Nghiên cứu và chế tạo service robot phục vụ trong nhà hàng.pdf

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO SERVICE ROBOT
PHỤC VỤ TRONG NHÀ HÀNG
GVHD: TS. LÊ TẤN CƯỜNG
SVTH: NGUYỄN NGỌC HẬU
NGUYỄN TRỌNG NHÂN
BÙI LÂM PHONG
S K L 0 1 1 2 7 1
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Tấn Cường
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN:
Nguyễn Ngọc Hậu MSSV: 19146329
Nguyễn Trọng Nhân MSSV: 19146065
Bùi Lâm Phong MSSV: 19146372
KHÓA: 2019 – 2023
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023
Đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO SERVICE ROBOT
PHỤC VỤ TRONG NHÀ HÀNG”

i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Học kỳ II / năm học 2022-2023
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Tấn Cường
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Ngọc Hậu MSSV: 19146329 Điện thoại: 0836271715
Nguyễn Trọng Nhân MSSV: 19146065 Điện thoại: 0911920650
Bùi Lâm Phong MSSV: 19146372 Điện thoại: 0349487469
1. Mã số đề tài:
Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo Service Robot phục vụ trong nhà hàng
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Tài liệu, kiến thức về nguyên lý chi tiết máy, cơ lý thuyết, sức bền vật liệu.
- Tài liệu, kiến thức về điều khiển tự động, truyền động điều khiển Servo Motor, công
nghệ kỹ thuật Robot.
- Tài liệu, kiến thức về thiết bị điện, truyền thông mạng, cảm biến và cơ cấu chấp
hành.
- Tài liệu về ứng dụng Lidar của Sick.
- Tài liệu về hệ điều hành ROS chuyên cho robot tự hành, các thuật toán SLAM và
Navigation trên Linux.
- Tài liệu, kiến thức về ngôn ngữ lập trình.
3. Nội dung chính của đồ án:
- Hoàn thiện và nâng cấp phần thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống Cơ Khí.
- Hoàn thiện và nâng cấp phần thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống điều khiển.
- Xây dựng thuật toán xử lý cho các thiết bị trên Robot.
- Xây dựng bản đồ số và hoạch định quỹ đạo di chuyển cho Robot trên ROS.
- Xây dựng giao diện web, giao diện trên HMI để vận hành và sử dụng Robot.
- Chạy thử nghiệm để đánh giá kết quả hệ thống so với các yêu cầu đề ra ban đầu.
4. Các sản phẩm dự kiến
- Sản phẩm Robot hoàn thiện có khả năng tự hành và thực hiện tốt công việc phụ vụ.
- Phần mềm điều khiển và giao diện người dùng.
- Tập bản vẽ thiết kế cơ khí, điện – điều khiển.

ii
- Tập tài liệu thuyết minh đề tài.
5. Ngày giao đồ án:
6. Ngày nộp đồ án:
7. Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt 
Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt 
TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

iii
LỜI CAM KÊT
- Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo Service Robot phục vụ trong nhà hàng
- GVHD: ThS. Lê Tấn Cường
- Họ và tên sinh viên:
Nguyễn Ngọc Hậu 19146329 SĐT: 0836271715
Nguyễn Trọng Nhân 19146065 SĐT: 0911920650
Bùi Lâm Phong 19146372 SĐT: 0349487469
- Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): 18/7/2023
- Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình
do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài
viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm
nào, chúng tôi xin chịu hoàn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 18 tháng 7 năm 2023
Ký tên

iv
LỜI CẢM ƠN
Trải qua một khoảng thời gian khá dài, được học tập trong một môi trường đào tạo tốt,
với các giảng viên giỏi của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Đây là nơi đào tạo ra được nhiều nhân tài của đất nước, chúng em rất tự hào là một sinh viên
của trường. Chúng em được học nhiều kiến thức từ lý thuyết đại cương đến kiến thức chuyên
ngành, được thực nghiệm trong các buổi thực hành tại xưởng, tại các phòng thí nghiệm giúp
nâng cao tay nghề và kiến thức chuyên môn.
Đồ án tốt nghiệp là cơ hội vận dụng các kiến thức được học và khả năng nghiên cứu,
áp dụng vào đồ án này. Bên cạnh đó, giúp chúng em phát huy khả năng làm việc nhóm, kỹ
năng lập kế hoạch thực hiện công việc một cách chỉn chu, các kỹ năng khác như kỹ năng tư
duy logic, kỹ năng thiết kế, kỹ năng sử dụng các phần mềm kỹ thuật…
Với đề tài “Nghiên cứu và chế tạo Service Robot phục vụ nhà hàng”, là đề tài chúng
em đã chọn để thực hiện trong kỳ đồ án tốt nghiệp. Dưới sự hướng dẫn tận tình, nhiệt huyết
và các định hướng cụ thể rõ ràng của Thầy Lê Tấn Cường, cùng với sự giúp đỡ của các giáo
viên bộ môn, của các anh chị khóa trước, và của các bạn bè ngành cơ điện tử Khóa 19, thì
chúng em đã rất cố gắng và hoàn thành đồ án của mình tốt nhất. Nhóm chúng em xin cảm ơn
thầy Lê Tấn Cường và các Thầy Cô trong bộ môn, các anh chị khóa trước, và các bạn bè cùng
ngành rất nhiều. Bên cạnh đó, nhóm em cũng rất cảm ơn Công Ty Giải Pháp Kỹ Thuật
INDRUINO, cảm ơn các anh chị trong công ty đã tạo điều kiện, hỗ trợ cơ sở vật chất giúp
chúng em có thể hoàn thiện được sản phẩm tốt nhất.
Với kiến thức còn nhiều hạn hẹp và kinh nghiệm ít ỏi, nên trong quá trình làm đồ án
không thể tránh khỏi nhiều sai sót. Kính mong các Thầy Cô góp ý và chỉ bảo thêm để nhóm
chúng em khắc phục và rút kinh nghiệm để làm tốt hơn trong các nghiên cứu khoa học sau
này.
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Hậu MSSV: 19146329
Nguyễn Trọng Nhân MSSV: 19146065
Bùi Lâm Phong MSSV: 19146372

v
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO SERVICE ROBOT
PHỤC VỤ TRONG NHÀ HÀNG
Ngày nay, theo xu hướng công nghệ mới, hầu hết ngành dịch vụ nước ta đang dần
hướng tới việc tự động hóa hoàn toàn ở các khâu trong dịch vụ phục vụ tại các nhà hàng,
khách sạn, trung tâm thương mại. Tuy nhiên, giá thành của việc xây dựng một hệ thống
Service Robot hiện nay ở nước ta là rất cao, chi phí thực hiện khó phù hợp với điều kiện kinh
tế ở Việt Nam. Vì thế, công việc tìm hiểu để nghiên cứu và chế tạo Robot phục vụ với chi phí
phù hợp để nội địa hóa sản phẩm trong nước.
Sử dụng ROS framework để điều khiển, hoạch định quỹ đạo đường đi cho robot để đạt
đến điểm đích mong muốn. Tích hợp vào giao diện người dùng (GUI) và tương tác với người
dùng thông qua màn hình HMI.
Sử dụng cảm biến Lidar 2D để thu thập dữ liệu vật cản từ môi trường, từ đó tạo ra bản
đồ. Sau đó, áp dụng thuật toán Dijsktra để hoạch định quỹ đạo toàn cục cho robot và thuật
toán Dynamic Window Approach để bám theo quỹ đạo mong muốn với chi phí tối ưu nhất.
Ngoài ra, giao diện người dùng thân thiện, linh hoạt được xây dựng trên nền tảng Flutter, giúp
nhân viên có thể dễ dàng mang đồ ăn đến khách hàng thông qua tương tác với robot.
Khách hàng có thể gọi món bằng nhiều cách như trao đổi với nhân viên, thao tác trực
tiếp trên màn hình robot, trên tablet hoặc quét mã QR trên điện thoại. Robot đáp ứng được
công việc phục vụ. Robot có thể mang đồ ăn yêu cầu đến khách hàng nhanh chóng và chính
xác. Giao diện tương tác bắt mắt, thông minh trong việc gọi món, quản lý khách hàng và nhân
viên trong cửa hàng. Mang lại cảm giác an toàn và thú vị cho khách hàng.
Bên cạnh những kết quả đạt được ở trên. Vẫn còn nhiều hạn chế như thời gian làm việc
chưa được lâu, khả năng di chuyển chưa đảm bảo an toàn trong nhiều trường hợp như tránh
vật cản không cố định, vật cản động, đảm bảo an toàn trong quá trình mang đồ ăn, giao diện
tương tác chưa thực hiện được các tính năng, còn thiếu nhiều thuộc tính. Hướng phát triển
trong tương lai sẽ cải thiện những hạn chế được đề cập ở trên và phát triển khả năng giao tiếp
bằng âm thanh, có cảm xúc với con người.

vi
ABSTRACT
Nowadays, following the trend of new technology, most service industries in our
country are gradually moving towards full automation in various processes, especially in
restaurants, hotels, and shopping centers. However, the cost of building a Service Robot
system in our country is very high, making it challenging to align with Vietnam's economic
conditions. Hence, the research and development of cost-effective Service Robots are crucial
to localize the product domestically.
Using the ROS framework for control and path planning, the robot can navigate to its
desired destination. It integrates with a Graphical User Interface (GUI) and interacts with
users through an HMI (Human-Machine Interface). Employing a 2D Lidar sensor, the robot
collects obstacle data from the environment to generate a map. The Dijsktra algorithm is then
applied to plan a global trajectory for the robot, and the Dynamic Window Approach
algorithm is utilized to follow the desired trajectory with the lowest cost. Additionally, Flutter
is used to facilitate user interactions, allowing employees to easily deliver food to customers
by interacting with the robot.
Customers can place orders in various ways, such as communicating with staff, directly
interacting with the robot's screen, using a tablet, or scanning a QR code on their phone. The
robot efficiently fulfills the serving tasks, swiftly and accurately delivering requested meals
to customers. The interactive interface is eye-catching and intelligent, facilitating order
placement, customer and staff management within the establishment, providing a safe and
enjoyable experience for customers.
Despite the achievements mentioned above, there are still some limitations. The
working time of the robot is not yet extensive, and its safety during movement needs
improvement, especially when avoiding non-fixed and moving obstacles, and ensuring safety
during food delivery. The interactive interface lacks some features and attributes. In the
future, the development direction will address these limitations and enhance communication
capabilities, such as voice interactions and exhibiting emotions in response to human
interactions.

vii
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.........................................................................................i
LỜI CAM KÊT.......................................................................................................................iii
LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................................iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .................................................................................................................. v
MỤC LỤC .............................................................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................................... x
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH ........................................................................................xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................ xv
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ........................................................................................ 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................................... 1
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài........................................................................... 1
1.2.1 Ý nghĩa khoa học........................................................................................................ 1
1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................................ 1
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.......................................................................................... 2
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 2
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu................................................................................................. 2
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................... 2
1.5 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận............................................................................................. 2
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể .......................................................................... 2
1.6 Kếtcấu của ĐATN.............................................................................................................. 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ........................................................... 4
2.1 Giới thiệu ........................................................................................................................... 4
2.2 Đặc tính của robot.............................................................................................................. 4
2.3 Kết cấu của robot ............................................................................................................... 4
2.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài .................................................................................. 4
2.4.1 Các nghiên cứu trong nước......................................................................................... 4
2.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước ........................................................................................ 5
2.5 Các tồn tại của robot .......................................................................................................... 6
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................................ 7
3.1 Yêu cầu thiết kế robot phục vụ .......................................................................................... 7

viii
3.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí ................................................................................................... 7
3.2.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo khung và phần vỏ cho robot.............................................. 8
3.2.2 Lựa chọn cơ cấu lái cho robot .................................................................................... 9
3.2.3 Lựa chọn bộ truyền động.......................................................................................... 10
3.2.4 Lựa chọn động cơ..................................................................................................... 11
3.2.5 Thiết kế hệ thống treo cho bánh dẫn động ............................................................... 12
3.2.6 Lựa chọn bánh xe cho robot ..................................................................................... 13
3.3 Cơ sở lý thuyết về hệ thống điện ..................................................................................... 14
3.4 Cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển ........................................................................... 15
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT............ 16
4.1 Số bậc tự do của robot ..................................................................................................... 16
4.2 Thiết kế cơ khí cho robot................................................................................................. 16
4.2.1 Thiết kế phần khung cho robot................................................................................. 16
4.2.2 Kiểm nghiệm bền cho khung robot .......................................................................... 17
4.2.3 Thiết kế hệ thống treo cho robot............................................................................... 19
4.2.4 Tính toán chọn động cơ và bộ truyền động cho robot.............................................. 22
4.3 Thông số kích thước hình học sử dụng cho tính toán động học...................................... 26
4.4 Biến trạng thái vị trí và vận tốc........................................................................................ 27
4.5 Đường lăn của trọng tâm robot........................................................................................ 29
4.6 Góc của robot................................................................................................................... 29
4.7 Vận tốc từng bánh xe ....................................................................................................... 30
4.8 Phép biến hình.................................................................................................................. 31
CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA ROBOT.................................................................. 33
5.1 Tổng quan về hệ thống điện............................................................................................. 33
5.2 Nguồn cấp ........................................................................................................................ 33
5.2.1 Bộ Pin 33.6V ............................................................................................................ 33
5.2.2 Bộ giảm áp, phân điện áp ......................................................................................... 35
5.3 Lựa chọn dây dẫn cấp nguồn ........................................................................................... 37
5.4 Hệ thống điện điều khiển................................................................................................. 38
5.4.1 Bộ xử lý trung tâm.................................................................................................... 38
5.4.2 Bộ điều khiển động lực............................................................................................. 42
5.4.3 Kiểu truyền nhận Ethernet với UDP Socket............................................................. 46

ix
5.5 Cảm biến và thiết bị ngoại vi........................................................................................... 50
CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT..................................................... 53
6.1 Phần mềm điều khiển của robot....................................................................................... 53
6.1.1 Tổng quan về cấu trúc điều khiển của robot ............................................................ 53
6.1.2 Cơ sở để chọn ROS làm công cụ.............................................................................. 53
6.1.3 Giao tiếp phần cứng trong hệ thống ......................................................................... 54
6.1.4 Giao thức truyền tin trong ROS................................................................................ 54
6.1.5 Bản địa hóa của robot............................................................................................... 55
6.2 Giao diện tương tác người dùng ...................................................................................... 72
6.2.1 Giới thiệu về ngôn ngữ Dart và nền tảng Flutter...................................................... 72
6.2.2 Giới thiệu về Firebase Database............................................................................... 76
6.2.3 Kiến trúc dữ liệu và mô hình xử lý thông tin CRUD ............................................... 79
6.2.4 Phân tích xu hướng và hành vi người dùng.............................................................. 83
6.2.5 Mô hình hóa và triển khai trong môi trường WebServer ......................................... 84
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM.................................................................... 94
7.1 Kết quả............................................................................................................................. 94
7.2 Thực nghiệm và đánh giá................................................................................................. 95
CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 97
8.1 Kết luận............................................................................................................................ 97
8.2 Hạn chế của đề tài............................................................................................................ 97
8.3 Hướng phát triển của đề tài.............................................................................................. 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 98

x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Bảng thông số yêu cầu thiết kế Service robot................................................ 7
Bảng 4.1: Bảng thông số cho bộ truyền động............................................................... 24
Bảng 4.2: Bảng thông số của động cơ Ezi-SERVO-ST-60L........................................ 25
Bảng 4.3: Bảng thông số hộp giảm tốc......................................................................... 26
Bảng 4.4: Bảng thông số đại lượng vật lý sử dụng cho tính toán động học................. 26
Bảng 5.1: Danh sách vật tư gia công pin ..................................................................... 34
Bảng 5.2: Bảng tra kích thước dây dẫn theo cường độ dòng điện qua dây.................. 37
Bảng 5.3: Thông số máy tính MiniPc Intel NUC ......................................................... 39
Bảng 5.4: Thông số kỹ thuật của Board AGV Controller ............................................ 41
Bảng 5.5: Thông số kỹ thuật Ezi – Servo Plus-E.......................................................... 43
Bảng 5.6: Kết nối các chân của Encoder ...................................................................... 44

xi
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Robot Cô Ba, Robot Morta, Robot Duta (từ trái sang phải)........................... 5
Hình 2.2: Seromo Robot, PuduBot, BellaBot (từ trái sang phải) ................................... 5
Hình 3.1 Thanh nhôm nhôm định hình........................................................................... 8
Hình 3.2: Thép tấm cán nóng độ dày 3mm..................................................................... 9
Hình 3.3: Công nghệ in mô hình 3D............................................................................... 9
Hình 3.4: Cơ cấu lái vi sai (differential drive).............................................................. 10
Hình 3.5: Bộ giảm tốc bánh răng hành tinh.................................................................. 11
Hình 3.6: Động cơ DC Servo........................................................................................ 12
Hình 3.7: Hệ thống treo lò xo cho bánh dẫn động........................................................ 13
Hình 3.8: Bánh xe nhôm có vỏ cao su .......................................................................... 13
Hình 3.9: Bánh dẫn hướng đơn..................................................................................... 14
Hình 4.1: Số bậc tự do của robot .................................................................................. 16
Hình 4.2: Thiết kế 3D phần khung robot...................................................................... 17
Hình 4.3: Phân bố ứng suất lên trên khung của robot................................................... 18
Hình 4.4: Phân tích chuyển vị của khung robot............................................................ 19
Hình 4.5: Cụm giảm xóc của BellaBot......................................................................... 20
Hình 4.6: Thiết kế 3D cụm giảm xóc............................................................................ 20
Hình 4.7: Phân tích lực cho cụm giảm xóc................................................................... 20
Hình 4.8: Chế tạo cụm giảm xóc thực tế ...................................................................... 21
Hình 4.9: Ảnh 3D và thực khi lắp đặt cụm giảm xóc ................................................... 22
Hình 4.10: Phân tích lực trên một bánh xe chủ động ................................................... 22
Hình 4.11: Động cơ DC Servo Ezi-Servo 60L ............................................................. 24
Hình 4.12: Biểu đồ mối liên hệ Momem và tốc độ của động cơ Ezi – Servo 60L....... 24
Hình 4.13: Kích thước của động cơ.............................................................................. 25
Hình 4.14: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh PX5 ..................................................... 25
Hình 4.15: Kích thước hộp giảm tốc PX5 .................................................................... 26
Hình 4.16: Kích thước robot......................................................................................... 27
Hình 4.17: Mô hình động học của robot....................................................................... 27
Hình 4.18: Cảm biến 9 trục MPU9250......................................................................... 29
Hình 4.19: Vận tốc dài của từng bánh xe đối với tâm quay bất kỳ .............................. 31
Hình 4.20: Biểu diễn hệ trục tọa độ lên robot............................................................... 32

xii
Hình 4.21: Quan hệ parent - child của các hệ trục........................................................ 32
Hình 5.1: Tổng quan hệ thống điện .............................................................................. 33
Hình 5.2: Sơ đồ khối phân nguồn ................................................................................. 34
Hình 5.3: Pin sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh............................................................. 35
Hình 5.4: Board mạch giảm áp ..................................................................................... 36
Hình 5.5: Bộ phân áp .................................................................................................... 36
Hình 5.6: Kết nối Pin và khối phân nguồn ................................................................... 37
Hình 5.7: Lắp đặt hệ thống điện cho robot ................................................................... 38
Hình 5.8: Hoàn thiện hệ thống điện.............................................................................. 38
Hình 5.9: Máy tính Intel NUC D54250WYK MiniPC................................................. 39
Hình 5.10: Board AGV Controller ............................................................................... 40
Hình 5.11: Sơ đồ kết nối I/O main board AGV Controller .......................................... 41
Hình 5.12: Jetson Nano B01......................................................................................... 42
Hình 5.13: Sơ đồ điều khiển ......................................................................................... 43
Hình 5.14: Ezi Servo Plus-E......................................................................................... 43
Hình 5.15: Sơ đồ kết nối chân của Ezi Servo Motor Driver Plus-E............................. 45
Hình 5.16: Sơ đồ kết nối trên bộ động cơ của Ezi Servo Motor Driver Plus-E ........... 45
Hình 5.17: Sơ đồ kết nối động lực................................................................................ 46
Hình 5.18: Hệ thống client – server thông qua giao thức ethernet............................... 46
Hình 5.19: Thư viện hỗ trợ từ Fastech.......................................................................... 50
Hình 5.20: Thư viện OpenCR....................................................................................... 50
Hình 5.21: Cảm biến Lidar SICK TIM240................................................................... 51
Hình 5.22: Sơ đồ kết nối Lidar và MiniPC................................................................... 51
Hình 5.23: Vùng quét của Lida..................................................................................... 51
Hình 5.24: Cảm biến góc quay MPU - 9250 và các bậc tự do ..................................... 52
Hình 6.1: Logo Robot Opeting System Open Source................................................... 53
Hình 6.2: Giao tiếp phần cứng trong hệ thống ............................................................. 54
Hình 6.3: Giao thức truyền tin trong ROS.................................................................... 55
Hình 6.4: Minh họa về SLAM...................................................................................... 55
Hình 6.5: Phương thức hoạt động của SLAM .............................................................. 56
Hình 6.6: Kết quả sau khi thực hiện SLAM sẽ thu được một bản đồ........................... 56
Hình 6.7: Ước tính vị trí của robot trong bản đồ .......................................................... 57

xiii
Hình 6.8: 5 x 5 grid map............................................................................................... 59
Hình 6.9: Thêm điểm bắt đầu vào openlist................................................................... 60
Hình 6.10: Current Node............................................................................................... 60
Hình 6.11: Neighbour of current node.......................................................................... 60
Hình 6.12: Thực hiện quá trình lặp với các phần tử trong openlist.............................. 61
Hình 6.13: Hoàn tất tìm kiếm điểm đích N................................................................... 61
Hình 6.14: Liệt kê tuần tự các parent node................................................................... 62
Hình 6.15: Hoàn tất quá trình tìm đường đi ngắn nhất................................................. 62
Hình 6.16: Toggling quadratic approximation ............................................................. 64
Hình 6.17: Toggling grid path ...................................................................................... 65
Hình 6.18: Thuật toán Dijsktra và A* khi không có vật cản ........................................ 65
Hình 6.19: Thuật toán Dijsktra và A* khi có vật cản ................................................... 65
Hình 6.20: Dynamic Window....................................................................................... 67
Hình 6.21: Tạo ra các quỹ đạo từ các cặp vận tốc........................................................ 67
Hình 6.22: Chọn lọc ra các cặp vận tốc có thể dừng trước khi chạm vật cản .............. 67
Hình 6.23: Chọn vận tốc với gia tốc hợp lệ.................................................................. 68
Hình 6.24: Mô tả sự bám sát quỹ đạo........................................................................... 68
Hình 6.25: Di chuyển xung quanh vật cản gần nhất để tối ưu đường đi ...................... 68
Hình 6.26: Hành vi tự phục hồi để tránh tình trạng mắc kẹt của robot ........................ 70
Hình 6.27: Bản đồ chi phí............................................................................................. 70
Hình 6.28: Vị trí đặt lidar của robot.............................................................................. 71
Hình 6.29: Vị trí home.................................................................................................. 71
Hình 6.30: Giao diện người dùng tổng quan ................................................................ 84
Hình 6.31: Các món ăn sau khi được chọn trên khu vực hóa đơn................................ 85
Hình 6.32: Món ăn được phân loại ở các trang riêng biệt ............................................ 85
Hình 6.33: Thông tin món và khu vực quản lý hóa đơn............................................... 85
Hình 6.34: Các thao tác thêm, bớt, xóa bỏ số lượng món trên khu vực đơn hàng ....... 86
Hình 6.35: Thao tác chọn phương thức thanh toán....................................................... 86
Hình 6.36: Nút nhấn chỉ định chức năng lưu tạm thời và hoàn tất thanh toán............. 87
Hình 6.37: Vùng chọn số bàn và số thực khách ........................................................... 87
Hình 6.38: Thao tác nhập số bàn và số thực khách bằng bàn phím số......................... 87
Hình 6.39: Cửa sổ tích hợp chức năng quan sát trạng thái của các bàn ăn................... 88

xiv
Hình 6.40: Trạng thái các món đang chờ phục vụ tại các bàn ăn................................. 88
Hình 6.41: Hóa đơn dành cho bàn kế tiếp sau khi tạo mới đơn hàng........................... 88
Hình 6.42: Giao diện quản lý trực tiếp các bàn ăn hiện có của quán ........................... 89
Hình 6.43: Thao tác thêm món trên bàn ăn đã có hóa đơn trước đó ............................ 89
Hình 6.44: Lựa chọn hình thức thanh toán bằng tiền mặt ............................................ 89
Hình 6.45: Thao tác nhập số tiền từ thực khách và nút nhấn tính toán tiền thừa ......... 90
Hình 6.46: Số tiền thừa sau khi được tính toán ............................................................ 90
Hình 6.47: Thao tác chọn phương thức thanh toán trực tuyến ..................................... 91
Hình 6.48: Giao diện thanh toán áp dụng cho phương thức MOMO........................... 91
Hình 6.49: Thao tác xác nhận thanh toán ..................................................................... 91
Hình 6.50: Đích đến của món ăn sau khi hoàn tất chế biến.......................................... 91
Hình 6.51: Tín hiệu phản hồi và xác nhận giao hàng thành công ................................ 92
Hình 6.52: Hình ảnh thực tế biểu cảm của robot.......................................................... 92
Hình 6.53: Hình ảnh thực tế về Cơ sở dữ liệu thời gian thực....................................... 92
Hình 6.54: Hình ảnh thực tế các tên miền đang được Host bởi Firebase..................... 93
Hình 6.55: Hình ảnh thực tế Web truy cập bằng điện thoại và máy tính bảng............. 93
Hình 7.1: Robot hoàn thiện.......................................................................................... 94
Hình 7.2: Robot thực hiện quét bản đồ và mang đồ đến khách hàng........................... 95
Hình 7.3: Chọn món trực tiếp trên điện thoại thông qua mã QR code......................... 95
Hình 7.4:Kết quả đáp ứng vận tốc khi không tải.......................................................... 96
Hình 7.5: Kết quả đáp ứng vận tốc khi có tải (10kg).................................................... 96

xv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ĐATN Đồ án tốt nghiệp
AI Artificial Intelligence
AGV Automated guided vehicle
UDP User Datagram Protocol
UI User Interface
UX User Experience
MCU Micro Controller Unit
IP Internet Protocol
UART Universal asynchronous receiver-transmitter
SPI Serial Peripheral Interface
I2C Inter-Integrated Circuit
CAN Controller Area Network
ROS Robot Operating System
SLAM Simultaneous Localization And Mapping
DWA Dynamic Window Approach
IMU Inertial Measurement Unit
AMC LAdaptive Monte Carlo Localization

1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử là sự kết hợp giữa các lĩnh vực cơ khí, điện tử và
lập trình điều khiển để tạo ra các sản phẩm công nghệ, có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các
lĩnh vực trong tự động hóa, thiết bị thông minh, dây chuyền sản xuất và nhiều lĩnh vực khác
trong xã hội.
Với xu hướng công nghệ mới, việc ứng dụng robot tự hành trong các ngành dịch vụ.
Các robot dần thay thế công việc của con người trong các nhà hàng, khách sạn, trung tâm
thương mại và các lĩnh vực dịch vụ khác. Điều này đánh dấu sự đổi mới và phát triển tiến bộ
trong lĩnh vực dịch vụ nói riêng và các lĩnh vực khác nói chung. Các robot đem đến nhiều lợi
ích có thể kể đến như khả năng việc nhanh hơn, giảm chi phí vận hành hệ thống và cung cấp
trải nghiệm tốt hơn và mới mẻ cho khách hàng. Tuy nhiên, việc xây dựng một hệ thống
Service Robot hiện nay ở Việt Nam vẫn gặp khó khăn kể đến như về giá thành cao, không
phù hợp với điều kiện kinh tế nước nhà.
Vì vậy, nhóm tác giả đã xem xét và chọn đề tài "Nghiên cứu và chế tạo Service Robot
phục vụ trong nhà hàng" để chế tạo ra một robot giúp hỗ trợ con người trong các công việc
phục vụ, nâng cao chất lượng dịch vụ và mang đến trải nghiệm tốt hơn cả trong dịch vụ thương
mại, bệnh viện và các ngành dịch vụ khác.
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.2.1 Ý nghĩa khoa học
Giúp nâng cao khả năng tự nghiên cứu, tiếp cận công nghệ sau đó áp dụng vào thực tế
để tạo ra các sản phẩm giúp ích cho xã hội. Tạo cơ sở, nền tảng tốt để xây dựng nên những
hệ thống tự động hóa, các sản phẩm robot máy móc tốt hơn, hiện đại hơn giải quyết được
nhiều vấn đề trong xã hội. Qua đó cho thấy được năng lực, kiến thức và sự hiểu biết của các
sinh viên về lĩnh vực công nghệ kỹ thuật và đưa vào vận dụng một cách sáng tạo, hiệu quả,
phù hợp với ý nghĩa thực tiễn và cuộc sống.
1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn
Robot phục vụ tự hành đã chứng minh khả năng đáp ứng các chức năng hiệu quả trong
các công việc phục vụ, đem lại nhiều lợi ích đáng kể:
• Khả năng làm việc nhanh, hiệu quả, giúp tăng năng suất công việc phục vụ, thời chờ
của khách được giảm bớt, các công việc như thanh toán hay gọi món xử lý nhanh chóng.
• Giảm chi phí vận hành của hệ thống, khả năng thực hiện các công việc lặp đi lặp lại
một cách tự động và chính xác sẽ giúp giảm bớt chi phí thuê nhiều nhân viên, có thể làm việc
liên tục trong nhiều giờ mà không cần thay ca, giúp các cửa hàng hoạt động hiệu quả trong
thời gian dài.

2
• Đem tới trải nghiệm mới lạ và mang lại cảm giác thích thú và hài lòng cho khách
hàng.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu trong đề tài này, nhóm tác giả hướng đến việc nghiên cứu và chế tạo hoàn
chỉnh một robot có khả năng tự hành, phục vụ trong khu vực quán ăn, quán cà phê…, có giao
diện điều khiển dễ sử dụng, hiệu ứng hình sống động, có chi phí thấp, đáp ứng được các công
việc cơ bản của một nhân viên phục vụ.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu và chế tạo mobile robot phục vụ sử dụng trong quán ăn,...
- Quy trình làm việc của nhân viên để xây dựng hệ thống điều khiển.
- Khảo sát hành vi và tương tác với khách hàng để xây dựng giao diện điều khiển thích
hợp.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về robot phục vụ: về cách di chuyển, về kiểu dáng, kết cấu.
- Nghiên cứu tính toán cơ khí, hệ thống điện, thuật toán điều khiển.
- Nghiên cứu về giao diện tương tác.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
- Dựa hệ thống kiến thức về nguyên lý chi tiết máy, cơ lý thuyết, sức bền vật liệu để
tính toán thiết kế.
- Kiến thức về điều khiển tự động, truyền động điều khiển Servo Motor, công nghệ kỹ
thuật Robot để nghiên cứu động học và điều khiển động cơ.
- Kiến thức về thiết bị điện, truyền thông mạng, cảm biến và cơ cấu chấp hành để xây
dựng hệ thống điện.
- Kiến thức về hệ điều hành ROS chuyên cho robot tự hành, các thuật toán SLAM và
Navigation trên Linux.
- Kiến thức về ngôn ngữ lập trình, database và Web server.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Tìm hiểu và tham khảo các bài báo nghiên cứu trên internet về robot phục vụ, các
thuật toán điều khiển robot tự hành.
- Trước tiên nghiên cứu thuật toán điều khiển trên mô hình Turtle Bot Burger để có
kiến thức cơ bản về ROS, nhanh chóng tiếp cận công nghệ để tự xây dựng robot cho riêng
mình.

3
- Tham khảo ý kiến từ giảng viên hướng dẫn và các anh chị, những người đang thực
hiện đề tài tương tự.
- Nghiên cứu cách thức di chuyển, vùng không gian và địa hình hoạt động của robot.
- Dựa vào thông số hình học để tính toán, lên lý tưởng phác thảo trên phần mềm vẽ
3D.
- Tham khảo kiểu dáng, mẫu mã trên thị trường để thiết kế vỏ ngoài của robot cho bắt
mắt và phù hợp với không gian phục vụ.
1.6 Kết cấu của ĐATN
Đồ án tốt nghiệp bao gồm 8 chương, trong đó:
- Chương 2 trình bày về tổng quan nghiên cứu đề tài.
- Chương 3 trình bày về các cơ sở lý thuyết về cơ khí, hệ thống điện, về hệ thống điều
khiển.
- Chương 4: Trình các tính toán về thiết kế cơ khí và động học của robot.
- Chương 5: Trình bày về hệ thống điện của robot.
- Chương 6: Trình bày về hệ thống điều khiển của robot.
- Chương 7: Đưa ra kết quả và thực nghiệm.
- Chương 8: Kết luận và hướng phát triển.

4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1 Giới thiệu
Service robot phục vụ trong nhà hàng là một ứng dụng công nghệ vào trong lĩnh vực
dịch vụ ẩm thực. Những robot này được thiết kế hiện đại, di chuyển linh hoạt và an toàn trong
môi trường nhà hàng. Tích hợp nhiều tính năng thông minh để thực hiện các công việc như
hướng dẫn khách, hỗ trợ gọi món, mang đồ ăn thức uống đến cho khách hàng hoặc có thể
giao tiếp, tương tác với khách thông qua màn hình cảm ứng như cung cấp thông tin về thực
đơn, quản lý doanh thu, quản lý nhân viên.
2.2 Đặc tính của robot
Robot được trang bị hai bánh xe dẫn động để di chuyển. Cơ cấu lái vi sai cho phép
robot chuyển hướng linh hoạt và khả năng xoay tại chỗ. Được trang bị cảm biến lidar 2D sử
dụng tia laser để thu thập dữ liệu môi trường xung quanh, giúp xác định khoảng cách từ robot
đến các vật cản. Hệ thống điều khiển sẽ xử lý tín hiệu theo thời gian thực, phân tích thông tin
trả về từ lidar để từ đó xây dựng một bản đồ số. Khi nhận biết được các vật cản tĩnh và vật
cản động, sử dụng các thuật toán được lập trình sẵn để hoạch định đường đi tối ưu nhất cho
robot di chuyển đến vị trí được chỉ định. Thao tác dễ dàng thông qua một màn hình điều khiển
được đặt trên robot. Màn hình hiển thị thông tin về menu thực đơn, vị trí bàn, số lượng khách
hàng, doanh thu của cửa hàng.
2.3 Kết cấu của robot
- Thân robot: Phần khung được lắp ráp từ các thanh nhôm chịu lực và các tấm kim loại
mỏng có độ dày 3mm, phần khung trên gồm 2 thành nhôm dài kết nối phần thân dưới robot
và giá để khay thức ăn, màn hình.
- Hệ thống dẫn động: gồm 2 bánh chủ động được kết nối với động cơ qua hộp số giảm
tốc và 4 bánh dẫn hướng, hệ thống treo bằng lò xo cho cả 2 bánh dẫn động.
- Khay chứa hộp pin.
- Khay chứa thức ăn: 3 khay nhựa
- Hệ thống điện: gồm board điều khiển, động cơ, driver cho động cơ, mạch hạ áp, mini-
pc, lidar, dây dẫn điện.
- Màn hình HMI để điều khiển và hiển thị thông tin.
- Phần vỏ robot được làm bằng nhựa PLA.
2.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.4.1 Các nghiên cứu trong nước

5
(Ảnh sưu tầm trên internet)
Hình 2.1: Robot Cô Ba, Robot Morta, Robot Duta (từ trái sang phải)
• Hình dáng: có hình dáng giống người, di chuyển bằng bánh xe, màn hình LCD ở phía
trước để hiển thị biểu cảm khuôn mặt rất sinh động và gần gũi, thu hút sự quan tâm của nhiều
khách hàng, có thể tương tác với robot để đặt món ăn, thức uống, giá cả… (Robot Duta).
Robot có chiều cao từ 1,3m đến 1,5m. Phần vỏ bên được chế tạo từ nhựa composite, thạch
cao, hoặc in 3D…
• Tính năng: chỉ cần nhập thông tin về số bàn được chọn, robot sẽ tự động di chuyển
mang đồ uống đến bàn cho khách hàng. Có thể tương tác với khách hàng bằng giọng nói, giới
thiệu các món ăn, đồ uống hoặc các điểm đặc biệt của nơi nó phục vụ (Robot cô ba).
• Công nghệ: Một số robot được trang bị các bộ phận cảm biến nhiệt và siêu âm, cho
phép nó di chuyển đến các bàn bằng điều khiển từ xa hoặc tự động và tránh vật cản, tự động
dừng lại khi phát hiện có vật cản phía trước (Robot cô ba). Ngoài ra còn di chuyển trên đường
được dán băng dính, và được trang bị cảm ứng từ để nhận diện kim loại. Sử dụng trí tuệ nhân
tạo (AI) để tương tác với người dùng và sử dụng pin để cung cấp cho hệ thống.
• Môi trường hoạt động: Sử dụng trong các khuôn viên vừa và nhỏ như quán ăn uống,
quán cà phê…
2.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Hình 2.2: Seromo Robot, PuduBot, BellaBot (từ trái sang phải)

6
• Hình dáng: Đa dạng, di chuyển bằng các bánh xe, có khay để đựng thức ăn và đồ
uống. Có một màn hình cảm ứng và các cảm biến trên bề mặt để nhận diện tiếp xúc của con
người và hiển thị biểu cảm khuôn mặt.
• Tính năng: kết hợp giữa Serving (phục vụ) và Promotion (quảng bá), tức là một robot
có khả năng phục vụ và quảng bá (Seromo Robot). Thao tác đơn giản, nhấn số bàn mong
muốn, robot sẽ nhanh chóng mang đến bàn tương ứng. Khi đến bàn khách hàng, robot sẽ
thống báo bằng giọng nói và hiển thị trên màn hình. Sau khi khách hàng lấy đồ ăn và chạm
màn hình, robot sẽ tự quay trở lại vị trí ban đầu.
• Công nghệ: sử dụng trí tuệ nhân tạo để phân biệt sự di chuyển của con người và tránh
va chạm với bàn ăn trong cửa hàng. Tính năng tự động lái, định vị và điều hướng, tránh
chướng ngại vật…nhờ việc sử dụng thuật toán Pudu SLAM, và đa cảm biến xung quanh
(PuduBot) để xây dựng bản đồ và định vị với độ chính xác cao. Tích hợp dữ liệu từ camera
quan sát, lidar, camera RGB-D, IMU, cảm biến siêu âm và nhiều cảm biến khác, cho phép
xây dựng và định vị bản đồ ở cấp độ centimet với độ chính xác và mạnh mẽ. Có thể tự di
chuyển liên tục trong khoảng thời gian tối đa 12h (Robot Seromo) và 24h (Pudu và bella) và
được sạc đầy trong 4h.
• Môi trường hoạt động: được sử dụng rộng rãi trong các nhà hàng, bệnh viện, siêu thị,
sân bay và tòa nhà văn phòng trên toàn thế giới.
2.5 Các tồn tại của robot
Các robot trong nước: vẫn còn hạn chế bao gồm di chuyển chưa linh hoạt và chậm,
thao tác còn thủ công và rung lắc khi di chuyển, chưa có khả năng tự hành hoàn toàn.

7
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mục đích của chương này là trình bày các cơ sở lý thuyết cần áp dụng để giải quyết
bài toán về thiết kế và điều khiển robot. Để nghiên cứu và thực hiện một đề tài về robot di
động hiệu quả, ta cần tiến hành một số nghiên cứu cơ bản về cấu trúc, cách thức di chuyển,
phạm vi hoạt động và hình dáng, kích thước của robot. Những thông tin này sẽ giúp ta đưa ra
những thiết kế tối ưu, phù hợp với môi trường làm việc và đáp ứng đầy đủ mục tiêu đặt ra.
Công việc thiết kế và chế tạo robot di động được dựa trên những nguyên tắc cơ bản về
cơ sở lý thuyết liên quan đến cơ khí, hệ thống điện, lập trình điều khiển, giao diện websever
và cơ sở dữ liệu.
3.1 Yêu cầu thiết kế robot phục vụ
Bảng 3.1: Bảng thông số yêu cầu thiết kế Service robot
STT Yêu cầu Thông số
1 Chiều cao trung bình 1200 mm
2 Kích thước phần thân dưới D = 600 mm
3 Khối lượng lớn nhất (có tải) 50 kg
4 Vận tốc 0.45 m/s
5 Số khay chứa 3
6 Số bánh xe 2 (chủ động), 4 (bị động)
7 Khả năng lên độ dốc 5 độ
8 Pin lithinum
9 Thời gian hoạt động 3.5 giờ
10 Cảm biến 2D Lidar_Sick 240
11 Màn hình giao tiếp (HMI) 10.1 inch
12 Xây dựng bản đồ và hoạch định quỹ đạo Robot Operating System (ROS)
3.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí
Đầu tiên, ta cần tìm hiểu về cấu trúc của robot. Nghiên cứu về cấu trúc sẽ bao gồm việc
xác định kích thước, cơ cấu lái, bộ truyền động và các bộ phận khác của robot như kết cấu
khung và bánh xe (bánh chủ động và bánh dẫn hướng).
Để lựa chọn cơ cấu lái phù hợp cho mobile robot, việc xác định kích thước tổng thể
của robot là một yếu tố quan trọng. Kích thước tổng thể bao gồm chiều dài, chiều rộng và
chiều cao của robot. Thông qua việc xác định kích thước này, ta sẽ đưa ra việc chọn cơ cấu
lái và bộ truyền chuyển động phù hợp. Để đạt tính linh hoạt, cần đảm bảo cơ cấu lái cho phép
robot di chuyển dễ dàng trong không gian hẹp và xoay quanh tâm của nó. Để có độ chính xác

8
và hiệu suất làm việc cao, cần lựa chọn bộ truyền chuyển động phù hợp từ trục động cơ đến
trục bánh xe. Việc chọn bộ truyền phải đảm bảo được sự ổn định và độ chính xác trong việc
truyền tải số vòng quay và mô-men xoắn. Các yếu tố cần xem xét bao gồm tỉ số truyền, độ
bền và hiệu suất truyền. Trong quá trình lựa chọn cơ cấu lái và bộ truyền chuyển động, cần
xem xét sự cân đối so với kích thước tổng thể robot.
Bên cạnh đó, cần quan tâm đến vấn đề chống trượt bánh cho robot, vấn đề này quan
trọng trong việc đạt được độ chính xác cao trong việc điều. Cần xem xét thiết kế hệ thống treo
để giúp duy trì ổn định sự tiếp xúc của bánh xe với mặt phẳng di chuyển, khả năng chịu tải
của các bánh xe, kết cấu khung của bánh xe, vật liệu bề mặt tiếp xúc của bánh xe…
Kiểu dáng của robot cũng là một yếu tố quan trọng không chỉnh mang tính thẩm mỹ
mà còn ảnh hưởng đáng kể đến sự linh hoạt trong việc di chuyển, thích ứng với môi trường
làm việc và khả năng tương tác của robot.
3.2.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo khung và phần vỏ cho robot
Vật liệu chế tạo khung robot phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm yêu cầu về ứng
dụng, trọng lượng, độ bền, độ cứng, khả năng chịu lực và chi phí. Một số vật liệu phổ biến
được sử dụng trong chế tạo khung robot:
• Nhôm: Sử dụng nhôm định hình là một lựa chọn phổ biến để làm khung robot. Nhôm
là một vật liệu nhẹ giúp làm giảm trọng lượng tổng thể của robot; dễ gia công; có độ bền, độ
cứng tương đối cao phù hợp cho những ứng dụng không yêu cầu khả năng chịu tải lớn và có
khả năng chống ăn mòn tốt; có tính thẩm mỹ cao. Vì thế thường được sử dụng trong robot
nhỏ gọn và di động, đặc biệt là trong ứng dụng công nghiệp và robot dịch vụ.
Hình 3.1 Thanh nhôm nhôm định hình
• Thép: Sử dụng vật liệu thép dạng tấm mỏng có độ dày phù hợp để làm phần đế cho
robot có nhiều ưu điểm như: có độ chính xác và tính đồng nhất giúp cho việc định vị trí lắp
chính xác, cố định với các bộ phận khác; có độ bền cao, khả năng chịu tải và chống biến dạng
tốt giúp bảo vệ robot khỏi sự tác động mạnh, giúp đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy cho phần
đế góp phần gia tăng tuổi thọ cho robot. Tuy nhiên cần thêm lớp chất chống ăn mòn, tránh bị
oxi hóa trong điều kiện ẩm ướt; trọng lượng của thép cũng nặng hơn nhôm và khó gia công

9
hơn vì thế yêu cầu quy trình gia công phải chính xác để đảm bảo kết cấu chắc chắn và ổn
định.
Hình 3.2: Thép tấm cán nóng độ dày 3mm
• Nhựa: Công nghệ in 3D cho phép tạo ra các mô hình và phần vỏ robot độc đáo với
các biên dạng phức tạp. Với trọng lượng nhẹ, giúp giảm trọng lượng tổng thể của robot. Mặc
dù nhựa không có độ bền và độ cứng tương đương với kim loại, nhưng các loại nhựa in 3D
như ABS, PLA hoặc PETG vẫn có đủ độ bền và khả năng chịu lực để đáp ứng nhu cầu chung
của robot. Tuy nhiên việc sử dụng nhựa để in 3D thích hợp trong các ứng dụng không yêu
cầu độ bền cao và không gặp tác động mạnh từ môi trường. Vì thế cần phải xác định rõ vị trí
lắp ghép, xác định đúng những chi tiết cần chịu lực để gia cố thêm vật liệu, gân tăng cứng
việc này giúp cho vỏ trở nên chắc chắn và bền hơn. Có tính thẩm mỹ cao và chi phí gia công
không quá cao so với các vật liệu như kim loại hoặc composite.
Hình 3.3: Công nghệ in mô hình 3D
3.2.2 Lựa chọn cơ cấu lái cho robot
Khi xem xét cơ cấu lái cho mobile robot, một lựa chọn phổ biến là cơ cấu lái vi sai
(differential drive). Cơ cấu lái vi sai được sử dụng rộng rãi trong các loại robot di động như
xe tự hành và robot lắp ráp tự động. Cơ cấu này bao gồm hai bánh xe dẫn động độc lập được
kết nối đến động cơ riêng biệt gắn ở vị trí cố định ở 2 bên của robot. Tốc độ và hướng di
chuyển của robot được thực hiện thông qua việc điều khiển tốc độ quay của từng bánh xe.
Điều này tạo ra khả năng di chuyển theo các hướng khác nhau và xoay của robot.

10
Hình 3.4: Cơ cấu lái vi sai (differential drive)
Cơ cấu lái vi sai có một số ưu điểm quan trọng:
• Cơ cấu đơn giản, dễ thiết kế và lắp ráp.
• Di chuyển ổn định trên các cung đường cong.
• Có khả năng xoay tại chỗ một cách dễ dàng mà không cần di chuyển. Điều này rất
hữu ích trong các tình huống cần thay đổi hướng nhanh chóng hoặc trong không gian hạn chế.
Cung cấp khả năng điều khiển linh hoạt và xoay chính xác trong không gian hẹp, có thể hoạt
động trên nhiều bề mặt khác nhau.
Tuy nhiên cũng có những hạn chế như:
• Cần có bánh tự lựa (caster wheel) giúp robot có thể giữ cân bằng, tùy vào kích thước
thiết kế mà cơ cấu có 1 hoặc 2 hoặc nhiều hơn bánh xe tự lựa.
• Với cơ cấu nhiều bánh tự lựa thì thiết kế cần phải có hệ thống treo cho 2 bánh dẫn
động để đảm bảo các bánh xe phải tiếp xúc liên tục trong quá trình di chuyển.
• Điều khiển robot di chuyển theo một đường thẳng, có thể xảy ra lệch hướng do khác
biệt trong tốc độ quay của từng bánh xe.
3.2.3 Lựa chọn bộ truyền động
Hộp số (Gearbox) được sử dụng để truyền lực từ trục động cơ đến trục bánh xe, giúp
làm tăng momen lực và điều chỉnh tốc độ của bánh xe. Lựa chọn gearbox phụ thuộc vào yêu
cầu của ứng dụng về: tỷ lệ truyền, độ chính xác và độ bền. Độ chính xác của bộ truyền quyết
định tính chính xác của robot trong định vị và điều khiển. Hiệu suất cao giúp tăng động lượng
và tốc độ của robot. Độ bền cao đảm bảo khả năng hoạt động liên tục và ít hư hỏng. Ngoài ra,
bộ truyền động cần phải xem xét về kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ để không gây tải
nặng cho robot.

11
Hình 3.5: Bộ giảm tốc bánh răng hành tinh
Gearbox có thể có các loại hình bánh răng khác nhau như bánh răng trụ, bánh răng
nghiêng hoặc bánh răng hành tinh, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể... Ở đây nhóm tác giả sử dụng
bộ truyền động bánh răng hành tinh (planetary gearbox) vì nó mang lại nhiều ưu điểm và hạn
chế như sau:
Ưu điểm:
• Có kích thước nhỏ gọn, phù hợp trong lắp đặt trong không gian hạn chế trong các
mobile robot. Có nhiều tùy chọn tỷ lệ truyền khác nhau cung cấp sự linh hoạt trong việc điều
chỉnh tốc độ và momen lực cho phù hợp với yêu cầu cụ thể của robot.
• Với thiết kế các bánh răng được phân bố đều xung quanh trục truyền động, giúp phân
chia tải trọng đều và giảm áp lực lên từng bánh răng. Điều này giúp tăng độ bền và độ tin cậy
trong quá trình hoạt động. Các bánh răng được chế tạo chính xác, cung cấp chuyển động mượt
và không gây ồn.
• Có hiệu suất truyền động tốt, giúp tối ưu hóa sự chuyển đổi năng lượng từ động cơ
sang bánh xe. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài thời gian hoạt động của robot.
Hạn chế
• Chi phí cao hơn so với một số loại bộ truyền đai, bộ truyền xích.
• Bộ truyền bánh răng hành tinh có trọng lượng khá nặng. Kích thước bộ truyền phụ
thuộc vào lựa chọn cấp số truyền. Điều này có thể ảnh hưởng đến trọng lượng tổng thể của
robot. Nên cần lựa chọn phù hợp với nhu cầu.
3.2.4 Lựa chọn động cơ
Có nhiều loại động cơ được sử dụng trong mobile robot, như động cơ DC (DC motor),
động cơ bước (Stepper motor), và động cơ DC servo (DC Servo motor). Mỗi loại động cơ có
ưu điểm và hạn chế riêng. Lựa chọn loại động cơ phù hợp cần quan tâm các yếu tố kỹ thuật
như:
• Tải trọng và tốc độ: Xác định tải trọng tối đa mà robot cần tải và tốc độ di chuyển
mong muốn sẽ giúp xác định công suất và mô-men xoắn cần thiết cho động cơ.
• Môi trường hoạt động: Khả năng vượt qua chướng ngại vật như bề mặt, độ dốc.

12
• Hiệu suất và năng lượng: Động cơ có hiệu suất cao sẽ giúp giảm tổn thất năng lượng
và tăng thời gian hoạt động của robot.
• Kích thước và trọng lượng: Lựa chọn động cơ phải phù hợp với kích thước, không
gian lắp đặt và trọng lượng của robot.
• Độ tin cậy và độ bền: Động cơ phải đáng tin cậy và có độ bền cao để đảm bảo hoạt
động liên tục của robot trong thời gian dài.
Với một robot phục vụ, cần yêu cầu điều khiển chính xác về vận tốc và đáp ứng khả
năng tránh vật cản của robot. Vấn đề tốc độ phản hồi của động cơ là yếu tố rất quan trọng.
Yêu cầu động cơ phải có tốc độ phản hồi nhanh để đáp ứng một cách chính xác và nhanh
chóng đến các tín hiệu điều khiển. Khả năng điều chỉnh công suất khi robot gặp phải tải nặng
hoặc tăng tốc đột ngột, thì động cơ phải có khả năng điều chỉnh mô-men xoắn hoặc công suất
để duy trì vị trí và ổn định. Bộ phận phản hồi tín hiệu như encoder và cảm biến vòng quay có
thể cung cấp thông tin về vị trí và tốc độ của động cơ. Điều này cho phép hệ thống điều khiển
của robot có thể điều chỉnh và điều hướng robot một cách chính xác dựa trên phản hồi từ động
cơ.
Động cơ bước và động cơ DC gắn encoder có những hạn chế không đáp ứng được tốt
khi sử dụng trong mobile robot như thiếu momen xoắn khi tốc độ di chuyển tăng hoặc khối
lượng tải tăng, độ phân giải của encoder nhỏ, công suất thấp, thời gian đáp ứng tín hiệu ngõ
ra chậm và tốc độ phản hồi thấp. Với động cơ Hybrid stepper motors sử dụng driver có thể
khắc phục được những nhược điểm của các động cơ trên.
Hình 3.6: Động cơ Hybrid Stepper Motors
3.2.5 Thiết kế hệ thống treo cho bánh dẫn động
Hệ thống treo được thiết kế để giúp giảm xóc, duy trì sự tiếp xúc liên tục và ổn định
giữa bánh xe dẫn động và mặt phẳng di chuyển, đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao trong
việc di chuyển của robot.
Hệ thống treo phải được thiết kế để chịu được tải trọng của robot và tải trọng làm việc
dự kiến. Cần tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo sự ổn định và an toàn, sự linh hoạt cho phép
robot di chuyển trơn tru trên các bề mặt không đồng nhất. Giúp giảm thiểu độ rung và dao
động của robot trong quá trình di chuyển. Cần được thiết kế để dễ dàng truy cập và bảo trì.

13
Điều này giúp đơn giản hóa quá trình kiểm tra, sửa chữa và thay thế các thành phần khi cần
thiết.
Phương pháp thiết kế hệ thống treo cho mobile robot là hệ thống treo đàn hồi sử dụng
lò xo.
Hình 3.7: Hệ thống treo lò xo cho bánh dẫn động
Cơ cấu thiết kế đơn giản, phù hợp cho các mobile robot có kích thước vừa và nhỏ, dễ
tháo lắp và sửa chữa, có thể cho phép robot điều chỉnh độ cao và độ cứng của hệ thống treo.
Có nhiều loại lò xo khác nhau có sẵn trên thị trường, dễ lựa chọn và thay thế. Tuy nhiên gây
ảnh hưởng đến độ chính xác và định vị trí, và yêu cầu điều chỉnh và bảo trì định kỳ.
3.2.6 Lựa chọn bánh xe cho robot
➢ Bánh xe dẫn động (drive wheel)
Khi lựa chọn bánh xe chủ động cho robot, khả năng bám đường của bánh là một yếu
tố quan trọng. Việc bánh xe bám tốt kết hợp với bộ truyền chuyển động có độ chính xác cao
góp phần giảm thiểu hiện tượng trượt bánh, cải thiện độ chính xác trong vấn đề điều khiển và
đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Hình 3.8: Bánh xe nhôm có vỏ cao su
Một lựa chọn phổ biến khi sử dụng bánh xe khung nhôm vỏ bọc cao su mềm làm bánh
dẫn động cho robot vì mang lại các lợi ích như:
- Khối lượng cả bánh xe nhẹ, vì khung được đúc bằng nhôm. Khả năng chịu tải tương
đối phù hợp với kích thước của robot dưới 70kg. Nhưng cần chọn kích thước của bánh xe
phải phù hợp vì nó ảnh hưởng đến khả năng di chuyển và tốc độ của robot.

14
- Vật liệu vỏ làm bằng cao su mềm gồm nhiều rãnh trên bề mặt có khả năng chịu lực,
tạo ma sát, tăng độ bám đường, chống trượt tốt.
- Chi phí thấp.
➢ Bánh xe dẫn hướng (caster wheel)
Bánh dẫn hướng là phần quan trọng trong cấu trúc của một mobile robot. Hỗ trợ robot
chuyển hướng linh hoạt, vượt qua chướng ngại vật và giữ cho robot ổn định trong quá trình
di chuyển. Lắp đặt bánh đúng vị trí sẽ giúp phân phối trọng lượng và duy trì sự cân bằng của
robot.
Có nhiều kiểu bánh dẫn hướng khác nhau như bánh dẫn hướng đơn (single caster
wheel), bánh dẫn hướng kép (dual caster wheels). Bánh dẫn hướng đơn thường linh hoạt hơn
trong việc quay và thay đổi hướng, trong khi bánh dẫn hướng kép cung cấp sự ổn định tốt hơn
và giúp robot duy trì cân bằng tốt hơn, chi phí cao hơn. Với sự phân bố vị trí các bánh dẫn
hướng đơn một cách tối ưu ta cũng sẽ đạt được sự ổn định tương đương.
Hình 3.9: Bánh dẫn hướng đơn
Khi lựa chọn bánh xe tự lựa cho robot cần chú ý đến các yếu tố như:
- Bánh dẫn hướng phải có độ bền và độ tin cậy để chịu được tải trọng, rung động và
sự mài mòn trong quá trình hoạt động. Điều này đảm bảo rằng robot có thể hoạt động liên tục
và đáng tin cậy.
- Đáp ứng khả năng quay một góc nhỏ và thay đổi hướng di chuyển một cách chính
xác và êm.
- Chi phí phù hợp.
3.3 Cơ sở lý thuyết về hệ thống điện
Hệ thống điện của robot là một phần quan trọng, nó cung cấp năng lượng cho các thiết
bị điện và bộ phận điều khiển. Để xây dựng hệ thống điện cho robot cần quan tâm đến nguồn
điện (pin). Cần dựa vào công suất tiêu thụ của các thiết bị điện có trong hệ thống để chọn
nguồn điện phù hợp với yêu cầu vận hành của robot bao gồm nguồn điện cho động cơ, cho
cảm biến, cho minipc, cho màn hình điều khiển. Pin phải đảm bảo thời gian hoạt động đủ lâu
và dễ dàng thay thế hoặc sạc lại khi pin yếu. Hệ thống điện cần được thiết kế để đáp ứng với
các loại thiết bị sử dụng các mức điện áp khác nhau. Hệ thống mạch phân phối điện bao gồm

15
các domino phân nguồn, các dây dẫn điện, các module,… phải đáp ứng nhu cầu về tải điện,
công suất để robot hoạt động ổn định. Hệ thống phải có khả năng bảo vệ mạch điện khi quá
dòng, điều chỉnh các mức điện áp khác nhau. Sử dụng các bộ mạch ổn áp, bảo vệ quá dòng,
cách ly các thiết bị điện với nhau an toàn, để tránh nguy cơ cháy hỏng các linh kiện điện tử.
Hệ thống xử lý và giao tiếp giữa các bộ điều khiển, vi xử lý và các thiết bị ngoại vi, các chuẩn
giao tiếp như UART, SPI, I2C hoặc Ethernet để thực hiện các tác vụ xử lý, truyền tín hiệu
điều khiển, tín hiệu điện.
3.4 Cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển
Để điều khiển một mobile robot cần hiểu về cấu trúc và cách vận hành của robot. Xây
dựng mô hình hóa robot bằng cách sử dụng các phương trình toán học để mô tả mối quan hệ
giữa các biến và thông số trong hệ thống. Ngoài ra cần sử dụng các ngôn ngữ lập trình như
C/C++, Python,… các ngôn ngữ được sử dụng rộng rãi trong lập trình các hệ thống nhúng.
Phương pháp điều khiển, các thuật toán điều khiển tự động cho mobile robot. Hệ điều hành
ROS chuyên cho robot tự hành, đầy là một framework phần mềm mã nguồn mở phổ biến
trong lĩnh vực robot. ROS hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình và cung cấp môi trường cho việc
xây dựng, mô phỏng các ứng dụng robot phức tạp, các thuật toán SLAM và Navigation trên
Linux.

16
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT
4.1 Số bậc tự do của robot
Động học robot là bài toán nghiên cứu chuyển động của robot mà không quan tâm đến
tính chất về lực tương tác cũng như về khối lượng mà chỉ xét đến cấu trúc hình học của robot.
Mục đích của bài toán động học trong mobile robot là xác định vị trí của robot khi biết vị trí
các khớp của Robot.
Trong nghiên cứu lần này, vùng không gian hoạt động của robot sẽ là mặt phẳng xy,
không phải không gian 3 chiều, do đó robot sẽ chỉ có 2 bậc tự do tịnh tiến (tiến, lùi) và xoay
quanh trục z. Sự khác biệt trong mô hình động học của robot phụ thuộc vào số lượng bậc tự
do.
Hình 4.1: Số bậc tự do của robot
Thực tế, robot có ít bậc tự do thường hạn chế tính linh hoạt so với những robot có hơn
2 bậc tự do. Tuy nhiên, trong trường hợp của robot dịch vụ, sự giới hạn này có thể được coi
là một ưu điểm. Với chỉ 2 bậc tự do, robot dịch vụ có thể hoàn thành nhiều nhiệm vụ một
cách hiệu quả mà không cần tới sự phức tạp về phần cứng và thuật toán điều khiển. Điều này
mang lại lợi ích về chi phí và sự đơn giản trong việc vận hành.
4.2 Thiết kế cơ khí cho robot
4.2.1 Thiết kế phần khung cho robot

17
Hình 4.2: Thiết kế 3D phần khung robot
Chú thích:
1. Động cơ
2. Tấm caster
3. Caster
4. Lidar Sick
5. Tấm đế 1
6. Bộ giảm tốc
7. Khung chứa pin
8. Tấm đế 2
9. Tấm đế 3
10. Giá nâng khay nhựa
11. Khung nhôm phần trên
12. Khay nhựa
13. Khung chịu lực phần dưới
14. Phuộc
15. Cụm gắn phuộc
16. Bánh xe dẫn động
Phần khung của robot là một bộ phận rất quan trọng đối với một robot tự hành, là nền
tảng nâng đỡ cho toàn bộ phần thân trên của robot, nơi gắn kết các chi tiết, các bộ phận cơ
khí lại với nhau thành một cụm thống nhất. Giúp bảo vệ các bộ phận bên trong, tạo không
gian, vị trí an toàn để lắp các thiết bị điện tử điều khiển, và giúp giữ cho robot có thể đứng
vững, ổn định trong quá trình chuyển động. Vì thế phần khung cần phải có độ cứng vững, độ
bền và thiết kế phù hợp cho các mục đích trên.
Với vai trò quan trọng như vậy, tác giả sẽ thiết kế phần khung của robot theo kiểu lắp
ghép. Cấu tạo phần khung gồm: 3 tấm đáy làm bằng tấm thép SS400 có độ dày 3mm. Các trụ
chống chịu lực giúp kết nối 3 tấm đế lại nhau được sử dụng thanh nhôm định hình với 3 thanh
có kích thước 30x30mm và 2 thanh có kích thước 20x20mm. Kết cấu lắp ghép như hình bên
dưới.
4.2.2 Kiểm nghiệm bền cho khung robot
Với kết cấu phần khung được thiết kết ở mục 4.2.1. Thấy rằng bộ khung được gắn kết
với nhau từ các trụ đỡ dùng thanh nhôm định hình, và các tấm thép thành một khối thống
nhất. Các trụ đỡ đều có xu hướng chịu tải dọc trục và các tấm thép có xu hướng bị uốn cong.

18
Ở đây, nhóm tác giả sẽ sử dụng phần mềm Inventor để mô phỏng kiểm nghiệm độ bền cho
bộ khung thân dưới của robot.
❖ Kiểm nghiệm độ bền khung
• Vật liệu: Các tấm thép được sử dụng có mác thép là SS400, có độ dày mỗi tấm là
3mm và có giới hạn bền kéo từ 400 đến 510Mpa.
• Điểm đặt lực: được phân bố tại các vị trí tiếp xúc của tấm đế với các thanh chịu lực
(đối với tấm đế 1) và tại các gối đỡ (đối với tấm đế 2,3).
• Phương và chiều của lực: Các lực đặt lên có phương thẳng đứng theo trục z và có
chiều từ trên xuống (ngược chiều với trục z như hình dưới).
• Độ lớn của lực: Với yêu cầu, tổng trọng lượng khi có cả tải cho phép của robot là
50kg tương đương với lực đặt lên khung là 500N. Nhưng theo từng vị trí lắp đặt các tấm đế
trong kết cấu khung mà độ lớn của lực đặt lên nó khách nhau. Đối với tấm đế 3 có tải đặt lên
trên là ít nhất (40N) với lực gây ra bởi chính khối lượng của nó và một phần vỏ nhựa phía
trên; đối với tấm đế 2 (156N) lực gây ra gồm khối lượng của nó, phần khung trên đỡ các khay
nhựa và toàn bộ phần thiết bị điện bên dưới; đối với tấm đáy 1, đây là phần chịu lực nhiều
nhất (478N) khi lực gây ra bao gồm toàn bộ khối lượng bên trên và khối lượng của chính nó).
Hình 4.3: Phân bố ứng suất lên trên khung của robot
Nhận xét: Dựa vào mô phỏng trên ta có ứng suất lớn nhất của khung robot là 33,69
Mpa << 400Mpa (ứng suất của vật liệu). Vậy kết cấu khung đảm bảo về độ bền có thể đưa
vào sử dụng.
❖ Chuyển vị trên khung robot

19
Hình 4.4: Phân tích chuyển vị của khung robot
Nhận xét: Dựa vào kết quả mô phỏng ta có độ chuyển vị lớn nhất trên khung của robot
là 0.2795mm. Độ dịch chuyển của khung chủ yếu theo trục z và chấp nhận được, vẫn đảm
bảo về mặt kết cấu.
4.2.3 Thiết kế hệ thống treo cho robot
❖ Yêu cầu:
- Đảm bảo quá trình vận hành tốt, ổn định.
- Thiết kế tối ưu trọng lượng và không gian lắp đặt.
- Cơ cấu giảm chấn hoạt động tốt, đảm bảo chuyển động nhịp nhàng, giúp bánh xe
chủ động tì đè tốt, bán chắc mặt sàn để giúp robot tránh hiện tượng bị trượt bánh xe.
- Đảm bảo khả năng truyền động trực tiếp từ trục động cơ sang hộp giảm tốc và đến
trục bánh xe.
Cơ cấu treo cho các bánh dẫn động.
❖ Thiết kế
Để giúp robot di chuyển một cách dễ dàng trên nền sàn, đảm bảo được độ bám của
bánh xe lên nền sàn tốt, và giúp có thể vượt qua một số gờ nhỏ khi gặp phải. Tác giả lượt
chọn một cặp bánh chủ động có kích thước đường kính là 145mm và được bọc một lớp vỏ
làm bằng cao su. Để tăng độ bám mặt sàn và giảm xóc cho robot ta thiết kế một cụm giảm
chấn giúp cho robot, đảm bảo chuyển động nhịp nhàng, hỗ trợ khử quán tính cho robot và
giúp bánh xe chủ động tì đè tốt lên bề mặt sàn để giúp robot tránh hiện tượng bị trượt bánh
xe trong khi di chuyển. Dựa vào một số mẫu thiết kế tối ưu không gian lắp đặt và hiệu quả
của một số hãng sản xuất robot phục vụ lớn ở nước ngoài. Thông qua việc tham khảo thiết kế
mẫu của robot phục vụ BellaBot. Ta sẽ đi tính toán, thiết kế cụm giảm xóc cho robot như sau:

20
Hình 4.5: Cụm giảm xóc của BellaBot
Hình 4.6: Thiết kế 3D cụm giảm xóc
❖Tính toán lực cho lò xo:
Hình 4.7: Phân tích lực cho cụm giảm xóc
Ta có các thông số tính toán như sau:
- Phản lực của mặt đường lên các bánh xe là: F (N)
- Lực đàn hồi của là lò xo là: Fn (N)
- Tổng khối lượng (có tải) của robot là m = 50kg
- Góc nâng của cụm giảm xóc khi làm việc là: 10 độ
- Độ dài ở trạng thái ban đầu của lò xo là: x = 12cm
- Độ dài ở trạng thái làm việc là: xo = 6cm
❖ Tính độ cứng của lò xo

21
Theo kết cấu thiết kế của robot, tổng số bánh xe là 6 bánh. Nên lực phân bố đều xuống
các bánh xe sẽ là:
m.9,8
F (N)
6
=
50.9,8
F 81.67(N)
6
 = =
Dựa vào kết quả phân tích lực như trên hình ta có:
'
F F.cos10
= ; '
n n
F F .cos
=  ; 90
 = −
Theo định lý Cosin:
2 2 2
BC BO OC
cos
2.BC.BO
+ −
 = (4.1)
Phương trình cân bằng momen tại điểm O: O
M 0
=
 (4.2)
' '
O n
M F.AO F .BO 0
= − + =

n
F.cos10 .AO F .cos .BO 0
 − +  =
2 2 2
113 73 119,5
cos 0.231 76,62
2.113.73
+ −
 = =   =
n
81,67.cos10 .0.084 F .cos(90 76,62 ).0.073 0
 − + − = n
F 95,24(N)
 =
Lực đàn hồi của lò xo: n o
F k. x k.(x x )
= = − (4.3)
Hằng số đàn hồi k:
n
0
F 95,24
k 1587(N / m) 15,9(N / cm)
x x 0,12 0,06
 = =  
− −
Để chọn một lò xo phù hợp, ta cần xem xét về chiều dài, đường kính trong và đường
kính ngoài và số vòng xoắn của lò xo vì nó có ảnh hưởng đến độ cứng của lò xo.
Hình 4.8: Chế tạo cụm giảm xóc thực tế
Thông số kỹ thuật của cụm giảm xóc:
• Tải trọng cho phép: 10÷20kg
• Vật liệu: Thép SS400
• Chiều cao cụm giảm xóc: 140mm
• Chiều dài cụm giảm xóc: 247mm
• Đường kính trong – ngoài của lò xo: 34mm - 40mm
• Khoảng nâng - hạ: 32mm
• Góc hoạt động: -3÷10 độ
• Phương án gia công: cắt laser và hàn.
❖ Vị trí lắp đặt của cụm giảm xóc

22
Với cụm giảm xóc được thiết kế như trên, tiến hành lắp 2 cụm giảm xóc vào 2 bên cạnh
của tấm đế thứ 1 và điều chỉnh sao cho 2 động cơ đồng trục với nhau và trùng với tâm của
tấm đế 1, cùng với đó là 4 bánh dẫn hướng được phân bố đều phía trước và phía sau giúp dàn
trải đều lực phân bố lên các bánh xe và giúp robot cân bằng trong khi di chuyển. Việc thiết
kế và lắp đặt như thế này sẽ giúp tiết kiệm được không gian phía bên trong của robot, tạo
nhiều khoảng trống để phục vụ cho việc lắp đặt các vật tư khác và link kiện điện tử.
Hình 4.9: Ảnh 3D và thực khi lắp đặt cụm giảm xóc
4.2.4 Tính toán chọn động cơ và bộ truyền động cho robot
❖ Công suất cần thiết của động cơ
Công suất trên trục động cơ điện được xác định theo công thức:
Trong đó:
Pct - công suất cần thiết trên trục động cơ
Pt - công suất tính toán trên trục máy công tác
 - hiệu suất của bộ truyền và các cặp ổ trong hệ thống dẫn động
❖ Phân tích lực
Hình 4.10: Phân tích lực trên một bánh xe chủ động
Tính lực cần thiết tác dụng để làm cho bánh di chuyển.
Như sơ đồ phân tích trên, ta thấy rằng bánh xe chủ động đang chịu tác dụng của 3 ngoại
lực, đó là trọng lực g
F
→
gây ra do khối lượng của vật, lực ma sát Fricition
F
→
sinh ra trong quá trình
di chuyển và lực kéo của động cơ lên bánh xe Pull
F
→
.
Mobile robot được thiết kế để chạy với chuyển động đều, ổn định do đó a = 0.

23
Áp dụng định luật III Newton, ta có phương trình như sau:
g Pull
Fricition
F m.a F F F m.a
→ → → → → →
=  + + =
 (4.4)
Chiếu phương trình (4.4) lên trục y ta được:
N g
F F .cos
=  (4.5)
Chiếu phương trình (4.4) lên trục x ta được:
F F F m.a
Friction Weight Pull
− − + = (4.6)
F F F ma F F sin m.a
Pull Friction Weight N g
ma F cos F sin m.g.( cos sin )
g g
= = + + =  +  +
= +   +  =   + 
Khi đó, gia tốc a = 0 ta có được lực kéo của động cơ là:
o o
pull
F 50*9.81*(sin5 0.05*cos5 ) 67.18N
= + =
Công suất của lực kéo được tính bằng công thức: Pull
P F .v
= (4.7)
Với các điều kiện đặt ra như sau:
Khối lượng tải tối đa đặt lên bánh xe chủ động là m= 50 kg
Vận tốc di chuyển tối đa của robot là vmax =0.45(m/s)
Góc leo dốc tối đa của robot là 5
 = 
Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là 0.05
 =
Do đó công suất cực đại của trục công tác được tính như sau
max Pull
P F .v 67,18.0,45 30,23W
= = =
Tốc độ quay cần thiết để bánh xe để tạo ra được vận tốc dài 0.45(m/s), và với bán
kính bánh xe r = 72.5mm = 0.073m
max wheel
wheel max
v .r N .2 r
N v / 2 r 0,45 / (2 .0,073) 0,98(RPS) 60(RPM)
=  = 
 =  =  = =
(4.8)
Momen xoắn trên mỗi bánh xe (momen xoắn trên trục công tác)
Pull
T F .r 67,18.0,073 4,9Nm
= = = (4.9)
❖ Tính toán hiệu suất bộ truyền
Do bộ truyền dùng bánh răng hành tinh, có 1 cặp ổ lăn. Trích theo bảng 2.3 của sách
[1] ta có: br ol
0,97; 0,995
 =  = . Do đó hiệu suất bộ truyền động được tính như sau:
br ol
. 0,97.0,995 0,97
 =   = = . Do đó công suất cần thiết của động cơ sẽ được tính
như sau: / 30,23/ 0,97 32(W)
= = =
ct t
P P 
❖ Lựa chọn động cơ có trên thị trường
Dựa vào các tính toán ở trên ta lựa chọn động cơ dc servo Ezi-Servo 60L của hãng
Fastech.

24
Hình 4.11: Động cơ DC Servo Ezi-Servo 60L
Hình 4.12: Biểu đồ mối liên hệ Momem và tốc độ của động cơ Ezi – Servo 60L
Chọn dải tốc độ dựa vào biểu đồ trên ta có: tại v = 370(RPM), torque = 1,6(Nm). Từ
đó công suất của động cơ:
max_ dc ct
6 6
T.n.1000 1600.370.1000
P 62(W) P 32(W)
9,55.10 9,55.10
= = =  = (4.10)
Tốc độ quay của động cơ: motor wheel
N u.N u.60 370 u 6,2
= =   
Chọn tỉ số truyền u = 5 => Nmotor = 5*60 = 300(RPM)
Momen xoắn cần thiết của trục động cơ là:
ct
dc
T 4.9
T 1Nm 1.6Nm
u. 5*0.96
= = = 

(4.11)
Bảng 4.1: Bảng thông số cho bộ truyền động
Trục
Động cơ Công tác
Thông số
Công suất P(W) 62 32
Vòng quay n(RPM) 370 300
Monme xoắn T (N.mm) 4.9 1
Tỉ số truyền u 1:5

25
Bảng 4.2: Bảng thông số của động cơ Ezi-SERVO-ST-60L
Thông số Giá trị
Nguồn cung cấp 24VDC
Dòng điện 4A
Công suất tối đa của động cơ 62W
Vận tốc danh định (Rated speed) 370RPM
Momen hoạt động (Rated torque) 1,6N.m
Momen giữ (Holding torque) 2,4N.m
Độ phân giải của encoder 10000 PPR (có thể tùy chỉnh)
Hình 4.13: Kích thước của động cơ
❖ Lựa chọn hộp giảm tốc có trên thị trường
Nhằm đảm bảo truyền mô men xoắn từ trục động cơ đến trục bánh xe, tác giả lựa chọn
hộp giảm tốc bánh răng hành tinh PX5 với tỉ số truyền là 1:5. Hộp giảm tốc hành tinh gọn
nhẹ, phù hợp với kếp cấu cơ khí của robot, thuận tiện cho việc tháo lắp sửa chữa. Khi robot
ngừng hoạt động cho phép có để đẩy hay di chuyển sang vị trí khác mà không bị khoá cứng
như các loại giảm tốc khác.
Hình 4.14: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh PX5

26
Hình 4.15: Kích thước hộp giảm tốc PX5
Bảng 4.3: Bảng thông số hộp giảm tốc
Tỉ số truyền 1:5
Đường kính lỗ Φ8 mm
Đường kính trục Φ14 mm
Chiều cao rãnh then 22 mm
Độ rộng rãnh then 5 mm
4.3 Thông số kích thước hình học sử dụng cho tính toán động học
Trước khi tiến hành triển khai tính toán điều khiển các biến trạng thái thì ta cần xác định
kích thước hình học cần thiết của robot, thông số kỹ thuật của robot và động cơ sử dụng.
Bảng 4.4: Bảng thông số đại lượng vật lý sử dụng cho tính toán động học
Đại lượng Giá trị
Bán kính bánh xe R 73(mm)
Khoảng cách hai bánh xe L (tính từ trọng tâm bánh xe) 457(mm)
Bán kính quay của robot r 228.5mm
Vận tốc danh định của động cơ (max) 3000RPM
Số xung trên giây tối thiểu (PPS min) 0
Số xung trên giây tối đa (PPS max) 500000
Tỉ số truyền 5:1
Vận tốc tối đa của bánh xe có thể đạt 600RPM
Vận tốc dài tối thiểu của bánh xe có thể đạt -4.5 m/s
Vận tốc góc tối thiểu của bánh xe có thể đạt -19.7 rad/s
Vận tốc dài tối đa của bánh xe có thể đạt 4.5 m/s
Vận tốc góc tối đa của bánh xe có thể đạt 19.7 rad/s
Độ phân giải của encoder tính cho động cơ) 10000 PPR
Độ phân giải của encoder (tính cho bánh xe) 50000 PPR

27
Hình 4.16: Kích thước robot
4.4 Biến trạng thái vị trí và vận tốc
Về bản chất mà nói, đối với mobile robot, biến khớp mà chúng ta điều khiển sẽ là góc
quay của bánh xe, đó nhiệm vụ của động học thuận là dựa vào góc quay của bánh xe và góc
của robot (dựa vào cảm biến) để tính được vị trí.
Vì robot chỉ có 2 bánh xe chủ động và 4 bánh xe bị động (bánh tự lựa), do đó động học
của chúng ta sẽ chỉ liên quan tới 2 biến khớp quay của 2 bánh xe này. Không giống cánh tay
robot, điểm cuối của robot sẽ là đầu công tác, thì đối với mobile robot, điểm thao tác của robot
này sẽ là thân của robot, có nghĩa việc xác định vị trí của robot sẽ là xác định vị trí của trọng
tâm robot ở đâu trên bản đồ, xác định vận tốc của robot cũng chính là xác định vận tốc của
trọng tâm robot.
Để tính toán vị trí, ta sử dụng kỹ thuật dead reckoning là quá trình tính toán vị trí hiện
tại của một đối tượng di chuyển bằng cách sử dụng vị trí được xác định trước đó, sau đó kết
hợp các ước tính về tốc độ, hướng trong khoảng thời gian trôi qua. Thuật ngữ tương ứng trong
sinh học, được sử dụng để mô tả các quá trình mà động vật cập nhật ước tính vị trí hoặc hướng
của chúng. Chúng ta hoàn toàn có thể áp dụng để tính toán vị trí và hướng cho robot. Các hệ
thống định vị quán tính, cung cấp thông tin định hướng, sử dụng dead reckoning và được áp
dụng rất rộng rãi. Tương tự ta cũng áp dụng kỹ thuật này vào mô hình động học của robot, và
được mô tả như bên dưới:
Hình 4.17: Mô hình động học của robot

28
Chú ý: Hướng xuất phát ban đầu của robot ban đầu sẽ trùng với trục x ( trục nằm ngang
trên hình trên) của hệ trục toàn cục, điều này là bắt buộc, nếu đặt vị trí khác, các phương trình
thu được từ mô hình động học trên sẽ không còn đúng vì hình chiếu phụ thuộc theo góc lúc
này sẽ sai, để sử dụng được kỹ thuật trên, góc đọc về bắt buộc phải giảm dần về phía giá trị
âm khi robot quay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại khi quay theo ngược chiều kim đồng
hồ, góc bắt buộc phải tăng dần về phía giá trị dương.
Thực hiện phép chiếu trên hình ta thu được các phương trình sau đây:
1 1
.cos( / 2)
k k k
x x d  
− −
= +  +  (4.12)
1 1
.sin( / 2)
k k k
y y d  
− −
= +  +  (4.13)
1
k k
  
−
= +  (4.14)
( )
2 2
R L
R L
d d R
d  
 + 
 = =  +  (4.15)
R L
d d
b

 − 
 = (4.16)
( )
( )
( )
2
Re
R L
R L
R L
N
d R

 = (4.17)
Trong đó:
k
x : vị trí của robot theo trục x tại thời điểm k
k
y : vị trí của robot theo trục y tại thời điểm k
k
 : hướng của robot tại thời điểm k
( )
R L

 : độ thay đổi góc trong một đơn vị thời gian bánh phải (trái).
( )
R L
d
 : độ dịch chuyển của bánh bên phải (trái).

 : độ thay đổi của góc.
R : bán kính danh định của bánh xe phải (trái).
( )
R L
N : số xung encoder đọc được từ bánh xe bên phải (trái).
( )
ReR L : độ phân giải của bánh xe phải (trái).
Từ đó trạng thái vị trí có thể viết gọn lại như sau:
1 1
1 1
1
.cos( / 2)
.sin( / 2)
k k k
k k k
k k
x x d
y y d
 
 
  
− −
− −
−
+  + 
   
   
= +  + 
   
   
+ 
   
Biến trạng thái vận tốc cũng có thể viết dưới dạng sau:
d
v t
t
 

 
 
  
=  
  
   
 

 

29
Dựa trên phương trình 4.12 và 4.13 , ta thấy rằng chúng ta đang có ẩn số là delta d và
delta theta, để tìm được delta d trên ta sẽ sử dụng encoder của bánh xe để tính đường lăn của
trọng tâm robot và dùng MPU9250 để tính góc theta từ đó ta sẽ thế vào phương trình x,y để
tính được tọa độ.
4.5 Đường lăn của trọng tâm robot
Nhờ encoder ta có thể biết được vị trí chính xác góc quay của bánh xe, từ đó tính được
độ dịch chuyển trọng tâm của robot (xem phương trình (4.15)). Cụ thể hơn, để tính được
phương trình (4.15) ta cần biết số xung đọc được trong một đơn vị thời gian lấy mẫu và tỉ lệ
xuất 1 xung thì bánh xe quay được bao nhiêu độ.
Giả sử ta có bánh xe phải và trái có độ phân giải là ( )
ReR L , để biết bánh xe đã quay được
1 góc bao nhiêu ta cần biết tương ứng với 1 xung bánh xe quay được một góc bao nhiêu, ta
gọi đại lượng này là tick. Ví dụ, động cơ sử dụng có độ phân giải là 10000 (pulses/vòng), qua
hộp giảm tốc có tỉ số truyền 5:1, điều này có nghĩa rằng động cơ quay 5 vòng bánh xe mới
chỉ quay một vòng. Khi đó 1 tick sẽ được tính như sau:
( )
)
0 2
2 2
( /
Re 5
0
0000
. 001 56637
R L
tick rad pulse
 
= = = (4.18)
Độ dịch chuyển góc của mỗi bánh sẽ được tính như sau:
( ) ( )
* ( )
R L R L
tick N rad

 = (4.19)
Sau đó ta sẽ thế vào phương trình 4.15 để giải được delta d.
4.6 Góc của robot
Hình 4.18: Cảm biến 9 trục MPU9250
MPU9250 là cảm biến từ tính Inertial Measurement và từ trường kế (Magnetometer),
nhiệm vụ của IMU sẽ đo quán tính (bao gồm vận tốc góc và gia tốc thẳng), MPU9250 giúp
đưa ra một hướng chính xác của một đối tượng đối với môi trường của nó nhờ những thuật
toán tính toán. Nó đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hướng máy bay và tàu vũ trụ.
Tương tự trong các ứng dụng về robot tự hành, ta có thể dùng MPU9250 để xác định hướng
và tọa độ của robot như đã đề cập trong mục 1.1.

30
Thuật toán tính góc Madgwick là một thuật toán ước lượng góc quan sát dựa trên dữ
liệu từ cảm biến IMU. Đây là một thuật toán phổ biến trong ứng dụng robot và hệ thống tự
hành. Dưới đây là một tóm tắt về thuật toán Madgwick:
❖ Bước 1: Thu thập dữ liệu từ cảm biến IMU, bao gồm các thông số như gia tốc và
tốc độ góc.
❖ Bước 2: Xác định các thông số và hằng số cho thuật toán, bao gồm tần số lấy mẫu
và hệ số điều chỉnh.
❖ Bước 3: Ước lượng góc quan sát bằng cách sử dụng các phương trình và thuật toán
lọc Kalman để tính toán góc quay.
❖ Bước 4: Sử dụng các giá trị ước lượng được để cập nhật và cân chỉnh các thông số
khác như vận tốc góc và gia tốc.
❖ Bước 5: Lặp lại quá trình trên để liên tục cập nhật góc quan sát dựa trên dữ liệu
mới nhất từ cảm biến IMU.
Thuật toán Madgwick giúp cải thiện độ chính xác và ổn định trong ước lượng góc quan
sát từ cảm biến IMU, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và sai số. Nó được áp dụng
rộng rãi trong các ứng dụng như robot di động, drone, và hệ thống tự hành để đạt được độ
chính xác và đáng tin cậy trong việc xác định góc quan sát.
Khi sử dụng thuật toán Magdwick , kết quả trả về là dạng quaternion (đây là dạng thể
hiện góc tổng quát cho hệ không gian 3D và cả 2D). Quaternion là phương pháp mặc định để
thể hiện các hướng và xoay trong ROS. Quaternion được biểu diễn dưới dạng sau:
w x y z
q q q i q j q k
= + + + (4.20)
Giả sử ta có giá trị quaternion từ IMU trên ROS, ta cần chuyển đổi sang các giá trị
dưới format quen thuộc là roll pitch yaw, ta sẽ dựa vào phương trình sau để tính:
2 2
2 2
tan 2(2( ),1 2( ))
/ 2 2 tan 2( 1 2( ), 1 2( ))
tan 2(2( ),1 2( ))
w x y z x y
w y x z w y x z
w z x y y z
a q q q q q q
a q q q q q q q q
a q q q q q q

 

 
+ − +
   
  = − + + − − −
 
   
 
  + − +
 
 
Sau khi có được delta d và delta theta, ta hoàn toàn có thể tính được biến trạng thái vị
trí và vận tốc.
4.7 Vận tốc từng bánh xe

Nghiên cứu và chế tạo service robot phục vụ trong nhà hàng.pdf

Nghiên cứu và chế tạo service robot phục vụ trong nhà hàng.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Nghiên cứu và chế tạo service robot phục vụ trong nhà hàng.pdf

Similar to Nghiên cứu và chế tạo service robot phục vụ trong nhà hàng.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu và chế tạo service robot phục vụ trong nhà hàng.pdf