Thiết kế chế tạo robot di động rò đường tránh vật cản

Chúng được sử dụng để điều khiển trong các quá trình sản xuất dây chuyền lắp ráp và điều khiển robot công việc cụ thể.Những năm 1960-1970: Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các mô

lOMoARcPSD|39474592 Mục Lục CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống 5 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống 5 1.1.1 Khái niệm về robot di động 5 1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống 5 1.2 Các vấn đề đặt ra .6 1.2.1 Tính ứng dụng của robot dò đường trong cuộc sống 6 1.2.2 Lựa chọn loại robot 7 1.3 Phương pháp nghiên cứu 8 1.4 Giới hạn phương pháp nghiên cứu thiết kế .8 CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết 10 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 10 2.1 Kết cấu hệ thống cơ khí 10 2.1.1 Hệ truyền động 10 2.2 Kết cấu hệ thống điện công suất 12 2.3 Kết cấu hệ thống đo và xử lý tín hiệu .14 2.3.1 Khái niệm về cảm biến .14 2.3.2 Kết cấu hệ thống đo và xử lý tín hiệu 15 2.4 Kết cấu hệ thống điều khiển và truyền thông 17 CHƯƠNG 3 Tính toán thiết kế hệ thống 20 3.1 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống cơ khí .20 3.2 Bản vẽ thiết kế sơ bộ .20 3.2.1 Lựa chọn thiết bị khung xe .20 3.2.2 Lựa chọn bộ truyền động cho hệ thống 21 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 3.2.3 Lựa chọn bánh xe chủ động .23 3.2.4 Lựa chọn bánh xe bị động 24 3.3 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điện, điện công suất .26 3.3.1 Tính toán lựa chọn nguồn pin 26 3.3.2 Lựa chọn mạch công suất 28 3.4 Thiết kế, lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển 29 3.4.1 Vi điều khiển arduino nano 29 3.4.2 Cảm biến gia tốc góc mpu6050 32 3.4.3 Kết nối các thiết bị 34 3.5 Xây dựng chương trình 36 3.5.1 Thuật toán toán bộ chương trình 36 3.5.2 Các hàm trong chương trình .36 3.5.3 Thuật toán khởi tạo 37 3.5.4 Thuật toán tính khoảng cách đến vật cản 38 3.5.5 Thuật toán điều khiển động cơ 39 CHƯƠNG 4 Kết quả VÀ THỰC NGHIỆM 40 .40 Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây với việc bùng nổ về công nghệ số, công nghệ phát triển mạnh mẽ nên công nghiệp hóa và hiện đại hóa được đẩy mạnh hơn Các máy móc tự động liên tục được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu của con người Từ khi có các máy móc tự động hóa thay thế con người, chúng ta đã giảm bớt được rất nhiều sức lực và đồng thời năng suất được nâng cao Một trong những máy móc có công năng nhất, hữu ích nhất chính là robot dò line Loại robot này được dùng rất nhiều trong các phân xưởng vì nó thay thế được rất nhiều sức lực công nhân Với việc thiết lập đường đi có vạch kẻ sẵn, robot sẽ tự động chạy theo vạch kẻ từ đó robot có thể vận chuyển hàng hóa rất nhanh và chính xác cắt giảm được sức lực con người Chính vì thấy được tiềm năng và sự cần thiết của loại robot này nên nhóm chúng em quyết định sẽ thực hiện nghiên cứu này nhắm mục đích áp dụng được vào cuộc sống Và đồ án có tên: “Thiết kế chế tạo robot di động rò đường tránh vật cản” Đầu tiên cho phép nhóm em gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội nói chung và các thầy cô trong khoa nói riêng Bảo vệ đồ án là một dịp để chún em được thể hiện bản thân, áp dụng những kiến thức đã được học trên trường lớp để đưa vào thực tiễn Đây cũng là một cơ hội và cũng là thử thách Và tất nhiên với một sinh viên với lượng kiến thức khiêm tốn thì chúng em sẽ rất khó để hoàn thành được đề tài trên nên chúng em đã được thầy Lưu Vũ Hải hướng dẫn để đạt kết quả tốt Qua đây chúng em xin được cảm ơn thầy Lưu Vũ Hải đã luôn sát cánh cùng chúng em để chúng em có thể hoàn thành đề tài này Với việc lượng kiến thức còn khiêm tốn nên trong quá trình thực hành và báo cáo có những sai sót nhỏ mong các thầy cô dạy bảo để chúng em có thể hoàn thiện bản thân mình Chúng em xin chân thành cảm ơn! Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống 1.1.1 Khái niệm về robot di động Robot di động là robot có khả năng di chuyển Robot di chuyển trong môi trường của chúng, không cố định vào một vị trí thực Robot di động có thể là "tự trị" (robot di động tự động) có nghĩa là chúng có khả năng điều hướng một môi trường không kiểm soát được mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện Ngoài ra, robot di động có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển tuyến đường định hướng được xác định trước trong không gian tương đối được kiểm soát (robot tự điều khiển) Nó khác với robot công nghiệp thường đặt gần cố định và hoạt động bằng các cánh tay 1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống Lịch sử phát triển của xe robot dò line cũng có một sự tiến bộ đáng chú ý Dưới đây là một số điểm quan trọng trong quá trình phát triển của xe robot dò line: Những năm 1940-1950: Xe robot dò line đầu tiên xuất hiện trong các nghành công nghiệp để thực hiện các tác vụ tự động hoá Chúng được sử dụng để điều khiển trong các quá trình sản xuất dây chuyền lắp ráp và điều khiển robot công việc cụ thể Những năm 1960-1970: Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các mô hình xe robot dò line đầu tiên được phát triển để theo dõi tuyến đường dẫn hoặc line Những chiếc xe này sử dụng cảm biến quang học hoặc cảm biến điện từ để nhận dạng và điều khiển theo line Những năm 1980-1990: Các công nghệ điều khiển và cảm biến ngày càng được phát triển để tăng tính chính xác và đáng tin cậy của xe robot dò line Các công ty công nghệ và các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu và áp dụng các giải pháp mới như vi xử lý và thuật toán điều khiển để cải thiện khả năng theo dõi và định vị line Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hiện tại: Xe robot dò line hiện đại được trang bị các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy và xử lý hình ảnh Các cảm biến được cải thiện để nhận biết và phản ứng nhanh chóng với các đoạn đường hoặc các biểu tượng line khác nhau Xe robot dò line ngày nay cũng có khả năng tương tác với hệ thống điều khiển và giao tiếp thông tin với các thiết bị khác để đạt hiệu suất tốt nhất 1.2 Các vấn đề đặt ra 1.2.1 Tính ứng dụng của robot dò đường trong cuộc sống 1.2.1.1 Ứng dụng trong tự động hóa công nghiệp Robot dò line có vai trò rất lớn trong lĩnh vựa tự động hóa công nghiệp Chúng có thể vận chuyển các kiện hang hóa theo các đường line đã có sẵn, việc hoạt động chính xác và có độ tin cậy cao đã làm cho robot dò line trở thành một loại robot gần như không thể thiếu trong các nhà máy công nghiệp ngày nay Hình 1 1 Robot dò line vận chuyển hàng trong nhà máy 1.2.1.2 Ứng dụng trong đời sống hang ngày Ngoài môi trường công nghiệp thì robot dò line cũng có ứng dụng rất lớn trong đời sống hang ngày Điển hình như nó được làm robot hút bụi, robot lau nhà tự động Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Hình 1 2 Robot lau nhà 1.2.2 Lựa chọn loại robot 1.2.2.1 Robot được lập trình sẵn Các robot được lập trình sẵn hoạt động trong một môi trường được kiểm soát, nơi chúng thực hiện các công việc đơn điệu Chẳng hạn, robot được lập trình sẵn một cánh tay cơ khí trên dây chuyền lắp ráp ô tô Cánh tay phục vụ chức năng là hàn cửa, lắp ráp một bộ phận nào đó vào động cơ…Và công việc của nó là làm sao để thực hiện nhiệm vụ đó lâu hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn con người 1.2.2.2 Robot tự động Robot tự động hoạt động độc lập mà không cần có người điều khiển Những robot này thường được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ trong một số môi trường nhất định mà không cần sự giám sát của con người Chúng là loại robot rất độc đáo vì được ứng dụng cảm biến để nhận thức thế giới xung quanh Sau đó, sử dụng các cấu trúc lập trình để thực hiện bước tiếp theo là tối ưu hóa dựa trên dữ liệu và mục đích ra đời của chúng Máy hút bụi Roomba là một ví dụ điển hình về robot tự động, sử dụng các cảm biến để di chuyển tự do và dọn dẹp nhà cửa Ngoài ra còn có một số robot tự động thông dụng hiện nay như bot cắt cỏ, bot trợ lý y tế, Drone tự động… Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 1.2.2.3 Robot điều khiển từ xa Robot điều khiển từ xa là những bot bán tự động sử dụng mạng không dây, cho phép con người có thể điều khiển ở một khoảng cách nhất định Những robot này thường hoạt động trong những điều kiện địa lý, thời tiết hay hoàn cảnh khắc nghiệt,… Chẳng hạn, robot tàu ngầm do con người điều khiển được sử dụng để khắc phục sự cố rò rỉ đường ống dưới nước trong sự cố tràn dầu BP; hoặc máy bay không người lái được sử dụng để dò mìn trên chiến trường hiện nay Từ các ưu nhược điểm của từng loại và phạm vi ứng dụng của nó, nhóm chúng em quyết định lựa chọn thiết kế loại robot được lạp trình sẵn Với ưu điểm gọn nhẹ, linh hoạt loại robot này có tính ứng dụng rất cao trong các nhà máy sản xuất, dây truyền tự động vận chuyển hàng hóa 1.3 Phương pháp nghiên cứu Với mục đích thiết kế robot di động dò đường tránh vật cản ta cần nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến (cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại…) các loại vi điều khiển như Arduino, PLC… Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu về nhu cầu, sự cần thiết trong thực tế sau đó liệt kê các giải pháp đã có hiện nay và so sánh xem giải pháp nào tối ưu nhất Thu thập tài liệu, tìm hiểu nghiên cứu xử lý tín hiệu đưa về từ các cảm biến gửi qua các giao thức truyền thông về vi xử lý Arduino Xây dựng chương trình điều khiển Tìm hiểu các phần mềm hỗ trợ như Proteus, Arrduino IDE… Nghiên cứu chế tạo: Kế thừa và phát huy các thành tựu đã có sẵn cùng với thực nghiệm thực tế để chế tạo ra mô hình hệ thống 1.4 Giới hạn phương pháp nghiên cứu thiết kế Ý nghĩa của việc thiết kế chế tạo robot Robot di động dò đường tránh vật cản là cần thiết trong giây truyền nhà máy vì nó đáp ứng được các tiêu chí sau đây: Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 - Giảm nhân công trong việc vận chuyển hàng hóa trong các dây chuyền - Đóng vai trò tự động hóa trong môi trường công nghiệp - Tạo ra sự yên tâm, tin cậy cho hệ thống - Giới hạn của phạm vi thiết kế Vì robot là loại dò đường dựa vào cảm biến siêu âm để dò vật cản từ đó đưa ra được quãng đường nào không chứa vật cản thì sẽ đi về hướng đó Khi robot không dò thấy vật cản thì nó sẽ tiếp tục chạy cho đến khi gặp vật cản mới hoặc bị ngắt nguồn điện Công việc thiết kế gồm có: - Tính toán lựa chọn thiết kế phần cứng cơ khí - Tính toán lựa chọn thiết kế điện công suất - Thiết kế chương trình Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nguyên lý hoạt động của hệ thống Khi xe bắt đầu hoạt động, cả hai động cơ dẫn động hai bánh quay theo chiều thuận,đưa xe về phía trước, đồng thời, bộ vi xử lý ở đây là Arduino se liên tục tính toán khoảng cách từ cảm biến siêu âm trên robot đến bề mặt phản xạ Nếu khoảng cách tới bề mặt vật cản phản xạ là 15cm thì robot dừng lại, quét phía trái và phải, nếu phía nào trống thì 1 động cơ sẽ quay thuận trong khi 1 động cơ dừng cho phép robot đi về 1 hướng trái hoặc phải Cảm biến góc sẽ nhớ góc có vật cản và di chuyển theo hướng có khoảng trống và đi tiếp 2.1 Kết cấu hệ thống cơ khí Hệ thống cơ khí là phần rất quan trọng để tạo lên 1 chiếc xe việc tính toán hệ thống cơ khí nhằm giúp đảm bảo về kết cấu chịu lực và khả năng vận hành của xe Kết cấu cơ khí của xe gồm những thành phần chính sau đây: - Khung xe - Bánh xe chủ động - Bánh xe bị động (dẫn hướng) - Hệ truyền động 2.1.1 Hệ truyền động a, Khung xe Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com) lOMoARcPSD|39474592 Khung xe là phần để kết nối tất cả các bộ phận trên lại với nhau, việc lựa chọn khung xe sẽ giúp cho xe có khả năng chịu lực Khung xe cần có độ cứng cáp nhưng phải đáp ứng được tiêu chí nhỏ, nhẹ giúp giảm khối lượng của xe b, Bánh xe chủ động Bánh xe chủ động là phần trực tiếp quay và tạo ra động lực đẩy chiếc xe tiến về phía trước hoặc lùi lại phía sau, Bánh xe là phần tiếp xúc với mặt đất nên bánh xe cần đáp ứng được các tiêu chí như nhẹ, cứng cáp để nâng đỡ toàn bộ khối lượng xe, đủ độ bám để xe không bị trôi Việc thiết kế tính toán giúp ta tính toán được bán kính bánh xe, bề rộng bánh xe phù hợp Bánh xe chủ động c, Bán xe dẫn hướng Bánh xe dẫn hướng có tác dụng thay đổi hướng đi của xe giúp cho xe có thể vào cua mượt mà Bánh xe dẫn hướng cần đáp ứng các tiêu chí nhỏ gọn, độ bền cao và có độ bám đường tốt để không bị trượt khi chuyển hướng Bánh xe dẫn hướng Downloaded by nhim nhim (nhimbien3@gmail.com)