Sự phát triển của hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới
PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
Tổng quan
Robot hút bụi (tiếng Anh: robotic vacuum cleaner) là một robot hút bụi với lập trình thông minh giúp tự động hóa việc hút bụi Robot hút bụi có một số tính năng: tự động làm việc tự động lập bản đồ căn phòng lên phương án làm việc tối ưu, trang bị cảm biến bụi bẩn điều khiển lực hút, linh hoạt thay đổi theo chất liệu sàn khác nhau; màng lọc giúp lọc sạch ion siêu nhỏ và loại bỏ các chất gây kích ứng da; tia tử ngoại UV diệt khuẩn giúp robot hút bụi hiệu quả với cả rác bẩn vật lý và hóa học
1.1.2 Cấu tạo và tính năng của robot hút bụi
Robot hút bụi được thiết kế và lập trình đặc biệt để thực hiện những nhiệm vụ hút bụi, lau chùi sàn nhà tự động Chúng có thể hoạt động rất tốt ở các bề mặt như sàn nhà, các tấm thảm và những chướng ngại vật có chiều cao từ 1-2cm mà không cần có sự can thiệp của con người Ưu điểm lớn nhất của sản phẩm robot hút bụi đó chính là khả năng làm sạch không chỉ các vết bẩn trên sàn nhà mà còn hút sạch được các bụi bẩn trong không khí, mang đến không gian thoáng sạch, an toàn cho gia đình bạn Đây là điểm mạnh vượt trội mà những dụng cụ làm sạch thông thường như chổi và máy hút bụi không thể làm được
Thiết kế, cấu tạo của robot hút bụi, robot lau nhà được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo cho quá trình hoạt động, ảnh hưởng đến cách di chuyển, không gian làm sạch và khả năng hút bụi của nó Theo đó, hầu hết các loại robot hút bụi hiện nay đều có thiết kế dạng hình tròn để di chuyển, len lỏi dễ dàng vào mọi ngóc ngách trong nhà đồng thời tránh va đập mạnh gây hư hỏng, xước các đồ vật và thiết bị Tùy thuộc từng thương hiệu robot hút bụi lau nhà khác nhau mà cấu tạo cụ thể của máy sẽ có sự khác biệt Tuy nhiên, thông thường một chiếc robot hút bụi sẽ có 2 bộ phận chính bao gồm:
Thân máy hút bụi: Vỏ máy, bộ vi mạch lập trình, bánh xe, hệ thống laser định vị, hộp đựng bụi, bộ xử lý kết nối wifi
Phụ kiện đi kèm: Đế sạc, remote, chổi quét, tường ảo (thiết bị có nhiệm vụ hạn chế khu vực làm việc cho máy)
Hình 1.2 Phụ kiện robot hút bụi
Sau khi khởi động máy, robot hút bụi sẽ chụp quét không gian nhà bạn bằng laser và tiến hành lập bản đồ, lịch trình dọn dẹp tự động Chúng sẽ tự định vị và đưa ra phương án di chuyển, lau dọn sao cho tối ưu nhất Những sản phẩm robot hút bụi lau nhà sẽ đóng
11 vai trò làm sạch tối ưu, vừa hút bụi, gom bụi vào hộp chứa vừa thực hiện lau sàn nhà Đặc biệt, tính năng thông minh của robot hút bụi đó chính là hệ thống cảm biến tự tránh các chướng ngại vật, cầu thang để chống va đập.
Thiết lập danh sách yêu cầu
DANH SÁCH YÊU CẦU ROBOT HÚT BỤI
- Dung tích chứa bụi: 0,5 - 1 lít
- Hình dạng đơn giản để có thể di chuyển linh hoạt trong không gian chật hẹp Động học:
- Thời gian sử dụng từ 90 - 120 phút/ lần dọn dẹp
- Hệ thống sạc pin nhanh
- Công nghệ tiết kiệm điện năng
- Pin dễ dàng thay thế
- Vật liệu chịu được nhiệt
- Vật liệu chịu được va chạm
- Vật liệu chống ăn mòn trong môi trường sử dụng
- Vật liệu an toàn cho người sử dụng
- Bắt mắt mang tính thương mại
- Di chuyển có độ ma sát cao
- Khả năng di chuyển nhiều chiều
- Di chuyển linh hoạt trên nhiều địa hình
- Hệ thống có khả năng nhận biết, tránh các chướng ngại vật
- Khả năng tìm đường tối ưu nhất để di chuyển
- Tạo bản đồ di chuyển cho vùng làm việc
- Chổi quét nhẹ hút bụi triệt để
- Dọn được nhiều loại bụi bẩn kích thước khác nhau
- Khả năng làm sạch linh hoạt
- Khả năng phân loại rác được hút vào
- Khả năng lọc bụi chuẩn theo tiêu chuẩn quốc tế
- Có thể hút bụi ở những bề mặt như: các góc, rãnh hoặc khe
- Khả năng hẹn giờ làm việc
- Ghi nhớ lịch trình hoạt động
- Khả năng làm việc liên tục và tự sạc
- Định vị bản thân trong vùng làm việc
- Di chuyển tự động đến những vị trí cần làm sạch
- Truyền thông không dây với các thiết bị thông minh
- Khả năng diệt vi khuẩn và khử mùi hôi
- Vừa hút bụi vừa có thể lau dọn nhà cửa
- Tự động đổ rác khi hút bụi xong
- Thiết lập được khu vực cần lau dọn thường xuyên Tín hiệu:
- Điều khiển được ở khoảng cách xa
- Báo trạng thái hoạt động
- Hiển thị quá trình hút bụi trên thiết bị thông minh
- Cảnh báo dung lượng nguồn sắp hết
- Cảnh báo va chạm mạnh
- Cảnh báo lỗi bộ phận
- Hoạt động với nhiều chế độ làm việc khác nhau
- Dễ dàng sử dụng cho mọi lứa tuổi
- Quy mô sản xuất phù hợp với điều kiện công ty
- Trong quá trình sản xuất tránh lãng phí vật liệu
- Kiểm soát chất lượng sản phẩm trong quy trình sản xuất
- Đảm bảo độ ổn định trong quá trình sử dụng
- Sản phẩm không cạnh sắc gây nguy hiểm cho người sử dụng
- Đảm bảo an toàn điện cho người sử dụng
- Hệ thống bảo vệ khi có sự cố về điện
- Dễ dàng tháo lắp khi bảo trì
- Linh kiện có thể thay thế ở các cơ sở phân phối
- Dễ dàng vệ sinh máy móc
- Khả năng lắp ráp dễ dàng từ những linh kiện nhỏ nhất
- Phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế
- Quá trình lắp ráp robot hút bụi cần được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả để đảm bảo sản xuất hàng loạt
- Một số bộ phận có thể tái sử dụng khi sản phẩm không còn sử dụng
- Sản phẩm dễ tiêu hủy
- Không gây ô nhiểm môi trường
THIẾT KẾ SƠ BỘ
Xác Định Các Vấn Đề Cơ Bản
− Khả năng làm sạch: Robot hút bụi cần có khả năng làm sạch đủ mạnh để thu thập tất cả các loại bụi và rác, bộ lọc thích hợp để giữ không khí trong phòng luôn sạch sẽ và an toàn
− Hiệu năng của nguồn: Robot hút bụi cần nguồn đủ lớn để hoạt động trong một khoảng thời gian dài hơn mà không cần sạc lại
− Tránh vật cản: Robot hút bụi cần được trang bị tính năng tránh các vật cản có thể nhận biêt các vật thể khác trong không gian làm việc và nhận biết được vùng làm việc của robot
− Định hướng và định vị: Robot hút bụi cần định vị và định hướng đầy đủ để di chuyển linh hoạt và theo đúng lộ trình
− Tính linh hoạt: Robot hút bụi cần có tính linh hoạt để dễ dàng di chuyển qua nhiều mặt địa hình khác nhau
− Khả năng tương tác: Robot hút bụi nên được trang bị các tính năng tương tác như ứng dụng điều khiển từ xa, hỗ trợ giọng nói, các mức độ điều khiển khác
− Thiết kế: Thiết kế của robot hút bụi cần phải đẹp và thuận tiện cho việc sử dụng
Thiết Lập Cấu Trúc Chức Năng
Hình 2.1 Chức năng tổng thể của Robot hút bụi
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của Robot hút bụi
2.2.2 Chức năng con của robot hút bụi: a, Chức năng cấp năng lượng
Chức năng sạc điện năng b, Chức năng chọn chế độ làm việc
Hình 2.4 Chức năng chọn chế độ làm việc c, Chức năng bảo vệ hệ thống điện
Hình 2.5 Chức năng bảo vệ hệ thống điện d, Chức năng tránh va chạm
Hình 2.6 Chức năng tránh va chạm e, Chức năng tạo bản đồ
Hình 2.7 Chức năng tạo bản đồ f, Chức năng hút bụi
Hình 2.8 Chức năng hút bụi g, Chức năng tích trữ bụi bẩn
Hình 2.9 Chức năng tích trữ bụi bẩn h, Chức năng quét bụi
Hình 2.10 Chức năng quyets bụi i, Chức năng di chuyển
Hình 2.11 Chức năng di chuyển k, Chức năng khống chế tốc độ
Hình 2.12 Chức năng khống chế tốc độ l, Chức năng điều hướng di chuyển
Hình 2.13 Chức năng điều hướng di chuyển
Lựa Chọn Cấu Trúc Làm Việc
Bảng 1 Lựa chọn cấu trúc làm việc
STT Chức năng con Giải pháp 1 Giải pháp 2 Giải pháp 3
1 Xử lý tín hiệu và điều khiển Arduino STM32 AVR
Thông qua sóng điện tử
IC ổn định nguồn Transistor ổn định nguồn
Mạch dùng diode zener
Bảo vệ hệ thống điện
IC ổn định nguồn Mạch ổn định nguồn
Mạch dùng diode zener
Thủ công Nút nhấn Màn hình chạm
10 Thông minh Điều khiển qua app Điều khiển bằng giọng nói Điều khiển bằng remote
Chọn chế độ làm việc
Phương thức truyền tín hiệu
Wifi Bluetooth Sóng hồng ngoại
12 Phương thức nhận tín hiệu
Wifi Bluetooth Sóng hồng ngoại
13 Hiển thị Công nghệ LCD Công nghệ
Chuyển đổi điện cơ Động cơ chổi than Động cơ không chổi than
16 Dẫn động Ăn khớp bánh răng
Công nghệ bánh xe lăn
Công nghệ bánh xe cầu
Khống chế tốc độ Đo tốc độ
20 Điều chỉnh dòng điện ra Điều chỉnh từ vi điều khiển Module L298
23 Dẫn động Truyền bánh răng Truyền đai Truyền xích
24 Chuyển đổi điện cơ Động cơ không chổi than Động cơ chổi than
26 Dẫn động Truyền bánh răng Truyền đai Truyền xích
27 Chuyển đổi điện cơ Động cơ không chổi than Động cơ chổi than
Chứa bụi bẩn Vật liệu tổng hợp Túi sinh học Hợp kim
29 Lọc bụi Bộ lọc HEPA Than hoạt tính Vải lọc
31 Thiết lập bản đồ Thuật toán SLAM
32 Định vị robot GPS Cảm biến vô tuyến Cảm biến lidar
33 Nhận biết vật cản Camera Sóng siêu âm Ánh sáng hồng ngoại
Tránh va chạm Đo khoảng cách vật cản
36 Quét vùng làm việc Camera Cảm biến
37 Chống va đập Nhựa ABS Nhựa PP
Kết hợp các nguyên tắc làm việc
Các nguyên tác làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễn như trong bảng 2 Cụ thể những nguyên tắc được đặt kí hiệu cùng màu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng 2 ta có thể thấy có ba biến thể với ba màu khác nhau được chọn ra tương ứng màu xanh (biến thể 1), màu đỏ (biến thể 2), và màu vàng (biến thể 3) Từ đây ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra
Lựa chọn biến thể phù hợp Sau khi hợp các nguyên tắc làm việc ta được ba biến thể tiêu biểu:
1.3 – 2.3 – 3.3 – 4.3 – 5.2 – 6.3 – 7.3 – 8.2 – 9.3 – 10.3 – 11.3 – 12.3 – 13.3 – 14.3 – 15.2 – 16.2 – 17.3 – 18.2 – 19.2 – 20.3 – 21.1 – 22.3 – 23.2 – 24.2 – 25.2 – 26.3 – 27.2 – 28.1 – 29.2 – 30.1 – 31.1– 32.2– 33.3– 34.1– 35.1– 36.1– 37.2 Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêu chí để đánh giá và so sánh các biến thể Tuy nhiên, độ phức tạp và quan trọng của các tiêu chí, ta xây dựng một cây mục tiêu Trong cay mục tiêu bao gồm những tiêu chí đặt ra cho biến thể Trong những 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.
Tổng Hợp, Đánh Giá Các Biến Thể
Bảng 2 Đánh giá các biến thể
STT Tiêu chí Tiêu chí con Biến thể 1 Biến thể 2 Biến thể 3
Hệ thống điện an toàn ổn định
Ngắt khẩn cấp 0.4 10 0.4 6 0.24 9 0.36 Ổn định điện áp 0.2 6 0.12 8 0.16 7 0.14 Làm mát 0.1 8 0.08 5 0.05 8 0.08
Tránh va chạm với vật thể xung quanh
Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 1 có điểm đánh giá cao nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất Điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể 1 được tối ưu tốt nhất đối với các tiêu chí đề ra Biến thể 1 do đó đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể
THIẾT KẾ CỤ THẾ
Xây Dựng Các Bước Thiết Kế Cụ Thể
3.1.1 Tạo sơ đồ hệ thống
Nhóm 2: Nhóm an toàn điện
Nhóm 9: Nhóm thu gom bụi bẩn
Nhóm 10: Nhóm chứa bụi bẩn
3.1.4 Xác lập các layout thô xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính Đây là 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 xe đạp điện 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 định hình layout vị cho các bộ phận, ta tiến hành ghép nhóm cho một số các bộ phận có chung thiết kế để bố trí hình học và có được bố trí hình học tương quan giữa các layout như sau:
Với mỗi nhóm bộ phận thiết kế sẽ có một vài chi tiết chung tương quan hình học và vị trí với nhau Do vậy ta sắp xếp các nhóm có bộ phận chung cùng nhóm thiết kế với nhau Bảng dưới đây thể hiện mô tả một số chức năng và nhiệm vụ đặt ra cho các nhóm thiết kế:
Bảng 3 Mô tả một số chức năng
STT Tên nhóm Bộ phận
1 Năng lượng Vỏ Pin, Pin, cổng sạc, mạch biến áp, mạch điều khiển
2 An toàn điện Mạch bảo vệ, mạch biến áp, mạch điều khiển
3 Điều khiển Nút điều khiển, module wifi, mạch điều khiển
4 Di chuyển Bánh xe, giảm chấn, động cơ
5 Điều hướng Động cơ, bánh dẫn hướng
6 Cảm biến Cảm biến khoảng cách, cảm biến siêu âm
9 Thu gom bụi bẩn Khe hút, chổi lùa, chổi quét, động cơ
10 Chứa bụi Hộp chứa rác, màng lọc
Tích hợp hệ thống
3.2.1 Xử lý tín hiệu và điều khiển
Vi điều khiển Aruino Uno R3:
Arduino Uno R3 là một vi điều khiển phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các dự án điện tử Có khả năng kết nối Wi-Fi cho board Arduino Uno R3 bằng cách sử dụng một module Wi-Fi được hỗ trợ bởi Arduino
Bảng 4 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 Điện áp hoạt động của Arduino 5V Điện áp đầu vào 7V - 12V Điện áp I/P (giới hạn) 6V - 20V
Dòng điện DC cho mỗi chân I /O 20 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Thông số kỹ thuật của cầu chì thủy tinh:
Kích thước: 5x20mm Điện áp cực đại: 250V
Thông số kỹ thuật IC7805
Số chân: 3 Điện áp ngõ ra: 5v
35 Điện áp ngõ vào: 7V – 18V DC
Robot hút bụi dùng loại pin Lithium Ion Cung cấp dòng điện áp và năng lượng cao hơn so với nhiều dòng pin kim loại Có tuổi thọ lâu, vòng đời dài Pin Lithium có hiệu suất an toàn tốt
Mặt khác, dòng pin này an toàn với môi trường vì không chứa chì, thủy ngân.Khả năng sạc đầy nhanh, thời gian sử dụng lâu
− Thời gian sạc đầy: 150 phút
Bộ sạc không dây Qi nhanh 10W Bảng mạch PCBA với đế sạc không dây cuộn dây DIY
Hình 3.5 Module sạc không dây
− Khoảng cách truyền: tối đa 10 mm
− Khoảng cách thu phát khuyến nghị 2 mm ~ 4 mm
− Điện áp đầu vào: DC9V 1.5 ~ 2A,
− Công suất sạc: tối đa có thể đạt 10 W
− Bảo vệ quá nhiệt: khi nhiệt độ cao hơn 60 độ
− Bảo vệ quá dòng: khi dòng điện trên 2A
Hình 3.6 Cảm biến va chạm
Cảm biến va chạm trên robot hút bụi là một loại cảm biến được sử dụng để phát hiện các vật cản hoặc chướng ngại vật trên đường di chuyển của robot
Khoảng cách đo từ 5 – 10 cm
Sai số cho phép đo là +/- 1-3cm
Cảm biến LiDAR (Light Detection and Ranging), hay còn gọi là cảm biến ladar, là một loại cảm biến sử dụng công nghệ quét laser để tạo ra mô hình 3D của môi trường xung quanh
Phạm vi phát hiện: 360 độ
3.2.5 Di chuyển Động cơ encoder
Hình 3.8 Động cơ encoder Đặc điểm kỹ thuật:
− Loại sản phẩm: Bộ mã hóa ABZ
− Dòng điện tiêu thụ: 30mA
− Tốc độ cơ học: 6000 vòng / phút
Mạch điều khiển động cơ
DC L298N có khả năng điều khiển 2 động cơ DC
− IC chính: L298 – Dual Full Bridge Driver
− Điện áp đầu vào: 5~30VDC
− Công suất tối đa: 25W 1 cầu
− Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
− Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss
Hình 3.10 Bánh xe di chuyển
Loại bánh xe này tạo ra khả năng tương tác tốt hơn với các khe, rãnh và các vật cản khác trên mặt sàn Điều này giúp robot hút bụi di chuyển linh hoạt hơn và vượt qua các vật cản một cách dễ dàng hơn
Kích thước bán kính: 90 mm
Cùng với các cảm biến và máy tính điều khiển, bánh xe dẫn hướng giúp robot di chuyển và định vị chính xác trong không gian để có thể hút bụi đạt hiệu quả tối đa
Hình 3.11 Bánh xe dẫn hướng
Kích thước bán kính: 90 mm
Hình 3.12 Động cơ bộ hút
Hình 3.13 Động cơ chổi quét
− Điện áp hoạt động DC 12V ~ 24V
− Tốc độ tối đa: 13800 vòng / phút
− Đường kính động cơ: 27,7 mm
− Chiều dài động cơ: 32,5 mm
− Đường kính trục động cơ: 2.3 mm
− Chiều dài trục đầu ra: Trục trước 9 mm; Trục sau 8,5 mm
Robot được tích hợp 2 chổi lùa 2 bên làm tăng khả năng làm sạch bụi bẩn khi robot hút bụi Chổi quét bụi trên robot được làm bằng các sợi nylon mềm Chúng có tính năng xoắn và tạo khối lượng áp lực trên bề mặt để có thể đẩy bụi và các mảnh vụn vào thùng chứa bụi của robot
Dung tích chứa bụi: 0.6 lít
− Tải trọng tối đa: 10Kg
− Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 65 độ C
− Chất liệu cảm biến: Nhôm
