Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình robot tự hành phun khử khuẩn đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan rằng đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH PHUN KHỬ KHUẨN” được tiến hành một cách minh bạch, công khai.. Song song với sự phát triển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH PHUN KHỬ KHUẨN

Giảng viên hướng d ẫn : Th.S Nguy ễn Hữu Nguyện Sinh viên th ực hiện

Ngày sinh

Mã sinh viên

: : :

Lê Tiểu Niên 16/09/2000

187510303161 Lớp

Ngành

: :

DCTĐH9.10 CNKT Điều khiển – Tự động hóa Khoa

Khóa

: :

Điện – Điện tử

9

Bắc Ninh, năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



Lê Tiểu Niên

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH PHUN KHỬ

KHUẨN

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Hữu Nguyện

Bắc Ninh, năm 2022

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH PHUN KHỬ KHUẨN” được tiến hành một cách minh bạch, công khai Mọi thứ được dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp

đỡ không nhỏ từ thầy cô giảng viên trong Khoa Điện – Điện tử trường Đại học Công nghệ Đông Á

Các số liệu và kết quả nghiên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực và không sao chép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự Nếu như phát hiện rằng có sự sao chép kết quả nghiên cứu đề những đề tài khác bản thân tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Bắc Ninh, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Lê Tiểu Niên

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp

ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Hữu Nguyện giảng viên khoa Điện - Điện tử trường Đại Học Công Nghệ Đông Á người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo

em trong suốt quá trình làm khoá luận

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên trong trường Đại Học Công Nghệ Đông Á nói chung, các thầy cô giang viên các bộ môn kĩ thuật nói riêng đã giảng, dạy cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ dạy, đóng góp

ý kiến của các thầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Bắc Ninh, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Lê Tiểu Niên

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 3

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 4

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về robot 5

1.1.1 Giới thiệu 5

1.1.2 Lịch sử phát triển 5

1.2 Phân loại robot tự hành 8

1.2.1 Robot tự hành di chuyển bằng chân (legged robot) 8

1.2.2 Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot tự hành) 10

1.3 Một số dạng điều khiển 11

1.3.1 Điều khiển từ xa 11

1.3.2 Thực thi theo lộ trình 12

1.3.3 Ngẫu nhiên hoạt động độc lập 12

1.4 Ứng dụng của robot tự hành 13

1.5 Hoạt động của Robot tự hành phun khử khuẩn 13

1.5.1 Nguyên lý hoạt động của Robot tự hành phun khử khuẩn 13

1.5.2 Điều khiển từ xa 15

1.5.3 Điều khiển tự động dò đường 15

1.6 Ưu điểm, nhược điểm của Robot tự hành phun khử khuẩn 15

1.6.1 Ưu điểm 15

1.6.2 Nhược điểm 16

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 16

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT

TỰ HÀNH PHUN KHỬ KHUẨN 17

2.1 Sơ lược về phần mềm thiết kế 17

2.2 Thiết kế cơ khí 18

2.2.1 Khung cơ khí 18

2.2.2 Bánh xe đa hướng 19

2.2.3 Cầu động 20

2.2.4 Một số chi tiết khác 22

2.3 Hệ thống điện 23

2.3.1 Thiết bị điện 23

2.3.2 Thiết bị điều khiển 27

2.4 Sơ đồ khối hệ thống 35

2.4.1 Sơ đồ cấu trúc 35

2.4.2 Sơ đồ khối hệ thống 36

2.5 Phương pháp điều khiển 37

2.5.1 Phương pháp điều khiển dẫn đường( dò line) 37

2.5.2 Phương pháp điều khiển từ xa thông qua bluetooth 39

2.6 PID 40

2.6.1 Giới thiệu PID 40

2.6.2 Hàm truyền 41

2.6.3 Đặc tính bộ điều khiển PID 41

2.6.4 Tìm hệ số cho bộ điều khiển PID 42

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 54

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 55

3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển 55

3.2 Kết quả đạt được 57

3.2.2 Về mặt lý thuyết 58

3.2.3 Về mặt thực nghiệm 58

3.3 Hạn chế 58

3.4 Hướng phát triển 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Robot SDR-4X, chế tạo năm 2003 của hãng Sony 9

Hình 1.2: Robot ASIMO của hãng Honda 10

Hình 1.3: Robot 6 chân 10

Hình 1.4: Military-Robot và iRobot’s PackBot 12

Hình 1.5: Robot hút bụi Rooma và Robot cắt cỏ Friendly 12

Hình 1.6: Robot Sojourner 13

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của robot 14

Hình 2.1: Khung cơ khí robot 18

Hình 2.2: Nhôm định hình 19

Hình 2.3: Bánh xe Onmi 20

Hình 2.4: Cầu động robot 20

Hình 2.5: Gối đỡ vòng bi trục đứng 21

Hình 2.6: Trục inox 21

Hình 2.7: Gá đỡ động cơ 22

Hình 2.8: Khớp nối bánh xe omni 22

Hình 2.9: Bulong và con trượt nhôm định hình 23

Hình 2.10: Động cơ planet 24

Hình 2.11: Động cơ phun sương 24

Hình 2.12: Đầu phun sương 25

Hình 2.13: Động cơ không chổi than gắn cánh quạt 26

Hình 2.14: Ác quy 12VDC 7.5Ah 26

Hình 2.15: Pin samsung 18650 27

Hình 2.16: Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega 28

Hình 2.17: Sơ đồ các chân mạch điều khiển Arduino Mega 29

Hình 2.18: Mạch driver smart PID 30

Hình 2.19: Remote điều khiển PS2 không dây 31

Hình 2.20: Các nút nhấn, stick trên tay PS2 31

Hình 2.21: Jack kết nối PS2 đến các thiết bị khác 31

Hình 2.22: Cảm biến dò line thanh 5 mắt 33

Hình 2.23: Sơ đồ kết nối Arduino Mega 2560 và cảm biến thanh 5 led 34

Hình 2.24: Sơ đồ cấu trúc hệ thống 35

Hình 2.25: Sơ đồ khối của Robot 36

Hình 2.26: Đường dẫn màu đen nền trắng 37

Hình 2.27: Đường dẫn từ và cảm biến từ 38

Hình 2.28: Nguyên lý dẫn đường bằng cảm ứng điện 38

Hình 2.29: Sơ đồ khối của một hệ thống 41

Hình 2.30: Đồ thị xác định hàm truyền cho hệ thống 45

Hình 2.31: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 46

Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 55

Hình 3.2: Hình Mô hình Robot thực tế 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật bánh xe omni 19

Bảng 2.2 : Thông số kỹ thuật gối đỡ vòng bi trục đứng 21

Bảng 2.3 : Thông số kỹ thuật tay cầm PS2 30

Bảng 2.4 : Thông số kỹ thuật cảm biến dò line thanh 5 led 33

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng xuất, tăng chất lượng, giảm giá thành sản phẩm Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo robot cũng phát triển nhanh chóng đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng… Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi sự chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ…

Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới robot với những đặc thù riêng mà những loại robot khác không có Với khả năng di chuyển linh hoạt và vùng hoạt động rộng, thu hút nhiều sự đầu tư nghiên cứu hiện nay Robot có thể phân chia thành nhiều loại theo cách vận hành (robot di chuyển bằng chân, bánh xe, xích…)

Để góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật của nước nhà, nhóm đã chọn robot di chuyển đa hướng bằng bánh xe omni với hệ thống điều khiển thông qua điều khiển từ xa và dò line Từ những suy nghĩ đó nhóm sử dụng những kiến thức còn hạn chế của mình để nghiên cứu chế tạo robot tự hành trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, với ước muốn đóng góp vào công nghệ chế tạo robot của nước nhà trong thời gian tới

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Hiện nay robot là một trong những công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực trong đời sống: Trong các nhà máy, robot tham gia vào các dây chuyền sản xuất thay thế sức lao động của con người Lĩnh vực an ninh có các robot giám sát an ninh tại các địa điểm quan trọng hoặc trong các môi trường phức tạp Trong lĩnh vực quốc phòng robot được sử dụng ngày càng rộng rãi như máy bay không người lái, xe tăng không người lái, tàu chiến không người lái, robot thay thế lính bộ binh trên chiến trường Trong lĩnh vực y học có các robot phục vụ cho việc phẫu thuật thay thế bác sĩ với độ chính xác cao, không phụ thuộc vào các yếu tố tâm lí như con người Robot cũng được sử dụng trong lĩnh vực thám hiểm, thăm dò các vùng đất hoặc các vùng biển mà con người chưa khám phá được Khi nói đến robot tự hành hỗ trợ con người trong các môi trường nguy hiểm hiện nay đang được phát triển rất mạnh ở các phòng thí nghiệm, các trường đại học hàng đầu trên thế giới Phát triển các thuật toán điều khiển cho robot là một trong những vấn đề khoa học cơ bản của các nghiên cứu về robot và cơ điện tử hiện nay Ở Việt Nam các vấn đề này đang ngày càng được nhiều người quan tâm và nghiên cứu

Với Robot tự hành phun khử khuẩn nhóm đã thiết kế, cùng với những kiến thức

đã học Nhóm đã thực hiện xây dựng các chức năng bám sát thực tiễn bên ngoài thích nghi với địa hình, tính cấp thiết của xã hội trong từng khó khăn cụ thể và có thể thay đổi trong từng môi trường khác nhau dễ dàng để robot có thể hỗ trợ con người một cách tốt nhất Đây cũng là một trong những ưu điểm lớn của Robot tự hành phun khử khuẩn

có điều khiển từ xa

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Đại dịch Covid 19 đã hoành hành thế giới trong các năm qua cực kỳ khốc liệt, thực tế thì các nhân viên y tế cực kỳ vất vả trong công cuộc di chuyển đi phun dung dịch khử khuẩn y tế ở những nơi có ca nhiễm hoặc nghi nhiễm covid 19 Các nhân viên

y tế phải dùng đồ bảo hộ rất dày để tránh tiếp xúc trực tiếp với dung khử khuẩn độc hại Nhưng những biện pháp phòng tránh này chỉ làm giảm một phần ít chứ không thể giảm tất cả lượng dung dịch tiếp xúc trực tiếp với cơ thể người phun dung dịch khử khuẩn

Xuất phát từ những sự vất vả đó của các nhân viên y tế và sự cần thiết của xã hội

ở thời điểm dịch bệnh Nhóm đã đưa ra ý tưởng và thực hiện thiết kế, chế tạo Robot tự hành phun khử khuẩn có điều khiển từ xa

Nhóm mong muốn đề tài hoàn thành sẽ đóng góp một phần nhỏ cho xã hội và cho công tác giảng dạy của Khoa trong nhà trường đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên ngành Công nghệ Điều khiển – Tự động hóa nói riêng và các bạn sinh viên toàn trường nói chung, tạo động lực và đam mê để các bạn có thể tìm hiểu về ngành Công nghệ

kỹ thuật Điện – Điện tử, ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

A Mục tiêu của đề tài

- Nâng cao khả năng thiết kế, chế tạo mô hình robot, phân tích cấu tạo nguyên

lý hoạt động của Robot tự hành phun khử khuẩn

- Chạy thử nghiệm và ứng dụng sản phẩm vào thực tiễn hỗ trợ con người trong

môi trường nguy hiểm

- Tìm hiểu nâng cao chức năng hoạt động của robot tự hành để hoạt động thêm

nhiều các lĩnh vực khác

B Nội dung của đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về robot 1.2 Phân loại robot tự hành

1.3 Một số dạng điều khiển

1.4 Ứng dụng của robot tự hành

1.5 Hoạt động của Robot tự hành phun khử khuẩn

1.6 Ưu nhược điểm của Robot tự hành phun khử khuẩn

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT

2.5 Phương pháp điều khiển, PID, lưu đồ thuật toán

Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

3.1 Kết quả đạt được

3.2 Hạn chế

3.3 Hướng phát triển

C Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Tính toán thiết kế, chế tạo mô hình, đưa vào thực nghiệm để đánh giá chất lượng, chức năng của robot

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về robot

1.1.1 Giới thiệu

Ngày nay, ngành công nghệ robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công nghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính… một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là về không gian làm việc Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng

Ngược lại, các robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau Robot tự hành là loại robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục

vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành công nghệ robot, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ

1.1.2 Lịch sử phát triển

Hình dạng robot xuất hiện đầu tiên ở nước Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dung trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 của thế kỷ trước, bên cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực điện tử đã xuất hiện Tuy nhiên các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự di động, các tay máy này hoạt động hạn chế quanh vị trí của nó Ngược lại, robot tự hành

là loại robot di động có thể di chuyển từ không gian này đến không gian khác một cách độc lập hay điều khiển từ xa, do đó tạo không gian hoạt động lớn

Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong cuộc chiến đấu tranh lần thứ II, những con robot di động đầu tiên xuất hiện Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và điều khiển học,

ví dụ như những quả bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định, sử dụng trong hệ

thống phát nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại

Từ năm 1948 đến năm 1958: W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai con robot trông giống con đồi mồi Về mặt hành chính, chúng được gọi là Machina Speculatrix bởi vì những con robot hoạt động trong môi trường như những chú chim đồi mồi Elmer

và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sáng Nếu chúng nhận ra một nguồn sáng, chúng

sẽ di chuyển về phía nguồn sáng Chúng có thể tránh hoặc chuyển những chướng ngại trên đường di chuyển Những con robot này chứng minh rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản Elmer và Elsie chỉ được thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh

Từ năm 1961 đến năm 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast” Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh Khi pin yếu nó sẽ tự tìm ổ cắm sạc và cắm vào

Năm 1969: Mowbot là con Robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động The Stanford Cart line follower là một con robot di động có thể di chuyển thông qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn Nó bao gồm một “kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn tạo ra những tính toán

Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng

và nghiên cứu ra Shakey Shakey có một camera, một dãy kính ngắm, một bộ cảm biến

và một bộ truyền thanh Shakey là một con robot đầu tiên lý giải về những chuyển động của nó Điều này có nghĩa là shakey có thể đưa nhiều mệnh lệnh chúng và robot này sẽ tính toán những bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ được giao

Năm 1976: Trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ không người lái lên sao hỏa

Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả R2D2, một con robot di động hoạt động độc lập và C3P0, một con robot hình người

Họ đã khiến công chúng biết đến những con robot

Năm 1980: Thị hiếu của người tiêu dùng về robot tăng, robot được bày bán và mua về để sử dụng trong nhà Ví dụ RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loại mẫu

robot HERO Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó đã có thể lái tàu biển vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua

Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics

Năm 1990: Cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với các đồng nghiệp và đã phát minh ra những con robot tự động trong ngành y tế và được bán bởi Helpmate Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ trong nhà Cybermotion

Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học Carnegie Mellon, cả hai con robot dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt động

Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (người tiên phong) được bán sẵn

ở một mức giá chấp nhận được, điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về nghiên cứu robot và các trường đại học nghiên cứu về robot trong suốt các thập sau Robot di động trở thành một phần không thể thiếu trong chương trình giảng dạy của các trường đại học

Năm 1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 Robot Rover và Sojourner lên sao Hỏa The Rover thám hiểm bề mặt sao Hỏa được điều khiển từ mặt đất Sojourner được trang bị với một hệ thống tránh rủi ro cao Hệ thống này làm cho Sojourner có thể tìm thấy đường đi của nó một cách độc lập trên địa hình của sao Hỏa Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một con robot có khả năng đi lại, quan sát và tác động qua lại tới môi trường, robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBot cũng được giới thiệu

Năm 2001: Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng được khởi động Chúng bao gồm một số lượng lớn các con robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp

Năm 2002: Romaba, một con robot di động dùng trong gia đình, thực hiện công việc lau nhà xuất hiện Tiếp tục phát triển hiện nay có rất nhiều loại robot phục vụ cho con người dần xuất hiện ngày càng thân thiện hơn

Năm 2004: Robosapien, một con robot đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden được bán sẵn Trong dự án “The Centibots Project” 100 con robot cùng làm việc với nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng không xác định và tìm những vật thể trong môi trường

đó Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge, các con robot tự động đã cùng nhau tranh tài trên sa mạc

Năm 2006: Sony dùng việc sản xuất Aibo và Helpmate PatrolBot trở nên phổ biến khi các robot di động vẫn tiếp tục cạnh tranh nhau để trở thành mặt hàng độc quyền

sở an ninh Mỹ đã bỏ dự án MDARS-I, nhưng lại gây quỹ cho dự án MDARS-E một loại robot an ninh tự động khác TALON-Sword, một loại robot tự động dùng để bán sẳn với dàn phóng lựu đạn và những sự lựa chọn về vũ khí hợp thành khác đã ra đời Asimo của Honda biết cách chạy và leo cầu thang chỉ với hai chân như con người Năm 2007: Hệ thống KiVa, robot thông minh tăng nhanh về số lượng trong quy trình phân phối, những robot thông minh này được phân loại theo mức độ phổ biến những nội dung của chúng Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến trong các bệnh viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác ARCSinside Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm Seehur, robot dịch

vụ dùng ngoài trời với mục đích phi quân sự có thể kéo một xe qua một bãi đậu xe, lái một cách độc lập (tự động) vào trong nhà và bắt đầu học cách lái ra ngoài Trong khi

đó, PatrolBot học cách theo sau con người và nếu cửa mà mở thì đóng lại

1.2 Phân loại robot tự hành

Có thể phân loại robot tự hành theo 2 loại chính:

1.2.1 Robot tự hành di chuyển bằng chân (legged robot)

ƯU ĐIỂM:

Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu

Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế

mà chúng có loại 1 chân, loại 2, 4, 6 chân và có thể nhiều hơn

Hình 1.1: Robot SDR-4X, chế tạo năm 2003 của hãng Sony

Hình 1.2: Robot ASIMO của hãng Honda

Hình 1.3: Robot 6 chân

1.2.2 Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot tự hành)

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot

tự hành Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi robot có số bánh nhiều hơn ba thì thông

thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động

Tùy vào từng mẫu xe tự hành, bánh xe cũng sẽ được thiết kế tương ứng để đảm bảo hiệu quả hoạt động tốt nhất Điển hình có thể kể đến một vài cách thiết kế như sau:

có chức năng điều hướng

Để chịu được trọng tải và đạt được sự ổn định tối đa cho Robot tự hành phun khử khuẩn khi di chuyển Nhóm đã lựa chọn cách thiết kế 4 bánh xe đa hướng, có khả năng trọng tải lên đến 160kg, có thể di chuyển linh hoạt 8 hướng giúp sử dụng linh hoạt trong các nhà xưởng, nhà kho diện tích chật hẹp

Hình 1.4: Military-Robot và iRobot’s PackBot

1.3.2 Thực thi theo lộ trình

Một vài robot tự động đầu tiên là những con robot theo lộ trình Chúng có thể theo những đường được sơn khắc trên sàn, trên trần nhà hay một dây điện Đa số những robot này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ cảm biến trung tâm, chúng không thể vòng qua các chứng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi có vật nào

đó cản đường chúng Rất nhiều mẫu của loại robot này vẫn được bán bởi FMC, Egemin,

HK sytem và một vài công ty khác

1.3.3 Ngẫu nhiên hoạt động độc lập

Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những chuyển động nhảy bật lên tường, những bức tường được cảm nhận do sự cản trở

về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba hoặc với bộ cảm biến điện tử của máy cắt cỏ Friendly Robotics

Hình 1.5: Robot hút bụi Rooma và Robot cắt cỏ Friendly

1.4 Ứng dụng của robot tự hành

Robot tự hành được dùng phổ biến trong những môi trường độc hại, những nơi con người không thể đi tới hay đi tới một cách khó khăn và nguy hiểm, robot cũng được dùng trong lĩnh vực giải trí và phục vụ đời sống Các nơi con người không có khả năng đến được như sao Hỏa, đáy biển, núi lửa,… Người ta phải sử dụng robot tự hành với cấu trúc phù hợp với môi trường

Ví dụ như: Robot Sojourner trong nhiệm vụ tìm kiếm sự sống trên sao hỏa năm

1997

Hình 1.6: Robot Sojourner

Robot sử dụng trong quân sự như: Military-Robot …

Robot sử dụng trong sinh hoạt như: Robot lau nhà Robotking…

1.5 Hoạt động của Robot tự hành phun khử khuẩn

Robot tự hành phun khử khuẩn hoạt động chủ yếu chức năng: Điều khiển từ xa thông qua bluetooth và tự hành di chuyển phun dung dịch khử khuẩn bằng phương pháp

dò đường

1.5.1 Nguyên lý hoạt động của Robot tự hành phun khử khuẩn

Phần di chuyển và phần phun khử khuẩn được chia thành hai phần riêng biệt Robot đang di chuyển thì cần tác động bằng nút nhấn trên tay cầm PS2 để phần phun khử khuẩn hoạt động

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của robot

Ghi chú:

 Góc giữa các bánh là: 90 độ

 Mũi tên màu vàng chỉ hướng di chuyển của robot

 Mũi tên màu đỏ chỉ chiều quay thuận của robot (cùng chiều kim đồng hồ)

 Các số 1 ,2 ,3 ,4 chỉ vị trí bánh xe

 Các kí tự A, B, C, D, tiến, lùi, trái, phải là tên của các hướng di chuyển

Nguyên lý hoạt động:

 Đi tiến về phía trước: Động cơ 1 và động cơ 2 quay ngược chiều mũi tên, động

cơ 3 và động cơ 4 quay cùng chiều mũi tên

 Đi lùi về phía sau: Động cơ 1 và động cơ 2 quay cùng chiều mũi tên, động cơ

3 và động cơ 4 quay ngược chiều mũi tên

 Đi qua phải: Động cơ 1 và động cơ 4 quay cùng chiều mũi tên, động cơ 2 và động cơ 3 quay ngược chiều mũi tên

 Đi qua trái: Động cơ 1 và động cơ 4 quay ngược chiều mũi tên, động cơ 2 và động cơ 3 quay cùng chiều mũi tên

 Đi thẳng về hướng A: Động cơ 1 và động cơ 3 dừng, động cơ 2 quay ngược chiều mũi tên, động cơ 4 quay cùng chiều mũi tên

 Đi thẳng về hướng B: Động cơ 1 quay theo chiều mũi tên, động cơ 3 quay ngược chiều mũi tên, động cơ 2 và động cơ 4 dừng

 Đi thẳng về hướng C: Động cơ 2 quay cùng chiều mũi tên, động cơ 4 quay ngược chiều mũi tên, động cơ 1 và động cơ 3 dừng

 Đi thẳng về hướng D: Động cơ 3 quay cùng chiều mũi tên, động cơ 1 quay ngược chiều mũi tên, động cơ 2 và động cơ 4 dừng

 Xoay tròn qua phải: Động cơ 1, 2, 3, 4 quay theo chiều mũi tên

 Xoay tròn qua trái: Động cơ 1, 2, 3, 4 quay ngược chiều mũi tên

1.5.2 Điều khiển từ xa

Robot tự hành phun khử khuẩn được trang bị 4 bánh omni nên có thể di chuyển mọi hướng điều khiển gồm:

 Chạy tiến, chạy lùi, chạy sang trái, chạy sang phải

 Chạy góc lệch 450 sang trái hoặc sang phải

 Chạy xoay vòng trái, chạy xoay vòng phải

Điều khiển phương hướng di chuyển Robot tự hành phun khử khuẩn bằng tay cầm PS2 được ghép nối thông qua bluetooth Điều khiển robot di chuyển tiến, lùi, sang trái, sang phải, xoay trái, xoay phải rất đơn giản

Đối với điều khiển bằng tay chỉ cần nhấn các nút nhấn hiển thị trên giao diện tay PS2 thì robot sẽ di chuyển theo ý muốn

1.5.3 Điều khiển tự động dò đường

Việc đầu tiên là cần phải di chuyển robot vào đường dẫn, sau đó sẽ tác động bằng nút nhấn trên tay PS2 để chế độ tự dò đường của robot hoạt động Robot sẽ chạy tự động và phun khử khuẩn theo đường dẫn mà đã được định sẳn cho đến khi nhận được tín hiệu dừng lại Khi robot dừng lại thì chế độ phun khử khuẩn của robot cũng được dừng hẳn

1.6 Ưu điểm, nhược điểm của Robot tự hành phun khử khuẩn

1.6.1 Ưu điểm

 Di chuyển linh hoạt

 Dễ điều khiển

 Thiết kế đơn giản

 Có khả năng ứng dụng ngay vào đời sống

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ROBOT TỰ HÀNH PHUN KHỬ KHUẨN

2.1 Sơ lược về phần mềm thiết kế

Robot tự hành phun khử khuẩn được thiết kế trên phần mềm solidworks 2019

nay Solidworks được phát triển bởi hãng phần mềm Dassault Systemess Solidworks

chọn là phần mềm tiêu chuẩn cho nhiều công ty trên thế giới trong đó có cả Việt Nam Phần mềm được ra đời vào năm 1997 và chạy trên hệ điều hành Windows

SolidWorks hiện tại được dùng bởi hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế với hơn 165,000 công ty trên toàn thế giới Lợi nhuận năm 2011 của SolidWorks là 483 triệu

Với sự phổ biến này, phần mềm đem tới thư viện nội dung đồ sộ, cho phép cung cấp tài liệu tham khảo giúp người dùng có nhiều ý tưởng cho thiết kế hơn Ngoài ra sản phẩm cũng là giải pháp hoàn hảo cho vẽ 3D CAD, dễ dàng chuyển đổi từ 2D sang 3D Ngoài ra khả năng tái tạo chi tiết cơ khi tốt giúp người dùng dễ tưởng tượng ra sản phẩm

gian cũng như tránh thất thoát tài nguyên

Thiết lập và làm việc với môi trường Assemblies nhanh chóng, có hiệu suất lớn Tối ưu hóa quy trình làm việc với các môi trường rộng

Mở rộng kinh nghiệm sử dụng Solidworks trong AR/VR, Mesh Modeling giúp tăng khả năng chia lưới hình học Các tính năng trên còn làm giảm kỹ thuật đảo ngược

và tối ưu hóa cấu trúc liên kết Mở rộng kinh nghiệm sử dụng

Cung cấp cách tương tác mới với Solidworks như: quay số Microsoft Surface, Customize task pane tabs Nhờ đó, quá trình làm việc với giao diện mới của các thiết bị

và phần mềm Solidworks tiện lợi hơn

Cộng tác nhanh gọn hơn giúp tăng thêm tùy chọn để nhập và xuất hình ảnh, tương tác dễ dàng

dùng có thể xem tài liệu bằng các định dạng khác

Modeling được nâng cấp thêm các công cụ mới làm cho mô hình hóa chi tiết trong SolidWorks mạnh hơn

bản vẽ hoàn hảo hơn bao giờ hết

việc với các bộ phận kết cấu lên mức cao nhất

3D Annotations áp dụng cho tất cả giúp đẩy nhanh quá trình làm việc Tính năng này phù hợp với các kích thước 3D và dung sai khác nhau

Nhôm định hình là một kim loại mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ, dễ uốn,

dễ gia công trên máy móc Có đủ tính năng công nghệ, độ bền cơ lý, đảm bảo chống ăn mòn tốt, có khả năng xử lý được bề mặt, nhuộm màu, sơn bóng bề mặt, sơn tĩnh điện … Ngoài ra phải đảm bảo tính lắp ghép, tính chịu lực, tính thẩm mỹ và tính kinh tế cao Nhôm định hình chọn làm khung robot có kích thước 40mm*40mm

Hình 2.2: Nhôm định hình

2.2.2 Bánh xe đa hướng

Bánh xe omni có tính linh hoạt trong di chuyển rất thích hợp chọn làm bánh xe

Robot tự hành phun khử khuẩn

Bánh xe Omni là loại bánh có nhiều bánh vệ tinh nhỏ xung quanh chu vi bánh, 2 vòng bánh sole với nhau và vuông góc với trục của bánh xe Do đó robot có thể di chuyển theo mọi hướng

Bánh xe Omni có thể xoay 360 độ, với cấu trúc vững chắc, phù hợp với môi trường khác nhau, chi phí bảo trì thấp, được thiết kế cho các ứng dụng hệ thống băng chuyền tay hoặc dây chuyền điện tử, như vận chuyển đường sắt, bàn xoay máy tính, bánh xe robot

Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật bánh xe omni

Đường kính/Diameter: 152mm Trọng lượng/Weight: 650g

Hình 2.3: Bánh xe Onmi

2.2.3 Cầu động

Cầu động đỡ và chia phần khung đáy của robot thành hai phần khung riêng biệt Mỗi bên khung sẽ có 2 động cơ bánh nối với nhau qua ty trượt tròn mạ Crom Có chức năng làm cho 4 bánh của robot luôn luôn tiếp xúc với bề mặt giúp robot linh hoạt di chuyển qua các loại địa hình gồ ghề một cách an toàn và bình thường

Hình 2.4: Cầu động robot

Cấu tạo của cầu động bao gồm gối bi đỡ trục đứng và trục inox:

Gối đỡ vòng bi trục đứng: kích thước gối đỡ vòng bi trục đứng là 15mm có hình dáng khá giống chữ OMEGA nên còn gọi là gối OMEGA Vỏ vòng bi được đúc bằng hợp kim gang chịu lực, khá bền, ít nứt khi bị va đập mạnh Vòng bi phía trong được chế tạo bằng hợp kim thép đặc biệt, vừa có tính dẻo, vừa chịu được sự mài mòn cao, giãn

nở nhiệt tốt Với thiết kế có độ tư lựa cao, tạo nên tính linh động cho gối đỡ, chịu được lực tải lớn và nhiệt độ cao

Bảng 2.2 : Thông số kỹ thuật gối đỡ vòng bi trục đứng

Trục inox có khả năng chịu lực rất tốt, chí phí cũng không quá cao

Hình 2.6: Trục inox

2.2.4 Một số chi tiết khác

2.2.4.1 Part gá động cơ

Lựa chọn part gá động cơ có kích thước 45mm để phù hợp với kích thước động

cơ Part gá có chức năng chịu lực gá động cơ với khung đế của robot

Part gá động cơ được gia công với độ chính xác cao, khó biến dạng Với chất liệu hợp kim nhôm cùng với độ dày 3mm được xữ lý bề mặt, chống ăn mòn giúp cho việc

gá đặt động cơ trở nên cứng cáp hơn

Hình 2.7: Gá đỡ động cơ

2.2.4.2 Khớp nối bánh xe omni với động cơ

Khớp nối bánh xe omni với động cơ được chế tạo bằng nhôm nguyên khối, mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ Kích thước vòng ngoài 56,8mm và vòng trục kết

nối bánh 24mm Có chức năng kết nối trục động cơ với bánh xe omni

Hình 2.8: Khớp nối bánh xe omni

2.2.4.3 Bulông đai ốc

Sử dụng Bulong kích thước M6 x 15mm để kết nối các góc của khung nhôm định

hình robot có chất liệu hợp kim nhôm, đầu lục giác

Con trượt bi: kích thước lỗ ren bắt ốc M6, cố định, giữ chắc vị trí bắt bulong kết nối ke góc và bề mặt nhôm định hình

Hình 2.9: Bulong và con trượt nhôm định hình

Hộp số nhông hành tinh: Giúp điều khiển việc giảm tốc, đảo chiều, đấu nối trực tiếp với động cơ Hộp số giảm tốc bánh răng hành tinh thường bao gồm các bánh răng hành tinh, các ly hợp và phần phanh Hệ thống phanh giúp cho thiết bị dễ dàng ngắt đoạn công suất và thực hiện tăng giảm tốc độ một cách dễ dàng và an toàn

Động cơ tích họp encoder có chức năng mã hóa được số vòng quay nhằm mục đích tạo tín hiệu xung hình vuông trong suốt quá trình điều khiển Encoder hoạt động theo nguyên lý đó là khi ta cung cấp nguồn điện cho nó thì các trục quay sẽ hoạt động Đồng thời, chuyển động sẽ tạo cho đĩa tròn được xoay vòng Khi xoay thì nó sẽ kéo theo đèn led sáng và trên phần đĩa tròn xoay thường có các lỗ và các lỗ này sẽ đan xen với nhau Dựa vào đó, bộ xử lý vi board mạch của động cơ sẽ đếm các lượt quay bằng

cách chiếu đèn xuyên qua lỗ hoặc sử dụng một con bắt tích hợp trong đó để báo tín hiệu

về Vì vậy các xung dạng vuông được tạo ra và đếm được cụ thể thông qua độ cắt ánh sáng bắt nguồn từ đèn led thông qua các lỗ hổng

Hình 2.10: Động cơ planet

2.3.1.2 Động cơ phun sương

Động cơ phun sương: Điện áp hoạt động 24VDC, công suất 35A Động cơ làm nhiệm vụ hút dung dịch khử khuẩn trong bồn chứa, đẩy dung dịch lên các đầu phun động cơ có thể đẩy được 10 đầu phun, rất thích sử dụng hoạt động khử khuẩn trong môi trường nhiễm khuẩn cao

Hình 2.11: Động cơ phun sương

2.3.1.3 Đầu phun sương

Đầu phun sương: Với đầu phun, ta có thể điều chỉnh độ tưới sương, độ ẩm của dung dịch khử khuẩn trong không khí, đảm bảo an toàn đúng chỉ định về lưu lượng dung dịch phun ra không khí của nhà sản xuất Rất phù hợp với nhiều mục đích sử dụng

Hình 2.12: Đầu phun sương

2.3.1.4 Động cơ không chổi than gắn cánh quạt

Động cơ không chổi than gắn cánh quạt có chức năng sau khi các đầu phun sương hoạt động thì động cơ quạt hoạt động và giúp cho các hạt dung dịch khử khuẩn đã được phun thành sương có thể bay xa tới 10m vào các góc xa khó di chuyển tới mà robot không thể di chuyển vào được Điều này làm cho tất cả các không gian đều được khử khuẩn một cách dễ dàng Bốn động cơ bánh không cần di chuyển quá nhiều, tiết kiệm được năng lượng điện Động cơ không chổi than có các ưu điểm như:

đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác)

Tuy nhiên: Động cơ không chổi than là động cơ 3 pha, nên giá thành khá là cao

Hình 2.13: Động cơ không chổi than gắn cánh quạt

2.3.1.5 Nguồn

Các thiết bị hoạt động ở các điện áp khác nhau, sử dụng 1 bình 12VDC 12Ah để chạy cho thiết bị động cơ không chổi than và lựa chọn 2 bình 12VDC 7,5Ah để đấu nối thành điện áp 24VDC làm nguồn nuôi cho thiết bị driver , động cơ planet, động cơ phun sương

Hình 2.14: Ác quy 12VDC 7.5Ah

Để nuôi cho mạch điều khiển Arduino Mega thì cần lựa chọn hai cục pin SAMSUNG 18650 3,7VDC 3500mAh để nuôi cho mạch điều khiển Arduino Mega và cảm biến dò đường (dò line)

- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để upload code từ PC lên vi điều khiển Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

- Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ usb ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng cắm với máy tính được Lúc đó cần nguồn từ 9VDC đến 12VDC cắm vào jack nguồn

- Có 54 chân ra/vào số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của bo mạch Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì chip khác nhau Ở con Arduino Mega 2560 này thì sử dụng atmega 2560

- Có một nút nhấn reset và một đầu ICSP

- Các thông số chi tiết của Arduino Mega 2560:

 Điện áp đầu vào: 6-20VDC

độ phân giải 10 bit ( tức là 1024 giá trị khác nhau) Theo mặc định đo

từ 0 đến 5 volts, mặc dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và analogReference chức năng

8 KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và 4 KB EEPROM

Hình 2.16: Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega

Hình 2.17: Sơ đồ các chân mạch điều khiển Arduino Mega

Sơ đồ các chân bao gồm:

2.3.2.2 Mạch driver smart pid

Được trang bị vi xử lý AVR, chạy động cơ công suất lớn tới 700W, điện áp điều khiển 24VDC

Giao tiếp máy tính qua cổng com uart