Đồ án Thiết kế chế tạo robot công nghiệp

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế, chế tạo ROBOT tự động (Tham gia cuộc thi sáng tạo ROBOT Việt Nam2005 do đài THVN tổ chức) LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hoá , hiện đại hoá đất nước cùng với sự phát triển vượt bậc về công nghệ , nghành điện tử đẫ và đang phát triển và được ứng dụng rộng rãi mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế cũng như trong đời sống xã hội , dặc biẹt là những ứng dụng của kỹ thuật vi điều khiển . Kỹ thuật vi điều khiển với tốc độ phát triển nhanh chóng đã mang đến những thay trong khoa học và công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày . Ngày nay các thiết bị máy móc càng trở nên thông minh hơn , chính xác hơn , các công việc được thực hiện với hiệu quả cao hơn cũng là nhờ một phần vi điều khiển . Kỹ thuật vi điều khiển là kỹ thuật phát triển mạnh trong tương lai , là chìa khoá để tiến tới công nghệ hiện đại . Đối với sinh viên chuyên nghành điện tử đây là một lĩnh vực mới hứa hẹn mở ra nhiều triển vọng Với ưu điểm hơn của vi điều khiển chúng em đã ứng dụng để thực hiện nhiệm vụ chế tạo robot trong cuộc thi sáng tạo robot năm 2005. Với sự giúp đỡ của thầy giáo ( chỉ đạo viên ) cùng các thầy trong khoa Điện - Điện tử đến nay chúng em đã hoàn thành đồ án được giao. Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót chúng em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 1 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MỤC LỤC Trang PHẦN I. Giới thiệu đề tài 6 Mục tiêu của chế tạo ROBOT. 6 Sân chơi, luật chơi. 6 Ý tưởng thực hiện. 10 Phương hướng giải quyết. 11 PHẦN II.Nội dung 12 Mạch điều khiển Robot 12 Sơ đồ khối của Robot 12 Nguồn cấp cho robot 12 Khối điều khiển . 12 Khối cảm biến . 18 Khối khuếch đại. 20 Khối chấp hành . 33 Chương trình điều khiển . 34 2.1 Đường đi của Robot MPAM1. 34 2.2- Lưu đồ giải thuật. 35 2.2.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính. 35 2.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình dò đường. 36 2.2.3 Lưu đồ giải thuật chương trình 1 . 37 2.2.4 Lưu đồ giải thuật chương trình 2. 38 2.3 Chương trình điều khiển. 39 PHẦN III. Kết luận và kiến nghị. 52 1. Kết luận 2. Kiến nghị. PHẦN IV. Tài liệu tham khảo. 53 PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1-Mục tiêu: Thiết kế ,chế tạo và lắp giáp mạch điều khiển robot tự động . Viết chương trình điều khiển cho robot theo luật chơi của cuộc thi robocon 2005 do đài truyền hình Việt Nam tổ chức. Lắp giáp hoàn thiện robot. 2-Sân thi đấu và luật chơi 2.1- Sân thi đấu / Hình 1: Sân thi đấu (1) Sân thi đấu là một khu vực hình vuông có kích thước là 14.000mm X 14000mm. (2) Mặt sàn sân thi đấu được làm bằng các tấm nhựa Vinyl có độ dày 2mm. Những phần nối trên bề mặt các tấm nhựa có thể được dán bằng băng dính không bóng ( Non-shiny vinyl tape) . (3) Sân thi đấu được bao quanh một rào cản gỗ cao 100mm và dày 30mm. (4) Sân thi đấu bao gồm “ Vùng Robot bằng tay”; “Đài lửa” và “Vùng Robot tự động” và gồm cả “Vùng tháp báo hiệu”. Xem chi tiết bản vẽ sân thi đấu. (5) Vùng tự động a. Vùng tự động là một hình vuông có kích thước 9000mm X 9000mm. b. Vùng tự động được bao quanh bằng rào cản gỗ cao 100mm và dày 30mm. c. “ Khu xuất phát cho máy tự động ” có kích cỡ 1000mm X 1000mm được đặt ở vùng tự động và hai khu xuất phát này của hai đội đối diện nhau. (Xem hình vẽ) d. Chỉ có Robot tự động được hoạt động trong vùng tự động. Đường chỉ dẫn màu trắng rộng 30mm được vạch trên vùng tự động. e. Một khu vực hình bát giác trồi lên có độ cao 100mm nằm ở trung tâm vùng tự động được gọi là “Vùng tháp báo hiệu”. Khu vực này có bốn cạnh dài 2000mm và bốn cạnh kia dài 1414mm. dọc theo hai cạnh dài 2000mm đối diện nhau có hai đường dốc tỷ lệ 1:5 nối phần khu vực sàn cao hơn với phần sàn phía dưới. f. Trong vùng tự động có đặt năm ngọn đuốc. Ngọn đuốc chính cao nhất có độ cao là 1800mm được đặt tại trung tâm của “ Vùng tháp báo hiệu”. Những ngọn đuốc còn lại có độ cao là 1500mm được bố trí xung quanh ngọn đuốc chính. g. Ngọn đuốc là một chiếc khay trong suốt, với phần miệng để trống, được gắn trên đỉnh một chiếc cột đuốc. Ngọn đuốc chính được chia ra các phần bằng nhau với màu đỏ, xanh lục và xanh lam và được gọi là khay năng lượng đỏ, xanh lục, xanh lam tương ứng. Mỗi ngọn đuốc vòng ngoài được chia ra thành hai phần bằng nhau có màu xanh và đỏ và cũng được gọi là khay năng lượng xanh đỏ tương ứng. Riêng ngọn đuốc chính có thể xoay quanh trục của nó trên cột nếu trong cuộc chơi có một lực tác động vào. Các ngọn đuốc khác không xoay được. h. Xem chi tiết cách bố trí tại vùng tự động trên bản vẽ (6) “ Đài lửa ” Bốn đài lửa có đường kính 1200mm được đặt ở bốn góc của vùng tựđộng. Đĩa nhiên liệu có đường kính 600mm được đặt ở trung tâm của đàilửa. Đĩa nhiên liệu có độ cao 100mm so với mặt sàn cùng với một đường bo viền rộng 50mm. Độ sâu của đĩa là 30mm. Một đường dốc rộng 350mm cầu nối cho đĩa và mặt sàn. Xem chi tiết đĩa nhiên liệu ở bản vẽ. (7) Vùng Robot điều khiển bằng tay. a. Vùng Robot điều khiển bằng tay bao quanh vùng Robot tự động và đài lửa. b. Hai kho chứa nhiên liệu dành cho cả hai đội được đặt đối diện nhau tạivùng Robot điều khiển bằng tay, và mỗi kho chứa nhiên liệu này đượcxếp 16 quả bóng nhiên liệu. c. Khu xuất phát của Robot điều khiển bằng tay là một hình vuông có kích thước 1000mm X 1000mm, được đặt ở giữa cạnh của vùng Robot điều khiển bằng tay. Hai khu xuất phát của hai đội được đặt đối diện với nhau. d. Xem bản vẽ để biết thêm chi tiết về vùng dành cho Robot điều khiển bằng tay. 2.2 Các Robot. Mỗi đội tham dự phải chế tạo một hoặc cả hai loại máy điều khiển bằng tay và điều khiển tự động. Không giới hạn về số lượng máy tự động nhưng mỗi đội chỉ được phép chế tạo một Robot điều khiển bằng tay. Robot điều khiển bằng tay. a. Các máy điều khiển bằng tay phải được vận hành thông qua bộ điều khiển từ xa sử dụng dây cáp; hoặc điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, tia nhìn thấy, sóng âm. Không được sử dụng sóng vô tuyến. Nguời điều khiển không được phép ngồi hoặc cưỡi lên máy điều khiển bằng tay. b. Trong trường hợp sử dụng dây cáp, điểm kết nối giữa máy điều khiển bằng tay và hộp điều khiển phải đặt cách mặt sàn ít nhất là 1000mm. Độ dài của cáp điều khiển tính từ máy cho đến hộp điều khiển không được vượt quá 3000mm. c. Sau khi trận đấu bắt đầu các thành viên đội tuyển không được phép chạm vào Robot điều khiển bằng tay. (2) Các Robot tự động Các máy tự động phải tự động hoàn toàn. Tất cả các phần tách ra từ máy tự động được coi là một máy tự động, nó cũng phải có cơ chế như một máy tự động. Trước khi trận đấu bắt đầu mỗi đội chỉ được chất tối đa là 16 quả bóng nhiên liệu lên máy tự động. Mỗi máy tự động sẽ chỉ được khởi động bằng một thao tác. Máy tự động được phép di chuyển tới bất kỳ vùng nào trên sân, ngoại trừ vùng “đài lửa” và khoảng không phía trên của vùng này. Sau khi trận đấu được bắt đầu, tất cả các máy tự động có thể được khởi động lần lượt nhưng các thao tác khởi động phải kết thúc trong vòng 20 giây, sau đó các thành viên phụ trách việc khởi động máy phải rời sân thi đấu ngay và đứng ngoài rào cản gỗ. Những máy tự động nào không hoàn thành việc khởi động trong thời gian quy định phải để nguyên ở khu xuất phát. Khi máy tự động đã xuất phát các thành viên đội tuyển không được phép chạm vào máy đó . Các Robot tự động của một đội không được phép liên lạc với nhau dưới mọi hình thức. (3) Phương pháp điều khiển. Chỉ một thành viên trong đội được điều khiển Robot bằng tay trong khuvực sân chơi. Đối với các máy tự động mỗi trận đấu mỗi đội chỉ được khởi động lại một lần, sau khi đội đó ra hiệu xin được khởi động lại và được sự chấp thuận của trọng tài. Bất kỳ thành viên nào của đội tuyển cũng có thể được phép khởi động lại bất kỳ máy tự động nào bắt đầu từ khu xuất phát. Tất cả các thao tác khởi động lại cũng phải được hoàn tất trong vòng 20 giây. Sau đó những thành viên phụ trách việc khởi động lại máy phải rời sân thi đấu ngay và đứng ngoài rào cản gỗ. Người vận hành máy tự động chỉ được phép vào sân thi đấu khi thực hiện thao tác khởi động máy, kể cả khi khởi động lại. (4) Nguồn cấp năng lượng a. Mỗi đội phải tự chuẩn bị nguồn cho tất cả các máy trong suốt trận đấu. b. Điện áp của nguồn cấp phải dưới 24VDC. c. Các nguồn cấp mà BTC cho là nguy hiểm hoặc không phù hợp sẽ không được phép sử dụng. (5) Khối lượng a. Tổng khối lượng các máy của mỗi đội không được vượt quá 50kg. b. Tổng khối lượng bao gồm khối lượng của nguồn cấp năng lượng, dây cáp bộ điều khiển và các thành phần khác của Robot (6) Kích cỡ a. Máy tự động phải có kích cỡ sao cho đặt vừa trong khu xuất phát (1000mm X 1000mm X 1500mm). b. Sau khi trận đấu bắt đầu và các máy tự động rời khu xuất phát, chúng có thể tách ra và hình dáng có thể thay đổi tuỳ ý nhưng độ cao của mỗi máy sẽ không được vượt quá 2000mm. c. Máy điều khiển bằng tay phải đặt vừa trong khu xuất phát 1000mm X 1000mm X 1500mm. d. Sau khi trận đấu bắt đầu và máy điều khiển bằng tay rời khu xuất phát nó có thể thay đổi kích cỡ tùy ý nhưng độ cao không vượt quá 1500mm và không được tách rời. 2.3 Các bộ phận khác ( Quả bóng nhiên liệu) (1) Các quả bóng nhiên liệu là mô hình quả bóng rổ thu nhỏ có đường kính là 150mm và cân nặng 150g. (2) áp suất bên trong quả bóng được kiểm soát sao cho bóng ít đàn hồi nhất. Độ nảy của bóng khi thả từ độ cao 1m xuống mặt gỗ cứng không được vượt quá 150mm. (3) Hai đội thi đấu dùng bóng có màu đỏ và xanh đậm. 3- Ý tưởng thiết kế Khi đã nghiên cứu kỹ sân thi đấu và luật chơi cùng các thành viên trong nhóm C2DM đã quyết định thiết kế chế tạo robot này cùng với 2 robot tự động khác và một robot điều khiển bằng tay. Robot này có kết cấu cơ khí bằng nhôm ,có một ngăn đựng 4 quả bóng bỏ bóng vào ngọn đuốc phía phải điểm xuất phát . Robot có hệ thống kéo bóng lên để bỏ bóng vào ngọn đuốc là động cơ và cơ cấu dòng dọc. 4- Phương hướng giải quyết Để robot có thể đi tới ngọn đuốc chúng em đã dựa vào vạch trắng trên sân. Phát hiện vạch trắng nhóm đã sử dụng cảm biến khoảng cách của hãng OMRON . Cảm biến này có ưu điểm không bị nhiễu bởi ánh sáng hồng ngoại, dải điện áp sử dụng rộng (10-30v DC ), xung đầu ra ổn định hoặc 12v hoặc 0v. Hai cảm biến được đặt cách nhau 3cm trên hai miếp của vạch trắng .Một cảm biến khác dùng để đếm vạch nhằm cho robot dừng đúng vị trí bỏ bóng . Để thực hiện việc bỏ bóng chúng em đã kết hợp cả cơ khí và điện . Cơ khí thì lợi dụng lực kéo của động cơ để nhả thanh giữ bóng ,khi đến ngọn đuốc tiếp theo thì dùng xung điện đốt dây giữ bóng. Robot hoạt động được linh hoạt cần có mạch điều khiển động cơ . Ở đây chúng em sử dụng trazitor để điều khiển cho động cơ lái và dùng role điều khiển động cơ kéo bóng và cấp xung điện đốt dây. Sử dụng chip AT89C51 để xử lý và cung cấp tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu của robot hoạt động ,như điều khiển mạch khuếch đại , kết hợp cùng cảm biến để dò đường … Chip này phù hợp với điều kiện của sinh viên và với các chương trình không quá lớn. Chương trình điều khiển được viết bằng phần mềm Ride với ngôn ngữ Assembler và được tổ chức dưới dạng các chương trình con sau đó được tổng hợp ở chương trình chính. - Việc xác định vị trí của Robot trên sân được thực hiện thông qua ngắt ngoài1. - Trong thực tế thi đấu, Robot thường dễ bị nhiễu bởi độ bóng của mặt sân, của vạch, hoặc bị rung khi di chuyển nên gây ra nhầm vạch hoặc mất phương hướng, để xử lý vấn đề này ngoài việc dùng phần cứng ở bộ phận cơ khí, hoặc cảm biến cần sử dụng linh hoạt các ngắt ngoài kết hợp với các ngắt Timer trong chip để lọc các xung nhiễu. PHẦN II NỘI DUNG Phần mạch điều khiển 1.1 Sơ đồ khối điều khiển robot
 1.2-Nguồn Theo quy định của luật chơi chỉ sử dụng nguồn một chiều tối đa 24v DC. Trong robot sử dụng hai nguồn cơ bản là nguồn 12vDC cấp cho mạch vi xử lý và khối cảm biến . Và nguồn 24vDC cung cấp cho khối khuếch đại . Để cung cấp đủ dòng cho các khối nhầt là khối khuếch đại nên nhóm đã chọn loại nguồn 24vDC 5Ah. . 1.3 -Khối điều khiển Mạch điều khiển Robot có thể sử dụng nhiều phương pháp nhưng giải pháp vừa đơn giản, thuận tiện, chính xác và phù hợp với điều kiện của sinh viên là dùng Vi Điều Khiển, mà ở đây là sử dụng vi điều khiển họ 8051 ( AT89C51). Không chỉ có giá thành thấp, phần cứng thiết kế đơn giản, AT89C51 còn có : + Khối xử lý CPU : để xử lý và thực thi chương trình. + Các bộ Timer có thể tạo ra thời gian chính xác. + Hệ thống ngắt ngoài có thể xử lý nhanh ở bất kỳ thời điểm nào. + 4 Kb ROM để lưu chương trình điều khiển. + 128 Byte RAM nội để lưu các tham số và dữ liệu. + Bốn cổng xuất nhập I/O 8 bit. + 210 vị trí nhớ có thể định địa chỉ bít. + Tốc độ xử lý tín hiệu nhanh, tin cậy, chính xác.