Bài viết này trình bày về thiết kế và chế tạo robot lau bảng điều khiển từ xa bằng sóng RF. Robot di chuyển trên bảng từ treo trên tường vuông góc mặt sàn, lau sạch các chữ viết phấn trên bảng thay con người và gom bụi phấn lại.
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LAU BẢNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF RESEARCHING AND DESIGNING ROBOTIC BOARD CLEANER CONTROLLED BY RF SIGNAL Nguyễn Thị Quyên, Vũ Bảo Tạo, Lê Văn Sơn E-mail: quyennt96@yahoo.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 5/12/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 23/3/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018 Tóm tắt Bài báo trình bày thiết kế chế tạo robot lau bảng điều khiển từ xa sóng RF Robot di chuyển bảng từ treo tường vng góc mặt sàn, lau chữ viết phấn bảng thay người gom bụi phấn lại Kết thử nghiệm robot bám vào bảng di chuyển bảng từ không bị rơi, lau chữ viết phấn bảng, lau theo vùng Các hoạt động robot điều khiển tay điều khiển từ xa thơng qua sóng RF, khoảng cách điều khiển từ xa đạt 20 m Từ khóa: Vi điều khiển; AVR; RF; robot Abstract This article describes the design and manufacture of remote control robotics using RF signal The robot move on the board hang on the wall It replace human cleans the word write by chalk on the board and collect chalk dust The experiment results indicated that the robot cling on the table and moves on the board but don’t fall to the floor, cleans the word write by chalk on the board, clean the area The operation of the robot is controlled by remote control via RF signal, remote control distance is 20 m Keywords: Microcontroller; AVR; RF; robotic ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, có nhiều thiết bị, phương tiện hỗ trợ dạy - học nhà trường việc sử dụng phấn viết chữ lên bảng từ trình dạy - học chủ yếu, chưa thể thay Lượng lớn bụi phấn hoạt động xóa chữ viết bảng tạo gây triệu chứng dị ứng, hen suyễn, vấn đề đường hô hấp cho người hít phải hạt bụi phấn Hiện nay, Việt Nam xuất sản phẩm hỗ trợ lau bảng, tránh cho người tiếp xúc trực tiếp với bụi phấn Có thể phân sản phẩm hỗ trợ lau bảng làm hai loại: lau toàn bảng lau bảng theo vùng - Những robot lau toàn bảng dùng lau bảng hình trụ, hoạt động theo phương thức gạt từ trái sang phải từ phải sang trái, lần lau bảng lau nhiều dòng lúc, việc giáo viên muốn lưu lại đề mục phần nội dung trọng tâm bảng tiết học không thực - Những robot lau bảng theo vùng khắc phục nhược điểm việc lau toàn bảng sản phẩm dừng lại việc lau bảng, chưa thu bụi phấn Bụi phấn hút từ bảng thổi ngồi khơng khí, điều làm cho bụi phấn phát tán rộng khơng khí Hơn nữa, dùng lực hút chân không để bám bảng gây tiếng ồn tiêu tốn đến 80% lượng pin, lực bám bảng robot không ổn định phải kiểm soát pin [1] Bài viết dựa ý tưởng robot di động, lau nhà hút bụi để nghiên cứu [2, 3], chế tạo robot lau bảng điều khiển sóng RF với khả lau bảng, lau theo vùng ý, có khả thu bụi phấn khơng để bụi phấn tỏa ngồi khơng khí Đây thiết bị có nhiều ưu việt mà chưa có báo cáo, tài liệu liên quan viết vấn đề Hơn nữa, linh kiện vật liệu dùng để chế tạo robot phổ biến thị trường tận dụng lại phận tốt từ thiết bị khơng dùng quạt chip máy tính, nam châm từ loa thùng, nên giá thành chế tạo robot lau bảng tương đối thấp, khoảng 450 ngàn đồng Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 13 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mạch điều khiển robot báo sử dụng dòng vi điều khiển AVR AVR vi điều khiển bit, tiêu thụ điện thấp, tích hợp sẵn mạch xử lý số tương tự bên vi điều khiển, cho phép thực thi lệnh chu kỳ xung nhịp Vì thế, tốc độ xử lý liệu AVR đạt đến triệu lệnh giây tần số MHz cho phép người thiết kế tối ưu hóa việc tiêu thụ lượng mà đảm bảo tốc độ xử lý [4] 2.1 Khối đánh bụi Gồm có chổi lau hình trụ, gắn vào động 12 V, robot hoạt động động tạo chuyển động quay cho chổi lau, làm bật bụi phấn bảng Bụi phấn rơi hút lại để bụi không bay môi trường xung quanh Mặt khác, thiết bị modul hóa tối đa nhằm giúp trình thiết kế, chế tạo, kể việc khai thác sửa chữa sau trở nên đơn giản, tăng tính linh hoạt mềm dẻo thiết bị Các modul thu phát sóng RF tần số 315 MHz sử dụng IC-PR2262/PT2272-M4 có nhiệm vụ truyền nhận sóng RF từ tay điều khiển đến vi điều khiển PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊ Thiết bị nghiên cứu thiết kế báo robot có khả bám dính di chuyển bảng từ viết phấn treo tường vuông góc với mặt đất Robot di chuyển đến khu vực bảng cần lau thực thao tác lau bảng Trình tự lau bảng robot gồm hai bước: - Bước 1: đánh bật bụi phấn khỏi bảng từ thu bụi phấn lại để bụi phấn không phân tán môi trường bị bám vào cấu lau sang phần bảng khác Khi bụi phấn bám vào cấu lau bị sũng nước, bụi phấn bị hòa vào nước quét lên mặt bảng khô để lại vệt trắng bảng Hình Chổi đánh bật bụi phấn 2.2 Khối hút bụi phấn Cơ cấu hút bụi phấn sử dụng quạt chip máy tính bàn để hút bụi phấn Bụi phấn sau hút chuyển vào ngăn chứa bụi - Bước 2: Sau đánh bật bụi phấn, cấu lau lau hết bụi phấn lại bám bảng Các thao tác robot điều khiển từ xa sóng RF nhờ thiết bị điều khiển cầm tay Sơ đồ khối chức thiết bị trình bày hình Hình Quạt chip hút bụi phấn 2.3 Cơ cấu lau bảng Hình Sơ đồ khối robot Sau bụi phấn đánh bật khỏi bảng hút lại vào ngăn chứa, cấu lau lau hoàn toàn phấn bảng Cơ cấu gồm mút xốp mềm quấn quanh ống lõi nhựa, mút làm ẩm nước để tăng khả lau bảng không làm tăng đáng kể trọng lượng thiết bị Cơ cấu lau tháo lắp vào được, giúp người sử dụng vệ sinh thiết bị dễ dàng 14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Hình Tay điều khiển Hình Mút xốp mềm để lau bảng 2.4 Khối thu sóng RF Khối thu tín hiệu từ tay điều khiển đưa tới vi điều khiển Người điều khiển robot cách tác động lên phím nhấn tay điều khiển Tín hiệu từ phím nhấn truyền đến thu qua sóng RF Bộ thu giải mã dạng tín hiệu số để đưa đến ATMEGA8 Bộ phát/thu sóng RF sử dụng cặp vi mạch PT2262/ PT2272, loại đường địa mã hóa đường địa liệu Bốn chân liệu truyền song song, nối tiếp độc lập Vi mạch PT2262 có nhiệm vụ mã hóa liệu từ phím nhấn nối với dường liệu chuyển tới anten phát tín hiệu RF Vi mạch PT2272 có nhiệm vụ giải mã tín hiệu RF thu dạng tín hiệu số để đưa đến khối xử lý [5] Hình Sơ đồ mạch điện tay điều khiển Hình Khối thu sóng RF 2.5 Khối điều khiển Khối điều khiển toàn hoạt động robot Nhận tín hiệu điều khiển qua khối thu sóng RF điều khiển cấu chấp hành Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển ATMEGA16 với tần số làm việc chip lên đến 16 MHz, tích hợp sẵn nhiều khối xử lý tương tự - số khối truyền thơng nối tiếp song song [4] Hình Mạch điều khiển Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 15 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mặt khác ATMEGA16 hỗ trợ nhiều trình biên dịch đặc biệt trình dịch C trình dịch tác giả sử dụng viết chương trình điều khiển 2.6 Cơ cấu chuyển động Cơ cấu chuyển động giúp robot di chuyển bảng Cơ cấu sử dụng động bánh xích Động lựa chọn loại 12 V, có kích thước trọng lượng nhỏ để giảm khối lượng robot mức nhẹ Nam châm gắn lên mắt xích bánh xe, nên robot bám lên bảng từ mà không bị rơi 2.8 Khối nguồn Nguồn cấp cung cấp lượng cho khối chức robot hoạt động gồm pin lipo 12 V-2,2 A, mạch chuyển đổi 12 VDC sang VDC cấp cho khối vi điều khiển Mạch chuyển đổi 12VDC sang 5VDC sử dụng IC LM2576 Nguồn 12VDC sau qua D1 C1 lọc đưa vào chân số IC LM2576, điện áp 5VDC chân số lọc cuộn L1, tụ C2 tụ C3 Nguồn 5VDC sử dụng cho vi điều khiển, khối mạch điều khiển động Sơ đồ mạch nguyên lý hình Cơ cấu bánh xích giúp robot di chuyển linh hoạt, khơng bị hạn chế góc xoay di chuyển Hình 11 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 2.9 Mạch công suất Hình Động bánh xích 2.7 Cơ cấu bám dính bảng Cơ cấu giúp cho robot bám mặt bảng mà không bị rơi Sử dụng nam châm vĩnh cửu đất Số lượng nam châm bố trí vị trí hợp lý để cân với lực chuyển động bánh robot, giúp robot chuyển động bám bảng Việc sử dụng nam châm để robot bám bảng không tạo tiếng ồn lực bám bảng ổn định việc dùng phương pháp hút chân khơng Mạch cơng suất chuyển tín hiệu điều khiển V sang điện áp phù hợp với cấu chấp hành Động sử dụng 12 V, quạt chip 12 V Đồng thời đảm bảo công suất cho cấu chấp hành hoạt động Mạch công suất robot sử dụng IC cầu H sử dụng IC L298 Cho dòng tải lên tới A Hình 12 Mạch cầu H dùng IC L298 Hình 10 Nam châm đất dùng robot Hình 13 Modul cơng suất 16 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA 2.10 Cơ cấu an toàn chống rơi robot Cơ cấu tránh robot khơng bị rơi trường hợp cấu bám dính bảng không tốt Cơ cấu lắp cạnh bảng, đối trọng đối trọng có lắp hệ thống phanh thắng, khối lượng cấu sấp xỉ khối lượng robot Hệ thống phanh thắng nối với robot dây dù tròn đường kính 2,5-3 mm, có màu giống màu bảng từ Sợi dây dù gá ròng rọc gắn tường sát mép bảng Khi robot di chuyển tốc độ lau bảng thắng khơng làm việc, robot rơi tự thắng nhận biết thông qua đĩa cuộn sợi dây thắng hãm lại Tốc độ để thắng hoạt động robot rơi điều chỉnh thắng KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Các thiết kế thử nghiệm hồn chỉnh phần mềm mơ phỏng, sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch phần cứng hoàn thiện Robot thiết kế với thơng số bảng hình ảnh hình 14 Thiết bị chạy thử nghiệm bảng từ kích thước 1,23x3,3 m, treo tường vng góc với mặt sàn kết cho thấy robot hoạt động ổn định đáp ứng tiêu chí sau: - Robot lau bảng thay cho giáo viên việc lau bảng - Lau phấn viết bảng vị trí robot di chuyển lần - Hút bụi phấn bay ngồi mơi trường lên đến 90% so với cách lau giẻ lau truyền thống Số liệu dựa quan sát mắt lần thử nghiệm: khơng có bụi phấn lưu bảng khu vực quanh bảng - Robot bám dính tốt bảng, không bị rơi lần thử nghiệm - Robot nhận tín hiệu tốt từ tay điều khiển với khoảng cách điều khiển xa 20 m Bảng Bảng kích thước thiết kế khung robot STT Chiều đo Kích thước Chiều dài 25 cm Chiều rộng 15 cm Chiều cao cm Khối lượng robot 2,5 kg Hình 14 Hình ảnh robot KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế robot lau bảng điều khiển sóng RF Robot thiết kế chế tạo thành công, hoạt động ổn định theo thông số thiết kế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://dantri.com.vn/giao-duc-khuyen-hoc/hocsinh-lop-12-che-tao-robot-lau-bang [2] http://automation.net.vn/robot-robotics/ mot-so-kythuat-dinh-vi-cho-robot-di-dong.html, Khánh Linh, số 154 (11/2013) Tạp chí Tự động hóa ngày [3] https://timemart.com.vn/tim-hieu-cach-robot-launha-nha-hoat-dong-nhu-the-nao/a672.html [4] Lê Trung Thắng (2007) Vi điều khiển ATMEGA16 Trường Đại học Khoa học tự nhiên TP Hồ Chí Minh [5] http://www.echipkool.com/2011/03/lam-mach-thuphat-vo-tuyen-su-dung-ic.html Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 17 ... Hình Tay điều khiển Hình Mút xốp mềm để lau bảng 2.4 Khối thu sóng RF Khối thu tín hiệu từ tay điều khiển đưa tới vi điều khiển Người điều khiển robot cách tác động lên phím nhấn tay điều khiển. .. cấu lau lau hết bụi phấn lại bám bảng Các thao tác robot điều khiển từ xa sóng RF nhờ thiết bị điều khiển cầm tay Sơ đồ khối chức thiết bị trình bày hình Hình Quạt chip hút bụi phấn 2.3 Cơ cấu lau. .. lưu bảng khu vực quanh bảng - Robot bám dính tốt bảng, khơng bị rơi lần thử nghiệm - Robot nhận tín hiệu tốt từ tay điều khiển với khoảng cách điều khiển xa 20 m Bảng Bảng kích thước thiết kế