Đồ án truyền động cơ khí đề tài robot hỗ trợ người cao tuổi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ - CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ ĐỀ TÀI: ROBOT HỖ TRỢ NGƯỜI CAO TUỔI GVHD: TS Nguyễn Vũ Lân Sinh viên MSSV Nguyễn Trung Tín 19146061 Nguyễn Quốc An 19146074 Nguyễn Việt Hùng 19146059 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Giới thiệu .1 1.2 Một số nghiên cứu liên quan robot chăm sóc người lớn tuổi giới Việt Nam 1.2.1 Robot chăm sóc người lớn tuổi giới 1.2.2 Robot chăm sóc người lớn tuổi Việt Nam 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Mục tiêu nghiên cứu .7 1.5 Giới hạn đề tài 1.6 Tính thiết thực đề tài 1.7 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ 10 2.1 Giới thiệu .10 2.2 Phương án thiết kế .10 2.3 Các yêu cầu thiết kế khí 11 2.5 Phương án thiết kế phù hợp cho robot chăm sóc người già .13 2.6 Phác thảo mơ hình hóa cấu hình robot hỗ trợ, chăm sóc người già .14 2.7 Thiết kế phần bệ robot 16 2.7.1 Tính tốn chọn động .16 2.7.2 Phân phối tỉ số truyền 22 2.7.3 Tính toán kiểm nghiệm truyền đai .23 2.7.4 Kiểm nghiệm bền cho Robot 30 CHƯƠNG : TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .46 3.1 Giới thiệu 46 3.2 Các thành phần khối chức 47 3.2.1 Khối ngoại vi .47 3.2.2 Khối điều khiển chức theo người 47 3.2.3 Khối điều khiển trạm sạc tự động 47 3.2.4 Khối điều khiển chuyển động Robot .48 3.3 Kết luận 48 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO BỆ DI CHUYỂN ROBOT 49 4.1 Giới thiệu 49 4.2 Bài toán động học thuận cho robot .50 4.2.2 Mơ hình tốn học Robot .50 4.3 Bài toán động học nghịch cho robot 54 4.4 Sơ đồ nguyên lý lưu đồ điều khiển 63 4.4.1 Tổng quan 63 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho đế robot 74 4.4.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển đế robot 76 4.5 Giải thuật PID cho điều khiển vị trí vận tốc Robot 78 4.5.1 Phương pháp đọc xung encoder 78 4.5.2 Sơ đồ khối điều khiển PID .79 4.5.3 Thông số PID theo phương pháp bán thực nghiệm .83 4.6 Giải thuật cho toán tránh vật cản 86 4.6.1 Giới thiệu điều khiển Fuzzy Logic 86 4.6.2 Xây dựng hàm liên thuộc luật điều khiển .86 4.7 Giao diện điều khiển 90 4.8 Kết luận 90 CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO 91 TRẠM SẠC ROBOT 91 5.1 Giới thiệu 91 5.2 Giới thiệu số thiết bị linh kiện 92 5.2.1 Mạch sạc .92 5.2.2 Mạch thu - phát sóng hồng ngoại 94 5.2.3 Mạch thu - phát RF 433Mhz 95 5.2.4 Module Relay 12VDC Kênh H/L 97 5.3 Mạch đo giá trị điện áp ắc qui 98 5.4 Xây dựng hệ thống sạc tự động 100 5.5 Kết thực 103 5.6 Kết luận .104 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO NGƯỜI 105 6.1 Giới thiệu 105 6.2 Cơ sở lý thuyết 105 6.3 Thiết kế hệ thống điện - điều khiển 106 6.3.1 Thiết kế hệ thống điện – điều khiển cho đai đeo .107 6.3.2 Thiết kế hệ thống điện –điều khiển cho robot 109 6.4 Kết đánh giá 118 KẾT LUẬN .120 TÀI LIỆU THAM KHẢO .121 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Robot chăm sóc người cao tuổi Nhật Bản .1 Hình 1.2: Robot hải cẩu Paro .3 Hình 1.3: Robot Pepper (Nhật Bản) Hình 1.4: Robot Alice (Hà Lan) Hình 1.5: Robot chăm bữa ăn cho người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP HCM ) Hình 1.6: Robot hỗ trợ người già (Sinh viên sư phạm kỹ thuật TP HCM) Hình 2.1: Phân tích cức Robot 11 Hình 2.2: Bản phát thảo robot hộ trợ chăm sóc người lớn tuổi 16 Hình 2.3: Hình dạng bên ngồi phát thảo 17 Hình 2.4: Sơ đồ động học đế chuyển động Robot .19 Hình 2.5: Động DCM50-775 24VDC 100RPM 22 Hình 2.6: Tổng thể thân khung Robot .32 Hình 2.7: Thiết kế đế tầng cho Robot .33 Hình 2.8: Hình chiếu đế tầng Robot .34 Hình 2.9: Các thơng số độ bền cho phép nhôm Aluminum 6061 34 Hình 2.10: Các thơng số hình học đế tầng 35 Hình 2.11: Mô ứng suất lên dế tầng Robot 35 Hình 2.12: Mơ chuyển vị lên đế tầng Robot 36 Hình 2.13: Mơ biến dạng đế tầng Robot 37 Hình 2.14: Thiết kế tổng thể đế tầng cho Robot .38 Hình 2.15: Hình chiếu đế tầng Robot .39 Hình 2.16: Thơng số hình học đế tầng 39 Hình 2.17: Mơ ứng suất lên dế tầng Robot 40 Hình 2.18: Mơ chuyển vị lên đế tầng Robot 41 Hình 2.19: Mơ biến dạng đế tầng Robot 41 Hình 2.20: Tổng thể thiết kế đế ống trụ đỡ cho thân khung Robot 43 Hình 2.21: Thơng số hình học thân khung Robot 43 Hình 2.22: Các thơng số độ bền cho phép thép hợp kim .44 Hình 2.23: Mơ ứng suất lên ống trụ thân khung Robot 44 Hình 2.24: Mơ chuyển vị lên ống trụ thân khung Robot 45 Hình 2.25: Mơ biến dạng lên ống trụ thân khung Robot 45 Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 47 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bệ robot 50 Hình 4.2: Biểu diễn hướng, vị trí kích thước bệ robot 52 Hình 4.3: Mô tả động học di chuyển bánh xe robot 53 Hình 4.4: Giả thiết quỹ đạo đường cần robot 55 Hình 4.5: Raspberry Pi Model B - 8GB RAM 66 Hình 4.6: Sơ đồ chân Arduino Nano 68 Hình 4.7: Module điều khiển động Dc BTS7960 43A 69 Hình 4.8: Cảm biến gia tốc góc MPU-6050 70 Hình 4.9: Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 71 Hình 4.10: Module giảm áp DC-DC Buck LM2596 3A 72 Hình 4.11: LPD3806-600BM Rotary Encoder 600 Xung NPN 74 Hình 4.12: Ắc quy Globe 74 Hình 4.13 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện cho đế robot .76 Hình 4.14 : Sơ đồ kết nối mạch điện cho đế robot 76 Hình 4.15: Lưu đồ giải thuật máy tính nhúng Robot 77 Hình 4.16: Lưu đồ giải thuật máy tính chủ với sở liệu MySQL .78 Hình 4.17: Đọc xung encoder chế dộ 4x 79 Hình 4.18: Sơ đồ khối điều khiển PID 81 Hình 4.19: Khâu bão hịa cho điều khiển vị trí 83 Hình 4.20: Khâu bão hịa cho điều khiển vận tốc .83 Hình 4.21: Hình ảnh giao diện hệ thống điều khiển chuyển động robot 91 Hình 5.1: Hình ảnh mơ Robot tìm trạm sạc .92 Hình 5.2: Bộ sạc bình ắc quy 200A tự động 12V - 24V BLM-168 93 Hình 5.3: Mạch sạc ắc quy 200A tự động 12V - 24V BLM-168 .95 Hình 5.4: Led thu sóng hồng ngoại 95 Hình 5.5: Bảng Đèn LED Hồng Ngoại 850nm 96 Hình 5.6: Phác thảo hình ảnh phát-thu tín hiệu hồng ngoại 96 Hình 5.7: Bộ thu - phát RF 433Mhz 97 Hình 5.8: Sơ đồ khối phần thu - phát module RF 433Mhz 98 Hình 5.9: Module Relay Kênh 12VDC H/L 99 Hình 5.10: Sơ đồ chân Module Relay Kênh 12VDC H/L .99 Hình 5.11: Lưu đồ hoạt động hệ thống sạc tự động Robot .102 Hình 5.12: Lưu đồ điều khiển động hệ thống sạc tự động Robot 102 Hình 5.13: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc tự động trạm sạc 103 Hình 5.14: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc tự động Robot 103 Hình 5.15: Hình ảnh thực tế trạm sạc 104 Hình 5.16: Hình ảnh thực tế tiếp điểm sạc Robot .105 Hình 6.1: Module NRF24L01 106 Hình 6.2: Sơ đồ chân module NRF24L01 .107 Hình 6.3: Sơ đồ mơ tả hoạt động hệ thống theo người 107 Hình 6.4: Sơ đồ khối hệ thống đai đeo 108 Hình 6.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điện 109 Hình 6.6 : Sơ đồ kết nối mạch 110 Hình 6.7 : Sơ đồ khối hệ thống 110 Hình 6.8 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện .112 Hình 6.9: Sơ đồ kết nối mạch 113 Hình 6.10: Hình ảnh đai sau hoàn thành 119 Hình 6.11: Hình ảnh Robot sau hoàn thành .119 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Ma trận ý tưởng thiết kế robot hỗ trợ người già 13 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật yêu cầu truyền động đế Robot 21 Bảng 2.3:Thông số kỹ thuật động DCM50-775-24VDC-100RPM 22 Bảng 2.4: Bảng phân phối tỉ số truyền 24 Bảng 2.5: Bảng tra chiều dộng đai 25 Bảng 2.6: Bảng tra thông số đai .25 Bảng 2.7: Bảng tra số tối thiểu bánh đai nhỏ 26 Bảng 2.8: Bảng tra trị số hệ số tải trọng động 29 Bảng 2.9: Bảng tra trị số khối lượng mét đai q m lực vòng riêng cho phép [ q ] 30 Bảng 2.10: Tóm tắt thông số mô sức bền cho đế tầng Robot .38 Bảng 2.11: Tóm tất thơng số mô sức bền cho đế tầng Robot .42 Bảng 2.12: Tóm tất thơng số mơ sức bền cho ống trụ thân khung Robot 46 Bảng 4.1: Bảng ma trận chuyển động robot .54 Bảng 4.2: Gía trị góc quay bánh theo đoạn di chuyển 58 Bảng 4.3: Bảng thông số kỹ thuật Raspberry PI - GB 67 Bảng 4.4:Thông số kỹ thuật Arduino Nano thể sau 69 Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật BTS7960 43A .71 Bảng 4.6 :Thông số kỹ thuật MPU-6050 72 Bảng 4.7: Thông số kỹ thuật HY-SRF05 73 Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật DC –DC Buck LM2596 3A 74 Bảng 4.9:Bảng thông số kỹ thuật LPD3806-600BM Encoder 600 Xung 74 Bảng 4.10: Thông số kỹ thuật ắc quy 76 Bảng 4.11: Bảng trạng thái đọc xung .80 Bảng 4.12: Bảng luật logic cho điều khiển 91 Bảng 4.13: Quy ước kí hiệu ngõ .91 Bảng 6.1: Thông số kỹ thuật NRF24L01 107 Bảng 6.2: Bảng điều khiển động 119 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Cùng với phát triển tiến không ngừng cách mạng công nghệ 4.0, cách mạng khoa học cơng nghệ, bùng nổ trí tuệ nhân tạo, cơng nghệ thông tin ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống, giúp đem lại hiệu quả, đổi công việc mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế cao Cùng với kinh tế ngày phát triển lực vực y tế, chăm sóc sức khỏe trọng quan tâm Những thiết bị, máy móc đại đưa vào khám chữa bệnh, góp phần hỗ trợ người bác sĩ, y sĩ hoàn thành nhiệm vụ cách nhẹ nhàng tốt hơn, nhiều bệnh điều trị dễ dàng nhờ máy móc đại Từ đó, tuổi thọ người dân nâng cao, tỷ lệ người cao tuổi cấu dân số có xu hướng tăng nhanh toàn giới, nhà khoa học đề xuất loại robot đỡ đần số gánh nặng việc cung cấp dịch vụ chăm sóc, hỗ trợ đáng ý đồng hành với người cao tuổi Nhật Bản nước tiên phong việc chế tạo nhiều loại robot chăm sóc người già Hình 1.1: Robot chăm sóc người cao tuổi Nhật Bản