TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG
Lịch sử hình thành và phát triển
Thuật ngữ "robot" có nguồn gốc từ tiếng Séc "robota", nghĩa là "lao động cưỡng bức", lần đầu tiên được sử dụng trong vở kịch "Các Robot Toàn năng của Rossum" năm 1920 của Karel Čapek Sự phát triển của công nghiệp điện tử đã dẫn đến sự ra đời của robot tự động điện tử đầu tiên vào năm 1948 bởi William Grey Walter tại Bristol, Anh, cùng với các công cụ máy tính điều khiển số (CNC) do John T Parsons và Frank L Stulen phát triển Robot đầu tiên được lập trình, Unimate, được tạo ra bởi George Devol vào năm 1954 Khi robot có hình dạng và hành vi giống con người, chúng thường được gọi là người máy.
Robot đầu tiên xuất hiện tại Hoa Kỳ là loại tay máy chép hình trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 1950, bên cạnh tay máy chép hình cơ khí, tay máy chép hình thủy lực điện tử cũng được phát triển Tuy nhiên, nhược điểm chung của các tay máy thương mại là thiếu sự di động, hoạt động hạn chế quanh vị trí cố định Ngược lại, Robot di động (Mobile Robot) có khả năng di chuyển độc lập hoặc được điều khiển từ xa, tạo ra không gian hoạt động rộng lớn hơn.
Từ năm 1939 đến 1945, trong bối cảnh chiến tranh thế giới thứ hai, những con Robot di động đầu tiên đã ra đời Sự phát triển này là thành quả của những tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực nghiên cứu mới, bao gồm khoa học máy tính và điều khiển học.
Từ năm 1948 đến 1948, W.Gray Walter đã phát triển hai robot tên là Elmer và Elsie Những robot này được trang bị cảm biến ánh sáng, cho phép chúng di chuyển về phía nguồn sáng mà chúng phát hiện Ngoài ra, Elmer và Elsie còn có khả năng tránh và chuyển hướng khi gặp chướng ngại vật trên đường đi của mình.
Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển
“Beast” Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh Khi pin yếu nó sẽ tự tìm ổ cắm điện và cắm vào.
Vào năm 1969, Mowbot ra đời như con robot đầu tiên có khả năng cắt cỏ tự động Đồng thời, Stanford Cart, một robot di động, sử dụng camera để nhận diện đường kẻ trắng và di chuyển theo đường đã xác định.
“kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính toán.
Vào năm 1970, trong giai đoạn 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đã phát triển và nghiên cứu robot Shakey, được trang bị camera, kính gắm, cảm biến và bộ truyền thanh Shakey là robot đầu tiên có khả năng lý giải chuyển động của mình, cho phép nó nhận nhiều mệnh lệnh và tự động tính toán các bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ.
Năm 1976: trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ không người lái lên sao hỏa.
Năm 1977, bộ phim "Chiến tranh giữa các vì sao" phần I, A New Hope, đã giới thiệu R2D2, một robot di động hoạt động độc lập, và C3P0, một robot hình người, góp phần làm nổi bật hình ảnh robot trong lòng công chúng.
Vào năm 1980, thị hiếu người tiêu dùng đối với robot gia tăng, dẫn đến việc robot được bày bán và sử dụng trong gia đình Một ví dụ tiêu biểu là robot RB5X, vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay, cùng với nhiều mẫu robot HERO khác Đồng thời, robot Stanford Cart cũng có những bước phát triển nổi bật, có khả năng lái tàu biển vượt qua các chướng ngại vật và tạo ra bản đồ cho những khu vực mà nó đã di chuyển qua.
Năm 1995, robot di động lập trình Pioneer được bán với giá hợp lý, thúc đẩy sự gia tăng nghiên cứu về robot và sự quan tâm từ các trường đại học Kể từ đó, robot di động đã trở thành một phần thiết yếu trong chương trình giảng dạy tại các cơ sở giáo dục đại học.
Năm 1996-1997, NASA đã phóng tàu Mars Pathfinder với hai Robot Rover và Sojourner lên sao Hỏa Rover được thiết kế để thám hiểm bề mặt sao Hỏa dưới sự điều khiển từ mặt đất Sojourner được trang bị hệ thống tránh rủi ro cao, cho phép nó tự động tìm đường đi trên địa hình khắc nghiệt của sao Hỏa.
Năm 2001, dự án Swaim-Bots được khởi động, phát triển những con robot giống như bầy côn trùng Các robot này có khả năng tương tác với nhau và cùng nhau thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, tạo thành một hệ thống hoạt động đồng bộ.
Năm 2006, Sony ngừng sản xuất Aibo và Helpmate, trong khi PatrolBot trở nên phổ biến khi các robot di động cạnh tranh để giành vị trí độc quyền Sở an ninh Mỹ đã ngừng dự án MDARS-I nhưng lại đầu tư vào dự án MDARS-E, một loại robot an ninh tự động mới Cùng năm, TALON-Sword, một robot tự động trang bị vũ khí và lựu đạn, được ra mắt, trong khi Asimo của Honda đã phát triển khả năng chạy và leo cầu thang chỉ với hai chân giống như con người.
Phân loại Robot di động
1.2.1 Phân loại theo phương pháp di chuyển
Robot có chân, chân giống người hay động vật.
Robot di chuyển bằng chân
Robot di chuyển bằng xích, đai…
Hình 1.1 Robot di chuyển bằng đai xích
Robot di chuyển bằng bánh xe.
Hình 1.2 Robot di chuyển bằng bánh xe
1.2.2 Phân loại theo dạng điều khiển
* Điều khiển từ xa bằng tay:
Robot điều khiển từ xa bằng tay sử dụng công nghệ sóng RF, wifi, hồng ngoại hoặc Bluetooth, giúp con người tránh khỏi những tình huống nguy hiểm Một số ví dụ điển hình của loại robot này bao gồm Military-Robot và iRobot’s PackBot.
Hình 1.3 iRobot’s PackBot và Military-Robot
* Điều khiển theo lộ trình:
Những robot tự động đầu tiên chủ yếu là các robot theo lộ trình, hoạt động dựa trên các đường được sơn trên sàn hoặc trần nhà, hoặc theo dây điện Chúng sử dụng thuật toán đơn giản để giữ lộ trình thông qua bộ cảm biến trung tâm, nhưng không có khả năng vượt qua các chướng ngại vật và chỉ dừng lại khi gặp vật cản Hiện nay, nhiều mẫu robot này vẫn được cung cấp bởi các công ty như FMC, Egemin, HK System và một số công ty khác.
* Robot hoạt động ngẫu nhiên, độc lập:
Robot hoạt động độc lập thông qua các chuyển động ngẫu nhiên, như nhảy bật lên tường khi gặp vật cản Ví dụ điển hình là máy hút bụi Roomba và máy cắt cỏ Friendly Robotics, cả hai đều sử dụng cảm biến để nhận diện và phản ứng với môi trường xung quanh.
Hình 1.4 Máy hút bụi Rooma và Friendly
Ứng dụng của Robot di động
1.3.1 Ứng dụng trong quân sự quốc phòng
Theo các chuyên gia quân sự, rô-bốt điều khiển từ xa có khả năng di chuyển ở độ cao thấp, khiến chúng khó bị phát hiện Chúng có thể hoạt động trong môi trường ô nhiễm và sử dụng vũ khí hóa học, sinh học, đồng thời truyền tải hình ảnh chân thực từ chiến trường về trung tâm chỉ huy để xử lý thông tin.
Mới đây, tại diễn đàn những tiến bộ về công nghệ trang bị người lính tổ chức ở Luân Đôn, nước Anh vào ngày 14-3-2016, các quan chức Lục quân
Mỹ đã thông báo với phóng viên Tạp chí Military Technology về việc triển khai nhiều loại rô-bốt tiên tiến hơn trong các hoạt động tác chiến tương lai Điều này cho thấy sự gia tăng khả năng sử dụng rô-bốt cho nhiệm vụ vận tải, bảo vệ căn cứ và bảo vệ lực lượng đang được nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng Hiện tại, ước tính quân đội Mỹ đã triển khai khoảng 12.000 robot quân sự tại Iraq và Afghanistan, bao gồm các loại như robot dò mìn MarcBot, cùng với 3.000 robot đa năng Talon và 2.500 robot PackBot.
Số lượng robot mặt đất nhiều hơn máy bay không người lái 40% (khoảng 7.000 máy bay) Tính ra cứ 16 binh sĩ có một robot phục vụ; chỉ trong năm
2005, số lượng robot quân sự tăng từ 150 lên 5.000 con.
Hình 1.5 Một robot chiến đấu của quân đội Mỹ
Robot sát thủ tự động là một hệ thống vũ khí tiên tiến, có khả năng tự động nhận diện và tiêu diệt mục tiêu mà không cần sự can thiệp của con người.
1.3.2 Ứng dụng trong lao động sản xuất
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng Robot công nghiệp mang lại lợi ích vượt trội, bao gồm việc giảm khối lượng công việc cho công nhân và tăng hiệu suất lên tới 500-700% Với độ chính xác cao và tính an toàn vượt trội, các doanh nghiệp có lý do để tin tưởng vào một tương lai nơi nhà máy hoạt động hoàn toàn bằng Robot.
Hình 1.6 Robot trong sản xuất lắp ráp ôtô
1.3.3 Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học
Con người không thể đến những nơi như sao Hỏa, đáy biển hay núi lửa, vì vậy cần sử dụng robot tự hành với cấu trúc phù hợp với từng môi trường Robot Opportunity đã hoạt động trên sao Hỏa từ năm 2004 và vẫn tiếp tục hoạt động cho đến ngày 16 tháng 6 năm 2018, vượt qua kế hoạch 14 năm và 51 ngày Opportunity đã di chuyển, thực hiện các quan sát khoa học và gửi báo cáo về Trái Đất, đạt thời gian hoạt động gấp 55 lần so với tuổi thọ thiết kế ban đầu Đến ngày 23 tháng 1 năm 2018, robot này đã đi được tổng cộng 45,09 km.
Hình 1.7 Robot Opportunity trên Sao Hỏa
Hình 1.8 Robot MBARI’s ALTEX AUV
Robot MBARI’s ALTEX AUV là một robot hoạt động dưới đáy biển, có nhiệm vụ thăm dò các yếu tố như độ phóng xạ, áp suất và độ sâu Đồng thời, Robot Pioneer được thiết kế đặc biệt để dò tìm và kiểm tra nồng độ trong khu vực thảm họa Chernobyl.
Giới thiệu về Robot di động TLA6
1.4.1 Tính cơ động của TLA6
Robot TLA6 được trang bị bới 4 bánh Mecanum nên có thể chạy theo mọi hướng mà ta điều khiển:
Chạy tới, chạy lui, chạy trái, chạy phải.
Chạy lệch góc 45 0 sang trái hoặc sang phải.
Chạy xoay vòng trái, chạy xoay vòng phải.
Hình 1.9 Màn hình điều khiển và hướng di chuyển của TLA6
1.4.2 Ưu, nhược điểm của TLA6
Có thể Phát triển trên ôtô, xe nâng hàng, xe lăn cho người khuyết tật… giúp các phương tiện di chuyển cơ động và linh hoạt hơn.
Có khả năng ứng dụng ngay vào đời sống.
Di chuyển trong một số môi trường nhất định.
Sai lệch vị trí khi định vị trên hệ thống GPS.
Bánh xe có cấu tạo phức tạp.
Trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19 tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực trong hai năm qua, tôi đã quyết định đóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật và hỗ trợ ngành y tế bằng việc nghiên cứu chế tạo Robot TLA6 Robot này được thiết kế với khả năng di chuyển đa hướng nhờ bánh mecanum và được điều khiển qua Bluetooth Mục tiêu của tôi là tạo ra một chiếc xe có thể vận chuyển thức ăn, nước uống và thuốc đến các phòng bệnh mà không cần bác sĩ tiếp xúc trực tiếp với bệnh nhân, chỉ cần điều khiển từ xa.
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT TLA6
Sơ lược về phần mềm thiết kế
2.1.1 Giới thiệu phần mềm Inventor
Phần mềm Autodesk Inventor 2019 được thiết kế để xây dựng mô hình 3D, giúp người dùng tạo ra các nguyên mẫu mô phỏng chính xác về khối lượng, áp lực, độ ma sát và tải trọng của sản phẩm trong môi trường 3D Inventor tích hợp các công cụ mô phỏng và phân tích, cho phép thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến chi tiết máy, đồng thời hỗ trợ chuyển đổi từ bản vẽ 2D sang mô hình 3D Phần mềm này mang lại nhiều lợi ích cho người dùng AutoCAD, nhờ vào giao diện tương tự và khả năng hỗ trợ tệp DWG Inventor được sử dụng rộng rãi trong việc tạo nguyên mẫu kỹ thuật số, giúp kỹ sư thiết kế và mô phỏng sản phẩm mà không cần tạo mẫu vật lý Ngoài ra, Inventor còn cung cấp các công cụ nâng cao năng suất như Quản lý Dữ liệu Tích hợp và Tự động Cập nhật Bản vẽ Trong các ngành sản xuất như xe đạp leo núi và thuyền buồm, Inventor giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất sản phẩm, trong khi trong ngành khai khoáng, nó hỗ trợ phân tích ứng suất và mô phỏng chuyển động, từ đó giảm chi phí sản xuất và rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.
2.1.2 Quy trình thiết kế trong inventor
Xây dựng mô hình 3D trong Inventor là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều bước và công cụ thiết kế khác nhau Trình tự và nội dung công việc sẽ thay đổi tùy thuộc vào hình dáng của sản phẩm cần thiết kế Dưới đây là tóm tắt các bước cơ bản để tiến hành xây dựng mô hình 3D cho một sản phẩm cụ thể.
Khi thiết kế một chi tiết, việc đặt tên cho mô hình là rất quan trọng, vì tên chi tiết sẽ trở thành phần đầu của mô hình Điều này không chỉ giúp hạn chế khả năng ghi đè tệp cũ mà còn tạo thuận lợi cho quá trình tìm kiếm sản phẩm sau này.
Trong Solidworks, người dùng có thể mở bản vẽ thiết kế với ba mô đun chính: vẽ chi tiết (Part Design), thiết kế bản vẽ lắp (Assembly) và xuất bản vẽ 2D (Drawing) Việc chuyển đổi giữa các mô đun này rất thuận tiện và chúng có mối liên kết chặt chẽ với nhau.
Thiết kế bản vẽ chi tiết (Part Design) là quá trình tạo ra các chi tiết riêng lẻ Trong phần này, người sử dụng không thể thực hiện việc tạo ra các yếu tố khác ngoài các chi tiết đã được xác định trong bản vẽ.
2 chi tiết trên nó Bản vẽ này thường xuyên được sử dụng để thiết kế các chi tiết 3D.
Bản vẽ lắp (Assembly) là tài liệu quan trọng kết nối các chi tiết trong bản vẽ chi tiết, tạo thành một cụm chi tiết hoặc sản phẩm hoàn chỉnh Khi có sự thay đổi từ các bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp cũng sẽ tự động cập nhật các chi tiết tương ứng, đảm bảo tính chính xác và đồng bộ trong quá trình thiết kế.
Bản vẽ kỹ thuật là tài liệu quan trọng, chủ yếu được sử dụng để thể hiện các hình chiếu hoặc mặt cắt từ bản vẽ chi tiết hoặc bản vẽ lắp.
Thiết kế cơ khí
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và tính chất công việc, thiết kế robot cần đảm bảo trọng lượng nhẹ, tuổi thọ phù hợp, độ cứng vững cao để không ảnh hưởng đến hoạt động của các cụm lắp đặt Hình dạng robot phải thích hợp để dễ dàng tháo lắp các chi tiết, đồng thời bố trí các bộ phận điều khiển thuận tiện, giúp di chuyển trong không gian hạn chế một cách dễ dàng.
Hình 2.1 Phần khung chính của Robot TLA6
Cặp bánh xe Mecanum L + R đường kính 80mm là lựa chọn lý tưởng cho robot cỡ nhỏ, cho phép di chuyển linh hoạt theo nhiều hướng Bánh xe được chế tạo từ nhựa kết hợp với các bánh nhỏ bằng cao su, mang lại độ ma sát cao và khả năng chống trơn trượt, phù hợp với các thiết kế robot hiện đại.
Chất liệu: Nhựa ABS + bánh cao su mềm. Đường kính: 80mm
Lỗ trục lục giác kích thước: 6.2mm (tương thích với các loại trục lục giác 6.1mm)
Hình 2.2 Mô phỏng bánh xe Mecanum của robot
2.2.3 Khung và các giá đỡ
Khung đỡ cần phải vững chắc và có tuổi thọ đạt tiêu chuẩn quy định Hệ thống khung và giá đỡ nên được thiết kế đơn giản, dễ lắp ráp và có trọng lượng nhẹ Đồng thời, khung và giá đỡ cũng cần đảm bảo tính thẩm mỹ và không bị rỉ sét.
Hình 2.3 Mô phỏng khung và giá đỡ
2.2.4 Các hộp đựng dụng cụ khác
Hình 2.4 Mô phỏng hộp đựng dụng cụ
Hình 2.5 Mô phỏng Robot TLA6 sau khi hoàn thiện
Hệ thống điện
2.3.1 Mô đun điều khiển Arduino Uno R3
Arduino UNO R3 được trang bị vi xử lý Atmega328, sở hữu 14 chân I/O tín hiệu số, trong đó có 6 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung PWM và 6 ngõ vào tín hiệu tương tự Thiết bị hoạt động với thạch anh dao động 16MHz, kết nối qua USB và có ICSP Header.
Hình 2.6 Mô đun điều khiển Arduino Uno R3
Arduino UNO sử dụng ba vi điều khiển 8bit AVR, bao gồm ATmega8, ATmega168 và ATmega328 Bộ vi điều khiển này có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và tạo ra các trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với khả năng hiển thị trên màn hình LCD, cùng nhiều ứng dụng khác.
Hình 2.7 Sơ đồ chân của Arduino Uno R3
2.3.2 Mạch điều khiển động cơ
Module điều khiển động cơ L293D là Shield mở rộng cho Arduino, tương thích với board Arduino Uno R3, Arduino Leonado, Arduino Mega 2560.
Hình 2.8 Module điều khiển động cơ L293D
Module điều khiển động cơ L293D được trang bị 2 IC cầu H L293D và 1 IC logic 74HC595, cho phép điều khiển đa dạng các loại motor Shield này hỗ trợ điện áp tối đa 36V và dòng tối đa 600mA cho mỗi kênh điều khiển.
Module Bluetooth HC-05 cho phép thiết lập kết nối Serial giữa hai thiết bị qua sóng Bluetooth Đặc biệt, HC-05 có khả năng hoạt động ở hai chế độ: MASTER và SLAVE, trong khi đó, module Bluetooth HC-06 chỉ hỗ trợ chế độ SLAVE.
Trong chế độ SLAVE, bạn cần kết nối smartphone, laptop hoặc USB Bluetooth để tìm kiếm module và thực hiện ghép nối với mã PIN 1234 Sau khi ghép nối thành công, bạn sẽ có một cổng serial từ xa hoạt động với tốc độ baud rate 9600.
+ Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác
Module Bluetooth HC-05 là một thiết bị nhỏ gọn, cho phép kết nối và giao tiếp dễ dàng mà không cần thiết lập từ máy tính hay smartphone Nó hỗ trợ chế độ AT COMMAND và có thể hoạt động với nguồn 3.3VDC hoặc 5VDC, phù hợp cho nhiều ứng dụng như điều khiển robot Bluetooth và các thiết bị khác qua Bluetooth.
2.3.4 Động cơ giảm tốc Động cơ vàng giảm tốc V1, động cơ giảm tốc 3V-9V là mẫu động cơ được sử dụng nhiều nhất để thiết kế các loại xe robot mô hình, phục vụ cho học sinh, sinh viên học tập và nghiên cứu chế tạo Với giá thành rẻ, dễ sử dụng và mang tính ưu việt nên chiếc động cơ này được sử dụng rất nhiều với sinh viên các nghành kĩ thuật.
Thông số kỹ thuật: Động cơ vàng giảm tốc V1: Điện áp hoạt động 3V~ 9V DC
Tốc độ không tải 125 Vòng/ 1 Phút (3V)
Dòng không tải 70mA (250mA MAX)
2.3.5 Pin năng lượng Đặc điểm nổi bật:
- Khả năng chịu tải cao, có thể bảo quản trong nhiều năm.
- Đáp ứng nhu cầu thời gian sử dụng pin lâu dài.
- Sử dụng tốt trong nhiều điều kiện nhiệt độ.
- Dùng thay pin cho ghita điện, microphone,
- Pin Panasonic không thể sạc lại được sau khi đã sử dụng.
- Xuất xứ sản phẩm: Thái Lan.
Hình 2.11 Mô phỏng các linh kiện bên trong Robot TLA6
Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp hiện nay, yêu cầu về chức năng và độ chính xác của máy móc, sản phẩm cơ khí ngày càng cao Để nâng cao khả năng cạnh tranh và hỗ trợ thiết kế hiệu quả, việc ứng dụng phần mềm thiết kế cơ khí là rất cần thiết Autodesk Inventor là công cụ tôi sử dụng để phác thảo, xây dựng mô hình, lắp ráp và hoàn thiện bản vẽ cơ khí với độ chính xác và tốc độ cao Phần mềm này giúp kỹ sư cơ khí hiện thực hóa ý tưởng một cách dễ dàng, đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm cơ khí Các chi tiết và mô hình được tôi thiết kế và mô phỏng nhằm thể hiện ý tưởng, giúp người đọc có cái nhìn trực quan và dễ hình dung hơn.
MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN ROBOT TLA6 BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Tổng quan về phương pháp giải và phần mềm Ansys
3.1.1 Khái niệm về phương pháp PTHH
Phương pháp PTHH là một kỹ thuật giải quyết các bài toán kết cấu dựa trên tư tưởng của phương pháp xấp xỉ hàm và phương pháp sai phân hữu hạn Trong phương pháp này, vật thể liên tục được chia thành một số hữu hạn các phần tử rời rạc có hình dạng đơn giản, kết nối tại các điểm gọi là nút Các phần tử này duy trì tính chất liên tục trong phạm vi của chúng, nhưng với hình dạng đơn giản và kích thước nhỏ, giúp việc nghiên cứu trở nên dễ dàng hơn dựa trên các quy luật về phân bố chuyển vị và nội lực Khi phân tích PTHH, thường sử dụng các hàm đơn giản, gọi là hàm dáng, để xấp xỉ đường cong chuyển vị tại các nút Biến dạng và ứng suất bên trong phần tử cũng được biểu diễn thông qua chuyển vị tại các nút, cho phép áp dụng nguyên lý di chuyển khả dĩ hoặc nguyên lý cực tiểu thế năng để thiết lập phương trình cân bằng cho phần tử với các chuyển vị nút là ẩn số.
Các phần tử trong kết cấu được xác định qua các ma trận độ cứng, giúp ghép nối chúng thành một mô hình rời rạc hóa Ma trận độ cứng tổng thể của kết cấu được hình thành từ các ma trận độ cứng của từng phần tử Các tác động bên ngoài tạo ra nội lực và chuyển vị, được chuyển đổi thành các lực tại các nút và thể hiện trong ma trận tải trọng nút tương đương Các ẩn số cần xác định bao gồm chuyển vị nút và nội lực tại các nút, được trình bày trong ma trận chuyển vị và ma trận nội lực.
Các ma trận độ cứng, ma trận chuyển vị nút và ma trận tải trọng là những ma trận cơ bản liên quan đến phương trình cân bằng theo quy luật tuyến tính hoặc phi tuyến, tùy thuộc vào ứng xử thực tế của kết cấu Thuật toán của phương pháp PTHH được phát triển dựa trên việc xác định các ma trận này và mối quan hệ giữa chúng, nhằm phản ánh chính xác cách ứng xử của kết cấu cũng như các tác động lên nó.
Phương pháp PTHH sử dụng thuật toán được xây dựng từ việc xác lập các ma trận cơ bản và quy luật liên hệ giữa chúng Mục tiêu là phản ánh chính xác cách ứng xử thực tế của kết cấu cùng với các tác động mà nó phải chịu.
Mô hình toán của phương pháp PTHH bao gồm hệ phương trình đại số tuyến tính hoặc phi tuyến tính Sự tồn tại nghiệm của các phương trình này phụ thuộc vào các điều kiện biên, hay còn gọi là các điều kiện liên kết của kết cấu trong bài toán.
Hiện nay, nhiều phần mềm tại Việt Nam như Sap, Ansys, và Catia có khả năng tính toán biến dạng và ứng suất dựa trên phương pháp Phân tích Phần tử Hữu hạn (PTHH) Sau khi nghiên cứu, phần mềm Ansys Workbench, một nhánh của Ansys Multiphysics, đã được chọn để thực hiện nhiệm vụ kiểm nghiệm độ bền dầm cầu trước của xe Để hoàn thành đồ án, cần xây dựng mô hình PTHH cho dầm cầu và xác định tải trọng tác động lên chúng.
3.1.2 Giới thiệu phần mềm Ansys Workbench
ANSYS là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) toàn diện, được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu cho các ứng dụng mô phỏng, tính toán và thiết kế trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, tĩnh điện và điện từ ANSYS/Multiphysics là sản phẩm đa năng nhất của ANSYS, tích hợp tất cả các tính năng của phần mềm và bao quát mọi lĩnh vực kỹ thuật.
ANSYS Workbench là phần mềm thuộc gói sản phẩm ANSYS/Multiphysics, chuyên dùng để giả lập các bài toán kết cấu như khảo sát biến dạng và ứng suất, cũng như các bài toán nhiệt Với vai trò là một module riêng cho bài toán kết cấu, ANSYS Workbench không chỉ kế thừa những ưu điểm của ANSYS/Multiphysics mà còn sở hữu những tính năng vượt trội riêng biệt.
- Giao diện đơn giản, dễ dàng sử dụng
- Có khả năng xây dựng mô hình 3D khá dễ dàng
Dễ dàng tích hợp với các phần mềm thiết kế 3D khác, cho phép người dùng khai thác hiệu quả các mô hình phức tạp được tạo ra từ các phần mềm chuyên dụng.
Về mặt cấu trúc, phần mềm ANSYS / Multiphysics chia thành 3 mô dun lớn:
-Modul Tiền xử lí (Preprocessing)
-Modul hậu xử lý (Preprocessing)
Các bước kiểm bền trong phần mềm Ansys Workbench
Trong phần này trình bày sơ lược cấu trúc tệp dữ vào của ANSYS Workbench Tệp dữ liệu đưa vào của ANSYS Workbench được tổ chức gồm
15 khối dữ liệu độc lập theo kiểu riêng biệt với dòng ngăng cách cho từng khối.
Các khối dữ liệu của ANSYS Workbench được trình bày ở trong bảng
3.2.1 Gán vật liệu cho mô hình
Mỗi phân tích yêu cầu nhập vào một số thuộc tính vật liệu quan trọng, bao gồm mô đun đàn hồi (Young's Modulus) E X, hệ số Poisson (Poisson’s Ratio) cho các phần tử kết cấu, độ dẫn nhiệt (Thermal Expansions) K XX cho các phần tử nhiệt, và khối lượng riêng (Density).
Hình 3.1 Bảng thuộc tính vật liệu
Ansys Worbench còn cung cấp cho người dùng thư viện vật liệu với rất nhiều mô hình vật liệu khác nhau ứng dụng trong các bài toán khác nhau:
Hình 3.2 Một số vật liệu có sẵn trong thư viện
Khung được chế tạo từ thép hộp CT3, một loại vật liệu nổi bật nhờ giá thành rẻ, trọng lượng nhẹ và tính phổ biến Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật của thép CT3.
Tên Thông số Đơn vị
Tỉ trọng 7850 Kg/ m 3 Độ bền kéo 250 Mpa
Giới hạn bền uốn 25 Mpa
Giới hạn bền kéo 460 MPa
Hệ số giãn nở nhiệt 12000 k −1
Bảng 3.1 Thông số vật liệu thép CT3
3.2.2 Xây dựng mô hình học 3D sát xi xe
Trong phần mềm Ansys workbench ta khảo sát bài toán tĩnh, sử dụng mô đun “Static Structurial” và cập nhật hình vẽ 3D sát xi xe trong mô đun
“Geometry”, khi đó mô hình đã được cập nhật vào Ansys workbench
Hình 3.3 Thêm mô hình khung xe vào phần mềm ansys
3.2.3 Xây dựng mô hình chia lưới
Việc chia lưới có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và tốc độ của bài toán Trong nghiên cứu này, chúng tôi áp dụng cả phương pháp chia lưới bằng tay và tự động Đặc biệt, với khung xe có các chi tiết cong phức tạp và nhiều góc lượn, việc sử dụng các mô hình phần tử do phần mềm đề xuất là cần thiết để tăng cường độ chính xác và mô tả đúng hình dạng hình học.
Hình 3.4 Mô hình chia lưới khung xe
Sau khi hoàn tất việc chia lưới mô hình, cần kiểm soát chất lượng lưới theo các tiêu chuẩn được phần mềm đề ra Việc so sánh kết quả với tiêu chuẩn đánh giá lưới của Ansys và tối ưu hóa thời gian tính toán là rất quan trọng Các tiêu chí đánh giá chính bao gồm chất lượng phần tử và độ lệch của phần tử so với phần tử tiêu chuẩn Các tiêu chuẩn về chia lưới trong Ansys cần được tuân thủ để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình phân tích.
Tỉ số lệch (Aspect ratio) là tỷ lệ giữa chiều dài cạnh ngắn nhất và chiều dài cạnh dài nhất trong một phần tử Trong phần mềm Ansys, tỉ số lệch của phần tử được chấp nhận nếu nhỏ hơn 5.
- Hệ số Jacobian (Jacobian ratio): Là thước đo độ lệch của một phần tử so với trục toạ độ Giá trị Jacobian khoảng từ 0 tới 1.
Độ lệch (Skewness) được xác định bằng cách tính toán gốc tối thiểu giữa hai véctơ góc đối diện cùng với các mặt và véctơ giữa hai mặt tiếp xúc tại mỗi nút Trong phần mềm Ansys, tỉ lệ sai lệch cạnh nhỏ hơn 0.5 được coi là chấp nhận được.
Chất lượng ma trận trực giao (Orthogonal Quality) giữa phần tử bề mặt và phần tử vỏ rất quan trọng Một chất lượng ma trận trực giao lớn hơn 0.7 được coi là đạt yêu cầu, và mức tối ưu là đạt giá trị 1.
Chất lượng phần tử là chỉ số tổng hợp giúp đánh giá nhanh chóng độ tin cậy của các phần tử trong mô hình Chỉ số này có thể được quan sát thông qua đồ thị hiển thị số lượng phần tử đạt yêu cầu chất lượng Để đảm bảo chất lượng lưới tốt, chỉ số này cần đạt trên 0.7.
Tiêu chí Giá trị Nhận xét
Chất lượng phần tử 0.69 Đạt
Tỉ số độ lệch giữa các cạnh 3.93 Đạt
Chất lượng trực giao giữa các bề mặt
Bảng 3.2 Kết quả chia lưới
Các ổ bi đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế chuyển vị của khung xe theo ba phương tịnh tiến trong mặt phẳng XYZ cũng như các phương quay Vì vậy, việc chọn ngàm tại các vị trí tiếp xúc với ổ bi là cần thiết để đảm bảo sự ổn định cho các bánh xe.
Hình 3.5 Vị trí ràng buộc cố định trên khung xe
Khung xe chịu tác động từ nhiều lực khác nhau, bao gồm cả lực dọc và lực ngang phức tạp Để đơn giản hóa, ta quy về các khối lực chính tác dụng theo phương thẳng đứng.
Khối hàng nặng 200N được đặt trên tầng 1, gần mặt đất, nhằm hạ thấp trọng tâm của xe và tăng cường sự ổn định Việc này giúp khối lượng hàng trên tầng 1 nặng hơn so với các tầng 2, 3, 4, từ đó cải thiện tính an toàn và hiệu suất của xe.
- Khối hàng đặt lên tầng 2, 3, 4: 100N
Từ các khối đã xác định trên, ta tiến hành đặt các lực lên khung xe
Hình 3.6 Tải trọng đặt lên khung xe
Khi khảo sát độ bền của khung robot, bài toán tĩnh sử dụng các lực thành phần hằng số được nhập trực tiếp từ mô hình tính toán khung xe Đối với bài toán động, dữ liệu được đưa vào các tiệp dữ liệu và xác định các bước theo thời gian tính toán phù hợp với mô hình.
Sau khi hoàn thành các bước xây dựng mô hình 3D, gán vật liệu, chia lưới và đặt lực lên khung xe, chúng ta cần lựa chọn các thông số để xuất kết quả như ứng suất và độ biến dạng Cuối cùng, hãy chọn Solve để giải bài toán.
Đánh giá độ bền khung xe qua mô phỏng
3.3.1 Trường hợp 1: Khi xe ở trạng thái tĩnh, đầy tải trên đường bằng phẳng
Hình 3.7 Điều kiện ràng buộc và các lực tác dụng lên khung khi xe ở trạng thái tĩnh trên đường phẳng
Hình 3.8 Biến dạng của khung xe
Hình 3.9 Biến dạng lớn nhất và nhỏ nhất của khung xe
Hình 3.10 Ứng suất sinh ra trên khung xe
Hình 3.11 Vị trí sinh ra ứng suất max trên khung xe
Sau khi quá trình giải bài toán hoàn thành, ta thu được các giá trị
Thông số Biến dạng lớn nhất Ứng suất lớn nhất
Bảng 3.3 Các giá trị ứng suất và biến dạng của trường hợp 1
Kết quả tính toán cho thấy giá trị biến dạng lớn nhất trên khung là 4.6096 mm, chủ yếu tập trung ở phần giữa của giá đỡ do khối lượng hàng lớn Biến dạng này không ảnh hưởng đáng kể đến hình dáng tổng thể và các kết cấu giá đỡ ở các tầng khác trên khung Robot Ứng suất cực đại tại vị trí liên kết giữa giá đỡ và khung là σ max = 30.535 (MPa), nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền σ cp = 460 (MPa) Do đó, Robot chịu tải trọng tĩnh bình thường mà không gây nguy hiểm đến độ bền của khung, đảm bảo độ bền trong trường hợp này.
3.3.2 Trường hợp 2: Khi xe va chạm vào tường
Trong trường hợp Robot va chạm vào tường, các phản lực tác động lên khung xe được thử nghiệm với nhiều trường hợp lực khác nhau Mục tiêu là xác định giới hạn lực sao cho ứng suất lớn nhất không vượt quá ứng suất cho phép của vật liệu.
Hình 3.12 Điều kiện ràng buộc và các lực tác dụng lên khung khi xe ở trạng thái tĩnh trên đường phẳng
Hình 3.13 Biến dạng của khung xe
Hình 3 14 Ứng suất sinh ra trên khung xe
Hình 3.15 Vị trí sinh ra ứng suất max trên khung xe
Sau khi quá trình giải bài toán hoàn thành, ta thu được các giá trị
Thông số Biến dạng lớn nhất Ứng suất lớn nhất
Bảng 3.4 Các giá trị ứng suất và biến dạng của trường hợp 1
Kết quả tính toán cho thấy giá trị biến dạng lớn nhất trên khung là 15.002mm, chủ yếu tập trung ở phần trên cùng của giá đỡ Biến dạng này khoảng 1.5 cm, không ảnh hưởng nhiều đến hình dáng tổng thể và các kết cấu giá đỡ ở những tầng khác của khung Robot Ứng suất cực đại tác dụng lên khung xe xuất hiện tại vị trí đầu xe do va chạm trực tiếp vào tường, với lực F = 1380N, cho kết quả ứng suất σ max = 460(MPa) Đây là trường hợp chịu lực giới hạn của Robot; với các giá trị lực nhỏ hơn, Robot sẽ chịu tải bình thường mà không gây nguy hiểm đến độ bền của khung Tuy nhiên, nếu lực vượt quá giá trị cho phép, Robot sẽ bị biến dạng và phá hủy.
Khung thân của Robot là yếu tố quan trọng nhất, yêu cầu chế tạo với độ chính xác cao để đảm bảo độ bền và vị trí lắp đặt các cụm chi tiết khác Độ cứng vững của khung xe cần thiết để tránh sai lệch khi Robot di chuyển Nghiên cứu đã phân tích lý thuyết về tải trọng tĩnh tác động lên khung xe khi Robot chuyển động và xây dựng mô hình 3D cùng với mô hình phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Ansys để mô phỏng biến dạng và ứng suất Phương pháp phần tử hữu hạn đã được áp dụng để phân tích tĩnh kết cấu khung xe, xác định giới hạn lực mà khung Robot có thể chịu Kết quả nghiên cứu là căn cứ thiết kế khung Robot hợp lý, tối thiểu hóa khung đỡ, đảm bảo trọng lượng xe không tăng và Robot di chuyển êm dịu.
CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT TLA6
Lắp ráp các chi tiết phần cứng
4.1.1 Gắn các linh kiện vào thân Robot
Bước 1: Gia công gò khung Robot
Hình 4.1 Khung Robot sau khi được gò
Bước 2: Gắn động cơ lên khung Robot
Hình 4.2 Động cơ sau khi được gắn vào khung
Bước 3: Gắn bánh xe vào động cơ vàng V1
Hình 4.3 Bánh xe sau khi được ghép nối
Bước 4: Lắp các khớp nối và giá đỡ
Hình 4.4 Giá đỡ sau khi được lắp ghép
4.1.2 Đi dây điện từ vi mạch tới các thiết bị điện
Sơ đồ đấu dây được tạo qua ứng dụng MIT APP INVENTOR để người đọc có cái nhìn trực quan nhất:
Hình 4.5 Sơ đồ đấu nối dây điện
Bước 1: Ghép chồng module điều khiển động cơ L293D lên bo mạch arduino uno R3 theo đúng thứ tự chân.
Hình 4.6 Trước và sau khi ghép 2 module
Bước 2: Kết nối các chân của động cơ, module bluetooth vào bo mạch Arduino.
Hình 4.7 Các chân sau khi được kết nối vào bo mạch
Bước 3: Gắn bo mạch, nguồn điện lên thân Robot
Hình 4.8 Nguồn điện và bo mạch sau khi được gắn vào thân xe
