Thiết kế robot vệ sinh mặt hồ sử dụng năng lượng mặt trời

Robot được thiết kế nhằm thực thi công việc vệ sinh mặt hồ bơi, hệ thống chấp hành của robot gồm guồng gạt thu rác, guồng gạt đẩy nước, bánh xe và chân vịt để chuyển hướng robot, pin Mặt

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY UY

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S 0 9

THIẾT KẾ ROBOT VỆ SINH MẶT HỒ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

S KC 0 0 3 9 5 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

SỬ DUN ̣ G NĂNG LƯƠN ̣ G MĂT ̣ TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY UY

THIẾT KẾ ROBOT VỆ SINH MẶT HỒ SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204

Hướng dẫn khoa học:

TS HUỲNH NGUYỄN HOÀNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ và tên: Nguyễn Duy Uy Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 06 – 10 – 1985 Nơi sinh: Hải Hưng

Quê quán: Hải Hưng Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 30/4, Châu Văn Liêm, Tổ 2, KP4, P Xuân Thanh, Thị xã Long

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: 10/2005 – 10/2010

Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy

Tên luận văn tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy bóc vỏ hạt cà phê

Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2010

Người hướng dẫn: TS Trần Ngọc Hào

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

03/2010 – 06/2011 Công ty Lilama 45.4 Jsc Kỹ sư giám sát

07/2011 – đến nay Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực.Ngoài các phần tham khảo từ tài liệu, các phần bản thân tự nghiên cứu chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng 04 năm 2013

NGUYỄN DUY UY

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân:

Tiến sĩ HUỲNH NGUYỄN HOÀNG đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn khoa học

và giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Quý Thầy Cô ở Phòng đào tạo và tất cả quý Thầy Cô ở Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Khoa Điện, quý Thầy Cô giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Gia đình, các anh em, các bạn học viên cùng lớp và những người thân đã giúp

đỡ, đóng góp ý kiến, động viên tôi trong suốt thời gian học tập

Trân trọng!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng 04 năm 2013

NGUYỄN DUY UY

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn thiết kế robot vệ sinh mặt hồ sử dụng năng lượng mặt trời Robot được thiết kế nhằm thực thi công việc vệ sinh mặt hồ bơi, hệ thống chấp hành của robot gồm guồng gạt thu rác, guồng gạt đẩy nước, bánh xe và chân vịt để chuyển hướng robot, pin Mặt Trời nhưng đều có chung hệ thống điều khiển Robot chủ yếuhoạt động

ở các bể bơi gia đình, khách sạn, bể bơi dịch vụ công cộng,…Với kích thước bể bơi được sắp xếp và bố trí theo sơ đồ thiết kế Robot di chuyển trên mặt nước nhờ hai đế phao, guồng gạt phía trước có tác dụng thu gom rác và kéo robot di chuyển, guồng gạt phía sau có tác dụng chính là đẩy robot di chuyển nhưng đồng thời cũng giúp robot không bị kẹt rác, 4 góc robot được bố trí 4 bánh xe nhằm chống va đập thân robot vào thành bể bơi, trong đó 2 bánh trước quay để chuyển hướng robot khi đi vào góc của bể bơi.Phía sau robot được lắp đặt hệ thống bánh láiđể chuyển hướng robot.Phía trước robot được đặt cảm biến quang nhằm phát hiện vật có kích thước lớn.Phía trên thân robot có đặt cảm biến quang trở để robot nhận biết ban ngày - đêm và điều này giúp robot chọn chế độ hoạt động khi làm việc Tấm pin Mặt Trời được đặt trên thân robot nhằm cung cấp năng nượng cho robot hoạt động.Ngoài ra, chúng ta có thể dùng bộ điều khiển từ xa để điều khiển robot thông qua kết nối không dây bằng sóng RF

Ứng dụng vi điều khiển PIC 18F4431 làm bộ xử lý trung tâm để điều khiển các hoạt động của robot Lập trình điều khiển robot bằng ngô ngữ C với trình biên dịch PIC C Compiler.Kiểm tra kết quả thực nghiệm robot thực hiện công việc đạt được các yêu cầu đặt ra

ABSTRACT

Dissertation on designing robotic pool cleaner using the solar power Robotic is designed to carry out the work pool cleaning, system of robotic includes front paddlewheel, rear paddlewheel, bumper wheels, screw propeller, solar panels but share of control system Robotic primarily operates in homes, hotels, public pools, etc with dimension pool is sorted and arranged according to the diagram designer Robotic moves on surface water by float; Front paddlewheel collect leaves, dust, pollen, etc and propulsion; Rear paddlewheel of robotic is for propulsion and help the unit the reverse to back away from the obstacle; 4 corners of robotic is placed 4 bumper wheels, thing is going to follow the edge of the pool, any time the unit collides with a wall of the pool and they are particularly good at casing the vessle to

do a hard right or a hard left turn each time it encounters a wall of the pool, casing the vessle to quickly maneuver out of corners and around obstacles.Behind the robotic is placed a screw propeller to change way of the unit In front of the robotic is placed an optical sensor to detect the things large Top site of the unit is placed a resistance optical detector to identify light or dark and the thing help it to choose mode when the unit works The solar panels are placed on top site of the robotic is feeding source power to the unit Also, we can use the remote to control the robotic via wireless connection using RF waves

PIC 18F4431 microcontroller applications central processor to control the operation of the robotic.Robotic controller programming in C language with the PIC C compiler The experimental results robots do the work to achieve the requirements set out

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài

nước đã công bố 1

1.1.1.Giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.1.2.Phân loại robot 2

1.1.3.Một số dạng điều khiển 5

1.1.4.Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 5

1.2.Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 11

1.3.Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 11

1.4.Phương pháp nghiên cứu 12

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Điều kiện ổn định của vật nổi trong chất lỏng 13

2.1.1.Định luật Archimede 13

2.1.2.Điều kiễn ổn định của vật rắn ngập trong chất lỏng 13

2.2 Thiết kế các cơ cấu thu gom rác 14

2.2.1 Các nguyên lý thu gom rác 14

2.2.2 Lực tác động lên vật ngập trong chất lỏng chuyển động 17

2.2.3.Mô hình động học 19

2.3 Pin mặt trời 20

2.3.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 20

2.3.2 Các đặc trưng của pin Mặt Trời 20

2.4 Vi điều khiển 24

2.4.1.Giới thiệu về vi điều khiển PIC 18F4431 24

2.4.2 Chức năng của từng chân 25

2.4.3 Ngắt (interrupts) 27

2.5 Lý thuyết về phần mềm – chường trình điều khiển robot 27

2.5.1 Các khâu chính trong quá trình hoạt động của robot 27

2.5.2 Phương pháp điều khiển 28

Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 3.1 Thiết kế cơ khí 31

3.1.1 Đế phao di chuyển 32

3.1.2 Áp lực thủy tĩnh lên thành phẳng của phao robot và chuyển động ma sát tấm đế phẳng của thân robot 33

3.1.3 Cơ cấu thu rác của Robot 35

3.1.4 Tính toán công suất của guồng cánh gạt 36

3.1.5 Tính toán lực tác động lên bánh lái và moment của trục bánh lái 41

3.1.6 Phần điều hướng bánh lái của robot sử dụng vitme – đai ốc 44

3.1.7 Bộ phận đổi hướng và chống va chạm của robot sử dụng bánh xe cao su 49

3.2 Thiết kế bộ điều khiển và lập trình cho robot 50

3.2.1 phần cứng 50

3.2.2 Lập trình điều khiển robot 61

3.3 Tính toán diện tích pin mặt trời và khả năng tích trữ của acquy 64

3.3.1 Diện tích pin Mặt Trời 64

3.3.2 Khả năng tích trữ của Acquy 65

3.3.3 Sơ đồ hệ thống pin Mặt Trời 65

Chương 4: KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Kết cấu cơ khí 66

4.1.1 Đế phao di chuyển 66

4.1.2 Guồng cánh gạt thu rác 66

4.1.3 Guồng cánh gạt đẩy nước 67

4.1.4 Bánh lái 68

4.1.5 Bánh xe chuyển hướng 68

4.1.6 Khay chứa rác 69

4.2 Mạch điều khiển sử dụng trong robot 70

4.2.1 Mạch điều khiển robot 70

4.2.2 Khối cách ly và động lực 70

4.2.3 Cảm biến IR 70

4.2.4 Cảm biến quang trở 71

4.2.5 Bộ điều khiển RF 72

4.3 Các bước tiến hành thực nghiệm 73

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận 76

5.2 Hướng phát triển cho tương lai 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 79

Hình 1.6 - Mô hình máy dọn rác trên mặt nước 6

Hình 1.8 - Swimming pool cleaning robots – Surrey 7

Hình 2.1 – Các trạng thái của vật trong chất lỏng 13

Hình 2.2 – Vị trí tâm đẩy Archimede và tâm khối của vật 14 Hình 2.3 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý nhặt rác 15

Hình 2.4 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý cào rác 16 Hình 2.5 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý

sàng cát để tách rác và đưa vào thùng chứa 17 Hình 2.6 – sơ đồ lực tác dụng lên vật ngập trong chất lỏng 17

Hình 2.11 - Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431 25 Hình 2.12 - Sơ đồ cấu trúc hoạt động của robot 28

Hình 3.2 - Sơ đồ lực tác dụng lên đế phao robot 32 Hình 3.3 - Sơ đồ lực tác động lên thân trước robot 33

Hình 3.4 – chuyển động masát tấm đế và thành bên robot 34

Hình 3.7 – Sơ đồ lực tác dụng lên bánh lái 41 Hình 3.8 - Đồ thị xác định các hệ số lực và moment thủy động trên bánh lái 42

Hình 3.9 – Cơ cấu điều hướng bánh lái của robot 44 Hình 3.10 – Bánh xe chuyển hướng và chống va chạm của robot 48

Hình 3.19 – Sơ đồ nguyên lý mạch đèn báo trạng thái 54 Hình 3.20 - Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của robot 55

Hình 3.21 – Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát cảm biến IR loại 1 56 Hình 3.22 – Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát cảm biến IR loại 2 56

Hình 3.23 – Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện vật cản 57 Hình 3.24 – Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang trở 57

Hình 3.25 – Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát nRF24L01+ 58

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 - Bảng tính lực tác động lên bánh lái và moment của trục bánh lái 43

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố:

1.1.1.Giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu

Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Do nhu cầu cần hòa nhập ngày càng nhiều với quá trình sản xuất phức tạp nên robot cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn Ngày nay, ngoài những ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển

Hình dạng robot đầu tiên xuất hiện ở Mỹ, là loại robot tay máy chép hình dùng trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 thế kỷ trước, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự di động Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó Ngược lại, mobile robot là loại robot di động có thể di chuyển từ không gian này tới không gian khác một cách độc lập hay có điều khiển từ xa, do đó tạo nên không gian hoạt động linh hoạt và lớn hơn

Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi trường

tự nhiên Với sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục

vụ công nghiệp sang robot phục vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người

1.1.2.Phân loại robot

Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc phân loại chúng được dễ dàng Có 4 yếu tố chính để phân loại robot như sau:

Theo hình dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động Tuy nhiên trong giới hạn của đề tài này chỉ đề cập đến lĩnh vực nghiên cứu là robot di động dùng trong phục vụ Robot di động là một hệ robot có khả năng thực hiện các nhiệm vụ ở nhiều vị trí khác nhau với khả năng dịch chuyển bằng bánh xe, xích hay bằng chân phụ thuộc vào địa hình Đối với robot di chuyển trên nước, dưới nước hay trên không ta cần có động cơ cánh quạt, guồng cánh gạt, chân vịt hay động cơ phản lực để tạo chuyển động cho robot Khả năng di động làm robot có nhiều ứng dụng và đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề mới Một trong những vấn đề chung cần nghiên cứu ở các loại robot di động là khả năng xác định phương hướng của robot

Robot di động có thể phân loại bằng các cách:

 Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển:

 Robot ngoài trời và robot trong nhà Thông thường, chúng được lắp bánh

xe, nhưng cũng có loại robot có chân (gồm 2 hoặc nhiều chân) như robot hình người, robot hình dạng động vật hoặc côn trùng

Hình 1.1 – Robot hình người và hình dáng động vật

 Robot trên không thường dùng cho các phương tiện trên không, phương tiện không người lái

Hình 1.2 – Robot trên không

 Robot dưới nước dùng cho các phương tiện hoạt động dưới nước, chúng hoạt động độc lập

Hình 1.3 – Robot dưới nước

 Phân loại theo phương pháp di chuyển:

 Robot có chân, chân giống người hay chân giống động vật

- 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 đí qua những vật cản như hố, vết nứt sâu một cách dễ dàng

- Nhược điểm chính của loại robot này chính là chế tạo quá phức tạp Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot, đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các kỹ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm tốc độ cứng vững của robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao

 Robot di chuyển bằng bánh xe

Hình 1.4 – Robot di chuyển bằng dạng bánh xích hoặc bánh đa hướng

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành Các loại bánh xe có bản:

+ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc

+ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái

+ Bánh Sweddish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc

 Robot di chuyển bằng bánh xe kiểu guồng gạt nước và hệ thống chân vịt

Loại bánh xe này dùng cho robot di chuyển trên mặt nước và được điều hướng bằng hệ thống chân vịt, khi di chuyển trên nước thì việc điều khiển rất khó chính xác do lực quán tính

 Robot di chuyển bằng bánh xích

Loại robot này chuyển động bằng các bánh có lắp xích như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển các địa hình phức tạp Để đổi hướng nó có thể thay đổi tốc độ quay của 2 bánh xích chủ động Tuy nhiên, do chuyển động bằng xích khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện tượng trượt, do đó khó điều khiển chính xác Một số vấn đề nữa là loại robot này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt là khi chuyển hướng