Tài liệu Đồ án nghiên cứu, thiết kế mobile robot dạng bốn bánh vận chuyển phôi trong nhà máy

lOMoARcPSD|16911414 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ---------- BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MOBILE ROBOT DẠNG BỐN BÁNH VẬN CHUYỂN PHÔI TRONG NHÀ MÁY Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Văn Trường Tên thành viên nhóm: Trần Văn Linh 2017600551 Lê Minh Hùng 2017600190 Nguyễn Văn Hiệu 2017601118 Hà Nội 2020 0 lOMoARcPSD|16911414 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1 lOMoARcPSD|16911414 ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... MỤC LỤC 2 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT.....................................................7 1.1. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU.................................................................................7 1.1.1. Lịch sử phát triển của xe AGV...............................................................7 1.1.2. Phân loại xe AGV...................................................................................8 1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI..............................................................................11 1.3. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI........................................................11 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT 4 BÁNH.......................................................................................................................... 13 2.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC...............................................................................13 2.2.TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.......................................................................16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.................................................20 3.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ARDUINO MEGA 2560..............................20 3.2.MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ........................................22 3.3.MODULE LM 2596..........................................................................................23 3.4.BỘ NGUỒN......................................................................................................23 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH XE AGV............................................................29 4.1. CỤM BÁNH ĐỘNG LỰC...............................................................................29 4.2. CỤM NÂNG.....................................................................................................31 4.3. KHUNG VÀ VỎ MÔ HÌNH AGV...................................................................34 3 lOMoARcPSD|16911414 MỤC LỤC HÌNH Hình 1. 1: Sơ đồ vận hành xe AGV trong nhà máy........................................................8 Hình 1. 2: Xe AGV kéo hàng.........................................................................................9 Hình 1. 3: Xe AGV chở hàng.........................................................................................9 Hình 1. 4: Xe AGV nâng hàng.....................................................................................10 YHình 2. 1: Hệ tọa độ của Robot.................................................................................13 Hình 2. 2: Mô hình phân tích lực bánh sau của robot [6].............................................16 Y Hình 3. 1: Arduino Mega 2560 20 Hình 3. 2: Mạch cầu H dung IR2184 22 Hình 3. 3: Module LM2596 23 Hình 3. 4: Ác quy 12V 24 Hình 3. 5: Pin Lipo 25 Hình 3. 6: Cảm biến dò line 8 LED 25 Hình 3. 7: Module dò line 26 Hình 3. 8: Module đọc ADC 26 Hình 3. 9: Cảm biến vật cản hồng ngoại DS30c4 28 Hình 4. 1: Module cụm bánh động lực.........................................................................29 Hình 4. 2: Module cụm nâng.......................................................................................32 Hình 4. 3:Khung và mô hình AGV..............................................................................34 4 lOMoARcPSD|16911414 BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT ST T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Kí hiệu Chú thích q Ma trận vị trí Góc của robot so với phương ngang Vận tốc tuyến tính của robot Vận tốc bánh phải, trái Vận tốc góc của robot Bán kính bánh xe Nửa khoảng cách giữa 2 bánh xe Động năng tịnh tiến của thân xe Động năng quay của bánh xe Vận tốc dài của xe Vận tốc dài bánh phải, trái Momen quán tính của từng bánh Khối lượng bánh xe Khối lượng thân xe Momen động cơ Momen hao tổn trên trục Hệ số tổn thất trên trục động cơ Momen ma sát lăn Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường Gia tốc trọng trường Vận tốc góc của bánh Gia tốc góc của bánh Gia tốc dài Vận tốc tại điểm đầu A, điểm cuối B Thời gian xe di chuyển Công suất động cơ Ma trận vị trí robot Đường kính trục vít me Bước của vít me Đường kính bánh răng 1, 2 Số răng của bánh răng 1, 2 Số mắt xích θ ϑ vR , vL ω R L K tt Kb vt v wR , v wL J wR , J wR mb mt M dc M mst u M msl k g φ́ φ́ a V a ,V b t Pdc ξ d u d 1 ,d 2 Z1 , Z2 x 5 Đơn vị Rad m/s m/s Rad/s mm mm J J m/s m/s Kg/ m2 Kg Kg N.m N.m N.m m/ s 2 Rad/s rad/ s 2 m/ s 2 m/s s W mm mm mm lOMoARcPSD|16911414 CÁC TỪ VIẾT TẮT AGV : Autonomous Guided Vehicles 6 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 1. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU 2. Lịch sử phát triển của xe AGV Robot được ra đời từ thế kỷ 3 trước công nguyên do Chu Mục Vương (Trung Quốc) và một người nữa là Yan Shi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí đầu tiên. Đến năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh. Năm 1948, các nguyên lý nền tảng về robot và tự động hóa ra đời, tạo tiền đề cho robot học sau này. Cho tới năm 1961, Mobile Robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặt tên là Unimate.Trong các loại Mobile Robot áp dụng trong lĩnh vực công nghiệp, thì Robot tự hành trên mặt đất AGV( Autonomous Guided Vehicles) đang được cả thế giới quan tâm đến. Hệ thống xe tự hành (AGV) đã tồn tại từ năm 1953 bởi Barrett Electronics Of Northbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation of Walker, bang Michigan – USA.. Một nhà phát minh đã sáng chế ra một phương pháp tự động hoá con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều năm nhờ vào giấc mơ của mình. Robot tự hành AGV được chế tạo để vận chuyển các phôi gia công vào những năm 70, vấn đề định hướng của xe tự hành là một trong những vấn đề quan trọng. Ban đầu AGV chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn. Công nghệ những năm 70 đã điều khiển các hệ thống để nâng cao khả năng và tính linh hoạt của xe AGV, xe không chỉ được dùng để kéo, đẩy hàng trong kho, mà còn có chức năng trung gian , kết nối trong quá trình sản xuất, lắp ráp, phân loại hàng hóa. Trải qua nhiều năm, khi công nghệ phát triển mạnh hơn, trong quá trình tự hành, AGV được lập trình để giao tiếp với các robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm được chuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữ lại hoặc chuyển đến một vị trí khác. 7 lOMoARcPSD|16911414 3. Phân loại xe AGV Xe AGV được sử dụng với mục đích chung là để chuyển hàng trong các nhà máy, các kho chứa sản phẩm. Hình 1. 1: Sơ đồ vận hành xe AGV trong nhà máy Ngày nay, xe AGV đã có rất nhiều các dòng sản phẩm khác nhau ở trên thị trường. Các sản phẩm AGV này bao gồm:  Xe kéo (Towing Vehicle) Xe kéo xuất hiện đầu tiên trong các dòng xe AGV và bây giờ vẫn còn rất thịnh hành trên thị trường. Loại này có thể kéo được nhiều toa hàng khác nhau và trở được từ 8000 đến 60000 pounds. Ưu điểm của hệ thống xe kéo:  Khả năng chuyên chở lớn.  Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như việc đảm bảo an toàn.  Tính năng an toàn tốt 8 lOMoARcPSD|16911414 Hình 1. 2: Xe AGV kéo hàng  Xe chở ( Unit Load Vehicle) Xe chở được trang bị các tâng khay chứa có thể nâng, hạ chuyênr động bằng băng tải, đai hoặc xích. Ưu điểm của xe chở:  Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu  Thời gian đáp ứng nhanh gọn  Giảm hư hại tài sản  Đường đi linh hoạt  Giảm thiếu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở Hình 1. 3: Xe AGV chở hàng 9 lOMoARcPSD|16911414  Xe đẩy ( Cart Vehicle) Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt và rẻ tiền. Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp.  Xe nâng ( Fork Vehicle) Có khả năng nâng các tải trọng trên sàn hoặc trên các bục cao hay khối hàng đặt trên giá. Hình 1. 4: Xe AGV nâng hàng  AGV không theo đường dẫn ( free path navigation) Có thể di chuyển đến vị trí bất kì trong không gian làm việc. Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao được định vị nhờ các cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscop sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để xác định vị trí các vật thể xung quanh trog quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để xác định tọa đọ tức thời,... việc thiết kế loại xe này đòi hỏi công nghệ cao và phức tạp hơn các xe AGV khác.  Loại chạy theo đường dẫn ( fixed path navigation) Xe AGV loại này được thiết kế chạy theo đường dẫn định sẵn bao gồm các loại đường như sau: 10 lOMoARcPSD|16911414 Đường dẫn từ: là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ chôn ngầm dưới nền sàn. Khi di chuyển, nhờ các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể di chuyển theo đường dẫn. Loại đường dẫn này không nằm trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến công việc vận hành khác. Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định không thay đổi được. Đường ray dẫn: xe AGV được chạy trên các ray đặt sẵn trên mặt sàn.loại này chỉ sử dụng với những hệ thống chuyên dụng. Nó cho phép thiết kế đơn giản hơn và có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng không linh hoạt. Đường băng kẻ trên sàn: xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ cảm biến nhận dạng vạch kẻ. Loại này có tính linh hoạt cao vì trong quá trình sử dụng người ta có thể thay đổi đường đi một cách dễ dàng nhờ vẽ lại các vạch kẻ đường. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn trong quá trình điều khiển xe hoạt động. 4. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu của đề tài chính là nghiên cứu và chế tạo Mobile Robot 4 bánh làm việc trong một không gian rộng ( nhà máy, nhà kho,...) với nhiệm vụ của Robot là vận chuyển hàng giữa các vị trí khác nhau trong không gian đó. Giới hạn của đề tài: khi nhóm đồ án nhận đề tài về thiết kế và chế tạo một Mobile Robot tự động 4 bánh, nhóm đã quyết định thiết kế và chế tạo một xe nâng hàng AGV với mục đích dùng để vận chuyển hàng trong một kho chứa của một công ty. 5. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Phương pháp quan sát thực tế: nhóm chúng em đã có thời gian tiếp cận với quy trình sản xuất trong công ty HOYA nằm trong khu công nghiệp Bắc Thăng Long từ đó tìm ra được những công đoạn trong quá trình sản xuất cần cải tiến về máy móc nhằm nâng cao năng suất lao động. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Trong thời gian nghiên cứu, nhóm đồ án đã tìm hiểu qua các sách tài liệu, các đồ án sinh viên khóa trước, các trang web, … liên quan đến đề tài Mobile Bobot 4 bánh. 11 lOMoARcPSD|16911414 Từ quá trình bên trên, nhóm đồ án đã quyết định tiến hành xây dựng một robot tự động 4 bánh để nâng hàng. Giúp quá trình vận chuyển hàng trong công ty được năng suất hơn. Để đạt được việc chế tạo ra một con robot tự động 4 bánh, thì những vấn đề sau cần được tìm hiểu và nghiên cứu: Bài toán dò đường sử dụng cảm biến dò line qua bộ điều khiển PID. Tính toán bài toán động học xác định mối liên hệ giữa các chuyển động và tìm quy luật thay đổi vị trí, quy luật chuyển hướng của AGV. Tính toán bài toán động lực học tìm hiểu nguyên nhân gây chuyển động và sự liên kết giữa các robot. Bài toán điều khiển động cơ planet và điều khiển tốc độ bằng xung PWM. Tính toán bộ truyền đai xích. Sau khi đã tìm hiểu và nghiên cứu, việc tiến hành làm ra sản phẩm cũng rất quan trọng. Khi sản phẩm được hoàn thành thì sản phẩm phải đạt được những tiêu chí sau: 12 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT 4 BÁNH 2.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC Hình 2. 1: Hệ tọa độ của Robot Hệ tọa độ tuyệt đối ( hệ tọa độ gốc) là hệ tọa độ cố định được đặt trong môi trường và được biểu diễn bằng (X,Y). Hệ tọa độ tương đối ( hệ tạo độ robot) là hệ tọa độ gắn liền với robot và được biểu thị bằng (Xr,Yr). Gốc của hệ tọa độ robot là P. Vị trí robot so với hệ tọa độ robot được xác định bằng ma trận vị trí q  x y  T (2-1) Để chuyển đổi vị trí của robot từ hệ tạo độ tương đối (PxrYr) sang hệ tọa độ tuyệt đối (OXY) ta sử dụng ma trận chuyển đổi R được xác định như sau:  R     R (2-2) Trong đó R(θ) là ma trận quay của robot quanh trục thẳng đứng 13 lOMoARcPSD|16911414  cos  R     sin    0  sin  cos  0 0 0  1  (2-3) Vận tốc tuyến tính của robot trong hệ tọa độ bằng trung bình vận tốc tuyến tính của hai bánh xe theo hệ tọa độ robot v vR  vL   L R R 2 2 (2-4) Vận tốc góc của robot là:  vR  v L    L R R 2 2 (2-5) Các vận tốc của robot trong hệ tọa độ giờ có thể biểu diễn dưới dạng các vận tốc của điểm trung tâm P trong khung robot như sau:  R   L  r  x R  p  2  r  y  0  p     L   R R 2  (2-6) Suy ra:  R  x rp   2    q r  y rp   0   r   R     2L Với R 2 0      R       R  L  2L  (2-7) R=0.15 là bán kính bánh xe của robot L=0.3 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe φ́ R , φ́ L=0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robot Thay vào ta được: 14 lOMoARcPSD|16911414 0.15   0.15  2  0.06 2  0.4     0     0  q r  0  0.4    0.15 0.15   0.2     2 0.3   2 0.3 Ma trận vận tốc theo hệ tuyệt đối được thể hiện như sau:  x Pl   x Pr      q l  y lp  R     y Pr    l    r      Với R  2 cos   R  sin  2  R   2 L R  cos   2     R sin    R     L  2 R  2 L  (2-8) R=0.15 là bán kính bánh xe của robot L=0.3 : là khoảng cách giữa 2 bánh xe φ́ R , φ́ L=0.4 : là vận tốc của bánh phải, trái của robot θ =0: là góc quay của bánh xe Thay vào ta được:  0.15  2 cos 0  0.15 l q  sin 0  2  0.15   2  0.3 0.15  cos 0  2  0.06   0.4   0.15 sin 0     0    0.4  2  0.2  0.15  2  0.3  Ma trận q́l còn được thể hiện theo vận tốc dài v và vận tốc ω theo công thức sau: 15 lOMoARcPSD|16911414  cos  q  sin    0 l 0  v 0      1    (2-9) 16 lOMoARcPSD|16911414 2.2.TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến để xây dựng phương trình chuyển động cho các động cơ. Phương pháp được phát minh bởi Lagrange. Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau: d  K  K P   Qi   dt  q i  qi qi (2-10) Trong đó: K: là động năng của hệ P: là thế năng của hệ Q ¿i : là ngoại lực Hình 2. 2: Mô hình phân tích lực bánh sau của robot [6] Cấu trúc chuyển động của hệ gồm 2 bánh sau dẫn động và 2 bánh omni phía trước dẫn hướng. Vì vậy mọi chuyển động của robot phụ thuộc vào việc điều khiển vận tốc 2 bánh sau v wR và v wL Ta có tổng động năng của robot: 17 lOMoARcPSD|16911414 K K tt   Kb (2-11) Động năng tịnh tiến của thân xe: 1 K tt  mt vt2 2 (2-12) Trong đó: K tt : là động năng tịnh tiến của thân xe mt : là khối lượng thânxe v t : là vận tốc dài của xe vt  1 1  vR  v L   R   R   L  2 2 (2-13) Động năng của bánh xe: Kb  mb v2 R  mb v2 L  J R 2 R  J  L 2 L  (2-14) Trong đó: K b : là động năng của bánh xe J wR , J wL : là momen quán tính của từng bánh xe Coi bánh xe là đĩa tròn mỏng thì: 1 J  mb R 2 2 (2-15) R: là bán kính bánh xe mb : là khối lượng bánh xe v wR , v wL : là vận tốc dài của 2 bánh xe Với v wR =0.5 m/s v wL =0.5 m/s mt=10 kg 18 lOMoARcPSD|16911414 mb=0.5 kg Thay vào công thức (2-12),(2-13), (2-14),(2-15) ta được: vt  1  0.5  0.5 0.5  m / s  1.8  km / h  2 K tt  1 10 1.82  16.2  kN   2 1 J   0.5 0.0752 1.4 10 3  kNm2  2 2 2   0.5   0.5   2 2 3 3 K b  0.5 0.5  0.5 0.5   1.4 10     1.4 10    0.37  kN  0.075   0.075     Suy ra: Tổng động năng của robot là: K K tt   Kb 16.2  0.37 16.57  kN  Thế năng của robot Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0 Ngoại lực của robot 1  Qi M dc  M mst  M msl M dc  M dc u  Rgk  mt  mb  4  Trong đó: M dc : là momen do động cơ sinh ra M mst : là momen hao tổn trên trục M msl : là momen ma sát lăn R: là bán kính bánh xe G: là gia tốc trọng trường K: là hệ số ma sát bánh xe với mặt đường mt : là khối lượng thân xe 19 (2-16)