Đề tài thiết kế và sáng tạo robocon trong cuộc thi sáng tạo robot năm 2012

1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay đất nước đang chuyển mình theo sự phát triển chung của thế giới bằng nền sản xuất đa dạng và đầy tiềm năng. Nền sản xuất này không chỉ đòi hỏi một số lượng lao động khổng lồ mà còn yêu cầu về chất lượng, trình độ tay nghề, kỹ thuật lao động và thiết bị sản xuất. Trên đà phát triển đó, vấn đề tự động hóa trong sản xuất, nghiên cứu trở thành một nhu cầu thiết yếu. Vì vậy để tạo điều kiện “học đi đôi với hành” ngoài những mô hình thí nghiệm được trang bị. Hầu hết các trường đại học, cao đẳng và trung học chuyên nghiệp đã tìm kiếm và tạo ra những sân chơi trí tuệ cho sinh viên thể hiện khả năng tư duy và chế tạo. Vì lý do đó ban lãnh đạo tr ường Đại học Lạc Hồng xác định cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương là sân chơi chính cho những sinh viên khối kĩ thuật. Vì vậy là sinh viên khoa Cơ Điện, mong muốn đưa phong trào đi đến những thành công mới và được sự chấp thuận của Hội Đồng Khoa Học và đào tạo của trường, hướng nghiên cứu này được thực hiện bằng luận văn tốt nghiệp mang tên đề tài: “Thiế t kế và chế tạo Robocon trong cuộc thi sáng tạo Robot năm 2012 ” Đề tài được tiến hành dưới sự hướng dẫn của Ks. Đoàn Dương Quý và hai sinh viên Đường Tuấn Anh, Đinh Thế Hiệp thực hiện. Nội dung thực hiện của đề tài là nghiên cứu thiết kế robot. Ứng dụng kỹ thuật điều khiển đông cơ PID, la bàn điện tử, cảm biến siêu âm, vi điề u khiển AVR và tính toán giải pháp cơ khí vào cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương năm 2012 . Mục đích của đề tài hướng tới chức vô địch Châu Á Thái Bình Dương năm 2012 tại Hồng Kông Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu những kỹ thuật mới giúp cho việc điều khiển robot dễ dàng, ổn định, nhanh và chính xác hơn. Ý nghĩa thực tiển của đề tài ứng dụng những kỹ thuật mới và thiết kế cơ khí cho cuộc thi robocon năm 2012. 2 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Nguồn gốc và lược sử của cuộc thi Robocon Châu Á Thái Bình Dương: ROBOCON viết ghép của tiếng Anh ROBOT CONTEST(Cuộc thi Robot), là tên cuộc thi chế tạo robot dành cho sinh viên các trường đại học và cao đẳng khối kĩ thuật của các nước trong khu vực châu Á Thái Bình Dương do Hiệp hội Phát thanh Truyền hình châu Á - Thái Bình Dương (Asia-Pacific Broadcasting Union, viết tắt là ABU) tổ chức hằng năm. Vào năm 2002, các thành viên của hiệp hội truyền hình Châu Á Thái Bình Dương (ABU) đã đồng ý tổ ch ức một cuộc thi robot diễn ra hàng năm để thu hút sự tham gia của sinh viên các trường đại học và trường nghề trong khu vực. Hơn thế nữa là thúc đẩy mối quan hệ và trao đổi văn hóa để các quốc gia trong khu vực châu á thái bình dương xích lại gần nhau hơn, mục tiêu của cuộc thi là để mở mang kiến thức, sự sáng tạo, và sự đổi mới của lớp trẻ trong khu vực. Cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương l ần đầu tiên, được biết đến như ABU Robocon, đã khởi đầu ở Tokyo, Nhật Bản vào năm 2002 sau đó các quốc gia thành viên thay phiên nhau tổ chức cuộc thi. Thái Lan vào năm 2003, tiếp đó là Hàn Quốc (2004), Trung Quốc (2005), Malaysia (2006), Việt Nam (2007), Ấn độ (2008), Nhật Bản (2009), Ai Cập (2010) và Thái Lan(2011). Với kết quả của các kỳ thi như sau: - Lần 1 vào năm 2002, tổ chức tai Tokyo, đội vô địch là Telematic – Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh – Việt Nam. - Lần 2 vào năm 2003, tổ chức tại Băng Cốc, đội vô địch là Naihoy Tamin – Cao đẳng Công nghiệp và Giáo dục cộng đồng Sawangdandin – Thái Lan. - Lần 3 vào năm 2004, tổ chức tại Seoul, đội vô địch là FXR – Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh – Việt Nam. - Lần 4 vào năm 2005, tổ chức tại Bắc Kinh, đội vô địch là RoboTech – Đại học Tokyo – Nhật Bản. 3 - Lần 5 vào năm 2006, tổ chức tại Kualalumpur, đội vô địch là BKPro – Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh – Việt Nam. - Lần 6 vào năm 2007, tổ chức tại Hà Nội, đội vô địch là Insprie Robot Team – Đại học Giao thông Tây An – Trung Quốc. - Lần 7 vào năm 2008, tổ chức tại Pune, đội vô địch là Insprie Robot Team – Đại học Giao thông Tây An – Trung Quốc. - Lần 8 vào năm 2009, tổ chức tại Tokyo, đội vô địch là Dragon Team – Học viện công nghệ Cáp Nhĩ Tân – Trung Quốc. - Lần 9 vào năm 2010, tổ chức tại Cairo, đội vô địch là Fighters. UESTC – Đại học khoa học điện tử & công nghệ Trung Quốc – Trung Quốc. - Lần 10 vào năm 2011, tổ chức tại Bangkok – Thái Lan, đội vô địch là Lux Chaomea Klong Prapa The Limited – Đại học Dhurakiji Pundit – Thái Lan. Trải qua 10 năm, cuộc thi đã tăng cường sự hợp tác, trao đổi ý tưởng và kiến thức giữa các quốc gia thành viên. Không quá để nói rằng ABU Robocon đã xây dự ng được mối quan hệ gần gũi hơn ngoài tình bạn, đó là một gia đình trẻ đam mê, những người mong muốn được tham gia cuộc thi và thể hiện những ước mơ sáng tạo, những kỹ thuật thông qua việc sáng tạo robot. 1.2 Chủ đề và luật thi Robocon năm 2012: 1.2.1 Nội dung của cuộc thi: Mỗi đội bao gồm không quá 3 robot: một Manual robot, một Automatic robot, và một Collector robot. Manual robot có nhiệm vụ lấy Token tại Token Stand và mang bỏ vào Token Box tạ i Tunnel. Sau đó, Automatic robot được phép khởi động và Manual robot sẽ đi qua Tunnel, đi đến Collector Robot Stating Point (C) để mang Collector robot đến Loading Area1 (L1) để chuyển Collector Robot cho Automatic Robot. Đồng thời Automatic robot tại Automatic Robot Starting Point (A) được khởi động đi lấy Basket và đặt vào Manual Robot Zone rồi trở về Automatic Robot Zone nhận Collector Robot từ Manual Robot. Tiếp theo Manual Robot lấy Basket từ Manual Robot Zone đặt lên Basket Area trên Island và Automatic Robot mang Collector Robot đến Loading Area 2 (L2). Collector Robot 4 từ Loading Area 2 (L2) đi đến Island và lấy Bun trên Tower đặt vào Basket. Sau khi đặt thành công ít nhất một Bun từ các tầng thấp hơn Collector Robot sẽ được phép lấy Bun từ tầng cao nhất của Tower đặt vào Basket. Đội nào đặt thành công Bun tầng cao nhất vào Basket sẽ chiến thắng, chiến thắng này được gọi là: “Peng On Dai Gat”. Nếu không đội nào đạt được “Peng On Dai Gat” trong vòng 3 phút, đội thắng cuộc sẽ được quyết định bởi số điểm của các nhiệ m vụ được hoàn thành. Mỗi trận đấu sẽ diễn ra giữa đội đỏ và đội xanh. Mỗi trận đấu kéo dài 3 phút. Hình 1.1 Sân thi đấu 5 1.2.2 Đặc điểm kỹ thuật của Robot: 1.2.2.1 Mỗi đội có tối đa 3 Robot: - 1 Manual Robot. - 1 Automatic Robot. - 1 Collector Robot. Các Robot trong cuộc thi phải được thiết kế bởi các thành viên trong cùng một đội thuộc một trường đại học, cao đẳng, trung cấp nghề. 1.2.2.2 Nguồn cấp cho các Robot: • Mỗi đội phải tự chuẩn bị nguồn cho đội mình. • Nguồn điện tối đ a cho Robot không được vượt quá 24VDC. • Áp suất khí nén phải nhỏ hơn 6 Bar. • Ban tổ chức có quyền loại và cấm bất kỳ các nguồn nguy hiểm và không phù hợp. 1.2.2.3 Khối lượng của Robot: • Tổng trọng lượng của các Robot không được vượt quá 50kg. • Tổng trọng lượng 50kg gồm: 3 Robot, tay điều khiển, và Pin. • Manual Robot không được vượt quá 25kg. • Các đồ vật không nằm trong 30kg bao gồm: Pin thay thế, động c ơ, và board mạch cùng loại,…. 1.2.2.4 Automatic Robot: • Automatic Robot phải thực hiện nhiệm vụ của nó một cách tự động sau khi đã được khởi động. • Trong Automatic Starting Robot Point (A), Automatic Robot không được vượt quá 1m dài, 1m rộng và 1m cao. Automatic Robot có thể mở rộng, kéo dài mà không được vượt quá đường kính 1.5m nhìn từ trên xuống. Không được phép mở rộng chiều cao. • Automatic Robot phải là một khối thống nhất, và chỉ có 1 Automatic Robot. 6 1.2.2.5 Collector Robot: • Collector Robot phải thực hiện nhiệm vụ của nó một cách tự động sau khi đã được khởi động. • Trong Collector Robot Starting Point (C), Collector Robot phải có kích thước không vượt quá 1m dài, 1m rộng và 1,3m cao. Robot có thể mở rộng, kéo dài nhưng không được vượt quá đường kính 2m nhìn từ trên xuống. chiều cao tối đa của nó không được vượt quá 1,3m. • Collector Robot phải là một khối thống nhất và chỉ có 1 Collector Robot. 1.2.2.6 Manual Robot: • Manual Robot được điều khiể n bởi một thành viên trong đội. Người điều khiển phải ngồi lên Manual Robot. • Người điều khiển không được phép lái hay điều khiển chuyển động của Manual Robot bằng cơ khí, trừ việc điều khiển. Tất cả cả nguồn năng lượng của Robot không được liên quan đến người điều khiển Manual Robot. • Trong Manual Robot Starting Point, kích thước của Manual Robot không được vượt quá 1,5m dài, 1m rộng và 1,5m cao. Manual Robot có thể mở rộng, kéo dài không giới hạn. (Chú ý: kích thước của Manual Robot để đi qua được Tunnel). • Manual Robot phải là một khối thống nhất và chỉ có 1 Manual Robot. 1.2.3 Quy định về an toàn: • Trong cuộc thi, người điều khiển phải ngồi lên Manual Robot, do đó, an toàn là điều quan trọng nhất của ABU Robocon 2012 Hong Kong. • Các đội phải hợp tác với ban tổ chức để đảm bảo an toàn cho mọi người. • Các đội ph ải đảm bảo tính an toàn của robot trước khi dự thi. Các đội tham dự, cũng như người thiết kế Robot phải chịu trách nhiệm cho tính an toàn của Robot đội đó • Các đội không đảm bảo các điều kiện an toàn nêu trên thì không được phép tham gia cuộc thi. 7 1.2.3.1 An toàn cho Robot: • Tất cả các Robot phải được thiết kế và chế tạo để không gây nguy hiểm cho người xung quanh. • Tất cả các Robot phải được thiết kế và chế tạo để không gây hư hỏng cho Robot đội bạn hay sân thi đấu. • Động cơ xăng, nổ, áp suất cao, các nguồn hóa học, và các cơ cấu lò xo bị nén thì đều bị cấm. • Chỉ được sử dung laser cấp 2. • Các bộ phận truyền động cơ khí của Manual Robot nhe xích, bánh răng không được lộ ra. • Manual Robot không được chứa các vật sắc, nhọn, các cấu trúc nguy hiểm, hay các cánh tay gây nguy hiểm cho người điều khiển. • Robot phải có cấu trúc dễ kiểm tra tính an toàn bởi trọng tài trong quá trình xem băng hay chạy thử Robot. 1.2.3.2 An toàn cho người điều khiển: • Người điều khiển phải ngồi lên Manual Robot. Manual Robot cũng cần phả i thiết kế chỗ ngồi, để khi gặp nguy hiểm có thể thoát ra dễ dàng. • Manual Robot phải có khả năng nhận biết có người điều khiển, và sẽ dừng các chuyển động khi không có người điều khiển. • Người điều khiển Manual Robot phải mang mũ bảo hiểm và mang kính bảo vệ mắt khi điều khiển Manual Robot. Mũ bảo hiểm phải dung chuẩn an toàn quố c gia trong suốt cuộc thi đấu trong nước. • Các đội không đạt được những điều kiện an toàn trên sẽ không được tham gia cuộc thi. 8 Chương 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Nhận xét và định hướng thiết kế: 2.1.1 Ưu và nhược điểm của Robot tham gia cuộc thi Robocon 2011 2.1.1.1 Ưu điểm: • Tốc độ di chuyển của Robot nhanh. • Các Robot hoạt động tương đối ổn định. • Thiết kế cơ khí hợp lý. • Robot được ứng dụng một số công nghệ mới. 2.1.1.2 Nhược điểm: • Tốc độ di chuyể n của Robot tuy nhanh nhưng thiếu ổn định. • Độ ổn định của Robot phụ thuộc quá nhiều vào mặt sân thi đấu. • Dò line chưa đạt được độ chính xác. • Khó lấy line khi bị lệch hướng. • Chuyển hướng khó khăn và hay bị sai ở các khúc cua (đặc biệt khi robot chịu tải nặng). • Các kết cấu cơ khí qua quá trình hoạt động nhiều sẽ mất đi độ chính xác. • Vật liệu chế tạo chủ yếu bằng nhôm nên dễ bị biến dạng. 2.2 Các yêu cầu cần thiết cho việc tính toán thiết kế robot tham gia cuộc thi Robocon 2012: Chủ đề và luật thi Robocon 2012 là chủ đề hay và khó thực hiện. Với những khối khấu kiện có nhiều kích thước khác nhau gây khó khăn cho việc thiết kế tay gấp và bố trí tay gắp trên Robot. Các nhiệm vụ của tường Robot được đan xen lẫn nhau, vì vậ y để các Robot phối hợp một cách nhịp nhàng đòi hỏi các robot phải giao tiếp được với nhau. Bên cạnh đó dung sai lắp ghép giữa các khối khấu kiện trên sân nhỏ, dẫn đến gây khó khăn cho việc lấy quà. Nhiệm vụ Manual Robot phải nâng Collector Robot lên để Collector Robot lấy Bun trên tầng cao nhất là thử thách khó khăn cho tất cả các đội tham gia cuộc thi Robocon năm nay. Bên cạnh đó, người 9 điều khiển phải ngồi lên Manual Robot gây khó khăn trong việc điều khiển. Automatic Robot phải chở Collector Robot. Đường chạy có nhiều khúc xoay. Để hoàn thành yêu cầu đặt ra của đề thi năm nay, việc tính toán và thiết kế Robot phải giải quyết được các vấn đề sau: 2.2.1 Manual Robot: • Do đề thi năm nay người điều khiển Manual Robot phải ngồi lên Manual Robot nên phải thiết kế đế Manual Robot vững chắc có thể chịu đượ c trọng tải cao. • Trong cuộc thi Manual Robot phải di chuyển trên đoạn đường có nhiều khúc cua nên Manual Robot phải di chuyển linh hoạt. • Các cơ cấu của Manual Robot phải thiết kế gọn nhẹ. • Manual Robot phải di chuyển nhiều do đó yêu cầu phải thiết kế, chế tạo Manual Robot có thể di chuyển với tốc độ cao nhằm tiết kiệm thời gian. • Manual Robot phải thiết kế vữ ng chắc để khi nâng Collector Robot, Collector Robot không bị rung, lắc. 2.2.2 Automatic Robot: • Do phải tranh chấp khi lấy Basket với đội bạn, Automatic Robot phải di chuyển nhanh, chính xác để có thể lấy Basket một cách nhanh nhất. • Automatic Robot phải thiết kế vững chắc để có thể chở Collector Robot. • Automatic Robot phải thiết kế để có thể di chuyển đi lên dốc và xuống dốc dễ dàng. 2.2.3 Collector Robot: • Collector Robot phải có khối lượng nhẹ để Manual Robot có thể nâng lên dễ dàng. • Collector Robot phải thiết kế nhỏ và di chuyển linh hoạt để có thể hoạt động tốt trong phạm vi nhỏ trên Island. • Tay gắp phải nhỏ gọn, linh hoạt để có thể lấy Bun dễ dàng. 10 2.3 Thiết kế, tính toán Robot theo yêu cầu đạt ra: 2.3.1 Manual Robot: Hình 2.1 Manual Robot hoàn chỉnh 2.3.1.1 Đế Manual Robot: • Rút kinh nghiệm việc thiết kế Robot bằng tay các năm trước được gia công bằng nhôm nên dễ bị biến dạng khi va chạm dẫn đến độ chính xác của Robot bi giảm đi.