Thiết kế và chế tạo Robot hút bụi thông minh

Với kích thước nhỏ gọn robot có thể di chuyển hết các phòng, những nơi màmáy hút bụi thông thường khó vào được như gầm bàn, giường, sofa, … Hình 1.2 Kết cấu của Robot RoomBa.. Roomba có

Chương 1 Tổng quan về robot hút bụi thông minh

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay cùng với cuộc sống hiện đại tiện nghi khái niệm robot đã khôngcòn xa lạ với chúng ta Robot được sử dụng rộng rãi và phổ biến, không những xuấthiện trong sản xuất công nghiệp mà còn phục vụ trong gia đình, giải trí, gọi chung làrobot dịch vụ

Bên cạnh đó nhịp sống ngày càng gấp rút và hối hả hơn, chính vì vậy xuấthiện các robot phục vụ tự động trong gia đình trở nên cấp thiết hơn Sự xuất hiện củarobot hút bụi tự động sẽ mang lại cho chúng ta cuộc sống thêm tiện nghi và hiện đạihơn

Đồng hành với đó ta cũng thấy ngày càng nhiều cải tiến, nâng cấp trong lĩnhvực vi điều khiển Các bộ vi điều khiển hiện có trên thị trường rất đa dạng, tốc độ

xử lý ngày một cao, tính năng hỗ trợ ngày càng mạnh mẽ Có thể đưa ra tiêu biểunhư AVR, PIC, Psoc, …Đó là điều kiện thuận lợi để phát triển các hệ thống nhúng

đa dạng hơn, thông minh hơn

Trong xu thế cạnh tranh các hãng phát triển vi mạch cố gắng tăng mật độ tíchhợp trên vi mạch ngày càng cao, hạ giá thành đến mức thấp nhất Người sử dụng cóthể dễ dàng sỡ hữu một bộ vi điều khiển tốc độ cao giá rẽ, các công cụ phát triển

1.2 Giới thiệu một số robot hút bụi hiện nay

1.2.1 Robot Roomba

Robot Roomba của hãng iRobot là một robot hút bụi thông minh Khônggiống như các loại máy hút bụi thông thường Roomba thực hiện công việc hút bụimột cách hoàn toàn tự động theo chương trình đã được lập sẵn Roomba thích hợp chocác gia đình và văn phòng có nền gỗ, thảm, đá hoa

Hình 1.1 Robot hút bụi Roomba

Với kích thước nhỏ gọn robot có thể di chuyển hết các phòng, những nơi màmáy hút bụi thông thường khó vào được như gầm bàn, giường, sofa, …

Hình 1.2 Kết cấu của Robot RoomBa.

Các chức năng nổi bật của Roomba là điều khiển từ xa bằng remote control tựcảm nhận tránh vật cản, tự động sạc khi hết nguồn pin Roomba có khả năng di chuyểnlinh hoạt như di chuyển hình xoắn ốc, zig zag, …

Hình 1.3 Quỹ đạo di chuyển của robot RoomBa

Roomba được trang bị 3 chổi quét, trong đó chổi thứ nhất đặt phía trước cóchức năng quét bụi ở góc tường Chổi thứ hai và chổi thứ ba có chiều quay ngược nhauđưa bụi cũng như rác vào hộp đựng bụi Hộp này không những đựng bụi mà lọc cảkhông khí

Hình1.4 Hệ thống chổi của RoomBa

Robot Roomba có khả năng báo hết pin và tự động tìm nơi sạc pin

Hình 1.5 RoomBa tự động sạc pin

1.2.2 Robot LG Hombot

Hombot là một robot hút bụi thông minh thế hệ mới do hãng LG nghiên cứuchế tạo

Hình 1.6 Robot LG HomBot

Không những vượt trội trong thiết kế mà đột phá về công nghệ trang bị chorobot Hình dáng của robot là hình vuông được bo các góc tạo sự mượt mà cũng nhưtăng diện tích làm sạch trong các góc tường

Hình 1.7 Hình dáng và bố trí chổi quét góc tường

Hombot được trang bị hai chổi quét, cảm biến siêu âm, camera, …vì vậy nângcao hiệu quả làm việc cho robot

Hình 1.8 Kết cấu trên và bố trí cảm biến của Robot

Hệ thống cảm nhận vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm, cảm này giúpcho robot phát hiện vật cản hiệu quả, đo khoảng cách chuẩn xác Robot tiếp xúc vớivật cản từ khoảng cách rất nhỏ với chỉ 5 mm

Hình 1.9 Hombot tiếp xúc vật cản

Hình 1.10 Bố trí nguồn nuôi và chổi của Robot

Không giống như các robot hút bụi khác, Hombot hoạt động hiệu quả nhờ cácchế độ di chuyển hợp lý, như hình xoáy ốc, zigzag, phân ngăn, phân ô Trang bịcamera nhận biết không gian, từ đó đưa ra lịnh trình làm việc hiệu quả cao Ví dụ như:những nơi mà robot đã đi qua sẽ không lập lại, ưu tiên làm sạch ở những nơi bẩn hơn

Hình 1.11 Robot di chuyển kiểu Zigzag

Hình 1.12 Robot di chuyển phân ô

Hình 1.13 Robot di chuyển xoáy ốc

Robot LG Hombot xác định vị trí trong không gian, tự báo khi hết pin cũngnhư tự động tìm về chỗ sạc pin

Hình 1.14 Robot LG Hombot sạc pin

1.3 Phạm vi đề tài

Theo yêu cầu của quyết định thực hiện đề tài chỉ dừng lại công việc tính toán vàthiết kế robot hút bụi thông minh Bao gồm hai phần chính là cơ khí và điều khiển,trong đó phần thiết kế cơ khí nhằm mục đích đưa ra phương án cơ khí thích hợp cho đềtài được đưa ra Phần điều khiển có phần thiết kế các bo mạch điều khiển và thiết kếgiải thuật, chương trình điều khiển được sử dụng trong robot hút bụi thông minh

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Robot hút bụi thông minh sở hữu một kích thước nhỏ gọn hơn nhiều lần so vớinhững loại robot hút bụt cũ cồng kềnh khó sử dụng Nó có khả năng hoàn toàn tự độngkhông cần sự điều khiển của con người, tự động quét không gian cần dọn dẹp, tự độngtính toán con đường cần phải dọn dẹp nhanh nhất một cách chính xác, có thể tự điềuchỉnh tốc độ, lực hút với các loại vật liệu sàn khác nhau Khả năng kết nối với điệnthoại thông minh giúp người dùng có thể kiểm soát dễ dàng về vị trí vùng hoạt độngcho phép, tình trạng máy Giá thành của robot hút bụi thông minh thường cao hơn máy

hút bụi thường, nhưng có tính năng ưu việt tiết kiệm thời gian công sức cho người sửdụng

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu, yêu cầu kĩ thuật

2.1 Phương pháp nghiên cứu

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về Robot

Nguyên gốc của một từ Latinh là Robota có nghĩa là người tạp dịch Như vậy mục đích ra đời của robot là thay thế con người làm những việc nào đó.Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tựđộng, robot là một hệ thống cơ khí – điện tử Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranhcãi về vấn đề: “Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để gọi là một robot” Mộtcách gần chính xác, robot phải có một vài các đặc điểm sau đây:

+ Do con người tạo ra.

+ Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh.

+ Có thẻ tương tác với những vật thể trong môi trường.

+ Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường

và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã lập trình trước.+ Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theoyêu cầu của người sử dụng

+ Có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

+ Có sự khéo léo trong vận động

+ Dễ dàng mang đi mọi nơi

+ Các cơ cấu chấp hành được vận hành 1 cách linh hoạt

+ Bảo trì, bảo dưỡng 1 cách dễ dàng

* Các thành phần phần cứng của robot hút bụi:

a Phần thân robot

Khung robot có nhiệm vụ là nâng đỡ cả hệ thống của robot bao gồm như pin,mạch điều khiển, động cơ, các cảm biến, hộp đựng rác và một vài thành phần khác,mặt khác là hình dạng bên ngoài của robot vì vậy, khung robot có yêu cầu về tính thẩm

mỹ Vật liệu khung robot phải đảm bảo kỹ thuật như độ cứng vững, bền và nhẹ Đốivới các loại robot hút bụi trên thị trường hiện nay, phần lớn sử dụng vật liệu nhựa vìgiá thành rẻ, dễ gia công tạo khuôn, khối lượng nhỏ.Đối với đề tài đồ án này và quakhảo sát vật liệu trên thị trường thì vật liệu mica là lựa chọn thích hợp nhất

Hình 2.1 Một số loại vật liệu được

+ Động cơ cho chổi quét: Có thể sử dụng các loại động cơ từ 5V đến12V, có giảm tốc, khích thước nhỏ

+ Động cơ hút bụi: Sử dụng loại động cơ có tốc độ nhanh, momen lớn để

có thể hút các hạt bụt, vật nhỏ,

Ngoài ra còn có sử dụng thêm một động cơ servo để điều khiển hướng đi chorobot hút bụi

- Động cơ 24V DC: DC RS390

Động cơ DC RS390 là động cơ có thể chạy với tốc độ cao, dễ dàng chuyển đổi tốc

độ bằng cách thay đổi điện áp và có thiết kế nhỏ gọn

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động:

Gồm có 3 phần chính Stator (phần cảm), Rotor (Phần ứng) và cuối cùng là phầnchỉnh lưu (gồm chổi than và cổ góp)

 Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châmvĩnh cửu, hay nam châm điện

 Rotor là các cuộn dây quấn được nối với nguồn điện một chiều

 Bộ phận chỉnh lưu có, nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyểnđộng quay của rotor là liên tục

Nguyên tắc hoạt động

Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quaycủa rotor

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùngdấu, trở lại pha 1

Một số thông số kỹ thuật của động cơ

Hình 2.2 Bản vẽ kỹ thuật động cơ DC RS390

c Chổi quét

Robot hút bụi được trang bị 3 chổi quét bao gồm:

+ 2 chổi quét phụ được đặt phía trước có chức năng quét bụi những góc tườnghay kẽ hở Chổi được cấu tạo từ các sợi được làm từ vật liệu dẻo và bao gồm 3 bó đượcđặt lệch nhau 1 góc 1200 trên một bánh tròn

+ 1 chổi chính có chức năng quét những mảnh vụn cũng như đảo bụi Chổi lớnđược dẫn động bởi một động cơ 12V

d Hệ thống hút bụi

Một hệ thống hút bụi điển hình bao gồm phần hút, phần lọc Trang bị động cơ vàcánh quạt tạo lực hút cho hệ thống Lực hút mạnh hay yếu tùy thuộc vào công suất củađộng cơ

Nguyên lý hút bụi rất đơn giản, bên trong có một động cơ điện có tốc độ vòngquay rất cao, trên trục chuyển động của động cơ điện có lắp cánh quạt gió, khi động cơđiện hoạt động với tốc độ cao, cánh quạt gió sẽ quạt cùng với trục chuyển động với tốc

độ cao, như vậy không khí bên trong sẽ nhanh chóng thổi ra như một chiếc hộp rỗng

Để bù lại phần không khí đã mất sẽ có một luồng không khí nhanh chóng đi vào theo

sự chênh lệch về áp suất

Phần lọc có chức năng lọc sạch không khí đưa vào, giữ lại bụi bẩn cũng như cácthành phần không tốt cho sức khỏe của con người có trong không khí như vi khuẩnchẳng hạn Tùy thuộc vào như cầu lọc mà sử dụng nhiều vật liệu lọc khác nhau nhưgiấy lọc, lưới lọc, vải lọc, …

 Tránh hiện tượng rung lắc khi di chuyển.

 Bánh tự lựa đảm bảo 2 bậc tự do: xoay theo trục Z và X

 Dễ dàng tháo lắp và bảo trì, bảo dưỡng

f Mạch điều khiển và hệ thống cảm biến

- Vi điều khiển: Trong đề tài ta sử dụng mạch vi điều khiển với AdruinoATmega32 ATmega32 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãng Atmel, có

40 chân trong đó có 32 chân I/O, có 4 kênh điều xung PWM, sử dụng thạchanh ngoài Nhân AVR kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng Tất

cả các thanh ghi liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic cho phép 2thanh ghi độc lập được truy cập trong 1 lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ.Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường

Hình 2.3 Chi tiết chân Atmega32

- Gồm có:

1 Ba mươi hai chân kỹ thuật số (D0 đến D31)

2 Tám chân analogue-to-digital (A0 đến A7); chúng cũng có thể được sử dụnglàm chân kỹ thuật số

3 Bốn chân PWM

4 Các chi tiết ghim khác trong Hình 2.3

Hình 2.4 Sơ đồ mạch Arduino cho ATmega32

- Module L298N tích hợp mạch cầu H: Là một mạch tích hợp sử dụng IC L298 IC

L298 đã tích hợp sẵn hai mạch cầu H Ứng dụng trong việc điều khiển cùng lúc 2 động

cơ theo chiều quay bất kỳ kết hợp với điều xung PWM có thể điều chỉnh tốc độ quaycủa động cơ

Hình 2.5 Sơ chân cho Module L298N tích hợp mạch cầu H

Gồm:

-12V power, 5V power Đây là 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ Có thể cấp nguồn 9-12V ở 12V.

-có jumper 5V cho arduino

-Power GND là GND của nguồn cấp cho Động cơ (nối với GND của Arduino)-Gồm có 4 chân Input IN1, IN2, IN3, IN4

- Output A: nối với động cơ A

Hình 2.6 Sơ đồ nối mạch

- Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua: được sử dụng đề giao tiếp truyền

thông giữa robot và trình điều khiển thông qua kết nối không dây Kit RF thuphát wifi ESP8266 NoteMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoCESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trìnhbiên dịch của Adruino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng vàlập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên đơn giản Kit được dùng cho cácứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu, điều khiển qua sóng wifi, đặc biệt là cácứng dụng liên quan đến IoT

*Thông số kỹ thuật:

 IC chính: ESP8266

 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

 Kích thước: 25 x 50 mm

Hình 2.7 Sơ đồ chân ESP8266 NoteMCU Lua

- Các cảm biến được sử dụng: Robot hút bụi khi hoạt động cũng gặp vấn đề như va

chạm hay rơi ngã vì vậy cần có các cảm biến để phát hiện vật cản hoặc chống rơi 1 sốloại cảm biến có thể kể đến như cảm biến hồng ngoại E18-D80NK, hay cảm biến siêu

âm SRF05

Cảm biến siêu âm:

Hình 2.8 Cảm biến siêu âm SRF05

- Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phátsiêu âm Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm Sóng siêu âm

từ đầu phát truyền đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới)

sẽ phản xạ ngược trở lại và được đầu thu ghi lại Vận tốc truyền âm thanh trongkhông khí là một giá trị xác định trước, ít thay đổi Do đó nếu xác định đượckhoảng thời gian từ lúc phát sóng siêu âm tới lúc nó phản xạ về đầu thu sẽ quyđổi được khoảng cách từ cảm biến tới vật thể Cảm biến SRF05 cho khoảngcách đo tối đa lên tới 3-4 mét

Tín hiệu đầu ra: Digital (0V – 5V)

- SRF05 có thể thiết lập cách hoạt động thông qua các chân điều khiển MODE.Nối hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điềukhiển thông qua giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO

Hình 2.9 Sơ đồ chân cho cảm biến siêu âm SRF05 sử dụng 1 chân cho cả

TRIGGER và ECHO

- Ở chế độ này, một chân của vi xử lý sẽ điều khiển quá trình phát xung của cảm

biến siêu âm và việc đọc tín hiệu trả về Yêu cầu lúc đó chân MODE cần đượcnối đất (GND) Đầu tiên xuất một xung với độ rộng tối thiểu 10uS vào chânTRIGGER-ECHO (chân số 3) của cảm biến Sau đó vi xử lý tích hợp trên cảmbiến sẽ phát ra tín hiệu điều khiển đầu phát siêu âm Sau 700uS kể từ lúc kếtthúc tín hiệu điều khiển, từ chân TRIGGER-ECHO có thể đọc ra một xung mà

độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể

Hình 2.10 Sơ đồ thời gian cho SRF05 sử dụng 1 chân cho cả TRIGGER và ECHO

Hình 2.11 Sơ đồ chân cho cảm biến siêu âm SRF05 tách riêng 2 chân

TRIGGER và ECHO

- Modun cảm biến SRF05 có hai chân TRIGGER và ECHO riêng biệt Khi chânMODE để trống (chân MODE có điện trở kéo lên VCC, khi để trống nó sẽ nhậnmức điện áp VCC) SRF05 sẽ sử dụng cả 2 chân chức năng TRIGGER vàECHO cho việc điều khiển hoạt động của cảm biến

Hình 2.12 Sơ đồ thời gian cho SRF05 tách riêng 2 chân TRIGGER và ECHO

* Các mô hình điều khiển robot:

 Mô hình kiểu phản xạ:

CHẤP HÀNH CẢM NHẬN

Mô hình này không có khối điều khiển Thông tin từ khối cảm nhận được đưa ra thẳng tới khối chấp hành, từ đó cơ cấu chấp hành hoạt động Mô hình này có ưu điểm là tốc độ đáp ứng nhanh.

 Mô hình “sensor – plan - action”

Mô hình này có bộ điều khiển, thông tin của môi trường được cảm nhận và được truyền tới bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ phân tích và từ đó đưa ra thông tin điều khiển tới bộ chấp hành Mô hình này có tốc độ đáp ứng chậm

 Mô hình kiểu lai

Mô hình này là mô hình kết hợp giữa 2 kiểu mô hình trên Mô hình lai bao gồm nhiều cặp “cảm nhận – chấp hành” hoạt động như mô hình phản xạ, tốc

độ đáp ứng khá nhanh Bên cạnh đó có một khối điều khiển lập kế hoạch cho toàn bộ tác vụ của robot

2.2 Yêu cầu kỹ thuật Robot

 Robot hút bụi chỉ có nhiệm vụ di chuyển hút bụi và tránh vật cản phía trước Phần cơkhí của robot hút bụi vững chắc để mang những linh kiện như pin, mạch điều khiển,cảm biến, …

KẾ HOẠCH

KẾ HOẠCH

 Tốc độ di chuyển không quá nhỏ cũng không quá lớn, không gây khó khăn cho việcđiều khiển.

 Cơ cấu cơ khí nhỏ gọn không quá phức tạp, giúp cho robot di chuyển linh hoạt

 Kiểu dáng màu sắc đẹp

Chương 3 Thiết kế và tính toán về cơ khí 3.1 Thiết kế về cơ khí

3.1.1 Phương án xây dựng về cơ khí của robot

Thiết kế cơ khí của robot hút bụi bao gồm 2 phần chính sau:

+ Thiết lập bản vẽ, thực hiện trên phầm mềm 2D AutoCAD 2019 và 3D Solidworks + Hoàn thành xong bản vẽ, phân tích thiết kế

*Ý tưởng: Robot hút bụi 3 bánh, trong đó 2 bánh sau sẽ được được kết nối với 2động cơ điện DC 12V, bánh tự hành được đặt ở phía trước có chức năng điều chỉnhhướng cho robot Robot có hình tròn với đường kính là 300 mm và chiều cao là 110

mm Robot hút bụi được lắp đặt màn hình LCD và núm vặn Trang bị cụm chổi quétgiúp robot hút bụi phủi bụi tốt hơn

*Ưu điểm của phương pháp:

+ Hình dáng thiết kế nhỏ gọn

+ Di chuyển có độ linh hoạt cao

+ Đảm bảo các thông số kĩ thuật

*Nhược điểm của phương pháp:

+ Diện tích không gian robot rất hạn chế chỉ phù hợp hoạt động ở những nơi có góctường kèm

Hình 3.1 Mô hình của robot hút bụi

Hình 3.2 Bản vẽ tách của robot hút bụi

Từ bản vẽ tách, ta thấy robot gồm có: 1 mặt trên, 1 mặt dưới, 1 bộ khung, 1 động

cơ 12VDC, 1 nguồn 12V, 2 chổi quét phụ, 1 quạt to, 1 hệ thống hút bụi, 1 màn hìnhLCD, 1 núm vặn, 1 hộp đựng bụi và 2 cảm biến hồng ngoại

3.1.2 Thiết kế thân robot

Thân robot có đường kính là 300mm, chiều cao 110mm được sử dụng bằng nhựamica giúp tăng tính bền và sự linh hoạt trong di chuyển của robot hút bụi Khi sử dụngchất liệu bằng nhựa mica ta chọn động cơ 12VDC dễ dàng tạo công suất cho robot dichuyển

Hình 3.3 2D của mặt trước và mặt sau robot

Phần mặt trên robot gồm có: 1 màn hình LCD để hiện thị trạng thái, 1 núm vặn

để thay đổi chức năng của robot và 1 ổ cắm kết nối nguồn điện bên ngoài

Hình 3.4 Mô hình phần mặt trên của robot hút bụi

Phần mặt dưới của robot gồm có: 2 cảm biến hồng ngoại có chức năng giúptránh các vật cản trước mặt robot, 2 chổi quét phụ hỗ trợ 1 chổi quét chính để tăng khảnăng quạt bụi, 2 ống ra của hệ thống hút bụi đưa bụi vào hộp đựng bụi, 1 bánh xe dẫnhướng giúp robot di chuyển linh hoạt rẽ trái rẽ phải, 2 bánh xe di chuyển hỗ trợ chobánh xe dẫn hướng

Hình 3.5 Mô hình của phần mặt dưới của robot hút bụi