Đồ án Nghiên cứu chế tạo robot hút bụi tự động

cạnh đó có một khối điều khiển lập kế hoạch cho toàn bộ tác vụ của robot. Cảm nhận Chấp hành Cảm nhận Kế hoạch Chấp hành Kế hoạch Cảm nhận Chấp hành 14 2.1.2 Kế thừa sản phẩm có sẵn trên thi trường Đồ án tham khảo một số sản phẩm robot hút bụi tự động có trên thị trường hiện nay như LG, iRobot, Samsung, Toshiba, Tìm hiểu các chức năng của các sản  phẩm đó, từ đó đưa ra những chức năng cơ bản của robot hút bụi tự động.  Ngoài ra, học hỏi kiểu dáng thiết kế đặc sắc của các sản phẩm đấy, để lựa chọn cũng như sàn lọc các mẫu thiết kế đẹp và hiệu quả. Từ những tìm hiểu trên xây dựng nên các phương án thiết kế, có những phương án đó rồi tiến hành phân tích ưu điểm cũng như nhược điểm để lựa chọn thi công sản phẩm. Đây là bước quan trọng để định hình cơ bản các phương án thiết kế và lựa chọn phương án thi công. 2.1.3 Thực nghiệm Từ những kết quả của thực nghiệm để hoàn thiện sản phẩm sau cùng. Kết quả của thực nghiệm phản ánh chất lượng của sản phẩm, đút kết những kinh nghiệm quý báu để hoàn thiện sản phẩm. Ở phần này sản phẩm được tiến hành thử nghiệm với các quy trình khắc khe, nhiều yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Để đảm bảo sản  phẩm hoạt động tốt ở điều kiện ban đầu thiết kế. 2.1.4 Các bước tiến hành 1. Tham khảo sản phẩm robot hút bụi có trên thị trường. 2. Xây dựng các phương án thiết kế. 3. Phân tích và chọn phương án thiết kế. 4. Thi công phương án lựa chọn. 5. Thử nghiệm sản phẩm. 6. Kết luận và hướng phát triển. 2.2 Yêu Cầu Kĩ Thuật Robot hút bụi Robot hút bụi chỉ có nhiệm vụ di chuyển hút bụi và tránh vật cản phía trước. Phần cơ khí của robot hút bụi cứng vững để mang được pin, mạch điều khiển, cảm biến, Tốc độ di chuyển không quá nhỏ cũng không lớn quá, không gây khó khăn cho việc điều khiển. 15 Cơ cấu cơ khí nhỏ gọn, giúp cho robot di chuyển linh hoạt. Kiểu dáng, màu sắc đẹp. 2.3 Thiết kế phương án cơ khí của Robot hút bụi Công việc thiết kế cơ khí của robot hút bụi bao gồm 2 phần như sau: • Xây dựng bản vẽ, công việc này được thực hiện trên phần mềm vẽ đồ họa SolidWork 2005. • Sau khi có được bản vẽ thiết kế 3D của robot bụi, tiến hành phân tích lựa chọn phương án thiết kế. Tiếp theo, thi công phương án được chọn. 2.3.1 Phương án 1 Hình 2.1 Phương án thiết kế cơ khí 1 Phương án 1 là mô hình robot tự hành 3 bánh, trong đó 2 bánh sau được gắn liền trục với 2 động cơ điện DC 12V, bánh tự lựa được đặt ở phía trước có tác dụng điều hướng. Mô hình có hình tròn có kích thước (đường kính x chiều cao) là 300 x 110 (mm). Robot được trang bị LCD và nút nhấn để giao tiếp, ngoài ra sử dụng công tắc hành trình và loxo giúp robot tiếp xúc vật cản khi hoạt động. Trang bị một chổi lớn có tác dụng khuấy bụi giúp robot hút bụi tốt hơn. Phương án này sử dụng một nguồn duy nhất từ acquy 12V. 16 Ưu điểm của phương án này là : • Kiểu dáng thiết kế nhỏ gọn. • Khả năng di chuyển linh hoạt. • Đảm bảo một số tiêu chí của yêu cầu kỹ thuật. • Màu sắc đẹp. Tuy nhiên, diện tích không gian bên trong robot khiêm tốn, chỉ trang bị có một chổi và kiểu dáng thiết kế như vậy thì hiệu quả làm việc ở những góc tường kém. 2.3.2 Phương án 2 Hình 2.2 Phương án thiết kế cơ khí 2 Phương án thứ 2 là robot tự hành 3 bánh, nó cũng sử dụng một bánh điều hướng, 2 bánh phía sau được gắn liền trục với động cơ, khác với phương án 1, thiết kế tổng thể là khối hình vuông được bo tròn bốn góc có kích thước (cạnh x chiều cao) là 305 x 110 (mm). Các công tắc hành trình được đặt duy nhất ở phía trước. Mô hình cũng có khoảng trống phía trong để mạch điều khiển và pin, trang bị LCD, nút nhấn để giao tiếp. Robot được trang bị hệ thống gồm 3 chổi. Trong đó, hai chổi 17  phía trước có chức năng phụ trợ giúp gom bụi hai bên vào, quét các góc tường. Chổi lớn có tác dụng khuấy bụi giúp robot hút bụi tốt hơn. Ưu điểm của phương án 2 là : • Diện tích không gian bên trong robot rộng. • Hiệu quả làm việc được cải thiện. • Màu sắc đẹp và bắt mắt. Tuy nhiên, nhìn tổng thể thì cồng kềnh, quá góc cạnh tạo cảm giác thô cứng không được mượt mà và đẹp mắt. 2.3.3 Phương án 3 Hình 2.3 Phương án thiết kế cơ khí 3 Phương án 3 được thiết kế dựa trên hình vuông có kích thước chiều dài là 300 (mm) và được bo tròn bốn góc. Robot có 2 bánh chủ động và 1 bánh dẫn hướng được đặt phía trước. Ở phương án này có bố trí hệ thống gồm 3 chổi quét, trong đó 2 chổi nhỏ đặt hai bên góc trước của robot giúp quét bụi ở góc tường nên tăng diện tích làm việc của robot. Bên cạnh đó, chổi lớn được thiết kế đặt trung tâm chếch về  phía trước có chức năng khuấy bụi và quét các mảnh vụn có kích thước nhỏ. Hộp  bụi được thiết kế bố trí hợp lý, có màn hình LCD và các nút nhấn để giao tiếp. Ở  phương án này dùng các công tắc hành trình đặt phía trước để giúp robot cảm nhận 18 vật cản và dùng các loxo để giảm sốc cho robot khi va chạm với vật cản. Các công tắc hành trình được bảo vệ bởi 2 vành ngoài được thiết kế dựa theo hình dạng của thân robot. Tổng thể robot có kích thước là : 320 x 320 x 65 (mm). Ưu điểm : • Robot có kích thước nhỏ gọn giúp di chuyển linh hoạt. • Bo lớn các góc nâng cao hiệu quả làm việc. • Diện tích không gian bên trong robot khá rộng. • Kiểu dáng và màu sắc đẹp. • Các phần cấu thành nên robot được bố trí hợp lý. Tuy vậy, tồn tại một số nhược điểm như dung tích hộp bụi còn nhỏ. Sử dụng công tắc hành trình chưa được hay lắm. 2.3.4 Lựa chọn phương án Từ những phân tích ưu việt trong 3 phương án thiết kế, cũng như dựa trên yêu cầu kỹ thuật được đưa ra trước đó. Phương án 3 là phương án có nhiều ưu điểm hơn 2 phương án còn lại, phương án 3 được đánh giá cao không chỉ ở thiết kế nhỏ gọn mà còn thẩm mĩ cao. Vì vậy, phương án 3 được lựa chọn để chế tạo thành sản  phẩm thực tế. 2.4 Chế tạo phần cơ khí 2.4.1 Chế tạo thân robot Thiết kế phần thân được tiến hành trên phần mềm vẽ 3D Solidwork. Ta có hình dạng tổng thể của phần khung cũng như kích thước tổng quát của khung robot. Khung robot có nhiệm vụ là nâng để cả robot, mặt khác là hình dạng bên ngoài của robot. Theo yêu cầu kỹ thuật của phương án thiết kế thì có kích thước như sau : 320x320x65(mm), bo tròn 4 góc với kích thước bán kính là 45 (mm). Khung robot có yêu cầu về tính thẩm mĩ vì là hình dạng bên ngoài của robot. Vì vậy mà trong quá trình thi công phần khung phải đảm bảo đúng như thiết kế đề ra về kích thước, kiểu dáng. Tránh những lỗi trên là thi công phương án thành công. 19 Hình 2.4 Thiết kế khung trên Solidwork Sau khi đã hoàn chỉnh bản vẽ 3D ta tiến hành chuyển bản vẽ sang 2D bằng các phần mềm như Cad, Solid,Ở đây chọn phần mềm Corel Draw để vẽ 2D phần khung, được gia công trên máy cắt CNC. Hình 2.5 Hình cắt trên máy gia công CNC Vật liệu khung robot phải đảm bảo kỹ thuật như độ cứng vững, bền và nhẹ. Qua nhiều lần khảo sát các vật liệu có trên thị trường chọn được vật liệu mica là thích hợp nhất. 20 Hình 2.6 Vật liệu mica Phần khung sau khi chế tạo hoàn thành đảm bảo yêu cầu thiết kế cũng như yêu cầu kỹ thuật đặt ra. 2.4.2. Chế tạo chổi quét Robot được trang bị 3 chổi quét. Trong đó có 2 chổi quét phụ được đặt phía trước có chức năng quét bụi ở những góc tường. Hình 2.8 Chổi quét phụ 21 Chổi chính có chức năng quét những mảnh vụn cũng như đảo bụi. Chổi lớn có kích thước chiều dài là 220 (mm). Được dẫn động bởi một động cơ 12V qua bánh răng nghiêng. Hình 2.9 Chổi lớn 2.4.3 Chế tạo hệ thống hút bụi Mỗi robot hút bụi trên thị trường đều được trang bị hệ thống hút bụi riêng. Một hệ thống hút bụi điển hình bao gồm phần hút, phần lọc. Trang bị động cơ và cánh quạt tạo lực hút cho hệ thống. Lực hút mạnh hay yếu tùy thuộc vào công suất của động cơ.  Nguyên lý hút bụi rất đơn giản, bên trong có một động cơ điện có tốc độ vòng quay rất cao, trên trục chuyển động của động cơ điện có lắp cánh quạt gió, khi động cơ điện hoạt động với tốc độ cao, cánh quạt gió sẽ quạt cùng với trục chuyển động với tốc độ cao, như vậy không khí bên trong sẽ nhanh chóng thổi ra như một chiếc hộp rỗng. Để bù lại phần không khí đã mất sẽ có một luồng không khí nhanh chóng đi vào theo sự chênh lệch về áp suất. Phần lọc có chức năng lọc sạch không khí đưa vào, giữ lại bụi bẩn cũng như các thành phần không tốt cho sức khỏe của con người có trong không khí như vi 22 khuẩn chẳng hạn. Tùy thuộc vào như cầu lọc mà sử dụng nhiều vật liệu lọc khác nhau như giấy lọc, lưới lọc, vải lọc, Hình 2.10 Nguyên lý của máy hút bụi Dựa trên nguyên lý chung của máy hút bụi, hệ thống hút bụi của robot được thiết kế bao gồm : thân, động cơ điện và cánh quạt. Hình 2.11 Bản vẽ 2D hệ thống hút bụi 23 Hình 2.12 Bản vẽ 2D của cánh quạt Hình 2.13 Bản vẽ 3D hệ thống hút bụi theo thiết kế 24 Hình 2.14 Hệ thống hút bụi được chế tạo 2.4.4 Chế tạo hộp đựng bụi Hộp đựng bụi có chức năng không những đựng bụi mà còn lọc sạch không khí. Vì vậy, hộp bụi được thiết kế có phần đảm nhiệm lọc bụi. Hình 2.15 Hộp bụi theo thiết kế 25 Hình 2.16 Hộp bụi được chế tạo 2.4.5 Động cơ Robot được trang bị hai động cơ 12 VDC có momen lớn, kích thước nhỏ gọn, có hộp giảm tốc. Hình 2.17 Động cơ của robot 26 2.4.6 Chế tạo bánh tự lựa Bánh tự lựa là loại bánh bị động, được phát động bởi hai bánh chủ động. Bánh này có chứ năng dẫn hướng cho robot. Hiện nay có rất nhiều bánh tự lựa trên thị trường với nhiều kích thước,kiểu dáng, mẫu mã khác nhau như : omi, mắt trâu, Chế tạo bánh tự lựa phải đúng yêu cầu kỹ thuật như : • Đảm bảo độ cứng vững. • Bánh xe di chuyển linh hoạt. • Tránh hiện tượng bánh xe bị kẹt cứng. • Tránh hiện tượng rung lắc của bánh xe khi di chuyển. • Bánh tự lựa đảm bảo 2 bậc tự do là : xoay theo trục z và x. Hình 2.18 Bánh tự lựa trên thị trường 27 Hình 2.19 Bánh tự lựa sau khi chế tạo 2.4.7 Bố trí công tắc hành trình Robot được bố trí các công tắc hành trình và nhiều loxo để tiếp xúc với vật cản. Ưu điểm dùng công tắc hành trình là dễ dàng nhận biết vật cản, dễ thi công sau này.  Nhược điểm qua nhiều lần tiếp xúc với vật cản, công tắc hành trình bị hỏng về mặt cơ khí, giảm độ chính xác về sau. Hình 2.20 Bố trí công tắc hành trình 28 2.5 Thiết kế các board mạch điều khiển 2.5.1 Vi điều khiển AVR AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, AVR mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, PISOC. Ngoài ra, do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051, 89xx thì nó độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và tiện lợi hơn. a.Tính năng của họ AVR - Giao diện SPI đồng bộ. - Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được. - Giao tiếp I2C. - Bộ biến đổi ADC 10 bit. - Các kênh băm xung PWM. - Các chế độ tiết kiệm năng lượng như Sleep, Stand by..vv. - Bộ định thời Watchdog. - 3 bộ Timer/Counter 8 bit. - 1 bộ Timer/Counter 16 bit. - 1 bộ so sánh Analog. - Bộ nhớ EEPROM. - Giao tiếp USART,... b.Cấu trúc bộ nhớ AVR AVR có cấu trúc Harvard, trong đó đường truyền cho bộ nhớ dữ liệu (Data memory bus) và đường truyền cho bộ nhớ chương trình (Program memory bus) được tách riêng. Data memory bus chỉ có 8 bit và được kết nối với hầu hết các thiết  bị ngoại vi, với tệp thanh ghi (Register file). Trong khi đó đường truyền cho bộ nhớ chương trình có độ rộng 16 bits và chỉ phục vụ cho thanh ghi lệnh (Instruction registers). 29 Hình 2.21 Cấu trúc bộ nhớ của AVR Bộ nhớ chương trình (Program memory): Là bộ nhớ Flash lập trình được, hay còn gọi là Application section. Thực chất, Application section bao gồm 2 phần:  phần chứa các mã lệnh cho hoạt động của Chip (Instruction) và phần chứa các Vector ngắt (Interrupt vectors). Các Vector ngắt nằm ở phần đầu của Application section (từ địa chỉ 0x0000) và dài đến bao nhiêu tùy thuộc vào loại chip. Phần chứa instruction nằm liền sau đó, chương trình viết cho chip phải được nạp vào phần này. Bộ nhớ dữ liệu (Data memory): Chứa các thanh ghi quan trọng nhất của chip, việc lập trình cho Chip phần lớn là truy cập bộ nhớ này. Bộ nhớ dữ liệu trên các Chip AVR có độ lớn khác nhau tùy theo mỗi Chip, tuy nhiên về cơ bản phần bộ nhớ này được chia thành 5 phần: Hình 2.22 Thanh ghi 8 bit + Phần 1: Là phần đầu tiên trong bộ nhớ dữ liệu, phần này bao gồm 32 thanh ghi có tên gọi là Register file, hay đơn giản là các thanh ghi. Tất cả các thanh ghi này đều là các thanh ghi 8 bits . 30 Hình 2.23 Register file Tất cả các Chip trong họ AVR đều bao gồm 32 thanh ghi Register file có địa chỉ tuyệt đối từ 0x0000 đến 0x001F. Mỗi thanh ghi có thể chứa giá trị dương từ 0 đến 255 hoặc các giá trị có dấu từ -128 đến 127 hoặc mã ASCII của một ký tự nào đó. Các thanh ghi này được đặt tên theo thứ tự là R0 đến R31. Chúng được chia thành 2 phần, phần 1 bao gồm các thanh ghi từ R0 đến R15 và phần 2 là các thanh ghi R16 đến R31. Tất cả 32 thanh ghi Register file đều có đặc điểm chung sau: Được truy cập trực tiếp trong các lệnh. Các toán tử, phép toán thực hiện trên các thanh ghi này chỉ cần 1 chu kỳ xung Clock. Register file được kết nối trực tiếp với bộ xử lí trung tâm (CPU) của chip. Và chúng là nguồn chứa các số hạng trong các phép toán và cũng là đích chứa kết quả trả lại của phép toán. Tóm lại 32 thanh ghi Register file của AVR được xem là một phần của CPU, vì thế chúng được CPU sử dụng trực tiếp và nhanh chóng, để gọi các thanh ghi này, chúng ta không cần gọi địa chỉ mà chỉ cần gọi trực tiếp tên của chúng. Register file thường được sử dụng như các toán hạng của các phép toán trong lúc lập trình. + Phần 2: RAM tĩnh, nội (Internal SRAM), là vùng không gian cho chứa các  biến (tạm thời hoặc toàn cục) trong lúc thực thi chương trình, vùng này tương tự các 31 thanh RAM trong máy tính nhưng có dung lượng khá nhỏ (khoảng vài Kb, tùy thuộc vào loại chip). + Phần 3: RAM ngoại (External SRAM), các Chip AVR cho phép người sử dụng gắn thêm các bộ nhớ ngoài để chứa biến, vùng này thực chất chỉ tồn tại khi nào người sử dụng gắn thêm bộ nhớ ngoài vào chip. + Phần 4: EEPROM (Electrically ereasable programmable ROM) là một  phần quan trọng của các Chip AVR mới, vì là ROM nên bộ nhớ này không bị xóa ngay cả khi không cung cấp nguồn nuôi cho chip, rất thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ EEPROM được tách riêng và có địa chỉ tính từ 0x0000. c. Cách thức hoạt động của Vi điều khiển AVR Cấu trúc bên trong của một AVR. Ta thấy rằng 32 thanh ghi Register file được nối trực tiếp với ALU bằng 2 line. Vì thế mà ALU có thể truy suất trực tiếp tới 2 thanh ghi Register file trong cùng một chu kỳ xung Clock. Các lệnh được chứa trong bộ nhớ chương trình Flash memory dưới dạng các thanh ghi 16 bit. Bộ nhớ chương trình được truy cập trong mỗi chu kỳ xung clock và mỗi lệnh chứa trong bộ nhớ chương trình được đưa vào trong thanh ghi lệnh Instruction register. Các thanh ghi lệnh tác động và lựa chọn Register file cũng như RAM cho ALU thực thi. Trong lúc thực thi chương trình, địa chỉ của dòng lệnh đang thực thi được quyết định bởi một bộ đếm chương trình PC (Program cou