Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và điều khiển robot cắt cỏ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và điều khiển robot cắt cỏ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CHÁNH TÍN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CẮT CỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ- 605204 S KC 0 0 4 1 8 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CHÁNH TÍN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CẮT CỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ- 60 52 04 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 / 2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CHÁNH TÍN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CẮT CỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60 52 04 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 /2013
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN CHÁNH TÍN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19 - 04 - 1982 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Quãng Trị Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Khoa Cơ khí, Trƣờng Cao Đẳng Công Thƣơng Thành Phố Hồ Chí Minh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: ấp Hàng Gòn, TX. Long Khánh, Tỉnh Đồng Nai Điện thoại cơ quan: (+848) 37313631 Điện thoại nhà riêng: Fax: (+848) 38978501 E-mail: dohoakythuatnct@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10/2000 đến 10/2003 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Cao Đẳng Công Nghiệp IV, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ Chế tạo máy 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10/2007 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ Chế tạo máy Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Biên soạn bài giảng điện tử cho môn dung sai kỹ thuật đo Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 08/2007, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S Trần Quốc Hùng 3. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh; mức độ: trung bình i
5. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm - Công Ty TNHH Everyoung (Việt Nam) Kỹ sƣ thiết kế cơ khí 2007 – 2008- Công Ty TNHH Kurabe Industrial (Việt Nam) Quản lý sản xuất Trƣờng Cao đẳng Công thƣơng Thành Phố 2008 - 2013 Giảng viên Hồ Chí Minh XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 01 tháng 10 năm 2013 (Ký tên, đóng dấu) Ngƣời khai ký tên i
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
7. CẢM TẠ Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng của bản thân còn có sự giúp đỡ của bạn bè, thầy, cô Qua đây, em xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, thầy, cô đã đồng hành, giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trên con đƣờng hoàn thiện bản thân. Xin chân thành cảm ơn đến ban giám hiệu Trƣờng Cao đẳng Công thƣơng Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp cho em hoàn thành tốt công tác tại nơi làm việc. Xin chân thành cảm ơn đến quý thầy, cô Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình dạy bảo để giúp em nâng cao kiến thức chuyên môn, Xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Phƣơng, TS. Cái Việt Anh Dũng đã tận tình hƣớng dẫn, tƣ vấn và giúp đỡ em thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! iii
8. TÓM TẮT Khoa học - kỹ thuật và công nghệ phát triển nhằm mục đích giúp cho cuộc sống của con ngƣời tốt hơn. Việc giải phóng sức lao động của con ngƣời trong các môi trƣờng làm việc khó khăn là vấn đề cần thiết. Công việc cắt cỏ là một trong những công việc có môi trƣờng làm việc khó khăn, nguy hiểm và lặp đi lại lặp lại, ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe của con ngƣời. Luận văn đƣợc thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và điều khiển RBCC (RBCC). RBCC đƣợc thiết kế với bộ phân cắt của robot đƣợc dẫn động bằng động cơ đốt trong. RBCC di chuyển với hai bánh chủ động phía sau, đƣợc dẫn động bằng hai động cơ điện DC 24V,hai bánh tự lựa phía trƣớc. Robot đƣợc dẫn hƣớng bằng cảm biến la bàn. Vùng hoạt động của robot bị giới hạn bởi dây điện phát ra điện trƣờng và đƣợc phát hiện bởi cảm biến điện trƣờng. Kết quả đạt đƣợc của đề tài là tỷ lệ diện tích cỏ Robot đã cắt đƣợc đạt yêu cầu kỹ thuật từ 60% - 85%. Chúng tôi hy vọng rằng thành quả nghiên cứu này sẽ góp phần cho các nghiên cứu khác sau này về RBCC đƣợc hoàn thiện hơn. iv
9. ABSTRACT Science and technology developments aim at helping people live better lives. The deliverance of human’s labour power from difficult working environment is necessary issues. The grass cutting is one of the difficult and unsafe works which has dangerous working conditions,frequently repeated and directly affects to human health. The purpose of thesis is study, design, manufacture and control of a robotic lawn mower (RLM). TheRLM cuttingmechanism is actuated/transmittedby a built- in internal combustion engine. The RLMis drivingby two rear wheels which are powered by two 24V DC motors, two passive wheels are installed in the front of. The direction of RLM is controlled by a compass sensor. The working boundary of the robot is limited by the power cord and the robot is detected by magnetic sensors. The result of thesis is Robot lawn has been cut area from 60% - 85%. We hope that the results from this study will contribute to the future studies of the lawn mower robot so that the value of the related researches can be more completed. iv
10. MỤC LỤC Trang tựa Trang Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Nhu cầu cắt cỏ 1 1.2 Nghiên cứu trong nƣớc 3 1.3 Nghiên cứu nƣớc ngoài 3 1.4 Mục đích nghiên cứu đề tài 4 1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 5 1.6 Giới hạn của đề tài 5 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu 6 Chƣơng 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 7 2.1 Quy trình cắt cỏ tại Việt Nam 7 2.2 Thiết kế hệ thống cho Robot 8 2.2.1 Phân tích, chọn dạng di chuyển 8 2.2.2 Phân tích chọn kết cấu chung của RBCC 10 2.2.3 Sơ đồ động của RBCC 11 2.3 Thiết kế bộ phận cắt 12 2.4 Thiết kế bộ phận thu gom 13 2.5 Thiết kế bộ phận khung đế 15 2.5.1 Cấu trúc tổng quát 15 2.5.2 Bánh truyền động 15 2.5.3 Thiết kế khung 18 2.6 Thiết kế bộ phận thay đổi chiều cao cắt 21 Chƣơng 3 ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC, TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG VÀ QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN 22 3.1 Động học cho Robot 22 3.2 Động lực học cho Robot 24 3.3 Tính toán động cơ truyền động 27 v
11. 3.4 Quỹ đạo chuyển động 29 Chƣơng 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN 30 4.1 Giới thiệu hệ thống điện 30 4.2 Các thiết bị trong hệ thống điện 31 4.2.1 Tính toán dung lƣợng điện ắc quy cho động cơ điện truyền động 31 4.2.2 Vi điều khiển 32 4.2.3 Mạch công suất 32 4.2.4 Các thiết bị cảm biến và bố trí lắp đặt 33 4.3 Kết quả các thiết bị trong hệ thống điện 37 4.4 Giới thiệu về điều khiển 38 4.5 Điều khiển quỹ đạo cắt 39 4.6 Điều khiển tốc độ cắt 39 4.7 Lập trình điều khiển RBCC 40 Chƣơng 5 CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 43 5.1 Chế tạo cơ khí 43 5.2 Chế tạo hệ thống điều khiển 43 5.3 Thực nghiệm 44 5.4 Kết quả thực nghiệm 45 5.4.1 Cơ khí 45 5.4.2 Thực nghiệm Robot chạy thẳng 45 5.4.3 Thực nghiệm Robot chuyển hƣớng 46 5.4.4 Chất lƣợng cỏ 47 5.4.5 Thời gian cắt và nhân công 49 5.4.6 Thực nghiệm hiệu suất cắt 49 Chƣơng 6 KẾT LUẬN 50 v
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1:Cỏ nền trong hình phối cảnh tòa nhà trung tâm trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 1 Hình 1.2: Các dạng máy cắt cỏ do ngƣời điều khiển 2 Hình 1.3: Robot cắt cỏ công ty Kyodo America [26] 3 Hình 2.1: Ngƣời lao động đang cắt và thu gom cỏ 7 Hình 2.2: Quy trình cắt cỏ 8 Hình 2.3: Hai dạng chuyển động của robot tự hành 9 Hình 2.4:Cấu trúc tổng quát của RBCC 10 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RBCC 12 Hình 2.6: Hình dạng của dao cắt 13 Hình 2.7:Cụm thu gom 14 Hình 2.8: Chuyển động có hƣớng của cỏ khi bị dao cắt 14 Hình 2.10: Các dạng bố trí bánh xe di chuyển 16 Hình 2.11: Bánh xe sử dụng cho RBCC 18 Hình 2.12:Thiết kế kết cấu của khung 19 Hình 2.13:Thiết kế kết cấu của khung 19 Hình 2.14:Kết quả phân tích tải trọng tác động lên khung 20 Hình 2.15: Kết cấu và hình dáng của bộ phậnthay đổi chiều cao cắt 21 Hình 3.1: Mô hình động học của RBCC 22 Hình 3.2:Hệ lực tác động lên RBCC 28 Hình 3.3: Giải pháp về quỹ đạo di chuyển 29 Hình 4.1:Hệ thống điện trong RBCC 30 Hình 4.2:Sơ đồ nguyên lý của mạch công suất 33 Hình 4.3:Tổng thể khu vực RBCC thực hiện quá trình cắt cỏ 34 Hình 4.4:Hệ thống cảm biến của RBCC 35 Hình 4.5: Vị trí của cảm biến điện trƣờng trên RBCC. 36 Hình 4.6:Cấu tạo của Encoder 37 vii
13. Hình 4.7:Sơ đồ khối thể hiện sự truyền dữ liệu giữa các thiết bị trong hệ thống điện của RBCC. 38 Hình 4.8:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hƣớng di chuyển 39 Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ 40 Hình 4.10: Lƣu đồ giải thuật điều khiển 42 Hình 5.1: Kết quả thiết kế và chế tạo cơ khí 43 Hình 5.2: Bộ cảm biến dây 43 Hình 5.3: Các bo mạch trong bộ điều khiển 44 Hình 5.4: Kết quả thực nghiệm của RBCC 44 Hình 5.5: Quỹ đạo lý thuyết và thực tế của Robot 45 Hình 5.6:Biểu đồ giá trị trả về của la bàn theo thời gian khi đi thẳng 46 Hình 5.7:Đồ thị về góc lệch khi chuyển hƣớng 47 Hình 5.8:Đồ thị hiệu suất cắt theo số lần thực nghiệm 49 vii
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 5.1:Thông số kỹ thuâṭ của Robot cắt cỏ đã thiết kế 45 vii
15. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Nhu cầu cắt cỏ Nhu cầu đƣơc̣ sống và làm viêc̣ trong không gian thiên nhiên là nhu cầu cần thiết đối với cuộc sống của con ngƣời ngày nay . Nhƣ̃ng công trình tiêṇ nghi hiêṇ đaị, bề thế , tọa lạc trên một cảnh quan thiên nhiên tạo nên một nét đẹp hài hòa về măṭ kiến trúc , thân thiêṇ với môi trƣờng , giúp cho con ngƣời luôn có cảm giác thoải mái, mát mẻ, trong lành trong đời sống của mình. Nhu cầu có môṭ c ảnh quan thiên nhiên bên các công trình kiến trúc rôṇ g lớn nhƣ trƣờng hoc̣ , công viên, nhà ở đối với thế giới không còn mới lạ . Tuy nhiên, đối với Viêṭ Nam đây là v ấn đề đang đƣợc quan tâm, đặc biệt là ở các khu công nghiêp̣ , khu đô thi,̣ thành phố. Hiêṇ nay, Viêṭ Nam có nhiều công ty cây xanh , cơ sở hoa kiểng cây cảnh đƣơc̣ thành lâp̣ để phuc̣ vu ̣cho nhu cầu t ạo mỹ quan đẹp, trong lành ngày càng tăng . Các công trình công côṇ g nhƣ đƣờng xá , trƣờng hoc̣ , công viên, bêṇ h viêṇ đều có các công trình cây xanh bên caṇ h . Trong không gian thiên nhiên ấy diêṇ tích chiếm chủ yếu là cỏ làm nền , cỏ nền chiếm một không gian lớn của công trình cây xanh, chúng góp phần chủ yếu vào mỹ quan chung của cơ sở hạ tầng (Hình 1.1). Hình 1.1:Cỏ nền trong hình phối cảnh tòa nhà trung tâm trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 1
16. Chiếm một diện tích lớn trên toàn bộ công trình nên viêc̣ chăm sóc cỏ đ ể giữ đƣợc nét đẹp và sức sống của cỏ là rất quan trọng từ việc trồng, bón phân, tƣới nƣớc cho đến việc cắt tỉa. Công việc này mất nhiều thời gian và nhân công . So với các cây cảnh khác cỏ nền chiếm một diện tích lớn, bên cạnh đó tốc độ sinh trƣởng của cỏ lại nhanh nên việc cắt tỉa đƣợc tổ chức thƣờng xuyên khoảng 1 tháng một lần [24]. Đối với các công trình công cộng lớn phải cần nhiều lao động để thực hiện việc cắt cỏ, bên cạnh đó công việc cắt cỏ hầu hết diễn ra ngoài trời nên ảnh hƣởng nhiều đến sức khỏe của ngƣời lao động. Hiện nay hầu hết các công ty cây xanh việc cắt cỏ nền đƣợc thực hiện bằng các máy phát cỏ cầm tay (Hình 1.2a), máy cắt cỏ đẩy tay ( Hình 1.2b) do ngƣời lao động trực tiếp sử dụng. a. Cắt cỏ bằng máy cắt cầm tay b. Cắt cỏ bằng máy cắt đẩy tay Hình 1.2: Các dạng máy cắt cỏ do ngƣời điều khiển Việc dùng các máy móc để cắt cỏ đã giảm đi rất nhiều công sức của ngƣời lao động so với phƣơng pháp cắt cỏ bằng tay. Tuy nhiên, công việc này đƣợc thực hiện nhiều lần, lặp đi lặp lại, không gian làm việc ngoài trời, vẫn còn sử dụng nhiều lao động là con ngƣời. Đồng thời, máy cắt cỏ tạo ra nhiều tác hại trực tiếp lên ngƣời lao động nhƣ tiếng ồn, độ rung, nhiệt độ, khí thải làm cho chất lƣợng sống của ngƣời lao động suy giảm, là nguyên nhân của nhiều căn bệnh tiềm ẩn về lâu dài. Việc hạn chế lao động làm việc ngoài trời là cần thiết để ngƣời lao động không còn làm việc trong môi trƣờng khó khăn, ảnh hƣởng xấu đến sức khỏe của con ngƣời. Vì vậy việc thiết kế RBCCcó thể thay thế con ngƣời là một nhu cầu cần thiết. 2
17. 1.2 Nghiên cứu trong nƣớc Mặc dù nhu cầu về cắt cỏ nền đối với nƣớc ta là rất cần thiết, công việc cắt cỏ chủ yếu bằng các máy móc cần con ngƣời trực tiếp vận hành. Cho đến nay, từ những thông tin thu thập qua các tạp chí khoa học và công nghệ, nguồn thông tin cấp thành phố, cấp nhà nƣớc, việc cắt cỏ hầu hết hiện nay là sử dụng máy cắt cỏ cầm tay, máy cắt cỏ đẩy tay chƣa có máy móc nào thay thế ngƣời lao động, ngƣời lao động vẫn cắt bằng tay hoặc các máy cắt cỏ đƣợc cải tiến sử dụng điện để giảm bớt tiếng ồn và rung động tác động lên ngƣời lao động. Nghiên cƣ́ u trong nƣớc về RBCC vẫn chƣa có. Hiện nay, một dự án nghiên cứu về RBCC cũng đang bƣớc đầu đƣợc nghiên cứu thực hiện do TS. Cái Việt Anh Dũng công tác tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh thực hiện. 1.3 Nghiên cứu nƣớc ngoài Đối với nƣớc ngoài , đề tài về máy cắt cỏ là đ ề tài không mới, máy cắt cỏ đã đƣợc nghiên cứu nhiều, qua thời gian đã cải tiến với nhiều mẫu mã, chủng loại và đƣợc thƣơng mại hóa. Tuy nhiên, những nghiên cứu về Robot cắt cỏ thì vẫn còn nhiều hạn chế. Hình 1.3: Robot cắt cỏ công ty Kyodo America [26] RBCC của nhà sáng chế Fabrizio Bernini [14], sáng chế này đã đƣợc sản xuất bởi công ty Kyodo America (Hình 1.3) Robot hoạt động dựa vào năng lƣợng từ Pin 12 V - 24 V. Lƣỡi cắt đƣợc lắp trực tiếp vào động cơ điện, chuyển động cắt xoay tròn, không có máng thu gom nên cỏ phần cỏ bị cắt không thoát ra ngoài mà bị cắt thành nhiều mãnh rơi xuống thảm cỏ đã cắt làm cản trở sự sinh trƣởng của cỏ. Robot di chuyển bằng 4 bánh truyền động nên tính cơ động của Robot thấp khi rẽ trái phải. Kết cấu của Robot nhỏ, gầm Robot thấp nên lực cản gây ra trên Robot 3
18. lớn làm hạn chế sự chuyển động và tiêu hao năng lƣợng. Hƣớng di chuyển đƣợc xác định dựa vào độ cao của cỏ đã cắt và chƣa cắt nhờ vào các cảm biến đƣợc đặt dƣới thân Robot. Tuy nhiên, khi cắt, cỏ nằm khắp nơi nên dễ làm cho Robot không xác định đƣợc hƣớng đi. Robot đƣợc thiết kế với công suất nhỏ nên phù hợp với nhu cầu hộ gia đình và thảm cỏ có mật độ và chiều cao cỏ thấp. RBCC của nhà sáng chế Thomas M. Messina [17] đƣợc thiết kế sử dụng năng lƣợng từ bộ nguồn pin. Robot di chuyển bằng hai bánh truyền động phía sau và hai bánh tự lựa phía trƣớc, tuy nhiên bốn bánh không có cơ cấu đảm bảo bốn bánh tiếp xúc với nền làm cho Robot khó di chuyển. Lƣỡi dao cắt của Robot xoay tròn dạng thanh đƣợc lắp trực tiếp vào động cơ phía dƣới thân Robot. Robot có kết cấu nhỏ, Robot đƣợc thiết kế với công suất nhỏ nên khó di chuyển, phù hợp với nhu cầu hộ gia đình và thảm cỏ có mật độ và chiều cao cỏ thấp. RBCC của nhà sáng chế Raymond J. Rafaels [20] đƣợc thiết kế với hai bánh truyền động phía sau và hai bánh tự lựa phía trƣớc, tuy nhiên bốn bánh không có cơ cấu đảm bảo bốn bánh tiếp xúc với nền làm cho Robot khó di chuyển. Năng lƣợng cắt và di chuyển sử dụng nguồn điện DC từ pin. Lƣỡi dao cắt nhỏ đƣợc lắp vào cán dao xoay tròn nhờ vào bộ truyền đai. Với thiết kế này, việc cắt cỏ dễ bị xót lại nếu tốc độ dao cắt và tốc độ di chuyển của Robot không hợp lý và mỗi lần Robot đi qua thì cỏ sẽ bị lƣỡi cắt chỉ đi qua hai lần. Robot di chuyển nhờ vào hệ thống dẫn hƣớng bằng phƣơng pháp sự ngăn cản tia hồng ngoại của cỏ ngăn quá trình truyền nhận giữa đầu phát và đầu thu. Với thiết kế này, hệ thống dẫn hƣớng rất đẽ bị cỏ đã cắt chắn lại tia hồng ngoại vì trong quá trình cắt cỏ năm khắp nơi, có khi vƣớng vào đầu phát và thu nên việc điều khiển hƣớng đi bằng phƣơng pháp này khó đạt đƣợc độ chính xác. 1.4 Mục đích nghiên cứu đề tài Với Việt Nam, nhu cầu về RBCC rất cần thiết, chƣa có nghiên cứu nào về RBCC. Đối với nƣớc ngoài, các kết quả nghiên cứu của nƣớc ngoài vẫn còn hạn chế. Kích thƣớc Robot nhỏ nên chỉ phục vụ đƣợc cho nhu cầu cắt các loại cỏ có kích thƣớc và độ cao thấp, đối với cỏ có mật độ dày, rậm rạp thì việc di chuyển của 4
19. Robot khó khăn; Kết cấu cơ khí chƣa đảm bảo tốt cho khả năng di chuyển của Robot, trọng lƣợng thấp nên Robot dễ dàng bị đổi hƣớng do tác động của các ngoại lực trong quá trình hoạt động; Một số Robot không có bộ phận thu gom nên khi cỏ cắt xong làm giảm sự sinh trƣởng của cỏ; Công suất còn thấp nên không thể cắt ở những nơi nhƣ công viên, trƣờng học, công sở Đề tài đƣợc thực hiện với mục đích nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và điều khiển RBCC nhằm thay thế con ngƣời thực hiện công việc cắt cỏ, khắc phục các hạn chế về kích thƣớc, công suất cắt, giải pháp dẫn hƣớng của các đề tài đã nghiên cứu, góp phần vào việc nghiên cứu RBCC để đáp ứng nhu cầu trong nƣớc. 1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Để thực hiện đƣợc mục đích của đề tài, RBCC cần phải đƣợc nghiên cứu và thiết kế các bộ phận cơ khí để thực hiện đƣợc các chức năng mà ngƣời lao động cắt cỏ thực hiện. Đây chính là các cơ cấu chấp hành thực hiện các công việc nhƣ cắt cỏ, thu gom thay thế con ngƣời. Khi thiết kế cơ khí đã hoàn thành, RBCC cần đƣợc nghiên cứu hệ thống điện và điều khiển. Trong nhiệm vụ này, cần đƣa ra đƣợc phƣơng án giới hạn vùng cỏ cắt, đƣa ra đƣợc phƣơng án xác định hƣớng di chuyển và xử lý để dẫn hƣớng cho Robot di chuyển theo một quỹ đạo, khi đó Robot mới có thể cắt hết diện tích bên trong vùng giới hạn. Sau khi hoàn thành thiết kế phần cơ khí và phần điều khiển ta cần tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng kết quả đã thiết kết, từ đó có cơ sở để đánh giá mức độ đạt đƣợc của mục đích đề tài. 1.6 Giới hạn của đề tài Việc cắt cỏ đƣợc thực hiện với nhiều mục đích và điều kiện làm việc khác nhau nhƣ: cắt cỏ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, cắt cỏ phục vụ cho việc tạo thành mỹ quan môi trƣờng, cho các khu vui chơi, thể thao , cắt cỏ trong môi trƣờng ẩm ƣớt, khô ráo, đồi dốc Bƣớc đầu nghiên cứu nên đề tài không nghiên cứu để Robot thực hiện hết tất cả yêu cầu làm việc mà giới hạn đề tài nghiên cứu là RBCCđƣợc thiết kế để phục vụ cho việc cắt cỏ nền, trong môi trƣờng khô ráo, bằng phẳng, không có các chƣớng ngại vật trong vùng cắt cỏ. 5
20. Qua các tài liệu, kinh nghiệm của các công ty chăm sóc cây cảnh [24], công việc xén, tỉa cỏ nền là công việc cần thiết và định kỳ để duy trì một thảm cỏ bền đẹp, có sức sống tốt. Thời gian cắt xén cỏ tùy thuộc vào từng loại cỏ, thời tiết, với những loại cỏ có tốc độ sinh trƣởng nhanh thì thời gian cắt khoảng 10 – 15 ngày cắt một lần, với những loại cỏ có tốc độ sinh trƣởng chậm thì thời gian cắt khoảng 20 – 45 ngày cắt một lần. Tùy theo mục đích sử dụng và sức sống của cỏ tại thời điểm cắt mà chiều cao cắt khác nhau. Ví dụ thảm cỏ sân golf chiều cao cỏ 1 – 2 cm, cỏ trên sân bóng 2 – 3 cm, cỏ công viên 3 – 4 cm. Robot đƣợc chế tạo giới hạn chiều cao cắt từ 10 – 80 mm. Theo quan sát, kinh nghiệm của ngƣời thực hiện cắt cỏ khi sử dụng máy cắt cỏ đẩy tay, tốc độ di chuyển tối đa 20 – 30 m/phút. Trong đề tài RBCC đƣợc thiết kế với tốc độ tối đa 30 m/ phút. Đề tài kế thừa các thành quả nghiên cứu về các máy cắt cỏ đã có nhƣ động cơ, lƣỡi dao cắt. Do vậy kích thƣớc giới hạn của RBCC đƣợc thiết kế là 1500 x 1000 x 800 mm. 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu chính đƣợc sử dụng trong đề tài là nghiên cứu thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm cung cấp thông tin phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến RBCCphục vụ cho quá trình tính toán, thiết kế và đánh giá kết quả thực hiện. Với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin, máy vi tính cho phép sử dụng rất nhiều công cụ hỗ trợ trong tính toán cũng nhƣ trong mô phỏng, lại nhanh chóng thể hiện kết quả qua đồ họa, cho phép ta quan sát và thu thập kết quả nhanh hơn. Do vậy việc sử dụng khả năng của máy tính có thể rút ngắn thời gian khảo sát, mặt khác thu hẹp vùng khảo sát thực nghiệm. Trong đề tài này để phục vụ cho quá trình thiết kế, tính toán, mô phỏng RBCCđƣợc tính toán và thiết kế trên các phần mềm AutoCAD, Inventor. 6
21. Chƣơng 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Quy trình cắt cỏ tại Việt Nam Để đảm bảo có một thảm cỏ đẹp, đòi hỏi cần phải chăm sóc cỏ tốt. Ngoài việc chăm sóc về sự sinh trƣởng thì việc cắt cỏ cũng chiếm phần rất quan trọng trong việc tạo thành mỹ quan chung của toàn cảnh. Công việc cắt cỏ cần phải đúng cách, đúng phƣơng pháp và cần phải đƣợc thực hiện đúng quy trình. Từ việc khỏa sát thực tế về công tác cắt cỏ của các công ty hoa viên cây cảnh, quy trình cắt cỏ đƣợc thực hiện nhƣ sau: Trƣớc khi thực hiện cắt cỏ thì ta cần phải làm sạch cỏ, loại bỏ cỏ dại, rác, đá trong vùng cần cắt. Sau đó, cỏ đƣợc ngƣời lao động dùng kéo, máy cắt thực hiện cắt cỏ (Hình 2.1). Hình 2.1: Ngƣời lao động đang cắt và thu gom cỏ Công đoạn cắt cần phải đƣợc thực hiện theo trình tự từng vùng, tránh những trƣờng hợp cắt đi cắt lại nhiều lần, chỗ cắt, chỗ không. Sau khi công đoạn cắt cỏ đi qua, công đoạn thu gom đƣợc thực hiện. Cỏ đƣợc thu gom bằng việc ngƣời lao động sử dụng chỗi quét thu gom phần cỏ bị đứt lại với nhau. Công việc này cần phải khéo léo và nhẹ tay nếu không lá cỏ sẽ bị chỗi kéo tƣa thành sợi, có thân cỏ đan xen vào nhau làm độ cao thảm cỏ không đều, thu gom phải sạch, tránh trƣờng hợp cỏ còn sót lại làm đè lên cỏ đã cắt làm ngập úng, giảm quá trình quang hợp làm 7