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

Do thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, học viênmong nhận được sự góp ý quý giá của quý Thầy Cô để học viên có thể hoàn thiệntrong quá trình nghiên cứu sau này

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Quê quán: Ấp Trung Châu, xã Mỹ Hiệp, Chợ Mới, An Giang Dân tộc: kinhChỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 78 - ấp Trung Châu, Xã Mỹ Hiệp, CM, AG.Điện thoại : 0919 190 810

E-mail:phuongckm@gmail.com–phuongckm@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Giáo viên dạy nghề:

Hệ đào tạo: chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ 10/2001 đến 03/2005Nơi học : Trường sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

2 Đại học:

Hệ đào tạo: liên thông Thời gian đào tạo từ 10/ 2005 đến 11/ 2007Nơi học (trường, thành phố): Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: năm 2007

Người hướng dẫn:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

2005 - 2007 Trung Tâm dạy nghề tư thục Hoàn Nhật TiếnĐ/C: Xã Phú Quới – Huyện Long Hồ – Tỉnh

Vĩnh Long

Giảng dạy Tin học A,B,Autocad, Lắp ráp cài đặtmáy tính

2007 - 2010 Trường CĐ nghề Đồng ThápĐ/C: Số 2 – Trần Phú – Khóm 2 – Phường 1

– Thị Xã Sa Đéc – Tỉnh Đồng Tháp

Giảng dạy khoa cơ khíGiảng dạy lái xe mô tôhạng A1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2012

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Hồ Minh Phương

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành gửi lời cảm ơn thầy TS HUỲNH NGUYỄN HOÀNG đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ, tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học viênnghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Xin được gửi lời cảm ơn đến :

+ Quý Thầy Cô thuộc Khoa Cơ Khí – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

TP Hồ Chí Minh đã hướng dẫn và truyền thụ kiến thức, kinh nghiệmtrong thời gian học tập và thực hiện luận văn

+ Quý Thầy Cô thuộc Phòng Đào Tạo Sau Đại Học – Trường Đại Học SưPhạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã quan tâm và giúp đỡ trong quá trìnhhọc tập và thực hiện luận văn

+ Quý Thầy Cô, Cán bộ Trung Tâm công nghệ cao thuộc Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi để tiến hành giacông, đo đạc và thực nghiệm phục vụ đề tài luận văn

+ Thầy TS PHAN ĐỨC HUYNH đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ để

học viên có thể nghiên cứu tốt phần khí động học, cơ học và mô phỏngANSYS

+ Các bạn lớp Cao Học CKCTM K2010B đã góp ý, giúp đỡ trong quá trìnhhọc tập

Do thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, học viênmong nhận được sự góp ý quý giá của quý Thầy Cô để học viên có thể hoàn thiệntrong quá trình nghiên cứu sau này

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot di động có khả năng leo bám trêntường, trần nhà thì những thách thức lớn nhất đặt ra là robot phải có thể bám đượckhi gặp tường có vết nứt hoặc khe hở nhỏ, không làm bẩn bề mặt tường, có thể bámđược trên các loại bề mặt khác nhau Với những thách thức đó thì những phươngpháp thường hay sử dụng như: giác hút chân không, dùng keo hoặc các chất dínhkết để bám, mô phỏng sinh học từ những loài động vật leo trèo, dùng kỹ thuật từtính … không thể đáp ứng được Vì vậy mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứuthiết kế và chế tạo robot leo tường sử dụng phương pháp hút không tiếp xúc Nộidung chính của phương pháp này là lấy nguồn khí được cấp từ máy nén khí, qua cơcấu hút được thiết kế để đẩy vận tốc dòng khí lên rất cao và từ đó sẽ tạo ra vùng ápsuất thấp có khả năng hút tường Phương pháp này có thể giải quyết được nhữngkhó khăn và thách thức đã nêu

In design research and manufacture of mobile robot with capable wallsclimbing and ceilings is the biggest challenge is set robot must be able to cling withthe wall for cracks or small gaps, not make dirty walls, can stick on multiple type ofthe different surfaces With these challenges is the commonly used methods such asvacuum aspiration, using glue or other adhesive to stick, simulating biological fromclimbing animals, using techniques of magnet can not respond So the mainobjective of the project is to research the design and manufacture of wall climbingrobots using non-contact suction method The main contents of this method usingair source is supplied from the compressor, run through the suction mechanism isdesigned to speed up the air flow velocity is very high and thus will create lowpressure areas can adhesion the wall This method can solve the problems andchallenges mentioned

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

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

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

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

DANH SÁCH CÁC BẢNG

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

DANH SÁCH CÁC HÌNH

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 doAmir 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

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

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/ cm3 82

Hình PL5.2: Biểu diễn quá trình xả khí qua cơ cấu hút để áp suất tuột xuống 4kg/ cm3 82

DANH SÁCH CÁC ĐỒ THỊ

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

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC CÔNG TRÌNH

NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ.

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.

Ngày nay, Robot được nghiên cứu rất nhiều

để phần nào có thể thay thế sức lao động của con

người Tuy nhiên có một vấn đề được đặt ra và

đang là thách thức đối với người làm Robot, đó là

phải thiết kế một con Robot leo tường, leo trần nhà

để quét dọn và lau chùi (thường là vào những dịp

lễ, tết cổ truyền nhà nhà phải quét ván nhện, lau la

phông, lau trần nhà) Công việc này từ trước đến

nay thì con người vẫn phải thực hiện bằng tay và

công việc cũng khá vất vả, bởi vì khi chúng ta

đứng dưới sàn nhà mà ngước mặt nhìn lên để

quét dọn trong thời gian dài thì rất mõi cổ, mõi

mắt và dễ bị chóng mặt Trước yêu cầu và thách thức như vậy thì người ta đang cốtìm ra giải pháp để thiết kế Robot có thể thay thế con người thực hiện công việcnày

Về lĩnh vực làm robot thì cũng được nghiên cứu rất nhiều bởi các nhà nghiêncứu cũng như các trường cao đẳng, đại học Tuy nhiên, về lĩnh vực robot leo tường

và trần nhà thì đang vấp phải một số khó khăn nhất định mà trở ngại lớn nhất là cơcấu bám tường, bên cạnh đó trọng lượng robot và phương thức điều khiển cũng rấtđược quan tâm Trọng lượng robot thì phải thiết kế làm sao càng gọn nhẹ càng tốt,

Hình 1.1 Người giúp việc đang

lau cửa kính trong một tòa nhà

còn phương thức điều khiển di chuyển robot thì đòi

hỏi phải có những chiến lược đường đi tốt và có khả

năng tránh vật cản như quạt, đèn

Nhìn chung lĩnh vực nghiên cứu robot leo

tường, bám trần nhà cũng còn tương đối mới mẽ và

có nhiều khó khăn thách thức Nếu được nghiên cứu

thành công thì kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng

vào cuộc sống một cách thiết thực chẳng hạn như:

robot thay con người để sơn tường, để lau cửa kính

nhà cao tầng, để quét dọn trần nhà, để leo lên cao

quan sát…

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.

1.1.2.1 Kết quả nghiên cứu trong nước.

ROBOT Lau kính nhà cao tầng: Sở

Khoa học - công nghệ vừa tổ chức nghiệm

thu đề tài nghiên cứu chế tạo robot lau kính

nhà cao tầng Đề tài này do nhóm giảng viên

Trường đại học dân lập Lạc Hồng thực hiện

với kinh phí 120 triệu đồng Bắt đầu triển

khai từ cuối năm 2004, sau gần hai năm thiết

kế và chế tạo, phần trình diễn của nhóm tác

giả tại buổi nghiệm thu đã được Hội đồng

khoa học của tỉnh đánh giá thành công

Robot lau kính do nhóm giảng viên Trường ĐHDL Lạc Hồng nghiên cứu chế tạo

Hình 1.2 Công nhân đang sơn

tường cho một tòa nhà

Hình 1.3 Robot lau kính nhà cao tầng.

1.1.2.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nước.

 Robot City-Climber được Jizhong Xiao and Ali Sadegh thuộc trường đạihọc City của Hoa Kỳ dựa trên nguyên lý nền tảng là khí động lực học đã chếtạo thành công robot leo tường có hình dáng như Hình 1.4

Bảng 1.1 Các thông số đặc trưng của robot City-Climber [4].

Speed Payload capacity Step Endurance (9,5v NiCd) Height

 Việc phát triển cơ cấu bám dính, đánh dấu bước phát triển đột phá của việc bắtchước động vật leo trèo Nghiên cứu bàn chân tắc kè là nguồn cảm hứng cho việcphát triển các robot leo bao gồm phiên bản đầu Mecho-gecko được phát triển từ

Hình 1.4 Các kiểu kế của Robot City-Climber.