Thiết kế, chế tạo robot tự động tham gia robocon 2010

- 1 - MỤC LỤC Nhiệm vụ đồ án Trang MỤC LỤC 1 - DANH MỤC CÁC HÌNH 3 - LỜI CẢM ƠN 5 - LỜI NÓI ĐẦU 6 - Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 7 - 1.1. Giới thiệu chung về Robocon 8 - 1.1.1. Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot 8 - 1.1.2. Sơ đồ cấu trúc của Robot 8 - 1.1.3. Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 8 - a. Giới thiệu về chủ đề 8 - b. Khái quát về luật thi 9 - c. Cách tính điểm 10 - 1.2. Giới thiệu cơ sở lý thuyết 11 - 1.2.1. Phần cơ khí 11 - a. Giới thiệu dụng cụ cơ khí chính 11 - b. Giới thiệu nguyên vật liệu, thiết bị 11 - 1.2.2. Phần điện 15 - a. Lý thuyết sơ lượt Vi điều khiển AVR 15 - c. Giới thiệu linh kiện khác 19 - Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 20 - 2.1. Phương pháp nghiên cứu 21 - 2.2. Nội dung nghiên cứu 22 - 2.2.1. Xây dựng phương án 22 - a. Nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa 22 - b. Xây dựng phương án 22 - 2.2.2. Lựa chọn phương án chế tạo 27 - 2.2.3. Thiết kế phần cơ khí 28 - a. Phần đế Robot tự động 28 - b. Phần ngã ra của giàn giữ cấu kiện 30 - c. Phần giá đỡ cấu kiện và cánh tay 32 - 2.2.4. Tính toán động học cho cơ cấu 39 - a. Cơ cấu trượt đế của robot 39 - b. Cơ cấu ngả cấu kiện 39 - c. Cơ cấu trượt ngang tầng 2 40 - d. Cơ cấu đẩy cấu kiện 40 - - 2 - 2.2.5. Thiết kế phần điện 41 - a. Nguồn điện sử dụng cho Robot 41 - b. Khối điều khiển 41 - c. Khối công tắc, nút nhấn 45 - d. Khối cách ly và đệm 46 - e. Khối công suất 48 - 2.2.6. Thiết kế phần mềm 50 - a. Lưu đồ thuật toán 50 - Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 62 - 3.1. Thử nghiệm 63 - 3.2. Phân tích lỗi và phương pháp sửa chửa và khắc phục các lổi 63 - Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 65 - 4.1. Kết luận 66 - 4.2. Đề xuất 66 - TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 - PHỤ LỤC A 68 - PHỤ LỤC B: Mã nguồn chương trình điều khiển: 70 - 1. Chương trình của ATmega32: 70 - 1.1. Robot_7qua.c 70 - 1.2. init.h 73 - 1.3. connet.h 75 - 1.4. control.h 77 - 1.5. nut_nhan.h 80 - 1.6. voids.h 81 - 1.7. voids_nhanh.h 90 - 2. Chương trình của AT90S2313: tiny.c 95 - PHỤ LỤC C: Hình sân thi đấu 100 - - 3 - DANH MỤC CÁC HÌNH 1. Hình 1.1: Sơ đồ chung của Robot 2. Hình 1.2: Tổng thể sân Robocon 2010 3. Hình 1.3: 4. Hình 1.4: Hình dáng một vài loại bánh xe robot 5. Hình 1.5: Đông cơ Hàn Quốc 6. Hình 1.6: Đông cơ trục vít bánh vít 7. Hình 1.7: Một số loại động cơ khác 8. Hình 1.8: Sơ đồ chân của ATmega32 9. Hình 1.9: Sơ đồ khối của ATmega32 10. Hình 1.10: Sơ đồ chân của AT90S2313 11. Hình 1.11: Hình dáng và cấu tạo bên trong encoder 12. Hình 1.12: Tín hiệu ra của encoder tương đối 13. Hình 1.13: Tín hiệu ra encoder tuyệt đối 14. Hình 2.1: Hình dáng và kích thước kim tự tháp Khafraa 15. Hình 2.2: Kích thước hình dáng khối cấu kiện cố định trên Kim tư tháp. 16. Hình 2.3: Hình dáng kích thước khối cấu kiện chính 17. Hình 2.4: Hình dáng kích thước khối cấu kiện đỉnh 18. Hình 2.5: (a)- Cách đặt cấu kiện, (b)- , bố trí chung 19. Hình 2.6: Cách đặt cấu kiện (a), bố trí chung (b) 20. Hình 2.7 : Cách bố trí Robot trên sân 21. Hình 2.8: Phương án 3 22. Hình 2.9: Cụm chi tiết đế 23. Hình 2.10: Bộ truyền trượt đế 24. Hình 2.11: Bánh xe tự lựa 25. Hình 2.12: Hình dáng thực tế động cơ trượt đế 26. Hình 2.13: Bộ phận ngã cấu kiện 27. Hình 2.14: Cơ cấu đẩy 28. Hình 2.15: Tang cuốn nhả cáp 29. Hình 2.16: Lắp động cơ và tang cuốn 30. Hình 2.17: Tiết diện nhôm kết cấu 31. Hình 2.18: Bố trí chung của giá giữ cấu kiện 32. Hình 2.19: Cụm chi tiết của cơ cấu đẩy cấu kiện tầng 1 33. Hình 2.20: Hình dáng thực tế động cơ đẩy tầng 1 34. Hình 2.21: Bộ truyền đẩy cấu kiện tầng 1 35. Hình 2.22: (a)- Bánh xích bị dẫn (tỉ lệ 2:1), (b)- Bánh dẫn(tỉ lệ 2:1) 36. Hình 2.23: Cụm kết cấu tầng 2 - 4 - 37. Hình 2.24: Kết cấu bộ truyền bánh răng đai răng 38. Hình 2.25: Bánh xích dẫn tầng 2(tỉ lệ 1:1) 39. Hình 2.26: Mô tả chuyển động trượt đế 40. Hình 2.27: Mô tả chuyển động ngã cấu kiện 41. Hình 2.28: Mô tả chuyển động trượt ngang tầng 2 42. Hình 2.29: Sơ đồ nối acqui 43. Hình 2.30: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 5V 44. Hình 2.31: Sơ đồ layout mạch tạo nguồn 5V 45. Hình 2.32: Sơ đồ nguyên lý ATmega32 46. Hình 2.33: Sơ đồ layout ATmega32 47. Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý của AT90S2313 48. Hình 2.35: Mạch layout AT90S2313 49. Hình 2.36: Khối công tắc 50. Hình 2.37: Mạch cách ly sử dụng opto PC817 51. Hình 2.38: Sơ đồ IC đệm ULN2803 52. Hình 2.39: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn công suất 12VDC 53. Hình 2.40: Mạch layout nguồn công suất 54. Hình 2.41: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ 55. Hình 2.42: Sơ đồ layout mạch điều khiển động cơ - 5 - LỜI CẢM ƠN Trong suốt khóa học (2006-2010) tại trường Đại học Nha Trang, với sự giúp đỡ của quý thầy cô trong Khoa Cơ khí, quý thầy trong Bộ môn Cơ điện tử đã giúp đỡ chúng em về mọi mặt, đặc biệt là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài của chúng em đã được hoàn thành đúng thời gian quy định. Chúng em xin chân thành cảm ơn tới: Bộ môn Cơ điện tử cùng tất cả Quý thầy trong Khoa Cơ khí đã truyền đạt những kiến thức quý báu làm cơ sở để chúng em thực hiện tốt đề tài này và đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn tất khóa học. Đặc biệt, Thầy Vũ Thăng Long, Thầy Nguyễn Văn Định, Thầy Trần Văn Hùng, Thầy Đỗ Quốc Chí đã tận tình giúp đỡ và cho chúng em những lời chỉ dạy quý báu giúp chúng em định hướng tốt trong khi thực hiện đề tài này. Ngoài ra em xin được cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đề tài tốt nghiệp. Nha trang, tháng 05 năm 2010 Nhóm sinh viên Nguyễn Ái Hạnh - Nguyễn Văn Việt - 6 - LỜI NÓI ĐẦU Cơ điện tử là một ngành học mới ở nước ta, nhưng nó ngày càng khẳng định được vai trò trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay và sự phát triển của đất nước trong tương lai. Đây là ngành có sự hội tụ và đúc kết của ba chuyên ngành là cơ khí, tin học và điện tử mà sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động của con người. Đối với sinh viên ngành Cơ điện tử để làm quen với các hệ thống tự động thì cuộc thi sáng tạo robot là một sân chơi bổ ích. Sản phẩm của cuộc thi này là một hệ thống tự động đơn giản, nhưng nó là sự cộng tác làm việc của một nhóm sinh viên. Khi tham gia cuộc thi này, mỗi sinh viên cần áp dụng tất cả những kiến thức đã học cả về cơ khí, mạch điện và lập trình và sự bàn bạc thảo luận để chế tạo thành công một con rrobot, và thông qua đó là cơ hội giao lưu học hỏi với các sinh viên trường khác để hoàn thiện các kiến thức mình đã được học trong bốn năm đại học. Vì vậy nhóm chúng em được giao thực hiện đồ án tốt nghiệp là làm robot theo chủ đề và luật của cuộc thi sáng tạo Robot 2010. Từ luật chơi của cuộc thi, nhóm em gồm hai thành viên thực hiện đề tài “ Thiết kế, chế tạo Robot tự động tham gia Robocon 2010” có khả năng hoàn thành công việc mà luật chơi yêu cầu. Sau một thời gian tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công, được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Trần Văn Hùng và Thầy Đỗ Quốc Chí, cùng quý Thầy trong Bộ môn Cơ điện tử và của Khoa Cơ khí, chúng em đã hoàn thành đề tài trong thời gian đặt ra. Chúng em xin chân thành cảm ơn Quý thầy đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Vì thời gian và kiến thức có hạn nên trong đồ án có nhiều phần còn hạn chế và còn nhiều điểm chưa khắc phục được. Mong quý Thầy trong khoa tận tình giúp đỡ để Đồ án tốt nghiệp của chúng em được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Ái Hạnh - Nguyễn Văn Việt - 7 - Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG - 8 - 1.1. Giới thiệu chung về Robocon 1.1.1. Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot Robocon, viết tắt của chữ Robot Contest, là cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương hằng năm. Cuộc thi được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2002 tại Nhật Bản có 20 đội đến từ các quốc gia trong khu vực tham gia và Việt Nam đã lần đầu tiên đăng quang trong cuộc thi này. Từ đó đến nay, Robocon Việt Nam đã ba lần đạt chức vô địch với các đại diện tiêu biểu cho tinh thần học tập và sáng tạo của sinh viên Việt Nam. Cuộc thi này đã thu hút khá nhiều sinh viên trong khu vực và trong nước yêu khoa học, công nghệ tham gia. Đã có rất nhiều thế hệ sinh viên đạt được nhiều thành công từ những kì thi này. Trường Đại học Nha Trang cũng nhiều năm tham gia cuộc thi sáng tạo Robot trong nước và đã đạt được những thành tích nhất định. 1.1.2. Sơ đồ cấu trúc của Robot Hình 1.1. Sơ đồ chung của Robot. 1.1.3. Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 a. Giới thiệu về chủ đề Cuộc thi sáng tạo Robot châu Á - Thái Bình Dương 2010, được tổ chức tại Cairo–Ai Cập với chủ đề là: Robo-Pharaohs xây Kim tự tháp (Robo-Pharaohs Build Pyramid). Ý tưởng này được dựa trên việc một cỗ máy thời gian ảo đưa những người thợ xây dựng Kim tự tháp của Ai Cập vào trong phòng học của các trường kĩ thuật. Mục tiêu mới là xây dựng các phần của ba Kim tự tháp theo trình tự. Các thành viên trong đội phải có sự nhanh nhẹn, chính xác và phối hợp tốt. Họ phải tuân theo quy định không được sử dụng bất kỳ một vật liệu kết dính nào giữa các khối cấu kiện. Bộ điều khiển trung tâm Đối tượng Nút nhấn Start Cơ cấu chấp hành Công tắc hành trình Encoder Cảm biến dò đư ờng Cảm biến khác LED - 9 - Đội chiến thắng gọi là “Robo-Pharaoh” là đội hoàn thành việc xây dựng các phần của 3 Kim tự tháp nhanh nhất. Trong vòng 3 phút, đội đỏ và đội xanh sẽ thi đấu với mục đích tạo dựng lại một trong bảy Kỳ quan của thế giới cổ đại. b. Khái quát về luật thi Hình 1.2: Tổng thể sân Robocon 2010 - Mỗi trận thi đấu gồm có hai đội xanh (blue) và đội đỏ (red). - Mỗi đội phải xây dựng hoàn thành 3 kim tự tháp: + Thứ nhất là Kim tự tháp Khufu do Robot điều khiển bằng tay thực hiện trong thời gian 90 giây để đặt: • 3 khối cấu kiện ở tầng thứ nhất. • 3 khối cấu kiện ở tầng thứ hai. • 1 khối cấu kiện ở tầng thứ ba. • 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh. + Thứ hai là Kim tự tháp Khafraa sẽ do một hoặc hai Robot tự động trong thời gian 60 giây xây dựng: • 3 khối cấu kiện ở tầng thứ nhất. • 3 khối cấu kiện ở tầng thứ hai. • 1 khối cấu kiện ở tầng thứ ba. • 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh. + Cuối cùng là việc hoàn thành Kim tự tháp Mankaura do một Robot tự động trong thời gian 30 giây để đặt: Khuffu Khafaraa Mankaura Khu v ực bằng tay (đ ội đỏ) Khu vực bằng tay (đội xanh) Khu vực tự động một (đội đỏ) Khu vực tự động một (đội xanh) Khu vực tự động hai (đội đỏ) Khu vực tự động hai (đội xanh) - 10 - • 1 khối cấu kiện ở tầng giữa. • 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh. - Robot xây dựng Kim tự tháp Mankauraa phải theo một trình tự như sau: trước khi cánh tay Robot tự động này chạm vào khối đỉnh phải đặt hoàn thành khối các cấu kiện ở tầng dưới của Kim tự tháp Mankauraa. - Đội nào hoàn thành việc xây dựng ba Kim tự tháp trước là đội “Robo-Pharaoh” và là đội chiến thắng. Trong trường hợp không có đội nào giành được “Robo- Pharaoh” thì phần thắng sẽ thuộc về đội có số điểm cao hơn. - Mỗi trận đấu kéo dài 3 phút. - Chi tiết về luật chơi và sân thi đấu tham khảo tại website: http://robocon2010.vtv.gov.vn - Sân thi đấu xem PHỤ LỤC C c. Cách tính điểm - Với từng khối cấu kiện trên mỗi tầng của ba Kim tự tháp, sai số tối đa cho phép là 25mm theo phương ngang. Không được phép có sai số trong các phương khác. - Với mỗi khối cấu kiện thường, trong trường hợp vượt quá sai số cho phép sẽ không được tính điểm. Với khối cấu kiện vàng, nếu vượt quá sai số cho phép thì chỉ được tính một nửa số điểm. Mọi khối cấu kiện, kể cả khối vàng nếu đặt không theo phương nằm ngang thì sẽ không được tính điểm. + Kim tự tháp Khufu (22 điểm): • 1 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ nhất. • 2 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ hai. • 3 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ ba. • 10 điểm cho khối mầu vàng ở đỉnh tháp. + Kim Tự Tháp Khafraa (44 điểm): • 2 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ nhất. • 4 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ hai. • 6 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ ba. • 20 điểm cho khối mầu vàng ở đỉnh tháp. + Kim tự tháp Mankaura (24 điểm): • 4 điểm giành cho một khối cấu kiện tại tầng dưới. • 20 điểm giành cho khối cấu kiện vàng trên đỉnh. + Kết quả của trận đấu sẽ được công bố sau 3 phút thi đấu như sau: • Tổng số điểm ghi được của mỗi đội sẽ được công bố sau khi đã trừ đi các điểm phạm luật. • Đội được tôn vinh là "Robo-Pharaoh" sẽ được cộng thêm 30 điểm có nghĩa là tổng số điểm đạt được lên tới 120 điểm. • Phần thắng sẽ thuộc về đội có điểm số cao hơn đội kia. [...]... sửa chữa - 22 - 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.2.1 Xây dựng phương án a Nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa - Robot tự động phải di chuyển một cách tự động, khi nó được khởi động trong 1 pha thi đấu bởi một thành viên trong đội nhấn nút - Lúc bắt đầu trận đấu, ở khu vực khởi động, kích thước của Robot tự động (bao gồm cả các khối cấu kiện đặt trước) không được vượt quá 1m(dài) x 1m(rộng)... bulong, đinh vít, bánh răng, bánh xích, trục Trong chế tạo robot thì thép được sử dụng hàn khung, tiện trục, phay bánh răng và bánh xích - Phôi nhựa: là một loại polyme bền, nhẹ, dễ gia công cắt gọt và tạo hình, khuôn Được sử dụng trong chế tạo máy và dụng cụ gia đình Trong chế tạo robot phôi nhựa được sử dụng tiện tang cuốn cáp, con lăn, bạc đở, và gia cường cho nhôm hộp tại một số vị trí chịu lực... lực - Các loại vật liệu khác như Inox, phíp, mika, gỗ, ,củng được sử dụng trong chế tạo robot Ø Thiết bị * Bánh xe: Có nhiều loại bánh xe được chế tạo bằng nhôm, nhựa, , truyền động trực tiếp từ động cơ có hộp giảm tốc hay thông qua bộ truyền động đai Kích thước bánh phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng mà có thể tự gia công (bằng phương pháp tiện) hoặc có bán sẳn trên thị trường Dưới đây là hình... hoàn thiện ý tưởng Bước 4: Thiết kế bản vẽ chi tiết và mô phỏng Sau khi cả đội thống nhất ý tưởng thi bắt đầu thiết kế bản vẽ Mục đích: Cụ thể hình dáng, kích thước Robot, lựa chọn vật liệu và kiểm tra lại lần cuối mức độ hợp lý của kết cấu trước khi gia công Yêu cầu: + Hoàn thành bản vẽ với đầy đủ các thông số chế tạo + Tiết kiệm kinh tế, dễ chế tạo Bước 5: Tiến hành gia công Robot Bước 6: Thử nghiệm... thành công việc (xây xong kim tự tháp) trong khoảng thời gian 60s - Sai số cho phép của các khối cấu kiện được xếp với quy định là không được vượt quá 25mm theo phương ngang - Mỗi Robot tự động có thể được nạp (trước khi bắt đầu trận đấu) một số cấu kiện tuỳ ý - Để xây dựng kim tự tháp này có thể sử dụng 1 hoặc 2 Robot tự động b Xây dựng phương án Hình dáng và kích thước Kim tự tháp Khafraa như Hình 2.1... thân Robot + Kết cấu khá đơn giản - Nhược điểm: + Do phải tiếp cận Kim tự tháp nên tính ổn định không cao + Đẩy cấu kiện vào Kim tự tháp dễ bị xô lệch + Hoàn thành công việc chậm + Khi retry sẽ không thể xếp được toàn diện các khối cấu kiện + Lập trình khá phức tạp * Phương án 2 Thiết kế Robot đi lấy cấu kiện ở kho chứa Robot sau khi được khởi động ở khu vực xuất phát, nó sẽ hoạt động một cách tự động. .. trước khi bắt đầu trận đấu với cơ cấu đặt cấu kiện lên Kim tự tháp Khafraa sử dụng băng tải Robot gồm các chuyển động như sau: Chuyển động của bánh tiếp cận Kim tự tháp, chuyển động tịnh tiến lên xuống của khung chứa cấu kiện, chuyển động của băng tải đưa cấu kiện vào vị trí đẩy cấu kiện, chuyển động tịnh tiến của tay đẩy cấu kiện vào kim tự tháp Hình dáng và cách xếp cấu kiện được mô tả như trên Hình... thị trường (a) (b) Hình 1.4: Hình dáng một vài loại bánh xe robot (a)- Bánh xe truyền động trực tiếp nhờ động cơ có hộp giảm tốc (b)- Bánh xe truyền động bằng đai - 12 - * Động cơ điện một chiều: là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều - Cấu tạo: Gồm có 3 phần chính: + Stator (đứng yên) là phần cảm sinh ra từ trường trong mạch từ của động cơ điện 1 chiều, Stator có một hay nhiều cặp nam châm... Kim tự tháp Robot gồm các chuyển động sau: Chuyển động của hai bánh, chuyển động lên xuống tịnh tiến của cánh tay, chuyển động tịnh tiến vươn tay kẹp, chuyển động kẹp của tay kẹp, chuyển động quay của tất cả các cơ cấu trên đế Hình dáng và cách xếp cấu kiện được mô tả như trên Hình 2.6 (a) (b) Hình 2.6: Cách đặt cấu kiện (a), bố trí chung (b) - Ưu điểm: + Có nhiều chiến thuật đánh + Kích thước Robot. .. liệu chế tạo dễ kiếm + Lập trình tương đối đơn giản - Nhược điểm: + Kích thước lớn, cồng kềnh + Yêu cầu chính xác khi chế tạo + Việc tinh chỉnh thử nghiêm kỉ lưỡng 2.2.2 Lựa chọn phương án chế tạo Từ viêc so sánh những ưu, nhược điểm ở trên và điều kiện thi công, nhóm em và các thành viên trong đội quyết định chọn phương án 3 Đây là phương án có nhiều ưu điểm, đảm bảo đầy đủ nhiệm vụ của Robot tự động . Nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa 22 - b. Xây dựng phương án 22 - 2.2.2. Lựa chọn phương án chế tạo 27 - 2.2.3. Thiết kế phần cơ khí 28 - a. Phần đế Robot tự động 28 -. được giao thực hiện đồ án tốt nghiệp là làm robot theo chủ đề và luật của cuộc thi sáng tạo Robot 2010. Từ luật chơi của cuộc thi, nhóm em gồm hai thành viên thực hiện đề tài “ Thiết kế, chế tạo. hiện đề tài “ Thiết kế, chế tạo Robot tự động tham gia Robocon 2010 có khả năng hoàn thành công việc mà luật chơi yêu cầu. Sau một thời gian tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công, được sự