báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot lễ tân nhóm 24

báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot lễ tân. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài robot lễ tân

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường

Sinh viên thực hiện: Bạch Hải Hưng – 2020607010 Phạm Ngọc Bảo – 2019604353

Lớp: 20222ME6061002Khoa: Cơ khí – K15

Hà Nội–2023

Chương 1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế 6

1.1 Tổng quan về Robot lễ tân 6

1.1.1 Lợi ích của robot lễ tân 6

1.1.2 Một số ứng dụng và chức năng của Robot lễ tân 6

1.1.3 Nhu cầu thị trường 7

1.2 Thiết lập danh sách yêu cầu 11

Chương 2 Thiết kế sơ bộ 14

2.1 Xác định các vấn đề cơ bản 14

2.2 Thiết lập cấu trúc chức năng 17

2.2.1 Chức năng tổng thể 17

2.2.2 Các chức năng con 19

2.3 Phát triển cấu trúc làm việc 24

2.3.1 Giải pháp cho từng chức năng con 24

2.3.2 Kết hợp các nguyên tắc làm việc 26

2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc 26

Chương 3 Thiết kế cụ thể 28

3.1 Xây dựng các bước thiết kế cụ thể 28

3.1.1 Bắt đầu với giải pháp nguyên tắc và danh sách yêu cầu 28

3.1.2 Xác định các điều kiện biên hoặc không gian cưỡng bức 28

3.1.3 Nhóm chức năng 29

3.1.4 Bố trí hình học 30

3.1.5 Xác lập các layout thô – xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính 31

3.2 Thiết kế chi tiết 33

3.2.1 Thiết kế nhóm Điện – Điện tử 33

3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot lễ tân khách sạn 6

Hình 1.2 Tương tác với robot lễ tân 7

Hình 1.3 Robot lễ tân tại khách sạn Henn-na, Nhật Bản 8

Hình 1.4 Bellabot 9

Hình 1.5 Robot dẫn khách đến phòng khách sạn 10

Hình 1.6 Robot lễ tân AI pepper 10

Hình 1.7 LG CLOi Robot 11

Hình 2.1 Chức năng tổng thể Robot lễ tân 17

Hình 2.2 Cấu trúc chức năng Robot lễ tân 18

Hình 2.3 Chức năng điều khiển 19

Hình 2.4 Chức năng di chuyển của Robot lễ tân 19

Hình 3.13 Khung đáy robot lễ tân 41

Hình 3.14 Bản vẽ khung đáy robot 41

Hình 3.15 Bánh xe Mecanum 42

Hình 3.16 Bản vẽ bánh xe Mecanum 42

Hình 3.17 Mặt trước và sau khung bên sườn robot 43

Hình 3.18 Bản vẽ khung sườn bên Robot 43

Hình 3.19 Mặt trước và sau phần vỏ bên sườn 44

Bảng 2.2 Bảng điểm đánh giá cho các biến thể 26

Bảng 3.1 Bảng xác lập các phần layout thô 31

Bảng 3.2 Bảng thông số kỹ thuật Pin lithium 33

5

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 môi 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 công việctheo 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 lễ tân” 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

Qua quá trình thực hiện bài tập lớn này, chúng em hy vọng sẽ có được cái nhìn toàn diện về vai trò và tiềm năng của robot lễ tân trong ngành cơ điện tử Chúng em cũng mong muốn rằng bài tập lớn này sẽ đóng góp vào việc thảo luận và nâng cao nhận thức của chúng ta về sự phát triển và ứng dụng của công nghệ trong lĩnh vực này

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và hỗ trợ từ Giảng viên TS Nguyễn Văn Trường đã hướng dẫn và mong rằng bài tập lớn này sẽ mang lại những kiến thức bổ ích và trở thành một bước đệm cho sự phát triển của chúng em trong ngành cơ điện tử Em xin chân thành cảm ơn !

6

Chương 1 Phân tích nhiệm vụ thiết kế 1.1 Tổng quan về Robot lễ tân

1.1.1 Lợi ích của robot lễ tân

Hầu hết các tổ chức đều cần có nhân viên ở tuyến đầu chào hỏi khách hàng, đối tác, nhà cung cấp của họ hoặc bất kỳ ai khác đang ghé thăm cơ sở Ấn tượng đầu tiên là điều cần thiết, vì vậy những nhân viên lễ tân được đào tạo bài bản, thân thiện và dễ chịu là những thành viên chủ chốt của nhóm

Hình 1.1 Robot lễ tân khách sạn

Ngày nay việc sử dụng robot lễ tân đang ngày càng trở nên phổ biến Có một vài lý do cho xu hướng này Ở góc độ tài chính, chi phí triển khai công nghệ khách sạn đã rẻ hơn rất nhiều so với trước kia Điều này cho thấy rằng bất cứ loại khách sạn nào, thậm chí là rất nhỏ vẫn có thể tận dụng những lợi thế liên quan Tuy nhiên, chúng ta cũng cần lưu ý các yêu cầu của khách đang bắt đầu thay đổi

Nhờ kết nối không dây và sự hiện diện gần như khắp nơi của điện thoại thông minh, khách hàng mong đợi chất lượng dịch vụ nhiều hơn trong suốt thời gian lưu trú Điều này rõ ràng liên quan đến sự hiện diện của công nghệ ở một mức độ nhất định Robot lễ tân có thể mang lại lợi thế cạnh tranh, vì vậy các nhà quản lý có lý do để tận dụng cơ hội mà robot mang lại

1.1.2 Một số ứng dụng và chức năng của Robot lễ tân

Nhiều người có thể nghĩ rằng sự tiếp xúc của con người là cần thiết, nhưng trên thực tế, robot lễ tân khách sạn chiếm hơn 40% doanh số bán robot hình người Điều này là do chúng cực kỳ linh hoạt Một nhân viên lễ tân robot có thể thực hiện một loạt các nhiệm vụ, bao gồm:

7

− Chào hỏi du khách và hỏi họ về chuyến viếng thăm − Thông báo cho nhân viên rằng cuộc hẹn của họ đã đến − Dẫn khách đến đúng phòng hoặc tầng

Nhân viên lễ tân robot cũng có nhiều lợi ích trong môi trường an ninh cao hoặc nguy hiểm, nơi chúng có thể:

− Tự động tạo, cá nhân hóa và in thẻ khách

− Đưa ra các hướng dẫn an toàn chung quanh cơ sở

− Nêu các yêu cầu và vị trí của các thiết bị an toàn cần thiết − Phát video về sức khỏe và an toàn

Hình 1.2 Tương tác với robot lễ tân

1.1.3 Nhu cầu thị trường

Hiện nay, nhu cầu thị trường về robot lễ tân đang gia tăng do nhiều lợi ích mà chúng mang lại Dưới đây là một số yếu tố đã tạo ra sự tăng trưởng của thị trường này:

Tính năng tự động và hiệu suất: Robot lễ tân có khả năng tự động thực

hiện nhiều nhiệm vụ, như chào đón và hướng dẫn khách hàng, cung cấp thông tin, hỗ trợ trong việc đặt phòng hoặc đồng hành trong quá trình làm thủ tục đăng ký Điều này giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất làm việc

Giảm chi phí: Sử dụng robot lễ tân có thể giảm bớt chi phí nhân sự, đồng

thời loại bỏ các rủi ro liên quan đến sự chậm trễ hoặc sai sót từ con người Một lần mua robot lễ tân có thể lâu dài và tiết kiệm chi phí dài hạn

8

Trải nghiệm khách hàng tốt hơn: Robot lễ tân có thể tạo ra trải nghiệm độc

đáo và mới mẻ cho khách hàng Chúng có khả năng giao tiếp một cách tự nhiên và thân thiện, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết và hữu ích cho khách hàng

Cải thiện hình ảnh và định vị thương hiệu: Việc sử dụng robot lễ tân mang

tính tiên phong và hiện đại có thể giúp cải thiện hình ảnh của một khách sạn, công ty hoặc tổ chức Điều này đồng nghĩa với việc tăng cường sự đáng tin cậy và chuyên nghiệp của thương hiệu

Phù hợp với xu hướng công nghệ 4.0: Robot lễ tân phù hợp với xu hướng

công nghệ hiện đại và phát triển trong kỷ nguyên Công nghệ 4.0 Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tận dụng các ứng dụng của Trí tuệ nhân tạo (AI), Internet of Things (IoT) và tự động hóa để mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người dùng Nhờ những lợi ích mà robot lễ tân mang lại, nhu cầu sử dụng chúng đang gia tăng ở nhiều lĩnh vực, bao gồm khách sạn, nhà hàng, sân bay, bệnh viện, trung tâm thương mại và nhiều nơi khác Thị trường robot lễ tân có tiềm năng phát triển trong tương lai và thu hút sự quan tâm của các công ty công nghệ và khách hàng trên toàn thế giới

Robot lễ tân có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm:

1 Dựa trên hình dạng và ngoại hình:

Robot humanoid: Những robot này có hình dạng và tính chất tương tự như

con người, với khả năng di chuyển, cử động và giao tiếp một cách tự nhiên Chúng thường được thiết kế để tương tác trực tiếp với con người và có khả năng nhận diện khuôn mặt, giọng nói và cung cấp hỗ trợ thông qua giao tiếp ngôn ngữ

Hình 1.3 Robot lễ tân tại khách sạn Henn-na, Nhật Bản

Robot không humanoid: Bao gồm các robot có hình dạng và ngoại hình

khác nhau, không giống với con người Các thiết kế này có thể bao gồm robot có

9

hình dạng đáng yêu, động vật như chó robot, hoặc thiết bị di động như một đun trên bàn

mô-Hình 1.4 Bellabot

2 Dựa trên chức năng và nhiệm vụ:

Robot lễ tân chung: Loại robot này thường được sử dụng để chào đón khách

hàng, cung cấp thông tin và hướng dẫn về cơ sở vật chất, dịch vụ hoặc sự kiện

Robot lễ tân khách sạn: Được sử dụng trong ngành khách sạn để tiếp đón

khách, hướng dẫn đến phòng, cung cấp thông tin về dịch vụ và tiện ích của khách sạn

10

Hình 1.5 Robot dẫn khách đến phòng khách sạn

Robot lễ tân sân bay: Sử dụng tại các sân bay để hướng dẫn hành khách

đến cổng bay, cung cấp thông tin về chuyến bay và các dịch vụ sân bay khác

Robot lễ tân bệnh viện: Thường được sử dụng trong môi trường y tế để

hướng dẫn bệnh nhân đến các khu vực khác nhau trong bệnh viện, cung cấp thông tin về lịch trình khám và hỗ trợ tương tác với các nhân viên y tế

3 Dựa trên công nghệ và tính năng:

Robot lễ tân AI: Các robot được trang bị Trí tuệ nhân tạo (AI) để có khả

năng giao tiếp tự nhiên với con người, nhận diện giọng nói và cung cấp hỗ trợ thông qua xử lý ngôn ngữ tự nhiên

Hình 1.6 Robot lễ tân AI pepper

11

Robot lễ tân IoT: Các robot được kết nối với mạng Internet of Things (IoT),

cho phép chúng truyền tải và nhận thông tin từ các thiết bị và hệ thống khác nhau trong môi trường làm việc

Hình 1.7 LG CLOi Robot

1.2 Thiết lập danh sách yêu cầu

Thay đổi

D

Chịu trách nhiệm

D D D D

Kích thước:

− Chiều cao tổng thể: 100 – 150 cm − Tiết diện tối đa: 60 x 60 cm

− Khung robot chắc chắn, chịu được va đập − Trọng tâm thấp, dễ cân bằng

D D D D D D

Động học: − Động cơ:

• Tốc độ: 70 RPM – 100 RPM • Điện áp: 36V

• Công suất: 50 – 100W

- Bánh xe:

• Đường kính: 100 mm – 150 mm • Độ dày bánh: 30 mm – 60mm

− Dẫn động:

• Truyền trực tiếp từ động cơ

12

W

W • Truyền đai • Truyền xích

W D

Trọng lượng:

− Trọng lượng tổng thể robot: 10 – 20 kg − Trọng lượng có thể tải: tối đa 20kg

D D D D

D D D D D D

Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện:

− Chống ngắn mạch động cơ − Ngắt điện khi động cơ quá tải − Có thiết bị chống đảo pha

− Đèn báo dung lượng pin

Kiểm soát quá tải:

− Có thiết bị cảnh báo quá tải

− Ngăn không cho máy hoặt động khi quá tải

D D W W D D D

Trang bị công nghệ:

− Hệ điều hành: Android/Windows/ ROS/Linux

− Màn hình hiển thị − Đo nhiệt độ, độ ẩm

− Tương tác bằng giọng nói, cử chỉ − Có khả năng điều hướng và định vị − Trang bị camera

− Tự động sạc pin

13

D D D W D D

Tín hiệu điều khiển: Đầu vào:

− Kết nối wifi

− Kết nối 3G/4G/5G − Kết nối Bluetooth − Giọng nói

Đầu ra:

- Tín hiệu cảnh báo - Loa phát thanh

D D D D D D

An toàn:

− Bo các cạnh sắc nhọn để không gây nguy hiểm

− Có hệ thống dừng khẩn cấp − Cảnh báo va chạm

− Cảnh báo cháy − Chống trơn trượt

− In các cảnh báo trên robot

D D

Công thái học

− Thân thiện với người dùng − Dễ dàng thao tác và điều khiển

D W D

Giá thành:

− Giá thành vật liệu và chi phí gia công hợp lí − Chi phí hoàn thành: 60-100 triệu VNĐ

D D

Sản xuất:

− Dễ dàng thay thế, lắp ráp các thành phần vào mạch

− Kết nối các bộ phận cơ khí, điện chắc chắn, an toàn

D D W

Ứng dụng:

− Phục vụ nhà hàng

− Cung cấp thông tin và hỗ trợ khách hàng − Bưng bê đồ ăn, nước uống

14

W W D

− Dọn dẹp đĩa từ bàn ăn − Chào hỏi và tiếp khách − Phát sóng quảng cáo

D D D D D

Các thành phần khác: Thẩm mĩ:

− Thiết kế gọn gàn, đẹp mắt − Màu sắc phù hợp

❖ Thiết bị điện:

− Động cơ: >50W, sử dụng điện một chiều

− Màn hình hiển thị: Màn LCD cảm ứng, kích thước >10inch − Hệ thống đèn: Đèn LED >5W

− Bộ điều khiển từ xa qua laptop, điện thoại,… − Bộ điều hướng

❖ Nguồn điện:

− Nguồn sạc: 220V/50Hz

− Nguồn dự trữ: Pin 12v, sử dụng liên tục 5-6 giờ − Thời gian sạc đầy: 2 – 3 giờ

15 − Bộ điều chỉnh điện áp

❖ Hệ thống cảm biến:

− Cảm biến tiếp xúc − Cảm biến vị trí

− Cảm biến khoảng cách − Cảm biến nhiệt độ − Cảm biến điều khiển

+ Hiển thị lên LCD + Tín hiệu điện + Loa thông báo

❖ Vận hành:

− Có sách hướng dẫn sử dụng − Khay để đồ đặt và lấy thuận tiện − Dễ dàng vệ sinh, bảo dưỡng − Khối lượng tải: <30kg

Giai đoạn 2: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành các tuyên bố thiết yếu

❖ Kích thước:

− Kích thước tổng thể − Trọng lượng

− Kích thước khay chứa đồ

❖ Thiết bị điện:

− Động cơ một chiều công suất thấp − Màn hình cảm ứng kích thước nhỏ − Hệ thống đèn LED

❖ Khay chứa đồ phục vụ:

16 − Kích thước nhỏ hơn tiết diện đáy − Chất liệu bền, nhẹ

❖ Bộ điều khiển:

− Bộ điều khiển chạm (cảm ứng) − Bộ điều khiển giọng nói

− Bộ điều khiển từ xa qua laptop, điện thoại,… − Bộ điều hướng

❖ Nguồn điện:

− Nguồn sạc: điện lưới Việt Nam sử dụng − Nguồn dự trữ

− Bộ điều chỉnh điện áp − Thời gian sạc nhanh

❖ Hệ thống cảm biến:

− Cảm biến tiếp xúc − Cảm biến vị trí

− Cảm biến khoảng cách − Cảm biến nhiệt độ − Cảm biến điều khiển

+ Hiển thị lên LCD + Tín hiệu điện + Loa thông báo

❖ Vận hành:

− Có sách hướng dẫn sử dụng − Khay để đồ đặt và lấy thuận tiện − Dễ dàng vệ sinh, bảo dưỡng − Khối lượng tải nhẹ

17

Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước

− Kích thước − Thiết bị điện − Bộ điều khiển − Nguồn điện

− Hệ thống cảm biến − Tín hiệu

− Vận hành − Bảo hành − An toàn

Giai đoạn 4: Hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập về giải pháp

Thiết kế Robot lễ tân phục vụ nhà hàng, khách sạn

2.2 Thiết lập cấu trúc chức năng 2.2.1 Chức năng tổng thể

Khái quát chức năng tổng thể của Robot lễ tân

Hình 2.1 Chức năng tổng thể Robot lễ tân

Cấu trúc chức năng của Robot lễ tân

18

Hình 2.2 Cấu trúc chức năng Robot lễ tân

Ghi chú:

19

2.2.2 Các chức năng con 1 Điều khiển Robot

Hình 2.3 Chức năng điều khiển

2 Chức năng di chuyển

Hình 2.4 Chức năng di chuyển của Robot lễ tân

3 Chức năng cung câp điện

21

8 Kiểm soát quá tải

Hình 2.10 Kiểm soát quá tải

9 Kiểm soát vị trí

Hình 2.11 Kiểm soát vị trí

24

2.3 Phát triển cấu trúc làm việc

2.3.1 Giải pháp cho từng chức năng con

Bảng 2.1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng

Sạc dây cắm

3 Thời gian sử dụng Dưới 5h 5h – 8h Trên 8h

4

Bảo vệ hệ thống điện

Chống ngắn mạch

Cầu chì Mạch bảo vệ Aptomat

5 Ngắt khi quá tải Cầu chì Relay Aptomat

6

Ổn định điện áp

Mạch ổn áp tuyến tính

Mạch ổn áp sử dụng vi điều khiển

Mạch ổn áp chuyển đổi

7

Điều chỉnh tốc độ di chuyển

Mạch PWM Bộ điều khiển PID

Mạch điện tử

8

Chuyển đổi điện - cơ Động cơ DC có hộp giảm tốc

Động cơ DC không chổi than

Động cơ bước

9 Di chuyển

Tránh vật cản Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến tiệm cận

Cảm biến siêu âm

25 10

Di chuyển đến vị trí xác định

11

Bánh xe di chuyển

Bánh xe thường

Bánh xe đa hướng

12 Xử lý và điều khiển STM32 ESP Raspberry Pi

13

Tương tác khách hàng

Nhận diện khách hàng

Nhận diện khuôn mặt

Thẻ khách Mã khách hàng

14 Xác định yêu cầu Giọng nói Nhập liệu Cảm biến

15

LCD

Màn hình LED

Màn hình cảm ứng

Đồ ăn, nước uống

Khay chứa đồ Thùng chứa Đẩy xe

18

Chỉ dẫn Hiển thị, thông báo gợi ý

Dẫn đường

19

Vật liệu thân vỏ

26

2.3.2 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 2.1 Cụ thể những nguyên tắc được đặt ký hiệu cùng màu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng 2.1 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)

Biến thể 1: 1.1 – 2.2 – 3.2 – 4.2 – 5.2 – 6.1 – 7.2 – 8.1 – 9.3 – 10.1 – 11.2 – 12.3 – 13.1 – 14.2 – 15.3 – 16.1 – 17.1 – 18.1 – 19.3 – 20.1; Biến thể 2: 1.2 – 2.2 – 3.2 – 4.2 – 5.1 – 6.3 – 7.1 – 8.3 – 9.2 – 10.2 – 11.2 –

12.2 – 13.3 – 14.1 – 15.2 – 16.2 – 17.1 – 18.2 – 19.1 – 20.1; Biến thể 3: 1.2 – 2.1 – 3.3 – 4.1 – 5.1 – 6.3 – 7.3 – 8.2 – 9.1 – 10.3 – 11.1 –

12.1 – 13.2 – 14.3 – 15.1 – 16.1 – 17.2 – 18.1 – 19.2 – 20.3;

2.4 Lựa chọn cấu trúc làm việc

Bảng 2.2 Bảng điểm đánh giá cho các biến thể

Điểm tiêu

chí

Điểm đánh giá Biến

thể 1

Biến thể 2

Biến thể 3

1

Hệ thống điện an toàn, ổn định; Thời gian sử dụng nguồn cho Robot đủ lâu; Sạc điện dễ dàng, linh hoạt [0.15]

Cấp nguồn

Sạc điện 0.02 0.01 0.005 0.005 Nguồn điện 0.03 0.01 0.01 0.01 Thời gian sử

dụng

0.05 0.015 0.015 0.02

Bảo vệ hệ thống điện

Chống ngắn mạch

Điều chỉnh tốc độ di

0.025 0.015

0.01 Chuyển đổi điện - cơ 0.01

0.005 0.002 0.003 Tránh vật cản 0.05 0.02 0.01 0.02