Đồ án nghiên cứu, thiết kế robot leo cầu thang

lOMoARcPSD|16911414 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO CẦU THANG Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn A Tên thành viên nhóm: Trần Văn A 20170000 Lê Minh B 20170000 Nguyễn Văn C 20170000 Hà Nội- 2021 lOMoARcPSD|16911414 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN lOMoARcPSD|16911414 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH…………………………………………………… lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THƠNG MINH…………………7 1.1- Kỷ ngun robot thơng minh……………………………………… 1.2- Chiến lược phát triển công nghiệp robot quốc gia ………… 11 1.2.1- Tại nước giới………………………………………….11 1.2.2- Nghiên cứu robot Việt Nam………………….…………………13 1.3- Giới thiệu robot vượt địa hình………………………………………… 15 1.4- Sơ lược bước thực hiện…………………………………………… 18 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH ROBOT LEO CẦU THANG……….20 2.1 Cụm bánh động lực………………………………………………………20 2.2 Cụm thân………………………………………………………………….21 2.3- Cụm nâng robot………………………………………………………….23 2.4- Mơ hình 3D robot leo cầu thang……………………………………… 28 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC; THIẾT KẾ; TÍNH TỐN KẾT CẤU CƠ KHÍ…………….29 3.1- Tính tốn bậc thang…………………………………………………… 29 3.2- Tính tốn động học………………………………………………………31 3.3- Tính tốn động lực học………………………………………………….35 3.4- Tính chọn động trục chính………………………………………….39 3.5-Tính trục cho cụm động dẫn động………………………………….41 3.5.1- Tính tốn đường kính trục……………………………………….41 3.5.2- Tính tốn độ bền mỏi trục………………………………….42 3.6- Chọn cấu nâng hạ robot leo cầu thang……………………………43 3.6.1- Chọn xy lanh nâng hạ robot………………………………………43 lOMoARcPSD|16911414 3.6.2- Kiểm tra độ bền xy lanh điện hành trình 300mm………….44 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN………………… 46 4.1- Vi điều khiển ATEMEGA328P (Kit Arduino Nano)…………………46 4.2- Module điều khiển động L298P…………………………………….59 4.3- Cơng tắc hành trình…………………………………………………… 65 4.4- Module hạ áp LM2596………………………………………………… 65 4.5- Cảm Biến Khoảng Cách NPN Thường Mở / Mức Thấp………… …66 4.6- Nguồn cấp cho robot leo cầu thang…………………………………….68 4.7- Module điều khiển động DC BTS 7960 43A……………………… 70 4.8- Sơ đồ khối robot tuần tra………………………………………… … 73 4.9- Sơ đồ mạch thiết kế Altium…………………………………………… 75 4.10- Code điều khiển…… ……………………………………… …………80 4.11- Thiết kế giao diện điều khiển………………………………………… 82 LỜI KẾT…………………………………………………………………… 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 87 PHỤ LỤC 1……………………………………………………………………88 DANH MỤC HÌNH ẢNH lOMoARcPSD|16911414 Hình 1.1- Tay máy SCARA…………………………………………………….9 Hình 1.2- Hệ thống xe AGV nhà máy……………………………………9 Hình 1.3- Robot tuần tra……………………………………………………… 10 Hình 1.4- I-robot 210 negotiator……………………………………………….16 Hình 1.5- I-robot 710 Warrior…………………………………………………17 Hình 1.6- I-robot 510 Packbot…………………………………………………17 Hình 2.1- Cụm bánh động lực………………………………………………….20 Hình 2.2- Cụm thân…………………………………………………………….22 Hình 2.3- Khung mơ hình robot leo cầu thang…………………………… 28 Hình 3.1- Kích thước bậc thang……………………………………………… 29 Hình 3.2- Thiết kế sơ kích thước robot leo cầu thang………………………30 Hình 3.3- Hệ tọa độ robot………………………………………………………31 Hình 3.4- Mơ hình phân tích lực bánh sau robot………………………… 35 Hình 3.5- Động GM25-370…………………………………………………40 Hình 3.6- Đồ thị phương trình đường cong mỏi………………………………42 Hình 3.7- Xy lanh điện hàng trình 300mm…………………………………….44 Hình 4.1- Vi điều khiển Atemega328P……………………………………… 46 Hình 4.2- Sơ đồ chân vi điều khiển ATEMEGA328P……………………… 54 Hình 4.3- Kit Arduino Nano với vi điều khiển ATEMEGA328P…………….55 Hình 4.4- Sơ đồ chân Arduino Nano………………………………………….56 Hình 4.5- Mơ đun điều khiển động L298N……………………………… 59 Hình 4.6- Mơ hình mạch cầu H……………………………………………… 60 Hình 4.7- Động quay thuận…………………………………………………61 lOMoARcPSD|16911414 Hình 4.8- Động quay nghịch……………………………………………… 62 Hình 4.9- Sơ đồ chân kết nối………………………………………………… 63 Hình 4.10- Sơ đồ mạch nguyên lí mơ đun điều khiển động L298N……….64 Hình 4.11- Cơng tắc hành trình……………………………………………… 65 Hình 4.12- Module LM2596………………………………………………… 66 Hình 4.13- Cảm Biến Khoảng Cách NPN E18-DNK30……………………….67 Hình 4.14- Pin cell 18650 Samsung 2600mA…………………………………69 Hình 4.15- Module điều khiển động DC BTS 7960 43A………………… 71 Hình 4.16- BTS 7960 43A Pinout………………………………………… …72 Hình 4.17- Sơ đồ khối nguyên lí hoạt động robot leo cầu thang………………74 Hình 4.18- Phần mềm thiết kế mạch Altium………………………………… 76 Hình 4.19- Sơ đồ mạch ngun lí mạch điều khiển……………………….77 Hình 4.20- Mạch chia áp……………………………………………………….78 Hình 4.21- Mạch 2D PCB…………………………………………………… 79 Hình 4.22- Mạch 3D PCB…………………………………………………… 80 Hình 4.23- Giao diện lập trình phần mềm Arduino IDE………………….82 Hình 4.24- Giao diện quản lí project………………………………………… 83 Hình 4.25- Giao diện thiết kế………………………………………………… 83 Hình 4.26- Giao diện app điều khiển robot nhóm tự thiết kế………………….84 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THÔNG MINH lOMoARcPSD|16911414 Cùng với tiến công nghệ thông tin, robot trở nên thông minh hệ robot truyền thống Chúng đóng vai trị ngày quan trọng sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển thông minh, internet vạn vật, dịch vụ thông minh sức khỏe y tế Trong thời gian tới, robot thơng minh tiếp tục tích hợp mở rộng nhiều công nghệ tiên tiến như: cộng tác người - robot, truyền động tích hợp thơng minh, nhận biết cảm xúc, giao diện máy tính - não, mạng liệu lớn, phần mềm sinh học tảng đám mây 1.1- Kỷ nguyên robot thơng minh Năm 2015 thức đánh dấu đời robot thông minh với lên trí tuệ nhân tạo Như vậy, cơng nghệ robot, cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ truyền thơng trí thơng minh nhân tạo chắn tích hợp sâu sắc Robot chào đón kỷ nguyên thông minh sau thời gian dài dừng chân thời kỳ kỹ thuật điện kỹ thuật số Tồn q trình thay đổi cho thấy ba điều sau: trước tiên, công nghệ công nghiệp truyền thống điều khiển, động servo giảm tốc chuyển đổi thành cơng nghệ trí thơng minh nhân tạo thị giác máy tính, xử lý ngôn ngữ tự nhiên học sâu; thứ hai, robot thu hút quan tâm từ người sử dụng công nghiệp thương mại, hộ gia đình cá nhân, chứng tỏ robot ngày hịa nhập sâu rộng vào xã hội lồi người; thứ ba, mối quan hệ qua lại độc lập người robot thay tương tác chặt chẽ Robot thông minh hệ thống máy cải thiện khả nhận thức, định thực thi nhiệm vụ theo cách toàn diện so với robot truyền thống Chúng mô ứng xử, cảm xúc suy nghĩ giống người Với “bộ não” thơng minh, robot thực theo dẫn người vận hành, sau hồn thành nhiều nhiệm vụ lập trình trước, tự học nâng cấp ứng xử chúng lúc tương tác với người Thực tiễn cho thấy, vai lOMoARcPSD|16911414 trị robot thơng minh sống xã hội sản xuất ngày trở nên quan trọng Xuất phát từ môi trường ứng dụng, phân chia robot thơng minh thành loại robot sau: Robot công nghiệp: thường tay máy nhiều khớp (nhiều bậc tự do) ứng dụng trực tiếp cho công nghiệp robot chiếm 60% giá trị thị trường robot toàn cầu Đây thiết bị máy ứng dụng kết nghiên cứu phát triển cơng nghệ để tự điều khiển hồn thành nhiều cơng việc khác Mỗi khớp robot khối chức đơn lẻ dẫn động động servo động bước, vận hành theo quỹ đạo điều khiển để đạt tới điểm hướng khơng gian SCARA robot loại robot trụ sử dụng nhiều sản xuất công nghiệp, làm việc mặt phẳng lắp ráp thẳng đứng Tay máy song song nhiều bậc tự có ứng xử bền vững với sai lệch động lực học, khơng có sai lệch tích lũy đạt tới độ xác cao với cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng cao khả tải lớn Hình 1.1- Tay máy SCARA lOMoARcPSD|16911414 Xe tự dẫn hướng (AGV) trang bị thiết bị dẫn hướng tự động cảm biến điện từ quang, di chuyển dọc theo đường dẫn biết trước đảm bảo an tồn, hồn thành nhiều cơng việc vận chuyển Hình 1.2- Hệ thống xe AGV nhà máy Robot dịch vụ nhà: ví dụ robot quét lau cửa sổ, làm việc giống trợ lý giúp việc hộ gia đình Chúng có khả tìm kiếm thăm dị, tự động lập kế hoạch đường tránh vật cản Nhiều loại robot dịch vụ khác, robot xã hội hóa gia đình, robot bầu bạn, robot trợ lý di động, robot huấn luyện thú cưng, có khả tương tác với người, hoàn thành nhiệm vụ giao, chăm nom người già trẻ nhỏ, nhắc nhở kiện tuần tra nhà Bên cạnh đó, cịn có robot giao tiếp cảm xúc, robot giáo dục trẻ nhỏ, robot học thông minh, UAV cá nhân, robot di động cá nhân hỗ trợ thêm công nghệ tương tác giọng nói cho phép tương tác giao tiếp cảm nhận cảm xúc người Nhiều robot dịch vụ thương mại, bao gồm robot nhận thức, robot hướng dẫn mua hàng, robot nấu ăn, robot văn phịng, robot an ninh tùy biến dịch vụ cá nhân theo tình ứng dụng cụ thể hồn lOMoARcPSD|16911414 Có nhiều module Arduino Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro nhiều module khác Trong phạm vi đồ án này, nhóm sử dụng module Arduino Nano Mỗi module chứa vi điều khiển bo mạch lập trình chấp nhận thơng tin dạng mã Mã chính, gọi sketch, tạo tảng IDE tạo file Hex, sau chuyển tải lên điều khiển bo Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần bản: Trình chỉnh sửa Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã yêu cầu phần sau sử dụng để biên dịch tải mã lên module Arduino Môi trường hỗ trợ ngôn ngữ C C ++ Khi người dùng viết mã biên dịch, IDE tạo file Hex cho mã File Hex file thập phân Hexa Arduino hiểu sau gửi đến bo mạch cáp USB Mỗi bo Arduino tích hợp vi điều khiển, vi điều khiển nhận file hex chạy theo mã viết Arduino IDE bao gồm phần khác Window bar Menu bar Phím tắt Text Editor Output Panel 80 lOMoARcPSD|16911414 Hình 4.23- Giao diện lập trình phần mềm Arduino IDE (Phụ lục 1) 4.11- Thiết kế giao diện điều khiển MIT App Inventor dành cho Android ứng dụng web nguồn mở ban đầu cung cấp Google trì Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) Nền tảng cho phép nhà lập trình tạo ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, tảng cho phép người dùng kéo thả khối mã (blocks) để tạo ứng dụng chạy thiết bị Android Để sử dụng App Inventor, truy cập vào địa http://ai2.appinventor.mit.edu 81 lOMoARcPSD|16911414 Hình 4.24- Giao diện quản lí project Hình 4.25- Giao diện thiết kế 82 lOMoARcPSD|16911414 Hình 4.26- Giao diện app điều khiển robot nhóm tự thiết kế 83 lOMoARcPSD|16911414 LỜI KẾT Trên báo cáo đồ án tốt nghiệp Thiết kế robot leo cầu thang chúng em Đây đề tài có tính thực tế cao, thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, ngày phát triển với cạnh tranh không ngừng từ nước giới Đòi hỏi suất chất lượng phải cải thiện nhờ dây chuyền máy móc đại thay lao động thủ công người Như đồ án tốt nghiệp chúng em tìm hiểu cách xây dựng mơ hình robot leo bậc thang, từ tính tốn thiết kế hệ thống khí đến lập trình điều khiển hoạt động Cơng việc hồn thành bao gồm: - Tổng quan robot thông minh - Xây dựng kết cấu 2D robot leo bậc thang phần mềm AutoCad - Dựng mơ hình 3D Solidworks - Tính tốn thơng số khí - Tìm hiểu ngun lí hoạt động vận dụng số linh kiện điện tử - Xây dựng sơ đồ khối sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển - Lập trình điều khiển xe tự hoạt động Qua đề tài em biết cách vận dụng kiến thức chuyên môn đào tạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thời gian qua vào với thực tế sống với công nghiệp Không qua đồ án chúng em học nhiều kĩ làm việc nhóm, giải vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo… có ích cho sau Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy … Cùng thầy cô môn Cơ Điện Tử giúp chúng em hoàn thành đề tài 84 lOMoARcPSD|16911414 Do giới hạn thời gian kiến thức đồ án này, chúng em giải số vấn đề việc thiết kế robot leo cầu thang Tuy nhiên, ngồi cịn nhiều vấn đề cần phải giải khắc phục để trở thành sản phẩm hoàn thiện áp dụng tốt, phục vụ tốt sống nói chung ngành nơng nghiệp nước nhà nói riêng chúng em vui mừng mong muốn quý thầy cô bạn đóng góp ý kiến để đề tài hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! 85 lOMoARcPSD|16911414 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo trình, giảng [1] Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế dẫn động khí (tập một), Nhà xuất giáo dục, 2006 [2] PGS TS Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật Robot, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [3] PGS TS Nguyễn Quang Hoàng, Bài giảng Robotics, 2017 [4] Andreas Hölldorfer, BCN3D-MOVEO, github.com/BCN3D/BCN3DMoveo [5] GS TS Phan Bùi Khơi, Bài giảng tính tốn thiết kế robot, 2007 [6] GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 PHỤ LỤC 1- CODE ĐIỀU KHIỂN ROBOT LEO CẦU THANG #include "config.h" 86 lOMoARcPSD|16911414 #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); #include SoftwareSerial bt(4,3); #define dr(A) digitalRead(A) #define s2 A1 // cb khoang cach : co vc, : chua có vc, kc =10cm // cảm biến dọc #define s3 A2 // hanh trinh #define s4 A3 // hanh trinh char val; int mode=0; void setup() { Serial.begin(9600); bt.begin(9600); for(int i=5;i0) { val=bt.read(); Serial.println(val); } if(val=='P') {mode=1;lcd.clear();} //auto mode else if(val=='A') tien(200); else if(val=='B') lui(200); else if(val=='C') trai(); else if(val=='D') phai(); else if(val=='E') dung(); else if(val=='F') nang_xl(); else if(val=='G') ha_xl(); 89 lOMoARcPSD|16911414 else if(val=='H') dung_xl(); } while(mode==1) //auto mode { lcd.setCursor(0,0); lcd.print(" Auto mode "); if(bt.available()>0) { val=bt.read(); Serial.println(val); } if(val=='Q') { mode=0;lcd.clear();} //manual mode else if(val=='S') { len1bac(); len1bac(); tien(200);delay(1000); dung();delay(3000); xuong1bac(); xuong1bac(); mode=0; lcd.clear(); } } } 90 lOMoARcPSD|16911414 int in1=9,in2=8,in3=7,in4=12; int ena=10,enb=11; int pwm1=5,pwm2 =6; void tien_chamdan() { for(int i=250;i>200;i=i-10) { digitalWrite(in1,0); digitalWrite(in2,1); digitalWrite(in3,0); digitalWrite(in4,1); analogWrite(ena,i); analogWrite(enb,i); } } void lui_chamdan(int x, int y) { for(int i=x;i>=y;i=i-5) { digitalWrite(in1,1); digitalWrite(in2,0); digitalWrite(in3,1); digitalWrite(in4,0); analogWrite(ena,i); 91 lOMoARcPSD|16911414 analogWrite(enb,i); delay(2); } } void lui(int sp){ digitalWrite(in1,1); digitalWrite(in2,0); digitalWrite(in3,1); digitalWrite(in4,0); analogWrite(ena,sp); //150 analogWrite(enb,sp); } void tien(int sp){ digitalWrite(in1,0); digitalWrite(in2,1); digitalWrite(in3,0); digitalWrite(in4,1); analogWrite(ena,sp); //250, 200 analogWrite(enb,sp); } void phai(){ digitalWrite(in1,0); digitalWrite(in2,0); digitalWrite(in3,0); 92 lOMoARcPSD|16911414 digitalWrite(in4,1); analogWrite(ena,0); analogWrite(enb,220); } void trai(){ digitalWrite(in1,0); digitalWrite(in2,1); digitalWrite(in3,0); digitalWrite(in4,0); analogWrite(ena,220); analogWrite(enb,0); } void dung(){ digitalWrite(in1,0); digitalWrite(in2,0); digitalWrite(in3,0); digitalWrite(in4,0); analogWrite(ena,0); analogWrite(enb,0); } void nang_xl(){ // for(int i=0;i