CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
3.2. Tính toán, lựa chọn, thiết kế cơ khí
3.2.1. Lựa chọn cơ cấu di chuyển
Với yêu cầu Robot phải di chuyển ổn định, chịu tải cao và thẩm mỹ phù hợp khi di chuyển trong không gian hội chợ triển lãm. Nhóm tác giả đã quyết định chọn cơ cấu di chuyển bằng bánh xe (Wheel Mechanism). Trong đó mỗi loại bánh xe khác nhau lại có một cơ cấu cơ khí khác nhau. Một số loại bánh xe thông dụng nhất trong lĩnh vực mobile Robot:
Bánh xe thường: Có hình dáng dạng đĩa, có khung bằng nhựa cứng hoặc kim loại, lắp trên một trục cố định, bọc ngoài bằng cao su. Đây là loại bánh xe thông dụng, lâu đời và phổ biến nhất trong lĩnh vực mobile Robot. Cơ cấu thường dùng nhất cho loại bánh xe này là cơ cấu vi sai với 2 bánh chủ động, 1 bánh điều hướng hoặc 2 bánh chủ động 2 bánh điều hướng.
37
Hình 3.1 Cơ cấu vi sai (Differential drive) sử dụng 2 bánh dẫn động và 1 bánh điều hướng (Nguồn: STEMpedia)
Ưu điểm:
• Dễ lắp đặt, thay thế, bảo dưỡng.
• Chi phí thấp.
• Dễ dàng tính toán cho việc di chuyển, cũng như dễ dàng điều khiển.
• Khả năng chịu tải lớn.
Nhược điểm:
• Chỉ có thể di chuyển trên 1 trục cố định, dẫn đến khả năng di chuyển kém linh hoạt.
• Để hệ thống hoạt động chính xác đòi hỏi sự chính xác đến từ cơ khí đảm bảo 2 bánh xe dẫn động phải song song. Các cảm biến phải ổn định và chính xác.
Bánh xe Mecanum: Đây là loại bánh xe có thiết kế phức tạp và đặt biệt, bao gồm 1 bánh xe chính và các con lăn bố trí một góc 45° so với trục của bánh xe chính. Điều này cho phép tạo ra chuyển động với các hướng khác nhau tùy theo tốc độ và chiều quay của từng bánh xe. Với các đặt điểm như trên thì Robot sử dụng bánh xe Mecanum thường sẽ có cơ cấu 4 bánh, được bố trí theo hình vuông hoặc hình chữ nhật.
38
Hình 3.2 Cơ cấu Robot sử dụng bánh Mecanum (Nguồn: Cyberspaceandtime) Ưu điểm:
• Có thể di chuyển theo bất kỳ hướng nào (trái, phải, tiến, lùi, quay tròn, và theo đường chéo) mà không cần thay đổi hướng của thân Robot. Điều này tăng tính linh hoạt và khả năng điều hướng trong không gian hẹp.
Nhược điểm:
• Do kết cấu phức tạp nên chi phí cực kì cao, khả năng sửa chữa bảo trì là không thể, khi hỏng chỉ có thể thay thế.
• Khả năng chịu tải thấp.
• Tính toán, điều khiển phức tạp.
• Đòi hỏi di chuyển trên bề mặt bằng phẳng không gồ ghề.
Bánh xe Omni: Một loại bánh xe khác cũng có thiết kế phức tạp và đặt biệt không kém Mecanum là Omni. Cấu tạo cũng gồm một bánh xe chính và các con lăn, tuy nhiên điểm khác biệt là các con lăn được bố trí xung quanh chu vi của bánh xe. Với đặc điểm trên thì cơ cấu thường dùng cho bánh xe Omni là 3 bánh đặt lệch nhau một góc 120° hoặc 4 bánh đặt lệch nhau một góc 90 độ.
39
Hình 3.3 Cơ cấu Robot sử dụng bánh Omni (Nguồn: noDNA) Ưu điểm:
• Có thể di chuyển linh hoạt theo nhiều hướng mà không cần thay đổi hướng thân của Robot
• Cấu trúc không quá phức tạp nên chi phí cũng phù hợp so với khả năng mà nó mang lại.
Nhược điểm:
• Khó sửa chữa, bảo trì.
• Khả năng chịu tải thấp.
• Tính toán, điều khiển phức tạp.
• Giới hạn bề mặt có thể di chuyển, khả năng di chuyển, hiệu suất có thể bị ảnh hưởng khi di chuyển trên các bề mặt gồ ghề.
Từ những đặc điểm cũng như ưu điểm và nhược điểm của các loại bánh xe phổ biến trên, căn cứ vào yêu cầu thực tế và giới hạn của đề tài như: di chuyển ổn định, khả năng chịu tải không quá thấp, tốc độ đáp ứng, khả năng linh hoạt chuyển hướng không quá cao, chi phí vừa phải, khả năng bảo trì sửa chữa đơn giản. Nhóm tác giả đã quyết định chọn cơ cấu vi sai (Differential drive) với 2 bánh chủ động và 2 bánh dẫn hướng trước sau.
40
Với cơ cấu này thì đòi hỏi trọng tâm của Robot không quá cao để hoạt động ổn định, kết hợp với yêu cầu về kích thước tổng quát ban đầu nhóm tác giả quyết định chọn bánh xe chủ động có đường kính 100mm. Bên cạnh đó để đáp ứng độ cứng vững khi chịu tải trọng của toàn bộ Robot thì vành bánh xe được chọn phải làm bằng kim loại ở đây nhóm chọn nhôm. Ngoài ra để Robot di chuyển ổn định không bị trượt thì vỏ phải được bọc bằng cao su để tăng độ ma sát. Cuối cùng tổng hợp lại thì bánh xe được chọn là bánh nhôm bọc cao su có đường kính 100mm.