầy nhận sản phẩm sau đó di chuyển đến đúng vị
trí của bàn đó. Robot được lập trình đi theo các đường có sẵn trên sàn nhà để đến với các
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
22
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
bàn. Khi đến được nơi, cơ cấu đẩy trên robot sẽ đẩy thức uống xuống bàn và quay về vị trí
ban đầu để tiếp tục thực hiện nhiệm vụ tiếp theo.
Đối với robot, để robot có thể di chuyển đến quầy phục vụ, nhấc khay chứa thức uống và
đặt nó ở bàn khách hàng thì cần có tín hiệu điều khiển, sau đó robot sẽ thực hiện việc dò
đường, sao cho robot đi theo 1 vạch thẳng màu trắng trên một nền màu đậm(đen,xanh,…).
Có 6 cảm biến quang được đặt ở phía trước robot và hướng các cảm biến xuống mặt sân
ta có 9 trạng thái của robot như hình 2.2
• Trạng thái giữa vạch, khi cảm biến số 3,4 nằm trên vạch trắng (giữa vạch) robot chạy
đúng đường, trong trường hợp này ta điều khiển 2 động cơ trái và phải chạy cùng mộ tốc
độ.
• Khi robot lệch sang trái: quay phải để điều chỉnh robot về đúng vạch.
• Khi robot lệch sang phải: quay trái để điều chỉnh robot về đúng vạch.
Hình 2. 2. Các mức độ lệch khỏi line của robot.
Đối với chương trình dị đường đơn giản, khi robot lệch trái hoặc lệch phải, robot sẽ quay
phải hoặc quay trái để điều chỉnh cho dù lệch ít hay lệch nhiều.
Như vậy, trong q trình di chuyển, robot sẽ mất ổn định. Do đó, với các mức độ lệch ra
khỏi vạch trắng khác nhau, ta điều chỉnh tốc độ 2 bánh trái hoặc phải cho phù hợp, để quá
trình di chuyển theo vạch của robot được ổn định hơn.
Mơ hình hệ thống là tập hợp của các bộ phận như:
- Robot di động tiếp nhận và vận chuyển thức uống đến thực khách.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
23
Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống robot phục vụ tự động
-
Bộ phận cấp ly từ quầy.
Bộ phận tiếp nhận thức uống.
-
Các đường line giúp robot nhận diện được đường đi.
2.2. Các phương án lựa chọn, thiết kế cho bộ phận cấp ly
2.2.1 Các phương án cấp thức uống tự động
Hệ thống cấp thức uống tự động thực hiện cơng việc đưa thức uống đến điểm nhận của
robot. Có thể đưa ra các phương án thực hiện như sau:
a) Phương án 1: Dùng băng tải chuyền sản phẩm
135
520
Hình 2. 3. Hình vẽ mơ phỏng băng tải dùng trong mơ hình
Trong các dây chuyền sản xuất, băng tải thường được sử dụng để di chuyển các vật liệu
đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng. Các thiết bị này được sử
dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu, chi tiết và sản phẩm nhẹ.
Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc một số
sản phẩm khác. Trong một số ngành công nghiệp nhẹ, cơng nghệ thực phẩm, hóa chất thì
chúng dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hồn thành giữa các cơng
đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được.
Băng chuyền cũng được áp dụng trong các nhà hàng, quán ăn hiện đại ngày nay.Đây là hình
thức kinh doanh mới lạ nhưng rất được ưa thích hiện nay.
GVHD: Th.S Nguyễn Thế Tranh
SVTH: Nguyễn Tuấn Vủ - Nguyễn Đình Quốc Khánh
24
