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 - Phá

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

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 ThơSinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Hiếu 2019604420

Phạm Văn Hiếu 2018605731Nguyễn Tiến Hòa 2019601895

Hà Nội – 2022

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: ME6061004 Khóa: 14

- Nguyễn Tiến Hòa MSV: 2019601895

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 vẽphác Áp dụng các công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mô phỏng, CAD, HIL,… đểthiết kế sản phẩm

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

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổbiến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm Song song vớiquá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khảnăng 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 đápứng 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 kỹthuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới Họcphần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúpsinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việc theo trình tựhợp 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 họctập và công việc sau này Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhómsinh viên đã lựa chọn và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sảnphẩm cơ điện tử “Robot hút bụi” Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng caotrong đời sống đồng thời cũng là cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm saunày của sinh viên

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

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 mộtlần 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 sẽlàm 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 rấtquan trọng, hỗ trợ cuộc sống của con người dễ dàng hơn, tiện lợi hơn Các loạirobot, máy móc đã thay thế sức người trong rất nhiều các hoạt động sản xuất, laođộng, Đặc biệt, ngay từ trong cuộc sống gia đình cũng đã có sự xuất hiện củarất 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 loạithiết bị hiện đại và thông minh nhất hiện nay trên thị trường thực hiện công việclau 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 nhiềutác 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 chổiquét 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 tốtcông việc lau dọn nhà cửa mệt nhọc, nhàm chán

1.2 Lịch sử phát triển của Robot hút bụi

1.2.1 Người đặt nền móng

Cha đẻ của robot hút bụi là James Dizon Sáng chế của ông là về một thiết bịmáy hút bụi tự động Ngay vào thời điểm đó, hãng sản xuất đồ điện gia dụngElectrolux đã nhận thấy tiềm năng phát triển của loại thiết bị này và mua lại phátminh của Dizon Năm 1996, Electrolux đã cho ra mắt mẫu robot hút bụi đầu tiêntrên thế giới có tên Trilobite Mặc dù truyền thông khá nhiều về sản phẩm, tuynhiên nó

vẫn chưa thực sự tạo được ấn tượng với người dùng Và tất nhiên tình hình kinhdoanh 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, khihãng Dyson chế tạo mẫu DC06 Đây là mẫu robot hút bụi có kích thước lớn, giáthành 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 lớngiữa robot của Roomba so với các hãng khác là nó có khả năng tự động thay đổihướng, phát hiện vết bẩn trên sàn và phát hiện vị trí của bậc thang

Hình 1.2: Robot hút bụi Roomba

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

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 nênquan tâm khi lựa chọn robot hút bụi, đây là yếu tố quyết định đến độ uy tín củasản phẩm

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

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

2.1.1 Danh sách yêu cầu:

Động học:

● Di chuyển bằng bánh xe

● Vận tốc khi đi trên mặt phẳng: 0,1 - 0.2m/s

DDWW

W

Tín hiệu:

● 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 chỉnhtốc độ di chuyển và khả năng hút bụi

● Kết nối thông qua Bluetooth

WWW

Độ an toàn:

● Vỏ được làm bằng vật liệu cách nhiệt(

có hệ dẫn nhiệt nhỏ hơn hoặc bằng

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

DW

Công thái học:

● Thiết kế tối giản, dễ sử dụng

● Có thể hút bụi được những chỗ nhỏ hẹp.W

WW

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 khôngdây: thời gian sạc 3 – 4 giờ dùng được

Các bộ phận sau khi hỏng được xử líkhông ảnh hưởng tới môi trường

W

Bảo hành:

● 12 tháng, 1 đổi 1 trong vòng 2 tuần đầu

W Giá thành sản phẩm:● 2.500.000 ~ 3.000.000 VNĐ tùy cấu

hình khách hàng chọn

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 dùngđược 10 giờ

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

- 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

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

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

Tín hiệu điều khiển Điện năng Xử lý và điều khiển

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)b) Các chức năng con:

- Bảo vệ hệ thống điện:

- Chuyển đổi điện áp:

- Khống chế tốc độ:

- Dẫn động:

- Tránh va chạm:

- Lưu trữ năng lượng:

- Xử lý và điều khiển:

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

- 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:

Mạchchuyểnđổi

Giảm tốcbánh rănghành tinh

7 Truyền động Bộ truyền đai Trục vít me Bộ truyền

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

Cảm biếntiệm cận

EncoderTuyệt đối

EncoderTương đối

chuyển động

Module điềukhiển chuyểnđộng

18 Chuyểnđổi

điện

-cơ

Chuyển đổiđiện năngsang cơ năng

Bộ chuyển đổiđiện năng

chuyển

Di chuyểnrobot hút bụi

Cảmbiếntường

Cảm biếntránh va chạm

Cảm biếnvùng

Mạch nhậntín hiệu âmthanhBluetooth

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 biếnthể 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– 25.1 – 26.2 – 27.2

Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêu chí

để đánh giá và so sánh các biến thể Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọng của các tiêuchí để đánh giá là khác nhau, vì thế để có thể bao quát và thấy được mức độ quan trọngcủa các tiêu chí, ta xây dựng một cây mục tiêu Trong cây mục tiêu bao gồm nhữngtiêu chí đặt ra cho biến thể Trong các tiêu chí lớn có những tiêu chí nhỏ hơn được đặt

ra Số điểm bên trái (w) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiêu chí lớn hơn, số điểmbên phải (wt) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tổng thể hệ thống

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

2.1.7 Tổng hợp và đánh giá các biến thể

chí

Điểm đánh giáBiến

thể 1

Biếnthể 2

Biếnthể 3

thốngđiện an

toàn

Biến áp 0.06 0.04 0.02 0.04

Bảo vệhệthốngđiện

Chống ngắnmạch 0.03 0.01 0.012 0.008Ngắt điện khi

quá tải 0.025 0.005 0.015 0.005Chống đảo

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

Kiểm soát đóng mở

3

Xử lý và điều khiển 0.05 0.02 0.02 0.01Kiểm

soátvịtrí

Đo vị trí 0.02 0.005 0.015 0.005

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

soátquá tải

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

4

Khởiđộng

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

Hút bụi

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

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

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

50-60HzĐiện áp ra DC (dòng điện trực tiếp) 30,45VDòng điện đầu ra định mức 1100MA

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

Nhiệt độ bảo quản -20℃～85℃ 10% ~ 95% RH

3.1.2 Nguồn

Lựa chọn loại Pin Lithium kết cấu nhỏ ngọn, có khả năng lưu trữ lớn, độbền cao, dung lượng lớn, khả năng chống nước, chống cháy tốt và không gây ônhiễm 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

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

Hình 3:Mô đun bảo vệ điện áp

Thông số kỹ thuật

Độ chính xác điều khiển 0.1V

Công suất tiêu thụ dưới 0.5W

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

Hình 5:Hộp số giảm tốc

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

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 trênđường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽtác 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 mộtmạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác Người ta cóthể 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 cấuđến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơcấu đó)

3.5 Mạch cầu H

Module điều khiển động cơ bước/ động cơ DC – L298 có hai ngõ ra điềukhiển 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)

Sau khi lắp bình đựng bụi, ấn công tắc khởi động bên hông máy, để máybắt đầu chạy ấn nút CLEAN trên điều khiển hoặc trên robot để máy thực hiệnchức năng của mình hoặc muốn dừng lại chúng ta chỉ cần ấn nút CLEAN mộtlần nữa

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

Hình 8:Điều khiển Robot

Nút clean: Sử dụng để khởi động cho robot chay (tương đương chức năngvới 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 đểhút/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

0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)

- 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