Luận văn Đề tài robot hút bụi di Động

Chuong 1: TONG QUAN VE ROBOT HUT BEL 1.1 Vẫn đề về robot hút bụi di động Củng với sự phát triển của công nghệ và máy móc hiện đại, các robot đang được ứng dung rộng rãi trong các sẵn ph

MỤC LỤC

Chuong 1: TONG QUAN VE ROBOT HUT BUL

1.1 Vin dé vé robot hat bui di dong

1.2 Mét sé robot hut byi hién nay

1.3 Mục tiêu và phạm vì đề tải

Chương 2 THIẾT KÉ CƠ KHÍ

2.1 Sơ đổ của robot hút bụ

2.2 Thiết kế tỉmg cum cra rebol hút bại:

Chương 3 HIÉT KE GIAT THUAT ĐIÊU KHIỂN,

-Öò14

3.1 Bài toán quỹ đạo đi chuyên của robot

3.2 Môhinhhóa

3.3 Giải thuật điển khiếi

3.4 Phương pháp đo và phát hiện sai số

3.5 Kết quả mô phỏng:

Chương 4 DANH GIA VẢ HƯỚNG PHAT TRIEN

Al Kết hận,

4.2 Hạn chế gủa robot hút bụi

43 Đêxuâthưởng nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

Phục lục

Chuong 1: TONG QUAN VE ROBOT HUT BEL

1.1 Vẫn đề về robot hút bụi di động

Củng với sự phát triển của công nghệ và máy móc hiện đại, các robot đang được ứng dung rộng rãi trong các sẵn phẩm gia dựng Trong đỏ, robơt hút bụi là sản phẩm kết hợp hệ

thang hút bụi và lập trinh di chuyền đề tiên hành hút bụi được sử dụng ngày cảng nhiều

trong dan dung

Nấm bắt được những nhủ cầu trên, robot hút bụi đã được nghiên cứu, phảt triển trên thể giới từ những năm 1995 Đến nay, robot hút bụi đã dược sản xuất nhằm dap img nhu cầu của con người với các hãng sản xuất như: Samsung, LO, Sanyo

Với trục tiêu hoạt động trong nhà, robot hút bụi được thiết kế nhỏ gợn để hoạt động được ở những nơi con người ít khi tiếp xúc lau đen như: gầm giường, ghê, sofa, bản nhỏ Đồng thời, robot lrút bụi cũng, có khả năng phát hiện và tránh vật cản, chống rơi để thích

hợp hoạt động trong nhả Tuy nhiên, phải di chuyển khi hoạt động nên nguồn nuôi của robot

1à pin hoặc acquy nên thời gian hoạt động và công suất hút bụi của robot bị bạn chế

Để k

c phục bất tiện đo nguồn nuôi và tăng khả năng tương lắc với người đừng, hiện nay các sản phẩm robot hút bụi dược nghiên cứu, chế tạo theo hướng thông mình như:

tự động sạc nguồn điện khi yếu nguồn, chức năng hẹn giờ, lưu bản đồ đường đi

ign nay, robot hút bụi đã được nhập khẩu vá sử dựng ớ Việt Nam Tuy nhiên, chưa

có nghiền cứu trong nước nào thực hiện về để tải này Vỉ vậy, nghiên cứu về robot hút bụi

là cầu thiết tạo tiền để chế tạo ra sân phẩm phủ hợp phục vụ nhĩ cầu trong 1rước

1.2 Mật số robot hút bụi hiện nay

1.2.1 Rabot Romba:

Robot Roomba cia hang iRobot la mét rebol bi bun théng mink Khong

giống như các loại may hut bun théng thudng Roombathực hiện công việc hút bụi một cách hoàn toàn tự động theo chương trình đã được lập sẵn Roomba thich hgp cho cac gia đình vã văn phòng có nên gỗ, thảm, đá hoa

Với kích thước nhỏ gọn robot có thê đi chuyên hết các phỏng,những nơi mà máy:

hút bụi thông thường khỏ vào được như gầm bản, giường, sofa,

Các chức năng nói bật của Roomba lä điệu khiển từ xa bằng remote control tu cam

nhận trảnh vật cản, tự động sạc khi hết nguồn pin: Reomba có khả năng di chuyên lĩnh hoạt

như đi chuyên hình xoắn ốc, ZigZag

Edge-Cleaning

‘Side Brush

Battery

Vacuum Inlet

Hinh 1.1: Két cau eta robot Romba

1.2.2, Robot LG Hombot

Hombot là một robot hút bụi thông minh thể hệ mớido hãng LG nghiên cứu chế tạo

Pian view

Manipulation button Dust bin cover button Dust bir cover

State indication famp Upper camera sensor Dotecting sensor of home station &

receiving sensor of remote controller,

Ultrasonic sensor Obstacle detecting sensor window

Tình 1.2: Kết cầu robot LG Hombot

Hệ thông cảm nhận vật cản của robot sử đụng cảm biên siêu âm, cảm nảy giúp cho

robot phat hiện vat can hiệu quả, đo khoảng cách chuẩn xác Robot tiếp xúc với vật cân từ

khoảng cách rất nhỏ với chỉ 5 mm,

Không giống như các robot hút bụi khác, Hombot hoạtđộng hiệu quả nhờ các chế

độ di chuyên hợp lý, như hình xoáy ốc, zigzag, phân ngăn, phân ô.Trang bị camera nhận

biết không gian, từ đó đưa ra linh trình làm việc hiệu quả cao Ví dụ như : những nơi ma

robot đã đi qua sẽ không lập lại, ưu tiên lảm sạch ở những nơi bản hơn

Hình 1.3: Robot di chuyển kiểu zich-=ắc

Hình 1.4: Robot di chuyên kiểu phân ô

1.3 Mục tiêu và phạm vi dé tai

Mục tiêu để tải: thiết kế và điều khiển robot hút bụi với các yêu cầu:

-_ Phản cơ khí: Robot hút sạch bụi, gọn, cơ động, Phân thân của rơbot hút bụi thiết

kế mang được nguồn, mạch điều khiến, cảm biển

-_ Giải thuật điều khiển cho robot:Có khá năng tự hành: tự do dường, phát hiện và tránh chướng ngại vật, chống rơi, đi chuyển hút bụi

Pham vi dé tai:

-_ Phản cơ khí được thiết kế dựa vào mẫu robot hut bui cua hang Failure

-_ Phản giải thuật điều khiển chí thục hiện cho quỹ đạo của robot hình zích — zắc

trên sản nhà phỗng, có vật cản:

Chuong 2: 'THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1Sơ đỗ của robot hút bụi:

'Yêu cầu của robot hút bụi là nhỏ gọn, đi chuyến linh hoạt Do đó, ca cầu đi chưyển

của robol hút bụi s dụng mô hình di động sử đụng bai bánh đẫn chủ động và một bánh

dân hướng,

Vi nhiệm vụ chính của robot là hút bụi nên cụm hút bụi được ưu tiên khi thiết kế

Cụm hút bụi được đặt ở trưng tâm của robot Vùng hút bụi được mở rộng tối đa với kích

thước miệng hút mổ rộng theo phương ngàng ( phương vuông góc với phương di chuyển

của robot)

Để tăng liệu suất hất bụi, cụm chổi quét được thiết kế phía trước cụm quat bit Cum chỗi quét hoạt động liên tục để khoáy đão lớp bụi bám trên bê mặt sản Sau đó, lớp bụi này

được hút bởi cụm quạt hút ở phía sau

Hồ trí vị trí căm biến trên robot: robot sử đựng các cảm biến hỏng ngoại để tránh

im biển được Inet kê với œ rí như gau:

val cing va chéng roi Do đó, các

- Tlai cam bién héng ngoai chéng rai được dit hai bên và phía trước, ngay mép robot

của thân robot bit bui

- Cam bién phát hiện vật cán được đặt phía trước robot Phia trước robot có cảng va chạm, khi có va chạm với vật cảng cảng va chạm bị tác động làm cho cảm biển bị ngắt, phát hiện vật cân

Ngoài ra, trên thân robot còn thiết kế vi trí lắp đặt nguồn nudi cho robot va mach

điện

Tử các ÿ tưởng thiết kế trên, tác giả đề xuất sơ đỗ của robot hút bụi như sau:

tà

4

s

tình 3.1: Sơ dễ robot hút bụi

Cụm quạt hút 9 Câm biến tránh vật cân

Cụm bánh xe đi chuyển 10 Càng va chạm trước

2.3 Thiết kế từng cụm của robot hút bụi:

2.2.1 Thiết kế cơ câu đi chuyển của robot hút bụi

Robot hút bụi sử dụng mỏ bình robot đi dộng với hai bánh dẫn chủ động kết hợp bánh đẫn hướng đặt ở đầu robot.

Động cơ sử dụng trong robot là động co DC 12V Động cơ DC có tốc độ quay lớn (3000 — 5000 vòng/phút) nên sử dụng bộ giảm tốc từ động cơ đến bánh xe Mặt khác, vỉ yêu cầu thiết kế nhỏ gọn nên tác giả đề xuất cơ câu cho bộ giảm tốc từ động cơ đến bánh

1 Động cơ DC

Giảm tốc trục vít, bảnh vít Giảm tốc bánh răng vi sai

Đánh xe

xe như có sơ đồ như sau:

Hình 2.2 : Sơ đồ động cụm bánh xe di chuyển

Hình 2.3: Mô hình 3D cụm bánh xe đi chuyên

Cum dan hướng được thiết kế đơn giản: với một bảnh xe được gắn với trục xoay tự

do trên thân robot

2.2.2 Thiết kế cụm quạt hút

Cụm quạt hút của robot hút bụi bao gồm hai phan: phan buồng hút - hộp chứa bụi

va phan ổng dẫn bụi

Phản ông đân bụi: gồm miệng hút và ông dân bụi vào hộp chứa bụi Miệng hút được

sát nên với biên dạng miệng hút dựa vảo biên dạng miêng hút của robot hút bụi của hãng

Failure

Phần buông hút - hột chứa bụi: Sử dụng một động cơ DC gắn trên một quạt hút Đông cơ DC có tốc độ (3000 — 5000 vòng/phút) tạo ra luông khí di chuyên từ miệng hút,

ống dân hút bụi, qua tâm lọc Khi qua tâm lọc đi ra ngoài Bụi được tâm lọc giữ lại rơi trên buông chửa bụi

10

Hinh 2.5: Thiét ké 3D phan ống dẫn bụi

2.2.3 Thiét ké cum chéi quét

Cum chổi quét được bé tri 6 phia trade phản hút bụi Có hai cum chối quét ở hai

bên robot, Sử dựng động cơ DC qua bộ

của chổi quét Trên trục của bánh vịt gắn đầu chỗi mềm đẻ quét lớp bụi bám trên mặt sản

‘iam tốc trục vít ~ bảnh vít đề giảm tốc độ quay

CC] |

Hình 2.6: Sơ đồ động robot hút bụi

Hình 2.7: Thiết kế 3D cụm chỗi quét

11

2.2.4 6 hình 3D hoàn chỉnh:

Hình 2.8: Thân dưới robot

Hình 2.9: Thân trên robot

12

Hinh 2.10: M6 hinh robot hoan chinh

Hình 2.11: Mặt dưới robot hoàn chỉnh

13

Chuong 3: THIET KE GIAI THUAT DIEU KHIEN

3.1 Bài toán quỹ đạo di chuyển của robot

Có nhiều quỹ đạo chay cho robot hút bụi di động như zich-zắc, xoáy ốc, để hút

bụi trên toàn bộ mặt sản Trong đó, quỹ đạo hình zich-zäc phủ với mặt san trong, it vật cản Trong bải nảy chỉ giải quyết cho quỹ đạo zich-zắe của robot

Hình 3.1: Quỹ đạo hình zíc

3.2Mô hình hóa

Robot hút bụi sử mô hình robot di động hai bảnh xe Giả thuyết hai bánh xe lăn không trượt Đông học thuận của robot hút bụi vả gốc tọa độ với quỹ đạo di tham chiều

như hình dưới

bre sh

Trong dé C(x,y) là tâm của robot trong hệ tọa độ Đẻ-các, Ø lả góc xoay của robot,

v,@ lan luot la vân tốc thẳng và vận tốc góc của tâm robot hút bụi

14

# đường tham chiếu

cea) J \ø

UF: |

Linh 3.2: M6 hình hóa robot hút bụi

Quan hệ giữa v, œ và vận tốc góc eda hai bánh xe như sau:

li hức - li

Trong đó @0y„y, @p, là vận tốc góc của bảnh xe phải và bánh xe trái, b là khoảng cách

giữa hai bảnh xe, 7 là bán kinh bánh xe

'Tâm điểm của vủng cần hút bại trùng với tâm C của robot bút bụi Diễm tham chiéu 8 đi chuyển với vận tốc hằng là v, Do đỏ, mục tiêu điều khiến là điều khiến điểm tâm của vừng hút bụi bám theo điểm tan chiếu Ê, Điểm R nằm trên dường thưm chiếu

là dường thẳng nên:

Với c = const

Sai số khi bảm quỹ dao:

elena đs 0—0„

15

4, €2, €, lin Iuot 1a sai 84 theo phuong x,y va gac xoay @ gitta tam diém C cia

robot ( điếm hút bụi ) và điểm tham chiéuR trén quy dao

Mục liêu điều khiến : ø; ¬ 0 khi £ — so lúc đó điểm hút bụi bam theo điểm tham

chiến#t Hệ thống có hai đầu váo: vận tốc góc của bảnh xe trái và bảnh xe phải Ta có

a, v.cos@ — wv,

| -| v.cos® — |

3 “ 3.3 Giải thuật diễn khiến

Tit dh

| state—1 |

Quay wai 90" Quay phai 90°

Chay thing Chay thing

: TY

N

Quay trai 90" Quay phai 90°

Py

Chay bam quy dao

thắng

Hình 3.3: Giải thuật điều khiên robot hút bại

3.4 Phương pháp đo và phát hiện sai số

1E

Phát hiện vật cân: sử dụng cảm bien quang Cam biến quang gắn phía trước, trên

đầu robot gồm một led phát và một led thu, khi gặp vật cản led thu nhận được tín hiệu từ

led phát

, Thu

0:l<=d

d=const

||

Hinh 3.4: Cam bién quang

Điều khiển vòng kín robot chạy theo quỹ đạo zich-zắc theo đường tham chiêu trên nên Đường tham chiêu nảy dựa trên viễn của những viên gạch lót nền Sử dụng camera dé

đỏ đường viên này Kết hợp vị trí gắn camera chính giữa trên đâu của robot hút bụi và hình

ảnh chụp được từ camera qua xử lý ảnh tỉnh ra được sai số của quỹ đạo di chuyên thực của

robot với quỹ đạo tham chiếu

3.5 Kết quả mô phỏng:

Rabel it bl chuyen eo quy dạo

Hình 3.5: Mô phỏng quỹ đạo chạy của robot hút bụi

17

Chuong 4: ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẾN

Chương này đánh giá

G

t kết quả của việu điều khiển, đồng thời riễu ra cáo công việc dã tực hiện dược, các vẫn đẻ nhược diễm và dễ xuất cách khắc phục, hướng phát

triển của đẻ tải

4.1 Kết luận

Kết quả nghiên cứu thực hiện được:

-_ Thiết kế cơ câu cơ khí cho robơt hút bụi di động,

- _ Xây dựng giải thuật điều khiến cho robot hút bụi đi động theo quỹ đạo hình zich —

ae

4.2 Hạn chế của robot bat bai

~_ Giải thuật robot chưa đa đạng, chỉ có thế đi chuyển trên mặt sản phẳng, vật căn sát

tường,

- Chua co két quả thực nghiệm

4.3 Để xuất hướng nghiên cứu

- Robot can trang bj thém cam bién dé dinh vi trong không, gian

- Phat triển giải thuật để robot có thể thay đổi quỹ đạo đi chuyển trong không gian của robol với các quỹ đạo hình xoắn ốc, quỹ đạo ngẫu nhiên, zích-zắc

- Thực nghiệm robot hút bụi trên thực tế

18

'Tài liệu tham khảo

[1] Trong Hieu Bui, Tan Tien Nguyen, Tan Lam Chung and Sang Kim Bong, 2000, “ A Simple Nonlinear Control of Two-Wheels Welding Robot”, Transactions on Control,

Automation, and Systems Engineering Vol.2, No 1

[2] Ying-Wen Bai and Ming-Feng Hsueh, 2012, “Using an Adaptive Iterative Learning Algorithm for Planning of the Path of an Autonomous Robotic Vacuum Cleaner”, The Ist IEEE Global Conference on Consumer Electronics 2012, pp 406~410

[3] Autonomous Mobile Robots, R Seigwart, I Nourbakhsh

19

Phục lục

20