GIỚI THIỆU
Yêu cầu đối với thiết bị
Cách làm việc trước đây
Các trận đấu quần vợt chuyên nghiệp có thể kéo dài tới 3 giờ, thường có ít hơn
Trong các trận đấu sức bền, thời gian nghỉ giữa các hiệp chỉ kéo dài 10 phút, điều này khiến việc tập luyện trở nên khó khăn nếu không có bạn tập có kỹ năng Để khắc phục vấn đề này, nhiều tay vợt đã sử dụng máy phóng bóng tennis tự động trong nhiều thập kỷ qua, giúp họ có thể luyện tập một cách hiệu quả mà không cần người hỗ trợ.
Một nghiên cứu cho thấy, máy đánh bóng tự động với 100 quả bóng tennis có khả năng phát bóng với tốc độ trung bình 10 quả bóng mỗi 29 giây Điều này dẫn đến việc máy đánh bóng tennis có thể hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian nhất định trước khi cần nạp lại.
Vận động viên quần vợt chỉ có thể sử dụng máy đánh bóng tự động trong tối đa 4 phút 50 giây Sau thời gian này, họ cần dừng lại để thu thập tất cả các quả bóng trên sân bằng một rổ xếp hàng dưới, theo quy trình tiêu chuẩn của quần vợt Công việc này rất tốn sức và thường bị những người chơi đam mê xem nhẹ Thời gian để hoàn tất việc nhặt bóng sau khi sử dụng máy đánh bóng có thể lên tới hơn hai phút.
Sử dụng công nghệ hiện tại, người chơi tennis dành khoảng 35% tổng thời gian để thu thập bóng thay vì tập luyện Đây là một tỷ lệ thời gian lớn và cần được cải thiện để mô phỏng chính xác hơn một trận đấu quần vợt.
1.2 Yêu cầu đối với thiết bị
Giải pháp này nhằm cải thiện trải nghiệm luyện tập cá nhân bằng cách tự động thu thập các quả bóng lạc trong môi trường tập luyện và trả lại chúng cho người dùng hoặc vị trí mong muốn Hệ thống cần có tính di động cao và giảm thiểu nhu cầu thu thập thủ công sau mỗi buổi tập.
Các ràng buộc sau đây thể hiện các yêu cầu nghiêm ngặt mà bất kỳ giải pháp tiềm năng nào cũng phải đạt được:
- Giải pháp phải giảm thời gian chết trong huấn luyện quần vợt một mình.
- Giải pháp phải có thể chạy bằng nguồn bên trong (pin trên bo mạch).
- Giải pháp phải có khả năng đưa bóng quần vợt đứng yên trở lại thiết bị phóng.
- Giải pháp không bị phá hủy khi bị đánh trả lại bởi các quả bóng tennis.
Các mục tiêu dưới đây được điều chỉnh từ các mục tiêu ban đầu của đề tài, nhằm đảm bảo rằng thiết kế cuối cùng sẽ đạt được hiệu quả tối ưu nhất.
- Giảm 75% thời gian chết của thiết bị.
- Giải pháp sẽ có tính di động phù hợp.
- 1 giờ mà không cần nguồn điện bên ngoài.
- Tỷ lệ thu hồi bóng > 80%.
- Độ bền - Có thể bị đánh bởi một quả bóng tennis.
1.3 Cách làm việc trước đây
Năm giải pháp tiềm năng đã được xem xét để nghiên cứu:
Thu gom bóng bằng tay do người điều khiển
Giải pháp này yêu cầu người dùng tạm dừng buổi tập để thu thập bóng và đưa chúng trở lại thiết bị phóng Mặc dù giải pháp này có lợi thế về chi phí và tính di động, nhưng lại kém hiệu quả về tốc độ.
Hình 1.1: Thu gom bóng bằng tay do con người điều khiển
Sân quần vợt tăng cường
Sân quần vợt tăng cường hoạt động bằng cách điều chỉnh độ cao của sân, tập trung các quả bóng vào một điểm chung duy nhất Hệ thống này thường sử dụng băng tải để tự động vận chuyển bóng trở lại thiết bị phóng, giúp tăng tốc độ tập luyện Tuy nhiên, giải pháp này có hạn chế về tính di động và khả năng tương thích của khu vực, vì nó phải được tích hợp sẵn trong khu vực và không thể chuyển giao ngay cho các khu vực khác.
Hình 1.2: Sân quần vợt tăng cường
Hệ thống hút chân không và băng tải
Hệ thống chân không và băng tải hoạt động như một phiên bản di động của sân quần vợt tăng cường, với quạt thổi tất cả các quả bóng về một góc duy nhất Tại đây, các quả bóng sẽ lăn lên băng tải ngắn để được vận chuyển trở lại thiết bị phóng.
Robot tự động điều khiển đường đi
Robot tự động điều khiển đường đi là một thiết bị được lập trình để quét khu vực sân bóng theo mô hình cố định Sau khi hoàn thành chu kỳ quét, robot sẽ thu gom các quả bóng và đưa chúng vào phễu của thiết bị phóng, sau đó lặp lại quy trình này Giải pháp này nổi bật với tính di động cao và khả năng tương thích tốt với các khu vực sân bóng.
Thu bóng Sân quần Hệ thống Robot tự bằng tay do con người điều khiển vợt tăng cường hút chân không và băng tải động điều khiển đường đi
Tốc độ x x x Độ tin cậy x x x x
Tính di động x x Độ tương thích x x Độ tương thích với chương trình hoạt động x x
Bảng 1.1:Bảng đánh giá các phương pháp
Giải pháp tối ưu cho việc tìm bóng được xác định là Robot tự tìm bóng, với khả năng cao trong việc tuân thủ các tiêu chí và đạt được các mục tiêu đã đề ra.
Robot tìm kiếm bóng tự động sử dụng cơ chế nhặt bóng để thu gom bóng từ sàn sân tennis và đưa chúng vào khu vực lưu trữ Bảng đánh giá so sánh các cơ chế nhặt bóng được trình bày trong phần phụ lục của báo cáo, trong khi mô tả chi tiết về cơ chế đã chọn có trong chương 2.
Robot sử dụng hệ thống định vị để xác định vị trí của mình so với các đối tượng trên sân bóng như tường, bóng, lưới và trạm đổ bóng Tuy nhiên, các phương tiện vận chuyển bóng từ sân đến phễu của thiết bị phóng bóng không được đề cập trong báo cáo này Ngoài ra, robot còn có cơ chế đổ bóng giúp nó dỡ các quả bóng được lưu trữ vào trạm đổ.
TÀI LIỆU TỔNG QUAN
Phân tích cơ học
2.1.1.1 Phương pháp mái chèo 2.1.1.2 Phương pháp Velcro 2.1.1.3 Bánh xe thu thập bóng 2.1.1.4 Tomohopper
Phân tích phần mềm
2.2.1 Hoạt động của robot phóng và thu gom bóng tennis tự động
2.2.2 Sơ đồ khối hệ thống
2.2.3 Lựa chọn thuộc tính và thông số
2.2.4 Kĩ thuật xử lý hình ảnh
2.2.4.1 Bộ lọc hình ảnh 2.2.4.2 Phát hiện cạnh
2.2.6 Định vị vị trí đối tượng
2.2.7 Hệ thống thu nhận hình ảnh
2.2.9 Tìm thuộc tính vùng của đối tượng
2.2.10 Tổng quan về chương trình
Mô tả thành phần
2.3.7 Mạch điều khiển động cơ Servo 200W
2.3.8 Mạch giảm áp DC – DC Buck 5V 3A Dual Charge Module
2.3.10 Mạch điều khiển động cơ
Bánh xe mái chèo, còn gọi là bánh xe nước hay bánh công tác, là loại bánh xe có cánh khuấy được lắp đặt xung quanh viền Loại bánh xe này có nhiều ứng dụng quan trọng trong các hệ thống thủy lực và công nghiệp.
- Bơm nước ở độ cao rất thấp, chẳng hạn như làm ngập ruộng lúa ở độ cao không quá 0,5 m so với nguồn nước.
- Di chuyển và trộn tảo trong ao mương dùng để nuôi thả.
- Lực đẩy của tàu nước (như một bánh guồng).
- Thủy điện thấp (như một guồng nước).
Hình 2.1: Phương pháp mái chèo
Bánh xe Velcro là gồm 2 dải băng: hai dải vải thẳng hàng (hoặc, cách khác,
Bánh xe Velcro là một giải pháp hiệu quả để gắn chặt hai bề mặt đối diện, với một phần chứa các móc nhỏ và phần kia có các vòng nhỏ hơn Khi hai phần này được ép lại với nhau, các móc sẽ bám vào các vòng, tạo ra sự kết nối chắc chắn hoặc tạm thời Khi cần tách rời, chỉ cần kéo hai bề mặt ra, sẽ phát ra âm thanh "tách" đặc trưng Ngoài ra, bánh xe Velcro còn hữu ích trong việc nhặt các vật dụng từ mặt đất thông qua cơ chế lăn.
2.1.1.3 Bánh xe thu thập bóng
Bánh xe gom bóng được thiết kế như một thùng chứa rộng rãi, giúp dễ dàng thu gom bóng tennis Khi lăn trên mặt đất, thiết bị này tự động hút bóng vào bên trong rổ Việc mở giỏ và lấy bóng ra cũng rất đơn giản và thuận tiện.
Hình 2.3: Bánh xe thu thập bóng
Máy Tomohopper gắp 90 quả bóng một cách nhanh chóng và trơn tru, không gây ồn ào Sau khi gắp xong, giỏ có thể treo trên tay cầm, giúp người dùng dễ dàng mang theo và chuẩn bị về nhà Thiết kế gọn nhẹ của máy cho phép nó được gấp lại thành một khối nhỏ, vừa vặn với ghế sau xe ô tô Dù bạn là vận động viên chuyên nghiệp hay chỉ là người đam mê luyện tập tennis, Tomohopper là lựa chọn thông minh và dễ sử dụng.
- Thu thập lên đến 90 quả bóng trong vài phút.
- Cánh tay thu gom dang rộng 42 inch để thu thập hiệu quả tại lưới và hàng rào.
- Cánh tay có thể khóa và tháo rời dễ dàng để sử dụng nhanh chóng và bảo quản dễ dàng.
- Tay cầm bóng tăng gấp đôi như một giá đỡ bóng.
- Bánh xe không vạch dấu cho tất cả các bề mặt sân, tay đòn có thể tháo rời.
2.1.1.5 Chọn cơ chế Ưu điểm của robot so với những loại khác:
Robot tự động thu gom bóng quần vợt sau mỗi trận đấu, giúp tiết kiệm năng lượng cho người chơi Quá trình này diễn ra cho đến khi sân tennis hoàn toàn sạch sẽ hoặc rổ bóng được lấp đầy, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho các trận đấu.
Rổ đựng bóng tennis không cần phải có kích thước cố định; nhóm có thể linh hoạt điều chỉnh kích thước của rổ miễn là nó đủ lớn để chứa bóng tennis bên trong.
Robot có khả năng nhặt tới 60 quả bóng tennis cùng lúc, vượt trội hơn con người trong hiệu suất làm việc Nhờ vào khả năng này, robot giúp tiết kiệm thời gian cho chúng ta, cho phép chúng ta thực hiện các công việc khác trong khi chờ robot hoàn thành nhiệm vụ nhặt bóng.
2.1.2 Mô tả cơ chế Đầu tiên, khi robot phát hiện ra quả bóng, nó sẽ tiếp tục chạy cho đến khi quả bóng lọt vào vòng tay rộng của robot.
Khi đó, quả bóng quần vợt gặp hai động cơ đang quay theo hai hướng khác nhau để tạo thành một lực đẩy quả bóng quần vợt lên rổ.
Cuối cùng, khi hộp bóng tennis đạt đến giới hạn, động cơ sẽ ngừng quay và robot sẽ gửi tín hiệu để thông báo cho người dùng.
2.2.1 Hoạt động của robot phóng và thu gom bóng tennis tự động
Robot thu và phóng bóng tennis thường được lập trình từ một số hệ thống con, mỗi hệ thống có thể được kích hoạt riêng biệt hoặc đồng thời tùy thuộc vào lệnh nhận được từ người dùng và chế độ hoạt động của robot Hệ thống điều hướng và kiểm soát chuyển động của robot đóng vai trò quan trọng trong việc di chuyển tới mục tiêu Khi hệ thống thu thập bóng được kích hoạt, hệ thống nhận dạng đối tượng sẽ quét tìm vị trí của các đối tượng mục tiêu và cung cấp dữ liệu cho hệ thống điều hướng, giúp robot di chuyển chính xác đến vị trí cần thiết.
Thị giác máy tính kết hợp với hệ thống thu thập bóng quần vợt tạo ra một robot thông minh, nâng cao độ chính xác và tối ưu hóa quá trình thu thập bóng Hệ thống nhận dạng bóng cho phép robot xác định vị trí của bóng một cách nhanh chóng, từ đó đưa ra quyết định hiệu quả về đường đi Bên cạnh đó, hệ thống này còn giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách chỉ kích hoạt khi có bóng gần, góp phần giảm thiểu lãng phí năng lượng.
2.2.2 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.5: Lưu đồ phân đoạn hình ảnh
Khi hệ thống được kích hoạt, chế độ phân đoạn hình ảnh được chọn và nếu chế độ thu thập bóng được kích hoạt, hệ thống sẽ nhận diện bóng, chụp ảnh và xử lý Sau khi xác định vị trí và khoảng cách của các quả bóng, dữ liệu sẽ được gửi tới hệ thống điều hướng robot để hướng dẫn robot đến mục tiêu và kích hoạt thu thập bóng Nếu không tìm thấy bóng, hệ thống sẽ quay robot 45 độ và bắt đầu lại quá trình; nếu không phát hiện bóng sau 5 lần, hệ thống sẽ tự động tắt.
2.2.3 Lựa chọn thuộc tính và thông số Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có hai giá trị là 0 và 1 Ảnh nhị phân yêu cầu bộ nhớ nhỏ hơn so với ảnh màu Nói cách khác, yêu cầu bộ nhớ nhỏ cho phép thời gian thực thi nhanh hơn và ít tốn kém hơn về mặt tính toán Do đó, hình ảnh nhị phân thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp lớn như ứng dụng hình ảnh y tế và máy quay video an ninh Tuy nhiên, những hạn chế của ảnh nhị phân đã hạn chế ứng dụng của chúng trong một số lĩnh vực nhất định.
2.2.4 Kĩ thuật xử lý ảnh
Xử lý trước ảnh là bước thiết yếu trong quy trình xử lý ảnh, giúp giữ lại các điểm ảnh quan trọng và loại bỏ những điểm không liên quan Trong giai đoạn này, các kỹ thuật như bộ lọc Gaussian và phát hiện cạnh Canny được áp dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh.
Bộ lọc Trung vị (Median filter) hiệu quả trong việc loại bỏ nhiễu hạt mà vẫn giữ lại các cạnh sắc nét của hình ảnh Trong khi đó, Bộ lọc Gaussian rất phù hợp để loại bỏ nhiễu Gaussian, loại nhiễu gây ra biến thể cường độ lớn trong hình ảnh Kỹ thuật lọc Gaussian, không có nhược điểm động so với ảnh đích, sẽ được xem xét trong ứng dụng này.
Bộ lọc Trung bình không phù hợp với dự án này vì nó làm mờ hình ảnh và loại bỏ các cạnh sắc nét bằng cách phân phối đồng đều giá trị cường độ của hình ảnh, khiến nó không lý tưởng cho việc phát hiện cạnh ở giai đoạn sau Do đó, bộ lọc Gaussian đã được lựa chọn để thay thế.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Sơ đồ khối
Mô tả vận hành
3.3.1 Tính toán và lựa chọn
3.3.1.1 Lực và công suất 3.3.1.2 Tính toán và lựa chọn động cơ DC Servo 3.3.1.3 Tính toán và lựa chộn động cơ phóng bóng
3.3.3.1 Thiết kế hệ thống truyền động 3.3.3.2 Thiết kế định hướng và thu gom bóng tennis
Thiết kế hệ thống điện
Thiết kế điều khiển
3.5.3 Mô hình động học của hệ thống
Nhận, phân tích và triển khai tín hiệu từ máy ảnh, động cơ Servo, trình điều khiển động cơ.
Tìm quả bóng tennis, sau đó gửi hình ảnh đến Raspberry. Điều khiển 2 động cơ Servo.
Cấp nguồn cho toàn hệ thống(MCU, động cơ Servo, động cơ thu gom, bộ điều khiển động cơ, camera).
Thu thập bóng tennis vào hộp đựng bóng.
Di chuyển robot đến vị trí của quả bóng tennis.
Servo Động cơ thu gom
Khi robot phát hiện quả bóng tennis, máy ảnh sẽ ghi nhận hình ảnh và Raspberry Pi sẽ xử lý thông tin, gửi tín hiệu đến Arduino Mega Arduino Mega tiếp theo sẽ điều khiển hai động cơ Servo thông qua xung PWM, giúp robot di chuyển đến vị trí của quả bóng Khi robot tiếp cận bóng, động cơ phóng bóng sẽ hoạt động, đẩy quả bóng vào hộp chứa phía sau.
3.3.1 Tính toán và lựa chọn
Sức cản không khí Động lực Phản lực Trọng lượng Lực ma sát
Hình 3.2: Phân tích lực của robot
Hai lực tác động đến sự vận hành robot là lực cản và lực ma sát Công thức tính lực cản là:
Trong đó, Fd: Lực kéo; Cd: Hệ số kéo; A: Diện tích mặt trước; v: Vận tốc của robot; ȡ: Khối lượng riêng của không khí = 1,2 (kg/m3)
Bên cạnh đó, lực ma sát của robot là:
Trong đó, W: Tổng trọng lượng của robot; Crr: Lực ma sát lăn của bánh xe.Tổng lực cản trở: Fre= Fd+ Fr= 0,1504 (N)
Hai lực trên không ảnh hưởng nhiều đến mô-men của động cơ dù cho robot hoạt động trên sân bê tông.
3.3.1.2 Tính toán và lựa chọn động cơ DC Servo
Robot yêu cầu động cơ với tốc độ trung bình khoảng 0,60 m/s và mô-men xoắn phù hợp Trọng lượng của robot không có bóng tennis là khoảng 5 kg, trong khi 70 quả bóng tennis có trọng lượng là 4 kg.
Do đó, hai động cơ cần tạo ra một lực đủ để mang trọng lượng là 90 N. Bán kính bánh xe là r = 0,05 (m).
Mô-men xoắn cần thiết cho một động cơ:
Tốc độ v = 0,60 (m/s), chu vi bánh xe p = πd = 0,1π = 0.314 (m).
1 (rpm) = p/60 (m/s) = 0,1π/60 (m/s). Để chạy với vận tốc là 0,60 (m/s) thì tốc độ ít nhất của động cơ: n = 150 (rpm).
Công suất cần thiết ít nhất:
P = (n*T)/(9,55*10 6 ) = (150*2250)/(9,55*10 6 ) = 0.,03534 kW = 35,34 W Chọn động cơ 468 vòng/phút:
Hình 3.3: Động cơ DC Servo Với các thông số kĩ thuật sau:
+ Điện áp định mức: 12 – 24VDC
+ Tốc độ động cơ: 9000rpm + Tốc độ hộp số: 468 rpm + Mô-men: 15 kgf.cm + Hộp giảm tốc: 19,2:1 + Encoder: Cảm biến Hall 2 kênh A, B 13 pulses
3.3.1.3 Tính toán và lựa chọn động cơ phóng bóng
Trong thiết kế, động cơ phụ được nghiêng 25 độ để đạt góc bắn 65 độ với chiều dài 0.2 m Robot di chuyển với tốc độ trung bình 0.3 m/s khi tiếp cận bóng có khối lượng 57.7 g.
Phân tích lực và tốc độ bắn của bóng được thể hiện qua phương trình bảo toàn năng lượng: ẵm1v12 + ẵm2v22 = ẵmgh Trong đó, v1 đại diện cho tốc độ quay của động cơ, v2 là tốc độ của robot, m1 là khối lượng quả bóng tennis, m2 là khối lượng của robot, và m là tổng trọng lượng của hệ thống.
Do đó, tốc độ quay v1 = 0,94 (m/s) Quả cầu ném có chu vi p = πd = 0,06π 0,188 (m) và khối lượng 0,2 (kg).
Chuyển động với vận tốc là 0,3 (m/s) thì số vòng quay n = 299 (rpm).
Vậy, tốc độ yêu cầu của động cơ tối thiểu là 299rpm.
Mô-men xoắn cần thiết cho một động cơ:
F bao gồm 2 (N) của ném bóng và 2 (N) của áp lực bóng.
Vậy công suất của động cơ là:
P = (n*T)/(9,55*10 6 ) = (299*60)/(9,55*10 6 ) = 1,8 (W) Để đáp ứng tất cả các yêu cầu, nhóm thực hiện đã chọn động cơ GA25 370 12V
Hình 3.5: Động cơ phóng bóng Với các thông số kĩ thuật sau:
+ Điện áp định mức: 6 – 18VDC
+ Dòng điện không tải: 50mA
+ Tốc độ hộp số: 620rpm
3.3.3.1 Thiết kế hệ thống truyền động
Cơ cấu truyền động chính:
Hình 3.9: Cơ cấu truyền động chính
- Vị trí: 1/3 khung trước của robot
- Công dụng: giúp robot di chuyển đến quả bóng tennis.
Nguyên lý hoạt động của robot là khi bóng tennis lọt vào tầm nhìn, hai động cơ điện một chiều sẽ khởi động và điều khiển hai bánh xe ở hai bên di chuyển đến vị trí của bóng.
Cơ cấu truyền động thứ cấp
Hình 3.10: Cơ cấu truyền động thứ cấp
+ Hai bánh xe lớn đa hướng:
- Vị trí: Đặt ở phía sau Robot.
- Công dụng: Di chuyển robot và tăng lực đỡ trọng lượng của hộp bóng Tennis.
- Nguyên lý: Khi Robot có nhiều bóng, hai bánh xe nhỏ đa hướng sẽ tăng lực đỡ trọng lượng của hộp bóng Tennis.
3.3.3.2 Thiết kế cơ chế định hướng và thu gom bóng tennis
Cơ chế định hướng bóng
Hình 3.11: Cơ chế định hướng bóng
- Vị trí: Đặt ở phía trước của robot và tiếp xúc với mặt đất.
- Công dụng: Dẫn bóng vào khối nhặt bóng.
- Nguyên lý: Khi robot di chuyển đến vị trí của quả bóng, hai cánh tay rộng sẽ dẫn quả bóng vào giữa để nhặt bóng.
Cơ chế thu gom bóng
- Vị trí: Đặt vào đuôi khối định hướng và nghiêng 30 độ.
- Công dụng: Bắn bóng vào hộp đựng bóng tennis.
Nguyên lý hoạt động của robot là khi hai càng được mở rộng để dẫn bóng, động cơ sẽ bắt đầu lăn ngược lại, từ đó bắn bóng tennis vào hộp chứa bóng.
6 Bánh xe đa hướng lớn 2
10 Giá đỡ động cơ phóng bóng 2
Bảng 3.1: Danh sách bộ phận
Bước 1: Lắp ráp khung robot
Có 2 loại khớp để nối các thanh nhôm lại với nhau giúp tạo hình cho robot là khớp chìm và khớp nổi.
Khớp chìm là một giải pháp hiệu quả để kết nối các thanh trong robot, giúp tạo không gian cho các bộ phận khác Với khả năng chịu lực nhẹ, khớp chìm góp phần làm cho cơ khí của robot trở nên gọn gàng hơn.
Khớp nổi được sử dụng để tạo liên kết giữa các thanh chịu nhiều lực giúp khung của Robot chạy hiệu quả.
Bước 2: Lắp ráp bánh xe đa hướng
Nhóm thực hiện đã lắp đặt bánh xe đa hướng lớn bằng cách sử dụng 2 vít M5x18 và 2 bu lông tương tự, đồng thời thêm 2 bu lông nâng để đảm bảo máy gắp bóng không chạm đất.
Bước 3: Hoàn thành mặt sau của robot
Hình 3.16: Mặt sau của robot
Nhóm thực hiện đã điều chỉnh hai bánh xe đối xứng và kiểm tra các khớp nối để đảm bảo không bị sệ Đồng thời, họ cũng hoàn thiện mặt sau của Robot để phù hợp với yêu cầu đưa vào các thùng chứa.
Bước 4: Lắp ráp động cơ DC Servo
Hình 3.17: Lắp ráp động cơ DC Servo
Nhóm thực hiện lắp ráp giá đỡ bằng cách sử dụng 2 vít M5x18 và 2 bu lông tương tự để kết nối với các thanh nhôm Tiếp theo, nhóm đã gắn Servo vào giá đỡ và lắp các bánh xe vào Servo thông qua khớp lục giác M8.
Bước 5: Lắp ráp cơ chế nhặt bóng
Để lắp ráp cơ chế nhặt bóng, nhóm bắt đầu bằng việc khoan một lỗ M5 trên trục có đường kính 5mm để gắn khối ném bóng Tiếp theo, nhóm sử dụng 2 vít M4 và 2 bu lông để lắp đặt giá đỡ vào các thanh nhôm Cuối cùng, động cơ được gắn vào giá đỡ và dụng cụ ném bóng được kết nối với động cơ thông qua trục.
Bước 6: Hoàn thành phần đầu của robot
Hình 3.19: Hoàn thành phần đầu của robot
Căn chỉnh động cơ, bánh xe và kiểm tra các mối nối cho chắc chắn khi đến lắp ráp điện.
Bước 7: Lắp ráp thanh định hướng bóng
Hình 3.20: Lắp ráp thanh định hướng bóng
Thanh định hướng bóng được chế tạo bằng công nghệ in 3D theo thiết kế bản vẽ, được gia cố chắc chắn trên thanh nhôm định hình Để đảm bảo hướng bóng chính xác, mỗi thanh sử dụng 6 vít M4x16 và 6 bu lông tương tự.
Bước 8: Cắt và lắp ráp hộp chứa bóng tennis
Sử dụng các tấm mika để làm hộp đựng bóng tennis, nó có kích thước 420x410x150 mm để vừa với khung của Robot.
Bước 9: Cắt và lắp ráp nắp đậy, máy ảnh và hoàn thiện robot
Nhóm thực hiện đã sử dụng tấm mika làm nắp đậy với kích thước theo thiết kế bản vẽ, nhằm che chắn nguồn điện và MCU, tạo vẻ đẹp cho Robot Camera được lắp ráp và đặt ở giữa nắp để dễ dàng phát hiện bóng tennis.
Sơ đồ khối điện mô tả cách nguồn điện cung cấp 5V cho Raspberry và Arduino Mega, cùng với 12V cho Driver động cơ Driver động cơ chịu trách nhiệm gửi tín hiệu điện áp để điều khiển động cơ Servo rẽ trái hoặc rẽ phải, cũng như hai động cơ thu gom Arduino Mega sẽ gửi tín hiệu xuống để điều khiển động cơ Servo, trong khi Raspberry Pi 3 cung cấp nguồn cho máy ảnh và nhận hình ảnh từ máy ảnh để xử lý hình ảnh của các quả bóng.
Khi nhóm khởi động robot, cơ chế đếm sẽ theo dõi số lượng bóng Nếu số bóng đạt giá trị đã định cho hộp bóng quần vợt, nghĩa là hộp đã đầy và không thể nhận thêm bóng, quá trình sẽ tự động dừng lại.
KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
Kiểm nghiệm thiết kế
4.1.3 Mối liên hệ giữa nhu cầu và số liệu
4.1.4 Thông số kĩ thuật của máy
4.1.5.1 Kiểm nghiệm độ bền trục động cơ Servo 4.1.5.2 Kiểm nghiệm độ bền trục động cơ phóng bóng
Thực nghiệm
4.2.1.1 Thiết kế cơ khí 4.2.1.2 Thiết kế điện
4.2.2.1 Kiểm tra toàn khối4.2.2.2 Kiểm tra chức năng4.2.2.3 Kiểm tra lúc không tải4.2.2.4 Kiểm tra toàn bộ tải
Phân tích
4.1.1 Khảo sát nhu cầu Để xác định mức độ sẵn sàng của người nhặt bóng quần vợt Nhóm đã thực hiện các cuộc khảo sát để lấy ý tưởng của những người khác nhau về khía cạnh mà họ coi chiếc máy như một robot thu thập tốt.
Sau khi thu thập và phân tích dữ liệu, nhóm đã xác định chín nhu cầu cốt lõi ảnh hưởng trực tiếp đến sự lựa chọn của khách hàng khi chọn mua robot thu gom bóng tennis.
Các nhu cầu dưới đây được sắp xếp theo thứ tự quan trọng:
NHU CẦU CỦA MÁY THU GOM BÓNG TENNIS TỰ ĐỘNG
STT NHU CẦU MỨC ĐỘ
1 Độ chính xác của quá trình thu thập phải càng cao càng tốt 100%
2 Độ an toàn của quá trình di chuyển phải càng cao càng tốt 90%
3 Trọng lượng của robot phải nhẹ nhất có thể 80%
4 Máy phải hoạt động ổn định nhất có thể 95%
5 Thời gian thu thập càng ngắn càng tốt 70%
6 Sức chứa bóng của robot phải là nhiều nhất có thể 70%
7 Thiết kế của robot phải bắt mắt nhất có thể 60%
8 Kích thước của robot phải càng nhỏ gọn càng tốt 70%
9 Giá của robot phải càng thấp càng tốt 70%
Dựa trên nhu cầu của thị trường, nhóm thực hiện đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến nhu cầu sử dụng robot thu gom bóng tennis tự động Các yếu tố này chủ yếu liên quan đến thông số kỹ thuật của robot Trong số đó, bốn chỉ số có thể được đo lường bằng thiết bị như cân và thước kẻ, trong khi các chỉ số còn lại được ước tính thông qua quan sát trong quá trình phân loại của máy Các đơn vị số liệu này sẽ phản ánh các quy tắc đã đề cập.
STT THÔNG SỐ ĐƠN VỊ SỐ LIỆU
2 Chất liệu Danh sách Nhôm, nhựa, thép, gang
3 Bộ đếm Số quả bóng 70 quả
8 Cơ chế thu gom Độ ổn định (%) 89%
9 Cơ chế chuyển động Độ ổn định (%) 80%
4.1.3 Mối liên hệ giữa nhu cầu và số liệu
SỐ LIỆU nặngCân Chất liệu Bộ đếm chínhĐộ xác thướcKích Thiết kế Giá cả chếCơ gomthu
1 Độ chính xác của quá trình thu thập phải càng cao càng tốt.
2 Độ an toàn của quá trình di chuyển I I I phải càng cao càng tốt.
Trọng lượng của robot phải nhẹ nhất có thể D I I
Máy phải hoạt động ổn định nhất có thể D I I
Thời gian thu thập càng ngắn càng tốt I D
Sức chứa bóng của robot phải là nhiều nhất có thể.
Thiết kế của robot phải bắt mắt nhất có thể D
Kích thước của robot phải càng nhỏ gọn càng tốt.
Giá của robot phải càng thấp càng tốt.
D: viết tắt của từ “Direct” có nghĩa là có thể đo trực tiếp đối tượng đó bằng các thiết bị như cân, thước kẻ, đồng hồ vạn năng,
I: viết tắt của “Indirect” có nghĩa là thực thể đó có thể hoán đổi cho nhau và đo lường tùy thuộc vào ý tưởng của một người khác.
Bảng 4.3: Mối liên hệ giữa nhu cầu và số liệu
4.1.4 Thông số kĩ thuật của máy
Bảng 4.4: Thông số kĩ thuật của robot
4.1.5.1 Kiểm nghiệm độ bền trục động cơ Servo
Bài báo cáo sử dụng phần mềm Ansys Workbench 2019R3 để khảo sát ứng suất của trục động cơ.
THÔNG SỐ KĨ THUẬT CỦA MÁY THU GOM BÓNG TENNIS TỰ ĐỘNG
Stt Thông số kĩ thuật vị đoĐơn lường
Giá trị lý tưởng Giá trị đạt được
2 Kích thước Mm 900x500x200 988x544x243 Thước Xe Tĩnh
3 Chất lượng % 100 95 Máy tính Xe Động
4 Nguồncấp V 12 11,5-12,5 Đồng hồ vạn năng Ắc quy axit- chì Tĩnh
5 Công tiêu thụsuất W 90 80-90 Máy tính Động
6 Chất liệu % 100 98 Máy tính Nhôm CT3 Tĩnh
7 Camera % 100 95 Máy tính Camera pi Động
8 Động cơ % 100 100 Máy tính Động cơ
ARDUINO MEGA + RASP PI 3 Động
10 Cơ chế gomthu % 100 95 Máy tính GA25-370 Động
11 Sức chứa Quả bóng 75 70 Bộ đếm Tĩnh
Vì trục động cơ Servo dùng thép C45, nên nhóm có ứng suất uốn lớn nhất là
Trong nghiên cứu này, nhóm đã khảo sát trục động cơ Servo trong trạng thái tĩnh, với giả định khối lượng robot và các khối lượng phát sinh khoảng 20kg, dẫn đến lực phân bố trên mỗi động cơ là 100N (tương đương 10kg cho mỗi động cơ) Thành phần chịu tải chính là trục động cơ Servo.
Hình 4.1: Phân tích ứng suất uốn của trục động cơ Servo
Nhận xét: Quan sát phần kết quả phân tích từ phần mềm cho thấy thấy ứng suất uốn lớn nhất là 8,3238 MPa.
Kết luận cho thấy rằng ứng suất uốn lớn nhất trên trục động cơ (8,3238 MPa) nhỏ hơn ứng suất uốn lớn nhất của vật liệu C45 (598 MPa), điều này đảm bảo độ bền uốn cho trục động cơ.
4.1.5.2 Kiểm nghiệm độ bền trục động cơ phóng bóng Ở đây, nhóm thực hiện khảo sát trục động cơ phóng bóng ở trạng thái quay tự do tại một tốc độ Giả sử, môi trường lý tưởng thì tại trục xuất hiện 2 lực đó là tốc độ quay tự do tác động lên trục và tổng trọng lượng của trục và khối phóng bóng.
Vì trục động cơ phóng bóng dùng thép C45, nên có ứng suất uốn lớn nhất là 598MPa.
Động cơ được thiết kế để quay với tốc độ tối đa 620RPM, với tổng khối lượng của trục và khối phóng bóng đạt 0.4 kg, tương ứng với trọng lượng 4N.
Ta có kết quả như sau:
Hình 4.2: Phân tích ứng suất uốn của trục động cơ phóng bóng
Nhận xét: Quan sát phần kết quả phân tích từ phần mềm cho thấy ứng suất uốn lớn nhất là 210,46 MPa.
Kết luận cho thấy rằng ứng suất uốn lớn nhất trên trục động cơ (210,46 MPa) nhỏ hơn ứng suất uốn tối đa của vật liệu C45 (598 MPa), điều này đảm bảo độ bền uốn cho trục động cơ.
THÔNG SỐ KĨ THUẬT ĐƠN VỊ KHỐI
LƯỢNG LẤY MẪU MÔ TẢ PHƯƠNG PHÁP
TỔNG KHỐI LƯỢNG KG 1 Sử dụng cân để đo trọng lượng của robot.
KÍCH THƯỚC MM 1 Dùng thước để đo kích
Bảng 4.5: Phương pháp thực nghiệm
4.2 THỰC NGHIỆM Để kiểm tra độ chính xác và độ tin cậy của robot, nhóm thực hiện dựa trên hai bài kiểm tra thực tế, được gọi là kiểm tra tĩnh, ước tính các thông số tĩnh như kích thước, trọng lượng, độ cứng và các thông số không sử dụng điện khác Và kiểm tra thước của robot.
BÓNG 70 Đếm số bóng thu được trong hộp.
SỰ CHÍNH XÁC % 100 Tính toán tỉ lệ từ việc thu thập bóng.
NGUỒN CẤP V 1 Dùng đồng hồ vạn năng để đo điện áp của nguồn điện.
CÔNG SUẤT TIÊU THỤ W 1 Quan sát đồng hồ điện.
CHÂT LIỆU % 1 So sánh với danh sách chất liệu.
CAMERA % 1 Sử dụng máy ảnh để phát hiện vị trí của các quả bóng. ĐỘNG CƠ % 1 So sánh với danh sách các động cơ.
BỘ ĐIỀU KHIỂN % 1 So sánh với danh sách các bộ vi điều khiển.
CƠ CHẾ THU GOM % 1 So sánh với danh sách các cơ chế thu gom.
BÓNG 1 So sánh với danh sách sức chứa. động, trong đó ước tính hoạt động của thử nghiệm không tải và thử nghiệm đầy tải, công suất mà robot tiêu thụ trong thời gian làm việc.
Cả hai bài kiểm tra sẽ đánh giá hiệu suất của robot, đồng thời cung cấp cái nhìn tổng quan về thiết kế cơ khí, điện và điều khiển, nhằm đảm bảo sự phối hợp hoàn hảo giữa các bộ phận để tạo ra sản phẩm chất lượng.
KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ MÁY THIẾT KẾ THỰC TẾ
Bảng 4.6: Số liệu kiểm tra tĩnh
Khi không có nguồn điện, các bộ phận cơ khí như động cơ servo và động cơ DC vẫn hoạt động trơn tru và có thể quay tự do mà không cần tín hiệu điện, đảm bảo sự êm ái trong quá trình vận hành Khung nhôm vững chắc cung cấp sự hỗ trợ cần thiết cho tất cả các cơ chế, tạo nền tảng ổn định cho robot.
Tất cả các cơ chế trong robot thực tế tuân theo các cơ chế khác trong thiết kế cơ khí.
Thay vì áp dụng kíp và đai ốc để điều chỉnh khoảng cách giữa động cơ DC và khối nhặt bóng, chúng tôi đã phát triển một cơ chế cố định tương thích với đường kính của quả bóng.
Nhóm thực hiện đã tích hợp tất cả các thành phần thiết kế, bao gồm bộ điều khiển vi mô, màn hình, bàn phím, cảm biến, rơ-le, van, điều khiển bước, động cơ bước và nguồn điện, để xây dựng hệ thống điện hoàn chỉnh cho máy Hệ thống điện này hoàn toàn tuân theo thiết kế đã đề ra.
Tất cả dây điện được bố trí bên trong hộp nhằm giảm tiếng ồn và tăng tính gọn gàng Bộ nguồn và mạch điều khiển động cơ được đặt bên ngoài để đảm bảo các bộ phận này được làm mát, từ đó kéo dài tuổi thọ sản phẩm.
