3.4.1. Sơ đồ khối 3.4.2. Bản vẽ điện + 3.5. Thiết kế điều khiển
3.5.1. Lưu đồ 3.5.2. Giải thích lưu đồ 3.5.2. Giải thích lưu đồ 3.5.3. Mô hình động học của hệ thống 3.5.4. Xử lý hình ảnh 3.1. Sơ đồ khối 3.1.1. Danh sách khối Bộ điều khiển:
Nhận, phân tích và triển khai tín hiệu từ máy ảnh, động cơ Servo, trình điều khiển động cơ.
Tìm quả bóng tennis, sau đó gửi hình ảnh đến Raspberry.
Điều khiển 2 động cơ Servo.
Cấp nguồn cho toàn hệ thống(MCU, động cơ Servo, động cơ thu gom, bộ điều khiển động cơ, camera).
Chuyển động xe.
Thu thập bóng tennis vào hộp đựng bóng.
Di chuyển robot đến vị trí của quả bóng tennis. Quả bóng tennis. Driver động cơ Máy ảnh Nguồn điện Động cơ Servo Động cơ thu gom Bóng Bánh xe
3.1.2. Sơ đồ khối
Hình 3.1: Sơ đồ khối
3.2. Mô tả vận hành
Ban đầu, khi máy ảnh của robot nhìn thấy quả bóng tennis, Raspberry sẽ xử lý hình ảnh quả bóng tennis và gửi tín hiệu đến Arduino Mega. Sau đó, nó sẽ gửi xung PWM đến Driver động cơ để điều khiển hai động cơ Servo ở hai bên Robot sẽ làm cho bánh xe di chuyển đến vị trí của quả bóng tennis. Khi robot phát hiện bóng, Động cơ phóng bóng sẽ bắt đầu quay và đẩy bóng vào hộp chứa phía sau.
3.3. Thiết kế phần cứng 3.3.1. Tính toán và lựa chọn
3.3.1.1. Lực và công suất
Sức cản không khí Động lực Phản lực Trọng lượng Lực ma sát Hình 3.2: Phân tích lực của robot
Hai lực tác động đến sự vận hành robot là lực cản và lực ma sát. Công thức tính lực cản là:
Fd= ½*Cd*A*ȡ*v²
Fd= ½*0,45*0,07*1,2*0,152= 0,0004 (N)
Trong đó, Fd: Lực kéo; Cd: Hệ số kéo; A: Diện tích mặt trước; v: Vận tốc của robot; ȡ: Khối lượng riêng của không khí = 1,2 (kg/m3)
Bên cạnh đó, lực ma sát của robot là: Fr= W*Crr*9,81
Fr= 8*0,002*9,81 = 0,15 (N)
Trong đó, W: Tổng trọng lượng của robot; Crr: Lực ma sát lăn của bánh xe. Tổng lực cản trở: Fre= Fd+ Fr= 0,1504 (N)
Hai lực trên không ảnh hưởng nhiều đến mô-men của động cơ dù cho robot hoạt động trên sân bê tông.
3.3.1.2. Tính toán và lựa chọn động cơ DC Servo
Yêu cầu của robot đối với động cơ là tốc độ và mô-men xoắn. Tốc độ yêu cầu trung bình của robot là khoảng 0,60 (m/s). Trọng lượng của robot không có bóng tennis là khoảng 5 (kg) và 70 quả bóng tennis là 4 (kg).
Do đó, hai động cơ cần tạo ra một lực đủ để mang trọng lượng là 90 N. Bán kính bánh xe là r = 0,05 (m).
Mô-men xoắn cần thiết cho một động cơ: T = 90*0,05/2 = 2,25 (Nm) = 2250 (Nmm)
Tốc độ v = 0,60 (m/s), chu vi bánh xe p = πd = 0,1π = 0.314 (m). 1 (rpm) = p/60 (m/s) = 0,1π/60 (m/s).
Để chạy với vận tốc là 0,60 (m/s) thì tốc độ ít nhất của động cơ: n = 150 (rpm).
Công suất cần thiết ít nhất:
P = (n*T)/(9,55*106) = (150*2250)/(9,55*106) = 0.,03534 kW = 35,34 W Chọn động cơ 468 vòng/phút:
Hình 3.3: Động cơ DC Servo Với các thông số kĩ thuật sau:
+ Tốc độ động cơ: 9000rpm + Tốc độ hộp số: 468 rpm + Mô-men: 15 kgf.cm + Hộp giảm tốc: 19,2:1
+ Encoder: Cảm biến Hall 2 kênh A, B 13 pulses
3.3.1.3. Tính toán và lựa chọn động cơ phóng bóng
Trong quá trình thiết kế, độ nghiêng của động cơ phụ là 25ođể góc bắn là 65ovà chiều dài là 0.2 m. Tốc độ trung bình của robot khi gần tới bóng là 0.3 m/s and 1 quả bóng có khối lượng là 57.7 g.
Hình 3.4: Phân tích lực và tốc độ bắn của bóng Phương trình bảo toàn năng lượng của hệ thống ở hình:
½m1v12+ ½m2v22= ½mgh với: v1 là tốc độ quay của động cơ.
v2 là tốc độ của robot.
m2 là khối lượng của robot. m là tổng trọng lượng của hệ.
Do đó, tốc độ quay v1 = 0,94 (m/s). Quả cầu ném có chu vi p = πd = 0,06π = 0,188 (m) và khối lượng 0,2 (kg).
1 (rpm) = p/60 (m/s) = 0,06π/60 (m/s).
Chuyển động với vận tốc là 0,3 (m/s) thì số vòng quay n = 299 (rpm). Vậy, tốc độ yêu cầu của động cơ tối thiểu là 299rpm.
Mô-men xoắn cần thiết cho một động cơ:
T = Fd = (2+2)*0,03/2 = 0,06 (Nm) = 60 (Nmm)
F bao gồm 2 (N) của ném bóng và 2 (N) của áp lực bóng. Vậy công suất của động cơ là:
P = (n*T)/(9,55*106) = (299*60)/(9,55*106) = 1,8 (W)
Để đáp ứng tất cả các yêu cầu, nhóm thực hiện đã chọn động cơ GA25 370 12V 620 rpm:
Hình 3.5: Động cơ phóng bóng Với các thông số kĩ thuật sau:
+ Dòng điện không tải: 50mA + Tốc độ hộp số: 620rpm + Mô-men: 0.098 Nm
3.3.2. Bản vẽ nháp
3.3.3. Bản vẽ CAD
3.3.3.1. Thiết kế hệ thống truyền động
Khối chứa 2 cơ chế: Cơ cấu truyền động chính:
Hình 3.9: Cơ cấu truyền động chính - Vị trí: 1/3 khung trước của robot
- Công dụng: giúp robot di chuyển đến quả bóng tennis.
- Nguyên lý: Khi bóng lọt vào tầm nhìn của robot, hai động cơ điện một chiều bắt đầu quay và điều khiển hai bánh xe ở hai bên đến vị trí của bóng tennis.
Cơ cấu truyền động thứ cấp
+ Hai bánh xe lớn đa hướng: - Vị trí: Đặt ở phía sau Robot.
- Công dụng: Di chuyển robot và tăng lực đỡ trọng lượng của hộp bóng Tennis. - Nguyên lý: Khi Robot có nhiều bóng, hai bánh xe nhỏ đa hướng sẽ tăng lực đỡ trọng lượng của hộp bóng Tennis.
3.3.3.2. Thiết kế cơ chế định hướng và thu gom bóng tennis
Cơ chế định hướng bóng
Hình 3.11: Cơ chế định hướng bóng - Vị trí: Đặt ở phía trước của robot và tiếp xúc với mặt đất. - Công dụng: Dẫn bóng vào khối nhặt bóng.
- Nguyên lý: Khi robot di chuyển đến vị trí của quả bóng, hai cánh tay rộng sẽ dẫn quả bóng vào giữa để nhặt bóng.
- Vị trí: Đặt vào đuôi khối định hướng và nghiêng 30 độ. - Công dụng: Bắn bóng vào hộp đựng bóng tennis.
- Nguyên lý: Khi hai càng robot dang rộng dẫn bóng đến động cơ sẽ bắt đầu lăn theo hướng ngược lại để bắn bóng tennis vào hộp đựng bóng tennis.
3.3.4. Danh sách bộ phận
Number Name Quantity Picture
1 Nhôm địnhhình 13
2 hướng bóngThanh định 2
4 phóng bóngĐộng cơ 2
5 Bánh xe 2
7 bóng tennisHộp đựng 1
8 đầu (cabin)Hộp che 1
9 động cơGiá đỡ
Servo 2
10 động cơGiá đỡ
Bảng 3.1: Danh sách bộ phận
3.3.5. Thi công
Bước 1: Lắp ráp khung robot
Có 2 loại khớp để nối các thanh nhôm lại với nhau giúp tạo hình cho robot là khớp chìm và khớp nổi.
Hình 3.13: Khớp chìm
Khớp chìm được sử dụng để tạo liên kết giữa các thanh để tạo không gian cho các bộ phận khác của robot. Khớp chìm có thể chịu lực nhẹ và làm cho cơ khí gọn gàng.
Hình 3.14: Khớp nổi
Khớp nổi được sử dụng để tạo liên kết giữa các thanh chịu nhiều lực giúp khung của Robot chạy hiệu quả.
Bước 2: Lắp ráp bánh xe đa hướng
Hình 3.15: Bánh xe đa hướng lớn
Nhóm thực hiện sử dụng 2 vít M5x18 và 2 bu lông tương tự để lắp bánh xe đa hướng lớn vào thanh và thêm 2 bu lông nâng nữa để máy gắp bóng không thể chạm đất.
Bước 3: Hoàn thành mặt sau của robot
Hình 3.16: Mặt sau của robot
Nhóm thực hiện đã căn 2 bánh xe đối xứng và kiểm tra các khớp nối xem có bị sệ hay không và hoàn thiện mặt sau của Robot để đưa vào các thùng chứa theo yêu cầu.
Bước 4: Lắp ráp động cơ DC Servo
Nhóm thực hiện sử dụng 2 vít M5x18 và 2 bu lông tương tự để lắp ráp giá đỡ vào các thanh nhôm. Sau đó, nhóm đã lắp ráp Servo vào giá đỡ và lắp các bánh xe vào Servo thông qua khớp lục giác M8.
Bước 5: Lắp ráp cơ chế nhặt bóng
Hình 3.18: Lắp ráp cơ chế nhặt bóng
Đầu tiên, nhóm thực hiện khoan một lỗ M5 để lắp khối ném bóng vào trục có đường kính 5mm. Sau đó, nhóm dùng 2 vít M4 và 2 bu lông tương tự để lắp ráp giá đỡ vào các thanh nhôm. Cuối cùng, lắp ráp động cơ vào giá đỡ và lắp dụng cụ ném bóng vào động cơ gắp bóng thông qua kết nối trục.
Bước 6: Hoàn thành phần đầu của robot
Căn chỉnh động cơ, bánh xe và kiểm tra các mối nối cho chắc chắn khi đến lắp ráp điện.
Bước 7: Lắp ráp thanh định hướng bóng
Hình 3.20: Lắp ráp thanh định hướng bóng
Thanh định hướng bóng được in 3D theo thiết kế bản vẽ và được gia cố trên thanh nhôm định hình. Sử dụng 6 Vít M4x16 và 6 bu lông tương tự cho mỗi cái để hướng bóng chính xác.
Sử dụng các tấm mika để làm hộp đựng bóng tennis, nó có kích thước 420x410x150 mm để vừa với khung của Robot.
Bước 9: Cắt và lắp ráp nắp đậy, máy ảnh và hoàn thiện robot
Nhóm thực hiện sử dụng tấm mika để làm nắp đậy. Nó có kích thước theo thiết kế bản vẽ được sử dụng để che nguồn điện và MCU để làm cho Robot trông đẹp mắt. Lắp ráp Camera và đặt vào giữa nắp để dễ dàng phát hiện bóng tennis.
3.4. Thiết kế điện 3.4.1. Sơ đồ khối
Hình 3.23: Sơ đồ khối
Giải thích sơ đồ khối điện: Nguồn điện sẽ cung cấp 5V cho Raspberry và Arduino Mega, 12V cho Driver động cơ. Driver động cơ gửi tín hiệu điện áp để điều khiển động cơ Servo rẽ trái hoặc rẽ phải và 2 động cơ thu gom. Arduino Mega sẽ gửi tín hiệu xuống để điều khiển động cơ Servo rẽ trái và phải. Raspberry Pi 3 cấp nguồn cho máy ảnh và máy ảnh sẽ gửi hình ảnh đến Raspberry Pi 3 để xử lý hình ảnh của các quả bóng.