HƯỚNG DẪN LẮP RÁP VÀ LẬP TRÌNH CHO LEGO MINDSTORMS NXT MÔN HỌC LEGO-ROBOTICS

HƢỚNG DẪN LẮP RÁP VÀ LẬP TRÌNH CHO LEGO MINDSTORMS NXT MÔN HỌC LEGO-ROBOTICS Công ty Cổ Phần Việt Tinh Anh giữ quyền Nhóm biên dịch: Lê Phúc Nguyên Tuấn Trần Quang Viễn LỜI NÓI ĐẦU Lớp học “Kĩ Sƣ Robot” - LEGO Robotics lớp học ngoại khóa nhằm phát triển khiếu kỹ thuật ứng dụng công nghệ vào việc giải vấn đề sống cho em học sinh tiểu học trung học Chƣơng trình dạy học dựa vào toán thực tế, kỹ thuật công nghệ mới, với dẫn dắt khuyến khích giảng viên, tạo điều kiện cho học sinh tự đóng vai trò chủ động trình học tập Các em có ham muốn tự mày mò đƣa giải pháp, thiết kế, lắp ráp, lập trình cho giải pháp với kiến thức phổ thông toán, vật lý, tin học, v.v ; em có nhu cầu bàn bạc hợp tác với bạn nhóm để giải vấn đề - điều không dễ mà có đƣợc nhiều môn học khác mà việc giải vấn đề chúng thông qua giấy viết Việc sử dụng sản phẩm LEGO MINDSTORM NXT chƣơng trình học giúp tự xây dựng robot từ số không, tránh đƣợc việc phải ý chế tạo chi tiết nhỏ làm nhiều thời gian công sức Ngƣời dùng cần nắm rõ phƣơng pháp sử dụng khối lắp ráp độc lập có sẵn, kết hợp chúng để tạo hệ thống phức tạp hơn, xu hƣớng kỹ thuật giới - thiết kế chế tạo theo module Tuy nhiên, môn học mẻ Việt Nam, nên tài liệu hƣớng dẫn LEGO MINDSTORMS NXT Việt ngữ hầu nhƣ không có, có dạng hƣớng dẫn ngắn thƣờng không đầy đủ Với mong muốn có sách tiếng Việt đầy đủ chi tiết nhằm tiện cho giáo viên em học sinh tham khảo tra cứu, nhóm tác giả cố gắng biên dịch tổng hợp từ tài liệu nƣớc Internet đời sách "Hƣớng Dẫn Lắp Ráp Lập Trình Cho LEGO MINDSTORMS NXT" Để sử dụng hiệu sách này, độc giả nên dùng kèm với Robotkit 9797 (LEGO MINDSTORMS Education NXT Base Set 9797) cần thiết bổ sung thêm khối lắp ráp 9695 (LEGO MINDSTORMS Education NXT Resource Set 9695) Các chƣơng sách đƣợc viết nhằm bổ sung cho giáo án chƣơng trình lớp học "Kĩ sƣ Robot" nâng cao công ty Việt Tinh Anh biên soạn Với giảng, giáo viên cho em tự đọc chƣơng tƣơng ứng nhà trƣớc để có kiến thức bản, lớp trình bày phƣơng pháp kết hợp phần để giải tập đào sâu vào khả ứng dụng chúng Do sách đƣợc cố ý trình bày cách tổng quát với đủ chi tiết, nên độc giả tự học cách lắp ráp robot MINDSTORMS NXT tìm hiểu chƣơng sách tham khảo trực tiếp đến phần có đề tài mà quan tâm Do khả thời gian bị hạn chế, nên sách có thiếu sót Nhóm tác giả mong nhận đƣợc góp ý thầy cô giáo, em học sinh, độc giả khác để chỉnh sửa sách ngày tốt Bên cạnh đó, nhóm tác giả cố gắng định kỳ cập nhật nội dung sách để bổ sung mục chƣa đƣợc nhƣ ý Hy vọng sách giúp ích đƣợc nhiều cho quý độc giả Ý kiến góp ý xin gởi thƣ điện tử địa info@viettinhanh.com.vn Xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………………………………… trang PHẦN : GIỚI THIỆU ……………………………………………………………………………………….6 CHƢƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOTICS VÀ ROBOT LEGO EDUCATION…………………5 I Giới thiệu Robotics : …………………………………………………………………………………… II Ứng dụng Robot sản xuất : ………………………………………………………………………… III Giới thiệu Robot Lego Education : …………………………………………………………………….7 CHƢƠNG : GIỚI THIỆU VỀ KHỐI LẮP RÁP LEGO…………………………………………………….9 I Giới thiệu:… …………………………………………………………………………………………… …9 II Giới thiệu thanh, gạch, cấu kiện LEGO…………………………………………………… III Thể kích thƣớc đơn vị : ………………………………………………………………………….14 IV Chốt kết nối …………………………………………………………………………………… ……… 23 PHẦN : ĐỘNG CƠ…………………………………………………………………………………………26 CHƢƠNG : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ LEGO ……………………………………………………… 26 I Giới thiệu : …………………………………………………………………………………………………26 II Nguyên lý hoạt động : …………………………………………………………………………………….26 III Giới thiệu động LEGO……………………………………………………………………………… 27 PHẦN : CÁC CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG…………………………………………………………………31 CHƢƠNG :TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG ……………………………………………………………31 I Giới thiệu : …………………………………………………………………………………………………31 II Các đặc điểm cần lƣu ý : ………………………………………………………………………………….31 III Các ứng dụng bánh thông thƣờng : …………………………………………………………….32 IV Một số cấu bánh khác : ………………………………………………………………………….34 CHƢƠNG : CÁC BỘ TRUYỀN ĐỘNG KHÁC………………………………………………………….39 I.Ròng rọc(Pulley) : ………………………………………………………………………………………….39 CHƢƠNG : CÁC CƠ CẤU CƠ KHÍ………………………………………………………………………42 I Cơ cấu cam : ……………………………………………………………………………………………….42 II Cơ cấu vi sai ………………………………………………………………………………………………43 III Cơ cấu “vòng lái” ……………………………………………………………………………………… 45 IV Cơ cấu lái : ……………………………………………………………………………………………….46 V Cơ cấu tay quay trƣợt : ……………………………………………………………………………….48 PHẦN : CÁC CƠ CẤU LÀM VIỆC THÔNG THƢỜNG…………………………………………………50 CHƢƠNG : CÁC CƠ CẤU TAY GẮP – TAY NÂNG ………………………………………………… 50 I.Tay gắp bản: …………………………………………………………………………………………… 50 II Cơ cấu nâng : …………………………………………………………………………………………… 51 CHƢƠNG : CÁC CƠ CẤU DI CHUYỂN…………………………………………………………………52 I.Di chuyển bánh xe : ………………………………………………………………………………… 52 II.Di chuyển xích : …………………………………………………………………………………… 52 CHƢƠNG : CÁC LOẠI CẢM BIẾN …………………………………………………………………… 56 I Giới thiệu:……………………………………………………………………………………………… 55 II Cảm biến chạm : ………………………………………………………………………………………… 55 III Cảm biến ánh sáng:…………………………………………………………………………………… 56 IV Cảm biến siêu âm:……………………………………………………………………………………… 57 V Cảm biến âm : …………………………………………………………………………………… 58 PHẦN : BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN…………………………………………………………………………60 CHƢƠNG 10 : SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH NXT - G……………………………………………………60 I Giới thiệu môi trƣờng lập trình LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 (NXT-G) …………………………60 II Thảo chƣơng trình NXT-G đơn giản: ……………………………………………………………… 64 III Các khái niệm ngôn ngữ lập trình NXT-G: ……………………………………………… 66 IV Các khối lệnh xử lý liệu: …………………………………………………………………………… 75 CHƢƠNG 11 : CÁC CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN……………………………………………………………84 I Khối lệnh [Switch]: ……………………………………………………………………………………… 84 II Khối lệnh [Loop]: …………………………………………………………………………………………92 CHƢƠNG 12 : LẬP TRÌNH VỚI THIẾT BỊ NGOẠI VI ………………………………………………….101 I.Điều khiển cảm biến chạm: ……………………………………………………………………………….101 II Điều khiển cảm biến ánh sáng: ………………………………………………………………………… 104 III Điều khiển cảm biến âm thanh: …………………………………………………………………………108 IV Điều khiển cảm biến siêu âm: ………………………………………………………………………… 110 V Điều khiển động cơ: …………………………………………………………………………………… 115 PHẦN : THIẾT KẾ ROBOT…………………………………………………………………………… 121 CHƢƠNG 13 : THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH ROBOT…………………………………………………… 121 I.Giới thiệu : ……………………………………………………………………………………………… 121 II Robot Castor Bot: ………………………………………………………………………………121 III Lập trình cho Robot hành động đơn giản : …………………………………………………… ………128 IV Lập trình Robot dò đƣờng : …………………………………………………………………………… 130 VI Lập trình Robot dò đƣờng tránh chạm vật cản:……………………………………………… ……133 PHẦN : GIỚI THIỆU CHƢƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOTICS VÀ ROBOT LEGO EDUCATION I Giới thiệu Robotics : Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec “Robota” - nghĩa công việc tạp dịch kịch Rossum‟s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch này, Rossum trai chế tạo máy gần giống với ngƣời để phục vụ ngƣời Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chƣớc hoạt động bắp ngƣời *Định nghĩa Robot : Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) : Robot cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ, có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng theo hành trình chương trình hoá nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Theo RIA(Robot institute of Americal) : Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng thông qua chương trình chuyển động thay đổi để hoàn thành nhiệm vụ khác Theo ΓOCT(Nga) : Robot loại máy móc tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lặp lặp lại để hoàn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất Có thể nói, Robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chƣơng trình số nhƣ kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khôn nhân tạo Trong năm sau này, việc nâng cao tính hoạt động Robot không ngừng đƣợc phát triển Các Robot đƣợc trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trƣờng chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học – Điện tử - Cơ khí, tạo hệ Robot với nhiều tính đặc biệt II Ứng dụng Robot sản xuất : Từ đời, Robot đƣợc áp dụng nhiều lĩnh vực dƣới góc độ thay sức ngƣời Nhờ dây chuyền sản xuất đƣợc tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt Mục tiêu ứng dụng Robot nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lƣợng khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt đƣợc mục tiêu nhờ vào khả to lớn Robot nhƣ : làm việc không mệt mỏi, dễ dàng “chuyển nghề” cách thành thạo, chịu đƣợc phóng xạ môi trƣờng làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” đƣợc từ trƣờng “nghe” đƣợc sóng siêu âm… Nhƣ vậy, khả làm việc Robot số điều kiện vƣợt khả ngƣời, phƣơng tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao suất lao động, giảm nhẹ cho ngƣời công việc nặng nhọc độc hại Nhƣợc điểm lớn Robot chƣa linh hoạt nhƣ ngƣời, môi trƣờng tự động, có Robot bị hỏng ngừng hoạt động dây chuyền, Robot hoạt động dƣới giám sát ngƣời III Giới thiệu Robot Lego Education : LEGO® MINDSTORMS® - giải pháp lý tƣởng cho việc giảng dạy Robotics cấp độ LEGO MINDSTORMS hệ thống Robot cung cấp giải pháp giáo dục hoàn toàn thích hợp phần cứng, phần mềm nguồn tài nguyên giáo dục để sử dụng lớp học, câu lạc trƣờng tự học nhà Học viên đƣợc thiết kế, lập trình kiểm soát mô hình Robot đầy đủ chức để thực nhiệm vụ cách tự động Tại lại LEGO ? Sức mạnh hệ thống LEGO nằm khái niệm sáng lập : dùng lại Cùng khối gạch bản, hôm chân voi, ngày mai lại khối kim tự tháp Ai Cập, ngày hôm sau lại mũi Robot Khi mở hộp LEGO, bạn thấy hình mẫu hƣớng dẫn, nhƣng bạn thấy có nhiều mô hình khác bạn tạo nên từ phận sẵn có Điều tiện ích biến nhựa nhỏ thành hệ thống lớn phần kết nối Bạn không cần keo, vít, công cụ khác để lắp ráp tháo gỡ mô hình LEGO Các phận LEGO dễ dàng đƣợc kết nối cách vững tạo thành mô hình tuyệt vời bạn định tháo gỡ Các phận không độc hại hƣ hỏng, dù bạn có sử dụng nhiều lần Nhƣng điều mà thực khiến cho LEGO dễ sử dụng tính mô đun Không ngẫu nhiên kết nối với khác, mà có tính toán, xác định trƣớc Các đầu đinh lỗ của buộc bạn phải lắp ráp cách xác theo sơ đồ hình học Đây điều gây khó khăn lúc đầu, nhƣng thực làm cho thứ trở nên dễ dàng hơn, gọi định vị xác Bạn không cần phải có thƣớc kẻ thƣớc đo góc tất cần thiết bạn đếm đƣợc      LEGO nhanh : bạn không cần phải cƣa, cắt, khoan, hàn, tiện, phay phận Tất sẵn sàng để sử dụng, cần chọn bạn cần LEGO : bạn không cần phải giũa, không cần chất bôi trơn sơn, bạn chơi xong, phòng trông giống hệt nhƣ bạn chƣa chơi Đây điểm vô quan trọng để ngƣời sống cảm thấy hài lòng sở thích bạn LEGO – chi phí hiệu : bạn sử dụng tái sử dụng thành phần LEGO để tạo hệ Robot Và chí giả dụ nhƣ lốp xe, có giá trị thƣơng mại, dễ dàng lắp ráp vào mô hình khác, nên có ích với thiếu LEGO thân thiện với môi trƣờng : Là tập đoàn đứng đầu giới chất lƣợng sản phẩm dịch vụ, LEGO tuân thủ hƣớng dẫn tiêu chuẩn đồ chơi châu Âu, qui định luật liên bang tiêu chuẩn ASTM F963 Chất liệu nhựa sử dụng sản xuất sản phẩm LEGO nhựa ABS tuyệt đối không độc hại, an toàn với độ bền cao, khả chịu nhiệt, axit, muối hóa chất khác LEGO MINDSTORM NXT – với lắp ráp này, bạn xây dựng Robot riêng mình, tất tuỳ thuộc vào sáng tạo riêng bạn Dĩ nhiên, NXT đồ chơi tuyệt vời, nhiều trẻ em giới tận hƣởng việc sáng tạo Robot nhƣ niềm vui, nhiều ngƣời lớn nhƣ vậy, gọi “có sở thích” thay “chơi với đồ chơi” Tuy nhiên, NXT đồ chơi, giáo viên cấp học sử dụng dụng cụ để dạy khoa học công nghệ LEGO chí có riêng phận chuyên nghiên cứu giáo dục để cung cấp nguồn lực cho giáo viên Điều tuyệt vời bạn sử dụng công cụ để thực sáng tạo khoa học cách thực sự, nhóm sinh viên gởi Robot NXT lên không gian có độ cao lớn với mặt nƣớc biển để thực số thí nghiệm Cùng với việc tiện lợi dễ sử dụng, NXT linh hoạt đủ mạnh mẽ để nhà khoa học lứa tuổi nghiên cứu Giới hạn tồn trí tƣởng tƣợng bạn Để xây dựng Robot, phải cần phần sau :  Thông tin cảm biến(Sensor) : Robot cần phải lấy thông tin từ môi trƣờng xung quanh  Chƣơng trình(Programing) : Bộ não Robot sử dụng thông tin đƣợc lập trình để đƣa định  Hành động(Action) : Robot cần phải có phận chuyển động để thực mệnh lệnh Động Cảm biến chạm “Bộ não” NXT Cảm biến âm Cảm biến ánh sáng Cảm biến siêu âm Hình 1.1 Tổng quan LEGO Ngoài ra, để lắp ráp đƣợc Robot, cần phải thành phần để tạo nên “bộ phận truyền động”, “bộ phận làm việc” Đó thanh, dầm, bánh răng, bánh đai, xích… CHƢƠNG : GIỚI THIỆU VỀ KHỐI LẮP RÁP LEGO I Giới thiệu: Trƣớc vào giới Robot LEGO, có vài thuộc tính hình học gạch LEGO mà bạn cần phải biết hiểu Bạn không cần phải kiểm tra phép toán phức tạp lƣợng giác Chúng ta thảo luận vài khái niệm đơn giản giải thích số thuật ngữ mà khiến cho việc lắp ráp hệ thống thực tế trở nên dễ dàng từ ban đầu Bạn khám phá đơn vị mà LEGO sử dụng để thể kích thƣớc, nhƣ tỉ lệ loại thanh, tấm, làm điều ảnh hƣởng đến việc bạn kết hợp với hƣớng khác vào cấu trúc II Giới thiệu thanh, gạch, cấu kiện LEGO Các khối “gạch”(Bricks) : khối có hình mũ đinh(Studs) Hình 2.1 Một số loại gạch Hình 2.2 Các loại thanh(Beam) 10 123 10 124 11 12 13 125 14 15 16 17 126 18 19 20 II.2 Thêm cảm biến ánh sáng vào nhƣ hƣớng dẫn : 127 III Lập trình cho Robot hành động đơn giản : Bây Robot đƣợc lắp ráp xong, tiến hành lập trình cho Robot thực hành động sau :  Tiến trƣớc 128     Lùi sau Quay sang bên phải Phát âm Hiển thị lên hình Chƣơng trình NXT-G đƣợc tạo ba giai đoạn riêng biệt Giai đoạn đầu, cho Robot di chuyển Tiếp theo, khối âm hiển thị đƣợc thêm vào chƣơng trình NXT-G Robot giao tiếp, đến hoàn thành việc phát triển chƣơng trình cho Robot, Robot đƣợc vận hành để kiểm tra Sau ghi vào ô lập trình để mô tả đƣợc Robot thực nhiệm vụ thời điểm cụ thể Bƣớc : Làm cho Robot di chuyển Đặt khối Move thứ lập trình, cấu hình nhƣ sau : Cấu hình cho khối Move thứ hai : Cấu hình cho khối Move thứ ba : 129 Bƣớc : Làm cho Robot phát âm hiển thị lên hình, thực theo bƣớc sau :       Nói “Hello” bắt đầu Hiển thị dòng chữ “Hi I am Castor Bot” hình NXT Dừng lại 2s Phát âm “Tone” trƣớc hành động di chuyển Nói “Goodbye” Hiển thị dòng chữ “Goodbye” hình NXT Chƣơng trình tƣơng tự nhƣ sau : Trƣớc tiến hành ghi chú, nạp chƣơng trình kiểm vận hành Robot có với yêu cầu đặt hay không Bƣớc : Ghi NXT-G Sau kiểm chứng khả vận hành Robot thực tế, tiến hành thực việc ghi cửa sổ lập trình : IV Lập trình Robot dò đƣờng : Chúng ta lập trình để Robot dò theo đƣờng định sẵn nhƣ hình bên dƣới : Robot dò đường 130 Mở NXT, chọn biểu tƣợng Reflected light Chọn cổng mà bạn cắm dây vào (VD : 3) Giữ cảm biến thật gần bề mặt mà bạn muốn đo, ta đo màu đen màu trắng Đọc số liệu hiển thị hình NXT Ta lấy số trung bình cộng đen trắng (Vd : trằng (70), đen(30), trung bình =50) Nhập số vào ô điều kiện để chọn lựa Đúng Sai Về giải thuật dò đƣờng : Robot dò theo đƣờng giao đen trằng Một cách đơn giản, cảm biến ánh sáng đọc đƣợc màu đen, cho Robot quẹo qua khu vực màu trắng, ngƣợc lại Nhƣ vậy, Robot liên tục lắc qua lắc lại để dò theo đƣờng định sẵn Bắt đầu Kiểm tra Sai Đúng Robot quẹo phải Robot quẹo trái 131 Lặp lại mãi Sử dụng vòng lặp với điều kiện lặp mãi để liên tục kiểm tra cảm biến, chọn hƣớng di chuyển phù hợp Xác lập thuộc tính động giống bảng bên dƣới Cấu hình cho Robot quẹo phải cảm biến phát vùng màu trắng Cấu hình cho Robot quẹo trái cảm biến phát vùng màu đen : 132 Kết Robot di chuyển nhƣ sau : VI Lập trình Robot dò đƣờng tránh chạm vật cản VI.1 Lắp thêm cảm biến siêu âm 133 134 VI.2 Lập trình Robot dò đƣờng dừng lại phát vật cản : Ở phần đặt vật cản đƣờng di chuyển Robot(vật cản phải đủ cao rộng để cảm biến siêu âm nhận biết đƣợc) Ở sử dụng thùng đựng 9797 để làm vật cản 135 Tiếp tục sử dụng giải thuật dò đƣờng nhƣ trên, nhiên, điều kiện kết thúc vòng lặp, sử dụng cảm biến siêu âm, cấu hình nhƣ sau : 136 Nhƣ vậy, Robot vừa dò đƣờng vừa liên tục kiểm tra khoảng cách từ liệu nhận đƣợc cảm biến siêu âm, khoảng cách từ đầu thu cảm biến siêu âm đến vật cản đạt xấp xỉ 30cm Vòng lặp bị thoát Robot dừng lại 137