(TIỂU LUẬN) báo cáo học PHẦN THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài thiết kế sản phẩm cơ điện tử robot hút bụi

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

BÁO CÁO

HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Robot hút bụi”

Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện:

Hà Nội – 2022


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1.
Tên lớp:
2.
Tên nhóm:
Họ và tên thành viên
- Nguyễn Trung Hiếu
- Phạm Văn Hiếu
- Nguyễn Tiến Hòa
II. Nội dung học tập
1.
Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử: Robot hút bụi.
2.
Hoạt động của sinh viên

- 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 cơng 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


LỜI MỞ 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 công việc sau này. Sau quá 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 hút bụi”. Đây là một
đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống đồng thời cũng là cơ sở cho
những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI

1.1

Giới thiệu về Robot hút bụi

- Nhiều người trong chúng ta thường vệ sinh phịng của mình mỗi tuần một lần
hay nhiều khi do công việc bận rộn, ta chỉ vệ sinh chỉ khi có khách đến thăm.
Nhưng cho dù bạn có thuộc nhóm nào thì "sức hút" của Robot hút bụi cũng sẽ
làm ngôi nhà của bạn trở nên thật sạch sẽ và tinh tươm.
- Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của cách mạng công nghệ 4.0, sự
tham gia của máy móc vào các hoạt động thường ngày đã đóng vai trò rất quan
trọng, hỗ trợ cuộc sống của con người dễ dàng hơn, tiện lợi hơn. Các loại robot,
máy móc đã thay thế sức người trong rất nhiều các hoạt động sản xuất, lao động,...
Đặc biệt, ngay từ trong cuộc sống gia đình cũng đã có sự xuất hiện của rất nhiều
các loại thiết bị công nghệ hiện đại để giải phóng sức lao động của các bà nội trợ.

- Robot hút bụi hay còn gọi với cái tên máy hút bụi tự động là loại thiết bị
hiện đại và thông minh nhất hiện nay trên thị trường thực hiện công việc lau dọn
nhà cửa. Sản phẩm này được thiết kế và lập trình sẵn để thực hiện tồn bộ cơng
việc hút bụi, lau sàn nhà hồn tồn tự động mà không cần đến quá nhiều tác
động của con người. Chính vì thế, ngay cả khi chúng ta khơng có ở nhà, robot
hút bụi, robot lau nhà vẫn có thể tự hoạt động, dọn dẹp sàn nhà hiệu quả.
-

Thiết bị này là giải pháp thay thế tối ưu cho các dụng cụ như chổi quét

nhà hay máy hút bụi truyền thống, khơng cần dùng đến sức người. Do đó,
robot hút bụi lau nhà rất được lòng các chị em, các bà nội trợ, đảm nhiệm tốt
công việc lau dọn nhà cửa mệt nhọc, nhàm chán.
1.2 Lịch sử phát triển của Robot hút bụi
1.2.1

Người đặt nền móng
Cha đẻ của robot hút bụi là James Dizon. Sáng chế của ông là về một thiết bị máy
hút bụi tự động. Ngay vào thời điểm đó, hãng sản xuất đồ điện gia dụng Electrolux
đã nhận thấy tiềm năng phát triển của loại thiết bị này và mua lại phát minh của
Dizon. Năm 1996, Electrolux đã cho ra mắt mẫu robot hút bụi đầu tiên trên thế giới
có tên Trilobite. Mặc dù truyền thơng khá nhiều về sản phẩm, tuy nhiên nó


vẫn chưa thực sự tạo được ấn tượng với người dùng. Và tất nhiên tình hình kinh
doanh robot cũng đi xuống.

Hình 1.1: Robot hút bụi Trilobite

1.2.2

Giai đoạn phát triển
Dấu mốc tiếp theo của sự phát triển robot hút bụi là vào năm 2001, khi

hãng Dyson chế tạo mẫu DC06. Đây là mẫu robot hút bụi có kích thước lớn, giá
thành cao do đó đã khơng được thị trường chấp nhận.
Cho tới năm 2002, iRobot cho ra đời mẫu robot hút bụi Roomba. Roomba
đã đánh dấu bước tiến quan trọng cho loại robot hút bụi. Điểm khác biệt lớn
giữa robot của Roomba so với các hãng khác là nó có khả năng tự động thay đổi
hướng, phát hiện vết bẩn trên sàn và phát hiện vị trí của bậc thang.

Hình 1.2: Robot hút bụi Roomba


1.2.3

Các thành phần chính của Robot hút bụi

Một Robot hút bụi gồm hai thành phần chính:
Phần cơ khí: Vỏ máy, bánh xe, hệ thống laser định vị, hộp đựng bụi,
đế sạc, dây sạc , chổi quét.

Phần điều khiển: Remote, tường ảo (thiết bị có nhiệm vụ hạn chế
khu vực làm việc cho máy), bộ vi mạch lập trình, bộ xử lý kết nối wifi.


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
2.1 Đánh giá yêu cầu thực tế của Robot hút bụi
Thương hiệu: Thương hiệu là một trong những yếu tố đầu tiên bạn nên quan

tâm khi lựa chọn robot hút bụi, đây là yếu tố quyết định đến độ uy tín của sản
phẩm.
Tính năng thơng minh: Cảm biến vật cản và điều hướng thông minh yêu
cầu cần thiết để robot di chuyển, hút bụi và làm sạch mặt sàn tối ưu nhất. Robot
cảm biến vật cản, tránh va chạm, dẫn đến hư hỏng.
Phù hợp với nhu cầu làm sạch của môi trường sống: mức giá cả phải chăng

phù hợp với ngân sách: Mặc dù công suất hút bụi của robot khá tốt, làm sạch sàn
nhưng khả năng lau dọn, làm sạch sâu mọi ngóc ngách chưa thực sự thay thế máy

hút bụi cầm tay. Người dùng cần cân nhắc, đầu tư robot hút bụi với mức giá phù
hợp, tránh lãng phí và khơng hiệu quả.
2.1.1 Danh sách u cầu:
Nhóm 9
Thay đổi

W
W
W
D
D
D
D
W
W

Khả năng chịu lực:
 Tổng trọng lượng: 4  Khả năng chịu tải: 1,5



Năng lượng:
 Sử dụng động cơ điện : đ

Điện áp định mức: 13 - 1
Công suất đầu vào: 40 - 6






Vật liệu:
D
D

D
D




Vật liệu chịu mài mị




Tín hiệu:
D
D
W



W



W
W
W
D
D
D
D



Đầu ra: tốc độ và khả năn



Kết nối thông qua Blueto



Kế hoạch phát triển:
W

Nghiên cứu cải tiến trong vòng 3 năm.
2.1.2 Thiết kế sơ bộ.
Xác định các vấn đề cơ bản.
Việc xác định các vấn đề cơ bản dựa theo các bước dưới đây.
Bước 1 và 2: loại bỏ sở thích cá nhân, bỏ qua u cầu khơng ảnh hưởng trực tiếp đến
chức năng và các rằng buộc cần thiết.

Hình dạng:
-

Chiều rộng: 300mm - 400mm
Chiều cao: 80mm - 90mm
Dung tích hộp bụi: 0,3L-0,5L

Động học:
-

Di chuyển bằng bánh xe.
Vận tốc khi đi trên mặt phẳng: 0,1 – 0,2 m/s

Khả năng chịu lực:
-

Kích thước bụi có thể hút: 5-15mm
Trọng lượng bụi có thể hút: 30-50g

Năng lượng:
- Sử dụng động cơ điện : động cơ không chổi than và động cơ cung cấp
lực hút.
- Điện áp định mức: 13-15 V.
- Công suất đầu vào: 40-60 W.
- Điểm tiếp sạc.
- Bộ pin: lithium-ion 3200mAh
Vật liệu:
-

Vật liệu cách điện
Vật liệu chịu mài mòn tốt
Vật liệu nhẹ
Khung thân robot:

+ Vật liệu có độ cứng cao
+ Vật liệu chịu được lực tốt.
Tín hiệu:
-

Đầu vào: điện.

Đầu ra: tốc độ và khả năng hút bụi


- Kết nối thông qua Bluetooth.
Phụ tùng:
-

Bộ đệm.
Chổi quét.
Bộ sạc

Độ an toàn:
- Vỏ được làm bằng vật liệu cách nhiệt( có hệ dẫn nhiệt nhỏ hơn hoặc
bằng 0.157w/m ),
- Chống va đập tốt.
- Pin đạt yêu cầu của hãng, không cháy nổ.
- Độ ồn <65dB chống ô nhiễm tiếng ồn.
Công thái học:
- Thiết kế tối giản, dễ sử dụng.
- Có thể hút bụi được những chỗ nhỏ hẹp.
Sản xuất:
- Doanh nghiệp chuyên về đồ điện tử: Toshiba, Samsung,…..
- Công dụng chính: hút bụi, lau nhà.
Quản lí chất lượng:
- Thử nghiệm tính năng hút bụi: Sạch sẽ.
- Thử nghiệm tính năng lau nhà: Sạch sẽ.
- Thử nghiệm tính năng bộ sạc không dây: Thời gian sạc 3 – 4 giờ dùng
được 10 giờ.
- Thử nghiệm khả năng chống va đập.
- Thử nghiệm độ bền của dây cắm: Thỏa mãn TCVN 7680.

Lắp ráp:
- Lắp các bộ phận phụ tùng vào bằng ốc vít.
Vận chuyển:
- Có hộp xốp, giấy bọc bên ngồi, chống sốc và chống va đập
Vận hành:
- Nơi khơng có nhiệt độ khắc nghiệt.
- Tránh những nới có mực nước lớn.
Tái chế:
- Có thể tái sử dụng các bộ phận: vỏ, thân,….
- Các bộ phận sau khi hỏng được xử lí không ảnh hưởng tới môi trường
Bảo hành:
- 12 tháng, 1 đổi 1 trong vòng 2 tuần đầu.
Giá thành sản phẩm:


-

2.500.000 ~ 3.000.000 VNĐ tùy cấu hình khách hàng chọn.

Kế hoạch phát triển:
- Nghiên cứu cải tiến trong vòng 3 năm.
Bước 3: Trong mức độ nhất định khái quát lại kết quả bước trước.

Hình dạng:
-

Chiều rộng.
Chiều cao.
Dung tích hộp bụi.

Động học:
-

Di chuyển bằng bánh xe.
Vận tốc khi đi trên mặt phẳng có thể đạt được.

Khả năng chịu lực:
-

Kích thước bụi có thể hút được.
Trọng lượng bụi có thể hút được.

Năng lượng:
- Sử dụng động cơ điện : Động cơ không chổi than và động cơ cung
cấp lực hút.
- Điện áp định mức cần vừa đủ.
- Công suất đầu vào vừa đủ.
- Điểm tiếp sạc.
- Bộ pin.
Vật liệu:
-

Vật liệu cách điện.
Vật liệu chịu mài mòn tốt.
Vật liệu nhẹ.
Khung thân robot:

+ Vật liệu có độ cứng cao.
+ Vật liệu chịu được lực tốt.
Tín hiệu:

-

Đầu vào: Điện.
Đầu ra: Tốc độ và khả năng hút bụi .
Kết nối thông qua Bluetooth.

Phụ tùng:
-

Bộ đệm.
Chổi quét.


- Bộ sạc.
Độ an toàn:
-

Vỏ được làm bằng vật liệu cách nhiệt
Chống va đập tốt.
Pin đạt yêu cầu của hãng, không cháy nổ.
Độ ồn phù hợp với chống ô nhiễm tiếng ồn.

Công thái học:
- Thiết kế tối giản, dễ sử dụng.
- Có thể hút bụi được những chỗ nhỏ hẹp.
Sản xuất:
- Dựa trên các doanh nghiệp lớn.
- Cơng dụng chính: hút bụi, lau nhà.
Quản lí chất lượng:
- Thử nghiệm tính năng hút bụi: Sạch sẽ.

- Thử nghiệm tính năng lau nhà: Sạch sẽ.
- Thử nghiệm tính năng bộ sạc khơng dây: Thời gian sạc sẽ ít hơn thời
gian sử dụng.
- Thử nghiệm khả năng chống va đập.
- Thử nghiệm độ bền của dây cắm.
Lắp ráp:
- Lắp các bộ phận phụ tùng vào bằng ốc vít.
Vận chuyển:
- Có hộp xốp, giấy bọc bên ngoài, chống sốc và chống va đập
Vận hành:
- Nơi khơng có nhiệt độ khắc nghiệt.
- Tránh những nới có mực nước lớn.
Tái chế:
- Có thể tái sử dụng các bộ phận: vỏ, thân,….
- Các bộ phận sau khi hỏng được xử lí khơng ảnh hưởng tới mơi trường
Bảo hành:
- Chọn ra thời hạn phù hợp.
Giá thành sản phẩm:
- Giá tiền theo thiết kế.
Kế hoạch phát triển:
- Nghiên cứu cải tiến liên tục.


Bước 4: Hình thành các vấn đề trong các thuật ngữ trung lập về giải pháp.
Thiết kế robot hút bụi

2.1.3 Thiết lập cấu trúc chức năng:
a) Chức năng tổng thể:

Chức năng tổng thể robot hút bụi

Tín hiệu

Khởi
động

điều khiển
Điện năng

Chuyể
n đổi

Điện Cơ
Biế
n áp
Bảo
vệ hệ

Sạc điện
Dẫn
động

Năng
lượng

Lưu trữ điện
Hiển thị màn hình

thống
điện
Khố

ng
chế
tốc
độ

Tránh va chạm
Di
chuy
ển

Kiểm tra vị trí


Xử lý
và điều
khiển

Báo
tín
hiệu

Tín
hiệu
hiển
thị

Báo đầy
bụi

Kiểm

sốt
lực
hút

Xả
bụi

Hút bụi
Bụi

Bụi


b) Các chức năng con:
-

Bảo vệ hệ thống điện:

-

Chuyển đổi điện áp:

-

Khống chế tốc độ:

-

Dẫn động:

-

Tránh va chạm:

-

Lưu trữ năng lượng:

-

Xử lý và điều khiển:


-

Báo tín hiệu và hiển thị ra màn hình:

-

Kiểm tra vị trí:

-

Hút bụi và kiểm sốt lực hút:


2.1.4 Tìm hiểu ngun tắc làm việc:

Chức năng con

1
2
3

4

Bảo vệ
hệ
thống
điện

Bộ
chuyển
đơi
điện áp

5
6

7

Dẫn
động

8
9
Khống
chế tốc
độ
10

11


12
Hút bụi

13
14
Kiểm
sốt vị
trí
15

16
Kiểm
sốt
lực hút
17

18

19

20

Chuyển
đổi
điện cơ
Di

chuyển
Tránh
va
chạm

21

22

Lưu trữ
năng
lượng


23
Hiển
thị màn
hình

24

25

Xử lý và điều khiển

26
Báo tín
hiệu
27

2.1.5 Kết hợp các nguyên tắc làm việc
Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễn như trong
bảng. Cụ thể những nguyên tắc được đặt ký hiệu cùng màu sẽ tạo thành một biến thể.
Theo bảng ta có thể thấy có ba biến thể với ba màu khác nhau được chọn ra tương ứng
màu đỏ (biến thể 1), màu vàng (biến thể 2) và màu xanh (biến thể 3) Từ đây ta xét tới
tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra.
2.1.6 Lựa chọn biến thể phù hợp
Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc (biểu diễn trên bảng 1.1), ta được ba
biến thể tiêu biểu:
Biến thể 1

: 1.1 – 2.1 – 3.2 – 4.1 – 5.3 – 6.1 – 7.2 – 8.2 – 9.2 – 10.1 – 11.1 –

12.1 – 13.1 – 14.1 – 15.1 – 16.1 – 17.1 – 18.1 – 19.1 – 20.1 – 21.1 – 22.1 – 23.1 – 24.1
– 25.3 – 26.3 – 27.1
Biến thể 2
: 1.2 – 2.1 – 3.1 – 4.2 – 5.1 – 6.1 – 7.3 – 8.1 – 9.2 – 10.3 – 11.1 –
12.1 – 13.1 – 14.3 – 15.2 – 16.2 – 17.1 – 18.1 – 19.2 – 20.3 – 21.3 – 22.3 – 23.1 – 24.2
– 25.2 – 26.1 – 27.2


Biến thể 3

: 1.2 – 2.2 – 3.2 – 4.2 – 5.2 – 6.2 – 7.1 – 8.1 – 9.1 – 10.2 – 11.2 –

12.2 – 13.1 – 14.2 – 15.2 – 16.2 – 17.1 – 18.1 – 19.3 – 20.2 – 21.2 – 22.2 – 23.1 – 24.3
– 25.1 – 26.2 – 27.2
Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêu chí
để đánh giá và so sánh các biến thể. Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọng của các tiêu
chí để đánh giá là khác nhau, vì thế để có thể bao quát và thấy được mức độ quan trọng

của các tiêu chí, ta xây dựng một cây mục tiêu. Trong cây mục tiêu bao gồm những
tiêu chí đặt ra cho biến thể. Trong các tiêu chí lớn có những tiêu chí nhỏ hơn được đặt
ra. Số điểm bên trái (w) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiêu chí lớn hơn, số điểm
bên phải (wt) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tổng thể hệ thống .



2.1.7 Tổng hợp và đánh giá các biến thể
STT

1

2

3

4


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ
3.1 Bộ chuyển đổi điện áp
3.1.1 Chuyển đổi AC-DC

Hình 1: Bộ sạc máy hút bụi
Thơng số kỹ thuật
Điện áp vào
Điện áp ra
Dòng điện đầu ra định mức
Hiệu suất làm việc
Hệ số nhiệt độ

Môi trường: nhiệt độ làm việc
Nhiệt độ bảo quản