ả 2-2: Lựa chọn cấu trúc làm việc
Tên kh i Kh i con Giải pháp 1 Giải pháp 2 Giải pháp 3 Tính năng Khối nguồn Pin 1 1 0 Tốc độ tự xả thấp và mật độ năng lượng cao Bộ sạc 1 1 0 Khá nhỏ gọn có thể
mang đi theo dễ dàng
Cổng sạc 1 0 1 Phổ biến trên thị
47 Khối dẫn
động
Giảm tốc 1 1 1 An toàn, phổ biến
trên thế giới
Truyền động 1 0 0 Nhỏ gọn, đơn giản
Dẫn hướng 1 1 0 ám địa hình tốt
Khối vỏ
Khung 1 1 0 Chất liệu tái tạo, bền
chắc, chịu va đập tốt, cách điện, an toàn cho người dùng Vỏ thân 1 1 0 Khối cơng thái học Màn hình hiển thị 1 0 1 Màn hình nét, dễ nhìn, thuận tiện cho
việc sử dụng
Chiếu sáng 1 0 0 Rõ nét, độ sáng an
toàn
Hệ thống
an toàn Bảo vệ nguồn 1 0 1
Giảm thiểu thiệt hại khi xảy ra sự cố chập
điện
Nhận dạng địa hình
Đo chiều cao
vật cản 1 1 1
Cảm biến nhạy giúp robot dễ dàng điều khiển và nhận diện vật cản Nhận biết mặt tiếp xúc 1 1 1 Khối điều khiển Nhận tín hiệu
điều khiển 1 1 0 Điều khiển linh hoạt, dễ sử dụng
Xử lý tín hiệu 1 1 1
48 thể Chiều rộng tổng thể 0 1 1 Chiều cao tổng thể 0 0 1 Độ cao gầm 1 1 0 Tổng 17 13 9 X p h ng 1 2 3
Concept 1 là giải pháp tối ưu nhất Lựa chọn concept 1 để thiết kế cụ thể.
49
CHƢƠNG 3. THI T K CỤ THỂ 3.1. Xây dựng bƣớc thi t k cụ thể
3.1.1. Bắt ầu với giải pháp nguyên tắc và danh sách yêu cầu
- Phần cơ khí:
o Hoạt động êm, tiếng ồn nhỏ.
o Tính chọn kỹ lưỡng kích thước phù hợp với hệ thống và theo yêu cầu của người sử dụng.
o Đảm bảo đầy đủ lực khí nén trong q trình leo cầu thang. o Đảm bảo tốc độ di chuyển và bộ xử lý nhanh gọn.
o Đảm bảo khả năng chịu lực tốt. - Phần điều khiển:
o Đảm bảo cơng nghệ tốt nhất, tốc độ thu nhận tín hiệu và xử lý tín hiệu nhanh, ổn định.
o Đảm bảo sai số nhỏ nhất.
o Hạn chế hoạt động trong khu vực ẩm ướt. - Phần nhận diện địa hình:
o Đảm bảo di chuyển các địa hình b ng ph ng và địa hình bậc thang 1 cách trơn chu.
o Cảm biến địa hình đạt hiệu quả xử lý tốt nhất, ít sự cố. - Các yêu cầu ràng buộc khác của hệ thống:
o Sai số của các chi tiết trong dung saic cho phép. o Tối giản thiết kế hệ thống, dễ dàng bảo trì thay thế. o Đảm bảo tiêu chí về giá thành sản phẩm.
50
3.1.2. X ịnh iều kiện biên hoặ hông gi n ƣỡng bức của bƣớc thi t k cụ thể
a. Phần thiết kế
- Các yêu cầu thiết kế hệ thống cơ khí cần thỏa mãn các điều kiện sau: o Kích thước: 360x500x840 (mm).
o Xe đảm bảo độ cứng vững. o An toàn khi vận hành.
o Thiết kế thuận tiện cho tháo lắp sửa chữa, bố trí bộ điều khiển, các bộ phận khác.
o Vỏ xe được thiết kế bao tồn bộ các cơ cấu cơ khí bên trong. o Tính năng: leo được cầu thang thơng thường độ cao bậc thang
từ 15-18cm, chiều rộng bậc thang 25-30cm, độ dốc 33-36°): Sai số chế tạo của chi tiết: 0,1÷0,15mm .
Dung sai khi lắp ráp chi tiết: 0,05mm. Yêu cầu lắp đặt.
Vật liệu: Kim loại cứng chịu được va đập tối thiểu 50 N, modun đàn hồi >400 Mpa.
- Phần điện
o Màn hình điều khiển tích hợp cảm ứng: sắc nét, nhạy, độ sáng cao
o Động cơ: có tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ.
51
3.1.3. Xác lập layout thô – xác ịnh các bộ phận thực hiện chức năng ả 3-1: Xác lập phần các layout thơ Nhóm Bộ phận Chứ năng Nét ặ trƣng Cơ khí Di chuyển (xích con lăn) Là bộ phận thực hiện chức năng di chuyển vướt địa hình cầu thang của robot
- Thơng số hình học: o Kích thước bánh mang xe : 4,5cm x 1 mảnh x 78cm o Kích thước bánh xe chịu lực: 50 x 30mm o Chịu lực tốt có độ chính xác cao
Vỏ máy Bảo vệ các thiết bị bên trong
Chịu được các tác nhân từ thời tiết, ngoại lực bên ngoài tác động vào Robot
Các khâu Là phần chịu lực,tạo nên quỹ đạo chuyển động Động cơ Thực hiện quá trình
chuyển động và làm việc
Có độ chính xác cao , hoạt động êm ái
Nguồn điện
Cung cấp năng lượng cho hệ thống hoạt động
Bộ chuyển đổi điện áp
Chuyển đổi điện năng trong các thiết bị điện sang mức điện áp phù hợp với các bộ phận
52 Điện, Điện tử Vi điều khiển
- Cấp xung , điều khiển chuyển động của khâu, khớp.
- Điều khiển các trạng thái hoạt động của các cơ cấu chấp hành và các thông số khác của robot
Cảm biến tiệm cận
Đo khoảng cách , kiểm tra sai số
Hệ thống hiển thị ,cảnh báo
Hiện thị các thơng số hoạt động , cảnh báo khi có sự cố
Thông báo cho ngời dùng khi có sự cố
3.1.4. Lựa chọn l out sơ bộ phù hợp
53
3.1.5. Danh sách checklist
ả 3-2: Danh sách checklist
Danh sách
checklisit Yêu cầu cụ thể
Mứ ộ nh gi
Kém Trung bình T t
Chức năng Chức năng chính: Leo cầu thang . X
An toàn Đã xử lý được vấn đề an tồn điện, nhiệt. X Cơng thái
học Hình dạng, kiểu dáng, màu sắc ưa nhìn. X
Sản xuất
Tính kinh tế: sử dụng vật liệu có giá thành trung bình, cơng nghệ sản xuất phù hợp với chi
phí đề ra
Tính cơng nghệ: sử dụng các cơng nghệ tiên tiến, an toàn, đảm bảo chu trình vận hành.
X
Kiểm tra chất lượng
Tiến hành kiểm tra định kỳ và đột suất trong quá trình sản xuất để đảm bảo chất lượng của
sản phẩm.
X
Lắp ráp Sản phẩm lắp ráp logic, thích hợp, sử dụng
bulong ốc vít và một số bộ phận hàn sẵn. X
Vận chuyển
Đảm bảo được an tồn và bảo mật khi vận chuyển, có sử dụng các vật liệu chống va đập
để giữ cho sản phẩm không bị hư hại.
X
Vận hành Các tác động xấu khi vận hành đã được xử lý
54 Bảo dưỡng
Bảo dưỡng định kì. Thời gian bảo dưỡng tương thích với thời gian bảo dưỡng động cơ, bộ điều
khiển …
X
Tái chế Đã sử dụng vật liệu có khả năng tái chế. X
Chi phí
Chi phí thiết kế, sản xuất, lắp ráp, vận chuyển… đã n m trong nguồn kinh phí cho
phép.
X
Tiến độ Thời gian thiết kế và sản xuất đảm bảo đúng
tiến độ đề ra. X
3.2. Tích hợp hệ th ng
Xây dựng lưu đồ thuật tốn:
55
3.3. Tính tốn, thi t k , phác thảo sản phẩm 3.3.1. Tính tốn
Chọn động cơ:
- Tính tốn chọn động cơ càng trước:
3-3: Phân tích lực
Mômen xoắn cần thiết để nâng càng trước lên: Trong đó: P: trọng lượng của robot (20N)
R: chiều dài cánh tay đòn m) M = 20 * 0.55 = 11 (Nm)
56
Công suất cần thiết để nâng xe là:
Trong đó: P: công suất động cơ
n: tốc độ động cơ vòng/phút)
T: Momen xoắn trên trục động cơ Nm) - Tính tốn động cơ càng trước
Mơmen xoắn cần thiết để nâng càng trước lên: M=P*R Trong đó: P: trọng lượng của robot (20N)
R: chiều dài cánh tay đòn m) M = 20 * 0.55 = 11 (Nm)
Công suất cần thiết để nâng xe là: P=M*ω= M*n*2π)/60 Trong đó: P: cơng suất động cơ
n: tốc độ động cơ vòng/phút)
T: Momen xoắn trên trục động cơ Nm)
Hiện nay trên thị trường có 3 loại động cơ thơng dụng đó là: Động cơ DC bình thường, động cơ đề, động cơ gạt nước.
- Động cơ DC bình thường: nhỏ gọn rẽ ga đặt nhưng cơng suất yếu.
- Động cơ đề: có cơng suất lớn, phù hợp cho việc chuyền động trục chính cho robot, nhưng có khả năng là ta phải quấn lại số vịng dây phù hợp với yêu cầu. Thông số sau khi quán lại để sử dụng là: điện áp 24V, dòng điện làm việc là: 1,5A, tải trọng là 30Kg.
57
Từ kế quả tính tốn và so sánh các loại động cơ chúng em chọn động cơ gạt nước làm động cơ nâng hạ càng trước và sau của robot.
3-4: Độ cơ ạt ước
58 Các thông số kĩ thuật của động cơ:
Điện áp làm việ , òng iện làm việc 24V
Công suất 50W
Khả năng hịu tải 24kg
T ộ khơng giảm t c 1500 (vịng/phút)
T ộ sau khi giảm t c 40 (vịng/phút)
+ Tính tốn động cơ chính
Vì khi leo dốc cần momen xoắn lớn hơn nên để đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt ở mọi trường hợp chúng em sẽ tính chọn động cơ theo trường hợp robot leo dốc.
Với:
( ) ( )
Dựa vào cơng suất và momen tính được chúng em chọn động cơ planet với thông số kỹ thuật như sau:
Điện áp làm việc 24 (v)
Công suất 60 (W)
T ộ không giảm t c 9000 (vòng/phút)
T ộ sau khi giảm t c 64.75 (vòng/phút)
59
3-6: Độ cơ pla et
3.3.2. Thi t k ơ hí
a. Bản tổng thể
60
3-8: Mơ hình 3D
b. Bản vẽ chi tiết
- Bản vẽ bánh xe phụ
61 - Bản vẽ bánh xe trục chính
3-10: Bánh xe trục chính
- Bản vẽ thân
62 - Bản vẽ càng
3-12: Bản vẽ càng
3.4. Thi t k m h iện tử 3.4.1. Thi t k sơ ồ hệ th ng
3-13: Nguyên lý hệ thố điệ , điện tử
- Nhận tín hiệu iều khiển: Người điều khiển quan sát robot và từ màn
hình hiển thị lựa chọn các chế độ điều khiển robot thông qua các nút bấm trong ứng dụng điều khiển trên màn hình điện thoại. Tín hiệu được sử lý ngay sau đó được gửi sang Arduino thơng qua kết nối Bluetooth.
63
- Mã hóa: là q trình sử lý tín hiệu của Ardunio (hệ thống điều khiển).
Ardunio Uno giao tiếp với App trên điện điện thoại để nhận tín hiệu, sau đó mã hóa tín hiệu điều khiển truyền cho modul Blutool HC-05.
- Truyền tín hiệu iều khiển: Thực chất đây là q trình trao đổi thơng
tin giữa module bluetooth HC-05 và bluetooth trên điện thoại. Tín hiệu điều khiển nhận từ điện thoại được truyền thành sóng radio và truyền vào khơng khí. Module bluetooth HC-05 thu tín hiệu đó, chuyển thành tín hiệu đó chuyển thành tín hiệu và gửi về robot.
- Kh i giải mã và tính tốn: Ardunio trên robot nhận tín hiệu điều khiển,
giải mã tín hiệu, sau đó tính tốn điều khiển cơ cấu chấp hành điều khiển động cơ) theo mục đích của người điều khiển.
- Kh i iều khiển: Nhận tín hiệu điều khiển từ Ardunio, điều khiển động
cơ
64
3.4.2. Thi t k m ch
a. Lựa chọn linh kiện
- Bo m ch Arduino uno R3
Board Arduino uno R3 là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino. Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chương trình có trên Arduino Uno do cùng sử dụng MCU ATmega328P. Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P thay vì IC chân cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno. Arduino Nano được kết nối với máy tính qua cổng Mini USB và sử dụng chip CH340 để chuyển đổi USB sang UART thay vì dùng chip ATmega16U2 để giả lập cổng COM như trên Arduino Uno hay Arduino Mega. Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nối tiếp.
65 Thông số kỹ thuật:
ả 3-3: Bảng thơng số của Arduino Uno R3
IC chính Atmega328P
IC n p và giao ti p UART CH340
Điện áp ho t ộng 5V-DC
Điện p ầu vào khuyên dùng 6-20V –DC
S chân Digital I/O 14 trong đó có 6 chân PWM)
S chân Analog 8 độ phân giải 10 bits, nhiều hơn Arduino Uno2 chân)
Dòng iện tiêu thụ 30mA
Dòng t i trên mỗi chân I/O 40mA
Dòng ra t i 5V - 500mA
3.3V - 50mA
Bộ nhờ flash 32kb với 2kb dùng bởi bootloader
SRAM 2kb EEPROM 1kb Xung nhịp 16MHz Kích thƣớc 0.73” x 1.70” 1.85x4.3 cm) Trọng lƣợng 5g - Pin lipoTCB 12v -3s
Pin Lipo (viết tắt từ Lithium Polymer) là một loại pin sạc sử dụng chất điện phân polymer khô, tương tự như một miếng phim nhựa mỏng. Miếng phim này được kẹp (thực sự là ghép lá) giữa cực dương và cực âm của pin cho phép trao đổi ion - do đó có tên là lithium polymer. Phương pháp này cho phép Pin có thể làm rất mỏng với các hình dạng và kích thước của cell pin khác nhau. Ưu điểm của nó:
66
o Pin Li-Po nhỏ, nhẹ và có thể làm ở mọi hình dáng kích thước. o Pin Li-Po có dung lượng cao có nghĩa là nó chứa được nhiều
năng lượng trong một gói pin nhỏ.
o Pin Li-Po có dịng xả cao để cung cấp năng lượng liên tục cho thiết bị di động.
3-16: Pin lipo TCB 12v-3s
Thông số kỹ thuật:
ả 3-4: Bảng thông số của pin Lipo TCB
Dung lƣợng 2200mAh Dòng xả 35c Áp 12V – 3s Kí h thƣớc 110x35x25 mm Kh i lƣợng 190g Sử dụng bộ s c IMAX B6AC
67
- o un iều khiển t ộ ộng ơ 298 V3.1
3-17: Modu điều khiển tốc độ độ cơ L298 V3.1
- Mô đun điều khiển động cơ L298 V3 dùng để điều khiển các loại động cơ DC, động cơ bước và động cơ servo.
- Mô đun điều khiển động cơ L298 sử dụng 2 IC cầu H để điều khiển động cơ.
- Mơ đun có thể điều khiển nhiểu loại motor khác nhau như step motor, sevor motor, motor DC, với mức áp lên đến 36V, dòng tối đa 2000mA cho mỗi kênh điều khiển.
68 - Thống số kỹ thuật:
ả 3-5: Bảng thông số của module L298 V3.1
Điện áp làm việc 9 ~ 4V
Dịng iện khơng tải 10mA
Dịng t i mỗi m ch cầu H 2A
Cơng suất hao phí 20W
Kí h thƣớc 55x49x33 mm
Trọng lƣợng 33g
4 chân tín hiệu vào IN1, IN2, IN3, IN4
4 hân r iều khiển ộng ơ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 - Cảm bi n vật cản hồng ngo i E3F-DS 30C4
Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 Adjustable IR Infrared Proximity Sensor là cảm biến với độ bền và độ ổn định cao, cảm biến sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến, cảm biến phát ra tia hồng ngoại với dải tần số chuyên biệt cho khả năng chống nhiễu tốt kể cả ở điều khiện ánh sáng ngoài trời.
Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 Adjustable IR Infrared Proximity Sensor có thể chỉnh khoảng cách mong muốn thơng qua biến trở trên cảm biến, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở NPN nên cần thêm trở kéo lên VCC (khoảng 1-10k Ohm) trước khi giao tiếp với vi điều khiển. Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 0 ~ 30cm thích hợp với từng ứng dụng cụ thể như: xe dò line, xe tránh vật cản,...
69
3-18: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS
Thông số kỹ thuật:
D ng óng ngắt Thường mở
S dây tín hiệu 3 dây (2 dây cấp nguồn DC và 1 dây tín hiệu) Nguồn cấp 6 – 36 VDC Dòng tiêu thụ 20 – 35 mA Khoảng iều chỉnh cảm bi n 7-30 cm Góc khu ch tán 3-5 độ Kí h thƣớc 18x68 mm - Động ơ RC servo G996
Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển b ng xung với góc quay n m trong khoảng bất kì từ 0° - 360°. Động cơ servo là các hệ hồi tiếp vịng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều