ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP đề TÀI THIẾT KẾ ROBOT TRÁNH VẬT CẢN

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT Mà KHOA ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ROBOT TRÁNH VẬT CẢN Giảng viên hướng dẫn Đặng Văn Hải Nhóm sinh viên Nguyễn Quang Đức DT020234 Ngơ Quang Hiệp Nguyễn Ngọc Huy DT020213 DT020219 LỜI NÓI ĐẦU Hiện công nghiệp 4.0 phát triển mạnh rộng rãi hầu hết ứng dụng kinh tế quốc gia Một ứng dụng sử dụng gần ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào cơng nghệ chế tạo điều khiển robot thông minh Xu phát triển giới khoa học cơng nghệ ln có thay đổi mạnh mẽ Nền kinh tế tri thức với công nghệ thông tin kỹ thuật góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng sống người Trong kinh tế tri thức thực phát triển xã hội tách khỏi phát triển kỹ thuật công nghệ thông tin đặc biệt phát triển tin học, ngành khoa học công nghệ tạo sản phẩm robot nghiên cứu ứng dụng hình thành thập kỷ gần gọi Robotics Để giải toán này, chúng em chọn “Thiết kế Robot tránh vật cản” để làm đề tài, để ứng dụng vào thực tiễn học nhà trường MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT .4 Giới thiệu robot hình thành phát triển 1.1 Định nghĩa robot .4 1.2 Tình hình phát triển .4 Phân loại ứng dụng robot 2.1 Phân loại robot 2.2 Ứng dụng robot .7 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN .8 Giới thiệu robot tự hành tránh vật cản .8 2.2 Mơ hình hóa robot 2.3 Yêu cầu công nghệ nhu cầu thực tế 11 2.4 Ưu điểm, nhược điểm robot tự hành tránh vật cản .11 2.5 Ứng dụng robot tự hành 12 CHƯƠNG III: CẤU TẠO PHẦN CỨNG VÀ SƠ ĐỒ KẾT NỐI ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN .14 Thông số chi tiết linh kiện mạch 15 1.1 Khối điều khiển trung tâm Arduino UNO R3 .15 1.2 Khối điều khiển động Module L298 17 1.3 Khối hệ thống cảm biến SR04 19 1.4 Khối động RC Servo 21 1.5 Khối động Motor DC 22 1.6 Khối di chuyển .23 1.7 Khối cấp nguồn 24 Sơ đồ mạch sơ đồ dây 25 2.1 Sơ đồ mạch 25 2.2 Sơ đồ nối dây 26 Danh sách chuẩn bị linh kiện thi cơng sản phẩm hồn thành .26 3.1 Danh sách linh kiện 26 3.2 Sản phẩm hoàn thành 27 3.3 Chương trình điều khiển 27 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 34 Ưu điểm nhược điểm 34 Hướng phát triển 34 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT Giới thiệu robot hình thành phát triển 1.1 Định nghĩa robot Robot hay gọi “Người máy" loại máy thực công việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot tác nhân khí, nhân tạo, ảo, thường hệ thống khí-điện tử Từ ngữ "robot" thường hiểu với hai nghĩa: robot khí phần mềm tự hoạt động Do đa dạng mức độ tự động hệ thống cơ-điện tử mà ranh giới phân chia robot với phần cịn lại khơng rõ ràng, thể quan niệm định nghĩa robot Về lĩnh vực Robot, Mỹ Nhật Bản nước đầu giới lĩnh vực Hầu hết robot sử dụng động điện, chủ yếu động DC chổi thay không chổi than dùng robot di động động AC dùng robot cong nghiệp máy CNC Chúng thích hợp hệ thống nhẹ tải, dạng chuyển động chủ yếu chuyển động quay 1.2 Tình hình phát triển Robot tổng hợp có khoa học công nghệ Để thiết kế chế tạo robot, ta cần có tri thức tốn học, học, vật lý, điện tử, lý thuyết điều khiển, khoa học tính tốn nhiều tri thức khác Để ứng dụng rơ bốt, ta cần biết rõ đối tượng ứng dụng Robot sản phẩm tích hợp khoa học cơng nghệ với độ phức tạp cao Robot có tiến đáng kể nửa kỷ qua Robot ứng dụng công nghiệp vào năm 60 để thay người làm công việc nặng nhọc, nguy hiểm môi trường độc hại Do nhu cầu cần sử dụng ngày nhiều trình sản xuất phức tạp nên robot cần có khả thích ứng linh họat thơng minh Ngày nay, ứng dụng sơ khai ban đầu rơ bốt chế tạo máy ứng dụng khác y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phịng gia đình có nhu cầu gia tăng động lực cho robot địa hình robot dịch vụ phát triển Hình 1.1: Ứng dụng robot cơng nghiệp Có thể kể đến số loại rô bốt quan tâm nhiều thời gian qua là: tay máy robot, robot di động, robot sinh học robot cá nhân ( Tay máy robot bao gồm loại robot công nghiệp, robot y tế robot trợ giúp người tàn tật Robot di động nghiên cứu nhiều xe tự hành mặt đất AGV, robot tự hành nước AUV, robot tự hành không UAV robot vũ trụ Với robot sinh học, nghiên cứu thời gian qua tập trung vào loại robot robot dáng người.Bên cạnh đó, loại robot sinh học nước robot cá, cấu trúc chuyển động theo sinh vật biển nhiều nhóm nghiên cứu phát triển Hình 1.2: Ứng dụng robot nghiên cứu khoa học Phân loại ứng dụng robot 2.1 Phân loại robot Thế giới robot phong phú đa dạng, phân loại chúng khơng đơn giản Có nhiều quan điểm phân loại khác Mỗi quan điểm phục vụ mục đích riêng Tuy nhiên, nêu cách phân loại bản: theo kết cấu, theo điều khiển theo phạm vi ứng dụng robot  Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành loại: đề các, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người dạng khác  Phân loại theo điều khiển Có kiểu điều khiển robot: điểu khiển hở điều khiển kín Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động điện động thủy lực, khí tránh,…) mà quãng đường góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển đơn giản, đạt độ xác thấp Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tãng độ xác điều khiển Có kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm–điểm điều khiển theo đường (contour) Với kiểu điều khiển điểm–điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm đến điểm theo đường thẳng với tốc độ cao (khơng làm việc) Nó làm việc điểm dừng Kiểu điều khiển dùng robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,… Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ điều khiển Có thể gặp kiểu điểu khiển robot hàn hồ quang, phun sơn  Phân loại theo ứng dụng Cách phân loại dựa vào ứng dụng robot Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng nghiên cứu khoa học, robot dùng kỹ thuật vũ trụ, robot dùng quân sự,… 2.2 Ứng dụng robot Robot đời giúp dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt.Trong ngành khí Robot sử dụng nhiều công nghệ Đúc , công nghệ hàn cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi lắp ráp sản phẩm Ngay xuất nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm máy CNC với Robot công nghiệp, dây chuyền đạt mức độ tự động hóa cao, hoạt động linh hoạt… CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN Giới thiệu robot tự hành tránh vật cản Xe tự hành tránh vật cản hay xe di động định nghĩa loại xe có khả tự di chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điều khiển tự động để thực thành công công việc giao.Theo lý thuyết môi trường hoạt động xe tự hành đất, nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay tổ hợp chúng Địa hình bề mặt xe di chuyển phẳng thay đổi lồi lõm Theo phận thực chuyển động ta chia robot tự hành thành lớp: chuyển động chân bánh Trong đề tài nghiên cứu xe tự hành chuyển động bánh, xe tự hành chuyển động bánh làm việc tốt hầu hết địa hình người tạo Điều khiển di chuyển bánh đơn giản nhiều, gần ln đảm bảo tính ổn định Lớp chuyển động bánh chia làm loại: loại chuyển động bánh xe, loại chuyển động vòng xích loại hỗn hợp bánh xe vịng xích.Tiềm ứng dụng xe tự hành lớn, kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot xe lăn phục vụ người khuyết tật,… Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, hạn chế chưa giải robot tự hành chi phí chế tạo cao khơng cho phép chúng ứng dụng rộng rãi Ngồi cịn phải kể thêm nhược điểm robot tự hành thiếu tính linh hoạt thích ứng làm việc vị trí khác Tổng quan robot tự hành tránh vật cản 2.1 Sự phát triển Ngày nay, Robot học đạt thành tựu to lớn sản xuất cơng nghiệp Những cánh tay robot có khả làm việc với tốc độ cao, xác liên tục làm tăng suất lao động tăng nhiều lần Chúng làm việc mơi trường độc hại hàn, phun sơn, nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp linh kiện điện tử tạo điện thoại, máy tính…một cơng việc địi hỏi tỉ mỉ, xác cao Tuy nhiên robot có hạn chế chung hạn chế không gian làm việc Không gian làm việc chúng bị giới hạn số bậc tự tay máy vị trí gắn chúng.Ngược lại, Robot tự hành laị có khả hoạt động cách linh hoạt mơi trường khác 2.2 Mơ hình hóa robot Hình 2.1: Mơ hình hóa robot Vấn đề robot tự hành tránh vật cản làm để robot tự hành tránh vật cản hoạt động, nhận biết mơi trường thực thi nhiệm vụ đề Vấn đề di chuyển, Robot tự hành tránh vật cản nên di chuyển cấu di chuyển lựa chọn tốt Điều hướng vấn đề nghiên cứu chế tạo Robot tự hành tránh vật cản Trong hiệp hội nghiên cứu Robot tự hành tránh vật cản có hướng nghiên cứu khác nhau:  Hướng thứ nhất: nghiên cứu Robot tự hành tránh vật cản có khả điều hướng tốc độ cao nhờ thông tin thu từ cảm biến,  Điện áp hoạt động: 5VDC  Dòng tiêu thụ: 10~40mA  Tín hiệu giao tiếp: TTL  Chân tín hiệu: Echo, Trigger  Góc quét: nối vi điều khiển (ngõ phát) (pin arduino) (có thể sử dụng mức áp 3.3V để kích cảm biến mà khơng ảnh hưởng đến kết quả)  Echo -> nối vi điều khiển (ngõ thu) (pin arduino)  Gnd -> nối âm 1.4 Khối động RC Servo a Động RC Servo gì?  Động RC Servo có kích thước nhỏ, loại sử dụng nhiều để làm mơ hình nhỏ cấu kéo khơng cần đến lực nặng  Động servo SG90 Tower Pro có tốc độ phản ứng nhanh, bánh làm nhựa nên cần lưu ý nâng tải nặng làm hư bánh răng, động RC Servo 9G có tích hợp sẵn Driver điều khiển động bên nên dễ dàng điều khiển góc quay phương pháp điều độ rộng xung PWM  Động servo thiết kế hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Các động servo điều khiển liên lạc vô tuyến gọi động servo RC (radio-controlled) Trong thực tế, thân động servo điều khiển vô tuyến, nối với máy thu vơ tuyến máy bay hay xe Động servo nhận tín hiệu từ máy thu Hình 3.5: Động Servo b Thông số kỹ thuật  Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC  Tốc độ: 0.12 sec/ 60 deg (4.8VDC)  Lực kéo: 1.6 Kg.cm  Kích thước: 21x12x22mm  Trọng lượng: 9g c Cấp nguồn chân nguồn  Cấp nguồn Điện áp hoạt động ngưỡng : 4.8-5V  Các chân nguồn  Dây đen: GNG  Dây đỏ: VCC  Dây cam: Input 1.5 Khối động Motor DC a Động Motor DC gì? Động DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor loại lựa chọn sử dụng nhiều cho thiết kế khung Robot, xe, thuyền, , động có chất lượng giá thành vừa phải với khả dễ lắp ráp đem đến chi phí tiết kiệm tiện dụng cho người sử dụng Hình 3.6: Động Motor DC b Thông số kỹ thuật  Điện áp hoạt động : 3~9VDC  Dòng điện tiêu thụ: 110~140mA  Tỉ số truyền 1:48  125 vòng/ phút 3VDC  208 vòng/ phút 5VDC  Moment: 0.5KG.CM  Tỉ số truyền 1:120  50 vòng/ phút 3VDC  83 vòng/ phút 5VDC  Moment: 1.0KG.CM 1.6 Khối di chuyển a Bánh xe V1 Bánh xe V1 thiết kế để sử dụng với động giảm tốc V1 Bánh xe V1 loại bánh sử dụng nhiều thiết kế robot có giá thành phải chăng, chất lượng tốt, dể lắp ráp ứng dụng thiết kế Hình 3.7: Bánh xe V1 b Thơng số kỹ thuật  Chất liệu: Nhựa  Đường kính bánh xe: 66mm  Đồ dày lốp xe : 6.5mm  Chiều rộng bánh xe : 27mm  Trục xe phi 5mm, độ rộng khuyết 3.66mm 1.7 Khối cấp nguồn a Pin 18650 Ultrafire gì? Pin 18650 Ultrafire 4200mAh dịng pin sạc sử dụng phổ biến Thường thấy loại đèn pin siêu sáng, pin sạc dự phịng Hình 3.8: Pin 18650 Ultrafire b Thơng số kỹ thuật  Loại pin: Pin sạc / NiMH  Hãng: Ultrafire  Model:Ultrafire 18650  Điện thế: 3.7V  Dung lượng: 4200 mAh  Kích thước: 18mm*65mm/1 viên Sơ đồ mạch sơ đồ dây 2.1 Sơ đồ mạch Hình 3.9: Sơ đồ mạch 2.2 Sơ đồ nối dây Hình 3.10: Sơ đồ nối dây Danh sách chuẩn bị linh kiện thi công sản phẩm hoàn thành 3.1 Danh sách linh kiện  Một miếng nhựa mica tự chế để làm khung xe  Một cảm biến siêu âm SRF 04 SRF05  Một Broad Arduini UNO R3  Một module điều khiển động L298  Một Servo SG90  Khung đỡ cảm biến siêu âm  Khung đỡ Servo  Dây nối đực-cái, cái-cái  Nguồn nuôi ( pin ) 3.2 Sản phẩm hồn thành Hình 3.11: Sản phẩm hồn thành 3.3 Chương trình điều khiển #include Servo myservo; // create servo object to control a servo int pos = 0; // variable to store the servo position /******** khai báo chân input/output**************/ const int trig = 6; // chân trig SRF-05 const int echo = 5; // chân echo SRF-05 int tien1=10; // chân IN - A Module L298 int tien2=11; // chân IN - C Module L298 int lui1=12; // chân IN - D Module L298 int lui2=13; // chân IN - B Module L298 int dongcoservo=9; // chân Orange Servo int gioihan = 25; int i; int x=0; unsigned long thoigian; // biến đo thời gian int khoangcach; // biến lưu khoảng cách int khoangcachtrai,khoangcachphai; void dokhoangcach(); void dithang(int duongdi); void disangtrai(); void disangphai(); void dilui(); void resetdongco(); void quaycbsangphai(); void quaycbsangtrai(); void setup() { // put your setup code here, to run once: myservo.attach(9); // attaches the servo on pin to the servo object pinMode(trig,OUTPUT); // chân trig phát tín hiệu pinMode(echo,INPUT); // chân echo nhận tín hiệu pinMode(tien1,OUTPUT); pinMode(tien2,OUTPUT); pinMode(lui1,OUTPUT); pinMode(lui2,OUTPUT); digitalWrite(tien1,LOW); digitalWrite(tien2,LOW); digitalWrite(lui1,LOW); digitalWrite(lui1,LOW); // Serial.begin(9600); myservo.write(90); delay(500); } void loop() { khoangcach=0; dokhoangcach(); if(khoangcach>gioihan||khoangcach==0) { dokhoangcach(); if(khoangcach>gioihan||khoangcach==0) { dithang(); } } else { resetdongco(); quaycbsangtrai(); khoangcachtrai=khoangcach; quaycbsangphai(); khoangcachphai=khoangcach; if(khoangcachphai