NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ROBOT HÚT BỤI THÔNG MINH

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI...................................................................2
1.1. Giới thiệu................................................................................................................ 2
1.2. Lý do chọn đề tài....................................................................................................2
1.3. Tính cấp thiết của đề tài..........................................................................................2
1.4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài....................................................................................2
1.5. Mục tiêu của đề tài..................................................................................................3
1.6. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI, LAU NHÀ............................4
2.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước..............................................................4
2.1.1 Trên thế giới.................................................................................................4
2.1.2 Tình hình trong nước....................................................................................6
2.2 Phạm vi đề tài..........................................................................................................6
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................7
3.1 Lựa chọn bộ điều khiển............................................................................................7
3.1.1 Giới thiệu chung...........................................................................................7
3.1.2. So sánh các đặc tính kỹ thuật của các hệ thống điều khiển:.........................7
3.1.3 Các yêu cầu đặc tính kỹ thuật về điều hành thiết bị:.....................................8
3.2. Các linh kiện trong mạch:.......................................................................................8
3.2.1. Vi điều khiển...............................................................................................8
3.2.2 Cảm biến siêu âm.........................................................................................9
3.2.3 Pin 18650...................................................................................................10
3.2.4 Mạch sạc Pin Lithium.................................................................................11
3.2.5 Động cơ giảm tốc DC 775-12V..................................................................13
3.2.6 Cảm biến hồng ngoại..................................................................................14
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ.....................................................15
4.1 Yêu cầu thiết kế.....................................................................................................15
4.2 Phương án xây dựng về cơ khí và mơ hình của robot............................................15
4.2.1 Phương án xây dựng về cơ khí...................................................................15
4.2.2 Mơ hình của robot hút bụi..........................................................................16

4.2.3 Chế tạo thân robot......................................................................................17
1


4.3 Động cơ.................................................................................................................17
4.4 Hệ thống hút bụi....................................................................................................18
4.5 Chế tạo chổi qt...................................................................................................18
4.6 Hệ thống bánh xe...................................................................................................18
4.7 Tính tốn về cơ khí................................................................................................19
4.7.1 Tính tốn về động cơ bánh xe.....................................................................19
4.7.2 Tính tốn động cơ hút bụi...........................................................................21
4.7.3 Tính tốn động cơ chổi qt.......................................................................22
4.7.4 Tính tốn góc quay của robot...................................................................23
4.8 Bài tốn động học của robot..................................................................................25
4.8.1 Động học robot...........................................................................................25
4.8.2 Động lực học robot.....................................................................................27
CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN........................................31
5.1. Tổng quan sơ đồ điều khiển..................................................................................31
5.2. Hướng di chuyển và lưu đồ...................................................................................31
5.2.1.Các kiểu di chuyển của robot.....................................................................31
5.2.2 Thiết kế mạch điều khiển...........................................................................36
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM.......................................................37
6.1 Kết quả thiết kế mơ hình........................................................................................37
6.2 Về cơ khí................................................................................................................ 37
6.3 Về mạch điều khiển...............................................................................................37
6.4 Tính hiệu quả.........................................................................................................37
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.........................................38
7.1 Kết luận.................................................................................................................. 38
7.2 Hạn chế của đề tài........................................................................................38
7.3 Hướng phát triển....................................................................................................38

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................39

2


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Irobot Roomba S9 Plus..................................................................................4
Hình 2.2: Robot hút bụi Roborock S7............................................................................5
Hình 2.3: Kết cấu robot LG Hombot.............................................................................5
Hình 2.4: Robot di chuyển kiểu zích-zắc.......................................................................6
Hình 2.5: Robot di chuyển kiểu phân ơ..........................................................................6
Hình 3.1 Adruino Nano..................................................................................................8
Hình 3.2: Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05....................................................10
Hình 3.3: Pin 18650.....................................................................................................11
Hình 3.4: Mạch sạc cho Pin Lithium...........................................................................12
Hình 3.5: Động cơ giảm tốc DC 775-12V...................................................................13
Hình 3.6: Cảm biến hồng ngoại...................................................................................14
Hình 4.1 : Bản vẽ cơ khí robot hút bụi, lau nhà...........................................................15
Hình 4.2: Mơ hình thiết kế cơ khí................................................................................16
Hình 4.3: Thiết kế khung.............................................................................................17
Hình 4.4: Hệ thống hút bụi của robot...........................................................................18
Hình 4.5: Chổi quét......................................................................................................18
Hình 4.6: Phần bánh xe của Robot Hút bụi..................................................................19
Hình 4.7: Hướng xoay bánh của robot (Xoay Trái)......................................................23
Hình 4.8: Hướng xoay bánh của robot khi gặp vật cản................................................24
Hình 4.9: Hình học của ổ đĩa vi sai WMR,..................................................................26
Hình 4.10: Biểu đồ mơmen lực của phần thân của Robot............................................29
Hình 4.11: Biểu đồ mơ men lực của hai bánh xe. Tọa độ khung được cố định ở lái xe
điểm giữa của bánh xe.................................................................................................29
Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển robot....................................................................31

Hình 5.2: Khi robot chuyển động mà khơng gặp vật cản.............................................32
Hình 5.3: Khi robot chuyển động mà gặp vật cản........................................................32
Hình 5.4: Sơ đồ di chuyển khi có vật cản phức tạp......................................................34
Hình 6.1 Mặt trên và mặt dưới của robot.....................................................................37

3


LỜI MỞ ĐẦU
Trong xã hội hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẽ
và đi cùng với đó là sự phát triển các sản phẩm ứng dụng của nó vào thực tế trong
nhiều lĩnh vực như: y tế , giáo dục, nông nghiệp, sản phẩm dân dụng… Do đó, với
mong muốn áp dụng kiến thức mà nhóm đã học được trong hơn ba năm ở giảng đường
đại học , nhóm đã có sáng kiến làm về một sản phẩm khiến cho cuộc sống con người
trở nên dễ dàng và thuật tiện hơn. Sản phẩm đó chính là robot hút bụi và lau nhà thơng
minh. Hay cịn có tên gọi khác bằng tiếng anh “Robotic vacuum cleaner”.
Robot lau nhà thơng minh được thiết kế để có thể lau sàn nhà trong gia đình
bằng khăn lau nhà microfiber cao cấp sử dụng sợi hình vịng khép kín độc đáo nhanh
chóng lấy sạch mọi bụi bẩn trên sàn nhà. Robot di chuyển theo hình ziczac thơng
minh dưới sự điều hướng của la bàn điện tử, kết hợp thuật toán điều khiển với vi điều
khiển nhằm ổn định hướng đi cho robot. Đảm bảo robot có thể lau sạch tồn bộ khu
vực trong ngơi nhà và tránh được các vật cản thông thường trong nhà bằng các cảm
biến siêu âm và cơng tắc hành trình được gắn trên robot. Với việc sử dụng công nghệ
mới là cảm biến giá rẻ mà vẫn mang lại hiệu quả cao, sản phẩm hy vọng sẽ có đủ sức
cạnh tranh cả về mặt giá lẫn chất lượng so với các sản phẩm robot của các thương
hiệu khác trên thị trường.
Đồ án được chia thành 5 chương :
-Chương 1: Tổng quan về đề tài
-Chương 2: Tổng quan về robot hút bụi, lau nhà
-Chương 3: Cơ sở lý thuyết

-Chương 4: Thiết kế hệ thống cơ khí
-Chương 5: Xây Dựng Giải Thuật Điều Khiển
-Chương 6: Kết quả và thực nghiệm
-Chương 7: Kết luận và hướng phát triển
Trong suốt q trình thực hiện đề tài, nhóm đã được các thầy trong bộ mơn Cơ
Điện Tử nhiệt tình chỉ dẫn để hồn thành đề tài.
Trong q trình thực hiện khơng khỏi mắc phải những sai sót, mọi lời nhận xét
góp ý hoặc bổ sung nhằm hồn thiện đề tài của các thầy, các bạn là điều vô cùng quý
giá đối với nhóm.
Xin chân thành cám ơn!

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu
Hiện nay robot hút bụi, lau nhà thông minh đang dần trở thành xu hướng mới,
thay thế những chiếc máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ con người trong công việc
dọn dẹp nhà cửa. Tại Việt Nam, dòng sản phẩm này mới được ra mắt và được dự đoán
sẽ trở thành sản phẩm hot trong thời gian sắp tới. Robot hút bụi, lau nhà tự động được
coi là trợ thủ vô cùng đắc lực và thơng minh trong gia đình, nhất là đối với những bà
nội trợ đi làm cả ngày khơng có thời gian chăm sóc nhà cửa. Robot được thiết kế thơng
minh có thể tự động thực hiện các công việc hút bụi, lau nhà mà không cần hướng dẫn
thủ công. Máy hút bụi tự động được thiết kế nhỏ gọn có thể làm sạch mọi ngóc ngách
như gầm bàn, gầm giường, trên ghế sofa, ngóc ngách ... Ngồi ra, robot thơng minh
cịn có thể sử dụng cho nhiều loại sàn khác nhau như: sàn gỗ, thảm, sàn lát gạch, gạch
men ...
Trên thị trường hiện nay có 3 loại robot làm sạch sàn nhà đó là sản phẩm Robot
lau nhà, Robot hút bụi và robot kết hợp cả việc hút bụi lẫn lau nhà. Trên thực tế để
tăng hiệu quả làm sạch một cách tối đa người ta thường sử dụng robot vừa có khả năng

lau nhà vừa có khả năng hút bụi.
1.2. Lý do chọn đề tài
Là những sinh viên ngành kỹ thuật Cơ điện tử với mong muốn được giúp ích cho
xã hội và áp dụng được kiến thức thực tiễn vào cuộc sống hàng ngày. Nhóm đã quyết
định cho ra đời một sản phẩm hứa hẹn sẽ đem lại sự tiện nghi cho gia đình Việt.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Việc giữ gìn nhà cửa luôn sạch sẽ là mong muốn của hàng triệu gia đình Việt. Ai
cũng có ước mong được trở về một căn nhà sạch sẽ, tươm tất sau một ngày dài làm
việc. Ấy thế mà, theo cách cũ là dùng chổi để qt thì tốn khá nhiều cơng sức và thậm
chí sàn nhà rất dễ bám bụi trở lại, thậm chí chỉ trong vài tiếng. Với số lượng công việc
của mỗi cá nhân ngày càng nhiều, do đó sẽ khơng có ai dành quá nhiều thời gian trong
một ngày để dọn dẹp nhiều căn nhà của mình. Để có thể tập trung làm những cơng
việc khác, các hộ gia đình tại Việt Nam cần có một giải pháp nhanh chóng và tiết kiệm
thời gian hơn. Vậy nên, sản phẩm “ Robot hút bụi, lau nhà" được ra đời, nhằm trở
thành một cánh tay đắc lực cho hàng triệu người bận rộn tại Việt Nam.
1.4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Với đề tài này, nhóm mong muốn tạo ra một robot có khả năng tự hành trong
nhà, lau dọn và hút cát bụi vi khuẩn ở mọi ngóc ngách, có thể thay thế con người để
đảm bảo an toàn, vệ sinh trong chính căn nhà của mình. Ngồi ra có thể tiết kiệm được
thời gian của bản thân cũng như chi phí th người giúp việc. Với đề tài này, nhóm
2


nghiên cứu mong muốn góp phần tăng khả năng giao tiếp giữa người và robot ngày
một gần gũi hơn, mang lại mức đời sống cao hơn cho mọi người và tạo ra bầu khơng
khí trong lành và sạch sẽ hơn.
1.5. Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu, thiết kế robot hút bụi lau nhà có ngoại hình gần gũi, phù hợp với
các hoạt động lau dọn ở mọi nơi trong nhà hay nơi làm việc, dễ dàng tương tác với con
người.

- Cho phép thơng báo khi đã hồn thành xong và phát ra tín hiệu khi lượng chứa
bụi trong máy đã đầy.
- Phát hiện vật cản phía trước và dừng lại để tránh gây hư hỏng cho robot trên
đường di chuyển.
- Có thể điều khiển robot từ xa thơng qua apps trên smartphone một cách dễ
dàng.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài này, phương pháp sử dụng cho nghiên cứu này chủ yếu là kết
hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Về nghiên cứu lý thuyết, nhóm đã tham
khảo các tài liệu về cơ khí, điện - điện tử, các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước,
các đề tài chế tạo robot hút bụi và lau nhà đã được làm. Về thực nghiệm, nhóm đã tiến
hành thiết kế, Sau khi hồn thành thiết kế, nhóm đã hoạt động thử để đánh giá những
gì đã đạt và chưa đạt được được so với mục tiêu đã đặt ra ban đầu. Ngồi ra, nhóm
cũng kết hợp các kiến thức chuyên ngành cơ điện tử, kiến thức đa ngành, sử dụng các
phần mềm máy tính để tính tốn, thiết kế, mơ phỏng, xây dựng mơ hình thực nghiệm,
qua đó có thể đáp ứng các đặc điểm của robot, rút kinh nghiệm từ những thiết kế
trước, tối ưu hóa được quá trình làm việc cũng như nâng cao đời sống, bảo đảm an
toàn.

3


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI, LAU NHÀ
2.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
2.1.1 Trên thế giới
2.1.1.1 Robot hút bụi thông minh Irobot Roomba S9 Plus
Irobot Roomba S9 Plus là sản phẩm Robot thông minh hút bụi tự động được
phân phối bởi công ty Irobot.
Được iRobot ra mắt vào đầu tháng 4 năm 2019. Roomba S9 Plus nắm trọn những
cái nhất trong thế giới robot hút bụi tốt nhất đó là: giá đắt nhất, tích hợp nhiều công

nghệ nhất. Tự thu gom rác, lực hút 2.700pa, lưu bản đồ 10 tầng… và nhiều công nghệ
chỉ tương lai mới có trên sản phẩm này. Dịng sản phẩm cao cấp nhất của một thương
hiệu tốt nhất hội tụ đủ các yếu tố để trở thành “số 1” về sản phẩm mơ ước của nhân
loại. Và đây mới chính là nhân vật xứng đáng đứng ở vị trí số 1 trong top robot hút bụi
lau nhà tốt nhất. Hiện đang được bày bán ở những cửa hàng trong và ngồi nước.

Hình 2.1: Irobot Roomba S9 Plus
2.1.1.2 Robot hút bụi Roborock S7 đến từ nhãn hàng Xiaomi của Trung Quốc
Một siêu phẩm hoàn toàn mới mang tới sự đột phá về cơng nghệ trong năm 2021.
Đó chính là Robot hút bụi lau nhà Xiaomi Roborock S7 360 đến từ thương hiệu
Roborock. Đây được coi là dòng hút bụi cao cấp của Xiaomi thời điểm hiện tại với
công nghệ lau rung lần đầu tiên được áp dụng đem đến khả năng làm sạch vượt trội mà
các dòng Robot trước đây chưa làm được.
Nếu như trước đây các dòng robot gặp trở ngại khi làm sạch các vết bẩn cứng
đầu, vết bẩn khơ… Thì giờ đây Robot roborock S7 với cơng nghệ lau rung đánh bay
mọi vết bẩn, kể cả vết bẩn khó ra nhất. Đây là cải tiến nổi bật nhất đến từ nhà
Roborock.
Ngồi ra Robot Roborock S7 cịn được cải tiến về chổi chính kết hợp với cơng
nghệ hút Hyper Force giúp cho robot S7 có thể tập trung áp lực hút ở trung tâm, cho
khả năng hút bụi nhạy bén và khơng bỏ sót một khu vực nào.
4


Đặc biệt với cơng nghệ nhận biết thảm bằng sóng âm giúp Robot Roborock S7
trở thành dòng hút bụi đáng để mua nhất bây giờ. Bởi tính năng này khắc phục các
nhược điểm mà dòng robot trước đây mắc phải như phun nước ra thảm, khó đi qua
thảm… Khơng những vậy Robot S7 còn vượt thảm một cách dễ dàng nhờ tấm lau có
thể nâng lên.

Hình 2.2: Robot hút bụi Roborock S7

2.1.1.3 Robot LG Hombot
Hombot là một robot hút bụi thông minh thế hệ mớido hãng LG nghiên cứu chế tạo.

Hình 2.3: Kết cấu robot LG Hombot
Hệ thống cảm nhận vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm, cảm này giúp
cho robot phát hiện vật cản hiệu quả, đo khoảng cách chuẩn xác. Robot tiếp xúc với
vật cản từ khoảng cách rất nhỏ với chỉ 5 mm.
Không giống như các robot hút bụi khác, Hombot hoạt động hiệu quả nhờ các
chế độ di chuyển hợp lý, như hình xốy ốc, zigzag, phân ngăn, phân ơ.Trang bị camera
5


nhận biết khơng gian, từ đó đưa ra lịnh trình làm việc hiệu quả cao. Ví dụ như : những
nơi mà robot đã đi qua sẽ không lập lại, ưu tiên làm sạch ở những nơi bẩn hơn.

Hình 2.4: Robot di chuyển kiểu zích-zắc

Hình 2.5: Robot di chuyển kiểu phân ô
2.1.2 Tình hình trong nước
Hiện nay tại Việt Nam, các công ty công nghệ vẫn chưa sản xuất được robot hút
bụi, lau nhà mang thương hiệu Việt Nam. Chúng ta đang giữ vai trị phân phối các sản
phẩm robot ngồi nước vào thị trường Việt Nam là chính. Các nhãn hàng về Robot hút
bụi lau, nhà hiện tại trên thị trường chủ yếu là phân phối từ nước ngoài như Trung
Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Đức... dao động ở mức giá từ 7-15 triệu đồng tuỳ loại sản
phẩm và tính năng.
2.2 Phạm vi đề tài
Theo yêu cầu thực hiện đề tài chỉ dừng lại công việc thiết kế và chế tạo robot hút
bụi, lau nhà tự động. Bao gồm hai phần chính là cơ khí và điều khiển, trong đó phần
thiết kế cơ khí nhằm mục đích đưa ra các phương án cơ khí, lựa chọn phương án tiến
hành chế tạo sản phẩm thực tế. Phần điều khiển có phần thiết kế các bo mạch điều

khiển và thiết kế giải thuật, chương trình điều khiển.
6


CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Lựa chọn bộ điều khiển
3.1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay với sự phát triển không ngừng như vũ bão của công nghệ tin học và
công nghệ vi mạch đã tạo ra những đột phá mới trong lĩnh vực điều khiển cũng
như trong lĩnh vực tự động hóa. Vì vậy để điều khiển một thiết bị ta có thể dùng nhiều
cách như sau:
- Dùng mạch rơ le
- Dung mạch số (vi xử lý)
- Dùng máy tính điều khiển
- Dùng các mođun xử lý như PLC(Programmable logic Controller)
3.1.2. So sánh các đặc tính kỹ thuật của các hệ thống điều khiển:

Chỉ tiêu so sánh

Rơ le

Vi Xử Lý

Máy Tính

PLC

Giá thành của
từng chức năng

Khá thấp

thấp

Cao

Khá cao

Kích thước vật
lý

Lớn

Rất gọn

Khá gọn

Rất gọn

Tốc độ điều khiển

Chậm

Rất nhanh

Khá nhanh

Nhanh

Khả năng chống

nhiễu

Rất tốt

Tốt

Khá tốt

Tốt

Lắp đặt

Mất nhiều
thời gian
thiết
kế và lắp
đặt

Mất nhiều thời
gian thiết kế Mất nhiề thời
và
gian lập trình
lập trình

Lắp đặt đơn
giản

Khả năng điều
khiển các tác vụ
phức tạp

Rất khó

Dễ dàng

Dễ dàng

Đơn giản

Khả năng thay
đổi việc điều
khiển

Rất khó

Tương đối khó

Khá đơn giản

Rất đơn giản

Rất kém và
tốn nhiều
thời
gian

Tương đối dễ
dàng nếu làm
đế cắm cho họ
IC

Khó khăn vì
rất
nhiều mạch
điện tử chun

Rất dễ dàng
với
cả
mơđun
được

Cơng tác bảo trì

7


dụng

tiêu chuẩn.

3.1.3 Các yêu cầu đặc tính kỹ thuật về điều hành thiết bị:
- Giá thành rẻ
- Kích thước nhỏ gọn
- Tốc độ điều khiển nhanh
- Có khả năng điều khiển nhiều tác vụ đồng thời và phức tạp
- Có khả năng chống nhiễu tốt
- Có thể di chuyển thường xuyên theo thiết bị
 Từ những yêu cầu trên nhóm quyết định chọn hệ thống điều khiển dùng vi xử lý
3.2. Các linh kiện trong mạch:

3.2.1. Vi điều khiển
Trong đề tài nhóm sử dụng mạch vi điều khiển với Adruino Nano.
Arduino Nano có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,
ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED
nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm.
Khi tiếp xúc với Arduino Nano, đó là sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trình
trực tiếp bằng máy tính (như UNO R3) và đặc biệt hơn cả đó là kích thước của nó.
Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ chỉ tương đương đồng 2 nghìn gấp lại 2 lần
thơi (1.85cm x 4.3cm), rất thích hợp vì giá rẻ hơn Arduino Uno nhưng
dùng được tất cả các thư viện của mạch này.

Hình 3.1 Adruino Nano
Thơng số kỹ thuật của Adruino Nano:
Vi điều khiển

Atmega328(họ 8bit)

Điện áp hoạt động

5V-DC

Tần số hoạt động

16MHz
8


Dòng tiêu thụ

30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14(6 chân PWM)

Số chân analog

8(độ phân giải 16bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

40mA

Dòng tối đa 5V

500mA

Các thông số kĩ thuật của Arduino Nano hầu như giống hồn Arduino Uno R3,
vì vậy các thư viện trên Arduino Uno đều hoạt động tốt trên Arduino Uno. Tuy nhiên,
ở Nano có một lợi thế cực kì quan trọng, nhờ đó Arduino Nano đã được ứng dụng rất
nhiều trong các dự án DIY, đó chính là kích thước của nó. Đồng thời Nano cịn số
lượng chân Analog nhiều hơn Uno cùng với dùng ra tối đa của mỗi chân IO

lên đến 40mA. Nhưng, có một điểm trừ nhẹ cho Nano, đó là mạch này Nano cần đến
2KB bộ nhớ cho bootloader (ở Uno là 0.5KB). Tuy nhiên, bạn đừng lo lắng, bạn còn
đến tận 30KB bộ nhớ flash để lập trình, để dùng hết được 30KB này.
Cổng kết nối với Adruino Nano:
Khác với Arduino uno sử dụng cổng USB type B, Nano lại sử dụng một cổng
nhỏ hơn có tên là mini USB. Vì sử dụng cổng này nên kích thước board (về chiều cao)
cũng giảm đi khá nhiều.
3.2.2 Cảm biến siêu âm
*Tính năng :
Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 được sử dụng để nhận biết khoảng cách
từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ
chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng phát hiện vật cản, đo khoảng cách bằng sóng
siêu âm.
Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 có hai cách sử dụng là sử dụng cặp
chân Echo / Trigger hoặc chỉ sử dụng 1 chân Out để phát và nhận tín hiệu, cảm biến
được sử dụng phổ biến với vô số bộ thư viện và Code mẫu với Arduino.
Thơng số kỹ thuật:
Điện

áp hoạt động: 5VDC

Dịng

điện tĩnh: < 2mA.

Dịng

tiêu thụ: 10~40mA

Tín

hiệu giao tiếp: TTL
9


Chân

tín hiệu: Echo, Trigger.

Góc

qt:<15 độ

Tần

số phát sóng: 40Khz

Khoảng

cách đo được: 2~450cm (khoảng cách xa nhất đạt được ở điều khiện lý
tưởng với không gian trống và bề mặt vật thể bằng phẳng, trong điều kiện bình thường
cảm biến cho kết quả chính xác nhất ở khoảng cách <100cm).
Sai số: 0.3cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật thể càng phẳng sai số càng nhỏ).
Kích

thước: 43mm x 20mm x 17mm

Hình 3.2: Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05
3.2.3 Pin 18650
Loại pin lithium-ion có thể sạc lại có kích thước 18mm x 65mm. Pin 18650

cung cấp hiệu suất của một pin lithium-ion, công suất trong khoảng 1800mAh đến
khoảng 3500mAh và công suất 9W. Chúng được sử dụng nhiều trong các loại thiếp bị
điện tử.
Đặc điểm:






Nhỏ, nhẹ dễ sử dụng.
Có dung lượng cao thời gian làm việc lớn.
Có dịng xả cao để cung cấp năng lượng liên tục cho thiết bị được ghép nối.
Không dễ bị hỏng hóc cả khi sạc và khi xả.
Hiệu suất tốt.

Hình 3.3: Pin 18650
Thơng số kỹ thuật :
10


+
+
+
+
+

Dung lượng : 2200mAh
Dịng xả : 2.2A
Size : 18650

Kích thước khoảng : 18 mm x 65 mm/ viên
Điện áp : 3.7V, khi sạc đầy có thể đạt đến 4.2v

3.2.4 Mạch sạc Pin Lithium
Mạch sạc pin Lithium và cấp nguồn DC 5V 2.5A DFRobot MP2636 Power
Booster & Charger Module được sử dụng để sạc và cấp nguồn 5VDC từ pin Lithium
(3.7~4.2VDC) cho hệ thống, mạch sử dụng IC MP2636 với khả năng quản lý sạc tối
ưu cho pin Lithium đồng thời tích hợp bộ tăng áp để có thể chuyển đổi điện áp từ pin
thành điện áp 5VDC với dòng tối đa lên đến 2.5A, mạch có đầu vào sạc pin dạng cổng
Micro USB, đầu ra cấp nguồn cổng USB-A thông dụng, thích hợp với các ứng dụng di
động, hoặc nguồn dự phịng bằng pin Lithium.
Thơng số kỹ thuật:
Charge
Boost

mode input voltage (VIN): 4.5-6.0V

mode output voltage (VOUT): 5V

Suitable
Charge
Boost

for battery voltage: 4.2V (3.7V lithium battery full of 4.2V)

mode Maximum charge current: 2.5A

mode Maximum output current: 2.5A

Switching

Charging
Boost

frequency: 600KHz

mode efficiency:> 90%

mode efficiency:> 90%

Support

battery overcharge protection

Temperature
Size:

protection: more than 150 ℃, automatic power failure

35 * 30mm/ 1.38 * 1.18inches

Weight:

12g

11


Hình 3.4: Mạch sạc cho Pin Lithium

12

3.2.5 Động cơ giảm tốc DC 775-12V

Hình 3.5: Động cơ giảm tốc DC 775-12V
Thông số kỹ thuật
+
+
+
+
+
+
+
+

Loại động cơ: DC – 775
Hộp giảm tốc: 60GA
Công suất: 35W
Điện áp: 12V – DC
Dòng điện : 3A
Số vòng quay: 50v/p
Trục động cơ : 8mm
Momen xoắn (qua hộp số): 1.5Nm

+ Kích thước động cơ: 96mm x 45mm
Đặc tính :
+ Gồm có dộng cơ DC và hộp số giảm tốc.
+ Phẩn đi động cơ có trang bị quạt tản nhiêt giúp động cơ hoạt động tốt hơn
+ Để đảm bảo đạt được thông số như mong muốn thì cẩn độ chính xác về điện
áp đầu vào, cường độ dịng điện.

+ Có nhiều tỷ số truyền nên cấp vòng tua đa dạng, đáp ứng đươc nhiều mục
đích làm việc khác nhau.
+ Hộp số 60GA chịu tải tốt đảm bảo cho momen lớn.
+ Có nam châm vĩnh cửu loai L220GS.

3.2.6 Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại hay còn được gọi là IR Sensor là một thiết bị điện tử đo và
phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. IR Sensor phát ra các tia
vơ hình đối với mắt người, vì bước sóng của nó dài hơn ánh sáng khả kiến (mặc dù nó
vẫn nằm trên cùng một phổ điện từ). Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ
13


trên năm độ Kelvin) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.

Hình 3.6: Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách phát ra và phát hiện bức xạ hồng
ngoại. Cảm biến hồng ngoại chủ động thường cấu tạo có hai phần: diode phát sáng
(LED) và máy thu. Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn
LED sẽ phản xạ khỏi vật thể và được người nhận phát hiện. Cảm biến hồng ngoại hoạt
động đóng vai trị là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ
thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot).

14


CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Trong phần này sẽ trình bày việc tính tốn, thiết kế hệ thống truyền động và kết
cấu phần cứng của robot để đáp ứng nhu cầu về khả năng làm việc, di chuyển.

Hình 4.1 : Bản vẽ cơ khí robot hút bụi, lau nhà
4.1 u cầu thiết kế
Để hồn thành một mơ hình hoàn chỉnh dựa trên ứng dụng của robot, chúng ta
cần đạt được những yêu cầu thiết kế dưới đây:
- Robot hút bụi chỉ có nhiệm vụ di chuyển hút bụi và tránh vật cản. Phần cơ khí
của robot hút bụi vững chắc để mang những linh kiện như pin, mạch điều khiển, cảm
biến, ….
- Tốc độ di chuyển không quá nhỏ cũng khơng q lớn, khơng gây khó khăn cho
việc điều khiển.
- Cơ cấu cơ khí nhỏ gọn khơng q phức tạp, giúp cho robot di chuyển linh hoạt.
- Kiểu dáng màu sắc đẹp mắt hợp thị hiếu.
4.2 Phương án xây dựng về cơ khí và mơ hình của robot
4.2.1 Phương án xây dựng về cơ khí
Thiết kế cơ khí của robot hút bụi bao gồm 2 phần chính sau:
 Thiết lập bản vẽ, thực hiện trên phầm mềm 2D và 3D Solidworks
 Hồn thành xong bản vẽ, phân tích thiết kế.
Ý tưởng: Robot hút bụi 3 bánh, trong đó 2 bánh sau sẽ được được kết nối với 2
động cơ điện DC 12V, bánh tự hành được đặt ở phía trước có chức năng điều chỉnh
15


hướng cho robot. Robot có hộp với kích thước 320x360x75. Trang bị cụm chổi quét
giúp robot hút bụi phủi bụi tốt hơn.
-

Ưu điểm của phương pháp:
 Hình dáng thiết kế nhỏ gọn.
 Di chuyển có độ linh hoạt cao.
 Đảm bảo các thông số kĩ thuật.
- Nhược điểm của phương pháp:

Diện tích khơng gian robot rất hạn chế chỉ phù hợp hoạt động ở những nơi có góc
tường kèm.
4.2.2 Mơ hình của robot hút bụi

Hình 4.2: Mơ hình thiết kế cơ khí
Phần khung bên ngồi của robot có hình hộp kích thước dài 320mm, rộng 360mm
và cao 75mm. Kích thước nhỏ gọn dễ di chuyển, linh hoạt trong việc hút bụi tại các
ngóc ngách, các gầm hẹp thấp.
Phần đế có ba bánh xe trong đó có một bánh ở trước là bánh điều hướng giúp robot
di chuyển dễ dàng trong các hoạt động quay trái, phải vòng xe, giúp xe cân bằng. Còn
hai bánh còn lại giúp xe điều tốc điều hướng. Ngồi ra cịn có hai chỏi qt và một
miệng hút. Hai chổi quét này có chức năng quét bụi về gầm của robot sau đó đưa tới
dưới miệng hút để hút bụi.
Bên cạnh đó nó cịn có một cảm biến hồng ngoại được gắn phía dưới để giúp chống
rơi.
Trước mặt và hai bên đầu có cảm biến siêu âm giúp tránh vật cản.
4.2.3 Chế tạo thân robot
16


Thiết kế phần thân được tiến hành trên phần mềm vẽ 3D. 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 đỡ cả robot, mặt khác là hình dạng bên ngồi
của robot. Theo u cầu kỹ thuật của phương án thiết kế thì có kích thước như sau :
320x360x75 (mm).
Khung robot có u cầu về tính thẩm mĩ vì là hình dạng bên ngồi của robot.
Vì vậy mà trong q trình thi cơng 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 cơng.

Hình 4.3: Thiết kế khung
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.
4.3 Động cơ
+ Động cơ giúp robot di chuyển: Robot được trang bị với 2 động
cơ DC 12V có momen lớn, kích thước nhỏ gọn, có hộp giảm tốc. Một
số loại động cơ thường được sử dụng như động cơ DC 775, DC 550
hay DC 380 12V
+ Động cơ cho chổi quét: Có thể sử dụng các loại động cơ từ 5V
đến 12V, có giảm tốc, kích thước nhỏ.
+ Động cơ hút bụi: Sử dụng loại động cơ có tốc độ nhanh,
momen lớn để có thể hút các hạt bụt, vật nhỏ, ...
17


4.4 Hệ thống hút bụi
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 hoạt động của hệ thống hút bụi: động cơ điện có tốc độ vịng quay rất
cao, trên trục chuyển động của động cơ sử dụng lực đẩy. Động cơ điện hoạt động với
tốc độ cao, cánh quạt sẽ quay cùng chiều với trục chuyển động của tốc độ. Khơng khí
sẽ nhanh chóng được thổi ra như một hộp rỗng. Phần lọc có tác dụng đưa khơng khí
vào, giữ lại những bụi bẩn gây tác hại xấu cho sức khỏe con người.

Hình 4.4: Hệ thống hút bụi của robot
4.5 Chế tạo chổi quét
Robot hút bụi được trang bị 2 chổi qt đặt phía trước có chức
năng qt bụi những góc tường hay kẽ hở. Chổi được cấu tạo từ các

sợi được làm từ vật liệu dẻo và bao gồm 12 bó được đặt lệch nhau 1
góc 300 trên một bánh trịn.

Hình 4.5: Chổi qt
4.6 Hệ thống bánh xe
Hiện nay có rất nhiều loại bánh xe trên thị trường với nhiều kích thước, kiểu
dáng, mẫu mã khác nhau. Hệ thống bánh xe bao gồm 2 bánh chủ động di chuyển và 1
bánh xe tự lựa. 2 bánh chủ động được làm từ nhựa có đường kính từ 4cm đến 7cm và 1
18


bánh tự lựa là loại bánh bị động, được phát động bởi 2 bánh chủ động.
Đối với bánh xe tự lựa phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật như:
 Đảm bảo độ cứng.
 Di chuyển linh hoạt.
 Tránh hiện tượng bánh xe bị kẹt cứng.
 Tránh hiện tượng rung lắc khi di chuyển.
 Bánh tự lựa đảm bảo 2 bậc tự do: xoay theo trục Z và X.

Hình 4.6: Phần bánh xe của Robot Hút bụi
4.7 Tính tốn về cơ khí
4.7.1 Tính tốn về động cơ bánh xe

19


Giả sử bánh xe là dạng trịn, đồng chất, có momnet qn tính là:
(4.1)
Phương trình cân bằng moment đối với trọng tâm xe:
(4.2)

Với lực ma sát là:
(4.3)
Tổng moment là:
(4.4)
Với:
là moment quán tính ()
là bán kính bán xe ()
là trọng lượng bánh xe ()
là moment xoắn trên trục bánh xe
là lực ma sát ()
là hệ số ma sát nghỉ (theo tài liệu sổ tay thiết kế oto – tải)
là gia tốc góc
là khối lượng của xe: 3 ()
Vận tốc trung bình đặt ra: 0,5 ()

(4.5)

Thời gian gia tốc: ()
20


Gia tốc xe:

Gia tốc góc:
Moment xoắn trên trục bánh xe là:
0.0325*(0.7*3*9.82+3*0.25)+0.5*5***7,69

(4.6)

0.69 ()

(4.7)

Moment cần thiết cho mỗi động cơ:
()

(4.8)

Chu vi bánh xe:

(4.9)

2..0.0325 0.204 ()

(4.10)

2,45 () = 147,06 ()

(4.11)

Tốc độ quay :
(4.12)
Công suất động cơ: 0.345*9,23 = 3,18 ()

(4.13)

Chọn hệ số an tồn là: 1
 Cơng suất động cơ tối thiểu là: 3,18 ()
4.7.2 Tính tốn động cơ hút bụi
716 DC

Điện áp

Khơng chịu
tải

Tải momen xoắn

Bộ giảm tốc

Khai
thác

Cường
độ

Tốc
độ

Dịn
g

Tốc
độ

Dịn
g

Mome
n xoắn

Cơn
g
suất
ra

Phạm vi

Vơn
(V)

rpm

ma

rpm

ma

Kg.cm

W

01:0
0

mm

g

3-9V

6V

136
3

80

109
0

380

0.1

2

4.4

18

80

6-18V

12V

193
1

50

135
1

250

0.11

4

9.6

17.5

82

12-36V

24V

409

10

280

70

0.17

1

9.6

17.5

82

21

Tỷ lệ Kích
thướ
c

Cân
nặng


Bảng 4.1. Bảng Động cơ hút bụi
Thể tích khoang chứa bụi:
60.34.135=275,4.10-3 mm3 =2,754.10-4 m3
-

(4.14)

Áp suất tồn phần:
(4.15)
Trong đó áp suất tĩnh dùng để thắng các lực cản ma sát trong quạt và trong đường
ống, áp suất động.

Mà gồm có là áp suất để thắng lực cản nội tại của quạt và lực cản của đường ống
với:
Ta chọn , suy ra .
(4.16)
Với : hệ số ma sát của đường ống, với đường ống này ta chọn .
: vận tốc cần thiết để hút bụi, ta chọn .
: chiều dài đường ống, .
: khối lượng riêng của khơng khí ở điều kiện tiêu chuẩn,
.
: đường kính ống dẫn khí,
Suy ra :
(4.17)
Lại có :
(4.18)

-

Vậy ta có áp suất tồn phần là:
.

(4.19)

Ta xét tỷ số sau: , với Pm là áp suất tối đa.
Ta có nằm trong khoảng từ 0,5  0,6

(4.20)
Vậy áp suất tối đa nằm trong khoảng . Chọn áp suất tối đa là 200 .
- Công suất được xác định theo công thức :
(4.21)
Công suất thực tế:

= 0,9 là hệ số cơng suất, ta có :

(4.22)
(4.23)
22