(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot vượt địa hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT VƯỢT ĐỊA HÌNH GVHD: ThS.TƯỞNG PHƯỚC THỌ SVTH: ĐỒNG MINH TẤN MSSV: 11146101 SVTH: BÙI XUÂN THỌ MSSV: 11146113 SVTH: NGUYỄN VĂN TIỂN MSSV: 11146117 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài:“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT VƢỢT ĐỊA HÌNH” Giáo viên hƣớng dẫn: ThS.TƢỞNG PHƢỚC THỌ Sinh viên thực hiện: ĐỒNG MINH TẤN 11146101 BÙI XUÂN THỌ 11146113 NGUYỄN VĂN TIỂN 11146117 Lớp: 111461 Khoá: 2011 - 2015 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2015 an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn:ThS TƢỞNG PHƢỚC THỌ Sinh viên thực hiện: ĐỒNG MINH TẤN MSSV: 11146101 BÙI XUÂN THỌMSSV: 11146113 NGUYỄN VĂN TIỂN MSSV: 11146117 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình Robot vƣợt địa hình Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Thiết kế chế tạo Robot vƣợt địa hình có kích thƣớc: 70cm x 50cmx 50cm - Thiết kế hệ thống camera quan sát tay máy gắp vật thể Nội dung đồ án: - Chế tạo mơ hình Robot vƣợt địa hình, quan sát, gắn tay máy gắp vật thể - Nghiên cứu thuật tốn viết chƣơng trình điều khiển hoạt động robot từ xa máy tính qua sóng wifi Các sản phẩm dự kiến: - Hồn thành mơ hình Robot vƣợt địa hình, gắn tay máy camera quan sát - Hồn thành chƣơng trình điều khiển Robot từ xa máy tính qua sóng wifi Ngày giao đồ án: Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Đƣợc phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i an LỜI CAM KẾT Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình Robot vƣợt địa hình - GVHD: ThS.Tƣởng Phƣớc Thọ - Họ tên sinh viên: Đồng Minh Tấn MSSV : 11146101 Bùi Xuân Thọ MSSV : 11146113 Nguyễn Văn Tiển MSSV : 11146117 - Lớp: 111461 - Địa sinh viên: - Email số điện thoại liên lạc: dongtanspkt93@gmail.com 01672132431 thoxuanpro@gmai.com 01675737859 nguyentien1511@gmail.com 01694060502 - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Ký tên ii an LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến ThS.Tƣởng Phƣớc Thọ, thầy tận tình hƣớng dẫn, quan tâm động viên chúng em suốt trình thực đề tài Đồng thời, xin chân thành cảm ơn đến thầy cô môn Cơ điện tử nhiệt tình giúp đỡ, góp ý, hỗ trợ q trình học thực đồ án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp Cơ Điện Tử 111461, đóng góp ý kiến hỗ trợ để hồn thành đề tài tốt Nhóm SVTH: iii an Đồng Minh Tấn 11146101 Bùi Xuân Thọ 11146113 Nguyễn Văn Tiển 11146117 TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT VƢỢT ĐỊA HÌNH Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, sản phẩm công nghệ ngày trở nên phổ biến sống ngƣời Trong đó, Robot sản phẩm cơng nghệ mang tính chất sáng tạo cao Các Robot có chức nhƣ ngƣời ngày đóng vai trị quan trọng Đặc biệt môi trƣờng mà khả làm việc ngƣời bị hạn chế nhƣ môi trƣờng có nhiều hóa chất độc hại, có nồng độ phóng xạ cao, .gây nguy hiểm cho ngƣời Robot thay cho conngƣời làm việc môi trƣờng nguy hiểm Tuy nhiên, mơi trƣờng có trênnhiều địa hình phức tạp, gồ gề mà robot bình thƣờng khó vƣợt qua Với lý này, nhóm muốn thiết kế Robot vƣợt địa hình để thay ngƣời thực công việc theo nhu cầu ngƣời Trong đề tài nhóm nghiên cứu tính tốn thiết kế mơ hình Robot với truyền động đai thực công việc tay gắp Đồng thời xây dựng đƣợc phƣơng án di chuyển cho Robot điều khiển từ xa máy tính Chế độ di chuyển Robot đƣợc ứng dụng việc truyền tín hiệu sóng wifi Kết thực nghiệm phân tích thể tính khả thi lợi ích đề tài iv an ABSTRACT Research, Design and Produce Model of Terrain Travelling Robot With the development of science and technics, technology products nowadays become more and more popular in human’s daily life Robot is one of technology products having highly creative property Especially in some harsh, toxic ,radioactive environments where human’s ability to work is limited.Robot can work on behalf of human in all the above environments with high productivity But, in the real working environments, there are many kind of complicated terrains that normal robot can’t work with For that reason, our team have urge to design an all terrain travelling Robot to get some works done on behalf of human’s need In this project, our team have calculated and designed the model of Robot with belt drivers that performs task by grippers In addition, our team have make up a movement plan for the Robot which is remote control and computer control Modes use Wifi signal transfer Experimental and diagnosed results show the possibility and profit of this project v an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii CHƢƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Lịch sử phát triển Robot vƣợt địa hình 1.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc ngồi nƣớc 1.2.1 Trong nƣớc 1.2.2 Ngoài nƣớc 1.3 Tính cấp thiết đề tài 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 1.5 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.6 Phƣơng án nghiên cứu 1.6.1 Cơ sở phƣơng pháp luận 1.6.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 1.7 Giới thiệu tổng quan Kết cấu đồ án CHƢƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ 2.1 Lựa chọn phƣơng án thiết kế khí cho Robot vƣợt địa hình 2.1.1 Phƣơng án chế tạo toàn 2.1.2 Phƣơng án sử dụng thiết bị linh kiện có thị trƣờng 2.1.3 Phƣơng án thiết kế số hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn phƣơng án di chuyển Robot vƣợt địa hình 2.2.1 Phƣơng án 1: Robot di chuyển cấu bánh đai 2.2.2 Phƣơng án 2: Robot di chuyển cấu bánh đai 2.2.3 Phƣơng án 3: Robot di chuyển cấu bánh đai 10 vi an 2.3 Lựa chọn vật liệu 10 2.4 Xác định tính kỹ thuật Robot 12 2.5 Tính tốn thiết kế trục 13 2.5.1 Trục sau 13 2.5.2 Trục trƣớc 14 2.6 Tính tốn thiết kế khung xe 15 2.7 Tính tốn thiết kế cấu di chuyển 16 2.7.1 Lựa chọn phƣơng án 16 2.7.2 Cơ sở lý thuyết truyền đai 17 2.7.3 Tính tốn thuyết kế 20 2.8 Tính cơng suất chọn động 23 2.8.1 Động truyền dộng 23 2.8.2 Động nâng 24 2.9 Nguyên lý hoạt động động DC 27 2.9.1 Cấu tạo 27 2.9.2 Nguyên lý làm việc 27 2.9.3 Điều khiển động DC 27 2.10 Tính tốn thiết kế cấu truyền động 28 2.10.1 Lựa chọn phƣơng án 28 2.10.2 Cơ sở lý thuyết truyền xích 29 2.10.3 Tính toán thiết kế 33 2.11 Thiết kế khí xây dựng kích thƣớc tổng thể Robot 33 2.11.1 Thiết kế khí Robot 33 2.11.2 Xây dựng kích thƣớc tổng thể thân Robot 43 2.12 Thiết kế cánh tay máy 44 2.12.1 Bậc tự tay máy 44 2.12.2 Không gian làm việc 44 2.12.3 Động sử dụng cho cánh tay máy 44 2.12.4 Mơ hình kích thƣớc tổng thể cánh tay máy 49 2.12.5 Biểu diễn hƣớng vị trí 50 2.12.6 Bài toán động học thuận 52 2.12.7 Bài toán động học nghịch 55 2.13 Camera quan sát 57 2.14 Sơ đồ khối phần cứng 58 vii an 2.15 Các mạch điện hệ thống 59 2.15.1 Mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 59 2.15.2 Module Driver IBT-2 H-Bridge 60 2.15.3 Module WiFi ESP8266 61 2.15.4 Nguồn cung cấp cho hệ thống điện Robot 64 2.16 Hệ thống điều khiển trung tâm 65 CHƢƠNG IV: ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 66 3.1 3.1.1 Trƣờng hợp thẳng 66 3.1.2 Trƣờng hợp rẽ 67 3.1.3 Trƣờng hợp quay chỗ 67 3.1.4 Trƣờng hợp vƣợt vật cản 68 3.1.5 Trƣờng hợp leo bậc thang 68 3.2 Điều khiển chuyển động Robot máy tính 69 3.2.1 Giao diện điều khiển 69 3.2.2 Thuật toán điều khiển 70 CHƢƠNG V: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 71 4.1 Kết đạt đƣợc 71 4.1.1 Các phận khí Robot vƣợt địa hình 72 4.1.2 Hệ thống điều khiển 75 4.2 Cơ sở lý thuyết chuyển động 66 Kết thực nghiệm 76 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN 78 5.1 Kết nghiên cứu đề tài 78 5.1.1 Về sở lý thuyết 78 5.1.2 Về mặt thực nghiệm 78 5.1.3 Áp dụng thực tiễn 78 5.2 Hƣớng phát triển 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 80 viii an 4.1.4 Trƣờng hợp vƣợt vật cản Hình 4-4: Vƣợt vật cản Hai bánh đai đƣợc đặt phía trƣớc dùng để nâng Robot giúp vƣợt qua địa hình phức tạp cách dễ dàng 4.1.5 Trƣờng hợp leo bậc thang Hình 4-5: Leo bậc thang Trong trƣờng hợp leo cầu thang, Robot phải sử dụng tất động cơ: động có tác dụng truyền chuyển động cho Robot động có tác dụng nâng tồn Robot để leo lên bậc thang Chương IV: Điều khiển chuyển động robot an Trang68 4.2 Điều khiển chuyển động Robot máy tính 4.2.1 Giao diện điều khiển Hình 4-6: Giao diện điều khiển web Hình 4-7: Giao diện camera Chương IV: Điều khiển chuyển động robot an Trang69 4.2.2 Thuật toán điều khiển STARTT PHÁT TÍN HIỆU NHẬN TÍN HIỆU NGẮT NHẬN KIỂM TRA TÍN HIỆU CAMERA TAY MÁY ROBOT NÂNG KHỚP KHỚP HẠ KHỚP TIẾN LÙI TRÁI PHẢI Hình 4-8: Sơ đồ thuật toán điều khiển Robot Chương IV: Điều khiển chuyển động robot an Trang70 CHƢƠNG V: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM Trên cở sở tính tốn thiết kế đặt ban đầu nhóm chế tạo thành cơng Robot địa hình Các kết kiểm chứng dự thực nghiệm Nhƣ sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, nhóm đạt đƣợc thành định Sau thành đạt đƣợc: 5.1 Kết đạt đƣợc Phần khí cho Robot đƣợc hồn thành theo thiết kế với thông số đƣợc nêu ởBảng 5.1 Bảng 5-1: Đặc điểm Robot Kích thƣớc Robot 720 mm x 500 mm x 500mm Trọng lƣợng 20 kg Vận tốc 0.3m/s Tầm quan sát camera 10m Phạm vi hoạt động tay máy R = 30cm Khối lƣợng vật kg Vƣợt địa hình Cao: 20cm ; dốc nghiêng: 30o Phạm vi điều khiển 50 ÷ 70 m Hình 5-1: Mơ hình Robot hồn chỉnh Chương V: Kết thực nghiệm Trang71 an 5.1.1 Các phận khí Robot vƣợt địa hình Hình 5-2: Bánh đai dẫn Hình 5-3: Tay nâng Chương V: Kết thực nghiệm Trang72 an Hình 5-4: Bộ truyền xích bánh dẫn Hình 5-5: Bộ truyền xích tay nâng Chương V: Kết thực nghiệm Trang73 an Hình 5-6: Mơ hình Robot thực tế Hình 5-7: Tay máy Chương V: Kết thực nghiệm Trang74 an Hình 5-8: Camera quan sát 5.1.2 Hệ thống điều khiển Hình 5-9: Mạch điều khiển Chương V: Kết thực nghiệm Trang75 an 5.2 Kết thực nghiệm Robot sau hoàn thành hoạt động linh hoạt địa hình phức tạp với khả tới,lui rẽ trái, rẽ phải Việc thực nghiệm đƣợc thực nhiều lần, Robot đƣợc thử nghiệm nhiều địa hình khác nhƣ: địa hinh nhấp nhơ,leo dốc nghiêng 30o, bậc thang Hình 5-10: Robot vƣợt qua địa hình nhấp nhơ Hình 5-11: Robot leo dốc 30o Hình 5-12: Robot leo bậc thang Chương V: Kết thực nghiệm Trang76 an Hình 5-13: Robot gắp vật thể Chương V: Kết thực nghiệm Trang77 an CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN 6.1 Kết nghiên cứu đề tài 6.1.1 Về sở lý thuyết  Phân tích lựa chọn đƣợc phƣơng án hợp lý để thiết kế  Phân tích tính tốn đƣợc kết cấu Robot  Xây dựng đƣợc hệ thống điều khiển Robot từ xa thơng qua máy sóng wifi 6.1.2 Về mặt thực nghiệm  Chế tạo thành cơng mơ hình Robot địa hình dùng cấu bánh đai  Chế tạo thành công hệ thống điều khiển Robot 6.1.3 Áp dụng thực tiễn  Đề tài góp phần làm phát triển thêm mơ hình, mơ cho Robot địa hình chun dụng có khả thay ngƣời hoạt động khu vực nguy hiểm  Đề tài góp phần phục vụ cho cơng việc học tập, nghiên cứu sinh viên ngành khí, tự động hóa, 6.2 Hƣớng phát triển Đề tài có tính mở, có nhiều vấn đề đƣợc tiếp tục triển khai nghiên cứu để phát triển đề tài nhƣ sau:  Hồn thiện phần kết cấu khí để Robot hoạt động hiệu địa hình phức tạp  Hƣớng đến phát triển việc điều khiển Robot khoảng cách xa  Trang bị cho Robot cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, độ phóng xa, để gửi tín hiệu trang thái vùng hoạt động máy tính, làm tăng thêm khả ứng dụng Robot  Trang bị cánh tay máy linh hoạt Robot để ngƣời điều khiển thực tất thao tác mong muốn  Xây dựng, hồn thiện khả làm việc theo nhóm Robot, tạo mạnh bật so với loại robot khác Chương VI: Kết luận Trang78 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Nguồn:http://www.dientuvietnam.net/ [2]Nguồn:http://www.ebook.edu.vn/ [3]Nguồn:http://vinamain.wordpress.com/ [4]Nguồn:http://tinhhoa.net/40706-banh-xe-robot-origami-co-kha-nang-vuot-moi-diahinh.html [5]Nguồn:http://vi.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9p [6]Nguồn:https://sites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi/home/kim-loai-vahop-kim-mau/nhom-va-hop-kim-nhom/nhom-nguyen-chat-va-phan-loai-hop-kimnhom/cac-dac-tinh-cua-nhom-nguyen-chat [7]Nguồn:http://www.hessmer.org/blog/2013/12/28/ibt-2-h-bridge-witharduino/comment-page-1/ [8]Nguồn:https://sites.google.com/site/binhluudien2012/su-dung-ic-pt2262-va-pt2272trong-dhieu-khien-tu-xa [9][PGS.TS.Nguyễn Trƣờng Thịnh, Giáo trình Kỹ Thuật Robot, NXB Đại học Quốc Gia TP.HCM] [10][TS Trịnh Xuân Lai, Tính tốn thiết kế cơng trình xử lý nƣớc thải, NXB Xây dựng, 2008] [11][Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí (Tập I, II).] [12][Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Đại học Quốc Gia TP.HCM - Trƣờng Đại học Bách Khoa.] [13]Nguồn:http://www.thietkemay.com/ Tài liệu tham khảo Trang 79 an KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn:ThS.Tƣởng Phƣớc Thọ Sinh viên thực hiện: Đồng Minh Tấn MSSV: 11146101 Sinh viên thực hiện: Bùi Xuân Thọ MSSV: 11146113 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tiển MSSV: 11146117 Tên đề tài:Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình Robot vƣợt địa hình u cầu đề tài: - Chế tạo mơ hình Robot vƣợt địa hình, quan sát, gắn tay máy gắp vật thể - Nghiên cứu thuật tốn viết chƣơng trình điều khiển hoạt động robot từ xa máy tính qua sóng wifi Giới hạn đề tài: - Chế tạo mơ hình Robot vƣợt địa hình vƣợt qua địa hình phức tạp: địa hình gồ ghề, dốc nghiêng 30o, bậc thang Tìm hiểu thu phát wifi điều khiển từ xa máy tính Dự kiến tiến độ thực Tuần Dự kiến kết đạt đƣợc Thời gian Nội dung 19/01/2015 26/01/2015 02/02/2015 02/03/2015 09/03/2015 16/03/2015 23/03/2015 30/03/2015 06/04/2015 10 13/04/2015 Nhận đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu đồ án tốt nghiệp Thiết kế khung sƣờn cho robot Tính tốn lựa chọn cấu di chuyển cho robot Tính tốn lựa chọn cấu truyền động cho robot Tính tốn lựa chọn động cho robot Hoàn thành sơ khung sƣờn robot Thiết kế chế tạo tay gắp lựa chọn camera Hồn thành phần khí robot Thiết kế hệ thống điện cho robot an Hoàn thành khung sƣờn robot Hoàn thành tay gắp Hoàn thành phần khí Chữ ký ý kiến GV hƣớng dẫn Ghi 11 20/04/2015 Hoàn thành hệ thống điều khiển robot 12 27/04/2015 Hoàn thành robot hoàn chỉnh 13 04/05/2015 Chạy thực nghiệm 14 11/05/2015 Viết báo cáo 15 18/05/2015 Hoàn thành báo cáo an Hoàn thành hệ thống điều khiển robot Thực nghiêm robot Hoàn thành báo cáo S an K L 0 ... Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình Robot vƣợt địa hình Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Thiết kế chế tạo Robot vƣợt địa hình có kích thƣớc: 70cm x 50cmx 50cm - Thiết kế hệ thống... sát địa hình đƣợc thuận lợi Hình 2-5: Khả chuyển động Robot di động cấu bánh đai Qua việc phân tích phƣơng án trên, ta chọn kết cấu robot theo phƣơng án để thiết kế chế tạo mơ hình Robot địa hình. .. dẫn Hình 2-26: Bánh dẫn động Hình 2-27: Kích thƣớc bánh dẫn Chương II: Thiết kế chế tạo phần khí an Trang35  Bánh Hình 2-28: Bánh bị dẫn Hình 2-29: Kích thƣớc bánh bị dẫn Chương II: Thiết kế chế