Nghiên cứu chế tạo robot tự hành sử dụng cảm biến siêu âm và ứng dụng vào làm sạch bề mặt

Nội dung text: Nghiên cứu chế tạo robot tự hành sử dụng cảm biến siêu âm và ứng dụng vào làm sạch bề mặt

1. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG VÀO LÀM SẠCH BỀ MẶT Lê Tấn Tài, Phan Trung Kiên, Lâm Minh Luân, Ngô Thành Lộc Viện Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: TS. Nguyễn Phụ Thượng Lưu TÓM TẮT Robot lau nhà đang được coi như là một công cụ hỗ trợ cho công việc nội trợ trong gia đình. Nó có thể làm sạch được bề mặt nhờ phương pháp sử dụng hệ thống khăn cuộn, được gắn liền với hai motor để quay tròn làm sạch bề mặt. Khăn này có thể dễ dàng được thay thế hoặc vệ sinh, không như một số robot trên thị trường chỉ dùng một miếng khăn nhỏ. Một chiếc vỏ bằng mica cứng có thể chống lại sự va đập không cần thiết và bên trong đó làm một cảm biến siêu âm giúp nhận dạng được không gian để tránh các vật cản. Tóm lại, cảm biến siêu âm giúp cho robot trở nên thân thiện hơn với các thiết bị trong gia đình và cơ cấu làm sạch được cải thiện hơn so với các robot sử dụng miếng khăn dán như trên thị trường. Từ khóa: Vật cản, Robot lau nhà, làm sạch bề mặt, hệ thống khăn cuộn, cảm biến siêu âm. 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay khối lượng công việc của các gia đình trẻ ngày càng lớn, họ không có nhiều thời gian dành cho việc lau, dọn nhà cửa. Vì thế robot lau nhà một lựa chọn không thể thiếu cho các gia đình. Tuy nhiên các chủng loại robot lau nhà hiện nay chỉ dùng các miếng lau bằng cách dán, làm cho robot trở nên thụ động hơn và làm gia chủ phải tốn thời gian để điều chỉnh miếng lau. Bên cạnh đó các robot còn va chạm với các vật dụng thì mới dừng lại trong khi đó cảm biến siêu âm có thể đo lường được khoảng cách làm cho robot có thể hiểu được và tránh né các vật cản. 1.2 Đặc tính Robot hoạt động trên cơ sở: Tự hành tránh vật cản làm sạch bề mặt. Robot làm sạch được một số không gian nhất định trong phòng. Làm sạch tương đối khô trên sàn nhà. Hạn chế lặp lại những nơi đã đi qua. 1.3 Đặc trưng Hạn chế gặp vật cản trong quá trình di chuyển. Tránh được các vật cản trong khi di chuyển. Hạn chế bỏ sót các khoảng trống trong nhà. 920
2. 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bài báo được nghiên cứu dựa theo các phương pháp sau đây: 2.1 Cơ sở lý thuyết của robot tự hành và cảm biến sóng âm Tìm hiểu về định nghĩa của robot tự hành trên các trang báo điện tử và các chi tiết cần có trong một robot tự hành. Nghiên cứu cách sử dụng, kết nối giữa các chi tiết với nhau. Tìm hiểu định nghĩa của cảm biến siêu âm và ứng dụng nó như thế nào, cách hoạt động ra sao, các mặt lợi ích cũng như bất lợi khi sử dụng. 2.2 Kế thừa sản phẩm có sẵn trên thị trường Sử dụng các robot có sẵn trên thị trường để phân tích cũng như dựa vào đó tối ưu hóa cho nghiên cứu, phân tích các kết cấu khung robot vì sao nó tròn hay vuông lựa chọn các mặt lợi ích tránh các mặt bất lợi từ việc rút ra kinh nghiệm của các robot có sẵn trên thị trường. 2.3Thử nghiệm từ kết quả thí nghiệm để hoàn thiện sản phẩm cuối cùng Kết quả của các thử nghiệm phản ánh chất lượng của sản phẩm, tập hợp những kinh nghiệm quý giá để hoàn thiện sản phẩm. Sản phẩm được điều chỉnh liên tục sao cho phù hợp nhất với nhu cầu người dùng. 3 THỰC NGHIỆM 3.1 Thiết kế kết cấu Thiết kế thân máy được thực hiện trên 3D Solidwork, phần mềm vẽ Catia. Chúng tôi có hình dạng tổng thể của khung cũng như kích thước tổng thể của khung robot. Khung của robot có nhiệm vụ nâng toàn bộ robot, mặt khác là hình dạng của robot. Theo yêu cầu kỹ thuật của kế hoạch thiết kế, kích thước như sau: 320 x 320 x 65 mm, làm tròn 4 góc với bán kính 45 mm. Khung robot đòi hỏi tính thẩm mỹ vì nó là hình dạng của robot. Khung robot được chọn hình tròn bởi nó tối ưu được không gian, mang tính thẩm mỹ cao, nhỏ, gọn cho người sử dụng, có thể chịu lực được cao hơn cũng như tối ưu hóa các chi tiết của robot. Do đó, trong quá trình thi công phần khung phải đảm bảo thiết kế theo kích thước và kiểu dáng. Tránh các lỗi trên là việc xây dựng kế hoạch thành công. Hình 1: Khung robot được thiết kế trên phần mềm 921
3. 3.2 Vật liệu Tấm mica là một loại nhựa dẻo, được dùng để thay thế thủy tinh có tên gọi phổ biến là Acrylic hay là mica. Tấm mica được biết đến như một loại chất liệu acrylic, tấm mica trong suốt thường được so sánh với thủy tinh (kính). Nó có tỷ trọng chỉ bằng ½ so với thủy tinh, và cho khoảng 98% ánh sáng xuyên qua nó (đối với mica có độ dày 3 mm). Nó bị đốt cháy ở 460 oC (860 oF). Các ưu điểm của mica trong việc làm khung robot: – Mica tính chất bóng đều óng ánh, bề mặt phẳng mịn, sáng bóng. – Có tính xuyên sáng tốt. – Màu sắc đa dạng. – Mica có đặc tính dẻo nên dễ dàng gia công lắp ghép, uốn, ép theo ý muốn. – Chịu được nhiệt độ cao, chống ăn mòn. – Không dẫn điện, nhiệt. – Không thấm nước. – Dễ dàng trong việc tạo hình sản phẩm. – Giá thành dễ tiếp cận. 3.3 Chọn động cơ Robot được trang bị hai động cơ 12V DC với mô-men xoắn lớn, kích thước nhỏ gọn, có hộp số giúp cho robot có thể chịu được tải trọng tốt cũng như cho ra tốc độ đạt được yêu cầu thiết kế ban đầu. Motor này cũng cho ra tiếng ồn ít hơn. Hình 2: Động cơ 12V Động cơ DC màu vàng này là lý tưởng cho khăn lau vì nó khá mạnh nên có thể tạo một lực đủ lớn để làm sạch các bề mặt, đạt dược chỉ tiêu theo yêu cầu của nghiên cứu. Hình 3: Động cơ DC 922
4. 3.4 Nguồn cấp cho robot Pin Lipo được chọn cho robot vì nó có dòng xả cao, khỏe, ổn định, bền bỉ, luôn được đánh giá là một trong những dòng pin tốt nhất. Hơn thế nữa, pin Lipo có dung lượng vô cùng tốt, nên giúp cho robot có thời gian sử dụng lâu hơn. Thông số kỹ thuật: – Dung lượng: 5200 mAh. – Dòng xả: 50c. – Áp 12V-3S. – Kích Thước: Dài 110 mm x Rộng 35 mm x Cao 25 mm – Khối Lượng: 190 g. Hình 4: Pin Lipo 12 V 3.5 Cảm biến Đầu dò siêu âm hoặc cảm biến siêu âm là một loại cảm biến âm thanh được chia thành ba loại chính: máy phát, máy thu và máy thu phát. Máy phát chuyển đổi tín hiệu điện thành siêu âm, máy thu chuyển đổi siêu âm thành tín hiệu điện và máy thu phát có thể vừa truyền và nhận siêu âm. Theo cách tương tự như radar và sonar, đầu dò siêu âm được sử dụng trong các hệ thống đánh giá mục tiêu bằng cách giải thích các tín hiệu phản xạ. Ví dụ, bằng cách đo thời gian giữa việc gửi tín hiệu và nhận tiếng vang, khoảng cách của một đối tượng có thể được tính toán. Cảm biến siêu âm thụ động về cơ bản là micro phát hiện tiếng ồn siêu âm có trong một số điều kiện nhất định. Hình 5: Cảm biến sóng siêu âm 923
5. 3.6 Vi mạch điều khiển Arduino UNO có thể sử dụng 3 bộ vi điều khiển 8 bit 8 bit: ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lý các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho các phương tiện từ xa, tạo trạm đo nhiệt độ và độ ẩm và hiển thị trên màn hình LCD, v.v. Hình 6: Arduino UNO R3 Bảng 1: Thông số kỹ thuật Đây là một lá chắn mở rộng có thể lái 4 động cơ servo, 2 động cơ DC và một động cơ bước. Tất cả những gì bạn cần làm là cắm tấm khiên vào bảng Uno hoặc Mega2560. Nó được cung cấp bởi hai nguồn - khi được kết nối với bảng điều khiển, nó được cung cấp bởi đầu ra của bảng; để lái một động cơ có dòng điện lớn, bạn có thể kết nối nguồn cung cấp bên ngoài cho Motor Driver Shield và bảng điều khiển. Có đèn LED trên điều khiển. Khi không sử dụng, bạn có thể tắt nguồn lá chắn bằng công tắc và nó sẽ không ảnh hưởng đến việc sử dụng bảng điều khiển. Điện áp làm việc là 6,5 V – 12 V. 924
6. Hình 7: Motor driver shield 3.7 Mạch điện Hình 8: Sơ đồ mạch điện 3.8 Lưu đồ thuật toán Hình 9: Lưu đồ thuật toán 3.9 Thành phẩm a) b) Hình 10: Robot thành phẩm: a) mặt dưới; b) mặt trên 925
7. 4 KẾT LUẬN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4.1 Phần kết luận Chủ đề đã nghiên cứu phương pháp điều khiển cũng như thiết kế và sản xuất robot tự hành dùng làm sạch bề mặt dựa trên nhu cầu thực tế, dùng cảm biến sóng âm giúp cho robot trở nên thông minh hơn và hạn chế sự va đập với các vật dụng trong nhà làm hư hại. Cơ cấu lau nhà hoạt động một cách hiệu quả khi làm sạch tốt các bề mặt, dễ dàng thay thế, giặt, dễ khô Mô hình được hoàn thành bao gồm thiết kế cơ khí, mạch điện tử và các chương trình điều khiển. Nghiên cứu và ứng dụng vi điều khiển thành công trong việc điều khiển làm sạch bề mặt. 4.2 Kết quả đạt yêu cầu – Hạn chế được sự va chạm của robot với vật dụng trong gia đình. – Giúp gia chủ thoải mái hơn khi không cần lo về việc làm sạch khăn và cung cấp nước cho khăn. – Robot có thể làm sạch được bề mặt. 4.3 Kết quả không đạt yêu cầu – Robot hạn chế hoạt động nhấp nhô. – Lặp lại khu vực làm việc. – Robot không thể tự sạc. – Tiếng ồn motor còn lớn. 4.4 Đề xuất Với các điều kiện thực tế, tôi muốn đề xuất một số hướng phát triển của chủ đề như sau: – Robot nên được nâng cấp để tự sạc nguồn khi cạn kiệt. – Robot cần phát triển thêm khả năng nhận dạng không gian. – Robot nên được trang bị cảm biến để tránh chướng ngại vật tốt hơn. – Robot nên được trang bị cảm biến bụi để hoạt động tốt hơn. – Cần được phát triển cơ cấu bơm dung dịch tự động. 5 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian 3 tháng thực hiện đề tài nghiên cứu của mình, tôi nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên từ gia đình, bạn bè và người thân, được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn để hoàn thành được luận văn nghiên cứu khoa học như hiện tại. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Phụ Thượng Lưu, người đã theo sát, tận tình chỉ bảo, định hướng, giải quyết những thắc mắc và gợi mở những vướng mắc cho nhóm hoàn thành được đề tài nghiên cứu này. 926
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wiruch Kongsin, Satapon Kirita (2012) Navigation Algorithm for Floor-Mopping Robot, International Conference on Advances in Computational Modeling and Simulation, Procedia Engineering 31 (2012) 874 – 878 (Link: [2] Harvey KoselkaBret A. WallachDavid Gollaher (2000), Vision Robotics Corp, Autonomous floor mopping apparatus (Link: [3] Prosensor, Nguyên lý và Ứng dụng Cảm biến Siêu âm (Link: va-ung-dung-cam-bien-sieu am/ ) [4] Roderick Burnett (2020), Understanding How Ultrasonic Sensors Work (Link: [5] Thính. TV. MSc. (2014) Ultra Sonic Sensor (Link: 37823/) 927