Giả sử rằng các bánh xe robot không trượt trong chuyển động và không xuất hiện rôto động cơ
không khóa, do đó vận tốc của tâm bánh xe O1 bằng với:
1 1 cos 1
o p
v =ωr β (16)
Trong đó, ω1 vận tốc góc của bánh xe 1, bằng với vận tốc quay của động cơ.
Góc lái được tìm thấy như sau:
[ 1 1 1 ]1 1 1 1 1 cos w x w n o k e n o k β = (17)
Trong đó ex1 là véc tơ đơn vị của trục x.
Do đó vận tốc và góc lái của năm bánh xe cịn lại có thể được tính tốn tương tự.
1.4 Tính tốn chọn lựa cơ cấu truyền động cho robot
Mục tiêu cụ thể trong phần này là chúng ta phải làm sao tính tốn chọn lựa được kích thước của robot bao gồm cả cơ cấu camera sao cho robot có thể di chuyển trong đường ống có kích thước D = 300mm÷20mm, có thể di chuyển theo phương ngang, đứng, cua góc 0 ÷ 900 (Đường kính ống
cong bằng 1.5D lần đường ống thẳng). Để tính tốn chọn lựa được kích thước robot chúng ta có thể phân ra 2 trường như sau:
1.4.1 Trường hợp Robot đi trong đường ống thẳng
Để tính tốn được kích thước của Robot trước hết chúng ta đưa ra các định nghĩa như hình 12:
- Đoạn cong của ống cong theo mặt phẳng trùng với một càng bánh xe - Đối ngẫu qua thân robot
Hình 10: Mơ tả mối quan hệ giữa đường ơng và Robot
D : Đường kính ống R : Bán kính cong của ống
d : Chiều dài thân chính robot L1 : Chiều dài thanh giằng dài
L2 : Chiều dài thanh giằng ngắn (có ty phuộc để tạo lực ép sát)
m : Đường kính thân chính robot
r : Bán kính bánh xe
b : Khoảng cách thành ống với vệt bánh xe
13 (a)
(b)
Hình 11: Mơ tả mối quan hệ chuyển động của Robot trong đường ống cong góc 900
Dễ nhận thấy điều kiện (2) trong ống thẳng vẫn chưa có sự liên hệ với kích thước d (chiều dài phần thân ống)
Như vậy kích thước d sẽ quyết định liệu robot có đi qua được đoạn cong hay khơng, Giả sử
14 Hình 12: Mơ tả tình trạng Robot bị kẹt trong đoạn ống cong 900
Như vậy chiều dài d phải chọn sao cho thanh giằng L1 không bị kẹt khi qua đoạn cong, Giả sử chiều dài d được chọn gây ra tình trạng kẹt robot như hình
Hình 13: Mơ tả tình trạng Robot khơng bị kẹt trong đoạn ống cong 900
Như vậy chiều dài d phải chọn sao cho thanh giằng L1 không bị kẹt khi qua đoạn cong. Để robot qua đoạn cong không bị kẹt thì điều kiện là:
(18)
Hay
(19)
15
Suy ra:
(20)
Ta khử biến L3 trong (20)
(19)
Để bất đẳng thức (20) thõa mãn thì ta chọn kích thước các thơng số của robot sao cho
Hay
(21)
1.4.2 Trường hợp Robot đi trong đường ống cong
Từ điều kiện (20) ta chọn các thông số Robot như sau:
STT Tên Thông Số Robot Kích thước (cm)
1 Chiều dài thanh giằng dài 19
2 Chiều dài thanh giằng ngắn (có ty phuộc để tạo lực ép sát) 9
3 Bán kính bánh xe 3
4 Đường kính than chính Robot 5,5
5 Khoảng cách giữa hai bánh xe 7,5
6 Đường kính ống 30
7 Bán kính cong của ống 22,5
Bảng 1: Thơng số kích thước của Robot
1.4.3 Chọn tải động cơ
Vận tốc xe lớn nhất Vmax = 214 mm/s = 0,214 m/s.
Chọn thời gian tăng tốc Ttt= 0, 1 m/s.
Gia tốc: a = max 0.214 0.1
tt
V
T = = 2,14 (m/s2).
Tổng khối lượng máy mmax = 8kg = 80N
Để xe robot có thể duy chuyển thẳng nhanh dần đều thì Fqt > P => Fqt = ma > P.
80.2, 14= 171, 2 (N) > 80 (N)
Hệ số ma sát trượt giữa thép kim loại với nhựa 0,3 đến 0,6 khi hệ số ma tĩnh giữa thép và nhựa
là 0,6 đến 0,9.
(22) (23)
16
Chọn hệ số ma sát µ = 0, 5
Do máy chạy trong ống nhờ các bánh xe nên ta chọn hệ số ma sát lăn µ=0,05 ( chọn nhỏ hơn 10 lần so với hệ số ma sát tĩnh).
Lực để xe có thể chuyển động áp lực lên thành trong của ống phải lớn hơn lực trọng trường P
= mg = 80 N
Fms = 0,05.P= 0,05.8.10 = 164 (N) Để xe chạy lên được ta có .
Fqt > Fms + N + P
=> 171,2 (N)> 0,05.8.10 + 80 + 80 = 164 (N) (thoả điều kiện) Mỗi động cơ chạy Fqt = 171, 2
6 =28,5 (N)
Chọn tải mỗi động cơ là 3kg.
1.4.4 Tính động cơ chuyển động
Tải m = 3kg.
Vận tốc v = 214 mm/s = 0,214 m/s. Thời gian tăng tốc trong Ttt = 0,1s
Gia tốc a = max 0,214 0,1 tt V T = =2,14 m/s2. Chọn gia tốc trọng trường g = 10m/s2.
Khi chuyển động đều:
Fx = mg.0,05 = 3.10.0,05 =1,5 (N) Khi tăng tốc: Fa = ma= 3.2,14= 6,42 (N) P= . max.2.3,14 37,959.63.2.3,14 60 60 A M n = = 250,3 (W) Trong đó MA = Mtải +Mtt +Mkđ = 7,16 + 30,668 +0,131= 37,959 (N.m) Mtải = . 1,5.30 2.3,14 2.3,14x F P = = 7,16 (N.m) Moment tăng tốc Mtt = . 6,42.30 2.3,14a 2.3,14 F P = =30,668 (N.m)
Moment khởi động Mkđ = max max
2.3,14. . .2 2.3,14.63.2,14.2
.60 214.60
n a
V = =0,131 N.m
Công thức quy đổi chọn động cơ
M= max 9,55. .100 9,55.250,3.100 63 P n = =379,4 (N.cm) = 37,94 (kg.cm). Chọn động cơ LX44WG 1:92 Nguồn DC 12v.
Tốc độ khơng tải 90prm, có tải 70prm.
Dịng khơng tải 1A, có tải 4,4A.
Lực kéo 50 kg.cm 1.4.5 Chọn lò xo (24) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (25) (26)
17
Ứng suất làm lò xo σb = 1500 ~1700 Mpa => chọn σb = 1600 Mpa.
Lực tác dụng lên 2 đầu lò xo F = 2kg = 20N
Chọn lị xo có đường kính ngồi D=16,5 (mm) Chọn lị xo có đường kính trong d=10,5 (mm) Đường kính danh nghĩa ddn=13 (mm)
Tiết diện dây s = 3(mm)
Chiều dài dây L = 60 (mm)
Chiều dài ngắn nhất khi bị nén l = 15 (mm)
Lực nén F.L = 6.39=912 (N)
Dưới tác dụng của lực F, dây lò xo bị xoắn bởi moment xoắn: T= . 13.10 .203
2 2
D F −
= =0,13 (N.mm)
Moment chóng xoắn tiết diện dây lị xo Wo
3 .3.10 3 16 2 o d W =π =π − = 5,3.10-9 (N.m) Tính độ cứng lị xo theo cơng thức: F = K . ΔL K= 39 3 (60 15).10 F L= − ∆ − = 866
Ứng suất xoắn lên dây lò xo
. . .16 866.20.13.103 3 33 2 . 2 .(3.10 ) x k F d s τ π π − − = = =538 (Mpa)
Ứng suất cho phép :[ ]=(0,4 ~0,5).τx σb =0,4.1600 = 640 Mpa. 538Mpa x 640Mpa
τ = <τ =
=> thỏa điều kiện Số vòng dây làm việc : n = max min 3 3 max min) ( ). . (45 0).9,807.3 8. ( 8.0,75 (20 0) G S c F F λ −λ = − − − = 19,6 => chọn 20
với λmax: chuyển vị lớn nhất
min λ : chuyện vị nhỏ nhất Fmax: lực lớn nhất tác dụng lên lò xo Fmin: lực nhỏ nhất tác dụng lên lò xo (37) (38) (39) 40) (41) 42) (43)
18
1.5 Chọn lựa giải pháp điều khiển cho robot
1.5.1 Sơ đồ khối tổng quan của giải pháp điều khiển Robot
Sơ đồ quan hệ thống điều khiển robot thể hiện qua sơ đồ khối sau:
Hình 14: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống điều khiển robot
19
1.5.2 Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị sử dụng trong hệ thống điều khiển robot
1. Raspberry Pi 3b+ Số lượng: 1
Raspberry Pi 3b+ đóng vai trị như một máy tính thứ hai, được lắp ráp trên robot để xử lý tín hiệu, đưa video về máy tính chủ qua wifi.
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Nguồn hoạt động - 5V/2.5A DC cổng microUSB - 5V DC trên chân GPIO - Power over Ethernet (PoE)
Mở rộng 40-pin GPIO
Vi xử lý Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC @1.4GHz
RAM 1GB LPDDR2 SDRAM
Kết nối - 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN - Bluetooth 4.2
- BLE
- Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps).
Cổng USB 4 x 2.0
Video và âm thanh - 1 cổng full-sized HDMI - Cổng MIPI DSI Display - cổng MIPI CSI Camera - cổng stereo output - composite video 4 chân
Lưu trữ MicroSD
20
2. Node MCU ESP8266 Số lượng: 2
NodeMCU là module thu phát wifi. Đề tài sử dụng hai module Node MCU. Một module được lắp trên robot để đọc và gửi giá trị cảm biến về máy tính chủ, một module cịn lại được lắp trên tủ điều khiển, lấy lệnh điều khiển từ máy chủ để gửi cho Arduino qua wifi.
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Nguồn hoạt động 5VDC MicroUSB hoặc Vin GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
WiFi 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n
IC chính ESP8266 Wifi SoC Bộ nhớ Flash 4MB
Phiên bản firmware NodeMCU Lua Chip nạp CP2102
Giao tiếp Cable Micro USB Tích hợp giao thức TCP/IP
GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU
Bảng 3: Thông số kỹ thuật Node MCU ESP8266
3. Cảm biến AM2315 Số lượng: 1
AM2315 là cảm biến được lắp trên robot để đọc nhiệt độ, độ ẩm.
Tên thông số Thông số
Điện áp hoạt động 3.5 ~ 5.5V
Dòng điện tối đa khi sử dụng 10mA
Nhiệt độ -20 ~ 80 độC sai số 0.1độC
Địa chỉ I2C 05C
4 dây tín hiệu dài 20 inch Đọc độ ẩm từ 0-100% sai số 2%
21
4. Mạch cầu H – L298 Số lượng: 1
L298 là mạch điều khiển động cơ DC tích hợp diod bảo vệ.
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động 5~30VDC
Mức điện áp logic Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss Dòng tối đa cho mỗi cầu H 2A
Công suất tối đa 25W 1 cầu
IC chính L298 - Dual Full Bridge Driver Nhiệt độ bảo quản -25°C ~ +130
Số cổng điều khiển 2 cổng
Bảng 5: Thông số kỹ thuật Mạch cầu H – L298
5. Router Tplink 841n Số lượng: 1
Router dùng để phát wifi chính, giúp kết nối các thiết bị với nhau, có khả năng bảo mật.
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Nguồn hoạt động 9VDC / 0.6A
Ports - 4 x cổng LAN 10/100Mbps - 1 x cổng WAN 10/100Mbps
Ăng ten 2 x ăng ten đẳng hướng cố định
Chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11n, IEEE 802.11g, IEEE 802.11b Băng tần 2.412~2.472GHz Tốc độ tín hiệu - 11n: Lên đến 300Mbps(động) - 11g: Lên đến 54Mbps(động) - 11b: Lên đến 11Mbps(động) Độ nhạy - 270M: -70dBm@10% PER - 130M: -74dBm@10% PER - 108M: -74dBm@10% PER - 54M: -77dBm@10% PER - 11M: -87dBm@8% PER - 6M: -90dBm@10% PER
22 - 1M: -98dBm@8% PER
Tính năng Wi-Fi Mở/Tắt sóng Wi-Fi, WMM, thống kê Wi-Fi
Bảo mật Wi-Fi WEP, WPA/WPA2, WPA-PSK/WPA2-PSK Dạng WAN IP động/IP tĩnh/PPPoE/ PPTP/L2TP/BigPond Quản lý - Kiểm soát truy cập
- Quản lý nội bộ - Quản lý từ xa
DHCP Máy chủ, Danh sách máy khách DHCP, Dành riêng địa chỉ Dynamic DNS DynDns, Comexe, NO-IP
Mạng khách 1 x mạng khách 2.4GHz
Môi trường - Nhiệt độ hoạt động: 0℃~40℃ - Nhiệt độ lưu trữ: -40℃~70℃
- Độ ẩm hoạt động: 10%~90% không ngưng tụ - Độ ẩm lưu trữ: 5%~90% không ngưng tụ
Bảng 6: Thông số kỹ thuật Router Tplink 841n
6. Arduino UNO R3 Số lượng: 1
Arduino UNO R3 được lắp trên tủ điều khiển, nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính chủ thơng qua Node MCU, từ đó điều khiển động cơ robot.
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Điện áp đầu vào khuyên dùng 7VDC - 12VDC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Dòng ra trên chân digital Max 40 mA Dòng ra trên chân 5V 500 mA Dòng ra trên chân 3.3V 50 mA
Số chân Analog 6
Số chân Digital 14 ( 6 chân PWM)
Chip điều khiển chính ATmega328P
Dung lượng bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328P)
SRAM 2 KB (ATmega328P)
EEPROM 1 KB (ATmega328P)
Tốc độ 16 MHz
Chân PWM (~) 3, 5, 6, 9, 10, và 11 Chip nạp và giao tiếp UART ATmega16U2
23
7. Mạch điều khiển động cơ TB6600 Số lượng: 1
Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG.
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Nguồn đầu vào: 9V – 42V
Dòng cấp tối đa: 4A
Độ phân giải: 1/1, ẵ, ẳ, 1/8, 1/16, 1/32 step
Có thể điều khiển đảo chiều quay Tích hợp chân Reset và Enable Tích hợp tính năng Standby Tích hợp bảo vệ quá nhiệt TSD Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao Có tích hợp đo q dịng q áp
Bảng 8: Thơng số kỹ thuật Mạch điều khiển động cơ TB6600
8. Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước DRV8825 Số lượng: 1
Driver động cơ bước DRV8825 với đầy đủ các tính năng của mơt driver chun nghiệp : điều chỉnh dòng giới hạn, vi bước ( 1/32 bước) ,bảo vệ q dịng, q nhiệt,v.v...
Tên thơng số Thơng số kỹ thuật
Điện áp cung cấp 8.2~45VDC Dịng trung bình 1.5A
Độ phân giải full, half step, ¼ step, 1/8 step, 1/16 step, 1/32 step Điện áp điều khiển 3.3V và 5V
Dòng đỉnh ( Peak) lên đến 2.5A
Tự động shutdown khi quá nhiệt, quá dòng
Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá tải
Mạch 4 lớp,2 lớp phủ đồng giúp cải thiện khả năng tản nhiệt
Có thể thay thế tốt cho Driver A4988 trong máy in 3D
24
9. Bộ nguồn xung ổn áp S8VM-30024C Số lượng: 1
Cung cấp nguồn xung ổn áp cho thiết bị.
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Hiệu suất làm việc 81% tối thiểu
Dòng rò - 0.4 mA max. (vào 100VAC)
- 0.75 mA max. (vào 200VAC) ở ngõ ra định mức
Khoảng điều chỉnh điện áp ra −20% to 20% (V. ADJ)
Chức năng bảo vệ quá tải 105% ~ 160% dòng tải định mức Nhiệt độ làm việc −25 to 65°C
Nguồn cấp 100~240VAC (85~264VAC) 50/60Hz
Điện áp ngỏ ra loại 5,12, 15, 24VDC ±10%, chỉ thị dòng áp ngỏ ra Nhiều cấp công suất dể lựa chọn 15, 30, 50, 100, 150, 300, 600, 1.500W Bảo vệ quá dòng, ngắn mạch, quá áp, thấp áp, tự động khởi động lại Đèn báo chỉ thị trạng thái ngỏ ra màu xanh
Chức năng báo động sai điện áp ra
Bảng 10: Thông số kỹ thuật Bộ nguồn xung ổn áp S8VM-30024C
10. Động cơ bước và trục vitme: NEMA 17 42 Số lượng: 1
Động cơ bước và trục vitme NEMA 17 42 dùng trong cơ cấu rải dây trong quá trình robot di chuyển
Tên thơng số Thơng số kỹ thuật
Cường độ định mức 1.5A
Mơ men giữ 0.55 Nm
Góc quay mỗi bước 1.8° Khối lượng 400g
Tương thích với đầu ra động cơ bước trên mạch RAMPS 1.5 hoặc CNC shield V3 Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm
25
11. Động cơ bước giảm tốc: 667oz-in NEMA-17 Bipolar Số lượng: 1
Động cơ bước giảm tốc 667oz- in NEMA-17 Bipolar dùng trong cơ cấu quấn dây trong quá trình robot di chuyển
Tên thơng số Thơng số`
Dịng chịu tải 1.7A
Góc bước 1.8˚ Moment xoắn giữ 73N.cm
Moment xoắn hãm 3N.cm
Khối lượng 480g
Bảng 12: Thông số kỹ thuật Động cơ bước giảm tốc: 667oz-in NEMA-17 Bipolar
12. Động cơ dc giảm tốc: 5840-31ZY Số lượng: 6
Động cơ dc giảm tốc 5840-31ZY dùng để điều khiển robot di chuyển trong đường ống
Tên thông số Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động 24VDC
Tốc độ 16rpm (không tải)
Sai số ±5%
Bảng 13: Thông số kỹ thuật Động cơ dc giảm tốc: 5840-31ZY
13. Camera USB 2.0 Số lượng: 1
Camera được gắn trên thân robot làm nhiệm vụ thu thập hình ảnh bên trong đường ống gửi về giao diện máy tính.
Tên thơng số Thông số
Cổng giao tiếp USB 2.0 tương thích USB 1.1
Cảm biến thu nhận ảnh CMOS sensor -200w with 110 dB high dynamic range Công nghệ hỗ trợ cảm biến - Back-focus-adjustment
- Automatic gain control (AGC)
- Automatic exposure control (AEC) Độ phân giải 5 Mpixels
Kích thước (w x h x l): 38.8 x 38.8 x 35 mm Chuẩn bảo vệ class IP40