BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO CẦU THANG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THÔNG MINH…………………7 1.1 Kỷ nguyên của robot thông minh………………………………………...7 1.2 Chiến lược phát triển công nghiệp robot của các quốc gia …………..11 1.2.1 Tại các nước trên thế giới………………………………………….11 1.2.2 Nghiên cứu robot ở Việt Nam………………….…………………13 1.3 Giới thiệu robot vượt địa hình…………………………………………..15 1.4 Sơ lược các bước thực hiện……………………………………………...18 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ROBOT LEO CẦU THANG……….20 2.1. Cụm bánh động lực………………………………………………………20 2.2. Cụm thân………………………………………………………………….21 2.3 Cụm nâng robot………………………………………………………….23 2.4 Mô hình 3D robot leo cầu thang………………………………………..28

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

- -BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO CẦU THANG

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A

Tên thành viên nhóm:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

1

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THÔNG MINH………7

1.1- Kỷ nguyên của robot thông minh……… 7

1.2- Chiến lược phát triển công nghiệp robot của các quốc gia ………… 11

1.2.1- Tại các nước trên thế giới……….11

1.2.2- Nghiên cứu robot ở Việt Nam……….………13

1.3- Giới thiệu robot vượt địa hình……… 15

1.4- Sơ lược các bước thực hiện……… 18

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ROBOT LEO CẦU THANG……….20

2.1 Cụm bánh động lực………20

2.2 Cụm thân……….21

2.3- Cụm nâng robot……….23

2.4- Mô hình 3D robot leo cầu thang……… 28

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC; THIẾT KẾ; TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ……….29

3.1- Tính toán bậc thang……… 29

3.2- Tính toán động học………31

3.3- Tính toán động lực học……….35

3.4- Tính chọn động cơ trục chính……….39

3.5-Tính trục cho cụm động cơ dẫn động……….41

3.5.1- Tính toán đường kính trục……….41

3.5.2- Tính toán độ bền mỏi của trục……….42

3.6- Chọn cơ cấu nâng hạ robot leo cầu thang………43

3.6.1- Chọn xy lanh nâng hạ robot………43

3

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

3.6.2- Kiểm tra độ bền của xy lanh điện hành trình 300mm………….44

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN……… 46

4.1- Vi điều khiển ATEMEGA328P (Kit Arduino Nano)………46

4.2- Module điều khiển động cơ L298P……….59

4.3- Công tắc hành trình……… 65

4.4- Module hạ áp LM2596……… 65

4.5- Cảm Biến Khoảng Cách NPN Thường Mở / Mức Thấp………… …66

4.6- Nguồn cấp cho robot leo cầu thang……….68

4.7- Module điều khiển động cơ DC BTS 7960 43A……… 70

4.8- Sơ đồ khối robot tuần tra……… … 73

4.9- Sơ đồ mạch thiết kế Altium……… 75

4.10- Code điều khiển…… ……… …………80

4.11- Thiết kế giao diện điều khiển……… 82

LỜI KẾT……… 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 87

PHỤ LỤC 1………88

Hình 1.1- Tay máy SCARA……….9

Hình 1.2- Hệ thống xe AGV trong nhà máy………9

Hình 1.3- Robot tuần tra……… 10

Hình 1.4- I-robot 210 negotiator……….16

Hình 1.5- I-robot 710 Warrior………17

Hình 1.6- I-robot 510 Packbot………17

Hình 2.1- Cụm bánh động lực……….20

Hình 2.2- Cụm thân……….22

Hình 2.3- Khung và mô hình robot leo cầu thang……… 28

Hình 3.1- Kích thước bậc thang……… 29

Hình 3.2- Thiết kế sơ bộ kích thước robot leo cầu thang………30

Hình 3.3- Hệ tọa độ robot………31

Hình 3.4- Mô hình phân tích lực bánh sau của robot……… 35

Hình 3.5- Động cơ GM25-370………40

Hình 3.6- Đồ thị phương trình đường cong mỏi………42

Hình 3.7- Xy lanh điện hàng trình 300mm……….44

Hình 4.1- Vi điều khiển Atemega328P……… 46

Hình 4.2- Sơ đồ chân vi điều khiển ATEMEGA328P……… 54

Hình 4.3- Kit Arduino Nano với vi điều khiển ATEMEGA328P……….55

Hình 4.4- Sơ đồ chân Arduino Nano……….56

Hình 4.5- Mô đun điều khiển động cơ L298N……… 59

Hình 4.6- Mô hình mạch cầu H……… 60

Hình 4.7- Động cơ quay thuận………61

5

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

Hình 4.8- Động cơ quay nghịch……… 62

Hình 4.9- Sơ đồ chân kết nối……… 63

Hình 4.10- Sơ đồ mạch nguyên lí mô đun điều khiển động cơ L298N……….64

Hình 4.11- Công tắc hành trình……… 65

Hình 4.12- Module LM2596……… 66

Hình 4.13- Cảm Biến Khoảng Cách NPN E18-DNK30……….67

Hình 4.14- Pin cell 18650 Samsung 2600mA………69

Hình 4.15- Module điều khiển động cơ DC BTS 7960 43A……… 71

Hình 4.16- BTS 7960 43A Pinout……… …72

Hình 4.17- Sơ đồ khối nguyên lí hoạt động robot leo cầu thang………74

Hình 4.18- Phần mềm thiết kế mạch Altium……… 76

Hình 4.19- Sơ đồ mạch nguyên lí của mạch điều khiển……….77

Hình 4.20- Mạch chia áp……….78

Hình 4.21- Mạch 2D PCB……… 79

Hình 4.22- Mạch 3D PCB……… 80

Hình 4.23- Giao diện lập trình trên phần mềm Arduino IDE……….82

Hình 4.24- Giao diện quản lí project……… 83

Hình 4.25- Giao diện thiết kế……… 83

Hình 4.26- Giao diện app điều khiển robot nhóm tự thiết kế……….84

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ thông tin, robot hiện nay đã trở nên thôngminh hơn thế hệ robot truyền thống Chúng đóng vai trò ngày càng quan trọngtrong sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển thông minh, internet vạn vật,dịch vụ thông minh và sức khỏe y tế Trong thời gian tới, robot thông minh sẽtiếp tục được tích hợp mở rộng nhiều công nghệ tiên tiến nhất như: cộng tácngười - robot, truyền động tích hợp thông minh, nhận biết cảm xúc, giao diệnmáy tính - bộ não, mạng dữ liệu lớn, phần mềm sinh học và nền tảng đám mây

1.1- Kỷ nguyên của robot thông minh

Năm 2015 chính thức đánh dấu sự ra đời của robot thông minh cùng với sựnổi lên của trí tuệ nhân tạo Như vậy, công nghệ robot, công nghệ thông tin,công nghệ truyền thông và trí thông minh nhân tạo chắc chắn sẽ được tích hợpsâu sắc hơn Robot đang chào đón một kỷ nguyên thông minh mới sau một thờigian dài dừng chân tại thời kỳ của kỹ thuật điện và kỹ thuật số Toàn bộ quátrình thay đổi này cho thấy ba điều sau: trước tiên, các công nghệ công nghiệptruyền thống như bộ điều khiển, động cơ servo và bộ giảm tốc đã chuyển đổithành công nghệ trí thông minh nhân tạo như thị giác máy tính, xử lý ngôn ngữ

tự nhiên và học sâu; thứ hai, robot đang thu hút sự quan tâm từ cả những người

sử dụng trong công nghiệp và thương mại, trong hộ gia đình và mỗi cá nhân,chứng tỏ robot ngày càng hòa nhập sâu rộng vào xã hội loài người; thứ ba, mốiquan hệ qua lại độc lập giữa người và robot được thay thế bởi sự tương tác chặtchẽ

Robot thông minh là một hệ thống máy được cải thiện về khả năng nhận thức,

ra quyết định và thực thi nhiệm vụ theo cách toàn diện hơn so với robot truyềnthống Chúng có thể mô phỏng ứng xử, cảm xúc và suy nghĩ giống người Vớimột “bộ não” thông minh, robot có thể thực hiện theo chỉ dẫn của người vậnhành, sau đó hoàn thành nhiều nhiệm vụ đã được lập trình trước, tự học và nângcấp ứng xử của chúng trong lúc tương tác với con người Thực tiễn cho thấy, vai

7

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

trò của robot thông minh trong cuộc sống xã hội và sản xuất sẽ ngày càng trởnên quan trọng Xuất phát từ môi trường ứng dụng, có thể phân chia robot thôngminh thành các loại robot sau:

Robot công nghiệp: thường là tay máy nhiều khớp (nhiều bậc tự do) ứng dụngtrực tiếp cho công nghiệp và là robot chiếm hơn 60% giá trị thị trường robottoàn cầu Đây là thiết bị máy luôn ứng dụng đầu tiên những kết quả nghiên cứuphát triển công nghệ mới nhất để có thể tự điều khiển và hoàn thành rất nhiềucông việc khác nhau Mỗi một khớp của robot là một khối chức năng đơn lẻđược dẫn động bằng động cơ servo hoặc động cơ bước, có thể vận hành theoquỹ đạo được điều khiển để đạt tới điểm và hướng nào đó trong không gian.SCARA robot là loại robot trụ được sử dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp,

có thể làm việc trên mặt phẳng và lắp ráp thẳng đứng Tay máy song song nhiềubậc tự do có ứng xử bền vững với sai lệch động lực học, không có sai lệch tíchlũy và có thể đạt tới độ chính xác cao với cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng cao và khảnăng tải lớn

Xe tự dẫn hướng (AGV) được trang bị thiết bị dẫn hướng tự động là cảmbiến điện từ hoặc quang, có thể di chuyển dọc theo đường dẫn biết trước đảmbảo an toàn, và có thể hoàn thành nhiều công việc vận chuyển.

Hình 1.2- Hệ thống xe AGV trong nhà máy

Robot dịch vụ trong nhà: ví dụ như robot quét và lau cửa sổ, có thể làm việcgiống trợ lý giúp việc trong hộ gia đình Chúng cũng có khả năng tìm kiếm thăm

dò, tự động lập kế hoạch đường đi và tránh vật cản Nhiều loại robot dịch vụkhác, như robot xã hội hóa gia đình, robot bầu bạn, robot trợ lý di động, robothuấn luyện thú cưng, đều có khả năng tương tác với người, cũng như hoàn thànhcác nhiệm vụ được giao, chăm nom người già và trẻ nhỏ, nhắc nhở sự kiện vàtuần tra nhà Bên cạnh đó, còn có robot giao tiếp cảm xúc, robot giáo dục trẻnhỏ, robot nền học thông minh, UAV cá nhân, robot di động cá nhân được hỗtrợ thêm công nghệ tương tác giọng nói cho phép tương tác giao tiếp và cảmnhận cảm xúc của con người Nhiều robot dịch vụ thương mại, bao gồm cả robotnhận thức, robot hướng dẫn mua hàng, robot nấu ăn, robot văn phòng, robot anninh có thể tùy biến dịch vụ cá nhân theo tình huống ứng dụng cụ thể và hoàn

9

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

thành nhiều nhiệm vụ như quảng cáo, cung cấp chỉ dẫn, tư vấn hỗ trợ, trợ lýcông việc văn phòng, thực hiện tuần tra an ninh

Hình 1.3- Robot tuần tra

Robot chuyên dụng (hay còn gọi là robot đặc biệt): là những robot ứng dụngcho môi trường đặc biệt Chúng có thể hỗ trợ để hoàn thành nhiều nhiệm vụtrong môi trường nguy hiểm và hỗn loạn hoặc công việc yêu cầu độ chính xáccao Ví dụ: robot y học cung cấp giải pháp tiên tiến để điều trị phẫu thuật vàphục hồi chức năng, chúng giảm thiểu những khó khăn của điều trị và khámbệnh, đồng thời rút ngắn thời gian hồi phục, như robot phẫu thuật, robot chỉnhhình, robot nội soi, robot phục hồi chức năng, bộ phận giả thông minh, robotphục vụ người cao tuổi và robot điều dưỡng Robot quân sự (trinh sát do thám,phá mìn, UAV ) đã có một lịch sử phát triển dài và đã được đưa vào chiếntrường để vận chuyển nguyên vật liệu, tìm kiếm và khảo sát, tấn công mục tiêu,

cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng mũi nhọn như robot nano, robot sinh học,robot bầy đàn

Công nghệ robot là một công nghệ phức tạp và tiên tiến liên quan đến đa lĩnhvực và liên ngành, bao gồm cơ khí - điện tử, điều khiển tự động, công nghệ cảmbiến, công nghệ máy tính, vật liệu mới, công nghệ sinh học và trí thông minhnhân tạo (sẽ còn tiếp tục được tích hợp mở rộng) Nó được công nhận là mộtlĩnh vực công nghệ cao có ảnh hưởng quan trọng tới sự phát triển của nhữngcông nghệ đang nổi trong tương lai Như là một một nền tảng công nghệ quantrọng, nó không chỉ hỗ trợ chủ đạo cho phát triển sản xuất tiên tiến, mà còn giúpmang tới cho cuộc sống nhiều biến đổi đột phá

1.2- Chiến lược phát triển công nghiệp robot của các quốc gia

1.2.1- Tại các nước trên thế giới

Công nghiệp robot thông minh là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá mức

độ tân tiến về công nghệ và cấp độ sản xuất cao nhất của một quốc gia Để nắmbắt cơ hội phát triển và chiếm vị thế cạnh tranh mũi nhọn trong lĩnh vực này,những nền kinh tế chủ lực trên thế giới đã liên tục đề ra các chiến lược phát triểncông nghiệp robot Một số quốc gia đầu tư sớm đã thu được nhiều thành quảxứng đáng như: Hoa Kỳ, một số quốc gia châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc

Hoa Kỳ: là quốc gia đầu tiên phát triển và xúc tiến đẩy mạnh ứng dụng robot,nước này hiện đang giữ vai trò dẫn đầu trong công nghệ robot thông minh Năm

2011, Hoa Kỳ đã bắt đầu thực hiện kế hoạch Chung tay cùng sản xuất tiên tiến(Advanced Manufacturing Partnership - AMP), trong đó tuyên bố tiếp sức chocông nghiệp sản xuất bằng robot, phát triển một thế hệ robot thông minh mớidựa trên việc khai thác thế mạnh của công nghệ thông tin, đồng thời đầu tư 70triệu USD cho nghiên cứu những robot thế hệ tiếp theo Cùng năm đó, TrườngĐại học Carnegie Mellon đã khởi công kế hoạch robot quốc gia (National RobotPlan), nhắm mục tiêu giúp Hoa Kỳ giữ vững vai trò dẫn đầu trong giai đoạn kế

11

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

tiếp của công nghệ robot và ứng dụng Năm 2013, nước này phát hành cuốn

“The Robot Roadmap: From Internet to robot”, đặt robot vào vị trí quan trọngngang bằng với internet thế kỷ XX, và nhấn mạnh tầm quan trọng của công nghệrobot trong sản xuất và sức khỏe y tế Phiên bản mới nhất của “The Robotroadmap” đã được phát hành năm 2016, đưa ra hướng dẫn về chính sách và kỹthuật cho việc ứng dụng robot trong thiết bị lặn không người lái, cộng tác người

- robot và giáo dục chăm sóc sức khỏe Trong cùng năm, kế hoạch robot quốcgia 2.0 đã được thực hiện, nhằm tạo ra hàng loạt robot cộng tác giúp thiết lậpmột mối quan hệ cộng sinh giữa robot và con người

Châu Âu: Tại đây, đổi mới công nghệ robot đã và đang là một lĩnh vực chủđạo được ưu tiên, được đưa vào các chương trình nghị sự cũng như kế hoạchnghiên cứu phát triển của khu vực Năm 2013 “Kế hoạch công nghiệp 4.0” củaĐức cũng dự định duy trì vai trò tiên phong của họ trong công nghiệp chế tạo,đồng thời coi công nghệ sản xuất thông minh và công nghệ robot như là sự khởiđầu của cách mạng công nghiệp mới Trong năm đó, Pháp đã đầu tư 129,6 triệuUSD vào công nghiệp robot với mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho phát triểnbền vững của công nghiệp robot Năm 2014, Hội đồng chung châu Âu và Hiệphội robot châu Âu đã tài trợ để hiện thực hóa Kế hoạch nghiên cứu phát triểnrobot châu Âu, đây là kế hoạch cải tiến đổi mới robot tự phục vụ phi chính phủlớn nhất trên thế giới với 2,8 tỷ EURO tiền đầu tư đến năm 2020 Kế hoạch nàyđược kỳ vọng tạo ra 240.000 công việc và tập hợp được sức mạnh của hơn 200công ty cùng 12.000 nhà nghiên cứu phát triển để kích thích ứng dụng robottrong sản xuất, nông nghiệp, chăm sóc sức khỏe, vận chuyển, an toàn và giađình

Nhật Bản: là một cường quốc robot, Nhật Bản đã đề ra chiến lược phát triển

mới được vận hành bởi robot Tiếp đó, Ủy ban cải cách robot được thành lập,phát triển robot công nghiệp được đưa vào danh sách 3 nhiệm vụ chủ đạo trongthế kỷ mới Năm 2015, Chiến lược mới về robot đã được ban hành, nhằm tíchhợp sâu robot với công nghệ máy tính, dữ liệu lớn, mạng và trí thông minh nhântạo, với chủ đích tạo ra một nền công nghiệp robot đẳng cấp thế giới, xây dựngmột xã hội ứng dụng robot và trở thành nước dẫn đầu về robot thông minh trongthời đại mới.

Hàn Quốc: quốc gia này hiện đang xem robot thông minh là 1 trong 10phương tiện để thúc đẩy tăng trưởng kinh tế quốc gia trong thế kỷ XXI Kếhoạch phát triển robot thông minh được xây dựng vào năm 2009 Chính phủ hyvọng sẽ nâng cao được tính cạnh tranh của công nghiệp robot nội địa, từng bướchoàn thành chuyển đổi từ robot sản xuất truyền thống sang robot dịch vụ thôngminh, thông qua một chuỗi chính sách tích cực trong nghiên cứu và phát triểncông nghệ Trong cùng năm này, Chiến lược phát triển công nghiệp robot dịch

vụ đã được xây dựng, với hy vọng đưa công nghiệp robot của Hàn Quốc xếphạng cao trên thế giới Năm 2012, Chính phủ khởi công Chiến lược Robot tươnglai 2022, với kinh phí đầu tư 350 tỷ won để mở rộng gấp 10 lần quy mô côngnghiệp robot hiện tại (tăng giá trị từ 2 nghìn tỷ won thành 25 nghìn tỷ won vàonăm 2022) Chiến lược này tập trung vào phát triển robot cứu hộ, robot y tế,robot công nghiệp thông minh và robot sử dụng trong nhà, nhằm phát triển robotnhư là một công nghiệp trụ cột, cuối cùng nắm lấy thời đại robot Dựa vào chiếnlược này, Bộ Kinh tế tri thức đã đề ra Kế hoạch hành động lần thứ hai về robotthông minh (2014-2018), trong đó yêu cầu nâng cao GDP robot quốc nội lên tới

20 nghìn tỷ won và xuất khẩu robot lên tới 7 tỷ USD, chiếm vị trí thứ 3 trên thếgiới về robot công nghiệp

Ngoài ra, một số quốc gia đã và đang âm thầm xây dựng chiến lược phát triểnphù hợp với mục đích của họ, ví dụ như Trung Quốc - quốc gia hiện đang sửdụng robot công nghiệp nhiều nhất trên thế giới

13

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

1.2.2- Nghiên cứu robot ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã và đang được triển khai ở hầuhết các trường đại học, viện nghiên cứu trong cả nước Trong đó, nổi bật ở HàNội là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Công nghệ thông tin, Viện Cơhọc (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Học viện Kỹ thuật Quân

sự, Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học và Tự động hoá; ở TP Hồ Chí Minh làTrường Đại học Bách khoa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Viện Cơ học vàTin học Ứng dụng, Phân viện Nghiên cứu điện tử, Tin học và Tự động hóa,Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển (Khu Công nghệ cao TP Hồ Chí Minh) Đội ngũ nhà khoa học đã quan tâm và tập trung giải quyết một số vấn đề liênquan tới hệ thống robot như thiết kế tối ưu, động học, động lực học, điều khiển,thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm song những nghiên cứu này phần lớnliên quan tới vấn đề học thuật, tạo cơ sở khoa học làm nền tảng ban đầu cho giaiđoạn phát triển robot tiếp theo Nhìn chung, nghiên cứu và ứng dụng robot ởViệt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, nổi bật là những vấn đề sau:

- Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu chuyên sâu về robot còn yếu vàthiếu, như thiếu mô hình robot vật lý, thiết bị cho thí nghiệm, thử nghiệm Kếtquả thi Robocon của sinh viên Việt Nam so với sinh viên nước bạn là đáng ghinhận, nhưng điều này chỉ phản ánh được phần nào về mặt ý tưởng

- Robot được chế tạo tại Việt Nam còn rất ít và hầu hết sử dụng công nghệ cũcủa thế giới, chưa có đủ khả năng làm chủ công nghệ cũng như phát triển côngnghệ phù hợp

- Robot công nghiệp đã được quan tâm nghiên cứu nhưng mới chỉ dừng ở

giống con người cho robot chưa có điều kiện để nghiên cứu sâu ở Việt Nam như:vấn đề tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị… và đặc biệt là vấn đề tương tác lực củarobot với môi trường trong quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển động.

- Robot nói chung và robot công nghiệp thông minh nói riêng đang được sửdụng tại Việt Nam phần lớn được nhập khẩu Có rất ít công ty sản xuất và phânphối sản phẩm trong nước Nếu có thì hầu hết sản phẩm thuộc phân loại robotcông nghiệp truyền thống, hạn chế về tính thông minh, bậc tự do, kỹ năng độnglực học nâng cao

Xu hướng chuyển dịch sản xuất từ các nước phát triển sang các nước đangphát triển trong thập kỷ vừa qua, tất yếu làm gia tăng nhu cầu sử dụng robotcông nghiệp ở thị trường các nước đang phát triển Tuy nhiên, việc hấp thụ côngnghệ và sử dụng hệ thống robot công nghiệp hiện đại, đa năng tại doanh nghiệpvừa và nhỏ ở Việt Nam còn gặp khó khăn về mặt chi phí (giá quá cao) và khônghiệu quả về mặt ứng dụng (không sử dụng hết chức năng sẵn có của robot)

1.3- Giới thiệu robot vượt địa hình

Cùng với sự phát triển của rất nhiều loại robot phục vụ cho các nhu cầu khácnhau của con người, robot vượt địa hình cũng là loại hình robot được rất nhiềunước quan tâm nghiên cứu và sản xuất nhờ vào các ứng dụng rộng rãi của nó đốivới đời sống hàng ngày

Sự phát triển của nền kinh tế, sức khỏe và tính mạng của mỗi con người càngngày càng được đề cao Chính vì vậy, trong những điều kiện làm việc độc hạihoặc nguy hiểm, robot điều khiển từ xa vượt địa hình sẽ được áp dụng để hoạtđộng thay cho con người

Cùng với Nhật Bản, Hoa Kì là nước đi tiên phong trong việc ứng dụng robotvào đời sống hàng ngày Công ty I-robot là một công ty sản xuất robot lớn nhấtcủa Hoa Kì, chuyên nghiên cứu và cung cấp các loại robot vượt địa hình phục

15

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

vụ các nhu cầu khác nhau của con người Dưới đây là một số mẫu robot củacông ty trên.

Hình 1.4- I-robot 210 negotiator

Robot này chuyên làm nhiệm vụ xâm nhập, do thám vào những vùng nguyhiểm Chẳng hạn như vào trong một tòa nhà đang cháy, tìm người bị nạn thaycho lực lượng cảnh sát phòng cháy chữa cháy hoặc được dùng trong các nhiệm

vụ giải cứu con tin của cảnh sát, với camera truyền hình ảnh trực tiếp về ngườiđiều khiển, ta có thể biết vị trí của tội phạm cũng như tình hình của các con tin

Robot này chuyên dùng trong quân đội, nó như một chiến binh, mang tất cảcác khí tài quân sự cũng như vận chuyển các robot khác phục vụ tác chiến.

Hình 1.6- I-robot 510 Packbot

Robot này ngoài nhiệm vụ vượt địa hình để thâm nhập do thám những nơinguy hiểm, nó còn được trang bị cánh tay máy để gắp các vật, đặc biệt là đểphục vụ trong công tác tháo gỡ bom mìn

Khi chọn đề tài này, chúng em muốn biến những ý tưởng về robot vượt địa hìnhnói riêng không chỉ dừng lại ở quy mô trong trường học, trong những cuộc thi

mà con áp dụng rộng rãi trong cuộc sống Địa hình cầu thang là một loại địahình rất phức tạp, chính vì thế, vượt được cầu thang thì ứng dụng của loại robotnày thực sự rộng rãi, thay thế dần con người ở những khu vực nguy hiểm

1.4- Sơ lược các bước thực hiện

a) Phân tích và lựa chọn phương án

Đây là bước đầu tiên của quá trình thiết kế nhằm đưa ra hướng giải quyết vấnđề:

- Đề xuất phương án khả thi: cơ khí, điện, điều khiển

- Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế

- Tìm hiểu và đánh giá các thiết bị trên thị trường để thực hiện phương án:động cơ, vi điều khiển…

17

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

b) Thiết kế hệ thống điện – điện tử

Với các phương án điện đã chọn, tiến hành lựa chọn thông số và sử dụng cácthiết bị, kết hợp các thiết bị thành một khối hoàn chỉnh Công việc bao gồm:

 Lựa chọn thông số vi điều khiển, các mô đun công suất và cảm biến

 Sử dụng được các cảm biến của robot, thiết kế bộ điều khiển sử dụng hồitiếp vận tốc để điều khiển động cơ

c) Xây dựng giải thuật điều khiển

Tiến hành thiết kế các giải thuật điều khiển cho robot với các công việc sau:

 Thiết kế giải thuật điều khiển robot leo cầu thang để đáp ứng các yêu cầu

d) Lập trình

Lập trình trên máy tính và vi điều khiển, các công việc gồm:

 Lập trình giải thuật đường đi đến vị trí nhận diện được bậc thang

 Gửi dữ liệu đã xử lý cho robot

 Lập trình vi điều khiển trên robot

 Nhận dữ liệu từ smartphone, thực hiện di chuyển

 Gửi về màn hình LCD những thông số về trạng thái của robot

e) Thực nghiệm và đánh giá kết quả

- Tiến hành thực nghiệm

- Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những hạn chế của giải thuật và

mô hình

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ROBOT LEO CẦU THANG

2.1 Cụm bánh động lực

Yêu cầu đặt ra là bánh động lực cần phải chịu tải tốt, ma sát giữa bánh vớimặt nền xưởng phải thật lớn để tránh bị trượt khi di chuyển, gây ra sự không ổnđịnh của xe trong quá trình làm việc Vì vậy nhóm đề xuất sử dụng cụm bánhđộng lực như sau:

19

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

G PHÁP GIA CÔNG

1 Bánh

xe

Cao

su, nhựa

cơ

2.2 Cụm thân

- Đảm bảo được sự vững chắc để xe hoạt động an toàn trong quá trình di chuyển

- Khả năng nâng hạ trơn chu để thuận tiện cho điều khiển

- Phù hợp với kích thước của khung xe

Nhóm đề xuất mô hình cụm module thân xe như sau:

21

Downloaded by MAI ??I CÁT (maingoc0911.minhhungland@gmail.com)

G PHÁPGIACÔNG

đáy

8 Chữ

L

Nhôm

Đúc khuôn

2.4- Mô hình 3D robot leo cầu thang

- Khung xe yêu cầu phải có khả năng chịu tải trọng cao, dễ dàng lắp ráp với cácmodule bánh, cảm biến, module mạch, hệ thống nút điều khiển của xe

- Kích thước phù hợp với chức năng và không gian làm việc

- Đảm bảo được sự an toàn của hàng hóa trong quá trình di chuyển

- Có được sự bền chắc và có tính thẩm mỹ

Nhóm để xuất mô hình vỏ robot leo cầu thang như sau:

Hình 2.3- Khung và mô hình robot leo cầu thang

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC;

THIẾT KẾ; TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ

3.1- Tính toán bậc thang

Cầu thang là kết cấu có 2 kích thước chính:

L- chiều dài 1 bậc thang

H- Chiều cao 1 bậc thang

Để tính toán chiều kích thước bậc thang ta dựa vào kích thước robot:

L thiết kế phải lớn hơn chiều dài robot (có thể chọn dài tùy ý, nhưng để tiết kiệm không gian và thời gian leo của robot thì ta chọn chiều dài tối ưu nhất)

Hình 3.1- Kích thước bậc thang

Để robot leo cầu thang có thể hoạt động được thì kích thước robot phải tínhchính xác để có thể thực hiện thao tác leo cầu thang Robot phải thỏa mãn một

số yêu cầu sau đây:

- Chiều dài xe phải nhỏ hơn chiều dài L bậc thang

- Chiều cao của robot nhỏ hơn cả chiều cao H của bậc thang và hành trìnhcủa xy lanh điện

Với cầu thang đã thiết kế như trên với hai kích thước chuẩn là L = 470mm; H =220mm

Chọn sơ bộ kích thước robot:

Với chiều dài phần thân (chỉ tính chiều dài hộp làm bằng mica) là 350mm

Chiều cao robot (tính từ điểm tiếp xúc của bánh xe với bậc thang đến phần trênhộp mica) là 155mm

Hình 3.2- Thiết kế sơ bộ kích thước robot leo cầu thang

Kích thước thanh trượt chéo và cụm nâng được thiết kế và điều chỉnh trong quátrình chế tạo mô hình

3.2 Tính toán động học robot leo cầu thang

Để chuyển đổi vị trí của robot từ hệ tạo độ tương đối (PXrYr) sang hệ tọa độ tuyệt đối (OXY) ta sử dụng ma trận chuyển đổi R được xác định như sau:

 

R

   

(3.2)Trong đó R(θ) là ma trận quay của robot quanh trục thẳng đứng

Với R= 0.065 (m) là bán kính bánh xe của robot

´q l=

[

2 cos 0

0.065

2 cos 00.065

2 sin 0

0.065

2 sin 00.065

Ma trận ´q l còn được thể hiện theo vận tốc dài v và vận tốc ω theo công

thức sau:

cos 0 sin 0

3.3 Tính toán động lực học

Phương pháp tiếp cận động năng Lagrange là một phương pháp phổ biến để xây dựng phương trình chuyển động cho các động cơ Phương pháp được phát minh bởi Lagrange

Phương trình Lagrange được viết dưới dạng như sau:

Cấu trúc chuyển động của hệ gồm 2 bánh sau dẫn động và 1 bánh nhựa phía trước dẫn hướng Vì vậy mọi chuyển động của robot phụ thuộc vào việc điều khiển vận tốc 2 bánh sau v wR và v wL

Ta có tổng động năng của robot:

Động năng tịnh tiến của thân xe:

2 1 2

K  m v

(3.12)Trong đó:

K tt : là động năng tịnh tiến của thân xe

m t : là khối lượng thân xe

K  m v m v J   J  

(3.14)Trong đó:

K b : là động năng của bánh xe

J wR , J wL : là momen quán tính của từng bánh xe

¿ 0.4 0.065

¿

¿ 0.85×10−3×( ¿ 2 ¿ )+(0.85×10−3×( ¿ 2 ¿ )

]

Thế năng của robot:

Xét robot chạy trên mặt phẳng nên thế năng bằng 0

Ngoại lực của robot:

1 4

M dc : là momen do động cơ sinh ra

M mst : là momen hao tổn trên trục

M msl : là momen ma sát lăn

R: là bán kính bánh xe (0.065 m) G: là gia tốc trọng trường (10m/s^2) K: là hệ số ma sát bánh xe với mặt đường (0.001) (nguồn tính chọn)

m t : là khối lượng thân xe kể cả vật cõng (20 kg)

m b : là khối lượng bánh xe (0.4 kg)

u: là hệ số tổn thất trên trục động cơ (0.9) (nguồn tính chọn)

Thay vào phương trình Lagrange

2 2 1

V b ,V a : là vận tốc tại điểm A,B (m/s)

t: là thời gian di chuyển từ A đến B (s)

Thay số vào (2.19) ta tính được :