BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT THAM GIA CUỘC THI ROBOCON 2010 Giáo viên hướng dẫn: PGS. TS. NGUYỄN VĂN NHẬN KS. ĐỖ QUỐC CHÍ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ÁI HẠNH Lớp: 47 CKCD Nha Trang, 2010 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m LỜI CẢM ƠN Trong suốt khóa học (2006-2010) tại trường Đại học Nha Trang, với sự giúp đỡ của quý thầy cô trong Khoa Cơ khí, quý thầy trong Bộ môn Cơ điện tử đã giúp đỡ chúng em về mọi mặt, đặc biệt là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài của chúng em đã được hoàn thành đúng thời gian quy định. Chúng em xin chân thành cảm ơn tới: Bộ môn Cơ điện tử cùng tất cả Quý thầy trong Khoa Cơ khí đã truyền đạt những kiến thức quý báu làm cơ sở để chúng em thực hiện tốt đề tài này và đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn tất khóa học. Đặc biệt, Thầy PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận, Thầy ThS Vũ Thăng Long, Thầy Nguyễn Văn Định, Thầy Trần Văn Hùng, Thầy Đỗ Quốc Chí đã tận tình giúp đỡ và cho chúng em những lời chỉ dạy quý báu giúp chúng em định hướng tốt trong khi thực hiện đề tài này. Ngoài ra em xin được cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đề tài tốt nghiệp. Nha Trang, tháng 05 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Ái Hạnh Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m MỤC LỤC Nhiệm vụ đồ án Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.1. Giới thiệu chung về Robocon 2 1.1.1. Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot 2 1.1.2. Sơ đồ cấu trúc của Robot 2 1.1.3. Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 2 a. Giới thiệu về chủ đề 2 b. Khái quát về luật thi 3 c. Cách tính điểm 4 1.2. Giới thiệu cơ sở lý thuyết 5 1.2.1. Phần cơ khí 5 a. Sơ lược một số lý thuyết 5 b. Giới thiệu nguyên vật liệu, thiết bị 7 1.2.2. Phần điện 11 a. Các phần tử logic cơ bản 11 b. Lý thuyết sơ lược Vi điều khiển AVR 15 c. Giới thiệu cảm biến do tốc độ 18 d. Giới thiệu linh kiện khác 19 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 26 2.1. Phương pháp nghiên cứu 27 2.2. Nội dung nghiên cứu 28 2.2.1. Xây dựng phương án 28 a. Nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa 28 b. Xây dựng phương án 28 2.2.2. Lựa chọn phương án chế tạo. 33 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 2.2.3. Thiết kế phần cơ khí 34 a. Phần đế Robot tự động 34 b. Phần ngã ra của giàn giữ cấu kiện 36 c. Phần giá đỡ cấu kiện và cánh tay 38 2.2.4. Tính toán động học cho cơ cấu 45 a. Cơ cấu trượt đế của robot 45 b. Cơ cấu ngả cấu kiện 45 c. Cơ cấu trượt ngang tầng 2 46 d. Cơ cấu đẩy cấu kiện 46 2.2.5. Thiết kế phần điện 47 a. Nguồn điện sử dụng cho Robot 47 b. Khối điều khiển 47 c. Khối công tắc, nút nhấn 51 d. Khối cách ly và đệm 52 e. Khối công suất 54 2.2.6. Thiết kế phần mềm 56 a. Lưu đồ thuật toán chương trình chính (main) 56 b. Lưu đồ thuật toán các chương trình con 57 Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 68 3.1. Thử nghiệm 69 3.2. Phân tích lỗi và phương pháp sửa chửa và khắc phục các lổi 69 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 71 4.1. Kết luận 72 4.2. Đề xuất 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC A: 74 PHỤ LỤC B: 76 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m DANH MỤC CÁC HÌNH 1. Hình 1.1: Sơ đồ chung của Robot 2. Hình 1.2: Tổng thể sân Robocon 2010 3. Hình 1.3: Hình dáng một vài loại bánh xe robot 4. Hình 1.4: Mô tả hoạt động của động cơ điện một chiều 5. Hình 1.5: Đông cơ Hàn Quốc 6. Hình 1.6: Đông cơ trục vít bánh vít 7. Hình 1.7: Một số loại động cơ khác 8. Hình 1.8: Sơ đồ chân của ATmega32 9. Hình 1.9: Sơ đồ khối của ATmega32 10. Hình 1.10: Sơ đồ chân của AT90S2313 11. Hình 1.11: Hình dáng và cấu tạo bên trong encoder 12. Hình 1.12: Tín hiệu ra của encoder tương đối 13. Hình 1.13: Tín hiệu ra encoder tuyệt đối 14. Hình 1.14: Biểu diển điện trở 15. Hình 1.15: Đọc giá trị điện trở 16. Hình 1.16: Quang trở 17. Hình 1.17: Biến trở 18. Hình 1.18: Tụ xoay 19. Hình 1.19: Diot 20. Hình 1.20: Transitor 21. Hình 1.21: Opto 22. Hình 1.22: ULN2803 23. Hình 1.23: IRF540 24. Hình 1.24: Rơ le 25. Hình 2.1: Hình dáng và kích thước kim tự tháp Khafraa 26. Hình 2.2: Kích thước hình dáng khối cấu kiện cố định trên Kim tư tháp. 27. Hình 2.3: Hình dáng kích thước khối cấu kiện chính 28. Hình 2.4: Hình dáng kích thước khối cấu kiện đỉnh 29. Hình 2.5: (a)- Cách đặt cấu kiện, (b)- , bố trí chung 30. Hình 2.6: Cách đặt cấu kiện (a), bố trí chung (b) 31. Hình 2.7 : Cách bố trí Robot trên sân 32. Hình 2.8: Phương án 3 33. Hình 2.9: Cụm chi tiết đế 34. Hình 2.10: Bộ truyền trượt đế 35. Hình 2.11: Bánh xe tự lựa 36. Hình 2.12: Hình dáng thực tế động cơ trượt đế Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m 37. Hình 2.13: Bộ phận ngã cấu kiện 38. Hình 2.14: Cơ cấu đẩy 39. Hình 2.15: Tang cuốn nhả cáp 40. Hình 2.16: Lắp động cơ và tang cuốn 41. Hình 2.17: Tiết diện nhôm kết cấu 42. Hình 2.18: Bố trí chung của giá giữ cấu kiện 43. Hình 2.19: Cụm chi tiết của cơ cấu đẩy cấu kiện tầng 1 44. Hình 2.20: Hình dáng thực tế động cơ đẩy tầng 1 45. Hình 2.21: Bộ truyền đẩy cấu kiện tầng 1 46. Hình 2.22: (a)- Bánh xích bị dẫn (tỉ lệ 2:1), (b)- Bánh dẫn(tỉ lệ 2:1) 47. Hình 2.23: Cụm kết cấu tầng 2 48. Hình 2.24: Kết cấu bộ truyền bánh răng đai răng 49. Hình 2.25: Bánh xích dẫn tầng 2(tỉ lệ 1:1) 50. Hình 2.26: Mô tả chuyển động trượt đế 51. Hình 2.27: Mô tả chuyển động ngã cấu kiện 52. Hình 2.28: Mô tả chuyển động trượt ngang tầng 2 53. Hình 2.29: Sơ đồ nối acqui 54. Hình 2.30: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 5V 55. Hình 2.31: Sơ đồ layout mạch tạo nguồn 5V 56. Hình 2.32: Sơ đồ nguyên lý ATmega32 57. Hình 2.33: Sơ đồ layout ATmega32 58. Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý của AT90S2313 59. Hình 2.35: Mạch layout AT90S2313 60. Hình 2.36: Khối công tắc 61. Hình 2.37: Mạch cách ly sử dụng opto PC817 62. Hình 2.38: Sơ đồ IC đệm ULN2803 63. Hình 2.39: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn công suất 12VDC 64. Hình 2.40: Mạch layout nguồn công suất 65. Hình 2.41: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ 66. Hình 2.42: Sơ đồ layout mạch điều khiển động cơ 67. Hình 3.1: Hình ảnh tổng thể của Robot tự động Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m LỜI NÓI ĐẦU Cơ điện tử là một ngành học mới ở nước ta, nhưng nó ngày càng khẳng định được vai trò trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay và sự phát triển của đất nước trong tương lai. Đây là ngành có sự hội tụ và đúc kết của ba chuyên ngành là cơ khí, tin học và điện tử mà sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động của con người. Đối với sinh viên ngành Cơ điện tử để làm quen với các hệ thống tự động thì cuộc thi sáng tạo robot là một sân chơi bổ ích. Sản phẩm của cuộc thi này là một hệ thống tự động đơn giản, nhưng nó là sự cộng tác làm việc của một nhóm sinh viên. Khi tham gia cuộc thi này, mỗi sinh viên cần áp dụng tất cả những kiến thức đã học cả về cơ khí, mạch điện và lập trình và sự bàn bạc thảo luận để chế tạo thành công một con rrobot, và thông qua đó là cơ hội giao lưu học hỏi với các sinh viên trường khác để hoàn thiện các kiến thức mình đã được học trong bốn năm đại học. Vì vậy nhóm chúng em được giao thực hiện đồ án tốt nghiệp là làm robot theo chủ đề và luật của cuộc thi sáng tạo Robot 2010. Từ luật chơi của cuộc thi, nhóm em gồm hai thành viên thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo Robot tự động tham gia Robocon 2010” có khả năng hoàn thành công việc mà luật chơi yêu cầu. Bài báo cáo gồm có các chương sau: - Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG - Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH - Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Sau một thời gian tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công, được sự hướng dẫn tận tình của Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhận và Thầy Đỗ Quốc Chí, cùng quý Thầy trong Bộ môn Cơ điện tử và của Khoa Cơ khí, em đã hoàn thành đề tài trong thời gian đặt ra. Em xin chân thành cảm ơn Quý thầy đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Vì thời gian và kiến thức có hạn nên trong đồ án có nhiều phần còn hạn chế và còn nhiều điểm chưa khắc phục được. Mong quý Thầy trong khoa giúp đỡ để Đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Ái Hạnh Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m - 1 - Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m - 2 - 1.1. Giới thiệu chung về Robocon 1.1.1. Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot Robocon, viết tắt của chữ Robot Contest, là cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương hằng năm. Cuộc thi được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2002 tại Nhật Bản có 20 đội đến từ các quốc gia trong khu vực tham gia và Việt Nam đã lần đầu tiên đăng quang trong cuộc thi này. Từ đó đến nay, Robocon Việt Nam đã ba lần đạt chức vô địch với các đại diện tiêu biểu cho tinh thần học tập và sáng tạo của sinh viên Việt Nam. Cuộc thi này đã thu hút khá nhiều sinh viên trong khu vực và trong nước yêu khoa học, công nghệ tham gia. Đã có rất nhiều thế hệ sinh viên đạt được nhiều thành công từ những kì thi này. Trường Đại học Nha Trang cũng nhiều năm tham gia cuộc thi sáng tạo Robot trong nước và đã đạt được những thành tích nhất định. 1.1.2. Sơ đồ cấu trúc của Robot Hình 1.1. Sơ đồ chung của Robot. 1.1.3. Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 a. Giới thiệu về chủ đề Cuộc thi sáng tạo Robot châu Á - Thái Bình Dương 2010, được tổ chức tại Cairo–Ai Cập với chủ đề là: Robo-Pharaohs xây Kim tự tháp (Robo-Pharaohs Build Pyramid). Ý tưởng này được dựa trên việc một cỗ máy thời gian ảo đưa những người thợ xây dựng Kim tự tháp của Ai Cập vào trong phòng học của các trường kĩ thuật. Mục tiêu mới là xây dựng các phần của ba Kim tự tháp theo trình tự. Các thành viên trong đội phải có sự nhanh nhẹn, chính xác và phối hợp tốt. Họ phải tuân theo quy định không được sử dụng bất kỳ một vật liệu kết dính nào giữa các khối cấu kiện. Bộ điều khiển trung tâm Đối tượng Nút nhấn Start Cơ cấu chấp hành Công tắc hành trình Encoder Cảm biến dò đư ờng Cảm biến khác LED Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m - 3 - Đội chiến thắng gọi là “Robo-Pharaoh” là đội hoàn thành việc xây dựng các phần của 3 Kim tự tháp nhanh nhất. Trong vòng 3 phút, đội đỏ và đội xanh sẽ thi đấu với mục đích tạo dựng lại một trong bảy Kỳ quan của thế giới cổ đại. b. Khái quát về luật thi Hình 1.2: Tổng thể sân Robocon 2010 - Mỗi trận thi đấu gồm có hai đội xanh (blue) và đội đỏ (red). - Mỗi đội phải xây dựng hoàn thành 3 kim tự tháp: + Thứ nhất là Kim tự tháp Khufu do Robot điều khiển bằng tay thực hiện trong thời gian 90 giây để đặt:  3 khối cấu kiện ở tầng thứ nhất.  3 khối cấu kiện ở tầng thứ hai.  1 khối cấu kiện ở tầng thứ ba.  1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh. + Thứ hai là Kim tự tháp Khafraa sẽ do một hoặc hai Robot tự động trong thời gian 60 giây xây dựng:  3 khối cấu kiện ở tầng thứ nhất.  3 khối cấu kiện ở tầng thứ hai.  1 khối cấu kiện ở tầng thứ ba.  1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh. + Cuối cùng là việc hoàn thành Kim tự tháp Mankaura do một Robot tự động trong thời gian 30 giây để đặt: Khuffu Khafraa Mankaura Khu v ực bằng tay (đ ội đỏ) Khu vực bằng tay (đội xanh) Khu vực tự động một (đội đỏ) Khu vực tự động một (đội xanh) Khu vực tự động hai (đội đỏ) Khu vực tự động hai (đội xanh) Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m [...]... trục, phay bánh răng và bánh xích - Phôi nhựa: là một loại polyme bền, nhẹ, dễ gia công cắt gọt và tạo hình, khuôn Được sử dụng trong chế tạo máy và dụng cụ gia đình Trong chế tạo robot phôi nhựa được sử dụng tiện tang cuốn cáp, con lăn, bạc đở, và gia cường cho nhôm hộp tại một số vị trí chịu lực - Các loại vật liệu khác như Inox, phíp, mika, gỗ, ,củng được sử dụng trong chế tạo robot .d o m C w o o... Biết cách thành lập đội Robocon làm việc có hiệu quả, biết cách phân bố, tổ chức công việc trong đội + Vạch kế hoạch cho bản thân và toàn đội + Tìm hiểu một số kết cấu cơ khí, nguyên lý điện và các giải thuật, thuật toán hay làm bài học Bước 2: Đọc và nghiên cứu luật thi Đây là bước không thể thi u trong các cuộc thi Robot, nó đóng vai trò là điều kiện cần trong việc sáng tạo và thi công Robot Thực hiện... tính và trình bày trước toàn đội, cả đội thảo luận và chọn ra ý tưởng tốt nhất, hoàn thi n ý tưởng Bước 4: Thi t kế bản vẽ chi tiết và mô phỏng Sau khi cả đội thống nhất ý tưởng thi bắt đầu thi t kế bản vẽ Mục đích: Cụ thể hình dáng, kích thước Robot, lựa chọn vật liệu và kiểm tra lại lần cuối mức độ hợp lý của kết cấu trước khi gia công Yêu cầu: + Hoàn thành bản vẽ với đầy đủ các thông số chế tạo +... nhẹ, dễ gia công được sử dụng rộng rãi trong đời sống Sản phẩm công nghiệp của nó tiêu biểu là thanh nhôm cao cấp được sử trong xây dựng và các sản phẩm gia dụng Đây cũng là vật liệu chính trong chế tạo robot và các mô hình thí nghiệm - Thép: Đây là vật liệu rất phổ biến trong đời sống, đặc biệt trong ngành chế tạo máy xản xuất ra bulong, đinh vít, bánh răng, bánh xích, trục Trong chế tạo robot thì... với các họ vi điều khiển 8 bits khác như PIC, Pisoc Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng So với họ 80 51, 89xx thì nó có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và tiện lợi hơn rất nhiều * Vi điều khiển ATmega32 ATmega32 có đầy đủ tính năng của họ AVR, có giá thành vừa phải, rất phù hợp dùng để thi t kế những... này nhằm mục đích: + Đưa ra các chiến thuật thi đấu và ý tưởng thi t kế hợp lý + Tính toán thi t kế bản vẽ và chế tao tiết kiệm, không bị phạm quy Yêu cầu: + Nhớ nội dung chính của luật + Đọc đi lại nhiều lần để nắm được ý đồ của người viết luật + Nghiên cứu từng khía cạnh, nhìn nhận vấn đề từ nhiều hướng Bước 3: Phác thảo ý tưởng và đưa ra bàn luận trước đội và chỉ đạo viên: Sau khi thực hiện bước 2,... khâu gọi là thành phần khớp động Khớp động được phân loại theo 2 cách sau: + Theo tính chất tiếp xúc: Bao gồm 2 loại: Khớp loại cao có thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường Khớp loại thấp có thành phần tiếp xúc theo mặt + Theo số bậc tự do tương đối bị hạn chế: Bao gồm 5 loại: Khớp loại1: hạn chế 1 bậc tự do Khớp loại2: hạn chế 2 bậc tự do Khớp loại3: hạn chế 3 bậc tự do Khớp loại4: hạn chế 4 bậc tự do... thi t kế những hệ thống vừa và nhỏ Hình 1.8: Sơ đồ chân của ATmega32 Một số đặc tính của ATmega32 : + Bộ nhớ 32K (flash) + Bộ nhớ 1024 Byte (EEPROM) + Bộ nhớ 2K (SRAM) + Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A, B, C, D Các chân này đều có chế độ điện trở treo (pull_up resistors) + Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được + Giao tiếp SPI + Giao tiếp I2C + Có 8 kênh ADC... trong một đơn vị thời gian từ đó có thể suy ra được tốc độ quay Dưới đây là một số hình ảnh của encoder quang số và tuong tự: (a) (b) Hình 1.11: Hình dáng và cấu tạo bên trong encoder (a)- Hình dáng trong thực tế, (b)-Cấu tạo của encoder quang Hinh 1.12: Tín hiệu ra của encoder tương đối Hình 1.12 trên là cấu tạo đĩa quay và biểu đồ xung đầu ra của encoder tương đối gồm có 2 xung A và B Hình 1.13: Tín... O W ! XC er O W F- w PD h a n g e Vi e ! XC er PD F- c u -tr a c k c h a n g e Vi e N y c to k lic Phần cảm (phần kích từ- thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rotor, làm cho rotor . theo chủ đề và luật của cuộc thi sáng tạo Robot 2010. Từ luật chơi của cuộc thi, nhóm em gồm hai thành viên thực hiện đề tài Thi t kế, chế tạo Robot tự động tham gia Robocon 2010 có khả. 1.1. Giới thi u chung về Robocon 1.1.1. Giới thi u cuộc thi sáng tạo Robot Robocon, viết tắt của chữ Robot Contest, là cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương hằng năm. Cuộc thi được. GIỚI THI U CHUNG 1 1.1. Giới thi u chung về Robocon 2 1.1.1. Giới thi u cuộc thi sáng tạo Robot 2 1.1.2. Sơ đồ cấu trúc của Robot 2 1.1.3. Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 2 a. Giới thi u