Thuyet minh Đồ Án TN Robot Lau Nhà ppt

Vận động viên này được làm bằng vật liệu carbon tổng hợp siêu bền, siêu nhẹ để có thể cử động với tốc độ cao.. Robot Mop’n Bot cũng lau nhà bằng cách tìm một mép tường và đi theo tường,

Trang 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT OSIN DỌN VỆ SINH NHÀ

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ROBOT

Từ lâu con người đã không còn xa lạ với robot nữa, bởi lẽ robot đã xuất hiện rấtnhiều trong cuộc sống của chúng ta Vậy robot là gì? Có rất nhiều định nghĩa về robot theo những quan điểm khác nhau Dưới đây là một số quan điểm về robot:

Robot là những máy móc có khả năng thay thế sức lao động của con người (Soka-1985)

Trang 2

Hình 1.2 Robot thổi sáo

Robot là những thiết bị được lập trình một số công việc nào đó Theo hướng này máy tính là một mạch điện có thể lập trình để làm một số công việc, như vậy máy tính được xem như là một robot(Mckerrow-1986)

Ở Việt Nam trước đây khái niệm robot không còn xa lạ, nhưng với sự tìm tòi học hỏi của mình những sinh viên kỹ thuật đã chứng tỏ việt Nam không hề thua kém các nước phát triển khác Chứng minh điều đó là mấy lần ta vô địch robot châu Á TháiBình Dương Đặc biệt gần đây chúng ta gây ấn tượng rất mạnh đối với thế giới tại International Robot Exhibition 2007- triển lãm robot lớn nhất khai mạc ngày 28-11 tại

Trang 3

Tokyo TOPIO người máy biết chơi bóng bàn và bày tỏ cảm xúc, do một nhóm chuyêngia thuộc công ty TOSY ở Hà Nội chế tạo.

TOPIO viết tắt của Tosy Pingpong Playing Robot có đầu 2 cánh tay và 6 chân bên dưới (tổng cộng 20 khớp), giúp nó vận động một cách linh hoạt nhờ cơ chế thủy lực Vận động viên này được làm bằng vật liệu carbon tổng hợp siêu bền, siêu nhẹ để

có thể cử động với tốc độ cao

TOPIO tích hợp 4 camera tốc độ cao và 2 máy tính cấu hình mạnh để nhận diệnđường đi và độ xoáy của trái bóng ngay sau khi rời khỏi vợt đối phương và đập trả lại rất nhanh và mạnh Được lập trình bằng module trí thông minh nhân tạo (AI) tiên tiến, robot còn có khả năng tự nâng cấp khả năng mình ngay trong mỗi ván bóng bàn

Hình 1.5 Hình ảnh giới thiệu robot TOPIO

Điều đó khiến nhóm tác giả tin rằng việc “ Tạo ra một robot đánh bại dân chơi bóng bàn chuyên nghiệp” là hoàn toàn khả thi Chưa dừng lại, TOPIO còn có thể chủ động phát bóng, ghi nhớ, thông báo điểm và tỏ thái độ của mình theo nhiều cách hài hước khi thắng hoặc thua

Hiện nay, robot được ứng dụng rất phong phú và đa dạng trong đời sống con người trong mọi lĩnh vực giáo dục, kinh tế, nông nghiệp, công nghiệp, đặc biệt với sự phát triển công nghệ, robot đã đi vào mọi đời sống con người, nó có thể làm công việc nhà như lau rữa chén dĩa, chùi gương, lau nhà…Tùy vào môi trường làm việc các

SVTH: Nguyễn Xuân Nhi_Hồ Văn Dũng- Lớp 05CĐT1 Trang: 3

Trang 4

robot chế tạo có kích thước khác nhau ứng dụng tương ứng mục đích sử dụng, hoạt động hoàn toàn tự động.

Hình 1.6 TOPIO đang giao đấu bóng bàn với người

1.2 MỘT SỐ MÔ HÌNH ROBOT LAU NHÀ:

1.2.1 GatorVar:

Tác giả M.Gabriel Jiva, University of Horida GatorVar là robot hút bụi tự hành Khi nó hoạt động nó hút bụi trong phòng theo cách ngẫu nhiên theo tường và tránh vật cản Việc này được thực hiện bằng cách kết hợp các cảm biến hồng ngoại và cảm biến va chạm, tín hiệu hồng ngoại tại điểm xuất phát và các motor servo momen lớn Thân robot được làm để có thể mang được máy hút bụi Khi hoàn tất công việc, GatorVar tự động về vị trí xuất phát

Trang 5

Servo 2

Servo 1

Vi điều khiển ATMega323

Robot có 4 cảm biến lấy tín hiệu từ môi trường ngoài và mội vi điều khiển để

xử lý tín hiệu và điều khiển tín hiệu ngõ ra cho động cơ

Như vậy GatorVac thực sự chỉ là robot theo tường và tránh vật cản có gắn thêmmáy hút bụi Giải pháp này thực sự chưa là giải pháp hay, nhưng đơn giản dễ thực hiện

1.2.2 Mop’n Bot:

Tác giả Micheal Hall, University of Horida Robot Mop’n Bot cũng lau nhà bằng cách tìm một mép tường và đi theo tường, bám tường và di chuyển theo hành trình xoắn ốc, tránh vật cản cho đến khi bao phủ toàn bộ mặt sàn của phòng tránh vật cản cho đến khi bao phủ toàn bộ mặt sàn của phòng Tuy nhiên Robot Mop’n Bot sử dụng giẻ lau thấm nước gắn trên nó để làm sạch sàn nhà thay vì hút bụi như GatorVac.Một điều lưu ý nữa là Mon’n Bot không thể làm sạch các tấm thảm và hành trình của

nó phải chạy lên thảm

Trang 6

Hình 1.8 Mô hình robot Mop’n Bot

Cấu trúc của Mop’n Bot gồm 6 phần kết hợp với nhau:

- Cơ cấu chấp hành: là hai động cơ servo và bơm piston để bơm dung dịch launhà

- Công tắc va chạm: để phát hiện vật cản, ở đây dùng công tắc hành trình

- Cảm biến tiệm cận: phát hiện vật cản, giữ khoảng cách với tường Ở đây là các cảm biến hồng ngoại

- Bộ phận phát hiện ra thảm: là hai lò xo phía trước, giúp robot phát hiện ra thảm và tránh sang đường khác

- Dung dịch nước lau nhà và giẻ lau: dung dịch nước lau nhà được bơm ra sànnhà trong khi giẻ lau được đặt ở phía sau robot lau và hút lại nước lau nhà

Trang 7

Roomba được đặt ở trung tâm phòng, nó sẽ tự di chuyển dần hướng ra các biên của phòng theo hướng đường xoắn ốc Các cảm biến giúp nó có thể tránh các vật cản

mà nó gặp trên đường

Hình 1.9 Robot Roomba Hình 1.10 Hành trình của robot roomba

Dưới đây là một dạng kiểu khác của robot Roomba:

Clean mate 365 là loại robor hút bụi thông minh cho cá nhân, văn phòng cho phép bạn tiết kiệm thời gian để làm các công việc khác Cho dù sàn nhà của bạn trải bằng thảm mềm, sàn gổ hay lát đá bằng gạch hoa, Clean Mate đều làm sạch dễ dàng các loại sàn nhà

Trang 8

IVO là loại robot hút bụi thông minh thế hệ mới tích hợp thêm chức năng tự động tìm về trạm sạc điện khi hết pin hay khi xong nhiệm vụ Khi hết pin sau khi no điện IVO lại tiếp tục công việc.

SCOOBA: do 30 kỹ sư của iRobot đã khắc phục nhiều khó khăn của robot Roomba đểchế tạo Roomba hoàn chỉnh Scooba có nhiều đặc tính như Roomba nhưng nó có nhiềuđiểm phức tạp hơn vì nó được thiết kế để hút bụi hoàn toàn tự động, biết cọ rửa và sấy khô sàn chứ không phải đơn thuần là hút bụi

Trang 9

1.2.4 Robot lau nhà của Hàn Quốc:

“Robot làm sạch nhà” với kiểu dáng sang trọng và thân thiện tự động lau sạch sàn nhà trên mọi bề mặt chất liệu như sàn gổ, gạch men sơn, thảm theo chương trình

đã cài đặt sẵn, với tính năng vượt trội kết hợp giữa việc hút bụi bẩn và lau sạch những bụi bẩn trên sàn nhà Robot có thể hút và lau sạch những bụi bẩn trên sàn nhà Robot

có thể hút và lau tới 99,8% diện tích sàn nhà Tự động tránh những vật cản, hoạt động được trong gầm ghế, gầm giường và những chỗ ngóc ngách khác và những góc sâu nhất trong căn nhà

“Robot lau nhà tự động”: chức năng giống robot làm sạch nhà nhưng được trang bị các bộ phận cảm ứng hồng ngoại để tự động tránh những vật cản và không bị rơi xuống bậc cầu thang, hoạt động trong gầm ghế, gầm giường và những chỗ ngóc ngách khác Với bộ điều khiển từ xa ta có thể điều khiển Robot theo ý muốn, đi vào tận những góc sâu nhất trong căn nhà

Đặc điểm hoạt động như sau:

1 Robot tự động lau sạch sàn nhà, hoạt động hiệu quả trên mọi bề mặt chất liệu như sàn thảm, gỗ, vải sơn lót sàn, gạch lát… đơn giản chỉ cần bấm nút

2 Robot hoạt động di chuyển theo chương trình cài đặt sẵn: ngẫu nhiên đường xoắn ốc → dọc theo chân tường → xoắn ốc → ngẫu nhiên

3 Dễ dàng tháo hộp đựng rác để vệ sinh sau mỗi khi lau xong nhà

4 Giấy lau (vải lau) thay đổi dễ dàng

Trang 10

1.2.5 Máy lau nhà bằng hơi nước:

Mới đây công ty Hann đã cho ra mắt sản phẩm máy lau nhà kết hợp cả 2 chức năng, cùng một lúc có thể hút bụi và lau nhà Trước đây, máy lau nhà chỉ có chức nănglau sàn nhà nhưng giờ đây nó thực hiện cả hai việc hút bụi và lau nhà cùng một lúc nêngiúp cho các bà nội trợ có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức lao động Hiện nay ở thị trường Hàn Quốc xuất hiện rất nhiều máy lau nhà nhưng vẫn chưa có sản phẩm nào có môtơ máy hút bụi và lau nhà hơi nước dạng ướt Loại môtơ nay rất quan trọng về mặt an toàn Sản phẩm cũng được thiết kế rất thuận tiện cho người sử dụng Hàng ngày chỉ cần 10 phút là các bà nội trợ đã có thể lau nhà xong một diện tích rộng khoảng gần 100mm2

Đúng như tên gọi, máy hút bụi dạng ướt có thể hút được cả dung dịch nước và các chất lỏng khác Với mô tơ 500watt, máy có thể lau sạch các chất lỏng bám trên nềnnhà, kể cả hơi ẩm phát sinh sau khi lau nhà Máy lau nhà Han-Kyung-Hee cũng đã đảm bảo được độ an toàn vì loại trừ độ rủi ro có thể bị bỏng khi hút nước và hơi nước Mặt trong bình nước của máy lau nhà được tráng bằng hạt nano bạc để ngăn ngừa sự sinh sôi của vi khuẩn Bạc có thể tiêu diệt được 650 loại vi khuẩn khác nhau nên tráng hạt nano bạc là bắt buộc đối với máy lau nhà hơi nước

Trang 11

Hình 1.16 Máy lau nhà bằng hơi nước

Trang 12

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT VỚI ROBOT LAU NHÀ:

2.1.1 Đặt vấn đề:

Ngày nay tại các nước trên thế giới như Mỹ, Nhật… các robot sử dụng trong các gia đình được chế tạo có nhiều kích thước khác nhau và hoạt động hoàn toàn tự động Người sử dụng chỉ cần nhấn nút khởi động sau đó robot sẽ thực hiện vai trò của mình cho đến khi hoàn tất công việc của mình Tùy theo kích thước của robot mà nó được sử dụng trong các môi trường làm việc khác nhau Các robot có kích thước lớn chiều cao từ 1m-1.2m được sử dụng ở nơi công cộng như siêu thị, phòng khách , tiền sảnh sân bay, khách sạn…Các robot có kích thước nhỏ( chiều cao dưới 0,5m) được sử dụng trong gia đình và công việc của các loại robot này là lau nhà, giải trí…

Robot lau nhà là đề tài quen thuộc với sự tiện lợi mà nó đem lại cho người nội trợ Chính vì vậy trong tương lai nó sẽ nắm vững thị trường lớn Với nhu cầu xã hội ngày càng cao thử thách các nhà sản xuất robot phải đáp ứng yêu cầu đặt ra nhưng giá thành vừa phải

Đối với robot lau nhà vấn đề đặt ra là sự định hướng, việc định hướng cho robotlau nhà có thể dùng cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, công tắc hành trình hay

có thể lập trình theo những hành trình đã định trước Ngoài ra robot lau nhà còn có nhược điểm đó là không phát hiện được những vật sắc cạnh như chân ghế Hệ thống quạt hút sẽ tăng tốc nếu gặp lớp bụi dày chắn ngang màng hút bụi hay thùng chứa bụi

bị đầy

2.1.2 Yêu cầu robot lau nhà phải thực hiện:

- Robot hoạt động ở hai chế độ: Tự hành tránh vật cản và điều khiển từ xa

- Robot lau được một số không gian nhất định trong phòng

- Lau tương đối khô trên sàn nhà Hút sạch bụi trong nhà

- Hạn chế lặp lại những nơi đã lau xong

- Sau khi lau trong khoảng thời gian thì phải biết tự động dừng lại

Trang 13

2.1.3 Yêu cầu lập trình cho robot lau nhà

- Hạn chế gặp vạt cản trong quá trình di chuyển

- Tránh được các vật cản trong khi di chuyển

- Hạn chế bỏ sót các khoảng trống trong nhà

2.2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.2.1 Phương án 1: Cơ cấu di chuyển với 2 bánh xe

Hình 2.1 Cơ cấu di chuyển 2 bánh xe

Phương án này ta thấy điều khiển sự di chuyển dể dàng, nhất là điều khiển tốc

độ thấp Tuy nhiên khó sử dụng được vì khó cân bằng

2.2.2 Phương án 2: Cơ cấu di chuyển với 3 bánh xe

Hình 2.2 Cơ cấu di chuyển bằng 3 bánh xe

Trang 14

Kết cấu đơn giản nhất, robot được dẫn động bằng hai động cơ gắn ở hai bánh xesau Hai bánh này vừa giúp xe chuyển động vừa giúp rẽ hướng Cách di chuyển này dễđiều khiển.

2.2.3 Phương án 3: Cơ cấu có 4 bánh xe

Hình 2.3 Cơ cấu 4 bánh xe

Cả 4 bánh được cố định trong khi lái, do đó rất kém linh hoạt khi diều khiển hướng di chuyển Người ta có thể cải tiến độ linh hoạt trong chuyển động của chúng bằng cách cho các bánh xe sau hoặc trước có thể điều khiển hướng của xe

Hình 2.4 Cơ cấu trục nhún.

Trang 15

Trong các thiết kế ở trên, ta thấy robot được dẫn động bằng hai động cơ gắn ở hai bánh xe Hai bánh này vừa giúp robot đi thẳng, vừa giúp robot có thể rẽ sang hướng khác Cách di chuyển này tương đối đơn giản, dễ điều khiển Ta thấy các robot trên chạy dọc theo tường hoặc dọc theo đường xoắn ốc và sẽ chạy tự do khi gặp vật cản Như vậy các robot này sẽ không quét hết được diện tích phòng, có nơi sẽ quét nhiều lần có nơi sẽ không được quét.

Qua phân tích các cơ cấu ở trên, chọn cơ cấu di chuyển gồm 3 bánh xe Tuy nhiên, để dễ dàng cho việc chế tạo và lắp ráp, ta chọn kiểu bố trí trục nhún như hình vẽ

Hình 2.5 Hình chiếu bằng mô hình robot lau nhà

Robot gồm 2 bánh dẫn hướng ở phía trước Phía sau gồm 2 bánh xe được nối với nhau qua 1 ống( điều này giúp ta khỏi phải lắp ráp đồng tâm 2 động cơ sau) Vẫn đảm bảo robot tiếp xúc sàn nhà qua 3 điểm và vẫn có thể chuyển hướng nhờ 2 bánh sau

Trang 17

2.3 CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUNG

2.3.1 Robot chỉ hút những hạt bụi nhỏ:

Bụi là tên chung cho các hạt chất rắn có đường kính nhỏ cỡ vài micromets đến nửa milimets Các hạt to hơn có thể gọi là cát hoặc sỏi Khi phân tán mạnh trong không khí hay các chất khí nói chung, hỗn hợp khí và bụi có thể được gọi là aerosol rắn

Bụi có nhiều tính chất vật lý khác so vơi khi chúng ở trạng thái chất rắn hay chất lỏng vĩ mô

Bụi trong nhà gồm bụi trong khí quyển trộn với bụi sinh ra do ma sát của các đồvật trong nhà, chủ yếu từ da người, sợi vải trên quần áo, chăn…

Một số côn trung nhỏ trong nhà ăn các thành phần hữu cơ của bụi này Các chấtthải của chúng cũng trở thành bụi và có thể gây dị ứng cho người

Theo kích thước hạt bụi có thể chia làm các loại:

1 Bụi lắng : có kích thước từ 10m trở lên

2 Bụi bay : có kích thước từ 0,001m đến 10m trở lên

Xác định loại bụi hút: bụi lắng:

Sơ đồ hệ thống hút bụi:

2.3.2 Phương pháp khống chế bụi:

Dùng các loại chổi khác nhau ứng với từng chức năng của chúng:

 Chổi quét dùng thu gom các bụi lớn Phương pháp này có thể không hiệu quả cho các bụi nhỏ và cuốn bụi nhỏ lên không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe

 Chổi lau sử dụng độ ẩm, thu dọn hiệu quả nhiều bụi trong nhà

 Máy hút bụi, thu hút hiệu quả nhiều bụi

Chổiquét

Bộ phận tạo chân không

Trang 18

2.3.3 Vật liệu làm khung:

Chọn nhôm là khung máy do nhôm có các tính chất sau:

 Nhôm là nguyên tố có tinh thể lập phương tâm mặt, có màu sáng bạc

 Khối lượng riêng nhỏ (2.7g/cm3), chỉ bằng 1/3 thép Do vậy làm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết, được sử dụng rộng rãi trong hàng không, vận tải…

 Có tính chống ăn mòn nhất định trong lớp khí quyển: Do luôn có lớp màng oxit Al2O3 sít chặt trên bề mặt có tính bảo vệ cao

 Có tính dẫn điện cao: Tính dẫn kém hơn vàng, bạc, đồng Độ dẫn điện bằng 62% Cu nhưng khối lượng chưa đến 1/3 đồng thì khi trong cùng điều kiện làm việc dây nhôm nhẹ bằng một nữa dây đồng và bị nung nóng ít hơn

 Tính dẻo rất cao: Rất dễ biến dạng dẻo khi kéo sợi, dây, dát thành tấm, lá, màng, ép thành các thanh dài có biên dạng phức tạp

 Nhiệt độ nóng chảy thấp( 6570C)

 Độ bền độ cứng thấp

 Cơ tính điện của nhôm:

Ứng suất phá hủy  b 140 620 MPa

Khối lượng riêngP = 2700 Kg/m3

Mô đun riêng EP = 25.9 MNm/kg

Độ bền riêng  b 52 230 kMN kg/

2.3.4 Bộ phận tạo chân không:

a Tạo chân không bằng quạt hút:

Hình 2.9 Quạt hút tạo chân không

Trang 19

b Tạo chân không bằng động cơ khí nén.

Hình 2.10 Động cơ khí nén tạo chân không

2.3.5 Bộ phận lọc bụi: Có các giải pháp lọc bụi

a Buồng lắng bụi:

Hình 2.11 Buồng lắng bụi

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản

Nhược điểm: Cồng kềnh

Trang 20

b Dùng lưới lọc bằng vải:

Hình 2.12 Buồng lắng bụi dùng lưới lọc

1- Lưới vải 2- Buồng chứa 3- Bụi lắng

Ưu điểm: Đơn giản, dễ chế tạo

Nhược điểm: Phải làm sạch lưới lọc thường xuyên vì sau một khoảng thời gian sử dụng, bụi đọng trên mặt vải làm tăng sức cản thủy lực và làm giảm năng suất lọc

Không khí

có bui vào

Không khí ra

Trang 21

Khả năng lọc bụi phụ thuộc vào trọng lượng hạt bụi, vận tốc chuyển động xoáy, bán kính xoáy của dòng không khí.

Ưu điểm: Khả năng lọc bụi cao vì bụi bị giữ lại trong nước

Nhược điểm: Thiết bị phức tạp, sức cản thủy lực cao

vào

Trang 22

Kết luận: Qua phân tích các phương án trên nên chúng em quyết định chọn phương

án hút bụi bằng cánh quạt và lọc bụi dùng lưới lọc bằng vải, vì kết cấu đơn giản, nhỏ gọn phù hợp với các robot tự hành

2.4 CÁC PHƯƠNG ÁN DI CHUYỂN:

2.4.1 Di chuyển theo vòng xoắn Archimet:

Với chế độ di chuyển ban đầu này robot được đặt giữa phòng và robot sẽ di chuyển theo quỹ đạo mở rộng dần bán kính vòng xoắn cho đến khi nào robot phát hiện ra vách phòng thì sẽ chuyển sang chế độ đi theo đường thẳng dọc theo vách phòng Chế độ di chuyển này được cụ thể như hình sau:

Trang 23

Bắt đầu

Vật cản

ĐC dẫn động trái

Chuyển sang tráiDelay

Hết vật cản

Delay t2

Không

Có

SaiĐúng

ĐúngSai

Hình 2.18 Sơ đồ thuật toán di chuyển theo vòng xoắn Acsimet

2.4.2 Di chuyển theo đường thẳng:

Khi chọn chế độ di chuyển này, ban đầu robot được đặt ở bốn góc phòngvaf robot di chuyển theo hướng các vách phòng Quỹ đạo di chuyển của robot sau một vòng sẽ tự dịch chuyển đi một khoảng ∆ bằng kích thước ngang của robot Chế độ dịchchuyển này được mô tả như hình sau:

Trang 24

b1 b2

Hình 2.19 Di chuyển theo đường thẳng

b1, b2 : Đặt robot ở góc phải phòng khi có và không có vật cản

b3, b4: Đặt robot ở góc trái phòng khi có và không có vật cản

Thuật toán của robot khi di chuyển theo đường thẳng trong phòng và tránh vật cản như sau:

Trang 25

Chạy thẳng

Chạy thẳngChuyển hướng

Vật cản

Đụng vách lần 1, xác định d

Đụng vách lần 2, xác định r

Chạy thẳngChuyển hướng

Đụng vách lần 3

Chuyển hướng

Chạy thẳng

Chạy thẳng đến vị trí r -i∆

Chuyển hướngChạy thẳng đến vị trí d-i∆Chuyển hướngChạy thẳng đến vị trí r-(i+1)∆

Chuyển hướngChạy thẳng đến vị trí d-(i+1)∆

Trang 26

2.4.3 Di chuyển khi trong nhà có vật cản:

a Trong nhà có cột nhà:

Trong quá trình di chuyển, các cột nhà sẽ gây cản trở cho robot Cụ thể chúng

sẽ làm thay đổi quỹ đạo di chuyển của robot tạo thành các khoảng trống trên sàn nhà Theo hình, ta có A vị trí cột nhà, số 2 chỉ khoảng trống trên sàn nhà mà robot sẽ bỏ qua khi di chuyển

Khi di chuyển lần đầu tiên, robot sẽ chạy dọc theo biên dạng các vách tường, ghi nhớ lại quỹ đạo di chuyển này Ở các lần di chuyển tiếp theo, robot sẽ di chuyển theo quỹ đạo vừa thực hiện lần đầu tiên nhưng có dịch chuyển một khoảng nhất định là

Trên hình, ta thấy các vị trí A, B, C, D, E là các vật cản Phía sau các vật cản A,

B, D, E là các khoảng trống (phần được tô đen trong hình vẽ) Khi robot di chuyển theo phương pháp này, robot sẽ không đi qua các phần không gian bị che khuất

Giả thuật điều khiển quỹ đạo di chuyển của robot lau nhà trong phòng có nhiều vật cản bao gồm các bước sau:

1 Đặt robot di chuyển dựa vào vách tường trong phòng cho đến khi phát hiện vách phòng đối diện, hoặc các vật cản

Trang 27

2 Robot chuyển hướng xoay 900.

3 Robot di chuyển theo quỹ đạo lần di chuyển đầu tiên ( có thể quay phải hoặc trái tùy theo người lập trình) cho đến khi phát hiện vách đối diện

4 Lặp lại bước 2 và 3 cho đến khi robot không còn xoay được nữa (dựa vào tín hiệu cảm biến hoặc dịch chuyển vượt quá ngưỡng quy định)

Phương pháp này giúp robot hoạt động trong phòng có hình dạng bất kỳ

B

A

C E

D

Hình 2.22 Sơ đồ di chuyển khi có nhiều vật cản

2.5 SƠ LƯỢC HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT:

a1 Chổi xới xới bụi, giúp đưa bụi vào bộ phận hút bụi

a2 Bộ phận hút bụi hoạt động, hút bụi vào thùng rác

a3 Chổi quét quay lau nhà

a4 Chổi hút lau lại nhà một lần nữa và hút nước dơ

a5 Bộ phận vắt hoạt động, vắt nước dơ

a6 Bộ phận phun xà phòng

Qui trình hoạt động của robot:

Bước 1: Đổ nước sạch và xà phòng vào hộp chứa nước

Bước 2: Ấn nút khuấy xà phòng bằng động cơ bơm phun nước

Bước 3: Bật công tắc hoạt động, chọn chế độ và chương trình bằng điều khiển từ xa

Khởi động hoặc có thể chọn hẹn giờ hoạt động cho robot

Bước 4: Chổi xới quay tròn, bụi được đưa vào cửa buồng hút Động cơ hút bụi quay tạo áp suất chân không trong buồng hút nên bui bị hút vào buồng chứa rác ( Thùng rác

có cửa trong suốt nên có thể xem được mức rác trong thùng)

Bước 5: Nước xà phòng được bơm vào ống phun nước theo chu kỳ 5 giây

Bước 6: Chổi quét quay tròn liên tục lau sạch vết bẩn trên sàn nhà

Trang 28

Bước 7: Chổi hút hút nước dơ Sau một quá trình thì chổi hút được vắt khô nước bằng động cơ kẹp tự động.

Bước 8: Nước dơ được đưa vào bình chứa nước dơ Khi bình chứa nước dơ đầy thì quátrình vắt tự động dừng và còi sẽ báo đầy nước Có thể thực hiện việc tháo nước dơ bằng điều khiển từ xa hay bằng tay

Bước 9: Robot sẽ tiếp tục di chuyển theo các chương trình khác nhau, tự động hoặc điều khiển từ xa Robot sẽ tự động dừng khi hoàn thành công việc và sẽ có còi báo hiệu

Bước 10: Nếu tiếp tục lau thì ta tiến hành thay chổi , thêm nước, chọn lại chế độ

Tùy theo yêu cầu mà ta có thể lập trình cho robot hút bụi trước rồi lau nhà sau hoặc đồng thời thực hiện hút bụi và lau nhà

2.6 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT:

Chuyển động của robot chỉ giới hạn trong mặt phẳng Xét một đường cong trơn cho trước bất kỳ trong mặt phẳng Oxy là quỹ đạo mà robor di chuyển ( xem đường cong là tập hợp những đường thẳng nối tiếp) Như vậy, khi robot di chuyển từ điểm Mi(xi, yi) đến điểm Mi+1 (xi+1, yi+1) thuộc đường cong thực chất là thực hiện hai chuyển động tịnh tiến và quay Việc dẫn động robot di chuyển từ điểm Mi (xi, yi) đến điểm Mi+1 (xi+1, yi+1) có thể thực hiện theo 3 phương thức:

2.6.1 Thực hiện phép tịnh tiến trước sau đó quay:

Hình 2.23 Sơ đồ chuyển động theo phương thức 1

Trang 29

Theo phương thức này, đầu tiên robot sẽ di chuyển một đoạn 2 2

Hình 2.24 Sơ đò mô hình chuyển động theo phương thức 2

Theo phương thức này, robot sẽ thực hiện chuyển động song phẳng Kết quả quỹ đạo chuyển động của robot di chuyển từ Mi đến điển Mi+1 là một cung tròn Si Tại Mi+1 góc hợp bởi vi và trục Ox ≠ ψi+1

Trang 30

2.6.3 Thực hiện phép quay rồi tịnh tiến:

Ta có :

xi+1 = di+1cosψi+1

= di+1cosψi + ∆ψi

= di+1cosψ.cos ψi - di+1sin∆ψ.sin ψi

= (di+ ∆d)cos∆ψ.cosψi - (di+ ∆d) sin∆ψ.sin ψi

= di cos∆ψ.cosψi- di sin∆ψ.sin ψi+∆d cos∆ψ.cosψi - ∆d sin∆ψ.sin ψi

= xicos∆ψ - yi sin∆ψ + ∆dcos(∆ψ+ ψi)

= xicos∆ψ - yi sin∆ψ+∆x

Tương tự:

y+1 = di+1 cos(∆ψ+ ψi)

= yisin∆ψ - xicos∆ψ + ∆y

Trang 31

1

os sinsin os

DC cần có nguồn điện một chiều kèm theo bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một chiều

Do động cơ DC có chổi than ( brushed DC motor) giá thành rẻ, dễ điều khiển

và có nhiều kích cỡ khác nhau nên chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng

Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có hình trụ gắn vàotrục rôto Chổi than làm bằng than graphit Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy

Trang 32

Hình 2.27 Nguyên lý động cơ DC có chổi than

4- Phần ứng 5- Cuộn dây

Khi cho điện áp một chiều đi vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng dòng điện, các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho rôto quay Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chổ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

b Đặc tính điện:

Nói chung , đặc tính điện tương đương của động cơ gồm 3 phần : EMF

(electron motion force), L và RM

M/G

E M F L

RM

Hình 2.28 Mạch điện tương đương của động cơ DC

Thành phần EMF là sức điện động cảm ứng của động cơ bởi vì thế có thể xem như một máy phát Giá trị EMF tỉ lệ với tốc độ động cơ và cực tính của nó cho biết chiều quay của động cơ mà không phụ thuộc vào áp cấp

4

Trang 33

Độ tự cảm cuộn dây L là kết quả không tránh khỏi do kết cấu phần cứng của động cơ Vì độ tự cảm gây cản trở cho quá trình đảo ngược dòng qua cuộn ứng, đối với sự mất mát momen trong khi tăng tốc độ, độ tự cảm được coi như là thành phần gây nhiễu cho động cơ Nó cũng cản trở không cho điện thế động cơ động cơ đạt nhanh đến điện thế EMF Tuy nhiên, mặt tích cực của độ tự cảm là nó dùng để giữ dòng điện trong các hệ thống điều khiển theo phương pháp điều xung (PWM).

Điện trở cuộn dây RM thuần túy là thành phần nhiễu bởi vì mất mát hiệu suất tăng, khi tải trọng tăng tỷ lệ với dòng điện qua động cơ Cũng chính điện trở này làm cho vận tốc động cơ giảm khi tải tăng trong khi hiệu điện thế hai đầu động cơ không đổi

Một số quan hệ toán học đơn giản hóa như sau:

EMF = VS – (IM.RM)Hay Eư = U – Iư Rư

Dòng qua động cơ: u u

u

U E I

Momen trục động cơ tỉ lệ với dòng IM qua động cơ Hình vẽ dưới đây tỉ lệ chỉ

ra mối quan hệ giữa các thông số sử dụng động cơ Do hiện tượng mòn và ma sát chổi than nên hiệu suất có xu hướng về 0 khi tải nhỏ

Từ trên ta thấy hai thông số về điện có thể ảnh hưởng tới tác động trên trục động cơ:

RPM

Momen

IM

Vận tốc Hiệu suất

Hình 2.29 Đồ thị quan hệ giữa các đại lượng

Trang 34

- Dòng điện qua động cơ thay đổi mômen.

- Suất điện động EMF ảnh hưởng lên tốc độ động cơ

c Hoạt động của động cơ:

Để động cơ DC hoạt động, ta cần đặt một điện áp vào động cơ và một dòng điện một chiều sẽ đi qua động cơ, động cơ sẽ tự động quay theo một chiều nào đó

I

Nếu đổi chiều điện áp một chiều động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại

Điện áp V và dòng điện I không vượt quá giá trị được ghi trên động cơ, nếu không động cơ sẽ bị hỏng Tuy nhiên nếu đặt điện áp thấp hơn V hoặc dòng điện thấp hơn I thì tốc đọ và độ chịu tải của động cơ sẽ giảm theo

2.7.2 Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ:

a Nguyên lý điều khiển động cơ theo phương pháp điều rộng xung:

Để điều khiển vận tốc của động cơ DC ta cần phải biến đổi điện thế nguồn cungcấp cho động cơ Tuy nhiên, trong thực tế trong các ứng dụng thường chỉ dùng nguồn

DC ổn định, do đó ta có thể sử dụng biến trở để thay đổi nguồn điện áp cố định và cấp cho động cơ, tuy nhiên, phương pháp này kém năng suất (tỏa nhiệt trên biến trở)

và khó ứng dụng (để dùng vi điều khiển) Một phương pháp phổ biến thường dùng để điều khiển vận tốc của động cơ là phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM-Pulse Width Modulation)

PWM là một trong nhiều phương pháp để mã hóa các thông tin tương tự dùng tín hiệu số Một tín hiệu PWM có dạng sóng với tần số cố định và độ rộng xung biến đổi Độ rộng xung trong PWM là tỷ lệ phần trăm (trên chu kỳ xung) thời gian tín hiệu

V DC

I

Trang 35

trạng thái tích cực- thường có nghĩa là trạng thái logic 1 Về bản chất, PWM mã hóa thông tin trong miền thời gian chứ không phải là miền điện áp như tín hiệu tương tự.

Mạch điều khiển môtơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa trên nguyên tắc cấp nguồn cho động cơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh Nguồn DC được chuyển đổi nhanh thành tín hiệu xung vuông ( chỉ gồm hai mức 0 volt và xấp xỉ 12 volt) Tín hiệu xung vuông này được cấp cho động cơ

Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn thì động cơ sẽ chạy với tốc độ đều đặn phụ thuộc vào momen của trục quay

Với phương pháp PWM, chúng ta điều chỉnh tốc độ của môtơ thông quavieecj điều chế độ rộng xung, tức là thời gian “đầy xung” (“on”) của chuỗi xung vuông cấp cho môtơ Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho môtơ và

do đó sẽ thay đổi tốc độ động cơ cần điều khiển

Ưu, nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ:

Ưu điểm:

- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó lọa

bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra

- Dãi điều khiển rộng hơn so với mạch điều khiển điều chỉnh tuyến tính

- Tốc độ mô tơ nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung

Trang 36

Hình 2.32 Tín hiệu điều chế độ rộng xung

Ta làm thí nghiệm như sau:

Cấp nguồn DC cho động cơ DC 12V, động cơ bắt đầu tăng tốc, tuy nhiên động

cơ không đáp ứng tức thì mà cần một khoảng thời gian để đạt vận tốc cực đại Nếu ta tắt nguồn động cơ trước khi nó đạt vận tốc lớn nhất, nó sẽ quay chậm lại Nếu ta liên tục tắt, bật nguồn với tần số đủ lớn, động cơ sẽ quay với vận tốc đó nằm giữa 0 và Vmax

50 100

150

200

250

5 10 15 20

Hình 2.33 Quan hệ giữa xung điện áp và tốc độ

Hình vẽ trên cho thấy đáp ứng của vận tốc động cơ khi ta đóng ngắt công tắc Hình ảnh này mô tả chính xác những gì mà bộ điều khiển PWM làm: đóng/ngắt động

cơ bằng một chuỗi xung Để điều khiển vận tốc của động cơ, ta có thể thay đổi (Điều chế) độ rộng xung

Trang 37

Xem giản đồ xung ở hình vẽ trên Nếu một đầu động cơ nối với nguồn dương, đầu còn lại nối với nguồn âm qua công tắc (MOSFET, transistor công suất hay tương tự) Như giản đồ xung A, công tắc bật (động cơ được cấp nguồn) trong khoảng thời giangắn, vì vậy động cơ quay chậm Trong giản đồ B, công tắc bật trong khoảng 50% và tắt trong 50% thời gian Còn ở giản đồ C, công tắc được bật lâu hơn nhiều so với tắt,

do vậy động cơ quay gần với vận tốc cực đại

Hình 2.35 Mạch dóng ngắt dòng qua động cơ dùng MOSFET

Trang 38

Vấn đề cần quan tâm là tần số đóng/ngắt của công tắc phải là bao nhiêu Để tínhchính xác tần số này ta phải khảo sát đặc tính (điện trở và điện cảm) của động cơ thí nghiệm và thực hiện tính toán Tuy nhiên, việc đo điện cảm L của động cơ là phức tạp nên thực tế ta dùng tần số trong khoảng (5-50)kHz đối với động cơ có chổi than và tần

số từ (20-160)kHz đối với động cơ không có chổi than

b Phương pháp tạo xung PWM:

Điện

áp DC

Hình 2.36 Giản đồ nguyên lý tạo xung PWM

Trang 39

Nguyên lý được mô tả như hình vẽ:

Xung tam giác được đưa vào OpAmp để so sánh với ngưỡng điện áp DC khi điện

áp của xung tam giác lớn hơn điện áp ngưỡng DC thì ngõ ra PvWM được kích lên cao,ngược lại thì PWM xuống thấp Bằng cách thay đổi điện áp DC ngưỡng ta thu được độrộng của xung PWM khác nhau Tần số của xung PWM bằng tần số của xung tam giácđầu vào Tín hiệu xung tam giác có thể được thực hiện bằng các mạch analog hay digital đơn giản Dưới đây là một mạch digital tạo tín hiệu xung tam giác Mạch trên

sử dụng bộ đếm counter (74HC163) và mạch cổng đảo để tạo xung tam giác (Thực tế

là xung răng cưa) Cổng đảo Schmit 74HC14 ở đây đóng vai trò như bộ dao động với tần số bằng:

OS

1 2

Trang 40

M

K Tín hiệu điều khiển

Hình 2.39 Nguyên lý điều khiển dòng qua động cơ

Hình 2.38 Mạch điều khiển động cơ

c Phương pháp đóng ngắt dòng qua động cơ:

Chọn lựa các phương pháp:

Để có thể điều khiển động cơ theo phương pháp PWM, ta cần liên tục