Nghiên cứu chế tạo robot hút bụi tự động

Nhiệm vụ của đề tài này là khảo sát tính năng của các robot hút bụi trên thị trường, từ đó hoàn thiện và cùng với tài liệu dễ dàng tìm được.Vì vậy giá thành cho sản phẩm cuối cùng được g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Nam

Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo Robot hút bụi tự động

Số trang:…83… Số chương:04

Hiện vật: 01 quyển báo cáo, 01 đĩa VCD, 01 robot hút bụi, 01 bộ điều khiển

NHẬN XÉT:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Kếtluận………

………

………

………

………

Nha Trang, ngày… tháng… năm 2013 Cán bộ hướng dẫn:

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh : NGUYỄN NGỌC NAM

Lớp : 51CKCD

Chuyên ngành : Công nghệ cơ điện tử

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo Robot hút bụi

Số trang: 89 Số chương :04

Hiện vật: 01 quyển báo cáo, 01 đĩa VCD, 01 robot tự hành, 01 bộ điều khiển

NHẬN XÉTCỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận

Nha Trang, ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

( Ký ghi rõ họ tên )

Nha Trang, ngày tháng năm 2013

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

( Ký ghi rõ họ tên )

Điểm phản biện

Bằng số Bằng chữ

Điểm chung

Bằng số Bằng chữ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH v

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI 2

1.1.Đặt vấn đề 3

1.2.Giới thiệu một số robot hút bụi hiện nay .3

1.2.1 Robot Roomba 3

1.2.2.Robot LG Hombot 6

1.3 Phạm vi đề tài 10

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNGNGHIÊN CỨU 11

2.1 Phương pháp nghiên cứu 12

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về Robot tự hành 12

2.1.2 Kế thừa sản phẩm có sẵn trên thi trường 14

2.1.3 Thực nghiệm 14

2.1.4 Các bước tiến hành 14

2.2 Yêu Cầu Kĩ Thuật Robot hút bụi 14

2.3 Thiết kế phương án cơ khí của Robot hút bụi 15

2.3.1 Phương án 1 15

2.3.2 Phương án 2 16

2.3.3 Phương án 3 17

2.4 Chế tạo phần cơ khí 18

2.4.1 Chế tạo thân robot 18

2.4.2 Chế tạo chổi quét 20

2.4.3 Chế tạo hệ thống hút bụi 21

2.4.4 Chế tạo hộp đựng bụi 24

2.4.5 Động cơ 25

2.4.6 Chế tạo bánh tự lựa 26

2.5 Thiết kế các board mạch điều khiển 28

2.5.1 Vi điều khiển AVR 28

2.5.2 Thiết kế board mạch điều khiển 38

2.5.2.1 Mạch vi điều khiển 38

2.5.2.2 Mạch công suất và đảo chiều động cơ 39

2.5.2.2.1 Linh kiện IRF540 40

2.5.2.2.2 Relay 12V DPDT 41

2.5.2.3 Mạch công suất động cơ chổi và hút bụi 42

2.5.2.4 Bộ điều khiển Remote 43

2.5.2.4.1 Tìm hiểu về hồng ngoại 43

2.5.2.4.2 Thuật toán thu tín hiệu Remote Sony 47

2.5.2.4.3 Mắt thu hồng ngoại 47

2.5.2.4.4 Bộ điều khiển Remote 48

2.6.3.2 Lưu đồ giải thuật di chuyển Zigzag 53

2.6.3.3 Lưu đồ giải thuật di chuyển Spot 54

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 55

3.1 Thông số kỹ thuật Robot hút bụi 56

3.2 Kiểm tra trước khi hoạt động 56

3.3 Thử nghiệm khả năng di chuyển và tránh vật cản 58

3.4 Nhận Xét Kết Quả Thử Nghiệm 60

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Robot hút bụi Roomba 4

Hình 1.2 Kết cấu của Robot RoomBa 4

Hình 1.3 Quỹ đạo di chuyển của robot RoomBa 5

Hình1.4 Hệ thống chổi của RoomBa 5

Hình 1.5 RoomBa tự động sạc pin 6

Hình 1.6 Robot LG HomBot 6

Hình 1.7 Hình dáng và bố trí chổi quét góc tường 7

Hình 1.8 Kết cấu trên và bố trí cảm biến của Robot 7

Hình 1.9 Hombot tiếp xúc vật cản 8

Hình 1.10 Bố trí nguồn nuôi và chổi của Robot 8

Hình 1.11 Robot di chuyển kiểu Zigzag 9

Hình 1.2 Robot di chuyển phân ô 9

Hình 1.13 Robot di chuyển xoáy ốc 10

Hình 14 Robot LG Hombot sạc pin 10

Hình 2.1 Phương án thiết kế cơ khí 1 15

Hình 2.2 Phương án thiết kế cơ khí 2 16

Hình 2.3 Phương án thiết kế cơ khí 3 17

Hình 2.4 Thiết kế khung trên Solidwork 19

Hình 2.5 Hình cắt trên máy gia công CNC 19

Hình 2.6 Vật liệu mica 20

Hình 2.8 Chổi quét phụ 20

Hình 2.9 Chổi lớn 21

Hình 2.10 Nguyên lý của máy hút bụi 22

Hình 2.11 Bản vẽ 2D hệ thống hút bụi 22

Hình 2.12 Bản vẽ 2D của cánh quạt 23

Hình 2.13 Bản vẽ 3D hệ thống hút bụi theo thiết kế 23

Hình 2.14 Hệ thống hút bụi được chế tạo 24

Hình 2.15 Hộp bụi theo thiết kế 24

Hình 2.16 Hộp bụi được chế tạo 25

Hình 2.17 Động cơ của robot 25

Hình 2.18 Bánh tự lựa trên thị trường 26

Hình 2.19 Bánh tự lựa sau khi chế tạo 27

Hình 2.20 Bố trí công tắc hành trình 27

Hình 2.21 Cấu trúc bộ nhớ của AVR 29

Hình 2.22 Thanh ghi 8 bit 29

Hình 2.23 Register file 30

Hình 2.26 Thanh ghi DDRA 33

Hình 2.27 Thanh ghi PORTA 33

Hình 2.28 Thanh ghi PINA 33

Hình 2.29 Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 34

Hình 2.31 Thanh ghi TCNT0 36

Hình 2.32 Thanh ghi 0CR0 36

Hình 2.33 Thanh ghi mặt nạ ngắt 36

Hình 2.34 Thanh ghi cờ ngắt 36

Hình 2.35 Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 37

Hình 2.36 ATmega 16 38

Hình 2.37 Mạch Vi điều khiển 38

Hình 2.39 Mạch nguyên lý khối công suất và đảo chiều 39

Hình 2.40 Sơ đồ mạch in khối công suất và đảo chiều 40

Hình 2.41 Mô tả IRF 540 41

Hình 2.42 Mô tả nguyên lý Relay 41

Hình 2.43 Relay Ormon sử dụng 42

Hình 2.44 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chổi 42

Hình 2.45 Sơ đồ mạch in điều khiển chổi 43

Hình 2.46 Phát tín hiệu hồng ngoại 44

Hình 2.47 Thu tín hiệu hồng ngoại 44

Hình 2.48 Giản đồ xung của tín hiệu hồng ngoại 45

Hình 2.49 Giản đồ xung của hồng ngoại Remote Sony 46

Hình 2.50 Gói dữ liệu của Remote Control 46

Hình 2.51 Gói dữ liệu thu từ mắt thu hồng ngoại 47

Hình 2.52 Sơ đồ mắt thu hồng ngoại 48

Hình 2.53 Hình dạng mắt thu JS1838B 48

Hình 2.54 Hình dạng remote Trinitron 48

Hình 2.55 Sơ đồ giải thuật điều khiển robot 52

Hình 2.56 Sơ đồ giải thuật chế độ di chuyển Zigzag 53

Hình 2.57 Sơ đồ giải thuật chế độ di chuyển Spot 54

Hình 3.1 Kiểm tra nguồn acquy 56

Hình 3.2 Kiểm tra khối công suất 57

Hình 3.3 Kiểm tra remote 57

Hình 3.4 Kiểm tra LCD 58

Hình 3.5 Vị trí bắt đầu chạy của robot .58

Hình 3.6 Robot dừng và lùi 59

Hình 3.7 Robot rẽ hướng sang trái 59

Hình 3.8 Robot đi thẳng 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Cấu hình các chân của cổng 33

Bảng 2.2: Bảng chọn chế độ hoạt động của Timer 35

Bảng 2.3: Chế độ so sánh không PWM 35

Bảng 2.4 mã hóa dữ liệu remote 49

LỜI NÓI ĐẦU

Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG là một đề tài hay, một trong những ứng dụng của kỹ thuật cơ điện tử phục vụ đời sống của con người Không chỉ giới hạn trong lĩnh vực cuộc sống, ứng dụng của ngành còn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như sinh học, y tế, công nghiệp tự động hóa,…

Xu hướng hiện nay và cũng là hướng phát triển của ngành cơ điện tử tại Việt Nam là đưa ứng dụng vào phục vụ cuộc sống của con người Không chỉ giải quyết những việc cao siêu mà còn giải quyết những nhỏ nhặt nhưng cấp thiết của cuộc sống như vệ sinh nhà cửa, thời gian, tiền bạc,…

Nội dung để tài gồm 4 chương:

- Chương I : Tổng quan về robot hút bụi

- Chương II: Phương pháp và nội dung nghiên cứu

- Chương III: Thử nghiệm và đánh giá kết quả

- Chương IV: Kết luận và Hướng phát triển đề tài

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi đã được sự giúp đỡ của các bạn, các

thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí - ĐHNT, đặc biệt là: thầy Nguyễn

Nam đã nhiệt tình chỉ dẫn trông suốt quá trình thực hiện đề tài

Trong quá trình thực hiện không khỏi mắc phải những sai sót, mọi lời nhận xét góp ý hoặc bổ sung nhằm hoàn thiện đề tài của các thầy, các bạn là điều vô cùng quý giá đối với tôi

Tôi xin chân thành cám ơn!

Sinh viên

Nguyễn Ngọc Nam

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

VỀ ROBOT HÚT BỤI

1.1.Đặt vấn đề

Ngày nay cùng với cuộc sống hiện đại tiện nghi khái niệm robot đã không còn xa lạ với chúng ta Robot được sử dụng rộng rãi và phổ biến, không những xuất hiện trong sản xuất công nghiệp mà còn phục vụ trong gia đình, giải trí, gọi chung

là robot dịch vụ

Bên cạnh đó nhịp sống ngày càng gấp rút và hối hả hơn, chính vì vậy xuất hiện các robot phục vụ tự động trong gia đình trở nên cấp thiết hơn Sự xuất hiện của robot hút bụi tự động sẽ mang lại cho chúng ta cuộc sống thêm tiện nghi và hiện đại hơn

Đồng hành với đó ta cũng thấy ngày càng nhiều cải tiến, nâng cấp trong lĩnh vực vi điều khiển Các bộ vi điều khiển hiện có trên thị trường rất đa dạng, tốc độ

xử lý ngày một cao, tính năng hỗ trợ ngày càng mạnh mẽ Có thể đưa ra tiêu biểu như AVR, PIC, Psoc,…Đó là điều kiện thuận lợi để phát triển các hệ thống nhúng

đa dạng hơn, thông minh hơn

Trong xu thế cạnh tranh các hãng phát triển vi mạch cố gắng tăng mật độ tích hợp trên vi mạch ngày càng cao, hạ giá thành đến mức thấp nhất Người sử dụng có thể dễ dàng sỡ hữu một bộ vi điều khiển tốc độ cao giá rẽ, các công cụ phát triển

Nhiệm vụ của đề tài này là khảo sát tính năng của các robot hút bụi trên thị trường, từ đó hoàn thiện và cùng với tài liệu dễ dàng tìm được.Vì vậy giá thành cho sản phẩm cuối cùng được giảm.phát triển một robot có tính năng tương tự,dựa trên

vi điều khiển AVR

1.2.Giới thiệu một số robot hút bụi hiện nay

1.2.1 Robot Roomba

Robot Roomba của hãng iRobot là một robot hút bụi thông minh Không giống như các loại máy hút bụi thông thường Roomba thực hiện công việc hút bụi một cách hoàn toàn tự động theo chương trình đã được lập sẵn Roomba thích hợp cho các gia đình và văn phòng có nền gỗ, thảm, đá hoa

Hình 1.1 Robot hút bụi Roomba

Với kích thước nhỏ gọn robot có thể di chuyển hết các phòng,những nơi mà máy hút bụi thông thường khó vào được như gầm bàn, giường, sofa,…

Hình 1.2 Kết cấu của Robot RoomBa

Các chức năng nổi bật của Roomba là điều khiển từ xa bằng remote control

tự cảm nhận tránh vật cản, tự động sạc khi hết nguồn pin Roomba có khả năng di chuyển linh hoạt như di chuyển hình xoắn ốc, zigzag,…

Hình 1.3 Quỹ đạo di chuyển của robot RoomBa

Roomba được trang bị 3 chổi quét, trong đó chổi thứ nhất đặt phía trước có chức năng quét bụi ở góc tường Chổi thứ hai và chổi thứ ba có chiều quay ngược nhau đưa bụi cũng như rác vào hộp đựng bụi Hộp này không những đựng bụi mà lọc cả không khí

Hình1.4 Hệ thống chổi của RoomBa

Robot Roomba có khả năng báo hết pin và tự động tìm nơi sạc pin

Hình 1.5 RoomBa tự động sạc pin 1.2.2.Robot LG Hombot

Hombot là một robot hút bụi thông minh thế hệ mới do hãng LG nghiên cứu chế tạo

Hình 1.6 Robot LG HomBot

Không những vượt trội trong thiết kế mà đột phá về công nghệ trang bị cho

robot Hình dáng của robot là hình vuông được bo các góc tạo sự mượt mà cũng

như tăng diện tích làm sạch trong các góc tường

Hình 1.7 Hình dáng và bố trí chổi quét góc tường Hombot được trang bị hai chổi quét, cảm biến siêu âm, camera,…vì vậy nâng

cao hiệu quả làm việc cho robot

Hình 1.8 Kết cấu trên và bố trí cảm biến của Robot

Hệ thống cảm nhận vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm, cảm này giúp cho robot phát hiện vật cản hiệu quả, đo khoảng cách chuẩn xác Robot tiếp xúc với vật cản từ khoảng cách rất nhỏ với chỉ 5 mm

như : những nơi mà robot đã đi qua sẽ không lập lại, ưu tiên làm sạch ở những nơi bẩn hơn

Hình 1.11 Robot di chuyển kiểu Zigzag

Hình 1.2 Robot di chuyển phân ô

Hình 1.13 Robot di chuyển xoáy ốc

Robot LG Hombot xác định vị trí trong không gian, tự báo khi hết pin cũng như tự động tìm về chỗ sạc pin

Hình 14 Robot LG Hombot sạc pin 1.3 Phạm vi đề tài

Theo yêu cầu của quyết định thực hiện đề tài chỉ dừng lại công việc thiết kế

và chế tạo robot hút bụi tự động Bao gồm hai phần chính là cơ khí và điều khiển, trong đó phần thiết kế cơ khí nhằm mục đích đưa ra các phương án cơ khí, lựa chọn phương án tiến hành chế tạo sản phẩm thực tế Phần điều khiển có phần thiết kế các

bo mạch điều khiển và thiết kế giải thuật, chương trình điều khiển

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNGNGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Hiện nay, phổ biến có 3 phương pháp nghiên cứu cơ bản là lý thuyết, kế thừa

và thực nghiệm

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về Robot tự hành

Nguyên gốc của một từ Latinh là robota có nghĩa là người tạp dịch Như vậy mục đích ra đời của robot là thay thế con người làm những công việc nào đó Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động, robot là một hệ thống cơ khí – điện tử Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi

về vấn đề: “Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để gọi là một robot” Một cách gần chính xác, robot phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây :

• Không phải là tự nhiên, tức là do con người tạo ra

• Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

• Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

• Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường

và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã lập trình trước

• Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng

• Có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

• Có sự khéo léo trong vận động

Phân loại robot, có nhiều cách định nghĩa cũng như phân loại robot Sau đây là một số cách phân loại robot như sau :

Theo viện Robotics Hoa Kỳ thì có 4 loại robot như sau :

• Robot vận hành với sự điều khiển của con người

• Tự vận hành với chu trình được định trước

• Robot khả trình, điều khiển được với quỹ đạo lien tục

• Robot có khả năng tự thu nhận thông tin từ môi trường để đưa ra chuyển động thông minh

Theo Hiệp hội robot Nhật Bản :

• Robot vận hành với sự điều khiển của con người

• Robot vận hành với trình tự cố định

• Robot vận hành với trình tự được điều khiển đơn giản

• Playback robot, robot được lập trình sẵn nhiều cách chuyển động

• Robot điều khiển bằng số với các tác vụ được lập sẵn

• Robot thông minh : có thể tự hiểu được môi trường để hành động hoàn thành tác vụ

Các mô hình điều khiển robot :

• Mô hình kiểu phản xạ

Mô hình này không có khối điều khiển Thông tin từ khối cảm nhận được đưa ra thẳng tới khối chấp hành, từ đó cơ cấu chấp hành hoạt động Mô hình này có

ưu điểm là tốc độ đáp ứng nhanh

• Mô hình “sensor – plan - action”

Mô hình này có bộ điều khiển, thông tin của môi trường được cảm nhận và được truyền tới bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ phân tích và từ đó đưa ra thông tin điều khiển tới bộ chấp hành Mô hình này có tốc độ đáp ứng chậm

• Mô hình kiểu lai

Mô hình này là mô hình kết hợp giữa 2 kiểu mô hình trên Mô hình lai bao gồm nhiều cặp “cảm nhận – chấp hành” hoạt động như mô hình phản xạ, tốc độ đáp ứng khá nhanh Bên cạnh đó có một khối điều khiển lập kế hoạch cho toàn bộ tác vụ của robot

Cảm nhận Chấp hành

Cảm nhận Kế hoạch Chấp hành

Kế hoạch Cảm nhận Chấp hành

2.1.2 Kế thừa sản phẩm có sẵn trên thi trường

Đồ án tham khảo một số sản phẩm robot hút bụi tự động có trên thị trường hiện nay như LG, iRobot, Samsung, Toshiba, …Tìm hiểu các chức năng của các sản phẩm đó, từ đó đưa ra những chức năng cơ bản của robot hút bụi tự động

Ngoài ra, học hỏi kiểu dáng thiết kế đặc sắc của các sản phẩm đấy, để lựa chọn cũng như sàn lọc các mẫu thiết kế đẹp và hiệu quả Từ những tìm hiểu trên xây dựng nên các phương án thiết kế, có những phương án đó rồi tiến hành phân tích ưu điểm cũng như nhược điểm để lựa chọn thi công sản phẩm

Đây là bước quan trọng để định hình cơ bản các phương án thiết kế và lựa chọn phương án thi công

2.1.3 Thực nghiệm

Từ những kết quả của thực nghiệm để hoàn thiện sản phẩm sau cùng Kết quả của thực nghiệm phản ánh chất lượng của sản phẩm, đút kết những kinh nghiệm quý báu để hoàn thiện sản phẩm Ở phần này sản phẩm được tiến hành thử nghiệm với các quy trình khắc khe, nhiều yêu cầu kỹ thuật khác nhau Để đảm bảo sản phẩm hoạt động tốt ở điều kiện ban đầu thiết kế

2.1.4 Các bước tiến hành

1 Tham khảo sản phẩm robot hút bụi có trên thị trường

2 Xây dựng các phương án thiết kế

3 Phân tích và chọn phương án thiết kế

4 Thi công phương án lựa chọn

5 Thử nghiệm sản phẩm

6 Kết luận và hướng phát triển

2.2 Yêu Cầu Kĩ Thuật Robot hút bụi

Robot hút bụi chỉ có nhiệm vụ di chuyển hút bụi và tránh vật cản phía trước Phần cơ khí của robot hút bụi cứng vững để mang được pin, mạch điều khiển, cảm biến,…

Tốc độ di chuyển không quá nhỏ cũng không lớn quá, không gây khó khăn cho việc điều khiển

Cơ cấu cơ khí nhỏ gọn, giúp cho robot di chuyển linh hoạt

Kiểu dáng, màu sắc đẹp

2.3 Thiết kế phương án cơ khí của Robot hút bụi

Công việc thiết kế cơ khí của robot hút bụi bao gồm 2 phần như sau:

• Xây dựng bản vẽ, công việc này được thực hiện trên phần mềm vẽ đồ họa SolidWork 2005

• Sau khi có được bản vẽ thiết kế 3D của robot bụi, tiến hành phân tích lựa chọn phương án thiết kế Tiếp theo, thi công phương án được chọn

2.3.1 Phương án 1

Hình 2.1 Phương án thiết kế cơ khí 1

Phương án 1 là mô hình robot tự hành 3 bánh, trong đó 2 bánh sau được gắn liền trục với 2 động cơ điện DC 12V, bánh tự lựa được đặt ở phía trước có tác dụng điều hướng Mô hình có hình tròn có kích thước (đường kính x chiều cao) là 300 x

110 (mm) Robot được trang bị LCD và nút nhấn để giao tiếp, ngoài ra sử dụng công tắc hành trình và loxo giúp robot tiếp xúc vật cản khi hoạt động Trang bị một chổi lớn có tác dụng khuấy bụi giúp robot hút bụi tốt hơn Phương án này sử dụng một nguồn duy nhất từ acquy 12V

Ưu điểm của phương án này là :

• Kiểu dáng thiết kế nhỏ gọn

• Khả năng di chuyển linh hoạt

• Đảm bảo một số tiêu chí của yêu cầu kỹ thuật

Hình 2.2 Phương án thiết kế cơ khí 2

Phương án thứ 2 là robot tự hành 3 bánh, nó cũng sử dụng một bánh điều hướng, 2 bánh phía sau được gắn liền trục với động cơ, khác với phương án 1, thiết

kế tổng thể là khối hình vuông được bo tròn bốn góc có kích thước (cạnh x chiều cao) là 305 x 110 (mm) Các công tắc hành trình được đặt duy nhất ở phía trước

Mô hình cũng có khoảng trống phía trong để mạch điều khiển và pin, trang bị LCD, nút nhấn để giao tiếp Robot được trang bị hệ thống gồm 3 chổi Trong đó, hai chổi

phía trước có chức năng phụ trợ giúp gom bụi hai bên vào, quét các góc tường Chổi lớn có tác dụng khuấy bụi giúp robot hút bụi tốt hơn

Ưu điểm của phương án 2 là :

• Diện tích không gian bên trong robot rộng

• Hiệu quả làm việc được cải thiện

Hình 2.3 Phương án thiết kế cơ khí 3

Phương án 3 được thiết kế dựa trên hình vuông có kích thước chiều dài là

300 (mm) và được bo tròn bốn góc Robot có 2 bánh chủ động và 1 bánh dẫn hướng được đặt phía trước Ở phương án này có bố trí hệ thống gồm 3 chổi quét, trong đó

2 chổi nhỏ đặt hai bên góc trước của robot giúp quét bụi ở góc tường nên tăng diện tích làm việc của robot Bên cạnh đó, chổi lớn được thiết kế đặt trung tâm chếch về phía trước có chức năng khuấy bụi và quét các mảnh vụn có kích thước nhỏ Hộp bụi được thiết kế bố trí hợp lý, có màn hình LCD và các nút nhấn để giao tiếp Ở phương án này dùng các công tắc hành trình đặt phía trước để giúp robot cảm nhận

vật cản và dùng các loxo để giảm sốc cho robot khi va chạm với vật cản Các công tắc hành trình được bảo vệ bởi 2 vành ngoài được thiết kế dựa theo hình dạng của thân robot

Tổng thể robot có kích thước là : 320 x 320 x 65 (mm)

Ưu điểm :

• Robot có kích thước nhỏ gọn giúp di chuyển linh hoạt

• Bo lớn các góc nâng cao hiệu quả làm việc

• Diện tích không gian bên trong robot khá rộng

• Kiểu dáng và màu sắc đẹp

• Các phần cấu thành nên robot được bố trí hợp lý

Tuy vậy, tồn tại một số nhược điểm như dung tích hộp bụi còn nhỏ Sử dụng công tắc hành trình chưa được hay lắm

2.3.4 Lựa chọn phương án

Từ những phân tích ưu việt trong 3 phương án thiết kế, cũng như dựa trên yêu cầu kỹ thuật được đưa ra trước đó Phương án 3 là phương án có nhiều ưu điểm hơn 2 phương án còn lại, phương án 3 được đánh giá cao không chỉ ở thiết kế nhỏ gọn mà còn thẩm mĩ cao Vì vậy, phương án 3 được lựa chọn để chế tạo thành sản phẩm thực tế

2.4 Chế tạo phần cơ khí

2.4.1 Chế tạo thân robot

Thiết kế phần thân được tiến hành trên phần mềm vẽ 3D Solidwork Ta có

hình dạng tổng thể của phần khung cũng như kích thước tổng quát của khung robot

Khung robot có nhiệm vụ là nâng để cả robot, mặt khác là hình dạng bên ngoài của robot Theo yêu cầu kỹ thuật của phương án thiết kế thì có kích thước như sau : 320x320x65(mm), bo tròn 4 góc với kích thước bán kính là 45 (mm)

Khung robot có yêu cầu về tính thẩm mĩ vì là hình dạng bên ngoài của robot

Vì vậy mà trong quá trình thi công phần khung phải đảm bảo đúng như thiết

kế đề ra về kích thước, kiểu dáng Tránh những lỗi trên là thi công phương án thành công

Hình 2.4 Thiết kế khung trên Solidwork

Sau khi đã hoàn chỉnh bản vẽ 3D ta tiến hành chuyển bản vẽ sang 2D bằng các phần mềm như Cad, Solid,…Ở đây chọn phần mềm Corel Draw để vẽ 2D phần khung, được gia công trên máy cắt CNC

Hình 2.5 Hình cắt trên máy gia công CNC

Vật liệu khung robot phải đảm bảo kỹ thuật như độ cứng vững, bền và nhẹ Qua nhiều lần khảo sát các vật liệu có trên thị trường chọn được vật liệu mica là thích hợp nhất

Hình 2.6 Vật liệu mica

Phần khung sau khi chế tạo hoàn thành đảm bảo yêu cầu thiết kế cũng như yêu cầu kỹ thuật đặt ra

2.4.2 Chế tạo chổi quét

Robot được trang bị 3 chổi quét Trong đó có 2 chổi quét phụ được đặt phía trước có chức năng quét bụi ở những góc tường

Hình 2.8 Chổi quét phụ

Chổi chính có chức năng quét những mảnh vụn cũng như đảo bụi Chổi lớn có kích thước chiều dài là 220 (mm) Được dẫn động bởi một động cơ 12V qua bánh răng nghiêng

Hình 2.9 Chổi lớn 2.4.3 Chế tạo hệ thống hút bụi

Mỗi robot hút bụi trên thị trường đều được trang bị hệ thống hút bụi riêng Một hệ thống hút bụi điển hình bao gồm phần hút, phần lọc Trang bị động

cơ và cánh quạt tạo lực hút cho hệ thống Lực hút mạnh hay yếu tùy thuộc vào công suất của động cơ

Nguyên lý hút bụi rất đơn giản, bên trong có một động cơ điện có tốc độ vòng quay rất cao, trên trục chuyển động của động cơ điện có lắp cánh quạt gió, khi động cơ điện hoạt động với tốc độ cao, cánh quạt gió sẽ quạt cùng với trục chuyển động với tốc độ cao, như vậy không khí bên trong sẽ nhanh chóng thổi ra như một chiếc hộp rỗng Để bù lại phần không khí đã mất sẽ có một luồng không khí nhanh chóng đi vào theo sự chênh lệch về áp suất

Phần lọc có chức năng lọc sạch không khí đưa vào, giữ lại bụi bẩn cũng như các thành phần không tốt cho sức khỏe của con người có trong không khí như vi

khuẩn chẳng hạn Tùy thuộc vào như cầu lọc mà sử dụng nhiều vật liệu lọc khác nhau như giấy lọc, lưới lọc, vải lọc, …

Hình 2.10 Nguyên lý của máy hút bụi

Dựa trên nguyên lý chung của máy hút bụi, hệ thống hút bụi của robot được thiết kế bao gồm : thân, động cơ điện và cánh quạt

Hình 2.11 Bản vẽ 2D hệ thống hút bụi

Hình 2.12 Bản vẽ 2D của cánh quạt

Hình 2.13 Bản vẽ 3D hệ thống hút bụi theo thiết kế

Hình 2.14 Hệ thống hút bụi được chế tạo 2.4.4 Chế tạo hộp đựng bụi

Hộp đựng bụi có chức năng không những đựng bụi mà còn lọc sạch không khí

Vì vậy, hộp bụi được thiết kế có phần đảm nhiệm lọc bụi

Hình 2.15 Hộp bụi theo thiết kế

Hình 2.16 Hộp bụi được chế tạo 2.4.5 Động cơ

Robot được trang bị hai động cơ 12 VDC có momen lớn, kích thước nhỏ gọn,

có hộp giảm tốc

Hình 2.17 Động cơ của robot

• Tránh hiện tượng rung lắc của bánh xe khi di chuyển

• Bánh tự lựa đảm bảo 2 bậc tự do là : xoay theo trục z và x

Hình 2.18 Bánh tự lựa trên thị trường

Hình 2.19 Bánh tự lựa sau khi chế tạo

2.4.7 Bố trí công tắc hành trình

Robot được bố trí các công tắc hành trình và nhiều loxo để tiếp xúc với vật cản

Ưu điểm dùng công tắc hành trình là dễ dàng nhận biết vật cản, dễ thi công sau này

Nhược điểm qua nhiều lần tiếp xúc với vật cản, công tắc hành trình bị hỏng

về mặt cơ khí, giảm độ chính xác về sau

Hình 2.20 Bố trí công tắc hành trình

2.5 Thiết kế các board mạch điều khiển

2.5.1 Vi điều khiển AVR

AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, AVR mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, PISOC Ngoài ra, do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051, 89xx thì nó độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và tiện lợi hơn

a.Tính năng của họ AVR

- Giao diện SPI đồng bộ

- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được

- Giao tiếp I2C

- Bộ biến đổi ADC 10 bit

- Các kênh băm xung PWM

- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như Sleep, Stand by vv

bị ngoại vi, với tệp thanh ghi (Register file) Trong khi đó đường truyền cho bộ nhớ chương trình có độ rộng 16 bits và chỉ phục vụ cho thanh ghi lệnh (Instruction registers)

Hình 2.21 Cấu trúc bộ nhớ của AVR

Bộ nhớ chương trình (Program memory): Là bộ nhớ Flash lập trình được, hay còn gọi là Application section Thực chất, Application section bao gồm 2 phần: phần chứa các mã lệnh cho hoạt động của Chip (Instruction) và phần chứa các Vector ngắt (Interrupt vectors) Các Vector ngắt nằm ở phần đầu của Application section (từ địa chỉ 0x0000) và dài đến bao nhiêu tùy thuộc vào loại chip Phần chứa instruction nằm liền sau đó, chương trình viết cho chip phải được nạp vào phần này

Bộ nhớ dữ liệu (Data memory): Chứa các thanh ghi quan trọng nhất của chip, việc lập trình cho Chip phần lớn là truy cập bộ nhớ này Bộ nhớ dữ liệu trên các Chip AVR có độ lớn khác nhau tùy theo mỗi Chip, tuy nhiên về cơ bản phần bộ nhớ này được chia thành 5 phần:

Hình 2.22 Thanh ghi 8 bit

+ Phần 1: Là phần đầu tiên trong bộ nhớ dữ liệu, phần này bao gồm 32 thanh ghi có tên gọi là Register file, hay đơn giản là các thanh ghi Tất cả các thanh ghi này đều là các thanh ghi 8 bits

Hình 2.23 Register file

Tất cả các Chip trong họ AVR đều bao gồm 32 thanh ghi Register file có địa chỉ tuyệt đối từ 0x0000 đến 0x001F Mỗi thanh ghi có thể chứa giá trị dương từ 0 đến 255 hoặc các giá trị có dấu từ -128 đến 127 hoặc mã ASCII của một ký tự nào

đó Các thanh ghi này được đặt tên theo thứ tự là R0 đến R31 Chúng được chia thành 2 phần, phần 1 bao gồm các thanh ghi từ R0 đến R15 và phần 2 là các thanh ghi R16 đến R31

Tất cả 32 thanh ghi Register file đều có đặc điểm chung sau: Được truy cập trực tiếp trong các lệnh Các toán tử, phép toán thực hiện trên các thanh ghi này chỉ cần 1 chu kỳ xung Clock Register file được kết nối trực tiếp với bộ xử lí trung tâm (CPU) của chip Và chúng là nguồn chứa các số hạng trong các phép toán và cũng

là đích chứa kết quả trả lại của phép toán

Tóm lại 32 thanh ghi Register file của AVR được xem là một phần của CPU,

vì thế chúng được CPU sử dụng trực tiếp và nhanh chóng, để gọi các thanh ghi này, chúng ta không cần gọi địa chỉ mà chỉ cần gọi trực tiếp tên của chúng Register file thường được sử dụng như các toán hạng của các phép toán trong lúc lập trình

+ Phần 2: RAM tĩnh, nội (Internal SRAM), là vùng không gian cho chứa các biến (tạm thời hoặc toàn cục) trong lúc thực thi chương trình, vùng này tương tự các

thanh RAM trong máy tính nhưng có dung lượng khá nhỏ (khoảng vài Kb, tùy thuộc vào loại chip)

+ Phần 3: RAM ngoại (External SRAM), các Chip AVR cho phép người sử dụng gắn thêm các bộ nhớ ngoài để chứa biến, vùng này thực chất chỉ tồn tại khi nào người sử dụng gắn thêm bộ nhớ ngoài vào chip

+ Phần 4: EEPROM (Electrically ereasable programmable ROM) là một phần quan trọng của các Chip AVR mới, vì là ROM nên bộ nhớ này không bị xóa ngay cả khi không cung cấp nguồn nuôi cho chip, rất thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ dữ liệu Bộ nhớ EEPROM được tách riêng và có địa chỉ tính từ 0x0000

c Cách thức hoạt động của Vi điều khiển AVR

Cấu trúc bên trong của một AVR Ta thấy rằng 32 thanh ghi Register file được nối trực tiếp với ALU bằng 2 line Vì thế mà ALU có thể truy suất trực tiếp tới

2 thanh ghi Register file trong cùng một chu kỳ xung Clock

Các lệnh được chứa trong bộ nhớ chương trình Flash memory dưới dạng các thanh ghi 16 bit Bộ nhớ chương trình được truy cập trong mỗi chu kỳ xung clock

và mỗi lệnh chứa trong bộ nhớ chương trình được đưa vào trong thanh ghi lệnh Instruction register

Các thanh ghi lệnh tác động và lựa chọn Register file cũng như RAM cho ALU thực thi Trong lúc thực thi chương trình, địa chỉ của dòng lệnh đang thực thi được quyết định bởi một bộ đếm chương trình PC (Program counter) Đó chính là cách thức hoạt động của AVR

AVR có ưu điểm là hầu hết các lệnh đều được thực thi trong 1 chu kỳ xung Clock, vì vậy có thể nguồn Clock lớn nhất cho AVR có thể nhỏ hơn một số vi điều khiển khác như PIC nhưng thời gian thực thi vẫn nhanh hơn