Đồ án truyền động cơ khí đề tài robot hỗ trợ người cao tuổi

Từ đó, tuổithọ người dân được nâng cao, tỷ lệ người cao tuổi trong cơ cấu dân số đang có xu hướng tăng nhanh trên toàn thế giới, các nhà khoa học đang đề xuất rằng cácloại robot có thể đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ - CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Một số nghiên cứu liên quan về robot chăm sóc người lớn tuổi trên thế giới và Việt Nam 2

1.2.1 Robot chăm sóc người lớn tuổi ở trên thế giới 2

1.2.2 Robot chăm sóc người lớn tuổi ở Việt Nam 5

1.3 Lý do chọn đề tài 7

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.5 Giới hạn đề tài 8

1.6 Tính thiết thực của đề tài 8

1.7 Phương pháp nghiên cứu 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ 10

2.1 Giới thiệu 10

2.2 Phương án thiết kế 10

2.3 Các yêu cầu trong thiết kế cơ khí 11

2.5 Phương án thiết kế phù hợp cho robot chăm sóc người già 13

2.6 Phác thảo và mô hình hóa cấu hình của robot hỗ trợ, chăm sóc người già .14 2.7 Thiết kế phần bệ robot 16

2.7.1 Tính toán chọn động cơ 16

2.7.2 Phân phối tỉ số truyền 22

2.7.3 Tính toán và kiểm nghiệm bộ truyền đai răng 23

2.7.4 Kiểm nghiệm bền cho Robot 30

CHƯƠNG 3 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 46

3.1 Giới thiệu 46

3.2 Các thành phần trong từng khối chức năng 47

3.2.1 Khối ngoại vi 47

3.2.2 Khối điều khiển chức năng theo người 47

3.2.3 Khối điều khiển trạm sạc tự động 47

3.2.4 Khối điều khiển chuyển động của Robot 48

3.3 Kết luận 48

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO BỆ DI CHUYỂN ROBOT49 4.1 Giới thiệu 49

4.2 Bài toán động học thuận cho robot 50

4.2.2 Mô hình toán học của Robot 50

4.3 Bài toán động học nghịch cho robot 54

4.4 Sơ đồ nguyên lý và lưu đồ điều khiển 63

4.4.1 Tổng quan 63

4.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho đế robot 74

4.4.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển đế robot 76

4.5 Giải thuật PID cho điều khiển vị trí và vận tốc của Robot 78

4.5.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 79

4.5.3 Thông số PID theo phương pháp bán thực nghiệm 83

4.6 Giải thuật cho bài toán tránh vật cản 86

4.6.1 Giới thiệu bộ điều khiển Fuzzy Logic 86

4.6.2 Xây dựng hàm liên thuộc và luật điều khiển 86

4.7 Giao diện điều khiển 90

4.8 Kết luận 90

CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO 91

TRẠM SẠC ROBOT 91

5.1 Giới thiệu 91

5.2 Giới thiệu một số thiết bị và linh kiện 92

5.2.1 Mạch sạc 92

5.2.2 Mạch thu - phát sóng hồng ngoại 94

5.2.3 Mạch thu - phát RF 433Mhz 95

5.2.4 Module Relay 12VDC 2 Kênh H/L 97

5.3 Mạch đo giá trị điện áp của ắc qui 98

5.4 Xây dựng hệ thống sạc tự động 100

5.5 Kết quả thực hiện 103

5.6 Kết luận 104

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO NGƯỜI 105

6.1 Giới thiệu 105

6.2 Cơ sở lý thuyết 105

6.3 Thiết kế hệ thống điện - điều khiển 106

6.3.1 Thiết kế hệ thống điện – điều khiển cho đai đeo 107

6.3.2 Thiết kế hệ thống điện –điều khiển cho robot 109

6.4 Kết quả và đánh giá 118

KẾT LUẬN 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Robot chăm sóc người cao tuổi tại Nhật Bản 1

Hình 1.2: Robot hải cẩu Paro 3

Hình 1.3: Robot Pepper (Nhật Bản) 4

Hình 1.4: Robot Alice (Hà Lan) 5

Hình 1.5: Robot chăm bữa ăn cho người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP HCM ) 7

Hình 1.6: Robot hỗ trợ người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP HCM) 8

Hình 2.1: Phân tích cức năng của Robot 11

Hình 2.2: Bản phát thảo robot hộ trợ chăm sóc người lớn tuổi 16

Hình 2.3: Hình dạng bên ngoài của bản phát thảo 17

Hình 2.4: Sơ đồ động học đế chuyển động Robot 19

Hình 2.5: Động cơ DCM50-775 24VDC 100RPM 22

Hình 2.6: Tổng thể thân khung Robot 32

Hình 2.7: Thiết kế đế tầng 1 cho Robot 33

Hình 2.8: Hình chiếu bằng đế tầng 1 của Robot 34

Hình 2.9: Các thông số về độ bền cho phép của nhôm Aluminum 6061 34

Hình 2.10: Các thông số hình học cơ bản của đế tầng 1 35

Hình 2.11: Mô phỏng ứng suất lên dế tầng 1 của Robot 35

Hình 2.12: Mô phỏng chuyển vị lên đế tầng 1 của Robot 36

Hình 2.13: Mô phỏng biến dạng của đế tầng 1 Robot 37

Hình 2.14: Thiết kế tổng thể đế 2 tầng cho Robot 38

Hình 2.15: Hình chiếu bằng đế tầng 2 của Robot 39

Hình 2.16: Thông số hình học cơ bản của đế tầng 2 39

Hình 2.17: Mô phỏng ứng suất lên dế tầng 2 của Robot 40

Hình 2.18: Mô phỏng chuyển vị lên đế tầng 2 của Robot 41

Hình 2.19: Mô phỏng biến dạng của đế tầng 1 Robot 41

Hình 2.20: Tổng thể thiết kế đế và ống trụ đỡ cho thân khung Robot 43

Hình 2.21: Thông số hình học cơ bản của thân khung Robot 43

Hình 2.22: Các thông số về độ bền cho phép của thép hợp kim 44

Hình 2.23: Mô phỏng ứng suất lên ống trụ thân khung của Robot 44

Hình 2.24: Mô phỏng chuyển vị lên ống trụ thân khung của Robot 45

Hình 2.25: Mô phỏng biến dạng lên ống trụ thân khung của Robot 45

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 47

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bệ robot 50

Hình 4.2: Biểu diễn hướng, vị trí và kích thước của bệ robot 52

Hình 4.3: Mô tả động học di chuyển của bánh xe robot 53

Hình 4.4: Giả thiết quỹ đạo đường cần đi của robot 55

Hình 4.5: Raspberry Pi 4 Model B - 8GB RAM 66

Hình 4.6: Sơ đồ chân Arduino Nano 68

Hình 4.7: Module điều khiển động cơ Dc BTS7960 43A 69

Hình 4.8: Cảm biến gia tốc góc MPU-6050 70

Hình 4.9: Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 71

Hình 4.10: Module giảm áp DC-DC Buck LM2596 3A 72

Hình 4.11: LPD3806-600BM Rotary Encoder 600 Xung NPN 74

Hình 4.12: Ắc quy Globe 74

Hình 4.13 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện cho đế robot 76

Hình 4.14 : Sơ đồ kết nối mạch điện cho đế robot 76

Hình 4.15: Lưu đồ giải thuật trong máy tính nhúng của Robot 77

Hình 4.16: Lưu đồ giải thuật của máy tính chủ với cơ sở dữ liệu MySQL 78

Hình 4.17: Đọc xung encoder ở chế dộ 4x 79

Hình 4.18: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 81

Hình 4.19: Khâu bão hòa cho điều khiển vị trí 83

Hình 4.20: Khâu bão hòa cho điều khiển vận tốc 83

Hình 4.21: Hình ảnh giao diện hệ thống điều khiển chuyển động robot 91

Hình 5.1: Hình ảnh mô phỏng Robot tìm về trạm sạc 92

Hình 5.2: Bộ sạc bình ắc quy 200A tự động 12V - 24V BLM-168 93

Hình 5.3: Mạch sạc ắc quy 200A tự động 12V - 24V BLM-168 95

Hình 5.4: Led thu sóng hồng ngoại 95

Hình 5.5: Bảng Đèn LED Hồng Ngoại 850nm 96

Hình 5.6: Phác thảo hình ảnh bộ phát-thu tín hiệu hồng ngoại 96

Hình 5.7: Bộ thu - phát RF 433Mhz 97

Hình 5.8: Sơ đồ khối phần thu - phát của module RF 433Mhz 98

Hình 5.9: Module Relay 2 Kênh 12VDC H/L 99

Hình 5.10: Sơ đồ chân Module Relay 2 Kênh 12VDC H/L 99

Hình 5.11: Lưu đồ hoạt động của hệ thống sạc tự động trên Robot 102

Hình 5.12: Lưu đồ điều khiển động cơ của hệ thống sạc tự động trên Robot 102

Hình 5.13: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sạc tự động ở trạm sạc 103

Hình 5.14: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sạc tự động trên Robot 103

Hình 5.15: Hình ảnh thực tế của trạm sạc 104

Hình 5.16: Hình ảnh thực tế của tiếp điểm sạc trên Robot 105

Hình 6.1: Module NRF24L01 106

Hình 6.2: Sơ đồ chân module NRF24L01 107

Hình 6.3: Sơ đồ mô tả hoạt động hệ thống theo người 107

Hình 6.4: Sơ đồ khối hệ thống đai đeo 108

Hình 6.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điện 109

Hình 6.6 : Sơ đồ kết nối mạch 110

Hình 6.7 : Sơ đồ khối hệ thống 110

Hình 6.8 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện 112

Hình 6.9: Sơ đồ kết nối mạch 113

Hình 6.10: Hình ảnh đai sau khi hoàn thành 119

Hình 6.11: Hình ảnh Robot sau khi hoàn thành 119

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Ma trận ý tưởng thiết kế robot hỗ trợ người già 13

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật yêu cầu của truyền động đế Robot 21

Bảng 2.3:Thông số kỹ thuật của động cơ DCM50-775-24VDC-100RPM 22

Bảng 2.4: Bảng phân phối tỉ số truyền 24

Bảng 2.5: Bảng tra chiều dộng đai răng 25

Bảng 2.6: Bảng tra thông số đai răng 25

Bảng 2.7: Bảng tra số răng tối thiểu bánh đai nhỏ 26

Bảng 2.8: Bảng tra trị số hệ số tải trọng động 29

Bảng 2.9: Bảng tra trị số khối lượng một mét đai q m và lực vòng riêng cho phép [q0] 30

Bảng 2.10: Tóm tắt thông số mô phỏng sức bền cho đế tầng 1 của Robot 38

Bảng 2.11: Tóm tất thông số mô phỏng sức bền cho đế tầng 2 của Robot 42

Bảng 2.12: Tóm tất thông số mô phỏng sức bền cho ống trụ thân khung của Robot 46

Bảng 4.1: Bảng ma trận chuyển động robot 54

Bảng 4.2: Gía trị góc quay 2 bánh theo từng đoạn di chuyển 58

Bảng 4.3: Bảng thông số kỹ thuật Raspberry PI 4 - 8 GB 67

Bảng 4.4:Thông số kỹ thuật của Arduino Nano được thể hiện như sau 69

Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật BTS7960 43A 71

Bảng 4.6 :Thông số kỹ thuật MPU-6050 72

Bảng 4.7: Thông số kỹ thuật HY-SRF05 73

Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật DC –DC Buck LM2596 3A 74

Bảng 4.9:Bảng thông số kỹ thuật LPD3806-600BM Encoder 600 Xung 74

Bảng 4.10: Thông số kỹ thuật của ắc quy 76

Bảng 4.11: Bảng trạng thái đọc xung 80

Bảng 4.12: Bảng luật logic cho bộ điều khiển 91

Bảng 6.1: Thông số kỹ thuật NRF24L01 107 Bảng 6.2: Bảng điều khiển động cơ 119

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Cùng với sự phát triển và tiến bộ không ngừng của nền cách mạng côngnghệ 4.0, đó là nền cách mạng của khoa học công nghệ, sự bùng nổ của trí tuệnhân tạo, công nghệ thông tin được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vựcđời sống, giúp đem lại sự hiệu quả, đổi mới trong công việc và mang lại nhiềulợi nhuận kinh tế rất cao Cùng với nền kinh tế ngày càng phát triển thì lực vực y

tế, chăm sóc sức khỏe cũng rất được chú trọng và quan tâm Những thiết bị, máymóc hiện đại được đưa vào khám chữa bệnh, góp phần hỗ trợ những người bác

sĩ, y sĩ hoàn thành nhiệm vụ của mình một cách nhẹ nhàng và tốt hơn, nhiều cănbệnh đã có thể điều trị dễ dàng hơn nhờ những máy móc hiện đại Từ đó, tuổithọ người dân được nâng cao, tỷ lệ người cao tuổi trong cơ cấu dân số đang có

xu hướng tăng nhanh trên toàn thế giới, các nhà khoa học đang đề xuất rằng cácloại robot có thể đỡ đần một số gánh nặng bằng việc cung cấp các dịch vụ chămsóc, hỗ trợ và đáng chú ý nhất là đồng hành với người cao tuổi Nhật Bản chính

là nước tiên phong trong việc chế tạo nhiều loại robot chăm sóc người già

Hình 1.1: Robot chăm sóc người cao tuổi tại Nhật Bản.

Trong cuộc sống hiện đại và phát triển không ngừng, nhiều người con,người cháu, không có đủ thời gian để có thể ở bên chăm sóc cho những ngườilớn tuổi khi họ cần Từ đó, có thể hình thành trong suy nghĩ người lớn tuổi cảmgiác bị bỏ rơi làm ảnh hưởng không tốt đến tính trạng sức khỏe cũng như tinhthần của họ Có một hiện tượng rất phổ biến ở người già là họ thường rất hayquên, bị lẫn, họ cần phải có sự quan tâm của những người khác, họ không thể tựgiải quyết những vấn đề nhỏ đó, dẫn đến họ tự cảm thấy mình là một gánh nặngcho con cái Điều này cũng ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe của người lớntuổi Vì thế, việc chế tạo một con robot có thể giúp đỡ, chăm sóc người già làmột việc rất thiết thực trong cuộc sống ngày nay, nó giúp cho những người con

có thể quan sát, theo dõi được tình hình sức khỏe, biết được những người lớntuổi đang cần gì và làm gì khi mà họ có quá ít thời gian cho gia đình và ngườithân của mình Đồng thời giúp người lớn tuổi có thể làm những việc nhỏ hằngngày của họ như là uống thuốc, kiểm tra huyết áp, nhịp tim… làm cho họ khôngcòn cảm thấy mình là một gánh nặng cho con cái, tinh thần cũng trở nên thoảimái lạc quan thì sức khỏe của họ mới có thể đảm bảo

1.2 Một số nghiên cứu liên quan về robot chăm sóc người lớn tuổi trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Robot chăm sóc người lớn tuổi ở trên thế giới

Năm 2019, tổ chức y tế thế giới -WHO đã công bố báo cuổi tuổi thọ trungbình của con người trên toàn thế giới là 72 tuổi Tỉ lệ người cao tuổi ngày càngtăng vì vậy dẫn đến thiếu hụt về nhân lực trong ngành điều dưỡng và chăm sóc

Vì vậy nhiều nước trên thế giới đã đẩy mạnh việc nghiên cứu, chế tạo robotchăm sóc người lớn tuổi để có thể thay thế một phần nhân lực trong một số côngviệc trong ngành điều dưỡng Đi đầu trong công cuộc nghiên cứu này chính làNhật Bản, các nhà khoa học Nhật Bản đã chế tạo ra rất nhiều loại robot để hỗ trợ

và chăm sóc người già vì nước này cũng là một trong những nước có độ tuổi

trung bình cao nhất Chế tạo những robot thành những người bạn đồng hành,đảm bảo an toàn và hỗ trợ người lớn tuổi.

Robot hải cẩu Paro (Nhật Bản)

Paro là một chú robot hải cẩu nhỏ nhắn xinh xắn, với bộ lông mềm mại,

nó có thể ôm đặc biệt các cụ già và phụ nữ Có khoảng 100 cảm biến, 10 CPU

và 8 động cơ trên Paro, có thể nhận biết cảm ứng, giọng nói và ánh sáng Paro sẽđáp lại bằng cách lắc đầu, chớp mắt và phát ra tiếng kêu như hải cẩu Canada Vìvậy, Paro được dùng để hỗ trợ điều trị cho những bệnh nhân, người lớn tuổi bịcăng thẳng thần kinh Bộ dạng đáng yêu cùng những tương tác dễ thương nhưmột thực thể sống khiến PARO là sản phẩm robot tiêu thụ mạnh ở Nhật và toànChâu Âu từ 2003 Đến nay PARO đã nâng cấp lên thế hệ thứ 8 mà vẫn luôncháy hàng

Hình 1.2: Robot hải cẩu Paro Robot Pepper (Nhật Bản)

Pepper là một robot thông minh do hãng Honda sản xuất Pepper đượcxem là robot đầu tiên trên thế giới có khả năng thấu hiểu cảm xúc của con ngườibằng cách cảm nhận sự thay đổi trong giọng nói và những biểu hiện trên khuônmặt Nó có thể nhảy múa, nói chuyện và trở thành người bạn thân thiết của conngười Hơn nữa, Pepper cũng có cảm xúc của riêng mình Pepper không có hai

chân như một số robot từng xuất hiện trên thị trường robot Nhật Bản, nhưng haitay được gắn một số cảm biến và có thể cử động linh hoạt Nó sẽ cảm thấy côđơn, nếu bạn bỏ rơi nó và mỉm cười, khi bạn kể một câu chuyện cười Pepperđược chế tạo nhằm mục đích chăm sóc sức khỏe và bảo vệ an toàn cho ngườilớn tuổi, đồng thời trở thành người bạn đồng hành để họ không cảm thấy cô đơnqua việc hát, nhảy múa… Tuy nhiên giá thành của Pepper khá cao là 1.790 USDkhiến nó cũng khó tiếp cận đến nhiều gia đình.

Hình 1.3: Robot Pepper (Nhật Bản) Robot Alice (Hà Lan)

Robot Alice được thiết kế để chăm sóc người cao tuổi Alice có khuônmặt trẻ con và hành vi "ngây thơ" được tích hợp từ nhiều loại robot chăm sóc(Carebots) khác nhau Bề ngoài, Alice không giống như Carebots khác, Alicemang một gương mặt xinh xắn của một đứa trẻ Tuy nhiên, ẩn chứa bên trongAlice là rất nhiều điều thú vị Alice là loại carebot đầu tiên trên thế giới tích hợp

hệ thống trí tuệ nhân tạo, hành vi ứng xử và biểu lộ cảm xúc Alice có thể nhậnbiết được nồng độ khí ga, CO2 trong không khí và thông báo cho con người để

có thể tránh cháy nổ, hỏa hoạn Alice có thể cảm nhận được những vấn đề xảy ra

mỗi cuộc đàm thoại, robot Alice có thể ghi lại và lưu trữ thông tin để sử dụngtrong cuộc trò chuyện sau Tuy nhiên, theo ông Hoorn, điểm yếu của Alice làkhả năng di chuyển hạn chế Alice ngồi trên xe và không thể đi Khách hàngphải đẩy Alice đi lại trong nhà Bên cạnh đó, Alice không thể nói chuyện mộtcách độc lập.Điều này có nghĩa là, robot chăm sóc người già chỉ có thể trả lờimột số câu hỏi đã được lập trình sẵn.

Hình 1.4: Robot Alice (Hà Lan) 1.2.2 Robot chăm sóc người lớn tuổi ở Việt Nam

Không có được sự phát triển như các nước trên thế giới, tuy nhiên ViệtNam cũng đã có những bước tiến về lĩnh vực robot chăm sóc người già nhằmđảm bảo nhân lực trong lĩnh vực trong sóc và điều dưỡng cho nước nhà

Robot chăm bữa ăn cho người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP HCM )

Nguyên lý của robot gồm 2 phần là mâm xoay và tay đút thức ăn Mâmxoay để lựa chọn món ăn và tay đút để đưa thức ăn từ mâm đến miệng người ăn.Robot có 3 cách điều khiển: Trước hết là vận hành qua thiết bị điều khiển cầmtay: gồm 2 nút điều khiển, điều khiển không dây qua sóng RF để cài đặt vị tríđút, chọn món thức ăn và đút thức ăn cho người bệnh Cách thứ hai là điều khiểnqua ứng dụng trên điện thoại android Đây là sự kết nối với thiết bị qua

riêng biệt cho từng món ăn như canh, cơm, cháo để việc múc được tối ưu hơn và

ít để lại thức ăn thừa Đó cũng là cách có thể cài đặt chế độ múc tự động chomáy tự đút đến khi hoàn thành mà không cần phải trực tiếp điều khiển, tính thờigian bữa ăn, thống kê dinh dưỡng cho bữa ăn theo ngày và theo từng lần đút vẽthành biểu đồ Cuối cùng là chế độ điều khiển qua ứng dụng trên máy tính, kếtnối thiết bị qua Bluetooth để điều khiển

Về mặt hạn chế của robot này là về mặt di chuyển, robot không thể tự duychuyển đến những vị trí khác nhau, nó đòi hỏi phải nhờ đến sự can thiệp của conngười

Hình 1.5: Robot chăm bữa ăn cho người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP

HCM )

Robot hỗ trợ người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP HCM)

Robot có thể giao tiếp, trò chuyện với người dùng như một người bạn.Nhắc nhở những người hay quên thông qua các chương trình cài đặt sẵn trênrobot giúp họ nhớ những vấn đề cần thiết Được trang bị màn hình cảm ứngtương tác với hai trục quay ở cổ giúp người dùng có thể tương tác tốt ở những vịtrí khác nhau Có thể thông báo những tính huống té, ngã của người lớn tuổithông qua phần mềm điện thoại cho người giám hộ

Điểm hạn chế ở robot này là về tốc độ di chuyển còn khá chậm, ngôn ngữ

sử dụng chỉ là tiếng anh việc này làm cho nhiều người lớn tuổi khó giao tiếp với robot

Hình 1.6: Robot hỗ trợ người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP HCM)

1.3 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, trên thế giới việc robot đang dần thay thế con người giúp chămsóc, theo dõi người lớn tuổi đang xuất hiện ngày càng nhiều trong y tế cũng nhưđời sống, trong khi đó Việt Nam còn khá là mới mẻ và xa lạ, mọi người chủ yếu

là tự minh chăm sóc cho người lớn tuổi, ở những gia đình mà có ít con cháu,việc họ phải chăm sóc cho người lớn tuổi và đi làm gây cho họ một áp lực và đôikhi họ không có đủ thời gian cho những người lớn tuổi cần chăm sóc dẫn đếnnhững trường hợp không may Vì vậy nhóm đã quyết định chọn đề tài “Robot

hỗ trợ, chăm sóc người lớn tuổi” làm đề tài nghiên cứu và chế tạo nhằm tạo tạo

ra một robot có thể thay thế trong việc chăm sóc cho người lớn tuổi Đưa robottiếp cận gần hơn với những người dân Việt Nam

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công robot hỗ trợ người lớn tuổi cóthể chăm sóc, hỗ trợ, giám sát người lớn tuổi Trở thành một người bạn cùng trò

chuyện giúp họ không cảm thấy cô đơn Thông báo những tình huống khẩn cấpcho người giám hộ, phản hồi liên tục tình hình sức khỏe của người lớn tuổi đểngười giám hộ có thể đưa ra những biện pháp giải quyết kịp thời Nhắc nhở,kiểm tra sức khỏe cho người lớn tuổi hằng ngày Tối ưu hóa về thiết kế cũngnhư chi phí chế tạo để robot có thể tiếp cận đến với mọi nhà.

lạ vào nhà Robot có thể tự động tìm về trạm sạc khi gần hết năng lượng để cóthể nạp tự nạp đầy cho lần hoạt động tiếp theo

1.6 Tính thiết thực của đề tài

Việc tìm hiểu, nghiên cứu, chế tạo robot chăm sóc cho người lớn tuổi giúprất nhiều trong lĩnh vực điều dưỡng Nó giúp cho những người bận rộn, không

có nhiều thời gian cho những người lớn tuổi có thể giảm đi áp lực rất nhiềutrong việc chăm sóc và bên cạnh họ Đặc biệt trong cuộc sống hiện đại ngày nay,

tỉ lệ người già của dân số Việt Nam đang tăng, việc này cũng giải quyết vấn đềnhân lực trong các bệnh viện dưỡng lão, hay những nơi cần chăm sóc cho ngườilớn tuổi… Robot có thể giúp giám sát những hành động người lớn tuổi từ xa,tình trạng sức khỏe của họ mỗi ngày hoặc nhắc nhỡ những người già uống thuốcđầy đủ, đồng thời nó cũng trở thành một người bạn bên cạnh người lớn tuổi giúp

họ giải trí bằng cách xem những bộ phim hài, những tin tức, những bài hát đểgiúp họ có thể thư giãn từ đó tinh thần của họ cũng lạc quan hơn, sức khỏe cũngtrở nên tốt hơn Robot chăm sóc người già góp phần vào việc hoàn thiện hơn

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu, tìm hiểu kỹ về những thói quen sinh hoạt của người lớn tuổi

Tìm kiếm những tài liệu, thông số về tính toàn, chọn động cơ, thiết bị và

cơ cấu có sẵn từ đó chọn ra những phương án phù hợp với đề tài từ những sốliệu, yêu cầu đặt ra của đề tài

Tiến hành chế tạo, lắp ráp và chạy thử nghiệm

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ

2.1 Giới thiệu

Để tạo ra hệ thống robot trợ giúp người cao tuổi theo đúng mục tiêu đã đề

ra, quy trình thiết kế cơ khí cần đồng bộ và có hệ thống với yêu cầu, cũng nhưvới các quy trình thiết kế khác như điện, hệ thống điều khiển, môi trường vậnhành Những thách thức của luận án này là làm thế nào để kết hợp chăm sócngười cao tuổi trong cuộc sống hàng ngày với công nghệ hiện đại Thiết kế cơkhí chính xác sẽ giúp đạt được kết quả tốt hơn Việc này đã giúp cho sự pháttriển của các sản phẩm cung cấp dịch vụ trong nền kinh tế số cùng với phát triểnkinh tế và xã hội trong giai đoạn đổi mới, đặc biệt về ngành dịch vụ chăm sócsức khỏe

2.2 Phương án thiết kế

Những vấn đề mà chúng ta cần phải thực hiện là thiết kế một robot có đầy

đủ những chức năng mà đã liệt kê, phân tích ở chương 1 như sau:

Hình 2.1: Phân tích cức năng của Robot

Chức năng 1: Thiết bị có thể di chuyển tự hành trên những nơi có nền bằng

phẳng như ở gia đình, viện dưỡng lão…, các sàn này phẳng không có những bậctăng cấp, hoặc không quá gồ ghề Robot này có thể di chuyển và tránh những vậtcản mà nó gặp phải và theo sát người già trên những mặt sàn, nền phẳng

Chức năng 2: Robot hộ trợ người dùng tương tác qua mành hình cảm ứng có

thể hộ trợ người dùng có thể giao tiếp online thông qua mạng internet Ngườilớn tuổi có thể xem có chương trình giải trí, nhạc, kịch… Robot có thể hỗ trợngười lớn tuổi có thể cài đặt các khoảng thời gian ăn uống, những gì quan trọng

hoặc uống thuốc kèm theo danh sách các thuốc cần uống thông qua cài đặt trướctrên phần mềm vì đa số người lớn tuổi thường rất hay quên

Chức năng 3: Robot có thể thực hiện các chức năng kiểm tra sức khỏe cho

người già hằng ngày như đo nhịp tim, huyết áp cho người già hoặc người giám

hộ biết về tính trạng sức khỏe của họ Đồng thời cũng giúp đựng những thuốc,những thứ cần thiết cho người già như vậy robot cần có một ngăn đựng để có thểđảm bảo lưu giữ đúng như yêu cầu

Chức năng 4: Robot phải đảm bảo được việc hoạt động độc lập với nguồn năng

lượng được quản lý và giám sát

2.3 Các yêu cầu trong thiết kế cơ khí

Sau khi xác định được các chức năng của hệ thống robot, chúng ta cầnxác định các yêu cầu cần đáp ứng trong thiết kế Hình dáng bên ngoài thân thiệnvới người dùng nên phù hợp với chiều cao trung bình của người cao tuổi từ1,0m-1,3m có màn hình cảm ứng tương tác có thể điều chỉnh góc độ phù hợpvới các tư thế ngồi, đứng khác nhau của người cao tuổi Trọng lượng phải nhỏgọn để có thể thoải mái di chuyển một cách êm ái nhất Để làm cho trọng lượngcủa robot càng nhẹ càng tốt, cần sử dụng các vật liệu nhẹ nhưng vẫn bền và hoạtđộng hiệu quả là khung nhôm và vỏ robot làm bằng vật liệu composite có kíchthước đầy đủ của con người Về nguồn năng lượng hoạt động của robot để đảmbảo hoạt động độc lập, nên chọn pin làm nguồn điện dự trữ cho hệ điều hành Cókhả năng hoạt động liên tục trong khoảng thời gian tối đa 10 giờ đồng hồ Chứcnăng chính của Robot là biết để theo dõi kiểm tra sức khỏe người già hàngngày và 2 chức năng bổ sung

2.4 Ma trận ý tưởng để xác định phương án thiết kế

Dựa trên phân tích chức năng, chúng tôi có ý tưởng thiết kế cho mỗichức năng là một hàng của bảng Với bệ di chuyển, chúng tôi đã lựa chọn 2

phương án để tạo chuyển động tự hành cho robot: di chuyển bằng bánh xe, dichuyển bằng chân Để người dùng có thể tương tác với robot mà không gặp bất

kỳ vấn đề gì, màn hình cảm ứng có thể được điều chỉnh theo hướng nhìn

Bảng 2.1: Ma trận ý tưởng thiết kế robot hỗ trợ người già.

Sạc tiếp điểm Sạc không dây Nối dây khi

hoạt động Thay pin

Ngăn

chứa

Tủ có màng

2.5 Phương án thiết kế phù hợp cho robot chăm sóc người già

Với 5 chức năng cùng với 4 ý tưởng cho được đưa ra cho từng chức năng

ta có thể tổ hợp thành 54 phương án để nhóm có thể áp dụng thiết kế phù hợp vớimục tiêu của đề tài Tuy nhiên với các tiêu chí, trọng số đặt ra trong thiết kế vớiyêu cầu thiết kế đặt ra trong phần trên nhằm đáp ứng giá thành hợp lý, kíchthước gọn nhẹ, hoạt động linh hoạt và độc lập thì chúng em đã chọn đượcphương án với các ý tưởng sau:

Bệ di chuyển với 2 bậc tự do chuyển động qua cơ cấu truyền động đai (ýtưởng 4), ở truyền động đai có sự đàn hồi, có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giáthành thấp Khả năng làm việc êm, không gây tiếng ồn, chịu sốc tốt, không cầnbôi trơn, phí bảo dưỡng ít, đảm bảo an toàn cho động cơ khi quá tải

Màn hình với 1 khớp quay, khớp quay này nhằm đảm bảo cho người dùng

có thể tương tác và có một góc nhìn khi sử dụng robot một cách dễ dàng và hiệuquả nhất, cơ cầu này khá đơn giản và dễ tiến hành gia công, ít tốn chi phí (ýtưởng 2)

Đối với nguồn cung cấp cho hệ thống robot thực hiện những chức năngtrên sẽ được hoạt động một cách độc lập được đặt cố định 2 ắc quy 12V-20Ah

ngay bên trong bệ di chuyển của robot Sau khi hoạt động đến mức cài đặt thấpnhất thì robot sẽ có thể tự xác định được vị trí chính xác điểm sạc và quay về đểnạp đầy năng lượng cho ắc quy (ý tưởng 1) Phương án này rất phù hợp cho việcrobot có thể hoạt động ở một phạm vi rộng và chi phí sẽ thấp hơn việc sử dụngsạc không dây cũng như người sử dụng không cần phải thay pin cho khi hết như

ý tưởng thứ 4, việc này khá là phức tạp, khó khăn và cần tới nhân viên kỹ thuật

Đối với về phương án cho ngăn chứa của robot, chúng em đã chọn cơ cấu

tủ mở cửa (ý tưởng 3) phương án đơn giản, dễ gia công hơn phương án tủ kéo,tạo cho người dùng cảm giác không gian rộng rãi, thoải mái

Đối với chuyển động tịnh tiến của cảm biến hồng ngoại, nhóm đã ưu tiênphương án sử dụng truyền động bằng trục vít me (ý tưởng 1), ưu điểm củaphương án này là dễ dàng lắp ráp, đơn giản, truyển động khá ổn định, tiết kiệmdiện tích hoạt động so với cái phương án còn lại đã đưa ra

2.6 Phác thảo và mô hình hóa cấu hình của robot hỗ trợ, chăm sóc người già

Đối với những yêu cầu và phương án đưa ra, nhóm mong muốn nghiêncứu, thiết kế và chế tạo thành công robot hỗ trợ chăm sóc người lớn tuổi có thểgiúp giám sát người lớn tuổi thông qua camera và truyền hình ảnh nhận đượccho người giám hộ qua internet Robot có thể di chuyển tự hành trong mộtkhông gian bằng phẳng nhất định tại hộ gia đình hoặc các bệnh viện dưỡnglão… Robot có thể giúp nhắc nhở cho người lớn tuổi những việc trong một ngày

họ cần phải làm, được cài đặt sẳn thông qua các phần mềm có trên robot nhưuống thuốc, tới giờ ăn, hoặc một thông tin gì đó quan trọng Robot có thể tựđộng quay về trạm xạc khi mà hết năng lượng Không chỉ đáp ứng những tiêuchí trên mà nhóm còn hướng đến một con robot thân thiện với người dùng, dễ sửdụng cho người dùng, hình ảnh gần giống con người nhất Robot gồm 2 phầnchính: Bệ robot đảm bảo về vấn đề di chuyển nhanh, đứng vững, đảm bảo tính

thẩm mỹ, có thể dễ dàng thay phụ tùng và bảo trì; Khung robot và màng hìnhtương tác phải đảm bảo cứng chắc, gọn nhẹ, có thể chịu được những va đậptrong quá trình di chuyển, dễ dàng tháo lắp sửa chữa bản phát thảo hình dạngchức năng robot được trình bày.

Hình 2.2: Bản phát thảo robot hộ trợ chăm sóc người lớn tuổi

Robot di chuyển bằng 4 bánh (2 bánh chủ động và 2 bánh tự lựa) Theo dựđịnh, Robot có khối lượng xấp xỉ 45 kg bao gồm tất cả các cụm cơ khí, hệ thốngnăng lượng, màng hình tương tác, các thiết bị và cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấphành là động cơ điện một chiều (DC) Robot có thể di chuyển với vận tốc tối đa

là 0.35m/s

Hình 2.3: Hình dạng bên ngoài của bản phát thảo

2.7 Thiết kế phần bệ robot

2.7.1 Tính toán chọn động cơ

Mô hình vật lý được áp dụng để mô hình hóa tính toán chọn động cơ choRobot Các thông số đầu vào của robot với tổng tải trọng lên robot là M =45(kg), bánh xe nhôm với bán kính R = 7.25(cm), vận tốc dài tối đa mong muốn

là v = 0.37 (m/s)

Tổng trọng lực tác dụng lên đế Robot như sau:

Do đó với 2 bánh chủ động phải tạo ra được lực kéo ban đầu lớn hơn lực

ma sát lớn nhất của robot so với mặt đường là ma sát tĩnh, với hệ số ma sát là

μ=0.8 cho mặt đường, do đó lực ma sát tĩnh được tính như sau:

ω= v R

Và tốc độ vòng quay của của bánh xe (tốc độ vòng quay trục làm việc )như sau:

N lv = 30∙ω

π

Ta tính dược công suất làm việc trên trục bánh xe như sau:

P lv =T k ∙ω

Sơ đồ động học của đế Robot:

Hình 2.4: Sơ đồ động học đế chuyển động Robot

Trong đó

1 Động cơ bánh trái; 2 Động cơ bánh phải; 3 Bộ truyền đai bánh phải;4 Bộtruyền đai bánh trái; 5 Trục làm việc trái; 6 Trục làm việc phải; 7 Cặp ổ đỡtrái; 8 Cặp ổ đỡ phải; 9 Bánh trái; 10 Bánh phải

Tra bảng dựa trên các tài liệu cơ khí ta xác định

Hiệu suất bộ truyền đai là η đ = 0.95

Hiệu suất cặp ổ lăn là η ol = 0.99

Hiệu suất hệ thống của mỗi bánh được tính toán dựa trên bộ truyền như sau

kế nhỏ gọn và tránh tình trạng bị trùng đai trong điều kiện không có bánh căng,

do đó sẽ lựa chọn tỉ số truyền cho bộ truyền đai là u đ=2

Dựa vào tỉ số truyền đai đã lựa chọn, ta sẽ xác định sơ bộ các thông số cầnthiết còn lại để lựa chọn động cơ phù hợp

Tốc độ vòng quay cần thiết của động cơ như sau:

Với các thông số đã cho, thay vào các biểu thức tính toán được các thông số yêucầu cơ bản của như sau:

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật yêu cầu của truyền động đế Robot

Thông số Gía trị

Tỉ số truyền đai dẹt 2Hiệu suất hệ thống 0.94Momen xoắn trên trục

97.5

Tốc độ vòng quay trêntrục làm việc (RPM)

Bảng 2.3:Thông số kỹ thuật của động cơ DCM50-775-24VDC-100RPM

Điện áp(VDC) 12-24

Tốc độ trước giảm tốc(RPM)

5500

Tốc độ sau giảm tốc(RPM)

100

Tỉ số truyền hộp số 55:1Momen xoắn (N m¿ 5

Qua đó thấy rằng thông số của động cơ thỏa mãn với các yêu cầu cơ bản cóđược từ quá trình mô hình hóa và tính toán

2.7.2 Phân phối tỉ số truyền

Dựa vào các thông số đầu vào của động cơ và thông số đã tính toán ở trêntrục làm việc là trục gắn với mỗi bánh xe, ta sẽ kiểm nghiệm lại tỉ số truyền,momen, số vòng quay và công suất giữa 2 trục

Ta xác định tỉ số truyền thực dựa vào số vòng quay đầu vào động cơ và sốvòng quay trên trục làm việc:

u t=N đc Nlv= 10048.7=2.053

Trong khi đó ta đã chọn tỉ số truyền phù hợp ban đầu là 2, nên ta sẽ tiếnhành kiểm nghiệm sai lệch của tỉ số truyền giữa thực tế và thiết kế

2.7.3 Tính toán và kiểm nghiệm bộ truyền đai răng

2.7.3.1.Thông số đầu vào

Công suất trên bánh dẫn (W) P1=34.7

Tốc độ quay trên bánh dẫn

(Vòng/phút)

N1= ¿97.4

Tỉ số truyền bộ truyền đai u đ= ¿2

Qua đó xác định được Môđun của bộ truyền như sau:

Tra bảng ta lấy giá trị nội suy giữa m = 2 (mm) và m =3 (mm) ta xấp xỉ đượcđiều kiện về bề rộng đai đối với đai có môđun m = 2.5 (mm) , ta trọn chiều rộngđai răng phù hợp là 15 mm

2.7.3.3 Bước đai

Bảng 2.6: Bảng tra thông số đai răng

Dựa vào bảng tra về các thông số đai răng, với Môđun m = 2.5 (mm), ta nội suyđược giá trị phù hợp với yêu cầu về bước đai tối thiểu phải lớn hơn 6.28 mm, do

đó ta chọn bước đai phù hợp là 8 mm

Bảng 2.7: Bảng tra số răng tối thiểu bánh đai nhỏ

Với Môđun m = 2.5 (mm) và số vòng quay N1= ¿97.4 (RPM) nên chọn số răngcủa bánh dẫn Z1 không nhỏ hơn 12 nên chọn Z1=20 (mm)

Qua đó với tỉ số truyền u =2 nên ta xác định được số răng bánh bị dẫn

Qua đó ta xác định được điều kiện khoảng cách trục a là

80≤ a≤300 (mm)

Qua đó ta chọn khoảng cách đai sơ bộ để phù hợp cho thiết kế là a = 140.5(mm)

2.7.3.6 Chiều dài đai

Ta có công thức tính chiều dài đai như sau

Nên xác định lại được khoảng cách trục a = 145.86(mm)

2.7.3.8 Số răng của dây đai

Qua đó ta thấy số răng đồng thời ăn khớp trên bánh nhỏ thỏa điều kiện Z0≥ 6

2.7.3.11 Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng

Lực vòng trên đai phải thỏa mãn điều kiện

+ b là chiều rộng đai đã được chọn là 15 mm

+ q m là khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 1mm, trị số của q m được tra trongbảng 5, được tính trung gian qua giá trị nội suy có được là 0.0036 (Kg/(m,mm))

+ V là vận tốc vòng, thông số này đã được tính bên trên

[q]=[q0]∙C Z ∙C U

Trong đó

+ [q0] là lực vòng riêng cho phép, được xác định bằng thực nghiệm ứng với đai

có tỉ số truyền u≥1, thông số này được xác định trong bảng tra 5, thông qua giátrị nội suy thu được kết quả là 7.5 (N/mm

Bảng 2.8: Bảng tra trị số hệ số tải trọng động

[q0]

Tiếp đến là hệ số C Z , là hệ số kể đến ảnh hưởng của số răng đồng thời ăn khớp,được xác định thông qua bảng sau, trong đó Z0 là số răng đồng thời ăn khớp trênbánh đai nhỏ đã được tính toán bên trên.

Trong khi đó giá trị cho phép là [q]=[q0]∙C Z ∙C U =12(N /mm)

Do đó ta thấy q<[q], nên thiết kế bộ truyền đai đã đạt yêu cầu kiểm nghiệm vềlực vòng riêng

2.7.3.12 Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục

Lực căng ban đầu trong truyền động đai răng, lực căng ban đầu chỉ nhằmkhắc phục khe hở khi ăn khớp và đảm bảo cho đai tiếp xúc tốt với bánh đai Do

đó nó chỉ cần lớn hơn lực căng do lực li tâm sinh ra

Lực căng ban đầu được xác định như sau

2.7.4 Kiểm nghiệm bền cho Robot

2.7.4.1 Tổng thể thiết kế khung bệ Robot

Bệ của Robot được thiết kế chia thành 2 tầng với vật liệu được sử dụng làhợp kim nhôm Hợp kim nhôm được sử dụng với ưu điểm gọn nhẹ và có đặc

Robot Đế được sử dụng có độ dày 5mm cho cả 2 đế Trong đó bố trí trên 2 đếnhư sau:

Tầng 1: Bao gồm hệ thống cơ khí chuyển động cho Robot: Bánh xe, động

cơ, nguồn acquy và khung bệ đỡ cho các phần cứng bên trên Do đó đây cũng sẽ

là phần chịu tải lớn nhất của Robot

Tầng 2: Bao gồm hệ thống điện-điều khiển cho Robot

Hình 2.6: Tổng thể thân khung Robot

Trong đó bao gồm 2 đế được liên kết với nhau thông qua các thanh trụ đỡ.Thanh trụ được sử dụng cho đế tầng 2 bởi vì hệ thông điện bên trên không cóyêu cầu cao về tải trọng nên các thanh trụ sẽ có thể đáp ứng được yêu cầu chốngđỡ