Nghiên cứu và chế tạo rô bốt tự động di chuyển bằng 4 chân luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG  NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO RÔ BỐT TỰ ĐỘNG DI CHUYỂN BẰNG CHÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đồng Nai - Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG  NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO RÔ BỐT TỰ ĐỘNG DI CHUYỂN BẰNG CHÂN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 852.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Đồng Nai - Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt nghiên cứu này, ngồi nỗ lực thân, tác giả cịn nhận quan tâm, giúp đỡ nhiều người Với tất chân thành, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến: - Ban Giám Hiệu tồn thể Thầy, Cơ Khoa Sau đại học, Khoa Cơ điện – Điện tử Trường Đại học Lạc Hồng hết lòng truyền đạt kiến thức sâu rộng cho tác giả suốt trình học cao học trường - Tiến sĩ – Giảng viên hướng dẫn đề tài – trực tiếp hướng dẫn tận tình có ý kiến đóng góp quý báu để tác giả hồn thành nghiên cứu tốt - Các tác giả tập thể cá nhân tài liệu tham khảo giúp tác giả có kiến thức tảng cần thiết tiết kiệm nhiều thời gian trình thực đề tài - Và cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè động viên, đóng góp ý kiến, giúp đỡ tác giả giai đoạn Tuy có nhiều cố gắng khơng thể tránh khỏi thiết sót Tác giả xin chân thành đón nhận bảo, đóng góp ý kiến quý báu q thầy để đề tài hồn thiện Xin kính chúc Q thầy dồi sức khỏe để ln truyền dạy cho hệ sau kiến thức bổ ích Đồng Nai, ngày 12 tháng 12 năm 2019 Tác giả LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn hồn tồn hình hành phát triển từ quan điểm cá nhân tác giả, hướng dẫn khoa học TS Lê Phương Trường Các số liệu kết có luận văn hoàn toàn trung thực Đồng Nai, ngày 12 tháng 12 năm 2019 Tác giả TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài trình bày phương pháp thiết kế thi công rô bốt tự động di chuyển chân, Rơ bốt có khả đi, chạy, nhảy thú cưng Rô bốt điều khiển phần cứng ARM STM32F4 chạy hệ điều hành nhúng thời gian thực RTOS với nhiều ưu điểm, hỗ trợ nhiều kiến trúc vi điều khiển khác nhau, viết ngơn ngữ C sử dụng, phát triển với nhiều trình biên dịch C khác (OpenWatcom, IAR, Eclipse, Keil, …), cho phép không giới hạn tác vụ chạy đồng thời, không hạn chế quyền ưu tiên thực thi, khả khai thác phần cứng, giúp cho việc điều khiển Rô bốt thuận lợi, tăng khả linh hoạt cho rô bốt Với việc xây dựng mơ hình rơ bốt chân thuật tốn điều khiển góc hướng cho rơ bốt khả di chuyển hướng mặt phẳng Thông qua đề tài “nghiên cứu chế tạo rô bốt tự động di chuyển chân” tác giả đưa cách thiết kế xây dựng thuật toán điều khiển rơ bốt chân cách xác đơn giản Từ kết thu được, phương trình chỉnh hướng rơ bốt chân, thuật tốn quản lý bước di chuyển hướng rô bốt, rô bốt hoạt động u cầu, góc lệch cịn tồn ±2 độ, bước di chuyển linh hoạt Từ khóa: robocon2019lh, rơ bốt chân, rơ bốt ngựa, rơ bốt chó… MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .3 1.1 Tình hình nghiên cứu nước .3 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Nghiên cứu rô bốt chân Trường đại học 1.2.2 Rô bốt thương mại CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MƠ HÌNH RƠ BỐT DI CHUYỂN CHÂN 2.1 Mô tả hệ thống 2.2 Thiết kế chế tạo phần khí 2.2.1 Lựa chọ vật liệu chế tạo rô bốt 2.2.2 Thiết kế chân rô bôt 2.2.3 Lựa chọ động .10 2.2.4 Thiết kế khớp chân 11 2.3 Thiết kế chế tạo phần điều khiển .12 2.3.1 Mạch điều khiển – STM32F407 MCU 12 2.3.2 Mạch điều khiển động 18 2.3.3 Lựa chọn biến trở .20 2.3.4 Cảm biến phản hồi góc rơ bốt IMU 21 2.4 Rô bốt di chuyển chân chế tạo thực tế 24 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA RÔ BỐT CHÂN 25 3.1 Xây dựng quỹ đạo chuyển động rô bốt 25 3.1.1 Xây dựng quỹ đạo chuyển động chân 25 3.1.2 Nguyên lý hoạt động chân .25 3.1.3 Lưu đồ thuật tốn di chuyển chân rơ bốt .26 3.2 Xây dựng quỹ đạo chuyển động chân 27 3.2.1 Xây dựng ma trận góc chân rô bốt di chuyển chân .27 3.2.2 Lưu đồ thuật tốn rơ bốt di chuyển chân .28 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 4.1 Thiết đặt thực nghiệm 30 4.2 Phân tích kết 31 4.2.1 Xét thực nghiệm 1: 31 4.2.2 Xét thực nghiệm 2: 37 4.2.3 Xét thực nghiệm 3: 41 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt ABU ARM Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Asia-Pacific Broadcasting Hiệp hội phát thanh-truyền hình Châu ÁUnion Thái Bình Dương Kiến trúc RISC cho vi xử lý máy tính (RISC: Reduced Instructions Advanced RISC Machine Set Coputer: máy tính với tập lệnh đơn giản hoá ) DC Direct Current Điện chiều LCD Liquid Crystal Display Công nghệ hình tinh thể lỏng PWM Pulse-Width Modulation Proportional Integral Derivative Robot Contest Điều chế độ rộng xung PID Robocon Bộ điều khiển vịng kín Cuộc thi sáng tạo Robot DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh số vật liệu thông dụng Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật hộp số planet 11 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật ARM STM32F407VET6 .13 Bảng 2.4: Thông số mạch điều khiển động 18 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật GY-521 MPU-6050 22 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cơ cấu theo kiểu cua bò ngang Hình 1.2: Cơ cấu theo kiểu sâu đo Hình 1.3: Cơ cấu theo kiểu xe tăng .4 Hình 1.4: Cơ cấu theo kiểu chân Hình 1.5: Cơ cấu theo kiểu chân chọn để nghiên cứu .5 Hình 1.6: Rô bôt chân Trường Đại học Pennsylvania, Philadelphia, Mỹ Hình 1.7: Cơ cấu theo kiểu ếch chân Nhật Bản Hình 1.8: Cơ cấu theo kiểu chân Trung Quốc Hình 1.9: Cơ cấu theo kiểu chân Mỹ Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển rơ bốt chân Hình 2.2: Rô bốt thiết kế phần mềm SolidWorks 2019 Hình 2.3: Hình động DC Planet 10 Hình 2.4: Hộp số Planet 11 Hình 2.5: Khớp quay bạc đạn 12 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch 14 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý khối LCD20x4 kết nối với STM32F407VET6 15 Hình 2.8: Sơ đồ khối chân chip ARM STM32F407VET6 15 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung reset cho STM32F407VET6 16 Hình 2.10: Khối chân Uart, Encoder, cổng nạp Jlink PWM 16 Hình 2.11: Hình mạch chủ STM32F407VET6 Altium Designer 17 Hình 2.12: Hình thực tế mạch chủ STM32F4 17 Hình 2.13: Hình 3D mạch driver ảnh thực tế .18 Hình 2.14: Mơ tả giao diện phần mêm giao tiếp máy tính 19 Hình 2.15: Thơng số cài đặt mạch driver 20 Hình 2.16: Biến trở Copal J05S 1KΩ .21 Hình 2.17: Module cảm biến góc MPU-6050 22 Hình 2.18: Mạch cảm biến góc IMU sử dụng module GY-521 chíp STM32F103C8T6 .23 Hình 2.19: Hình ảnh Rơ bốt thiết kế phần mềm Solidworks 2019 24 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG  NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO RÔ BỐT TỰ ĐỘNG DI CHUYỂN BẰNG CHÂN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 852.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI... IMU 21 2 .4 Rô bốt di chuyển chân chế tạo thực tế 24 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA RÔ BỐT CHÂN 25 3.1 Xây dựng quỹ đạo chuyển động rô bốt 25 3.1.1... thỏa sức sáng tạo năm với vấn đề khơng lập lại Chính ngun nhân trên, tác giả định chọn đề tài nghiên cứu “NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO RÔ BỐT TỰ ĐỘNG DI CHUYỂN BẰNG CHÂN” Đề tài nghiên cứu hồn thành