Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, cảnh quan đường phố được xây dựng ngày càng hiện đại. Nhân công thường xuyên phải cắt tỉa để giữ cảnh quan không bị phá vỡ cấu trúc thiết kế. Có rất nhiều loại máy cầm tay được thiết kế hỗ trợ công nhân tỉa cây. Tuy nhiên công việc này thường phải thực hiện ngay giữa đường, rất nguy hiểm. Để giảm rũi ro cho con người, đã chế tạo một Robot tự hành tỉa viền cây xanh đường phố, với năng suất cắt tỉa được 1180 m2 bề mặt viền cây khi tốc độ Robot di chuyển 1 km/giờ. Robot tự bám bệ xi măng trên đường và cắt tỉa ba mặt của viền cây xanh một cách tự động.
18 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Research and design of a robot for pruning street trees Vinh D Dao∗ , Nga T K Tran, Phuc T Nguyen, & Khoa D Nguyen Faculty of Engineering and Technology, Nong Lam University, Ho Chi Minh City, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Research Paper Trees are planted on street to improve the general landscapes The landscape’s original design is manually maiternaned by the workers Thus, a robot that can assit workers in trimming the trees is necessary A self-propelled robot has been developed in order to reduce the risk to humans The new developed robot would trim uo to 1180 m2 of tree contour when the speed is set at km/h This robot can follow the road contour and trim tree automatically Received: July 18, 2018 Revised: October 03, 2018 Accepted: November 23, 2018 Keywords Pruning Robot Trimming ∗ Corresponding author Dao Duy Vinh Email: duyvinh@hcmuaf.edu.vn Cited as: Dao, V D., Tran, N T K., Nguyen P T., & Nguyen, K D (2019) Research and design of a robot for pruning street trees The Journal of Agriculture and Development 18(1), 18-25 Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 18(1) www.jad.hcmuaf.edu.vn 19 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Nghiên cứu, thiết kế chế tạo Robot cắt tỉa tự động viền xanh đường phố Đào Duy Vinh∗ , Trần Thị Kim Ngà, Nguyễn Tấn Phúc & Nguyễn Đăng Khoa Khoa Cơ Khí Cơng Nghệ, Trường Đại Học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh THƠNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Bài báo khoa học Ngày nay, cảnh quan đường phố xây dựng ngày đại Nhân công thường xuyên phải cắt tỉa để giữ cảnh quan không bị phá vỡ cấu trúc thiết kế Có nhiều loại máy cầm tay thiết kế hỗ trợ công nhân tỉa Tuy nhiên công việc thường phải thực đường, nguy hiểm Để giảm rũi ro cho người, chế tạo Robot tự hành tỉa viền xanh đường phố, với suất cắt tỉa 1180 m2 bề mặt viền tốc độ Robot di chuyển km/giờ Robot tự bám bệ xi măng đường cắt tỉa ba mặt viền xanh cách tự động Ngày nhận: 18/07/2018 Ngày chỉnh sửa: 03/10/2018 Ngày chấp nhận: 23/11/2018 Từ khóa Cắt tỉa Robot Tỉa ∗ Tác giả liên hệ Đào Duy Vinh Email: duyvinh@hcmuaf.edu.vn Đặt Vấn Đề Hiện nay, diện tích cơng viên thị cơng cộng riêng Thành phố Hồ Chí Minh, khu vực 12 quận cũ 235 ha, quận khu vực ngoại vi khoảng 2.497 Để trì mỹ quan thị cơng nhân thường xuyên chăm sóc bảo vệ bố cục thiết kế ban đầu Để thực tỉa viền xanh, hầu hết nhân công dùng kéo tay thao tác, Hình Một số phương pháp tỉa viền tốn nhiều thời gian kinh phí Cơng việc ảnh hưởng tới sức khỏe tiếng ồn khói bụi nhân thực bớt nặng nhọc cho người lao phải làm đường có xe qua lại động phải thao tác đường Cần thiết kế chế Hiện có số nghiên cứu thiết bị phục tạo Robot tự cắt tỉa viền xanh cách tự vụ cho công việc tỉa nhiên qui mô không động phù hợp với điều kiện Việt Nam Hình 1a phận cơng tác gắn máy kéo Trong nước Vật Liệu Phương Pháp Nghiên Cứu có số mơ hình hỗ trợ việc tỉa nhiên phải cần người đẫy trực tiếp cơng 2.1 Vật liệu trường (Hình 1b) Robot thiết kế chế tạo thử nghiệm Kết hình dáng hàng sau tỉa phụ thuộc nhiều vào tay nghề người thực Chi xưởng thực hành khoa Cơ khí Cơng nghệ phí cho việc tỉa viền lớn cơng việc Các chi tiết thiết kế gia cơng hỗ thường xun thực Để hình dáng viền trợ tổ gia công CNC Vận hành thí nghiệm sau tỉa khơng cịn lệ thuộc vào tay nghề công Robot tiến hành hàng viền Ác ó, www.jad.hcmuaf.edu.vn Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 18(1) 20 khu công viên đường dẫn vào khu giảng đường Phượng Vỹ - Trường Đại học Nơng Lâm TP.HCM 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phân tích, lựa chọn phương pháp thiết kế hệ dẫn động Robot Từ chọn lựa kết cấu dẫn động với u cầu: Robot có bán kính quay vịng nhỏ chi phí lượng cho việc chạy bẻ lái tối ưu Động dẫn động thân robot động tỉa mặt chọn lựa loại DC có chổi than cung cấp phổ biến thị trường Sử dụng phương pháp điều khiển vịng kín có tín hiệu hồi tiếp Encoder phối hợp với giải thuật PID để điều khiển giám sát tốc độ di chuyển Robot Kết Quả Thảo Luận Thông số kỹ thuật Robot tỉa viền thể Bảng 3.1 Thiết kế phần khí Hiện có nhiều phương pháp để thiết kế hệ dẫn động cho thân Robot thể Hình Bảng 2, nhiên tương ứng với trường hợp có ưu nhược điểm khác Mục tiêu việc thiết kế Robot chọn kết cấu đáp ứng yêu cầu hoạt động với chi phí tiêu hao lượng thấp Các loại kết cấu dẫn động rô bốt tham khảo theo Goris (2005) Phương án f: Robot sử dụng chuyển động tương đối bánh chủ động phía sau để bẻ lái Bánh trước sử dụng dạng bánh tự lựa Tuy nhiên, khung xe thường ổn định chạy nhanh; trường hợp di chuyển chậm khơng ảnh hưởng Loại hình chi phí lượng thấp Bán kính quay vịng nhỏ phù hợp với tiêu chí nghiên cứu (Hình 3) Robot cắt tỉa viền thiết kế mô 3D phần mểm SolidWorks, nguyên lý hoạt động Robot cắt tỉa viền thể Hình Khung Robot phải có độ cứng vững để tải khối lượng bình ắc qui lực cản cắt Phần khung thiết kế thép dày mm; chấn định hình dạng chữ U Phần bao che phía chế tạo thép dày 1,2 mm Nguyên lý làm việc Robot: Ban đầu Robot người vận hành di chuyển tới bệ xi măng Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 18(1) Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh chân viền xanh Điều chỉnh khoảng cách cao độ hai lưỡi cắt theo phương thẳng đứng: Quay núm vặn số (8), dịch chuyển vị trí - vào lưỡi cắt số (9) áp sát mặt viền khóa vị trí lưỡi cắt mặt lại Tiếp đến vặn núm khóa số (10), sau dịch chuyển vị trí dao cắt số (13), - vào lưỡi cắt áp sát bề mặt viền Sau chỉnh khoảng cách hai lưỡi cắt theo phương thẳng đứng phải khóa chặt núm vặn số (8) số (10) Điều chỉnh Độ cao hai lưỡi cắt theo phương thẳng đứng: Tháo lỏng ốc khóa, quay tay quay số (7) theo chiều kim đồng hồ để nâng hai lưỡi cắt hai bên lên cao Ngược lại, quay tay quay số (7) ngược kim đồng hồ hạ hai lượi cắt xuống phía Tùy vào độ cao bệ xi măng chân viền mà ta điều chỉnh độ cao hai lưỡi cắt hợp lý Thường khoảng cách từ điểm thấp lưỡi cắt đứng cách bề mặt bệ xi măng 50 mm hợp lý Khi độ cao hai lưỡi bên vị trí phù hợp phải khóa chặt vị trí vít hãm 3.2 Tính tốn, thiết kế kết cấu dao tỉa viền Vận tốc cắt góc cắt tham khảo từ Bui (2004) Xây dựng mơ hình tốn kết cấu dao cắt tỉa viền xanh Để tạo thành lưỡi cắt, sử dụng ngun lý chuyển động điều hịa hình Sin, tạo chuyển động cho hai có hình dạng hình lược Hai hình lược bố trí áp sát chuyển động trược tương đối Nguyên lý hoạt động tương tự nhiều kéo nhỏ đặt liên tiếp Hai nhánh truyền động trục quay theo biên độ, chung chu kỳ ω, đối xứng nửa chu kỳ chuyển động π Nguyên lý giúp kết cấu vượt qua điểm bắt đầu chu kỳ dễ dàng Theo Singiresu (1986), mô hình tốn chuyển động kết cấu hai nhánh lưỡi cắt thể Hình Với thông số định nghĩa bao gồm: Biên độ giao động A tính tốn, chọn lựa phù hợp với hình dạng khoảng cách liền kề lược Tần số quay động phát lực ω thiết kế điều khiển phù hợp với vận tốc cắt thái Tấm bên trái gọi X1 chuyển động với phương trình X1 = sin(ωt) Trong phần bên phải định nghĩa X2 chuyển động theo phương trình có dạng X2 = sin(ωt + π) www.jad.hcmuaf.edu.vn 21 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Bảng Thơng số kỹ thuật Robot tỉa viền thiết kế Kích thướt Robot Trọng lượng Robot Chiều cao tối đa tỉa Loại cắt tỉa Vị trí làm việc Động cắt (1 dao) Nguyên lý dao tỉa cành Độ rộng hai dao cắt thay đổi Động điện truyền động Năng suất diện tích bề mặt cát tỉa viền xanh Thông số kỹ thuật 1200 × 800 × 800 67 kg 500 mm Một số loại trồng làm viền Đường phố, công viên DC 100 W Dạng tông 200 đến 450 (mm) DC 12 V 1180 m2 /giờ Hình Các phương pháp điều chỉnh hướng Robot hay dùng Bảng Phương án để thiết kế hệ dẫn động cho thân Robot Phương án a b c d e f Năng lượng Cao Thường Cao Cao Thấp Thấp Bán kính quay vịng Nhỏ Lớn Nhỏ Lớn Lớn Nhỏ Hình Các góc dịch chuyển khung robot tỉa viền www.jad.hcmuaf.edu.vn Kiểu dẫn động Lái bánh độc lập Kết cấu hình thang lái dẫn hướng Gấp khúc thân xe Bánh gắn liền trục thẳng Lái đồng trục phía trước Lái bánh sau Thực nghiệm khảo sát lực cắt cần thiết để phá hủy cành kích thước giới hạng đường kính nhỏ mm Khoảng cách từ đo ngược thân khảo sát vị trí cách 50 mm Sử dụng loadcell đo lực cắt cành lực cắt động DC truyền tới lưỡi cắt thông qua kết cấu tay quay trượt Giá trị đọc lưu máy tính vẽ đồ thị diễn biến q trình cắt Hình Qua đồ thị Hình cho thấy lực cần thiết để phá hủy cành Ắc ó cách 200 mm có đường kính trung bình 5,24 mm Giá trị cắt cực đại cần 65 N Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 18(1) 22 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Hình Mơ hình Robot tỉa viền thiết phần mềm SolidWorks Hình Mơ hình tốn chuyển động hai lược lưỡi cắt tỉa viền điều FKéo : FKéo = Fm + FMa sát = mg.sinα + µmg.cosα = mg(sinα + µcosα) Để xác định công suất cần thiết động cơ, ta Trong đó: sử dụng mơ Hình cơng suất động dẫn động FKéo : Lực cần thiết để làm Robot di chuyển Robot tham khảo từ Junyao & ctv (2009) m: Khối lượng Robot Xe với khối lượng m kéo lên độ dốc α: Góc nghiên so với phương ngang α so với chiều ngang Lực cần thiết để thực µ: Hệ số ma sát bánh xe lăn 3.3 Tính tốn chọn lựa công suất động điện dẫn động cho Robot Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 18(1) www.jad.hcmuaf.edu.vn Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh 23 Hình Thí nghiệm đo lực cắt cành sử dụng Loadcell Giá trị lực ghi nhận thực cành Ắc ó vị trí: a) 50 mm; b) 100 mm; c) 150 mm; d) 200 mm tính từ trở cành Hình Phân tích lực cần thiết cho động dẫn động Robot Với m = 67 kg Tốc độ trung bình đề xuất robot km/giờ tương đương 0,28 m/giây Để đạt Chọn thông số theo Goris (2005) có α = tốc độ mong muốn ta chọn tốc độ tối đa gấp 150 µ = 0,05 www.jad.hcmuaf.edu.vn Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 18(1) 24 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh bốn lần tốc độ trung bình đề xuất: vmax = × v = × 0,28 = 1,12 (m/giây) Cơng suất cần có để robot chạy với tộc độ đề xuất là: P = FKéo × v Cơng suất cực đại có cơng thức: Pmax = FKéo × vmax Khi xe chạy với khối lượng m, cần động có cơng suất là: Pmax = mg(sin + àcos) ì vmax = 221,82 W Da vo kết tính tốn cơng suất cực đại tiến hành lựa chọn động phổ biến thị trường chọn động DC 12 Vôn 250 W 3.4 Thiết kế mạch điều khiển Robot tỉa viền cân xanh Sơ đồ điều khiển Robot tỉa viề xanh thể Hình Các tín hiệu từ cảm biến phát bệ xi măng đưa mạch điều khiển, xử lý phát lệnh điều khiển tốc độ động dẫn động Đảm bảo Robot di chuyển song hành bệ xi măng Tín hiệu từ Encoder đưa mạch điều khiển giúp Robot đo giám sát tốc độ di chuyển Hình Sơ đồ điều khiển Robot cắt tỉa viền (Tran & ctv (2001) Để điều khiển tốc độ cắt Robot tỉa viền ta cần điều khiển tốc độ động dẫn động (Hình 9) Khi thẳng tốc độ động cần điều khiển tốc độ phù hợp tương thích với khả cắt dao tỉa cành Vì vậy, tốc độ động cần phải có điều khiển giám xác Do điều khiển đáp ứng yêu cầu sử dụng điều khiển PID Hình Hình ảnh tỉa thí nghiệm viền dùng Robot tuyến đường dẫn vào khu giảng đường Phượng Vỹ, Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM Địa khu phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức Mơ hình bố trí thí nghiệm tiến hành sau: Chọn ngẫu nhiên 10 m theo chiều dài viền Kẻ nhiều vạch, vạch cách m Đo đạt kích thước cạnh viền Hai cạnh bên có chiều cao trung bình 400 mm, kích thước cạnh ngang 380 mm Diện tích bề mặt dao tỉa thực mét chiều dài 1.18 m2 Cho Robot chạy tự bám bệ xi măng cắt tỉa viền Khi Robot di chuyển tới vạch, đọc giá trị đồng hồ đếm lần Thí nghiệm lập lại nhiều lần sau tính vận tốc di chuyển Robot thể Hình 10 Diện tích bề mặt viền xanh Robot tỉa sau đạt 1180 m2 Hình 10 Hình ảnh tỉa thí nghiệm viền dùng Robot Theo quan sát thực tế nhân công dùng máy xạc cỏ để tỉa viền Ắc ó Kích thước viền trung bình cạnh viền 380 × 380 × 400 mm Thời gian nhân công cắt liên tục 10 m tới theo chiều dài viền phút Tương đương nhân công thực liên tục tỉa khoảng 232 m2 bề mặt viền Dựa vào kết cho thấy rơ bốt có suất Khảo nghiệm khả làm việc Robot: Robot tỉa viền thử nghiệm tương đương với đến nhân công lao động sử Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 18(1) www.jad.hcmuaf.edu.vn 25 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh dụng dụng cụ bán thủ công Tài Liệu Tham Khảo (References) Kết Luận Bui, M V (2004) Animal feed processing machine Ho Chi Minh, Vietnam: Agricultural Publishing House Đã thiết kế, chế tạo Robot tự di chuyển dọc theo bệ xi măng hàng viền xanh cắt tỉa viền cách tự động Qua kết thí nghiệm cho thấy Robot có khả tỉa lúc bề mặt viền xanh có kích thước 400 mm × 400 mm × 380 mm, tốc độ di chuyển Robot tương đương km/giờ; suất đạt 1180 m2 bề mặt viền xanh Có thể điều chỉnh khoảng cách hai lưỡi cắt thẳng đứng để phù hợp với nhiều bề rộng viền Robot thay người lao động trực tiếp thao tác đường Giảm nặng nhọc cho công nhân cắt đường phố đơng xe qua lại Chất lượng nét tỉa khơng cịn ảnh hưởng tay nghề thợ tỉa viền Góp phần đưa Robot vào nơng nghiệp nước nhà Goris, K (2005) Autonomous mobile robot: Mechanical design (Thesis) Vrije Universiteit, Brussel, Belgium www.jad.hcmuaf.edu.vn Junyao, G., Xueshan, G., Jianguo, Z., Wei, Z., Boyu, W., & Shilin, W (2009) Study on the calculation method of the light mobile robot motor power IEEE International Conference on Automation and Logistics (20002004) Shenyang, China Singiresu, R S (1986) Mechanical vibrations (2nd ed.) Massachusetts, USA: Addison Wesley Longman Tran, D V., Tran, V X., Nguyen, D T., & Luu, N V (2001) Automation of production process Ha Noi, Vietnam: Science and Technical Publishing House Tạp chí Nông nghiệp Phát triển 18(1) ... thực đường, nguy hiểm Để giảm rũi ro cho người, chế tạo Robot tự hành tỉa viền xanh đường phố, với suất cắt tỉa 1180 m2 bề mặt viền tốc độ Robot di chuyển km/giờ Robot tự bám bệ xi măng đường cắt. ..19 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Nghiên cứu, thiết kế chế tạo Robot cắt tỉa tự động viền xanh đường phố Đào Duy Vinh∗ , Trần Thị Kim Ngà, Nguyễn Tấn Phúc & Nguyễn... thuật Robot tỉa viền thiết kế Kích thướt Robot Trọng lượng Robot Chiều cao tối đa tỉa Loại cắt tỉa Vị trí làm việc Động cắt (1 dao) Nguyên lý dao tỉa cành Độ rộng hai dao cắt thay đổi Động điện