Đồ án thiết kế, chế tạo robot tham gia cuộc thi ROBOCON 2010 robot khafraa 1, phần mạch và lập trình điều khiển

+ 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.. - Robot xây dựng Kim tự tháp Mankauraa phải theo m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TR ANG

Lớp: 47 CKCD

Nha Trang, 2010

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 PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Thầy ThS 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

Sinh viên Nguyễn Ái Hạnh

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án Trang

LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu chung về Robocon 2

1.1.1 Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot 2

1.1.2 Sơ đồ cấu trúc của Robot 2

1.1.3 Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 2

a Giới thiệu về chủ đề 2

b Khái quát về luật thi 3

c Cách tính điểm 4

1.2 Giới thiệu cơ sở lý thuyết 5

1.2.1 Phần cơ khí 5

a Sơ lược một số lý thuyết 5

b Giới thiệu nguyên vật liệu, thiết bị 7

1.2.2 Phần điện 11

a Các phần tử logic cơ bản 11

b Lý thuyết sơ lược Vi điều khiển AVR 15

c Giới thiệu cảm biến do tốc độ 18

d Giới thiệu linh kiện khác 19

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 26

2.1 Phương pháp nghiên cứu 27

2.2 Nội dung nghiên cứu 28

2.2.1 Xây dựng phương án 28

a Nhiệm vụ của Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Khafraa 28

b Xây dựng phương án 28

2.2.2 Lựa chọn phương án chế tạo .33

2.2.3 Thiết kế phần cơ khí 34

a Phần đế Robot tự động 34

b Phần ngã ra của giàn giữ cấu kiện 36

c Phần giá đỡ cấu kiện và cánh tay 38

2.2.4 Tính toán động học cho cơ cấu 45

a Cơ cấu trượt đế của robot 45

b Cơ cấu ngả cấu kiện 45

c Cơ cấu trượt ngang tầng 2 46

d Cơ cấu đẩy cấu kiện 46

2.2.5 Thiết kế phần điện 47

a Nguồn điện sử dụng cho Robot 47

b Khối điều khiển 47

c Khối công tắc, nút nhấn 51

d Khối cách ly và đệm 52

e Khối công suất 54

2.2.6 Thiết kế phần mềm 56

a Lưu đồ thuật toán chương trình chính (main) 56

b Lưu đồ thuật toán các chương trình con 57

Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 68

3.1 Thử nghiệm 69

3.2 Phân tích lỗi và phương pháp sửa chửa và khắc phục các lổi 69

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 71

4.1 Kết luận 72

4.2 Đề xuất 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC A: 74

PHỤ LỤC B: 76

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: Hình dáng một vài loại bánh xe robot

4 Hình 1.4: Mô tả hoạt động của động cơ điện một chiều

6 Hình 1.6: Đông cơ trục vít bánh vít

7 Hình 1.7: Một số loại động cơ khác

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 1.14: Biểu diển điện trở

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

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

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

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

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

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

31 Hình 2.7 : Cách bố trí Robot trên sân

37 Hình 2.13: Bộ phận ngã cấu kiện

38 Hình 2.14: Cơ cấu đẩy

39 Hình 2.15: Tang cuốn nhả cáp

40 Hình 2.16: Lắp động cơ và tang cuốn

41 Hình 2.17: Tiết diện nhôm kết cấu

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

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

50 Hình 2.26: Mô tả chuyển động trượt đế

51 Hình 2.27: Mô tả chuyển động ngã cấu kiện

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

53 Hình 2.29: Sơ đồ nối acqui

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

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

56 Hình 2.32: Sơ đồ nguyên lý ATmega32

57 Hình 2.33: Sơ đồ layout ATmega32

58 Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý của AT90S2313

59 Hình 2.35: Mạch layout AT90S2313

60 Hình 2.36: Khối công tắc

61 Hình 2.37: Mạch cách ly sử dụng opto PC817

62 Hình 2.38: Sơ đồ IC đệm ULN2803

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

64 Hình 2.40: Mạch layout nguồn công suất

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

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

67 Hình 3.1: Hình ảnh tổng thể của Robot tự động

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

Bài báo cáo gồm có các chương sau:

- Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

- Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Chương 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH

- Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Sau một thời gian tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công, được sự hướng dẫn tận tình của Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhận và Thầy Đỗ Quốc Chí, cùng quý Thầy trong Bộ môn Cơ điện tử và của Khoa Cơ khí, em đã hoàn thành đề tài trong thời gian đặt ra

Em xin chân thành cảm ơn Quý thầy đã giúp đỡ 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 giúp đỡ để Đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện Nguyễn Ái Hạnh

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

Công tắc hành trình

đường

Cảm biến khác LED

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 Khafraa

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

“Robo-Pharaoh” thì phần thắng sẽ thuộc về đội có số điểm cao hơn

- 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 Sơ lược một số lý thuyết

* Khâu và tiết máy

- Tiết máy: là phần nhỏ nhất không thể tháo rời được nữa củacơ cấu hay máy

- Khâu: là những bộ phận có chuyển động tương đối với nhau trong cơ cấu hay

máy Khâu có thể là một hoặc nhiều chi tiết máy hợp thành được ghép cứng lại với nhau

* Bậc tự do và khớp động

- Bậc tự do: Bậc tự do là số tối đa các khả năng chuyển động tương đối độc lập

Nếu xét n khâu để rời nhau trong không gian thì số bậc tự do tương đối đối với một khâu nào đó của tất cả các khâu còn lại sẽ tăng theo tỉ lệ thuận với số khâu được xét

Trong không gian: bậc tự do là 6(n-1)

Trong mặt phẳng: bậc tự do là 3(n-1)

- Khớp động: Khi nối động 2 khâu thì chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu gọi là thành

phần khớp động Khớp động được phân loại theo 2 cách sau:

Truyền động bánh ma sát thực hiện truyền công suất giữa các trục nhờ lực

ma sát sinh ra tại chỗ tiếp xúc của các bánh lắp trên trục dẫn và trục bị dẫn để tạo lực ma sát cần tác dụng lực ép các bánh lại với nhau

+ Ưu, nhược điểm và phạm vi sử dụng:

Ưu điểm: Bánh ma sát có cấu tạo đơn giản

Làm việc êm không ồn

Có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ

Nhược điểm: Lực tác dụng lên trục và ổ trục khá lớn

Tỉ số truyền không ổn định

Khả năng tải tương đối thấp

Phạm vi sử dụng: Vì có những đặc điểm trên, nên truyền động bánh

ma sát thường chỉ để truyền công suất nhỏ hoặc trung bình (dưới 20Kw), nếu truyền công suất lớn thì kích thước bộ truyền khá lớn và khó đảm bảo lực ép cần thiết giữa các bánh Truyền bánh ma sát thường được dùng trong các thiết bị rèn, ép, cần trục, máy vận truyển, các dụng cụ đo

- Truyền động bánh răng: Bộ truyền này thực hiện truyền chuyển động và tải

trọng nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng Truyền động bánh răng được

phân loại theo đặc điểm hình học và chức năng

Theo vị trí tương đối giữa các trục, có các loại truyền động bánh răng trụ, truyền động bánh răng côn, truyền động bánh răng hypecbôlôit

Theo tính chất di động của các tâm bộ truyền, ta có truyền động bánh răng bình thường, truyền động bánh răng hành tinh

Theo phương của răng người ta chia ra truyền động bánh răng thẳng, truyền

động bánh răng nghiêng

Người ta cũng chia ra bộ truyền động bánh răng ăn khớp ngoài và bộ truyền

động bánh răng ăn khớp trong

+ Ưu nhược điểm của bộ truyền động bánh răng:

Ưu điểm: Kích thứơc nhỏ gọn, khả năng tải lớn, tỉ số truyền không

thay đổi, hiệu suất cao có thể đạt 0,97- 0,99 Tuổi thọ làm việc cao, làm việc tin cậy

Nhược điểm: Chế tạo tương đối phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, có

nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn

- Truyền động trục vít:

Bộ truyền động trục vít gồm trục vít có mối ren Z1 = 1/4 Và bánh vít có số

răng khá lớn (Z2 >=28) được dùng để truyền chuyển động giữa hai trục chéo nhau, góc giữa 2 trục thường là 90 độ

+ Ưu, nhược điểm của bộ truyền động trục vit bánh vít

Ưu điểm: Tỉ số truyền lớn, làm việc êm và không ồn, có khả năng tự

hãm tốt

Nhược điểm: Hiệu suất thấp, nhiệt sinh nhiều nên thường phải dùng

các biện pháp làm mát Cần dùng vật liệu giảm ma sát để làm bánh vít nên

giá thành đắt

- Truyền động xích: Xích là một chuỗi các mắt xích nối với nhau bằng bản lề

xích truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn sang trục bị dẫn nhờ sự ăn khớp của các mắt xích với các răng bánh xích

+ Ưu nhược điểm của bộ truyền động xích:

Ưu điểm: Có thể truyền chuyển động giữa các trục cách nhau tương

đối xa, so với truyền động đai kích thước tương đối nhỏ Làm việc không trượt hiệu suất cao và lực tác dụng lên trục tương đối nhỏ Có thể cùng lúc truyền công suất cho nhiều trục

Nhược điểm: Có nhiều tiếng ồn khi làm vệc, vận tốc tức thời của xích

và bánh xích bị dẫn không ổn định, chóng mòn nhất là khi làm việc nơi nhiều bụi Yêu cầu bôi trơn thường xuyên

- Truyền động đai: Bộ truyền động đai thừơng bao gồm hai bánh đai, bánh dẫn 1

và bánh bị dẫn 2, vòng đai 3 mắc căng trên hai bánh đai nhờ bộ phận căng đai 4

+ Phân loại: Theo hình dạng tiết diện đai được chia làm 4 loại Đai dẹt có tiết diện hình chữ nhật, đai thang có tiết diện hình thang, đai hình lược và đai hình tròn

+ Ưu nhược điểm Bộ truyền động đai:

Ưu điểm: có thể truyền chuyển động giữa các trục cách nhau tương

đối xa nhau, làm việc êm, không ồn giữ được an toàn cho các chi tiết khác khi quá tải, kết cấu đơn giản, giá thành rẻ

Nhược điểm: Khuôn khổ kích thước khá lớn, tỉ số truyền không ổn

định, lực tác dụng lên trục và ổ trục lớn, tuổi thọ thấp

b Giới thiệu nguyên vật liệu, thiết bị

 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

số vị trí chịu lực

- Các loại vật liệu khác như Inox, phíp, mika, gỗ, ,củng được sử dụng trong chế

tạo robot

 Thiết bị

* Bánh xe:

Có nhiều loại bánh xe được chế tạo bằng nhôm, nhựa, , truyền động trực tiếp từ động cơ có hộp giảm tốc hay thông qua bộ truyền động đai Kích thước bánh phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng mà có thể tự gia công (bằng phương pháp tiện) hoặc có bán sẳn trên thị trường Dưới đây là hình dáng một số loại bánh có sẳn trên thị trường

Hình 1.3: 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:

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

Phần cảm (phần kích từ- thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi

có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rotor, làm cho rotor quay

Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I Dòng điện phần ứng được đưa vào rotor thông qua hệ thống chổi than và cổ góp Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo ra mômen theo một chiều nhất định) Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:

I = (V Nguon − VPhanDienDong) / RPhanUng

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 1.5 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: Động cơ Hàn Quốc

+ Động cơ Hình 1.6 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

Mạch điện tử thực hiện quan hệ logic:

Gọi là mạch logic, trong đó các biến số A,B là các đầu vào và hàm số Y

là các đầu ra Một mạch logic diễn tả quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra, nghĩa

là thực hiện được một hàm logic Do đó có bao nhiêu hàm logic thì có bấy nhiêu mạch logic

Lưu Ý rằng khi biểu diễn mối quan hệ toán học ta gọi là hàm số logic còn khi biểu diễn mối quan hệ về mạch tín hiệu ta gọi là cổng logic

* Cổng logic HOẶC (OR):

Hàm số OR của 2 biến A,B được định nghĩa ở bảng sự thật sau:

Đầu ra Y là 1 khi có ít nhất một biến là 1, do đó chỉ bằng 0 ở trường hợp khi cả hai biến số bằng 0

Ký hiệu toán học của cổng logic hoặc:

* Cổng logic ĐẢO (NOT):

Hàm AND và hàm OR tác động lên hai hay nhiều biến số trong khi đó, hàm NOT có thể xem như chỉ có thể tác động đến một bién số

Xét trường hợp có hai biến số A,B đầu ra ở cổng AND Y= A.B nên đầu

ra ở cổng NAND là đảo củaY: Y’= A.B

Về hoạt động của cổng NAND thì từ các tổ hợp của A, B ta lập bảng trạng thái rồi lấy đảo để có ay đảo tuy nhiên có thể trực tiếp bằng cách lập bảng sự thật sau:

 Biến đổi hàm quan hệ ra hàm logic NAND, NOR:

Mối quan hệ cơ bản giữa ba cổng AND, OR, NOT không những có thể thay bằng các cổng NAND mà còn có thể biến thành cổng NOR với cùng một chức năng logic, việc làm này thường được áp dụng khi thực hiện các mạch logic trong thực tế,

vì toàn bộ sơ đồ nếu được kết hợp cùng một loại cổng duy nhất thì sẽ giảm được số lượng vi mạch cần thiết Quá trình biến đổi này dựa trên một nguyên tắc được trình bày như sau :

- Cổng NOT được thay bằng cổng NAND và cổng NOR

+ Dựa vào bảng sự thật của cổng NAND suy ra trường hợp là khi cả A,

B đồng thời bằng 0 thì Y’= 1, và khi A=1, B= 1 thì Y’= 0

Sơ đồ minh họa:

+ Dựa vào bảng sự thật của cổng NOR suy ra:

A= 1, B= 1  Y’= 0

Sơ đồ minh hoạ:

- Cổng AND được thay thế bằng cổng NAND và cổng NOR Tương tự như các trường hợp trên, dựa vào bảng sự thật:

+ Đầu ra của cổng AND: Y= A.B, còn cổng NAND: Y'= A.B Y'= Y

Sơ đồ minh họa:

+ Đầu ra của cổng NOR: Y'= A+ B

Ta có Y= A B = A+ B

Sơ đồ minh họa:

- Cổng OR được thay thế bằng cổng NAND và cổng NOR

+ Y= A+ B = A+ B

b Lý thuyết sơ lược 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

A

+ Một bộ so sánh analog

+ Ba kênh băm xung PWM + Hai bộ timer/counter 8 bits, 1 bộ timer/counter1 16 bits + Một bộ định thời Watchdog

+ Một bộ truyền nhận UART lập trình được + Giao thức SPI đồng bộ

+ Một bộ so sánh analog + Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv + Điện áp hoạt động từ 2,7 – 5,5 V

Hình 1.9: Sơ đồ khối của ATmega32

* Vi điều khiển AT90S2313

Vi điều khiển này cũng thuộc họ AVR, có sơ đồ chân Hình 1.10

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

+ Bộ nhớ Flash 2K + Bộ nhớ SRAM 128 Byte + Bộ nhớ EEPROM 128 Byte + Một bộ Timer/Counter 8 bit + Một bộ Timer/Counter 16 bit + Một bộ so sánh analog

+ Một bộ định thời Watchdog + Giao thức SPI đồng bộ + 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

c Giới thiệu cảm biến đo 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 1.12 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 1.13 là cấu tạo và biểu đồ xung của một encoder quang tuyệt đối

d Giới thiệu linh kiện khác

 Điện trở

- Mô tả: Điện trở là linh kiện được sử dụng nhiều nhất trong các mạch điện tử

điện trở có tác dụng hạn chế dòng điện mục đích của việc sử dụng điện trở là tạo ra một dòng điện hoặc điện áp xác định Về công suất có thể chia điện trở thành 2 loại, điện trở công suất nhỏ và điện trở công suất lớn

Ký hiệu điện trở trong mạch điện tử như sau:

- Cách đọc giá trị điện trở: Giá trị của điện trở được vẽ trên thân điện trở Đối

với điện trở 4 vạch mầu thì 3 vạch đầu tiên biểu thị giá trị của điện trở, vạch thứ 4 là sai số của điện trở thể hiện trong bảng sau:

Hình 1.14: Biểu diển điện trở

 Đối với điện trở 4 mầu: 3vạch giá trị thì 2 vạch đầu đọc là số , vạch thứ 3 là vạch mũ Giá trị điện trở bằng: 2 vạch x 10 mũ vạch 3 vạch thứ 4 là sai số

 Đối với điện trở 5 vạch và 6 vạch: 3 vạch đầu đọc liền nhau là giá trị điện trở, vạch thứ 4 là mũ, vạch thứ 5 là sai số giá trị của điện trở bằng: 3 vạch x 10

mũ vạch 4 vạch 5 là sai số

 Đối với điện trở dán giá trị điện trở băng: 2 số đầu x 10 mũ số thứ 3

Hình 1.15: Đọc giá trị điện trở

 Đối với điện trở nhỏ hơn 10 Ohm:

giá trị của điện trở bằng: vạch 1+ vạch 2 chia cho 10 mũ vạch 3

Vạch 3: đen=0; vàg=1; bạc=2;

Ví dụ:

 Biến trở

Ngoài các điện trở có giá trị không thay đổi như trên còn có một số loại điện trở

có thể thay đổi được theo một số điều kiện nào đó

 Quang trở là điện trở có giá trị thay đổi theo cường độ sáng chiếu vào

Hình 1.16: Quang trở

 biến trở nhiệt: có điện trở thay đổi theo nhiệt độ

 Loại biến trở ta hay gặp nhất là loại biến trở chúng ta có thể thay đổi bằng cách xoay vít

Hình 1.17: Biến trở

 Tụ điện

- Mô tả: Tụ điện là linh kiện cũng được dùng phổ biến như điện trở Sự khác

nhau giữa tụ điện và điện trở là sự cản trở của tụ điện phụ thuộc vào tần số điện áp

Đặc trưng cho tính cản trở của tụ là dung kháng Tính theo công thức sau:

f: tần số điện áp-Hz C: giá trị điện dung-Fara

Ký hiệu của tụ điện:

Tụ điện phân cực và không phân cực

Sự khác nhau giữ tụ phân cực và không phân cực: tụ không phân cực thì 2 cực của tụ có vai trò như nhau, giá trị của tụ không phân cực thường nhỏ (picro Fara) Tụ phân cực thì có 2 cực tính dương và âm không thể dùng lẫn lộn Giá trị của tụ phân cực thường lớn 0,1 đến hàng ngàn uF(Micro Fara)

- Cách đọc giá trị của tụ điện: Tụ không phân cực, phổ biến là tụ gốm (tụ đất),

đọc giống như điện trở đơn vị là pF Tụ phân cực (tụ hóa) giá trị và cực tính gi trên tụ

- Mô tả: diode được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau Diode có 2 cực

anốt và katốt Nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều từ anốt sang katốt Nó được dùng như van một chiều trong mạch điện

Kí hiệu Diode:

- Phân loại:

Theo chức năng có một số loại diode thường gặp:

+ Diode phát quang (Led) có khả năng phát sáng khi có dòng điện chạy qua

+ Diode zener: dùng để ổn định điện áp hoạt động ở chế độ phân cực ngược(KA)

+ photo diode: Diode thông khi có đủ cường độ ánh sáng chiếu vào

* Khi điot thông thì

 Transitor

- Mô tả: transitor được cấu tạo từ 3 lớp bán dẫn tiếp xúc nhau Nó được sử dụng

tong mạch điện tử với vai trò như là một khóa điện tử hay là linh kiện khuyếch đại

- Phân loại: Theo nguyên lý hoạt động có thể chia transitor làm các loại sau:

 Transitor lưỡng cực: gồm 2 loại PNP(ngược) và NPN(thuận) Có 3 cực là B(Bazơ), C(Colectơ), E(Emitơ) Trong đó cực điều khiển là cực B

 ULN 2803: Dùng để đệm dòng cho các phần tử công suất

Hình 1.21: Linh kiện ULN2803

 IRF 540: Dùng để điều chỉnh dòng, điều khiển tốc độ động cơ

Hình1.22: Linh kiện IRF540

 Rơ le: Rơ le là một thiết bị điện dùng đóng cắt dống như công tắc Dùng để đảo chiều động cơ

Cấu tạo và kí hiệu của rơle:

+ rơ le nhiệt: đóng ngắt bằng nhiệt

+ rơ le thời gian: sau một khoảng thời gian rơle đóng, cắt

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

Móng Kim tự

Vùng đỉnh

(a)

Vùng xếp cấu kiện

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

Hình 2.8: Phương án 3

Xuất phát X1

Vùng chứa cấu kiện X

Xuất phát X2

Kim tự tháp Khafraa

- 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