ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài ROBOT rắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: ROBOT RẮN GVHD : SVTH : TP HỒ CHÍ MINH, 202 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: ROBOT RẮN GVHD : SVTH : TP HỒ CHÍ MINH, 202 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I Mục tiêu môn học Lý thuyết thiết kế II Khái quát Robot rắn Ứng dụng đề tài vào thực tế Cách thức chuyển động Mục tiêu đề tài III Đề xuất phương án Phân tích chuyển động 10 Mơ hình hóa 14 Giải thuật điều khiển 18 Lưu đồ giải thuật điều khiển 19 IV 19 Lựa chọn thiết bị cho Robot 19 Bản vẽ khí 25 Sơ đồ nguyên lí 30 Code điều khiển Robot 30 V 31 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 LỜI CẢM ƠN Nhóm lớp A03 xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Minh Tuấn, giảng viên trường ĐH Bách Khoa TP.HCM tận tình hướng dẫn, góp ý để báo cáo nhóm có hướng đắn, giúp nhóm nhận điều cịn thiếu sót hồn thiện nội dung lẫn hình thức đề tài Cảm ơn đến tác giả viết, trang mạng … góp phần cho nhóm hiểu có nhiều thơng tin, liệu cần thiết để hoàn thiện đề tài Qua dự án này, nhóm nhận nhiều thơng tin hữu ích kiến thức thiếu, đồng thời nhận thiếu sót để trở thành người kỹ sư Mặc dù nhóm cố gắng chắn cịn nhiều sai sót chưa khắc phục được, kính mong thầy nhóm khác đóng góp ý kiến, cho lời khuyên để nhóm có thêm kinh nghiệm cho dự án tới Nhóm lớp A03 xin chân thành cảm ơn! Tập thể nhóm thực NỘI DUNG I TỔNG QUAN MÔN HỌC Mục tiêu môn học Môn học giới thiệu thành phần hình thành nên hệ thống Cơ điện tử, phương pháp thiết kế hệ thống điện tử đối tượng cụ thể, ứng dụng cụ thể hệ thống sản phẩm điện tử Các hiểu biết, kỹ cần đạt sau học môn học: ● Kiến thức: Nắm vững thuật ngữ, khái niệm, nguyên lý, yếu tố hình thành hệ thống Cơ điện tử Tiệm cận phương pháp thiết kế “phương pháp thiết kế hệ thống điện tử” ● Kỹ nhận thức: Nhận biết mối liên kết thành phần hệ thống điện tử; ● Kỹ chuyên môn: kỹ phân tích, thiết kế sản phẩm điện tử ● Kỹ chuyển tiếp: áp dụng kiến thức trang bị môn để tiếp cận hệ thống tự động lĩnh vực khác Lý thuyết thiết kế Thuật ngữ “Cơ điện tử” nhắc tới lần kỹ sư người Nhật Bản, ông Tetsuro Mori, vào năm 1969 Tuy nhiên, bắt đầu sử dụng rộng rãi sau tập đồn Yaskawa Electric từ bỏ quyền sở hữu trí tuệ thuật ngữ Theo tiêu chuẩn NF E 01-010 Pháp, “Cơ điện tử” định nghĩa cách khái quát là: “một phương pháp tiếp cận nhằm mục đích tích hợp lúc kỹ thuật khí, điện tử, lý thuyết điều khiển khoa học máy tính thiết kế sản xuất sản phẩm, để cải thiện và/hoặc tối ưu hóa chức nó.” Hình 1: Chân dung ơng Tetsuro Mori Trong thiết kế hệ thống điện tử, kỹ thuật đồng thời sử dụng thay cho kỹ thuật trình tự thiết kế hệ thống khí hay điện khác Sử dụng quan niệm thiết kế brun, cơng việc nhóm chia thành cơng đoạn chính: ● Xây dựng tốn ● Đặt tiêu chuẩn ● Tìm kiếm giải pháp ● Đánh giá lựa chọn giải pháp ● Thực thi Từ cơng việc chia nhỏ phân cơng cho thành viên nhóm sau: HỌ & TÊN MSSV CƠNG VIỆC ĐƯỢC GIAO ĐÁNH GIÁ Nguyễn Hữu Chí 1811618 Mơ phỏng, mơ hình hóa 100% Nguyễn Tiến Chương 1811633 Cơ khí, mơ 100% Nguyễn Hồng Long 1812907 Điện, lập trình 100% Mai Tiến Mạnh 1813042 Cơ khí, lập trình 100% II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI Khái quát Robot rắn Với phát triển nhanh chóng ngành khoa học kỹ thuật đặc thù ngành công nghệ Robot, Mobile Robot thu hút nhiều ý đầu tư nghiên cứu với khả di chuyển linh hoạt vùng hoạt động rộng Hầu hết chế Mobile Robot có bánh xe điều khiển động cơ, cấu tương đối hiệu quả, dễ dàng vận hành điều khiển tốc độ cao địa hình phẳng Tuy nhiên, chúng có hiệu tương đối thấp hoạt động môi trường gồ ghề lầy lội Do vậy, loại Mobile Robot “không bánh xe” tích cực nghiên cứu, điển hình Robot sử dụng chân hay Robot trườn, bò Robot hình rắn Robot hình rắn thiết kế Shigeo Hirose cộng vào năm 1972 biết đến Active Cord Mechanism (ACM) Sau đó, Robot hình rắn thiết kế mắt, tiêu biểu Robot rắn loại lớn việc công nghệ california (1992), Robot rắn Phịng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực NASA (1994) nhiều đề tài khác Gần đây, khả di chuyển địa hình hai chiều, Robot hình rắn cịn phát triển có khả trèo lên hay bơi lội khả thích ứng mơi trường cao Hình 2: Ơng Shigeo Hirose Robot rắn Với khả nằm môn học, mục tiêu đề tài tạo Robot hình rắn có khả di chuyển linh hoạt tích hợp tính khác Mobile Robot không gian hai chiều Ứng dụng đề tài vào thực tế Robot hình rắn thuộc họ Mobile Robot nên có ứng dụng thực tiễn tương đối quen thuộc ứng dụng vào quân dân dụng ● Trong lĩnh vực quân sự: sử dụng Robot để thám, thám hiểm, thâm nhập công địch hay phá hoại… ● Trong lĩnh vực dân sự: sử dụng Robot để kiểm tra, nạo vét đường ống, nội soi y tế, cứu hộ, cứu nạn khẩn cấp hay nghiên cứu môi trường độc hại… Cách thức chuyển động Chuyển động concertina: bao gồm việc neo đầu, kéo thể lên thành cuộn trịn, neo đẩy đầu thân trước phía trước Mặc dù chậm, chuyển động concertina cho phép rắn leo lên thứ di chuyển không gian chật hẹp cách hiệu Chuyển động Serpentine (nhấp nhô bên): hành động 'trườn' phong cách sử dụng phổ biến Nó liên quan đến việc co từ đầu đến đuôi thể lắc lư từ bên sang bên tạo chuyển động hình chữ s cong mà người ta liên tưởng đến loài rắn Phương pháp hoạt động tốt địa hình gồ ghề, nhấp nhô cho phép rắn bám vào đẩy thứ tạo lực đẩy phía trước không thành công bề mặt nhẵn Sự di chuyển Serpentine hoạt động hiệu nước sử dụng rắn biển rắn sống nước, bao gồm nhiều loại rắn mà cạn sử dụng Hình 3: Các cách chuyển động loài rắn Chuyển động slidewinding: bao gồm việc neo đầu đuôi vào chất 'ném' phần thân phía trước sau (theo kiểu súng cao su) đầu đuôi Con rắn sử dụng phần thể neo phép phần thể có tảng để đẩy Sidewinding có hiệu bề mặt nhẵn trơn số loài sống sa mạc sử dụng để di chuyển qua cát qua đụn cát a Mục tiêu đề tài Hoạt động Robot: Robot điều khiển tay qua bluetooth thông qua module bluetooth Robot sử dụng arduino làm mạch điều khiển với khớp chuyển động sử động RC Servo Khả di chuyển Robot: Robot có khả di chuyển mơ mô nhiều dạng chuyển động lồi rắn, nhận biết, phân tích né tránh vật cản dựa cảm biến siêu âm Do đó, tốc độ kiến giới hạn tối đa 0,1 m/s Lưu đồ giải thuật điều khiển START Khởi tạo UART Nhận kí tự thơng qua bluetooth Sai Đúng F Đi thẳng Sai Đúng R Đi lùi Sai Đúng L Rẻ trái Sai Đúng R Rẻ phải STOP END Hình 17: Lưu đồ giải thuật Robot Rắn IV THIẾT KẾ CHI TIẾT Lựa chọn thiết bị cho Robot Ổ lăn đoạn nối khớp nhóm chọn sau: 19 Hình 18: Ổ lăn Thơng số kỹ thuật: ● Chất liệu: Hợp kim chống rỉ ● Kích thước: D = 10 mm, d = mm, B = mm Nhóm chọn motor servo SG90s kích thước nhỏ gọn, động có tốc độ phản ứng nhanh, tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay phương pháp điều độ rộng xung PWM Hình 19: Động servo SG90 Thông số kỹ thuật: ● Điện áp hoạt động: 4.8 – VDC ● Tốc độ: 0.12 sec/ 60 degrees (4.8VDC) ● Lực kéo: 1.6KG.CM ● Kích thước: 21x12x22mm 20 ● Trọng lượng: 9g Với arduino, nhóm tận dụng nguồn lực có sẵn Arduino MEGA 2560 Hình 20: Arduino MEGA 2560 Thơng số kỹ thuật: ● Vi điều khiển chính: ATmega2560 ● IC nạp giao tiếp UART: ATmega16U2 ● Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB nguồn ngồi cắm từ giắc trịn DC ● Số chân Digital I/O: 54 (trong 15 chân có khả xuất xung PWM) ● Số chân Analog Input: 16 ● Dòng điện DC Current chân I/O: 20mA ● Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA ● Flash Memory: 256 KB KB sử dụng cho bootloader ● SRAM: KB ● EEPROM: KB ● Clock Speed: 16 MHz 21 ● LED_BUILTIN: 13 ● Kích thước: 101.52 x 53.3 mm Và Arduino UNO R3 phương án dự phịng Hình 21: Arduino UNO R3 Thơng số kỹ thuật: ● Chip điều khiển chính: ATmega328P ● Chip nạp giao tiếp UART: ATmega16U2 ● Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB nguồn ngồi cắm từ giắc tròn DC ● Số chân Digital I/O: 14 (trong chân có khả xuất xung PWM) ● Số chân PWM Digital I/O: ● Số chân Analog Input: ● Dòng điện DC Current chân I/O: 20 mA ● Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA ● Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader ● SRAM: KB (ATmega328P) ● EEPROM: KB (ATmega328P) 22 ● Clock Speed: 16 MHz ● LED_BUILTIN: 13 ● Kích thước: 68.6 x 53.4 mm Về giao tiếp bluetooth, nhóm sử dụng module thu phát Bluetooth HC-06 Hình 22: Module thu phát Bluetooth HC-06 Thơng số kỹ thuật: ● Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC ● Điện áp giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC 5VDC ● Baudrate UART chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 ● Dải tần sóng hoạt động: Bluetooth 2.4GHz ● Sử dụng CSR mainstream bluetooth chip, bluetooth V2.0 protocol standards ● Dòng điện hoạt động: Pairing 30 mA, sau pairing hoạt động truyền nhận bình thường mA ● Kích thước module chính: 28 mm x 15 mm x 2.35 mm Về nguồn cấp cho Robot, nhóm sử dụng pin cell 4.2 V 4200 mAh 23 Hình 23: Pin cell Ngồi cịn có phận khác: Hình 24: Đế pin Hình 25: Dây nối 24 Hình 26: Bánh xe Hình 27: Trục bánh xe Bản vẽ khí 2.1 Bản vẽ lắp 2.2 Bản vẽ chi tiết 25 26 27 28 29 Sơ đồ nguyên lí Code điều khiển Robot 30 V TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM Mơ hình hồn chỉnh Hình 28: Mơ hình Robot Rắn Đánh giá kết thực nghiệm - Mơ hình chạy nhiên chưa mong muốn chưa tối ưu phần điều khiển - Chưa thể thu nhận thông tin mục tiêu đề 31 KẾT LUẬN Sau học kì tìm hiểu thực hiện, môn học thiết kế hệ thống điện tử giúp nhóm có nhìn tổng quan hơn, sâu sắc ngành học Qua giúp nhóm hiểu rõ chế vận hành, trình thiết kế cách thức điều khiển hệ thống điện tử Mặc dù kết không mong đợi, song với đề tài “ROBOT RẮN”, nhóm tích lũy thêm nhiều kiến thức, đúc kết kinh nghiệm từ hoạt động thực tiễn, phương pháp làm việc nhóm tác phong chuyên nghiệp người kỹ sư 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M SAITO, M FUKAYA AND T IWASAKI (2002), Serpentine locomotion with robotic snake, IEEE Control Systems Magazine, vol.22, No.1, pp.64-81 [2] P PRAUTSCH, T MITA, AND T IWASAKI (2000), Analysis and control of a gait of snake robot, Transactions of IEEJ, Industry Applications Society, vol.120-D, No.3, pp.372-381 [3] Y SHAN AND Y KOREN (1993), Design and motion planning of a mechanical snake, IEEE Trans Sys Man Cyb., vol.23, no.4, pp.1091–1100 [4] M NILSSON (1998), Snake robot free climbing, IEEE Control Systems Magazine, vol.18, no.1, pp.21–26 [5] Lacy Perry, How snakes work, How stuff works 33 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: ROBOT RẮN GVHD : SVTH... thành hệ thống Cơ điện tử Tiệm cận phương pháp thiết kế “phương pháp thiết kế hệ thống điện tử? ?? ● Kỹ nhận thức: Nhận biết mối liên kết thành phần hệ thống điện tử; ● Kỹ chuyên môn: kỹ phân tích, thiết. .. dự án tới Nhóm lớp A03 xin chân thành cảm ơn! Tập thể nhóm thực NỘI DUNG I TỔNG QUAN MÔN HỌC Mục tiêu môn học Môn học giới thiệu thành phần hình thành nên hệ thống Cơ điện tử, phương pháp thiết