báo cáo môn thiết kế hệ thống cơ điện tử tên đề tài robot hút bụi

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

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN

MỤC LỤC

Chương 1PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 9

1.1 Tổng quan 9

1.1.1 Giới thiệu 9

1.1.2 Cấu tạo và tính năng của robot hút bụi 9

1.2 Thiết lập danh sách yêu cầu 11

Chương 2THIẾT KẾ SƠ BỘ 16

2.1 Xác Định Các Vấn Đề Cơ Bản 16

2.2 Thiết Lập Cấu Trúc Chức Năng 17

2.2.1 Chức năng tổng thể: 17

2.2.2 Chức năng con của robot hút bụi: 17

2.3 Lựa Chọn Cấu Trúc Làm Việc 21

3.2.6 Hút bụi 40

3.2.7 Quét bụi 41

3.2.8 Chứa bụi 42

3.3 Phác thảo sản phẩm 44

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot hút bụi 9

Hình 1.2 Phụ kiện robot hút bụi 10

Hình 2.1 Chức năng tổng thể của Robot hút bụi 17

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của Robot hút bụi 17

Hình 2.3 Chức năng sạc điện năng 18

Hình 3.4 Pin Lithium Ion 35

Hình 3.5 Module sạc không dây 36

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây ngành Cơ điện tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên là việc làm cần thiết 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

Học phần Thiết kế hệ thống Cơ điện tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việc theo trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định, tối ưu và hiệu quả Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống, kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập và công việc sau này

Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Robot hút bụi”.Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống đồng thời cũng là cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên

Chương 1 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 1.1 Tổng quan

1.1.1 Giới thiệu

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

Hình 1.1 Robot hút bụi

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

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

1.2 Thiết lập danh sách yêu cầu

DANH SÁCH YÊU CẦU ROBOT HÚT BỤI Thay

Đổi D

W W W D D

D D D

D D D D D D

Hình học:

- Chiều dài: 250 - 300mm - Chiều rộng: 250 – 300mm - Chiều cao: 100 – 150mm - 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:

- Tốc Độ: 0,1 – 0,25 m/s - Gia tốc: 0,1 – 0,15 m/s2 - Lực hút: 1.200pa - 3.000pa

Năng lượng:

- Điện áp: 110 – 220V - Công suất: 50 – 100W - Tần số: 50 – 60 Hz

- Dung lượng pin: 3500 – 4000 mAh

- Thời gian sử dụng từ 90 - 120 phút/ lần dọn dẹp - Hệ thống sạc pin nhanh

D W

W W D W

D W

D D D D

D D

D W

D W

- 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

Hệ thống hút bụi:

- 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

W

W W W D W W

W D W

D

W D W

D D D

D W

- Có thể hút bụi ở những bề mặt như: các góc, rãnh hoặc khe

Tính năng đặc biệt

- 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:

- Độ ồn thấp 15 – 20dB

- Hoạt động với nhiều chế độ làm việc khác nhau

D

W W D

D

W

D D D D

W W W

W D

Kiểm soát chất lượng:

- Đảm bảo độ ổn định trong quá trình sử dụng

- Khả năng chống ẩm

Bảo trì:

- 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

Lắp ráp:

- Khả năng lắp ráp dễ dàng từ những linh kiện nhỏ nhất - Phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế

W

W

W D

- Quá trình lắp ráp robot hút bụi cần được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả để đảm bảo sản xuất hàng loạt

Chương 2 THIẾT KẾ SƠ BỘ 2.1 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

2.2 Thiết Lập Cấu Trúc Chức Năng 2.2.1 Chức năng tổng thể:

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

Hình 2.3

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

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

2.3 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

2

Sạc điện năng

Lấy năng lượng

Thông qua sóng điện tử

Thông qua dây đồng

3 Biến đồi điện

Biến Áp 2 cuộn dây

Mạch giảm Áp

Biến áp tự ngẫu

4 Ổn định điện áp

IC ổn định nguồn Transistor ổn định nguồn

Mạch dùng diode zener

5 Tích trữ năng lượng

Pin Lithium- Ion

Pin axit chì

Pin niken- cadium

6

Bảo vệ hệ thống điện

Chống quá tải

IC ổn định nguồn Mạch ổn định nguồn

Mạch dùng diode zener

7 Ngắt khẩn cấp

Nguyên lý cầu chì

Nguyên lý Rơ le

8 Làm mát

Quạt tản nhiệt

Kim loại tản nhiệt

9

Phương thức khởi động

Điều khiển bằng remote

11

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 LED

14 Thông báo

Công nghệ âm thanh

Công nghệ ánh sáng

15

Di Chuyển

Chuyển đổi điện cơ

Động cơ chổi

than

Động cơ không chổi than

16 Dẫn động

Ăn khớp bánh răng

A khớp ma sát

17 Giảm chấn

Hệ thống treo

Giảm chấn điện từ

18 Điều hướng di chuyển

Công nghệ bánh xe lăn

Công nghệ bánh xe cầu

Bánh xe omnidirectionl

19

Khống chế tốc độ

Đo tốc độ

Absolute encoder

Incremental encoder

20 Điều chỉnh dòng điện ra

Điều chỉnh từ vi

điều khiển Module L298

21 Kiểm soát tốc độ

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PD

Bộ điều khiển PI

2

Hút bụi

Phương thức hút bụi

Cơ cấu cánh quạt

Gom bằng chổi gom

23 Dẫn động Truyền bánh răng Truyền đai Truyền xích

24 Chuyển đổi điện cơ

Động cơ không chổi than

Động cơ chổi than

25

Quét bụi

Phương thức quét bụi

Chổi quét

26 Dẫn động Truyền bánh răng Truyền đai Truyền xích

27 Chuyển đổi điện cơ

Động cơ không chổi than

Động cơ chổi than

28

Tích trữ bụi bẩn

Chứa bụi bẩn Vật liệu tổng hợp Túi sinh học Hợp kim

29 Lọc bụi Bộ lọc HEPA Than hoạt tính Vải lọc

30 Kiểm soát lượng bụi

Cảm biến khối lượng

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

34

Tránh va chạm

Đo khoảng cách vật cản

Phát sóng siêu âm

Phát tín hiệu laser

35 Kiểm soát vị trí

Nguyên lý quang học

Cảm biến

LiDAR GPS

36 Quét vùng làm việc Camera

Cảm biến LiDAR

37 Chống va đập Nhựa ABS Nhựa PP

2.4 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:

Biến thể 1 :

1.1 – 2.1 – 3.1 – 4.1 -5.3 – 6.1 – 7.1 – 8.2 – 9.1 – 10.1 – 11.1 – 12.2 – 13.1 – 14.1 – 15.3 – 16.2 – 17.1 – 18.3 – 19.3 – 20.1 – 21.1 – 22.1 – 23.1 – 24.1 – 25.3 – 26.1 – 27.1 – 28.1 – 29.1 – 30.1 – 31.1– 32.1– 33.2– 34.1– 35.2– 36.1– 37.1

Biến thể 2 :

1.2 – 2.3 – 3.2 – 4.2 – 5.1 – 6.3 – 7.2 – 8.3 – 9.1 – 10.1 – 11.1 – 12.1 – 13.2 – 14.2 – 15.1 – 16.1 – 17.2 – 18.1 – 19.1 – 20.2 – 21.2 – 22.2 – 23.1 – 24.2 – 25.1 – 26.2 – 27.2 – 28.1 – 29.1 – 30.1 – 31.1– 32.3– 33.1– 34.2– 35.3– 36.2– 37.1

Biến thể 3 :

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

2.1 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

điện 0.3 7 0.21 9 0.27 8 0.24 4 Tuổi thọ

pin 0.15 8 1.2 9 1.35 6 0.9

5

Hệ thống điện an toàn ổn định

điện áp 0.2 6 0.12 8 0.16 7 0.14

độ

0.4 8 0.48 6 0.36 8 0.48

11

Điều hướng di

0.3 7 0.315 5 0.225 6 0.27

13

Phương thức quét

bụi

0.4 8 0.48 8 0.48 8 0.48

14

Chuyển đổi điện

18

Tránh va chạm với vật thể

xung quanh

việc

0.3 8 0.36 6 0.27 6 0.27

hướng 0.1 6 0.09 7 0.105 7 0.105 22 Thiết lập

bản đồ 0.2 9 0.27 9 0.27 9 0.27

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

Chương 3 THIẾT KẾ CỤ THẾ 3.1 Xây Dựng Các Bước Thiết Kế Cụ Thể

3.1.1 Tạo sơ đồ hệ thống

3.1.2 Nhóm chức năng

Khối Pin Mạch điện Khối điều khiển Bánh xe

Bánh xe điều hướng Cảm biến va chạm Cảm biến laser Màn hình Vỏ bảo vệ Chổi quét Đầu hút Hộp đựng rác

3.1.3 Bố trí layout

Nhóm 1: Nhóm năng lượng Nhóm 2: Nhóm an toàn điện Nhóm 3: Nhóm điều khiển Nhóm 4: Nhóm di chuyển

Nhóm 6: Nhóm cảm biến Nhóm 7: Nhóm hiển thị Nhóm 8: Nhóm kết cấu

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: