nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM
ROBOT VỆ SINH HÀNH LANG CÔNG SỞ

Sinh viên thực hiện:

Cán bộ hướng dẫn:

Lương Chí Ngoan
MSSV: 1111112
Lương Hữu Thịnh
MSSV:1117934

PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Cần Thơ, 05/2015


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở” được
thực nghiệm tại hành lang lầu 3 khoa Công Nghệ trường Đại học Cần Thơ. Đối
với các cơ quan, bệnh viện, trường học, v.v…, cần đảm bảo môi trường sạch sẽ
nên việc chi trả kinh phí cho các lau công rất tốn kém. Để tiết kiệm được một phần
kinh phí cho các đơn vị trên nên chúng tôi chọn đề tài này để làm luận văn tốt
nghiệp cho mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế

nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và
thành quả của chúng em đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy PGS. TS. Nguyễn
Chí Ngôn.
Chúng em xin cam đoan rằng: Những nội dung trình bày trong quyển báo cáo luận
văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước
nào. Nếu không đúng sự thật, chúng em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà
trường.

Cần Thơ, ngày ….. tháng ….. năm 20…
Nhóm sinh viên thực hiện
(ký tên và ghi họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha, mẹ của chúng em. Cảm
ơn cha, mẹ đã nuôi dưỡng, lo lắng về mặt vật chất và động viên tinh thần để chúng
em có cơ hội được giáo dục như ngày hôm nay.
Chúng em xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến PGS. TS. Nguyễn Chí Ngôn,
giảng viên trực tiếp hướng dẫn luận văn. Thầy đã tận tình hướng dẫn chúng em
phương pháp nghiên cứu và động viên cả nhóm trong quá trình thực hiện luận
văn.
Chúng em chân thành biết ơn anh Lâm Hồ Ngọc Hãn, Kỹ sư chuyên nghành Cơ
– Điện tử. Anh đã theo sát, tạo điều kiện cho chúng em trong quá trình thực hiện
đề tài. Anh đã truyền đạt những kinh nghiệm và kĩ năng làm việc để chúng em
tiếp thu và học hỏi trong đề tài.
Đồng thời chúng em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô trong Bộ môn Tự động
hóa đã tận tình giảng dạy và truyền lại những kiến thức quý báu giúp chúng em
thực hiện đề tài này.
Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, họ đã động viên và
giúp đỡ tận tình trong quá trình làm luận văn.

Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ................................................................................................... 1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 1

1.2

LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .................................................................... 3

1.3

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI ............................................................... 3

1.4

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................... 3

1.5

CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO ................................................................................ 4

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 5
2.1

SƠ LƯỢC VỀ ROBOT ......................................................................................... 5

2.2

CƠ KHÍ............................................................................................................................ 7

2.2.1

Khung và sơ đồ bánh cho robot ..................................................................... 7

2.2.2

Mô hình động học của robot vệ sinh hành lang công sở .............................. 10

2.2.3

Hệ dẫn động xích ..............................................................................................14

2.2.4

Hệ truyền động đai ................................................................................ 17

2.2.5

Ắc quy .................................................................................................. 19

2.3

ĐIỆN TỬ ............................................................................................................................ 21

2.3.1

Sơ lược về Arduino ...................................................................................... 21

2.3.2

Trình biên dịch Arduino ............................................................................... 22

2.3.3

Mạch Cầu H ................................................................................................. 23

2.3.4

Encoder..............................................................................................................25

2.3.5

PID (Proportional Integral Derivative) ......................................................... 26

2.3.6

Cảm biến đo dung lượng Pin (ắc quy) INA219 ........................................... 31

2.3.7

Các cải tiến của robot vệ sinh hành lang ...................................................... 32

CHƯƠNG III: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................ 35

3.1

PHẦN CƠ KHÍ ................................................................................................... 35

3.1.1

Thiết kế khung cơ khí và chọn bánh cho robot vệ sinh hành lang công sở . 35

3.1.2

Bộ truyền động chính cho robot vệ sinh hành lang công sở......................... 36

3.1.3

Cơ cấu hút bụi trong robot ........................................................................... 38

3.1.4

Cơ cấu lau trong robot vệ sinh hành lang công sở .................................... 42

3.1.5

Hệ thống phun dung dịch ....................................................................... 43

3.1.6

Thời gian hoạt động của robot vệ sinh hành lang công sở ........................... 45

3.2

PHẦN ĐIỆN TỬ .............................................................................................................. 46

3.2.1

Thiết kế tổng quát ..................................................................................... 46

3.2.2

Board ATMega 2560.................................................................................... 46

3.2.3

Board công suất dùng MOSFET .................................................................. 47

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
i


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

3.2.4
3.3

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Cảm biến siêu âm SRF05 ............................................................................. 48

PHẦN LẬP TRÌNH ............................................................................................ 50

3.3.1

Giao tiếp cảm biến SRF05 với vi điều khiển................................................ 50

3.3.2

Encoder..............................................................................................................52

3.3.3

Phương trình giảm tốc ......................................................................................53

3.3.4

Đo dung lượng ắc quy ............................................................................ 53

3.3.5

Điều khiển Động cơ DC chủ động bằng PID số........................................... 54

3.4

MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT ................................................................ 55

3.5

KẾT QUẢ ................................................................................................... 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 69
Kết luận .......................................................................................................................... 69

Kiến nghị ........................................................................................................................ 69
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 74

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
i


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot dò mìn [1] .................................................................................................. 1
Hình 1.2: Robot thám hiểm sao Hỏa tự hành Curiosity [2].................................................. 1
Hình 1.3: Robot hút bụi trong nhà [3] .................................................................................. 2
Hình 1.4: Nhân viên vệ sinh hành lang [4] .......................................................................... 2
Hình 2.1: Robot hàn [7]........................................................................................................ 5
Hình 2.2: Robot phun sơn [8]............................................................................................... 6
Hình 2.3: Robot phục vụ quán ăn [9]................................................................................ 6
Hình 2.4: Robot tưới nước Droplet [10] ............................................................................... 7
Hình 2.5: Một số dạng bánh sử dụng trong robot ................................................................ 7
Hình 2.6: Mô hình động học của robot tự hành [13] .......................................................... 10
Hình 2.7: Hệ lực tác động lên bánh phát động robot ......................................................... 13
Hình 2.8: Bộ truyền xích [20] ............................................................................................ 14
Hình 2.9: Bộ truyền xích có 3 đĩa bị dẫn [20] .................................................................... 14
Hình 2.10: Xích ống con lăn [20] ....................................................................................... 16
Hình 2.11: Bộ truyền xích răng [20] .................................................................................. 17
Hình 2.12: Bộ truyền đai thông thường ............................................................................. 18

Hình 2.13: Bộ truyền động đai chéo và nữa chéo .............................................................. 18
Hình 2.14: Cấu tạo ắc quy .......................................................................................... 19
Hình 2.15: Chip điều khiển ATMega 2560 ........................................................................ 21
Hình 2.16: Giao diện lập trình Arduino 1.5.6 .................................................................... 22
Hình 2.17: Mạch cầu H cơ bản .................................................................................... 24
Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H ............................................................. 24
Hình 2.19: Encoder ............................................................................................................ 25
Hình 2.20: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID .................................................................... 26
Hình 2.21: Xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e ..................................................................... 28
Hình 2.22: Xấp xỉ tích phân của biến sai số e .................................................................... 29
Hình 2.23: Cảm biến INA219 ............................................................................................ 31
Hình 2.24: Mạch nguyên lý INA219 .................................................................................. 32
Hình 2.25: Tách biệt chân trigger và echo ......................................................................... 32
Hình 2.26: Một dây tín hiệu cho hai chân trigger và echo ................................................. 33
Hình 3.1: Khung robot vệ sinh hành lang công sở ............................................................. 35
Hình 3.2: Bánh sau robot.................................................................................................... 36
Hình 3.3: Bánh Omni trước robot ...................................................................................... 36
Hình 3.4: Động cơ Hitachi ................................................................................................. 37
Hình 3.5: Mô hình bộ giảm tốc truyền động xích .................................................................37
Hình 3.6: Bộ truyền động xích trong robot vệ sinh hành lang công sở ........................... 38
Hình 3.7: Động cơ hút bụi [42] .......................................................................................... 38
Hình 3.8: Thùng hút bụi ............................................................................................. 39
Hình 3.9: Cấu tạo phía trên giàn hút.............................................................................................. 40
Hình 3.10: Cấu tạo phía dưới giàn hút .......................................................................................... 40
Hình 3.11: Cấu tạo phía trên của giàn hút trong nghiên cứu khoa học .................................. 40
Hình 3.12: Cấu tạo phía dưới của giàn hút trong nghiên cứu khoa học ............................. 40
Hình 3.13: Sơ đồ hút bụi ............................................................................................. 41
Hình 3.14: Cơ cấu lau mô phỏng trong inventor ...................................................................42
Hình 3.15: Động cơ giảm tốc trong cơ cấu lau ......................................................................42
Hình 3.16: Khăn lau ...................................................................................................... 43

Hình 3.17: Bộ phận chứa dung dịch ............................................................................ 43
SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
3


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Hình 3.18: Động cơ bơm................................................................................................ 43
Hình 3.19: Giàn phun .................................................................................................... 44
Hình 3.20: Sơ đồ hệ thống phun dung dịch .................................................................. 44
Hình 3.21: GS Platinum (MF) [26] .................................................................................... 45
Hình 3.22: Sơ đồ khối tổng quát ........................................................................................ 46
Hình 3.23 Board ATMega 2560 ......................................................................................... 47
Hình 3.24: Board công suất dùng MOSFET ...................................................................... 47
Hình 3.25: Cảm biến siêu âm SRF05 ................................................................................. 48
Hình 3.26: Tín hiệu truyền và nhận của sóng siêu âm ................................................. 49
Hình 3.27 . Đối tượng phản xạ sóng [44] ........................................................................... 49
Hình 3.28: Dạng tia sóng siêu âm ............................................................................. 49
Hình 3.29 Giản đồ thời gian xung tách biệt Trigger và Echo .................................................50
Hình 3.30. Giản đồ xung kết nối chung cho cả Echo và Trigger ....................................... 51
Hình 3.31: Thời gian sóng phát đi và phản xạ về [43, 44] ................................................. 51
Hình 3.32 Tín hiệu xung từ kênh A và kênh B [47]........................................................... 52
Hình 3.33: Sơ đồ hệ thống điều khiển PID ........................................................................ 54
Hình 3.34: Đáp ứng tham khảo của hệ thống ..................................................................... 55
Hình 3.35: Sơ đồ hành lang lầu 3 khoa Công Nghệ ........................................................... 55
Hình 3.36: Vị trí các cảm biến và động cơ trên robot ........................................................ 56
Hình 3.37: Lưu đồ chương trình chính ............................................................................... 57

Hình 3.38: Lưu đồ chương trình con line 1 ........................................................................ 58
Hình 3.39: Sơ đồ robot nằm cạnh cầu thang ...................................................................... 59
Hình 3.40: Lưu đồ chương trình tránh cầu thang ............................................................... 60
Hình 3.41: Sơ đồ robot đang ở vị trí cửa mở của phòng đồ án ...................................... 61
Hình 3.42: Lưu đồ tránh mở cửa ........................................................................................ 61
Hình 3.43: Sơ đồ robot đang nằm trong vùng giảm tốc và chuẩn bị tránh vật cản............ 62
Hình 3.44: Lưu đồ giảm tốc cho robot ............................................................................... 63
Hình 3.45: Lưu đồ tránh vật cản ..................................................................................... 63
Hình 3.46: Lưu đồ bám tường ............................................................................................ 64
Hình 3.47: Lưu đồ chạy thẳng............................................................................................ 64
Hình 3.48: Lưu đồ hoạt động của hệ thống hút bụi ....................................................... 65
Hình 3.49: Lưu đồ giao tiếp với cảm biến SRF05.............................................................. 66
Hình 3.50: Robot vệ sinh hành lang công sở ................................................................ 67

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
4


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 2.1: Sơ đồ khung và bánh của robot tự hành .............................................................. 8
Bảng 2.2: Quy luật điều khiển PID ................................................................................. 31
Bảng 3.1: Thống kê các thiết bị chấp hành ........................................................................ 45
Bảng 3.2: Thống kê số động cơ hút bụi ảnh hưởng đến dung lượng ắc quy .................... 54
Bảng 3.3: Trạng thái robot hoạt động ............................................................................. 59

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
5


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

DANH MỤC VIẾT TẮT
AC

Alternating Current (dòng điện xoay chiều )

Atmel ARM

Advanced RISC Machine

Atmel AVR

Advanced Virtual RISC

CNC

Computer Numerical Control - Điều khiển số bằng máy tính.

DC

Direct Current - Điện một chiều.

EEPROM

Bộ nhớ lưu trữ giá trị khi board tắt

I/O

Input/Output – Ngõ vào/Ngõ ra

I2C

Inter - Intergrated Circuit – chuẩn giao tiếp 2 dây

INT

In Circuit Serial Programming – bộ nạp chương trình

LED

Light Emitting Diode - Diode phát sáng

LG

Lucky Geumseon - Tên tập đoàn lớn của Hàn Quốc

PID

Proportional Integral Derivative controller – điều khiển tỉ lệ vi tích phân

PWM

Pulse Width Modulation - Điều chế độ rông xung

Rx

Receiver – Nhận (dữ liệu)

SRAM

Static Random Access Memory

Tx

Transmitter - phát, truyền (dữ liệu)

UARTs

Cổng nối tiếp phần cứng

USB

Universal Serial Bus – Cổng kết nối

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
6


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

TÓM TẮT
Ngày nay, robot hút bụi mini được bán phổ biến trên thị trường với kích thước nhỏ
chỉ để vệ sinh trong nhà. Đối với những hành lang cơ quan, bệnh viện, trường học,
v.v…, thì robot hút bụi mini không đáp ứng được do không gian làm việc rộng và
cần công suất lớn khi hoạt động. Vì vậy, để thay thế một phần sức lao động những
người lau công tại các đơn vị trên, thì cần có robot vệ sinh được các hành lang công
sở, nhằm tiết kiệm sức lao động, thời gian và kinh phí. Để thực hiện đề tài, nhóm đã
kế thừa và cải tiến robot từ đề tài nghiên cứu khoa học TSV2014 -09 (Đại học Cần
Thơ). Kết quả robot hoạt động linh hoạt, mở rộng diện tích di chuyển, xử lý công
việc tốt và robot có khả năng thích nghi với môi trường động.
Từ khóa: hành lang, kế thừa, cải tiến, thích nghi.

ABSTRACT
Nowaday, the vacuum mini robot is sold in market with mini size that enough for
family to clear floor. For office corridors, hospital, school…etc, the vacuum mini
robot which can’t run because of big space and power needed. So, to change
cleaners in location above and save lobour, save time and save money that the
vacuum cleaning robot is created. To make by this topic, base on TSV2014-09
(Cantho university)’s topic to inherit and improve. The team had been result for
robot such as: operational flexibility, expanding the area of migration, good job
handling and robot capable of adapting to dynamic enviroment.
Key work: corridor, to inherit, improve, adapting.
Tittle: Research for designing and experiment the vacuum cleaning on corridor
robot.

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
vii

Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, cùng sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, robot đã và đang
trở thành một bộ phận với những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống. Robot đã
dần thay thế con người làm những công việc từ đơn giản đến những việc đòi hỏi sự
chính xác cao. Robot được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và nhiều nơi nguy
hiểm như: Dò mìn trên Hình 1.1, thám hiểm sao hỏa trên Hình 1.2, nơi có chất phóng
xạ… Đặc biệt có thể làm việc liên tục trong thời gian dài với độ chính xác và chuyên
nghiệp cao.

Hình 1.1: Robot dò mìn [1]

Hình 1.2: Robot thám hiểm sao Hỏa tự hành Curiosity [2]

Ngoài ra, trong dân dụng còn một số loại robot có khả năng tự hành, tự làm những
công việc mà không cần nhờ đến con người, robot hút bụi mini cũng được xem là
SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
1


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

robot tự hành vì nó có thể tự vệ sinh, tìm ổ điện mà không cần sự điều khiển của con
người. Chi phí cho các robot hút bụi, lau nhà trên Hình 1.3 được ra đời như SR8855
của hãng Samsung với giá 7.418.000 đồng, Hom-Bot của hãng LG với giá 9.990.000
đồng (theo LAZADA Việt Nam). Nhưng các robot này chỉ hoạt động trong một đơn
vị diện tích nhỏ, việc hút bụi và lau chùi còn hạn chế.

Hình 1.3: Robot hút bụi trong nhà [3]

Đối với các hành lang công sở có khuôn viên rộng nên cần những người lau công
đảm bảo vệ sinh ở mức độ cao. Ở các công ty, cơ quan luôn có những lau công làm
vệ sinh theo thường lệ như Hình 1.4.

Hình 1.4: Nhân viên vệ sinh hành lang [4]
SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
2


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Đề tài này là đề tài được cải tiến từ đề tài nghiên cứu khoa học “Thiết kế và chế tạo
robot vệ sinh hành lang công sở” mã số: TSV2014 - 09, của nhóm sinh viên Lương
Hữu Thịnh thuộc ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, khóa 37, Lương Chí
Ngoan thuộc ngành Cơ Điện Tử, khóa K37 và Lâm Hồ Ngọc Hãn. Ở đề tài nghiên
cứu khoa học, nhóm chỉ thực hiện việc khảo sát cảm biến siêu âm SRF05 và thiết kế
được khung robot với chức năng hút bụi. Nhưng khả năng hoạt động của robot chưa
cao và còn nhiều hạn chế khi di chuyển. Vì vậy, nhóm quyết định tiếp tục nghiên

cứu và cải tiến đề tài “Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang
công sở” ở luận văn.
1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
 Với mong muốn chế tạo và thực nghiệm thành công robot có chức năng vệ
sinh hành lang để giúp các cơ quan, công ty giảm bớt kinh phí trong việc thuê
các nhân viên vệ sinh.
 Kế thừa được phần cơ khí đã thiết kế ở đề tài “Thiết Kế Và Chế Tạo Robot
Vệ Sinh Hành Lang Công Sở”.
 Đo dung lượng bình và báo tín hiệu giúp người quản lý nạp dung lượng cho
robot.
 Cải tiến cơ cấu hút bụi và chế tạo thêm cơ cấu lau kết hợp với hệ thống phun
dung dịch giúp robot vệ sinh tốt hơn.
 Thiết kế bộ điều khiển PID tăng đáp ứng cho robot di chuyển.
 Mở rộng diện tích hoạt động của robot.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Từ kết quả đạt được ở đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot vệ sinh hành
lang” kết hợp với board điều khiển ATMega cung cấp thư viện giúp việc giao tiếp
với cảm biến cũng như việc thiết kế mạch trở nên đơn giản và tiết kiệm được nhiều
I/O.
SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
3


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Với sự thiết kế cơ khí bền chắc và độ nhạy của cảm biến giúp robot hoạt động được
ở môi trường động và tĩnh. Cụ thể robot được thực nghiệm tại hành lang lầu 3 khoa

Công Nghệ trường Đại Học Cần Thơ. Ngoài ra, robot vẫn có thể thực nghiệm tại các
hành lang khác với môi trường tương tự.
1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO
Phần còn lại của bài báo cáo được trình bày như sau:
 Chương 2 trình bày về cơ sở khoa học của đề tài. Đi từ những lý thuyết cơ
bản để đưa ra các phương pháp cho phù hợp trong việc thực hiện đề tài.
 Chương 3 trình bày về nội dung được thực hiện từ các phương pháp đã chọn
và nêu ra kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu.
 Đưa ra kết luận và kiến nghị hướng phát triển trong tương lai của đề tài kèm
theo tài liệu tham khảo và phụ lục dành cho hướng dẫn sử dụng robot.

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
4


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 SƠ LƯỢC VỀ ROBOT
Robot là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình,
tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định
hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, gá lắp theo những hành trình
thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác
nhau [5]. Do đó, robot được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các
chức năng lao động của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương
trình đã được lập trình sẵn.
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm gắp đặt vật

liệu, hàn điểm và phun sơn [6]. Một trong những công việc kém năng suất nhất của
con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di
chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển
dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó
khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế
công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng
rèn, và xưởng hàn. Bên cạnh đó robot cũng có thể làm việc trong môi trường có
nhiệt độ cao nhưng vẫn đảm bảo linh hoạt và hiệu quả. Trong các nhà máy sản xuất
xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: Khung xe được cố định
vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn,
kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc
theo các điểm hàn được lập trình trước trên Hình 2.1.

Hình 2.1: Robot hàn [7]
SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
5


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Hình 2.2: Robot phun sơn [8]

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người, nhưng
lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot [8]. Ngoài ra, con người phải mất hơn
hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi
robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong thời gian ngắn với khả năng lặp
lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể hiện một bước tiến

đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế độ
làm việc cho con người trong môi trường độc hại. Tất cả robot phun sơn đều được
‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường;
đường đi đó được ghi lại; và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc
đi theo đường đi đã được định sẵn đó. Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao
cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng. Ứng dụng này đưa đến sự
phát triển một loại tay robot dạng ‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao như Hình 2.2.
Ngoài robot công nghiệp thì trong dân dụng robot cũng được nhiều ứng dụng như:
Phục vụ quán ăn trên Hình 2.3, làm vườn trên Hình 2.4, nấu ăn…

Hình 2.3: Robot phục vụ quán ăn [9]
SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
6


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Hình 2.4: Robot tưới nước Droplet [10]
2.2 CƠ KHÍ
2.2.1 Khung và sơ đồ bánh cho robot
Để robot có độ bền cao và kết cấu vững chắc thì việc lựa chọn khung chính cho robot
đóng vai trò rất quan trọng. Khung robot dùng để đặt các đơn vị lắp ghép, đảm bảovị
trí tương đối của chúng trong hệ thống dẫn động [11]. Bên cạnh đó khung robot
cần phải có tính lịnh hoạt đảm bảo hoạt động hiệu quả trong môi trường làm việc.
Thông thường trong robot di chuyển bằng bánh thì có những kết cấu của khung và
sơ đồ bánh như Bảng 2.1. Bánh robot thường được sử dụng các dạng như Hình 2.5.

Hình 2.5: Một số dạng bánh sử dụng trong robot

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
7


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp
xúc.
Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe,
trục lăn và điểm tiếp xúc.
Bảng 2.1: Sơ đồ khung và bánh của robot tự hành

Số bánh

Sắp xếp

Miêu tả
Một bánh lái phía trước, một bánh phía
sau

2

Hai bánh truyền động với trọng tâm ở
bên dưới trục bánh xe.

Hai bánh truyền động ở giữa và có điểm
thứ 3 tiếp xúc

3

Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau
và một bánh lái ở phía trước.
Hai bánh truyền động được nối với trục ở
phía sau, một bánh lái ở phía trước.
Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh
trước vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái.
3 bánh Swedisk được đặt ở các đỉnh của
một tam giác đều, kết cấu này cho phép robot
di chuyển theo đa hướng.
2 bánh chủ động ở phía sau, hai bánh lái
ở phía trước.

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
8


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Hai bánh phía trước vừa là bánh lái vừa

4

là bánh chủ động.
Cả 4 bánh đều là bánh truyền động và lái.

Hai bánh truyền động độc lập ở phía
trước/sau, 2 bánh lái đa hướng ở phía
sau/trước.
Bốn bánh đa hướng.

Hai bánh chuyển động vi sai và thêm 2
điểm tiếp xúc.
4 bánh vừa là truyền động vừa là bánh
lái.
Hai bánh truyền động ở giữa, thêm 4
bánh đa hướng ở xung quanh.

6
Hai bánh truyền động vi sai ở giữa, bốn
bánh đa hướng ở 4 góc.

Robot được di chuyển ở địa hình bằng phẳng nên về cấu tạo khung đơn giản không
cần cơ cấu giảm chấn, cầu cân bằng, … Đối với robot vệ sinh hành lang công sở thì
thiết kế robot di chuyển với sơ đồ 3 bánh, bao gồm 2 bánh truyền động độc lập ở
phía sau và 1 bánh dẫn hướng phía trước. Vì vậy về kế cấu cơ khí đơn giản và cũng
đảm bảo di chuyển hợp lí.

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
9

Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

2.2.2 Mô hình động học của robot vệ sinh hành lang công sở
Tính toán xác định các đặc trưng động học của robot là vấn đề quan trọng trong thực
tiễn, kỹ thuật. Vì vậy cần phải tính toán một số đặc trưng cơ bản về chuyển động
của robot trên đường thẳng ngang [12].
Vị trí của robot chuyển động trong hệ cố định được mô hình hóa như Hình 2.6. Bánh
xe di chuyển trên mặt phẳng là lăn không trượt, tốc độ của robot là tốc độ của trung
điểm khoảng cách giữa hai bánh sau [13].

Hình 2.6: Mô hình động học của robot tự hành [13]

Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng, ta xây dựng mối quan hệ
giữa tọa độ tham chiếu toàn cục của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của
robot như Hình 2.6. Các trục x, y xác định tọa độ của điểm bất kì trong hệ tọa độ
toàn cục có gốc O (xOy). Điểm P coi là tâm dịch chuyển của robot, nó được dùng
để xác định vị trí của robot. Hệ tọa độ xmPym là hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của
robot, gắn liền với robot. Như vậy vị trí điểm P trong hệ tọa độ tham chiếu toàn cục
được xác định bởi tọa độ x, y và góc lệch θ giữa hai hệ tọa độ toàn cục và cục bộ.
Các thông số hình học của robot bao gồm [14]:
vr(t) là vận tốc dài của bánh phải;
vl(t) là vận tốc dài của bánh trái;

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
10

Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

ωr(t) là vận tốc góc của bánh phải;
ω(t) là vận tốc góc của bánh trái;
r là bán kính mỗi bánh robot;
L là khoảng cách 2 bánh;
R là khoảng cách từ tâm robot tới tâm vận tốc tức thời;
ICC là tâm vận tốc tức thời;
R-L/2 – bán kính mô tả quỹ đạo chuyển động cong của bánh trái;
R+L/2- bán kính mô tả quỹ đạo chuyển động cong của bánh phải;
Từ tâm vận tốc tức thời ICC, ta xác định được vận tốc góc của robot (2.1), (2.2),
(2.3) [20]:
𝑣𝑟(𝑡)
𝑅+�

𝜔 𝑟�
( )=

(2.1)

2

𝜔 �
�
( )=

𝑣𝑙(𝑡)
𝑅−�

(2.2)

2

𝜔 (�) =

𝑣𝑟 (𝑡)−𝑣𝑙 (𝑡)

(2.3)

𝐿

Bán kính cong từ tâm di chuyển của robot tới tâm vận tốc tức thời được tính theo
công thức (2.4) [13]:

L(v (t) vr (t))
R  l
2(vl (t) vr (t))

(2.4)

Từ (2.1), (2.2), (2.3), (2.4). Vận tốc dài của robot (2.5) được tính [13, 15, 16,17]:

1
v(t) (t).R  (v (t) v (t))
2

r

(2.5)

l

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
11


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Phương trình toán học trong không gian trạng thái có thể được viết thành:

x(t) v(t)cos(t)
y(t) v(t)sin(t)

(2.6)

(t) (t)
Tích phân 2 vế (2.6) ta được:
t

x(t) v(t)cos((t))d (t)
0
t

y(t) v(t)sin((t))dt

(2.7)

0
t

(t) (t)dt
0

Phương trình (2.6) có thể được viết lại dưới dạng ma trận (2.8) [13]:

�
�

(�)��
�
��

(�
)
) ]= [ �
(�)�𝑖�
[�
�]=
�(�

2
1
1

𝜔(�)

𝜽̇
(�
)

) + �(�
)
(�
�(�
� ) cos �
(� �
+ �� sin �
(
�
( ))
2
�
)
1
𝐿

1
21

=

2

��
��

�𝑖�
�
1

[
𝐿

1

��
��

[

)
�
�(�
�𝑖�
�[�
(
)
�
� ]
2
−1
]

21

) − �(�

)
(�
�(�
� )

]

(2.8)

𝐿

Để tránh cho robot va chạm vào chướng ngại vật phía trước khi robot tạm ngưng
hoạt động thì quảng đường từ khi robot tắt máy đến lúc ngừng lại được xác định như
(2.10):

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
12


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Hình 2.7: Hệ lực tác động lên bánh robot

Xét trường hợp robot chuyển động thẳng trên mặt phẳng ngang. Do vận tốc của bánh
phụ thuộc và quá trình điều khiển. Ở mỗi bánh có 1 vận tốc khác nhau và chịu ảnh
hưởng của khối lượng robot. Xét bánh robot ở trường hợp lý tưởng từ lúc robot tắt
động cơ cho đến lúc ngừng lại. Ta có các lực như Hình 2.7 và theo định luật II Niutơn, công thức tính FMS thì gia tốc của bánh robot (2.9) [18]:

�=

−𝐹�
𝑆1

−𝜇𝑃

=

�

−𝜇𝑁1

=

�

=

−𝜇�
�

�

�

= −𝜇𝑔

(2.9)

Gia tốc của robot phụ thuộc và hệ số ma sát trượt 𝜇.
Từ (2.9). Quãng đường robot tắt máy đến lúc ngừng lại đượng xác định theo công
thức (2.10):
−𝑣02 2�
2

2

(2.10)

2

�𝑡 − �0 = 2�� <=> −�0 = 2��→ �=
Trong đó:
�𝑡 là vận tốc robot tại thời điểm ngừng, �𝑡 = 0;

�0 là vận tốc lúc robot bắt đầu ngừng;
Như kết quả (2.10), có thể đưa công thức vào lập trình code cho robot di chuyển.

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
13


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

2.2.3 Hệ dẫn động xích
Để robot hoạt động và di chuyển linh hoạt, chính xác. Ngoài việc điều khiển đáp

ứng tốt thì hệ truyền động chính của robot cũng phải chính xác, tỉ số tuyền không
thay đổi. Vì vậy bộ truyền xích được sử dụng cho robot.
Xích là một chuổi các mắt xích nối với nhau bằng khớp bản lề [19]. Bộ truyền xích
dùng truyền chuyển động giữa hai trục song song và cách xa nhau như Hình 2.8,
hoặc truyền chuyển động từ một trục dẫn đến nhiều trục bị dẫn hình như Hình 2.9
[20]. Ngoài ra, trong bộ truyền xích có thể có bộ phận căng xích, bộ phận che chắn
và bộ phận bôi trơn [21].

Hình 2.8: Bộ truyền xích [20]

Hình 2.9: Bộ truyền xích có 3 đĩa bị dẫn [20]
SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
14


Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm robot vệ sinh hành lang công sở

CBHD: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn

Bộ truyền xích có 3 bộ phận chính [20]:
 Đĩa xích dẫn 1, có đường kính tính toán là d1, lắp trên trục I, quay với số
vòng quay n1, công suất truyền động P1, mô mem xoắn trên trục T1. Đĩa xích
có răng tương tự như bánh răng. Trong quá trình truyền động, răng đĩa xích
ăn khớp với các mắt xích, tương tự như bánh răng ăn khới với thanh răng.
 Đĩa xích bị dẫn 2, có đường kính d2, được lắp trên trục bị dẫn II, quay với số
vòng quay n2, công suất truyền động P2, mô men xoắn trên trục T2.
 Dây xích 3 là khâu trung gian, mắc vòng qua hai đĩa xích. Dây xích gồm
nhiều mắt xích được nối với nhau. Các mắt xích xoay quanh khớp bản lề, khi
vào ăn khớp với răng đĩa xích.

Nguyên lí làm việc của bộ truyền xích [20]: dây xích ăn khớp với răng đĩa xích gần
giống như thanh răng ăn khớp với bánh răng. Đĩa xích dẫn quay, răng của đĩa xích
đẩy các mắt xích chuyển đông theo. Dây xích chuyển động, các mắt xích đẩy răng
của đĩa xích bị dẫn chuyển động, đĩa xích 2 quay. Như vậy chuyển động đã được
truyền từ bánh dẫn sang bánh bị dẫn nhờ sự ăn khớp của răng đĩa xích với các mắt
xích. Truyền động bằng ăn khớp, nên trong bộ truyền xích hầu như không có hiện
tượng trượt. Vận tốc trung bình của bánh bị dẫn và tỉ số truyền trung bình của bộ
truyền xích không thay đổi.
Ưu điểm của truyền động xích là [21]:
 Có thể chuyển động giữa các trục cách nhau tương đối xa.
 So với truyền động đai, kích thước truyền xích nhỏ gọn hơn, làm việc không
có trượt, hiệu suất khá cao (�= 0.96 ÷ 0.98 ) và lực tác dụng lên trục
tương đối nhỏ.
 Có thể cùng một lúc chuyển động và công suất cho nhiều trục.

SVTH: Lương Hữu Thịnh
Lương Chí Ngoan
15