Bài tập lớn cơ điện tử: Chế tạo và cải tiến mobile robot

1. Cơ hội kinh doanh Cơ hội kinh doanh là khả năng đáp ứng của doanh nghiệp trước một nhu cầu cụ thể của thị trường. Qua quá trình khảo sát thị trường tìm hiểu nhu cầu khách hàng và công tác nghiên cứu đánh giá số liệu của nhóm sinh viên. Nghiên cứu và chế tạo robot là một trong những vực khoa học công nghệ được đặc biệt quan tâm nghiên cứu trong nhiều thập kỉ qua. Nhu cầu của khách hàng với việc cải tiến và phát triển robot ngày càng tăng cao. Không chỉ trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp mà còn mở rộng sang các lĩnh vực quân sự, giải trí, dịch vụ… nhất là những nơi con người không thể trực tiếp làm việc ( như những môi trường độc hại, bụi bẩn , hoặc những nơi con người không thể đặt chân tới…) . Nắm bắt được nhu cầu ấy việc chế tạo và cải tiến mobile robot là rất cần thiết. với kích thước nhỏ gọn, có thể thay thế con người làm việc trong nhiều địa hình khác nhau. Giá thành phù hợp với mức thu nhập trung bình khá. Có thể được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình, công ty hay trong quân sự…

BÀI TẬP LỚN CƠ ĐIỆN TỬ 2 Phần I: Xây dựng ý tưởng, lập kế hoạch phát triển sản phẩm

1 Cơ hội kinh doanh

- Cơ hội kinh doanh là khả năng đáp ứng của doanh nghiệp trước một nhu cầu cụ thểcủa thị trường

- Qua quá trình khảo sát thị trường tìm hiểu nhu cầu khách hàng và công tác nghiêncứu đánh giá số liệu của nhóm sinh viên

- Nghiên cứu và chế tạo robot là một trong những vực khoa học công nghệ được đặcbiệt quan tâm nghiên cứu trong nhiều thập kỉ qua Nhu cầu của khách hàng với việc cảitiến và phát triển robot ngày càng tăng cao Không chỉ trong lĩnh vực sản xuất côngnghiệp mà còn mở rộng sang các lĩnh vực quân sự, giải trí, dịch vụ… nhất là nhữngnơi con người không thể trực tiếp làm việc ( như những môi trường độc hại, bụi bẩn ,hoặc những nơi con người không thể đặt chân tới…)

- Nắm bắt được nhu cầu ấy việc chế tạo và cải tiến mobile robot là rất cần thiết vớikích thước nhỏ gọn, có thể thay thế con người làm việc trong nhiều địa hình khácnhau Giá thành phù hợp với mức thu nhập trung bình khá Có thể được sử dụng rộngrãi trong các hộ gia đình, công ty hay trong quân sự…

2 Phát triển ý tưởng sản phẩm

2.1 Tạo ý tưởng

2.1.1 Khoanh vùng ý tưởng

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại robot với nhiều công dụng, chức năng

và mẫu mã khác nhau Nhưng trong đề tài của nhóm chú ý tới loại mobile robot với kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thích ứng nhiều chức năng Sản phẩm có thể làm mới hoàn toàn hoặc cải tiến Không những làm các nhiệm vụ trong quân sự mà có thể được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các hộ gia đình Với chi phí vừa phải giúp con người làm việc trong môi trường nguy hiểm hoặc độc hại

2.1.2 Mẫu phát triển ý tưởng

- Sau khi nhóm đã thảo luận nhanh bằng phương pháp Brainstorming, nhóm đã pháttriển ý tưởng và tạo ra được các mẫu phát triển ý tưởng được trình bày bên dưới

- Quá trình thảo luận Brainstorming được nhóm thực hiện thông qua việc thảo luậnnhóm và tạo ý tưởng được trình bày ở đường link phía dưới

ý tưởng )

Robot

leo tường

- Có thể leo bám trên thànhtường vừa có thể lau tường tựđộng, hút bụi, và quét mạngnhện

- Có khả năng phun sơn vàmang theo vật nặng lên cao

- Bổ xung thêm có thể gắn camera đểtheo dõi và giám sát từ trên cao

- Ngoài ra hêm khả năng dò mìn vàcảnh báo

khảo sát địa hình.

- Gửi các thông tin về nhiệt độ, độ ẩmtrong không khí

2.2 Sàng lọc và hoàn thiện thiết kế

2.2.1 Đánh giá sơ bộ bằng VRIN

Nonsubstituable (Không thể thay

chí

1 Nhu cầu

thực sự

Chưa có nhucầu thực sự chosản phẩm

Sản phẩmđược sử dụngnhiều trongquân sự, cứu

hộ cứu nạn vớinhu cầu lớn

Chưa có nhucầu thực sựcho sản phẩm

Đã có nhu cầutrong quân sựdùng để thăm

dò, khảo sátđịa hình

2 Khách

hàng

Chưa có kháchàng mua

Đã có kháchhàng mua

Chưa có kháchhàng mua

Đã có kháchhàng mua

3 Pháp luật

Sản phẩm phùhợp với phápluật, đạo đức vàtiêu chuẩn hiệnnay

Sản phẩm phù

hợ với phápluật, đạo đức

và tiêu chuẩnhiện nay

Sản phẩm phù

hợ với phápluật, đạo đức

và tiêu chuẩnhiện nay

Sản phẩm phù

hợ với phápluật, đạo đức

và tiêu chuẩnhiện nay

4 Công nghệ Công nghệ đáp

ứng được

Công nghệ đápứng được

Công nghệ đápứng được

Công nghệ đápứng được

5 Chi phí sản

xuất

Chi phí sản xuấtcao

Chi phí sảnxuất cao

Chi phí sảnxuất trung bình

Chi phí sảnxuất trung bình

b Khả năng thắng lợi của sản phẩm (Win)

- Ý tưởng đã chọn robot xjus :

+) Có lợi thế cạnh tranh là rất lớn vì là sản phẩm tron nước đầu tiên có thể thayđổi cột sống thụ động

+) Sản phẩm rất phù hợp với nhu cầu của thị trường vì sản phẩm có thể tiếtkiệm năng lượng một cách tối ưu

+) Phát huy được các điểm mạnh của nhóm trong đề tài

c Tính khả thi của sản phẩm (Worth it)

- Sản phẩm có tính lợi nhuận cao và có tiềm năng phát triển trong tương lai

- Các rủi ro phát sinh có thể chấp nhận được

- Ý tưởng có tiềm năng phát triển mở rộng trong tương lai

3 Lập kế hoạch thiết kế và phát triển sản phẩm

Mục tiêu kinh doanh cơ bản:

1 Cung cấp cho người dùng những khả năng đặc biệt giúp thuận lợi cho việcthám hiểm địa hình nguy hiểm

2 Là một giải pháp cho tiết kiệm năng lượng và an ninh

Các giả thiết và ràng buộc:

- Giá cả hợp lí (ở mức không quá cao)

- Yêu cầu tính ổn định cao, hệ thống bảo mật tốt

- Dễ dàng tháo lắp, sửa chữa

Các bên liên quan:

- Các doanh trại quân đội

- Các trường trên địa bàn Hà Nội

Dựkiếnthờigian làm

Robot leo tường

Mobile robot dùng để leo tường vàcác địa hình cao dùng để lau của

Mobile robot có thể di chyển ở một

số địa hình khác nhau là loại biến hểcủa Rhex giúp giảm năng lượng trong quá trình chuyển động

Cải tiến 01/01/2016

Bảng 3.2: Thông tin cơ bản về sản phẩm

Dựán2

Dựán3

Dựán4

Tổng yêu cầu Khả năng

đáp ứng

Có đápứng được

 Sau thời gian đánh giá sằng lọc các dự án trên cùng với sự thống nhất của các thànhviên trong nhóm Nhóm đã đưa ra quyết định thưc hiện dự án số 4 : Thiết kế robotxJüs

Phần II: Thiết kế sản phẩm

2.1 Khảo sát nhu cầu khách hàng

Ghi vào dòng bên dưới theo thứ tự bất kỳCâu hỏi 1: Bạn có thấy cần thiết phải sử dụng robot thám hiểm để tham dò nhữngđịa hình nguy hiểm không?

Câu hỏi 2: Bạn đã từng sử dụng robot để làm công việc tham dò hay thám hiểmchưa? Nếu có, bạn có thể cho tôi biết là bạn sử dụng loại gì và tên của nó đượckhông?

Câu hỏi 3: Theo bạn, một robot trinh thám cần có những kĩ năng gì? Cần phải điđược trong những loại địa hình nào?

Câu hỏi 4: Nếu bạn đã từng sử dụng loại robot trinh thám thì robot của bạn sử dụngloại địa hình có dây hay không dây? Nếu không dây thì cho tôi hỏi khoảng cách điềukhiển của nó là bao xa?

Câu hỏi 5: Robot bạn đang dùng có thực sự ổn định không? Nếu không, bạn có thểcho tôi biết là phần nào thường không ổn định nhất?

Câu hỏi 6: Theo bạn, bạn có đánh giá cao chú robot thám hiểm chịu va đập tốt haykhông?

Câu hỏi 7: Theo bạn, độ bảo mật của robot tham dò, thám hiểm có quan trọngkhông? ( Bạn có thể đánh giá theo thang điểm 10 )

Câu hỏi 8: Theo bạn, kích thước phù hợp để một chú robot trinh thám có thể thựchiện tốt nhiệm vụ của mình là bao nhiêu?

+) Chiều dài: cm

+) Chiều rộng: cm

Bảng 2.1: Phiếu khảo sát nhu cầu khách hàng

- Kết quả khảo sát thu được

Ghi vào dòng bên dưới theo thứ tự bất kì

Câu hỏi 1: 40/50 là có còn lại là không

Câu hỏi 2: 48/50 là chưa sử dụng ,2 người sử dụng robot dò đường

Câu hỏi 3: 40/50 cần phải vượt được các địa hình gồ ghề ,còn lại là vượt địa hìnhnước

Câu hỏi 4: 48/50 không dây , còn lại là có dây Khoảng các đk là tầm 1km

Câu hỏi 5: 35/50 là không ổn định còn là ổn định Không ổn định do điều khiểnCâu hỏi 6: 50/50 là có cần

Câu hỏi 7: 45/50 là có với thang điểm >7/10 còn lại là trung bình với 5/10 điểmCâu hỏi 8: 40/50 là cao <30mm, dài <50mm, rộng <30mm, còn lại là cao

>30mm,dài >50mm,rộng >30mm

Câu hỏi 9: 30/50 cho rằng phải >10 giờ, còn lại cho rằng <10 giờ

Câu hỏi 10: 35/50 Cần thu thập địa hình đường đi, bản đồ Còn lại cần thêm xácđịnh kẻ thù ,bom, mìn…

Câu hỏi 11: 38/50 là có còn lại là không

Câu hỏi 12: 40/50 dưới 25 triệu còn lại là trên 25 triệu

- Kết quả nhu cầu khách hàng:

5 Nhu cầu về tiết kiệm năng lượng 2

2.2 Xác định thông số kĩ thuật sản phẩm

- Từ những kết quả khảo sát khách hàng ở phần trên, ta có các bảng mô tả cơ bản vềrobot

Bảng danh sách đại lượng cần đáp ứng:

Bảng thông số của các mẫu robot trước đó:

Tỉ trọng công suất Cont.Robot[W/kg] 20.4-22.2 52.8-58.8 75.2 47.0

Tỉ trọng Năng lượng Robot [Wh/kg] 8.1-13.5 16.7-30.3 12.4 8.0

Bảng thông số về động cơ và pin của các mẫu robot trước đó:

18:1-23.1

29.1:1

Thiết bị cảm biến thước đo

7.24-9.26

5.02Mômen Công suất có thể thực

- Sau khi khảo sát khách hàng và so sánh các thông số của đối thủ cạnh tranh, nhóm nghiên cứu đã đưa ra bản thông số sơ bộ của sản phẩm như sau:

Phần III: Xây dựng concept

3.1 Làm rõ vấn đề

- Mục tiêu dự án:

Thiết kế ,chế tạo và phân tích robot 6 chân vượt địa hình có mở rộng trên cácbiến thể của Edu robot trước bằng cách kết hợp thêm cột sống thụ động với khả năngtiết kiệm năng lượng tối đa và khả năng di chuyển linh hoạt trong nhiều loại địa hìnhkhác nhau

- Phạm vi dự án:

xJus robot là một loại robot di động linh hoạt rất hữu ích trong việc dò đườnghay trong sản xuất vì thế chúng có thể được sử dụng phổ biến trong quân sự hoặc trongcông nghiệp Ngoài ra chúng còn có thể dùng trong trường học hay giúp con người cáccông việc hàng ngày Vì thế phạm vi của dự án là rất rộng đặc biệt là trong nước có cóthể tiến xa hơn ra nước ngoài

- Công nghệ:

Tích hợp công nghệ mô phỏng 3D bằng phần mềm Soliwork, mô phỏng sự biếnđổi vật lí của robot khi gặp chướng ngại vật bằng phần mềm Blender, tính toán khảosát dao dộng bằng phần mềm Matlab, khảo sát tính ổn định của robot bằng gia tốcnghiêng và vẽ đô thị hiển thị dao động của robot bằng phần mềm Matlab

Ngoài ra, dự án còn sử dụng bộ điều khiển bằng board mạch aduno mega cho

độ điều khiển chính xác và bộ điều khiển từ xa bằng sóng RF cho khoảng cách điềukhiển lên đến 1.5 km

3.2 Tìm bên ngoài

- Nhiều robot 6 chân đã được thiết kế với cảm hứng sinh học từ loài côn trùng 6chân đặc biệt là loài gián trong những năm gần đây, nhưng robot 6 chân thành công nhấtphải kể đến là RHex , được nghiên cứu vào năm 1998 do DARPA tài trợ Nguyên mẫuđầu tiên được xây dựng vào năm 1999 tại Đại học Michigan, nhưng RHex vận động đãđược nghiên cứu rộng rãi tại một số trường đại học trong thập kỷ qua, trong đó có nhiềutrường đại học nổi tiếng trên thế giới như Đại học McGill, Đại học Carnegie Mellon, vàĐại học Pennsylvania , và một biến thể của Rhex được thương mại hóa bởi BostonDynamics là một robot vượt địa hình ghồ ghề

3.2.1 RHex platform

RHex platform được phát triển từ 1999

-2004 trong một sự hợp tác giữa các trường

đại học liên McGill và một số trường đại

học Mỹ, với sự tài trợ từ DARPA RHex đã

liên tục được cải thiện trong nhiều năm qua

- RHex là một robot nhỏ gọn và nhanh

nhẹn Robot này có thể đi bộ và chạy lên

đến 2,7 m / s trên địa hình phẳng ,đi trên môi trường ngoài trời rất đa dạng, leodốc trên 40 độ, và các tuyến đường sắt đi qua mặt gồ ghề và bụi gai Phát triển RHexcũng chứng minh rằng một robot đặc biệt nhanh nhẹn có thể là kết quả từ sự kết hợpcủa sự di chuyển các chân theo thứ tự

3.2.2 Shelley-Rhex

- Trong năm 2001, Robot RHex đã được

chạy và trình diễn lần đầu tiên với khả

năng lội nước.Nó đi trên một bãi biển đầy

cát trắng vào một cái hồ, bơi bằng các

chân đó từ trên bề mặt, và bước trở ra

trên đất qua những tảng đá trơn.Để bảo vệ các thiết bị điện tử từ tác động bên ngoài,bụi bẩn và độ ẩm, một dự án đã được thực hiện để thay thế vỏ

- Shelley-Rhex được phát triển dựa trên nền tảng robot Rhex Platform nhằm cải thiệnkhả năng vượt địa hình và có thể bơi được trên mặt nước.

3.2.3 Rugged-Rhex

- Robot Rugged-RHex được thiết kế trên

một nỗ lực để khám phá ứng dụng của

robot phục vụ trong lĩnh vực thương mại,

"backpackable" robot không người lái đó

là sản phẩm của quân đội Hoa Kỳ Điều

này tạo phản ứng từ các nhà tài trợ bày tỏ

quan tâm của họ sau khi các quan sát về

khả năng hoạt động của các phiên bản

trước của robot Rhex

- Rugged-Rhex được thiết kế với khả năng mang thêm được vật năng có tải trọng 2kgvới khoảng cách đi lại là 2 km, thời gian hoạt động lên đến 6h và có khả năng chốngnước / hoạt động trong mưa

3.2.4 AQUA

- Dựa trên nền tảng Rugged-RHex, mục

tiêu của dự án là AQUA để phát triển một

nền tảng và hệ thống máy tính tầm nhìn có

khả năng tạo ra các bản đồ ba chiều của

các rạn san hô (www.aquarobot.net) Các

nền tảng đã được yêu cầu phải có khả năng đi bộ trên cả đất và nước, và bơi lội ở độsâu 10m Phát triển của nền tảng AQUA có được là nhờ sự hỗ trợ của Inst Canadacho Robotics và hệ thống thông minh (IRIS)

3.2.5 X-Rhex

- XRhex là phiên bản nâng cấp của Rhex

với các cải tiến đáng kể về mặt kết cấu

khi có thêm hệ thống tải trọng trên chóp

robot cùng khả năng di chuyển linh hoạt

- XRhex được trang bị nhiều kĩ năng như

leo cầu thang, bật nhảy, lộn, leo đốc và

khả năng tạo được mô hình 3D của môi

trường xung quanh

- Trọng lượng của robot được giảm đáng kể, công suất động cơ được cải thiện khiXRhex được trang bị động cơ DC không chổi than với độ bền cao và tiết kiệm nănglượng

3.2.6 XRL

- X-RHex Lite (XRL) là một nghiên cứu

thiết kế trong phương pháp của việc sử

dụng phòng thí nghiệm tương tự trên chân

các thành phần như X-RHex, trong một

cấu hình hơi khác nhau để đơn giản hóa

chế tạo, trong khi giảm thiểu trọng

lượng XRL được thiết kế với kích thước

không gian giống nhau gần như Rhex

Platform, nhưng được xây dựng thông qua một thiết kế lồng vào nhau của miếng nhômphẳng gia công sử dụng một máy cắt bằng tia nước, chứ không phải là phayCNC Xung quanh khung của robot là một lớp vỏ hoàn toàn bằng sợi carbon (tương tựnhư "Shelly-RHex" biến thể), phục vụ cả hai như là một vỏ bảo vệ cũng như một cấutrúc, đặc biệt là cho làm cứng tải khi gắn kết chân

3.2.7 Edu robot

- Một biến thể khác của robot Rhex là

Edu robot được nghiên cứu bởi IEEE

International Conference on Robotics and

Automation năm 2011.

- Edu robot có thể thay đổi độ cứng của thân bằng cách thay đổi kích thước củachân, dẫn đến sự linh hoạt trong di chuyển trên địa hình gồ ghề.

3.2.8 SprawHex Platform

- Một biến thể được phát triển từ Rhex

nữa là SprawlHex Platform được nghiên cứu

bởi University of California, Berkeley, CA,

USA năm 2008

3.2.9 robot

- Ngoài ra, một biến thể đặc biệt được kế

hợp giữa robot Rhex và Edu robot là robot

được nghiên cứu bởi nhóm sinh viên trường

Đại học Princeton năm 2013

- xJu¨s robot là robot 6 chân đầu tiên với

một điều chỉnh độ cứng cột sống thụ

động-compliant, được thiết kế để lưu trữ năng lượng cơ thể và giảm lãng phí bằng cách giảmthiểu các lực lượng nội bộ mâu thuẫn Kết quả cho thấy việc giảm yêu cầu mô menđộng cơ khi tuân thủ sống được giới thiệu trên địa hình bằng phẳng, cũng như cải thiệnkhả năng để vượt qua những trở ngại lớn Các thành phần cơ khí điện tử phần mềmthiết kế trong việc xây dựng một máy chi phí mô-đun và thấp, cũng như các phươngpháp thử nghiệm và kết quả ban đầu

- Dự án này kết hợp thêm cảm hứng sinh học vào các hình thái RHex bằng cáchthêm một xương sống thụ động tuân thủ giúp robot có tiết kiệm năng lượng tối đa vàlinh hoạt trong quá trình di chuyển

3.3 Tìm bên trong

- Mô hình sơ bộ của robot Xjus

Tín hiệu phản hồi

Địa hình bên ngoài

Hệ thống

điều khiển

Hệ thống

cơ khí

- Các modul của hệ thống điều khiển:

+) Modul động cơ robot

+) Modul chân robot

+) Modul thân robot

+) Modul pin robot

3.4 Khảo sát hệ thống

3.4.1 Tìm kiếm giải pháp về năng lượng và vật liệu cho robot xJus:

- Pin

- Năng lượng mặt trời

- Động cơ hơi nước

- So sánh ưu nhược điểm của Pin và động cơ đốt trong:

- Khó thiết kế và điều khiển

- Tỏa nhiệt lớn, tiếng ồn, ô nhiễm

Năng lượng mặt trời

- Thân thiện môi trường

(a x b x h)

(a x b x h)

Vật

170x20x170 thườngThép

5 – Trên cả mong đợi

Tiêu chí đánh

giá

Trọng số (%)

Đánh giá Điểm

Đánh giá Điểm

Đánh giá Điểm

Điểm 100 3.25 140.5 3.35 106.2 12.65 269.52

Kết luận: Nhóm phát triển sản phẩm mẫu dựa trên concept A.

3.6.2 Mô tả chi tiết concept được chọn

Mật độ công suất robot mức

78-Không chổi than