đồ án kỹ thuật điện điện tử Nghiên cứu mobile robot robot hút bụi tự động ACL

Kéo theo đó là những yêu cầu về những thế hệ robot thông minh,linh hoạt có kỹ năng lao động như con người.Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới loại Mobile Robot vớinhững

khoa học kỹ thuật Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi người.Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại Sảnxuất Robot là nghành công nghiệp trị giá hàng tỉ USD và ngày càng phát triểnmạnh Robot có thể di chuyển với tốc độ và độ chính xác cao để có thể thực hiệnnhững động tác lặp đi lặp lại như hàn hay sơn Robot cũng được ứng dụng rộng rãitrong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí và phục vụ đờisống con người Kéo theo đó là những yêu cầu về những thế hệ robot thông minh,linh hoạt có kỹ năng lao động như con người.

Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới loại Mobile Robot vớinhững đặc thù riêng mà các loại Robot khác không có Các tay máy cố định chỉhoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó Ngược lại, MobileRobot có thể di chuyển, do đó nó có không gian làm việc rất lớn Cho đến nay, nó

đã dần khẳng định vai trò không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rấtnhiều sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu

Mobile Robot cũng có thể phân chia thành nhiều chủng loại, dựa theo cách thức vận hành ( Mobile Robot dùng bánh, dùng chân, dùng xích) Dưới sự

hướng dẫn của TS.Đỗ Đức Nam, em đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu mobile

robot robot hút bụi tự động ACL”.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy!

Chương I: tỐNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT VÀ ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG

1.1 Tổng quan về Mobile Robot

1.1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, Robotic đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuấtcông nghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác

và làm tăng năng suất lao động lên nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môitrường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiệnđiện tử với độ chính xác cao tạo nên các thiết bị tinh vi như điện thoại, máy tính,…Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làmviệc Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trígắn chúng Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linhhoạt trong các môi trường khác nhau

Robot tự hành hay robot di động được định nghĩa là loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự hoạt động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động để thực thi nhiệm vụ Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về

môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngànhcông nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của conngười Với sự phát triển của ngành Robotic, robot tự hành ngày càng có khả nănghoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng cónhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đạidương, robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với các yêu cầu thực tế ngày càng cao,robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của Mobile Robot

Khái niệm robot lần đầu tiên xuất hiện ở NewYork ngày 09/10/1922 trong vởkịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là KarenChapek Từ “Robot” là một cách gọi khác của từ “Robota” – theo tiếng Tiệp cónghĩa là công việc lao dịch Khi đó Karen Chapek cho rằng Robot là những ngườimáy có khả năng làm việc nhưng không có khả năng suy nghĩ

Hình dạng robot đầu tiên xuất hiện ở Hoa Kì, là loạchép hình dùng trongphòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào giữa những năm 1950, ngoài những taymáy cơ khí còn xuất hiện loại tay máy thủy lực và điện từ Tuy nhiên chúng cóchung nhược điểm là thiếu sự di động, chúng chỉ có thể hoạt động trong khoảngkhông gian giới hạn quanh vị trí của nó

Ngược lại, Mobile Robot là loại robot di động có thể di chuyển từ nơi nàyđến nới khác một cách độc lập hay điều khiển từ xa

- 1939–1945: trong chiến tranh thế giới lần thứ II, những robot di động đầutiên đã xuất hiện Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong lĩnh vựcnghiên cứu mới áp dụng khoa học máy tính và điều khiển học, chúng chủ yếu là cácquả bom bay, ví dụ: những quả bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định,…

sử dụng hệ thống hướng dẫn và rada điều khiển Tên lửa V1 và V2 có hệ thống phát

nổ và “phi công tự động”, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiểnhiện đại

Hình 1-1: Robot trong chiến tranh thế giới thứ II

- 1948–1949: W.Gray Walter đã tạo Chúng được trang bị một bộ cảm biếnquang Nếu chúng phát hiện một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về hướng đó và cóthể tránh những chướng ngại vật trên đường đi

- 1961–1963: trường đại học Jonhs Hopkins phát triển “Beast” sử dụng hệthống định vị để di chuyển Khi pin yếu, nó có thể tự tìm ổ cắm điện để sạc pin

- 1969: Mowbot là robot cắt cỏ đầu tiên, đã cắt một bãi cỏ một cách tự động.The Stanford Cart Line Follower là robot di động có thể di chuyển thông qua nhậndạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để quan sát Nó bao gồm một “kênhtruyền thanh” gắn với một hệ thống máy tính lớn để tính toán

- 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics.

Hình 1-3: Robot BEAM

- 1990: cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger cùng đồngnghiệp đã phát minh ra những con robot trong nghành y tế và được bán bởiHelpmate.

- 1993-1994: hai robot Dante-I và Dante-II được phát triển bởi đại họcCarnegie Mellon dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt động

- 1995: robot di động có thể lập trình Pioneer (người tiên phong) mở ra sự giatăng rộng rãi về nghiên cứu robot Robot di động trở thành một phần không thểthiếu trong chương trình giảng dạy của các trường đại học

- 1996-1997: NASA phóng tàu Mars Pathfinder đem theo hai robot Rover vàSojourner được trang bị một hệ thống giúp chúng tránh các rủi ro, có thể tìm thấyđường đi một cách độc lập trên sao Hỏa

Hình 1- 4: Tàu Mars Pathfinder

- 1999: Sony giới thiệu Aibo – một robot có khả năng đi lại, quan sát và có khảnăng tác động tới môi trường Robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBotcũng được giới thiệu

- 2001: dự án Swaim-Bots Swaim-Bots giống như những bầy côn trùng đượckhởi động, bao gồm số lượng lớn các con robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau vàcùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp

- 2002: Roomba – một loại robot di động để lau nhà dùng trong gia đình.

- 2006: TALON-Sword, một loại robot tự động với dàn phóng lựu đạn vànhững sự lựa chọn về vũ khí hợp thành khác ra đời Robot ASIMO của Honda biếtcách chạy và leo cầu thang bằng hai chân như con người

Hình 1-5: Robot TALON-Sword

Ngày nay, chuyên nghành khoa học robot (Robotics) đã trở thành một lĩnhvực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấuđộng học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyểnđộng, v.v

Trong tương lai, xu hướng sản xuất các robot hiện đại ngày càng tăng Một

xu hướng quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển robot là phát triển các hệthống máy vi cơ điện tử (MEMS) có kích thước nhỏ từ vài cm tới vài mm, thậm chí

là µm Các robot rất nhỏ này có thể di chuyển vào mạch máu để phân phối thuốchoặc làm vệ sinh mạch máu hoặc chúng có thể di chuyển trong một máy tính lớn đểchuẩn đoán các vấn đề xảy ra với máy tính

Một xu hướng phát triển hiện nay nữa là việc nghiên cứu phát triển trí tuệnhân tạo, mạng neuron vào trong robot nhằm tạo ra các robot thông minh, có khảnăng thích nghi với môi trường xung quanh như con người

1.1.3 Phân loại Mobile Robot

Robot tự hành được chia làm 3 loại chính: robot tự hành chuyển động bằngchân, robot tự hành chuyển động bằng bánh và robot tự hành di chuyển bằng xích.Ngoài ra một số loại robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nướchay trên không thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng

1.1.3.1 Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Mobile Robot)

Mobile robot di chuyển bằng chân là loại mobile robot có những chuyểnđộng phức tạp bằng cách rời rạc hóa việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm.Chuyển động của chúng có được là nhờ sử dụng các loại chân cơ khí, bắt chướcchuyển động của con người và động vật

Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên cácđịa hình phức tạp, gồ ghề, không liên tục Chúng còn có thể đi qua những vật cảnnhư hố hay vết nứt sâu

Nhược điểm chính của robot loại này là khó điều khiển và chế tạo khá phứctạp Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượngcủa robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển Cách phối hợp các chân cũng như vấn

đề giữ vững tư thế cho WMR cũng cực kì khó khăn Các kĩ năng như cầm, nắm haynâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot Robot loại nàycàng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao

Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo chuyển động củacon người và các loài động vật vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2 (biped), 4chân (quadruped), 6 chân (hexaped) và thậm chí có thể nhiều hơn Dưới đây là một

số loại robot điển hình chuyển động bằng chân

a Robot 1 chân Raibert b Robot SDR-4X (Sony-2003)

c Robot ASIMO ( Honda)

d Robot 6 chân

Hình 1-6: Một số loại robot di chuyển bằng chân

1.1.3.2 Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheeled Mobile Robot)

Tiềm năng của robot tự hành là rất lớn, có thể kể đến như loại robot tự hành vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không; robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm; robot canh gác, robot do thám, robot khám phá không gian; robot hàn, sơn trong các nhà máy; robot xe lăn phục vụ cho người khuyết tật …

Robot tự hành di chuyển bằng bánh tỏ ra thực tế hơn và chúng có thể làm việc tốt trên hầu hết các địa hình Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành Vấn đề cân bằng thường không phải

là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề của robot loại di chuyển bằng bánh là lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển

chuyển động

Một số loại robot chuyển động bằng bánh:

Hình 1-7: Robot Sojourner được sử dụng thám hiểm sao Hỏa năm 1997

Hình 1-8: Robot Khepera

Robot Khepera dùng để nghiên cứu và học tập Nó có đường kính 60mm, được tích hợp

nhiều modun khác nhau như camera, tay kẹp

Hình 1-9: Robot dẫn đường AGU (Autonomous Guided Vehicle) được sử dụng trong

các bệnh viện

1.1.3.3 Robot tự hành di chuyển bằng xích (Tracked Mobile Robot)

Loại robot này di chuyển bằng các bánh có lắp xích như xe tăng, rất phù hợpkhi di chuyển trên các địa hình phức tạp Để đổi hướng di chuyển bằng cách thayđổi tốc độ quay của 2 bánh xích chủ động Tuy nhiên khi chuyển động chúng dễlàm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt khi đổi hướng Do chuyển động bằng xích nênkhi đổi hướng dễ xảy ra hiện tượng trượt, do đó khó điều khiển chính xác

1.2 Robot hút bụi tự động

Hình 1-10: Hình robobot Talon

Hình 1-11: Hình ảnh của robot hút bụi tự động

1.2.1 Giới thiệu chung

Công việc làm sạch sàn nhà lấy đi rất nhiều thời gian, đặc biệt là những cănphòng nhỏ, trải thảm mềm, sàn gỗ hoặc lát đá hoa Dòng sản phẩm robot hút bụi tựđộng được các bà nội trợ đánh giá hiệu quả và khá an toàn Thị trường hiện có nhãnhiệu Clean Mate 365 xuất xứ từ Mỹ hoặc từ Trung Quốc (giá rẻ hơn) và robot IVO

có xuất xứ từ EU.Ưu thế của robot hút bụi tự động

Ưu điểm số một của dòng sản phẩm này là kích thước đặc biệt nhỏ gọn (đườngkính 36cm; cao 9cm; nặng khoảng 2,7kg), không chiếm diện tích không gian Đồngthời, thiết bị có thể chạy dưới gầm giường, gầm tủ hay những nơi máy hút bụikhông thể đến được, đem lại hiệu suất làm sạch cao Quy trình di chuyển gồm 5bước, cơ chế vận hành và cơ chế suy luận thông minh khiến loại robot làm sạch nàygần như không bỏ sót vị trí nào trên sàn nhà Bộ cảm biến phía dưới của robot đọc

và nhận dạng chính xác mặt sàn giúp robot không bao giờ bị rơi xuống cầu thang

Đặc biệt, robot có màn hình LCD hiển thị trạng thái làm việc và tình trạngcủa máy Bộ điều khiển từ xa giúp người sử dụng có thể đặt lệnh theo cách riêng dễdàng Ngoài ra, chúng còn có chức năng tỏa hương thơm ngát, diệt khuẩn, diệt nấm

mốc, các tác nhân gây dị ứng bằng đèn cực tím dưới máy Được thiết kế với nhiềumàu sắc trang nhã (IVO có tông màu trắng ngà , CleanMate 365 đỏ, xám và bạc),robot lau nhà không làm ảnh hưởng đến nội thất chung của ngôi nhà Thời gian làmviệc của hai thiết bị này có thể từ 60- 80 phút tùy thuộc vào chế độ sử dụng cho mỗilần sạc điện với diện tích làm sạch có thể lên tới trên 100m2 trong khi công suất lạirất nhỏ (chỉ khoảng 25W, tương đương khoảng 15% so với điện năng của máy hútbụi thông thường) nên rất tiết kiệm Riêng robot IVO còn tiết kiệm điện năng hơnnữa khi tự động tắt điện sau 3 phút nếu không nhận được mệnh lệnh từ vi điềukhiển

Một số loại robot hút bụi tự động hiện nay

CleanMate 365: Thiết bị xuất xứ từ Mỹ, giá khoảng 2,9 triệu đồng, xuất xứ

từ Trung Quốc có giá khoảng 1.636.000 đồng, được thiết kế đơn giản chỉ vớihai phím bấm trên bàn điều khiển Người sử dụng chỉ cần nhấn nút đặt thờigian và bấm nút khởi động Trên đầu robot được gắn một sensor cảm biến cảmnhận ánh sáng, giúp robot khi pin yếu hoặc đã hoàn thành nhiệm vụ sẽ dichuyển từ chỗ tối ra chỗ sáng, không còn ẩn dưới gầm để được phát hiện dễdàng

Robot IVO: Giá khoảng 3.700.000 đồng, sẽ tự động tìm về và đỗ tại trạmsạc sau khi hoàn thành nhiệm vụ, khi hết thời gian làm việc hoặc sắp hết pin.Trạm sạc vừa là cổng tiếp điện và vừa giữ IVO trong thời gian nghỉ Bộ cảmbiến hồng ngoại của trạm sạc giúp IVO thực hiện việc đỗ vào trạm sạc chínhxác gần như tuyệt đối Tuy nhiên IVO chỉ về được trạm sạc khi trạm đang cắmđiện và không có vật chắn Robot IVO sử dụng loại pin Ni-MH (Nickel MetalHidride thông dụng, an toàn, sạch cho môi trường, không có hiệu ứng nhớ làmgiảm dung lượng điện nạp vào của pin

chương ii : GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN DÙNG TRONG ROBOT ACL

2.1 Các linh kiện điện tử cơ bản

2.1.1 Điện trở

2.1.1.1 Định nghĩa

Điện trở là linh kiện được sử dụng nhiều nhất trong các mạch điện tử Điệntrở có tác dụng hạn chế dòng điện.Mục đích của việc sử dụng điện trở là tạo ra mộtdòng điện hoặc một điện áp xác định Về công suất có thể chia điện trở thành 2 loại:điện trở công suất nhỏ và điện trở công suất lớn

2.1.1.2 Cách đọc giá trị điện trở

Giá trị của điện trở được vẽ trên thân điện trở

- Đối với điện trở 4 vạch màu thì 3 vạch đầu tiên biểu thị giá trị của điện trở,vạch thứ 4 là sai số của điện trở Màu biểu thị giá trị của điện trở và sai số của điệntrở thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2-1: Bảng màu giá trị điện trở

2 vạch đầu đọc là 2 số, vạch thứ 3 là vạch mũ Giá trị của điện trở bằng: 2 vạch

Hình 2-12: Cách đọc giá trị điện trở

Hình 2-13: Bảng giá trị một số điện trở

2.1.2 Tụ điện

2.1.2.1 Định nghĩa

Tụ điện là linh kiện cũng được dùng phổ biến như điện trở Sự khác nhau giữa

tụ điện và điện trở đó là sự cản trở của tụ điện phụ thuộc vào tần số điện áp Đặctrưng cho tính cản trở của tụ là dung kháng, tính theo công thức sau:

f: tần số điện áp- Hz

C: giá trị của tụ điện- Fara

+ Ký hiệu của tụ điện:

+ Tụ điện phân cực, tụ điện không phân cực

Sự khác nhau giữa tụ phân cực và không phân cực: Tụ không phân cực thì 2cực của tụ có vai trò như nhau, giá trị của tụ không phân cực thường nhỏ (picroFara) Tụ phân cực thì có 2 cực tính dương và âm không thể dùng lẫn lộn Giá trịcủa tụ phân cực thường lớn 1 đến hàng ngàn uF(Micro Fara)

2.1.2.2 Cách đọc giá trị tụ điện

Tụ không phân cực, phổ biến là tụ gốm (tụ đất), đọc giống đọc trở dán Đơn vị

là pF

Tụ phân cực (tụ hóa) giá trị và cực tính ghi trên tụ.

Tụ xoay: Là loại tụ có giá trị thay đổi bằng cách vặn vít như biến trở

Hình 2-14: Tụ xoay 2.1.3 Diode

2.1.3.1 Định nghĩa

Diode được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau Diode có 2 cực Anốt vàKatốt Nó chỉ cho dòng điện đi theo 1 chiều từ Anốt sang Katốt (Chính xác là khảnăng cản trở dòng điện theo chiều AK là rất nhỏ, còn KA là rất lớn) Nó được dùngnhư van 1 chiều trong mạch điện

Hình 2-15: Ký hiệu Diode

2.1.3.2 Phân loại