Man_Ebook

1. 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
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV
ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI
GVHD: TS. VŨ QUANG HUY
SVTH: NGUYỄN XUÂN VIỆT
TRẦN HIẾU QUÂN
VÕ NGUYỄN HỒNG PHONG
S K L 0 1 1 2 9 6
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2023

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
----------------------
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023
GVHD: TS. Vũ Quang Huy
SVTH: Nguyễn Xuân Việt 19146303
Trần Hiếu Quân 19146247
Võ Nguyễn Hồng Phong 19146237
Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV
ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI”

3. 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
----------------------------------
Bộ môn CƠ ĐIỆN TỬ
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Học kỳ 2 / năm học 2023
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Quang Huy
Sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Xuân Việt MSSV: 19146303 Điện thoại: 0362922403
2. Võ Nguyễn Hồng Phong MSSV: 19146237 Điện thoại: 0969214620
3. Trần Hiếu Quân MSSV: 19146247 Điện thoại: 0865220059
1. Mã số đề tài: 22223DT187
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo xe AGV ứng dụng SLAM tối ưu quãng đường
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Tính toán, thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, NXB Giáo
dục
- Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Tính toán, thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 2, NXB Giáo
dục
- Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật cơ khí tập 1, NXB Giáo dục, 2005
- Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật cơ khí tập 2, NXB Giáo dục, 2005
- Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐH QG TP.HCM,
2005
- Nguồn tài liệu từ Internet
3. Nội dung chính của đồ án:
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết: xe AGV, SLAM, nghiên cứu điều hướng robot, bộ điều
khiển PID, Uart, động lục học Robot.
- Thiết kế hệ thống cơ khí.
- Thiết kế bộ điều khiển.
- Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
- Kết luận và đưa ra hướng phát triển.

4. ii
4. Các sản phẩm dự kiến:
- Một mô hình xe AGV dùng SLAM tối ưu hóa đường đi.
- Một quyển báo cáo.
- Một powerpoint thuyết trình.
- Một poster trình bày sản phẩm.
- Một video giới thiệu sản phẩm.
5. Ngày giao đồ án: 15/03/2023
6. Ngày nộp đồ án: 15/07/2023
7. Ngônngữtrìnhbày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt 
Trình bàybảo 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)
 Được phép bảo vệ....................................................................
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

5. iii
LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo xe AGV ứng dụng SLAM tối ưu hóa đường đi”
- GVHD: TS. Vũ Quang Huy
- Họ tên sinh viên: Nguyễn Xuân Việt
- MSSV: 19146303 Lớp: 19146CL5A
- Địa chỉ sinh viên: 16/3/11 đường 297, P. Phước Long B, thành phố Thủ Đức, Thành
phố Hồ Chí Minh
- Số điện thoại liên lạc: 0362922403
- Email: vietnguyen@i-soft.com.vn
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 18/07/2023
- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do
chính tôi nghiên cứu và thực hiện. 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, tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 07 năm 2023
Ký tên

6. iv
LỜI CÁM ƠN
Trước tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy TS. Vũ
Quang Huy đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu trong suốt quá
trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã tạo cơ hội cho nhóm chúng em được học
tập, rèn luyện và tích lũy kiến thức, kỹ năng để thực hiện đồ án.
Và nhóm không quên gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ
nhóm trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án.
Dù đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức của các thành viên còn nhiều hạn chế và thiếu
kinh nghiệm thực tiễn nên khó tránh những thiếu sót. Nhóm rất mong nhận sự góp ý,
chỉ dạy thêm từ Quý Thầy cô để học hỏi và tích lũy thêm kiến thức và kinh nghiệm, để
hoàn thiện và phát triển bản thân và là cơ hội giúp nhóm chuẩn bị tốt cho một hành trình
dài phía trước.
Cuối cùng, em xin chúc Quý Thầy Cô luôn thật nhiều sức khỏe và đạt được nhiều thành
công trong công việc.
Trân trọng.

7. v
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV
ỨNG DỤNG SLAM TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG ĐI
Trong nhiều năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kỹ thuật. Các thiết bị
điện tử thông minh ngày càng phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và luôn
tồn tại quanh ta. Để bắt kịp xu hướng phát triển đó, nhóm muốn triển khai một đề tài
nghiên cứu tạo ra sản phẩm góp phần cải thiện cuộc sống. Chính vì vậy mà nhóm đưa
ra đề tài “Thiết kế và chế tạo xe AGV- Ứng dụng SLAM tối ưu hóa đường đi” làm
mục tiêu nguyên cứu. Việc nghiên cứu một sản phẩm khoa học – kỹ thuật đòi hỏi thực
hiện đúng các quy trình, bao gồm tính toán, thiết kế cơ khí; thiết kế bộ điều khiển và lập
trình cho bộ điều khiển. Trong bài báo cáo này chủ yếu là tập trung vào phần tính toán,
thiết kế cơ khí và được chia thành 5 chương chính gồm:
• Chương 1: Tổng quan đề tài
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết
• Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí
• Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển
• Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả
• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Trong mỗi chương sẽ trình bày các nội dung cụ thể. Nội dung kiến thức đều dựa trên
kiến thức học được và tài liệu tham khảo bên ngoài.
Trong chương đầu tiên, chủ yếu giới thiệu tổng quan, lịch sử hình thành và phát triển
của robot. Trình bày sơ lược về đề tài, đưa ra giới hạn cũng như phương pháp nghiên
cứu của đề tài. Từ đó nhận xét về điểm mới của đề tài.
Chương 2 trình bày tổng quan, đưa ra các phân tích về robot AGV cũng như phân loại
AGV. Cơ sở lý thuyết ứng dụng SLAM và thuật toán PID điều khiển động cơ. Trình
bày giao thức UART và động học di chuyển của robot AGV.
Chương 3 trình bày về phần thiết kết cơ khí, cách bố trí cơ cấu chấp hành và bộ điều
khiển. Phân tích, lựa chọn bộ truyền động cũng như tính toán lựa chọn động cơ, trục
bánh xe, gối đỡ và các chi tiết khác. Đưa ra các yêu cầu đầu vào và đầu ra, từ đó lên ý
tưởng thiết kế cơ khí sao đáp ứng yêu cầu mong muốn.
Chương 4 sẽ trình bày sơ đồ khối các thiết bị dùng trong bộ điều khiển, thông số và chức
năng từng thiết bị.

8. vi
Chương 5 tiến hành các thử nghiệm để đánh giá hiệu suất của xe AGV theo các tiêu chí
như tốc độ, độ chính xác, khả năng định vị và tương tác với môi trường.
Chương 6 sẽ đưa ra kết luận từ những yêu cầu đạt được và không mong muốn. Từ đó,
đề xuất các cải tiến, đưa ra hướng phát triển đề tài nghiên cứu.

9. vii
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.............................................................................i
LỜI CAM KẾT .......................................................................................................... iii
LỜI CÁM ƠN .............................................................................................................iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.......................................................................................................v
MỤC LỤC..................................................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................xii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI..........................................................................1
1.1 Tổng quan về Robot...............................................................................................1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước............................................................2
1.2.1 Ngoài nước.......................................................................................................2
1.2.2 Trong nước.......................................................................................................3
1.3 Lý do chọn đề tài....................................................................................................4
1.4 Giới hạn và phạm vi đề tài .....................................................................................4
1.5 Phương pháp nguyên cứu.......................................................................................4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................6
2.1 Tổng quan về Robot AGV .....................................................................................6
2.1.1 Khái niệm.........................................................................................................6
2.1.2 Những loại AGV trên thị trường......................................................................6
2.1.3 Ứng dụng .........................................................................................................6
2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm xe AGV......................................................................7
2.1.5 Động học của robot di động............................................................................7
2.2 Tổng quan về ROS.................................................................................................9
2.2.1 Khái niệm.........................................................................................................9
2.2.2 Lịch sử về ROS...............................................................................................10
2.2.3 Các thành phần quan trọng của ROS............................................................10

10. viii
2.2.4 Ứng dụng của ROS ........................................................................................11
2.3 Tổng quan về SLAM............................................................................................13
2.3.1 Khái niệm.......................................................................................................13
2.3.2 Quy trình xử lý của SLAM .............................................................................14
2.3.3 Ứng dụng của SLAM......................................................................................15
2.4 Tổng quan về Navigation.....................................................................................15
2.4.1 Khái niệm.......................................................................................................15
2.4.2 Các thành phần chính....................................................................................16
2.4.3 Ứng dụng về Navigation................................................................................16
2.5 Nghiên cứu điều hướng robot ..............................................................................17
2.6 Hàm truyền động cơ DC [1].................................................................................18
2.7 Bộ điều khiển PID................................................................................................20
2.7.1 Tổng quan về điều khiển PID ........................................................................20
2.7.2 Lý thuyết thuật toán PID................................................................................20
2.7.3 Phương pháp điều chỉnh PID........................................................................24
2.8 Giao thức truyền thông UART.............................................................................25
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ .......................................................27
3.1 Yêu cầu kỹ thuật của xe AGV..............................................................................27
3.1.1 Đặt vấn đề......................................................................................................27
3.1.2 Yêu cầu thiết kế..............................................................................................27
3.1.3 Yêu cầu kỹ thuật.............................................................................................28
3.2 Tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống cơ khí....................................................28
3.2.1 Phân tích lựa chọn hệ thống bộ truyền dẫn động..........................................28
3.2.2 Tính toán và lựa chọn động cơ ......................................................................31
3.2.3 Tính toán và lựa chọn truyền động đai răng.................................................34
3.2.4 Tính toán thiết kế trục dẫn động....................................................................38
3.2.5 Lựa chọn gối đỡ.............................................................................................44
3.2.6 Lựa chọn bánh xe cho AGV...........................................................................45

11. ix
3.3 Mô hình thiết kế 3D xe AGV...............................................................................47
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.............................................................49
4.1 Sơ đồ khối ............................................................................................................49
4.1.1 Sơ đồ khối ......................................................................................................49
4.1.2 Danh sách các thiết bị ...................................................................................49
4.2 Thiết kế hệ thống điện..........................................................................................50
4.2.1 Sơ đồ khối ......................................................................................................50
4.2.2 Danh sách các thiết bị trong bộ điều khiển...................................................50
4.2.3 Lựa chọn nguồn điện .....................................................................................53
4.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ..............................................................54
4.4 Đọc Lidar .............................................................................................................56
4.5 Mô tả hoạt động của mô hình xe AGV ................................................................56
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................................58
5.1 Đồ thị kết quả đáp ứng tốc độ ..............................................................................58
5.1.1 Tiến về phía trước: ........................................................................................58
5.1.2 Lùi về phía sau: .............................................................................................58
5.1.3 Rẻ sang bên trái:............................................................................................58
5.1.4 Rẻ sang bên phải: ..........................................................................................59
5.1.5 Trạng thái dừng .............................................................................................59
5.1.6 Tốc độ xoay của xe robot AGV:.....................................................................60
5.2 Chạy thực nghiệm và nhận xét.............................................................................60
5.3 Đánh giá kết quả...................................................................................................63
5.3.1 Mặt đạt được : ...............................................................................................63
5.3.2 Mặt hạn chế :.................................................................................................63
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................64
6.1 Kết luận ................................................................................................................64
6.1.1 Kết quả đạt được............................................................................................64
6.1.2 Kết quả không mong muốn ............................................................................64

12. x
6.2 Hướng phát triển tương lai...................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................65
PHỤ LỤC A. BẢN VẼ ................................................................................................ I
PHỤ LỤC B. CODE CHƯƠNG TRÌNH...............................................................VIII

13. xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Tác động của việc tăng các thông số Kp, Ki, Kd ………………………. 25
Bảng 3.1: Các thông số vật lý cụ thể………………………………………………..… 31
Bảng 3.2: Lựa chọn giá trị Modun m của dây đai …………………………………… 35
Bảng 3.3: Lựa chọn giá trị b dây đai răng…………………………………………….. 36
Bảng 3.4: Thông số ký thuật các bộ truyền đai răng…………………………….. 37
Bảng 3.5: Thông số ký thuật các bộ truyền đai răng……………………………….. 38
Bảng 3.6: Thông số kích thước trục tại các điểm…………………………………….. 43
Bảng 4.1: Bảng danh sách các thiết bị………………………………………………... 49
Bảng 5.1: Kết quả quá trình SLAM…………………………………………………... 60
Bảng 5.2: Quá trình Navigation & avoid obstacles………………………………….. 61

14. xii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot pepper - Robot đầu tiên đọc được cảm xúc con người ……….. 1
Hình 1.2: Hình vẽ minh họa robot thám hiểm tự hành Curiosity của NASA…… 2
Hình 1.3: Kiva robot nâng kệ hàng …………………………………………………. 3
Hình 1.4: Smart AGV trong công ty Changsing Việt Nam…..…………………… 3
Hình 2.1: Bố trí cơ cấu bánh xe chủ động …………………………………………. 8
Hình 2.2: Phân tích động học robot……………..………………………………….. 8
Hình 2.3 Ứng dụng của ROS………………………..……………………………….. 9
Hình 2.4: Mô hình cấu trúc của ROS……………………………………………….. 11
Hình 2.5: Ứng dụng ROS trong robot………………………………………………. 12
Hình 2.6: Ứng dụng ROS trong robot lau nhà………………….…………………. 13
Hình 2.7: Tổng quan về SLAM……………………………………..…...…………… 13
Hình 2.8: Các thành phần cấu hình nên Navigation……………………..…..……… 15
Hình 2.9: Quá trình thực hiện của Navigation………………………………… 16
Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường cho robot di động…………………... 17
Hình 2.11: Điều hướng tối ưu robot…………………………………………………. 18
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ một chiều DC…………………... 18
Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều………………………………... 20
Hình 2.14: Sơ đồ khối thuật toán bộ điều khiển PID……………………………… 20
Hình 2.15: Sơ đồ khối điều khiển PID động cơ DC……………………………….. 21
Hình 2.16: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd là hằng số) ………… 22
Hình 2.17: Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki ………………... 23
Hình 2.18: Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp và Ki không đổi)…… 24
Hình 2.19: Hai UART giao tiếp trực tiếp với nhau………………………….…….. 26
Hình 3.1: Sơ đồ mô hình cơ khí…………………………………………………........ 27
Hình 3.2: Bộ truyền đai………………………………………….……………………. 28
Hình 3.3: Bộ truyền đai…………………………………………..…………………… 29
Hình 3.4: Bộ truyền xích…………………………………………….……………….. 30
Hình 3.5: Bộ truyền bánh răng………………………………………….…………… 30
Hình 3.6: Sơ đồ phân tích lực………………………………………………………… 32

15. xiii
Hình 3.7: Động cơ 895……………………………………………………….……….. 34
Hình 3.8: Sơ đồ phân tích lực trên trục dẫn động…………………………………. 39
Hình 3.9: Sơ đồ phân tích ứng suất……………………………………….…..…..… 40
Hình 3.10: Gối đỡ KP08………………………………………………………..…..… 44
Hình 3.11: Bánh xe chủ động…………………………………………………...……. 46
Hình 3.12: Bánh xe đa hướng…………………………………………….…..……… 46
Hình 3.13: Hình ảnh khung xe trên phần mềm Inventor….…….………………… 47
Hình 3.14 Hình ảnh lắp ráp xe AGV trên phần mềm Inventor………..……….… 47
Hình 3.15 Hình dạng xe AGV sau lắp ráp………………………………………….. 48
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển………….……………………………….. 49
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển………….………………………..... 50
Hình 4.3: Rasberry Pi4………………………………….…………………………….. 50
Hình 4.4: Arduino mega R3………………………….…………….…………………. 51
Hình 4.5: Cảm biến Lidar A1…………………………….……………………….….. 51
Hình 4.6: Encoder LPD3806-600BM NPN 600 xung………….………………..... 52
Hình 4.7: Cầu H BTS7960……………………………………….…………………… 52
Hình 4.8: Acquy Yamato 6 - DZF – 15………………………..…………………….. 53
Hình 4.9: Test chương trình tìm thông số PID bằng app C#............................... 56
Hình 4.10: Ảnh đọc map từ Lidar………………………………………..………….. 56
Hình 5.1: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy tiến……….. 58
Hình 5.2: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy lùi………… 58
Hình 5.3: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy rẻ trái……. 59
Hình 5.4: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy rẻ phải…… 59
Hình 5.5: Đáp ứng vận tốc hai bánh xe khi ở trạng thái đang chạy về dừng….. 59
Hình 5.6: Đáp ứng vận tốc góc khi xe AGV xoay………………………………….. 60
Hình 5.7: Hiện tượng chồng map, ảnh hưởng thuật toán ……….……………….. 61
Hình 5.8: Quá trình SLAM ở khoảng vận tốc (0.1 – 0.3), cho ra kết quả khả
quan, tốt .………………………………………………………………………………… 61
Hình 5.9 : Quá trình Navigation ở vận tốc cho phép và không có vật cản xuất
hiện …………………………………………………… …………………………………
62
Hình 5.10 : Quá trình Navigation ở vận tốc cho phép và có vật cản xuất hiện…. 62

16. xiv
Hình 5.11: Khi tăng vận tốc cho phép ở xe, nếu có vật cản xuất hiện bất ngờ,
sẽ có va chạm không mong muốn ……………………………………………………. 63
Hình 6.1: Tổng quan mô hình xe AGV thực tế……………………………………... 64
Hình A.1: Xe AGV……………………………………………………………….…….. I
Hình A.2: Cụm điều khiển…………………………………………………………..… I
Hình A.3: Cụm động cơ………………………………………….……………………. II
Hình A.4: Cụm LiDAR…………………………………………….…………………... II
Hình A.5: Cụm nguồn…………………………………………….…………………… III
Hình A.6: Khung xe……………………………………………………………..…….. III
Hình A.7: Tấm vỏ trước ………………………………………………………………. IV
Hình A.8: Tấm vỏ sau…...…………………………………………………………….. IV
Hình A.9: Tấm vỏ hai bên…………………………………………………………….. V
Hình A.10: Tấm vỏ trên……………………………………………………….………. V
Hình A.11: Tấm vỏ dưới…………….…………………………………………………
Hình A.12: Mica hai bên mắt………………………………………………………. ..
Hình A.13: Mica ở giữa………………………………………………………………..
VI
VI
VII

17. xv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AGV : Automation Guided Vehicle
GND : Ground (tiếp địa), một khái niệm trong kỹ thuật điện
PID : Proportional Integral Derivative
SP : Set point
PV : Process Variable
UART: : Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
SLAM : Simultaneous Localization And Mapping

18. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan, lịch sử hình thành và phát triển của robot.
Trình bày sơ lược về đề tài, đưa ra giới hạn cũng như phương pháp nghiên cứu của đề
tài. Từ đó nhận xét về điểm mới của đề tài.
1.1 Tổng quan về Robot
Robot là một loại máy tự động làm các công việc hoàn toàn tự động hoá theo sự lập
trình của máy tính hoặc những vi mạch điện tử được lập trình.
Thuật ngữ "robot" xuất phát từ tiếng Séc robota, có nghĩa là "lao động cưỡng bức", và
từ "robot" lần đầu tiên được dùng để chỉ một nhân vật người máy trong vở nhạc kịch
"Những Robot Toàn năng của Rossum" năm 1920 của nhà văn người Séc Karel Capek.
Sự bùng nổ của công nghệ điện tử dẫn đến sự xuất hiện của robot tự động hóa điện tử
đầu tiên, được chế tạo bởi William Grey Walter ở Bristol, Anh năm 1948, cũng như
những chiếc máy tính điều khiển số (CNC) cuối những năm 1940 do John T. Parsons và
Frank L. Stulen. Năm 1954, robot tên là Unimate, là robot kỹ thuật số và lập trình đầu
tiên được phát triển bởi George Devol (Hình 1.1).
Nếu robot được thể hiện ra hình dạng, hình thái và những hành vi chuyển động của nó
mô phỏng hoặc tạo cảm giác giống con người thì robot đó thường được gọi là người
máy. Robot đầu tiên trên thế giới có thể đọc được cảm xúc của con người do công ty
SoftBank ra mắt có tên là Pepper và được đưa ra thị trường Nhật Bản vào năm 2015,
cao 121cm, nặng 28kg, không có tóc, được trang bị “động cơ tình cảm” và trí tuệ nhân
tạo giúp nghiên cứu cử chỉ, giọng nói và biểu cảm của con người. Pepper được sử dụng
để bảo vệ an toàn, chăm sóc sức khỏe cho những người lớn tuổi; tạo niềm vui bằng việc
hát, nhảy, kể chuyện cười giúp giảm cảm giác cô đơn, căng thẳng cho người sử dụng.
Hình 1.1: Robot pepper - Robot đầu tiên đọc được cảm xúc con người

19. 2
Robot hỗ trợ rất nhiều cho con người, chúng được sử dụng trong công việc lắp ráp, sản
xuất hoặc chế biến sản phẩm và đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại
và nguy hiểm. Robot công nghiệp có tính chính xác cao và hiệu quả vượt trội so với sản
xuất bằng thủ công. Robot được sử dụng ngay cả trong lĩnh vực hàng không vũ trụ như
xe tự hành (rover) do NASA phóng thành công vào ngày 26 tháng 11 năm 2011 và đã
đổ bộ lên sao Hỏa ngày 6 tháng 8 năm 2012 với nhiệm vụ đánh giá khả năng ở được của
sao Hỏa trong dự án “Phòng thí nghiệm khoa học Sao Hỏa”.
Hình 1.2: Hình vẽ minh họa robot thám hiểm tự hành Curiosity của NASA
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Ngoài nước
Được sản xuất ở Illinois bởi Barrett Electronics, xe tự hành đã xuất hiện trong các
nhà máy từ đầu những năm 1950. Kể từ đó cho đến nay, vì những lợi ích mà AGV
đem lại, nó được ứng dụng khắp các nơi trên thế giới.
Trên thế giới, robot tự hành trong nhà xưởng đã được nghiên cứu và phát triển từ
lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng, điển hình là Kiva Robot được nghiên
cứu và sản xuất bởi Amazon Robotics (USA). Nó được lập trình các tính năng: nhận
và thực hiện đơn hàng, hoàn thành nhiệm vụ và tiếp tục công việc mới, tự động nhận
nhiệm vụ khi đã sạc xong pin. Nó nặng khoảng 150 (kg), sức nâng lên đến 320 (kg),
có vận tốc di chuyển trong kho hàng tối đa 1 (m/s). [4]

20. 3
Hình 1.3: Kiva robot nâng kệ hàng
1.2.2 Trong nước
Tại Việt Nam, AGV được xem là xu hướng phát triển mới về tự động hóa trong
công cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Nhiều doanh nghiệp, nhà máy sản xuất công
nghiệp và nhà kho thông minh đã bắt đầu tiếp cận và ứng dụng xe tự hành trong sản
xuất. Vinamilk, Thaco Trường Hải, …là các đơn vị tiên phong trong việc ứng dụng
xe tự hành AGV vào nhà máy và đã đem về hiệu quả to lớn.
Hình 1.4: Smart AGV trong công ty Changsing Việt Nam

21. 4
Các công ty trong nước cũng có các nghiên cứu và ứng dụng robot tự hành vào trong
các nhà máy. Mục đích nghiên cứu trong nước là giảm giá thành của robot, nắm bắt
được các công nghệ mới. Quy mô và chất lượng của sản phẩm robot trong nước bị
ảnh hưởng không nhỏ do những hạn chế về công nghệ sản xuất. Năm 2013, công ty
Chang Shin Việt Nam đã sử dụng AGV vận chuyển hàng tự động giữa các công
đoạn sản xuất giày. Dự án AGV được thực hiện bởi nhóm AZauto của trường Đại
học Lạc Hồng. Công nghệ dẫn đường của AGV là hệ thống line từ trường và sử
dụng RFID để nhận biết khúc cua, vị trí sạc bình. Khối lượng của AGV là 150 (kg)
kéo được xe hàng lên tới 400 (kg). Tốc độ di chuyển khi hoạt động khoảng 0,5 (m/s).
1.3 Lý do chọn đề tài
Trên thế giới, robot tự hành đã và đang ứng dụng rộng rãi phục vụ cho công việc sản
xuất, mang lại hiệu quả to lớn trong nhà máy, kho bãi. Giúp thay thế cho công nhân
trong những công việc vận chuyển hàng hóa vốn hết sức nặng nhọc và thường xuyên
xảy ra tai nạn đáng tiếc.
Trong khi đó, nền khoa học kỹ thuật việt nam đang trên đà phát triển, nhất là lĩnh vực
tự động hóa nhưng lại có rất ít những nghiên cứu về xe tự hành để ứng dụng vào thực
tế. Nên hầu hết, xe AGV được nhập khẩu từ nước ngoài với giá khá cao.
Nắm bắt được tình hình đó nên nhóm đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo xe AGV.
1.4 Giới hạn và phạm vi đề tài
Robot tự hành trong điều kiện địa hình bằng phẳng, với các thông số sau:
- Khối lượng tổng của robot ước tính: 30 (kg), trong đó:
+ Khối lượng robot ước tính: 20 (kg).
+ Khối lượng hàng hóa vận chuyển: tối đa 10 (kg).
- Vận tốc di chuyển tối đa: 1 (m/s).
- Thời gian làm việc ước tính: 2 (giờ).
1.5 Phương pháp nguyên cứu
Đề tài này đa dạng nên yêu cầu có một quy trình nghiên cứu cẩn thận và phương pháp
hợp lý. Nhóm tác giả đã tiến hành các phương pháp nghiên cứu sau:
➢ Tìm hiểu về AGV và công nghệ liên quan như điều khiển tự động, điện tử, cơ khí,
cảm biến, ... Tìm hiểu về các hệ thống AGV đã được phát triển trước đó và các ứng
dụng của chúng.
➢ Đặt mục tiêu nghiên cứu: Xác định mục tiêu cụ thể của đồ án tốt nghiệp.

22. 5
➢ Tìm hiểu và lựa chọn các công nghệ phù hợp: Tìm hiểu và so sánh các công nghệ,
phương pháp có thể sử dụng xây dựng xe AGV. (Các loại động cơ, hệ thống điều
khiển, giao thức truyền thông, cảm biến và phần mềm điều khiển)
➢ Thiết kế: Sử dụng phần mềm Inventor thiết kế mô hình 3D của xe AGV. Sau đó, sử
dụng phần mềm mô phỏng.
➢ Gia công chế tạo: Dựa trên mô hình và mô phỏng, tiến hành gia công và lắp ráp xe
AGV thực tế.
➢ Thực nghiệm và đánh giá: Tiến hành các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của xe
AGV theo các tiêu chí như tốc độ, độ chính xác, khả năng định vị và tương tác với
môi trường.
➢ Phân tích kết quả và hướng phát triển tương lai: Đánh giá những kết quả đạt được và
phân tích các vấn đề và hạn chế trong quá trình nghiên cứu. Đề xuất các cải tiến hoặc
hướng phát triển tiếp theo cho xe AGV.
➢ Ngoài ra, trong quá trình nghiên cứu thì việc tìm kiếm và đọc các công trình nghiên
cứu liên quan, tham khảo sách, bài báo, hướng dẫn kỹ thuật và tài liệu kỹ thuật để
nắm bắt kiến thức sâu hơn về đề tài. Cũng rất quan trọng để thực hiện thí nghiệm và
thử nghiệm để kiểm tra và đánh giá hiệu suất của xe AGV.

23. 6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này sẽ trình bày tổng quan, đưa ra các phân tích về robot AGV cũng như phân
loại AGV. Cơ sở lý thuyết ứng dụng SLAM và thuật toán PID điều khiển động cơ. Trình
bày giao thức UART và động học di chuyển của robot AGV.
2.1 Tổng quan về Robot AGV
2.1.1 Khái niệm
Xe tự hành AGV (Automation Vehicle Guide) là một thiết bị tự động di chuyển
bằng đường dẫn sẵn (dây dẫn, các đường dẫn hướng, laser…) để vận chuyển nguyên
vật liệu, hàng hóa tới các địa điểm đã được đánh dấu sẵn mà không cần đến sự can
thiệp của con người.
Xe tự hành là một phần trong quá trình phát triển của kho thông minh, nhà máy
thông minh (Smart Factory) cũng như lĩnh vực Tự động hóa trong công nghiệp.
Hiện nay, xe tự hành AGV được sử dụng trong hoạt động vận chuyển nguyên vật
liệu, hàng hóa của nhiều ngành nghề như: công nghiệp ô tô, điện điện tử, logistic, y
tế, dược phẩm, hàng tiêu dùng ...
2.1.2 Những loại AGV trên thị trường
Phân loại theo cấu tạo và chức năng:
- AGV Towing Vehicle: dòng sản phẩm đầu đời của AGV và vẫn đang phổ biến
cho tới nay.
- AGV Unit Load: dùng để lấy và giao hộp, pallet hoặc container, được trang bị sàn
để vận chuyển tải và chuyển tải.
- AGV Fork Truck - AGV xe nâng: dùng để di chuyển và nâng pallet cả ở mức sàn
và trên giá đỡ.
- AGV Hybrid: xe có thể được điều khiển bởi tài xế hoặc di chuyển tự động như các
dòng xe AGV kéo hoặc tích hợp bộ nâng hạ.
- AGV tải nhẹ: dùng trong vận chuyển các bộ phận nhỏ hoặc giỏ, ví dụ như dùng
trong bệnh viện.
- AGV Assembly Line Vehicles: để chuyển các bộ phận đang thực hiện sang dây
chuyền lắp ráp, thường ở tốc độ chậm.
2.1.3 Ứng dụng
Robot AGV, xe tự hành AGV được sử dụng, vận hành trong các nhà kho thông
minh, nhà máy sản xuất. So với các phương pháp vận chuyển hàng hóa truyền thống
thì nó mang lại rất nhiều lợi ích cho doanh nghiệp:
- Vận chuyển vật liệu nhận được đến khu vực lưu trữ.

24. 7
- Hỗ trợ trong các hoạt động giao hàng.
- Cung cấp các bộ phận đang thực hiện cho các dây chuyền sản xuất.
- Đưa thành phẩm đến nơi vận chuyển, …
2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm xe AGV
Ưu điểm:
- Làm giảm chi phí thuê nhân công: AGV có thể hoạt động một cách độc lập mà
không cần tới sự can thiệp của con người, đáp ứng vận chuyển hàng hóa có khối
lượng với tải trọng lớn.
- Tuyệt đối an toàn: Xe tự hành AGV hoạt động theo hệ thống đã được lập trình
sẵn với độ chính xác và an toàn cao. Xe tự hành AGV hoạt động tốt trong các
môi trường quá khắc nghiệt, môi trường hóa chất độc hại nơi mà con người khó
hoặc không thể tiếp cận được.
- Nâng cao năng suất lao động: Để đảm bảo quá trình vận chuyển không xảy ra lỗi
hay sai sót, hầu hết các AGV đều được thiết kế với độ chính xác rất cao.
- AGV có thể làm việc liên tục giúp tối ưu hóa năng suất lao động.
- Dễ dàng thay đổi và mở rộng module: Để đáp ứng yêu cầu của người sử dụng
như: nâng cấp, thay đổi quãng đường, giảm tải trọng… thì hầu như Module của
các xe AGV có thể thay đổi.
Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu cao: Mặc dù giảm được chi phí lao động và đem về năng
suất lớn, nhưng chi phí để mua một AGV là khá cao. Nó có thể đắt hơn so với
việc sử dụng thiết bị như xe nâng hoặc thuê thêm nhân viên. Vì vậy, chỉ nên đầu
tư xe tự hành khi đã chuẩn bị vốn và kế hoạch phát triển kinh doanh.
- Chi phí bảo trì: Như bất kỳ thiết bị nào thì việc bảo trì, bảo dưỡng định kỳ hết
sức cần thiết.
- Không thích hợp cho các nhiệm vụ không lặp lại: Vì được lập trình sẵn nên các
xe AGV phù hợp nhất trong các hoạt động giải quyết các thao tác lặp đi lặp lại.
Sẽ tiết kiệm hơn nếu bạn sử dụng xe nâng hoặc các thiết bị hỗ trợ khác trong các
nhiệm vụ trong hoạt động có xu hướng không lặp lại.
- Giảm tính linh hoạt: AGV được hoạt động theo quy trình hệ thống đã thiết lập
trước.
2.1.5 Động học của robot di động
Động học của robot AGV sẽ được thiết kế dựa trên truyền động vi sai, trong đó bao
gồm hai bánh xe đặt hai bên làm bánh dẫn động chính, được đặt ở giữa AGV. Ứng
với mỗi bánh xe sẽ gắn một động cơ tương ứng. Hướng, tư thế robot sẽ được điều
khiển thông qua tốc độ trên mỗi động cơ.

25. 8
Hình 2.1: Bố trí cơ cấu bánh xe chủ động
Để điều khiển robot di chuyển điểm điểm chính xác đòi hỏi phải tính toán chính
xác động học của từng bánh xe. Từ encoder ta có thể biết được vị trí và hướng
của robot hiện tại và đi đến điểm dừng một cách chính xác. Để dự đoán vị trí và
hướng hiện tại của robot, ta cần giải phương trình động học của robot, phương
trình động học robot bao gồm động học thuận và động học nghịch:
Hình 2.2: Phân tích động học robot
Khi không tồn tại hiện tượng trượt bánh xe, ta có vận tốc dài v và vận tốc góc ω lần lượt
được tính theo công thức:

26. 9
{
𝑣 =
𝑅
2
. (𝑣𝑟 + 𝑣𝑙)
𝜔 =
𝑅
𝐿
. (𝑣𝑟 − 𝑣𝑙)
(2.5)
{
𝑥̇ = 𝑣 . 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑦̇ = 𝑣 . 𝑠𝑖𝑛𝜃
𝜃̇ = 𝜔
(2. 6)
{
𝑥̇ =
𝑅
2
. (𝑣𝑟 + 𝑣𝑟) . 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑦̇ =
𝑅
2
. (𝑣𝑟 + 𝑣𝑟) . 𝑠𝑖𝑛𝜃
𝜃̇ =
𝑅
𝐿
. (𝑣𝑟 − 𝑣𝑙)
(2.7)
{
𝑣𝑟 = 𝑣 +
𝜔.𝐿
2
𝑣𝑙 = 𝑣 −
𝜔.𝐿
2
(2.8)
Trong đó vr, vl lần lượt là vận tốc của bánh phải và bánh trái.
Chính vì đó mà động học của robot được biểu diễn như sau:
{
𝑥̇ = 𝑣 . 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑦̇ = 𝑣 . 𝑠𝑖𝑛𝜃
𝜃̇ = 𝜔
(2.9)
2.2 Tổng quan về ROS
2.2.1 Khái niệm
ROS (Robot Operating System) là phần mềm mã nguồn mở để phát triển robot. Mục
đích chính của ROS là làm cho tiêu chuẩn hóa, tái sử dụng phần mềm và xây dựng
ra một cộng đồng cho các nhà phát triển robot trên toàn cầu.
Hình 2.3: Ứng dụng của ROS

27. 10
2.2.2 Lịch sử về ROS
ROS (Robot Operating System) bắt đầu phát triển từ năm 2007 bởi một nhóm
nghiên cứu tại Stanford AI Robot (STAIR) dưới sự hỗ trợ của Stanford Artificial
Intelligence Laboratory. Ban đầu, ROS được tạo ra nhằm mục đích hỗ trợ việc
nghiên cứu và phát triển robot di động ở môi trường nghiên cứu.
Sau đó, vào năm 2008, Willow Garage, một công ty nghiên cứu robot đổi mới, đã
tiếp quản việc phát triển ROS và đóng góp lớn vào việc xây dựng nền tảng mạnh
mẽ và phát triển cộng đồng ROS. Willow Garage đã công bố ROS như một mã
nguồn mở vào tháng 11 năm 2010, cho phép các nhà phát triển trên toàn cầu tham
gia đóng góp và sử dụng ROS một cách tự do.
Từ đó, ROS đã trở thành một công cụ phổ biến và mạnh mẽ trong lĩnh vực robot và
hệ thống tự động hóa. Nó đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, doanh
nghiệp và cộng đồng phát triển phần mềm. Các phiên bản của ROS được phát hành
liên tục, với các phiên bản chính như ROS Electric (2011), ROS Fuerte (2012), ROS
Groovy (2012), ROS Hydro (2013), ROS Indigo (2014), ROS Jade (2015), ROS
Kinetic (2016), ROS Melodic (2018) và ROS Noetic (2020).
Năm 2013, Willow Garage đã chấm dứt hoạt động và chuyển giao quản lý của ROS
cho Open Source Robotics Foundation (OSRF). OSRF tiếp tục phát triển ROS và
duy trì cộng đồng ROS một cách tích cực. Trong thời gian phát triển, ROS đã trở
thành một công nghệ tiêu chuẩn và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và
ứng dụng robot khác nhau.
Hiện tại, ROS vẫn tiếp tục phát triển và đóng góp vào cộng đồng nguồn mở. Với sự
hỗ trợ và đóng góp của cộng đồng, ROS đã trở thành một hệ sinh thái phần mềm
mạnh mẽ, cung cấp các công cụ và thư viện để phát triển, kiểm thử và triển khai các
ứng dụng robot phức tạp.
2.2.3 Các thành phần quan trọng của ROS
1. Nodes: Trong ROS, một node là một quá trình độc lập thực hiện một chức năng
cụ thể trong hệ thống robot. Mỗi node có thể được viết bằng một ngôn ngữ lập trình
khác nhau như C++, Python, hay Java. Các node giao tiếp với nhau bằng cách truyền
thông điệp qua Topics hoặc sử dụng Services.
2. Topics: Topic là một cơ chế giao tiếp trong ROS dùng để truyền thông tin giữa
các node. Một topic là một kênh truyền thông nơi một node có thể gửi (publish) các
thông điệp (message), trong khi các node khác có thể đăng ký (subscribe) vào topic
để nhận thông điệp đó. Ví dụ, một node điều khiển robot có thể xuất bản thông điệp

28. 11
về tọa độ hiện tại lên topic "robot_position", trong khi một node khác có thể đăng
ký vào topic này để nhận thông điệp và xử lý dữ liệu tọa độ đó.
3. Messages: Message là đơn vị dữ liệu trong ROS, được sử dụng để truyền thông
tin giữa các node thông qua các topic. Mỗi message được định nghĩa bởi một kiểu
dữ liệu cụ thể, ví dụ như chuỗi, số nguyên, mảng, hay cấu trúc phức tạp hơn như tọa
độ XYZ. ROS cung cấp một số message tiêu chuẩn như sensor_msgs/Image (dùng
cho hình ảnh), geometry_msgs/Pose (dùng cho tọa độ và định hướng), và còn nhiều
kiểu message khác. Bên cạnh đó, người dùng cũng có thể tự định nghĩa message tuỳ
chỉnh dựa trên nhu cầu của ứng dụng.
4. Services: Service trong ROS cho phép các node gửi yêu cầu một dịch vụ cụ thể
và nhận lại kết quả từ một node khác. Một service được định nghĩa bởi một cặp
message, một message đại diện cho yêu cầu (request) và một message đại diện cho
kết quả (response). Các node có thể gửi yêu cầu service và đợi cho đến khi nhận
được kết quả từ node cung cấp dịch vụ. Ví dụ, một node có thể yêu cầu từ một node
khác thực hiện một công việc như chụp ảnh hoặc tính toán một thông số và nhận lại
kết quả từ node cung cấp dịch vụ.
5. Packages: Trong ROS, một package là cách tổ chức và quản lý code của một ứng
dụng cụ thể. Một package chứa các file cấu hình, mã nguồn, thư viện, và tài liệu liên
quan đến một chức năng, một node, hay một nhóm node trong ROS. Package giúp
tổ chức code một cách cấu trúc và linh hoạt, và cung cấp khả năng tái sử dụng và
chia sẻ code giữa các ứng dụng. Mỗi package trong ROS thường có một cấu trúc cụ
thể và chứa một file manifest.xml để mô tả thông tin về package.
Hình 2.4: Mô hình cấu trúc của ROS
2.2.4 Ứng dụng của ROS

29. 12
ROS có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực robot và hệ thống tự động hóa. Dưới đây
là một số ví dụ về ứng dụng cụ thể của ROS:
Robot di động: ROS được sử dụng rộng rãi để điều khiển và điều hướng robot di
động. Nó cung cấp các giao diện chuẩn cho việc thu thập dữ liệu từ cảm biến như
lidar, camera và bộ cảm biến khác, cũng như điều khiển các bộ điều khiển động cơ
và hệ thống định vị. ROS cung cấp các thư viện, gói phần mềm và công cụ để phát
triển các ứng dụng điều khiển robot di động, từ các robot nhỏ như robot di động tự
hành trong nhà đến các robot di động lớn trong môi trường công nghiệp hay nông
nghiệp.
Xử lý hình ảnh và nhận diện đối tượng: ROS cung cấp các công cụ và thư viện mạnh
mẽ để xử lý hình ảnh và nhận diện đối tượng. Các node ROS có thể sử dụng các thư
viện như OpenCV và TensorFlow để xử lý hình ảnh, phân tích dữ liệu từ camera và
thực hiện các tác vụ như nhận diện khuôn mặt, phát hiện đối tượng và theo dõi vật
thể. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng như robot thị giác, xe tự hành, hay các
hệ thống giám sát và an ninh.
Robot công nghiệp: ROS được sử dụng trong lĩnh vực robot công nghiệp để điều
khiển và quản lý các robot trong môi trường sản xuất. Nó cung cấp giao diện tiêu
chuẩn cho việc tương tác với các bộ điều khiển công nghiệp, thiết bị nâng hạ và các
cơ cấu robot. ROS cũng hỗ trợ tích hợp với các hệ thống điều khiển robot công
nghiệp phổ biến như ROS-Industrial và ROS-Control, giúp tạo ra các giải pháp tự
động hóa linh hoạt và mở rộng cho ngành công nghiệp.
Hình 2.5: Ứng dụng ROS trong robot

30. 13
Robot nghiên cứu: ROS là một công cụ mạnh mẽ cho việc phát triển và kiểm tra các
thuật toán và ứng dụng robot nghiên cứu. Nó cung cấp một môi trường mô phỏng
(simulator) cho việc thử nghiệm và đánh giá các thuật toán, cũng như các công cụ
giúp ghi lại dữ liệu và phân tích kết quả. ROS cũng hỗ trợ việc chia sẻ và tái sử dụng
code giữa các nhóm nghiên cứu, tạo điều kiện cho sự phát triển và tiến bộ nhanh
chóng trong lĩnh vực robot nghiên cứu.
Hệ điều hành ROS được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực cánh tay robot (SCARA
robot..) , vận tải (drone), hàng hải, công nghiệp (AGV, AMR), dân dụng (robot lau
nhà).
Hình 2.6: Ứng dụng ROS trong robot lau nhà
2.3 Tổng quan về SLAM
2.3.1 Khái niệm
Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) là công nghệ định vị và lập bản
đồ đồng thời. Xe tự hành AGV được tích hợp SLAM có khả năng tạo dựng lại bản
đồ khu vực hoạt động, định hướng chính xác trong bản đồ trên thời gian thực. [9]
Hình 2.7: Tổng quan về SLAM

31. 14
2.3.2 Quy trình xử lý của SLAM
Quá trình SLAM có thể được phân thành hai khối chính: Localization (xác định vị
trí) và Mapping (tạo bản đồ). Trong giai đoạn Localization, robot sử dụng các dữ
liệu từ cảm biến và thông tin từ bản đồ đã xây dựng để xác định vị trí của mình trong
môi trường. Điều này có thể được thực hiện thông qua các phương pháp như lọc
Kalman mở rộng, bộ lọc hạt, hoặc phân loại điểm đặc trưng. Trong giai đoạn
Mapping, robot sử dụng dữ liệu từ cảm biến để xây dựng bản đồ của môi trường.
Các phương pháp thường sử dụng bao gồm bản đồ lưới, bản đồ đồ thị, hoặc các biểu
đồ khác để biểu diễn môi trường và các đặc trưng của nó.
Các gói package trong SLAM cung cấp các công cụ và thư viện để triển khai thuật
toán SLAM. Ví dụ, gói Gmapping cung cấp thuật toán bản đồ lưới, gói Cartographer
cung cấp thuật toán tạo bản đồ và xác định vị trí, gói RTAB-Map cung cấp thuật
toán SLAM thời gian thực. Các gói package này giúp dễ dàng triển khai SLAM
trong các ứng dụng robot khác nhau mà không cần xây dựng lại từ đầu.
Gmapping là một gói package phổ biến trong ROS được sử dụng để xây dựng bản
đồ lưới và xác định vị trí của robot trong quá trình SLAM. Gói Gmapping sử dụng
dữ liệu từ cảm biến lidar và odometry để tạo bản đồ và ước lượng vị trí của robot.
Cách thức hoạt động của Gmapping được dựa trên thuật toán Rao-Blackwellized
Particle Filter (RBPF). Đầu tiên, dữ liệu từ cảm biến lidar được sử dụng để phát hiện
các điểm đặc trưng trong môi trường. Các điểm đặc trưng này thường là các điểm
biên, góc hoặc đối tượng nhận dạng được từ dữ liệu lidar.
Sau đó, Gmapping sử dụng bộ lọc hạt để ước lượng vị trí và tạo bản đồ. Bộ lọc hạt
(Particle Filter) là một phương pháp ước lượng trạng thái dựa trên việc sử dụng một
tập hợp các hạt (particle) biểu diễn các giả thuyết về trạng thái của robot. Mỗi hạt
đại diện cho một trạng thái ước lượng của robot trong không gian. Các hạt này sẽ
được cập nhật và trọng số dựa trên sự phù hợp giữa các dữ liệu đo và các dự đoán
từ trạng thái ước lượng.
Trong quá trình ước lượng vị trí, Gmapping sử dụng thông tin từ cảm biến lidar để
tính toán xác suất xảy ra của các trạng thái ước lượng tại các vị trí khác nhau trong
bản đồ. Các hạt với xác suất cao sẽ được tăng cường, trong khi các hạt với xác suất
thấp sẽ bị loại bỏ. Quá trình này tạo ra một phân phối xác suất của vị trí robot trong
không gian.
Đồng thời, Gmapping sử dụng thông tin từ cảm biến odometry để dự đoán sự di
chuyển của robot và cập nhật trạng thái ước lượng. Kết hợp thông tin từ lidar và

32. 15
odometry, Gmapping tạo ra một bản đồ lưới chính xác và ước lượng vị trí của robot
trong môi trường không biết trước.
Gmapping cung cấp các tham số và cấu hình để tùy chỉnh quá trình xây dựng bản
đồ và ước lượng vị trí, bao gồm số lượng hạt, khoảng cách giữa các ô lưới trong bản
đồ, độ chính xác của dữ liệu lidar và odometry, và nhiều thiết lập khác.
Gói Gmapping trong ROS cung cấp một công cụ mạnh mẽ để triển khai thuật toán
SLAM dựa trên lidar và odometry. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng robot thực tế và đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng bản đồ và định
vị trong môi trường không biết trước.
2.3.3 Ứng dụng của SLAM
SLAM có rất nhiều ứng dụng trong robot và hệ thống tự động hóa. Ví dụ, trong robot
tự hành, SLAM cho phép robot tự xác định vị trí và tạo bản đồ môi trường xung
quanh để di chuyển một cách an toàn và hiệu quả. SLAM cũng được sử dụng trong
các hệ thống giám sát môi trường, hệ thống xác định vị trí trong bên trong tòa nhà,
robot hợp tác, hệ thống định vị trong thời gian thực, và nhiều ứng dụng khác.
2.4 Tổng quan về Navigation
2.4.1 Khái niệm
Navigation trong lĩnh vực robot là quá trình điều hướng và điều khiển robot di
chuyển từ một vị trí đến vị trí khác trong môi trường. Navigation yêu cầu robot có
khả năng tự định vị, tự động xây dựng bản đồ, và đưa ra quyết định để tránh va
chạm và tìm đường đi an toàn và hiệu quả.
Hình 2.8: Các thành phần cấu hình nên Navigation
Trong hệ thống navigation của robot, SLAM có vai trò quan trọng trong việc xây
dựng bản đồ của môi trường và định vị robot. Bản đồ này sau đó được sử dụng trong

33. 16
quá trình điều hướng để lập kế hoạch đường đi và tránh va chạm với các vật cản
trong môi trường.
Hình 2.9: Quá trình thực hiện của Navigation
2.4.2 Các thành phần chính
1. Localization (Định vị): Định vị là quá trình xác định vị trí của robot trong bản đồ.
Nó thường sử dụng thông tin từ các cảm biến như GPS, lidar, và odometry để ước
lượng vị trí chính xác của robot.
2. Path Planning (Lập kế hoạch đường đi): Lập kế hoạch đường đi là quá trình tìm
ra đường đi từ vị trí hiện tại của robot đến mục tiêu. Các thuật toán lập kế hoạch
đường đi như A* hoặc Dijkstra được sử dụng để tìm đường đi tối ưu dựa trên thông
tin trong bản đồ và các ràng buộc như tránh vật cản.
3. Obstacle Avoidance (Tránh vật cản): Tránh vật cản là quá trình đưa ra quyết định
và điều khiển robot để tránh va chạm với các vật cản trong quá trình di chuyển. Các
thuật toán tránh vật cản như điều khiển theo đường biên (boundary following) hoặc
phân cấp tiến (progressive forward) được sử dụng để đảm bảo robot di chuyển an
toàn và tránh va chạm.
4. Motion Control (Điều khiển chuyển động): Điều khiển chuyển động là quá trình
điều khiển robot để di chuyển theo đường đi đã được lập kế hoạch và tránh vật cản.
Các thuật toán điều khiển chuyển động như điều khiển PID (Proportional-Integral-
Derivative) hoặc điều khiển hồi quy (feedback control) được sử dụng để điều khiển
tốc độ và hướng di chuyển của robot.
2.4.3 Ứng dụng về Navigation

34. 17
Ứng dụng của navigation trong robot rất đa dạng, từ xe tự hành, robot dịch vụ, robot
giao hàng, robot hỗ trợ trong nhà, đến robot khám phá môi trường khắc nghiệt như
không gian và địa hình khó khăn. Navigation giúp robot di chuyển một cách tự động,
an toàn và hiệu quả, mở ra nhiều tiềm năng trong việc ứng dụng robot trong nhiều
lĩnh vực của cuộc sống hàng ngày.
2.5 Nghiên cứu điều hướng robot
Điều hướng robot để di chuyển từ điểm này (vị trí hiện tại) đến điểm khác (vị trí
đích) trong môi trường thì cần xác định được vị trí robot ở hiện tại, kết hợp với sensor
lập bản đồ môi trường xung quanh để robot di chuyển một cách an toàn trong môi
trường. Tìm được con đường tối ưu nhất mà đảm bảo tránh được các chướng ngại
vật như tường, bất kì đồ vật nào, con người xung quanh nằm trong phạm vi quét của
sensor. Những vấn đề trên để có cách giải quyết một cách tốt nhất, đòi hỏi phải xây
dựng một mô hình động học chính xác, cũng như các tính toán trong mô hình để
robot hoạt động chính xác.
Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường cho robot di động

35. 18
Hình 2.11: Điều hướng tối ưu robot
2.6 Hàm truyền động cơ DC [1]
Động cơ điện DC được sử dụng khá phổ biến nhờ đặc tính tuyến tính. Sơ đồ nguyên lý
hoạt động của động cơ điện một chiều được thể hiện Hình 2.12 như sau:
Trong đó:
𝐿ứ𝑛𝑔: điện cảm phần ứng 𝜔: tốc độ động cơ
𝑅ứ𝑛𝑔: điện trở phần ứng 𝑀𝑡ả𝑖: moment tải
𝑖ứ𝑛𝑔: dòng điện chạy trong phần ứng 𝐵: hệ số mai sát phần cứng
𝑈ứ𝑛𝑔: điện áp phần ứng 𝐽: mômen quán tính
𝐸ứ𝑛𝑔: sức phản điện động
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ một chiều DC

36. 19
Từ sơ đồ Hình 2.12 ta có định luật Kirchoff có phương trình cân bằng điện áp trong
mạch điện của phần ứng như sau:
𝑈ứ𝑛𝑔(𝑡) = 𝑖ứ𝑛𝑔(𝑡). 𝑅ứ𝑛𝑔 + 𝐿ứ𝑛𝑔.
𝑑(𝑖ứ𝑛𝑔(𝑡))
𝑑𝑡
+ 𝐸ứ𝑛𝑔(𝑡) (2.10)
Trong đó:
𝐸ứ𝑛𝑔(𝑡) = 𝐾. 𝜙. 𝜔(𝑡): sức phản điện phần ứng (2.11)
𝐾: hệ số
𝜙: từ thông kích từ
Áp dụng định luật Newton cho chuyển động quay, ta có phương trình cân bằng mômen
phần cơ trên trục động cơ:
𝑀đ𝑐(𝑡) = 𝑀𝑡ả𝑖(𝑡) + 𝐵. 𝜔(𝑡) + 𝐽.
𝑑(𝜔(𝑡))
𝑑𝑡
(2.12)
Trong đó:
𝑀đ𝑐(𝑡) = 𝐾. 𝜙. 𝑖ứ𝑛𝑔(𝑡): mômen của động cơ (2.13)
Từ công thức (2.10), (2.11) , (2.12) và (2.13), biến đổi Laplace ta có được các phương
trình cân bằng sau:
𝑈ứ𝑛𝑔(𝑠) = 𝐼ứ𝑛𝑔(𝑠). 𝑅ứ𝑛𝑔 + 𝐿ứ𝑛𝑔. 𝑠. 𝐼ứ𝑛𝑔(𝑠) + 𝐸ứ𝑛𝑔(𝑠) (2.14)
𝐸ứ𝑛𝑔(𝑠) = 𝐾. 𝜙. 𝜔(𝑠) (2.15)
𝑀đ𝑐(𝑠) = 𝑀𝑡ả𝑖(𝑠) + 𝐵. 𝜔(𝑠) + 𝐽. 𝑠. 𝜔(𝑠) (2.16)
𝑀đ𝑐(𝑠) = 𝐾. 𝜙. 𝐼ứ𝑛𝑔(𝑠) (2.17)
Đặt các hằng số sau:
+ Hằng số thời gian điện từ của động cơ: 𝑇ứ𝑛𝑔 =
𝐿ứ𝑛𝑔
𝑅ứ𝑛𝑔
+ Hằng số thời gian điện cơ của động cơ: : 𝑇𝑐ơ =
𝐽
𝐵
Ta có thể biến đổi công thức (2.5) và (2.7), có được:
(2.14) => 𝑈ứ𝑛𝑔(𝑠)−𝐸ứ𝑛𝑔(𝑠) = 𝑅ứ𝑛𝑔(1 + 𝑇ứ𝑛𝑔𝑠). 𝐼ứ𝑛𝑔
=> 𝐼ứ𝑛𝑔(𝑠) =
𝑈ứ𝑛𝑔(𝑠)−𝐸ứ𝑛𝑔(𝑠)
𝑅ứ𝑛𝑔(1+𝑇ứ𝑛𝑔𝑠)
(2.18)
(2.16) => 𝑀đ𝑐(𝑠) − 𝑀𝑡ả𝑖(𝑠) = 𝐵(1 + 𝑇𝑐ơ. 𝑠). 𝜔(𝑠)
=> 𝜔(𝑠) =
𝑀đ𝑐(𝑠)− 𝑀𝑡ả𝑖(𝑠)
𝐵(1+𝑇𝑐ơ.𝑠)
(2.19)

37. 20
Từ các công thức (2.15), (2.17), (2.18) và (2.19) ta có được sơ đồ cấu trúc hàm truyền
của động cơ một chiều như Hình 2.13:
Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
2.7 Bộ điều khiển PID
2.7.1 Tổng quan về điều khiển PID
Hình 2.14: Sơ đồ khối thuật toán bộ điều khiển PID
Được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp, PID (viết
tắt của Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển.
Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển có tín
hiệu phản hồi vòng kín. Giá trị sai lệch (sai số) sẽ được tính toán thông qua bộ điều
khiển là kết quả của hiệu số giữa giá trị đặt vào (mong muốn) với giá trị biến đổi.
Bộ điều khiển sẽ làm giảm sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu ra. Các
thông số của bộ điều khiển PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính
chất của hệ thống điều khiển, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù, tính chất của
hệ thống điều khiển để đạt được kết quả như mong đợi.
2.7.2 Lý thuyết thuật toán PID

38. 21
Một chiếc xe điện tự động điều khiển tốc độ, sử dụng cảm biến tốc độ trên bánh xe
(encoder), bộ vi điều khiển và bộ điều khiển động cơ. Câu hỏi đặt ra làm thế nào để
điều khiển chính xác tốc độ và mong muốn không bị tác động bởi sai số bánh xe
gây ra. Giả sử chúng ta cần điều khiển xe tốc độ 250 vòng/phút đi thẳng, thì khi đó
yêu cầu cả hai bánh phải quay chính xác 250 vòng/phút. Tuy nhiên giá trị đầu ra có
thể không đạt được 250 vòng/ phút mà nó sẽ nhỏ hơn giá trị ta đặt vào bởi sai số do
lực ma sát mỗi bánh khác nhau và lực cản không khí, ... Ví dụ giá trị encoder đọc
về mỗi bánh chỉ đạt 210 vòng/phút, khi đó sai số: error = SP – PV = 250 – 210 =
40 vòng /phút. Kết luận là xe đã sai lệch error = 40 vòng/ phút so với giá trị đặt.
Điều cần làm là tăng tốc độ bằng cách tăng độ rộng xung PWM thông qua bộ điều
khiển động cơ từ vi điều khiển. Trong trường hợp động cơ chạy quá nhanh so với
giá trị đặt (error < 0), chúng ta cần giảm độ rộng xung PWM. Kết quả cuối cùng của
thuật toán là sai số tốc độ trong một thời điểm cụ thể, giá trị sẽ được điều chỉnh và
tính toán một cách hợp lý để đạt được giá trị chính xác mong muốn. Giá trị đầu ra
được tính toán bằng thuật toán tổng hợp từ 3 thông số P, I, D (bộ điều khiển tỉ lệ,
tích phân, đạo hàm):
Hình 2.15: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID động cơ DC có encoder
Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ (hay còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra của bộ điều khiển.
Nó tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại của bộ điều khiển. Đáp ứng khâu tỉ lệ có thể được
điều chỉnh thay đổi bằng cách nhân hệ số hằng số Kp với sai số hiện tại của bộ điều
khiển.
Khâu tỉ lệ được tính bằng:
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) (2. 1)

39. 22
Trong đó:
Pout: thừa số tỷ lệ đầu ra
Kp: Hệ số tỷ lệ, thông số điều chỉnh
e(t): Sai số tức thời = SP – PV
Hình 2.16: Đồ thị giá trị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd là không đổi)
Hệ số của khâu tỉ lệ lớn nguyên nhân là do sự thay đổi lớn ở đầu ra mà trong khi sai
số thay đổi nhỏ. Nếu hệ số quá cao sẽ làm cho hệ thống bất ổn định. Ngược lại, hệ
số tỉ lệ nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ
điều khiển đáp ứng chậm. Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có
thể sẽ quá nhỏ khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống điều khiển.
Khâu tích phân
Khâu tích phân (còn gọi là khâu reset) tỉ lệ thuận với biên độ sai số và khoảng thời
gian xảy ra sai số đó. Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta thấy tích lũy bù đã
được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và
cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ của khâu tích phân trên tất cả
tác động điều chỉnh được xác định bởi hệ số độ lợi tích phân Ki.
Khâu tích phân được cho bởi:
𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑖 ∫ 𝑒 (𝜏)
𝑡
0
𝑑𝜏 (2.2)
Trong đó:
Iout: thừa số tích phân
Ki: Độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh
e(t): Sai số tức thời = SP – PV

40. 23
𝜏 : Một biến tích phân trung gian
Hình 2.17: Đồ thị giá trị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki
(Kp và Kd không đổi)
Khi khâu tích phân cộng thêm khâu tỉ lệ sẽ làm tăng tốc chuyển động của quá trình
điều khiển đạt tới điểm đặt và khử sai số. Tuy nhiên, do khâu tích phân là khâu đáp
ứng của sai số tích lũy trong quá khứ nên khâu tích phân có thể làm cho giá trị hiện
tại vọt lố so với giá trị mong muốn đặt vào.
Khâu vi phân
Tốc độ thay đổi của sai số được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số đó
theo đơn vị thời gian hay nói cách khác là đạo hàm bậc nhất theo thời gian và nhân
tốc độ này với hệ số độ lợi tỉ lệ Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (được gọi
là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd.
Thừa số khâu vi phân được xác định bởi công thức:
𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑑
𝑑
𝑑𝑡
𝑒(𝑡) (2.3)
Trong đó:
Dout: là thừa số vi phân của đầu ra
Kd: độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh
e(t): sai số tức thời = SP – PV

41. 24
Hình 2.18: Đồ thị giá trị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd
(Kp và Ki không đổi)
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra của bộ điều khiển, để đạt tới điểm
đặt của bộ điều khiển. Từ đó, khâu điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm
biên độ vọt lố. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do
đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số của bộ điều khiển, và có thể
khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn.
Khi lấy tổng của ba khâu: tỉ lệ, tích phân và vi phân sẽ tính được đầu ra của bộ điều
khiển PID. Định nghĩa rằng Dout là đầu ra của bộ điều khiển PID, biểu thức cuối
cùng của bộ điều khiển PID là:
𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒 (𝜏)
𝑡
0
𝑑𝜏 + 𝐾𝑑
𝑑
𝑑𝑡
𝑒(𝑡) (2.4)
Trong đó các thông số điều chỉnh là:
- Độ lợi tỉ lệ Kp: giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn.
Giá trị độ lợi tỉ lệ lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động cho bộ điều
khiển.
- Độ lợi tích phân Ki: giá trị càng lớn sẽ làm cho sai số ổn định bị khử càng nhanh.
Tuy nhiên sẽ làm cho độ vọt lố càng lớn.
- Độ lợi vi phân Kd: giá trị độ lợi vi phân càng lớn thì càng giảm độ vọt lố, nhưng
lại làm chậm đáp ứng quá độ của hệ thống và có thể dẫn đến sự mất ổn định do
khuếch đại các tín hiệu nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
2.7.3 Phương pháp điều chỉnh PID

42. 25
PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, nó có khả năng
điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, giảm độ vọt lố, tăng tốc độ đáp ứng, hạn chế sự
dao động.
Để điều chỉnh vòng lặp PID có nhiều phương pháp khác nhau, nhưng phương pháp
hiệu quả nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó
chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học. Ngược lại, các phương
pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vòng lặp có
thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.
Tuy nhiên, trong đề tài này, nhóm tác giả quyết định sử dụng phương pháp thủ công
để điều chỉnh vì nó không yêu cầu bất kỳ phép tính hay mô hình toán học phức tạp
nào nhưng lại phụ thuộc vào kinh nghiệm điều chỉnh.
Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái hoạt động, một phương pháp điều chỉnh là thiết
lập giá trị đầu tiên của hệ số Ki và hệ số Kd bằng không. Tăng dần hệ số Kp cho đến
khi đầu ra vòng điều khiển bắt đầu dao động, sau đó có thể được đặt bằng một phần
hai giá trị đó để đáp ứng "làm suy giảm biên độ đi một phần tư". Sau đó tăng dần hệ
số Ki đến giá trị sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, khi hệ số Ki quá lớn sẽ gây
ra mất ổn định cho bộ điều khiển. Cuối cùng, tăng dần hệ số Kd, nếu cần thiết, cho
đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá
trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, giá trị hệ số Kd quá lớn sẽ gây ra đáp ứng dư và
gây vọt lố cho bộ điều khiển. Trong trường hợp đó, cần một hệ thống vòng kín giảm
lố, thiết đặt một giá trị Kp nhỏ hơn một nửa giá trị Kp gây ra dao động.
Bảng 2.1: Tác động của việc tăng của các thông số Kp, Ki, Kd
Hệ số Thời gian
khởi động
Quá độ Thời gian
xác lập
Sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng Thay đổi
nhỏ
Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không
tác động
Cải thiện nếu
Kd nhỏ
2.8 Giao thức truyền thông UART
UART là một giao thức của bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ viết tắt của
Universal Asynchronous Receiver Transmitter là một trong những giao thức truyền
thông được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp giữa thiết bị với nhau. Từ trước đến
nay, đây cũng là chuẩn giao tiếp phổ biến và thông dụng trong công nghiệp.

43. 26
UART có thể làm việc với nhiều loại giao thức nối tiếp khác nhau liên quan đến việc
truyền và nhận dữ liệu nối tiếp khi nó được cấu hình đúng cách. Trong giao tiếp nối tiếp
bằng cách sử dụng một đường dây dữ liệu được truyền đi theo từng bit.
Hình 2.19: Hai thiết bị giao tiếp UART trực tiếp với nhau.

44. 27
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Sau chương 1 và 2 lên ý tưởng cho đề tài và đưa ra cơ sở lý thuyết thì trong chương 3
lại trình bày về phần thiết kết cơ khí, cách bố trí layout cơ cấu chấp hành và bộ điều
khiển. Phân tích, lựa chọn bộ truyền động cũng như tính toán lựa chọn động cơ, trục
bánh xe, gối đỡ và các chi tiết khác. Đưa ra các yêu cầu đầu vào và đầu ra, từ đó lên ý
tưởng thiết kế cơ khí sao đáp ứng yêu cầu mong muốn. Cụ thể:
3.1 Yêu cầu kỹ thuật của xe AGV
3.1.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển không ngừng của thế giới, đặc biệt là đi đầu về lĩnh vực công
nghệ 4.0 thì việc sử dụng robot ngày trở nên phổ biến và rộng rãi trong cuộc sống. Với
tính năng thông minh của robot mà ngày nay càng trở nên phổ biến xung quanh ta, được
ứng dụng nhiều vào các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao, công việc nặng nhọc và nguy
hiểm đến sức khỏe của con người.
Hiện nay có nhiều loại robot, tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà chúng có kích thước
khác nhau. Những dòng có kích thước nhỏ dùng để phục vụ trong gia đình như để giải
trí, lau dọn nhà cửa. Những dòng có kích thước lớn hơn thì dùng trong các dịch vụ như
bệnh viện, siêu thị, nhà hàng, khách sạn, …Đặc biệt những dòng robot có kích thước
lớn được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất, vận chuyển trong kho hàng của các
nhà máy, xí nghiệp nhằm thay thế sức lao động của con người.
3.1.2 Yêu cầu thiết kế
Dựa trên các phương án đã lựa chọn, sơ đồ mô hình cơ khí được thết kế như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ mô hình cơ khí
1. Bánh xe dẫn động 4. Động cơ DC
2. Bộ truyền động 5. Bánh xe tự lựa
3. Bộ encoder 6. Khung xe AGV

45. 28
3.1.3 Yêu cầu kỹ thuật
Để đáp ứng được những vấn đề trên thì xe phải đáp ứng được:
- Tự động di chuyển, lập bản đồ, mang các sản phẩm trong kho đi từ vị trí ban đầu
A đến vị trí cần đến B, tránh vật cản, …
- Xe phải đảm bảo chở đủ tải trọng: 50kg
- Có kích thước nhỏ gọn đảm bảo trong quá trình di chuyển trong không gian nhỏ
hẹp của nhà kho. (kích thước 600 x 400 mm)
- Đảm bảo tốc độ nhanh khi di chuyển và không bị văng hàng ra ngoài.
+ Vận tốc không tải của robot: ~ 1 m/s
+ Vận tốc có tải của robot: ~ 0.5 m/s
- Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về an toàn, chính xác.
- Yêu cầu về tính năng làm việc:
+ Tìm ra đường đi tối ưu đến vị trí chỉ định ở trên map đã xây dựng.
+ Tránh được các vật cản trên đường di chuyển.
+ Đi đến đúng vị trí yêu cầu.
3.2 Tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống cơ khí
3.2.1 Phân tích lựa chọn hệ thống bộ truyền dẫn động
Bên cạnh bộ truyền động điện, bộ truyền động thủy lực, bộ khí nén thì bộ truyền cơ
khí là một trong những bộ truyền được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất. Dựa trên
nguyên lý làm việc, người ta chia thành hai nhóm chính:
- Truyền động bằng ma sát: bánh ma sát, truyền động đai.
- Truyền động bằng ăn khớp: bánh răng, trục vít, bánh vít, xích, vitme đai ốc…
Một số truyền động thường được sử dụng:
a) Bộ truyền đai
Bộ truyền đai gồm bánh dẫn lắp trên trục động cơ và bánh bị dẫn lắp trên tải.
Momen truyền đi nhờ vào lực ma sát sinh ra giữa dây đai với các bánh đai.
Hình 3.2: Bộ truyền đai

46. 29
- Ưu điểm:
+ Không gây tiếng ồn khi làm việc.
+ Khi động cơ bị quá tải sẽ không gây ra thiệt hại do sự trượt của dây đai.
+ Có thể truyền động giữa các trục dù cách xa nhau.
- Nhược điểm
+ Tỷ số truyền sẽ thay đổi do hiện tượng đai bị trượt trong làm việc.
+ Kích thước của bộ truyền đai, cơ cấu căng đai lớn và cồng kềnh.
+ Tuổi thọ không cao.
b) Bộ truyền đai răng
Bộ truyền đai răng có cơ cấu tương tự bộ truyền đai nhưng momen truyền đi nhờ
ăn khớp giữa dây đai và các bánh đai.
Hình 3.3: Bộ truyền đai răng
- Ưu điểm:
+ Kích thước các bánh đai nhỏ.
+ Không có hiện tượng trượt giữa đai với các bánh đai.
+ Có hiệu suất làm việc cao.
- Nhược điểm:
+ Kích thước của bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn và cồng kềnh.
+ Tuổi thọ không cao.
c) Bộ truyền xích
Bộ truyền xích bao gồm dây xích với các đĩa xích gồm đĩa xích dẫn và đĩa xích
bị dẫn. Xích truyền chuyển động cùng với tải trọng từ trục dẫn động sang trục bị
dẫn nhờ vào sự ăn khớp giữa các mắt xích với răng của đĩa xích.

47. 30
Hình 3.4: Bộ truyền xích
- Ưu điểm:
+ Không có hiện tượng trượt khi làm việc.
+ Lực tác động lên trục nhỏ hơn bộ truyền đai.
+ Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau.
- Nhược điểm:
+ Cồng kềnh, tốc độ chậm và có kích thước lớn.
+ Gây ra tiếng ồn khi làm việc, không thích hợp ở vận tốc cao.
+ Dễ bị ăn mòn, biến dạng xích và thường xuyên bảo trì thay thế.
d) Bộ truyền bánh răng
Bộ truyền bánh răng là bộ truyền mà truyền chuyển động và momen nhờ sự ăn
khớp giữa các bánh răng. Trục dẫn động và bị dẫn của bộ truyền có thể song
song, giao nhau, chéo nhau hoặc biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh
tiến.
Hình 3.5: Bộ truyền bánh răng
- Ưu điểm:
+ Kích thước bộ truyền nhỏ và có khả năng chịu tải lớn.
+ Tỷ số truyền không đổi, có hiệu suất làm việc cao.
+ Vận tốc làm việc và tỉ số truyền lớn nhờ lắp nhiều bánh răng ăn khớp
với nhau.

48. 31
+ Có tuổi thọ và độ bền cao.
- Nhược điểm:
+ Chế tạo phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao.
+ Gây ra tiếng ồn khi làm việc ở vận tốc lớn.
Kết luận: Trong đề tài này, robot chế tạo có kích thước và khối lượng tương đối
nhỏ. Đầu tiên phương án sử dụng bộ truyền đai được bỏ qua vì loại này dễ trượt làm
độ chính xác không cao. Tương tự bộ truyền xích khi hoạt động gây tiếng ồn cũng
không hợp lý. Và cuối cùng là bộ truyền bánh răng cũng không được chọn vì khả
năng chế tạo khá phức tạo, đồng thời cũng gây tiếng ồn khi hoạt động ở vận tốc cao.
Chính vì thế mà bộ truyền đai răng là phương án tốt nhất, vừa cho hiệu suất làm
việc cao, dễ lắp đặt và không gây tiếng ồn khi hoạt động, đáp ứng yêu cầu đặt ra của
đề tài.
3.2.2 Tính toán và lựa chọn động cơ
Từ các thông số vật lý giá trị đầu vào như Bảng 3.1 ta tính toán lựa chọn các thiết
bị tương ứng như sau.
Bảng 3.1: Các thông số vật lý cụ thể
STT Đại lượng vật lý Kí hiệu Giá trị Đơn vị
1 Tổng khối lượng của robot m 50 kg
2 Vận tốc tối đa của robot v 1 m/s
3 Gia tốc a 0,5 m/s2
4 Tỉ số truyền i 4 -
5 Bán kính bánh xe chủ động r 0.05 m
6 Đường kính bánh xe chủ động D 0.1 m
7 Hiệu suất làm việc của robot 𝜂 0.85 -
8 Gia tốc trọng trường g 9.81 -
9 Hệ số ma sát lăn μmsl 0,3 -
10 Hệ số ma sát tĩnh μmst 0,5 -
Địa hình làm việc của robot là địa hình phẳng, giả thiết bỏ qua sự biến dạng của
bánh xe, bỏ qua lực cản của không khí trong quá trình robot di chuyển.

49. 32
Hình 3.6: Sơ đồ phân tích lực
Trong đó:
𝐹
⃗𝑚𝑠𝑛 : là lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và bề mặt đường.
𝐹
⃗𝑤 : là lực kéo sinh ra do momen của động cơ.
N : là phản lực của mặt đường.
P : là trọng lực của xe.
M : là momen xoắn của động cơ.
m : là tổng trọng lượng của robot và hàng.
Phương trình cân bằng lực:
𝑭
⃗
⃗⃗𝒎𝒔 + 𝑭
⃗
⃗⃗𝑾 + 𝑵 +
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑷
⃗⃗⃗ = 𝒎𝒂
⃗
⃗⃗ (3.1)
Trong đó: a là gia tốc của xe, đơn vị m/s2
Lực cản:
𝑭𝒎𝒔 = 𝑵. µ𝒎𝒔 = 𝒎. 𝒈. µ𝒎𝒔 (3.2)
Trong đó:
g = 9,81 (m/s2
): Gia tốc trọng trường
µ𝑚𝑠 : Hệ số ma sát lăn giữa bánh xe với bề mặt chuyển động
Mô-men xoắn T của từng động cơ để robot có thể di chuyển:
𝑴 =
𝑭𝒘.𝒓
𝟐.𝒊.ղ
(3.3)
Trong đó: M: Mô-men xoắn (N.m)
Fw: Lực kéo (N)
i: Tỷ số truyền
ղ: Hiệu suất
r: Bán kính của bánh xe chủ động (m)

50. 33
Công suất từng động cơ khi kéo tải là:
𝑷 =
𝑭𝒘.𝒗
𝟐ղ
(3.4)
Trong đó: P: Công suất (W)
Fw: Lực cản (N)
v: Vận tốc tối đa của robot (m/s)
Số vòng quay của động cơ:
𝒓𝒑𝒎 =
𝟔𝟎.𝒗
𝝅.𝑫
(3.5)
Trong đó: rpm : Số vòng quay của động cơ (vòng/ phút)
v : Vận tốc tối đa của robot (m/s)
r : Bán kính của bánh xe chủ động (m)
• Khi xe chuyển động đều:
Vận tốc không đổi là v = 1 m/s, nên gia tốc a = 0 m/s2
. Áp dụng công thức (3.1) và (3.2)
ta được lực kéo sinh ra do mô-men của động cơ là:
𝐹𝑤 = 𝐹𝑚𝑠 = µ𝑚𝑠𝑙.𝑁 = 0,3 . 50. 9,8 = 147 (𝑁)
Momen xoắn cần thiết để xe theo công thức (3.3):
M =
𝐹𝑤. 𝑟
2. 𝑖. ղ
=
147 . 0,05
2.4.0,85
= 1,08 (N. m)
Với hệ số ma sát lăn µ𝑚𝑠𝑙 = 0.3 khi di chuyển trên sàn bê tông. Công suất cần thiết để
xe di chuyển ổn định với vận tốc 1 (m/s) theo công thức (3.4):
P = Fw.v2.ղ = 147.12. 0,85 = 86,47 (W)
• Khi xe tăng tốc:
Tương tự trường hợp trên, khi xe tăng tốc với gia tốc a = 0,5 m/s2
để hàng không bị rơi
khỏi xe với hệ số ma sát tĩnh là µ𝑚𝑠𝑡 bằng 0,5 khi đó:
Fw = Fms+ m.a = µmst.N+m.a
= 0,5 . 490 + 50 . 0,5 = 270 (N)
Momen xoắn cần thiết để xe tăng tốc là:
M = F𝑤.𝑟2.𝑖.ղ = 270 . 0,052.4.0,85 = 1,99 (N.m)
Công suất cần thiết để xe tăng tốc lên 0,5 (m/s) là:
P = Fw.v2.ղ = 270 . 12.0,85 = 158,82 (W)

51. 34
Chọn phương án chuyển động của robot là chuyển động thẳng. Hai bánh dẫn động di
chuyển cùng tốc độ về phía trước với vận tốc v = 1 (m/s). Tốc độ quay của bánh xe theo
công thức (3.5):
RPM =
60. 𝑣
𝜋. 𝐷
=
60 . 1
3,14 . 0,1
= 191,08 (vòng/phút)
Từ kết quả trên, suy ra công suất động cơ cần thiết là 160 (W) và tốc độ vòng yêu cầu
là 200 (rpm).
Chọn động cơ DC, sử dụng điện áp 12V có công suất 368 (W), tốc độ không tải là 6000
(rpm)
Hình 3.7: Động cơ 895
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 12V - 24V
- Công suất: 368W
- Tốc độ tại 12V: 6.000 rpm & 24V: 12.000 rpm
- Dòng điện không tải: 1.15 A - 12V & 1.51A - 24V
- Mô-men xoắn tối đa: 8 kg.cm = 0.784532 N.m
- Đường kính động cơ: 50mm
- Đường kính trục quay: 5mm
- Chiều dài thân động cơ: 102mm
- Chiều dài trục: 16mm
- Cân nặng: 500g
3.2.3 Tính toán và lựa chọn truyền động đai răng
Trong phạm vi đồ án này, nhóm sử dụng phương pháp truyền động bằng đai răng với
nhiều ưu điểm như không bị trượt đai, hiệu suất làm việc cao, lực tác dụng lên trục và ổ
trục nhỏ. Đồng thời, bộ truyền động đai răng có mặt rộng rãi trên thị trường với các tiêu

52. 35
chuẩn được xác định trước để lắp ráp lại nhanh chóng và dễ dàng bảo trì, thay thế. Mô
đun của đai răng được tính toán từ tài liệu tham khảo [2]:
• Xác định Mô đun theo công thức (4.28) trang 69 tài liệu tham khảo [2]
m = 35. √
𝑃1
𝑛1
3
= 35. √
0,368
10000
3
= 1,04 𝑚𝑚
Trong đó: P1: công suất trên bánh đai dẫn động (kW)
n1: số vòng quay của bánh đai chủ động (vòng/ phút)
Lấy giá trị m theo tiêu chuẩn như Bảng 3.1 (trích bảng 4.27 trang 68 tài liệu tham khảo
[2])
Bảng 3.2 Lựa chọn giá trị Modun m của dây đai
Từ đó suy ra bước răng p = m. π = 1. 3,14 = 3,14 mm
• Chiều rộng đai b theo công thức (4.29) trang 69 tài liệu tham khảo [2]
b = 𝜓đ. m = 7 . 1 = 7
Trong đó:
𝜓đ : có giá trị nằm trong đoạn [6, 9], chọn giá trị nhỏ khi lấy mô đun tiêu chuẩn
lớn hơn m tính toán và lấy giá trị lớn trong trường hợp ngược lại
n1: số vòng quay của bánh đai chủ động (vòng/ phút)
Lấy giá trị b theo tiêu chuẩn như Bảng 3.2 (trích bảng 4.28 trang 69 tài liệu tham khảo
[2])
Từ các giá trị tính toán trên, chọn bánh đai có m = 1; b = 8; p = 3,14

53. 36
Với số liệu tính toán trên khó có thể lựa chọn dây curoa, vì động cơ chỉ hoạt động ở chế
độ bình thường nên công suất sẽ nhỏ rất nhiều so với giá trị cực đại, nên có thể lựa chọn
nhỏ hơn giá trị tính toán để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và dễ tìm kiếm trên thị trường.
Chính vì thế nhóm chọn dây curoa loại GT2 có bước răng p = 2.
Bảng 3.3 Lựa chọn giá trị b dây đai răng
Các thông số bộ truyền:
Dựa vào bảng 4.29 trang 70 tài liệu tham khảo [2]. Để đảm bảo tuổi thọ của dây
đai, số răng của bánh răng chủ động z1 > 12. Chọn z1 = 20 răng. Chọn tỷ số truyền u
= 4. Số răng của bánh răng bị động:
𝑧2 = 𝑢. 𝑧1 = 4 . 20 = 80 răng
Khoảng cách trục được chọn theo điều kiện trong tài liệu tham khảo [2]:
𝑎𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑎 ≤ 𝑎𝑚𝑎𝑥
Trong đó:
𝑎𝑚𝑖𝑛 = 0,5. 𝑚. (𝑧1 + 𝑧2) + 2𝑚 = 0,5.1. (20 + 80) + 2.1 = 52 𝑚𝑚
𝑎𝑚𝑎𝑥 = 2. 𝑚. (𝑧1 + 𝑧2) = 2.1. (20 + 80) = 200 𝑚𝑚
Chọn a =80 mm
Số răng đai Zđ :
𝑍đ =
2𝑎
𝑝
+
𝑧1 + 𝑧2
2
+
(𝑧2 − 𝑧1)2
. 𝑝
40. 𝑎
=
2.80
2
+
20 + 80
2
+
(80 − 20)2
.2
40.80
≈ 122,57 𝑟ă𝑛𝑔
Theo bảng 4.30 trang 70 tài liệu tham khảo [2], chọn Zđ = 125 răng. Từ đó suy ra chiều
dài lđ = 785 mm
Từ lđ theo công thức (4.6) tài liệu [2] xác định lại
𝜆 = 𝑙đ −
𝑝(𝑧2 + 𝑧1)
2
= 785 −
2. (80 + 20)
2
= 685

54. 37
Đường kính vòng chia các bánh đai:
𝑑1 = 𝑚. 𝑧1 = 1,04.20 = 20,8 𝑚𝑚
𝑑2 = 𝑚. 𝑧2 = 1,04.80 = 83,2 𝑚𝑚
Đường kính ngoài bánh đai:
𝑑𝑎1 = 𝑚. 𝑧1 − 2𝛿 = 1,04.20 − 2.0,4 = 20 𝑚𝑚
𝑑𝑎2 = 𝑚. 𝑧2 − 2𝛿 = 1,04.80 − 2.0,4 = 82,4 𝑚𝑚
Trong đó δ chọn theo bảng 4.27 trang 68 tài liệu tham khảo [2]
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng
Lực vòng:
𝐹𝑡 =
1000. 𝑃1
𝑣
=
1000.0,368
1
= 368𝑁
𝑞 =
𝐹𝑡. 𝐾đ
𝑏
+ 𝑞𝑚. 𝑣2
=
368.1
8
+ 0,0032. 12
= 46
Trong đó: Kđ = 1 chọn theo bảng 4.7 trang 55 tài liệu tham khảo [2]
qm = 0,0032 chọn theo bảng 4.31 trang 55 tài liệu tham khảo [2]
Lựa chọn bộ truyền đai với các thông số sau:
Bảng 3.4 Thông số đầu ra dây đai răng sau tính toán
Tham số Kí hiệu Giá trị Đơn vị
Loại đai GT2 - -
Bước đai p 2 mm
Độ rộng đai b 6 mm
Số răng bánh chủ động z1 20 răng
Số răng bánh bị động z2 80 răng
Chọn dây đai và bánh đai như sau:
Bảng 3.5: Thông số ký thuật các bộ truyền đai răng
Chi tiết Hình ảnh Thông số
Bánh đai
chủ động
- Đường kính trục: 5mm
- Số răng: 20 răng
- Bề rộng đai: 6mm
- Đường kính ngoài: 16mm
- Đường kính bánh răng: 12mm

55. 38
- Bước răng 2mm
- Chất liệu: nhôm
Bánh đai
bị động
- Đường kính trục: 8mm
- Số răng: 80 răng
- Bề rộng đai: 6mm
- Đường kính ngoài: 54mm
- Đường kính bánh răng: 50.5mm
- Bước răng: 2mm
- Chất liệu: nhôm
Dây đai - Bước răng 2mm
- L = 280 mm
3.2.4 Tính toán thiết kế trục dẫn động
Các thông số ban đầu như sau:
- Momen xoắn là: M = 2 (N.m)
- Số vòng quay là: RPM = 200 (rpm).
- Đường kính vòng lăn bánh răng bị động là: dw = 100 (mm).
- Do trọng lượng của xe là 50kg.
Nên phản lực tác dụng lên robot là 50.9,81 = 490,5 N
Suy ra phản lực tác động lên mỗi bánh xe là 𝐹n = 122,625 𝑁
- Lực vòng tác dụng lên dây đai là:
𝐹𝑟 =
2. 𝑀
𝑑𝑤
=
2.2
0,1
= 40 𝑁
Lực ly tâm tác dụng lên dây đai là: Fv ≈ 0 (do vận tốc tối đa 1 m/s < 10m/s có thể
bỏ qua)
Từ sơ đồ như Hình 3.8 ta tính toán được các lực tác động lên gối đỡ ở bi như sau:

56. 39
Hình 3.8: Sơ đồ phân tích lực trên trục dẫn động
{
∑𝐹𝑥
⃗⃗⃗⃗ = 0 ⇔ 𝐹𝑛
⃗⃗⃗⃗ + 𝑅𝐴𝑥
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝑅𝐵𝑥
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝐹𝑟
⃗⃗⃗⃗ = 0
∑𝐹𝑦
⃗⃗⃗⃗ = 0 ⇔ 𝑅𝐴𝑦
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝑅𝐵𝑦
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + 𝐹𝑟
⃗⃗⃗⃗ = 0
∑𝑀𝐴/𝑦 = 0 ⇔ −𝐹𝑛. 35 − 𝑅𝐵𝑥. 80 + 𝐹𝑟. sin(45o). (80 + 30) = 0
∑𝑀𝐴/𝑥 = 0 ⇔ 𝑅𝐵𝑦. 80 − 𝐹𝑟. cos(45o). (80 + 30) = 0
⇔
{
−𝐹𝑛 + 𝑅𝐴𝑥 + 𝑅𝐵𝑥 − 𝐹𝑟. sin(45o) = 0
−𝑅𝐴𝑦 − 𝑅𝐵𝑦 + 𝐹𝑟. cos(45o) = 0
−𝐹𝑛. 35 − 𝑅𝐵𝑥. 80 + 𝐹𝑟. sin(45o). 110 = 0
𝑅𝐵𝑦. 80 − 𝐹𝑟. cos(45o). 110 = 0
⇔
{
−122,625 + 𝑅𝐴𝑥 + 𝑅𝐵𝑥 − 40. sin(45o) = 0
−𝑅𝐴𝑦 − 𝑅𝐵𝑦 + 40. cos(45o) = 0
−122,625.35 − 𝑅𝐵𝑥. 80 + 40. sin(45o). 110 = 0
𝑅𝐵𝑦. 80 − 40. cos(45o). 110 = 0
⇔
{
𝑅𝐴𝑥 = 165,67 N
𝑅𝐴𝑦 = −10,61 N
𝑅𝐵𝑥 = −14,76 N
𝑅𝐵𝑦 = 38,89 N
𝑇 = 𝐹𝑟 .
d
2
= 40 .
50,5
2
= 1010 𝑁. 𝑚𝑚
Sau khi có giá trị lực và momen, vẽ sơ đồ phân tích ứng suất để lựa chọn đường
kính trục như Hình 3.9

57. 40
Hình 3.9: Sơ đồ phân tích ứng suất

58. 41
Chọn vật liệu trục là thép C45, theo bảng 10.5 trang 195 tài liệu tham khảo [2] ứng suất
cho phép [б]=63(𝑀𝑃𝑎), 𝜎𝑏 ≥ 600(𝑀𝑃𝑎) với d < 30mm.
Tham khảo công thức 10.15 trang 194 tài liệu tham khảo [2]:
Tại điểm A:
Mô men tại mặt cắt tại A:
MA = √Mx
2
+ My
2
+ 0,75. T2
= √0 + 4291,8752 + 0,75. 10102 = 4380,1 (N. mm)
Đường kính trục qua mặt cắt tại A:
dA = √
MA
0,1 . [σ]
3
= √
4380,1
0,1 . 63
3
= 8,86 mm
Tương tự, tại điểm B:
𝑀𝐵 = √𝑀𝑥
2
+ 𝑀𝑦
2
+ 0,75. 𝑇2
= √848,42 + 848,2752 + 0,75. 10102 = 1484,7 (𝑁. 𝑚𝑚)
𝑑𝐵 = √
𝑀𝐵
0,1 . [𝜎]
3
= √
1484,7
0,1 . 63
3
= 6,17 𝑚𝑚
Theo sơ đồ phân tích lực thì hai điểm M, N sẽ có momen luôn bé hơn hai điểm A, B nên
đường kích lựa chọn dựa vào giá trị A, B. Chọn đường kính trục d = 8 mm.
❖ Tính toán kiểm tra độ bền mỏi của trục:
Kiểm tra mỏi tại đoạn có mặt cắt nguy hiểm lớn nhất, tức tại điểm A có:
MAx = 0 N.mm
MAy = 4291,875 N.mm
dA = 8 mm
Hệ số an toàn thỏa mãn điều kiện công thức (10.19) trang 195 tài liệu tham khảo [2]:
𝑠 =
𝑠𝜎. 𝑠𝜏
√𝑠𝜎
2 + 𝑠𝜏
2
≥ [𝑠]
➢ 𝑠𝜎: Ứng suất pháp tính theo công thức (10.20) trang 195 tài liệu tham khảo [2]:
𝑠𝜎 =
𝜎−1
𝐾𝜎𝑑. 𝜎𝑎 + 𝜓𝜎. 𝜎𝑚
Trong đó:
𝜎−1: giới hạn mỏi uốn với chu kỳ đối xứng, tính bằng công thức:

59. 42
𝜎−1 = 0,436. 𝜎𝑏 = 0,436 . 600 = 261,60 (MPa)
𝜓𝜎 : Hệ số ảnh hưởng của giá trị ứng suất trung bình, tra bảng 10.7 trang 197 tài
liệu tham khảo [2]: 𝜓𝜎 = 0,05
Chọn 𝜎𝑚 = 0
Theo công thức: 𝜎𝑎 = 𝜎max 𝐴 =
𝑀𝐴
𝑊𝐴
=
4291,875
50,27
= 85,38 𝑀𝑃𝑎
+ Theo công thức (10.15) trang 194 tài liệu tham khảo [2]:
MA = √MAx
2
+ MAy
2
= √02 + 4291,8752 = 4291,875 N. mm
+ Theo bảng 10.6 trang 196 tài liệu tham khảo [2]:
WA =
πdC
3
32
=
π. 83
32
= 50,27 N. m
Theo công thức (10.25) trang 197 tài liệu [2]:
𝐾𝜎𝑑 =
𝐾𝜎
𝜀𝜎
+ 𝐾𝑥 − 1
𝐾𝑦
=
1,79 + 1,35 − 1
2,8
= 0,76 𝑁. 𝑚𝑚
Chọn: Kx = 1,35: hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt. (Bảng 10.8 trang 197
tài liệu tham khảo [2])
Ky = 2,8: hệ số tăng bề mặt trục. (Bảng 10.9 trang 197 tài liệu tham khảo [2])
𝐾𝜎
𝜀𝜎
= 1,79 (Bảng 10.11 trang 198 tài liệu tham khảo [2])
𝑠𝜎 =
261,60
0,76 . 85,38 + 0,05 . 0
= 4,03
➢ 𝑠𝜏: Ứng suất tiếp tính theo công thức (10.21) trang 195 tài liệu tham khảo [2]:
𝑠𝜏 =
𝜏−1
𝐾𝜏𝑑. 𝜏𝑎 + 𝜓𝜏. 𝜏𝑚
Trong đó:
𝜎−1: Giới hạn mỏi xoắn với chu kỳ đối xứng, tính bằng công thức:
𝜏−1 = 0,58. 𝜎−1 = 0,58 . 261,6 = 151,73 (MPa)
𝜓𝜏 : Hệ số ảnh hưởng của giá trị ứng suất trung bình, tra bảng 10.7 trang 197 tài
liệu [2]: ψ𝜎 = 0
Chọn 𝜏𝑚 = 0
𝐾𝜏𝑑 =
𝐾𝜎
𝜀𝜎
+ 𝐾𝑥 − 1
𝐾𝑦
=
1,47 + 1,35 − 1
2,8
= 0,65 𝑁. 𝑚𝑚

60. 43
Chọn: Kx = 1,35: hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt. (Bảng 10.8 trang 197
tài liệu tham khảo [2])
Ky = 2,8: hệ số tăng bề mặt trục. (Bảng 10.9 trang 197 tài liệu tham khảo [2])
𝐾𝜎
𝜀𝜎
= 1,47 (Bảng 10.11 trang 198 tài liệu tham khảo [2])
𝑠𝜏 =
𝜏−1
𝐾𝜏𝑑. 𝜏𝑎 + 𝜓𝜏. 𝜏𝑚
=
151,73
0,65 . 85,38 + 0 . 1
= 2,73
Suy ra: 𝑺 =
𝟒,𝟎𝟑 . 𝟐,𝟕𝟑
√𝟒,𝟎𝟑𝟐+𝟐,𝟕𝟑𝟐
= 𝟐, 𝟑
Kết luận: 𝑆 = 2,3 > [𝑆] = 1,5 ÷ 2,5 (lấy giá trị giữa đoạn)
❖ Trục kiểm tra độ bền tĩnh:
Theo công thức 10.27 trang 200 tài liệu tham khảo [2]:
𝜎𝑡đ = √𝜎2 + 3. 𝜏2 ≤ [𝜎]
Trong đó:
𝜎 =
𝑀𝑚𝑎𝑥
0,1.𝑑3
=
4291.875
0,1.83
= 83,8 (công thức (10.28) tài liệu [2])
𝜏 =
𝑇𝑚𝑎𝑥
0,2.𝑑3
=
1010
0,1.83
= 19,7 (công thức (10.29) tài liệu [2])
[𝜎] = 0,8𝜎𝑐ℎ = 0,8. 450 = 360 𝑀𝑃𝑎 (công thức (10.30) tài liệu [2])
Suy ra:
𝜎𝑡đ = √83,82 + 3 . 19,72 = 90,5 𝑀𝑃𝑎 ≤ [𝜎] = 360 𝑀𝑃𝑎
Với 𝜎𝑐ℎ là ứng suất chảy, với thép C45 là 450Mpa
Kết luận: Trục đạt yêu cầu về độ bền tĩnh.
Bảng 3.6: Thông số kích thước trục tại các điểm
Thông số Kí hiệu Giá trị (mm)
Chiều dài trục L 150
Đường kính trục A dA 8
Đường kính trục B dB 8
Đường kính trục M dM 8
Đường kính trục N dN 8
Khoảng cách MA MA 35
Khoảng cách AB AB 80
Khoảng cách BN BN 30