Đồ án thiết kế, chế tạo robot tham gia cuộc thi robocon 2010 phần mạch và lập trình điều khiển

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em đã nh ận được sự giúp đỡ, động viên, khích lệ của gia đình, thầy cô và bạn bè. Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn đến: Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Trường Đại học Nha Trang. Tập thể quý thầy cô giáo, bạn bè trong khoa Cơ Khí. Tập thể đội Robocon năm 2010 Trường đại học Nha Trang. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, thầy Th.S Vũ Thăng Long, thầy Trần Văn Hùng, thầy Đỗ Quốc Chí và thầy Nguyễn Văn Định đ ã hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Em xin c ảm ơn gia đình đã tạo điều kiện, động viên em trong suốt thời gian học tập và làm đồ án tại Trường. Nha Trang, ngày 25 tháng 05 năm 2010 Sinh viên thực hiện Trịnh Hồng Quang NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ tên : Trịnh Hồng Quang Lớp: 48CTU Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành: Tên đề tài : “Thiết kế chế tạo Robot tham gia Robocon 2010” Số trang………………, số chương…………… , tài liệu tham khảo Hi ện vật: Nhận xét K ết luận: Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ hướng dẫn (Kí và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Họ tên : Trịnh Hồng Quang Lớp: 48CTU Chuyên ngành : Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành: Tên đề tài : “Thiết kế chế tạo Robot tham gia Robocon 2010” Số trang………………, số chương…………… , tài liệu tham khảo Hi ện vật: Nhận xét K ết luận: Điểm phản biện Điểm chung Bằng số Bằng chữ Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ phản biện (Kí và ghi rõ họ tên) Nha Trang, ngày … tháng … năm … Chủ tịch hội đồng (Kí và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO DANH SÁCH BẢNG BIỂU DÙNG TRONG BÁO CÁO L ỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CUỘC THI SÁNG TẠO ROBOT 1 1.2. GI ỚI THIỆU LUẬT CỦA CUỘC THI SÁNG TẠO ROBOT 2010 1 1.2.1 T ổng quan về sân thi đấu 1 1.2.2. Quy định cho trận đấu 4 1.3.3. Cách tính điểm 4 1.3. LU ẬT THI ĐẤU CHI TIẾT VÙNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY 5 1.3.1. Gi ới thiệu vùng sân thi đấu của Robot bằng tay 5 1.3.2. Quy định khi thi đấu 8 1.3.3. Quy định đối với Robot bằng tay khi thiết kế chế tạo 9 1.4. CÁC B Ộ PHẬN CHÍNH CỦA ROBOT 9 1.4.1. H ệ thống nút nhấn điều khiển 10 1.4.2. B ộ điều khiển trung tâm 13 1.4.3. Kh ối truyền động 30 1.4.4. Công t ắc hành trình 36 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - 37 -37 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.2. N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU 39 2.2.1 Tìm hi ểu Robot các năm trước 39 2.2.2. Xây d ựng các phương án 39 2.2.3. Xây d ựng các phương án 40 2.3. THI ẾT KẾ CHO PHƯƠNG ÁN ĐƯỢC LỰA CHỌN 44 2.3.1. Thi ết kế cơ khí 44 2.3.2. Thi ết kế mạch điện 51 -51 2.3.3 L ập trình điều khiển 58 2.4. CH Ế TẠO CÁC PHẦN VÀ LẮP RÁP ROBOT 63 CHƯƠNG III: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 64 3.1. NHỮNG LỖI PHÁT SINH SAU KHI THỬ NGHIỆM TRÊN SÂN 65 3.2. CÁCH KHẮC PHỤC VÀ SỬA CHỮA LỖI 65 3.3. K ẾT QUẢ SAU KHI KHẮC PHỤC VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65 3.3.1. K ết quả khắc phục : 65 3.3.2 Hướng phát triển 66 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 67 4.1. KẾT LUẬN 67 4.2. ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO Trang Hình 1.1: Tổng quan sân thi đấu Robocon 2010 2 Hình 1.2: Kim t ự tháp Khufu 2 Hình 1.3: Kim t ự tháp Khafa 3 Hình 1.4: Kim t ự tháp Mankaura 3 Hình 1.5: Vùng sân thi đấu của Robot bằng tay 6 Hình 1.6: Hình d ạng và kích thước khối cấu kiện cố định 6 Hình 1.7: Kh ối cấu kiện chính dùng để xây dựng Kim tự tháp 7 Hình 1.8: Kh ối cấu đỉnh Vàng dùng để xây dựng Kim tự tháp 7 Hình 1.9: S ơ đồ chung của một Robot 9 Hình 1.10: S ơ đồ chung của Robot điều khiển bằng tay 10 Hình 1.11: Hình d ạng bên ngoài của tay cầm Sony Playstation 2 10 Hình 1.12: Sơ đồ đấu nối dây của tay cầm Sony Playstation 2 11 Hình 1.13: Đọc một byte từ tay cầm Sony Playstation 2 12 Hình 1.14: Đọc một Frame từ tay cầm Sony Playstation 2 12 Hình 1.15: M ột số Vi điều khiển họ AVR 13 Hình 1.16: C ấu trúc bộ nhớ của AVR 14 Hình 1.17: Thanh ghi 8 bit 15 Hình 1.18: Register file 15 Hình 1.19: C ấu trúc bên trong của AVR 17 Hình 1.20: C ấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 18 Hình 1.21: Thanh ghi DDRA 18 Hình 1.22: Thanh ghi PORTA 19 Hình 1.23: Thanh ghi PINA 19 Hình 1.24: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 8bit 20 Hình 1.25: Sơ đồ khối bộ Timer/Counter 16 bit 20 Hình 1.26: Thanh ghi TCCR0 21 Hình 1.27: Thanh ghi TCNT0 22 Hình 1.28: Thanh ghi 0CR0 22 Hình 1.29: Thanh ghi m ặt nạ ngắt 23 Hình 1.30: Thanh ghi c ờ ngắt 23 Hình 1.31: Sơ đồ thời gian của chế độ so sánh 24 Hình 1.32: Ch ế độ Fast PWM 25 Hình 1.33: Ch ế độ Phase correct PWM 25 Hình 1.34: Ch ế độ Phase correct PWM 26 Hình 1.35: S ơ đồ chân của ATMEGA32 27 Hình 1.36: Hình d ạng bên ngoài của ATMEGA32 28 Hình 1.37: Linh ki ện Opto 28 Hình 1.38: Linh ki ện ULN2803 29 Hình 1.39: Linh ki ện IRF540 29 Hình 1.40: Rơ le 29 Hình 1.41: Cấu tạo của động cơ DC 30 Hình 1.42: Nguyên t ắc hoạt động của động cơ DC 31 Hình 1.43: Động cơ DC KM3448 32 Hình 1.44: Động cơ gạt nước 33 Hình 1.45: M ột bộ nhông, đĩa và xích 34 Hình 1.46: B ộ truyền đai 35 Hình 1.47: Các lo ại bánh được sử dụngtrong Robot 36 Hình 1.48: Công t ắc hành trình thường thấy trong Robocon 36 Hình 2.1: Robot điều khiển bằng tay phương án 1 40 Hình 2.2: Robot điều khiển bằng tay phương án 2 42 Hình 2.3: Robot điều khiển bằng tay phương án 3 43 Hình 2.4: B ản vẽ khâu trượt đế của Robot bằng tay 45 Hình 2.5: B ản vẽ khối gỗ nằm ngang đỡ phần thân Robot 45 Hình 2.6: B ản vẽ con lăn trượt đế 46 Hình 2.7: B ản vẽ nhôm tấm dùng để giữ hai đầu con lăn 46 Hình 2.8: Đĩa xích 47 Hình 2.9: Nhông xích g ắn trực tiếp trên động cơ 47 Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của khâu trượt đế robot bằng tay 48 Hình 2.11: Con l ăn trong cơ cấu nâng hạ cánh tay Robot 48 Hình 2.12: Tang đẩy quà làm từ phôi nhựa 49 Hình 2.13: Khâu l ấy quà của Robot điều khiển bằng tay 49 Hình 2.14: Cánh tay phía trên c ủa Robot 50 Hình 2.15: Cánh tay phía d ưới của Robot 50 Hình 2.16: Nhông g ắn trên trục đẩy quà 50 Hình 2.17: Mô ph ỏng Robot điều khiển bằng tay 51 Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 5V 51 Hình 2.19: Kh ối mạch ATMEGA32 52 Hình 2.20: M ạch tạo nguồn công suất 53 Hình 2.21: M ạch cách ly 54 Hình 2.22: Kh ối đệm sử dụng IC ULN28 54 Hình 2.23: M ạch đóng mở và đảo chiều một động cơ 55 Hình 2.24: M ạch Layout của Robot bằng tay 57 Hình 2.25: M ạch điều khiển ngoài thực tế 57 Hình 2.26: Gi ải thuật đọc Gamepad 58 Hình 2.27: Gi ải thuật điều khiển Robot bằng tay 60 Hình 2.28 : Hình ảnh Robot ngoài thực tế 63 DANH SÁCH BẢNG BIỂU DÙNG TRONG BÁO CÁO Bảng 1: Bảng chia giai đoạn và thời gian thực hiện mỗi giai đoạn B ảng 2: Số chân có ở đầu ra của tay cầm Sony Playstation 2 B ảng 3: Cấu hình các chân của cổng B ảng 4: Bảng chọn chế độ hoạt động của Timer B ảng 5: Chế độ so sánh không PWM B ảng 6: Bảng mô tả các bit chọn nguồn xung LỜI MỞ ĐẦU Với việc phát minh ra các loại máy móc thì lao động chân tay của con người ngày càng hạn chế, thay vào đó con người chỉ chế tạo và điều khiển các máy móc để thực hiện công việc của m ình. Tuy nhiên với các loại máy móc thông thường thì độ chính xác không cao, phụ thuộc nhiều vào người điều khiển. Vì vậy, con người đ ã phát minh ra Robot tự động, Robot tự động sẽ là lao động chính trong tương lai, và là xu hướng phát triển của các ngành công nghiệp trong thời đại ngày nay. Đối với sinh viên ngành Cơ điện tử để làm quen với Robot thì Robocon là m ột sân chơi bổ ích, tham gia Robocon đòi hỏi sinh viên phải biết áp dụng tất cả các kiến thức mình đã học về cơ khí, điện tử và lập trình thì mới có thể hoàn thành được một Robot. Thông qua sân chơi này sinh viên được giao lưu học hỏi với các sinh viên trường khác để h oàn thiện hơn kiến thức của mình. Và cũng chính vì lý do đó mà nhóm chúng em đã chọn đề tài tốt nghiệp là : “Thiết kế chế tạo Robot điều khiển bằng tay tham gia Robocon 2010” dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguy ễn Văn Nhận, thầy Th.S Vũ Thăng Long, thầy Trần Văn Hùng, thầy Đỗ Quốc Chí và thầy Nguyễn Văn Định. Do s ự giới hạn kiến thức cũng như thời gian thực hiện đồ án nên bài báo tốt nghiệp này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để bài báo cáo được hoàn thiện hơn. Bài báo cáo gồm có bốn chương sau: - Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG - Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH - Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT - 0 - CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG - 1 - 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CUỘC THI SÁNG TẠO ROBOT Robocon là chữ viết tắt của cụm từ Robot Contest, là cuộc thi sáng tạo Robot Châu Á Thái Bình D ương 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, đội tuyển Robot Việt Nam đã ba lần đạt chức vô địch, đã thể hiện tinh thần học tập và sáng tạo của sinh viên Việt Nam. Cuộc thi này đã thu hút khá nhiều sinh viên trong nước và quốc tế tham gia. Đã có nhiều thế hệ sinh viên đã đạt được rất nhiều thành công từ những kì thì này. Trường Đại học Nha Trang cũng đã nhiều năm tham gia cuộc thi sáng tạo Robot và cũng đã đạt được những thành tích nhất định. Cuộc thi sáng tạo Robocon 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 t ưởng 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 n ào giữa các khối cấu kiện. Đội chiến thắng gọi l à “Robo-Pharaoh” là đội hoàn thành việc xây dựng các phần của ba Kim tự tháp nhanh nhất. Trong vòng ba phút, hai đội sẽ thi đấu với mục đích t ạo dựng lại một trong bảy kỳ quan của thế giới. 1.2. GIỚI THIỆU LUẬT CỦA CUỘC THI SÁNG TẠO ROBOT 2010 1.2.1 Tổng quan về sân thi đấu - Sân thi đấu bao gồm 2 vùng tự động, 1 vùng điều khiển bằng tay và 3 Kim t ự tháp (Khufu, Khafa và Mankaura). Vùng điều khiển bằng tay là vùng xây dựng Kim tự tháp Khufu, vùng tự động thứ nhất là vùng bao quanh Kim tự tháp Khafa, vùng tự động thứ hai là vùng bao quanh Kim tự tháp Mankaura. - Mỗi trận thi đấu gồm có hai đội xanh (blue) và đội đỏ (red). [...]... - 1.4.2 Bộ điều khiển trung tâm Trong một con Robot bất kỳ thì bộ phận đóng vai trò quan trọng nhất là bộ điều khiển trung tâm Đây chính là phần tạo nên “linh hồn” của một con Robot Bộ điều khiển trung tâm thực chất là một Board mạch sử dụng Vi điều khiển và những linh kiện điện tử khác để lập trình điều khiển Robot theo ý muốn của mình a Giới thi u về Vi điều khiển AVR AVR là họ vi điều khiển 8 bit... -8- 1.3.3 Quy định đối với Robot bằng tay khi thi t kế chế tạo - Robot bằng tay phải được điều khiển bằng tay Người điều khiển không được cưỡi lên Robot, có thể dùng điều khiển từ xa, sóng hồng ngoại hoặc sóng âm, sóng radio là không được phép - Robot phải được nối với người điều bằng dây cáp, độ dài tồi thi u của dây là 1m, tối da là 3m - Khoảng cách tối thi u mà cáp nối với Robot phải cách mặt đất ít... Khufu - Giai đoạn thứ hai là sử dụng một hoặc hai Robot tự động để xây dựng Kim tự tháp Khafra - Giai đoạn thứ ba là sử dụng một Robot tự động để xây dựng Kim tự tháp Mankaura - Bảng sau đây cho thấy ba giai đoạn và thời gian hoàn thành mỗi giai đoạn Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Kim tự tháp Khufu Khafa Mankaura Thời gian 90 60 30 Bảng 1: Bảng chia giai đoạn và thời gian thực hiện mỗi giai đoạn... cấu kiện lên Robot tại vị trí khởi động - Sau tiếng còi bắt đầu thi đấu của trọng tài người điều khiển không được chạm vào Robot ngoài việc thao tác với tay cầm điều khiển - Trong quá trình xây dựng kim tự tháp Robot bằng tay có thể xâm phạm không gian phía trên của vùng sân Robot tự động - Trong khi xây dựng lớp phía dưới không có bất cứ phần nào của Robot được xâm phạm vào vùng không gian của lớp... tắc hành trình Encorder Cảm biến dò đường Cảm biến khác Hình 1.9: Sơ đồ chung của một Robot  Sơ đồ tổng quát của một con Robot điều khiển bằng tay: Robot bằng tay thông thường gồm có: - Tay cầm điều khiển và cáp nối - Mạch điều khiển -9- - Công tắc hành trình - Động cơ điện một chiều - Bộ phận truyền động: Bộ truyền động xích, đai… - Thân chính: khung robot, cơ cấu nâng hạ trụ - Cơ cấu lấy và xếp quà... LUẬT THI ĐẤU CHI TIẾT VÙNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY Mỗi Robot bằng tay có thời gian 90 giây để hoàn thi n việc xây dựng Kim tự tháp Khufu Đội nào đặt được khối cấu kiện đỉnh màu vàng lên trước là đội giành chiến thắng trong khu vực Kim tự tháp Khufu 1.3.1 Giới thi u vùng sân thi đấu của Robot bằng tay Vùng thi đấu của Robot bằng tay gồm có những khu vực như sau: - Vùng được phép hoạt động của Robot điều. .. điều khiển 8 bit khác như PIC, Pisoc Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng So với họ 8051, 89xx thì nó có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và tiện lợi hơn rất nhiều  Những tính năng chính của Vi điều khiển AVR Hình 1.15: Một số Vi điều khiển họ AVR - Bộ nhớ chương trình Flash dung lượng lớn có thể lập. .. một trong số các phương tiện để Vi điều khiển giao tiếp với các thi t bị ngoại vi Mỗi Chip có số cổng vào ra khác nhau Các cổng vào ra của Vi điều khiển AVR đều là cổng vào ra hai chiều có thể định hướng được Tất cả các - 17 - chân của cổng đều được nối với điện trở kéo lên, ta có thể cho phép hay không cho phép điện trở này hoạt động Mỗi một cổng vào ra của Vi điều khiển được liên kết với ba thanh ghi... để điều khiển hoạt động của cổng Hình 1.20: Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR - Thanh ghi DDRx: Đây là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi, có chức năng điều khiển hướng của cổng (là lối ra hay lối vào) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì có nghĩa một chân tương ứng với nó được thi t lập là ngõ ra Ngược lại nếu 1 bit của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng với nó được thi t lập. .. nhấn điều khiển Bộ điều khiển trung tâm Khối truyền động Cơ cấu chấp hành Công tắc hành trình Hình 1.10 : Sơ đồ tổng quát của Robot điều khiển bằng tay 1.4.1 Hệ thống nút nhấn điều khiển Ta sử dụng hệ thống nút nhấn được tích hợp trên tay cầm Playstation 2 của hãng Sony: Hình 1.11: Hình dạng bên ngoài của tay cầm Sony Playstation 2 Bên trong tay cầm Sony Playstation 2 có tích hợp một Vi điều khiển, . CÁO L ỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I:GIỚI THI U CHUNG 1 1.1. GIỚI THI U VỀ CUỘC THI SÁNG TẠO ROBOT 1 1.2. GI ỚI THI U LUẬT CỦA CUỘC THI SÁNG TẠO ROBOT 2010 1 1.2.1 T ổng quan về sân thi đấu 1 1.2.2. Quy định. - 1.3.3. Quy định đối với Robot bằng tay khi thi t kế chế tạo - Robot bằng tay phải được điều khiển bằng tay. Người điều khiển không được cưỡi l ên Robot, có thể dùng điều khiển từ xa, sóng hồng. là : Thi t kế chế tạo Robot điều khiển bằng tay tham gia Robocon 2010 dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguy ễn Văn Nhận, thầy Th.S Vũ Thăng Long, thầy Trần Văn Hùng, thầy Đỗ Quốc Chí và thầy