(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và chế tạo robot phục vụ nhà hàng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ NHÀ HÀNG Người hướng dẫn : TS VÕ NHƯ THÀNH Sinh viên thực : VƯƠNG ĐÌNH NHÂN Số thẻ sinh viên : 101140155 Lớp : 14CDT1 Đà Nẵng, 06/2019 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot phục vụ nhà hàng Sinh viên thực hiện: Vương Đình Nhân Số thẻ SV: 101140155 Lớp: 14CDT1 GV hướng dẫn : TS Võ Như Thành GV Duyệt : TS Nguyễn Danh Ngọc Tóm tắt đề tài: Trong thời đại cơng nghiệp 4.0 nay, Robot thay hầu hết cơng việc người khơng cịn xa lạ với Nhưng thực tế nước việt nam ta, việc đưa robot vào thay người việc phục vụ nhà hàng hạn chế Robot bồi bàn ưa thích nhà hàng Các thực khách muốn trải nghiệm việc chúng phục vụ Với kiến thức học robot tự hành qua khảo sát, tìm hiểu láy ý kiến nhà hàng thành phố Đà Nẵng nhóm chọn đề tài "thiết kế chế tạo robot phục vụ nhà hàng" làm đề tài tốt nghiệp điện tử Robot nhóm thiết kế có hình dạng người có chức nhân viên phục vụ tự hành đem thức ăn cho bàn khách giao tiếp chiều với khách " xin quý khách nhường đường", "cảm ơn quý khách chúc quý khách ngon miệng" SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu cao Từ thực tế sinh viên ngành điện tử, sau năm học chúng em tích lũy khơng kiến thức điện tử Để củng cố, bổ sung thêm kiến thức học áp dụng vào thực tế chúng em thực đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế chế tạo robot phục vụ nhà hàng”, Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều ý kiến đóng góp từ thầy bạn bè Trong có thầy Võ Như Thành hướng dẫn tận tình tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em nghiên cứu, tìm hiểu hồn thành đề tài theo thời gian quy định Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH CAM ĐOAN Kính gửi: - Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng - Khoa Cơ Khí Em xin cam đoan nội dung đồ án chép đồ án hay cơng trình có trước Mọi giúp đỡ cho việc thực đồ án cảm ơn, thơng tin trích dẫn đồ án ghi nguồn gốc rõ ràng phép công bố Sinh viên thực Vương Đình Nhân SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án Lời nói đầu cảm ơn i Lời cam đoan liêm học thuật ii Mục lục vi Danh sách bảng biểu, hình vẽ sơ đồ Danh sách cụm từ viết tắt v xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH HIỆN NAY .1 1.1 Tổng quan tình hình thực tế robot tự hành Thực trạng robot tự hành 1.2 Phân loại robot Robot tự hành di chuyển chân .2 Robot tự hành di chuyển bánh xe Phương án giải 1.3 Tính cấp thiết ưu điển đề tài Giới thiệu đề tài robot phục vụ nhà hàng .4 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Cơ cấu robot Hình dáng robot .6 Cấu tạo khung robot Tính tốn kết cấu robot Lựa chọn tính thơng số truyền cấu 10 Các chi tiết khác 12 2.2 Chọn động cấu dẫn động 13 Phân tích loại động .13 Lựa chọn động 15 2.3 Tính tốn lựa chọn nguồn cho robot 16 Phân tích loại nguồn 16 SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH Chọn nguồn cho robot 17 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 18 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch 18 Nguyên lý mạch điều khiển dùng PIC18F4550 20 Nguyên lý mạch giao tiếp hiển thị dùng Arduino Uno 25 Thiết kế mạch phát vật cản dùng Arduino Nano 28 RFID RC522 32 Module điều khiển động cầu H DC 30A VNH2SP30 34 Module phát nhạc MP3 WAV microUSB chip nhớ JQ8900 .35 Module giảm áp DC – DC XL4005 5A .37 Cảm biến dò line .38 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ CỦA ROBOT 40 4.1 Các phương pháp điều khiển 40 Phương pháp truyền thống on/off 40 Phương pháp điều khiển độ rộng xung vòng hở .40 Phương pháp điều khiển PWM vịng kín-vi tích phân tỉ lệ(PID) .41 Ứng dụng giải thuật PID kết hợp với phương pháp PWM robot dò đường 43 4.2 Xử lý line vị trí robot hệ thống line 44 Xử lý vạch line .47 4.3 Truyền liệu vi điều khiển 50 CHƯƠNG LƯU ĐỒ THUẬT TỐN VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 51 5.1 Sơ đồ nguyên lý lưu đồ thuật robot robot phụ vụ nhà hàng 51 Sơ đồ nguyên lý 51 Lưu đồ thuật toán chương trình PIC18F4550 52 5.2 Xử lý vạch line ADC .53 Lưu đồ thuật toán 53 Code điều khiển .54 5.3 Chương trình ngắt, nhận liệu tính tốn PID 55 Lưu đồ thuật tốn chương tình ngắt, nhận liệu tính PID .55 Code chương trình ngắt, nhận liệu và tính tốn PID .56 5.4 Lưu đồ thuật tốn tính tốn PID tốc độ động 57 Chương trình tính tốn PID tốc độ động 58 SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang vii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH 5.5 Lưu đồ thuật tốn chương trình bám line 59 5.6 Lưu đồ thuật toán chương trình chọn bàn hiểu thị robot 61 Lưu đồ thuật toán 61 Chương trình Arduino Uno 63 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 70 6.1 Kết luận đề tài .70 Kết đạt 70 6.3 Hướng phát triễn đề tài .71 6.4 Tài liệu tham khảo 71 PHỤ LỤC SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ HÌNH 1 Các loại robot di chuyển chân HÌNH Phương án bố trí bánh xe robot Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định HÌNH Hình ảnh thực tế robot phục vụ cửa hàng HÌNH Hình dáng 3d robot nhóm thiết kế HÌNH 2 Cấu tạo robot phục vụ nhà hàng HÌNH Phân bố lực robot .9 HÌNH Cấu tạo thân chân robot HÌNH Các phuong pháp truyền robot 10 HÌNH Cơ cấu truyền động robot nhóm em 10 HÌNH Bảng vẻ lắp cấu truyền động 11 HÌNH Gối đỡ, trục bánh xe dẫn động động dẫn động .11 HÌNH Hình 3d khớp tay đầu robot 12 HÌNH 10 Bánh xe dẫn hướng bánh kính bánh xe 35mm 12 HÌNH 11 Các loại động giảm tốc 13 HÌNH 12 Động bước 14 HÌNH 13 Động encoder 14 HÌNH 14 Lực tác dụng lên xe robot 15 HÌNH 15 Động dẫn động 15 HÌNH 16 Nguồn dùng cho robot .16 HÌNH 17 Ắc quy 12V-12A 17 SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang ix ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH HÌNH Sơ đồ mạch hệ thống điều khiển 18 HÌNH Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 18 HÌNH 3 Sơ đồ chân PIC18f4550 20 HÌNH Mạch điều khiển robot 23 HÌNH Mạch in trung trâm điều khiển mạch nguồn 24 HÌNH Mạch nguồn mạch điều khiển sau hoàng thành 24 HÌNH Mạch Arduino Uno R3 25 HÌNH Sơ đồ chân mạch Arduino Uno R3 26 HÌNH Sơ đồ mạch kết nối Arduino Uno 26 HÌNH 10 Sơ đồ mạch in kết nối Arduino Uno 27 HÌNH 11 Sơ đồ mạch in bàn phím chọn chương trình robot 27 HÌNH 12 Board mạch Arduino Nano 28 HÌNH 13 Nguyên lý cảm biến siêu âm 29 HÌNH 14 Cảm biến siêu âm SRF04 .30 HÌNH 15 Gá cảm biến siêu âm sơ đồ kết nối mạch phát vật cản .30 HÌNH 16 Cấu tạo thơng số cảm biến quét siêu âm 31 HÌNH 17 Mạch in sau thiết kế mạch 31 HÌNH 18 Nguyên lý hoạt động RFID 32 HÌNH 19 Module điều khiển động cầu H DC 30A VNH2SP30 .34 HÌNH 20 Module phát nhạc MP3 WAV microUSB chip nhớ JQ8900 .36 HÌNH 21 Nguyên lý điều khiển phát I/O 36 SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang x ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD.Ts VÕ NHƯ THÀNH HÌNH 22 Sơ đồ mạch điều khiển phát âm chức I/O 36 HÌNH 23 Mạch giảm áp XL4005 5A 37 HÌNH 24 Sơ đồ nguyên lý Sensor hồng ngoại, 38 HÌNH 25 Mơ hình hoạt động cảm biến dò đường 38 HÌNH 26 Mạch cảm biến dị line trước 39 Hình Chế độ PWM độ rộng xung 41 Hình Sơ đồ khối phương pháp điều khiển PWM vịng kin (PID) .41 Hình Sơ đồ khối phương pháp điều khiển PWM vòng kin (PID) .43 Hình 4 Mơ hình động học robot .43 Hình Ngưỡng so sánh ADC 47 Hình Vật liệu dùng làm line đen 48 Hình Các gạch mà ADC xát định vạch trắng 48 Hình Nguyên lý xử lý vạch line 49 Hình Dữ liệu truyền Từ Arduino qua PIC18f4554 50 HÌNH Sơ đồ nguyên lý hoạt động robot .51 HÌNH Lưu đồ thuật tốn chương trình robot 52 HÌNH Lưu đồ thuật toán giải thuật lấy mẫu ADC .53 HÌNH Lưu đồ thuật tốn chương trình ngắt, nhận liệu tính tốn PID 55 HÌNH 5 Lưu đồ thuật tốn tính tốn PID tốc độ động theo xung 57 SVTH: Vương Đình Nhân – LỚP: 14CDT Trang xi Lưu đồ thuật tốn tính tốn PID tốc độ động Theo cơng thức [4.14] Ta có mối liên hệ xung tốc độ sau n= Xung Xung 60 = 60 = Xung.3,152.[vong / phut ] Tg.Dpd 0,025.768 Vì ta ta quy đổi tốc độ [vòng/phút] số xung[xung/vòng], điều khiển động phương pháp PID theo [xung/phut] a Lưu đồ thuật tốn tính tốn PID HÌNH 5 Lưu đồ thuật tốn tính tốn PID tốc độ động theo xung SVTH: Vương Đình Nhân –– LỚP: 14CDT1 Trang 57 Chương trình tính tốn PID tốc độ động unsigned int pre_X1,X1,X2,pre_X2,N2; signed long e1=0,pre_e1=0,pre_pre_e1=0; float pP1=0,iP1=0,dP1=0, Kp1=6, Kd1=.8, Ki1=0; signed long e2=0,pre_e2=0,pre_pre_e2=0; float pP2=0,iP2=0,dP2=0, Kp2=6, Kd2=.8, Ki2=0; //thanh phan PID.3 03 int Output1,Output2; void Motor1_Speed_PID(Xung2) { e1=des_Speed-X1; pP1=Kp1*e1; iP1+=0.5*Ki1*(e1+pre_e1)*T; dP1=Kd1*(e1-pre_e1)/T; Output1 +=pP1+iP1+dP1; if (Output1 > PWM_Period) Output1=PWM_Period-10; if (Output1