a. Nhận xét
Thông qua những phương án thay đổi tính công nghệ trong kết cấu, thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương đứng, phương ngang và thay đổi hình dáng miệng vòi, ta có thể rút ra những điểm nhận xét quan trọng để có thể tạo ra được cơ cấu hút tốt nhất:
+ Miệng vòi nên đặt sát mép ngoài, tức là cơ cấu hút sẽ không có vành mép. + Mặt dưới chốt điều chỉnh nên đặt ngang với mặt đáy cơ cấu hút, điều này có
nghĩa là nên hạ thấp vị trí miệng vòi xuống mức thấp nhất có thể (gần mặt đáy).
+ Miệng vòi nên được bo tròn. 63.7439 458.1905391 43.9991 454.9495791 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Lực hút sinh ra [N] Lưu lượng [lít/ph]
Bo tròn. Vát cạnh.
Đồ thị 3.5: Lưu lượng và lực hút sinh ra của cơ cấu hút với phương án thay đổi hình dáng miệng vòi.
Lực hútcủa cơ cấu hút có miệng vòi được bo tròn 1,45 lần so với cơ cấu hút có miệng vòi được vát cạnh.
Lưu lượngcủa cơ cấu hút có miệng vòi được bo tròn1,007 lần so với cơ cấu hút miệng vòi được vát cạnh.
b. Phân tích
+ Với điểm nhận xét miệng vòi nên đặt sát mép ngoài (để không tạo ra vành mép) sẽ tạo ra lực hút lớn, bên cạnh đó thì lưu lượng qua cơ cấu hút cũng lớn. Do vậy tùy vào công việc cụ thể mà ta thiết kế cơ cấu hút với kích thước vừa đủ, để vừa có thể đáp ứng được công việc, vừa không phải lãng phí để trang bị máy nén khí quá lớn.
+ Qua chế tạo, mô phỏng và thử nghiệm cho thấy, với cơ cấu hút không có vành mép và miệng vòi đặt gần mặt đáy thì cơ cấu hút sẽ hút tường ở khoảng cách gần sát mặt tường, còn với cơ cấu hút có vành mép và miệng vòi đặt âm sâu bên trong thì cơ cấu sẽ hút tường ở khoảng cách xa hơn (thể hiện ở đồ thị 3.6 và 3.7) và ta gọi cơ cấu hút này là cơ cấu hút không tiếp xúc, được gọi là không tiếp xúc là vì có lớp đệm khí ở giữa bề mặt tường và bề mặt cơ cấu hút. Tuy rằng cơ cấu hút không có vành mép sẽ tạo ra lực hút lớn hơn cơ cấu hút có vành mép với cùng kích thước và cùng điều kiện áp suất, nhưng để ứng dụng cơ cấu hút cho robot leo tường thì ta phải chọn cơ cấu hút không tiếp xúc, nó chẳng những sinh ra được lực hút để bám tường mà còn trượt nhẹ nhàng trên bề mặt tường, lớp đệm khí này lại có tác dụng rất tốt để làm sạch bụi bẩn bám dính trên tường. 3.36592 6.42556 8.53694 7.69378 6.7305 6.79297 6.258046.015125.68965.50961 5.241365.1497 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Lự c hú t s inh r a ở m ặt đá y cơ c ấu h út [N ].
Khoảng cách từ mặt đáy cơ cấu hút đến mặt tường [mm]
Đường biểu diễn lực hút
Đồ thị 3.6: Lực hút sinh ra tại những khoảng hở tường khác nhau đối với cơ cấu hút không có vành mép và bố trí mặt dưới chốt điều chỉnh ngang với mặt đáy cơ cấu hút. (mô phỏng ở áp suấtp= 4 [kgf/cm2])
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 32 HVTH: Hồ Minh Phương
c. Kết luận
+ Qua phân tích trên, ta chọn phương án sử dụng cơ cấu hút không tiếp xúc cho robot leo tường.
+ Cơ cấu hút không tiếp xúc ứng dụng cho robot leo tường được thiết kế như hình 3.21, bản vẽ chi tiết được trình bày ở phụ lục 3.
19.0819 27.698131.511932.1425 34.7183 33.1982 34.625 38.0473 38.7785 34.3965 33.0265 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 Lự c hú t s inh r a ở m ặt đá y cơ cấ u h út [N ].
Khoảng cách từ mặt đáy cơ cấu hút đến mặt tường [mm].
Đường biểu diễn lực hút.
Hình 3.21: Cơ cấu hút không tiếp xúc sử dụng cho robot leo tường.
Đồ thị 3.7: Lực hút sinh ra tại những khoảng hở tường khác nhau đối với cơ cấu hút có vành mép và bố trí mặt dưới chốt điều chỉnh âm sâu bên trong. (mô phỏng ở áp suấtp= 7 [kgf/cm2])
Chương 4
THIẾT KẾ ROBOT LEO TƯỜNG 4.1 CHỌN HỆ THỐNG BÁNH DẪN GIÚP ROBOT DI CHUYỂN.
Để robot có thể di chuyển được thì phải sử dụng hệ thống bánh dẫn. Chúng ta sẽ lần lượt điểm qua tất cả các loại bánh dẫn được sử dụng cho robot di động [7] để có thể chọn ra loại bánh dẫn phù hợp với mục tiêu thiết kế robot leo tường của chúng ta.
4.1.1 Bánh xe tiêu chuẩn (Standard Wheels)
Bánh xe tiêu chuẩn là loại bánh xe mà bánh của nó có dạng hình tròn, bánh xe sẽ quay quanh trục bánh. Đây là loại bánh xe mà ta thường gặp và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế. Chúng có các kiểu dáng như sau:
Đối với các bánh xe tiêu chuẩn thì chúng sẽ có từ 1 đến 2 bậc tự do. Hình 4.1a là loại bánh xe cố định (Fixed Wheel), nó có 1 bậc tự do, còn tất cả các kiểu còn lại như hình 4.1b, hình 4.1c và hình 4.1d đều có 2 bậc tự do và những loại này đều là những bánh lái để đổi hướng di chuyển cho robot. Tùy theo ý đồ thực hiện việc đánh lái cho robot như thế nào mà ta chọn các kiểu khác nhau cho phù hợp. Hình 4.1b là loại bánh lái (Steered Wheel), nó có tác dụng đánh lái trực tiếp vì vậy nó có trục lái và trục bánh xe vuông góc nhau trong cùng một mặt phẳng và đồng thời trục lái nằm trong mặt phẳng bánh xe. Hình 4.1c là loại bánh lái có bánh lệch a(Fixed) b(Steered) c(Lateral Offset) d (CastorWheel)
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 34 HVTH: Hồ Minh Phương
sang một bên (Lateral Offset Wheel), loại này cũng có trục lái và trục bánh xe vuông góc nhau trong cùng mặt phẳng, tuy nhiên trục lái không nằm trong mặt phẳng bánh xe. Hình 4.1d là loại bánh lái (Castor Wheel) có trục bánh và trục lái không nằm trong một mặt phẳng, nhưng trục lái nằm trong mặt phẳng bánh xe, loại này giúp chuyển hướng cho robot nhanh hơn và cũng thích hợp hơn cho những trường hợp bẻ lái phía sau, nó sẽ giúp chuyển hướng được nhạy hơn.
4.1.2 Bánh xe đa hướng (Omnidirectional Wheels)
Nếu với bánh xe tiêu chuẩn loại cố định (Fixed Wheel) thì khi di chuyển nó chỉ có thể đi theo một hướng nhất định và không đổi hướng được, nhưng với bánh xe đa hướng (Omnidirectional Wheels) thì khi đặt cố định nó vẫn có thể đổi hướng được mà không cần phải có cơ cấu bẻ lái, đó là nhờ chúng có bố trí những bánh xe nhỏ nằm trên vành bánh xe.
4.1.3 Một số ký hiệu về các loại bánh xe.
Hình 4.2: biểu diễn các kiểu bánh xe đa hướng.
a (Universal) b(Double Universal) c(Swedish 450)
Bánh xe đặt cố định tiêu chuẩn. Bánh xe truyền động tiêu chuẩn.
Bánh xe lái không truyền động tiêu chuẩn. Bánh xe lái có truyền động tiêu chuẩn. Bánh xe đa hướng.
Bánh bẻ lái.
4.1.4 Những phương án bố trí hệ thống bánh dẫn và ứng dụng thực tế.
Sơ đồ bố trí Miêu tả Ứng dụng
Sử dụng 1 bánh truyền động tiêu chuẩn và 1 bánh lái không truyền động tiêu chuần. Sử dụng 2 bánh truyền động tiêu chuẩn và hệ thống tự cân bằng cho robot. Sử dụng 2 bánh truyền động tiêu chuẩn và cặp bánh bẻ lái Sử dụng 2 bánh truyền động tiêu chuẩn và 1 bánh lái không truyền động tiêu chuần.
Sử dụng 2 bánh cố định tiêu chuẩn và 1 bánh lái có truyền động tiêu chuẩn.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 36 HVTH: Hồ Minh Phương
Sử dụng 3 bánh lái có truyền động tiêu chuần.
Sử dụng 2 cặp bánh truyền động tiêu chuẩn và 1 bộ truyền động tuyến tính để bẻ lái.
Sử dụng liên tiếp một chuỗi bánh truyền động tiêu chuẩn hoặc sử dụng dạng tương tự vậy nhưng dùng xích nối 2 bánh truyền động tiêu chuẩn đầu và cuối gọi là bánh xích
Sử dụng 3 bánh đa hướng và được bố trí dạng hình tròn.
Ngoài ra, trường hợp thông thường nhất mà ta thường gặp là dạng 3 bánh và 4 bánh được phân bố như sơ đồ sau:
3
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 38 HVTH: Hồ Minh Phương
4.1.5 Phân tích và chọn hệ thống bánh dẫn cho robot leo tường.
- Để phân tích và chọn hệ thống bánh dẫn cho robot leo tường thì trước hết ta giả sử rằng robot sử dụng bốn bánh tiêu chuẩn, với hai bánh chủ động ở phía sau và hai bánh lái ở phía trước có sơ đồ như hình 4.3.
- Với việc giả định như vậy sẽ làm cơ sở để giúp ta phân tích và chọn ra hệ thống bánh dẫn phù hợp cho robot leo tường.
- Với sơ đồ hệ thống bánh dẫn như trên, ta có thể mô hình hóa và phân tích lực khi robot đang leo tường như hình 4.4.
Hình 4.3: giả định hệ thống bánh dẫn cho robot.
Hình 4.4: Phân tích lực khi robot đang leo tường.
Y
Ta có: 0 4. 4. . 4. . 4. . 0 kx h h ms ky F N F N F m g F m g N F Trong đó:
N- Phản lực tại vị trí tiếp xúc giữa bánh xe và mặt tường.
Fh- Lực hút do cơ cấu hút của Robot tạo ra.
Fms- Lực ma sát giữa bánh xe và mặt tường.
µ- Hệ số ma sát.
m- Khối lượng của Robot.
g- Gia tốc trọng trường.
- Từ hệ phương trình cân bằng lực trên ta thấy, nếu ta làm tăng hệ số ma sát và tăng giá trị lực hút lên thì có thể tăng được khối lượng robot thiết kế. Hay nói cách khác, để Robot có thể mang được khối lượng lớn hơn nữa thì ta phải tìm cách tăng một trong hai thông số lực hút và hệ số ma sát, hoặc tăng cả hai thông số này lên thì càng tốt. Trong phần này mục đích của ta là phân tích để chọn hệ thống bánh dẫn cho Robot nên ta chỉ xét đến thông số hệ số ma sát. Ta biết rằng hệ số ma sát sẽ phụ thuộc vào vật liệu bề mặt tiếp xúc, độ nhẵn bóng bề mặt và thời gian tiếp xúc chứ nó không bị ảnh hưởng bởi diện tích tiếp xúc, áp suất tiếp xúc và vận tốc chuyển động tương đối giữa hai bề mặt.
- Ngoài ra, với một robot leo tường được ứng dụng trong việc lau chùi, quét dọn thì yêu cầu hệ thống lái phải linh hoạt và tức thời chứ không thể chuyển hướng từ từ như xe ô tô được. Cần lưu ý là ở những góc tường (góc vuông) thì robot gần như phải đứng yên tại chổ và chuyển hướng ngay thì mới lau sạch được góc tường.
- Từ những phân tích bên trên, ta quyết định chọn hệ thống bánh dẫn có hai bánh truyền động tiêu chuẩn đặt phía sau và hai bánh tiêu chuẩn đặt cố định
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 40 HVTH: Hồ Minh Phương
phía trước, giữa hai cặp bánh này được nối với nhau bằng dây đai răng cao su được thể hiện như hình 4.5.
- Lý do mà ta chọn như vậy là vì dùng dây đai răng cao su sẽ cho hệ số ma sát cao, nằm trong khoảng 1,0 đến 2 [15], mặt khác dùng dây đai răng để nối hai cặp bánh xe trước và sau ta sẽ có được mô hình tương tự như mô hình hệ thống bánh xích. Khi đó, để chuyển hướng thì ta cho đảo chiều quay của hai cặp bánh xe ở hai bên, lúc ấy tâm quay của robot sẽ đặt ở giữa xe, như vậy sẽ đáp đứng được yêu cầu đặt ra.
Vậy ta có thể chọn đai có ký hiệu100-S3M-363, với thông số sau:
4.2 CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG CHO TRỤC BÁNH XE.
- Với robot leo tường, trong trường hợp phải dừng lại trong lúc đang leo thì toàn bộ trọng lượng bản thân robot có xu hướng rơi xuống do lực trọng trường. Vì vậy trong trường hợp này robot phải có khả năng tự hãm để không bị tuột xuống đất. Để robot có khả năng tự hãm thì ta có hai phương án để giải quyết: Một là dùng bộ điều khiển để ổn định vị trí của động cơ truyền động, hai là dùng bộ truyền trục vít bánh vít để truyền động. Trong
trường hợp này thì cách đơn giản nhất là dùng bộ truyền bánh vít trục vít, vừa cho ta một tỉ số truyền lớn, vừa có khả năng tự hãm tốt.
- Với lựa chọn bộ truyền bánh vít – trục vít cho trục bánh xe robot và hệ thống bánh dẫn bằng dây đai răng cao su, ta có thể thiết kế sơ bộ phần thân cho robot như sau:
Chú thích:
1 - Mặt đế tựa cho thân robot. 2 - Dây đai răng cao su.
3 - Cơ cấu bộ truyền bánh vít – trục vít.
Hình 4.7: Hình dáng thân Robot.
Hình 4.6: Minh họa bộ truyền trục vít – bánh vít.
Hình 4.8:Mặt dưới thân Robot.
1 2 3 4 5 6 8 7
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 42 HVTH: Hồ Minh Phương
4 - Động cơ DC 24V. 5 - Bát kẹp động cơ DC.
6 - Giá đỡ bộ truyền bánh dẫn động. 7 - Giá đỡ bánh bị dẫn.
8 - Trục bánh bị dẫn.
4.3 PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT CƠ CẤU HÚT VÀO THÂN ROBOT.
- Cơ cấu hút và việc lắp ghép vào thân robot có những đặc điểm sau: + Hình dáng toàn bộ cơ cấu hút có dạng tròn
xoay.
+ Cơ cấu hút phải giữ khoảng hở nhất định so với mặt tường.
+ Sau khi lắp cơ cấu hút vào thân robot đòi hỏi cơ cấu hút phải vuông góc với mặt tường. + Cơ cấu hút phải đảm bảo được điều chỉnh
dễ dàng về khoảng cách hở tường sau khi lắp.
- Từ những đặc điểm này và để đáp ứng được dễ dàng ta sẽ thiết kế một thanh gỗ có kích thước 40 x 18 x 200, hai đầu của miếng gỗ ấy được khoan hai lỗ 22 với khoảng cách tâm hai lỗ là 150 cách đều hai đầu và được cắt chẻ miệng để bắt bu lông kẹp. Trên thân gỗ ta sẽ khoan bốn lỗ 10 để định vị bốn lò xo khi được lắp vào thân robot.
- Do việc chế tạo và lắp ráp robot được thực hiện thủ công, đơn chiếc nên không tránh khỏi việc sai số lớn, với sai số lớn thì rất khó đảm bảo chính xác mặt
Hình 4.9: Cơ cấu hút tường.
Hình 4.11: Thân robot được lắp cơ cấu hút.
Hình 4.10: Thanh kẹp cơ cấu. hút.
phẳng tựa của thân robot song song với mặt tường vì vậy ta phải sử dụng phương án lắp điều chỉnh này để lắp cơ cấu hút vào thân robot.
- Phương án lắp cơ cấu hút vào thân robot (đảm bảo đúng khoảng hở tường yêu cầu) là dùng miếng giấy bìa cứng (miếng căn) có kích thước bằng khoảng hở giữa cơ cấu hút và mặt tường, sau đó áp cơ cấu hút lên bề mặt miếng căn rồi vặn bốn ốc cố định thanh kẹp cơ cấu hút lại.
4.4 CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHO TRỤC BÁNH XE.
Với hình dáng và kết cấu phần thân Robot được thiết kế như hình 4.11, ta có thể biểu diễn bộ truyền động cho trục bánh xe ở dạng sơ đồ như hình 4.12.
4.4.1 Tính công suất động cơ [3]:
Công suất động cơ được tính như sau: . F V P (4.2) Trong đó:
P: Công suất động cơ, [W].
F: Lực kéo dây đai bánh xe, [N].
V: Vận tốc của dây đai bánh xe, [m/s].
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà