thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot leo cầu thang

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

BÀI TẬP LỚN MƠN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ: ROBOT LEO CẦU THANG

Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện:

: Ths.Nhữ Quý Thơ
1. Nguyễn Trung Đức

2019601290

2. Ngô Anh Đức

2019600775

3. Nguyễn Anh Đức

2019600490

Hà Nội 2022


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp:

ME6061004

Khóa: 14

2. Tên nhóm: N04
Họ và tên thành viên
- Nguyễn Trung Đức

MSV: 2019601290

- Nguyễn Anh Đức

MSV: 2019600490

- Ngô Anh Đức

MSV: 2019600775

II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử: Robot leo cầu thang
2. Hoạt động của sinh viên
Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế
- Thiết lập danh sách yêu cầu
Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ
- Xác định các vấn đề cơ bản
- Thiết lập cấu trúc chức năng
- Phát triển cấu trúc làm việc
- Lựa chọn cấu trúc làm việc
Nội dung 3: Thiết kế cụ thể

- Xây dựng các bước thiết kế cụ thể
- Tích hợp hệ thống
- Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm CAD và/hoặc bằng bản vẽ phác. Áp
dụng các công cụ hỗ trợ: Mơ hình hóa mơ phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm.
3. Sản phẩm nghiên cứu : Báo cáo thu hoạch bài tập lớn.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành bài tập lớn theo đúng thời gian quy định (từ ngày 16/05/2022
đến ngày 13/06/2022).
2. Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh
giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử và các tài
liệu tham khảo.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu
có): Máy tính.
KHOA/TRUNG TÂM

Ts. Nguyễn Anh Tú

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ths. Nhữ Quý Thơ


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH ẢNH

NHẬN XÉT CBHD
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

Hà Nội, ngày tháng năm 2022
Cán bộ hướng dẫn

(ký, và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CBPB
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

Hà Nội, ngày tháng năm 2022
Cán bộ phản biện

(ký, và ghi rõ họ tên)


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây ngành Cơ Điện tử có những bước phát triển vượt
bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp
nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Song song với quá trình phát
triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong
mơi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử. Vì vậy việc
nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên là việc
làm cần thiết. Sự phát triển của hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ
thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và
đang đạt được nhiều tiến bộ mới.
Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử được đưa vào giảng dạy với mục
đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch cơng việc theo
trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định,
tối ưu và hiệu quả. Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống,
kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập
và cơng việc sau này.
Sau q trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn
và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Robot
leo cầu thang”. Đây là một đề tài hay và có dụng cao trong đời sống đồng thời cũng
là cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên.


Phần 1. Tổng quan
1.1 Lịch sử phát triển của Robot
Một bước di chuyển ngắn của robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn về tri
thức của nhân loại. Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người. Chủng loại robot
hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng: từ thăm dò chinh phục
vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, cho đến vận chuyển đồ
vật và tham vui chơi cùng với trẻ em. Các nhà nghiên cứu châu Âu và Mỹ đã phóng nhiều
robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò và chinh phục Hành tinh này. Theo kế hoạch
đã định, tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu, sau khi vượt qua chặng đường 485 triệu km

đã thực hiện động tác cho Robot Beagle-2 tiếp "đất" sao Hoả vào đêm Noel năm 2003. Về
phần mình, NASA đã cho 2 robot cơ động (Rovers) hạ cánh xuống bề mặt Hành tinh Đỏ
vào tháng Giêng năm 2004. Mục tiêu của các robot này khơng nhỏ: tìm kiếm dấu vết của
nước và có thể là dấu vết của sự sống, đã từng tồn tại trên hành tinh láng giềng của Trái
đất. Nếu vượt qua được thách thức này, thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thám
hiểm vũ trụ kỳ diệu.
1.2 Tổng quan về Robot leo cầu thang
Cùng với sự phát triển của rất nhiều loại robot phục vụ cho các nhu cầu khác nhau
của con người, robot vượt địa hình cũng là loại hình robot được rất nhiều nước quan tâm
nghiên cứu và sản xuất nhờ vào các ứng dụng rộng rãi của nó đối với đời sống hàng ngày.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, sức khỏe và tính mạng của mỗi một con người
ngày càng được coi trọng. Chính vì thế, trong những điều kiện làm việc độc hại hoặc nguy
hiểm, robot điều khiển từ xa vượt địa hình sẽ được sử dụng đến để thay cho con người.
Cùng với Nhật Bản, Hoa Kỳ là nước đi tiên phong trong việc ứng dụng robot vào đời
sống hàng ngày. Công ty I-robot là công ty sản xuất robot lớn của Hoa Kỳ, chuyên nghiên
cứu và cung cấp các loại robot vượt địa hình phục vụ các nhu cầu khác nhau của con người.
Dưới đây là một số mẫu robot của công ty:


Hình 1.14. iRobot 210 negotiator
Robot này chuyên làm nhiêm vụ xâm nhập, do thám vào những vùng nguy hiểm.
Chẳng hạn như vào trong một tịa nhà đang cháy để tìm người bị nạn thay cho lực lượng
chữa cháy hoặc được dung trong những vụ giải cứu con tin của cảnh sát, với camera truyền
hình ảnh trực tiếp về người điều khiển, ta có thể biết được vị trí của tội phạm cũng như con
tin.
1.3 Các thành phần chính của Robot leo cầu thang
Robot leo cầu thang gồm 2 phần chính
Thành phần cơ khí: Bao gồm bánh đai, khung để giữ kết cấu của Robot, Và bộ
quan trọng nhất để Robot có thể leo được cầu thang là phần cơ cấu càng để khi gặp cầu
thang thì ở những bậc đầu tiên càng sẽ nâng một phần giúp robot có thể leo cầu thang dễ

dàng.
Thành phần điều khiển: Có vai trị điều khiển robot di chuyển theo ý muốn của
con người. Thành phần điều khiển bao gồm cơ cấu truyền động dung để truyền động giữa
các trục, bộ vi điều khiển giúp robot có thể giao tiếp khơng dây với người điều khiển, thiếp
bị camera giám sát quá trình di chuyển, thiết bị định vị GPS giám sát vị trí của robot, cảm
biến giám sát tốc độ di chuyển của Robot, cảm biến nhiệt độ giám sát môi trường xung
quanh của Robot.


Phần 2. Nội dung thiết kế
2.1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế

Trước khi bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ được nhiệm vụ thiết kế
một cách chi tiết. Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua các bước cơ bản sau:
2.1.1 Thiết lập danh sách yêu cầu

Danh sách yêu cầu cho Robot leo cầu

Nhóm 4

thang

Chịu

D
Thay đổi

Yêu cầu
W

Kích thước tổng thể:
D

Chiều cao: 100 – 150 mm

D

Chiều rộng: 300 – 250 mm

D

Chiều dài: 300 - 500 cm
Độ dày vỏ Robot:

D

Độ dày: 1.5 - 2,2mm

D

Chiều dài 2 trục: 400- 500 mm
Động lực học:

D

Tốc độ di chuyển đi đường bằng: 6 – 8m/s

D

Tốc độ di chuyển khi leo cầu thang: 4 – 6m/s

trách
nhiệm


Phần truyền động xích
D

Đường kính đĩa lớn: 60 – 80 mm

D

Đường kính đĩa nhỏ: 20 – 30 mm
Khả năng chịu lực:

D

Tải trọng khung: 3 – 5 kg

D

Trọng lượng: 5 – 7 kg
Có khả năng sử dụng trong thời gian 3 – 4
ngày

W
D

Có nguồn dự phịng trong trường hợp nguồn
chính gặp sự cố

Năng lượng:

D

Điện áp đầu vào: 12 – 24VDC
Điện áp ngõ ra: 5 – 24VDC

D

Động cơ:

D

Điện áp hoạt động: 12 – 24VDC
Dòng điện làm việc: 1 – 2A

D

Khả năng tải: 20 – 24kg

D

Độ bền bỉ:

D

Nhiệt độ mơi trường thích hợp 15 - 30 °C
Nhiệt độ tối đa: 80 – 100°C

D

Nhiệt độ tối thiểu: 0 – 9°C


D

Phạm vi hoạt động:

D

Bán kính: 6 - 8 km
Vật liệu:

D

khung:
Chất liệu làm khung: đảm bảo độ cứng, độ
bề cao, có khả năng chịu va đập, chịu được
nhiệt đô cao.
Bánh xe:
Chất liệu đảm bảo độ ma sát cao, chuyển
động êm, nhẹ nhàng, độ đàn hồi cao.
Tín hiệu:
Đầu vào:
- Bộ điều khiển: Truyền các tín hiệu từ
người điều kiển đến Robot
- Bộ nhận tín hiệu: Nhận tín hiệu khơng
dây từ người điều khiển.
- Bộ vi xử lý: Xử lý tín hiệu điều khiển
của con người.

- Cảm biến: Thu thập các thông tin hoạt
động của robot và mơi trường bên ngồi.
- Camera: giúp người điều khiển quan sát
quá trình di chuyển của Robot và đưa ra tín
hiệu điều khiển.
- Bộ GPS: Định vị vị trí của robot.


Đầu ra:
- Màn hình: Hiển thị quá trình di chuyển của
robot, các thông tin của cảm biến
- Cơ cấu càng: Khi gặp cầu thang ở bậc đầu
tiên càng sẽ nâng lên khỏi mặt đất giúp
Robot đi lên cầu thang.
An toàn:
- Hệ thống: bảo vệ dòng, chống các yếu tố
từ bên ngoài.
- Vật liệu: Sử dụng vật liệu bền bỉ, độ chịu
va đập cao.
- Chỉ hoạt động với mức điện áp thiết kế.
Quản lý chất lượng:
- Thời gian lắp ráp: < 30 phút
- Độ bền: Trung bình 4 – 5 năm
- Hao mòn: 5 – 10% trong 2 – 3 năm
Vận hành:
- Có hướng dẫn vận hành và tháo lắp
- tiếng ồn: 4 – 8 dB
- Có thể leo lên nhiều dạng địa hình và cầu
thang.

Bảo trì bảo dưỡng:
- Dễ dàng thào lắp và thay thế các bộ phận
- Chính sách bảo hành: 1 – 2 năm
- Vịng đời sản phẩm: > 36 tháng
Chi phí:
- 5.000.000 – 8.000.000 VND

2.1.2 Tóm tắt để xác định các vấn đề cơ bản
Giai đoạn 1: Loại bỏ sở thích cá nhân, bỏ qua các yêu cầu không ảnh hưởng trực
tiếp đến chức năng và các ràng buộc cần thiết.
Kích thước tổng thể:
- Chiều cao: 100 – 150 mm
- Chiều rộng: 300 – 250 mm
- Chiều dài: 300 - 500 cm
Độ dày vỏ Robot:
- Độ dày: 1.5 - 2,2mm
Động lực học:
- Đường kính đĩa lớn: 60 – 80 mm
- Đường kính đĩa: 20 – 30 mm
Truyền động xích:
- Đường kính đĩa lớn: 60 – 80 mm
- Đường kính đĩa nhỏ: 20 – 30 mm
Khả năng chịu lực
- Tải trọng khung: 3 – 5 kg
- Trọng lượng: 5 – 7 kg
Năng lượng:
- Điện áp đầu vào: 12 – 24VDC

- Điện áp ngõ ra: 5 – 24VDC
- Có khả năng sử dụng trong thời gian 3 – 4 ngày
- Có nguồn dự phịng trong trường hợp nguồn chính gặp sự cố
Động cơ:
- Điện áp đầu vào: 12 – 24VDC
- Điện áp ngõ ra: 5 – 24VDC
- Khả năng tải: 20 – 24kg
Độ bền bỉ:

- Nhiệt độ mơi trường thích hợp 15 - 30 °C
- Nhiệt độ tối đa: 80 – 100°C
- Nhiệt độ tối thiểu: 0 – 9°C
Phạm vi hoạt động:
- Bán kính: 1 -2 km

Vật liệu:
Khung:
- Đảm bảo độ cứng, độ bền cao
- Có khả năng chịu được va đập, chịu được nhiệt độ cao
Bánh xe:
- Độ ma sát cao
- Chuyển động êm, nhẹ nhàng
- Độ đàn hồi cao
Tín hiệu:
Đầu vào
- Bộ điều khiển
- Bộ nhận tín hiệu
- Bộ vi xử lý
- Cảm biến
- Camera

- Bộ GPS
Đầu ra
- Màn hình


- Cơ cấu càng
An toàn:
- Hệ thống
- Vật liệu
- Điều khiển điện
Quản lý chất lượng:
- Thời gian lắp ráp < 60 phút
- Độ bền: Trung bình 4 - 5 năm
- Hao mòm 5 – 10% trong 2 - 3 năm
Vận Hành:
- Có hướng dẫn vận hành và tháo lắp
- Tiếng ồn 4- 8 dB
- Có thể leo lên mọi dạng địa hình và cầu thang
Bảo trì bảo dưỡng
- Dễ dàng tháo lắp và thay thế các bộ phận
- Chính sách bảo hành 1- 2 năm
- Vòng đời sản phẩm: > 36 tháng
Chi phí:
- 5.000.000 – 8.000.000 VND
Giai đoạn 2: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành
các tuyên bố thiết yếu.
Kích thước tổng thể:
- Chiều cao
- Chiều rộng
- Chiều cao

Độ dày vỏ máy
- Độ dày
Động lực học
- Tốc độ di chuyển đường bằng
- Tốc độ di chuyển khi leo cầu thang
Truyền động xích


- Đường kính đĩa lớn
- Đường kính đĩa nhỏ
Khả năng chịu lực
- Tải trọng khung
- Trọng lượng
Năng lượng
- Điện áp đầu vào
- Điện áp ngõ ra
- Thời gian sử dụng
- Nguồn dự phòng
Động cơ
- Điện áp hoạt động
- Điện áp làm việc
Độ bền bỉ
- Nhiệt độ mơi trường thích hợp
- Nhiệt độ tối đa
- Nhiệt độ tối thiểu
Phạm vi hoạt động
- bán kính
Vật liệu
- Khung
- Bánh xe

Tín hiệu
Đầu vào
- Bộ điều khiển
- Bộ nhận tín hiệu
- Bộ vi xử lý
- Cảm biến
- Camera
- Bộ GPS


Đầu ra
- Màn hình
- Cơ cấu càng
An tồn
- Hệ thống
- Vật liệu
Quản lý chất lượng
- Thời gian lắp ráp
- Độ bền
- Hao mịn
Vận hành:
- Có hướng dẫn vận hành và tháo lắp
- tiếng ồn
- Có thể leo lên mọi dạng địa hình và cầu thang
Bảo trì bảo dưỡng
- Dễ dàng thào lắp và thay thế các bộ phận
- Chính sách bảo hành
- Vòng đời sản phẩm
Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước.
Kích thước tổng thể:

- Chiều cao
- Chiều rộng
- Chiều dài
Độ dày vỏ máy
Động lực học
Phần truyền động xích
Khả năng chịu lực
Năng lượng:
- Điện áp vào
- Điện áp ngõ ra
Động cơ


- Điện áp hoạt động
- Dòng điện làm việc
- Khả năng tải
Vặt liệu
- Khung
- Bánh xe
Tín hiệu
Đầu vào
- Bộ điều khiển
- Bộ nhận tín hiệu
- Bộ vi xử lý
- Cảm biến
- Camera
- Bộ GPS
Đầu ra
- màn hình
- cơ cấu càng

An tồn
- Hệ thống
- Vật liệu
Quản lý chất lượng
Vận hành
Bảo trì bảo dưỡng
- Dễ dàng tháo lắp và thay thế các bộ phận
- Chính sách bảo hành
- Vịng đời sản phẩm
Giai đoạn 4: Hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập về giải pháp
Thiết kế và phát triển Robot vượt địa hình sử dụng trong thăm dị khu vực nguy
hiểm.


2.1.3 Thiết lập cấu trúc chức năng
a) Chức năng tổng thể
- Khái quát chức năng tổng thể của Robot vượt địa hình

Hình 2.1. Chức năng tổng thể của Robot vượt địa hình


Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của Robot vượt địa hình


b) Các chức năng con
- Bảo vệ hệ thống điện

Ổn định
nguồn
điện

Điện năng

Ổn định
nguồn
điện sạc

Ngắt điện
khi quá tải

Điện năng

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện Robot vượt địa hình

- Dẫn động

Giảm
tốc

Cơ năng

Truyền
động

Trục bánh
xích

Vượt địa
hình

Cơ năng

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động Robot vượt địa hình

- Khống chế tốc độ và góc nghiêng Robot

Xử lý và điều khiển

Tốc độ

Đo tốc độ

Phát động
truyền
động

Lực kéo bánh xích

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng khống chế tốc độ Robot vượt địa hình


- Khống chế tốc độ và góc nghiêng Robot

Tốc độ

Phát hiện
vượt tốc

Khung
Robot

Ngắt hệ
dẫn động

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng hãm an tồn Robot vượt địa hình

- Kiểm sốt vị trí

Xử lý và điều khiển

Vị trí

Hành trình

Đo vị trí

Camera

Phát động
truyền
động
Hiển thị

Dẫn động bánh xích

Tín hiệu hiển thị

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm sốt vị trí Robot vượt địa hình

- Kiểm soát độ dốc cầu thang

Xử lý và điều khiển
Dẫn động
Độ dốc

Phát động
truyền
động

Đo độ dốc

Hiển thị

bánh xích
Đèn báo
dốc quá
lớn

Báo q tải
Tín hiệu hiển thị

Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc chức năng Kiểm soát độ dốc cầu thang

- Chức năng điều khiển

Xử lý và điều khiển

Thao tác
bằng tay

Tay điều
khiển

Hệ truyền
động

Hiển thị

Tín hiệu hiển thị

Robot di chuyển
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc chức năng điều khiển Robot vượt địa hình