Đề tài

ROBOT HÚT BỤI TỰ HÀNH

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay cùng với cuộc sống hiện đại tiện nghi khái niệm robot đã không còn
xa lạ với chúng ta. Robot được sử dụng rộng rãi và phổ biến, không những xuất hiện
trong sản xuất công nghiệp mà còn phục vụ trong gia đình, giải trí, gọi chung là robot
dịch vụ.
Bên cạnh đó nhịp sống ngày càng gấp rút và hối hả hơn, chính vì vậy xuất hiện
các robot phục vụ tự động trong gia đình trở nên cấp thiết hơn. Sự xuất hiện của robot hút
bụi tự động sẽ mang lại cho chúng ta cuộc sống thêm tiện nghi và hiện đại hơn.
Đồng hành với đó ta cũng thấy ngày càng nhiều cải tiến, nâng cấp trong lĩnh vực
vi điều khiển. Các bộ vi điều khiển hiện có trên thị trường rất đa dạng, tốc độ xử lý
ngày một cao, tính năng hỗ trợ ngày càng mạnh mẽ. Có thể đưa ra tiêu biểu như
AVR, PIC, Psoc,…Đó là điều kiện thuận lợi để phát triển các hệ thống nhúng đa
dạng hơn, thông minh hơn.
Trong xu thế cạnh tranh các hãng phát triển vi mạch cố gắng tăng mật độ tích hợp
trên vi mạch ngày càng cao, hạ giá thành đến mức thấp nhất. Người sử dụng có thể dễ
dàng sỡ hữu một bộ vi điều khiển tốc độ cao giá rẽ, các công cụ phát triển.
Nhiệm vụ của đề tài này là khảo sát tính năng của các robot hút bụi trên thị
trường, từ đó hoàn thiện và cùng với tài liệu dễ dàng tìm được.Vì vậy giá thành cho
sản phẩm cuối cùng được giảm.phát triển một robot có tính năng tương tự,dựa trên vi
điều khiển AVR.
1.2 Các vấn đề đặt ra


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.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Cơ sở lý thuyết về Robot tự hành
Nguyên gốc của một từ Latinh là robota có nghĩa là người tạp dịch. Như vậy mục
đích ra đời của robot là thay thế con người làm những công việc nào đó. Robot hay
người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động, robot
là một hệ thống cơ khí – điện tử. Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn
đề: “Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để gọi là một robot”. Một cách gần
chính xác, robot phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau
đây :
• Không phải là tự nhiên, tức là do con người tạo ra.
• Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh.
• Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường.
• Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và
được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã lập trình trước.
• Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu



cầu của người sử dụng.
• Có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều.
• Có sự khéo léo trong vận động.
Phân loại robot, có nhiều cách định nghĩa cũng như phân loại robot.

Sau

đây là một số cách phân loại robot như sau :
Theo viện Robotics Hoa Kỳ thì có 4 loại robot như sau :
• Robot vận hành với sự điều khiển của con người.
• Tự vận hành với chu trình được định trước.
• Robot khả trình, điều khiển được với quỹ đạo lien tục.
• Robot có khả năng tự thu nhận thông tin từ môi trường để đưa ra chuyển động
thông minh.
Theo Hiệp hội robot Nhật Bản :
• Robot vận hành với sự điều khiển của con người.
• Robot vận hành với trình tự cố định.
• Robot vận hành với trình tự được điều khiển đơn giản.
• Playback robot, robot được lập trình sẵn nhiều cách chuyển động.
• Robot điều khiển bằng số với các tác vụ được lập sẵn.
• Robot thông minh : có thể tự hiểu được môi trường để hành động hoàn thành
tác vụ.
1.3.2 Các mô hình điều khiển Robot
• Mô hình kiểu phản xạ

C
C
ả
hấ
m

p
Mô hình này không có khối điều khiển.
Thông tin từ khối cảm nhận được đưa
nh
hà
ra thẳng tới khối chấp hành, từ đóậncơ cấu
nh chấp hành hoạt động. Mô hình này có ưu
điểm là tốc độ đáp ứng nhanh.
• Mô hình “sensor – plan - action”


C KC
ả ếh
m môi
ấ trường được cảm nhận và
Mô hình này có bộ điều khiển, thông tin của
hp
được truyền tới bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ phân
n o tích và từ đó đưa ra thông tin
ạ hứng chậm.
điều khiển tới bộ chấp hành. Mô hình này có tốc độhđáp
ậ cà
• Mô hình kiểu lai
nhn
h

Lập kế hoạch

Cảm Nhận


Chấp hành

Mô hình này là mô hình kết hợp giữa 2 kiểu mô hình trên. Mô hình lai bao gồm
nhiều cặp “cảm nhận – chấp hành” hoạt động như mô hình phản xạ, tốc độ đáp ứng
khá nhanh. Bên cạnh đó có một khối điều khiển lập kế hoạch cho toàn bộ tác vụ của
robot.
1.3.3 Kế thừa sản phẩm có sẵn trên thi trường
Đồ án tham khảo một số sản phẩm robot hút bụi tự động có trên thị trường hiện
nay như LG, iRobot, Samsung, Toshiba, …Tìm hiểu các chức năng của các sản phẩm
đó, từ đó đưa ra những chức năng cơ bản của robot hút bụi tự động.
Ngoài ra, học hỏi kiểu dáng thiết kế đặc sắc của các sản phẩm đấy, để lựa
chọn cũng như sàn lọc các mẫu thiết kế đẹp và hiệu quả. Từ những tìm hiểu trên
xây dựng nên các phương án thiết kế, có những phương án đó rồi tiến hành phân
tích ưu điểm cũng như nhược điểm để lựa chọn thi công sản phẩm.
Đây là bước quan trọng để định hình cơ bản các phương án thiết kế và lựa
chọn phương án thi công.
1.4 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.
1.5 Phạm vi đề tài
Theo yêu cầu của quyết định thực hiện đề tài chỉ dừng lại công việc nghiên
cứu và thiết kế robot hút bụi 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 thiết kế 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.


Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI TỰ HÀNH
2.1 Giới thiệu một số robot hút bụi tự động hiện nay
2.1.1 Robot Roomba 780
Robot Roomba của hãng iRobot là một robot hút bụi thông minh. Không
giống như các loại máy hút bụi thông thường. Roomba thực 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.


Hình 2.1 Robot hút bụi Roomba
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,…

Hình 2.2 Kết cấu của Robot RoomBa.
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 2.3 Quỹ đạo di chuyển của robot RoomBa
Roomba được trang bị 3 chổi quét, trong đó chổi thứ nhất đặt phía trước có chức
năng quét bụi ở góc tường. Chổi thứ hai và chổi thứ ba có chiều quay ngược nhau đưa
bụi cũng như rác vào hộp đựng bụi. Hộp này không những đựng bụi mà lọc cả không
khí.

Hình 2.4 Hệ thống chổi của RoomBa
Robot Roomba có khả năng báo hết pin và tự động tìm nơi sạc pin.



Hình 2.5 RoomBa tự động sạc pin
2.1.2 Robot LG Hombot
Hombot là một robot hút bụi thông minh thế hệ mới do hãng LG nghiên cứu chế
tạo.

Hình 2.6 Robot LG HomBot
Không những vượt trội trong thiết kế mà đột phá về công nghệ trang bị cho robot.
Hình dáng của robot là hình vuông được bo các góc tạo sự mượt mà cũng như tăng
diện tích làm sạch trong các góc tường.


Hình 2.7 Hình dáng và bố trí chổi quét góc tường
Hombot được trang bị hai chổi quét, cảm biến siêu âm, camera,…vì vậy nâng cao
hiệu quả làm việc cho robot.

Hình 2.8 Kết cấu trên và bố trí cảm biến của Robot
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.

Hình 2.9 Hombot tiếp xúc vật cản

Hình 2.10 Bố trí nguồn nuôi và chổi của Robot
Không giống như các robot hút bụi khác, Hombot hoạt động 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 2.11 Robot di chuyển xoáy ốc
Robot LG Hombot xác định vị trí trong không gian, tự báo khi hết pin cũng như
tự động tìm về chỗ sạc pin.

Hình 2.12 Robot LG Hombot sạc pin
2.2 Nguyên lý và sơ đồ hút bụi
2.2.1 Nguyên lý hút bụi
Nguyên lý hoạt động chung hút bụi là sử dụng máy bơm khí tạo ra môi trường
chân không để hút bụi vào bên trong, đông thời tách các phần tử hạt ra khỏi phần tử


khí.
Các động cơ hoạt động quay vòng với cường đọ cao trên trục đông cơ điện có gắn
cánh quạt.
Về cấu tạo của máy hút bụi cơ bản gồm có cổng nạp, quạt, động cơ điện, cổng
thoát khí và một túi xốp.
Khi bạn cắm máy hút bụi và ổ cắm, động cơ của máy hút bụi bắt đầu vận hành
quạt. Sau đó, những cánh của quạt bắt đầu quay và chúng chịu trách nhiệm về luồng
khí vào và luồng khí ra trong máy hút bụi. Cùng với không khí, bụi bẩn, bụi hay các
mảnh vỡ trên bề mặt cũng đi theo. Không khí bẩn bị hút vào trong chiếc túi xốp của
máy hút bụi. Hơn nữa, máy còn có thêm một bộ lọc bẫy bụi bẩn, chỉ để cho phép
không khí trong sạch thoát ra từ máy hút bụi.

Hình 2.13 Cánh quạt hút bụi
Bên trong nó có một động cơ điện có tốc độ quay vòng rất cao, trên trục chuyển
động của động cơ điện có cánh quạt gió. Khi động cơ điện quay vòng với tốc độ cao,
cánh quạt gió sẽ quạt cùng với trục chuyển động với tốc độ nhanh.



Không khí bên trong máy hút bụi sẽ nhanh chóng thổi ra như một chiếc hộp rỗng.
Phần sau đầu hút bụi của máy hút bụi có một ống dẫn dài, một đầu ống thông trực tiếp
vào bên trong máy. Sau khi cánh quạt gió thải không khí từ bên trong máy hút bụi ra sẽ
tạo thành một lỗ hút khí vào với đầu hút bụi thông với máy.
Do bên trong rỗng nên không khí bên ngoài sẽ nhanh chóng được hút vào từ đầu
hút bụi. Vì lực hút lớn nên bụi bẩn và các chất xung quanh đều bị hút vào theo luồng
không khí, qua ống dẫn và chui vào thùng chứa bụi bên trong máy.

Hình 2.14 Mô hình nguyên lý hút bụi


2.2.2 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 cản và chống rơi. Do đó, các cảm biến được thiết kế với các vị trí như sau:
- Ba cảm biến 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, nhóm đề xuất sơ đồ của robot hút bụi như sau:


2143561789
0
Hình 2.15 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

2.3 Cấu tạo và chức năng
2.3.1 Hệ thống cơ khí


2.3.1.1 Thân robot
Khung robot có nhiệm vụ là nâng để cả robot, mặt khác là hình dạng bên ngoài của
robot.
Khung robot có yêu cầu về tính thẩm mĩ vì là hình dạng bên ngoài của robot.
Vì vậy mà trong quá trình thi công phần khung phải đảm bảo đúng như thiết kế đề ra
về kích thước, kiểu dáng.

Hình 2.16: Thân dưới robot


Hình 2.17: Thân trên robot
2.3.1.2 Chổi quét
Robot được trang bị 3 chổi quét. Trong đó có 2 chổi quét phụ được đặt phía trước
có chức năng quét bụi ở những góc tường.

Hình 2.18 Chổi quét phụ
Chổi chính có chức năng quét những mảnh vụn cũng như đảo bụi. Chổi lớn có



kích thước chiều dài là 220 (mm). Được dẫn động bởi một động cơ 12V qua bánh răng
nghiêng.

Hình 2.19 Chổi quét chính
2.3.1.3 Hệ thống hút bụi
a) Cổng hút
Cổng hút được đặt gần với chổi quét chính để có thể hút được toàn bộ số bụi mà chổi
đã khuấy đảo bụi từ dưới sàn lên
Cổng hút và cửa xả đi liền với thân của hệ thống hút bụi

Hình

2.20 Hệ

thống

hút bụi

b) Cánh

quạt

Cánh

quạt của

máy hút

bụi được


gắn với

động cơ

mini có

tốc độ quay

rất lớn
Quạt gió

sẽ tạo ra lực


hút, hút bụi vào trong máy và đẩy bụi ra hộp đựng.
c) Hộp đựng bụi
Hộp đựng bụi có chức năng không những đựng bụi mà còn lọc sạch không khí. Vì vậy,
hộp bụi được thiết kế có phần đảm nhiệm lọc bụi.

Hình

2.21

Hộp

đựng

bụi
d) Lọc


bụi

Bộ lọc

không

khí

đạt

chuẩn

tiêu
HEPA:
HEPA

là

một

pháp

phương
lọc

rất

hiệu quả, các hạt được lấy bằng kính hiển vi từ không khí xung quanh khi nó đi qua bộ
lọc HEPA.

Vùng bộ lọc HEPA với nhiều hiệu quả phụ thuộc vào kích thước của các hạt. Hiệu
năng lọc không khí của bộ lọc HEPA đạt đến 99,97% các hạt và chỉ cho phép các hạt
có kích thước 0,3 micron hoặc nhỏ hơn đi qua bộ lọc.
Do đó dòng không khí thải ra từ hộp bụi được tinh lọc để ngăn ngừa ô nhiễm.
Bộ lọc không khí HEPA không thể loại bỏ khí ga hóa học từ không khí.
e) Cổng thoát khí
Không khí trong hộp đựng bụi sau khi lọc bằng màng lọc tiêu chuẩn HEPA sẽ được
đưa trở lại môi trường.
2.3.1.4 Bánh xe
Bánh tự lựa: là loại bánh bị động, được phát động bởi hai bánh chủ động.
Bánh này có chức năng dẫn hướng cho robot.
Hiện nay có rất nhiều bánh tự lựa trên thị trường với nhiều kích thước,kiểu dáng,


mẫu mã khác nhau như : omi, mắt trâu,…
Bánh tự lựa có 2 bậc tự do là : xoay theo trục z và x.

Hình 2.22 Bánh tự lựa trên thị trường
Bánh xe chủ động:
Hai bánh xe chủ động được gắn với 2 động cơ, chúng có thể điều khiển và chuyển
động độc lập với nhau để tạo ra các quỹ đạo đường đi khác nhau.
Vỏ của bánh xe làm bằng vật liệu tạo ma sát lớn giúp xe có thể chuyển động trên các
bề mặt trơn, nhẵn bóng như sàn gỗ, gạch hoa, …


2.23 Bánh xe chủ động
2.3.2 Hệ thống động học
2.3.2.1 Động cơ dùng cho di chuyển
Động cơ bước:
a) Giới thiệu

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các
loại động cơ điện thông thường.Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi
các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển
động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả năng cố định Rotor vào những
vị trí cần thiết.


Hình 2.24 Động cơ bước
Như hình 2.25 minh họa: bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp theo
cặp đối xứng qua tâm. Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng. Động cơ bước hoạt
động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường : các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác
dấu hút nhau. Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà từ trường này là do
dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên. Khi hướng của dòng thay đổi thì cực từ
trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo chiều).

Hình 2.25 : Bên trong động cơ bước


Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều
khiển vào Stator theo một thứ tự nhất định và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của
Rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của Rotor
phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây Stator
(phần ứng) của động cơ bước, thì Rotor (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất
định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Ở đây ta có thể định nghĩa về góc bước (Step
Angle) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định.
Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì Rotor sẽ
quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bước rời rạc).

Hình 2.26 :Cấu tạo của động cơ bước

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay thiết bị) số
(Digital Device) mà ở đó các thông tin được số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành


chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số
hoá mà máy tính yêu cầu.


Hình 2.27: Một xung tương ứng với một bước của rôto (1 xung – 1 bước)

Hình 2.28: Mô tả tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động cơ bước
b) Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước
Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước không có cuộn
dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, Rotor của động cơ bước
có thể được kích thích (Rotor tích cực) hoặc không được kích thích (Rotor thụ động).
Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực: