ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢNLỜI NÓI ĐẦU Trong sự phát triển của ngành kỹ thuật điện tử ngày nay, vi điều khiển đang dần chiếm ưu thế về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị dâ

ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự phát triển của ngành kỹ thuật điện tử ngày nay, vi điều khiển đang dần chiếm ưu thế về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị dân dụng cũng như chuyên dụng Ngoài ra, vi điều khiển cũng được phổ biến trong lĩnh vực đo lường điều

khiển, vv

Trên cơ sở những kiến thức đã học Chúng em quyết định chọn, thiết kế và thi công đề tài: “ Thiết kế và thi công Robot tự hành tránh vật cản ” dùng arduino để hiểu rõ hơn cũng như các ứng dụng thực tiễn của nó trong tương lai Do kiến thức còn hạn hẹp và lần đầu thiết kế Mặc dù đã cố gắng khắc phục những khuyết điểm, nhưng chúng em không thể tránh khỏi sai sót và nhiều hạn chế Tập thể nhóm chúng em mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô để chúng em khắc phục sai sót mắc phải trong đồ án tốt nghiệp sau này Một lần nữa, chúng em xin chân thành cám ơn thầy Ths.Vũ Đức Vương và các thầy cô bộ môn cơ điện tử đã giúp chúng em thiết kế và hoàn thành đề tài MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN 1

1.1 Tổng quan về Robot tự hành tránh vật cản 1

1.1.1 Tình hình phát triển 1

1.1.2 Yêu cầu công nghệ và nhu cầu thực tế 2

1.1.3 Ưu, nhược điểm của robot tự hành tránh vật cản 2

1.1.4 Ứng dụng của robot tự hành 3

1.2 Thông số kỹ thuật cần đạt được 5

1.3 Thông số kỹ thuật và mô hình chức năng 5

1.4 Kết luận 6

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 7

2.1 Thiết kế sơ bộ hệ thống cơ khí và lựa chọn các bộ truyền cơ khí 7

2.1.1 Tính toán động cơ 7

2.1.2 Mô hình đơn giản của xe tự hành 7

2.1.3 Tính chọn công suất động cơ 7

2.1.4 Chọn các thiết bị đi kèm 9

2.2 Thiết kế các chi tiết cơ khí 10

2.3 Kết Luận 14

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN, ĐIỆN TỬ 15

3.1 Chọn phương án thiết kế 15

3.2 Lựa chọn linh kiện 15

3.3 Sơ đồ nguyên lý 21

3.4 Kết luận 21

CHƯƠNG 4 THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 22

4.1 Thi công sản phẩm 22

4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh 22

ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

PHỤ LỤC 25

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRÁNH VẬT CẢN1.1 Tổng quan về Robot tự hành tránh vật cản

1.1.1 Tình hình phát triển

Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất côngnghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tụclàm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi trường độchại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điệnthoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiên những robotnày có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Không gian làm việc củachúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng Ngược lại, các Robot tựhành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau

Robot tự hành tránh vật cản có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà khôngcần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môitrường xung quanh Robot tự hành tránh vật cản ngày càng có nhiều ý nghĩa trong cácngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của conngười Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành tránh vật cản ngày càng cókhả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng

có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đạidương, robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế,robot tự hành tránh vật cản tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu

Vấn đề của robot tự hành tránh vật cản là làm thế nào để robot tự hành tránh vậtcản có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra Vấn đề đầutiên là di chuyển, Robot tự hành tránh vật cản nên di chuyển như thế nào và cơ cấu dichuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chếtạo Robot tự hành tránh vật cản Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot tự hành tránh vậtcản có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:

- Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot tự hành tránh vật cản có khả năng điều hướng ởtốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ởmối trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài Loại robot này yêu cầu khả năngtính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiểnrobot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp

- Hướng thứ hai: nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành tránh vật cản chỉdùng để hoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot tự hành tránh vật cản này cókết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản

Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành tránh vật cản được chia làm 2 loại: bài toántoàn cục (global) và bài toán cục bộ (local) Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robothoàn toàn xác định, đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước Ở bài toán cục bộ, môitrường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần Các cảm biến và

thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp

nó đi tới được mục tiêu

Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành tránh vật cản thường khônggiống như các loại robot khác Để có thể điều hướng cho Robot tránh vật cản , quyết địnhtheo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến,hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹthuật lập kế hoạch ngoại tuyến Robot tự hành tránh vật cản phải có khả năng tự quyếtđịnh về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiệnnhiệm vụ nhất định

Điều hướng cho robot tự hành tránh vật cản là công việc đòi hỏi phải thực hiệnđược một số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ nhưhoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụnhư khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản

đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năngthiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năngthích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động

1.1.2 Yêu cầu công nghệ và nhu cầu thực tế

Trong các nhà xưởng, người công nhân bị gò bó bởi năng suất lao động, vì vậyrobot tự hành tránh vật cản là một giải pháp nhằm cung cấp nguyên liệu từ nhà kho đếntay người công nhân, giúp giảm nhân công, tăng năng suất Tùy theo loại nguyên liệu cóđặc thù, khối lượng, kích thước khác nhau mà khi thiết kế người ta căn cứ vào đó và đưa

và các thông số đều nhỏ hơn thực tế

Kết quả của nhóm là một robot tự động có khả năng di chuyển tự do trong môitrường có vật cản

Đề tài thiết kế và chế tạo robot tự hành tránh vật cản chủ yếu giúp cho sinh viênlàm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ năng lập trình, phương pháp tự thập dữ liệu từcác cảm biến sensor, điều khiển động cơ, hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống và cácmạch phụ trợ khác

1.1.3 Ưu, nhược điểm của robot tự hành tránh vật cản

 Ưu điểm

- Không gây ô nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc

- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng trong các nhà máy xí nghiệp

- Giá thành không quá đắt

 Nhược điểm

- Không thể leo bậc thang có chiều cao quá 1/2 bán kính bánh xe

- Thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau

1.1.4 Ứng dụng của robot tự hành.

- Robot có thể làm việc trong môi trường độc hại

- Ứng dụng của robot tự hành trong các nhà máy

Hình 1.1 Robot tự hành trong nhà máy

- Ứng dụng của robot tự hành trong các siêu thị

Hình 1.2 Robot tự hành trong siêu thị

- Ứng dụng của robot tự hành trong lĩnh vực cuộc sống.

Hình 1.3 Robot tự hành Gita tự chạy theo chủ nhân

- Ứng dụng của robot tự hành trong lĩnh vực khoa học vũ trụ

Hình 1.4 Robot mang theo các thiết bị trong lĩnh vực khoa học vũ trụ

- Robot được di chuyển theo các theo vạch mầu đã được thiết kế sẵn dưới nền nhà xưởng đển các vị trí yêu cầu thực hiện các thao tác tiếp theo

Hình 1.5 Hình ảnh minh họa robot đưa thức ăn

1.2 Thông số kỹ thuật cần đạt được

 Yêu cầu kỹ thuật của khách hàng:

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật khách hàng đưa ra.

 Yêu cầu kỹ thuật chung tự đặt ra để giải quyết các yêu cầu khách hàng đưa ra

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật đặt ra.

ST

1 Xác định tải trọng chính xác của xe khi có các thiết bị đi

kèm: Hình dạng xe cần thiết kế >15kg

2 Đưa ra công suất cho động cơ

3 Thời lượng pin cho sản phẩm

4 Vật liệu sử dụng làm khung

5 Chiều dài tối thiểu của xe để lắp được các thiết bị

1.3 Thông số kỹ thuật và mô hình chức năng

Cấu trúc robot tự hành tránh vật cản:

Cấu trúc của xe gồm:

 Hai bánh xe sau được nối với hai motor truyền động cho xe

 Hai bánh xe dẫn hướng

 Bo mạch chủ dùng arduino để tiếp nhận tín hiệu từ sensor và phát lệnh

 Hệ thống tránh vật dùng 3 cảm biến siêu âm

Yêu cầu:

 Hệ thống gồm 2 khối nguồn 9v và 12v được cung cấp ổn định để có thế hoạt động trongmột khoảng thời gian cho phép tối đa là 2h đồng hồ Khi phải thay nguồn mới hoặc nạpnăng lượng cho robot phải được thay thế nhanh chóng và dễ dàng

Sử dụng động cơ DC giảm tốc 12v

Bộ điều khiển được gắn trực tiếp trên xe.

1.4 Kết luận

Từ sơ đồ kết nối và các thông số dự kiến ta đi xây dựng giải thuật điều khiển vàthiết kế từng module theo kết cấu đã hoạch định

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ2.1 Thiết kế sơ bộ hệ thống cơ khí và lựa chọn các bộ truyền cơ khí

1 Mô hình hóa về dạng sơ đồ đơn giản ?

2 Tính công suất động cơ? biết hệ số ma sát trục k 1 0.0015, hệ số ma sát của

bánh xe với nền k 2 0.012, xe có thể tăng tốc từ 0 => 0.5(m/s) trong 2(s), hệ số an toàn

SF=1.5, hiệu suất EF=0.8

2.1.2 Mô hình đơn giản của xe tự hành

Hình 2.1 Mô hình xe tự hành

2.1.3 Tính chọn công suất động cơ

Momen do ma sát với ổ gây ra:

1 2 2

1 8 .1

8 2

t ms

10 15 8 10

8 0.0015 9.81 1.4715 10

t ms

 

3

5 1

1

1.4715 10

2.943 10 50

t

dc ms ms

10 15 100 10

4 0.012 9.81 0.147

t ms

 Momen do ma sát với nền quy về trục động cơ:

 

3 2

2

0.147

2.94 10 50

t

dc ms ms

t dc

0.5

w 10( / )

(100 10 )2

- Cỡ trục: 6mm.

- Bề rộng: 14mm

- Chất liệu: Viền cao su ma sát tốt

- Khối lượng tải : 25kg

Hình 2.3 Bánh xe V7

 Chọn bánh dẫn hướng

Hình 2.4 Bánh xe dẫn hướng

2.2 Thiết kế các chi tiết cơ khí

Vật liệu làm xe là nhựa mika dày 5mm

Các chi tiết chính:

- Tấm thân xe

Hình 2.5 Tấm thân xe

 Thiết kế sơ bộ phần cơ khí gồm: Thân xe, 2 bánh dẫn hướng, 2 bánh chính, 2 động cơ

`

Hình 2.6 Sơ bộ tổng thể hệ thống cơ khí

 Tổng hợp các chi tiết phần cứng cần khi thiết kế

Hình 2.7 Hình ảnh bóc tách các chi tiết Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên vật liệu cơ khí

lượng Chế tạo Mua /

- Công suất: 20W

- Khối lượng tải : 25kg.

Sau khi hoàn thành phần thiết kế cơ khí ta chuyển sang thiết kế hệ thống điện, điệntử.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN, ĐIỆN TỬ3.1 Chọn phương án thiết kế

Bo mạch chủ dùng arduino để tiếp nhận tín hiệu từ sensor và phát lệnh điều khiểnhoạt động của xe

Hình 3.1 Sơ đồ khối

 Chức năng của từng khối:

 Cảm biến (sensor) cảm nhận những đại lượng điện và không điện, chuyển đổichúng trở thành những tín hiệu điện Phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu

 Bộ xử lý ( processor) nhận tín hiệu từ cảm biến, sau đó xử lý chuyển đổi tín hiệuđưa đến modul kích chuyển động

3.2 Lựa chọn linh kiện

 Mạch arduino uno R3

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác vớinhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn

mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vàoanalog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Hình 3.2 Hình ảnh về mạch vi xử lý Arduino uno R3

Thông số kỹ thuật:

Microcontroller(Chip sử dụng) : ATmega328

Operating Voltage: 5V

Input Voltage (recommended): 7-12V

Input Voltage (limits): 6-20V

Digital I/O Pins: 14 (of which 6 provide PWM output)

Analog Input Pins: 6

DC Current per I/O Pin: 40 mA

DC Current for 3.3V Pin : 50 mA

Flash Memory: 32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloaderSRAM: 2 KB (ATmega328)

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Clock Speed: 16 MHzXung nhịp: 16MHz

 Module Cảm Biến Siêu Âm SRF05

- 5 chân: VCC / Trige / Echo / OUT / GND

- Điện áp hoạt động : +5V DC

- Khoảng cách: 2cm - 450cm

- Không nên đo dưới khoảng cách 0,3 cm

Hình 3.3 Cảm biến siêu âm SRF05

 Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)

 Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

 Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino có thể chơi đến 40mA nên khỏe

re nhé các bạn)

 Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)

 Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃

Hình 3.4 Mạch cầu L298N

L298N gồm các chân:

 12V power, 5V power Đây là 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ

o Bên cạnh đó có jumper 5V, nếu bạn để như hình ở trên thì sẽ có nguồn 5V

ra ở cổng 5V power, ngược lại thì không Bạn để như hình thì ta chỉ cần cấpnguồn 12V vô ở 12V power là có 5V ở 5V power, từ đó cấp cho Arduino

 Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho Động cơ

 2 Jump A enable và B enable, để như hình, đừng rút ra bạn nhé!

 Gồm có 4 chân Input IN1, IN2, IN3, IN4 Chức năng các chân này tôi sẽ giải thích

ở bước sau

 Output A: nối với động cơ A bạn chú ý chân +, - Nếu bạn nối ngược thì động cơ

sẽ chạy ngược Và chú ý nếu bạn nối động cơ bước, bạn phải đấu nối các pha chophù hợp

- Nhiệm vụ: Mạch Giảm Áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh đượcdòng ra đến 3A LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 9vvào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V

Hình 3.5 Mạch giảm áp LM2596

Thông số kỹ thuật:

 Module nguồn không sử dụng cách ly

 Nguồn đầu vào từ 4V - 35V

 Nguồn đầu ra: 1V - 30V

 Dòng ra Max: 3A

 Kích thước mạch: 53mm x 26mm

 Đầu vào: INPUT +,

INPUT- Đầu ra: OUTPUT+,

Hình 3.8 Ắc quy 12v

Dung lượng & Kích thước:

- Dung lượng: 12V - 3.5Ah (10HR)

- Kích thước (mm): 112 x 70 x 85 (dài x rộng x cao)

Bảng 3.1 Tổng hợp nguyên vật liệu điện, điện tử.

Các modul hoàn thành theo đúng thiết kế, hoạt động ổn định theo các thông số đề

ra Sau khi hoàn thành phần cơ khí và điện, điện tử, ta tiến hành thi công lắp ráp sản phẩm

CHƯƠNG 4 THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM4.1 Thi công sản phẩm

Hình 4.1 Hình ảnh tổng hợp các chi tiết linh kiện

4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh

Hình 4.2 Sản phẩm hoàn chỉnh

ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM

 Quá trình thực hiện đã hoàn thành những nhiệm vụ sau:

- Thiết kế khung cơ khí hoàn chỉnh

- Thiết kế điện, điện tử, mô phỏng và thi công mạch chạy ổn định

- Tự hành và tự tránh vật cản trên đường đi

 Tuy nhiên mạch còn một số hạn chế như:

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[6] TS Phạm Thành Long, Bài giảng Robot công nghiệp, Thái Nguyên 2014.

[7] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ

thuật Hà Nội 2006