TOM TAT ROBOT VE SINH TAM PIN NANG LUONG MAT TROI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

🕯✡🕮🕮✡🕯

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT
VỆ SINH TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: Ths. Lê Thanh Tùng
SVTH:

MSSV

Phạm Nhật Minh

18146174

Bạch Quang Phước

18146192

Trần Anh Vũ

18146259

Tp. Hồ Chí Minh, tháng ... năm 2022

LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt đồng thời năng lượng do
nguồn nhiên liệu này sinh ra tác nhân tác động trực tiếp đến môi trường tự nhiên,
việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường như năng
lượng mặt trời, năng lượng gió,.. . Trong đó, Ngành cơng nghiệp Năng Lượng
Mặt Trời đang là xu hướng phát triển ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Công
nghệ khai thác nguồn năng lượng này ngày càng đa dạng và dần trở thành nguồn
năng lượng hàng ngày trong cuộc sống.
Mục tiêu đề tài của nhóm hướng đến việc thiết kế và chế tạo robot có khả
năng vệ sinh những tấm pin quang điện. Robot vệ sinh bề mặt các tấm pin theo
trình tự có giám sát, hạn chế sự tham gia của con người vào q trình vệ sinh.
Đồng thời, nhóm nhận thấy những rủi ro, nguy hiểm và tốn nhân công khi vệ
sinh hệ thống tấm pin năng lượng, kèm với đó là năng suất sau q trình vệ sinh
khơng đạt mong đợi. Hiện nay, một số nhà đầu tư khơng chỉ quan tâm đến sản
lượng mà cịn quan tâm đến chất lượng của hệ thống pin quang điện, và nhu cầu
vệ sinh hệ thống pin quang điện là một trong những nhu cầu được nhà đầu tư
quan tâm. Từ nhu cầu thực tế, chúng em quyết định thực hiện luận văn tốt nghiệp
với đề tài “Thiết kế và chế tạo robot vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời”
Trong q trình thực hiện Đồ án, ngồi sự nổ lực của từng thành viên trong
nhóm là sự hỗ trợ, giúp đỡ vơ cùng nhiệt tình của các thầy/cơ để chúng em hồn
thành tốt khóa luận này. Tuy nhiên do kiến thức và khả năng cịn nhiều hạn chế
nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông
cảm của các thầy/cô và các bạn sinh viên.


o Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời.
o Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Thông số kỹ thuật ban đầu của robot: Tốc độ đạt 0.2 m/s; di chuyển trên bề
mặt nghiên ≤ 200, tổng trọng lượng ≤ 35 kg.

o Nội dung chính của đồ án:
Tìm hiểu thơng tin tình hình năng lượng xanh hiện nay nói chung và năng
lượng mặt trời nói riêng.
Phân tích các phương án thiết kế robot từ những robot hiện tại trên thế giới.
Tính tốn, thiết kế cơ khí.
Thiết kế bộ điều khiển và phân tích thuật tốn.
Tiến hành thu thập thơng tin thực tế từ công ty Tona Syntegra Solar.
o Các sản phẩm dự kiến
Mơ hình robot vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời.


PHẦN MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1. 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài này hướng đến nhu cầu cải thiện công suất của hệ thống pin mặt
trời bằng cách giải quyết vấn đề bám bẩn và tích tụ bụi trên bề mặt của tấm pin
dẫn đến giảm hiệu suất năng lượng của tổng thể hệ thống. Các hệ thống pin năng
lượng thường được thiết kế đảm bảo độ bền kết cấu, cùng với đó là vị trí lắp đặt
phải đảm bảo nhận được tối đa nguồn bức xạ để tạo năng lượng tốt nhất.
1. 2 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
Quá trình thực hiện đề tài là cơ hội để ứng dụng những kiến thức, kỹ năng
đã được học để giải quyết các vấn đề và các yêu cầu đặt ra. Nhiệm vụ của đề tài
là thiết kế được một thiết bị công nghệ giải quyết được yêu cầu vệ sinh của các
tấm pin mặt trời. Thông số kỹ thuật đặt ra: tốc độ tối đa 0.2 m/s, di chuyển trên
bề mặt nghiêng ≈ 20°, khối lượng ≤ 35kg.
1. 3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu tình hình điện mặt trời và robot vệ sinh pin mặt trời.
- Tính tốn thiết kế, tính tốn cơ cấu chuyển động và vệ sinh của robot.
- Chọn động cơ và tính tốn thiết kế bộ điều khiển.
- Kiểm nghiệm và so sánh với những robot thực tế.
1. 4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Đề tài thiết kế robot dạng mobile robot di chuyển linh hoạt trên hệ thống
pin năng lượng thực tế.
Để tiết kiệm nguồn nhân công và vệ sinh đạt hiệu quả tốt, robot được
trang bị hệ thống phun sương với nguồn nước độc lập và thanh gạt tránh đọng
nước sau quá trình vệ sinh.
Robot so sánh với robot vệ sinh cho hệ thống tấm pin năng lượng mặt
trời thực tế tại các dự án của Công ty Tona Syntega Solar.
1. 5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Sau khi tìm hiểu, tham khảo các robot vệ sinh hiện có trên thị trường dựa
trên yêu cầu thực tế, mục tiêu ban đầu. Quy trình thực hiện đề tài như sau:
- Lựa chọn một hệ thống truyền động tối ưu. Xác định các khả năng khác
nhau trong việc làm sạch tấm pin mặt trời.


- Sử dụng phần mềm để thiết kế, mơ hình hố và tính tốn kích thước các
bộ phận. Tham khảo ý kiến của GVHD dựa trên các phương án được lựa chọn,
sau đó tối ưu hóa mơ hình để đạt được mục tiêu ban đầu.
- Thiết kế sơ đồ điện sơ bộ cho hệ thống.
- Viết chương trình điều khiển cơ bản cho robot hoạt động.
- Kết luận và hướng phát triển trong tương lai.


CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. CẤU TẠO PIN MẶT TRỜI
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt
trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc silic.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng và có cấu trúc đa tinh thể.
Tuy nhiên, ngày này người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vơ

định hình (a-Si).
1.2. NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG PIN MẶT TRỜI
Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
- Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành
các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
- Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại
chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của
pin mặt trời.
- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngồi và tạo nên dịng
điện.
1.3. CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HIỆN NAY.
Năm 2020, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của
Thủ tướng Chính phủ về Cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời
tại Việt Nam (ngày 06 tháng 4 năm 2020), trong đó chủ yếu tập trung vào việc
quy định biểu giá điện FIT cho dự án điện mặt trời mặt đất (7,09 UScent/ kWh
(tương đương 1.644 VND)), điện mặt trời nổi (7.69 US cent (tương đương 1.783
VND)) và hệ thống điện mặt trời mái nhà (8.38 UScent/ kWh (tương đương
1.943 VND)). Ngồi ra, Thơng tư 18/2020/TT-BCT của Bộ Cơng Thương quy
định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán điện mẫu cho dự án điện mặt trời
(ngày 17 tháng 7 năm 2020) không chỉ sửa đổi khung luật định hợp đồng mua
bán điện (PPA) đối với dự án điện mặt trời mà cịn có các điều khoản để kích
thích đầu tư vào dự án điện mặt trời được nối lưới. Điều này dẫn đến một làn


sóng đầu tư mới vào các dự án điện mặt trời, công suất lắp đặt vượt quá kỳ vọng:
đến hết năm 2020, các dự án điện mặt trời nối lưới đạt tổng cơng suất lắp đặt
gần 9.000 MWp. (Trích theo “Sổ tay Quản lý rủi ro về Kỹ thuật và Vận hành
của các dự án điện mặt trời mặt đất tại Việt Nam”)

CHƯƠNG 2: NHỮNG RỦI RO CỦA HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. NHẬN DẠNG RỦI RO
Các dự án điện mặt trời phân bố đều ở khắp các tỉnh thành trong cả nước,
thế nên tùy vào môi trường và quy mô cũng như thiết kế để xác định rủi ro. Dù
vậy, nhóm tìm hiểu và phân loại các loại hình rủi ro sau:
- Kỹ thuật: chất lượng tấm quang điện, kết cấu hệ thống, việc lắp đặt hệ
thống, sản lượng năng lượng ,...
- Tài chính: thường được các nhà đầu tư và đơn vị thi công quan tâm.
- Vận hành: gồm nhiều yếu tố như kỹ thuật, nhân cơng, an tồn lao
động,...
2.2. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ RỦI RO
Sau khi xác định rủi ro, điều quan trọng là phân tích và đánh giá mức độ
của rủi ro đối với từng dự án bao gồm cả nguyên nhân/ yếu tố phát sinh, mức độ
ảnh hướng, thời gian bảo trì, chi phí liên quan,....


CHƯƠNG 3:VẤN ĐỀ VỆ SINH TẤM PIN VÀ GIẢI PHÁP
3.1. ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ VẤN ĐỀ VỆ SINH
Vấn đề bám bẩn trên bề mặt tấm pin gây ảnh hưởng trong q trình tính
tốn và đánh giá sản lượng điện năng do hệ pin mặt trời tạo ra. Yếu tố bám bẩn
gây tổn thất sản lượng một phần do nhà thiết kế và chủ đầu tư không quan tâm
đến các vấn đề mơi trường, điều kiện khí hậu tại địa phương nơi dự kiến khởi
công dự án dẫn đến tổn thất về sản lượng cao hơn so với dự kiến.
Như vậy, trong q trình vận hành, nhà đầu tư hay nhóm vận hành cần
quan sát trực quan theo từng dự án. Điển hình ở các khu vực phía Nam có mùa
khơ và mùa mưa rõ rệt khiến cho những tháng mùa khô vấn đề bám bẩn sẽ ảnh
hưởng lớn đến sản lượng.
Tiếp theo, vấn đề vệ sinh định kì hệ thống pin mặt trời cần vệ sinh định
kì và có phương pháp vệ sinh cụ thể nhằm giảm thiểu tổn hao do vấn đề bám

bẩn.
3.2. MỨC ĐỘ TỔN THẤT VÀ BÁM BẨN.
Thứ tự phổ biến về mức độ tổn thất do bám bẩn có thể được ước tính từ
3-8% diện tích bề mặt pin nhưng có thể lên tới 30-40% đối với những nơi chịu
ảnh hưởng bởi gió, cát và khí hậu. Nếu thiệt hại nhẹ thì sản lượng điện tạo ra
giảm gây tổn thất về kinh tế cho vấn đề kinh doanh điện năng đối với những chủ
đầu tư có nhu cầu bán điện cho Tổng Cục Điện Lực Việt Nam (EVN). Nhưng
nếu thiệt hại do bám bẩn nặng dẫn đến các lớp bụi được bám cứng như phân
chim để lâu ngày, lên rêu, rất khó để làm sạch sẽ là một tổn thất lớn không chỉ
về sản lượng mà cịn về chi phí để vệ sinh, thời gian vệ sinh.
Những ngày mưa là một vấn đề hai mặt vì lượng mưa vừa đủ và không
chịu ảnh hưởng bởi không khí sẽ có khả năng làm sạch bề mặt, nhưng lượng
mưa thường khơng đủ và ln hịa trong khơng khí những cặn bẩn nhỏ tích tụ
sẽ thành những mảng bám khó vệ sinh. Ngồi ra, một số loại cát, bụi mịn và
phân chim bám trên tấm pin, cho dù lượng mưa nhiều vẫn rất khó để làm sạch
bề mặt.


3.3 GIẢI PHÁP VỆ SINH.
Vệ sinh là một trong những hoạt động cần thiết trong cuộc sống hàng
ngày của con người nói chung và làm sạch các tấm pin nói riêng, làm sạch để
làm cho các thiết bị hoạt động tốt hơn và vẻ bề ngoài trở nên gần như mới. Tuy
nhiên việc vệ sinh các tấm pin mặt trời khơng phải lúc nào cũng đơn giản. Do
có các tấm pin được đặt ở những nơi cao và khó tiếp cận, nên có thể khó làm
sạch chúng bằng tay và cần có thời gian để làm điều đó một cách an toàn. Thứ
hai, làm sạch bảng chỉ một lần một năm có thể khơng có tác động đáng kể đến
năng suất năng lượng hàng năm vì lý do đơn giản là bụi bẩn tích tụ lại trong một
khoảng thời gian ngắn làm cho sự khác biệt khơng đáng kể. TVì vậy mục đích
của báo cáo này là phát triển robot làm sạch để phục vụ làm sạch bảng năng
lượng mặt trời, q trình robot làm sạch này có thể trở nên chính xác và nhanh

chóng hơn, do đó làm tăng sản lượng điện của nhà máy cũng như các hộ dân sử
dụng pin mặt trời.
Các bước làm sạch thủ công cho bề mặt tấm pin như sau:
Bước 1: Làm sạch sơ bộ trên tấm bin, các lớp cát bề mặt và phân chim
được đánh sơ cho bề mặt hết vết bẩn bám cứng. Dùng chổi hoặc các dụng cụ
máy chổi quét để làm.
Bước 2: Dùng khăn mềm ướt hoặc nước lau qua để giảm lớp bụi cũng
như nước có thể rửa trơi lớp bụi, hoặc có thể dùng hố chất để làm mềm bụi,
loại phân chim (nếu có).
Bước 3: Dùng cần gạt bằng lớp cao su gạt cho sạch nước và bụi bẩn cịn
sót lại trên bề mặt, những vệt nước cịn sót lại ngồi rìa hoặc khung dùng khăn
mềm khơ lau cho sạch.
3.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở NƯỚC NGOÀI.
Nhiều nước trên thế giới hiện nay đang phát triển robot rất mạnh mẽ ở
nhiều ngành công nghiệp trong đó có cơng nghiệp làm sạch pin mặt trời.
Những robot hiện nay đã được nghiên cứu và phát triễn như Solar brush
UAV Robot, Robot GEKKO Solar, Robot HyCLEANER,...


3.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT Ở TRONG NƯỚC.
Với thị trường thế giới đang ngày càng phát triển các công cụ và robot
làm sạch, do đó các cơng ty trong nước cũng bắt đầu nghiên cứu các giải pháp
làm sạch cho tấm pin, nhưng mức độ nghiên cứu robot trong nước chưa nhiều
và phổ biến. Các công ty chỉ phân phối các con robot của nước ngoài về để bán
cũng như làm sạch trong dịch vụ. Công ty VUPHONG SOLAR và Chí Thành
Telecom chế tạo thành cơng robot làm sạch tấm pin và đưa vào áp dụng làm
sạch trong công nghiệp và là những công ty đi đầu trong dịch vụ vệ sinh hệ
thống tấm pin năng lượng.
3.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH ĐƯỢC THỰC HIỆN.
− Phương pháp cơ học;

− Dùng thiết bị máy móc để làm sạch;
− Loại bỏ bụi bằng cách sử dụng phim Nano;
− Loại bỏ bụi bằng phương pháp tĩnh điện;


PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT VỆ SINH
TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1. CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT.
Do thiết bị đi trên mặt phẳng khơng có địa hình phức tạp, cần độ ma sát
lớn, vận tốc chạy không cần quá nhanh, điều khiển và cơ cấu không quá phức
tạp, đồng thời đảm bảo khả năng vệ sinh bề mặt tốt nhất.
Ngồi ra, khi thiết kế mơ hình cần tiết kiệm chi phí những vẫn đảm bảo
các yêu cầu kỹ thuật. Vậy phương án di chuyển tự do bằng bánh đai và chổi lau
được đặt nằm ngang theo hướng di chuyển của robot là phương án tốt nhất đảm
bảo tính linh hoạt và khả năng phát triển từ lý thuyết ra thực tế cao.
1.2. PHÂN TÍCH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA BÁNH ĐAI.
Robot chạy bằng bánh đai phức tạp hơn các loại robot khác ở bộ phận đai
và cố định bánh đai. Có thể tăng tốc tức thời mà khơng bị trượt bánh. Thường
các loại đai có sẵn trên thị trường nhiều nhưng khi việc chế tạo robot phải phù
hợp với từng loại đai khác nhau nên khó khăn trong việc mua đai. Vật liệu làm
đai dẻo nên uốn dễ dàng. Bộ phận dây đai khi di chuyển luôn địi hỏi dây đai
phải có độ căng, độ bám vào bánh đai nếu không sẽ bị rời khỏi bánh đai. Đối
với bánh độc lập thì điều này khơng xảy ra. Nhờ có cấu tạo bằng đai nên khi
chạy robot khơng có hiện tượng trượt trơn. Khả năng bám bề mặt tốt do ma sát
bám bề mặt lớn.
1.3. PHÂN TÍCH CHỌN DÂY ĐAI.
Đai có rất nhiều loại đai khác nhau dùng để dẫn động như đai dẹt, đai
thang, đai chêm và đai răng nhưng trong số đó để dẫn động và dẫn hướng di

chuyển thì nên dùng đai răng.
- Đai răng: Do có các răng trên đai bám ăn khớp vào các bánh răng tạo
ra ma sát khá lớn, nên không bị trượt khi truyền động di chuyển, lực căng đai
không phải quá lớn để tạo ma sát cho bánh dẫn. Để đai không bị trượt khỏi bánh
khi quay ta thiết kế tạo một đường ở giữa đai nhô lên.


- Đai thang: Dây đai dày nên cần lực căng lớn bề mặt nhỏ, ma sát không
lớn nên khi truyền động dễ bị trơn trượt.
- Đai dẹt: Dùng cho truyền động có kết cấu chặt chẽ, đường truyền nhanh.
Ma sát nhỏ truyền động dễ xảy ra hiện tượng trượt, ngay cả khi robot xoay.
Để dễ dàng sử dụng cũng như hiệu quả khi làm việc ta nên chọn đai răng,
kèm với thiết kế có đường lồi ở giữa do đó khi ăn khớp không bị trơn trượt và
quay xe không bị lệch dây đai, phổ biến trên thị trường, do có các răng nên việc
trượt giữa đai và bánh đai không xảy ra, lực căng không lớn, đai mềm.
1.4. PHÂN TÍCH - CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHO BÁNH XE.
1.4.1. Truyền động khơng thơng qua bộ truyền ngồi.
Là truyền động từ động cơ có hộp giảm tốc truyền trực tiếp vào tải.
Ưu điểm: Kết cấu đơn giản khi gắn vào động cơ khơng cần truyền động.
Có thể tối ưu cơng suất ít hao phí.
Nhược điểm: Quá tải dễ nhanh hỏng động cơ. Chọn thơng số vịng quay
theo các hộp số đi kèm với đông cơ. Gắn trực tiếp trục vào bánh xe nguy cơ
hỏng trục khó thay thế.
1.4.2. Truyền động bằng đai.

Hình 1. 1 Truyền động đai.
Là truyền động từ động cơ qua bánh xe thông qua bộ truyền đai. Bộ truyền
đai thường dùng truyền tải trọng từ nhỏ đến trung bình. Tải trọng cực đại có thể
đến 50 kW. Bộ truyền có thể làm việc với vận tốc nhỏ đến trung bình, vận tốc
thường dùng khơng nên q 20 m/s, vận tốc lớn nhất có thể đạt là 30 m/s.

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản giá thành rẻ. Do quá trình trượt giữa dây đai
và bánh đai nên khi quá tải đột ngột cũng không gây ra hư hỏng cho các chi tiết


của bộ truyền. Nhờ vào tính chất đàn hồi nên biên độ dao động của cơ cấu do
tải trọng thay đổi sinh ra không lớn không ồn, làm việc êm, có thể truyền động
giữa các trục xa nhau và giữa các trục được bố trí thích hợp.
Nhược điểm: Tuổi thọ của đai thấp, tải trọng tác dụng lên ổ lớn do có lực
căng ban đầu, tỉ số truyền thay đổi do có sự trượt phải có thiết bị bảo vệ cho bộ
truyền đai tránh các bụi bẩn bay vào, tính tốn thêm các thơng số của đai.


CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ.
2.1. PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC.
2.1.1. Giới thiệu chung về động học.
Phần này sẽ đề xuất một cách tiếp cận động lực học cho robot dùng xích
nhằm tăng khả năng điều khiển chuyển động và đưa ra những đánh giá. Động
học phức tạp bởi có sự trượt và sự tương tác giữa mặt phẳng và bề mặt đai vì
vậy khó xác định được vận tốc dựa trên vận tốc bánh đai. Giải pháp giải quyết
được đề xuất ở đây dựa trên tâm quay tức thời trên mặt phẳng chuyển động của
robot.
2.1.2. Mơ hình động lực học.
{𝑥̇ 𝐶 =

𝑟𝛼̇ 1 (1−𝑠1 )+𝑟𝛼̇ 2 (1−𝑠2 )

𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 𝛾 𝑧̇𝑐 =

2

𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛽 𝑦̇ 𝐶 =

𝑟𝛼̇ 1 (1−𝑠1 )+𝑟𝛼̇ 2 (1−𝑠2 )
2

𝑟𝛼̇ 1 (1−𝑠1 )+𝑟𝛼̇ 2 (1−𝑠2 )
2

𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 𝛽

𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛾

𝑟𝛼̇ (1−𝑠1 )+𝑟𝛼̇ 2 (1−𝑠2 )
Với 𝛽̇ = 1
𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛽
2

Trong đó:
r là bán kính của bánh răng
H: Khoảng cách giữa các bánh xe
s1: Độ trượt của bánh đai 1
s2: Độ trượt của bánh xích 2
G: Lực hấp dẫn
𝛼̇ 1 : vận tốc góc của bánh đai thứ nhất
𝛼̇ 2 : vận tốc góc của bánh đai thứ hai
𝛾: góc nghiêng.
𝑉𝐹 = √𝑥̇ 𝐹2 + 𝑦̇𝐹2 + 𝑧̇𝐹2

𝑉𝐺 = √𝑥̇ 𝐺2 + 𝑦̇𝐺2 + 𝑧̇𝐺2

1
𝑥̇ 𝐹 = 𝑥̇ 𝐶 − 𝐻𝛽̇ 𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛽

1
𝑦̇ 𝐹 = 𝑦̇ 𝐶 − 𝐻𝛽̇ 𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛽

2

2

𝑧̇𝐹 = 𝑧̇𝐶
1
𝑥̇ 𝐺 = 𝑥̇ 𝐶 + 𝐻𝛽̇ 𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛽
2

1
𝑦̇ 𝐺 = 𝑦̇ 𝐶 + 𝐻𝛽̇ 𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛽
2

𝑧̇𝐺 = 𝑧̇𝐶


2.2. NGUYÊN LÝ CẤU TẠO SƠ BỘ VỀ ROBOT.
Cấu tạo: Robot được cấu tạo gồm các bộ phận chính như sau.
1. Khối chổi lau dùng hệ thống phun nước
2. Ống dẫn nước
3. Van dẫn nước
4. Nắp thân robot
5. Khối thân robot
6. Thanh gạt nước

7. Bánh răng đai.
8. Khối truyền động chổi lau
9. Khối bánh đai robot (Dây đai, Bánh xe, ...)
10. Khối điều khiển
11. Khối nguồn
12. Động cơ bánh xe kèm hộp giảm tốc
2.3. TÍNH TỐN CƠNG SUẤT CHO ĐỘNG CƠ BÁNH XE.

Hình 1. Sơ đồ lực.
Pu: Lực kéo dây, với 𝑃𝑢 = 𝑝𝑘 × 𝑔 × 𝑠 ≈ 0.045 × 9.8 × 20 ≈ 8.825 𝑁.
Trong đó pk là khối lượng của một mét dây, g là gia tốc trọng trường và s
chiều dài dây (các thông số ước tính).
FN: Áp lực lên nền, 𝐹𝑁 = 𝑚 × 𝑔 × 𝑐𝑜𝑠 𝛼 ≈ 15 × 9.8 × 𝑐𝑜𝑠 200 ≈
138.135 𝑁.
FW: Lực cản, 𝐹𝑊 = 𝑚 × 𝑔 × sin 𝛼 ≈ 15 × 9.8 × sin 200 ≈ 50.277 𝑁.


Ff: Lực ma sát, 𝐹𝑓 = 𝜇 × 𝑚 × 𝑔 × 𝑐𝑜𝑠 𝛼 ≈ 0.7 × 15 × 9.8 × 𝑐𝑜𝑠 200 ≈
96.694 𝑁, với µ là hệ số ma sát phụ thuộc tính chất bề mặt và đai, giữa kính và
cao su có hệ số là 0,7.
Fapp: Lực kéo của động cơ.
Để robot có thể chuyển động được thì:
𝐹𝑎𝑝𝑝 = 𝐹𝑤 + 𝐹𝑓 + 𝑃𝑢 ≈ 8.825 + 96.694 + 50.277 ≈ 155.796 𝑁.
Khi khi chuyển trên tấm kính khi khơng có nước để khơng bị trượt.
𝐹𝑓 ≥ 𝑃𝑢 + 𝐹𝑊 → 96.694 ≥ 8.825 + 50.277 → 96.694 ≥
59.102 (𝑡ℎõ𝑎 𝑚ã𝑛)
Khi khi chuyển trên tấm kính khi có nước để khơng bị trượt với µ = 0,5.
𝐹𝑓 ≥ 𝑃𝑢 + 𝐹𝑊 → 𝜇 × 𝑚 × 𝑔 ×𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛼
≥ (𝑝𝑘 × 𝑔 × 𝑠) + (𝜇 × 𝑚 × 𝑔 ×𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝛼 ) → 𝛼 ≥ 270
Công suất cần thiết cho 1 động cơ:

𝑃đ𝑐 = 0.5 ×

𝐹𝑎𝑝𝑝 ×𝑣
𝜂

= 0.5 ×

155.796×0.2
0.9405

= 16.5652 ≈ 16.5 𝑊

Trong đó:
η: Hiệu suất truyền động được tính theo cơng thức: 𝜂 = 𝜂𝑜𝑙 × 𝜂đ =
0.99 × 0.95 = 0.9405 (Do có một cặp ổ lăn và truyền động đai)
Vậy cơng suất của một động cơ tương ứng với trục I là 𝑃đ𝑐 = 𝑃𝐼 = 16.5 𝑊
Công suất của trục II là 𝑃𝐼𝐼 = 𝑃𝐼 × 𝜂 = 16.5 × 0.9405 = 15.5 𝑊.
Số vòng quay đầu ra khi vận tốc 0,2 m/s của hộp giảm tốc gắn động cơ là:
𝑛𝐼 = 𝑛𝑙𝑣 × 𝑢đ

với 𝑛𝑙𝑣 =

60000×𝑣
𝜋×𝐷

Trong đó: nlv là số vòng quay của bánh đai robot khi chạy; uđ là tỷ số
truyền của đai răng và chọn uđ = 1; D là bán kính bánh đai (chọn sơ bộ D = 80
mm).
Ta được:
𝑛𝑙𝑣 =

60000 × 0.2
= 47.747 ≈ 48 𝑣ị𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 → 𝑛𝐼 ≈ 48 × 1
𝜋 × 80
= 48 𝑣ị𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡

Tính moment xoắn trên các trục tương ứng:


𝑇1 = 9.55 × 106 ×

𝑃1
0.0165
= 9.55 × 106 ×
= 3282.8125 (𝑁. 𝑚𝑚)
𝑛1
48

𝑇2 = 9.55 × 106 ×

𝑃𝐼𝐼
0.0155
= 9.55 × 106 ×
= 3083.8541 (𝑁. 𝑚𝑚)
𝑛2
48

Từ các thơng số cơng suất và số vòng quay, ta chọn được động cơ
KH56QM2U038, với các thông số sau:
- Hãng sản xuất: Nidec Servo

- Model: KH56QM2U038
- Loại: Động cơ bước 2 pha
- Điện áp: 36V - 40V
- Moment xoắn: 1.373Nm
- Góc bước: 1.8 độ (fullstep 200 xung)
- Số dây: 6 dây
- Kích thước: 56x56x76mm
- Đường kính trục: 6.35mm
- Dịng điện: 2A
- Nội trở: 2 Ohm
- Điện cảm: 7.35mH
- Trọng lượng: 1Kg
2.4. TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐAI RĂNG.
Ta có cơng suất động cơ 0.0165 kW và số vòng quay trên trục chủ động là
48 vg/ph nên ta chọn loại đai răng T10 hoặc DT10.
Ta xác định được mơ-đun theo cơng thức:
3

𝑚 = 35 × √

3 0.024
𝑃𝐼
= 35 × √
= 2.778 ≈ 3 𝑚𝑚
𝑛𝐼
48

Vận tốc bộ truyền đai răng:
𝑣đ =

𝜋𝑑2 𝑛2 𝜋 × 77.7 × 48
=
= 0.195 𝑚/𝑠 = 23.965𝑟𝑝𝑚
60000
60000

Lực vịng:
𝐹𝑡 = 1000

𝑃𝐼
0.024
= 1000 ×
= 123.077 𝑁
𝑣đ
0.195


Lc dc trc:
= (1.0 ữ 1.2) = 1.2 ì 123.077 = 147.692 𝑁
Lực li tâm sinh ra:
𝐹0 = (1.1 ÷ 1.3)𝐹𝑣 = (1.1 ÷ 1.3)𝑞𝑚 𝑏𝑣 2
= (1.1 ÷ 1.3) × 0.24 × 50 × 0.1952 = 0.593 𝑁
2.5. TÍNH TỐN THIẾT KẾ TRỤC CƠNG TÁC.
Chọn vật liệu cho trục là thép C45 theo TCVN có các thơng số bền như
sau:
𝜎𝑏 = 638 𝑀𝑃𝑎; 𝜎−1 = 294 𝑀𝑃𝑎; 𝜎𝑐 = 343 𝑀𝑃𝑎; 𝜏−1 = 177 𝑀𝑃𝑎
Moment kháng ngang theo cơng thức:
𝑀𝑃 =

0.75𝜇𝐺 𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 𝛾 𝐿 0.75 × 0.7 × 195 ×𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 (30) × 190

=
4𝑉𝐶
4 × 0.2
14 +
14 +
𝛽𝑏
2𝜋 × 0.05
= 950.188 𝑁. 𝑚𝑚

2.6. TÍNH TỐN CƠNG SUẤT CHO ĐỘNG CƠ CHỔI CON LĂN.
Phân tích lực chọn cơng suất cho động cơ.

Chọn số vịng quay trên trục cơng tác: nII = 200 vịng/phút.
Từ đó gia tốc góc tương ưng: 𝛾 = 𝜔/𝑡 = 200.2𝜋/60 = 20.93 𝑟𝑎𝑑/𝑠 2
Thông số của các lực được tính như sau:
𝐹𝑁 = 𝑁 = 𝑚𝑔 = 0.9 × 9.8 = 8.82 𝑁
Lực ma sỏt: = à. = 0,4 ì 8.82 = 4.528𝑁
Momen xoắn trên trục chổi con lăn là:
𝑇1 = 9.55.106

𝑃1
0.004449
= 9.55. 106
= 212.439 𝑁. 𝑚𝑚
𝑛1
200


Momen xoắn trên trục chổi con lăn là:
𝑇2 = 9.55.106

𝑃2
0.004184
= 9.55. 106
= 199.786 𝑁. 𝑚𝑚
𝑛2
200

2.7. TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐAI RĂNG
Ta xác định được mô-đun theo công thức:
3

𝑚 = 35 × √

3 4.449 × 10−3
𝑃𝐼
= 35 × √
= 0.984 ≈ 1 𝑚𝑚
𝑛𝐼
200

Vận tốc bộ truyền đai răng:
𝑣đ =

𝜋𝑑2 𝑛2 𝜋 × 38.789 × 200
=
= 0.406 𝑚/𝑠
60000
60000

Lực vịng:
𝐹𝑡 = 1000


0.004
= 1000 ì
= 9.852

0.406

Lc dc trc:
= (1.0 ữ 1.2)𝐹𝑡 = 1.2 × 9.852 = 11.823𝑁
Lực li tâm sinh ra:
𝐹0 = (1.1 ÷ 1.3)𝐹𝑣 = (1.1 ÷ 1.3)𝑞𝑚 𝑏𝑣 2
= (1.1 ữ 1.3) ì 0.014 ì 10 ì 0.4062 = 0.03 𝑁
2.8. TÍNH TỐN THIẾT KẾ TRỤC CHO CON LĂN.
Chọn vật liệu cho trục là thép C45 theo TCVN có các thơng số bền như
sau:
𝜎𝑏 = 638 𝑀𝑃𝑎; 𝜎−1 = 294 𝑀𝑃𝑎; 𝜎𝑐 = 343 𝑀𝑃𝑎; 𝜏−1 = 177 𝑀𝑃𝑎
Ứng suất cho phép của thép là [𝜏] = 15 ÷ 30 𝑀𝑃𝑎. Ta chọn [𝜏] =
20 𝑀𝑃𝑎
Theo tiêu chuẩn, ta chọn đường kính trục 𝑑 = 6 𝑚𝑚.
Các lực tác dụng lên trục cơng tác bao gồm:
Lực vịng: 𝐹𝑡 = 9.852 𝑁.
Lực dọc trục: 𝐹𝑟 = 11.823 𝑁.
Lực căng đai: 𝐹𝑐𝑑 = 12.816 𝑁.
Moment xoắn: 𝑇 = 0.212 𝑁𝑚


2.9. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM NƯỚC VỆ SINH CHO ROBOT.

Nguyên lý hoạt động:
Nước sẽ được bơm vào các đường ống từ nguồn nước trong thùng nước
dự trữ trong thân robot và cấp cho các ống dẫn và truyền tới bộ phận phun nước.
Bộ phần phun nước sẽ được thiết kế dưới dạng phun sương để tạo độ ẩm làm
mềm lớp bụi bẩn để dễ dàng vệ sinh.


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN
3.1. LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN
Đối với phương án điều khiển robot, ta có 2 phương án đó là điều khiển
khơng dây và điều khiển có dây.
Điều khiển khơng dây.
Phương án điều khiển không dây ngày nay rất được ưa chuộng bởi hệ thống
truyền nhận tín hiệu ngày càng ổn định, tăng độ hiểu quả làm việc của robot và
có thể điều khiển thơng qua điện thoại hoặc laptop khi khơng có vị trí thuận lợi
để quan sát robot, điều khiển khơng dây gồm có sóng WIFI, RF,
BLUETOOTH.v.v..
Thường dùng các robot làm việc trong địa hình phức tạp, rộng mà ở đó con
người khó tiếp cận hoặc khơng tiếp cận được, làm sạch trên diện tích lớn, các
mái cao.
3.2. LỰA CHỌN LINH KIỆN.
3.3.1 Pin Sạc 18650 4.2V 2200mAh Lithium-ion
Pin Sạc 18650 4.2V 2200mAh Lithium-ion được sử dụng phổ biến cho sản
phẩm quạt siêu tốc cầm tay, loa, xe điện, đèn pin, đèn led, đèn khẩn cấp, máy
khoan vit, và các thiết bị điên tử khác. - Đặc điểm nổi bật Pin sạc Lithium 18650
4.2v - 2200mah là thời gian sử dụng lên tới 5 năm, với số lần sạc xả lên đến
1000 lần. Với nội trở thấp (nội trở thực tế là 38 miliOhms) phù hợp sử dụng các
thiết bị điên tử cao cấp.
3.3.2. Module thu phát RF NRF24L01 2.4Ghz
Thông số kỹ thuật:

- Điện thế hoạt động: 1.9V - 3.6V
- Có sẵn anthena sứ 2.4GHz.
- Truyền được 100m trong môi trường mở với 250kbps baud.
- Tốc độ truyền dữ liệu qua sóng: 250kbps to 2Mbps.
- Tự động bắt tay.
- Tự động truyền lại khi bị lỗi.
- Bộ đệm dữ liệu riêng cho từng kênh truyền nhận: 32 Byte separate TX
and RX FIFOs.


- Các chân IO đều chịu được điện áp vào 5V.
- Lập trình được kênh truyền sóng trong khoảng 2400MHz đến 2525MHz
(chọn được 125 kênh).
- Các chân kéo ra trên module: VCC, CE, CSN, SCK, MOSI, MISO, IRQ,
GND.
3.3.3. Mạch driver động cơ bước TB6560
- Module TB6560 là module chuyên dụng để điều khiển động cơ bước
lưỡng cực.
- Module TB6560 có khả năng điều khiển các chế độ : full step ,half step,vi
bước (1/8 và 1/16 step) .Các chế độ được set bởi phần cứng.
Chức năng các khối Module TB6560 sử dụng nguồn cấp 12V-DC hoặc
24V-DC cấp cho động cơ bước hoạt động.
Khối tín hiệu điều khiển. Gồm 6 chân : EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-,
CLK+.
EN-, EN+: Tín hiệu cho phép/khơng cho phép modul hoạt động.
CW-,CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ.
CLK-, CLK+: Tín hiệu xung điều khiển bước quay động cơ.
Với thiết kế 2 chân điều khiển 1 chức năng như thế này, module TB6560
cho phép người dùng tùy chọn tín hiệu điều khiển là 0 hoặc 1.
Ví dụ khi nối các chân EN+, CW+, CLK+ lên +5V-DC thì ta sẽ đưa tín

hiệu điều khiển 0V vào các chân EN-, CW-, CLK-.
Khối thiết lập chế độ.
Gồm các switch cho phép người dùng thiết lập các chế độ tùy chọn như:
Chọn dòng điện chạy qua động cơ, điều chỉnh độ rộng góc bước.
Khối Driver động cơ.
Sử dụng IC TB6560 điều khiển hoạt động của động cơ bước.
Thông số kỹ thuật:
+ Nguồn đầu vào là 10V - 35V.
+ Dòng cấp tối đa là 3A.
+ Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao.
+ Có tích hợp đo q dịng quá áp.


+ Kích thước: 50*75*35mm
3.3.4. Mạch điều khiển động cơ DC L9110
Mạch L9110 sử dụng nguồn từ 2.5V đến 12V điều khiển bằng vi điều
khiển với cả 2 mức nguồn là 3.3V và 5V. điều khiển tốc độ động cơ qua điều
khiển xung PWM, và điều khiển chiều quay qua các chân bằng tín hiệu LOGIC.
Ngồi ra module cịn điều khiển được 1 động cơ bước 2 pha.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: DC2.5V – 12V
- Số motor điều khiển: 2
- Dòng điều khiển tối đa mỗi kênh: 800mA
- Kích thước 31mm x 22mm x 12mm
3.3.5. Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là một bo mạch vi điều khiển dựa trên ATmega328, có
14 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm
đầu ra PWM), 6 đầu vào analog, bộ cộng hưởng 16 MHz, kết nối USB, giắc cắm
nguồn, đầu cắm ICSP và nút reset. Mạch chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều
khiển, chỉ cần kết nối thiết bị với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn từ 7

đến 12VDC để bắt đầu.
3.3.6. Arduino Joystick shield
Arduino Joystick shield là module rất thích hợp cho những ứng dụng điều
khiển chiếc robot của bạn thông qua điều khiển RF NRF24L01 và có thể cùng
hiển thị dữ liệu qua màn hình N5110 phiên bản cũ.
3.3.7. Mạch nguồn tăng áp DC XL6009
Mạch nguồn tăng áp DC XL6009 có hiển thị điều chỉnh tăng áp DC-DC
sử dụng IC XL6009, có hiệu suất cao và giá thành tương đối thấp , tích hợp
hiển thị giá trị điện áp ngõ vào & ra bằng LED 7 đoạn.