NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ iROBOT

Ngành Cơ điện tử là một ngành then chốt, nó đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Nhiệm vụ của Cơ điện tử là chế tạo ra các sản phẩm cho mọi lĩnh vực của ngành kinh tế bằng phương thức Tự động hóa, việc phát triển ngành Cơ điện tử đang là mối quan tâm đặc biệt của Đảng, nhà nước ta vì sản phẩm Cơ điện tử hầu như thay toàn bộ công sức,thâm chí cả tính mạng của con người. Điển hình như sản phẩm Mobile Robot của ngành Cơ điện tử. Ứng dụng Mobile Robot trong thực tế rất phong phú và đa dạng ví dụ như Robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện, robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không, robot canh gác, do thám, robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh, robot hàn, sơn trong nhà máy, robot xe lăn phục vụ người khuyết tật, robot phục vụ sinh hoạt gia đình. Và một trong những vấn đề quan trọng là sử dụng robot trong môi trường nguy hiểm như một phần tòa nhà bị sậphoặc nhà máy điện hạt nhân, vùng hỏa hoạn là chủ đề nghiên cứu chính được quan tâm. Tuy nhiên, việc thiết kế robot phù hợp với các nhiệm vụ và môi trường vẫn còn thách thức khá lớn đối với các kỹ sư, chủ yếu do điều kiện nghiên cứu và chế tạo yêu cầu kỹ thuật cao ở nước ta còn có khó khăn. Nhưng, với lòng say mê khoa học và muốn cống hiến kiến thức của mình, các kỹ sư Cơ điên tử đã chế tạo thành công một số Robot có ứng dụng thực tiễn cao.Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Anh Tú, cùng mong muốn ứng dụng các kiến thức đã học được trên giảng đường, nhóm chúng em đã chọn đề tài : Nghiên cứu và chế tạo Robot leo cầu thang để thu thập thông tin trong công tác cứu hộ và trong lĩnh vực quân sự,do thám. Một đề tài có ứng dụng thực tế cao.

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

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành Cơ điện tử là một ngành then chốt, nó đóng vai trò quan trọng trong sựnghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Nhiệm vụ của Cơ điện tử là chế tạo

ra các sản phẩm cho mọi lĩnh vực của ngành kinh tế bằng phương thức Tự độnghóa, việc phát triển ngành Cơ điện tử đang là mối quan tâm đặc biệt của Đảng, nhànước ta vì sản phẩm Cơ điện tử hầu như thay toàn bộ công sức,thâm chí cả tínhmạng của con người Điển hình như sản phẩm Mobile Robot của ngành Cơ điện tử.Ứng dụng Mobile Robot trong thực tế rất phong phú và đa dạng ví dụ như Robotvận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thưviện, robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không, robot canh gác, dothám, robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh, robot hàn, sơn trongnhà máy, robot xe lăn phục vụ người khuyết tật, robot phục vụ sinh hoạt gia đình

Và một trong những vấn đề quan trọng là sử dụng robot trong môi trường nguyhiểm như một phần tòa nhà bị sậphoặc nhà máy điện hạt nhân, vùng hỏa hoạn làchủ đề nghiên cứu chính được quan tâm

Tuy nhiên, việc thiết kế robot phù hợp với các nhiệm vụ và môi trường vẫncòn thách thức khá lớn đối với các kỹ sư, chủ yếu do điều kiện nghiên cứu và chếtạo yêu cầu kỹ thuật cao ở nước ta còn có khó khăn Nhưng, với lòng say mê khoahọc và muốn cống hiến kiến thức của mình, các kỹ sư Cơ điên tử đã chế tạo thànhcông một số Robot có ứng dụng thực tiễn cao

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Anh Tú, cùng mong muốn ứngdụng các kiến thức đã học được trên giảng đường, nhóm chúng em đã chọn đề tài :Nghiên cứu và chế tạo Robot leo cầu thang để thu thập thông tin trong công tác cứu

hộ và trong lĩnh vực quân sự,do thám Một đề tài có ứng dụng thực tế cao

Do chưa nhiều kinh nghiệm chế tạo thực tế, có thể có những sai sót, mong cácThầy đóng ghóp để chúng em hoàn thiện và hoàn thành tốt đồ án môn học này củamình

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG1.1 .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 Chủngloại robot hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng: từthăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyếttật, cho đến vận chuyển đồ vật và tham vui chơi cùng với trẻ em Các nhà nghiêncứu châu Âu và Mỹ đã phóng nhiều robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò vàchinh 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 RobotBeagle-2 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 Nếuvượt qua được thách thức này, thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thámhiểm vũ trụ kỳ diệu

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 hiệncác thao tác hàng ngày, mà họ không làm được.Nhóm robot khác có hệ thống máymóc tạo khả năng tự hành cao hơn, giống "người" hơn: ví dụ như ô-tô tự điều khiển(không cần sự hỗ trợ của người); robot thích ứng thăm dò biển thế hệ thứ ba - loạirobot này đi được gần giống người Nhóm robot này hoạt động ở những địa điểmnguy hiểm nhất mà con người không thâm nhập được, như trong nhà máy điện hạtnhân hay trong núi lửa Hiện nay, việc nghiên cứu kỹ thuật robot còn đang ở giaiđoạn đầu, nhưng đã có những ứng dụng ban đầu rất thành công Có thể khẳng định,đây là lĩnh vực công nghệ rất có triển vọng Trong nhóm robot hỗ trợ, người ta đãtạo được một số robot có khả năng di chuyển tối ưu, gần giống di chuyển (cử động)

(LIRMM) Pháp đã chế tạo thành công và cung cấp cho các nhà phẫu thuật dụng cụrobot hỗ trợ, cải thiện các thao tác phẫu thuật Ví dụ điển hình là dụng cụ robot táchbóc da trong phẫu thuật ghép da bị bỏng Trên thực tế, thao tác này đ đi hỏi phải thựchiện rất chính xác, ít phẫu thuật viên thực hiện được hoàn hảo, trong khi dụng cụrobot do LIRMM cung cấp thực hiện rất tốt Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Khoahọc Quốc gia của Pháp đánh giá: "Dụng cụ robot có khả năng xác định chính vị trílàm việc của mình và xác định được chuẩn khoảng cách giữa tay và mắt của phẫuthuật viên Dụng cụ robot có thể giúp phẫu thuật viên không bị run tay và tăng tốcthao tác, nhất là trong vi phẫu thuật" Đối với phẫu thuật tim, dụng cụ robot cũng hỗtrợ được rất nhiều: mở lồng ngực chính xác (đúng vị trí) cho bệnh nhân, tự độngthực hiện một số nhiệm vụ lặp đi lặp lại (như thao tác khâu vết mổ chẳng hạn) TạiLIRMM, các chuyên gia đang nghiên cứu điều khiển robot thực hiện thao tác khâutim thao tác không thể thiếu khi đóng lồng ngực, mà không làm tim ngừng đập Đây

là thao tác rất phức tạp và đ đi hỏi độ chính xác cao LIRMM đă thành công trongviệc 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 Kỹ thuật Robot Paris (LRP) và PhòngThí nghiệm Kỹ thuật ảnh, mô hình hoá và khả năng nhận biết (TIMC), Uỷ banNăng lượng Nguyên tử Quốc gia (CEA) của Pháp v.v trong khuôn khổ dự án RobeaGabie Mục tiêu và nhiệm vụ chính yếu của Dự án này là thiết kế "Hệ thống chỉ dẫnbằng ảnh toàn ký", phục vụ phẫu thuật tim Trong một lĩnh vực hoàn toàn khác, cácchuyên gia của LIRMM đã thiết kế hệ robot biết sửa chỉnh đồ mỹ nghệ Nhờ có hệrobot này, nghệ nhân có khả năng nhân đôi giá trị tác phẩm điêu khắc của mình.Trong thực tế, đã có những robot dạng này đang sử dụng trong công nghiệp và sảnxuất những vật phẩm đồng nhất Song, trong thiết kế và sản xuất loại thiết bị này đãkhông 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 hiệuchỉnh được bằng robot với mức kích cỡ thực trên cơ sở mẫu điêu khắc của ngườisáng tạo Viện Bảo tàng Louvre ở Paris rất quan tâm đến loại robot này Như vậy,các lĩnh vực tinh tế như y học và ngay cả mỹ thuật kỹ thuật robot cũng đã xen vàođược.Trong tương lai, sẽ có một loại robot khác, có khả năng thực hiện một số hoạt

động thay thế hoàn toàn cho con người đang phải đảm nhiệm hiện nay Để thiết kếđược loại robot này, các nhà nghiên cứu phải có nguồn cảm hứng tuyệt vời: đó là sựsống Một số động vật có khả năng giao cảm và thích ứng với sự thay đổi của môitrường Do đó, người ta đã nảy sinh ý tưởng thiết kế robot mô phỏng theo một sốloài vật Trung tâm Nghiên cứu về sự nhận biết của động vật (CRCA) ởToulouse đã nghiên cứu "trí tuệ" của loài kiến thông qua Kiến Robot Kiến Robotđược đưa vào trong tổ kiến và kết giao với các loài côn trùng khác Kiến Robot sẽhội nhập xã hội côn trùng và có khả năng gây ảnh hưởng đến các quyết định củacộng đồng côn trùng.Trong khuôn khổ của Dự án châu Âu Leurre, mà CRCA thamgia, 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, robot động vật sẽ tạo ra khả năng mới trong lĩnh vựcthám hiểm các vùng lãnh thổ chưa từng 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 đềtài

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

+Mô hình hóa phần cơ khí, mô phỏng phần điện, giả định những phương ánđiều 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 nhờ tín hiệu hình ảnh, được lắp đặt bộ camera có thể quay phim, chụp ảnh vớikích thước nhỏ gọn do đó iRobot có thể tham gia vào việc giám sát thăm dò phục

vụ cho nghiên cứu khoa học, quân sự…

độ bám đường tốt Còn các cơ cấu truyền chuyển động thì chủ yếu dung bộ truyềnxích và bánh răng

 Thiết kế mạch điện và lập trình: nhiệm vụ là thiết kế, lập trình mạchđiều khiển không 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,bánh đai di chuyển linh hoạt, robot có thể di chuyển được trên các địa hình: bằngphẳng, gồ ghề, cầu thang Vì vậy, robot có thể thay thế con người đi vào các địahình phức tạp, nguy hiểm và các môi trường khắc nghiệt Nó có thể vượt mọi địahình,phục vụ cho nghiên cứu khoa học cũng như phục vụ cho quân sự trong việcquan 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 gâynhiều tiếng 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

2.2.2 Robot shrimp

+ Ưu điểm:

Chuyển động linh hoạt và êm

+ Nhược điểm:

Giới hạn di chuyển ở một số địa hình, cơ cấu cơ khí phức tạp, khó chế tạo, độcứng vững 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

xe tăng do khả năng thích ứng với địa hình và yêu cầu về lực kéo Nguyên nhân

do cơ cấu bánh xích giảm tính trượt và phân bố đều trọng lượng của thiết bị thíchhợp với các bề mặt như cát,đất yếu hay các bề mặt mấp mô.Một điều khác là khi

sử dụng chúng 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 gắntrực tiếp 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 hoặcquay phải

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 vềchuyển động cho robot

+ Ưu điểm:

Các nhánh cơ cấu bánh đai làm tăng chiều dài robot, giúp robot dễ dàng vượtqua các địa hình ghập ghềnh, khe nứt …

+ Nhược điểm:

Tăng độ phức tạp về việc chế tạo và điều khiển, kích thước tăng làm giảm khảnăng 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 ởviệt nam với kích thước cầu thang rộng 35cm, cao 15cm Điểm mấu chốt có thểkhiến robot này leo lên được các bậc cầu thang là cụm bánh xích và các đai răngbánh đai cùng với đó là 2 cặp càng trước càng sau có khả năng nâng lên hạ xuống.Robot có 3 tính 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 giảm phầnphức 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 đượcđiều khiển bằng thiết bị smartphone với hệ điều hành androi thông qua Bluetooth do

đó robot hoạt động chắc chắn, vững vàng có thể rẽ trái, rẽ phải, tạo thăng bằng tốt

và an toàn 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 nhượcđiểm trên một các dễ dàng Vậy nên ta chọn phương án di chuyển cho robot là dichuyển bằng đai

2.3 Giới thiệu về kết cấu cơ khí

 Cụm bánh đai là một cụm kết cấu nhận lực cuối cùng từ động cơthông qua các cơ cấu truyền động để giúp robot có thể di chuyển được Khi robot dichuyển qua các địa hình phức tạp thì trạng thái của cụm bánh sẽ quyết định khảnăng di chuyển của robot Ví dụ như: khi robot vượt qua địa hình đơn giản và bằngphẳng thì robot sẽ hạ thân xuống để có thể di chuyển một cách linh hoạt Nhưng khi

đi vào các địa hình gồ ghề, càng trước robot sẽ được dựng đứng lên, nhằm mục đíchnâng 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 thể vượt qua các địa hình gồ ghề, phức tạp ta chọn bộ truyền xích để truyềnchuyển 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 độngrobot, trong phạm vi đề tài Irobot có thể điều khiển bởi 3 loại động cơ sau: động cơservo, 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 điềukhiển quay hay thẳng điều khiển được tốc độ, và có mạch vòng phản hồi là hệ thốngkín

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 racủa động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vị trí và vận tốc

sẽ được 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

độ đầu ra chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch chođộng cơ đạt được điểm chính xác

- Để lấy tín hiệu phản hồi về và điều khiển chính xác động cơ như mongmuốn, người ta tích hợp một động cơ với một Encoder và một bộ điều khiển.Encoder đo vận tốc 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

lý tín hiệu đó và tiến hành điều khiển động cơ theo 1 thuật toán cho trước

- 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 vàtốc độ của cơ cấu chấp hành

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) DCmotor 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 (sốvòng quay/ phút), và các động cơ DC đều được ứng dụng để làm quạt làm mát máytính, 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 rộngxung (kí hiệu là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật vàtắt các xung điện Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điều khiểnbằng cơ chế 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,mạch điều 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

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.

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

2.4.3.3 Hoạt động

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từngbước tiến nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờcác bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và mộttần số nhất định Tổng số quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũngnhư chiều quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần sốchuyển đổi

Động cơ bước hoạt động dựa trên việc cấp xung, nó không có bộ chuyển mạchbên trong nên tất cả mach đảo phải được điều khiển bên ngoài bằng đồng bộ điềukhiển

Tại mỗi thời điểm sẽ chỉ có một hay hai cuộn dây có điện (tùy vào phươngpháp điều khiển là đầy bước hay nửa bước) Khi trạng thái cấp xung thay đổi thì sẽsinh ra moment 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:

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 dướidạng số

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, bámmục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia côngcắt gọt, điều khiển 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 điềukhiển

- 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 điện rồi

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 tínhiệu 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 độngcủa 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

3.1.3 Khối vi điều khiển (Atmega8)

- Vi điều khiển ATMEGA8 là một dòng vi điều khiển AVR tương đối mạnhcủa 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, bộđịnh thời, bộ chuyển đổi tương tự số…Các khối này có thể được thiết lập một cáchlinh 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 độ25°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 bắtxung

– 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

– Bộ định thời giám sát (watchdog-timer) có thể lập trình với giao động bêntrong chíp

– Bộ so sánh tương tự bên trong chíp

• Các tính năng đặc biệt khác

– Khởi động lại bật nguồn và bộ phát hiện sụt nguồn

– Bộ giao động RC nội đã được căn chỉnh

Hình: Sơ đồ chân Atmega83.1.4 Khối truyền tín hiệu điều khiển

Khi tín hiệu điều khiển đã được xử lý trên tay điều khiển một công việc rấtquan trọng đặt ra là: ta phải truyền tín hiệu điều khiển tới trung tâm xử lý được đặttrên thân xe Để đảm bảo chiếc xe có thể hoạt động linh hoạt trong một phạm virộng lớn, ta chọn phương pháp truyền dữ liệu không dây bằng sóng Rf

Yêu cầu:

- Dữ liệu được truyền đi ở một khoảng cách xa, đa hướng và ở một tần số hoạtđộng cao

- Giảm thiểu tối ta nhiễu khi truyền dữ liệu

- Thông tin dữ liệu truyền đi cần được mã hóa trước khi truyền

- Số bit dữ liệu truyền đi là 8

- Dữ liệu truyền liên tục trong quá trình xe hoạt động

Từ các yêu cầu đặt ra ta sử dụng module Bluetooth có sẵn trên thị trường đểtruyền dữ liệu điều khiển

3.1.5 Động cơ DC

Động cơ là bộ phận quan trọng nhất quyết định khả năng di chuyển của robot

- Đảm bảo công suất ổn định để robot có thể di chuyển dễ dàng và có thể chởthêm tải trọng từ 10-15 (kg) khi di chuyển.

- Động cơ nâng càng phải phải đảm bảo công suất để nâng toàn bộ robot

- Hoạt động ổn tịnh và có tuổi thọ cao