báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot lễ tân. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot lễ tân
Lịch sử nghiên cứu
Robot di động
Thuật ngữ “Robot” xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1921 trong tác phẩm
“Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek Trong tác phẩm nhân vật Rossum và con trai đã tạo ra chiếc máy giống con người để phục vụ cho con người
Ngành công nghiệp robot có những bước phát triển đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua nhờ những quan điểm như thay thế con người làm các công việc nặng nhọc trong môi trường nguy hiểm, độc hại, có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ và hoạt động với độ chính xác cao Bên cạnh đó, nhờ khả năng tích hợp với các thiết bị ngoại vi làm tăng khả năng thích ứng với sự thay đổi môi trường làm việc Việc ứng dụng các giải pháp điều khiển thông minh giúp robot có khả năng tự học và tự giải quyết vấn đề, tạo tiền đề cho phạm vi ứng dụng robot không chỉ giới hạn trong các dây chuyền gia công, chế tạo, mà ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống như: robot trong công nghiệp, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, y học, an ninh quốc gia và trong lĩnh vực dân dụng
Robot tự hành hay robot di động là những robot có thể tự động di chuyển tới các vị trí khác nhau mà không cần đến sự hỗ trợ từ bên ngoài của con người Khác với phần lớn các loại robot công nghiệp chỉ có thể di chuyển trong một không gian nhất định, robot di động có những tính năng đặc biệt về di chuyển để có thể di chuyển tự do trong một không gian được thiết lập trước để đi đến các vị trí mong muốn Khả năng di chuyển này giúp robot di động có nhiều ứng dụng trong môi trường làm việc khác nhau
Robot di động di chuyển trong môi trường của chúng, không cố định vào một vị trí thực Robot di động có thể là “tự trị” có nghĩa là chúng có khả năng điều hướng một môi trường không kiểm soát được mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện Ngoài ra, robot di động có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển tuyến đường định hướng được xác định trước trong không gian tương
3 đối được kiểm soát (robot tự điều khiển) Nó khác với robot công nghiệp thường đặt gần cố định và hoạt động bằng các cánh tay
Robot hoạt động trên mặt đất (Ground Robot di động WMRs) có thể phân loại robot di chuyển bằng bánh xe (Wheeled Robot di động) và robot di chuyển bằng chân (Legged Robot di động LMRs)
Robot di động còn bao gồm các loại phương tiện bay không người lái (Unmanned Aeria Vehices) và phương tiện dưới nước tự trị (Autonomous Underwater Vehices)
Robot di động di chuyển bằng bánh xe được sử dụng rộng rãi vì chúng phù hợp với các ứng dụng đặc trưng, có kết cấu cơ khí đơn giản hơn các loại robot khác và tiêu thụ ít năng lượng hơn Các loại robot di chuyển bằng chân phù hợp với các địa hình phức tạp, phi tiêu chuẩn Robot di động còn có thể kể đến các loại tay máy di động (Mobile Manipulator), là robot di động có thể di chuyển bằng bánh xe hoặc chân được trang bị một hoặc nhiều tay máy hạng nhẹ để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau
Hình 1.2: Robot Perseverance trên sao Hỏa Hình 1.1: Robot hình người ASIMO
Robot lễ tân
Robot lễ tân phục vụ khách sạn, nhà hàng là một phần của công nghệ robot dịch vụ (service robots), một lĩnh vực đang được phát triển nhanh chóng Tuy nhiên, sự ra đời của robot lễ tân phục vụ khách sạn, nhà hàng chỉ có thể được coi là khởi đầu trong vài năm gần đây
Các nhà sản xuất robot đã phát triển nhiều loại robot dịch vụ, bao gồm cả robot lễ tân, trong vài thập kỷ qua Tuy nhiên, đến năm 2010, robot dịch vụ đã trở nên phổ biến hơn với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và các công nghệ khác như điều khiển từ xa, cảm biến và máy tính nhúng
Kể từ đó, các robot lễ tân phục vụ khách sạn, nhà hàng đã được phát triển và giới thiệu trên toàn cầu, với nhiều tính năng và chức năng khác nhau để phục vụ khách hàng Với sự tiến bộ của trí tuệ nhân tạo và robotica, dự kiến các loại robot dịch vụ sẽ càng ngày càng phổ biến và tiên tiến hơn trong tương lai.
Một số ứng dụng và chức năng của Robot lễ tân
Các nhiệm vụ và chức năng của robot lễ tân phục vụ trong nhà hàng có thể bao gồm:
Chào đón khách: Robot lễ tân được lập trình để chào đón khách khi họ đến nhà hàng, giới thiệu về nhà hàng và đưa ra các thông tin cần thiết như thực đơn, giá cả, thời gian hoạt động, các dịch vụ khác
Hướng dẫn khách vào bàn: Robot lễ tân có thể hướng dẫn khách vào bàn của mình hoặc dẫn khách đến chỗ chờ nếu bàn đang được sắp xếp
Nhận đặt chỗ: Robot lễ tân có thể giúp khách đặt chỗ trước bằng cách ghi lại thông tin của khách và yêu cầu đặt chỗ theo yêu cầu của khách hàng
Ghi lại đơn đặt hàng: Robot lễ tân có thể giúp ghi lại đơn đặt hàng của khách và truyền thông tin đến bộ phận phục vụ
Giao thức uống và món ăn: Robot lễ tân có thể giúp giao thức uống và món ăn tới bàn khách hàng Ngoài ra, robot còn có thể đưa đồ ăn và thức uống cho khách hàng đang ngồi tại bàn
Thanh toán hóa đơn: Robot lễ tân có thể giúp khách hàng thanh toán hóa đơn trực tuyến hoặc truyền thông tin thanh toán cho bộ phận thanh toán
Hỗ trợ khách hàng: Robot lễ tân có thể giúp khách hàng tìm kiếm thông tin về nhà hàng, thực đơn và địa điểm khác trong khu vực, hướng dẫn tới những điểm tham quan và giải trí
Quản lý đơn đặt hàng: Robot lễ tân có thể giúp quản lý các đơn đặt hàng, cập nhật thực đơn, tình trạng bàn và giá cả
Tùy thuộc vào tính năng và khả năng của robot lễ tân, những nhiệm vụ và chức năng có thể thay đổi Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, các chức năng của robot lễ tân sẽ càng được mở rộng và hoàn thiện hơn để phục vụ cho nhu cầu của khách hàng và nhà hàng.
Nhu cầu thị trường
Nhu cầu thị trường về Robot lễ tân
Nhu cầu về robot ở Việt Nam đang tăng trưởng như một xu hướng quan trọng nhằm đón đầu xu hướng Robotics và công nghệ cao để giảm nhân công và chi phí vận hành, tạo và duy trì lợi thế cạnh tranh cho các doanh nghiệp Robot được sử dụng ngày càng phổ biến trong nhà máy sản xuất thiết bị di động, đồ uống, thực phẩm, hàng tiêu dùng, chế biến, chế tạo
Hình 1.4: Các lô hàng robot công nghiệp trên toàn thế giới từ năm 2020 đến 2023 tính theo tỷ lệ khối lượng vận chuyển năm 2019, theo loại robot
Hình 1.5: Số lượng Robot đã lắp đạt tại Việt Nam đến năm 2022
Hình 1.6: Phân bố theo ngành
Theo như số liệu ở trên, hiện nay lượng robot lắp đặt ở Việt Nam là tương đối nhiều và đa dạng trong nhiều ngành nghề: điện tử, oto, và nhiều ngành nghề khác
Trong đó, lượng robot được sử dụng trong ngành thương mại cũng không hề nhỏ và có xu hướng tăng trưởng mạnh trong tương lai
Hình 1.7: Robot lễ tân trong thương mại
Các sản phẩm có trên thị trường
Hình 1.8: Robot Pepper tham dự thế vận hội Tokyo 2020
Hình 1.9: Robot Kirakira Yakiniku Kuroma tại nhà hàng Nhật Bản
Khảo sát thị trường
Kết quả nhận được: Độ tuổi của bạn?
Bạn có biết về Robot lễ tân không?
Bạn nghĩ Robot lễ tân có thể thay con người trong các công việc: phục vụ, vận chuyển không?
Bạn có yêu cầu gì đối với Robot lễ tân không?
Bạn mong muốn giá thành của Robot lễ tân là bao nhiêu?
Thiết lập danh sách yêu cầu
Bảng 1.1: Danh sách yêu cầu
Danh sách yêu cầu Robot lễ tân Ngày thay đổi
- Thân vỏ: Dài 550 mm – 600 mm, rộng 400 mm – 450 mm, cao 200 mm – 250 mm
- Khung giá: cao 900 mm – 1100 mm
Khối hình chữ nhật: dài 550 mm – 600 mm, rộng 400 mm – 450 mm, dày 20 – 30 mm
Khay 1: cách thân vỏ xe 300 mm – 350 mm
Các khay cách nhau từ 200 – 250 mm
- Giá đỡ màn hình hiển thị: Khối hình hộp chữ nhật: dài 400 mm – 450 mm, rộng 150 mm –
- Khung máy chắc chắn chịu được những va đập tương đối
- Khối lượng khung: 8 kg – 10 kg
- Khối lượng khay: 2 kg – 2,5 kg
- Khối lượng hàng hóa tối đa: 15kg – 18kg
Bề rộng bánh: 27 mm – 33 mm
Truyền động bằng bánh răng
Truyền trực tiếp từ động cơ
- Điều khiển trực tiếp bằng công tắc trên robot
- Điều khiển bằng giọng nói
2 Bảo vệ động cơ và thiết bị điện
- Chống ngắn mạch động cơ
- Tự ngắt khi có lỗi xảy ra
- Tản nhiệt động cơ và mạch
3 Thiết bị hiện thị, đèn báo
- Đèn báo khi có dòng điện vào
- Đèn báo khi hoạt động
- Đèn báo khi có lỗi xảy ra
- Màn hình hiển thị chế độ hoạt động, hiển thị lượng pin
- Có thiết bị cảm biến trọng lượng
- Tín hiệu đèn báo khi quá tải để cảnh báo
Công tắc khởi động, công tắc dừng hoạt động
Tín hiệu điều khiển từ xa
Tín hiệu tùy chọn từ màn hình hiển thị
Các trạng thái hoạt động, dừng hoạt động của robot
Các chế độ, thông tin được hiển thị trên
Còi báo khi có vật cản
Giao tiếp với người dùng
- Sử dụng giao diện hiển thị chức năng, điều khiển trên màn hình hiển thị
- Sử dụng giao tiếp bằng giọng nói với các ngôn ngữ: tiếng Việt, tiếng Anh, tiếng Trung
- Phần khung: hợp kim thép, nhôm
- Phần thân: hợp kim thép, nhôm phay
- Phần khay chứa đồ, giá đỡ màn hình: hợp kim thép, nhôm, gỗ, nhựa
Có độ bền tương đối cao, chịu lực tốt
Dễ tìm kiếm trên thị trường, giá thành rẻ
An toàn cho người dùng và môi trường
- Bo các góc cạnh sắc nhọn để không gây nguy hiểm cho người sử dụng
- Hệ thống tự ngắt, hãm hoạt động của động cơ khi có lỗi xảy ra
- Cảnh báo khi khối lượng chứa trên khay lớn hơn tải tối đa của robot
- Bánh xe bám đường tốt tránh gây hiện tượng trượt bánh có thể gây nguy hiểm cho mọi người
- Có hướng dẫn sử dụng an toàn
- In các cảnh báo trên robot
- Dễ thay thế các bộ phận
- Giá thành vật liệu và chi phí gia công hợp lý
- Chi phí hoàn thành: 30 – 45 triệu VND
- Thân thiện với người dùng
- Dễ dàng thao tác và điều khiển
- Thiết kế gọn gàng, đẹp mắt
- Bảo trì dễ dàng, mọi người đều có thể thao tác
- Vật liệu thân thiện môi trường
- Có thể gấp gọn khi vận chuyển
Xác định các vấn đề cơ bản
Dựa vào danh sách yêu cầu ta có thể xác lập được các vấn đề cơ bản cho sản phẩm robot lễ tân:
- Kích thước: Thân vỏ, khung giá, khay chứa đồ, giá đỡ màn hình hiển thị phù hợp với môi trường sử dụng là nhà hàng.
- Trọng lượng: Khối lượng của robot và chịu tải trọng tốt.
- Động học: Động cơ êm ái không gầy tiếng ồn, bánh xe di chuyển ổn định không có trơn trượt, truyền động ổn định.
- Năng lượng pin: Sử dụng được trong thời gian nhà hàng hoạt động và có tuổi thọ tốt, có thể sạc lại.
- Thiết bị điều khiển: Có thể điều khiển bằng nút ấn hoặc giọng nói với các loại ngôn ngữ phổ biến và có thể chạy tự động.
- Các thiết bị hiển thị và đèn báo: Rõ ràng, nhanh nhạy và chính xác.
- Kiểm soát quá tải: Cảm biến đo khối lượng hoạt động chính xác và ổn định.
- Tín hiệu vào/ra: Chính xác, nhanh nhạy không có hiện tượng nhiễu loạn tín hiệu.
- An toàn: Đảm bảo an toàn về điện, các cảnh báo an khi hỏng hóc hoặc bị quá tải về khối lượng.
- Công thái học: Màu sắc phù hợp, kiểu dáng đẹp, thân thiện với người dùng về dễ dàng thao tác.
- Bảo trì, bảo dưỡng: dễ dàng, mọi người đều có thể thao tác.
- Tái chế: vật liệu thân thiện với môi trường, có thể tái chế.
Thiết lập cấu trúc chức năng
Cấu trúc chức năng tổng thể
Khái quát chức năng tổng thể của robot lễ tân
Hình 2.1: Chức năng tổng thể của Robot lễ tân
Dòng năng lượng Dòng tín hiệu Dòng vật liệu
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của Robot lễ tân
Cấu trúc chức năng con
Chức năng cung cấp điện năng:
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc chức năng cung cấp điện
Chức năng bảo vệ hệ thống điện:
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động
Chức năng chuyển đổi điện – cơ:
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc chức năng chuyển đổi điện - cơ
Chức năng chọn chế độ điều khiển:
Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc chức năng chọn chế độ điều khiển
Chức năng điều khiển tốc độ:
Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc chức năng điều khiển tốc độ
Chức năng kiểm soát vị trí:
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vị trí
Chức năng hãm an toàn:
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc chức năng hãm an toàn
Chức năng kiểm soát quá tải:
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát quá tải
Chức năng lựa chọn dịch vụ:
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc chức năng lựa chọn dịch vụ
Phát triển cấu trúc làm việc
Bảng 2.1: Cấu trúc làm việc của Robot lễ tân
1 Nguồn Pin lipo Pin li – ion Acquy
Lấy điện 3 chân 2 chân dẹt 2 chân tròn
4 Nối điện Cắm Hàn Mạch
Vật liệu Khung Nhựa Thép Nhôm
6 Hộp điều khiển Nhựa Thép Nhôm
7 Chống nước Công nghệ nano
Công nghệ giăng caosu Ghép kín
Bảo vệ hệ thống điện
Chống ngắn mạch Cầu chì Aptomat Mạch bảo vệ
9 Ngắt khi quá tải Cầu chì Aptomat Relay
10 Chống đảo pha Mạch chống đảo pha Contactor Cầu diot
Giảm tốc Bộ giảm tốc bánh răng
Bộ giảm tốc trụ vít
12 Truyền động Truyền đai Truyền bánh răng
Truyền trực tiếp từ động cơ
13 Dẫn hướng Lidar Dò line
14 Chuyển đổi điện – cơ Động cơ
DC Động cơ giảm tốc
Tốc độ Đo tốc độ Encoder Tốc kế điện tử
16 Kiểm soát tốc độ Biến trở Băm xung
Thay đổi tỷ số truyền bánh răng
17 Phát động di chuyển Động cơ giảm tốc Động cơ
18 Kiểm soát vị trí Đo vị trí Cảm biến siêu âm
19 Hiển thị vị trí Màn hình Đèn báo Loa
Cảm biến gia tốc Bộ ly tâm
21 Phanh an toàn Phanh cơ
Phanh sử dụng nam châm điện
22 Ngắt hệ thống dẫn động Cơ cấu ngắt Mạch tắt động cơ
23 Kiểm soát quá tải Đo khối lượng Loadcell Cảm biến tải áp điện
Cảm biến tải siêu âm
24 Báo quá tải Màn hình Đèn báo Loa
Gọi robot Nhập liệu Nút bấm Màn hình cảm ứng Giọng nói
26 Hiển thị Màn hình Đèn báo Loa
Nhập liệu Nút bấm Màn hình cảm ứng Giọng nói
28 Hiện thị Màn hình Đèn báo Loa
Làm mát Động cơ Làm mát bằng gió
Làm mát bằng dung dịch
30 Mạch điện Làm mát bằng gió
Làm mát bằng dung dịch
31 Nguồn khẩn cấp Bộ lưu điện
32 Báo tín hiệu Đèn báo Loa
33 Xử lý tín hiệu và điều khiển Bộ điều khiển PLC STM32 Arduino
34 Khởi động Nút nhấn Cần gạt Cảm ứng
35 Chọn chế độ điều khiển
Tay Nút nhấn Cần gạt Cảm ứng
36 Tự động Nút nhấn Cần gạt Cảm ứng
37 Màn hình hiển thị LCD OLED
Lựa chọn cấu trúc làm việc
Kết hợp nguyên tắc làm việc
Bảng 2.2: Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng của Robot lễ tân
1 Nguồn Pin lipo Pin li – ion Acquy
Lấy điện 3 chân 2 chân dẹt 2 chân tròn
4 Nối điện Cắm Hàn Mạch
6 Hộp điều khiển Nhựa Thép Nhôm
Công nghệ giăng caosu Ghép kín
Bảo vệ hệ thống điện
Cầu chì Aptomat Mạch bảo vệ
9 Ngắt khi quá tải Cầu chì Aptomat Relay
Mạch chống đảo pha Contactor Cầu diot
Bộ giảm tốc bánh răng
Bộ giảm tốc trụ vít
12 Truyền động Truyền đai Truyền bánh răng
Truyền trực tiếp từ động cơ
14 Chuyển đổi điện – cơ Động cơ
DC Động cơ giảm tốc
Tốc độ Đo tốc độ Encoder
Thay đổi tỷ số truyền bánh răng
17 Phát động di chuyển Động cơ giảm tốc Động cơ
18 Kiểm soát vị trí Đo vị trí
19 Hiển thị vị trí Màn hình Đèn báo Loa
21 Phanh an toàn Phanh cơ
Phanh sử dụng nam châm điện
22 Ngắt hệ thống dẫn động
23 Kiểm soát quá tải Đo khối lượng Loadcell
Cảm biến tải áp điện
Cảm biến tải siêu âm
24 Báo quá tải Màn hình Đèn báo Loa
Nhập liệu Nút bấm Màn hình cảm ứng Giọng nói
26 Hiển thị Màn hình Đèn báo Loa
Nhập liệu Nút bấm Màn hình cảm ứng Giọng nói
28 Hiện thị Màn hình Đèn báo Loa
Làm mát bằng dung dịch
Làm mát bằng dung dịch
31 Nguồn khẩn cấp Bộ lưu điện Pin lithium
32 Báo tín hiệu Đèn báo
33 Xử lý tín hiệu và điều khiển
Bộ điều khiển PLC STM32 Arduino
34 Khởi động Nút nhấn Cần gạt Cảm ứng
35 Chọn chế độ điều khiển
Tay Nút nhấn Cần gạt Cảm ứng
36 Tự động Nút nhấn Cần gạt Cảm ứng
Các nguyên tắc làm việc được hình thành các biến thể được biểu diễn như trong bảng trên Cụ thể những nguyên tắc được ký hiệu cùng màu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng trên ta có thể thấy có ba biến thể với ba màu khác nhau được tạo ra tương ứng màu đỏ (biến thể 1), màu vàng (biến thể 2) và màu xanh (biến thể 3)
Từ đây, ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa tạo ra.
Lựa chọn biến thể phù hợp
Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc (biểu diễn ở bảng trên), ta được ba biến thể tiêu biểu:
Biến thể 3 : 1.2 – 2.1 – 3.1 – 4.3 – 5.3 – 6.3 – 7.2 – 8.3 – 9.2 – 10.1 – 11.1 – 12.3 – 13.1 – 14.2 – 15.1 – 16.2 – 17.1 – 18.1 – 19.3 – 20.1 – 21.2 – 22.1 – 23.1 – 24.3 – 25.2 – 26.1 – 27.2 – 28.1 – 29.1 – 30.1 – 31.2 – 32.2 – 33.2 – 34.1 – 35.2 – 36.2 – 37.2; Để có một cái nhìn tổng quan về các biến thể thì nhóm có 1 bảng dùng để diễn giải các biến thể:
Bảng 2.3: Mô tả các biến thể
STT Biến thể Mô tả
- Robot có kiểu dáng thiết kế đơn giản, cổ điển và được làm từ thép
- Robot được trang bị ít công nghệ, chủ yếu các tương tác với robot đều phải thực hiện bằng cơ
- Robot không được điều khiển bằng các phần mềm ngoại vi
- Robot có vỏ sơn tĩnh điện chống giật, chống chập điện bằng cầu chì
- Hiển thị sử dụng công nghệ LCD, chủ yếu để hiển thị các thông tin và không có chức năng can thiệp vào hệ thống điều khiển
- Robot có kiểu dáng thiết kế phức tạp, đón đầu xu hướng và được làm từ nhôm
- Robot được trang bị nhiều công nghệ hiện đại, tương tác, điều khiển robot qua màn hình hiển thị và bằng giọng nói
- Có thể gọi robot từ xa thông qua thiết bị được thiết lập sẵn và được đặt ở phía khách hàng
- Robot có hỗ trợ tiếng Anh và một số ngôn ngữ của các nước lân cận
- Robot có vỏ sơn tĩnh điện chống giật, chống chập điện bằng mạc bảo vệ
- Hiển thị sử dụng công nghệ OLED, tối ưu hóa các thao tác điều khiển trên màn hình, tích hợp thêm nhận diện giọng nói vào màn hình hiển thị
- Robot có thiết kế đơn giản nhưng vẫn theo xu hướng hiện đại và được làm từ thép
- Robot được trang bị nhiều công nghệ, tương tác và điều khiển robot được kết hợp giữa thực hiện bằng cơ và qua màn hình hiển thị
- Robot có vỏ sơn tĩnh điện chống giật, chống chập điện bằng aptomat
- Có thể gọi robot từ xa thông qua thiết bị được thiết lập sẵn và được đặt ở phía khách hàng
- Hiển thị sử dụng công nghệ OLED, tối ưu hóa các thao tác điều khiển trên màn hình Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêu chí đánh giá và so sánh các biến thể Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọng của các tiêu chí đánh giá là khác nhau, vì thế để có thể bao quát và lấy được mức độ quan trọng của các tiêu chí, ta xây dựng cây mục tiêu
Trong cây mục tiêu bao gồm những tiêu chí đặt ra cho biến thể Trong các tiêu chí lớn có những tiêu chí nhỏ hơn được đặt ra Số điểm bên trái (w) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiêu chí lớn hơn, số điểm bên phải (wt) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tổng thể hệ thống
Hình 2.13: Sơ đồ cây những tiêu chí đánh giá cho Robot lễ tân
Tổng hợp và đánh giá các biến thể
Bảng 2.4: Điểm đánh giá cho các biến thể
STT Tiêu chí Điểm tiêu chí Điểm đánh giá Biến thể 1
Hệ thống điện ổn định, an toàn
Bảo vệ hệ thống điện
Chống ngắn mạch 0,03 0,005 0,01 0,015 Ngắt quá tải điện 0,025 0,005 0,005 0,015 Chống đảo pha 0,025 0,005 0,005 0,015
Nối điện 0,01 0,003 0,002 0,005 Chuyển đổi điện – cơ 0,05 0,02 0,03 0,03 Nguồn khẩn cấp 0,05 0,02 0,03 0,03
Kết cấu cơ khí vững chắc, hoạt động trơn tru
Dẫn hướng 0,04 0,015 0,025 0,025 Làm mát Động cơ 0,03 0,01 0,02 0,01 Mạch điện 0,02 0,005 0,015 0,005
Khả năng ứng biến linh hoạt
Tốc độ Đo tốc độ 0,02 0,012 0,008 0,012 Kiểm soát tốc độ 0,02 0,005 0,005 0,01 Phát động di chuyển 0,02 0,01 0,01 0,01
Xử lý tín hiệu và điều khiển 0,06 0,01 0,03 0,02
Kiểm soát vị trí Đo vị trí 0,04 0,015 0,015 0,025 Hiển thị vị trí 0,02 0,005 0,01 0,005
Kiểm soát quá tải Đo khối lượng 0,04 0,01 0,01 0,02
Phát hiện vượt tốc 0,02 0,005 0,015 0,015 Phanh an toàn 0,02 0,005 0,005 0,01 Ngắt hệ thống dẫn động
Nhập liệu 0,01 0,002 0,005 0,003 Hiển thị 0,01 0,002 0,003 0,005 Lựa chọn dịch vụ
33 điều khiển Màn hình hiển thị 0,04 0,015 0,025 0,025
Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 3 có số điểm đánh giá cao nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể số 3 được tối ưu tốt nhất đối với các tiêu chí đề ra Biến thể số 3 do đó sẽ đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt nhất để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể
Thiết kế sơ bộ
Tạo sơ đồ hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống
Nhóm chức năng
Nhóm an toàn vật lý
Nhóm kiểm soát khối lượng
Nhóm xử lý và điều khiển
Nhóm hiển thị và giao tiếp
Nhóm mở rộng kết nối
Bố trí hình học
Hình 3.3: Bố trí layout phần hộp điều khiển và di chuyển
Hình 3.4: Bố trí layout phần khay
Hình 3.5: Bố trí layoout tổng thể
Xác định tương tác, phân nhóm
Đây là một bước quan trọng trong việc thiết kế lớp sản phẩm Từ các khối chức năng tổng hợp được, nhóm thiết kế sẽ tiến hành bố trí hình học cho sản phẩm robot
38 lễ tân bằng việc xây dựng một bản phác thảo biểu thị rõ vị trí hình học tương đối giữa các khối trong sản phẩm sao cho sản phẩm có thể hoạt động một cách thuận tiện nhất có thể Sau khi xác định layout vị trí cho các bộ phận, ta tiến hành ghép nhóm cho một số các cụm bộ phận có chung thiết kế bố trí hình học và được bố trí hình học tương quan giữa các layout như sau:
Nhóm 3: Nhóm tọa độ robot
Nhóm 4: Nhóm an toàn vật lý
Nhóm 5: Nhóm kiểm soát khối lượng
Nhóm 6: Nhóm xử lý và điều khiển
Nhóm 7: Nhóm hiển thị và giao tiếp
Nhóm 10: Nhóm mở rộng kết nối
Hình 3.6: Xác định các tương tác
Với mỗi nhóm bộ phận thiết kế sẽ có một vài chi tiết chung có tương quan hình học và vị trí không với nhau Do vậy, ta sắp xếp cho các nhóm có bộ phận chung cùng thiết kế với nhau Bảng dưới đây thể mô tả một số chức năng và nhiệm vụ đặt ra cho các nhóm thiết kế:
STT Tên nhóm Bộ phận
Vỏ pin Pin Cổng sạc Mạch biến áp Mạch bảo vệ
Chuyển đổi điện – cơ Động cơ giảm tốc Encoder Quạt gió
3 Nhóm tọa độ robot Cảm biến lidar
4 Nhóm an toàn vật lý Camera
5 Nhóm kiểm soát khối lượng Cảm biến loadcell
6 Nhóm xử lí và điều khiển Vi điều khiển
7 Nhóm hiển thị và giao tiếp Màn hình
9 Nhóm vận hành Bánh xe
10 Nhóm mở rộng kết nối
Cổng HDMI Cổng USB Cổng LAN Kết nối không dây
Thiết kế chi tiết
Các chi tiết tiêu chuẩn
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của pin
Công nghệ Lithium b Nút dừng khẩn cấp
Hình 3.8: Nút dừng khẩn cấp
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của nút dừng khẩn cấp
Số tiếp điểm 1 NO + 1 NC (một tiếp điểm thường mở và một tiếp điểm thường đóng)
Dòng định mức 10A Điện áp định mức 380VAC 50Hz, 220VDC
Chất liệu vỏ Nhựa chống cháy ở nhiệt độ cao
Kích thước lỗ lắp đặt 22mm
Kích thước ốc lắp đặt 3.5mm c Mạch bảo vệ
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của mạch bảo vệ
Dòng hoạt đọng tối đa 8A
Kích thước 6cm x 4cm / 2.36inch x 1.57inch
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của Relay
Tải tối đa AC 250V/10A, DC 30V/10A
Thời gian tác động 10ms
Thời gian nhả hãm 5ms e Cảm biến Lidar
Cảm biến sick 2D Lidar TIM150 – 3010300
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của cảm biến Lidar
Nguyên tắc đo lường HDDM+
Nguồn sáng Hồng ngoại (850nm)
Tiêu thụ điện năng 2.7 Wh
Cấp bảo vệ IP65 (IEC 60529: 1989 + AMD1: 1999 + AMD2: 2013) Lớp bảo vệ III (IEC 61140: 2016-1)
Kích thước 60 x 60 x 75,8mm (DxRxC) f Tính toán lựa chọn động cơ Địa hình làm việc của robot là địa hình phẳng, giả thiết bỏ qua sự biến dạng của bánh xe, bỏ qua lực cản của không khí trong quá trình robot di chuyển
Các thông số của robot:
Khối lượng ước tính: M = 15 (kg)
Khối lượng hàng hoá tối đa: 18 (kg)
Chọn bánh xe có đường kính: 2r = 150 (mm)
Chọn tốc độ tối đa là: 0,5 (m/s)
Thông số cơ bản của bánh xe là: đường kính 150 (mm), bề rộng của bánh xe là 30 (mm), tải trọng tối đa 43 (kg)
Phân tích lực tác động lên một bánh xe chủ động gồm 4 lực tác dụng như sau:
Hình 3.12: Phân tích lực tác dụng lên xe
- 𝐹⃗ 𝑚𝑠𝑛 là lực ma sát nghỉ giữa bánh xe và bề mặt sàn
- 𝐹⃗ 𝑤 là lực kéo sinh ra do momen động cơ
- 𝑁⃗⃗⃗ là phản lực của mặt sàn
- 𝑃⃗⃗ 1 là một nửa trọng lực của xe (P1 = P/2)
1 là momen xoắn cho động cơ
- 𝑚 1 là một nửa tổng trọng lượng của robot và hàng (m1 = m/2)
Chọn phương án chuyển động của robot là chuyển động thẳng, hai bánh dẫn động di chuyển cùng tốc độ về phía trước với 𝑣 = 0,5 (m/s) Tốc độ quay của bánh xe là:
150𝜋 = 63.69 (𝑟𝑝𝑚) Phương trình cân bằng lực:
𝐹⃗ 𝑚𝑠𝑛 + 𝐹⃗ 𝑤 + 𝑁⃗⃗⃗ + 𝑃⃗⃗ 1 = 𝑚 1 𝑎⃗ ( 3-1 ) Với 𝑎⃗ là gia tốc của xe
Khi xe chuyển động đều
Vận tốc không đổi 𝑣 = 0,5 (m/s) nên gia tốc a = 0 (m/s 2 ) Khi đó:
Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:
𝐹 𝑤 = 𝐹 𝑚𝑠𝑛 = 𝜇 𝑙 𝑁 = 0.015 × 206.7 = 3.1 (𝑁) ( 3-3 ) Với hệ số ma sát lăn 𝜇 𝑙 = 0.015 khi di chuyển trên sàn bê tông
Công suất cần thiết để xe di chuyển ổn định với vận tốc 0.5 (m/s) là:
Xe tăng tốc với gia tốc a = 0.5 (m/s 2 ) để hàng không rơi
Lực kéo sinh ra do momen của động cơ là:
𝐹 𝑤 = 𝐹 𝑚𝑠𝑛 + 𝑚 1 𝑎 = 𝜇 𝑛 𝑁 + 𝑚 1 𝑎 = 1 × 206.7 + 42 × 0.5 = 228 (𝑁) ( 3-5 ) Với hệ số ma sát tĩnh 𝜇 𝑛 = 1
Momen xoắn cần thiết để xe tăng tốc là:
𝑀 1 = 𝐹 𝑤 𝑟 = 228 × 0.035 = 7.98 (𝑁𝑚) ( 3-6 ) Công suất cần thiết để tăng tốc lên 0.5 (m/s) là:
𝑃 1 = 𝐹 𝑤 𝑟 = 228 × 0.5 = 114 (𝑊) ( 3-7 ) Như vậy, công suất động cơ cần thiết là 114W và tốc độ động cơ yêu cầu là 63rpm Nên chọn động cơ giảm tốc với tốc độ 70rpm sử dụng điện áp 24V, công suất 120W
Hình 3.13: Động cơ giảm tốc Planet
Tên sản phẩm: Động cơ hộp số hành tinh – động cơ cho robocon Planet 24V Hộp số động cơ dùng bánh răng vệ tinh nên rất bền bỉ yên tâm khi sử dụng
Thích hợp dùng trong các cơ cấu băng tải, robocon và một số chi tiết trong các loại máy công cụ,…
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của động cơ giảm tốc Planet
Dòng khi có tải < 6,5A Điện áp khi hoạt động 24V, 468 vòng/ phút
Kích thước Đường kính ngoài 42mm, đường kính trục 10mm
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật của Encoder tương đối
Thông số kỹ thuật Đường kính trục 6mm Đường kính thân 40 mm Điện áp hoạt động 12V – 24V Độ phân giải 1000 xung/vòng
Pha đầu ra A(đen), B(trắng) và Z(cam) h Cảm biến siêu âm HC – SR04
Hình 3.15: Cảm biến siêu âm
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm
Thông số kỹ thuật Điện áp 5V
Khoảng cách 2 cm – 15 Độ chính xác 3 mm i Cảm biến gia tốc GY-521 6 DOF MPU-6050
Hình 3.16: Cảm biến gia tốc
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.10: Thông số kỹ thuật của cảm biến gia tốc
Thông số kỹ thuật Điện áp sử dụng 3 ~ 5V Điện áp giao tiếp 3 ~ 5V
Giá trị Gyroscopes trong khoảng +/- 250 500 1000 2000 degree/sec
Giá trị Acceleration trong khoảng +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.11: Thông số kỹ thuật của Loadcell
Tải trọng 1 – 200kg Độ chính xác Độ chính xác cao ± 0.5% Điện áp đầu vào 24V k Vi điều khiển STM32
Hình 3.18: STM32F407VET6 Bảng 3.12: Thông số kỹ thuật của STM32F407VET6
Sử dụng vi điều khiển STM32F407VET6
Nhiệt độ hoạt động -40°C ~ 85°C Điện áp cung cấp 1.8V~3.6V
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.13: Thông số kỹ thuật của module L298n
Driver L298 tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển +5V ~ +12 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H 2A Điện áp của tín hiệu điều khiển +5 V ~ +7 V
Dòng của tín hiệu điều khiển 0 ~ 36mA
Công suất hao phí 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.14: Thông số kỹ thuật của module hạ áp
Thông số kỹ thuật Điện áp đầu vào 4 – 38V Điện áp đầu ra 1,25 – 36V (có thể điều chỉnh)
Dòng điện đầu ra Tối đa 5A Ổn định tải 0,8% Ổn định điện áp 0,8%
Tỷ lệ ngắn mạch Giới hạn ở 8A
Driver được trang bị bộ vi xử lý ARM hiện đại nhất nên cung cấp nhiều chức năng cao cấp như sau:
- Chạy động cơ công suất lớn tới 700W, điện áp điều khiển 24VDC
- Giao tiếp máy tính qua cổng COM, UART
- Đèn LED báo trạng thái hoạt động
- Chạy PID vị trí theo chuẩn 1 xung và 1 hướng hỗ trợ tần số lên tới 10 MHz, ứng dụng làm máy CNC, với các thông sô Kp, Kd, Ki điều chỉnh được bằng giao diện máy tính
- Chạy PID vị trí theo chuẩn xung encoder AB hỗ trợ tần số lên tới 10 MHz, ứng dụng làm cánh tay máy , với các thông sô Kp, Kd, Ki điều chỉnh được bằng giao diện máy tính
- Chạy PID vận tốc hỗ trợ các chuẩn giao tiếp: 1 PWM (tích cực mức 0 với độ phân giải 8 bit) và 1 hướng, hỗ trợ tần số điều xung (50 Hz – 5 KHz)
- UART với khung truyền 3 byte (byte đầu là thuộc tính gồm chiều quay bit thứ 7 và các bit còn lại là địa chỉ, byte giữa là tốc độ, byte cuối luôn luôn là 0xFF) Hỗ trợ giao tiếp mọi tốc độ baudrate và tối đa lên đến 128
54 thiết bị mà chỉ tốn 1 dây điều khiển từ mater, có giao diện tùy chọn cho người sử dụng o Màn hình cảm ứng
Màn hình cảm ứng dùng để hiện thị thông tin và giao tiếp với khách hàng thông qua các phím cảm ứng Khách hàng nhập thông tin và lựa chọn dịch vụ trực tiếp thông qua màn hình
Hình 3.22: Màn hình cảm ứng
Dưới đây là thông số kỹ thuật:
Bảng 3.15: Thông số kỹ thuật của màn hình
Kích thước hiển thị 10inch Độ phân giải 800x480 Độ sáng 500cd/cm 2
Loại cảm ứng 4 – wire Resistive Type
Truyền thông Ethernet, COM1: RS232, COM2: RS42
Các bộ phận chính
Hình 3.23: Bản vẽ phần nắp vỏ
- Vật liệu: Thép b Phần thân
Hình 3.24: Bản vẽ phần thân vỏ
Hình 3.25: Bản vẽ phần đáy vỏ
Hình 3.26: Bản vẽ phần khung giá
- Kích thước + vật liệu: Thép hộp 50x25x2mm e Phần khay
Hình 3.27: Bản vẽ phần khay chứa đồ
- Vật liệu: Gỗ f Phần gá màn hình
Hình 3.28: Bản vẽ phần gá màn hình
- Vật liệu: Gỗ g Tính toán lựa chọn bánh xe
Bánh xe động lực: Bánh động lực cần phải chịu tải tốt, ma sát giữa bánh với mặt đất phải lớn để tránh bị trượt khi di chuyển gây ra sự không ổn định của xe trong quá trình làm việc Dựa vào khối lượng các linh điện và khung xe trong quá trình làm việc nhóm chọn bánh động lực có kích thước như sau: Đường kính bánh xe 150mm, có phần khung làm từ nhựa đủ khả năng chịu tải tốt, đồng thời lớp vỏ ngoài là cao su chia làm các rãnh làm tăng ma sát
Hình 3.29: Bánh xe động lực
Bánh dẫn hướng: hay còn gọi là bánh xe tự lựa giúp robot điều chỉnh hướng đi Quay trái, quay phải, linh hoạt hơn
Cấu trúc tổng thể của hệ thống
Hình 3.31: Cấu trúc tổng thể của hệ thống Robot lễ tân
Sơ đồ tổng thể hệ thống
Hình 3.32: Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Lưu đồ thuật toán của hệ thống
Hình 3.33: Lưu đồ thuật toán của hệ thống
