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

LỜI NÓI ĐẦU Thế kỷ 20, thế kỷ của sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về cả kinh tế lẫn 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. Sản xuất Robot là nghành công nghiệp trị giá hàng tỉ USD và ngày càng phát triển mạnh. Robot có thể di chuyển với tốc độ và độ chính xác cao để có thể thực hiện những động tác lặp đi lặp lại như hàn hay sơn. Robot cũng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí và phục vụ đời sống 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 với những đặc thù riêng mà các loại Robot khác không có. Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó. Ngược lại, Mobile Robot 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 rất nhiều 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! Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam 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 xuất công 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 môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện 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 làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt 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 ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người. Với sự phát triển của ngành Robotic, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, 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. Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 2 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam 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 vở kịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen Chapek. Từ “Robot” là một cách gọi khác của từ “Robota” – theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Khi đó Karen Chapek cho rằng Robot là những người máy 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 trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ. Vào giữa những năm 1950, ngoài những tay máy cơ khí còn xuất hiện loại tay máy thủy lực và điện từ. Tuy nhiên chúng có chung nhược điểm là thiếu sự di động, chúng chỉ có thể hoạt động trong khoảng không gian giới hạn quanh vị trí của nó. Ngược lại, Mobile Robot là loại robot di động có thể di chuyển từ nơi này đến 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 đầu tiên đã xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong lĩnh vực nghiên cứu mới áp dụng khoa học máy tính và điều khiển học, chúng chủ yếu là các quả 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 khiển hiện đại. Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 3 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam 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 biến quang. Nếu chúng phát hiện một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về hướng đó và có thể tránh những chướng ngại vật trên đường đi. - 1961–1963: trường đại học Jonhs Hopkins phát triển “Beast” sử dụng hệ thống 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 nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để quan sát. Nó bao gồm một “kênh truyền thanh” gắn với một hệ thống máy tính lớn để tính toán. Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 4 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam - Hình 1-2: Robot Mowbot - 1970: viện nghiên cứu Stanford nghiên cứu ra Shakey có một camera, một dãy kính ngắm, một bộ cảm biến và một bộ truyền thanh. Nó là con robot đầu tiên có thể lý giải về những chuyển động của nó, có nghĩa là có thể đưa cho nó nhiều lệnh chung và nó sẽ tính toán những bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ. - 1976: trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ không người lái lên sao hỏa. - 1980: thị hiếu của con người tăng lên. Robot được bày bán và mua để sử dụng trong nhà. VD: RB5X vẫn tồn tại cho đến ngày nay và một loạt mẫu robot HERO. Robot The Stanford Cart phát triển mạnh, nó có thể lái tàu biển vượt qua những trở ngại và vẽ lên bản đồ những nơi nó đi qua. - 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics. Hình 1-3: Robot BEAM Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 5 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam - 1990: cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger cùng đồng nghiệp đã phát minh ra những con robot trong nghành y tế và được bán bởi Helpmate. - 1993-1994: hai robot Dante-I và Dante-II được phát triển bởi đại học Carnegie 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 gia tăng rộng rãi về nghiên cứu robot. Robot di động trở thành một phần không thể thiếu trong chương trình giảng dạy của các trường đại học. - 1996-1997: NASA phóng tàu Mars Pathfinder đem theo hai robot Rover và Sojourner được trang bị một hệ thống giúp chúng tránh các rủi ro, có thể tìm thấy đường 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 khả năng tác động tới môi trường. Robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBot cũng được giới thiệu. - 2001: dự án Swaim-Bots. Swaim-Bots giống như những bầy côn trùng được khởi động, bao gồm số lượng lớn các con robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp. Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 6 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam - 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 và những sự lựa chọn về vũ khí hợp thành khác ra đời. Robot ASIMO của Honda biết cách 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 lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động, .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 hệ thống 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 thuốc hoặc làm vệ sinh mạch máu hoặc chúng có thể di chuyển trong một máy tính lớn để chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với máy tính. Một xu hướng phát triển hiện nay nữa là việc nghiên cứu phát triển trí tuệ nhân tạo, mạng neuron vào trong robot nhằm tạo ra các robot thông minh, có khả năng thích nghi với môi trường xung quanh như con người. Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 7 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam 1.1.3. Phân loại Mobile Robot Robot tự hành được chia làm 3 loại chính: robot tự hành chuyển động bằng chân, 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 nước hay 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 chuyển động 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 chước chuyển động của con người và động vật. Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình phức tạp, gồ ghề, không liên tục. Chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố hay vết nứt sâu. Nhược điểm chính của robot loại này là khó điều khiển và chế tạo khá phức tạp. Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của 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 hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao. Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo chuyển động của con người và các loài động vật vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2 (biped), 4 chân (quadruped), 6 chân (hexaped) và thậm chí có thể nhiều hơn. Dưới đây là một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân. Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 8 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam a. Robot 1 chân Raibert b. Robot SDR-4X (Sony-2003) c. Robot ASIMO ( Honda) d. Robot 6 chân e/ Robot chó Tian f/ mô hình robot 4 chân Hình 1-6: Một số loại robot di chuyển bằng chân Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 9 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam 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 Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 10 [...].. .Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam Một số loại robot chuyển động bằng bánh: Hình 1-7: Robot Sojourner được sử dụng thám hiểm sao Hỏa năm 1997 Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 11 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam 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. .. lượng điện nạp vào của pin Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 15 Đồ Án Cơ Điện Tử chương ii: GVHD: TS Đỗ Đức Nam 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 Điện trở có tác dụng hạn chế dòng điện. Mục... làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt khi đổi hướng Do chuyển động bằng xích nên khi đổi hướng dễ xảy ra hiện tượng trượt, do đó khó điều khiển chính xác Hình 1-10: Hình robobot Talon Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 13 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam 1.2 Robot hút bụi tự động Hình 1-11: Hình ảnh của robot hút bụi tự động 1.2.1 Giới thiệu chung Công việc làm sạch sàn nhà lấy... 80 phút tùy thuộc vào chế độ sử dụng cho mỗi lần sạc điện với diện tích làm sạch có thể lên tới trên 100m2 trong khi công suất lại rất nhỏ (chỉ khoảng 25W, tương đương khoảng 15% so với điện năng của máy hút bụi thông thường) nên rất tiết kiệm Riêng robot IVO còn tiết kiệm điện năng hơn nữa khi tự động tắt điện sau 3 phút nếu không nhận được mệnh lệnh từ vi điều khiển Một số loại robot hút bụi tự động. .. đọc giá trị điện trở Hình 2-13: Bảng giá trị một số điện trở Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 18 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam 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 Đặc trưng cho tính cản trở của tụ là dung kháng, tính theo... tượng ánh sáng truyền trong môi trường (dạng vật liệu hữu cơ-dạng tinh thể lỏng) Các phần tử của tinh thể lỏng có dạng hình trụ cho phép ánh sáng truyền qua dọc theo phần tử (theo một hướng xác định) 2.1.8.2 LED 7 thanh Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 29 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam Hình 2-26: LED 7 thanh Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 30 Đồ Án. .. viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 12 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam 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 hợp khi di chuyển trên các địa hình phức tạp Để đổi hướng di chuyển bằng cách thay đổi tốc độ quay của 2 bánh xích chủ động Tuy nhiên khi chuyển động chúng dễ làm hỏng bề mặt... sai số Đối với điện trở 5 vạch và 6 vạch: 3 vạch đầu đọc liền nhau là giá trị điện trở, vạch thứ 4 là mũ, vạch thứ 5 là sai số Giá trị của điện trở bằng: 3 vạch 10 mũ vạch 4 Vạch thứ 5 là sai số Đối với điện trở dán (chip-resistor): Giá trị của điện trở được ghi trên than điện trở, bằng: 2 số đầu x 10 mũ số thứ 3 Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 17 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ... Dòng sản phẩm robot hút bụi tự động được các bà nội trợ đánh giá hiệu quả và khá an toàn Thị trường hiện có nhãn hiệu 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 (đường kính 36cm; cao 9cm; nặng khoảng 2,7kg), không chiếm diện tích không gian Đồng thời, thiết... tử B – K53 Page 23 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam Hình 2-19: Cách ly quang P521 + 4N35: Hình 2-20: Cách ly quang 4N35 Sinh viên: Nguyễn Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 24 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS Đỗ Đức Nam 2.1.6 Rơ le Hình 2-21: Rơ le 2.1.6.1 Định nghĩa: Rơ le cũng là 1 thiết bị điện dùng để đóng cắt như một công tắc 2.1.6.2 Phân loại + Rơ le điện: đóng cắt bằng điện Sinh viên: Nguyễn . tài: “ Nghiên cứu mobile robot robot hút bụi tự động ACL . Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy! Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam Chương I: tỐNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT VÀ ROBOT. Quang Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 13 Hình 1-10: Hình robobot Talon Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam 1.2. Robot hút bụi tự động Hình 1-11: Hình ảnh của robot hút bụi tự động 1.2.1. Giới. Huy Lớp : Cơ điện tử B – K53 Page 7 Đồ Án Cơ Điện Tử GVHD: TS. Đỗ Đức Nam 1.1.3. Phân loại Mobile Robot Robot tự hành được chia làm 3 loại chính: robot tự hành chuyển động bằng chân, robot tự hành