Đồ án Thiết kế chế tạo robot tự động tham gia cuộc thi sáng tạo robocon 2010

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, các ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng đi đến những thành công mới. Nhiều công trình khoa học, những phát minh của các nhà khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi ích của con người. Ngày nay Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, thay thế cho các hoạt động của con người trong các môi trường độc hại, nguy hiểm. Với lòng hăng say va niềm khát khao khám phà của tuổi trẻ đội “TĐH-K4” chúng em đã tìm hiểu, nghiên cứu và chế tạo thành công bộ robot đầu tiên của mình để tham gia cuộc thi sang tạo ROBOT Việt Nam 2010. Được sự quan tâm, tạo điều kiện của lãnh đạo nhà trường, Ban tổ chức Robocon 2010, cùng toan thể các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ Điện Tử. Nhóm chúng em đã được giao đề tài này làm đề tài tốt nghiệp . Nội dung chi tiết sẽ được trình bày trong báo cáo này với các phần chính sau: Phần I : Giới thiệu về đề tài. Phần II: Ý tưởng và phương án chế tạo robot. Phần III: Tính toán thiết kế robot tự động vùng 2. Phần IV: Lập trình điều khiển. Phần V: Kết luận, kiến nghị. Phần VI : Phụ lục. Lần đầu tiên tham gia chế tạo robot nhóm chúng em gặp rất nhiều khó khăn , trở ngại nhưng do sự nỗ lực, đồng lòng của cả nhóm và dưới hướng dẫn tận tình của các chỉ đạo viên. Nhóm chúng em cũng hoàn thành tốt hai bộ robot đầu tiên của mình để tham gia thi đấu. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Hưng Yên, ngày 23 tháng 08 năm 2010. Giáo viên hướng dẫn Hoàng Quốc Tuân NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Hưng Yên, ngày 23 tháng 08 năm 2010. Giáo viên phản biện MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 4 1.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 4 1.1.1.Lịch sử ra đời. 4 1.1.2.Robot trong đời sống và sản xuất. 5 1.2. NHỮNG YÊU CẦU VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN THIẾT KẾ ROBOT. 8 1.2.1.Những yêu cầu chung của robot: 8 1.2.2.Những giải pháp thực hiện chế tạo Robot. 9 1.2.3.Những giải pháp thiết kế mạch điện. 10 PHẦN 2:THIẾT KẾ CƠ KHÍ....................................................................................13 2.1.TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN LẮP RÁP ROBOT. 13 2.1.1.Kích thước phần đế. 13 2.1.2. Vật liệu sử dụng làm đế. 14 2.1.3. Thiết kế bánh xe: 30 2.2.BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY CỦA ROBOT. 33 2.2.1.Phương trình động học thuận: 33 2.2.2.Phương trình động học ngược : 35 2.3: LẮP RÁP ROBOT. 37 2.3.1. Chọn động cơ: 37 2.3.2.Chọn bánh trước và cách lắp: 38 2.3.3. Thiết kế phần trụ cho robot. 40 2.3.4.Thiết kế tay đẩy tầng hai. 42 2.3.5.Thiết kế tay đẩy cấu kiện tầng ba. 43 2.3.6.Thiết kế tay đẩy quà vàng. 44 2.3.7. Kết cấu hoàn thiện của robot tự động mang khối cấu kiện chóp. 45 PHẦN 3:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN...........................................................................46 3.1: KHỐI ĐỘNG LỰC. 47 3.1.1.Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot. 47 3.1.2.Điều khiển chiều quay động cơ (đảo chiều động cơ). 49 3.1.3.Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. 50 3.1.4.Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của khối động lực. 51 3.1.5.Lựa chọn van và tính toán công suất cho mạch động lực. 53 3.2: KHỐI CẢM BIẾN TRONG ROBOT. 56 3.2.1.Cảm biến dò đường. 56 3.2.2.Bố trí cảm biến dò đường. 59 3.2.3.Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến. 61 3.2.4. Tính toán công suất cho khối cảm biến. 63 3.2.5.Công tắc hành trình. 65 3.2.6.Cảm biến quang. 66 3.3: KHỐI VI XỬ LÝ. 68 3.3.1.Chức năng. 68 3.3.2.Giới thiệu VĐK 89V51RD2. 68 3.3.3.Sơ đồ nguyên lý. 79 3.4: KHỐI LỰA CHỌN CHƯƠNG TRÌNH(CHỌN CHIẾN THUẬT). 80 3.5: KHỐI NGUỒN. 82 3.5.1.Cấu tạo, chức năng các phần tử trong khối nguồn. 82 3.5.2.Sơ đồ nguyên lý. 84 3.5.3.Nguyên lý làm việc. 85 3.6: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH ROBOT. 86 PHẦN 4:LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN........................................................................87 4.1.LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ ĐỘNG. 87 4.1.1.Lưu đồ chương trình chiến thuật 1. 88 4.1.2.Lưu đồ thuật toán của chương trình chiến thuật 2. 91 4.2.CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN. 92 4.3. PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NHIỄU 103 4.3.1. Các nguyên nhân cơ bản gây ra nhiễu 103 4.3.2. Các phương án xử lý nhiễu. 105 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................107 5.1. KẾT LUẬN 107 5.2. KIẾN NGHỊ. 107 PHẦN 6: PHỤ LỤC.................................................................................................108 6.1. DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ 108 6.2. TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 PHẦN 1: MỞ ĐẦU Tổng quan về robot Cuộc thi sáng tạo robocon 1.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT. 1.1.1.Lịch sử ra đời. Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Chúng đã góp phần mình vào công cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa học, và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí, v.v... Vậy robot xuất hiện từ khi nào? Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khấu vở kịch có tiêu đề “Romands Univesal Robot”. Theo tiếng Séc “Robot” nghĩa là “Người tạp dịch”. Có thể nói đây là một gợi ý, một ý tưởng ban đầu về những cỗ máy có khả năng thao tác như con người. Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng những máy móc có khả năng thay thế con người ở những môi trường làm việc độc hại đã trở thành một nhu cầu cấp thiết. Ban đầu cơ cấu máy này hoạt động giống như tay máy của người vận hành. Cấu tạo của cơ cấu này bao gồm các thanh và các khớp và hệ thống giây chằng. Người vận hành điều khiển tay máy thông qua một cơ cấu khuyếch đại cơ khí. Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (năm 1945), xuất hiện cơ cấu máy được điều khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ. Cho đến những năm 1950 cùng với sự ra đời của kỹ thuật điều khiển chương trình số NC (Number Control) kỹ thuật tay máy lúc này đã kết hợp được cả kỹ thuật điều khiển xa và điều khiển chương trình số. Sự kết hợp này đã tạo ra những thế hệ máy điều khiển từ xa có khả năng mềm dẻo, khả năng tự động hoá cao gọi tên là robot. Năm 1949, máy phay điều khiển số ra đời phục vụ sản xuất ở Mỹ. Đến năm 1960 George Devol đưa ra mẫu Robot đầu tiên. Năm 1961 cũng tại Mỹ Robot công nghiệp (IR: Industrial Robot) đầu tiên đưa ra thị trường: Robot Unimat 1990 (Do trường đại học MIT chế tạo) đây là Robot phản hồi lực nó được ứng dụng vào công nghiệp sản xuất ô tô. Theo con số thống kê thì đến năm 1990 toàn thế giới đã triển khai và ứng dụng khoảng 300.000 IR. Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật Vi xử lý và Tin học mà số lượng IR tăng nhanh chóng và tính năng cũng có nhiều bước đột phá, giá thành trên một đơn vị IR giảm dần. Đó là về lịch sử, còn ngày nay, robot đã có mặt ở khắp nơi, ngay cả trong gia đình chúng ta, chúng ta cùng điểm qua những con robot mà cả thế giới biết đến: 1.1.2.Robot trong đời sống và sản xuất. 1.1.2.1. Murataboy, vận động viên đua xe đạp không biết đến “đo đất” Hình 1.1.Robot đi xe đạp . Với chiều cao chỉ với 50cm, chú robot mang “quốc tịch” Nhật này được coi là “vua” giữ thăng bằng. Vì dù là đạp hay đang dừng xe , khí cụ con quay sẽ luôn giữ cho chú robot này đứng vững. Một số bộ phận đặc biệt khác cho phép Murataboy xác định được chướng ngại vật trên đường và giảm xóc khi va phải chướng ngại vật. Murataboy là ví dụ cho loại robot có khả năng di chuyển bằng 2 chân, đang là một trong những thách thức lớn của việc nghiên cứu và sản xuất robot. 1.1.2.2. Armar, cô giúp việc hiếm có: Được nghiên cứu tại trường đại học Karlsruhe (Đức), lĩnh vực ưa thích nhất của cô là vào bếp. Nhờ những cử động của đôi cánh tay giống hệt như người, Armar có khả năng dọn bàn ăn, cho bát đĩa vào máy rửa bát và sắp xếp thực phẩm. Một chiếc camera kỹ thuật số cho phép cô giúp việc này nhận diện được người đang ra lệnh và tuân lệnh khi dò thấy những cử chỉ tay của người ấy. 1.1.2.3. Friend, bạn của những người khuyết tật: Hình 1.2: Robot trong y học. Friend là nghiên cứu của các nhà khoa học Đức. Người máy này thực chất có dạng một chiếc xe lăn với đôi cánh tay giống con người. Thông qua một bộ phận nhận diện giọng nói, chủ nhân chiếc ghế có thể ra lệnh cho người giúp việc này mở cửa, rót nước. Hệ thống định vị không gian 3 chiều gắn trên xe cho phép người sử dụng chỉ cần đưa tay chỉ hướng, robot sẽ tự động tìm ra đường đi tốt nhất. 1.1.2.4. Bác sĩ ngoại khoa: Hãy tưởng tượng những cánh tay kim loại với những khớp nối chằng chịt mổ xẻ trên một cơ thể bằng xương bằng thịt. Với nhiều người đó là một cơn ác mộng. Trên thực tế việc sử dụng người máy thay các bác sĩ phẫu thuật lại đảm bảo độ chính xác và tỷ lệ thành công cao hơn cho ca mổ. Sự chính xác này cùng với việc giảm thiểu các thiết bị y khoa giúp đường mổ sắc và gọn hơn đồng thời giúp bệnh nhân đỡ mất nhiều máu. Ca mổ vẫn sẽ được một bác sĩ phẫu thuật theo dõi trực tiếp thông qua một camera nối với một cánh tay robot. 2 cánh tay robot còn lại thực hiện những thao tác thành thạo của một bác sĩ thực thụ. Người máy này xứng đáng là niềm tự hào của các nhà khoa học Mỹ. 1.1.2.5. Asimo, robot giống người nhất: Asimo lần đầu tiên ra đời năm 1993 tại Nhật, đặt tên P1, là thành quả nghiên cứu của tập đoàn Honda. Asimo P1 đã khiến các nước phương Tây kinh ngạc vì ý tưởng chế tạo một loại robot giống hệt con người. Tuy vậy mục đích ban đầu của Honda chỉ là nghiên cứu một người máy phục vụ các nhu cầu của chúng ta. Ngày nay, cả 2 ý tưởng này, robot giống người và đáp ứng nhu cầu của con người đã trở thành tiêu chí chung trong nghiên cứu Asimo. Hình 1.3: Robot asimo. Robot viễn tưởng: Được trang bị hệ thống nhận dạng giọng nói, có khả năng ngôn ngữ và diễn đạt, Mỹ đã giới thiệu một người máy là bản sao của Philipe K.Dick, tác giả của nhiều truyện viễn tưởng nổi tiếng, mất năm 1982. Đó là những gì chúng ta được chứng kiến về sự phát triển của thế giới, nhưng chúng ta cũng cần biết rằng Việt Nam cũng có những con robot vô cùng thông minh. Đã đưa vị thế của Hình 1.4: Robot người nhân tạo. Việt Nam lên 1 tầm cao mới. Và chú robot này chính là robot TOPIO : Từ ngày 5 - 10/2/2009, chú robot “made in Vietnam” Topio 2.0 do Công ty Cổ phần Robot TOSY (TOSY Robotics JSC) nghiên cứu và chế tạo đã tham gia triển lãm lớn nhất thế giới về đồ chơi lần thứ 60 tại Đức. 1.2. NHỮNG YÊU CẦU VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN THIẾT KẾ ROBOT. 1.2.1.Những yêu cầu chung của robot: - Kích thước của robot không vượt quá: + Chiều dài và rộng không vượt quá 1m. + Chiều cao không được vượt quá 1.5m. + Trọng lượng của tổng số robot không được vượt quá 50kg. - Được phép sử dụng tối đa 2 robot trong vùng Khafraa. - Robot phải xây theo thứ tự từng tầng một theo quy định: + Nếu tầng nào đó chưa xây xong sẽ không được phép xây tầng trên. + Quy định xây xong 1 tầng là robot đặt đúng khối cấu kiện vào vị trí không được vượt quá sai số là 25mm và không được chạm vào khối cấu kiệm(robot phải tách khỏi khối cấu kiện). + Hai robot không được giao tiếp với nhau bằng song radio. + Trọng lượng khối cấu kiện là ~7.5gram. + Kích thước và hình dáng các khối cấu kiện.

Hình 1.5: Kích thước các khối quà. 1.2 .2.Những giải pháp thực hiện chế tạo Robot. 1.2.2.1.Hướng thực hiện thiết kế: Để đưa ra được ý tưởng tốt cho cơ khí trước tiên chúng e đi sâu vào nghiên cứu về chủ đề và luật chơi từ những chi tiết nhỏ nhất và đưa ra những hướng giải quyết mấu chốt sau: Do khối cấu kiện lớn với số lượng nhiều nên cần phải sử dụng 2 robot thực hiện xây tháp. Do yêu cầu về độ chính xác khi xây dựng là cao với sai số cho phép là 25mm nên chúng e đưa ra nhiệm vụ giêng cho mối robot là: + 1 robot sẽ mang 7 khối cấu kiện đến tháp nhưng không yêu cầu độ chính xác khi xây tháp. + 1 robot sẽ mang 1 khối cấu khiện chóp đến tháp với nhiệm vụ là phối hợp với robot mang 7 cấu kiện để chỉnh sửa các khối vào đúng vị trí và đặt khối cấu kiện màu vàng với yêu cầu độ chính xác cao. 1.2.2.2. Những giải pháp về thiết kế cơ khí. Từ những nhiệm vụ trên của các Robot chúng em xin đưa ra những giải pháp cho việc thiết kế cơ khí như sau: Với các khối cấu kiện có kích thước và trọng lượng tương đối lớn thì phần đế của các Robot phải có kết cấu thật vững chắc để có thể di chuyển thật linh hoạt cho dù phải mang nhiều khối cấu kiện cùng một lúc. Đối với Robot tự động mang 7 khối cấu kiện xây dựng tầng 1, tầng 2 và tầng 3 của Kim tự tháp, khi xuất phát với yêu cầu Robot không được vượt quá 1m chiều rộng, 1m chiều dài và chiều cao không được quá 1,5m. Đây cũng là một khó khăn không nhỏ khi thiết kế Robot. Ngoài ra khi chế tạo Robot cũng cần phải chú ý đến trọng lượng của Robot nên khi thiết kế đòi hỏi phải thiết kế Robot sao cho gọn nhẹ nhưng vẫn phải bảo đảm được các tính năng của nó. Trong quá trình xây Kim tự tháp việc đặt các khối cấu kiện đúng vị trí và đảm bảo sai số cho phép là một yêu cầu rất quan trọng. Điều