Một Robot tham gia cuộc thi sáng tạo Robot các năm thường có những đặc điểm sau đây:
- Bộ phận phát động gồm: Động cơ điện, khí nén, thủy lực…
- Bộ truyền động thường dùng: Truyền động đai, xích, trục vít bánh vít…
- Bộ phận chấp hành gồm có: Bánh xe, cánh tay Robot, các cơ cấu trượt… - Các cơ cấu xoay trụ thường dùng bộ truyền động xích.
- Các cơ cấu nâng hạ tay Robot thường dùng các con lăn ốp vào hai mặt bên của thanh nhôm dựng đứng so với đế.
2.2.2. Tìm hiểu và phân tích luật
Đề thi của Robocon 2010 có nội dung khá hay và đòi hỏi có sự chế tạo cơ
khí chính xác cao thì mới có thể thực hiện được yêu cầu của cuộc thi. Với kích thước khối cấu kiện khá lớn (500mm x500mm x300mm) và khối lượng 750gam ,vì thế kết cấu Robot cũng phải vững chắc thì mới ổn định được trong suốt quá trình hoạt động.
Do chỉ có sự cạnh tranh trong khi sắp xếp quà đỉnh khi đã sắp xếp xong các
tầng ở dưới nên bài toán cuối cùng cho việc chế tạo Robot năm nay vẫn là thời gian
hoàn tất công việc của mình. Thời gian càng ít thì khả năng giành chiến thắng càng cao.
Luật quy định giới hạn khối lượng tổng cho tất cả các Robot là không quá 50kg nên việc phân bố khối lượng cho từng Robot ở mỗi khu vực là việc cần phải tính toán đầu tiên và phân bố cho hợp lí để sau đó tiến hành thiết kế thi công.
Với việc cho phép tranh chấp khi lắp đặt quà đỉnh vì thế Robot phải khỏe và vững chắc để có khả năng tranh chấp hay cản phá được đối phương.
Kích thước quy định của khu xuất phát chỉ có 1m2 mà trong khi đó kích thước các khối cấu kiện đã là (500mm x 500mm x 300mm) nên Robot phải thiết kế cơ cấu linh động để có thể sắp xếp được càng nhiều khối cấu kiện lên trước càng tốt. Luật quy định Robot này được đặt tối đa là 4 khối cấu kiện tại khu xuất phát.
2.2.3. Xây dựng các phương án
Sau khi phân tích kĩ nội dung yêu cầu của luật thi bắt đầu tiến hành tới giai
đoạn thiết kế và chế tạo Robot.
Muốn chế tạo thì việc đầu tiên phải thể hiện ý tưởng ra bản vẽ chi tiết hình dạng và kích thước từng chi tiết bộ phận Robot. Phần mềm để thể hiện ra bản vẽ ở đây được sử dụng là solidworks 2005. Thế mạnh của phần mềm này là nó thể hiện
rất cụ thể và trực quan hình ảnh của con robot mà chúng ta sắp chế tạo.
Trong suốt quá trình từ lúc tìm hiểu luật thi, trình bày ý tưởng, thiết kế, ra bản vẽ đã có nhiều sự thay đổi để cuối cùng có được một thiết kế hợp lý nhất để sau đó là tiến hành chế tạo cơ khí.
a. Phương án 1
Hình 2.1 : Robot điều khiển bằng tay phương án 1
Cách thức hoạt động của Robot bằng tay phương án 1.
Robot bằng tay này được thiết kế theo ý tưởng giống như một cánh tay của người máy, nó không cần phải di chuyển nhiều trong quá trình lấy và sắp xếp cấu
có thể lấy được các khối cấu kiện ở khu chứa khối cấu kiện và chuyển sang vị trí lắp đặt. Quá trình này hầu như Robot không phải dịch chuyển cả phần thân nhiều. Sau
khi xuất phát trên Robot sẽ mang sẵn ba khối cấu kiện trong đó có hai cấu kiện
vuông và một khối cấu kiện đỉnh. Với cấu tạo thế này Robot sẽ có thể tiến hành lắp đặt khối đỉnh chóp và xây dựng được 3 tầng của kim tự tháp.
Trụ và cả phần cánh tay phía trên có thể vừa trượt vừa xoay so vời phần đế.
Phần trượt trên đế là để Robot có thể chọc lấy khối cấu kiện và tiến hành đưa vào
Kim tự tháp. Phần xoay 180 độ là để chuyển hướng cánh tay Robot từ vị trí lấy các khối cấu kiện đến vị trí sắp xếp chúng vào Kim tự tháp.
Trên mỗi cánh tay đều có cơ cấu đẩy các khối cấu kiện ra. Bộ phận này chỉ
thực hiện việc đẩy tất cả các khối cấu kiện ra khỏi cánh tay Robot để xếp vào đúng
vị trí ghi điểm.
Ưu nhược điểm của phương án 1
Ưu điểm:
- Robot ổn định,vững chắc.Có khả năng xây dựng được hết công việc.
- Việc sắp xếp khối cấu kiện khá dễ dàng. - Kết cấu Robot đẹp, hợp lí.
Nhược điểm:
- Thời gian sắp xếp các khối cấu kiện khá lâu, không tối ưu thời gian và phải
mất nhiều lần lấy quà.
- Di chuyển từ khu xuất phát đến kho chứa cấu kiện mất khá nhiều thời gian. - Kích thước lớn hạn chế khả năng xoay sở khi điều chỉnh bị lỗi.
- Khối lượng khá lớn làm ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của Robot và tổng khối lượng chung của cả đội.
b. Phương án 2
Cách thức hoạt động của phương án 2
Vẫn là kết cấu chính như trên nhưng có một số thay đổi nhỏ nhằm tối ưu
Từ kết cấu sắp xếp hai quà vuông và một quà đỉnh, sau khi xét đến tính hiệu
quả của Robot thì có sự thay đổi kết cấu phần cánh tay Robot. Thay đổi khoảng
cách giữa cánh tay trên và dưới, nhằm mục đích đặt được quà vuông vào vị trí cánh
tay phía trên.
Hình 2.2 : Robot điều khiển bằng tay phương án 2
Ưu nhược điểm của phương án 2
Ưu điểm :
- Robot ổn định, vững chắc, có khả năng xây dựng chắc chắn những tầng dưới của kim tự tháp.
- Có khả năng sửa đượcđúng vị trí các khối cấu kiện bị lệch. - Thời gian xây dựng xong 3 tầng khá nhanh.
Nhược điểm :
- Không có khả năng xây dựng quà đỉnh làm mất lợi thế cho kết quả thi đấu
của cả đội.
- Kích thước lớn hạn chế khả năng xoay sở. Khối lượng bố trí bị lệch trọng
tâm nên tính ổn định khi di chuyển là không cao.
- Khối lượng khá lớn làm ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của Robot và tổng khối lượng chung của cả đội.
c. Phương án 3
Cách thức hoạt động
Hình 2.3 : Robot điều khiển bằng tay phương án 3
Để nâng cao hiệu quả và tối ưu công việc Robot, giúp Robot có thể hoàn thiện công việc đó là xây dựng ba tầng của Kim tự tháp Khufu và tiến hành lắp đặt
khối cấu kiện đỉnh, kết cấu Robot cần có sự thay đổi để phù hợp với yêu cầu. Cụ thể
là cánh tay trên cùng đặt một khối cấu kiện vuông ở phương án 2 bây giờ được làm dài ra và được gấp lên để đặt thêm khối cấu kiện đỉnh.
Ưu nhược điểm của phương án 3
Ưu điểm:
- Robot ổn định, vững chắc. Có khả năng hoàn thiện công việc trong thời
gian nhanh nhất.
- Không gian diện tích của Robot khi đã xếp trước các khối cấu kiện được tối ưu hóa đảm bảo yêu của luật đưa ra.
- Việc sắp xếp khối cấu kiện khá linh động.
- Kết cấu Robot gọn gàng, hợp lí.
- Khối lượng đã giảm được khá nhiều theo mong muốn.
Nhược điểm:
- Chưa tận dụng được lợi thế cho đủ 4 khối cấu kiện lên Robot tại vị trí xuất
phát. Dẫn đến việc vẫn phải mất thời gian lấy cấu kiện nhiều lần.
- Di chuyển từ khu xuất phát đến kho lấy cấu kiện vẫn còn chậm, làm tăng
thời gian thực hiện công việc.
- Kích thước lớn hạn chế khả năng xoay sở khi điều chỉnh bị lỗi.
d. Kết luận và lựa chọn phương án
Qua phân tích ưu nhược điểm của các phương án đã đưa ra chúng em thấy phương án 3 là tối ưu hơn cả. Thỏa mãn được các yêu cầu về tính ổn định cũng như
về thời gian hoàn thành công việc.
2.3. THIẾT KẾ CHO PHƯƠNG ÁN ĐƯỢC LỰA CHỌN 2.3.1. Thiết kế cơ khí 2.3.1. Thiết kế cơ khí
a. Khâu trượt đế
Tất cả phần thân phía trên của Robot vừa có thể vừa trượt vừa có thể xoay
trên hai thanh nhôm hộp dẫn hướng giúp cho Robot có thể thao tác trong phạm vi
hẹp.Phần cánh tay và trụ của Robot sẽ được cố định vào khối gỗ trên khớp xoay. Cơ cấu trượt được hình thành bởi các con lăn nhựa được ốp vào mặt trên và mặt dưới của hai thanh nhôm hộp dẫn hướng trượt.
Cơ cấu xoay được hình thành bởi bộ truyền động xích, bao gồm nhông đĩa và xích. Phần đĩa xích sẽ là phần gắn chặt vào phần thân Robot. Khi đĩa xích này quay thì thân Robot cũng sẽ được quay theo.
Hình 2.4: Bản vẽ khâu trượt đế của Robot bằng tay
Hình 2.6: Bản vẽ con lăn trượt đế
Hình 2.8: Đĩa xích
Hình 2.9: Nhông xích gắn trực tiếp trên động cơ
Với thiết kế khâu trượt đế như trên qua quá trình chạy thử và kiểm tra lỗi đã thể hiện được một số ưu điểm hơn hẳn so với thiết kế ở phương án 1:
- Khối lượng nhẹ, đáp ứng yêu cầu như thiết kế.
- Vận hành êm và có độ vững chắc cao, giúp Robot ổn định trong suốt quá
- Vật liệu được dùng để chế tạo khớp xoay và trượt là nhựa gia công, gỗ, đĩa
nhôm ống, nhôm tấm... Đây là những vật liệu dễ kiếm, dễ gia công thiết kế, gọn
nhẹ, đảm bảo độ bền.
Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của khâu trượt đế Robot bằng tay
b. Khâu lấy quà
Khâu lấy quà của Robot bằng tay bao gồm cơ cấu nâng hạ cánh tay, cơ cấu đẩy quà và các cánh tay của Robot.
Cơ cấu nâng hạ cánh tay Robot được lắp ghép bởi bốn con lăn ốp vào hai mặt lớn của thanh nhôm thân Robot. Các con lăn này được giữ với nhau bởi các tấm
nhôm dày 2mm.
Hình 2.12: Con lăn trong cơ cấu nâng hạ cánh tay Robot
Cơ cấu đẩy quà bao gồm một nhông đĩa gắn trên một trục dài 600mm. Hai
đầu trục được gắn tang cuốn để vòng dây cước qua. Trục được truyền chuyển động
nhờ một nhông đĩa khác gắn cố định vào trục động cơ thông qua dây xích.
Hai cánh tay phía dưới Robot được làm từ thanh nhôm kết cấu có chiều dài
950mm, đầu bên ngoài đượ bo một góc R = 16. Cánh tay phía trên có chiều dài
900mm được thiết kế sao cho có khả năng gập lên gập xuống.
Hình 2.14: Cánh tay phía trên của Robot
Hình 2.15: Cánh tay phía dưới của Robot
c. Bản vẽ thiết kế nhông gắn trên trục đẩy quà
Nhông được gắn trên trục động cơ và trên trục tang đẩy quà là như nhau. Với
tỉ số truyền 1-1 giúp động cơ đẩy khỏe và chống hãm cứng khi quá tải.
d. Bản vẽ đầy đủ mô phỏng Robot bằng tay
Hình 2.17:Mô phỏng Robot điều khiển bằng tay
2.3.2. Thiết kế mạch điệna. Khối mạch Vi điều khiển a. Khối mạch Vi điều khiển
Khối nguồn Vi điều khiển
VSS J1 1 2 D1 C2 U1 LM7805C/TO IN 1 OUT 3 G N D 2 C1 C3 R2 5V D2 LED C4 104
Nhiệm vụ
Khối mạch nguồn này có nhiệm vụ tạo ra nguồn 5VDC ổn định cho bộ điều
khiển.
Nguyên lý
Điện áp 12VDC được cấp vào chân cắm J1, qua đi diode bảo vệ D1. Nguồn này được lọc bởi các tụ C1 và C4 trước khi đến chân vào của IC ổn áp LM7805.
Điện áp đầu ra của IC LM7805 là 5V. Vì Vi điều khiển hoạt động dạng xung nên cần điện áp cung cấp cho nó luôn luôn ổn định 5V do đó phải cần mắc thêm 2 tụ C2
và C3.
Khối mạch ATMEGA32
Hình 2.19: Khối mạch ATMEGA32
Nhiệm vụ:
Đây là khối điều khiển trung tâm. Khối này chịu trách nhiệm điều khiển mọi
Nguyên lý
- Khi cấp nguồn cho Vi điều khiển thì khối Reset bắt đầu hoạt động, nó tự động reset Vi điều khiển trở về trạng thái ban đầu. Sau khoảng thời gian khởi động thì bộ tạo dao động mới bắt đầu hoạt động, khi đó Vi điều khiển mới chính thức được hoạt động.
- ATmega32 là chíp được nạp chương trình điều khiển, tùy thuộc vào
chương trình điều khiển mà trạng thái các chân của Vi điều khiển sẽ thay đổi theo để nhận hay xuất tín hiệu.
- Các chân nạp dùng để kết nối với máy tính nạp chương trình cho Vi điều
khiển hoạt động.
- Khối tạo xung gồm thạch anh và hai tụ pi dùng để tạo dao động hệ thống cho Vi điều khiển.
- Khối nút nhấn Reset dùng để thiết lập cho Vi điều khiển trở về trạng thái ban đầu.
- Port LCD xuất tín hiệu hiển thị lên LCD.
b. Khối mạch công suất
Khối tạo nguồn công suất
GND D3 C5 LM7812C/TO IN 1 OUT 3 GN D 2 C6 C7 R3 12V D4 LED Q16 B688 R21 C8 24V J2 24V-CS 1 2
Hình 2.20: Mạch tạo nguồn công suất
Nhiệm vụ
Khối mạch nguồn này có nhiệm vụ tạo ra nguồn 12VDC ổn định cho linh
kiện công suất như Rơ le, Opto, ULN2803…
Nguyên lý
Điện áp 24VDC từ cổng J2 đi qua diode bảo vệ D3, nguồn này được lọc bởi
các tụ C6 và C8 trước khi đến chân vào của IC ổn áp LM7812. Điện áp đầu ra của
IC LM7812 là 12VDC, điện áp này được ổn hơn nhờ sự nạp xả của 2 tụ C5 và C7. Vì dòng điện sau khi đi qua IC LM7812 là rất nhỏ,không đảm bảo cho các phần tử
công suất hoạt động lâu dài nên ta cần mắc thêm Tranzitor B688 như trên hình 2.21 để đảm bảo dòng ra là đủ lớn. Khối cách ly OPTO9 ISO1 PC817 1 2 4 3 ISO2 PC817 1 2 4 3 OPTO1 DK_PWM1 DK_ROLE1 K_PWM1 12V GND K_ROLE1 5V R11 1K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 OPTO1 OPTO3 OPTO4 OPTO2 OPTO6 OPTO5 OPTO7 OPTO8 OPTO2 Hình 2.21: Mạch cách ly Nhiệm vụ
Phần mạch này có nhiệm vụ cách ly điện áp giữa Vi điều khiển với điện áp
phần mạch công suất để bảo vệ Vi điều khiển không bị treo khi đang hoạt động. Nguyên lý
Các chân PWM_Motor1 đến chân PWM_Motor7 và các chân Dir_Motor1
đến Dir_Motor7 được nối vào các chân của Vi điều khiển. Khi các chân này ở mức
0 thì có dòng điện đi qua Led bên trong Opto, Led này sáng làm cho Photo tranzitor bên trong Opto thông. Khi Photo tranzito trong các opto được thông dẫn đến các
chân K_ROLE1 đến K_ROLE7 có điện áp 12V. Còn các Chân K_PWM1 đến K_PWM7 có điện áp 0V. Khối đệm PWM4 U5 ULN2803 COM 10 GND 9 IN1 1 IN2 2 IN3 3 IN4 4 IN5 5 IN6 6 IN7 7 IN8 8 OUT1 18 OUT2 17 OUT3 16 OUT4 15 OUT5 14 OUT6 13 OUT7 12 OUT8 11 R15 4.7K 1 2 3 4 5 R13 10K 1 2 3 4 5 K_PWM2 K_PWM1 K_ROLE2 K_ROLE1 PWM1 ROLE3 ROLE2 ROLE1 12V GND 12V PWM2 C19 ROLE4 K_PWM3 K_PWM4 PWM3 K_ROLE3 K_ROLE4 Hình 2.22: Khối đệm sử dụng IC ULN2803
Nhiệm vụ
Trong mạch có sử dụng IC ULN2803 với mục đích đệm dòng cho các phần
tử công suất.
Nguyên lý
Khi đầu vào của IC ULN2803 (từ chân 1đến chân 8) là mức 1 thì đầu ra (từ chân 11 đến chân 18) là mức 0 và ngược lại, đồng thời dòng điện ở các chân đầu ra đã được nâng lên.
Khối mạch điều khiển động cơ
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý của mạch đóng mở và đảo chiều dùng cho một động cơ. C11 D37 GND D35 R19 D64 DIODE ZENER 18V 12V ROLE1