BÁO CÁO HỌC PHẦN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài Thiết kế sản phẩm cơ điện tử Robot hút bụi

Hoạt động của sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ - Xác định các vấn đề cơ bản - Thiết lập cấu trúc chức năng -

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

BÁO CÁO

HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Robot hút bụi”

Giáo viên hướng dẫn : Th.S Nhữ Quý Thơ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Hiếu 2019604420

Phạm Văn Hiếu 2018605731 Nguyễn Tiến Hòa 2019601895

Hà Nội – 2022

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: ME6061004 Khóa: 14

2 Tên nhóm: N09

Họ và tên thành viên

- Nguyễn Trung Hiếu MSV: 2019604420

- Phạm Văn Hiếu MSV: 2018605731

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử: Robot hút bụi

2 Hoạt động của sinh viên

Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

- Thiết lập danh sách yêu cầu

Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ

- Xác định các vấn đề cơ bản

- Thiết lập cấu trúc chức năng

- Phát triển cấu trúc làm việc

- Lựa chọn cấu trúc làm việc

Nội dung 3: Thiết kế cụ thể

- Xây dựng các bước thiết kế cụ thể

- Tích hợp hệ thống

- Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm CAD và/hoặc bằng bản vẽ phác Áp dụng các công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mô phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm

3 Sản phẩm nghiên cứu : Báo cáo thu hoạch bài tập lớn

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử và các tài liệu tham khảo

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính

Ts Nguyễn Anh Tú Ths Nhữ Quý Thơ

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây ngành Cơ Điện tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên

là việc làm cần thiết Sự phát triển của hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện

tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việc theo trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một

hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định, tối ưu và hiệu quả Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống, kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập và công việc sau này Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Robot hút bụi” Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống đồng thời cũng là

cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI

1.1 Giới thiệu về Robot hút bụi

- Nhiều người trong chúng ta thường vệ sinh phòng của mình mỗi tuần một lần hay nhiều khi do công việc bận rộn, ta chỉ vệ sinh chỉ khi có khách đến thăm Nhưng cho dù bạn có thuộc nhóm nào thì "sức hút" của Robot hút bụi cũng sẽ làm ngôi nhà của bạn trở nên thật sạch sẽ và tinh tươm

- Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của cách mạng công nghệ 4.0, sự tham gia của máy móc vào các hoạt động thường ngày đã đóng vai trò rất quan trọng, hỗ trợ cuộc sống của con người dễ dàng hơn, tiện lợi hơn Các loại robot, máy móc đã thay thế sức người trong rất nhiều các hoạt động sản xuất, lao động, Đặc biệt, ngay từ trong cuộc sống gia đình cũng đã có sự xuất hiện của rất nhiều các loại thiết bị công nghệ hiện đại để giải phóng sức lao động của các bà nội trợ

- Robot hút bụi hay còn gọi với cái tên máy hút bụi tự động là loại thiết bị hiện đại và thông minh nhất hiện nay trên thị trường thực hiện công việc lau dọn nhà cửa Sản phẩm này được thiết kế và lập trình sẵn để thực hiện toàn bộ công việc hút bụi, lau sàn nhà hoàn toàn tự động mà không cần đến quá nhiều tác động của con người Chính vì thế, ngay cả khi chúng ta không có ở nhà, robot hút bụi, robot lau nhà vẫn có thể tự hoạt động, dọn dẹp sàn nhà hiệu quả

- Thiết bị này là giải pháp thay thế tối ưu cho các dụng cụ như chổi quét nhà hay máy hút bụi truyền thống, không cần dùng đến sức người Do đó, robot hút bụi lau nhà rất được lòng các chị em, các bà nội trợ, đảm nhiệm tốt công việc lau dọn nhà cửa mệt nhọc, nhàm chán

1.2 Lịch sử phát triển của Robot hút bụi

vẫn chưa thực sự tạo được ấn tượng với người dùng Và tất nhiên tình hình kinh

doanh robot cũng đi xuống

Hình 1.1: Robot hút bụi Trilobite

1.2.2 Giai đoạn phát triển

Dấu mốc tiếp theo của sự phát triển robot hút bụi là vào năm 2001, khi hãng Dyson chế tạo mẫu DC06 Đây là mẫu robot hút bụi có kích thước lớn, giá thành

cao do đó đã không được thị trường chấp nhận

Cho tới năm 2002, iRobot cho ra đời mẫu robot hút bụi Roomba Roomba

đã đánh dấu bước tiến quan trọng cho loại robot hút bụi Điểm khác biệt lớn giữa robot của Roomba so với các hãng khác là nó có khả năng tự động thay đổi hướng,

phát hiện vết bẩn trên sàn và phát hiện vị trí của bậc thang

Hình 1.2: Robot hút bụi Roomba

1.2.3 Các thành phần chính của Robot hút bụi

Một Robot hút bụi gồm hai thành phần chính:

 Phần cơ khí: Vỏ máy, bánh xe, hệ thống laser định vị, hộp đựng bụi, đế

sạc, dây sạc , chổi quét

 Phần điều khiển: Remote, tường ảo (thiết bị có nhiệm vụ hạn chế khu vực

làm việc cho máy), bộ vi mạch lập trình, bộ xử lý kết nối wifi

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 2.1 Đánh giá yêu cầu thực tế của Robot hút bụi

Thương hiệu: Thương hiệu là một trong những yếu tố đầu tiên bạn nên quan tâm khi lựa chọn robot hút bụi, đây là yếu tố quyết định đến độ uy tín của sản phẩm

Tính năng thông minh: Cảm biến vật cản và điều hướng thông minh yêu cầu cần thiết để robot di chuyển, hút bụi và làm sạch mặt sàn tối ưu nhất Robot cảm biến vật cản, tránh va chạm, dẫn đến hư hỏng

Phù hợp với nhu cầu làm sạch của môi trường sống: mức giá cả phải chăng phù hợp với ngân sách: Mặc dù công suất hút bụi của robot khá tốt, làm sạch sàn nhưng khả năng lau dọn, làm sạch sâu mọi ngóc ngách chưa thực sự thay thế máy hút bụi cầm tay Người dùng cần cân nhắc, đầu tư robot hút bụi với mức giá phù hợp, tránh lãng phí và không hiệu quả

2.1.1 Danh sách yêu cầu:

 Đầu vào: điện

 Đầu ra: tốc độ và khả năng hút bụi

 Hiển thị:

- Trên thân máy có đèn báo

- Trên điện thoại có thể điều chỉnh tốc

độ di chuyển và khả năng hút bụi

 Kết nối thông qua Bluetooth

 Chống va đập tốt

 Pin đạt yêu cầu của hãng, không cháy

nổ

 Độ ồn <65dB chống ô nhiễm tiếng ồn

 Thử nghiệm tính năng hút bụi: sạch sẽ

 Thử nghiệm tính năng lau nhà: Sạch sẽ

 Thử nghiệm tính năng bộ sạc không dây: thời gian sạc 3 – 4 giờ dùng được

 Các bộ phận sau khi hỏng được xử lí không ảnh hưởng tới môi trường

Việc xác định các vấn đề cơ bản dựa theo các bước dưới đây

Bước 1 và 2: loại bỏ sở thích cá nhân, bỏ qua yêu cầu không ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng và các rằng buộc cần thiết

- Đầu vào: điện

- Đầu ra: tốc độ và khả năng hút bụi

- Kết nối thông qua Bluetooth

- Doanh nghiệp chuyên về đồ điện tử: Toshiba, Samsung,…

- Công dụng chính: hút bụi, lau nhà

Quản lí chất lượng:

- Thử nghiệm tính năng hút bụi: Sạch sẽ

- Thử nghiệm tính năng lau nhà: Sạch sẽ

- Thử nghiệm tính năng bộ sạc không dây: Thời gian sạc 3 – 4 giờ dùng được

- 2.500.000 ~ 3.000.000 VNĐ tùy cấu hình khách hàng chọn

Kế hoạch phát triển:

- Nghiên cứu cải tiến trong vòng 3 năm

Bước 3: Trong mức độ nhất định khái quát lại kết quả bước trước

- Kích thước bụi có thể hút được

- Trọng lượng bụi có thể hút được

- Đầu vào: Điện

- Đầu ra: Tốc độ và khả năng hút bụi

- Kết nối thông qua Bluetooth

Phụ tùng:

- Bộ đệm

- Chổi quét

- Bộ sạc

Độ an toàn:

- Vỏ được làm bằng vật liệu cách nhiệt

- Chống va đập tốt

- Pin đạt yêu cầu của hãng, không cháy nổ

- Độ ồn phù hợp với chống ô nhiễm tiếng ồn

Công thái học:

- Thiết kế tối giản, dễ sử dụng

- Có thể hút bụi được những chỗ nhỏ hẹp

Sản xuất:

- Dựa trên các doanh nghiệp lớn

- Công dụng chính: hút bụi, lau nhà

Quản lí chất lượng:

- Thử nghiệm tính năng hút bụi: Sạch sẽ

- Thử nghiệm tính năng lau nhà: Sạch sẽ

- Thử nghiệm tính năng bộ sạc không dây: Thời gian sạc sẽ ít hơn thời gian

Bước 4: Hình thành các vấn đề trong các thuật ngữ trung lập về giải pháp

Thiết kế robot hút bụi

2.1.3 Thiết lập cấu trúc chức năng:

a) Chức năng tổng thể:

Chức năng tổng thể robot hút bụi

Khống chế tốc độ

Chuyển đổi Điện - Cơ

Dẫn động

Xử lý và điều khiển

Năng lượng

Sạc điện Lưu trữ điện

Di chuyển

Báo đầy bụi

Xả bụi

- Tránh va chạm:

- Lưu trữ năng lượng:

- Xử lý và điều khiển:

- Báo tín hiệu và hiển thị ra màn hình:

- Kiểm tra vị trí:

- Hút bụi và kiểm soát lực hút:

2.1.4 Tìm hiểu nguyên tắc làm việc:

7 Truyền động Bộ truyền đai Trục vít me Bộ truyền

Cảm biến tiệm cận

Encoder Tuyệt đối

Encoder Tương đối

chuyển động

Module điều khiển chuyển động

Bộ chuyển đổi điện năng

19 Di

chuyển

Di chuyển robot hút bụi

Cảm biến tường tránh va chạm Cảm biến

Cảm biến vùng

Mắt nhận tín hiệu Remote kéo dài

Mạch nhận tín hiệu âm thanh Bluetooth

27 Phát tín hiệu Bộ phát tín

hiệu Analog

Đèn báo tín hiệu

2.1.5 Kết hợp các nguyên tắc làm việc

Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễn như trong bảng

Cụ thể những nguyên tắc được đặt ký hiệu cùng màu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng ta có thể thấy có ba biến thể với ba màu khác nhau được chọn ra tương ứng màu

đỏ (biến thể 1), màu vàng (biến thể 2) và màu xanh (biến thể 3) Từ đây ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra

2.1.6 Lựa chọn biến thể phù hợp

Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc (biểu diễn trên bảng 1.1), ta được ba biến thể tiêu biểu:

Biến thể 1 : 1.1 – 2.1 – 3.2 – 4.1 – 5.3 – 6.1 – 7.2 – 8.2 – 9.2 – 10.1 – 11.1 – 12.1 – 13.1 – 14.1 – 15.1 – 16.1 – 17.1 – 18.1 – 19.1 – 20.1 – 21.1 – 22.1 – 23.1 – 24.1 – 25.3 – 26.3 – 27.1

Biến thể 2 : 1.2 – 2.1 – 3.1 – 4.2 – 5.1 – 6.1 – 7.3 – 8.1 – 9.2 – 10.3 – 11.1 – 12.1 – 13.1 – 14.3 – 15.2 – 16.2 – 17.1 – 18.1 – 19.2 – 20.3 – 21.3 – 22.3 – 23.1 – 24.2 – 25.2 – 26.1 – 27.2

Biến thể 3 : 1.2 – 2.2 – 3.2 – 4.2 – 5.2 – 6.2 – 7.1 – 8.1 – 9.1 – 10.2 – 11.2 – 12.2 – 13.1 – 14.2 – 15.2 – 16.2 – 17.1 – 18.1 – 19.3 – 20.2 – 21.2 – 22.2 – 23.1 – 24.3

2.1.7 Tổng hợp và đánh giá các biến thể

Điểm tiêu chí

Điểm đánh giá Biến

thể 1

Biến thể 2

Biến thể 3

Chống ngắn mạch 0.03 0.01 0.012 0.008 Ngắt điện khi

quá tải 0.025 0.005 0.015 0.005 Chống đảo

pha 0.025 0.01 0.015 0.01 Chuyển đổi điện cơ 0.06 0.04 0.02 0.04

động 0.05 0.025 0.025 0.025 Dẫn hướng 0.05 0.02 0.03 0.02 Kiểm soát đóng mở

3

Xử lý và điều khiển 0.05 0.02 0.02 0.01 Kiểm

soát vị

trí

Đo vị trí 0.02 0.005 0.015 0.005

Di chuyển 0.015 0.005 0.008 0.002 Hiển thị 0.015 0.007 0.006 0.003 Kiểm soát lực hút 0.05 0.03 0.02 0.03 Kiểm

soát quá tải

Đo khối lượng 0.03 0.02 0.005 0.005 Báo quá tải 0.02 0.005 0.005 0.01

4

Khởi

động

Nhận tín hiệu 0.05 0.025 0.015 0.01 Hiển trị 0.05 0.035 0.015 0.035 Hút bụi

Đóng mở cửa hút 0.05 0.02 0.03 0.02 Hiển thị 0.02 0.008 0.007 0.005 Phát tín hiệu 0.03 0.02 0.01 0.02

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ 3.1 Bộ chuyển đổi điện áp

3.1.1 Chuyển đổi AC-DC

Hình 1: Bộ sạc máy hút bụi

Thông số kỹ thuật

Điện áp vào AC (dòng điện thay thế) 100V-240V

50-60Hz

Dòng điện đầu ra định mức 1100MA

Môi trường: nhiệt độ làm việc 0~45℃, 20% ~ 90% RH

3.1.2 Nguồn

Lựa chọn loại Pin Lithium kết cấu nhỏ ngọn, có khả năng lưu trữ lớn, độ bền cao, dung lượng lớn, khả năng chống nước, chống cháy tốt và không gây ô nhiễm môi trường

- Khi pin cung cấp năng lượng cho mô-đun, điện áp đầu ra luôn bằng điện

áp pin khi rơle được đóng lại

- Màn hình hiển thị chính xác, mô-đun chuyển đổi sẽ bật và tắt nhanh khi đến gần điện áp thấp nhất

- Mô-đun bảo vệ điện áp có bảo vệ xả quá mức và bảo vệ ngắt kết nối điện

Hình 3:Mô đun bảo vệ điện áp

Thông số kỹ thuật

Độ chính xác điều khiển 0.1V

Phạm vi sử dụng tất cả các loại pin, pin lithium

3.3 Động cơ điện 1 chiều

Hình 4:Motor hút bụi

3.4 Bộ giảm tốc

3.4.1 Bộ giảm tốc bánh răng

Bộ giảm tốc là một hệ bánh răng được lắp ghép với nhau theo quy tắc tăng

tỉ số truyền cùng với đó làm giảm tốc độ quay của trục dẫn động nhờ vào sự khác nhau giữa đường kính và số răng giữa các cặp bánh răng ăn khớp trong bộ giảm tốc

Hình 5:Hộp số giảm tốc

3.4.2 Giảm tốc bánh răng hành trình

Hình 6:Công tắc hành trình

Công tắt hành trình có chức năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay

Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác Người ta có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như:

Giới hạn hành trình ( khi cơ cấu đến vị trí dới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu -> nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)

Hành trình tự động: Kết hợp với các role, PLC hay VĐK để khi cơ cấu đến

vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó)

3.5 Mạch cầu H

Module điều khiển động cơ bước/ động cơ DC – L298 có hai ngõ ra điều khiển được tốc độ nhờ điều xung PWM và chiều quay của hai động cơ bước / DC

Hình 7:Modun điều khiển động cơ

- Cho phép phạm vi tín hiệu điện áp đầu vào:

Mức độ thấp: - 0,3 ≤ Vin ≤ 1,5 V (tín hiệu điều khiển là không hợp lệ)

Cao: 2.3V ≤ Vin ≤ VSS (tín hiệu điều khiển)

- Điện năng tiêu thụ tối đa: 20W (nhiệt độ T = 75 ° C)

Hình 8:Điều khiển Robot

Nút clean: Sử dụng để khởi động cho robot chay (tương đương chức năng với nút clean trên robot)

Nút vòng xoáy: Xoáy quanh điểm cần tập trung hút và hút mạnh hơn Nút ngôi nhà: Tự động về sạc

Nút vuông: Hút sạch chân tường, máy sẽ men theo các chân tường để hút/lau

Clock: giờ hiện tại (theo khung giờ sinh hoạt, cần cài đặt trước khi sử dụng

sử dụng các phím (lên, xuống, trái, phải để chỉnh giờ

Plan: Hẹn giờ (hẹn theo thời điểm mà mình cần robot chạy)

3.7 Bộ điều khiển Arduino

Hình 9:Bộ điều khiển Arduino

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50mA

Flash Memory 32 KB (ATmega328P) 0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

- Thông báo các trạng thái của robot hút bụi:

- Đèn đỏ: Cảnh báo

- Đèn xanh: Đang Trong chế độ sạc

- Đèn vàng: Trạng thái ngủ