thiết kế, chế tạo robot theo chủ đề và luật thi robocon 2010 robot khafraa 2, phần cơ khí

- 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 giữa thứ 1 1st middle layer.. Hình 1.3: Kim tự tháp Khufu

KHOA CƠ KHÍ -ooo -

PHAN QUỐC HUY

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT THEO CHỦ

ĐỀ VÀ LUẬT THI ROBOCON 2010

KHOA CƠ KHÍ -

PHAN QUỐC HUY

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT THEO CHỦ

ĐỀ VÀ LUẬT THI ROBOCON 2010

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS : NGUYỄN VĂN NHẬN

KS : ĐỖ QUỐC CHÍ

Nha Trang, Ngày 12 tháng 06 năm 2010

Họ tên: Phan Quốc Huy Lớp: 48CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ Cơ điện tử Mã ngành:

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot tham gia Robocon 2010

Số trang……… Số chương……… Tài liệu tham khảo

Hiện vật:

Nhận xét

Kết luận:

Nha trang, ngày… tháng … năm…

Cán bộ hướng dẫn

(Kí và ghi rõ họ tên)

Họ tên: Phan Quốc Huy Lớp: 48CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ Cơ điện tử Mã ngành:

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot tham gia Robocon 2010

Số trang……… Số chương……… Tài liệu tham khảo

Hiện vật:

Nhận xét

Kết luận:

Điểm phản biện

Điểm chung

Nha trang, ngày… tháng … năm…

Cán bộ phản biện

(Kí và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm …

Chủ tịch hội đồng

(Kí và ghi rõ họ tên)

Cứ sau mỗi chặng đường đi qua, chúng ta lại thấy được mình lớn hơn và vững vàng hơn nhiều trong kiến thức cũng như năng lực Chặng đường vừa qua là chặng đường bốn năm đầy thử thách dưới mái trường Đại học Nha Trang Nơi đây đã không chỉ đơn giản cung cấp cho chúng ta kiến thức khoa học kĩ thuật mà quý hơn cả là đã nhóm lên cho chúng ta ngọn lửa yêu khoa học và rèn luyện cho chúng ta một nghị lực, bản lĩnh

để làm hành trang cho mỗi chúng ta bước vào đời

Xin mãi ghi nhớ công ơn của tất cả Quý thầy cô đã dìu dắt chúng ta từ buổi học vỡ lòng cho đến ngày hôm nay

Kính lời cảm ơn thầy cô của Khoa, đã dành nhiều tình cảm tốt đẹp đối với chúng

em và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em học tập tốt

Gửi đến thầy Nguyễn Văn Nhận, thầy Vũ Thăng Long, thầy Nguyễn Văn Định, thầy Trần Văn Hùng, thầy Đỗ Quốc Chí lời ghi ơn vô vàn, người đã trực tiếp theo sát, tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đề tài

Gửi đến Quý thầy trong Bộ môn Cơ điện tử đã giúp đỡ, hướng dẫn, dạy chúng em trong suốt quá trình học vừa qua

Bên cạnh đó, gia đình là nguồn động lực to lớn về tinh thần lẫn vật chất giúp chúng

ta bước đi trên con đường đã chọn Xin cảm ơn ba mẹ và tất cả những người thân đã động viên về mọi mặt trong suốt quá trình học tập

Sau cùng, xin cảm ơn chân thành đến tất cả các bạn trong lớp về sự giúp đỡ và những ý kiến đóng góp của tất cả các bạn trong suốt quá trình làm đề tài

Sinh viên thực hiện

Phan Quốc Huy

Hình 1.1: Sơ đồ chung của Robot

Hình 1.2: Sân thi đấu

Hình 1.25: Sơ đồ khối timer 8 bits

Hình 1.26: Sơ đồ khối timer 16 bits

Hình 1.29: Sơ đồ thời gian của chế độ Phase corect PWM

Hình 1.30: Sơ đồ chân của AT90S2313

Hình 1.31: Hình dáng và cấu tạo bên trong encoder

Hình 1.32: Tín hiệu đầu ra của Encoder

Hình 1.33: Cấu tạo và biểu đồ xung của một encoder quang tương tự 16 bits Hình 1.34: Sơ đồ nguyên lý của một loại photoelectric switch

Hình 1.35: Hình ảnh thực tế của một loại photoelectric switch

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

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

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

Hình 2.5: Bản vẽ bố trí chung (a), bản vẽ cách đặt cấu kiện (b)

Hình 2.6: Bản vẽ cách đặt cấu kiện (a), bản vẽ bố trí chung (b)

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 5V

Hình 2.16: Sơ đồ layout mạch tạo nguồn 5V

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý ATmega32

Hình 2.18: Sơ đồ layout

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý của AT90S2313

Hình 2.22 : Mạch cách ly sử dụng opto PC817 Hình 2.23 :Sơ đồ IC đệm ULN2803

Hình 2.24: Mạch đóng mở và đảo chiều một động cơ Hình 2.25: Hình ảnh thực tế của mạch điện

Hình 3.1: Hình ảnh thực tế của Robot

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Giới thiệu cuộc thi sáng tạo Robot 3

1.2 Sơ đồ cấu trúc của một Robot 3

1.3 Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010 4

1.3.1 Giới thiệu về chủ đề 4

1.3.2 Khái quát về luật thi 4

1.3.3 Quy định cho trận đấu 6

1.3.4 Thiết lập robot 8

1.3.5 Cách tính điểm 10

1.4 Cơ sở lý thuyết 11

1.4.1 Phần cơ khí 11

1.4.2 Phần điện 19

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 31

2.1 Phương pháp nghiên cứu 32

2.2 Nội dung nghiên cứu 33

2.2.1 Xây dựng phương án 33

2.2.2 Lựa chọn phương án chế tạo 40

2.2.3 Thiết kế phần cơ khí 40

2.2.4 Thiết kế phần điện 46

2.2.5 Phần mạch điện 46

a Khối mạch Vi điều khiển 46

b Khối mạch công suất 52

c Sơ đồ mạch đầy đủ 55

2.3 Sơ đồ giải thuật lập trình 57

2.3.1 Chương trình chính 57

2.3.2 Chương trình retry 58

2.3.3 Chương trình tính giá trị trung bình mắt dò đường 59

2.3.4 Chương trình chạy thẳng 61

2.3.5 Chương trình chỉnh vạch 63

2.3.6 Chương trình nhận nút nhấn dùng 74148 65

2.3.7 Chương trình đếm vạch 66

2.3.8 Chương trình chạy thẳng từ khu xuất phát đến kim tượng tháp 68

2.3.9 Chương trình chỉnh quà tầng 1 …71

2.3.10 Chương trình đặt quà đỉnh 73

2.3.11 Kiểm tra quà đỉnh đã đặt đúng vị trí chưa và xử lí 75

2.3.12 Chương trình phương án 1 78

Chương 3 THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 83

3.2.2 Cách khắc phục 85

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 86

4.1 Kết luận 87

4.2 Đề xuất 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

LỜI NÓI ĐẦU

Với việc phát minh ra các loại máy móc thì lao động chân tay của con người ngày càng hạn chế, thay vào đó con người chỉ chế tạo và điều khiển các máy móc để thực hiện công việc của mình Tuy nhiên với các loại máy móc thông thường thì độ chính xác không cao, phụ thuộc nhiều vào người điều khiển Vì vậy, con người đã phát minh

ra robot tự động, robot tự động sẽ là lao động chính trong tương lai, và là hướng phát triển của các ngành công nghiệp trong thời đại ngày nay

Đối với sinh viên ngành Cơ điện tử để làm quen với robot thì robocon là một sân chơi bổ ích, tham gia robocon để có thể áp dụng tất cả các kiến thức mình đã học cả về

cơ khí, mạch điện và lập trình mới có thể hoàn thành một robot, thông qua sân chơi này sinh viên được giao lưu học hỏi các sinh viên trường khác để hoàn thiện các kiến thức mình đã được học trong bốn năm đại học Và chính vì lý do đó nhóm chúng em được

nhận đề tài tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo Robot theo chủ đề và luật thi robocon

2010” dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Nhận, thầy Vũ Thăng Long, thầy

Nguyễn Văn Định, thầy Trần Văn Hùng và thầy Đỗ Quốc Chí

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đồ án do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được sự góp

ý của Quý thầy, để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp và nhiệm vụ học tập tại trường

Nha Trang, ngày 12 tháng 6 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Lê Minh Vương

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

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 đã đạt được rất nhiều thành công từ những kỳ thì này

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

1.2 Sơ đồ cấu trúc của một Robot

Hình 1.1: Sơ đồ chung của Robot

Đối tượng

Nút nhấn

Start

Bộ điều khiển trung tâm

Cơ cấu chấp hành

1.3 Chủ đề và luật thi Robocon năm 2010

1.3.1 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 3 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

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 7 Kỳ quan của thế giới cổ đại

1.3.2 Khái quát về luật thi

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

Hình 1.2: Sân thi đấu

Khufu Khafara

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

- 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 giữa thứ 1 (1st middle layer)

• 3 khối cấu kiện ở tầng giữa thứ 2 (2nd middle layer)

• 1 khối cấu kiện ở tầng giữa thứ 3 (3rd middle layer)

• 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh

Hình 1.3: Kim tự tháp Khufu

- Thứ hai là Kim tự tháp Khafra sẽ do một hoặc hai Robot tự động trong thời gian

60 giây xây dựng:

• 3 khối cấu kiện ở tầng giữa thứ 1 (1st middle layer)

• 3 khối cấu kiện ở tầng giữa thứ 2 (2nd middle layer)

• 1 khối cấu kiện ở tầng giữa thứ 3 (3rd middle layer)

• 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh

Hình 1.4: Kim tự tháp Khafra

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

• 1 khối cấu kiện ở tầng giữa

• 1 khối cấu kiện vàng ở đỉnh

Robot này phải xây dựng theo một trình tự sau trước khi cánh tay Robot chạm vào khối đỉnh phải hoàn thành tầng dưới của Kim tự tháp Mankaura

Hình 1.5: Kim tự tháp Mankaura

Đội nào hoàn thành việc xây dựng 3 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

1.3.3 Quy định cho trận đấu

 Mỗi trận đấu kéo dài 3 phút

 Mỗi trận đấu được chia thành 3 giai đoạn

 Robot điều khiển bằng tay có thể được nạp (trước khi bắt đầu trận đấu) tối đa là

4 khối cấu kiện

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

 Mỗi giai đoạn được dành để xây dựng một Kim tự tháp

 Chỉ có một robot bằng tay được phép sử dụng

 Số lượng các robot tự động được phép sử dụng là 1÷3 robot

 Giai đoạn đầu tiên chỉ sử dụng Robot bằng tay để xây dựng Kim tự tháp Khufu

 Giai đoạn thứ hai là để xây dựng các bộ phận trong Kim tự tháp Khafra bằng một hoặc hai Robot tự động

 Giai đoạn thứ ba là xây dựng các bộ phận trong Kim tự tháp Mankaura bằng một Robot tự động

 Bảng sau đây cho thấy ba giai đoạn và thời gian

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Mỗi giai đoạn kết thúc trong các trường hợp sau đây:

 Một đội đặt được khối đỉnh Vàng sau khi xây dựng xong các tầng phía dưới Trong trường hợp này, đội còn lại phải dừng ngay việc xếp cấu kiện trong giai đoạn

đó và cả hai đội chuyển sang giai đoạn kế tiếp Thời gian còn lại được bổ sung vào giai đoạn kế tiếp

 Một tiếng bíp sẽ được vang lên để thông báo đã hết thời gian của một giai đoạn

 Nếu một giai đoạn kết thúc trước thời gian quy định, trọng tài sẽ giương cờ và

một tiếng bíp đặc biệt được phát ra để thông báo kết thúc giai đoạn này

 Giai đoạn tiếp theo sẽ được bắt đầu bằng tiếng bíp bình thường theo mục 5.9.2

 Đối với các Robot điều khiển bằng tay: Khi một đội hoàn chỉnh xong một tầng,

trọng tài sẽ cho phép đội này bắt đầu xây dựng các tầng tiếp theo bằng cách giương cao

lá cờ Nếu không, việc xây dựng các lớp tiếp theo là không được phép

 Một tiếng bíp cất lên để báo khi kết thúc một giai đoạn và bắt đầu giai đoạn tiếp theo nếu còn

 Các Kim tự tháp phải được xây lần lượt từ tầng này đến tầng khác, có nghĩa là trước khi đặt tất cả các khối cấu kiện của một tầng vào đúng vị trí (trong phạm vi sai số cho phép là 25mm) thì không được phép đặt cấu kiện lên bất kì tầng nào phía trên

 Việc xây hai tầng của kim tự tháp cùng một lúc là không được phép:

 Trọng tài sẽ không can thiệp nếu robot của các đội đặt cấu kiện sai luật hoặc sai vị trí (nằm ngoài phạm vi sai số cho phép 25mm) Trong trường hợp đó các đội có thể xin retry Tuy nhiên, đối với khối cấu kiện Vàng các trọng tài sẽ bỏ nó xuống trong hai trường hợp sau:

 Khi tất cả các khối cấu kiện ở một tầng nào đó bị đặt sai luật hoặc nằm ngoài phạm vi sai số cho phép

 Khi khối cấu kiện Vàng được đặt theo cách mà không được tính điểm số Trong những trường hợp trên đội chơi được phép retry

 Trong trường hợp tất cả các khối cấu kiện ở một tầng nào đó được đặt đúng luật

và đúng vị trí (trong phạm vi sai số 25 mm), trọng tài sẽ giương cờ để báo tầng đó được hoàn thành

 Không chỉ không có điểm cho những khối cấu kiện ở vị trí không chính xác (ngoài phạm vi sai số cho phép 25mm) mà trong trường hợp này, ngay cả những khối cấu kiện ở tất cả các tầng trên nó, dù có nằm đúng vị trí hay không, cũng đều không được tính điểm

1.3.4 Thiết lập robot

 Có hai phút để các đội thiết lập cho tất cả các robot trước khi bắt đầu mỗi trận đấu Điều này bao gồm nạp sẵn (để cấu kiện vào robot) và sắp xếp các khối cấu kiện trong kho

 Mỗi đội có ba thành viên có thể tham gia vào các thiết lập robot

 Nếu một đội không hoàn tất thiết lập robot trong hai phút thì có thể tiếp tục công việc đó khi mà trận đấu được bắt đầu

 Trong một trận đấu:

 Một thành viên trong đội có trách nhiệm khởi động và điều khiển Robot bằng tay

 Người điều khiển Robot bằng tay có thể di chuyển tự do trong vùng điều khiển bằng tay, với một bộ điều khiển trong tay trong suốt quá trình xây dựng Khufu

 Người điều khiển Robot bằng tay phải rời khỏi khu vực chơi sau khi tắt và

để Robot bằng tay tại bất cứ nơi nào trong vùng điều khiển bằng tay

 Nếu hai Robot tự động được sử dụng (đối với việc xây dựng Khafra), chúng phải được khởi động bằng tay tại hoặc sau thời điểm có tín hiệu bắt đầu thời gian xây dựng Khafra (Kim tự tháp thứ hai)

 Nếu hai Robot tự động được sử dụng (đối với việc xây dựng Khafra), chúng phải được tắt bằng tay tại hoặc ngay sau khi tiếng bíp báo hiệu kết thúc

 Sau khi khởi động robot, thành viên trong đội mà thực hiện công việc này phải ngay lập tức rời khỏi Sân thi đấu

 Robot tự động xây dựng Kim tự tháp Mankaura, có thể được khởi động

 Với mỗi khối cấu kiện thường, trong trường hợp vượt quá sai số cho phép

sẽ không được tính điểm

 Với khối cấu kiện vàng: nếu vượt quá sai số cho phép thì chỉ được tính một nửa số điểm

 Mọi khối cấu kiện, kể cả khối Vàng nếu đặt không theo phương nằm ngang thì sẽ không được tính điểm

 Chi tiết về luật chơi – sân đấu tham khảo tại website:

http://robocon2010.vtv.gov.vn

<Sân thi đấu xem phụ lục>

- Kim tự tháp Khufu (22 điểm)

 1 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng thứ nhất

 2 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng thứ hai

 3 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng thứ ba

 10 điểm cho khối đỉnh tháp vàng

- Kim Tự Tháp Khafra (44 điểm)

 2 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng thứ nhất

 4 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng thứ hai

 6 điểm cho mỗi khối cấu kiện ở tầng thứ ba

 20 điểm cho khối đỉnh tháp vàng

- Kim tự tháp Mankaura (24 điểm)

 4 điểm giành cho một khối cấu kiện tại lớp giữa

 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

1.4 Cơ sở lý thuyết

1.4.1 Phần cơ khí

a Giới thiệu dụng cụ cơ khí chính

 Ê-tô

- Cách sử dụng: Bộ phận gá chi tiết gia công gồm

2 thành kẹp 2 bên, có khả năng thay đổi khoảng

cách bằng cách quay trục vít có tay cầm

- Công dụng: kẹp các vật liệu đòi hỏi phải cố định

trong quá trình gia công

 Khoan và mũi khoan

 Khoan bàn:

- Cách sử dung:

+ Có bộ phận kẹp gá mũi khoan cần sử dụng

+ Thay đổi kích thước hợp lý giữa mũi khoan

và bề mặt giá đỡ chi tiết cần khoan

+ Nhấn công tắc có 2 chế độ ON và OFF

+ Kéo cần khoan xuống để thực hiện khoan

- Công dụng: Khoan những lỗ khoan đòi hỏi sự

chính xác cao

 Khoan tay:

- Cách sử dụng:

+ Có đầu gá mũi khoan giống như khoan bàn

+ Có cần gạt ngay tay cầm để thay đổi chiều

quay mũi khoan

+ Bóp nút nhấn ngay tay cầm để khoan

chính xác tương đối cao

+ Những chi tiết không đặt được vào trong khoan bàn

 Bên cạnh đó, chúng ta có nhiều mũi khoan với kích thước đường kính khác nhau từ 1mm đến 16mm, các mũi khoét từ 15mm đến 38mm

+ Cắt vật liệu như nhôm, phíp, mika, inox…

+ Linh hoạt trong việc cưa, cắt

+ Mặt khác có thể dùng để mài nhẵn các chi tiết

+ Tay cầm phía trên có nút nhấn để khởi động điều chỉnh tốc độ quay lưỡi cưa +Đặt vị trí cần cắt của chi tiết vào khe cắt, kéo lưỡi cưa xuống ướm thử sao cho lưỡi cắt trùng vào vị trí cắt

+Thực hiện cưa: vừa kéo tay cầm, vừa nhấn nút (cần nhấn nút linh hoạt điều chỉnh tốc độ quay của lưỡi cưa một cách hợp lý)

- Công dụng: Cưa nhôm, nhựa khối, gỗ…

 Kìm: Đây là dụng cụ rất phổ biến

 Giũa

- Cách sử dụng: Tiếp xúc với các chi tiết, tạo ma sát lớn để bào mòn hay làm phẳng các chi tiết này (thường làm nhôm, phíp)

- Công dụng: Để bào mòn, làm phẳng, giúp các chi tiết nhẵn, gọn, đẹp

 Thước đo: Đây cũng là dụng cụ khá phổ biến

Hình 1.14: Giũa Hình 1.13: Một vài loại kìm

Hình 1.15: Một vài loại thước Hình 1.16: Kìm bấm rive thước

 Kìm bấm Rive

- Cách sử dụng:

+ Khoan lỗ đường kính 3mm hay 4mm

+ Gắn đinh rivê có đầu to vào lỗ

+ Gắn đầu kìm bấm rivê vào phần nhỏ và dài của đinh rivê

+ Bóp tay cầm kìm bấm rivê đến khi nào đinh rivê gãy phần thân dài

+ Trong quá trình bóp tay cầm kìm rivê, đầu kìm luôn tiếp xúc sát phần đầu to của đinh rivê

- Công dụng:

+ Liên kết các chi tiết một cách chắc chắn

+ Chú ý phần giao tiếp nào của chi tiết không tháo lắp thường xuyên mới dùng rivê bấm lại, ngược lại hãy dùng ốc xiết chặt

b Giới thiệu nguyên vật liệu, thiết bị

 Nguyên vật liệu

- Vật liệu được sử dụng thông dụng nhất là nhôm Nhôm có nhiều loại, hình dạng

và kích thước khác nhau, lại đẹp và nhẹ, thích hợp để làm Robot Thiết kế hợp lý sẽ có kết cấu đẹp, cứng vững Nhôm cũng 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 Ngoài ra còn sử dụng các vật liệu khác như nhựa, phíp, alu

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

xuất ra bulông, đinh vít, bánh rằng, bánh xích, trục Trong chế tạo robot thì thép được

sử dụng hàn khung, tiện trục

- 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 đỡ, và gia cường cho nhôm hộp tại một

số vị trí chịu lực

- Các loại vật liệu khác như Inox, phíp, mica, gỗ,

 Thiết bị

 Bánh xe: Yêu cầu đối với bánh xe dùng cho Robot tự động là nhẹ, có độ ma sát tốt để khỏi bị trượt trong quá trình hoạt động của robot Vì vậy bánh phải được dán su thật chắc chắn và có xẻ rãnh để tăng độ ma sát 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 cử người sử dụng mà có thể tự gia công hoặc có bán sẵn trên thị trường Dưới đây là hình dáng một số loại bánh

+ Cổ góp, chổi than là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục

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

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 rotor) 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 vector mật độ từ thông B

và vector 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 momen theo một chiều nhất định) Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biểu thức sau:

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

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

P = I * (V PhanDienDong ) Trong đó:

P: Công suất động cơ

I: Cường độ dòng điện.

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

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

+ Động cơ hình 1.15 chuyên dùng cho cơ cấu nâng, kẹp, trượt, hoặc có thể dùng để chạy cho robot tự động nào có tốc độ không cần cao Nguồn 24VDC, tốc độ 100vòng/phút, công suất 17w, momen xoắn cực đại 2.5N.m, khối lượng 250g, đường kính trục Ø6mm, hệ số giảm tốc là 50:1

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

Hình 1.18: Động cơ Hàn Quốc

+ Động cơ hình 1.18 được sử dụng cho các cơ cấu nâng hạ cánh tay, hay 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

1.4.2 Phần điện

a 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 để thiết kế những hệ thống vừa và nhỏ

Hình 1.21: Sơ đồ chân của ATmega32

+ 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 bit, 1 bộ timer/counter1 16 bit

Hình 1.22: Sơ đồ khối

+ Giới thiệu các đầu vào, ra:

Hình 1.23: Sơ đồ chân I/O

Cấu trúc chân của AVR (hình 1.19) có thể phân biệt rõ chức năng (vào ra) trạng thái (0, 1) từ đó ta có 4 kiểu vào ra cho một chân của AVR Khác với 89 là chỉ có 2 trạng thái duy nhất (0, 1) Đặc biệt nguồn từ chân của AVR đủ khoẻ để điều khiển Led trực tiếp (mA) còn 89 chỉ là vài uA Để điều khiển các chân này chúng ta có 2 thanh ghi -> PORTx: giá trị tại từng chân (0 – 1) có thể truy cập tới từng bit PORTx.n-

>DDRx: thanh ghi chỉ trạng thái của từng chân, vào hoặc là ra Trạng thái các chân có thể biểu thị trong bảng dưới:

Hình1.24: Bảng trạng thái I/O

+ Timer counter trong ATmega32:

 Bao gồm 2 bộ timer 8 bits:

Hình 1.25: Sơ đồ khối timer 8 bits

 Một bộ timer 16 bits:

Hình 1.26: Sơ đồ khối timer 16 bits

 Các chế độ hoạt động của timer:

 Chế độ hoạt động thường: Đây là chế độ hoạt động đơn giản nhất của Timer Bộ đếm sẽ liên tục đếm tăng lên cho đến khi vượt quá giá trị lớn nhất TOP và sau đó sẽ được khởi động lại tại giá trị Bottom Trong các hoạt động thông thường thì cờ tràn sẽ được thiết lập khi giá trị trong Timer đạt giá trị 0 và không bị xoá đi Tuy nhiên nếu mà ngắt tràn được chấp nhận thì cờ ngắt sẽ tự động bị xoá khi ngắt được thực hiện Giá trị trong Timer có thể được viết vào bất cứ lúc nào

 Chế độ so sánh (CTC):Đấy là chế độ mà giá trị trong Timer luôn được so sánh với giá trị trong thanh ghi ORC Khi giá trị trong Timer bằng giá trị trong thanh ghi ORC thì giá trị trong Timer sẽ bị xoá đi Giá trị trong ORC đóng vai trò là giá trị TOP cho bộ đếm Chế độ này cũng cho phép tạo ra tần số so sánh ở đầu ra Tuy nhiên trong chế độ này nếu giá trị mới ghi vào thanh ghi ORC mà nhỏ hơn giá trị tức thời của bộ đếm thì thì 1 so sánh sẽ bị lỡ, khi đó bộ đếm sẽ đếm đến giá trị lớn nhất sau đó rơi xuống giá trị 0 trước khi so sánh tiếp theo xuất hiện

Hình 1.27: Sơ đồ thời gian của chế độ CTC

 Chế độ Fast PWM: Cho phép tạo ra sóng với tần số cao Sự khác biệt cơ bản giữa Fast PWM với các loại PWM khác là nó chỉ sử dụng 1 sườn dốc Bộ đếm sẽ đếm

từ Bottom đến Max sau đó khởi động lại từ Bottom Trong chế độ không đảo đầu ra

của chân so sánh OCx sẽ bị xoá khi có phép toán so sánh giữa TCNTx và thanh ghi ORC là bằng nhau Và sẽ được set lên 1 khi giá trị đạt Bottom Trong chế độ đảo, đầu

ra đảo sẽ được set lên 1 khi sự so sánh giữa thanh ghi ORC và giá trị trong Timer bằng nhau và sẽ bị xoá khi giá trị đạt Bottom Trong cả hai trường hơp này tần số của chế đô Fast PWM đều gấp đôi so với chế độ phase correct PWM sử dụng hai sườn dốc Với tần số cao này chế độ độ Fast PWM rất tốt cho các ứng dụng như ADC hay chỉnh lưu Ngoài ra với tần số cao giúp làm giảm kích thước của thiết bị ngoài như cuộn dây tụ từ

đó giúp làm giảm toàn bộ chi phí cho hệ thống

Sơ đồ dưới đây mô tả chu kỳ thời gian của chế độ:

Hình 1.28: Sơ đồ thời gian của chế độ Fast PWM

 Chế độ Phase correct PWM:

Chế độ này hoạt động dựa trên hai sườn lên xuống Bộ đếm sẽ đếm liên tục từ giá trị BOTTOM đến giá trị MAX và sau đó từ giá trị MAX đến giá trị BOTTOM Trong chế độ so sánh không đảo chân so sánh (OCx) sẽ bị xóa khi giá trị TCNTx bằng giá trị OCRx trong quá trình đếm lên và sẽ được set bằng 1 khi giá trị so sánh xuất hiện trong quá trình đếm xuống Chế độ so sánh đảo thì các giá trị là ngược lại Với hoạt động hai sườn xung này thì chế độ này không tạo ra được tần số nhỏ như chế độ một sườn xung Nhưng do tính cân đối của hai sườn xung thì nó tốt hơn cho điều khiển động cơ Chế

độ phase correct PWM hoạt động cố định là 8 bits Trong chế độ này bộ đếm sẽ tăng cho đến khi đạt giá trị MAX, khi đó nó sẽ đổi chiều đếm Biểu đồ thời gian dưới đây

mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình:

Hình 1.29: Sơ đồ thời gian của chế độ Phase corect PWM

Từ biểu đồ thời gian ta nhận thấy việc thay đổi tần số trong hoạt động của phase correct PWM có thể thay thế bằng hai giá trị là MAX và BOTTOM Nó linh hoạt hơn

so với chế độ Fast PWM Tần số có thể tính theo công thức như sau:

f=fc/N*510 Với N tạo ra bởi bộ chia nó có các giá trị là:1,8,64,256 hoặc 1024

 Vi điều khiển AT90S2313:

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

Hình 1.30: Sơ đồ chân của AT90S2313

 Một số đặc tính của Vi điều khiển AT90S2313:

- Đóng vỏ 20 chân Có 15 chân vào ra dữ liệu chia thành 2 PORTB và 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 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 encoder 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 tốc độ quay Dưới đây là một số hình ảnh của encoder quang số và tương tự:

Hình 1.31: Hình dáng và cấu tạo bên trong encoder

(a)- Cấu tạo bên trong của encoder (b)- Encoder trong thực tế

Hình 1.32: Tín hiệu đầu ra của Encoder

Hình 1.32 trên là cấu tạo đĩa quay và biểu đồ xung đọc vào của encoder quang số gồm có 2 xung A và B

Hình 1.33: Cấu tạo và biểu đồ xung của một encoder quang tương tự 16 bits

c Giới thiệu linh kiện khác

 Công tắc quang (photoelectric switch)

- Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.34: Sơ đồ nguyên lý của một loại photoelectric switch

Hình 1.35: Hình ảnh thực tế của một loại photoelectric switch

- Mục đích:

+ Sử dụng 3 công tắc quang để xác định các cấu kiện của 3 tầng đế Kim tự tháp

Khafra đã được xếp xong hay chưa, mỗi lần nhận biết bằng 1 công tắc quang và Robot thực hiện chỉnh quà lần lượt từ tầng 1 đến tầng 3

+ Sử dụng 1 công tắc quang để nhận biết quà đỉnh đã được đặt vào đúng vị trí chưa, từ đó Robot xử lí các tình huống xảy ra

- Nguyên lí hoạt động:

+ Photoelectric switch được cấp nguồn từ 10 ÷ 30 VDC

+ Có 2 đầu ra tín hiệu “light on” và “dark on”, nghĩa là khi có vật thể chắn ở trước công tắc quang thì sẽ có 2 tín hiệu trả về Vi điều khiển, 1 tín hiệu trả về mức 1, 1 tín hiệu trả về mức 0