Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng iv HVTH: Hồ Minh Phương TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot di động có khả năng leo bám trên tường, trần nhà thì những thách thức lớn nhất đặt ra là robot phải có thể bám được khi gặp tường có vết nứt hoặc khe hở nhỏ, không làm bẩn bề mặt tường, có thể bám được trên các loại bề mặt khác nhau. Với những thách thức đó thì những phương pháp thường hay sử dụng như: giác hút chân không, dùng keo hoặc các chất dính kết để bám, mô phỏng sinh học từ những loài động vật leo trèo, dùng kỹ thuật từ tính … không thể đáp ứng được. Vì vậy mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường sử dụng phương pháp hút không tiếp xúc. Nội dung chính của phương pháp này là lấy nguồn khí được cấp từ máy nén khí, qua cơ cấu hút được thiết kế để đẩy vận tốc dòng khí lên rất cao và từ đó sẽ tạo ra vùng áp suất thấp có khả năng hút tường. Phương pháp này có thể giải quyết được những khó khăn và thách thức đã nêu. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng v HVTH: Hồ Minh Phương ABSTRACT In design research and manufacture of mobile robot with capable walls climbing and ceilings is the biggest challenge is set robot must be able to cling with the wall for cracks or small gaps, not make dirty walls, can stick on multiple type of the different surfaces. With these challenges is the commonly used methods such as vacuum aspiration, using glue or other adhesive to stick, simulating biological from climbing animals, using techniques of magnet can not respond. So the main objective of the project is to research the design and manufacture of wall climbing robots using non-contact suction method. The main contents of this method using air source is supplied from the compressor, run through the suction mechanism is designed to speed up the air flow velocity is very high and thus will create low pressure areas can adhesion the wall. This method can solve the problems and challenges mentioned. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng vi HVTH: Hồ Minh Phương MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các bảng ix Danh sách các hình x Danh sách các đồ thị xiii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv Chương 1 1 TỔNG QUAN 1 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ. 1 1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 2 1.1.2.1 Kết quả nghiên cứu trong nước 2 1.1.2.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nước. 3 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI. 7 1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. 7 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài. 7 1.3.2 Giới hạn của đề tài. 8 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 8 Chương 2 9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 2.1 LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG TRÌNH BERNOULLI. 9 2.1.1 Phương trình Bernoulli. 9 2.1.2 Thiết kế thử nghiệm ứng dụng phương trình Bernoulli 11 2.2 CƠ SỞ CHỌN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHO THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM. 11 2.2.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 12.0 11 2.2.2 Kết quả mô phỏng cho thiết kế thử nghiệm 12 Chương 3 14 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng vii HVTH: Hồ Minh Phương THIẾT KẾ CƠ CẤU HÚT 14 3.1 CHỌN VẬT LIỆU 14 3.2 THIẾT KẾ CƠ CẤU HÚT. 14 3.3 MÔ PHỎNG THIẾT KẾ Ở MỤC 3.2 VỚI PHẦN MỀM ANSYS 16 3.3.1 Mô hình hóa và phân tích dữ kiện bài toán 16 3.3.2 Các bước tiến hành mô phỏng với phần mềm Ansys [5], [6] 17 3.4 CẢI TIẾN THIẾT KẾ CHO CƠ CẤU HÚT 21 3.4.1 Phân tích và cải tiến tính công nghệ. 21 3.4.2 Cải tiến về kết cấu, hình dáng cho cơ cấu hút. 25 3.4.2.1 Phương án 1: thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương đứng ở 2 vị trí. 25 3.4.2.2 Phương án 2: thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương ngang ở 3 vị trí 27 3.4.2.3 Phương án 3: thay đổi hình dáng miệng vòi 29 3.4.2.4 Nhận xét, phân tích và kết luận 30 Chương 4 33 THIẾT KẾ ROBOT LEO TƯỜNG 33 4.1 CHỌN HỆ THỐNG BÁNH DẪN GIÚP ROBOT DI CHUYỂN 33 4.1.1 Bánh xe tiêu chuẩn (Standard Wheels) 33 4.1.2 Bánh xe đa hướng (Omnidirectional Wheels) 34 4.1.3 Một số ký hiệu về các loại bánh xe 34 4.1.4 Những phương án bố trí hệ thống bánh dẫn và ứng dụng thực tế. 35 4.1.5 Phân tích và chọn hệ thống bánh dẫn cho robot leo tường 38 Vậy ta có thể chọn đai có ký hiệu100-S3M-363, với thông số sau: 40 4.2 CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG CHO TRỤC BÁNH XE 40 4.3 PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT CƠ CẤU HÚT VÀO THÂN ROBOT. 42 4.4 CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHO TRỤC BÁNH XE. 43 4.4.1 Tính công suất động cơ : 43 4.4.2 Tính số vòng quay và mô men xoắn cho động cơ 46 4.5 THIẾT KẾ CƠ CẤU QUÉT TƯỜNG 47 4.5.1 Thiết kế hình dáng, kết cấu 47 4.5.2 Tính chọn động cơ dẫn động cơ cấu chổi quét. 48 Chương 5 50 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT 50 5.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT. 50 5.2 SỰ TRƯỢT CỦA BÁNH ĐAI (XÍCH) KHI ROBOT CHUYỂN HƯỚNG. 54 Chương 6 56 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng viii HVTH: Hồ Minh Phương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 56 6.1 CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ XÁC ĐỊNH CHỨC NĂNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN. 56 6.2 THIẾT KẾ MẠCH 60 6.2.1 IC SM6136 60 6.2.2 IC SM 6135 61 6.2.3 Cách kiểm tra IC Phát mã lệnh (SM6136) và IC chấp hành (SM6135). 62 6.2.4 Mạch phát sóng vô tuyến điều khiển năm chức năng 63 6.2.5 Mạch thu sóng vô tuyến điều khiển năm chức năng 64 6.2.6 Hoạt động của cầu khuếch đại dùng để cấp dòng cho các motor DC 66 6.3 LẮP MẠCH VÀ KIỂM TRA 68 Chương 7 69 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 7.1 KẾT LUẬN 69 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 1 73 PHỤ LỤC 2 74 PHỤ LỤC 3 75 PHỤ LỤC 4 76 PHỤ LỤC 5 77 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng ix HVTH: Hồ Minh Phương DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1 Các thông số đặc trưng của robot City-Climber. 14 Bảng 2.1: Kết quả mô phỏng đĩa hút. 25 Bảng 3.1: Kết quả mô phỏng cơ cấu hút. 32 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng x HVTH: Hồ Minh Phương DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1. Người giúp việc đang lau cửa kính trong một tòa nhà. 1 Hình 1.2. Công nhân đang sơn tường cho một tòa nhà 2 Hình 1.3. Robot lau kính nhà cao tầng. 2 Hình 1.4. Các kiểu kế của Robot City-Climber. 3 Hình 1.5. Robot stickybot 4 Hình 1.6. Robot Rise. 4 Hình 1.7. Robot ROCR. 5 Hình 1.8: Bốn kiểu robot do Amir Shapiro thiết kế 6 Hình 2.1: Không khí chuyển động trong ống dẫn. 9 Hình 2.2: Hình dáng, kích thước của đĩa hút 11 Hình 3.1: Cơ cấu hút được cấp khí vào từ mặt bên 16 Hình 3.2: Mô hình hóa thể hiện kết cấu bên trong cơ cấu hút. 17 Hình 3.3: Mô hình hóa lưu chất bên trong cơ cấu hút 18 Hình 3.4: Cửa sổ workbench cho phép chọn mô đun làm việc 18 Hình 3.5: Chia lưới cho khối lưu chất bên trong cơ cấu hút. 19 Hình 3.6: Cửa sổ khai báo thuộc tính của chất lưu. 19 Hình 3.7: Cửa sổ khai báo áp suất ngõ vào, cường độ rối và đường kính thủy lực. 20 Hình 3.8: Cửa sổ khai báo áp suất ngõ ra, cường độ rối và đường kính thủy lực. 20 Hình 3.9: Cửa sổ khai báo số bước lặp và giải bài toán 20 Hình 3.10: Trường phân bố áp suất trên mặt đối xứng. 21 Hình 3.11: Trường phân bố vận tốc trên mặt đối xứng 21 Hình 3.12: Sản phẩm cơ cấu hút sau khi được gia công. 22 Hình 3.13: Thử nghiệm cơ cấu hút 22 Hình 3.14: Cấu tạo của một cơ cấu hút. 23 Hình 3.15: Cấu tạo của một cơ cấu hút đã được cải tiến 24 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng xi HVTH: Hồ Minh Phương Hình 3.16: Phân bố áp suất trên mặt đối xứng. 25 Hình 3.17: Phân bố véc tơ vận tốc trên mặt đối xứng 26 Hình 3.18: Phương án thay đổi vị trí đặt chốt điều chỉnh theo phương đứng 28 Hình 3.19: Phương án thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương ngang 29 Hình 3.20: Phương án thay đổi hình dáng miệng vòi 31 Hình 3.21: Cơ cấu hút được sử dụng cho robot leo tường. 33 Hình 4.1: các kiểu bánh xe tiêu chuẩn 35 Hình 4.2: biểu diễn các kiểu bánh xe đa hướng. 36 Hình 4.3: giả định hệ thống bánh dẫn cho robot. 37 Hình 4.4: Phân tích lực khi robot đang leo tường. 40 Hình 4.5: Phân tích lực khi robot đang leo tường. 42 Hình 4.6: Minh họa bộ truyền trục vít – bánh vít 43 Hình 4.7: Hình dáng thân Robot 43 Hình 4.8: Mặt dưới thân Robot. 43 Hình 4.9: Cơ cấu hút tường. 44 Hình 4.10: Thanh kẹp cơ cấu 45 Hình 4.11: Thân robot được lắp cơ cấu hút 45 Hình 4.12: Sơ đồ hệ dẫn động cho robot 45 Hình 4.13: Sơ đồ phân tích lực khi robot đang leo tường. 46 Hình 4.14: Cơ cấu quét tường được lắp vào thân robot. 50 Hình 4.15: Sơ đồ hệ dẫn động cho cơ cấu quét tường. 50 Hình 5.1: Phân tích động học trên Robot. 54 Hình 5.2: Vận tốc bên trái và bên phải 55 Hình 5.3: Phương chiều vận tốc trượt đai (xích) 58 Hình 6.1: Remote điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại 60 Hình 6.2: Điều khiển từ xa bằng sóng RF tắt/mở 12 thiết bị. 62 Hình 6.3: Sơ đồ khối chức năng IC SM6136 mã hóa 5 chức năng 63 Hình 6.4: Sơ đồ khối chức năng IC SM6135 giải mã 5 chức năng 64 Hình 6.5: Cách kiểm tra IC thu và phát 5 chức năng. 65 Hình 6.6: Mạch phát sóng vô tuyến điều khiển 5 chức năng. 66 Hình 6.7: Mạch thu sóng vô tuyến điều khiển 5 chức năng 68 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng xii HVTH: Hồ Minh Phương Hình 6.8: Mạch khuyếch đại cấp dòng điều khiển motor quay qua trái. 70 Hình 6.9: Mạch khuyếch đại cấp dòng điều khiển motor quay qua phải 71 Hình 6.10: Hình dáng và kết cấu Robot leo tường 72 Hình 6.11: Robot leo tường ở lần chạy thử 72 Hình 6.12: Robot chạy dưới mặt bàn ở lần chạy thử 72 Hình PL5.1: Biểu diễn quá trình máy nén khí bơm lên đạt áp suất 7 kgf/ cm 3 82 Hình PL5.2: Biểu diễn quá trình xả khí qua cơ cấu hút để áp suất tuột xuống 4kg/ cm 3 82 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng xiii HVTH: Hồ Minh Phương DANH SÁCH CÁC ĐỒ THỊ ĐỒ THỊ TRANG Đồ thị 2.1: Phân bố áp suất trên bề mặt đĩa 13 Đồ thị 3.1: Lưu lượng và lực hút sinh của cơ cấu hút với thiết kế ban đầu và sau khi cải tiến về tính công nghệ trong kết cấu. 27 Đồ thị 3.2: Lưu lượng và lực hút sinh ra của cơ cấu hút với phương án thay đổi vị trí đặt chốt điều chỉnh theo phương đứng. 28 Đồ thị 3.3: Kết quả mô phỏng lực hút của 3 kiểu đặt vòi theo phương ngang 30 Đồ thị 3.4: Kết quả mô phỏng lưu lượng của 3 kiểu đặt vòi theo phương ngang.30 Đồ thị 3.5: Lưu lượng và lực hút sinh ra của cơ cấu hút với phương án thay đổi hình dáng miệng vòi 32 Đồ thị 3.6: Giá trị lực hút tại những khoảng hở tường khác nhau 33 Đồ thị 3.7: Giá trị lực hút tại những khoảng hở tường khác nhau 34 . Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng iv HVTH: Hồ Minh Phương TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot di động có khả năng leo. PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHO THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM. 11 2.2.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 12.0 11 2.2.2 Kết quả mô phỏng cho thiết kế thử nghiệm 12 Chương 3 14 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo. 34 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 1 HVTH: Hồ Minh Phương Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU