Xe tự hành AGV - Automated Guided Vehicles đang ngày càng được áp dụng rộng rãi để tự động hóa quy trình giao nhận vật tư và hỗ trợ số hóa dữ liệu cho kho thông minh. Điều này mang lại nhiều ưu điểm như dễ vận hành, dễ mở rộng module, định tuyến logistic rõ ràng, dễ chuẩn hóa và số hóa được dữ liệu logistic, giúp cải tiến quy trình giao nhận. Bên cạnh đó, xe tự hành AGV cũng có khả năng vận hành 24/7.
Tuy nhiên, một rào cản hiện tại là chi phí đầu tư ban đầu lớn, điều này khiến nhiều doanh nghiệp quy mô vừa chưa thể áp dụng AGV cho nhà máy của mình.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách thiết kế và lắp ráp một xe AGV cơ bản. Điều này giúp các doanh nghiệp có nguồn lực kỹ thuật tại chỗ có thể xây dựng AGV cho riêng mình với chi phí tối ưu nhất.
Thiết kế cơ khí cho xe tự hành AGV
Trước tiên, bạn cần xác định loại AGV mà bạn muốn thiết kế. Theo kinh nghiệm của Unifee, xe tự hành có thiết kế dạng kéo là dễ thực hiện nhất. Bạn có thể sử dụng một thiết kế AGV dạng kéo với 3 bánh, gồm 2 bánh động lực và một bánh đa hướng xoay tự do. Phương pháp điều khiển hướng đi cho thiết kế bánh xe như vậy là sai lệch tốc độ giữa hai bánh động lực.
Thiết kế xe tự hành AGV 3 bánh
Thiết kế khung sườn
Khung sườn xe tự hành AGV cần phải được thiết kế nhẹ để không tạo nặng cho xe, nhưng vẫn đảm bảo độ cứng để tải hoặc kéo hàng. Tùy thuộc vào tải trọng, bạn có thể chọn vật liệu phù hợp để làm khung sườn.
- Trường hợp tải nhẹ như kéo xe trolley dưới 200kg hoặc cõng hàng trên lưng dưới 100kg, có thể sử dụng ống LEAN pipe để làm khung. Ưu điểm của LEAN pipe là dễ thi công và giá thành rẻ.
- Đối với tải vừa như kéo xe trolley dưới 300kg hoặc cõng hàng trên lưng dưới 200kg, có thể dùng nhôm định hình để làm khung.
- Còn với tải nặng hơn đã đề cập ở trên, khung nên làm bằng sắt và hàn cố định với nhau. Độ dày của sắt phải tuỳ thuộc vào mức độ tải nặng.
Thiết kế khung xe cần tính đến vị trí lắp đầy đủ các linh kiện cần thiết cho AGV. Các linh kiện tối thiểu bao gồm: motor và bánh xe động lực, cảm biến dò đường từ, mạch đọc RFID để định vị robot, mạch điều khiển AGV controller, driver điều khiển motor, nguồn điện (bình acquy hoặc pin lithium), cảm biến an toàn.
Bố trí các thiết bị trên AGV
Lựa chọn motor cho xe tự hành AGV
Loại động cơ được khuyến nghị sử dụng là động cơ DC không chổi than (Brushless DC motor - BLDC). Với những đặc tính phù hợp cho AGV như:
- Động cơ có moment quán tính lớn, giúp AGV tăng tốc và giảm tốc linh hoạt.
- Động cơ không có chổi than nên không phát sinh tia lửa điện và không yêu cầu bảo trì (thay chổi than bị mòn).
- Hiệu suất cao so với động cơ DC có chổi than cùng công suất, BLDC luôn có kích thước nhỏ hơn và nhẹ hơn. Điều này giúp giảm kích thước và trọng lượng của robot AGV, cũng như tiết kiệm năng lượng.
- Có dải tốc độ cao, giúp xe di chuyển với tốc độ nhanh.
Khi lựa chọn motor, cần tính toán kỹ công suất và moment xoắn của động cơ. Đảm bảo motor đủ sức mạnh để kéo hàng và đạt vận tốc, gia tốc mong muốn.
Thông thường, với tải nặng 200kg (bao gồm trọng lượng xe), có thể sử dụng 2 động cơ 100W để vận hành. Nếu muốn tính toán chi tiết hơn, có thể tham khảo công cụ trên trang e-motionsupply.com.
Lựa chọn bánh xe và hộp số
Lựa chọn bánh xe chủ động và hộp số phải đi đôi với nhau, vì nó ảnh hưởng đến moment xoắn đầu ra trên bánh xe và tốc độ tối đa của xe. Thông thường, nên chọn hộp số có tỉ lệ truyền từ 25-50:1. Lý do là ở tỉ lệ truyền này, hộp số thường có đầu trục có khả năng chịu lực tốt. Khi lựa chọn các hộp số có chỉ số radial load cao, ta có thể gắn bánh xe trực tiếp vào trục hộp số mà không cần thêm cơ cấu trợ lực nào.
Lựa chọn hộp số cho xe tự hành AGV
Đường kính bánh xe chủ động sẽ được tính sau khi có thông số của hộp số. Thông thường, nên thiết kế tốc độ tối đa của robot khoảng 0.8m/s. Vì AGV dạng line từ không có các cảm biến an toàn bao quát hết không gian 3D như camera 3D, đặt tốc độ tối đa 0.8m/s sẽ an toàn nếu không may xảy ra va chạm.
Ví dụ, ta có động cơ BLDC với vòng quay tối đa 3.000 vòng/phút và hộp số tỉ lệ truyền 30:1. Tốc độ trục quay tối đa của hộp số sẽ là:
V(out) = 3.000/30 = 100 vòng/phút.
Với bánh xe có đường kính D, vận tốc xe cần 0.8m/s = 48 m/phút, ta có:
3.14xDx100 = 48 ⇒ D = 0.152 m
Như vậy, ta có thể chọn bánh PU đường kính 150mm. Đây là loại bánh phổ biến trên thị trường.
Thiết bị điều khiển và lập trình
Controller (mạch điều khiển)
Có thể sử dụng bất kỳ bộ điều khiển khả trình nào để điều khiển AGV, miễn là nó có đủ các ngõ I/O và các cổng kết nối với thiết bị trên AGV. Các loại mạch, module điều khiển phổ biến có thể dùng:
- Mạch phát triển ARM với board mở rộng I/O.
- Hoặc dùng mạch Arduino.
- Máy tính công nghiệp kết hợp với card I/O cũng là một lựa chọn.
- Có thể dùng PLC. Tuy nhiên, việc sử dụng các thiết bị tương thích PLC sẽ có giá thành cao.
Cảm biến dò line từ
Cảm biến dò đường từ dùng trong AGV là kết hợp của 16 cảm biến Hall (hall sensor) với một IC vi xử lý. Cảm biến Hall là một loại cảm biến từ tính được sử dụng để phát hiện cường độ và hướng của từ trường. Tín hiệu từ các cảm biến Hall được đưa về vi xử lý để lọc nhiễu, sau đó vi xử lý sẽ xuất tín hiệu về mạch điều khiển trung tâm của AGV.
Cảm biến dò line từ cho AGV
Trên thị trường có nhiều nhà cung cấp cảm biến này, từ các tên tuổi lớn như Sick, Panasonic, RoboteQ đến các nhà sản xuất của Việt Nam và Trung Quốc. Để tiết kiệm chi phí, có thể sử dụng cảm biến từ Trung Quốc, mặc dù phần mềm cấu hình có giao diện tiếng Trung và khá khó, nhưng giá thành phù hợp cho xe tự hành AGV có chi phí thấp.
Thuật toán bám đường cho xe tự hành AGV
Cảm biến đường từ giúp bộ xử lý biết vị trí tương đối của xe và đường băng keo từ. Bộ xử lý trung tâm sẽ điều khiển tốc độ bánh xe 2 bên của AGV có sai lệch tương đối, nhằm đưa vị trí đường từ về lại trung tâm của cảm biến từ.
Ví dụ, khi cảm biến từ lệch sang trái đường từ, bánh xe bên trái của AGV sẽ quay nhanh hơn bánh xe bên phải và ngược lại. Việc điều chỉnh chênh lệch tốc độ này được điều khiển theo thuật toán PID, một phương pháp phổ biến trong điều khiển tự động.
Tạo chu trình di chuyển cho AGV
Sau khi hoàn thành các bước trên, robot AGV đã có thể bám theo đường từ và không ngừng chạy. Tuy nhiên, làm sao để AGV biết khi nào nên dừng, khi nào đổi hướng đi chuyển?
Trước đây, người ta sử dụng kỹ thuật đọc mã vạch 16 bits để ra lệnh cho AGV. Mã vạch được tạo ra bằng chính các đoạn băng kéo từ. Một đầu dò từ được lắp đặt để nhận diện các mã vạch này. AGV kết hợp tín hiệu giữa đầu đọc và tốc độ thực tế của xe để nhận biết các bit 0 và 1 của mã. Các lệnh như dừng, rẽ, quay đầu sẽ được quy định bởi một bộ mã lệnh được định trước.
Hiện nay, với tiến bộ của công nghệ RFID, AGV được định vị và gửi lệnh thông qua mạch đọc RFID. Trên xe AGV sẽ được trang bị một đầu đọc RFID và các thẻ RFID sẽ được dán trên đường đi của AGV. Khi đọc được mã lệnh trong thẻ, AGV sẽ thực thi các lệnh đã được quy định trước.
Tạo đường đi cho xe tự hành AGV
Đây chỉ là một sơ lược về các thiết kế xe tự hành AGV, bao gồm kiến thức cơ bản và các điểm cần lưu ý. Hy vọng rằng bạn có thể áp dụng thành công cho việc xây dựng một con AGV. Nếu có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thực hành, đừng ngần ngại liên hệ ngay với chúng tôi.
