Đề tài nghiên cứu, thiết kế robot vệ sinh hồ bơi

Kỹ thuật, báo cáo, đề tài, luận văn, khóa luận

Hình 1.1: CLEARNING POOL ROBOT [1]

DOLPHIN MOBY CLEANERS là loại máy nhỏ gọn với các chổi quét hoạt động mạnh mẽ chùi rửa và hút nước cùng rác bẩn vào bộ lọc ở bên trong thân máy

Tự lập trình cho máy tùy chọn quét, nhỏ nhẹ dễ dàng sử dụng và vảo trí [1] DOLPHIN WAVE ROBOTIC POOL CLEANER là loại máy công suât lớn cho phép điều khiển tự động, bằng tay, có thể lập trình theo kích thước của hồ bơi do đó

có thể dùng được cho nhiều hồ bơi Có bộ điều khiển từ xa.[2]

Aquabot robot sử dụng công nghệ vi xử lý phối hợp với sensor cảm biến độ sạch của nước Nó sử dụng động cơ điều khiển chổi quét phía trước và phía sau,

HÌNH 1.2: DOLPHIN WAVE ROBOTIC POOL CLEANER [2]

Với loại máy vệ sinh hồ bơi tự động dùng áp suất thì cách tạo ra áp suất của nước

do một cái bơm Bơm có thể là bơm chính phục vụ cho lưu thông hay nó có thể là bơm chuyên dụng (động cơ phụ) Máy lau hồ tự động dùng áp suất chạy bằng áp suất nước từ bơm để đưa máy chạy vòng quanh hồ và cũng là lực để đưa rác bẩn vào túi (dùng để chứa rác bẩn) Lợi ích tốt nhất của máy lau hồ tự động dùng áp suất là nó không hút các chất bẩn vào bộ lọc của hồ hay túi của bơm (cho phép ta có nhiều thời gian hơn ở các lần thực hiện lau hồ) Nếu hồ được bao phủ bởi các rặng cây, hay nếu có nhiều rác bẩn bên trong hồ thì một máy lau hồ tự động dùng áp suất

là sự lựa chọn tốt nhất của bạn.[4]

Nếu như trước đây, người ta thường giữ cho hồ bơi lâu bẩn bằng cách dùng chất Clo - có rất nhiều tác hại đến con người, để tiêu diệt vi khuẩn trong nước thì giờ đây đã có hẳn một chú robot thông minh giúp con người không cần phải dùng đến clo Đó là iRobot Verro - chuyên gia vệ sinh hồ bơi Bạn chỉ việc thả iRobot Verro xuống hồ, nó sẽ tự động nhẹ nhàng “lặn” xuống dưới đáy hồ và tiến hành dọn dẹp

vệ sinh bằng cách dùng các vòi hydro để tẩy các vết bẩn và tiêu diệt vi khuẩn trong hồ Verro còn có thể dọn dẹp các vách tường thành xung quanh thành hồ cũng như các bậc thang lên xuống.Robot Verro gồm có hai loại khác nhau: Verro 300 tương thích tốt với các

HÌNH 1.3: DYNAMICPRO [4]

Aquabot sử dụng công nghệ của bộ vi xử lý kết hợp với một số các thiết bị cảm biến về độ sạch với độ lớn của hồ lên tới 40 feed chiều dài Aquabot cung cấp cho bạn sự tiện lợi của hồ bơi hoàn chỉnh làm sạch từng tầng đến mực nước sâu nhất, xung quanh thành và đáy hồ bơi chỉ với một nút nhấn Aquabot cắt giảm tổng chi phí bảo trì hồ bơi (chlorine, điện, nước, vv) bảo vệ môi trường

Để làm sạch hồ bơi, ta có nhiều phương pháp để thực hiện, tuy nhiên phương pháp nào, mà hiệu quả kinh tế cao nhất, tiết kiệm nhất thì đó mới là việc chúng ta cần phải tính toán Nhằm đạt đến mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành tìm hiểu, thu thập số liệu, tính toán và đi đến thống nhất quyết định thiết kế ROBOT vệ sinh hồ bơi

HÌNH 1.4: IROBOT [5]

Trong đề tài này nhóm nghiên cứu đã tính toán, thiết kế, đưa ra các phương

án thiết kế từ hình thức làm sạch đến các phương án di chuyển, sau khi so sánh các phương án khác nhau, nhóm quyết định chọn phương án làm sạch bằng chổi quay kết hợp với bơm hút rác vào lòng, đồng thời chọn phương án di chuyển điều khiển bằng tay trong giai đoạn 1 của đề tài, và di chuyển theo chương trình trong giai đoạn 2

Hình 1.5: Pool Rover ROBOT [6]

là loại động cơ nhỏ phục vụ bơm trong hồ nuôi cá cảnh và loại loại công suất lớn dùng cho bơm nước loại bơm chìm Tính toán chi tiết như sau:

I Thiết kế phần cơ khí

• Cơ sở lý thuyết: kích thước của ROBOT 600 x 350 x 250 mm, với mực nước sâu nhất ở các hồ bơi là 2,4m, vậy ta có thể biết khối lượng nước tác dụng lên than ROBOT

• Khối lượng của bản than ROBOT khoảng 25kg

• Lực cản của nước trong quá trình ROBOT di chuyển

1.1 Thiết kế phần khung sườn chính

Với điều kiện làm việc trong môi trường nước do đó phần cơ khí của ROBOT phải đảm bảo không bị gỉ sét, bảo đảm độ bền, độ cứng và ổn định lâu dài Đồng thời phải thỏa mãn tính kinh tế của sản phẩm do đó phần cơ khí của ROBOT sẽ được chế tạo bằng thép không rỉ hoặc bằng thép kết cấu và sơn tĩnh điện bảo vệ

Từ những yêu cầu và điều kiện làm việc của ROBOT cũng như thiết

bị có sẵn trên thị trường, phần cơ khí của ROBOT được thiết kế như sau:

HÌNH 2.1: Khung sườn chính 1.2 Thiết kế cụm truyền động dẫn hướng

Bánh xe được chế tạo bằng nhôm có kích thước R=50mm, chiều rộng bánh xe d = 20mm, phay rãnh 4mm

Hình 2.2: Bánh xe dẫn động

Hình 2.3: Hộp giảm tốc và bánh chủ động

Hình2.4: Cụm bánh bị động và tăng đơ căng đai

Thiết kế phần dẫn động và chuyển hướng của ROBOT

Phần dẫn động của ROBOT gồm: Động cơ DC12v-15A , hộp giảm tốc, bánh xe, đai truyền , tấm gá

Hình 2.5: Tấm đế gá mô tơ

Hình2.6: Cụm mô tơ gắn với tấm đỡ

Hình 2.7: Cụm truyền động dẫn hướng hoàn thành 1.3 Thiết kế bộ phận buồng hút, túi đựng rác

Hồ bơi nói chung không có rác loại lớn mà chủ yếu là cát, rác nhỏ mịn và

có một số lá cây, vì vậy yêu cầu của túi đựng rác phải chứa được các nhỏ

có kích thước cỡ 0,5 μm Túi đựng rác và buồng hút không cần quá rộng

Hình 2.8: Thùng rác Túi đựng rác dùng túi vải có mức độ lọc rác cỡ 0,5 μm Có đai cố định vào thùng

1.4 Thiết kế bộ phận chổi quét

Chổi quét được làm bằng các sợi nhựa và gắn vào trục Chổi được dẫn động quay bằng động cơ DC 12v-5A Chổi quét được lắp ở hai đầu của ROBOT và có chiều quay ngược nhau

Hinh 2.9: Phần chổi quét

Hình 2.10: Mô hình hoàn thành

Hình 2.11: Bản vẽ phân rã mô hình

Hình 2.12: Sản phẩm thực tế

2 Tính toán

2.1 Tính công suất động cơ bơm hút

Để đảm bảo lưu lượng nước được hút qua bộ lọc và tốc độ dòng chảy đủ mạnh để hút được sạch rác trong hồ bơi, đồng thời công suất vừa phải và thiết kế gọn đẹp đồng thời thiết bị có sẵn trên thị trường nhóm thiết kế chọn phương án dùng bơm cánh gạt ly tâm có sẵn trên thị trường

Do động cơ dùng cho bơm chìm có công suất nhỏ nhất là 0,5KW 1250 [7] vòng/phút do đó ta chọn động cơ 220V-0,5 KW-1250 vòng /phút

2.2 Tính công suất động cơ di chuyển

Để dảm bảo việc quét được sạch phù hợp với lưu lượng nước hút qua bơm ta chọn tốc độ di chuyển của ROBOT khoảng 15m-30m/ phút Với đường kính bánh

xe chủ động 100mm thì tốc độ của bánh xe khoảng 100v vòng/phút Với hộp giảm tốc 1/12 ta chọn động cơ cho hai bánh xe di chuyển như sau: động cơ DC 12V-

1250 vòng phút [8]

2.3 Tính công suất động cơ chổi quét

Hình 2.1: động cơ dẫn động cho chổi quét

Để dảm bảo việc quét được sạch phù hợp với lưu lượng nước hút qua bơm và tốc độ di chuyển của ROBOT khoảng 15m-30m/ phút, ta chọn tốc độ quay của chổi quét khoảng 300 vòng / phút với đường kính của chổi quét là 80mm, qua hộp giảm tốc 1/3 ta chọn động cơ truyền động cho chổi quét là động cơ DC 12V- 1200 vòng/ phút.[9]

đây chúng tôi chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ động cơ truyền động

Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc

độ đặt Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nguồn, mạch và tải nên khi các thông

số thay đổi thì tốc độ của động cơ sẽ bị thay đổi theo Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không cho phép Để khắc phục người ta dùng những phương pháp

ổn định tốc độ

Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến giải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ Độ ổn định càng cao thì giải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn

Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như:

• Điều chỉnh tham số

• Điều chỉnh điện áp nguồn

• Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

1.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và phương trình cơ bản của động cơ một chiều

1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than - vành góp Stator

Chức năng của chổi than - vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ ( một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm)

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích

từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện i chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ Giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

I k I a

a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

k: hệ số kết cấu của máy

Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục

1.2.3 Phân loại động cơ một chiều

Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra các loại như sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ

Hình 3.1: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp

với phần ứng

Hình 3.2: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích được mắc song song với phần ứng

Hình 3.3: Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích,

Hình 3.4: Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Từ phương trình cơ bản ta thấy có rất nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ở đây chúng tôi chỉ để cập đến các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng của động cơ điện

Về nguyên tắc, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp có thể sử dụng cho các động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ Tuy nhiên trong thực tế nó được sử dụng chủ yếu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập Điều đó được rút ra từ phương trình đặc tính cơ của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

Từ phương trình trên ta thấy khi Rư, Rpư, M, k, Φ không đổi, nếu ta thay đổi

U thì tốc độ góc ω của động cơ sẽ thay đổi

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn

Hình 3.5: Điểu chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ điều chỉnh điện áp và bộ chỉnh lưu

điôt Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển

Hình 3.6: Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển

Sơ đồ hình 3.5 muốn thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ ta phải sử dụng bộ điều chỉnh điện áp

Sơ đồ 3.6 điện áp đặt lên phần ứng động cơ phụ thuộc góc mở của Thysistor của bộ chỉnh lưu có điều khiển

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp

Phương pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách có chu kỳ Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được đưa từ nguồn vào động cơ Năng lượng này phần chủ yếu được truyền qua trục của động

cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ Khi ngắt động

cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lượng tích luỹ

đó

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương của bộ điều chỉnh xung áp

Hình 3.8: Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện

Trong hệ thống này nhờ một khoá chuyển đổi K (có thể là chuyển mạch cơ khí hay chuyển mạch điện từ) Mà phần ứng động cơ được đóng, ngắt một cách có chu kỳ vào nguồn điện một chiều có điện áp không đổi Trong khoảng thời gian t1 khoá K đóng, động cơ được cấp nguồn, nếu bỏ qua sụt áp trên khoá K thì

Ut = U

Trong khoảng thời gian t khoá K ngắt Do ảnh hưởng của các điện cảm phía

được sử dụng phổ biến hơn vì nó cho phạm vi điều chỉnh rộng hơn Phương pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản hơn nhưng phạm vi điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck → ∞ nghĩa là về thực chất ý nghĩa điều chỉnh xung không còn nữa

1.3.3 Phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều có đổi chiều quay

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, người ta thực hiện đổi chiều quay của nó theo nhiều cách khác nhau Nếu chiều của dòng điện kích từ cố định để đổi chiều quay của động cơ phải đổi cực tính của điện áp nguồn đặt vào phần ứng Cũng có thể giữ nguyên điện áp cực tính phần ứng nhưng đổi chiều dòng kích từ

Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo phương pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ

nối với âm nguồn Khi đó điện áp trung bình trên phần ứng động cơ là:

1.4 Một số phương pháp điều khiển tốc độ dùng Transistor và Thyristor

1.4.1 Phương án điều khiển dùng Transistor

Khi điều khiển tốc độ động cơ công suất nhỏ và điện áp phần ứng nhỏ người ta thường dùng sơ đồ điều khiển bằng Transistor vì việc điều khiển Transistor rất dễ dàng tiện lợi, mạch điều khiển đơn giản, độ tin cậy cao, đặc biệt khi sử dụng phương pháp điều khiển xung

1.4.1.1 Phương án điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều quay dùng Transistor

Hình 3.10: điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều quay dùng

Transistor

đại công suất T2 và T3 làm cho điện áp đặt vào phần ứng của động cơ một chiều thay đổi, do đó tốc độ động cơ thay đổi

1.4.1.2 Phương án điều khiển có đảo chiều quay

Nguyên lý làm việc, ở chế độ quay thuận: Người ta đưa xung điều khiển Udk1 vào cực bazơ của T1 và T4 lúc này cả 2 Transistor T1 và T4 đều mở do đó có dòng điện

đi từ dương nguồn qua T1 đến phần ứng động cơ rồi qua T4 về âm nguồn, động cơ quay theo chiều thuận

Hình 3.11: điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều quay dùng

Transistor

Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là 12±V Mạch phản hồi âm được báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán D1, D2 là 2 điôt ổn định điện áp cho khuếch đại thuật toán Tụ C1và C2 cùng với R10 có tác dụng lọc thành phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra khi ta đổi chiều quay Rf

là điện trở mạch phản hồi

Hình 3.12: mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay dùng

khuếch đại thuật toán và đèn bán dẫn công suất

ƒ Nguyên lý hoạt động:

Khi Udk có cực tính dương thì ở chân 6 của bộ khuếch đại thuật toán có điện áp âm đặt vào bazơ của T1 và T2 do T1 là loại npn và T2 là loại pnp do đó T1 khoá còn T2 dẫn Khi T2 dẫn thì âm nguồn (-12V) qua R5, qua T2 ( lúc này dẫn) đặt vào

T1 và T2 Lúc này T1 và T3 dẫn còn T2 va T4 khoá, do đó sẽ có dòng đi từ dương nguồn (+12V) qua T3 qua động cơ rồi về 0 làm cho động cơ quay theo chiều ngược lại Quá trình tự động giữ ổn định tốc độ động cơ giống như trên

2.Thiết kế phần điện – điều khiển

Do robot di chuyển đơn giản, số lượng động cơ ít nên mạch điều khiển cũng đơn giản Động cơ bơm dùng động cơ điện xoay chiều 220V-50hz Động cơ truyền động chuyển hướng dùng hai động cơ DC 12V-5A Động cơ chổi quét dùng động

cơ DC 12V- 5A Điều khiển hệ thống đơn gian chỉ là điều khiển on/off, do đó nhóm thiết kế chọn phương án điều khiển dùng vi xử lý kết hợp rơle

Trong phần thiết kế bộ phận điều khiển này sẽ bao gồm các phần sau:

° Các mạch điện ngoại vi

° Thiết kế và thi công mạch mạch điều khiển

° Thiết kế và thi công tủ điều khiển

2.1 Thiết kế và thi công các mạch điều khiển ngoại vi:

Trong phần này sẽ đưa ra các thiết kế cho mạch điều khiển ngoại vi Mạch điều khiển ngoại vi gồm nhiều các phần sau:

• Thiết kế hộp nút nhấn điều khiển và các thiết bị báo hiệu

2.1.1 Thiết kế mạch điện ngoại vi:

Trong tay điều khiển sẽ bao gồm các nút nhấn cơ bản cho hoạt động của