Đề tài Thiết kế, chế tạo robot tự động vùng krathong tham dự cuộc thi robocon 2011

MỤC LỤC PHỤ LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Đài hoa Krathong. 11 Hình 2.2:Hoa Krathong 12 Hình 2.3: Ngọn lửa đèn. 12 Hình 2.4: Kích thước cột. 13 Hình 3.1 : Bản vẽ tổng quan Robot Krathong. 16 Hình 3.2: Đế toàn diện của robot. 17 Hình 3.3: Thân robot và cơ cấu nâng hạ dùng bộ truyền xích. 17 Hình 3.4: 2 cánh tay lấy hoa. 18 Hình 3.5: Cánh tay kẹp lửa đèn . 18 Hình 3.6 : Hình ảnh phần khí nén và điện khí nén. 22 Hình 3.7. Đế thiết kế trên phần mềm Inventor 24 Hình 3.8: Hình dạng nhôm. 24 Hình 3.9: Kích thước của nhôm được sử dụng làm đế. 25 Hình 3.10: Kích thước của đế. 26 Hình 3.11:Các loại bánh omni. 27 Hình 3.12:Bánh Omni dùng trong robot. 27 Hình 3.13: Bánh xe nhôm đúc . 28 Hình 3.14: Động cơ trục vít bánh răng. 29 Hình 3.15. Tấm phíp dùng để bắt động cơ 29 Hình 3.16. Động cơ bắt vào phíp 30 Hình 3.18 : Động cơ nâng hạ trục vít bánh vít 31 Hình 3.19: Puli 32 Hình 3.20: Cơ cấu nâng hạ bằng xích sử dụng puli. 32 Hình 3.21:Tay xúc đường kính 280 mm 33 Hình 3.22: Tay xúc đường kính 400 mm 33 Hình 3.23: Hộp trượt tay 34 Hình 3.24: Cánh tay hoàn thiện 34 Hình 3.25: Cơ cấu gắp lửa 35 Hình 3.26: Van 5/2 35 Hình 3.27: Xinh lanh tác động kép 36 Hình 3.28: Sơ đồ thiết kế điện khí nén 36 Hình 3.29: Sơ đồ chung 37 Hình 3.30 : Sơ mạch nguyên lý robot tự động vùng Krathong 38 Hình 3.31: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn. 39 Hình 3.32 : Cấu tạo của IC 7805 40 Hình 3.33 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối Vi điều khiển 42 Hình 3.34 : Mạch RESET 43 Hình 3.35 : Mạch dao động 43 Hình 3.36: Sơ đồ nguyên lý của mạch nạp giao tiếp Max232 44 Hình 3.37 : Sơ đồ board và chân linh kiện của mạch nạp giao tiếp Max232 45 Hình 3.38 : Sơ đồ các chân vànguyên lý của 74151 45 Bảng 1.3: Bảng chân lý của IC 74151 46 Hình 3.39: Sơ đồ nguyên lý của khối lựa chọn chương trình. 47 Hình 3.40: Sơ đồ kết nối cảm biến hành trình với VĐK. 48 Hình 3.41 : Các loại công tắc hành trình 48 Hình 3.42 : Cách bố trí Led thu – phát 49 Hình 3.43 : Mạch tạo dao động tần số cao cho Led phát. 51 Hình 3.44 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của 1 bộ thu phát. 52 Hình 3.45 : Sơ đồ board khối cảm biến 53 Hình 3.46 : Mô phỏng cấu tạo của ENCODER 61 Hình 3.47: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu ENCODER. 62 Hình 3.48: Sơ đồ Board mạch đọc ENCODER 62 Hình 3.49 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị. 63 Hình 3.50 Sơ đồ broad mạch hiển thị. 63 Hình 3.51 Mạch công suất 64 Hình 3.52 Bộ cách li quang và bộ khuếch đại dòng ULN2803 65 Hình 3.53 : Hình dạng, sơ đồ chân, kí hiệu trên mạch điện của IRF540N 67 Hình 4.1 : Cách bố trí led-dò đường. 69 Hình 4.2 : Giải thuật dò đường. 71 Hình 4.3 : Giải thuật đếm vạch ngang. 66 LỜI NÓI ĐẦU Đồ án tốt nghiệp là mốc quan trọng để kiểm tra khả năng nhận thức của mỗi sinh viên đối với những kiến thức đã được giảng dạy trong nhà trường. Đồng thời nó còn đánh giá khả năng áp dụng lý thuyết để phân tích tổng hợp để giải quyết các bài toán kỹ thuật trong thực tế. Khi làm đồ án tốt nghiệp sinh viên có quyền trao đổi, học hỏi, nghiên cứu và trau dồi thêm kiến thức. Nhận thức được tầm quan trọng đó chúng em đã làm việc với tinh thần nghiêm túc vận dụng những kiến thức của bản thân, những ý kiến đóng góp của bạn bè và đặc biệt là sự chỉ bảo của các thầy cô trong khoa để chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Đề tài “ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG VÙNG KRATHONG THAM DỰ CUỘC THI ROBOCON 2011 ”. Nội dung thuyết minh gồm có 6 chương: Chương I : Giới thiệu về đề tài. Chương II : Ý tưởng thiết kế. Chương III: Thiết kế và chế tạo robot. Chương IV : Lưu đồ thuật toán điều khiển. Chương V : Phương án xử lý nhiễu. Chương VI : Kết luận Do kiến thức thực tế còn hạn chế nên trong đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót, chúng em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô để có thể hoàn thiện được đồ án cũng như hoàn thiện được kiến thức của mình nhằm phục vụ công việc tốt hơn sau khi ra trường. Qua đồ án tốt nghiệp này em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Văn Diên và cô Trịnh Thanh Nga - những người đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong quá trình học tập trong trường và trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua. Qua đây chúng em gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm SV thực hiện: Ngô Văn Hải – Nguyễn Văn Hòa – Ngô Đức Duy NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Hưng Yên, ngày tháng 6 năm 2011 Giảng viên hướng dẫn Ks. Trịnh Thanh Nga Th.s. Nguyễn Văn Diên NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. Hưng Yên, ngày tháng 6 năm 2011 Giảng viên phản biện Trịnh Xuân Thắng CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Yêu cầu công nghệ. “Thiết kế chế tạo robot điều khiển tự động vùng Krathong tham dự cuộc thi Robocon 2011”. Mục tiêu của đề tài: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí. Thiết kế và chế tạo mạch điện điều khiển robot. Lập trình điều khiển robot. Hình thành cho sinh viên có khả năng sáng tạo, vận dụng những kiến thức được trang bị trong nhà trường vào trong thực tế, khả năng làm việc theo nhóm. 1.2. Chủ đề và luật thi Robocon 2011 1.2.1. Chủ đề của cuộc thi “LOY KRATHONG, TÌNH BẠN THẮP SÁNG NIỀM VUI”. 1.2.2. Ý tưởng: Những ý tưởng chính để tạo nên đề thi năm nay: Dễ hiểu đối với khán giả. Trò chơi giải trí sinh động và hấp dẫn. Những robot thông minh trình diễn linh hoạt. Gắp và đặt các khối cấu kiện trong không gian 3 chiều. Có sự cộng tác giữa các đội cùng thi đấu. Trò chơi được phỏng theo văn hóa và truyền thống Thái Lan. Đề thi được thiết kế sao cho tất cả các đội tham gia đều cảm thấy thích thú. Tuy nhiên với nhiệm vụ cuối cùng, chính là điểm nhấn của trò chơi, đội nào phải có robot thật sự linh hoạt để có thể đặt được ngọn lửa lên trên đỉnh nến thì đội đó mới xứng đáng là đội chiến thắng. 1.2.3. Luật thi đấu. - Tóm tắt cuộc thi. Mỗi đội bao gồm không quá 3 robot. Một robot điều khiển bằng tay và một hoặc hai robot tự động. Robot điều khiển bằng tay phải hoàn thành công việc đầu tiên bằng cách nhấc 3 bát nến và đặt ở vùng Chung trước khi thực hiện các công việc khác. Sau đó robot bằng tay sẽ mang giá đèn đặt tại điểm trang trí được định vị trên khu vực Sala. Robot bằng tay sẽ tiếp tục thu thập những ngọn nến ở vùng Chung trong thời gian Krathong được lắp ráp. Các robot tự động sẽ thu thập đài hoa và hoa Krathong rồi đặt chúng tại các vị trí chuẩn bị. Các robot tự động sẽ trang trí Krathong bằng cách xếp đài hoa, rồi sau đó là hoa Krathong lên giá đèn vùng Sala. Sau khi nhiệm vụ này đã hoàn thành, robot bằng tay sẽ đặt 3 ngọn nến vào Krathong đã được trang trí. Robot tự động sẽ mang Krathong đã hoàn thành đặt lên bề mặt sông phía đội mình. Không có bất kỳ phần nào của robot được chạm hay tiếp xúc với mặt sông. Cuối cùng robot tự động sẽ mang ngọn lửa đèn đặt nhẹ lên trên đỉnh đèn trong Krathong đã được hoàn thành và đang nổi trên bề mặt sông. Khi thao tác các robot cũng không được chạm hay tiếp xúc với mặt sông và Krathong đã hoàn thành. Đội đầu tiên đặt được ngọn lửa đèn thành công sẽ là đội chiến thắng. Chiến thắng này được gọi là “ Loy Krathong”. Nếu không đội nào đạt được “ Loy Krathong” trong vòng 3 phút thì đội chiến thắng sẽ quyết định bằng cách tính điểm cho những phần việc đã hoàn thành.Mỗi trận đấu được diễn ra giữa đội đỏ và đội xanh. Mỗi trận đấu kéo dài trong 3 phút. Hình 1.1: Sân thi đấu CHƯƠNG II: Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 2.1. Những yêu cầu chung của Robot Krathong. - Kích thước của robot: Trong vùng xuất phát của robot tự động, robot tự động phải có kích thước không lớn hơn 1000mm chiều rộng và 1000mm chiều dài và chiều cao không quá 1400mm. Không có giới hạn về kích thước khi trận đấu bắt đầu. Tổng trọng lượng của cả ba con robot không được vượt quá 50kg. - Nhiệm vụ của robot tự động vùng Krathong: + Nhiệm vụ 1: Robot tự động vùng Krathong sẽ thu thập đài hoa và hoa Krathong tại vị trí lưu trữ rồi đặt chúng tại các vị trí chuẩn bị. Hình 2.1: Đài hoa Krathong. Hình 2.2: Hoa Krathong + Nhiệm vụ 2: Khi hoa Krathong đã được thả lên mặt sông thì robot tự động vùng Krathong sẽ làm nhiệm vụ cuối cùng là thả ngọn lửa đèn lên hoa Krathong. Hình 2.3: Ngọn lửa đèn. 2.2. Ý tưởng và phương án thiết kế kết cấu cơ khí. Từ những nhiệm vụ của robot điều khiển tự động vùng Krathong nhóm đưa ra những phương án thiết kế cơ khí như sau: - Ý tưởng phần cánh tay : Do đài hoa Krathong làm bằng xốp hình trụ với đáy có đường kính trong là 76mm và đường kính ngoài là 400mm, hoa Krathong được làm bằng xốp hình trụ có đường kính trong là 76mm và đường kính ngoài là 280mm và có chiều cao 100mm. Ngọn lửa đèn có đáy là một hình trụ làm bằng một ống nhựa rỗng có đường kính ngoài 76mm, chiều cao 55mm và bề dày là 2mm. Cơ cấu cánh tay để lấy được đài hoa và hoa Krathong của chúng em là sử dụng cơ cấu xúc, còn ngọn lửa đèn sử dụng cơ cấu kẹp bằng khí nén. - Ý tưởng phần đế : Yêu cầu khi thiết kế robot phải đảm bảo được độ vững chắc và thăng bằng cao vì vậy phần cơ khí quan trọng nhất phần đế vững chắc, gọn nhẹ và chịu lực tốt, có khối lượng vừa phải phù hợp với yêu cầu đề thi. Khung đế được làm bằng nhôm ống có bổ sung gỗ ở bên trong ống đê gia tăng độ cứng, giảm chấn động và thuận tiện cho quá trình lắp ghép. Các chi tiết được lắp ghép với nhau bằng đinh vít, không phải gia công nhiều. - Ý tưởng phần thân: Sử dụng nhôm hình chữ nhật có chiều dài khoảng 1,2m để lấy được khối quà trên các cột trụ. Hình 2.4: Kích thước cột. - Yêu cầu về động cơ: Do yêu cầu của luật chơi robocon năm nay là sự kết hợp chặt chẽ giữa các robot và phải hoàn thành công việc trong thời gian 3 phút nên tốc độ của các robot làm nhiệm vụ phải nhanh, chính xác nên yêu cầu tốc độ của động cơ bánh chủ chủ động lớn. Số lượng động cơ Công dụng 2 Động cơ di chuyển 1 Động cơ nâng hạ 2 Động cơ đẩy tay lấy hoa và tay kẹp lửa Bảng 1.1: Số lượng động cơ. 2.3. Ý tưởng và phương án thiết kế mạch điện Trong robot, mạch điện có thể ví như mạch máu trong cơ thể con người, nó có tác dụng liên kết tất cả các phần của robot lại với nhau thành một thể thống nhất. Mạch điện sử dụng cho robot phải đảm bảo được các yêu cầu sau: Đảm bảo cung cấp đủ công suất cho các động cơ của robot hoạt động. Hoạt động chính xác và ổn định. Có tính linh hoạt cao trong việc thay thế và sử dụng. Để thiết kế được mạch cho robot chúng ta phải căn cứ vào những đặc điểm, yêu cầu kĩ thuật, chiến thuật của robot từ đó đi lựa chọn phương án và các phần tử cho mạch. 2.4. Ý tưởng và phương án về lập trình điều khiển cho robot. 2.4.1. Lựa chọn chíp điều khiển 89V51RD2. Để điều khiển cho robot có thể sử dụng một trong các loại vi điều khiển như: 89C51, P89V51RD2, AVR, PIC (Programmable Interface Controller)… Trong quá trình tìm hiểu nhóm đã lựa chọn P89V51RD2 làm chíp để điều khiển cho robot của mình. Con chíp này có ưu điểm sau: - Có những đặc tính gần giống với vi điều khiển 89C51 mà đã được giảng dạy trong chương trình đào tạo của nhà trường. - Có giá thành rẻ, dễ mua và dễ tìm hiểu. - Ngôn ngữ để lập trình quen thuộc dễ tiếp cận và dễ sử dụng. - Mạch nạp cho chíp rất đơn giản dễ chế tạo. - Có khả năng nạp nạp trực tiếp chương trình vào chíp ngay trên mạch mà không cần phải tháo chíp ra khỏi mạch. - Bên cạnh đó P89V51RD2 có những chức năng mới dễ dàng vận dụng cho việc lập trình cho robot: PCW, PCA, Timer2… Vậy có thể nói chíp P89V51RD2 rất ưu việt. Đây là những lý do mà nhóm sử dụng nó. 2.4.2. Một số giải thuật phương án lập trình. Với đề thi năm nay chúng ta có thể sử dụng một số giải thuật sau: + Giải thuật dò đường: Bám vạch Đếm số vạch ngang… + Giải thuật bẻ lái: kết hợp giữa encoder và cơ cấu bẻ lái bằng trục vít. + Ngắt ngoài sử dụng cho encoder. + Hiện thị bằng led 7 thanh… CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT. 3.1. Thiết kế cơ khí. 3.1.1.Vẽ và mô phỏng trên phần mềm Inventor. Hình 3.1 : Bản vẽ tổng quan Robot Krathong. a. Phần đế của robot: Hình 3.2: Đế toàn diện của robot. b. Phần thân robot. Hình 3.3: Thân robot và cơ cấu nâng hạ dùng bộ truyền xích. c. Phần cánh tay lấy hoa. Hình 3.4: 2 cánh tay lấy hoa. d. Phần cánh tay kẹp lửa đèn. Hình 3.5: Cánh tay kẹp lửa đèn. 3.1.2. Bản vẽ lắp: phần phụ lục. 3.1.3. Tính toán động học. 3.1.3.1.Phương trình động học thuận. * Phương trình động học thuận là phương trình biểu diễn quan hệ vị trí và hướng của robot thông qua các biến khớp, các biến khớp này là các góc qua của khớp quay và độ dịch chuyển tịnh tiến đối với khớp tịnh tiến. Căn cứ vào phương trình động học thuận này khi biết vị trí của các khớp ta có thể xác định vị trí và hướng của robot. Căn cứ vào các thông số và hệ toạ độ đã được thiết lập ta có bảng DH của robot như sau: *Thiết lập phương trình động học Robot l2 O1 X2 Miền làm việc Y0 z1 O2 z2 x1 y1 y2 l1 z0 O x0 Khâu 1 0 l1* 0 -90 2 0 l2* 0 0 Bảng 1.2: Bảng DH. Phương trình động học thuận của robot. Ma trận tổng quát Ai: Vậy ta có phương trình động lực học: Mà Vậy : Kết luận :Từ phương trình động học thuận sẽ xác định được tọa độ điểm