Thiết kế, chế tạo robot tự động tham gia robocon 2010

- Mỗi đội phải xây dựng hoàn thành 3 kim tự tháp: + Thứ nhất là Kim tự tháp Khufu do Robot điều khiển bằng tay thực hiện trong thời gian 90 giây để đặt: • 3 khối cấu kiện ở tầng thứ nhất

MỤC LỤC

MỤC LỤC - 1 -

DANH MỤC CÁC HÌNH - 3 -

LỜI CẢM ƠN - 5 -

LỜI NÓI ĐẦU - 6 -

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG - 7 -

1.1 Giới thiệu chung về Robocon - 8 -

1.1.1 Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot - 8 -

1.1.2 Sơ đồ cấu trúc của Robot - 8 -

1.1.3 Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 - 8 -

a Giới thiệu về chủ đề - 8 -

b Khái quát về luật thi - 9 -

c Cách tính điểm - 10 -

1.2 Giới thiệu cơ sở lý thuyết - 11 -

1.2.1 Phần cơ khí - 11 -

a Giới thiệu dụng cụ cơ khí chính - 11 -

b Giới thiệu nguyên vật liệu, thiết bị - 11 -

1.2.2 Phần điện - 15 -

a Lý thuyết sơ lượt Vi điều khiển AVR - 15 -

c Giới thiệu linh kiện khác - 19 -

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - 20 -

2.1 Phương pháp nghiên cứu - 21 -

2.2 Nội dung nghiên cứu - 22 -

2.2.1 Xây dựng phương án - 22 -

a Nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa - 22 -

b Xây dựng phương án - 22 -

2.2.2 Lựa chọn phương án chế tạo - 27 -

2.2.3 Thiết kế phần cơ khí - 28 -

a Phần đế Robot tự động - 28 -

b Phần ngã ra của giàn giữ cấu kiện - 30 -

c Phần giá đỡ cấu kiện và cánh tay - 32 -

2.2.4 Tính toán động học cho cơ cấu - 39 -

a Cơ cấu trượt đế của robot - 39 -

b Cơ cấu ngả cấu kiện - 39 -

c Cơ cấu trượt ngang tầng 2 - 40 -

d Cơ cấu đẩy cấu kiện - 40 -

2.2.5 Thiết kế phần điện - 41 -

a Nguồn điện sử dụng cho Robot - 41 -

b Khối điều khiển - 41 -

c Khối công tắc, nút nhấn - 45 -

d Khối cách ly và đệm - 46 -

e Khối công suất - 48 -

2.2.6 Thiết kế phần mềm - 50 -

a Lưu đồ thuật toán - 50 -

Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ - 62 -

3.1 Thử nghiệm - 63 -

3.2 Phân tích lỗi và phương pháp sửa chửa và khắc phục các lổi - 63 -

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT - 65 -

4.1 Kết luận - 66 -

4.2 Đề xuất - 66 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 67 -

PHỤ LỤC A - 68 -

PHỤ LỤC B: Mã nguồn chương trình điều khiển: - 70 -

1 Chương trình của ATmega32: - 70 -

1.1 Robot_7qua.c - 70 -

1.2 init.h - 73 -

1.3 connet.h - 75 -

1.4 control.h - 77 -

1.5 nut_nhan.h - 80 -

1.6 voids.h - 81 -

1.7 voids_nhanh.h - 90 -

2 Chương trình của AT90S2313: tiny.c - 95 -

PHỤ LỤC C: Hình sân thi đấu - 100 -

DANH MỤC CÁC HÌNH

1 Hình 1.1: Sơ đồ chung của Robot

2 Hình 1.2: Tổng thể sân Robocon 2010

3 Hình 1.3:

4 Hình 1.4: Hình dáng một vài loại bánh xe robot

5 Hình 1.5: Đông cơ Hàn Quốc

6 Hình 1.6: Đông cơ trục vít bánh vít

7 Hình 1.7: Một số loại động cơ khác

8 Hình 1.8: Sơ đồ chân của ATmega32

9 Hình 1.9: Sơ đồ khối của ATmega32

10 Hình 1.10: Sơ đồ chân của AT90S2313

11 Hình 1.11: Hình dáng và cấu tạo bên trong encoder

12 Hình 1.12: Tín hiệu ra của encoder tương đối

13 Hình 1.13: Tín hiệu ra encoder tuyệt đối

14 Hình 2.1: Hình dáng và kích thước kim tự tháp Khafraa

15 Hình 2.2: Kích thước hình dáng khối cấu kiện cố định trên Kim tư tháp

16 Hình 2.3: Hình dáng kích thước khối cấu kiện chính

17 Hình 2.4: Hình dáng kích thước khối cấu kiện đỉnh

18 Hình 2.5: (a)- Cách đặt cấu kiện, (b)- , bố trí chung

19 Hình 2.6: Cách đặt cấu kiện (a), bố trí chung (b)

20 Hình 2.7 : Cách bố trí Robot trên sân

29 Hình 2.16: Lắp động cơ và tang cuốn

30 Hình 2.17: Tiết diện nhôm kết cấu

31 Hình 2.18: Bố trí chung của giá giữ cấu kiện

32 Hình 2.19: Cụm chi tiết của cơ cấu đẩy cấu kiện tầng 1

33 Hình 2.20: Hình dáng thực tế động cơ đẩy tầng 1

34 Hình 2.21: Bộ truyền đẩy cấu kiện tầng 1

35 Hình 2.22: (a)- Bánh xích bị dẫn (tỉ lệ 2:1), (b)- Bánh dẫn(tỉ lệ 2:1)

36 Hình 2.23: Cụm kết cấu tầng 2

37 Hình 2.24: Kết cấu bộ truyền bánh răng đai răng

38 Hình 2.25: Bánh xích dẫn tầng 2(tỉ lệ 1:1)

39 Hình 2.26: Mô tả chuyển động trượt đế

40 Hình 2.27: Mô tả chuyển động ngã cấu kiện

41 Hình 2.28: Mô tả chuyển động trượt ngang tầng 2

42 Hình 2.29: Sơ đồ nối acqui

43 Hình 2.30: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 5V

44 Hình 2.31: Sơ đồ layout mạch tạo nguồn 5V

45 Hình 2.32: Sơ đồ nguyên lý ATmega32

46 Hình 2.33: Sơ đồ layout ATmega32

47 Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý của AT90S2313

48 Hình 2.35: Mạch layout AT90S2313

49 Hình 2.36: Khối công tắc

50 Hình 2.37: Mạch cách ly sử dụng opto PC817

51 Hình 2.38: Sơ đồ IC đệm ULN2803

52 Hình 2.39: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn công suất 12VDC

53 Hình 2.40: Mạch layout nguồn công suất

54 Hình 2.41: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ

55 Hình 2.42: Sơ đồ layout mạch điều khiển động cơ

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt khóa học (2006-2010) tại trường Đại học Nha Trang, với sự giúp đỡ của quý thầy cô trong Khoa Cơ khí, quý thầy trong Bộ môn Cơ điện tử đã giúp đỡ chúng em về mọi mặt, đặc biệt là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài của chúng

em đã được hoàn thành đúng thời gian quy định Chúng em xin chân thành cảm ơn tới:

Bộ môn Cơ điện tử cùng tất cả Quý thầy trong Khoa Cơ khí đã truyền đạt những kiến thức quý báu làm cơ sở để chúng em thực hiện tốt đề tài này và đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn tất khóa học

Đặc biệt, Thầy Vũ Thăng Long, Thầy Nguyễn Văn Định, Thầy Trần Văn Hùng, Thầy Đỗ Quốc Chí đã tận tình giúp đỡ và cho chúng em những lời chỉ dạy quý báu giúp chúng em định hướng tốt trong khi thực hiện đề tài này

Ngoài ra em xin được cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đề tài tốt nghiệp

Nha trang, tháng 05 năm 2010

Nhóm sinh viên

Nguyễn Ái Hạnh - Nguyễn Văn Việt

LỜI NÓI ĐẦU

Cơ điện tử là một ngành học mới ở nước ta, nhưng nó ngày càng khẳng định được vai trò trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay và sự phát triển của đất nước trong tương lai Đây là ngành có sự hội tụ và đúc kết của ba chuyên ngành là cơ khí, tin học và điện tử mà sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động của con người

Đối với sinh viên ngành Cơ điện tử để làm quen với các hệ thống tự động thì cuộc thi sáng tạo robot là một sân chơi bổ ích Sản phẩm của cuộc thi này là một hệ thống tự động đơn giản, nhưng nó là sự cộng tác làm việc của một nhóm sinh viên Khi tham gia cuộc thi này, mỗi sinh viên cần áp dụng tất cả những kiến thức đã học cả

về cơ khí, mạch điện và lập trình và sự bàn bạc thảo luận để chế tạo thành công một con rrobot, và thông qua đó là cơ hội giao lưu học hỏi với các sinh viên trường khác để hoàn thiện các kiến thức mình đã được học trong bốn năm đại học

Vì vậy nhóm chúng em được giao thực hiện đồ án tốt nghiệp là làm robot theo chủ đề và luật của cuộc thi sáng tạo Robot 2010 Từ luật chơi của cuộc thi, nhóm em gồm hai thành viên thực hiện đề tài “ Thiết kế, chế tạo Robot tự động tham gia Robocon 2010” có khả năng hoàn thành công việc mà luật chơi yêu cầu

Sau một thời gian tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công, được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Trần Văn Hùng và Thầy Đỗ Quốc Chí, cùng quý Thầy trong Bộ môn

Cơ điện tử và của Khoa Cơ khí, chúng em đã hoàn thành đề tài trong thời gian đặt ra

Chúng em xin chân thành cảm ơn Quý thầy đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ

án tốt nghiệp này

Vì thời gian và kiến thức có hạn nên trong đồ án có nhiều phần còn hạn chế và còn nhiều điểm chưa khắc phục được Mong quý Thầy trong khoa tận tình giúp đỡ để

Đồ án tốt nghiệp của chúng em được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ái Hạnh - Nguyễn Văn Việt

Chương 1:

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung về Robocon

1.1.1 Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot

Robocon, viết tắt của chữ Robot Contest, là cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương hằng năm Cuộc thi được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2002 tại Nhật Bản

có 20 đội đến từ các quốc gia trong khu vực tham gia và Việt Nam đã lần đầu tiên đăng quang trong cuộc thi này Từ đó đến nay, Robocon Việt Nam đã ba lần đạt chức

vô địch với các đại diện tiêu biểu cho tinh thần học tập và sáng tạo của sinh viên Việt Nam

Cuộc thi này đã thu hút khá nhiều sinh viên trong khu vực và trong nước yêu khoa học, công nghệ tham gia Đã có rất nhiều thế hệ sinh viên đạt được nhiều thành công

từ những kì thi này

Trường Đại học Nha Trang cũng nhiều năm tham gia cuộc thi sáng tạo Robot trong nước và đã đạt được những thành tích nhất định

1.1.2 Sơ đồ cấu trúc của Robot

Hình 1.1 Sơ đồ chung của Robot

1.1.3 Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010

a Giới thiệu về chủ đề

Cuộc thi sáng tạo Robot châu Á - Thái Bình Dương 2010, được tổ chức tại Cairo–Ai Cập với chủ đề là: Robo-Pharaohs xây Kim tự tháp (Robo-Pharaohs Build Pyramid)

Ý tưởng này được dựa trên việc một cỗ máy thời gian ảo đưa những người thợ xây dựng Kim tự tháp của Ai Cập vào trong phòng học của các trường kĩ thuật Mục tiêu mới là xây dựng các phần của ba Kim tự tháp theo trình tự Các thành viên trong đội phải có sự nhanh nhẹn, chính xác và phối hợp tốt Họ phải tuân theo quy định không được sử dụng bất kỳ một vật liệu kết dính nào giữa các khối cấu kiện

Bộ điều khiển trung tâm

Đối tượng

Nút nhấn

Start

Cơ cấu chấp hành

Đội chiến thắng gọi là “Robo-Pharaoh” là đội hoàn thành việc xây dựng các phần của 3 Kim tự tháp nhanh nhất Trong vòng 3 phút, đội đỏ và đội xanh sẽ thi đấu với mục đích tạo dựng lại một trong bảy Kỳ quan của thế giới cổ đại

b Khái quát về luật thi

Hình 1.2: Tổng thể sân Robocon 2010

- Mỗi trận thi đấu gồm có hai đội xanh (blue) và đội đỏ (red)

- Mỗi đội phải xây dựng hoàn thành 3 kim tự tháp:

+ Thứ nhất là Kim tự tháp Khufu do Robot điều khiển bằng tay thực hiện trong thời gian 90 giây để đặt:

• 3 khối cấu kiện ở tầng thứ nhất

• 3 khối cấu kiện ở tầng thứ hai

• 1 khối cấu kiện ở tầng thứ ba

• 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh

+ Thứ hai là Kim tự tháp Khafraa sẽ do một hoặc hai Robot tự động trong thời gian

60 giây xây dựng:

• 3 khối cấu kiện ở tầng thứ nhất

• 3 khối cấu kiện ở tầng thứ hai

• 1 khối cấu kiện ở tầng thứ ba

• 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh

+ Cuối cùng là việc hoàn thành Kim tự tháp Mankaura do một Robot tự động trong thời gian 30 giây để đặt:

Khuffu Khafaraa

Mankaura

Khu vực bằng tay (đội đỏ)

Khu vực bằng tay

(đội xanh)

Khu vực tự động một (đội đỏ)

Khu vực tự động

một (đội xanh)

Khu vực tự động hai (đội đỏ) Khu vực tự động

hai (đội xanh)

• 1 khối cấu kiện ở tầng giữa

• 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh

- Robot xây dựng Kim tự tháp Mankauraa phải theo một trình tự như sau: trước khi cánh tay Robot tự động này chạm vào khối đỉnh phải đặt hoàn thành khối các cấu kiện ở tầng dưới của Kim tự tháp Mankauraa

- Đội nào hoàn thành việc xây dựng ba Kim tự tháp trước là đội “Robo-Pharaoh” và

là đội chiến thắng Trong trường hợp không có đội nào giành được Pharaoh” thì phần thắng sẽ thuộc về đội có số điểm cao hơn

“Robo Mỗi trận đấu kéo dài 3 phút

- Chi tiết về luật chơi và sân thi đấu tham khảo tại website:

+ Kim tự tháp Khufu (22 điểm):

• 1 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ nhất

• 2 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ hai

• 3 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ ba

• 10 điểm cho khối mầu vàng ở đỉnh tháp

+ Kim Tự Tháp Khafraa (44 điểm):

• 2 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ nhất

• 4 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ hai

• 6 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng giữa thứ ba

• 20 điểm cho khối mầu vàng ở đỉnh tháp

+ Kim tự tháp Mankaura (24 điểm):

• 4 điểm giành cho một khối cấu kiện tại tầng dưới

• 20 điểm giành cho khối cấu kiện vàng trên đỉnh

+ Kết quả của trận đấu sẽ được công bố sau 3 phút thi đấu như sau:

• Tổng số điểm ghi được của mỗi đội sẽ được công bố sau khi đã trừ đi các điểm phạm luật

• Đội được tôn vinh là "Robo-Pharaoh" sẽ được cộng thêm 30 điểm có nghĩa là tổng số điểm đạt được lên tới 120 điểm

• Phần thắng sẽ thuộc về đội có điểm số cao hơn đội kia

1.2 Giới thiệu cơ sở lý thuyết

1.2.1 Phần cơ khí

a Giới thiệu dụng cụ cơ khí chính

Chen phần của việt

b Giới thiệu nguyên vật liệu, thiết bị

Ø Nguyên vật liệu

- Nhôm: Đây là loại vật liệu rất bền, nhẹ, dễ gia công được sử dụng rộng rãi trong

đời sống Sản phẩm công nghiệp của nó tiêu biểu là thanh nhôm cao cấp được sử trong xây dựng và các sản phẩm gia dụng Đây cũng là vật liệu chính trong chế tạo robot và các mô hình thí nghiệm

- Thép: Đây là vật liệu rất phổ biến trong đời sống, đặc biệt trong ngành chế tạo

máy xản xuất ra bulong, đinh vít, bánh răng, bánh xích, trục Trong chế tạo robot thì thép được sử dụng hàn khung, tiện trục, phay bánh răng và bánh xích

- Phôi nhựa: là một loại polyme bền, nhẹ, dễ gia công cắt gọt và tạo hình, khuôn

Được sử dụng trong chế tạo máy và dụng cụ gia đình Trong chế tạo robot phôi nhựa được sử dụng tiện tang cuốn cáp, con lăn, bạc đở, và gia cường cho nhôm hộp tại một

Hình 1.4: Hình dáng một vài loại bánh xe robot (a)- Bánh xe truyền động trực tiếp nhờ động cơ có hộp giảm tốc

(b)- Bánh xe truyền động bằng đai

* Động cơ điện một chiều: là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều

- Cấu tạo:

Gồm có 3 phần chính:

+ Stator (đứng yên) là phần cảm sinh ra từ trường trong mạch từ của động

cơ điện 1 chiều, Stator có một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện được đặt xen kẽ nhau

+ Rotor (quay) là phần ứng, Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

+ Cổ góp, chổi than là bộ phận cung cấp điện cho các cuộn dây động cơ

- Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều:

I = (V Nguon − V PhanDienDong ) / R PhanUng

Pha 1: Từ trường của

rotor cùng cực với

stator, sẽ đẩy nhau

tạo ra chuyển động

quay của rotor

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho

từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

Công suất của động cơ đưa ra được, được tính bằng:

P = I * (V PhanDienDong)

- Một số động cơ điện một chiều sử dụng trong Robocon:

+ Động cơ Hình 1.15 chuyên dùng cho các cơ cấu có tốc độ không cần cao Nguồn 24VDC, tốc độ ở trục 100vòng/phút, công suất 17w, momen xoắn cực đại 2.5N.m, khối lượng 250g, đường kính trục 6mm, hệ số giảm tốc là 50:1

Bánh răng hộp giảm tốc bằng thép rất cứng, không có hiện tượng bị bể bánh bánh răng, không có hiện tượng bị gãy trục

Hình 1.5: Đông cơ Hàn Quốc

+ Động cơ Hình 1.16 được sử dụng cho các cơ cấu chịu tải trọng lớn với kết cấu hộp giảm tốc trục vít bánh vít tự hãm rất tốt Nguồn 24VDC, công suất 30w, tốc độ 140rpm, khối lượng 500g ,tải trọng nâng được 10kg/0.5m/s

Hình 1.6: Đông cơ trục vít bánh vít

+ Trên Hình 1.7 là một số loại động cơ khác:

Hình 1.7: Một số loại động cơ khác

* Một số thiết bị khác: đinh Rive, bulong các cỡ,…

1.2.2 Phần điện

a Lý thuyết sơ lượt Vi điều khiển AVR

- Vi điều khiển ATmega32 thuộc họ AVR là họ vi điều khiển 8 bits theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo

công nghệ RISC (viết tắt của Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với tập

lệnh đơn giản hóa ), nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bits khác như PIC, Pisoc Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng So với họ 8051, 89xx thì nó có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và tiện lợi hơn rất nhiều

* Vi điều khiển ATmega32

ATmega32 có đầy đủ tính năng của họ AVR, có giá thành vừa phải, rất phù hợp dùng

+ Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A, B,

C, D Các chân này đều có chế độ điện trở treo (pull_up resistors)

+ Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được

+ Giao tiếp SPI

+ Giao tiếp I2C

+ Có 8 kênh ADC 10 bits

+ Một bộ so sánh analog

+ Ba kênh băm xung PWM

+ Hai bộ timer/counter 8 bits, 1 bộ timer/counter1 16 bits

Hình 1.8: Sơ đồ chân của ATmega32

* Vi điều khiển AT90S2313

Vi điều khiển này cũng thuộc họ AVR, có sơ đồ chân Hình 1.27

Hình 1.10: Sơ đồ chân của AT90S2313

Một số đặc tính của Vi điều khiển AT90S2313 :

+ Đóng vỏ 20 chân Trong đó có 15 chân vào ra dữ liệu chia thành 2 PORT Bvà D

+ Một bộ truyền nhận UART lập trình được

*Các đặc tính của Vi điều khiển AVR cụ thể hơn tại Web site: www.atmel.com

b Giới thiệu cảm biến do tốc độ

- Có nhiều loại cảm biến tốc độ: cảm biến hall, điện từ, quang…

Dụng cụ đo tốc độ quay thường được sử dụng là encorder sử dụng cảm biến quang, cảm biến hall hay điện từ, đếm số vòng quay trong một đơn vị thời gian từ đó có thể suy ra được tốc độ quay Dưới đây là một số hình ảnh của encoder quang số và tuong tự:

Hình 1.11: Hình dáng và cấu tạo bên trong encoder (a)- Hình dáng trong thực tế, (b)-Cấu tạo của encoder quang

Hinh 1.12: Tín hiệu ra của encoder tương đối

Hình 1.29 trên là cấu tạo đĩa quay và biểu đồ xung đầu ra của encoder tương đối gồm có 2 xung A và B

Hình 1.13: Tín hiệu ra encoder tuyệt đối

Hình 1.30 là cấu tạo và biểu đồ xung của một encoder quang tương tự 16 bits ra

c Giới thiệu linh kiện khác

Chương 2:

PHƯƠNG PHÁP

VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của nhóm em theo trình tự như sau:

Bước 1: Tìm hiểu một cách khái quát Robocon các năm trước nhằm mục đích:

+ Để có một cái nhìn tổng quan về Robocon

+ Biết cách thành lập đội Robocon làm việc có hiệu quả, biết cách phân bố, tổ chức công việc trong đội

+ Vạch kế hoạch cho bản thân và toàn đội

+ Tìm hiểu một số kết cấu cơ khí, nguyên lý điện và các giải thuật, thuật toán hay làm bài học

Bước 2: Đọc và nghiên cứu luật thi

Đây là bước không thể thiếu trong các cuộc thi Robot, nó đóng vai trò là điều kiện cần trong việc sáng tạo và thi công Robot Thực hiện bước này nhằm mục đích:

+ Đưa ra các chiến thuật thi đấu và ý tưởng thiết kế hợp lý

+ Tính toán thiết kế bản vẽ và chế tao tiết kiệm, không bị phạm quy Yêu cầu:

+ Nhớ nội dung chính của luật

+ Đọc đi lại nhiều lần để nắm được ý đồ của người viết luật

+ Nghiên cứu từng khía cạnh, nhìn nhận vấn đề từ nhiều hướng

Bước 3: Phác thảo ý tưởng và đưa ra bàn luận trước đội và chỉ đạo viên:

Sau khi thực hiện bước 2, mỗi thành viên trong đội sẽ nêu ý tưởng của mình, phác thảo ra giáy hoặc bản vẽ trên máy tính và trình bày trước toàn đội, cả đội thảo luận và chọn ra ý tưởng tốt nhất, hoàn thiện ý tưởng

Bước 4: Thiết kế bản vẽ chi tiết và mô phỏng

Sau khi cả đội thống nhất ý tưởng thi bắt đầu thiết kế bản vẽ

Mục đích: Cụ thể hình dáng, kích thước Robot, lựa chọn vật liệu và kiểm tra lại lần cuối mức độ hợp lý của kết cấu trước khi gia công

Yêu cầu:

+ Hoàn thành bản vẽ với đầy đủ các thông số chế tạo

+ Tiết kiệm kinh tế, dễ chế tạo

Bước 5: Tiến hành gia công Robot

Bước 6: Thử nghiệm và sửa chữa

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Xây dựng phương án

a Nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa

- Robot tự động phải di chuyển một cách tự động, khi nó được khởi động trong 1

pha thi đấu bởi một thành viên trong đội nhấn nút

- Lúc bắt đầu trận đấu, ở khu vực khởi động, kích thước của Robot tự động (bao gồm cả các khối cấu kiện đặt trước) không được vượt quá 1m(dài) x 1m(rộng) x 1.5

m (cao) Không có giới hạn nào sau khi bắt đầu cuộc thi

- Phải hoàn thành công việc (xây xong kim tự tháp) trong khoảng thời gian 60s

- Sai số cho phép của các khối cấu kiện được xếp với quy định là không được vượt quá 25mm theo phương ngang

- Mỗi Robot tự động có thể được nạp (trước khi bắt đầu trận đấu) một số cấu kiện tuỳ ý

- Để xây dựng kim tự tháp này có thể sử dụng 1 hoặc 2 Robot tự động

b Xây dựng phương án

Hình dáng và kích thước Kim tự tháp Khafraa như Hình 2.1 dưới đây:

Kim tự tháp này bao gồm: 1 móng, 3 tầng giữa, và 1 đỉnh (Hình 2.1a)

Có 10 cấu kiện được đặt trước ở tầng giữa thứ 1 (Hình 2.1a)

Có 3 cấu kiện được đặt trước ở tầng giữa thứ 2 (Hình 2.1a)

Có 2 cấu kiện được đặt trước ở tầng giữa thứ 3 (Hình 2.1a)

Các khối cấu kiên được đặt cố định trên Kim tự tháp có kích thước 500mm*500mm*300mm (Hinh 2.2)

Hình 2.1: Hình dáng và kích thước kim tự tháp Khafraa

(b) Tầng giữa thứ

Tầng giữa thứ Tầng giữa thứ

Robot tự động này phải đặt các khối cấu kiện chính (Hinh 2.3) vào vùng xếp cấu kiện, và khối cấu kiện đỉnh (Hình 2.4) vào vùng đỉnh để hoàn thành nhiệm vụ trong pha này

Hình 2.2: Kích thước hình dáng khối cấu kiện cố định trên Kim tư tháp

Hình 2.3: Hình dáng kích thước khối cấu kiện chính

Từ việc phân tích nhiệm vụ và luật thi nhóm chúng em đã đưa ra một số phương

Hình dáng và cách xếp cấu kiện được mô tả như trên Hình 2.5

Hình 2.4: Hình dáng kích thước khối cấu kiện đỉnh

Hình 2.5 : (a)- Cách đặt cấu kiện, (b)- , bố trí chung

(a)

(b)

- Ưu điểm:

+ Có thể xếp trước được nhiều khối cấu kiện trên thân Robot

+ Kết cấu khá đơn giản

- Nhược điểm:

+ Do phải tiếp cận Kim tự tháp nên tính ổn định không cao

+ Đẩy cấu kiện vào Kim tự tháp dễ bị xô lệch

+ Hoàn thành công việc chậm

+ Khi retry sẽ không thể xếp được toàn diện các khối cấu kiện

+ Lập trình khá phức tạp

* Phương án 2

Thiết kế Robot đi lấy cấu kiện ở kho chứa Robot sau khi được khởi động ở khu vực xuất phát, nó sẽ hoạt động một cách tự động đến kho chứa cấu kiện sử dụng tay kẹp hình bình hành để lấy cấu kiện đến xây dựng Kim tự tháp Robot gồm các chuyển động sau: Chuyển động của hai bánh, chuyển động lên xuống tịnh tiến của cánh tay, chuyển động tịnh tiến vươn tay kẹp, chuyển động kẹp của tay kẹp, chuyển động quay của tất cả các cơ cấu trên đế

Hình dáng và cách xếp cấu kiện được mô tả như trên Hình 2.6

Hình 2.6: Cách đặt cấu kiện (a), bố trí chung (b)

+ Khi xây dựng kim tự tháp khá khó khăn yêu cầu lập trình điều khiển cao,

nó trượt tịnh tiến theo phương ngang, hướng phụ thuộc vao màu sân thi đấu, đồng thời

là chuyển động quay của giá giữ các khối cấu kiện quanh hai khớp bản lề và các cánh tay giữ ba khối cấu kiện ở tầng giữa thứ hai Kim tự tháp Khafraa chuyển động trượt tịnh tiến trở lại Tiếp theo sau là chuyển động tịnh tiến của các tay đẩy, đẩy lần lượt cấu kiện của mỗi tầng vào đúng vị trí ghi điểm xem Hình 2.8

- Ưu điểm:

+ Có thể đặt sẵn trên thân Robot một lúc nhiều khối cấu kiện (7 khối) tiết kiệm được thời gian đi lấy cấu kiện

+ Xây dựng Kim tự tháp nhanh, có thể xếp 1 lúc một tầng

+ Tính ổn định cao do Robot không cần chuyển động nhiều khi thực hiện công việc

+ Kết cấu đơn giản, vật liệu chế tạo dễ kiếm

+ Lập trình tương đối đơn giản

- Nhược điểm:

+ Kích thước lớn, cồng kềnh

+ Yêu cầu chính xác khi chế tạo

+ Việc tinh chỉnh thử nghiêm kỉ lưỡng

2.2.2 Lựa chọn phương án chế tạo

Từ viêc so sánh những ưu, nhược điểm ở trên và điều kiện thi công, nhóm em và các thành viên trong đội quyết định chọn phương án 3 Đây là phương án có nhiều ưu điểm, đảm bảo đầy đủ nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa Do

có cách thực hiện nhiệm vụ đơn giản nên việc lập trình và thi thiết kế mạch tương đối đơn giản

Kết cấu trượt của lớp trên so lớp dưới nhờ hai thanh trượt và bốn bánh tự lựa xem Hình 2.9 Cấu tạo bánh tự lựa như Hình 2.11

Hình 2.11: Bánh xe tự lựa

Chọn động cơ với yêu cầu mô men lớn do phải chịu tải toàn bộ thân robot và 7 khối cấu kiện, tốc độ khá nhanh, gọn, nhẹ Vì vậy đã chọn loại động cơ có hộp giảm tốc, là động cơ đảm bảo được tốc độ đều, động cơ này được đánh giá là khỏe, tốc độ đảm bảo yêu cầu, phù hợp để sử dụng, là động cơ cũ Điện áp sử dụng 24VDC, tốc độ không tải 200 rpm

Hình 2.12: Hình dáng thực tế động cơ trượt đế

b Phần ngã ra của giàn giữ cấu kiện

* Bộ phận này được thiết kế gồm cơ cấu đẩy và động cơ nhả cáp: được biểu diễn Hình 2.13:

Hình 2.13: Bộ phận ngã cấu kiện

* Thiết kế cơ cấu đẩy giá cấu kiện

Yêu cầu của cơ cấu này cần có một lực đẩy khá lớn đủ để nâng một tải trọng khoảng 15kg

Với yêu cầu trên em sử dụng lực đàn hồi của 4 lò xo, bằng phương pháp thử nghiệm đã chọn ra 2 lò xo lớn có đường kính sợi 3mm và 2 lò xo nhỏ 2mm Cấu tạo kết cấu xem Hinh 2.14

Hình 2.14: Cơ cấu đẩy

* Chọn động cơ nhả cáp

Yêu cầu động cơ này phải tự hãm tốt, tốc độ khá nhanh, chắc chắn Vì vậy chọn động cơ trục vít bánh vít, với hộp giảm tốc trục vít bánh vít nên hãm rất tốt, tốc độ không tải 140rpm

Lắp động cơ với tang cuốn nhả cáp:

Bản vẽ tang cuốn nhả cáp Hình 2.15 được chế tạo bằng phôi nhựa để đảm bảo khối lượng nhẹ, dễ gia công, rất thẩm mỹ nhưng vẩn bảo đảm được độ bền yêu cầu

của kết cấu

Trên tang và trục động cơ ta khoan lỗ phi 3.2mm đồng tâm, ta sử dụng bulong M3 chốt ngang cố định tang và trục động cơ với nhau

Hình 2.15: Tang cuốn nhả cáp

Bản vẽ lắp Hình 2.16

c Phần giá đỡ cấu kiện và cánh tay

* Tổng thể về giá đỡ cấu kiện

Giá đỡ (Hình 2.18) này gồm 2 nhôm hộp kích

thước 44mm x 76mm làm dầm chịu lực chính Các

cánh tay (thanh chọc vào lỗ của các khối cấu kiện

chính) được làm bằng nhôm kết cấu tiết diện

Hình.2.17, đựơc gắn cố định vuông góc với 2 dầm

trên Ngoài ra còn có một số chi tiết làm gân và bát

gia cường tăng độ bền vững của kết cấu

Hình 2.17: Tiết diện nhôm kết cấu Hình 2.16: Lắp động cơ và tang cuốn

* Thiết kế bộ truyền đẩy cấu kiện tầng 1

Sơ đồ chung của bộ truyền (Hình 2.19):

Hình 2.18: Bố trí chung của giá giữ cấu kiện

Hình 2.19: Cụm chi tiết của cơ cấu đẩy cấu kiện tầng 1

Yêu cầu của bộ truyền phải có momen lớn, tốc độ nhanh, gọn, nhẹ

Do đó chọn động cơ có hộp giảm tốc khỏe, tốc độ 180rpm (Hình 2.20) đồng thời sử dụng bộ truyền động xích tăng tốc với tỉ số truyền i=1/2 (số răng bánh xích dẫn Z1=24 răng, bánh bị dẫn Z2 =12 răng)

Hình 2.20: Hình dáng thực tế động cơ đẩy tầng 1

Cách lắp bánh xích vào trục truyền động và trục động cơ:

Hình 2.21: Bộ truyền đẩy cấu kiện tầng 1

Bản vẽ chi tiết bánh xích trong bộ truyền được biểu diễn trong hình dưới đây (Hình 2.22):

Trên bánh xích và trục ta khoan lỗ phi 3.2mm đồng tâm, sử dụng bulong M3 chốt ngang cố định bánh xích và trục động cơ với nhau

Hình 2.22: (a)- Bánh xích bị dẫn (tỉ lệ 2:1), (b)- Bánh dẫn(tỉ lệ 2:1)

(b) (a)

* Kết cấu trượt tịnh tiến ngang tầng 2

Yêu cầu của kết cấu này phải trượt tầng 2 sang trái hoặc phải khoảng 250mm, phải giữ vững được 3 khối cấu kiện chính trên tay, tốc độ vừa Từ đó đi đến thiết kế, chúng em sử dụng 2 thanh ray bi trượt dài 300mm để giữ và truyền động bằng bộ truyền bánh răng thanh răng, được dẫn động bằng động cơ với tốc độ 60rpm, momen khá lớn

Tổng thể của kết cấu trên Hình 2.23

Hình 2.23: Cụm kết cấu tầng 2

- Thiết kế bộ truyền động bánh răng đai răng của cơ cấu trượt ngang tầng 2:

Chọn vật liệu:

• Thanh răng trong bộ truyền này được sử dụng từ một đoạn đai răng có sẵn

do đó tiết kiệm về kinh tế và thời gian gia công chi tiết này Do đai răng có sẵn nên các thông số chế tạo bánh răng trong bộ truyền phụ thuộc vào nó

• Bánh răng được chế tạo từ phôi nhựa nhẹ, dễ gia công Kích thước của bánh răng như trên Hình 2.24, kích thước này phụ thuộc vào thanh răng

Hình 2.24: Kết cấu bộ truyền bánh răng đai răng

Lắp gá các chi tiết lên bộ truyền:

• Bánh răng được gắn vào động cơ bằng bulong M3 chốt xuyên qua bánh răng

* Bộ truyền đẩy cấu kiện tầng 2 và tầng 3

- Thiết kế tương tự bộ truyền đẩy cấu kiện tầng 1

- Bộ truyền động xích tầng 2 yêu cầu tốc độ nhanh, momen khỏe, gọn nhẹ do đó

sử dụng động cơ có hộp giảm tốc tục vít bánh vít, tốc độ 140rpm để dẫn động, với bộ truyền động hai cấp, cấp một truyền động xich có tỉ số truyền i=1/4 (số răng bánh dẫn Z1= 48 răng, số răng bánh bị dẫn Z2= 12 răng)

Bản vẽ bánh dẫn Hình 2.25

Hình 2.25: Bánh xích dẫn tầng 2(tỉ lệ 1:1)

Bản vẽ bánh bị dẫn Hình 2.22 (a)

- Bộ truyền động xích tầng 3 yêu cầu tốc độ nhanh, momen trung bình, gọn nhẹ

Do đó chọn động cơ có hộp giảm tốc, tốc độ 250rpm với tỉ số truyền của truyền động xích cấp 1: i= 1 (số răng bánh dẫn Z1= 12 răng, số răng bánh bị dẫn Z2= 12 răng) Bản vẽ bánh xích dẫn và bị dẫn Hình 2.22 (a)

2.2.4 Tính toán động học cho cơ cấu

a Cơ cấu trượt đế của robot

Hình 2.26: Mô tả chuyển động trượt đế

Ta có: Tốc độ bánh dẫn của bộ truyền động xích có tải n2= n1=150 rpm

Đường kính tang của bộ truyền sát: d = 36mm

Hệ số trượt giữa cướt và tang nhựa: k=1,5

Do đó vận tốc trượt đế:

s cm k

d n

5 , 1 60

6 , 3 150 60

.

Đường kính tang cuốn, nhả (Hình 2.15): d = 3,6 cm

Tốc độ động cơ dùng để nhả tang: n1 = 120 rpm (tốc độ động cơ khi có tải)

Do đó vận tốc kéo cơ cấu tới lui :

s cm d

n

60

6 , 3 120 60

.

=

=

=π π

c Cơ cấu trượt ngang tầng 2

Hình 2.28: Mô tả chuyển động trượt ngang tầng 2

- Đường kính vòng lăn của bánh răng: dc= 41mm= 4,1cm

- Tốc độ của động cơ khi có tải: n1=50rpm

Ta tính được vận tốc chuyển động của tầng 2 theo công thức dưới đây:

d Cơ cấu đẩy cấu kiện

* Tầng 1

- Đường kính tang nhựa truyền động cấp 2: d=30mm=3cm

- Tốc độ của động cơ khi không có tải: n01=180rpm

- Tốc độ động cơ khi có tải: n1=130rpm

- Tốc độ của tang nhựa: n2=n1’=n1/i= 130 2= 260rpm

- Hệ số trượt giữa cướt và tang nhựa: k=1,2 (trong cơ cấu này được căng cước thường xuyên)

Vậy tốc độ đẩy cấu kiện được tính theo công thức sau:

* Tầng 2

- Đường kính tang nhựa truyền động cấp 2: d=18mm=1,8cm

- Tốc độ động cơ khi có tải: n1=140rpm

- Tốc độ của tang nhựa: n2=n1’=n1/i= 140 4= 560rpm

s cm k

d n

2,1.60

3.260 60

s cm d

n

60

1,4.50.60

1