CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Giới thiệu Hiện nay robot hút bụi, lau nhà thông minh đang dần trở thành xu hướng mới, thay thế những chiếc máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ con người trong công việc dọn dẹp nhà cửa. Tại Việt Nam, dòng sản phẩm này mới được ra mắt và được dự đoán sẽ trở thành sản phẩm hot trong thời gian sắp tới. Robot hút bụi, lau nhà tự động được coi là trợ thủ vô cùng đắc lực và thông minh trong gia đình, nhất là đối với những bà nội trợ đi làm cả ngày không có thời gian chăm sóc nhà cửa. Robot được thiết kế thông minh có thể tự động thực hiện các công việc hút bụi, lau nhà mà không cần hướng dẫn thủ công. Máy hút bụi tự động được thiết kế nhỏ gọn có thể làm sạch mọi ngóc ngách như gầm bàn, gầm giường, trên ghế sofa, ngóc ngách ... Ngoài ra, robot thông minh còn có thể sử dụng cho nhiều loại sàn khác nhau như: sàn gỗ, thảm, sàn lát gạch, gạch men ... Trên thị trường hiện nay có 3 loại robot làm sạch sàn nhà đó là sản phẩm Robot lau nhà, Robot hút bụi và robot kết hợp cả việc hút bụi lẫn lau nhà. Trên thực tế để tăng hiệu quả làm sạch một cách tối đa người ta thường sử dụng robot vừa có khả năng lau nhà vừa có khả năng hút bụi. 1.2. Lý do chọn đề tài Là những sinh viên ngành kỹ thuật Cơ điện tử với mong muốn được giúp ích cho xã hội và áp dụng được kiến thức thực tiễn vào cuộc sống hàng ngày. Nhóm đã quyết định cho ra đời một sản phẩm hứa hẹn sẽ đem lại sự tiện nghi cho gia đình Việt. 1.3. Tính cấp thiết của đề tài Việc giữ gìn nhà cửa luôn sạch sẽ là mong muốn của hàng triệu gia đình Việt. Ai cũng có ước mong được trở về một căn nhà sạch sẽ, tươm tất sau một ngày dài làm việc. Ấy thế mà, theo cách cũ là dùng chổi để quét thì tốn khá nhiều công sức và thậm chí sàn nhà rất dễ bám bụi trở lại, thậm chí chỉ trong vài tiếng. Với số lượng công việc của mỗi cá nhân ngày càng nhiều, do đó sẽ không có ai dành quá nhiều thời gian trong một ngày để dọn dẹp nhiều căn nhà của mình. Để có thể tập trung làm những công việc khác, các hộ gia đình tại Việt Nam cần có một giải pháp nhanh chóng và tiết kiệm thời gian hơn. Vậy nên, sản phẩm “ Robot hút bụi, lau nhà" được ra đời, nhằm trở thành một cánh tay đắc lực cho hàng triệu người bận rộn tại Việt Nam. 1.4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Với đề tài này, nhóm mong muốn tạo ra một robot có khả năng tự hành trong nhà, lau dọn và hút cát bụi vi khuẩn ở mọi ngóc ngách, có thể thay thế con người để đảm bảo an toàn, vệ sinh trong chính căn nhà của mình. Ngoài ra có thể tiết kiệm được thời gian của bản thân cũng như chi phí thuê người giúp việc. Với đề tài này, nhóm nghiên cứu mong muốn góp phần tăng khả năng giao tiếp giữa người và robot ngày một gần gũi hơn, mang lại mức đời sống cao hơn cho mọi người và tạo ra bầu không khí trong lành và sạch sẽ hơn. 1.5. Mục tiêu của đề tài Thiết kế và chế tạo thiết bị có thể tự động di chuyển để hút bụi và lau nhà trong phòng. Thiết bị có kích thước phù hợp vào khoảng 300-400 (mm) để hoạt động trong không gian nhiều vật cản như nhà ở. Tối giản hóa chi phí thiết kế để có thể tiếp cận với nhiều hộ gia đình có điều kiện kinh tế khác nhau. Qua các những sản phẩm đã tham khảo có mặt ngoài thị trường, nhóm chúng em đã nghiên cứu và thiết kế thiết bị hút bụi, lau nhà tự động với những tính năng, khả năng mới nhằm cải tiến các ưu điểm và loại bỏ đi nhược điểm của những sản phẩm đã có mặt. Đưa đến 1 mô hình hoàn chỉnh có thể cải tiến trong tương lai. Nhiệm vụ: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của robot. - Tính toán kết cấu cơ khí của robot. - Thiết kế khung sử dụng phần mềm SolidWork. - Chế tạo chi tiết, lắp ráp thành phẩm. - Lựa chọn lắp ráp mạch điện điều khiển robot hoạt động. - Lập trình điều khiển các động cơ. - Kiểm tra, thử nghiệm sản phẩm. 1.6. Phương pháp nghiên cứu Áp dụng phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu đơn định: Đảm bảo các chỉ tiêu khả năng làm việc chi chi tiết máy hoặc sản phẩm. - Nghiên cứu thiết kế bền vững: xác định giá trị tối ưu của các thông số thiết kế, đảm bảo hình dạng, chất lượng và giá thành. - Nghiên cứu ứng dụng: Sử dụng phần mềm Adruino để có thể lập trình, điều khiển các thiết bị tự động hoặc qua Bluetooth. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI, LAU NHÀ 2.1 Giới thiệu chung Robot hút bụi thông minh là một mobile robot, nó có khả năng tự động di chuyển trong môi trường cho phép, có thể tự định hướng không cần kiểm soát hay dựa vào các thiết bị hướng dẫn vật lý hay cơ điện. Robot hút bụi tự động có thể hút bụi, lau dọn mà không cần người điều khiển, robot có thể tự động tránh các vận cản phía trước và có khả năng hút bụi trong các ngõ ngách. Robot hút bụi tự động bao gồm: vi điều khiển, moudule điều khiển động cơ, động cơ, cảm biến và phần hút bụi. Phân loại robot hút bụi tự động dựa theo nguyên lý làm việc của đầu cảm biến có: • Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến hồng ngoại: robot tránh vật cản làm việc dựa vào nguyên lí làm việc của cảm biến hồng ngoại. Robot chủ yếu phát hiện ra vật cản nhờ sóng hồng ngoại. • Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm: robot tránh vật cản làm việc dựa vào nguyên lí làm việc của cảm biến siêu âm. Robot này chủ yếu phát hiện ra vật cản nhờ sóng siêu âm. • Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến laser: robot tránh vật cản làm việc dựa vào nguyên lí làm việc của cảm biến laser. Robot này chủ yếu phát hiện ra vật cản nhờ laser. • Robot tránh vật cản sử dụng nhiều loại cảm biến: là hệ thống làm việc dựa trên nguyên lí của nhiều loại cảm biến như: cảm biến hồng ngoại và cảm biến siêu âm, cảm biến siêu âm và cảm biến laser. Robot này chủ yếu phát hiện ra vật cản trong những môi trường khác nhau. Phân loại robot hút bụi tự động theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot tự hành thành 2 lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh • Robot chuyển động bằng chân là robot di chuyển mô phỏng theo di chuyển của con người. Tuy nhiên nó rất phức tạp và chỉ có thể di chuyển ở một số địa hình nhất định. • Robot chuyển động bằng bánh làm việc tốt trong hầu hết các địa hình do con người tạo ra. Điều khiển di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định. Một số hình ảnh về những robot hút bụi được phát minh đầu tiên trên thế giới.
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ROBOT HÚT BỤI LAU NHÀ THÔNG MINH i MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC BẢNG .vi DANH MỤC HÌNH .vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Tính cấp thiết đề tài 1.4 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.5 Mục tiêu đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI, LAU NHÀ .3 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 2.2.1 Trên giới 2.2.2 Tình hình nước .9 2.3 Phạm vi đề tài CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH CƠ KHÍ 10 3.1 Lựa chọn phương án thiết kế khí 10 3.2 Lựa chọn vật liệu .12 3.3 Yêu cầu thiết kế .13 3.4 Quy trình thiết kế khí 14 3.5 Cấu tạo khí 15 3.5.1 Kích thước khung xe 15 3.5.2 Tính chọn động 15 3.6 Thiết kế gia công chi tiết 20 3.6.1 Khung robot 20 3.6.2 Chổi quét .20 ii 3.6.3 Bánh xe chủ động 21 3.6.4 Bánh xe dẫn hướng 21 3.6.5 Bộ phận lõi hút bụi 22 3.7 Thiết kế vẽ lắp sản phẩm 22 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 23 4.1 Thiết kế sơ đồ khối điều khiển 23 4.2 Các thiết bị linh kiện robot 24 4.2.1 Module Wifi ESP32 .24 4.2.2 Cảm biến hồng ngoại .25 4.2.3 Cảm biến siêu âm 26 4.2.4 Module điều khiển động L298N .27 4.2.5 Bộ nguồn .30 4.3 Sơ đồ mạch nguyên lý .32 4.4 Tính tốn thời gian sạc đầy pin cho robot .32 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THUẬT TOÁN 34 5.1 Bài toán quỹ đạo di chuyển robot .34 5.2 Thuật toán di chuyển robot .34 5.2.1 Robot di chuyển theo đường thẳng 34 5.2.2 Lưu đồ thuật toán di chuyển 36 5.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 37 5.4 Thiết kế App điều khiển MIT Inventor 38 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM .40 6.1 Kết thực mơ hình robot hút bụi, lau nhà thông minh 40 6.1.1 Kết thiết kế mơ hình robot 40 6.1.2 Kết mơ hình thực tế robot .40 6.1.3 Kết thiết kế giao diện điều khiển cho robot .41 6.2 Kết thực nghiệm .41 6.3 Kiếm tra độ ồn robot app điện thoại di động .47 6.4 Nhận xét đánh giá mơ hình robot hút bụi, lau nhà thơng minh 50 iii 6.4.1 Về khí .50 6.4.2 Về mạch điều khiển .50 6.4.3 Đánh giá kết sản phẩm 50 6.4.4 Mức độ hoàn thành 50 6.4.5 Tính hiệu 51 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52 7.1 Kết luận 52 7.2 Hạn chế đề tài 52 7.3 Hướng phát triển .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC .54 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PLC : Programmable logic Controller DC : Direct Current IoT : Internet of Things RAM : Random Access Memory ROM : Read Only Memory I/O : Input/output CP : Control Processor PLA : Polylactic Acid ABS : Acrylonitrin butadien styren PVA : Polyvinyl Alcohol RF : Radio Frequency UART: Universal asynchronous receiver transmitter IC : Integrated circuit PWM : Pulse width modulation GPIO : General-purpose input/output SPI : Serial Peripheral Interface I2C : Inter Integrated Circuit LED : Light Light Emitting Diode PCB : Printed circuit board IDE : Integrated Development Environment GPS : Global Positioning System v DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: So sánh ưu nhược điểm cho sơ đồ khí robot hút bụi, lau nhà .10 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật động JA12-N20 19 Bảng 4.1: Bảng sử dụng nguồn pin thiết bị .33 Bảng 6.1: Bảng đánh giá mức độ hút làm robot 45 Bảng 6.2: Bảng đánh giá quỹ đạo di chuyển robot 46 vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Robot hút bụi giới James Dizon sáng chế Hình 2.2 Mẫu thiết kế robot hút bụi Roomba hãng Irobot vào năm 2002 Hình 2.3 Robot hút bụi 360 Eye – Dyson vào năm 2014 Hình 2.4: Irobot Roomba S9 Plus Hình 2.5: Robot hút bụi Roborock S7 Hình 2.6: Kết cấu robot LG Hombot .8 Hình 2.7: Robot di chuyển kiểu zích-zắc Hình 2.8: Robot di chuyển kiểu phân ô Hình 3.1 : Bản vẽ khí robot hút bụi, lau nhà .10 Hình 3.2: Sản phẩm nhựa in PLA 13 Hình 3.3: Quy trình thiết kế khí 14 Hình 3.4: Sơ đồ truyền động 15 Hình 3.5: Mơ hình phân tích lực bánh sau robot .16 Hình 3.6: Bánh xe chủ động thông số 17 Hình 3.7: Động giảm tốc JA12-N20 19 Hình 3.8: Thơng số kích thước động JA12-N20 .20 Hình 3.9: Bản vẽ thiết kế vỏ robot 20 Hình 3.10: Bản vẽ phận chổi quét bụi .20 Hình 3.11: Bánh xe chủ động thông số phần mềm SolidWorks 21 Hình 3.12: Bánh xe dẫn hướng mắt trâu 21 Hình 3.13: Bộ phận lõi hút bụi 22 Hình 3.14: Sơ đồ bố trí thiết bị 22 Hình 4.1: Sơ đồ khối hoạt động robot hút bụi, lau nhà 23 Hình 4.2: Module Wifi ESP32 .24 Hình 4.3: Sơ đồ chân kết nối ESP32 25 Hình 4.4: Cảm biến hồng ngoại .25 Hình 4.5: Ngun lí hoạt động cảm biến hồng ngoại 26 Hình 4.6: Sơ đồ thiết kế cảm biến hồng ngoại .26 Hình 4.7: Cảm biến siêu âm HC SR04 27 Hình 4.8: Module điều khiển động L298N .28 Hình 4.9: Mơ hình mạch cầu H 28 Hình 4.10: Động quay thuận .29 Hình 4.11: Động quay nghịch 29 Hình 4.12: Sơ đồ chân kết nối .30 Hình 4.13: Pin cell 18650 Samsung 2600mAh 31 vii Hình 4.14: Sơ đồ mạch nguyên lí mạch điều khiển 32 Hình 5.1: Khi robot chuyển động mà khơng gặp vật cản .34 Hình 5.2: Khi robot chuyển động mà gặp vật cản 35 Hình 5.3: Lưu đồ thuật tốn di chuyển robot khơng vật cản 36 Hình 5.4: Lưu đồ thuật tốn di chuyển robot có vật cản 36 Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển chế độ manual .37 Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật điều khiển chế độ auto 37 Hình 5.7: Tạo project Mit Inventor 38 Hình 5.8: Giao diện điều khiển robot thiết kế (Designer) MIT Inventor 39 Hình 5.9: Xuất file cài ứng dụng 39 Hình 6.1 Mơ hình thiết kế robot .40 Hình 6.2: Mơ hình thực tế robot 40 Hình 6.3: Giao diện điều khiển robot app điện thoại 41 Hình 6.4: Robot trước hút giấy vụn cỡ lớn 42 Hình 6.5: Robot sau hút giấy vụn cỡ lớn 42 Hình 6.6: Mức độ đánh giá robot hút mẫu giấy lớn .42 Hình 6.7: Robot trước hút giấy vụn cỡ nhỏ .43 Hình 6.8: Robot sau hút giấy vụn cỡ lớn 43 Hình 6.9: Mức độ đánh giá robot hút mẫu giấy nhỏ 43 Hình 6.10: Robot trước hút mẫu cát, bụi (được thay hạt tiêu) 44 Hình 6.11: Robot sau hút mẫu cát, bụi (được thay hạt tiêu) 44 Hình 6.12: Mẫu bụi nhỏ cịn sót lại 45 Hình 6.13: Mức độ đánh giá robot hút loại bụi nhỏ 45 Hình 6.14: Kích thước chổi quét 45 Hình 6.15: Quỹ đạo di chuyển lý thuyết robot 46 Hình 6.16: Quỹ đạo thực tế Robot kiểm tra .46 Hình 6.17: Biểu đồ độ ồn đo app điện thoại cự li gần robot .47 Hình 6.18: Độ ồn đo app điện thoại cự li gần robot 48 Hình 6.19: Biểu đồ độ ồn đo app điện thoại cự li 2m so với robot 49 Hình 6.20: Độ ồn đo app điện thoại cự li 2m so với robot 49 viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Hiện robot hút bụi, lau nhà thông minh dần trở thành xu hướng mới, thay máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ người công việc dọn dẹp nhà cửa Tại Việt Nam, dòng sản phẩm mắt dự đoán trở thành sản phẩm hot thời gian tới Robot hút bụi, lau nhà tự động coi trợ thủ vô đắc lực thông minh gia đình, bà nội trợ làm ngày khơng có thời gian chăm sóc nhà cửa Robot thiết kế thơng minh tự động thực công việc hút bụi, lau nhà mà không cần hướng dẫn thủ công Máy hút bụi tự động thiết kế nhỏ gọn làm ngóc ngách gầm bàn, gầm giường, ghế sofa, ngóc ngách Ngồi ra, robot thơng minh cịn sử dụng cho nhiều loại sàn khác như: sàn gỗ, thảm, sàn lát gạch, gạch men Trên thị trường có loại robot làm sàn nhà sản phẩm Robot lau nhà, Robot hút bụi robot kết hợp việc hút bụi lẫn lau nhà Trên thực tế để tăng hiệu làm cách tối đa người ta thường sử dụng robot vừa có khả lau nhà vừa có khả hút bụi 1.2 Lý chọn đề tài Là sinh viên ngành kỹ thuật Cơ điện tử với mong muốn giúp ích cho xã hội áp dụng kiến thức thực tiễn vào sống hàng ngày Nhóm định cho đời sản phẩm hứa hẹn đem lại tiện nghi cho gia đình Việt 1.3 Tính cấp thiết đề tài Việc giữ gìn nhà cửa ln mong muốn hàng triệu gia đình Việt Ai có ước mong trở nhà sẽ, tươm tất sau ngày dài làm việc Ấy mà, theo cách cũ dùng chổi để qt tốn nhiều cơng sức chí sàn nhà dễ bám bụi trở lại, chí vài tiếng Với số lượng cơng việc cá nhân ngày nhiều, khơng có dành q nhiều thời gian ngày để dọn dẹp nhiều nhà Để tập trung làm cơng việc khác, hộ gia đình Việt Nam cần có giải pháp nhanh chóng tiết kiệm thời gian Vậy nên, sản phẩm “ Robot hút bụi, lau nhà" đời, nhằm trở thành cánh tay đắc lực cho hàng triệu người bận rộn Việt Nam 1.4 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Với đề tài này, nhóm mong muốn tạo robot có khả tự hành nhà, lau dọn hút cát bụi vi khuẩn ngóc ngách, thay người để đảm bảo an toàn, vệ sinh nhà Ngồi tiết kiệm thời gian thân chi phí thuê người giúp việc Với đề tài này, nhóm nghiên cứu mong muốn góp phần tăng khả giao tiếp người robot ngày gần gũi hơn, mang lại mức đời sống cao cho người tạo bầu khơng khí lành 1.5 Mục tiêu đề tài Thiết kế chế tạo thiết bị tự động di chuyển để hút bụi lau nhà phịng Thiết bị có kích thước phù hợp vào khoảng 300-400 (mm) để hoạt động không gian nhiều vật cản nhà Tối giản hóa chi phí thiết kế để tiếp cận với nhiều hộ gia đình có điều kiện kinh tế khác Qua sản phẩm tham khảo có mặt ngồi thị trường, nhóm chúng em nghiên cứu thiết kế thiết bị hút bụi, lau nhà tự động với tính năng, khả nhằm cải tiến ưu điểm loại bỏ nhược điểm sản phẩm có mặt Đưa đến mơ hình hồn chỉnh cải tiến tương lai Nhiệm vụ: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động robot - Tính tốn kết cấu khí robot - Thiết kế khung sử dụng phần mềm SolidWork - Chế tạo chi tiết, lắp ráp thành phẩm - Lựa chọn lắp ráp mạch điện điều khiển robot hoạt động - Lập trình điều khiển động - Kiểm tra, thử nghiệm sản phẩm 1.6 Phương pháp nghiên cứu Áp dụng phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu đơn định: Đảm bảo tiêu khả làm việc chi chi tiết máy sản phẩm - Nghiên cứu thiết kế bền vững: xác định giá trị tối ưu thơng số thiết kế, đảm bảo hình dạng, chất lượng giá thành - Nghiên cứu ứng dụng: Sử dụng phần mềm Adruino để lập trình, điều khiển thiết bị tự động qua Bluetooth ... 37 5.4 Thiết kế App điều khiển MIT Inventor 38 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM .40 6.1 Kết thực mơ hình robot hút bụi, lau nhà thông minh 40 6.1.1 Kết thiết kế mơ hình robot ... yêu cầu đạt yếu tố robot hút bụi, lau nhà thơng minh: - Thiết bị hút bụi, lau nhà nhà diện tích bề mặt sàn đủ lớn - Kích thước thiết bị khơng lớn, phù hợp để di chuyển nhà - Thiết bị tránh vật... pháp nghiên cứu Áp dụng phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu đơn định: Đảm bảo tiêu khả làm việc chi chi tiết máy sản phẩm - Nghiên cứu thiết kế bền vững: xác định giá trị tối ưu thông số thiết kế,