Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ ROBOT PHỤC VỤ CHO VIỆC CẮT CỎ NỀN DESIGN OF ROBOTIC LAWN MOWER Trọng Tuấn, 1,bNguyễn Trường Thịnh Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM a nguyentrongtuan778@gmail.com; bthinhnt@hcmute.edu.vn 1,aNguyễn TÓM TẮT Trong báo đề cập đến việc nghiên cứu thiết kế chế tạo Robot cắt cỏ với mục tiêu giúp giảm thời gian công sức người việc cắt cỏ Robot cắt cỏ thiết kế với phận cắt dẫn động động đốt trong, cấu di chuyển bao gồm hai bánh chủ động nằm phía sau Robot dẫn động hai động điện chiều hai bánh tự lựa nằm phía trước Dao cắt bao bọc máng thu gom Cỏ sau cắt giữ lại máng thu gom Hướng di chuyển Robot kiểm soát điều khiển thông qua hệ thống cảm biến la bàn số Vùng hoạt động Robot giới hạn điện trường phát cảm biến điện trường Kết đạt thiết kế Robot có khả tự di chuyển thực trình cắt cỏ, tỷ lệ diện tích cỏ Robot cắt đạt yêu cầu kỹ thuật từ 60% - 85% Từ khóa: Robot dịch vụ, Robot cắt cỏ, cắt cỏ, Robot di động, Robot bánh xe ABSTRACT This paper is shown the designed structure of grass-cutting robot (Robotic lawn-mower) The robot uses an internal combustion engine Two driving and two caster wheels drive the movements to generate trajectory of cutting the grass The robot has the ability to collect grass after cutting them Directions of robotic lawn-mower are controlled by a digital compass sensor combining with limited by the power wire and magnetic sensors The result of this study is that robot has the ability to self-moving and cut 60% to 85% grass area Keywords: service robot, lawn-cutting, robotic lawn-mower, mobile robot, wheel robot GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Thiên nhiên lành tạo cảm giác thoải mái cho người sống làm việc Môi trường thoáng đãng nhu cầu thiết yếu với sống người Những công trình tiện nghi đại, bề thế, tọa lạc cảnh quan thiên nhiên tạo nên nét đẹp hài hòa mặt kiến trúc, thân thiện với môi trường, giúp cho người có cảm giác thư giãn sảng khoái Trong cảnh quan thiên nhiên ấy, diện tích chiếm chủ yếu cỏ làm Cỏ chiếm diện tích lớn công trình xanh, chúng nâng cao mỹ quan chung sở hạ tầng Việc chăm sóc cỏ để giữ vẻ đẹp sức sống cỏ cần thiết, đó cắt cỏ khâu quan trọng Công việc thực nhiều lần, lặp lặp lại, không gian làm việc trời, việc sử dụng máy cắt cỏ tạo nhiều tác hại trực tiếp lên người lao động tiếng ồn, độ rung, nhiệt độ, khí thải độc hại,… làm sức khỏe người lao động suy giảm Các yếu tố nguyên nhân gây làm giảm sức lao động gây nên nhiều bệnh lâu dài cho người lao động cắt cỏ Bài báo trình bày kết đạt thiết kế Robot nhằm thay người thực công việc cắt cỏ 1.2 Tình hình nghiên cứu Hiện nước loại thiết bị, công cụ dùng để cắt cỏ sử dụng nước ta dừng lại mức độ loại máy cắt cỏ dạng cầm tay, hoặc có bánh xe để người đẩy điều khiển máy cắt cỏ di chuyển Hình 13 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 1: Các loại máy cắt cỏ thông dụng nước Với thực trạng trên, việc nghiên cứu chế tạo Robot cắt cỏ có khả tự di chuyển độc lập để thay người công việc cắt cỏ cần thiết [1,2] Nó giải vấn đề thuê nhân công cho việc cắt cỏ, giúp người chăm sóc cỏ tránh tác hại từ loại máy cắt cỏ cầm tay gây như: nhức mỏi độ rung máy cắt, hít khí thải độc hại từ máy nổ, tai nạn lưỡi cắt gây ra,… Ngoài ra, Robot cắt cỏ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cỏ sau cắt tốt không có tác động chủ quan từ người hoạt động Vì vậy, Robot cắt cỏ đem lại hiệu kinh tế, nâng cao tính thẩm mỹ làm chất lượng cỏ tốt hơn, hết nó đem lại tính chuyên nghiệp nhiều so với phương pháp chăm sóc cỏ thủ công khác 1.2 Cấu trúc tổng quát Robot cắt cỏ Cấu trúc tổng quát Robot cắt cỏ trình bày Hình bao gồm phận phận khung đế, phận cắt, phận thay đổi chiều cao cắt, phận thu gom,… Bộ phận khung đế giữ vai trò việc di chuyển Robot suốt trình cắt Đây phận để gá lắp phận khác Robot Bộ phận cắt thực chức cắt cỏ Bộ phận cắt cần phải đảm bảo yếu tố kỹ thuật để cắt cỏ, tránh không cho cỏ vào gây kẹt lưỡi cắt làm tiêu hao lượng, cần phải dễ tháo lắp, dễ thay lưỡi cắt, dễ chế tạo, điều chỉnh độ cao cắt Bộ phận thay đổi chiều cao cắt thiết kế để nâng hoặc hạ phận thu gom phận cắt nhằm điều chỉnh độ cao cắt cỏ, để đạt chiều cao cỏ sau cắt tùy theo nhu cầu Bộ phận thu gom thực chức thu gom cỏ cắt Bộ phận thu gom cần có yêu cầu tốc độ thu gom nhanh để tránh ùn tắc cỏ cho phận cắt, làm lưỡi cắt trình thu gom, tránh tượng cỏ sau cắt vương vãi khắp nơi hoặc cỏ bám dính vào phận khác làm cản trở hoạt động Robot cắt cỏ NĂNG LƯỢNG BỘ PHẬN KHUNG ĐẾ BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN CỎ CHƯA CẲT BỘ PHẬN CẮT BỘ PHẬN THAY ĐỔI CHIỀU CAO CẮT BỘ PHẬN THU GOM CỎ ĐÃ CẲT Năng lượng Vật liệu Tín hiệu Hình 2: Cấu trúc tổng quát Robot cắt cỏ 14 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ CƠ KHÍ Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động Robot cắt cỏ Sơ đồ động Robot cắt cỏ thể Hình Với dao cắt có dạng lắp trực tiếp vào trục động cắt, che chắn máng thu gom Khi cắt, máng thu gom có nhiệm vụ ngăn vật cản lớn lọt vào vùng cắt, đồng thời thu gom cỏ cắt thoát đảm bảo an toàn cho môi trường xung quanh Máng thu gom, động cắt dao cắt lắp chặt với liên kết với cấu thay đổi độ cao cắt để điều chỉnh độ cao cắt cỏ Cơ cấu thay đổi độ cao cắt gồm trục vít có ren ngược hai đầu, liên kết với tay nâng hạ trước sau qua liên kết bulong Hai tay nâng liên kết với máng thu gom qua khớp xoay, liên kết với khung đỡ qua rãnh trượt Khi xoay trục vít, máng thu gom dao nâng lên hoặc hạ xuống làm thay đổi chiều cao lưỡi cắt Bộ khung Robot lắp bốn bánh xe Hai bánh xe dẫn động phía sau có chuyển động độc lập thông qua hai động truyền động hai bánh xe tự lựa phía trước ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 3.1 Động học cho Robot Hình 4: Mô hình động học Robot Hình trình bày mô hình động học Robot Cấu trúc Robot bao gồm: khung Robot, hai bánh chủ động (bánh truyền chuyển động) nằm phía sau xe, hai bánh chủ động điều khiển độc lập hai động điện chiều, hai bánh bị động dạng tự lựa hướng theo hai bánh chủ động nằm phía trước xe, hai bánh bị động giúp cho xe di chuyển cân Giả thiết rằng, hai bánh chủ động có bán kính r cách khoảng 2b, trọng tâm Robot cắt cỏ nằm điểm C tâm hình học Robot cắt cỏ, tâm quay Robot cắt cỏ điểm P giao đường thẳng qua Robot theo phương từ trước đến sau trục hai bánh lái xe, khoảng cách hai điểm C P ký hiệu d, Pa điểm theo dõi gắn liền với Robot cắt cỏ có tọa độ (Xa,Ya) cách điểm P khoảng La Vị trí Robot cắt cỏ hệ tọa độ toàn cục XOY quy định vector T q xP yP Trong đó 𝑥𝑃 , 𝑥𝑃 tọa độ điểm P hệ tọa độ toàn cục ∅ hướng hệ tọa độ cục X0PY0 gắn với mặt sàn Robot cắt cỏ 15 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Xem xét hệ thống Robot có không gian cấu hình n chiều với vector tọa độ tổng T q xP yP Robot có m ràng buộc công thức sau: A q q (1) Trong đó: 𝐴(𝑞) ∈ 𝑅 𝑚 x 𝑛 ma trận liên quan với các ràng buộc nonholonomic 𝑆(𝑞) ∈ 𝑅 𝑛 x (𝑛−𝑚) định nghĩa ma trận xếp hạng, hình thành tập hợp trường hợp vector trơn tru tuyến tính độc lập, bao trùm không gian giá trị 𝐴(𝑞) Như vậy, kết phép nhân ma trận viết sau: A q S q (2) Gọi 𝑧 ∈ 𝑅 𝑚 x 𝑛 vector vận tốc Vector vị trí điểm trọng tâm Robot cắt cỏ 𝐶(𝑥𝐶 , 𝑦𝐶 ) hệ tọa độ Decac XOY định nghĩa là: qC xC yC C T (3) Với giả thuyết bánh xe lái lăn hoàn toàn không trượt Đối với Robot cắt cỏ có ràng buộc nonholonomic (m = 3) viết sau: xP Sin yP Cos q xP yP rw (4) lw T (5) xP Cos yP Sin b. r.lw (6) Từ (4), (5), (6), ma trận ràng buộc biểu thức (1) viết lại: Sin A q Cos Cos Và q xP Cos 0 Sin b r Sin b yP rw lw T 0 r (7) (8) Ma trận không gian 𝑆(𝑞) 𝐴(𝑞) vào biểu thức (2) là: c.b.Cos c.b.Cos c.b.Sin c.b.Sin S q c c Với: c r 2b 𝜃̇𝑟𝑤 : vận tốc góc bánh phải 𝜃̇𝑙𝑤 : vận tốc góc bánh trái 16 (9) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Từ ràng buộc biểu thức (1), tồn vector vận tốc góc: z ωrw Như vậy: ωlw rw lw T T (10) q S q z t (11) 3.2 Động lực học cho Robot Robot cắt cỏ có hai bánh xe lái lắp phía sau hai bánh xe tự lựa phía trước Hai bánh xe lái điều khiển độc lập hai động truyền động để đạt hai trình chuyển động điều khiển hướng Vị trí Robot di động toạ độ toàn cục XOY xác định vị trí trọng tâm khối lượng Robot cắt cỏ, ký hiệu C, hoặc xác định vị trí P góc ∅ Động toàn Robot cắt cỏ xác định phương trình sau: K Kl Kr Krwm Kt (12) Trong đó: 𝐾𝑙 : động chuyển động thẳng Robot cắt cỏ 𝐾𝑟 : động chuyển động quay Robot cắt cỏ chuyển hướng 𝐾𝑟𝑤𝑚 : động chuyển động quay hai bánh xe truyền động roto động DC 𝐾𝑡 : động chuyển động xoay trục động cắt dao cắt Giá trị động tính theo công thức (13), (14), (15) Kl 1 M vc2 M xc2 yc2 2 (13) 2 K r I w (14) 1 2 K rwm I w rw I w lw2 I w rw lw2 2 Kt I t t2 (15) (16) Trong đó: M: khối lượng Robot 𝐼𝑃 : momen quán tính Robot trục thẳng đứng qua tâm P 𝐼𝑤 : momen quán tính bánh xe cộng với roto động trục bánh xe 𝐼𝑡 : momen quán tính của trục động cắt dao cắt 𝜃̇𝑡 : vận tốc góc dao cắt Bên cạnh đó ta có vận tốc dài Robot cắt cỏ điểm P tính theo vận tốc góc bánh xe thì tính theo công thức: (17) (18) r xP rw lw Cos r yP rw lw Sin 17 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV r rw lw 2.b (19) Ta có mối liên hệ vận tốc dài Robot điểm P C sau: xC xP d Sin yC yP d Cos Từ đó suy ra: (20) (21) r xC rw lw Cos d Sin r yC rw lw Sin d Cos Thế tất công thức (13) đến (21) vào công thức (12) ta có tổng động Robot cắt cỏ tính theo công thức sau: M r I P M d r I M r I P M d r I w K rw ,lw ,t w lw2 rw 8.r 2 8.r 2 M r I P M d r rw lw I t t2 b (22) Qua phép biến đổi Lagrange, ta công thức xác định ngoại lực tác động vào Robot cắt cỏ sau: d K K rw (1. rw rc ) dt rw rw (23) d K K lw (1.lw lc ) dt lw lw (24) d K K t (2 t tc ) dt t t (25) Trong đó: 𝜏𝑟𝑤 : momen xoắn bánh phải 𝜏𝑙𝑤 : momen xoắn bánh trái 𝜏𝑡 : momen xoắn trục động cắt 𝜆1 𝜃̇𝑟𝑤 : momen xoắn ma sát động phải 𝜆1 𝜃̇𝑙𝑤 : momen xoắn ma sát động trái 𝜆2 𝜃̇𝑡 : momen xoắn ma sát động cắt 𝜏𝑟𝑐 : momen xoắn ngoại lực tác động lên bánh phải 𝜏𝑙𝑐 : momen xoắn ngoại lực tác động lên bánh trái 𝜏𝑡𝑐 : momen xoắn ngoại lực tác động lên động cắt 18 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Sau biến đổi Lagrange, ta có phương trình động lực học Robot cắt cỏ sau: ¨ ¨ A. rw B. lw rw 1. rw rc ¨ (26) ¨ B. rw A. lw lw (1.lw lc ) (27) ¨ It t (1 t ) t (2 t tc ) (28) Trong đó: M r I P M d r A I w 4.b2 M r I P M d r B 4.b THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN Hệ thống điện gồm vi điều khiển trung tâm để thực trình điều khiển Hình Chương trình điều khiển nạp lưu vi điều khiển Đồng thời, vi điều khiển có chức thu thập thông tin từ cảm biến la bàn số cảm biến điện trường để tiến hành xử lý phương di chuyển xác định biên dạng diện tích cần cắt cỏ [3-5] Vi điều khiển kết nối với hai vi điều khiển phụ để truyền tải, trao đổi liệu Hai vi điều khiển phụ có chức điều khiển hai mạch công suất hai động truyền động đọc tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc Nguồn điện cho vi điều khiển, mạch phát thu tín hiệu cung cấp nguồn điện DC 5V, lượng cho động truyền động nguồn điện DC 24V cấp từ Acquy Tín hiệu điều khiển Đường lượng BỘ THU TÍN HIỆU ĐIỆN TRƯỜNG CẢM BIẾN LABAN VI ĐIỀU KHIỂN CHÍNH PIN 5V VI ĐIỀU KHIỂN PHỤ VI ĐIỀU KHIỂN PHỤ MẠCH CÔNG SUẤT MẠCH CÔNG SUẤT DC SERVO MOTOR DC SERVO MOTOR ENCODER ENCODER AC QUY 24V Hình 5: Hệ thống điện Robot cắt cỏ 19 BỘ PHÁT TÍN HIỆU ĐIỆN TRƯỜNG Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Trên Hình trình bày kết thiết kế chế tạo Robot cắt cỏ hoàn chỉnh, thông số đặc tính kỹ thuật Robot cắt cỏ trình bày Bảng a Hình chiếu trục đo b Hình chiếu đứng c Hình chiếu d Kết chế tạo Hình 6: Kết thiết kế chế tạo Bảng 1: Thông số kỹ thuật Robot cắt cỏ thiết kế Kích thước máy 990 x 720 x 560 Trọng lượng 60 kg Chiều cao cỏ cắt 10 – 80 Loại cỏ Thích hợp với nhiều loại cỏ Ngăn nước Làm việc điều kiện khô Động cắt Sử dụng xăng, Công suất 2,9 Kw Dao cắt Dạng thanh, xoay tròn Tốc độ quay tối đa dao 3700 vòng/phút, Độ rộng cắt 500 Động điện truyền động Nguồn DC 24 V/ 114 AH Công suất 240 W Tốc độ di chuyển tối đa 25 m/ phút 20 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết thực nghiệm giá trị trả cảm biến la bàn di chuyển thẳng theo thời gian với giá trị thiết lập 700 thể đồ thị Hình góc lệch Robot chuyển hướng so với phương thiết lập ban đầu tương ứng với số lần thực nghiệm thể đồ thị Hình Hình 7: Biểu đồ giá trị trả la bàn theo thời gian thẳng Hình 8: Đồ thị góc lệch chuyển hướng Chất lượng cỏ sau cắt ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng phát triển cỏ Nếu chiều dày thảm cỏ cỏ gốc thân không có để cỏ quang hợp với ánh sáng mặt trời Vì vậy, cỏ cắt cho thân cỏ cần phải lại độ cao hợp lý để cỏ có thân để phát triển Xu hướng cỏ phát triển theo chiều cao, theo phương ngang thì phát triển hơn, đó cỏ tiếp xúc ánh nắng mặt trời Do vậy, cắt cỏ, bề mặt thảm cỏ cần sẽ, thân cỏ không bị đè nằm ngang mặt đất mà phải thẳng đứng để thân tiếp xúc với ánh sáng mặt trời Để tạo nét đẹp chung toàn thảm cỏ bề mặt thảm cỏ cần phải sạch, độ cao cỏ phải Với yêu tố phân tích trên, chất lượng bề mặt thảm cỏ đánh giá yếu tố: tỷ lệ phần trăm cỏ đạt độ cao theo yêu cầu sau lần cắt, tỷ lệ phần trăm diện tích cỏ sạch, tỷ lệ phần trăm cỏ bị tưa sợi dập nát Để đánh giá theo tiêu chí này, ta tiến hành chọn ngẫu nhiên phần diện tích cắt thảm cỏ, tiến hành đo đạc độ cao cỏ so sánh với chiều cao yêu cầu 21 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV sau lần thực nghiệm với độ sai lệch 5% đạt yêu cầu Qua trình thực nghiệm đo đạc, ta có giá trị trung bình tỷ lệ độ cao đạt theo yêu cầu mà Robot cắt cỏ đạt 75% Tỷ lệ phần trăm diện tích cỏ tính toán diện tích cỏ cắt không bị phần cỏ bị đứt đè lên Qua trình thực nghiệm đo đạt, ta có giá trị trung bình tỷ lệ diện tích cỏ mà Robot cắt cỏ đạt 70% Với giá trị cho ta thấy, lưỡi cắt vùng cắt Robot bị xáo trộn cỏ cắt Đồng thời, kết hợp máng thu gom dao tốt nên cỏ nhanh chóng thoát khỏi vùng cắt bị cắt Khi khỏi vùng cắt, phần cỏ bị cắt nằm hàng tương đối gọn thuận tiện cho việc thu gom đưa xử lý dễ dàng, cỏ cắt bị người lao động giẫm đạp nên độ cao cỏ hơn, so với việc cắt cỏ người Thời gian cắt chịu ảnh hưởng lớn tốc độ di chuyển tốc độ dao cắt Robot cắt cỏ thiết kế với tốc độ tối đa 30 m/phút Tốc độ di chuyển so với tốc độ di chuyển người lao động cắt cỏ máy cắt cầm tay (20 25 m/phút) thì cao hơn, so với tốc độ di chuyển người lao động cắt cỏ máy cắt đẩy tay (20 – 40 m/phút) thuộc mức trung bình Tuy nhiên, xét mặt nhân công, diện tích cắt, Robot cắt cỏ sử dụng nhân công cho trình cắt thu gom cỏ xử lý, so với cắt cỏ theo phương pháp truyền thống công việc cắt thu gom phải nhân công Hiệu suất cắt đánh giá theo tỉ lệ phần trăm diện tích cỏ cắt tổng diện tích thảm cỏ cắt Hiệu suất cắt cỏ trung bình Robot: 72% KẾT LUẬN Sau trình thiết kế, chế tạo Robot hoàn thành nhiệm vụ đề Đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo điều khiển Robot Robot có khả cắt thu gom cỏ thay người Phát giới hạn biên Tự điều khiển hoạt động di chuyển thực trình cắt hết diện tích thảm cỏ Đề tài góp phần tạo thêm tảng ban đầu cho nước nhà đề tài nghiên cứu Robot cắt cỏ Trong đề tài có thay đổi phần khí phần định hướng di chuyển cho Robot trình hoạt động cắt cỏ so với đề tài giới nghiên cứu đó là: Robot thiết kế với kiểu dáng công nghiệp nhằm phục vụ cho việc tự động hóa trình cắt cỏ với quy mô công nghiệp Trong nghiên cứu trước đó phần lớn nghiên cứu thiết kế phục vụ cho nhu cầu hộ gia đình; Hệ thống cảm biến định hướng cho Robot để cắt hết diện tích thảm cỏ áp dụng phương pháp dùng cảm biến la bàn để xác định phương ổn định hướng cho Robot TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Fabrizio Bernini, Lawn-mower, European patent application, Lanzoni, Luciano et al, EP 082 638 A1, 29.07.2009 [2] Janusz Będkowski, mobile robot, control architectures, biointerfacing, navigation, multi, robot motion planning and operator training, InTech, 2011 [3] J Borenstein, H R Everett, and L Feng, Sensors and Methods forMobile Robot Positioning, Prepared by the University of Michigan, For the Oak Ridge National Lab (ORNL) D&D Program and the United States Department of Energy's Robotics Technology Development Program, 1996 [4] Raymond J Rafaels, Method of guiding a robotic Lawnmower, United States patent,Relate U.S Data, 777 785, 18.10.1988 [5] Thomas M, Robotic mower housing and robotic mower, DEERE & COMPANY, Moline, Illinois 61265-8098 (US)1.1,EP 412 219 B1,01.02.2012 22 ... đó là: Robot thiết kế với kiểu dáng công nghiệp nhằm phục vụ cho việc tự động hóa trình cắt cỏ với quy mô công nghiệp Trong nghiên cứu trước đó phần lớn nghiên cứu thiết kế phục vụ cho nhu... công việc cắt thu gom phải nhân công Hiệu suất cắt đánh giá theo tỉ lệ phần trăm diện tích cỏ cắt tổng diện tích thảm cỏ cắt Hiệu suất cắt cỏ trung bình Robot: 72% KẾT LUẬN Sau trình thiết kế, ... Robot cắt cỏ đạt 70% Với giá trị cho ta thấy, lưỡi cắt vùng cắt Robot bị xáo trộn cỏ cắt Đồng thời, kết hợp máng thu gom dao tốt nên cỏ nhanh chóng thoát khỏi vùng cắt bị cắt Khi khỏi vùng cắt,