thiết kế hệ thống cơ điện tử robot hút bụi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN THIẾT HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Thiết kế sản phẩm Robot hút bụi Giáo viên hướng dẫn Ths Nhữ Quý Thơ Sinh viên thực hiện 1 Vũ Xuân Tú 2019605951 2 Lưu Quốc Tuấn 2019605587 3 Nguyễn Ngọc Tuấn 2019600470 4 Ngô Đức Tuấn – 2019601557 Hà Nội – 2021 2 ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN 3 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây ngành Cơ điện tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càn.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN THIẾT HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ: Thiết kế sản phẩm Robot hút bụi Giáo viên hướng dẫn : Ths Nhữ Quý Thơ Sinh viên thực : Vũ Xuân Tú - 2019605951 Lưu Quốc Tuấn - 2019605587 Nguyễn Ngọc Tuấn - 2019600470 Ngô Đức Tuấn – 2019601557 Hà Nội – 2021 ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần ngành Cơ điện tử có bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng sản phẩm điện tử vào sản xuất ngày phổ biến giúp nâng cao suất lao động hạ giá thành sản phẩm Song song với q trình phát triển u cầu ngày cao độ xác, tin cậy, khả làm việc môi trường khắc nghiệt với thời gian dài hệ thống điện tử Vì việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điện tử để đáp ứng yêu cầu việc làm cần thiết Sự phát triển hệ thống điện tử phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Học phần Thiết kế hệ thống Cơ điện tử đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức tư việc lập kế hoạch cơng việc theo trình tự hợp lý để thiết kế hệ thống điện tử hoạt động ổn định, tối ưu hiệu Học phần rèn luyện cho sinh viên khả tư hệ thống, kỹ làm việc nhóm kiến thức nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập cơng việc sau Sau trình học tập tự tìm hiểu học phần, nhóm sinh viên lựa chọn hoàn thành báo cáo tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm điện tử “Robot hút bụi”.Đây đề tài hay có tính ứng dụng cao đời sống đồng thời sở cho nghiên cứu sản phẩm sau sinh viên MỤC LỤC Đánh giá giảng viên .2 Lời nói đầu MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU Lời mở đầu Error! Bookmark not defined Phần 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Robot hút bụi 1.2 Cấu tạo robot 1.3 Phương pháp hoạt động 1.4 Tính thơng minh Phần 2: Nội dung thiết kế 10 2.1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế 10 2.2 Lựa chọn cấu trúc làm việc .23 Phần 3: Thiết kế Sơ .28 3.1 Thiết lập danh sách kiểm tra 28 3.2 Xác định điều kiện biên, ràng buộc không gian 29 3.3 Xác lập layout thô, cụm thành phần hồn thành chức 30 Phần 4: Thiết kế cụ thể .34 4.1 Tổng thể 34 4.2 Hút bụi 35 4.3 Điều khiển 36 4.4 Nguồn 38 4.5 Bảo vệ hệ thống điện .41 4.6 Ngắt khẩn cấp 43 4.7 Tạo, lập đồ 45 4.8 Điều Khiển vị trí, tốc độ .47 4.9 làm 50 4.10 Thiết kế vẽ 52 Tổng kết 59 Tài liệu tham khảo 59 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Robot hút bụi phổ biến thị trường .8 Hình 2: Chức tổng thể thang máy .17 Hình 3: Sơ đồ cấu trúc chức tổng thể Robot hút bụi 17 Hình 4: Sơ đồ cấu trúc chức nguồn điện 18 Hình 5: Sơ đồ cấu trúc chức Bảo vệ hệ thống điện 18 Hình 6: Sơ đồ cấu trúc chức điều khiển vị trí, tốc độ 18 Hình 7:Sơ đồ cấu trúc chức làm 19 Hình 8: Sơ đồ cấu trúc chức nhận tín hiệu điều khiển 19 Hình 9: Sơ đồ cấu trúc chức xây dựng đồ 20 Hình 10: Sơ đồ cấu trúc chức tránh va chạm 20 Hình 11: Sơ đồ tiêu chí đánh giá cho hệ thống robot hút bụi 23 Hình 12: Sơ đồ bố trí hình học phận bên robot hút bụi 30 Hình 13: Phân bố vị trí bánh xe 30 Hình 14: Nguyên lí gom bụi 31 Hình 15: Buồng hút .31 Hình 16: Ngun lí sạc khơng dây(Sạc cảm ứng) .32 Hình 17: Sạc không dây dock sạc .32 Hình 18: Sơ đồ khối tạo lập đồ .33 Hình 19: Hình ảnh tổng thể robot 34 Hình 20: Phân rã thành phần robot 34 Hình 21: Bộ phận hút bụi 35 Hình 22: Vi điều khiển Arduino Uno R3 36 Hình 23: Thông số kĩ thuật điều khiển .37 Hình 24: Module điều khiển qua wifi ESP8266 37 Hình 25: Mạch chỉnh lưu cầu 38 Hình 26: Pin Lithium - ion .39 Hình 27: Sạc không dây 40 Hình 28: Sơ đồ mạch ổn áp 5V sử dụng IC 7805 42 Hình 29: Mô phỏng mạch ổn áp 5v sử dụng IC 7805 42 Hình 30: Cầu chì .43 Hình 31: Cảm biến Lidar 45 Hình 32: Khoảng cách phát tối đa cảm biến Lidar 45 Hình 33: Sơ đồ kết nối Arduino TFmini-S 46 Hình 34: Bộ phận bánh chuyển động .47 Hình 35: Động chuyển động 48 Hình 36: Mạch điều khiển tốc độ L298 48 Hình 37: Sơ đồ nối dây Module điểu khiển động L298 49 Hình 38: Động hút bụi Brushless Không chổi than Lexy W6160 50 Hình 39:Chổi cạnh quét cho Robot hút bụi 50 Hình 40: Hộp đựng rác 51 Hình 41: Bản vẽ tổng thể 52 Hình 42: Bản vẽ phân rã 53 Hình 43: Bản vẽ phận hút bụi 54 Hình 44: Bản vẽ phân rã phận hút 55 Hình 45: Bản vẽ bánh xe .56 Hình 46: Bản vẽ máy hút bụi 57 Hình 47:Bản vẽ khung Robot 58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Danh sách yêu cầu 13 Bảng 2: Nguyên tắc làm việc cho từng chức Robot hút bụi 23 Bảng 3: Bảng đánh giá tiêu chí biến thể .25 Bảng 4: Bảng danh sách kiểm tra .28 PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Robot hút bụi Robot hút bụi (tiếng Anh: robotic vacuum cleaner) robot hút bụi với lập trình thơng minh giúp tự động hóa việc hút bụi Robot hút bụi có số tính năng: tự động làm việc tự động lập đồ phòng lên phương án làm việc tối ưu, trang bị cảm biến bụi bẩn điều khiển lực hút, linh hoạt thay đổi theo chất liệu sàn khác nhau; màng lọc giúp lọc ion siêu nhỏ loại bỏ chất gây kích ứng da; tia tử ngoại UV diệt khuẩn giúp robot hút bụi hiệu với rác bẩn vật lý hóa học Hình 1: Robot hút bụi phở biến thị trường Robot hút bụi đưa vào sản xuất Electrolux Trilobite Electrolux - hãng sản xuất thiết bị gia dụng chuyên nghiệp Thụy Điển Năm 1997, phiên robot hút bụi Electrolux Trilobite xuất chương trình khoa học BBC Năm 2002 năm đánh dấu cột mốc quan trọng với nhiều mẫu robot hút bụi đời với nhiều tính đột phá: hút chân không, sử dụng công nghệ laser thay cơng nghệ siêu âm truyền thống, điển hình có Neato XV 11 1.2 Cấu tạo của robot Với thương hiệu robot hút bụi khác sẽ có cấu tạo khác sẽ có phần sau: Thân máy bao gồm: vỏ máy, phần cứng (bộ vi mạch lập trình), hệ thống laser định vị, bánh xe, hộp rác, chổi quét gom rác sợi tổng hợp Phần theo máy: đế sạc, dây tường ảo (hoặc cột tường ảo), combo chổi quét, hộp lau nhà 1.3 Phương pháp hoạt đợng Nói đến robot thì biết sẽ hoạt động độc lập hạn chế tối đa thao tác người Hầu hết robot hút bui thị trường sẽ tự làm việc chúng đặt lịch làm việc Tất robot hút bụi sẽ hoạt động theo quy trình sau: - Khởi động quét laser lập đồ phịng định vị khơng gian - Lập trình phương pháp di chuyển - Di chuyển làm việc theo điều khiển - Di chuyển đến phòng khác theo laser định vị dẫn đường 1.4 Tính thông minh Mỗi thương hiệu robot sẽ định vị cho tính thơng minh riêng biệt Tuy nhiên sẽ có quy chuẩn chung cho robot hút bụi thơng minh Có thể kể đến tính sau: - Cảm biến chống rơi, giúp robot an toàn hoạt động sàn cao 2,5 cm - Cảm biến chống va đập: giúp robot đồ nội thất an tồn hơn, khơng gặp phải trường hợp đâm vào đồ nội thất gây hỏng robot, rơi, vỡ đồ đạc - Sạc tự động: giúp robot không bị " ngủ quên" góc nhà khó với đột ngột hết pin Tính giúp robot hút bụi tự nhận biết pin yếu để tự vị trí ban đầu trạm sạc tự động robot - Sử dụng bánh xe cỡ lớn giúp robot vượt chướng ngại khoảng 1-1,5 cm, hoạt động kể mặt sàn gồ ghề PHẦN 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ 2.1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế Trước bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ nhiệm vụ thiết kế cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua bước sau: 2.1.1 Thiết lập danh sách yêu cầu Nhóm 23 DANH SÁCH YÊU CẦU CHO ROBOT HÚT BỤI Thay D đổi W Yêu cầu Hình dạng tổng quát: W - Chiều dài: 25-35cm W - Chiều rộng: 25-35cm W - Chiều cao: 10-15cm W - Hình dạng dễ dàng khỏi chướng ngại vật quay đầu W - Dễ dàng lắp đặt sửa chữa W - Có thể dễ dàng chui vào góc, cạnh, vượt chướng ngại vật Đợng lực: W - Tốc độ chuyển: Nhiều cấp độ(0.1-0,25m/s) W - Gia tốc: 0.1-0.15m/s2 W - Công suất động cơ: 50-100W Phạm vi, môi trường làm việc: W - Phạm vi làm việc: 100-250m2 D - Có thể hoạt động tốt gỗ, đá hoa trợn trượt W - Nhiệt độ môi trường: < 500 W - Độ ẩm: 35-75% Năng lượng: * Nguồn: 10 Chịu trách nghiệm 4.7 Tạo, lập bản đồ a Cảm biến vật cản TFmini-S LiDAR cơng cụ tìm phạm vi laser đơn hướng dựa cơng nghệ ToF Nó bao gồm thiết bị quang học điện tử đặc biệt, tích hợp thuật tốn thích ứng cho mơi trường ứng dụng nhà trời Đây thiết bị nhỏ bé có hiệu suất cao đo khoảng cách Cảm biến laser sử dụng công cụ đo khoảng cách để phát khoảng cách từ đến chướng ngại vật Nó sử dụng Hình 31: Cảm biến Lidar mắt robot; cung cấp thơng tin khoảng cách để tránh an tồn robot lựa chọn tuyến đường Khoảng cách phát tối đa TFmini-S 12 mét FOV độ Khả chống nhiễu mạnh hoạt động ánh sáng trời; trọng lượng tổng thể 4,7g Hình 32: Khoảng cách phát hiện tối đa của cảm biến Lidar 45 TFmini-S LiDAR sử dụng giao diện truyền thơng UART (TTL) / I2C, cung cấp 5V tiêu chuẩn mức tiêu thụ điện trung bình 0,6w Nó tương thích với nhiều điều khiển Arduino Với DFRobot Gravity IO Expansion Shield, Arduino cắm trực tiếp mà khơng cần thêm dây TFmini-S LiDAR dễ dàng tích hợp vào hệ thống sử dụng với Arduino Hình 33: Sơ đồ kết nối Arduino TFmini-S 46 4.8 Điều Khiển vị trí, tốc độ a Động cơ+bánh xe Hình 34: Bộ phận bánh chuyển động - Thơng số kỹ thuật 47 - Đường kính bánh xe 150 mm - Có cao su bọc bên ngồi bánh Hình 35: Động chủn động - Thơng số kĩ thuật - Hiệu suất : 400 xung/vòng - Điện áp làm việc : DC5-24V - Tốc độ tối đa : 5000 vịng/phút - Đường kính trục 6mm b Điều tốc Mạch điều khiển đợng DC L298N có khả điều khiển động DC, dòng tối đa 2A động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho module khác (chỉ sử dụng 5V nguồn cấp