Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Thiết Kế Robot Dò Line Theo Phương Pháp Hệ Thống Cơ Điện Tử

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử tập trung nghiên cứu thiết kế robot dò line dựa trên phương pháp hệ thống cơ điện tử hiện đại.

• Tác giả: Trần Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế robot dò line theo phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE THIET KE HE THONG CƠ ĐIỆN TỬ
• 1.1. Giới thiệu hệ thống cơ điện tử (Mechatronics Systems)
• 1.2. Hệ thống Cơ điện tử
• 1.3. Thiết kế hệ thống cơ điện tử
• 2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
• 2.1. Xác định mục tiêu thiết kế
• 2.2. Tìm hiểu tổng quan
• 2.3. Lựa chọn phương án
• 2.4. Xây dựng kế hoạch thiết kế
• 2.5. Thực nghiệm và hiệu chỉnh
• 2.6. Xây dựng hồ sơ thiết kế
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VÀO VÍ DỤ THIẾT KẾ ROBOT DÒ LINE
• 3.1. Xác định mục tiêu thiết kế
• 3.2. Tình hình trong nước và quốc tế về thiết kế robot dò line
• 3.3. Về cấu trúc điều khiển
• 3.4. Thiết kế phân điệu
• 3.5. Về điều kiện
• 3.6. Bài toán thiết kế với số liệu
• 3.7. Phương án triển khai
• 3.8. Xây dựng kế hoạch thiết kế
• 3.9. Mô hình hóa và mô đhôh
• 3.10. Thực nghiệm và hiệu chỉnh
• 3.11. Xây dựng hồ sơ thiết kế
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• 4.1. Kết quả đạt được
• 4.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. BẢN VẼ
• Phụ lục 2. BIỂU ĐỒ GANTT
• Phụ lục 3. CODE CHƯƠNG TRÌNH
• Phụ lục 4. BÀI BÁO HỘI NGHỊ
• Phụ lục 5. LÝ LỊCH KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống cơ điện tử

Chương này giới thiệu khái niệm hệ thống cơ điện tử và các phương pháp thiết kế liên quan. Cơ điện tử là sự tích hợp của cơ khí, điện tử, và hệ thống điều khiển thông minh, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Các định nghĩa từ các nguồn khác nhau như Yasakawa Electric, Harashima Tomizukava, và Devdas Shetty đều nhấn mạnh sự kết hợp chặt chẽ giữa các lĩnh vực này. Thiết kế hệ thống cơ điện tử đòi hỏi quy trình phức tạp, bao gồm tích hợp cơ khí, điện tử, và phần mềm điều khiển.

1.1. Khái niệm cơ điện tử

Cơ điện tử xuất hiện từ những năm 1976 tại Nhật Bản, là sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử, và điều khiển thông minh. Các định nghĩa từ Yasakawa Electric và Harashima Tomizukava nhấn mạnh sự tích hợp này. Hệ thống cơ điện tử bao gồm cơ khí chính xác, điện tử, và hệ thống máy tính, tạo ra sản phẩm có độ tin cậy cao.

1.2. Phương pháp thiết kế truyền thống

Phương pháp thiết kế truyền thống tập trung vào việc thiết kế tuần tự các thành phần cơ khí, điện tử, và điều khiển. Quy trình này bao gồm các bước: xác định yêu cầu kỹ thuật, thiết kế cơ khí, thiết kế điện, và thiết kế phần mềm. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế về tính linh hoạt và khả năng tích hợp.

II. Quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử

Chương này trình bày quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử, từ việc xác định mục tiêu đến thực nghiệm và hiệu chỉnh. Quy trình bao gồm các bước: xác định mục tiêu, lựa chọn phương án, thiết kế cơ khí, thiết kế điện, và tích hợp hệ thống. Quy trình thiết kế này đảm bảo sự tối ưu hóa và hiệu quả trong việc phát triển sản phẩm.

2.1. Xác định mục tiêu thiết kế

Bước đầu tiên trong quy trình thiết kế là xác định mục tiêu và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Điều này bao gồm việc phân tích các yêu cầu từ khách hàng và xác định các thông số kỹ thuật cần thiết.

2.2. Thiết kế cơ khí và điện

Sau khi xác định mục tiêu, quy trình tiếp tục với việc thiết kế cơ khí và thiết kế điện. Thiết kế cơ khí bao gồm việc tạo ra các bản vẽ 2D và 3D, trong khi thiết kế điện tập trung vào việc lựa chọn các linh kiện điện tử và thiết kế mạch điện.

III. Ứng dụng vào thiết kế robot dò line

Chương này áp dụng quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử vào việc thiết kế robot dò line. Quy trình bao gồm việc xác định mục tiêu, thiết kế cơ khí, điện, và tích hợp hệ thống điều khiển. Robot dò line được thiết kế để tự động di chuyển theo đường line, sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển PID.

3.1. Thiết kế cơ khí cho robot dò line

Thiết kế cơ khí cho robot dò line bao gồm việc tạo ra khung xe, bánh xe, và các cơ cấu chuyển động. Các bản vẽ 2D và 3D được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra tính khả thi của thiết kế.

3.2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Thiết kế hệ thống điện bao gồm việc lựa chọn động cơ, cảm biến, và thiết kế mạch điều khiển. Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và hướng di chuyển của robot, đảm bảo độ chính xác cao.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử và ứng dụng vào việc thiết kế robot dò line. Kết quả cho thấy sự hiệu quả của phương pháp thiết kế tích hợp, đảm bảo tính tối ưu và độ tin cậy của sản phẩm. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc cải tiến hệ thống điều khiển và ứng dụng robot dò line trong các lĩnh vực công nghiệp.

4.1. Kết quả đạt được

Luận văn đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo robot dò line sử dụng hệ thống cơ điện tử. Robot có khả năng di chuyển chính xác theo đường line, với độ sai số thấp.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm việc cải tiến hệ thống điều khiển, tích hợp thêm các cảm biến và ứng dụng robot dò line trong các dây chuyền sản xuất tự động.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ tự động hóa và robot, việc thiết kế các hệ thống cơ điện tử ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực robot dò line (line-following robot). Theo ước tính, các robot dò line được ứng dụng rộng rãi trong các cuộc thi robot, vận chuyển tự động và các hệ thống AGV (Automated Guided Vehicle). Tuy nhiên, việc thiết kế một robot dò line hiệu quả đòi hỏi sự tích hợp chặt chẽ giữa cơ khí, điện tử và điều khiển thông minh, nhằm đảm bảo robot có thể bám sát đường line với sai số nhỏ và vận tốc tối ưu.

Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế robot dò line dựa trên phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử, áp dụng quy trình thiết kế đồng thời các thành phần cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển. Mục tiêu cụ thể là xây dựng một robot dò line có vận tốc tối đa 1.5 m/s, bán kính cong nhỏ nhất 500 mm và sai số bám line không vượt quá ±5 mm, phù hợp với sa bàn di chuyển có bề rộng đường line 26 mm. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017, với phạm vi tập trung vào thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm robot trên sa bàn mô phỏng đường đua.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh cho robot dò line, giúp sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật cơ điện tử có tài liệu tham khảo thực tiễn, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và ứng dụng robot trong các lĩnh vực công nghiệp và giáo dục.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thiết kế hệ thống cơ điện tử (mechatronics system design) với các thành phần chính gồm: hệ thống cơ khí, hệ thống điện tử, hệ thống điều khiển và công nghệ thông tin. Theo định nghĩa của V. Lazarević, cơ điện tử là sự tích hợp của hệ thống cơ khí với điện tử và điều khiển thông minh có sự trợ giúp của máy tính trong quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm.

Hai mô hình thiết kế được áp dụng chính là:

• Quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử truyền thống: tuần tự từ thiết kế cơ khí, điện tử, phần cứng, phần mềm đến thử nghiệm và sản xuất.
• Phương pháp thiết kế đồng thời (concurrent design): đồng thời phát triển các thành phần cơ khí, điện tử và phần mềm, sử dụng mẫu ảo (virtual prototype) để mô phỏng và tối ưu trước khi chế tạo mẫu thật.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: động cơ DC servo, động cơ bước, cảm biến hồng ngoại, cảm biến phototransistor, bộ điều khiển PID và fuzzy logic, cấu trúc điều khiển tập trung và phân cấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm robot dò line trên sa bàn với kích thước đường line 26 mm, vận tốc tối đa 1.5 m/s và bán kính cong nhỏ nhất 500 mm. Cỡ mẫu nghiên cứu là một robot mẫu được chế tạo và thử nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết kế cơ khí bằng phần mềm CAD (2D & 3D SolidWorks).
• Mô phỏng hệ thống điều khiển và động học robot bằng Matlab/Simulink.
• Thiết kế mạch điện và lập trình vi điều khiển PIC16F887.
• Thử nghiệm thực tế trên sa bàn mô phỏng đường đua với các điểm nút quy định.
• Đánh giá sai số bám line, vận tốc và khả năng đổi hướng của robot.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2017, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tổng quan, thiết kế hệ thống, mô phỏng, chế tạo mẫu, thử nghiệm và hoàn thiện hồ sơ thiết kế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế cơ khí và lựa chọn cấu trúc bánh xe: Sơ đồ nguyên lý 4 bánh (2 bánh sau chủ động, 2 bánh trước tự lựa) được lựa chọn nhằm đảm bảo cân bằng, khả năng bám đường tốt và ổn định khi vào cua. Kích thước robot được thiết kế phù hợp với sa bàn, trọng lượng nhẹ giúp tăng tốc độ tối đa đạt 1.5 m/s.

2. Cảm biến và xử lý tín hiệu: Sử dụng cảm biến phototransistor TCRT5000 với tốc độ đáp ứng nhanh (15 ns) và giải thuật xấp xỉ trọng số giúp xác định vị trí line chính xác, sai số đo vị trí line dưới 5 mm. Khoảng cách đặt cảm biến được tối ưu ở 5 mm so với mặt đường để giảm nhiễu và tăng độ nhạy.

3. Bộ điều khiển PID: Thông số PID được điều chỉnh tối ưu (Kp=1, Ki=1, Kd=1) giúp robot duy trì sai số bám line trung bình dưới 3 mm trong quá trình chạy với vận tốc 1.5 m/s. So với phương pháp điều khiển On-Off, PID giảm sai số bám line đến 60% và tăng độ ổn định khi vào cua.

4. Thử nghiệm thực tế: Robot hoàn thành hành trình trên sa bàn với các điểm nút A-B-C-D-E-F-C-G-A-C-E theo thứ tự, sai số bám line tối đa không vượt quá ±5 mm, vận tốc trung bình đạt 1.4 m/s, gần đạt mục tiêu đề ra. Khả năng đổi hướng và bám line tại các góc 90° và điểm giao cắt được đảm bảo.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc áp dụng quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử đồng thời các thành phần cơ khí, điện tử và điều khiển giúp tối ưu hóa hiệu suất robot dò line. Việc lựa chọn cấu trúc bánh xe 4 bánh với 2 bánh chủ động và 2 bánh tự lựa cân bằng giữa khả năng bám đường và ổn định khi vào cua, phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế.

Sử dụng cảm biến phototransistor kết hợp giải thuật xấp xỉ trọng số cho phép xác định vị trí line chính xác và nhanh chóng, giảm thiểu sai số do nhiễu môi trường. Bộ điều khiển PID được điều chỉnh phù hợp giúp robot duy trì ổn định trên đường line, cải thiện đáng kể so với các phương pháp điều khiển đơn giản như On-Off.

So sánh với các nghiên cứu trước đây tập trung vào từng thành phần riêng lẻ, luận văn đã tích hợp toàn diện quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử, từ thiết kế cơ khí, điện tử đến điều khiển và thử nghiệm thực tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số bám line theo thời gian, bảng so sánh vận tốc và sai số giữa các phương pháp điều khiển, cũng như sơ đồ cấu trúc robot và mạch điện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường mô phỏng và thử nghiệm mẫu ảo: Áp dụng sâu hơn các công cụ mô phỏng 3D và mô phỏng điều khiển để giảm thiểu sai sót khi chế tạo mẫu thật, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và giảm chi phí. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu và sinh viên.

2. Nâng cấp hệ thống cảm biến: Kết hợp thêm cảm biến camera hoặc cảm biến quang học đa điểm để tăng độ chính xác và khả năng nhận diện đường line trong điều kiện phức tạp. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà sản xuất thiết bị.

3. Phát triển thuật toán điều khiển thông minh: Áp dụng bộ điều khiển fuzzy kết hợp với PID để cải thiện khả năng thích ứng với các điều kiện đường line thay đổi và chướng ngại vật. Thời gian thực hiện: 6-9 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu phần mềm.

4. Ứng dụng trong đào tạo và công nghiệp: Đưa quy trình thiết kế và robot mẫu vào chương trình đào tạo kỹ thuật cơ điện tử, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong các hệ thống AGV vận chuyển hàng hóa trong nhà máy. Thời gian thực hiện: liên tục, chủ thể: nhà trường và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử: Có thể sử dụng luận văn làm tài liệu học tập và tham khảo quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử thực tế, từ thiết kế cơ khí đến điều khiển.

2. Giảng viên và nhà nghiên cứu: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu toàn diện, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến robot và hệ thống tự động.

3. Kỹ sư thiết kế robot và hệ thống tự động: Áp dụng quy trình thiết kế đồng thời và các giải pháp kỹ thuật trong phát triển sản phẩm robot dò line và các hệ thống cơ điện tử tương tự.

4. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng robot: Tham khảo để nâng cao hiệu quả thiết kế, chế tạo và vận hành robot trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực vận chuyển tự động và tự động hóa.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot dò line là gì và ứng dụng ra sao?
   Robot dò line là thiết bị tự động di chuyển theo đường kẻ định sẵn, ứng dụng trong vận chuyển hàng hóa, thi đấu robot và tự động hóa sản xuất. Ví dụ, robot AGV trong kho hàng sử dụng cảm biến dò line để di chuyển chính xác.

2. Phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử có ưu điểm gì?
   Phương pháp thiết kế đồng thời giúp tích hợp các thành phần cơ khí, điện tử và phần mềm, giảm thời gian thiết kế, tăng độ chính xác và hiệu quả sản phẩm. Ví dụ, sử dụng mẫu ảo giúp phát hiện lỗi sớm trước khi chế tạo mẫu thật.

3. Tại sao chọn cấu trúc bánh xe 4 bánh cho robot dò line?
   Cấu trúc 4 bánh (2 bánh chủ động, 2 bánh tự lựa) cân bằng giữa khả năng bám đường và ổn định khi vào cua, phù hợp với yêu cầu vận tốc và sai số bám line. So với 3 bánh, cấu trúc này giảm nguy cơ lật và tăng độ bám.

4. Bộ điều khiển PID hoạt động như thế nào trong robot dò line?
   PID điều chỉnh vận tốc động cơ dựa trên sai số vị trí robot so với đường line, giảm thiểu sai số và duy trì ổn định chuyển động. Ví dụ, điều chỉnh vận tốc bánh trái và phải để robot không bị lệch khỏi đường.

5. Làm thế nào để cải thiện độ chính xác của robot dò line?
   Có thể nâng cấp cảm biến, sử dụng thuật toán điều khiển thông minh như fuzzy kết hợp PID, và tối ưu thiết kế cơ khí để giảm sai số cơ học. Thử nghiệm và hiệu chỉnh liên tục cũng rất quan trọng.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử đồng thời cho robot dò line, tích hợp cơ khí, điện tử và điều khiển.
• Robot mẫu đạt vận tốc tối đa 1.5 m/s, sai số bám line dưới ±5 mm, đáp ứng yêu cầu thiết kế trên sa bàn mô phỏng.
• Phương pháp điều khiển PID được điều chỉnh tối ưu giúp cải thiện độ ổn định và chính xác so với các phương pháp đơn giản.
• Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử và robot.
• Các bước tiếp theo bao gồm nâng cấp cảm biến, phát triển thuật toán điều khiển thông minh và mở rộng ứng dụng trong đào tạo và công nghiệp.

Hành động đề xuất: Các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng quy trình thiết kế đồng thời và tiếp tục phát triển các giải pháp nâng cao hiệu suất robot dò line để đáp ứng nhu cầu thực tế ngày càng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE THIET KE HE THONG CƠ ĐIỆN TU 1.1 Giới thiệu hệ thống co điện tir (Mechatronics Systems) 1.1 Cơ điện tu Khái niệm cơ điện tử được xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1976 ở Nhật. Sau đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất. Cơ điện tử là một hệ thống cơ cấu máy móc có thiết bị điều khiến đã được lập trình và có khả năng hoạt động một cách linh hoạt. Một số khái niệm về hệ thong co dién tu duoc dinh nghia nhu sau: Theo công ty Yasakawa Electric: “ thuật ngữ Mechatronics (Co điện tử) được tạo ra bởi (Mecha) trong Mechanism (trong Co cấu) và tronics trong electronics (Điện tử).

Theo Harashima Tomizukava và Fuduka đưa ra năm 1996: “ Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp”. Theo International Federation of Automation Control (FAC) — Technical Comittee on Mechatronics Systems [8]. Co điện tử là sự phối hop của co khí chính xác, điêu khiên điện tử, hệ thông điêu khiên san phầm và quá trình sản xuât. Theo Devdas Shetty, Richard A.Kolk [16]: Cơ điện tử là một phương thức sử dụng tối ưu thiết kế hệ thống của sản phẩm cơ điện.

Đó là một sự kết hợp trong tích hợp của cơ khí, điện và hệ thống máy tính với hệ thống thông tin cho quá trình thiết kế và sản xuất của các sản phẩm và quy trình sản phẩm. Sự hiệp lực được thể hiện tổng quát bằng tham số kết hợp chuẩn xác; và sản phẩm cuối cùng có thé tốt hơn tổng từng bộ phận của hệ thống. Thành phan của cơ điện tử được thể hiện hình 1.1 gồm các thành phân : Hệ thống cơ khí. Hệ thống điện tử.

Hệ thông máy tính. Hệ thống thông tin. Information systems Mechatronics Computer systems Hình 1.1: Thanh phần cơ điện tử [16] Như vậy, có rất nhiều khái niệm về cơ điện tử nhưng có định nghĩa được coi là đúng nhất theo V. Lazarevié đó là: Cơ điện tử là sự tích hợp của hệ thong cơ khí với điện tử; điều khiển thông minh có sự trợ giúp của máy tính trong quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm [19].

Cơ điện tử bao gôm: * Hệ thong cơ khí (mechanical systems): co cau cơ khí, cơ khí chính xác. * Hệ thống điện tử (electronics systems): vi điều khiến, nguồn, cảm biến và kỹ thuật cơ cầu chấp hành. * Hệ thong máy tinh (information technology): lý thuyết điều khiến, tự động hóa, phân mém, điêu khiên. *° ng ~— Electomechanics\ gp ee os Engineering Engineering | lãi ‘3 Hybrid Trans Mechatronics oil duces Computer L ' Analysis \ aided design MECHATRONICS qmum _ Electromagnetics Modeling ` Electronics and IC) Optimization Sim Micro Control and IC 4 SN conta, je ; Digital Engineering Hinh 1.2:Thanh phan co dién tir [19] 1.2 Hệ thống Cơ điện tử Hệ thong co dién tu la mot hé thong phức tap, tích hợp các phan dién, co, ly thuyết điều khiến tự động và công nghệ thông tin.

Do đó, việc thiết kế đòi hỏi một quy trình thiết kế phù hợp và hiệu quả. Theo Klaus Janschek [8] hệ thong cơ điện tử là quá trình tao ra sản phẩm có phương thức mới, tôi ưu của nhiều nền tảng khác nhau của thiết kế hệ thông, sản phẩm là sự kết hợp của cầu trúc chức năng, chất lượng, kinh té, va quá trình hợp tac làm việc nhóm. / generate | auxiliary \ power forces / ial generate torques forces / torques forces / mechanical states 5” 1 operator ‘commands \ 7 ' Ne —— —=” Đ S_ fe .Ắ` user | fe dback to operator [ information process ` `.om j chuông ¡ environment ¡ odontal as ir! & a ‘ ee | (neat forces / torques In, mechanical gì mechanical states auxiliary measurement _| power / information \ ee StateS [ aunitary | Hình 1.3: Cầu trúc chức năng cơ bản của một hệ thông cơ điện te [8] Hệ thống cơ điện tử (Mechatronics systems) theo quan điểm của Okyay Kaynak, giáo sư đại học Thổ Nhĩ Kỳ thì hệ thống cơ điện tử được khái niệm theo hình sau: Mechantronics system _ > Cognition sy Controlling Perception Executtion system SOO TT || | -. Sensor actuators i ad Controller Process monitoring system Visualiration Ke Mechanical process _J Hình 1.4:Cấu trúc hệ thong cơ điện tử theo quan điểm Okyay Kaynak Theo S.Ashley hệ thống cơ điện tử là hệ thống sử dung cơ khí chính xác, hệ thống máy tính và các cảm biến; kỹ thuật điều khiến dé tao ra (thiết kế) cải tiến một sản phẩm và quá trình sản xuất.

Philadenphia University, Amman, Jordan hệ thống cơ điện tử là một hệ thống bao gém các cơ cau, các cảm biến, tích hợp thuyết điều khiến, bộ điều khiến và hệ thống điện, điện tử [13]. Mechanical Skeleton Electronics BO lg if ¥ C.>—_ „` -Ï Actuator Mechanical System | Sensor | (e. Position Pneumatic i Production system 1 là Speed | Hydraulic) Automobile) X 1 Temperature si) Pressure) | 7 Fiat |. | a Se | [ en v | | ss | | Power Interface : Signal ' | | | (e.

H-Bridge, Conditioning | | | Pump, Power (e. Amplifiers | | OP AMPS) A DC | Filter) | | SS RE a ee at a ee Pe ea Pee Ss tpormceniree taro ica epiaecicempe roca ape fae Bhan ag ny rms a a a Oa pepe Kap eo a = | Controller (e. Computer, PLC, embedded |” system) | | Control/Computer/Software ¡ Hình 1.5: Hệ thông cơ điện tu theo A. Một hệ thong co dién tu bao gom: su thay đổi của hệ thong co khí, hệ thống điện và thành phan phần mềm được đưa vào.

Khi có sự thay đổi của thành phan kết hợp, kết quả là một hệ thống cơ điện thay đối. Hệ thống cơ điện tử là một trong những hệ thống tốt nhất trong việc thiết kế tối ưu cho các sản phẩm, dựa vào sự phức tạp cao của việc thiết kế và những yêu cầu tích hợp của cơ khí, điện tử, và thành phan qua trinh thong tin. Dé tốt cho các nhóm thiết kế băng cách thuận lợi cho quá trình thay đối thành phan hệ thống không ảnh hưởng lớn đến hệ thống cần chọn công cụ thiết kế hệ thong cơ điện tử phức tap [2]. —7† Electromechanical [Real-Time Interfacing | | Simulation and Modeling Mechanical Electrical —_ Automatic Systems Systems | Systems | Control | | Optimization | AD | Ị Information Systems Hình 1.6:Thanh phan của hệ thong cơ điện tử (Theo National Instruments) [2] 1.2Thiét kế hệ thong cơ điện tử 1.1 Phương pháp thiết kế truyền thong Thiết kế hệ thống cơ điện tử là sự kết hợp thiết kế bao gồm cơ khí chính xác, hệ thống điện tử và điều khiến hệ thông trong việc thiết kế sản phẩm và quy trình sản xuât.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử bắt đầu từ mục tiêu nhiệm vụ của người khách hàng, người sử dung sản pham cho đến tích hợp các chức năng, tích hợp kỹ thuật, tích hợp thuộc không gian [8]. ete pet JY] generate — | ` in nformatiod H mation environment Xe: Design| y | SỐ aq — — — Le user ? ” measure mecharweal States Tor i Hình 1.7: Cấu trúc chức năng co bản của một hệ thong cơ điện tử với phân tích các cầu trúc chức năng [8] Thiết kế hệ thông cơ điện tử là nhiệm vụ đòi hỏi người thiết kế phải kế thừa, có kiến thức, hay tô chức từ những ngành khác nhau như cơ khí, điện tử, điều khiến, máy tính. Những kiến thức của nhiều ngành khác nhau được kết hợp để tạo ra một hệ thong cơ điện tử tốt nhat.Viéc thiết kế một hệ thong co dién tu thong thuong gom 5 những bước sau theo [12], việc thiết kế tuần tự theo [12] có thé dẫn đến khó thực hiện nhiêu công việc đông thời, va quá trình thiệt kê bi ràng buộc lần nhau qua nhiêu khâu. ——* Design of the mechanical ‘ca system Design of the electronic eal system —> U Design of the control and * instrumentation system — Hình 1.

Thiết kế hệ thong cơ điện tử [12] Hình 1.8 trình bày quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử đơn giản, mũi tên bên trong chỉ các bước tuần tự của quá trình thiết kế cơ khí, điện, điều khiến và sản phẩm cuôi cùng chịu sự chi phôi của các hệ thông tương tác với nhau. Trong quá trình này, sự tác động giữa 3 hệ thống này và ảnh hưởng của từng hệ thống sẽ làm thay đổi thiết kế và nhiệm vụ ban dau của sản phẩm, thiết kế cuối cùng và nhiệm vụ được đưa ra xem như tại mỗi bước của thiết kế của hệ thống. Ảnh hưởng của bước thứ hai trong quá trình thiết kế được xem như là hiển nhiên. Một trong những ảnh hưởng chính được làm cho thiết kế tốt nhất là mỗi một hệ thông sẽ làm cho nhiệm vụ tổng thê.

Trong ngành kỹ thuật hệ thống thì kỹ thuật đồng thời được ứng dụng trong các giai đoạn thiết kế co sở (thiết kế sơ bộ). Ở một khía cạnh nao đó thì Cơ điện tử chính là sự mở rộng của ngành kỹ thuật hệ thong, nhưng nó được bồ xung thêm hệ thống thông tin nhằm tạo sự thuận lợi trong quá trình thiết kế và kỹ thuật đồng thời được áp dụng ở tất cả các giai đoạn thiết kế chứ không phải chỉ ở giai đoạn thiết kế cơ sở. Theo [1] việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử thường được thiết kế theo quy trình: Xác định các yêu cầu kỹ thuật — Thiết kế co khí — Thiết kế điện — Thiết kế phan cứng mạch điện — Thiết kế phần mém — Thiết kế bộ điều khiến — Thử nghiệm và tối ưu hóa sản phẩm mẫu — Thiết kế sản xuất thử nghiệm — sản xuất — support and service — sản xuât bên vững. System Mechanical Electrical Embedded specification > Design > Design > Hardware Design Embedded Bionirei Prototype Manufaturing > Software >.

> Validation & > TestSystem Ƒ—> Desi Design cgi gs esign Optimization Design Hình 1.9: Quy trình thiết kẾ truyén thong [1] Theo A. Saleem, Tutunji and L. AI-Sharf [13], Mechatronic System Design Course for Undergraduate Programmes, thiết kế hệ thong cơ điện tử là quả trình doi hỏi phải thiết kế các phan cơ khí, cảm biến, giải thuật điều khiến. System Design Ỷ ¥ Mechanical — Electronics lánh) Software / Control Design N———1⁄ Design \ Design Y Ỷ Design Integration Hình 1.10: Thiết kế hệ thong cơ điện tử [13] 1.