Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot hút bụi tự động

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Việc quét dọn nhà cửa hàng ngày ngày càng trở nên cần thiết trong cuộc sống bận rộn hiện nay, dẫn đến sự gia tăng sử dụng các sản phẩm hỗ trợ như robot hút bụi tại Việt Nam Mặc dù robot hút bụi đã trở nên phổ biến, tất cả các sản phẩm hiện có trên thị trường đều được nhập khẩu từ Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc và Nhật Bản, do Việt Nam chưa phát triển được sản phẩm trong lĩnh vực này Để đáp ứng nhu cầu và khắc phục hạn chế này, một nhóm nghiên cứu đã quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hút bụi tự động” với mục tiêu phát triển một sản phẩm robot hút bụi tự động hiệu quả, tiện lợi, có khả năng hoạt động trên nhiều bề mặt sàn khác nhau.

Nhóm hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ góp phần nâng cao chất lượng và đa dạng hóa sản phẩm robot hút bụi tại thị trường trong nước, đồng thời thúc đẩy nghiên cứu, ứng dụng và phát triển công nghệ robot tự động ở Việt Nam.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Robot hút bụi tự động là giải pháp hiệu quả giúp giảm bớt công việc vệ sinh cho người dùng Với tính năng tự động, người dùng không cần tốn thời gian và công sức để dọn dẹp nhà cửa Điều này giúp tiết kiệm thời gian cho những hoạt động quan trọng hơn trong cuộc sống.

Robot hút bụi tự động giúp loại bỏ bụi bẩn và rác nhỏ, tạo môi trường sống sạch sẽ và trong lành cho gia đình, đồng thời giảm nguy cơ dị ứng và bệnh tật Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hút bụi tự động” không chỉ mở ra cơ hội nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cảm biến và điều khiển tự động hiện đại, mà còn góp phần quan trọng vào sự phát triển và ứng dụng của robot trong lĩnh vực vệ sinh và gia đình thông minh Qua đó, chúng ta có thể phát triển các sản phẩm robot hút bụi tiên tiến, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc duy trì không gian sống sạch sẽ, tiện nghi và hiện đại.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đối với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hút bụi tự động” được nhóm đặt ra mục tiêu như sau:

Robot hút bụi tự động được thiết kế và chế tạo với các tính năng cần thiết như khả năng tránh chướng ngại vật trong quá trình hoạt động, tích hợp trạm sạc pin, và hệ thống quét cùng hút bụi hoạt động ổn định Robot có khả năng hút hiệu quả các mẩu giấy vụn, hạt dưa và tóc, đáp ứng tốt nhu cầu vệ sinh của người dùng.

Thiết kế ứng dụng Android cho phép người dùng tương tác với robot thông qua lệnh giọng nói và nút nhấn, mang lại sự tiện lợi trong quá trình sử dụng.

Công nghệ in 3D đang được ứng dụng hiệu quả trong việc chế tạo vỏ và đế sạc cho robot, mang lại lợi ích trong sản xuất và nâng cao tính thẩm mỹ cho thiết bị.

﹣ Lập được bản đồ môi trường bằng cảm biến Lidar.

Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu tập trung vào phát triển robot hút bụi tự động với khả năng di chuyển linh hoạt và không bị giới hạn phạm vi hoạt động Để nâng cao tính tiện lợi trong việc điều khiển, nhóm đã tạo ra một ứng dụng trên nền tảng Android thông qua MIT App Inventor 2, cho phép người dùng ra lệnh bằng giọng nói và điều khiển qua màn hình cảm ứng Robot sử dụng công nghệ Lidar để quét và lập bản đồ môi trường xung quanh Các phần mềm hỗ trợ trong quá trình thiết kế bao gồm Cad Electrical cho thiết kế mạch, Inventor và Autocad cho mô hình 3D, Arduino IDE cho lập trình vi điều khiển, và ROS trên Raspberry Pi 4 cho lập bản đồ Cuối cùng, các chi tiết được lắp ráp để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.

Vì thời gian và năng lực còn nhiều hạn chế nên đề tài được nhóm giới hạn ở các nội dung bên dưới đây:

﹣ Tập trung vào nghiên cứu và giới thiệu việc ứng dụng mobile robot vào đời sống hàng ngày khi mà cuộc sống ngày càng hiện đại.

Robot hoạt động trong nhà được thiết kế để hoạt động hiệu quả trên mặt sàn nhẵn và thảm, với khả năng tránh vật cản Các loại vật thể mà robot có thể hút bao gồm bụi, mẫu giấy vụn và tóc.

Người dùng có thể tương tác với robot thông qua ứng dụng điều khiển trên điện thoại Android, sử dụng giọng nói hoặc giao diện cảm ứng.

﹣ Vẽ bản đồ môi trường robot hoạt động.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu robot đã tập trung vào việc thiết kế cơ khí với các đặc tính như không gian làm việc trong nhà và khả năng quét hút bụi, đảm bảo khả năng chịu tải, tính linh hoạt trong di chuyển và tính thẩm mỹ để thu hút người dùng Để cải thiện cơ cấu hút bụi, nhóm đã tham khảo các cơ cấu hút và quét, từ đó tính toán lực hút, lựa chọn động cơ và thiết kế hộp chứa rác phù hợp Để robot di chuyển linh hoạt và chính xác, nhóm đã nghiên cứu các bộ điều khiển cho động cơ, lựa chọn bộ điều khiển PID do tính ổn định và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển hiện nay.

Về điều hướng cho robot sử dụng cảm biến siêu âm để tránh vật cản trong quá trình di chuyển.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành tìm hiểu và cài đặt ROS trên hệ điều hành Ubuntu cho máy tính nhúng Raspberry Pi 4 Sau đó, nhóm đã khám phá cách sử dụng cảm biến Lidar để quét và lưu trữ bản đồ Đồng thời, nhóm cũng nghiên cứu các thuật toán đường đi nhằm tối ưu hóa lộ trình cho robot và tránh vật cản hiệu quả.

Cuối cùng, nhóm cho chạy thực nghiệm và đưa ra kết luận từ đó đề xuất hướng phát triển cho robot.

Kết cấu đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp được nhóm trình bày gồm 10 chương:

Chương 2: Tổng quan về robot hút bụi tự động.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp.

Chương 5: Tính toán và thiết kế cơ khí.

Chương 6: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển.

Chương 7: Xây dựng giải thuật điều khiển.

Chương 8: Lập bản đồ và tương tác với người dùng.

Chương 9: Kết quả và thực nghiệm.

TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG

Giới thiệu

Robot hút bụi tự động là thiết bị công nghệ thông minh, giúp tự động hút và làm sạch bụi trên sàn nhà Với thiết kế nhỏ gọn và hiện đại, chúng có khả năng di chuyển và hoạt động hiệu quả trên nhiều loại bề mặt như gạch, gỗ, thảm và sàn cứng khác.

Các robot sử dụng cảm biến để nhận diện và né tránh các vật cản như ghế, bàn và cột trong không gian Chúng còn có khả năng phát hiện các khu vực bẩn để thực hiện quy trình làm sạch, đồng thời tránh những khu vực đã được chỉ định là cấm.

Đặc tính của robot

Robot hút bụi hoạt động bằng cách di chuyển linh hoạt để tránh vật cản, đồng thời thực hiện chức năng hút bụi và quét sạch sàn nhà Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, người dùng chỉ cần lấy hộp chứa bụi và rác để đổ, sau đó đặt robot trở lại đế sạc để nạp pin cho lần sử dụng tiếp theo.

Kết cấu của robot

Mặc dù robot hút bụi có nhiều thiết kế và kết cấu khác nhau, hầu hết chúng đều chia sẻ một số bộ phận cơ bản chung.

Các nghiên cứu có liên quan đến đề tài

2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Vào đầu những năm 1990, Electrolux đã giới thiệu robot hút bụi đầu tiên mang tên Trilobite, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành tự động hóa và làm sạch Mặc dù nhận được sự quan tâm từ truyền thông, Trilobite không thực sự thu hút được sự chấp nhận từ người dùng Đến những năm 2000, robot hút bụi đã có những cải tiến đáng kể với việc tích hợp cảm biến, bộ vi xử lý mạnh mẽ và thuật toán thông minh, giúp nâng cao khả năng di chuyển, phát hiện chướng ngại vật và hiệu quả làm sạch.

Đến những năm 2010, robot hút bụi trở nên phổ biến với sự xuất hiện của các mẫu mã tiên tiến từ các công ty lớn như iRobot với dòng Roomba và Ecovacs Những sản phẩm này không chỉ có tính năng thông minh mà còn đạt hiệu suất cao, thu hút sự quan tâm và chấp nhận từ người tiêu dùng Thời điểm này đánh dấu sự khởi đầu của cuộc đua cải tiến công nghệ trong lĩnh vực robot hút bụi.

Hình 2.1:Thiết kế robot hút bụi Roomba đầu tiên [12]

Hiện nay, công nghệ tiên tiến đang cải thiện hiệu suất làm sạch của robot hút bụi, mang đến trải nghiệm mới cho người dùng Robot hút bụi ngày càng hiện đại và có khả năng làm sạch hiệu quả hơn.

Hình 2.2:Robot hút bụi lau nhà HOBOT LEGEE-688 đến từ Đài Loan

2.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Trong bối cảnh dịch Covid-19, Viện Ứng dụng Công nghệ đã phát triển thành công robot lau sàn khử khuẩn, hỗ trợ công tác phòng chống dịch Robot này được sử dụng tại các khu vực cách ly, thay thế nhân viên y tế trong việc lau sàn Với dung tích chứa 10 lít dung dịch khử khuẩn, robot có khả năng hoạt động liên tục trong 2 giờ Nó tự di chuyển, tránh vật cản và tiếp cận những khu vực khó khăn để vệ sinh hiệu quả Đặc biệt, sản phẩm còn có khả năng tự khử khuẩn trước khi ra ngoài NaRoVid là sản phẩm nổi bật đến từ Việt Nam.

Hình 2.3:Robot lau sàn khử khuẩn NaRoVid đến từ Việt Nam [11]

Thành công này không chỉ thể hiện trình độ xuất sắc của các nhà khoa học Việt Nam mà còn khẳng định khả năng ứng phó linh hoạt của nhà nước trước những thách thức do dịch bệnh gây ra, mang lại ý nghĩa lớn trong bối cảnh toàn cầu hiện nay.

2.5 Một số sản phẩm có trên thị trường

Dreame D9 Pro nổi bật với công nghệ hút mạnh mẽ, hệ thống điều hướng thông minh, thời lượng pin dài, bộ lọc hiệu quả, khả năng sạc tự động và ứng dụng điều khiển từ xa tiện lợi.

Hình 2.4:Robot hút bụi lau sàn Dreame D9 Pro

Robot hút bụi và lau nhà AIVI là một thiết bị tiên tiến, cho phép thực hiện hai chức năng lau và hút bụi đồng thời Với khả năng điều khiển từ xa và làm việc thông minh trên nhiều tầng, sản phẩm này mang lại sự tiện lợi tối đa cho người sử dụng.

Hình 2.5:Robot hút bụi lau sàn Ecovacs

Roborock S5 Max sử dụng công nghệ cảm biến laser, mang lại khả năng lập bản đồ chính xác cho ngôi nhà của bạn, đảm bảo an toàn tối ưu trong quá trình sử dụng.

2.5.4 Bảng thông số của 3 sản phẩm trên

Bảng 2.1: Bảng thông số của 3 sản phẩm

Thông số kỹ thuật Dreame D9 Pro Ecovacs Deebot

Roborock S5 MAX Đường kính 35cm 34.5cm 35cm

Chiều cao 10cm 7.5cm 9.6cm

Lực hút 2000PA 2600PA 2000PA

Dung tích chứa bụi 400ml 450ml 460ml

Thời gian làm sạch 150 phút 180 phút 180 phút

2.5.5 Ưu nhược điểm chung a Ưu điểm của robot hút bụi

﹣ Tự động và tiện lợi.

﹣ Linh hoạt và di chuyển dễ dàng.

﹣ Hút sạch và hiệu quả.

﹣ Tiết kiệm năng lượng. b Một số hạn chế

﹣ Robot hút bụi chưa được cải tiến để có thể hút được bụi trên các mặt phẳng gồ ghề và hút bụi ở các bậc cầu thang.

﹣ Dung tích hộp chứa bụi còn nhỏ.

﹣ Các góc khuất robot vệ sinh không sạch.

﹣ Hoạt động kém hiệu quả khi sàn bừa bộn.

﹣ Thời gian làm sạch lâu.

﹣ Giá thành khác cao so với các thiết bị gia dụng làm sạch.

Kế thừa và hướng cải tiến

Sau khi nghiên cứu các robot hút bụi tự động và các đồ án liên quan từ những nhóm nghiên cứu trước, nhóm đã nhận diện những hạn chế còn tồn tại trong các đồ án trước đó.

Hình 2.7:Mô hình đồ án khóa trước [1]

﹣ Vẫn chưa thấy đề cập đến việc lấy rác từ hộp chứa bụi và vệ sinh hộp chứa như thế nào.

﹣ Chọn động cơ quạt hút không theo cơ sở, cơ cấu quét hút còn hạn chế.

﹣ Chưa lập được bản đồ môi trường.

Điểm mới của đồ án

﹣ Robot được điều khiển tự động phần cơ cấu quét và hút bụi thông qua điện thoại android.

﹣ Điều khiển cơ bản robot bằng giọng nói.

﹣ Đi sâu vào thiết kế và gia công để cải thiện hơn về tính thẩm mỹ cho robot so với các đồ án trước.

Chọn động cơ hút phù hợp là bước quan trọng, cần dựa trên các cơ sở tính toán cụ thể Hầu hết các đồ án trước đây thiếu những tính toán cần thiết để đưa ra lựa chọn chính xác cho động cơ.

Thiết kế và gia công hộp chứa bụi không chỉ tối ưu hóa thể tích mà còn mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng robot trong việc thu gom rác và vệ sinh hộp chứa bụi.

﹣ Thiết kế và gia công đế sạc cho robot.

﹣ Lập được bản đồ môi trường.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan

Để thiết kế và chế tạo một robot hút bụi tự động hiệu quả, cần nắm vững nguyên lý hoạt động, cơ chế di chuyển, hệ thống quét và hút bụi, cũng như môi trường làm việc và các loại bụi bẩn mà robot có khả năng xử lý Từ những hiểu biết này, nhóm sẽ phát triển một robot với các tính năng phù hợp, nhằm giải quyết các vấn đề và thách thức đã nêu.

Động học

Để phân tích động học cho nền tảng di chuyển, chúng ta có thể sử dụng một cấu trúc robot di động đơn giản, bao gồm khung xe với hai bánh xe cố định Các robot di động thường áp dụng hệ thống lái chủ động với một bánh xe tự lựa thứ ba Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do robot có khả năng xoay tự do ở mọi hướng, chúng ta có thể bỏ qua bánh xe tự lựa.

Bánh xe tự lựa có ảnh hưởng hạn chế đến động học của robot Khi lái chủ động, để ngăn ngừa trượt và đảm bảo chuyển động cuốn mượt mà, robot cần xoay quanh một điểm nằm trên trục của hai bánh chủ động, được gọi là trung tâm quỹ đạo tức thời (ICC) hoặc trung tâm xoay tức thời (ICR).

Tại mỗi thời điểm, bánh trái và bánh phải di chuyển theo quỹ đạo xung quanh ICR với cùng tốc độ góc ω = dv/dt, dẫn đến mối quan hệ ω.(R + D).

Vận tốc của bánh trái (v1) và bánh phải (v2) theo mặt đất được xác định tại thời điểm bất kỳ, với R là khoảng cách từ điểm ICR đến trung điểm giữa hai bánh Cả v1, v2 và R đều phụ thuộc vào thời gian.

Vận tốc của điểm CR, tức là điểm chính giữa hai bánh, có thể tính bằng trung bình của vận tốc v1 và v2:

Giả định rằng một robot di chuyển quanh điểm ICC với tốc độ góc w(t), trong khoảng thời gian rất ngắn dt, robot sẽ di chuyển từ điểm P(t) đến P(t+dt) với vận tốc tuyến tính V(t) V(t) bao gồm hai thành phần vuông góc: Vx(t) theo trục X và Vy(t) theo trục Y.

Hình 3.2:Sơ đồ robot di chuyển quanh điểm ICC

Trong khoảng thời gian ngắn, robot di chuyển theo đường thẳng tiếp tuyến tại điểm P(t) trên quỹ đạo của nó Dựa vào hai thành phần vận tốc V(t), khoảng cách di chuyển theo mỗi hướng được tính như sau: dx = V x (t) dτ và dy = V y (t) dτ.

Công thức (3.1) đến (3.10) được tham khảo từ tài liệu [6].

Quạt hút

Áp suất khác biệt là yếu tố chính tạo ra lực hút trong quạt hút bụi Không khí di chuyển từ vùng có áp suất cao đến vùng có áp suất thấp, tạo ra một luồng không khí liên tục từ đầu vào đến cổng xả.

Có nhiều loại quạt hút ví dụ như quạt hướng tâm, hướng trục và dòng chảy chéo.

Quạt hướng tâm được sử dụng phổ biến trong hệ thống thông gió và máy hút bụi Quạt này hoạt động nhờ vào một quạt quay, vận chuyển không khí từ trung tâm ra ngoài bằng lực ly tâm Cấu trúc uốn cong của các cánh quạt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chức năng của quạt.

Các cánh quạt uốn cong về phía sau giúp quạt tự làm sạch và hiệu quả trong việc chuyển không khí có bụi Quạt hướng tâm này cho phép bụi bám vào cánh quạt và được đẩy ra ngoài nhờ luồng không khí mạnh, giữ cho quạt hoạt động hiệu quả và duy trì hiệu suất làm sạch Việc điều chỉnh tốc độ quay giúp kiểm soát lưu lượng không khí và áp suất, đáp ứng yêu cầu cụ thể của robot hút bụi.

Quạt hướng trục là thiết bị di chuyển khí theo chiều dọc trục, thường được sử dụng để vận chuyển một lượng lớn không khí Mặc dù hiệu suất của chúng thấp hơn so với quạt hướng tâm, nhưng khả năng điều chỉnh công suất thông qua tốc độ quay là một ưu điểm nổi bật của loại quạt này.

Quạt dòng ngang hút không khí vào nén và đẩy ra ngoài theo hướng mong muốn. Thường dùng trong hệ thống thông gió khi yêu cầu độ ồn thấp.

Lực ly tâm được mô tả bằng các phương trình dưới đây:

F: lực hướng tâm [N]. m: khối lượng của hạt [kg]. v: vận tốc tiếp tuyến [m/s].

�: vận tốc góc [rad/s]. r: bán kính [m]. a: là gia tốc hướng tấm [m/s 2 ].

Gia tốc trung bình giữa bán kính trong Ri và bán kính ngoài Ry trên khoảng cách Ry – Ri gây ra sự thay đổi vận tốc, dẫn đến sự biến đổi áp suất ([Pa]) Theo phương trình Bernoulli trong những điều kiện nhất định, v đại diện cho vận tốc hướng tâm tính bằng m/s, và mối quan hệ giữa áp suất p1 và p2 được thể hiện qua công thức p1 − p2 = � 22.

P: Công suất [W]. β: Góc của lưỡi quạt [rad].

Q: Lưu lượng [m 3 /s]. ρ : Tỷ trọng[kg/m 3 ].

U: Vận tốc tiếp tuyến của lưỡi [m/s]

V: Vận tốc chất lỏng [m/s]. b: Chiều rộng quạt ở lối ra [m]. g: Trọng lực [m/s 2 ].

Hình 3.4:Vận tốc và dòng chảy năng lượng [5]

Công suất cần thiết để tăng vận tốc của chất lỏng có thể xác định qua một biểu thức cụ thể Khi hình chiếu của Vθ1 bằng 0, biểu thức này được đơn giản hóa, giúp dễ dàng tính toán hơn.

P = ρQ(U2V02− U1V01) ( 3.14)Công thức (3.11) đến (3.14) được trích lục từ [5]

MIT App Inventor 2

MIT App Inventor 2 cho phép người dùng kết nối và tương tác với các dịch vụ bên ngoài, bao gồm web, cảm biến điện thoại, máy ảnh và nhiều thiết bị khác Nền tảng này hỗ trợ việc thực nghiệm trực tiếp trên điện thoại và xuất bản ứng dụng lên Google Play Store, giúp người dùng chia sẻ ứng dụng toàn cầu qua nền tảng phân phối ứng dụng.

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP

Yêu cầu của đặt ra cho đề tài

Robot hút bụi được cấu tạo từ nhiều bộ phận quan trọng như vỏ robot, mạch điều khiển, cảm biến, động cơ, bánh xe, hộp rác, chổi quét chính và phụ, màn lọc cùng đế sạc Đặc biệt, hộp chứa bụi được thiết kế tháo lắp tiện lợi, giúp người dùng dễ dàng trong quá trình sử dụng.

Robot có khả năng di chuyển linh hoạt theo đường zigzag hoặc ngẫu nhiên, đồng thời có thể tránh chướng ngại vật trong quá trình hoạt động và tạo ra bản đồ môi trường xung quanh.

Khả năng quét và hút của robot: có thể quét hút được cát, bụi, hạt dưa, mẫu giấy vụn, tóc, lông của thú cưng…và tiếng ồn thấp.

Tương tác với người dùng: điều khiển bằng nút hoặc ra lệnh bằng giọng nói cơ bản qua app thông qua điện thoại.

Toàn thể hệ thống phải đảm bảo hài hòa, tối ưu hóa chi phí thực hiện, đảm bảo an toàn cho trẻ em và thú cưng.

Vật liệu học

Để chế tạo robot hút bụi có tải trọng khoảng 3kg, việc lựa chọn vật liệu là rất quan trọng Vật liệu cần phải nhẹ, bền, đẹp và có giá thành hợp lý Sự lựa chọn đúng đắn sẽ đảm bảo robot hoạt động hiệu quả trong quá trình hút bụi.

Sau khi tham khảo sách vở và tài liệu, nhóm đã quyết định sử dụng mica cho đế và nhựa PLA cho phần vỏ và đế sạc của robot Quyết định này dựa trên các yếu tố quan trọng như trọng lượng nhẹ, độ bền và tính thẩm mỹ của vật liệu Mica và PLA là những vật liệu phổ biến, dễ tiếp cận và phù hợp với quy trình gia công, đảm bảo tính khả thi và tiết kiệm chi phí cho dự án chế tạo robot của nhóm.

Lựa chọn phương án di chuyển

4.3.1 Giải pháp 1: Cơ cấu 2 bánh xe

Hình 4.1:Cơ cấu 2 bánh xe [8] Ưu điểm:

- Đơn giản và dễ triển khai.

- Thay đổi hướng hiệu quả.

- Hạn chế trong việc điều chỉnh tốc độ và độ chính xác của robot.

4.3.2 Giải pháp 2: Cơ cấu 3 bánh xe có 1 bánh điều hướng Ưu điểm:

- Có độ tin cậy cao và ít khả năng gặp sự cố hơn so với các cơ cấu phức tạp hơn.

- Chi phí thấp hơn so với các cơ cấu phức tạp hơn.

- Chịu tải không đồng đều.

- Khả năng quay hạn chế hơn ba bánh chủ động.

4.3.3 Giải pháp 3: Cơ cấu 4 bánh xe

Hình 4.3:Cơ cấu di chuyển với 4 bánh xe[9] Ưu điểm:

- Di chuyển tốt trên mặt phẳng gồ ghề.

- Khó khăn trong việc chuyển hướng.

4.3.4 Lựa chọn phương án tối ưu

Dựa trên các phân tích và thiết kế hình tròn cùng với các yêu cầu kỹ thuật đã nêu, nhóm đã quyết định chọn giải pháp 2 Giải pháp này đáp ứng tốt các tiêu chí của robot, bao gồm thiết kế nhỏ gọn, tính thẩm mỹ cao và khả năng điều khiển dễ dàng.

Hình 4.4:Sơ đồ làm sạch của robot

Trong quá trình nghiên cứu, tốc độ di chuyển của robot được xác định là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất làm sạch Sau khi khảo sát các sản phẩm hiện có và dựa trên ước lượng của nhóm nghiên cứu, tốc độ 0,12m/s đã được chọn Tốc độ này cho phép robot di chuyển chậm nhưng ổn định, giúp nó nắm bắt chi tiết và khu vực cần làm sạch một cách hiệu quả hơn.

Lựa chọn phương pháp làm sạch

Có nhiều phương pháp làm sạch phù hợp với yêu cầu và điều kiện môi trường làm việc Một trong những phương án hiệu quả là sử dụng hệ thống chổi quét kết hợp với hút bụi Ngoài ra, có thể áp dụng hệ thống hút bụi thông qua quạt hút hoặc sử dụng lá chổi và cánh quạt Với không gian làm việc trong nhà có mặt sàn nhẵn, nhóm đã quyết định chọn hệ thống chổi quét và hút bụi để đảm bảo hiệu quả làm sạch tối ưu.

Robot hút bụi hoạt động bằng cách tạo ra lực hút mạnh mẽ, giúp thu gom bụi bẩn, chất rắn, tóc, lông thú cưng và các mảnh vụn khác trong không gian sống Mỗi thiết bị này đều được trang bị công nghệ tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất làm sạch.

Cánh quạt được thiết kế với hình dạng uốn cong hoặc đặc biệt nhằm nâng cao hiệu quả làm sạch và điều chỉnh lưu lượng không khí Ngoài ra, vật liệu và kích thước của cánh quạt cũng được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình hoạt động.

Quạt hút bụi cần có động cơ với công suất đủ mạnh để tạo lực hút và lưu lượng không khí lớn, đảm bảo hiệu quả làm sạch Ngoài ra, quạt phải vận hành êm ái, có tuổi thọ dài, kích thước phù hợp với thiết kế, và độ bền cao để hoạt động ổn định mà không gặp sự cố Cuối cùng, việc tiêu thụ điện năng cũng cần được tối ưu hóa để tiết kiệm chi phí.

Nhóm đã lựa chọn quạt hút có công suất lớn và giá rẻ, đáp ứng yêu cầu nhỏ gọn và lực hút mạnh, đồng thời dễ dàng thay thế trên thị trường nếu xảy ra hư hỏng trong tương lai.

Thông số động cơ quạt hút

Bảng 4.1:Thông số động cơ quạt hút Điện áp 12V

Hình 4.6:Động cơ quạt hút

Hệ thống quét gồm một chổi quét chính và một chổi quét phụ, giúp robot tăng khả năng dọn dẹp rác và bụi bẩn.

Việc lựa chọn chỉ một chổi quét phụ cho robot không chỉ tối ưu hóa thiết kế mà còn nâng cao khả năng và hiệu suất quét bụi, đảm bảo hiệu quả làm sạch Sử dụng một chổi quét phụ giúp người dùng dễ dàng hơn trong việc sử dụng và vệ sinh, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí cho việc bảo trì và vận hành robot.

Nhóm lựa chọn sản phẩm có sẵn với giá cả hợp lý, dễ thay mới khi chổi dùng lâu bị cũ hay bị hư…

Hình 4.7:Chổi quét chính và chổi quét phụ

Không gian làm việc của robot là trong nhà với mặt sàn nhẵn Vì vậy cần chọn động

Nhóm đã chọn động cơ DC giảm tốc với nguồn cấp trên 5V, cho phép động cơ đạt tốc độ tối đa lên đến 208 vòng/phút Động cơ này hoàn toàn đáp ứng các giả thuyết đã được đề ra trước đó.

Bảng 4.2:Thông số kỹ thuật động cơ DC vàng 2 trục Điện áp 5 V

Hình 4.8:Động cơ DC giảm tốc vàng 2 trục

4.4.4 Hộp chứa bụi và màn lọc bụi

Hộp chứa bụi trong đồ án có chức năng thu gom và lưu trữ bụi, lông, cùng các hạt nhỏ khác Để đảm bảo hiệu quả, hộp chứa bụi cần đáp ứng các yêu cầu cụ thể.

- Thiết kế dễ tháo rời và vệ sinh.

- Chất liệu không gây tĩnh điện.

- Có khả năng thay thế và tái sử dụng.

Những yêu cầu trên giúp đảm bảo hiệu quả và tiện ích của robot hút bụi trong quá trình làm sạch môi trường sống.

Lựa chọn nguồn và sạc

Lựa chọn nguồn điện đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và thiết kế robot hút bụi tự động, giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho thiết bị.

Hình 4.9:Các phương án chọn nguồn và sạc

Robot sử dụng pin làm nguồn điện để duy trì hoạt động làm sạch Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, người dùng có thể sạc lại robot, đảm bảo thời lượng pin ổn định trong quá trình sử dụng.

Sạc không dây có chi phí cao và việc kéo dây khi di chuyển không thuận tiện cho robot vệ sinh Hơn nữa, việc thay thế pin khi hết cũng gây khó khăn cho người dùng Do đó, lựa chọn sạc qua trạm là giải pháp tối ưu cho robot.

Mô tả robot hút bụi

Robot được điều khiển thông qua ứng dụng do nhóm lập trình phát triển, cho phép người dùng ra lệnh bằng giọng nói hoặc cảm ứng trên điện thoại Robot có hai chế độ hoạt động: tự động và thủ công Ở chế độ tự động, robot quét hút và di chuyển một cách tự động, tránh vật cản và đi theo các đường đi zigzag hoặc ngẫu nhiên đã được lập trình sẵn Trong chế độ thủ công, người dùng có thể điều khiển robot bằng tay với các thao tác cơ bản như tiến, lùi, và rẽ trái, phải.

Trình tự công việc tiến hành

Bước 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về robot hút bụi tự động, các công nghệ và các đồ án trước đây.

Bước 2: Xác định mục tiêu cụ thể cho đề tài.

Bước 3: Thiết kế cơ khí và điện tử cho robot hút bụi tự động.

Bước 4: Để điều khiển robot hút bụi tự động, nhóm phát triển phần mềm điều khiển tương ứng.

Bước 5: Thực nghiệm và đánh giá.

Nguyên lý hoạt động của robot

Robot được điều khiển thông qua một ứng dụng trên điện thoại Android, do nhóm lập trình phát triển Người dùng có thể điều khiển robot bằng giọng nói hoặc cảm ứng phím, với hai chế độ điều khiển: tự động và thủ công Chế độ tự động bao gồm hai tùy chọn là zigzag và random, mang đến cho người dùng trải nghiệm đa dạng hơn.

Robot hoạt động bằng cách tạo ra lực hút mạnh mẽ, giúp loại bỏ hoàn toàn bụi và mảnh vụn trên đường di chuyển Hệ thống quạt hút được kích hoạt để thực hiện công việc này, đồng thời robot còn được trang bị bộ chổi quét để thu gom rác nhỏ và tóc xung quanh khu vực hút Điều này nâng cao hiệu quả làm sạch của robot.

Robot hút bụi có khả năng thu thập nhiều loại bụi bẩn như lông mèo, tóc, hạt dưa và mẫu giấy vụn Hộp chứa bụi được thiết kế thông minh, dễ dàng tháo rời, giúp việc lấy rác và vệ sinh sau khi hoàn thành công việc trở nên thuận tiện hơn.

Robot được trang bị các cảm biến như Lidar và siêu âm, giúp chúng xây dựng bản đồ và tìm lối đi khác khi gặp chướng ngại vật Nhờ vào những tính năng này, robot đảm bảo an toàn và tránh được các sự cố không mong muốn.

Hình 4.10:Sơ đồ khối chức năng của robot

Thông số thiết kế robot

Thông số đầu vào đề xuất cho robot:

Kích thước robot:350xh160 mm

Thể tích hộp bụi: 1 [lít]

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Yêu cầu phần cơ khí của robot hút bụi

Nhóm nghiên cứu đã nhận thấy cần thiết kế một robot nhỏ gọn, thẩm mỹ và hoạt động ổn định Phần cứng của robot cần đảm bảo các yếu tố quan trọng sau đây.

+ Hộp chứa bụi, bánh xe, chổi quét chính và phụ.

Tính toán lựa chọn động cơ

5.2.1 Sơ đồ hệ thống dẫn động

Hệ thống dẫn động của robot được thiết kế với hai bánh lái độc lập và một bánh tự lựa để chuyển hướng, giúp giảm độ phức tạp và tăng tính đơn giản Nếu hai bánh lái không quay với tốc độ tương tự, robot sẽ quay sang một bên Thiết kế này không yêu cầu hệ thống bẻ lái, tạo ra sự hiệu quả trong việc di chuyển.

Robot di chuyển thẳng hoặc xoay nhờ hệ thống ba bánh xe, trong đó hai bánh chính được dẫn động trực tiếp qua động cơ bằng khớp nối cứng Bánh xe nhỏ còn lại có chức năng tự lựa để điều hướng và giữ cân bằng cho robot.

Để tối ưu hóa thiết kế robot, cần tránh việc dư thừa không gian trống, điều này giúp giảm kích thước và độ cồng kềnh của robot Đồng thời, đế của robot phải có độ bền đủ để chịu được toàn bộ khối lượng của nó.

Để robot hoạt động hiệu quả, cần có các thiết bị thiết yếu như động cơ, bánh xe, bộ pin, cảm biến, vi điều khiển và mạch giảm áp Robot ước tính nặng khoảng 3kg và có đế thiết kế hình tròn, giúp tạo ấn tượng và dễ dàng di chuyển trong không gian sống.

5.2.2 Tính toán chọn động cơ

Các thông số ban đầu:

Khối lượng robot:� = 3 �� Đường kính bánh xe:� = 2� = 0,065 �

Xe tăng tốc với gia tốc:� = 0,12 �/� 2

Hệ số ma sát của bánh xe:� = 0,2

Hiệu suất của hộp số: n1= 0,97

Hình 5.2: Lực tác dụng lên robot khi di chuyển

Lực kéo do động cơ sinh ra:

Do thiết kế của mô hình, mỗi bánh xe cần cung cấp lực đẩy:

60 = 3,66(���/�) Công suất cần thiết của động cơ:

= 0,1014.3,66 = 0,371(�) Công suất làm việc trên trục động cơ:

Ta có hiệu suất truyền động với: η = n 1 n 2 =0,97.0,99=0,96 (5.8) Công thức (5.1) đến (5.6) được tham khảo từ [4] và công thức (5.7) (5.8) tham khảo từ [2].

Theo tính toán từ các thông số đầu vào ở trên ta có các thông số cần thiết để lựa chọn ۔ Tốc độ:� = 35(vòng/phút) ۔ Moment: � = 101,4 (� ��)

Với những thông số như trên nhóm lựa chọn động cơ có hộp giảm tốc DC Servo GM25-370.

Bảng 5.1:Thông số động cơ

Dòng tiêu thụ 150mA-750mA

Tốc độ không tải 250 RPM

Hình 5.3:Động Cơ DC Servo GM25-370

Tính toán động cơ quạt hút

Giả sử một quá trình đẳng entropi (Quá trình đẳng nhiệt động lý tưởng) chênh lệch áp suất trong quạt có thể được tính bằng phương trình sau: p1 − p2 = ρU2Vθ2 (5.8)

Hình 5.4:Hình học cánh quạt hút [3]

Ta có thông số đầu vào của motor quạt hút:

- Góc tại lối vào của cánh quạt: β1= 25 o

- Góc tại ngõ ra của cánh quạt: β2= 40 o

- Chiều rộng tại lối vào: b1= 0.016 (m)

- Chiều rộng tại lối ra: b2= 0.008 (m)

- Mật độ không khí: ρ = 1.22 (kg/m 3 )

Các công thức được sử dụng từ (5.8) đển (5.14) được trích từ tài liệu [5].

Thiết kế cơ khí

Trong thiết kế tổng thể, phần đế robot đóng vai trò cực kỳ quan trọng, cung cấp không gian cho các linh kiện điện tử như động cơ, hộp chứa bụi, pin và cảm biến Đế robot không chỉ chịu tải cho toàn bộ cấu trúc mà còn cần đảm bảo kích thước nhỏ gọn và tính thẩm mỹ cao.

Trong quá trình thiết kế đế robot, nhóm đã xem xét trọng lượng, phân bố tải trọng và tải trọng tối đa dự kiến để đảm bảo độ bền và đáng tin cậy Dựa trên các thông số đầu vào, nhóm tiến hành phân tích kỹ thuật và kiểm nghiệm chuyển vị, uốn trên phần mềm Cuối cùng, nhóm chọn vật liệu gia công phù hợp để đảm bảo tải trọng không gây hại cho robot.

Hình 5.5:Thiết kế đế của robot

Trong thiết kế đế robot, nhóm đã tạo ra hai khe nhỏ hình vuông đối xứng ở phía trước với cạnh 1cm để làm tiếp điểm sạc Ngoài ra, có một rãnh tròn ở phía trước bên trái để gắn động cơ chổi quét phụ, cùng với một rãnh ở giữa để chừa khoảng trống cho chổi quét chính Cuối cùng, thiết kế còn bao gồm hai khe lớn đối xứng để lắp đặt hai bánh chủ động.

Hình 5.6:Thiết kế đế 2D của robot

Nhóm đã chọn nhựa mica màu đen làm vật liệu để gia công đế robot có kích thước đường kính 350mm và độ dày là 7mm.

Tấm đế được làm bằng vật liệu mica PMMA.

Robot có khối lượng là 3kg nên nhóm đặt lực tối đa lên đế là 30N phân bố đều lên bề mặt như hình dưới.

Kiểm nghiệm ứng suất uốn cho thấy tấm đế có thể chịu được ứng suất uốn cao nhất là 5.698 MPa Ứng suất này nằm trong khoảng cho phép khi tấm đế chịu tải.

Hình 5.8:Chuyển vị theo phương Z

Chuyển vị theo phương Z lớn nhất là 0.1258 mm Do đó ta có thể thấy sự chuyển vị theo phương Z của tấm đế là rất bé và đạt yêu cầu.

Vỏ robot có vai trò quan trọng trong việc kết nối, cố định và sắp xếp các bộ phận như bánh xe, mạch điều khiển, hộp chứa bụi và pin Điều này giúp đảm bảo sự ổn định cho robot trong quá trình thực hiện nhiệm vụ vệ sinh sàn nhà.

Thiết kế tỉ mỉ và hiện đại của robot hút bụi không chỉ tạo nên sự thu hút mà còn mang lại ấn tượng tích cực cho người dùng, khẳng định đẳng cấp và độ tin cậy của sản phẩm.

Thiết kế thân trên của robot bao gồm các lỗ tròn được cắt ở phía trước và hai bên vỏ, nhằm lắp đặt các cảm biến siêu âm để phát hiện vật cản phía trước Vỏ robot được chế tạo bằng công nghệ in 3D với độ dày 5mm.

5.4.3 Thiết kế hệ thống hút bụi

Hệ thống hút bụi bao gồm quạt hút, hộp chứa bụi và khe chổi quét Quạt hút tạo ra dòng khí mang theo rác và bụi bẩn từ khe chổi quét vào hộp chứa bụi Rác và bụi bẩn sẽ được giữ lại trong hộp chứa nhờ vào màn lọc hiệu quả.

Hình 5.10:Hệ thống hút bụi

Hộp chứa bụi là bộ phận quan trọng của robot hút bụi, có chức năng lưu trữ bụi và rác trong quá trình làm việc Thiết kế của hộp chứa bụi cần phù hợp với quạt hút và cơ cấu quét, đồng thời phải xem xét các yếu tố như dung tích, kích thước, chất liệu, hệ thống lọc và khả năng tháo lắp để dễ dàng lấy rác và vệ sinh Một hộp chứa bụi được thiết kế hợp lý sẽ đảm bảo hiệu quả thu gom bụi và mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.

Thông số của hộp chứa bụi:

Nhóm đã quyết định sử dụng phương pháp in cắt mica dày 2mm để tạo ra sản phẩm nhẹ, bền và đảm bảo tính tĩnh điện Màn lọc bụi được lắp đặt bên trong hộp chứa, ngay trước quạt hút, nhằm mục đích lọc bụi bẩn và giữ lại rác thải trong hộp chứa.

Hình 5.12:Hình thực tế hộp chứa bụi

5.4.4 Thiết kế đế sạc Để thiết kế đế sạc cho robot hút bụi nhóm đã xem xét các yếu tố sau đây:

- Hình dạng của đế sạc được thiết kế phù hợp với thiết kế thân và đế của robot để dễ dàng kết nối với tiếp điểm sạc của robot.

- Ngõ vào điện của đế sạc là 220V ngõ ra là 12V 4A dùng để sạc cho nguồn của robot.

- Đảm bảo an toàn khi sạc pin, bảo vệ quá dòng, quá áp.

- Có thiết kế bắt mắt.

Hình 5.13 minh họa mô phỏng đế sạc được in 3D, thiết kế nhỏ gọn và thân thiện với robot, với hai tiếp điểm sạc cách nhau 10cm để đảm bảo an toàn và tránh chập nguồn Kích thước của đế sạc được tối ưu hóa để phù hợp với robot.

Hình 5.14:Hình thực tế của đế sạc khi gia công

5.4.5 Các phụ kiện đi kèm

Hình 5.15:Bánh xe chủ động

Hình 5.16:Bánh xe tự lựa

Hình 5.17:Khớp nối trục động cơ bánh xe

Hình 5.18:Gá động cơ 25mm DC Geared Motor

Kết quả thiết kế cơ khí

Hình 5.19:Mô hình 3D tổng thể của robot

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ các khối trong hệ thống

Robot hút bụi bao gồm: khối nguồn, điều khiển, bluetooth, cảm biến, động cơ di chuyển và khối hút bụi.

Hình 6.1:Sơ đồ các khối có trong robot

Khối nguồn (Pin Li-ion): cần đảm bảo nguồn cung cấp đủ cho hệ thống gồm pin, mạch sạc.

Khối động cơ di chuyển:gồm motor DC servo,Driver L298N.

Khối xử lý trung tâm: gồm mạch Arduino mega 2560 và Raspberry Pi 4 điều khiển cả hệ thống.

Khối bluetooth: dùng HC-06 để giao tiếp robot với điện thoại android thông qua ứng dụng mà nhóm đã lập trình.

Khối cảm biến và relay: bao gồm cảm biến Lidar, siêu âm để tránh vật cản, relay dùng để điều khiển cơ cấu quét và hút bụi của robot.

Khối hút bụi:bao gồm động cơ quạt hút, động cơ chổi quét chính và chổi quét phụ.

 Tín hiệu đầu vào lấy từ encoder, Bluetooth, Lidar, siêu âm, đầu ra gồm động cơ di chuyển, động cơ quạt hút, relay, động cơ chổi quét.

Hình 6.2:Sơ đồ tổng quát hệ thống điện

Hệ thống điện và điều khiển

Hình 6.4:Sơ đồ nguồn cấp của hệ thống

Thành phần hệ thống điện và điều khiển

Khối nguồn trong sơ đồ hệ thống bao gồm nguồn cung cấp chính, bộ biến đổi nguồn, mạch ổn áp, bộ quản lý pin và đèn báo dung lượng pin Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, khối nguồn cần có công suất và dung lượng phù hợp, kích thước hợp lý, dễ sử dụng và có khả năng tái sử dụng lâu dài.

Thiết bị Số lượng Dòng Điện áp Tổng Động cơ DC servo 02 150-750mA 12V 1500mA-12V Động cơ DC vàng giảm tốc 02 70mA 3-12V 140mA-5V

Cảm biến siêu âm 03 2mA 5V 6mA-5V

Cảm biến hồng ngoại 02 43mA 5V 86mA-5V

Bài viết mô tả việc sử dụng hai nguồn điện 12V và 5V cho các linh kiện điều khiển và cảm biến Nguồn 12V cung cấp năng lượng cho động cơ quạt hút, trong khi đó, nguồn này sẽ được giảm áp xuống 5V qua mạch giảm áp LM2596 để cung cấp cho động cơ chổi quét.

Vậy cần 2 nguồn điện có công suất tối thiểu như sau:

Để cung cấp năng lượng cho robot, cần sử dụng nguồn điện với công suất P1 cho phần điều khiển và thiết bị đầu vào, cùng với nguồn điện P2 cho động cơ hút bụi và chổi quét Tổng công suất yêu cầu phải lớn hơn 74640 mW Do robot cần hoạt động liên tục trong thời gian dài, nhóm đã chọn hai nguồn điện giống nhau, mỗi nguồn gồm 3 viên pin 18650 với dung lượng 3400mAh và điện áp trung bình 4,2V mắc nối tiếp.

P = 6.3400.4,2 = 85680(mW) Đáp ứng được yêu cầu đề ra. Động cơ quạt hút 01 4A 12V 4000mA-12V

Mạch giảm áp là thiết bị quan trọng giúp cung cấp nguồn điện ổn định 5V cho các thiết bị trong hệ thống, đảm bảo đủ dòng điện theo yêu cầu Trong đồ án này, nhóm thực hiện việc giảm áp từ nguồn 12V xuống 5V.

Mạch sạc có khả năng sạc đồng thời 6 cell pin, điều chỉnh dòng sạc và bảo vệ dòng điện cũng như áp suất Ngoài ra, mạch còn tích hợp chức năng cân bằng pin, giúp đảm bảo mỗi cell pin trong hệ thống đạt cùng mức điện áp, ngăn ngừa tình trạng một cell pin bị quá điện áp hoặc quá thấp so với các cell pin khác.

Khối điều khiển nhận dữ liệu từ khối cảm biến và các thiết bị trong hệ thống, xác định trạng thái của robot và xử lý thông tin để tạo ra tín hiệu điều khiển hoạt động cho robot.

Dựa trên các yêu cầu và linh kiện điện được sử dụng, nhóm đã quyết định chọn board Arduino Mega 2560 và Raspberry Pi 4 để điều khiển toàn bộ hệ thống của robot.

Nhóm đã tích hợp cảm biến siêu âm và Lidar A1 M8 vào robot để nâng cao khả năng phát hiện và tránh vật cản khi di chuyển Cảm biến siêu âm giúp nhận diện vật cản, trong khi Lidar A1 M8 hỗ trợ lập bản đồ đường đi, đảm bảo an toàn cho robot Sự kết hợp này không chỉ tăng cường khả năng phát hiện mà còn duy trì hiệu quả trong việc di chuyển của robot.

Hình 6.11:Siêu âm HC-SR04

Trong đồ án này, nhóm dùng relay để điều khiển tự động cơ khâu quét và hút bụi của robot.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một ứng dụng trên điện thoại Android để điều khiển robot tự động hoàn toàn Robot được điều khiển thông qua giao tiếp Bluetooth, cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh theo nhu cầu của mình.

Nhóm chọn HC06 để sử dụng trong đồ án vì rất phổ biến Việc sử dụng module HC-

Giao thức UART cho phép truyền và nhận dữ liệu hiệu quả giữa Arduino và các thiết bị khác, hỗ trợ điều khiển từ xa và truyền dữ liệu không dây giữa robot và người dùng.

Hình 6.13:Module thu phát bluetooth HC-06

6.3.5 Khối điều khiển động cơ

Robot được thiết kế để di chuyển chậm và thực hiện nhiệm vụ vệ sinh mặt sàn, kết hợp giữa cơ cấu hút bụi và làm sạch nhằm đảm bảo hiệu quả quét và hút bụi Nhóm đã chọn động cơ GM25 với hộp giảm tốc dựa trên các tính toán và lựa chọn kỹ lưỡng ở chương trước.

Nhóm sử dụng Driver L298N để điều khiển tốc độ quay của động cơ thông qua tín hiệu từ board điều khiển Trong đề tài này, nhóm áp dụng board Arduino và Raspberry Pi Module này bao gồm các chân để điều hướng, điều chỉnh tốc độ và dòng điện của động cơ.

Hình 6.14:Mạch điều khiển động cơ L298N

6.3.6 Khối động cơ quét và hút

Hình 6.15:Hình ảnh của khối động cơ quét và hút gắn trên robot

 Khối động cơ hút bụi

Khối động cơ hút của robot có vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực hút mạnh mẽ, giúp thu gom bụi bẩn, mảnh vụn và tóc trên bề mặt Động cơ này tạo ra luồng không khí mạnh thông qua cánh quạt, tạo áp suất để hút các loại bụi bẩn vào hệ thống Nhờ vào khối động cơ hút, robot có khả năng làm sạch sàn nhà một cách hiệu quả.

Hình 6.16:Động cơ quạt hút.

 Khối động cơ quét chính và phụ

Môi trường làm việc lý tưởng cho robot là trong nhà với bề mặt sàn nhẵn Để đáp ứng yêu cầu này, nhóm đã chọn động cơ quét êm ái, ít tiếng ồn, với công suất và mô-men xoắn phù hợp để đảm bảo hiệu suất quét trong nhà Đồng thời, động cơ cũng cần có giá thành hợp lý, dễ dàng mua và thay thế khi gặp sự cố.

Hình 6.17:Động cơ chổi quét.

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

Yêu cầu thuật toán điều khiển

Yêu cầu của thuật toán đề ra:

 Đảm bảo robot di chuyển đầy đủ các nơi trong một khu vực, giảm khả năng bỏ sót vùng làm việc của robot.

 Di chuyển theo kiểu zigzag và random.

 Tránh vật cản động và tĩnh.

Thuật toán PID trong điều khiển động cơ

7.2.1 Phương pháp đọc xung encoder

Phương pháp đọc xung encoder hồi tiếp từ động cơ sử dụng 2 ngõ vào kênh A và kênh B ở chế độ 4x, cho phép thực hiện 4 lần đọc trong 1 chu kỳ xung Hai chân ngắt được sử dụng đồng thời để tính toán giá trị xung, giúp xác định chiều quay của động cơ và tính toán vị trí cùng vận tốc Sơ đồ phân chia số lần đọc cho thấy 4 thời điểm quan trọng trong mỗi chu kỳ.

Hình 7.1:Đọc xung Encoder ở chế độ 4x

Bảng 7.1:Bảng trạng thái đọc xung

Chuyển động cùng chiều kim đồng hồ

Chuyển động ngược chiều kim đồng hồ

Công thức tính vận tốc:

Công thức tính vị trí

7.2.2 Điều khiển vận tốc bằng thuật toán PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh vận tốc và vị trí của Robot, dựa trên sơ đồ khối cụ thể Giá trị đặt, thể hiện vận tốc hoặc vị trí mục tiêu, được xác định trong quá trình điều khiển để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Hình 7.2:Sơ đồ điều khiển động cơ

Bộ điều khiển PID được biểu diễn dưới dạng tổng hợp giữa 3 khâu là Khâu P, Khâu I và Khâu D.

Hình 7.3:Sơ đồ bộ điều khiển PID Luật điều khiển PID: u(t) = Kpe(t) + KI

Hàm truyền của bộ điều khiển PID:

Thành phần khâu tỉ lệ: u(t) = K p e(t) (7.3)

Thành phần khâu tích phân: u(t)= KI

Thành phần khâu vi phân: u(t) = de(t) dt (7.6)

7.2.3 Phương pháp tìm thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichol 2

+ Đặt Ki = 0, Kd=0 tăng Kp cho đến khi hệ dao động tuần hoàn, đặt giá trị Kp =Kc.

+ Đo chu kỳ dao động� �ℎ

+ Tính các thông số điều khiển.

Hình 7.4:Đáp ứng của hệ khi tăng Kp đến dao động tuần hoàn

Hình 7.5:Đáp ứng vận tốc của hệ với các thông số PID vừa tìm được

Tăng dần giá trị Kc cho đến khi hệ dao động tuần hoàn ổn định, như thể hiện trong hình 7.4 Tại thời điểm này, chu kỳ dao động được xác định là 0.4 giây Dựa trên bảng 7.2 của phương pháp Ziegler-Nichols 2, chúng ta có thể xác định các thông số PID: Kp = 12, Ki = 0, Kd = 0.6.

Bảng 7.2:Thông số điều khiển

Bộ điều khiển Kp Ki Kd

Lưu đồ thuật toán

7.3.1 Lưu đồ chương trình của ứng dụng

Hình 7.6:Lưu đồ mô tả các bước và luồng làm việc của ứng dụng

Sau khi kết nối điện thoại với robot, người dùng có thể chọn giữa hai chế độ: tự động và thủ công Chế độ tự động bao gồm hai phím zigzag và random, cho phép robot di chuyển và làm sạch sàn hiệu quả với quạt hút và chổi quét hoạt động đồng thời Trong khi đó, chế độ thủ công cung cấp các nút điều khiển tiến, lùi, trái, phải, cùng với phím nhận giọng nói và các phím bật động cơ chổi quét và hút, đồng thời có thanh kéo thả để điều chỉnh tốc độ di chuyển của robot.

7.3.2 Lưu đồ di chuyển zigzag

Hình 7.7: Lưu đồ giải thuật di chuyển zigzag

7.3.3 Lưu đồ di chuyển random

Hình 7.8:Lưu đồ giải thuật di chuyển Random

Khi robot gặp vật cản phía trước, nó sẽ rẽ trái Nếu có vật cản cả phía trước và bên trái, robot sẽ rẽ phải Ngược lại, khi có vật cản phía trước và bên phải, robot sẽ rẽ trái.

LẬP BẢN ĐỒ VÀ TƯƠNG TÁC VỚI NGƯỜI DÙNG

Lập bản đồ

8.1.1 Lập bản đồ môi trường

Lập bản đồ môi trường làm việc là một yếu tố quan trọng trong quá trình tự hành của robot Việc quét bản đồ giúp xác định vật cản và vị trí của robot, từ đó hoạch định đường đi và điểm đến, đảm bảo quá trình di chuyển diễn ra hiệu quả.

Nhóm xây dựng bản đồ 2D để xác định vị trí của robot nhằm giám sát trong quá trình robot vệ sinh mặt sàn.

8.1.2 Thuật toán vẽ bản đồ Hector SLAM

Hector SLAM là thuật toán sử dụng dữ liệu quét laze để tạo bản đồ, dựa trên phương pháp scan matching và phép đo hình học từ xung encoder của hai bánh xe để xác định vị trí robot Thuật toán này rất hiệu quả trong việc tạo bản đồ khi thông tin về khung tọa độ (odometry) của robot bị sai lệch, không thể đo được hoặc có sai số lớn.

Nhóm nghiên cứu sử dụng thuật toán kết hợp với cảm biến Lidar A1 M8, có tầm quét lên đến 12m, để tạo ra bản đồ 2D cho không gian làm việc của robot.

Hình 8.1:Sơ đồ quá trình vẽ bản đồ

Cảm biến Lidar quét toàn bộ môi trường xung quanh, cung cấp 360 điểm dữ liệu, mỗi điểm đại diện cho một góc quét trong phạm vi 360 độ Mỗi điểm dữ liệu chứa thông tin về khoảng cách giữa cảm biến Lidar và vị trí của các vật cản trong môi trường.

Hình 8.2:Khởi động lidar trên Rviz

Bước 2: Rviz sử dụng hector_slam để nội suy dữ liệu từ Lidar, giúp hiển thị các giá trị tương ứng lên bản đồ Điều này cho phép chúng ta quan sát và theo dõi môi trường xung quanh robot một cách hiệu quả.

Hình 8.3:Bản đồ được vẽ trên Rviz lấy dữ liệu từ Lidar

Bước 3: Sau đó Scan Matching giúp tối ưu kết nối giữa các điểm cũ vẽ trước đó và các điểm mới quét được.

Hình 8.4:Dùng Scan matching để mở rộng bản đồ

Bước 4: Di chuyển robot dựa vào sự tính toán trên ta thu được không gian của bản đồ cần quét.

Hình 8.5:Bản đồ sau khi vẽ

Sau khi robot hoàn tất việc quét toàn bộ môi trường làm việc và thu thập được bản đồ, nhóm sẽ tiến hành lưu trữ kết quả này Bản đồ đã lưu sẽ được sử dụng để điều khiển và vận hành robot trong quá trình di chuyển.

Hình 8.6:Hình map được lưu lại sau khi vẽ

App tương tác người dùng

8.2.1 Quy trình xây dựng App trên Mit App inventor

Bước 3: Xây dựng Logic cho ứng dụng.

Bước 4: Kết nối các thành phần khác.

Bước 5: Kiểm tra và thử nghiệm.

Hình 8.7:Giao diện lập trình ứng dụng

Giao diện App gồm 2 phần: phần đăng ký và đăng nhập, phần tiếp theo là phần giao diện sử dụng.

Hình 8.8:Giao diện đăng nhập

Hình 8.9:Giao diện sử dụng

Những tính năng của app:

+ Có khả năng đăng ký, đăng nhập tài khoản, tên tài khoản khi người dùng tạo sẽ lưu ở realtime database được tạo trên firebase.

+ App có các tính năng như: bằng tay, bằng giọng nói, chạy auto theo chế độ zigzag hoặc chế độ random, bật tắt cơ cấu quét và hút bụi.

KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM

Kết quả

Hình 9.1:Mô hình thực tế robot hút bụi tự động

Bảng 9.1:Thông số của robot

Kích thước của robot 350 x h160 [mm]

Thể tích hộp chứa bụi 1100 [ml]

Thời gian hoạt động 60 [phút]

 So sánh sản phẩm của nhóm với sản phẩm có trên thị trường cùng mức giá hiện nay

Bảng 9.2:Bảng thông so sánh sản phẩm trên thị trường với giá thành tương đương

Thông số kỹ thuật Sản phẩm nhóm Ecovacs Deebot DL33 [13]

|Kích thước của robot 350 x h160 [mm] 330 xh76 [mm]

Dung lượng pin 3400mAh 2600mAh

Thời gian sạc 2-3 [giờ] 5-6 [giờ]

Thể tích hộp chứa bụi 1100 [ml] 300 [ml]

Thời gian hoạt động 60 [phút] 100 [phút]

Sản phẩm của nhóm có lực hút mạnh mẽ và dung tích hộp chứa bụi lớn hơn so với các sản phẩm cùng mức giá Tuy nhiên, kích thước và khối lượng của robot lớn hơn, đồng thời thời gian làm việc lại ngắn hơn so với sản phẩm Ecovacs Deebot DL33.

Một số kết quả đạt được sau quá trình thực hiện đồ án:

Mô hình robot hoàn chỉnh với các chi tiết được kết nối chắc chắn, đảm bảo khả năng chịu tải tốt trong quá trình di chuyển và mang lại tính thẩm mỹ cao.

 Phần vỏ bên ngoài của robot được chế tạo từ nhựa in 3D, phần đế được cắt mica.

Hộp chứa bụi của sản phẩm này có dung tích lớn hơn nhiều so với các sản phẩm khác trên thị trường, đồng thời thiết kế cơ cấu tháo lắp giúp việc vệ sinh hộp chứa bụi trở nên tiện lợi và dễ dàng.

 Đế sạc nhỏ gọn, dễ kết nối sạc với robot.

9.1.2 Phần hệ thống điện và điều khiển

Những kết quả đạt được của nhóm trong phần điện và điều khiển:

 Đi dây điện an toàn để tránh tối đa nhất sự rủi ro về mạch điện.

 Trong quá trình di chuyển robot tránh được vật cản tĩnh và động.

 Điều khiển được robot di chuyển theo mong muốn đã đề ra, robot di chuyển theo kiểu zigzag và random để tiện cho việc làm sạch sàn.

 Điều khiển tự động cơ cấu quét và hút bụi.

 Lập được bản đồ môi trường làm việc của robot

Về phần App điều khiển:

 Có giao diện bắt mắt, dễ sử dụng.

 Có thể điều khiển thông cảm ứng màn hình điện thoại và giọng nói.

 Có điều khiển thủ công và tự động.

Thực nghiệm

9.2.1 Khả năng hút bụi và rát

Theo thực nghiệm, robot với cơ cấu hút và quét hoạt động hiệu quả trên mặt sàn nhẵn, gần như có khả năng hút sạch mọi bụi bẩn và mảnh giấy vụn trên lộ trình di chuyển của nó (hình 9.2 và hình 9.3).

Hình 9.2:Hình ảnh robot trước khi hút những mảnh giấy vụn mặt sàn nhẵn

Hình 9.3:Hình ảnh robot sau khi hút những mảnh giấy vụn mặt sàn nhẵn Đối với mặt thảm:

Robot thực nghiệm trên thảm cho thấy cơ chế hút và quét hoạt động hiệu quả, gần như loại bỏ bụi bẩn và mảnh giấy vụn khi di chuyển Tuy nhiên, vẫn còn một số mẫu giấy và rác bám chặt trên bề mặt thảm mà robot không thể hút được.

Hình 9.5:Hình ảnh robot sau quá trình hút những mảnh giấy vụn Đối với vụn bánh mì:

Thực nghiệm cho thấy robot hút được khoảng 70-80% vụn nhỏ của bánh mì có trên sàn.

Hình 9.6:Hình ảnh robot trước quá trình hút vụn bánh mì

Hình 9.7:Hình ảnh robot sau quá trình hút vụn bánh mì

 Đánh giá khả năng hút bụi của robot:

Bảng 9.3:Bảng thực nghiệm hút bụi trên đường đi của robot

Số lần thực nghiệm Mặt sàn nhẵn Mặt thảm

Trong nghiên cứu, nhóm đã cho robot thực hiện 5 lần làm sạch trên 30 mẫu giấy vụn được chuẩn bị sẵn Sau mỗi lần robot di chuyển và hút bụi, nhóm sẽ kiểm tra số lượng mảnh giấy còn lại chưa được hút, từ đó tính toán phần trăm hiệu quả làm sạch của robot.

Robot sử dụng động cơ quạt hút 12V-4A, cho phép hút bụi hiệu quả với công suất lớn Tuy nhiên, độ sạch khi hút bụi phụ thuộc vào thuật toán đường đi của robot, và trong các bài thử nghiệm, một số vị trí vẫn còn sót bụi do thuật toán chưa tối ưu Đánh giá chung cho thấy lực hút bụi của robot khá tốt, với khả năng hút khoảng 97,4% bụi và mảnh giấy vụn trên mặt sàn nhẵn, trong khi trên mặt thảm, hiệu suất giảm còn khoảng 92% Nhìn chung, khả năng hút bụi của robot đạt yêu cầu mong muốn.

 Đánh giá khả năng làm sạch tự động:

Robot vệ sinh tự động có khả năng làm sạch hiệu quả căn phòng 8m² trong khoảng 4 phút Với khả năng tránh vật cản và quét hút, robot đạt được mức độ làm sạch khoảng 80-90% Tuy nhiên, vẫn còn một số mảnh nhỏ sát mép tường mà robot bỏ sót.

Hình 9.8:Robot trước khi thực hiện vệ sinh phòng

Hình 9.9:Robot sau khi thực hiện vệ sinh phòng

 Đánh giá cơ cấu lấy rác từ hộp chứa bụi:

Hộp chứa có tháo lắp dễ dàng, rất thuận tiện cho việc vệ sinh và lấy rác từ hộp chứa bụi.

9.2.2 Khả năng sạc cho robot

Thời gian sạc của robot từ 2 đến 3 giờ Đế sạc dễ dàng kết nối với robot giúp người dùng sử dụng dễ dàng.

Hình 9.11:Hình ảnh đang sạc cho robot

Hình 9.12:Khi robot được sạc đầy

Khi gặp vật cản lớn như tường, ghế sofa hay tủ lạnh, robot sẽ tự động chuyển hướng để tránh va chạm Tính năng này giúp giảm thiểu sự va chạm giữa robot và các vật cản, bảo vệ robot khỏi hư hại.

Robot vận hành rất nhạy khi gặp vật cản lớn, nhanh chóng đổi hướng di chuyển Tuy nhiên, đối với những vật cản nhỏ hoặc nằm gần robot mà không nằm trong tầm quét của cảm biến siêu âm, robot sẽ tiếp tục di chuyển thẳng mà không né tránh.

Các thử nghiệm cho thấy ứng dụng điều khiển rất dễ sử dụng và ổn định Điều khiển bằng cảm ứng mang lại hiệu quả cao, trong khi điều khiển bằng giọng nói thường có độ chính xác thấp hơn do ảnh hưởng của tiếng vùng miền và tiếng ồn xung quanh.