THIẾT kế ROBOT PHỤC vụ CHO VIỆC cắt cỏ nền

Robot cắt cỏ được thiết kế với bộ phận cắt được dẫn động bằng động cơ đốt trong, cơ cấu di chuyển bao gồm hai bánh chủ động nằm phía sau của Robot được dẫn động bằng hai động cơ điện một

THIẾT KẾ ROBOT PHỤC VỤ CHO VIỆC CẮT CỎ NỀN

DESIGN OF ROBOTIC LAWN MOWER

1,a Nguyễn Trọng Tuấn, 1,b Nguyễn Trường Thịnh

a nguyentrongtuan778@gmail.com; b thinhnt@hcmute.edu.vn

TÓM TẮT

Trong bài báo này đề cập đến việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo Robot cắt cỏ với mục tiêu giúp giảm thời gian và công sức của con người trong việc cắt cỏ nền Robot cắt cỏ được thiết kế với bộ phận cắt được dẫn động bằng động cơ đốt trong, cơ cấu di chuyển bao gồm hai bánh chủ động nằm phía sau của Robot được dẫn động bằng hai động cơ điện một chiều và hai bánh tự lựa nằm phía trước Dao cắt được bao bọc bởi máng thu gom Cỏ sau khi cắt được giữ lại trong máng thu gom Hướng di chuyển của Robot được kiểm soát và điều khiển thông qua hệ thống cảm biến

la bàn số Vùng hoạt động của Robot được giới hạn bởi điện trường và được phát hiện bởi cảm biến điện trường Kết quả đạt được của thiết kế là Robot có khả năng tự di chuyển thực hiện quá trình cắt cỏ, tỷ lệ diện tích cỏ Robot đã cắt được 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

1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Thiên nhiên trong lành luôn tạo cảm giác thoải mái cho con người sống và làm việc Môi trường sạch sẽ thoáng đãng luôn là nhu cầu thiết yếu với cuộc sống của con người Những công trình tiện nghi hiện đại, bề thế, tọa lạc trên một cảnh quan thiên nhiên tạo nên một nét đẹp hài hòa về mặt kiến trúc, thân thiện với môi trường, giúp cho con người có cảm giác được thư giãn và sảng khoái Trong cảnh quan thiên nhiên ấy, diện tích chiếm chủ yếu là cỏ làm nền Cỏ nền chiếm diện tích lớn trong các công trình xanh, chúng nâng cao mỹ quan chung của cơ sở

hạ tầng Việc chăm sóc cỏ để giữ được vẻ đẹp và sức sống của cỏ là rất cần thiết, trong đó cắt

cỏ là một trong các khâu quan trọng Công việc này được thực hiện nhiều lần, lặp đi lặp lại, không gian làm việc ngoài trời, việc sử dụng máy cắt cỏ tạo ra nhiều tác hại trực tiếp lên người lao động như tiếng ồn, độ rung, nhiệt độ, khí thải độc hại,… làm sức khỏe của người lao động suy giảm Các yếu tố trên là nguyên nhân gây làm giảm sức lao động và gây nên nhiều căn bệnh về lâu dài cho người lao động cắt cỏ Bài báo trình bày các kết quả đạt được của thiết kế Robot nhằm thay thế con người thực hiện công việc cắt cỏ nền

1.2 Tình hình nghiên cứu

Hiện nay trong nước các loại thiết bị, công cụ dùng để cắt cỏ đã và đang sử dụng ở nước

ta chỉ dừng lại ở mức độ các loại máy cắt cỏ dạng cầm tay, hoặc có bánh xe để con người có

thể đẩy và điều khiển máy cắt cỏ di chuyển như Hình 1

Hình 1: Các loại máy cắt cỏ thông dụng trong nước

Với thực trạng trên, việc nghiên cứu và chế tạo một Robot cắt cỏ có khả năng tự di chuyển độc lập để thay thế con người trong công việc cắt cỏ là hết sức cần thiết [1,2] Nó giải quyết vấn đề về thuê nhân công cho việc cắt cỏ, giúp người chăm sóc cỏ tránh tác hại từ các loại máy cắt cỏ cầm tay gây ra như: nhức mỏi do độ rung của máy cắt, hít khí thải độc hại từ máy nổ, tai nạn do lưỡi cắt gây ra,… Ngoài ra, Robot cắt cỏ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của cỏ sau khi cắt tốt hơn do không có các tác động chủ quan từ con người khi hoạt động Vì vậy, Robot cắt cỏ sẽ đem lại hiệu quả về kinh tế, nâng cao tính thẩm mỹ và làm chất lượng cỏ tốt hơn, và hơn hết nó đem lại tính chuyên nghiệp hơn rất nhiều so với các phương pháp chăm sóc cỏ thủ công khác

1.2 Cấu trúc tổng quát của Robot cắt cỏ

Cấu trúc tổng quát của Robot cắt cỏ được trình bày trên Hình 2 bao gồm các bộ phận

chính như bộ phận khung đế, bộ phận cắt, bộ phận thay đổi chiều cao cắt, bộ phận thu gom,…

Bộ phận khung đế giữ vai trò trong việc di chuyển Robot trong suốt quá trình cắt Đây là bộ phận để gá lắp các bộ phận khác của Robot

Bộ phận cắt thực hiện chức năng cắt cỏ Bộ phận cắt cần phải đảm bảo yếu tố kỹ thuật

để có thể cắt được cỏ, tránh không cho cỏ cuốn vào gây kẹt lưỡi cắt làm tiêu hao năng lượng, cần phải dễ tháo lắp, dễ thay thế lưỡi cắt, dễ chế tạo, điều chỉnh được độ cao cắt

Bộ phận thay đổi chiều cao cắt được thiết kế để nâng hoặc hạ bộ phận thu gom và bộ phận cắt nhằm điều chỉnh độ cao cắt cỏ, để đạt chiều cao cỏ sau khi cắt tùy theo nhu cầu

Bộ phận thu gom thực hiện chức năng thu gom cỏ đã được cắt Bộ phận thu gom cũng cần có những yêu cầu về tốc độ thu gom nhanh để tránh ùn tắc cỏ cho bộ phận cắt, làm sạch được lưỡi cắt trong quá trình thu gom, tránh hiện tượng cỏ sau khi cắt vương vãi khắp nơi hoặc cỏ bám dính vào các bộ phận khác làm cản trở hoạt động của Robot cắt cỏ

BỘ PHẬN CẮT

BỘ PHẬN KHUNG ĐẾ BỘ PHẬN ĐIỀU BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂNKHIỂN NĂNG LƯỢNG

CỎ CHƯA CẲT

CỎ ĐÃ CẲT

BỘ PHẬN THU GOM

BỘ PHẬN THAY ĐỔI CHIỀU CAO CẮT

Năng lượng Vật liệu Tín hiệu

Hình 2: Cấu trúc tổng quát của Robot cắt cỏ

2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Robot cắt cỏ

Sơ đồ động của Robot cắt cỏ được thể hiện trên Hình 3 Với dao cắt có dạng thanh

được lắp trực tiếp vào trục chính của động cơ cắt, được che chắn bởi máng thu gom Khi cắt, máng thu gom có nhiệm vụ ngăn các vật cản lớn lọt vào vùng cắt, đồng thời thu gom cỏ đã cắt thoát ra ngoài và đảm bảo an toàn cho môi trường xung quanh Máng thu gom, động cơ cắt và dao cắt được lắp chặt với nhau và liên kết với cơ 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 nhau ở hai đầu, được liên kết với các tay nâng hạ trước và sau qua các liên kết bulong Hai tay nâng được liên kết với máng thu gom qua khớp xoay, liên kết với khung đỡ qua các rãnh trượt Khi xoay trục vít, máng thu gom và dao được nâng lên hoặc hạ xuống làm thay đổi chiều cao lưỡi cắt Bộ khung của Robot được lắp trên bốn bánh xe Hai bánh xe dẫn động phía sau có chuyển động độc lập thông qua hai động cơ truyền động và hai bánh xe tự lựa phía trước

3 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT

3.1 Động học cho Robot

Hình 4: Mô hình động học của Robot Hình 4 trình bày mô hình động học của Robot Cấu trúc của Robot bao gồm: khung

Robot, hai bánh chủ động (bánh truyền chuyển động) nằm ở phía sau xe, hai bánh chủ động được điều khiển độc lập bằng hai động cơ điện một chiều, hai bánh bị động dạng tự lựa hướng

đi theo hai bánh chủ động nằm ở phía trước xe, hai bánh bị động giúp cho xe di chuyển cân bằng Giả thiết rằng, hai bánh chủ động có cùng bán kính r và cách nhau một khoảng là 2b, trọng tâm của Robot cắt cỏ nằm ở điểm C là tâm hình học của Robot cắt cỏ, tâm quay của Robot cắt cỏ tại điểm P là giao của một đường thẳng đi qua giữa Robot theo phương từ trước đến sau và trục của hai bánh lái xe, khoảng cách giữa hai điểm C và P được ký hiệu d, Pa là một điểm theo dõi gắn liền với Robot cắt cỏ có tọa độ (Xa,Ya) cách điểm P một khoảng La

Vị trí của Robot cắt cỏ trong hệ tọa độ toàn cục XOY được quy định bởi vector

q x y  Trong đó 𝑥𝑃, 𝑥𝑃 là tọa độ của điểm P trong hệ tọa độ toàn cục và ∅ là hướng của hệ tọa độ cục bộ X0PY0 gắn với mặt sàn Robot cắt cỏ

Xem xét một hệ thống Robot có không gian cấu hình n chiều với một vector tọa độ tổng

Trong đó:

𝐴(𝑞) ∈ 𝑅𝑚 x 𝑛 là ma trận liên quan với các các ràng buộc nonholonomic

𝑆(𝑞) ∈ 𝑅𝑛 x (𝑛−𝑚) được định nghĩa là một ma trận xếp hạng, được hình thành bởi một tập hợp của các trường hợp vector trơn tru và tuyến tính độc lập, bao trùm không gian giá trị của 𝐴(𝑞)

Như vậy, kết quả của phép nhân các ma trận có thể được viết như sau:

Gọi 𝑧 ∈ 𝑅𝑚 x 𝑛 là một vector vận tốc

Vector vị trí của điểm trọng tâm của Robot cắt cỏ 𝐶(𝑥𝐶, 𝑦𝐶) trong hệ tọa độ Decac XOY được định nghĩa là:

 T

Với giả thuyết các bánh xe lái lăn hoàn toàn và không trượt Đối với Robot cắt cỏ có ràng buộc nonholonomic (m = 3) có thể được viết như sau:

 P P rw lw T

x Cosy Sinbr (6)

Từ (4), (5), (6), ma trận ràng buộc trong biểu thức (1) có thể viết lại:

 

0 0

Sin Cos



(7)

Ma trận không gian 𝑆(𝑞) của 𝐴(𝑞) vào biểu thức (2) là:

 

c b Cos c b Cos

c b Sin c b Sin

2

r c b



𝜃̇𝑟𝑤: vận tốc góc của bánh phải

𝜃̇𝑙𝑤: vận tốc góc của bánh trái

Từ những ràng buộc trong biểu thức (1), tồn tại một vector vận tốc góc:

3.2 Động lực học cho Robot

Robot cắt cỏ có hai bánh xe lái được lắp ở phía sau và hai bánh xe tự lựa phía trước Hai bánh xe lái được điều khiển độc lập bởi hai động cơ truyền động để đạt được cả hai quá trình chuyển động và điều khiển hướng Vị trí của Robot di động trong toạ độ toàn cục là XOY có thể được xác định bởi vị trí của trọng tâm khối lượng của Robot cắt cỏ, ký hiệu là C, hoặc có thể được xác định bởi vị trí P và góc ∅

Động năng toàn bộ của Robot cắt cỏ được xác định ra bởi phương trình sau:

Trong đó:

𝐾𝑙: động năng của chuyển động thẳng của Robot cắt cỏ

𝐾𝑟: động năng của chuyển động quay của Robot cắt cỏ khi chuyển hướng

𝐾𝑟𝑤𝑚: động năng của chuyển động quay của hai bánh xe truyền động và roto của động

cơ DC

𝐾𝑡: là động năng của chuyển động xoay của trục động cơ cắt và dao cắt

Giá trị của các động năng trên được tính theo các công thức (13), (14), (15)

2 1 2

2 1 2

Trong đó:

M: khối lượng của Robot

𝐼𝑃: momen quán tính của Robot về một trục thẳng đứng qua tâm P

𝐼𝑤: momen quán tính của mỗi bánh xe cộng với các roto của động cơ về các trục bánh xe

𝐼𝑡: momen quán tính của của trục động cơ cắt và dao cắt

𝜃̇𝑡: vận tốc góc của dao cắt

Bên cạnh đó ta có vận tốc dài của Robot cắt cỏ tại điểm P tính theo vận tốc góc của bánh xe thì được tính theo công thức:

2

r

2

r

 

r b

Ta có mối liên hệ về vận tốc dài của Robot tại điểm P và C như sau:

x x d Sin

y y d Cos

Từ đó suy ra:

2

r

2

r

Thế tất cả các công thức (13) đến (21) vào công thức (12) ta có tổng động năng của Robot cắt cỏ được tính theo công thức sau:

2 2 2

2 2

P

rw lw t t

M r

I b

(22)

Qua phép biến đổi Lagrange, ta được công thức xác định ngoại lực tác động vào Robot cắt cỏ như sau:

1

   

  

1

      

  

2

  

  

Trong đó:

𝜏𝑟𝑤: momen xoắn của bánh phải

𝜏𝑙𝑤: momen xoắn của bánh trái

𝜏𝑡: momen xoắn của trục động cơ cắt

𝜆1 𝜃̇𝑟𝑤: momen xoắn do ma sát động cơ phải

𝜆1 𝜃̇𝑙𝑤: momen xoắn do ma sát động cơ trái

𝜆2 𝜃̇𝑡: momen xoắn do ma sát động cơ cắt

𝜏𝑟𝑐: momen xoắn do ngoại lực tác động lên bánh phải

𝜏𝑙𝑐: momen xoắn do ngoại lực tác động lên bánh trái

𝜏𝑡𝑐: momen xoắn do ngoại lực tác động lên động cơ cắt

Sau khi biến đổi Lagrange, ta có phương trình động lực học của Robot cắt cỏ như sau:

1

1 rw lw lw ( lw lc )

¨

2 (1 t) ( )

Trong đó:

2

2

A

P

w

I M d r

M r

I b

2

2

B

P

I M d r

M r

b

4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Hệ thống điện gồm một vi điều khiển chính trung tâm để thực hiện các quá trình điều

khiển Hình 5 Chương trình điều khiển sẽ được nạp và lưu tại vi điều khiển này Đồng thời, vi

điều khiển có chức năng thu thập thông tin từ cảm biến la bàn số và cảm biến điện trường để tiến hành xử lý phương di chuyển và xác định biên dạng của diện tích cần cắt cỏ [3-5]

Vi điều khiển chính được kết nối với hai vi điều khiển phụ để truyền tải, trao đổi dữ liệu Hai vi điều khiển phụ có chức năng điều khiển hai mạch công suất của hai động cơ truyền động và đọc tín hiệu từ cảm biến đo vận tốc

Nguồn điện cho các vi điều khiển, các mạch phát và thu tín hiệu được cung cấp bởi nguồn điện DC 5V, năng lượng cho động cơ truyền động là nguồn điện DC 24V được cấp từ Acquy

VI ĐIỀU KHIỂN CHÍNH

BỘ THU TÍN HIỆU ĐIỆN TRƯỜNG

BỘ PHÁT TÍN HIỆU ĐIỆN TRƯỜNG

VI ĐIỀU KHIỂN PHỤ 1 VI ĐIỀU KHIỂN PHỤ 2

MẠCH CÔNG SUẤT 1

DC SERVO MOTOR 1

MẠCH CÔNG SUẤT 2

DC SERVO MOTOR 2

PIN 5V

AC QUY 24V

CẢM BIẾN LABAN

Tín hiệu điều khiển Đường năng lượng

Hình 5: Hệ thống điện trong Robot cắt cỏ

5 CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

Trên Hình 6 trình bày kết quả thiết kế và chế tạo Robot cắt cỏ hoàn chỉnh, các thông số

và đặc tính kỹ thuật của Robot cắt cỏ được trình bày trên Bảng 1

a Hình chiếu trục đo b Hình chiếu đứng

c Hình chiếu bằng d Kết quả chế tạo

Hình 6: Kết quả thiết kế và chế tạo

Bảng 1: Thông số kỹ thuật của Robot cắt cỏ đã thiết kế

Kết quả thực nghiệm giá trị trả về của cảm biến la bàn khi di chuyển thẳng theo thời

gian với giá trị thiết lập là 700 được thể hiện trên đồ thị Hình 7 và góc lệch của Robot khi

chuyển hướng so với phương đã được thiết lập ban đầu tương ứng với số lần thực nghiệm

được thể hiện trên đồ thị Hình 8

Hình 7: Biểu đồ giá trị trả về của la bàn theo thời gian khi đi thẳng

Hình 8: Đồ thị về góc lệch khi chuyển hướng

Chất lượng của cỏ sau khi cắt ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của cỏ Nếu như chiều dày của thảm cỏ quá ít thì cỏ chỉ còn gốc và thân không có lá để cỏ có thể quang hợp với ánh sáng mặt trời Vì vậy, cỏ được cắt sao cho thân cỏ cần phải còn lại độ cao hợp lý để cỏ có thân và lá để phát triển Xu hướng của cỏ là phát triển theo chiều cao, theo phương ngang thì ít phát triển hơn, khi đó lá của cỏ có thể tiếp xúc ánh nắng mặt trời Do vậy, khi cắt cỏ, bề mặt của thảm cỏ cần được sạch sẽ, thân cây cỏ không bị đè nằm ngang mặt đất

mà phải thẳng đứng để thân cây tiếp xúc với ánh sáng mặt trời Để tạo ra một nét đẹp chung của toàn bộ thảm cỏ thì bề mặt thảm cỏ cần phải sạch, độ cao cỏ phải đều nhau Với các yêu

tố phân tích trên, chất lượng của bề mặt thảm cỏ được đánh giá bởi các yếu tố: tỷ lệ phần trăm

cỏ đạt độ cao theo yêu cầu sau mỗi lần cắt, tỷ lệ phần trăm về diện tích cỏ sạch, tỷ lệ phần trăm cỏ bị tưa sợi và dập nát Để đánh giá theo tiêu chí này, ta tiến hành chọn ngẫu nhiên một phần diện tích cắt trên thảm cỏ, tiến hành đo đạc độ cao của cỏ so sánh với chiều cao yêu cầu

sau mỗi lần thực nghiệm với độ sai lệch 5% là đạt yêu cầu Qua quá trình thực nghiệm và đo đạc, ta có giá trị trung bình về tỷ lệ độ cao đạt được theo yêu cầu mà Robot cắt cỏ đạt được là 75% Tỷ lệ phần trăm về diện tích cỏ sạch được tính toán bởi diện tích cỏ đã cắt không bị phần cỏ bị đứt đè lên Qua quá trình thực nghiệm và đo đạt, ta có giá trị trung bình về tỷ lệ diện tích cỏ sạch mà Robot cắt cỏ đạt được là 70% Với giá trị trên cho ta thấy, tại lưỡi cắt trong vùng cắt của Robot ít bị xáo trộn bởi cỏ được cắt đi Đồng thời, sự kết hợp giữa máng thu gom và dao tốt nên cỏ nhanh chóng thoát ra khỏi vùng cắt ngay khi bị cắt Khi ra khỏi vùng cắt, phần cỏ bị cắt đi nằm trên một hàng tương đối gọn thuận tiện cho việc thu gom đưa

đi xử lý được dễ dàng, cỏ đã cắt ít bị người lao động giẫm đạp nên độ cao cỏ đều hơn, sạch hơn so với việc cắt cỏ bởi con người Thời gian cắt chịu ảnh hưởng lớn bởi tốc độ di chuyển

và tốc độ của dao cắt Robot cắt cỏ được thiết kế với tốc độ tối đa 30 m/phút Tốc độ di chuyển này so với tốc độ di chuyển của người lao động khi cắt cỏ bằng máy cắt cầm tay (20 -

25 m/phút) thì cao hơn, so với tốc độ di chuyển của người lao động khi cắt cỏ bằng máy cắt đẩy tay (20 – 40 m/phút) thì thuộc mức trung bình Tuy nhiên, xét về mặt nhân công, trên cùng một diện tích cắt, Robot cắt cỏ chỉ sử dụng một nhân công cho quá trình cắt và thu gom

cỏ đi xử lý, so với cắt cỏ theo phương pháp truyền thống thì công việc cắt và thu gom phải mất 3 nhân công Hiệu suất cắt được đánh giá theo tỉ lệ phần trăm diện tích cỏ đã cắt trên tổng diện tích thảm cỏ cắt Hiệu suất cắt cỏ trung bình của Robot: 72%

6 KẾT LUẬN

Sau quá trình thiết kế, chế tạo Robot đã hoàn thành được các nhiệm vụ đề ra Đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot Robot có khả năng cắt và thu gom cỏ thay thế con người Phát hiện được giới hạn biên Tự điều khiển hoạt động di chuyển thực hiện quá trình cắt hết diện tích thảm cỏ Đề tài góp phần tạo thêm nền tảng ban đầu cho nước nhà về các đề tài nghiên cứu Robot cắt cỏ Trong đề tài đã có các thay đổi mới về phần cơ khí cũng như phần định hướng di chuyển cho Robot trong quá trình hoạt động cắt cỏ so với các đề tài trên thế giới đã nghiên cứu đó là: Robot được thiết kế với kiểu dáng công nghiệp nhằm phục

vụ cho việc tự động hóa trong quá trình cắt cỏ với quy mô công nghiệp Trong khi các nghiên cứu trước đó phần lớn là 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 được áp dụng bằng phương pháp dùng cảm biến la bàn để xác định phương và ổn định hướng đi cho Robot

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Fabrizio Bernini, Lawn-mower, European patent application, Lanzoni, Luciano et al, EP 2

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, 4 777 785, 18.10.1988

[5] Thomas M, Robotic mower housing and robotic mower, DEERE & COMPANY, Moline,

Illinois 61265-8098 (US)1.1,EP 2 412 219 B1,01.02.2012