Đề tài robot hút bụi di động

2

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI 3
1.1 Vấn đề về robot hút bụi di động 3
1.2 Một số robot hút bụi hiện nay 3
1.3 Mục tiêu và phạm vi đề tài 6
Chương 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 7
2.1 Sơ đồ của robot hút bụi: 7
2.2 Thiết kế từng cụm của robot hút bụi: 8
Chương 3: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 14
3.1 Bài toán quỹ đạo di chuyển của robot 14
3.2 Mô hình hóa 14
3.3 Giải thuật điều khiển 16
3.4 Phương pháp đo và phát hiện sai số 16
3.5 Kết quả mô phỏng: 17
Chương 4: ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 18
4.1 Kết luận 18
4.2 Hạn chế của robot hút bụi 18
4.3 Đề xuất hướng nghiên cứu 18
Tài liệu tham khảo 19
Phục lục 20


3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI

1.1 Vấn đề về robot hút bụi di động
Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy móc hiện đại, các robot đang được ứng
dụng rộng rãi trong các sản phẩm gia dụng. Trong đó, robot hút bụi là sản phẩm kết hợp hệ
thống hút bụi và lập trình di chuyển để tiến hành hút bụi được sử dụng ngày càng nhiều
trong dân dụng.
Nắm bắt được những nhu cầu trên, robot hút bụi đã được nghiên cứu, phát triển trên
thế giới từ những năm 1995. Đến nay, robot hút bụi đã được sản xuất nhằm đáp ứng nhu
cầu của con người với các hãng sản xuất như: Samsung, LG, Sanyo…
Với mục tiêu hoạt động trong nhà, robot hút bụi được thiết kế nhỏ gọn để hoạt động
được ở những nơi con người ít khi tiếp xúc lau dọn như: gầm giường, ghế, sofa, bàn nhỏ…
Đồng thời, robot hút bụi cũng có khả năng phát hiện và tránh vật cản, chống rơi để thích
hợp hoạt động trong nhà. Tuy nhiên, phải di chuyển khi hoạt động nên nguồn nuôi của robot
là pin hoặc acquy nên thời gian hoạt động và công suất hút bụi của robot bị bạn chế.
Để khắc phục bất tiện do nguồn nuôi và tăng khả năng tương tác với người dùng,
hiện nay các sản phẩm robot hút bụi được nghiên cứu, chế tạo theo hướng thông minh như:
tự động sạc nguồn điện khi yếu nguồn, chức năng hẹn giờ, lưu bản đồ đường đi
Hiện nay, robot hút bụi đã được nhập khẩu và sử dụng ở Việt Nam. Tuy nhiên, chưa
có nghiên cứu trong nước nào thực hiện về đề tài này. Vì vậy, nghiên cứu về robot hút bụi
là cần thiết tạo tiền đề chế tạo ra sản phẩm phù hợp phục vụ nhu cầu trong nước.
1.2 Một số robot hút bụi hiện nay
1.2.1 Robot Romba:
Robot Roomba của hãng iRobot là một robot hút bụi thông minh. Không
giống như các loại máy hút bụi thông thường. Roombathực hiện công việc hút bụi một
cách hoàn toàn tự động theo chương trình đã được lập sẵn. Roomba thích hợp cho các gia
đình và văn phòng có nền gỗ, thảm, đá hoa.
4

Với kích thước nhỏ gọn robot có thể di chuyển hết các phòng,những nơi mà máy
hút bụi thông thường khó vào được như gầm bàn, giường, sofa,…
Các chức năng nổi bật của Roomba là điều khiển từ xa bằng remote control tự cảm

nhận tránh vật cản, tự động sạc khi hết nguồn pin. Roomba có khả năng di chuyển linh hoạt
như di chuyển hình xoắn ốc, zigzag,…

Hình 1.1: Kết cấu của robot Romba
1.2.2 Robot LG Hombot
Hombot là một robot hút bụi thông minh thế hệ mớido hãng LG nghiên cứu chế tạo.

Hình 1.2: Kết cấu robot LG Hombot
5

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 hoạtđộng hiệu quả nhờ các chế
độ di chuyển hợp lý, như hình xoáy ốc, zigzag, phân ngăn, phân ô.Trang bị camera nhận
biết không 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 1.3: Robot di chuyển kiểu zích-zắc

Hình 1.4: Robot di chuyển kiểu phân ô
6

1.3 Mục tiêu và phạm vi đề tài
Mục tiêu đề tài: thiết kế và điều khiển robot hút bụi với các yêu cầu:
- Phần cơ khí: Robot hút sạch bụi, gọn, cơ động. Phần thân của robot hút bụi thiết
kế mang được nguồn, mạch điều khiển, cảm biến.
- Giải thuật điều khiển cho robot:Có khả năng tự hành: tự dò đường, phát hiện và
tránh chướng ngại vật, chống rơi, di chuyển hút bụi.
Phạm vi đề tài:

- Phần cơ khí được thiết kế dựa vào mẫu robot hút bụi của hàng Failure.
- Phần giải thuật điều khiển chỉ thực hiện cho quỹ đạo của robot hình zích – zắc
trên sàn nhà phẳng, có vật cản.
7

Chương 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1 Sơ đồ của robot hút bụi:
Yêu cầu của robot hút bụi là nhỏ gọn, di chuyển linh hoạt. Do đó, cơ cấu di chuyển
của robot hút bụi sử dụng mô hình di động sử dụng hai bánh dẫn chủ động và một bánh
dẫn hướng.
Vì nhiệm vụ chính của robot là hút bụi nên cụm hút bụi được ưu tiên khi thiết kế.
Cụm hút bụi được đặt ở trung tâm của robot. Vùng hút bụi được mở rộng tối đa với kích
thước miệng hút mở rộng theo phương ngang ( phương vuông góc với phương di chuyển
của robot ).
Để tăng hiệu suất hút bụi, cụm chổi quét được thiết kế phía trước cụm quạt hút. Cụm
chổi quét hoạt động liên tục để khoáy đảo lớp bụi bám trên bề mặt sàn. Sau đó, lớp bụi này
được hút bởi cụm quạt hút ở phía sau.
Bố trí vị trí cảm biến trên robot: robot sử dụng các cảm biến hồng ngoại để tránh
vật cảng và chống rơi. Do đó, các cảm biến được thiết kế với các vị trí như sau:
- Hai cảm biến hồng ngoại chống rơi được đặt hai bên và phía trước, ngay mép robot
của thân robot hút bụi.
- Cảm biến phát hiện vật cản được đặt phía trước robot. Phía trước robot có càng va
chạm, khi có va chạm với vật cảng càng va chạm bị tác động làm cho cảm biến bị
ngắt, phát hiện vật cản.
Ngoài ra, trên thân robot còn thiết kế vi trí lắp đặt nguồn nuôi cho robot và mạch
điện.
Từ các ý tưởng thiết kế trên, tác giả đề xuất sơ đồ của robot hút bụi như sau:
8

1
2
3
4
5
6
10
9
8
7

Hình 2.1: Sơ đồ robot hút bụi
1. Thân robot 6. Nguồn
2. Cụm chổi quét 7. Cảm biến chống rơi
3. Cụm ống hút bụi 8. Bánh xe dẫn hướng
4. Cụm quạt hút 9. Cảm biến tránh vật cản
5. Cụm bánh xe di chuyển 10. Càng va chạm trước
2.2 Thiết kế từng cụm của robot hút bụi:
2.2.1 Thiết kế cơ cấu di chuyển của robot hút bụi.
Robot hút bụi sử dụng mô hình robot di động với hai bánh dẫn chủ động kết hợp
bánh dẫn hướng đặt ở đẩu robot.
9

Động cơ sử dụng trong robot là động cơ DC 12V. Động cơ DC có tốc độ quay lớn
(3000 – 5000 vòng/phút) nên sử dụng bộ giảm tốc từ động cơ đến bánh xe. Mặt khác, vì
yêu cầu thiết kế nhỏ gọn nên tác giả đề xuất cơ cấu cho bộ giảm tốc từ động cơ đến bánh
xe như có sơ đồ như sau:

1. Động cơ DC
2. Giảm tốc trục vít, bánh vít

3. Giảm tốc bánh răng vi sai
4. Bánh xe
Hình 2.2 : Sơ đồ động cụm bánh xe di chuyển


Hình 2.3: Mô hình 3D cụm bánh xe di chuyển
Cụm dẫn hướng được thiết kế đơn giản: với một bánh xe được gắn với trục xoay tự
do trên thân robot.
10

2.2.2 Thiết kế cụm quạt hút.
Cụm quạt hút của robot hút bụi bao gồm hai phần: phần buồng hút - hộp chứa bụi
và phần ống dẫn bụi.
Phần ống dẫn bụi: gồm miệng hút và ống dẫn bụi vào hộp chứa bụi. Miệng hút được
sát nền với biên dạng miệng hút dựa vào biên dạng miệng hút của robot hút bụi của hãng
Failure.
Phần buồng hút - hột chứa bụi: Sử dụng một động cơ DC gắn trên một quạt hút.
Động cơ DC có tốc độ (3000 – 5000 vòng/phút) tạo ra luồng khí di chuyển từ miệng hút,
ống dẫn hút bụi, qua tấm lọc. Khí qua tấm lọc đi ra ngoài. Bụi được tấm lọc giữ lại rơi trên
buồng chứa bụi.

Hình 2.4: Thiết kế 3D phần quạt hút bụi

11



Hình 2.5: Thiết kế 3D phần ống dẫn bụi
2.2.3 Thiết kế cụm chổi quét.
Cụm chổi quét được bố trí ở phía trước phần hút bụi. Có hai cụm chổi quét ở hai

bên robot. Sử dụng động cơ DC qua bộ giảm tốc trục vít – bánh vít để giảm tốc độ quay
của chổi quét. Trên trục của bánh vít gắn đầu chổi mềm để quét lớp bụi bám trên mặt sàn.

Hình 2.6: Sơ đồ động robot hút bụi

Hình 2.7: Thiết kế 3D cụm chổi quét
12

2.2.4 ô hình 3D hoàn chỉnh:

Hình 2.8: Thân dưới robot
Hình 2.9: Thân trên robot

13


Hình 2.10: Mô hình robot hoàn chỉnh


Hình 2.11: Mặt dưới robot hoàn chỉnh

14

Chương 3: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

3.1 Bài toán quỹ đạo di chuyển của robot
Có nhiều quỹ đạo chạy cho robot hút bụi di động như zích-zắc, xoáy ốc,… để hút
bụi trên toàn bộ mặt sàn. Trong đó, quỹ đạo hình zích-zắc phù với mặt sàn trống, ít vật cản.
Trong bài này chỉ giải quyết cho quỹ đạo zích-zắc của robot.
d

Hình 3.1: Quỹ đạo hình zích-zắc

3.2 Mô hình hóa

Robot hút bụi sử mô hình robot di động hai bánh xe. Giả thuyết hai bánh xe lăn
không trượt. Động học thuận của robot hút bụi và gốc tọa độ với quỹ đạo di tham chiếu
như hình dưới.


̇
̇
∅
̇

=

∅ 0
∅ 0
0 1






Trong đó (,) là tâm của robot trong hệ tọa độ Đề-các, ∅ là góc xoay của robot,
, lần lượt là vận tốc thẳng và vận tốc góc của tâm robot hút bụi.
15

C(x,y,Ø)
x
y
Ø
b
X
Y
2r
đườngthamchiếu

Hình 3.2: Mô hình hóa robot hút bụi

Quan hệ giữa , và vận tốc góc của hai bánh xe như sau:






=

1/ /
1/ −/





Trong đó 


,

là vận tốc góc của bánh xe phải và bánh xe trái,  là khoảng cách
giữa hai bánh xe,  là bán kính bánh xe.
Tâm điểm của vùng cần hút bụi trùng với tâm C của robot bút bụi. Điểm tham
chiếu  di chuyển với vận tốc hằng là 

. Do đó, mục tiêu điều khiển là điều khiển điểm
tâm C của vùng hút bụi bám theo điểm tham chiếu . Điểm  nằm trên đường tham chiếu
là đường thẳng nên:



̇ =



̇ =
∅

̇
=0

Với =
Sai số khi bám quỹ đạo:









=

−

−

∅−∅



16



, 

,

lần lượt là sai số theo phương , và góc xoay ∅ giữa tâm điểm  của
robot ( điểm hút bụi ) và điểm tham chiếu R trên quỹ đạo.
Mục tiêu điều khiển : 

→0 khi →∞ lúc đó điểm hút bụi bám theo điểm tham
chiếu R. Hệ thống có hai đầu vào: vận tốc góc của bánh xe trái và bánh xe phải. Ta có:




̇


̇


̇

=

.∅−

.∅−



3.3 Giải thuật điều khiển

Bắt đầu
Cảm biến vật cản
Chạy bám quỹ đạo
thẳng
N
Y
Quay trái 90
0
State = 2
Chạy thẳng
90mm

Quay trái 90
0
Quay phải 90
0
State = 1
Chạy thẳng
90mm
Quay phải 90
0
State == 1?
N
Y
State = 1
Cảm biến vật cản
Cảm biến vật cản
N
N
Y
Y
Kết thúc

Hình 3.3: Giải thuật điều khiển robot hút bụi

3.4 Phương pháp đo và phát hiện sai số
17

Phát hiện vật cản: sử dụng cảm biến quang. Cảm biến quang gắn phía trước, trên
đầu robot gồm một led phát và một led thu, khi gặp vật cản led thu nhận được tín hiệu từ
led phát.

Hình 3.4: Cảm biến quang

Điều khiển vòng kín robot chạy theo quỹ đạo zích-zắc theo đường tham chiếu trên
nền. Đường tham chiếu này dựa trên viền của những viên gạch lót nền. Sử dụng camera để
dò đường viền này. Kết hợp vị trí gắn camera chính giữa trên đầu của robot hút bụi và hình
ảnh chụp được từ camera qua xử lý ảnh tính ra được sai số của quỹ đạo di chuyển thực của
robot với quỹ đạo tham chiếu.
3.5 Kết quả mô phỏng:


Hình 3.5: Mô phỏng quỹ đạo chạy của robot hút bụi
Thu
1: l > d
0: l<= d
d = const
Phát
18


Chương 4: ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chương này đánh giá các kết quả của việc điều khiển, đồng thời nêu ra các công
việc đã thực hiện được, các vấn đề nhược điểm và đề xuất cách khắc phục, hướng phát
triển của đề tài.
4.1 Kết luận
Kết quả nghiên cứu thực hiện được:
- Thiết kế cơ cấu cơ khí cho robot hút bụi di động
- Xây dựng giải thuật điều khiển cho robot hút bụi di động theo quỹ đạo hình zích –
zắc.
4.2 Hạn chế của robot hút bụi
- Giải thuật robot chưa đa dạng, chỉ có thể di chuyển trên mặt sàn phẳng, vật cản sát

tường.
- Chưa có kết quả thực nghiệm
4.3 Đề xuất hướng nghiên cứu
- Robot cần trang bị thêm cảm biến để định vị trong không gian.
- Phát triển giải thuật để robot có thể thay đổi quỹ đạo di chuyển trong không gian
của robot với các quỹ đạo hình xoắn ốc, quỹ đạo ngẫu nhiên, zích-zắc.
- Thực nghiệm robot hút bụi trên thực tế.

19

Tài liệu tham khảo
[1] Trong Hieu Bui, Tan Tien Nguyen, Tan Lam Chung and Sang Kim Bong, 2000, “ A
Simple Nonlinear Control of Two-Wheels Welding Robot”, Transactions on Control,
Automation, and Systems Engineering Vol.2, No. 1.
[2] Ying-Wen Bai and Ming-Feng Hsueh, 2012, “Using an Adaptive Iterative Learning
Algorithm for Planning of the Path of an Autonomous Robotic Vacuum Cleaner”, The 1st
IEEE Global Conference on Consumer Electronics 2012, pp. 406~410
[3] Autonomous Mobile Robots, R. Seigwart, I.Nourbakhsh



20

Phục lục