Đồ án: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ iROBOT

Giới thiệu chungMột bước di chuyển ngắn của robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn về tri thức của nhân loại. Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người. Chủng loại robot hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng: từ thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, cho đến vận chuyển đồ vật và tham vui chơi cùng với trẻ em. Các nhà nghiên cứu châu Âu và Mỹ đã phóng nhiều robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò và chinh phục Hành tinh này. Theo kế hoạch đã định, tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu, sau khi vượt qua chặng đường 485 triệu km đã thực hiện động tác cho Robot Beagle2 tiếp đất sao Hoả vào đêm Noel năm 2003. Về phần mình , NASA đã cho 2 robot cơ động (Rovers) hạ cánh xuống bề mặt Hành tinh Đỏ vào tháng Giêng năm 2004. Mục tiêu của các robot này không nhỏ: tìm kiếm dấu vết của nước và có thể là dấu vết của sự sống, đã từng tồn tại trên hành tinh láng giềng của Trái đất. Nếu vượt qua được thách thức này, thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thám hiểm vũ trụ kỳ diệu.

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ iROBOT

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Anh Tú Sinh viên thực hiện : Nguyễn Ngọc Chiến

Trần Văn Hiếu Đào Duy Hoằng Lớp : ĐH Cơ điện tử 2-K7

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài

1.3 Phương án nghiên cứu

1.4 Phân tích nhiệm vụ đồ án

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ iROBOT

2.1 Giới thiệu về iRobot

2.2 Phân tích và lựa chọn phương án di chuyển

2.2.1 Robot di chuyển bằng bánh

2.2.2 Robot shrimp

2.2.3 Robot di chuyển bằng xích

2.2.4 Robot di chuyển bằng đai

2.2.4.1 Di chuyển bằng 2 cơ cấu bánh đai

2.2.4.2 Di chuyển bằng 6 cơ cấu bánh đai

2.2.4.3 Di chuyển bằng 4 cơ cấu bánh đai

2.3 Giới thiệu về kết cấu cơ khí

2.4 Giới thiệu về động cơ

2.4.1 Động cơ Servo

2.4.2 Động cơ DC-giảm tốc

2.4.3 Động cơ bước

2.5 Giới thiệu về phương án điều khiển

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung

Một bước di chuyển ngắn của robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn vềtri thức của nhân loại Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người Chủng loạirobot hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng: từ thăm dòchinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, chođến vận chuyển đồ vật và tham vui chơi cùng với trẻ em Các nhà nghiên cứu châu Âu

và Mỹ đã phóng nhiều robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò và chinh phụcHành tinh này Theo kế hoạch đã định, tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu, sau khivượt qua chặng đường 485 triệu km đã thực hiện động tác cho Robot Beagle-2 tiếp

"đất" sao Hoả vào đêm Noel năm 2003 Về phần mình , NASA đã cho 2 robot cơđộng (Rovers) hạ cánh xuống bề mặt Hành tinh Đỏ vào tháng Giêng năm 2004 Mụctiêu của các robot này không nhỏ: tìm kiếm dấu vết của nước và có thể là dấu vết của

sự sống, đã từng tồn tại trên hành tinh láng giềng của Trái đất Nếu vượt qua đượcthách thức này, thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thám hiểm vũ trụ kỳdiệu

Lĩnh vực thứ hai mà robot phát huy tác dụng tích cực là hỗ trợ thầy thuốckhám, chẩn đoán và phát hiện bệnh Robot còn hỗ trợ người khuyết tật thực hiện cácthao tác hàng ngày, mà họ không làm được.Nhóm robot khác có hệ thống máy móctạo khả năng tự hành cao hơn, giống "người" hơn: ví dụ như ô-tô tự điều khiển (khôngcần sự hỗ trợ của người); robot thích ứng thăm dò biển thế hệ thứ ba - loại robot này

đi được gần giống người Nhóm robot này hoạt động ở những địa điểm nguy hiểmnhất mà con người không thâm nhập được, như trong nhà máy điện hạt nhân hay trongnúi lửa Hiện nay, việc nghiên cứu kỹ thuật robot còn đang ở giai đoạn đầu, nhưng đã

có những ứng dụng ban đầu rất thành công Có thể khẳng định, đây là lĩnh vực côngnghệ rất có triển vọng Trong nhóm robot hỗ trợ, người ta đã tạo được một số robot cókhả năng di chuyển tối ưu, gần giống di chuyển (cử động) của người Phòng Thínghiệm tin học, Kỹ thuật robot và Vi điện tử Montpellier (LIRMM) Pháp đã chế tạo

thao tác phẫu thuật Ví dụ điển hình là dụng cụ robot tách bóc da trong phẫu thuậtghép da bị bỏng Trên thực tế, thao tác này đ̣i hỏi phải thực hiện rất chính xác, ít phẫuthuật viên thực hiện được hoàn hảo, trong khi dụng cụ robot do LIRMM cung cấpthực hiện rất tốt Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia của Pháp đánhgiá: "Dụng cụ robot có khả năng xác định chính vị trí làm việc của mình và xác địnhđược chuẩn khoảng cách giữa tay và mắt của phẫu thuật viên Dụng cụ robot có thểgiúp phẫu thuật viên không bị run tay và tăng tốc thao tác, nhất là trong vi phẫuthuật" Đối với phẫu thuật tim, dụng cụ robot cũng hỗ trợ được rất nhiều: mở lồngngực chính xác (đúng vị trí) cho bệnh nhân, tự động thực hiện một số nhiệm vụ lặp đilặp lại (như thao tác khâu vết mổ chẳng hạn) Tại LIRMM, các chuyên gia đangnghiên cứu điều khiển robot thực hiện thao tác khâu tim thao tác không thể thiếu khiđóng lồng ngực, mà không làm tim ngừng đập Đây là thao tác rất phức tạp và đ̣i hỏi

độ chính xác cao LIRMM đă thành công trong việc chế tạo dụng cụ này, có thể nói,đây là một kết quả mỹ mãn Trước đó, LIRMM đã phối hợp với Phòng Thí nghiệm Kỹthuật Robot Paris (LRP) và Phòng Thí nghiệm Kỹ thuật ảnh, mô hình hoá và khả năngnhận biết (TIMC), Uỷ ban Năng lượng Nguyên tử Quốc gia (CEA) của Pháp v.v trongkhuôn khổ dự án Robea Gabie Mục tiêu và nhiệm vụ chính yếu của Dự án này là thiết

kế "Hệ thống chỉ dẫn bằng ảnh toàn ký", phục vụ phẫu thuật tim Trong một lĩnh vựchoàn toàn khác, các chuyên gia của LIRMM đã thiết kế hệ robot biết sửa chỉnh đồ mỹnghệ Nhờ có hệ robot này, nghệ nhân có khả năng nhân đôi giá trị tác phẩm điêu khắccủa mình Trong thực tế, đã có những robot dạng này đang sử dụng trong công nghiệp

và sản xuất những vật phẩm đồng nhất Song, trong thiết kế và sản xuất loại thiết bịnày đã không tính đến những đường gân của sản phẩm, độ sù sì của vật liệu và nhữngđường nét riêng của người sáng tạo ra sản phẩm mẫu Tại đó, nghệ nhân khắc trạmtheo cảm giác ảo riêng và bằng bàn tay của mình Các thao tác này có thể hiệu chỉnhđược bằng robot với mức kích cỡ thực trên cơ sở mẫu điêu khắc của người sáng tạo.Viện Bảo tàng Louvre ở Paris rất quan tâm đến loại robot này Như vậy, các lĩnh vựctinh tế như y học và ngay cả mỹ thuật kỹ thuật robot cũng đã xen vào được.Trongtương lai, sẽ có một loại robot khác, có khả năng thực hiện một số hoạt động thay thếhoàn toàn cho con người đang phải đảm nhiệm hiện nay Để thiết kế được loại robotnày, các nhà nghiên cứu phải có nguồn cảm hứng tuyệt vời: đó là sự sống Một số

động vật có khả năng giao cảm và thích ứng với sự thay đổi của môi trường Do đó,người ta đã nảy sinh ý tưởng thiết kế robot mô phỏng theo một số loài vật Trungtâm Nghiên cứu về sự nhận biết của động vật (CRCA) ở Toulouse đã nghiêncứu "trí tuệ" của loài kiến thông qua Kiến Robot Kiến Robot được đưa vào trong tổkiến và kết giao với các loài côn trùng khác Kiến Robot sẽ hội nhập xã hội côn trùng

và có khả năng gây ảnh hưởng đến các quyết định của cộng đồng côn trùng.Trongkhuôn khổ của Dự án châu Âu Leurre, mà CRCA tham gia, các nhà nghiên cứu Pháp

sẽ thực hiện các nghiên cứu mô phỏng về Rán Robot Nhánh kỹ thuật robot này sẽ tạo

ra các hệ robot chắc chắn, linh hoạt, hiệu suất cao và giá rẻ Trong tương lai gần, robotđộng vật sẽ tạo ra khả năng mới trong lĩnh vực thám hiểm các vùng lãnh thổ chưatừng biết đến

1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Mục đích nghiên cứu đề tài

Kiểm nghiệm khả năng vận dụng những kiến thức đã học vào trong đề tài thựctế

+ Bài toán di chuyển robot

+ Lập trình cho robot

+ Thiết kế mạch điện tử

+ Thiết kế cơ khí, tính toán các cơ cấu của robot

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình của các sản phẩm đã có sẵn và được áp dụng vào thực tế,kết cấu, chức năng của các máy đó Từ đó áp dụng để thiết kế trong giới hạn đề tài

Áp dụng các phương pháp trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế robot, cụ thể là:

 Thiết kế tuần tự và đồng thời

 Mô hình hóa phần cơ khí, mô phỏng phần điện, giả định những phương

án điều khiển, tối ưu hóa trước khi hoàn thiện thiết kế trước khi chế tạo

 Thu thập thông tin, thông số: video, hình ảnh…

- Phạm vi hoạt động của robot: trong nhà và ngoài trời (địa hình khô)

- Ứng dụng thực tế của robot:

Đây là robot có khả năng di chuyển ở nhiều loại địa hình, được điều khiển từ xa nhờtín hiệu hình ảnh, được lắp đặt bộ camera có thể quay phim, chụp ảnh với kích thướcnhỏ gọn do đó iRobot có thể tham gia vào việc giám sát thăm dò phục vụ cho nghiêncứu khoa học, quân sự…

 Thiết kế mạch điện và lập trình: nhiệm vụ là thiết kế, lập trình mạch điều khiểnkhông dây cho robot, bộ phận camera thu phát tín hiệu

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ iROBOT 2.1 Giới thiệu chung về iROBOT

iRobot là một loại robot địa hình, thường được sử dụng rộng rãi trong quân sự.Với ưu điểm vượt trội của robot như khung cơ khí vững chắc, kết cấu bền vững, bánhđai di chuyển linh hoạt, robot có thể di chuyển được trên các địa hình: bằng phẳng, gồghề, cầu thang Vì vậy, robot có thể thay thế con người đi vào các địa hình phức tạp,nguy hiểm và các môi trường khắc nghiệt Nó có thể vượt mọi địa hình,phục vụ chonghiên cứu khoa học cũng như phục vụ cho quân sự trong việc quan sát, rà bom mìn,vận chuyển …

Robot được thiết kế để phục vụ cho lĩnh vực quân sự nên yêu cầu có độ vữngchắc, bền vững và chính xác Do robot di chuyển trên nhiều địa hình gồ ghề và phứctạp, nên robot phải được làm từ vật liệu có độ bền và chịu va đập tốt Phương phápđiều khiển robot do nhóm chọn ra chủ yếu là điểu khiển bằng tay nên độ chính xáckhông yêu cầu quá cao

iRobot sử dụng 3 động cơ điều khiển Trong đó, 1 động cơ dùng để điều khiểncàng trước, 2 động cơ còn lại điều khiển 2 bánh đai cho robot di chuyển Vì vậy bàitoán tính toán động cơ rất quan trọng trong thiết kế irobot Bên cạnh đó, robot dichuyển hoàn toàn bằng cơ cấu đai nên việc di chuyển khá linh hoạt, không gây nhiềutiếng động…

2.2 Phân tích và lựa chọn phương án di chuyển

2.2.1: Robot di chuyển bằng bánh:

+Ưu điểm:

- Chuyển động nhanh trên địa hình bằng phẳng, và êm

- Có thể leo được cầu thang, di chuyển ở địa hình tương đối nhấp nhô

+ Nhược điểm:

- Khó khăn trong di chuyển ở những địa hình phức tạp

- Hiệu quả leo cầu thang không cao, do robot quá lớn

Giới hạn di chuyển ở một số địa hình, cơ cấu cơ khí phức tạp, khó chế tạo, độ cứngvững không cao.

2.2.3: Robot di chuyển bằng xích

Rôbốt di chuyển dùng bánh xích :

Bánh xích hoặc bánh răng được sử dụng trong các thiết bị như máy kéo hoặc xetăng do khả năng thích ứng với địa hình và yêu cầu về lực kéo Nguyên nhân do cơcấu bánh xích giảm tính trượt và phân bố đều trọng lượng của thiết bị thích hợp vớicác bề mặt như cát,đất yếu hay các bề mặt mấp mô.Một điều khác là khi sử dụngchúng cho robot trông robot sẽ ấn tượng hơn nhiều

- Gây tổn hại bề mặt di chuyển

- Ổ đĩa xích hạn chế đáng kể số lượng động cơ có thể sử dụng

- Tính phức tạp cơ khí tăng (số liên kết ,khớp nối, cơ cấu lực tăng)

2.2.4: Robot di chuyển bằng đai.

2.2.4.1: Di chuyển bằng 2 cơ cấu bánh đai

2 cơ cấu bánh đai được gắn vào 2 bên, mỗi bánh dẫn động bởi mỗi động cơriêng, các động cơ chuyền động này có thể gắn gián tiếp qua bộ truyền hoặc gắn trựctiếp vào bánh đai để tạo chuyển động của robot

Khi 2 cơ cấu bánh đai cần rẽ trái hay rẽ phải thì 2 động cơ quay ngược chiềunhau để 2 bánh đai chuyển động ngược chiều tạo ra chuyển động quay trái hoặc quayphải

Phương án này đại diện cho kiểu robot đơn giản nhất

2.2.4.2: Di chuyển bằng 6 cơ cấu bánh đai

Phương án thêm vào nhiều cơ cấu bánh đai hơn sẽ tạo ra sự linh hoạt về chuyểnđộng cho robot

+ Ưu điểm: các nhánh cơ cấu bánh đai làm tăng chiều dài robot, giúp robot dễdàng vượt qua các địa hình ghập ghềnh, khe nứt …

+ Nhược điểm: tăng độ phức tạp về việc chế tạo và điều khiển, kích thước tănglàm giảm khả năng di chuyển trong không gian hẹp

Ví dụ: về robot leo cầu thang của học viện kĩ thuật quân sự

Robot này có thể leo lên, leo xuống các loại cầu thang trong nhà cao tầng ở việtnam với kích thước cầu thang rộng 35cm, cao 15cm Điểm mấu chốt có thể khiếnrobot này leo lên được các bậc cầu thang là cụm bánh xích và các đai răng bánh đaicùng với đó là 2 cặp càng trước càng sau có khả năng nâng lên hạ xuống Robot có 3tính năng chủ yếu là:

+ di chuyển qua các địa hình phức tạp và điều khiển bằng tay

+ truyền được hình ảnh từ robot về máy tính

+ có thể lưu trữ ảnh dưới dạng file ảnh hoặc video phục vụ tác chiến

2.2.4.3: Di chuyển bằng 4 cơ cấu bánh đai

+ Ưu điểm: Việc sử dụng 4 cơ cấu bánh đai làm cho robot nhỏ gọn hơn và giảmphần phức tạp, nâng hạ phần than robot dễ dàng, do đó nếu dặt camera lên sẽ thuận lợicho việc quan sát địa hình

 Ví dụ về robot packbot 510

- Việc thiết kế linh hoạt còn cho phép nó di chuyển trên nhiều địa hình khácnhau, như leo cầu thang, lăn trên địa hình lồi lõm hay gồ ghề Nhờ vào các “chânchèo” có thể liên tục quay 360 độ mà PackBot có thể dễ dàng ngang dọc trên đá sỏi,bùn, tuyết và các địa hình phức tạp khác với tốc độ khoảng 10km/h.

- Robot leo cầu thang hỗ trợ người khuyết tật:

Robot có khả năng mô phỏng đầy đủ các tình huống gặp phải trong việc hỗ trợngười khuyết tật vạn động khi di chuyển lên cầu thang, hoạt động của robot được điềukhiển bằng thiết bị smartphone với hệ điều hành androi thông qua Bluetooth do đórobot hoạt động chắc chắn, vững vàng có thể rẽ trái, rẽ phải, tạo thăng bằng tốt và antoàn cho người sử dụng ngay cả khi đi trên đường bằng hoặc cầu thang

Kết luận: Robot di chuyển bằng đai có thể khắc phục được tất cả các nhược điểmtrên một các dễ dàng Vậy nên ta chọn phương án di chuyển cho robot là di chuyểnbằng đai.

2.3 Giới thiệu về kết cấu cơ khí

 Cụm bánh đai là một cụm kết cấu nhận lực cuối cùng từ động cơ thông qua các

cơ cấu truyền động để giúp robot có thể di chuyển được Khi robot di chuyển qua cácđịa hình phức tạp thì trạng thái của cụm bánh sẽ quyết định khả năng di chuyển củarobot Ví dụ như: khi robot vượt qua địa hình đơn giản và bằng phẳng thì robot sẽ hạthân xuống để có thể di chuyển một cách linh hoạt Nhưng khi đi vào các địa hình gồghề, càng trước robot sẽ được dựng đứng lên, nhằm mục đích nâng thân robot cao lên,giúp robot vượt qua các địa hình phức tạp

 Cơ cấu truyền chuyển động để đảm bảo truyền mômen lớn giúp robot có thểvượt qua các địa hình gồ ghề, phức tạp ta chọn bộ truyền xích để truyền chuyển động

từ động cơ tới bánh

2.4 Giới thiệu về động cơ

Ngoài thị trường hiện nay có rất nhiều loại động cơ điều khiển hoạt động robot,trong phạm vi đề tài Irobot có thể điều khiển bởi 3 loại động cơ sau: động cơ servo,động cơ DC-giảm tốc, động cơ bước

2.4.1: Động cơ servo:

2.4.1.1: Khái niệm:

Hệ truyền động dộng cơ servo là hệ truyền động thuộc phạm trù các điều khiểnquay hay thẳng điều khiển được tốc độ, và có mạch vòng phản hồi là hệ thống kín.2.4.1.2: Đặc điểm.

+ Khả năng quá tải về mô men quay cao

+ Công suất động cơ tối đa lớn

+ Được thiết kế cho các hệ thống vòng kín

+ Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển

2.4.1.3: Nguyên lý hoạt động

- Động cơ servo được thiết kế cho các hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra củađộng cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vị trí và vận tốc sẽđược hồi tiếp về mạch điều khiển này

- Khi tốc độ động cơ bị lệch so với tốc độ đặt, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tốc độđầu ra chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơđạt được điểm chính xác

- Để lấy tín hiệu phản hồi về và điều khiển chính xác động cơ như mong muốn,người ta tích hợp một động cơ với một Encoder và một bộ điều khiển Encoder đo vậntốc tức thời của động cơ, chuyển thành tín hiệu điều khiển đưa về bộ điều khiển

- Bộ điều khiển nhận được tín hiệu từ Encoder gửi về lập tức phân tích và xử lýtín hiệu đó và tiến hành điều khiển động cơ theo 1 thuật toán cho trước

2.4.1.4: Ưu nhược điểm của cơ servo

- Ưu điểm:

+ Đơn giản, hoạt động được ở tốc độ cao

+ Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor

+ Có thể điều khiển đc vòng kín và nửa kín

+ Có độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng thay đổi vị trí đích và tốc

độ của cơ cấu chấp hành

- Nhược điểm:

+ Không làm việc ở chế độ mạch điều khiển hở, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi.+ Yêu cầu phải điều chỉnh các thong số vòng điều khiển

+ Giá thành đắt.

2.4.2: Động cơ DC-giảm tốc

2.4.2.1: Khái niệm:

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động

cơ điều khiển trực tiếp có cấu tạo gồm hai dây (dây nguồn và dây tiếp đất) DC motor

là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục

Khi bạn cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năngthành cơ năng Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao (số vòngquay/ phút), và các động cơ DC đều được ứng dụng để làm quạt làm mát máy tính,hoặc kiểm soát tốc độ quay của bánh xe…

Để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC, người ta dùng điều biến độ rộng xung (kíhiệu là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật và tắt cácxung điện Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điều khiển bằng cơchế bật tắt một mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ

+ Ưu điểm:

- Có khả năng điều chỉnh, thay đổi tốc độ làm việc trong điều kiện quá tải, mạchđiều khiển đơn giản

- Tốc độ nhanh, động cơ xoay vòng liên tục

- Được sử dụng cho các thiết kế cần phải có một thiết bị quay với tốc độ RPM, ví

dụ như trục bánh xe ô tô, cánh quạt máy, vv

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với

đa số các loại động cơ điện thông thường Nhưng thực chất là một loại động cơ khôngđồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kếtiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng

cố định roto vào các vị trí cần thiết

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ :Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ giảm tốc công suất nhỏ

2.4.3.2: Phân loại và cấu tạo

Động cơ bước cơ bản chia làm 3 loại:

 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

 Động cơ bước biến trở từ

 Động cơ bước lại

Động cơ bước nam châm châm vĩnh cửu cơ bản gồm 3 loại:

 Động cơ bước đơn cực

 Động cơ bước lưỡng cực

 Động cơ bước nhiều pha

Tại mỗi thời điểm sẽ chỉ có một hay hai cuộn dây có điện (tùy vào phương phápđiều khiển là đầy bước hay nửa bước) Khi trạng thái cấp xung thay đổi thì sẽ sinh ramoment xoắn và sẽ làm cho roto quay.

Điều khiển chiều quay của động cơ: thay đổi thứ tự cấp xung, giả sử động cơđang ở bước thứ 8 ta cấp xung cho bước thứ 7 thì lúc đó nõ sẽ quay ngược lại

Điều khiển tốc độ: thay đổi độ rộng xung và tần số xung

Trong đó:

V: vận tốc trung bình của động cơ bước (vòng/giây)

n: số lần dịch bước

t: thời gian động cơ thực hiện n lần dịch bước(giây)

:góc bước của động cơ

f: tần số dịch bước

 Các phương pháp điều khiển động cơ bước

 Điều khiển đủ bước

 Điều khiển nửa bước

 Điều khiển vi bước

2.4.3.4: Ứng dụng

Trong điều khiển chuyển động kĩ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạngsố

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, chúng được ứngdụng trong các thiết bị cần điều khiến chính xác

+ Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, bám mục tiêutrong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điềukhiển các cơ cấu lái phương và chiều quay trong máy bay…

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

3.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

3.1.1 Khối nguồn.

Khối nguồn 1 dùng để cấp nguồn duy trì hoạt động cho tay cầm điều khiển vàcảm biến gia tốc Do đó ta sử dụng nguồn có điện áp 5V

Yêu cầu:

- Khối nguồn có độ ổn định cao về dòng và điện áp

- Có khối lượng và kích thước khuôn khổ nhỏ để có thể lắp trên tay điều khiển

- Đảm bảo dễ dàng nạp điện cho khối nguồn

- Có thời gian sử dụng sau một lần nạp từ 5-6 giờ

- Có thể tháo dời và dễ dàng kết nối trở lại với tay điều khiển

Khối nguồn 2 dùng để cấp nguồn cho mạch điều khiển lắp trên thân xe, mạchcông suất, và động cơ điện Do đó ta sử dụng nguồn 24v cấp cho động cơ điệnrồi sử dụng mạch hạ áp để cấp cho mạch điều khiển và mạch công suất

Yêu cầu:

- Khối nguồn có độ ổn định cao về dòng và điện áp

- Có khối lượng và kích thước khuôn khổ nhỏ để có thể lắp giáp trên thân xe,

- Đảm bảo dễ dàng nạp điện cho khối nguồn

- Có thời gian sử dụng sau một lần nạp từ 5-6 giờ

- Có thể tháo dời và dễ dàng kết nối trở lại với thân xe

Từ đó ta chọn khối nguồn là ắc quy

3.1.2 Tay điều khiển

Tay điều khiển có nhiệm vụ lấy tín hiệu ra từ khối cảm biến, mã hóa thành tín hiệu điều khiển rồi truyền tới khối xử lý tín hiệu được đặt ở trên thân xe

Yêu cầu:

- Tốc độ xử lý cao có bộ nhớ chương trình đủ lớn để lưu các chế độ hoạt động của xe

- Tích hợp sẵn bộ biến đổi ADC

- Có sẵn các kênh băm xung PWM

- Các bộ Timer/ Counter mạnh

- Hoạt động ổn định, có độ bền và tuổi thọ cao

Do đó ở trung tâm điều khiển ta chọn chip xử lý là atmega 8

3.1.3 Khối vi điều khiển (Atmega8)

- Vi điều khiển ATMEGA8 là một dòng vi điều khiển AVR tương đối mạnh của hãng ATMEL Nó được tích hợp một CPU có thể hoạt động ở tần số lớn ( 16MHz) bên cạnh đó là nhiều module ngoại vi như các khối giao tiếp nối tiếp, bộ định thời, bộ

chuyển đổi tương tự số…Các khối này có thể được thiết lập một cách linh động để áp dụng trong nhiều mục đích khác nhau.

- Các tính năng :

• Vi điều khiển 8bit, tốc độ cao, công suất thấp

• Kiến trúc RISC:

– Tập lệnh 130 câu lệnh, hầu hết thực hiện trong một chu kỳ xung clock

– 32 × 8 Thanh ghi sử dụng chung

– Có thể thực hiện 16 triệu lệnh trên giây ở tần số 16MHz

– Bộ nhân bên trong với lệnh nhân 2 chu kỳ

• Phân đoạn bộ nhớ không bay hơi độ bền cao

– 8Kbytes bộ nhớ chương trình FLASH trong chíp

– 512Bytes EEPROM

– 1Kbyte SRAM nội

– Số chu kỳ xóa/ghi: 10,000 Flash/100,000 EEPROM

– Lưu trữ và bảo toàn dữ liệu: 20 năm ở nhiệt độ 85°C/100 năm ở nhiệt độ 25°C(1)– Phân đoạn mã boot chíp tùy chọn với các bit thiết lập độc lập

– Khóa lập trình cho bảo mật

• Tính năng ngoại vi

– 2 bộ định thời 8bits với bộ chia trước độc lập, 1 chế độ so sánh

– 1 bộ định thời 16bits với bộ chia xung trước, chế độ so sánh, chế độ bắt xung

– Bộ định thời gian thực với bộ giao động riêng

– 3 Kênh điều chế độ rộng xung (PWM)

– 8 kênh chuyển đổi tương tự số với độ phân giải 10bits

– Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI hướng byte

– Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART có thể lập trình được

– Chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI chủ/tớ