Thiết kế và chế tạo Robot tự xác định quỹ đạo

Không thể phủ nhận máy móc ngày càng có vai trò quan trọngđối với khắp các lĩnh vực của đời sống, máy móc đã thay thế con người ởnhiều công việc, nhiều công đoạn trong dây chuyền sản xuấ

LỜI CẢM ƠN

Bằng lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận

tình, đầy trách nhiệm của Thạc sĩ Ngô Trọng Tuệ, khi tôi thực hiện đề tài

nghiên cứu khoa học của mình

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Quang Huy cũng như các

bạn sinh viên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi và có những đóng góp quý báu đểtôi hoàn thành đề tài khoá luận tốt nghiệp này

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010

Sinh viên

Dương Văn Thảo

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài khoa học này được thực hiện duới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Ngô Trọng Tuệ Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong đề tài này

là do công sức của bản thân tôi, kết quả này không trùng với các kết quả củabất kỳ tác giả nào đã được công bố

Một số dẫn liệu trong đề tài tôi xin phép tác giả được trích dẫn để bổsung cho báo cáo của mình

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội , ngày tháng năm 2010

Sinh viên

Dương Văn Thảo

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Trong thời đại bùng nổ của khoa học kĩ thuật, việc ứng dụng tự độnghoá vào trong các lĩnh vực của đời sống không còn là việc xa lạ đối với mỗingười dân nữa Không thể phủ nhận máy móc ngày càng có vai trò quan trọngđối với khắp các lĩnh vực của đời sống, máy móc đã thay thế con người ởnhiều công việc, nhiều công đoạn trong dây chuyền sản xuất, góp phần nângcao rất nhiều năng xuất lao động Xã hội không ngừng phát triển, kéo theo nó

là nhu cầu của con người cũng không ngừng tăng lên Điều đó đặt ra nhữngyêu cầu và thách thức không nhỏ đối với tất cả các lĩnh vực và ngành nghề.Trong đó, phải kể đến ngành công nghệ chế tạo, phải thiết kế và chế tạo ranhững cỗ máy tự hành có trí tuệ nhân tạo dưới sự lập trình của con người, làmviệc độc lập Đó là những công việc của Robot

Robot làm được tất cả các công việc, đặc biệt trong những môi trườngkhắc nghiệt mà con người không thể thực hiện được Đó là khám phá nhữngdiễn biến trong lòng núi lửa đang hoạt động, những bí ẩn dưới đáy biển sâuhay ngoài vũ trụ bao la… thì các Robot sẽ làm việc đó

Robot là những người máy thông minh, việc chế tạo ra nó là mục đíchcủa không những nhà khoa học, các quốc gia trên thế giới quan tâm mà còncủa cả những bạn trẻ yêu thích khoa học và công nghệ mới say sưa tìm hiểu

và chế tạo

Việc nghiên cứu và chế tạo Robot đối với sinh viên trường Sư phạm HàNội 2 chỉ mới bắt đầu được hiện thực hoá trong vài năm trở lại đây Tuy đãđạt được những thành công bước đầu, song còn đó những băn khoăn, trăn trở

những dự định phía trước Làm thế nào để thôi thúc các bạn trẻ những sinhviên khoá mới của trường Đặc biệt là sinh viên khoa Vật lý có niềm đam mênghiên cứu và chế tạo Robot Làm thế nào để Robot trường Sư phạm Hà Nội

2 có thể sánh ngang với Robot của các trường có truyền thống trong nước,tiến tới một mục tiêu xa hơn là tầm châu lục và thế giới Quan trọng hơn làviệc ứng dụng Robot vào thực tiễn phục vụ cuộc sống

Để thiết kế được một Robot thì ngoài cơ cấu cơ khí - bộ xương và hìnhhài của Robot, các mạch điện tử đóng vai trò như dây thần kinh và mạch máucho robot, mắt của Robot chính là các cảm biến ánh sáng giúp robot có thểgiao tiếp với môi trường xung quanh, xác định vạch, tìm đường, tránh vậtcản…

Việc nghiên cứư và chế tạo Robot là một công việc hết sức mới mẻ vàphức tạp nhưng cũng đầy lí thú, qua đó nó có thể giúp chúng ta tăng cườnghiểu biết và chiếm lĩnh công nghệ mới ứng dụng vào chính thực tiễn cuộcsống của chúng ta

Với mục tiêu đó trên cơ sơ những thành tựu trong nghiên cứu và chếtạo Robot đã đạt được của các anh chị K31 - SPKT Vì vậy, tôi quyết định

chọn việc “Thiết kế và chế tạo Robot tự xác định quỹ đạo” làm đề tài nghiên

cứu khoá luận của mình

2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế robot quỹ đạo phục vụ công tác giảng dạy và ứng dụng vàomột số công tác khác trong đời sống

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo cơ khí, xây dựng mạch điện và làm rõ cơ chế vànguyên lí làm việc

Chế tạo và lắp giáp thành công robot quỹ đạo

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu và chế tạo Robot quỹ đạo.

5 Phương pháp nghiên cứu.

Vận dụng lí thuyết và thực hành

6 Đóng góp của đề tài

Đề tài mang lại cho các bạn sinh viên, học sinh tài liệu lí luận và thựctiễn bước đầu về nghiên cứu và chế tạo Robot Trên cơ sở đó, phát triển vàđưa Robot vào ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống

NỘI DUNGChương 1 VAI TRÒ CỦA TỰ ĐỘNG HOÁ TRONG ĐỜI SỐNG

1.1 Vai trò của tự động hoá trong đời sống

Lịch sử tự động hoá ra đời cách đây chưa lâu, nhưng vai trò to lớn của

nó thì ngày càng sâu rộng trong khắp các lĩnh vực của đời sống xã hội Nhìnvào thực tế để thấy rằng: mỗi tình huống trong sinh hoạt hằng ngày của chúng

ta, đều có liên quan đến một vài loại điều khiển tự động: máy nướng bánh,máy giặt, hệ thống audio - video Vậy vai trò cụ thể của tự động hoá như thếnào đối với đời sống của chúng ta?

Sự ra đời của Động cơ đốt ngoài sau đó là Động cơ đốt trong đã đánhdấu bước ngoặt quan trọng trong sản xuất, cơ khí hoá nền sản xuất kéo theo

nó là thành quả to lớn về năng xuất, chất lượng sự đa dạng mẫu mã mặthàng…Nhưng tất cả chưa là gì hết nếu đem so sánh với kết quả năng xuất đạtđược kể từ khi tự động hoá ra đời Ưu điểm nổi trội của nó là năng xuất, chấtlượng, độ chính xác cao và giảm tiêu hao sức lao động, thậm trí các máy móc

đã thay thế con ngưòi làm việc trong những điều kiện khắc nhiệt nhất mà ở đócon người không thể làm việc được Chính vì vậy, ngày nay trong hầu hết cácngành kinh tế, kỹ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng kỹ thuật

tự động hoá Có thể nói, tự động hoá đã làm thay đổi diện mạo nhiều ngànhsản xuất, dịch vụ Ở nhiều nước đã xuất hiện những nhà máy không có người,văn phòng không có giấy Khắp nơi đã bắt gặp những thuật ngữ như:Thương mại điện tử, Chính phủ điện tử, Máy thông minh, Thiết bị thôngminh Máy móc đã thay thế con người ở rất nhiều công việc, những công

đoạn Từ khâu thiết kế đến khâu đóng gói sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất rồi kiểm soát công cụ … góp phần nâng cao năng xuất lao động.

Tự động thiết kế CAD không chỉ cần thiết kế sản phẩm, mà còn dùng

để mô phỏng, tính toán, phân tích, so sánh Bộ chương trình máy tính EPC(Engineering, Procurement, Construction - thiết kế kĩ thuật, mua sắm, xâylắp), một công cụ đắc lực giúp việc trở thành “tổng thầu”, cũng là một loạichương trình CAD Ngày nay, người ta rất quan tâm đến một dạng phát triểnnữa của CAD Đó là CAE (Computer Aide Engineering) CAE dùng để phântích kĩ thuật và tìm lời giải hợp lí nhất ngay trong giai đoạn thiết kế Ví dụ:khi thiết kế khuôn ép nhựa, bên cạnh việc sáng tạo dáng hình học chính xáccòn cần phải mô phỏng để phân tích quá trình sẽ xẩy ra trong khi phun épnhựa nóng Từ đó, có thể chọn phương án liên quan đến đầu phun, đến độ congót Để sản phẩm không bị biến dạng, cong vênh sau khi ép xong Mộtdạng phát triển nữa của CAD là công nghệ tạo mẫu nhanh RPT (RapidPrototyping Technology) Theo công nghệ này, các thông tin về sản phẩmđược thiết kế trên máy tính và sẽ chuyển trực tiếp sang thiết bị RPT để tạongay ra mẫu vật 3 chiều Vì thế, người ta còn gọi đây là máy in 3D (ThreeDimetionPrinter)

Như vậy, chỉ riêng một vấn đề nhỏ của kỹ thuật tự động hoá, CAD đã

có thể làm thay đổi nhiều quá trình sản xuất Khi mới ra đời, CAD đã đượcmột cơ quan khoa học của Mỹ đánh giá như một công nghệ mới “làm tăngnăng suất lên gấp bội, mà chưa công nghệ nào đạt tới” Đồng thời, dẫn ra ví

dụ minh hoạ về việc rút ngắn thời gian thiết kế một chiếc máy bay từ 1,5 nămvới hơn 1 ngàn kĩ sư, xuống còn vài tuần với một nhóm nhỏ kỹ sư

Một ứng dụng nữa của kĩ thuật tự động hoá là có thể dùng máy tínhtrực tiếp điều khiển đến từng thiết bị, từng dây chuyền sản xuất cũng như toàn

bộ hệ thống sản xuất Từ việc điều khiển số NC (Numerical Control), điều

khiển bằng máy tính CNC (Computer Numerical Control) cho đến việc ứngdụng các “máy tính nhúng” trong các bộ điều khiển các thiết bị, là một bướcđường dài của sự phát triển làm tăng sự ổn định và hiệu quả sử dụng lên rõrệt.

Một trong những đặc trưng của trình độ tự động hoá hiện đại là mức độ

xử lí thông minh trong các tình huống xảy ra ở quá trình công nghệ Vì vậy,cần có những sensor tinh xảo để nhận biết về các tình huống đó Ngày nay,trên cơ sở những thành tựu của hệ thống tích hợp khoa học Micro và Nano(Micro Nanoscience Integrated Systems) nhiều tổ hợp các sensors tạo ra cáccụm cảm biến đa năng, cho phép nhanh chóng nhận thức môi trường và tìnhhuống từ nhiều thông tin cùng một lúc

Chưa hết, một sản phẩm điển hình được ứng dụng của tự động hoá đóchính là Robot Robot có thể làm được tất cả những công việc trong nhữngmôi trường mà con người không thể thực hiện được Đó là: khám phá nhữngdiễn biến trong lòng núi lửa đang hoạt động, hay những bí ẩn dưới đáy biểnsâu Xa hơn nữa là những Robot thám hiểm ngoài vũ trụ bao la nơi mà cònnguời không thể đặt chân đến… thì Robot sẽ làm việc đó Thậm trí, nhữngchú Robot thân thiện như nguời máy Asimô còn có thể nói chuyện giao tiếpvới con nguời

Vài nét đặc trưng của ngành tự động hoá hiện đại vừa điểm qua càng tôđậm vai trò chủ đạo của nó trong nền kinh tế kĩ thuật hiện đại

Ngày nay, nhiều người đã thừa nhận rằng: nói đến công nghiệp hoá,hiện đại hoá không thể không nói đến tự động hoá Mà linh hoạt hoá là mộttrong những tiêu chí quan trọng để đánh giá hệ thống tổ chức sản xuất, đápứng yêu cầu cạnh tranh khốc liệt trên thị trường Những bước đi từ số hoá đếnmáy tính hoá hệ thống sản xuất, dịch vụ ngày càng thực hiện theo con đườngmềm hoá, linh hoạt hoá để thích nghi với thị trường biến động Hệ thống sản

xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems) trở thành biểu tượngcho nền sản xuất hiện đại Hệ thống sản xuất tự động này, cho phép đáp ứngnhanh với yêu cầu thay đổi mẫu mã và đặc tính kĩ thuật của sản phẩm trongthị trường cạnh tranh Hệ thống FMS cũng rất thích hợp với quy mô sản xuấtvừa và nhỏ Hệ thống sản xuất tích hợp với máy tính CIM (ComputerIntegrated Manufacturing) trở thành cốt lõi cho hệ thống quản lý công nghệ

và kinh tế của các doanh nghiệp hiện đại Như vậy, càng ngày tự động hoácàng nổi lên với vai trò chủ đạo, dẫn dắt nhiều ngành kinh tế kĩ thuật pháttriển

Bản thân tự động hoá là một liên ngành, nó không thuộc một ngànhkinh tế kĩ thuật riêng biệt nào Nhưng lại có mặt ở hầu hết các ngành kinh tế

kỹ thuật Nếu hình ảnh “máy tính nhúng” (embeded) trong từng thiết bị vàtrong cả doanh nghiệp hiện đại là một hình ảnh đẹp đã phổ biến khắp nơi, thìcũng có thể nói rằng: ngày nay tự động hoá đã “nhúng” trong hầu hết cácngành kinh tế kĩ thuật

Những khả năng kì diệu mà tự động hoá đem lại, cũng đòi hỏi khi đemvào ứng dụng cho hệ thống thiết bị hay cho dây chuyền sản xuất nào đó.Những kỹ thuật viên phải am hiểu quy trình công nghệ cụ thể, phải nhận biếtđược các thông số của quá trình để đặt đúng chỗ, đúng lúc các loại sensorshợp lý Phải điều khiển được từng thiết bị và cả hệ thống, không những là hệthống quản lý công nghệ, mà cả hệ thống quản lý sản xuất

Trong lĩnh vực đời sống sự ra đời của máy giặt đã nhẹ bớt gánh nặnglao động, tiết kiệm thời gian, tiết kiệm chất tẩy rửa Góp phần mang lạinhững niềm vui, hạnh phúc cho con người

Trong lĩnh vực ngân hàng, sự ra đời của máy rút tiền tự động hay máygiao dịch tự động (còn được gọi là ATM, viết tắt của Automated TellerMachine hoặc Automatic Teller Machine trong tiếng Anh) đã mang lại rất

nhiều tiện ích Hãy tưởng tượng nếu bạn đi xa cần phải mua sắm nhiều thứ,bạn phải chi một khoản tiền khá là lớn sẽ thật bất tiện khi cầm theo khoản tiền

đó Với một thiết bị ngân hàng giao dịch tự động với khách hàng, thực hiệnviệc nhận dạng khách hàng thông qua thẻ ATM (thẻ ghi nợ, thẻ tín dụng) haycác thiết bị tương thích và giúp khách hàng kiểm tra tài khoản, rút tiền mặtchuyển khoản, thanh toán tiền hàng hóa dịch vụ sẽ tiện lợi hơn nhiều

Trong thám hiểm đại dương bao la và vũ trụ vô tận, Robot chính là giảipháp và cách thức để con người có thể khám phá, tìm hiểu những nơi mà conngười không thể đặt chân tới Qua đó, chúng ta có thể tìm ra câu trả lời chobài toán tự nhiên mà cùng với lịch sử loài người đang không ngừng tìm kiếmnó

Trên đây, chúng ta mới chỉ đề cập một vài những ứng dụng có tính thời

sự của tự động hóa trong đời sống và công nghiệp Ngoài ra, chúng ta cònphải kể tên tới vai trò của tự động hóa trong các lĩnh vực khác nữa như: y tế,cứu hỏa, bảo trì, dân dụng…

Tóm lại, tự động hoá có mặt ở hầu hết các ngành kinh tế kĩ thuật, có vị

trí chủ đạo trong sự phát triển của các ngành đó Có thể nói một cách hình ảnh

là, tự động hoá đã “nhúng” phổ biến trong quản lý công nghệ, quản lý sảnxuất và quản lý hành chính Tự động hoá là cầu nối để các thành tựu của côngnghệ thông tin biến thành hiện thực trong sản xuất và trong đời sống xã hội

Tự động hoá phải am hiểu từng ngóc ngách, đến toàn thể quá trình công nghệ

tự động hoá phải tiếp cận từ hệ thống toàn cục, đến từng chi tiết cụ thể

Vì những lí do nói trên, chúng ta càng thấy rõ vai trò chủ đạo trong việcđào tạo của tự động hoá trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đấtnước Trong những năm gần đây, nước ta cũng đã đạt được nhiều thành tựubước đầu trong việc áp dụng tự động hoá trong công nghiệp và dịch vụ Hy

vọng rằng: trong xu thế đổi mới và hội nhập, tự động hoá sẽ có nhiều bước tiến mạnh mẽ hơn nữa.

1.2 Các Robot hiện nay được sử dụng trong thực tế

Có rất nhiều các Robot được sử dụng trong thực tế, sau đây chúng ta sẽ

kể ra một số loại Robot điển hình:

* Robot thám hiểm

Cơ quan NASA thường xuyên gửi các thiết bị thăm dò tự động đểnghiên cứu các hành tinh và hệ Mặt Trời Các thiết bị này bay qua hệ MặtTrời truyền thông tin hình ảnh của các hành tinh và vệ tinh về Trái Đất Tàuthăm dò Vikinh được gửi lên sao Hỏa để tìm kiếm dấu hiệu của sự sống vàgửi hình ảnh về trái đất Một trong những thành công gần đây của Robot thámhiểm không gian là thiết bị Mars Pathfinder - thiết bị tìm đường

Mars Pathfinder

Tàu Mars Pathfinder gồm thiết bị đổ bộ và xe tự hành, được giải phóng

từ Trái Đất tháng 12 năm 1996, đến sao Hỏa ngày 4/7/1997

Tàu Mars Pathfinder không bay theo quỹ đạo quanh sao hỏa, trực tiếp

đi vào khí quyển sao hỏa với tốc độ 7.6 km/s, hạ cánh trên bề mặt sao Hỏa tạikhu vực Ares Vallis Đây là, miệng núi lửa cổ, có thể có nhiều loại đá trongtầm với của xe tự hành Các loại đá tập trung ở đây, bị trôi xuống từ sườn núi,

từ thời kì sao Hỏa có nước Tàu đổ bộ mở các cánh pin Mặt Trời xe tự hànhtách khỏi tàu Xe tự hành này có tên là Sojourner Đây là thế hệ thiết bị thăm

dò tự động mới có kích thước nhỏ gọn, tính tự đông cao, tiêu tốn rất ít nănglượng

Thiết bị đổ bộ và xe tự hành đều có hệ thống tạo hình ảnh Stereo Xe tựhành có phổ kế tia - X, Alpha proton, được dùng để xác định thành phần đá.Thiết bị đổ bộ thực hiện các quan sát khí quyển và khí tượng, có trạm vôtuyến để gửi thông tin về trái đất

Xe tự hành Sojourner được điều khiển từ mặt đất Do sự trễ thời giangiữa các tác động điều khiển trên mặt đất và đáp ứng của xe khoảng 6 - 41phút tùy theo vị trí tương đối của Trái Đất và sao Hỏa, trên xe có hệ thốngphần mềm được lập trình, cho phép điều khiển xe theo chế độ tự động.

* Robot công nghiệp

Robot là thành phần không thể thiếu trong các ngành công nghiệp chếtạo Ví dụ: các Robot hàn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô.Robot sơn chuyên dùng để sơn phun tự động nhiều loại chi tiết Công nghệpbán dẫn dùng các Robot để hàn các vi mạch, lắp các mạch tích hợp lên cácbản mạch in

Các Robot này thực hiện các chuyển động chính xác và lặp lại liên tục.Kiểu công việc này thường gây mệt mỏi và nhàm chán đối với công nhân, dẫnđến các sai sót và giảm năng xuất lao động Robot là lí tưởng cho các côngviệc đó, chúng nhanh hơn chi phí thấp hơn, độ chính xác cao hơn, và không bịmệt mỏi Do đó, đảm bảo chất lượng sản phẩm, năng xuất lao động và tăngtính cạnh tranh

* Robot bảo trì

Robot bảo trì được thiết kế đặc biệt để đi vào các đường ống, cốngnước thải ống điều hòa không khí và nhiều loại hệ thống khác Với cameraRobot có thể truyền hình ảnh cho các bộ phận điều khiển và kiểm tra Khiphát hiện hư hỏng, người điều khiển có thể sử dụng Robot để thực hiện sửachữa nhỏ một cách nhanh chóng và hiệu quả

* Robot cứu hỏa

Loại Robot này có hệ thống cảm biến nhanh chóng phát hiện khói hoặclửa, di chuyển đến nơi cháy và dập lửa Robot cứu hỏa được trang bị trong cácnhà máy, các xưởng sản xuất các tòa nhà công cộng, các khu vực dễ cháy, cácnhà máy lọc dầu…

* Robot y khoa

Robot y khoa được chia thàn ba nhóm:

Thứ nhất: Các Robot xét nghiệm và chẩn đoán Ví dụ, loại Robot có

tên Papnet,có thể phát hiện tế bào ung thư nhanh chóng và chính xác hơn hẳnnhân viên phòng thí nghiệm

Thứ hai: Các robot giải phẫu Loại Robot này có các bộ phận cảm

biến lực hồi tiếp chuyển các động tác của bác sĩ ở xa thành các thao tấc giảiphẫu Bác sĩ ở nơi này có thể tiến hành giải phẫu ở nơi khác cách xa hànhtrăm cây số

Thứ ba: Các Robot sử dụng cộng nghệ hiện thực ảo Diễn dịch các

thao tác của bác sĩ thành các chuyển động chính xác của cánh tay Robot, chophép thực hiện các cuộc vi giải phẫu mà trước đây không thể thực hiện

* Robot quốc phòng

Một trong các lĩnh vực ứng dụng Robot là quốc phòng Nhiều loại máybay không người lái, nhiều loại thiết bị thăm dò dưới nước trên đất liền, có thểhoạt đông với sự điều khiển từ xa hoặc lập trình sẵn chúng là những Robottrong chiến tranh hiện đại

* Robot dân dụng

Các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo nhiều loại: Robot dândụng, Robot dẫn đường cho người khiếm thị, Robot giúp việc nhà, phục vụ.Ngoài ra, còn có loại Robot mô phỏng vật nuôi trong nhà như chó Robot

Ngày nay, Robot được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực từ nghiêncứu khoa học, sản xuất cho đến trong gia đình Nghiên cứu và phát triểnRobot không chỉ là việc của các nhà khoa học mà còn là nơi chứng tỏ sự sángtạo và khéo tay của các bạn

Tín hiệu ra từ IC LM 324 được đưa vào IC 4001 để đảo mức tín hiệu tínhiệu ra được đưa vào chân vi điều khiển.

Biến trở 10k đóng vai trò tạo điện áp ngưỡng và tinh chỉnh độ nhạy củasensor

Đèn led 1 và led 2 có tác dụng báo hiệu khi sensor gặp vạch trắng

Khi hoạt động, led chiếu sáng xuống sân, chùm tia sáng chiếu xuốngnền sân tối màu có thể là mầu đen, xanh thẫm…Ánh sáng bị hấp thụ Cdskhông nhận được chùm tia phản xạ, điện trở bằng vô cùng, tín hiệu ra

LM 324 là mức 1, qua IC 4001 đảo về mức 0, led báo không sáng Tín hiệuvào vi điều khiển là mức 0

Robot đi lệch hướng hay qua vạch trắng ( giả sử lệch phải: sensor beenphải lấn vào vạch trắng ) thì màu trắng của vạch phản xạ là ánh sáng phát raCds nhận chùm tia phản xạ, điện trở bằng 0 Tín hiệu qua LM324 là mức 0qua IC 4001 đảo thành mức 1 Led báo sáng tín hiệu vào vi điều khiển là mức1

Vi điều khiển xử lí tín hiệu điều khiển driver mô tơ bên phải dừng bên trái vẫn quay, Robot sẽ đi sang phải, trở lại đúng quỹ đạo đường đi cũ

Đây là phương án thiết kế được sử dụng trong đề tài này

2.1.2 Mạch cảm biến thu phát hồng ngoại

2.1.2.1 Sơ đồ mạch điện

3Vdc

C C2

A101 2 5 0

Hình 2.3 Mạch phát xung hồng ngoại

IC LM7805

IC2Pins 1

C 2 C1

OUT IN GND

LED1 LED 2

R21K

R3 33

B112V

IC3

R43K3

1 2 IC24049

IC2Pins 5,7,8,9,11,14

R110K

2 Q1 BC109C

Hình 2.4 Mạch thu hồng ngoại.

2.1.2.2 Nguyên lí làm việc:

Ta có thể sử dụng mạch phát xung hồng ngoại để làm ngồn phát ánhsáng hồng ngoại và mạch thu hồng ngoại thông thường để thu hồng ngoại.Nguyên lí làm việc, cách lắp đặt vị trí cà thuật toán dò đường hoàn toàn giốngvới phương pháp thu phát ánh sáng thường

Ưu điểm hơn so với việc phát ánh sáng thường là không hề bị nhiễu docác nguồn sáng mạnh thông thường tác động Nhưng vẫn có thể bị nhiễu nếunhư có nguồn phát hồng ngoại khác gần đó

Phương pháp thu phát hồng ngoại giải quyết được hoàn toàn vấn đề đó

2.3.1 Mạch cảm biến thu phát xung hồng ngoại:

2.3.1.1 Sơ đồ mạch điện.

C3 2R

GND

3 4 5 8 6 7 9

GND

GND C5 C9 C8 C7C3 C4 C6 Y

Nguyên lí thu phát xung hồng ngoại sử dụng IC BL9148 và BL9149:

Sau khi IC phát BL9148 phát tín hiệu (2 chu kì)đi Chân Rxin có nhiệm

vụ sẽ chỉnh lưu lại dạng sóng của tín hiệu cho chuẩn Sau đó, tín hiệu đượcđưa tới bộ lọc số Bộ lọc số có nhiệm vụ lọc lấy các dư liệu rồi đưa đến thanhghi Dữ liệu đầu tiên được lưu vào thanh ghi 12 bit Tiếp đến, dữ liệu thứ 2 sẽđược nạp vào thanh ghi Dữ liệu đầu tiên sẽ được đưa qua bộ đệm ngõ ra nếu

mã của nó khớp với mã của phần phát Trường hợp mã của tín hiệu khôngkhớp với mã của phần phát thì quá trình sẽ được lập lại Khi các dữ liệu nhậnđựơc thông qua, ngõ ra sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao Nhược điểm củaphương pháp này là mạch điện phức tạp, phức tạp cho cả khâu lập trình

2.4.1 Mạch cảm biến quang nghe được với LM 741

Hình 2.6 Mạch cảm biến quang sử dụng LM741

Nguyên lí làm việc: Mạch này sử dụng nguồn đối xứng khoảng 9V.Đây là mạch cảm biến bằng quang trở, khi ánh sáng chiều vào PC1 và PC2.Làm cho điện trở của 2 con quang trở này bằng 0, dẫn dòng vào 3 và 2 của

LM 741 sẽ làm loa phát ra tiếng > Điều chỉnh bằng biến trở R3

2.2 VI ĐIỀU KHIIỂN 89C51

Trên thị trường có nhiều họ chíp vi điều khiển với dung lượng khácnhau Để phù hợp với yêu cầu của đề tài và kinh tế chúng tôi đã chọn chip viđiều khiển AT89C51 của hãng Atmel, đó là một hệ vi tính 8 bit đơn chipCMOS, hiệu suất cao, công xuất nguồn tiêu thu thấp và có 4KBROM có thểxoá và lập trình đựơc

AT89C51 có đặc trưng chuẩn:4KB ROM, 128 B RAM 32 đường xuấtnhập, 2 bộ định thời/đếm 16 bit, 1cấu trúc ngắt 2 mức ưu tiên và 5 nguyênnhân ngắt, 1 port nối tiếp song song,mạch dao động và tạo xung clork trênchip

Sơ đồ chân IC 89C51

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

19 X118 X2

21 22 23 24 25 26 27 28

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 12

13 14 15 INT0 INT1 T0 T1

1 2 3 4 5 6 7 8

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

16 29 30 11 10

RD WR PSEN ALE/P TXD RXD

0

Hình 2.7 Sơ đồ chân vi điều khiền 89C51

2.2.1 Chức năng chi tiết:

Chân VCC:Dương nguồn

Chân GND:Nối mát

Port 0:

Port 0: Là port xuất phát 8 bit hai chiều cưc D hở.Khi làm nhiệm vụ là

port xuất,môi chân của port có thể là dòng của 8 ngõ vào TTL

Port 1:

Port 1:Là port xuất phát 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong

Các bộ đệm xuất của port có thể hút và cấp dòng với 4 ngõ vào TTL

Port 1 cũng nhận byte địa chỉ thấp trong thời gian lập trình FLASH

Port 2:

Port 2:Là port xuất phát 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên

trong

Port 2 cũng nhận các bit địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển trong thời

gian lập trình cho FLASH và kiểm tra chương trình

Port 3:

Port 3: Là port xuất nhập 8 bit 2 chiều có các điện trở kéo lên bên

trong

Port 3 còn được sử dụng làm các chức năng khác của AT 89C51

Port 3 cũng nhận các bit địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển, trong

thời gian lập trình cho FLASH và kiểm tra chương trình

Mỗi chân lại có chức năng riêng

Bit Tên Chức năng

P3.0 RxD Ngõ vào nhận dư liệu nối tiếp

P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt cứng thứ 0

P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt cứng thứ 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0

P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1

P3.6 WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bênngoài.

P1.0 T2 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2

P1.1 T2X Ngõ nạp lại /thu nhận của Timer/Counter thứ2.

nhớ chương trình ngoài, PSEN: tích cực 2 lần cho mỗi chu kì máy, ngoại trừtrường hợp 2 tác động của PSEN bị loại bỏ qua mỗi lần truy xuất bộ nhớ dữliệu bên ngoài.

Chân EA/Vpp:

Chân cho phép truy xuất bộ nhớ ngoài EA phải được nối với GND đểcho phép chíp vi điều khiển tìm nạp lệnh từ các vị trí nhớ của bộ nhớ chươngtrình ngoài, bắt đầu địa chỉ 0000H cho đến FFFFH

Chân EA/vpp còn nhận điện áp cho phép lập trình Vpp trong thời gianchờ lập trình cho Flash

Chân XTAL1 ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo của mạch dao động

và ngõ đến mạch tạo xung của clock bên trong chip

Chân XTAL2 là ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo của mạh dao động

2.2.2 Cấu trúc của port xuất nhập

2.2.2.1 Sơ đồ port xuất nhập:

Ghi đến giá trị logic 1 chân của port sẽ nạp dữ liệu vào bộ chốt của portngõ ra Q của bộ chốt điều khiển một transistor trường và transistor này nốivới chân của port

điện trở kéo lên (pull up) khôn có port 0 Cần có điện trở kéo lên bên ngoài khi cần thiết

Ngoài ra chức năng nhập xuất trong port còn có các chức năng riêng dokhuôn khổ của đề tài không được trình bày cụ thể tại đây

2.2.2.2 Tổ chức bộ nhớ

Bộ nhớ chương trình và dữ liệu đặt trong chip bao gồm ROM và RAMtuy nhiên có thể mở rộng bộ nhớ bàng cách sử dụng các chíp nhớ bên ngoàidung lượng tối đa là 128 KB

Không gian bộ nhớ nội chia thành: các dãy thanh ghi (00j đến 1FH)vùng Ram địa chỉ bit (20H đến 2FH), vủng ran đa mục đích (30H đến FFH)

2.2.2.3 Bộ nhớ ngoài

Các chíp vi điều khiển có bộ nhớ hạn chế do vậy khi cần thực hiệnchương trình lớn phải mở rộng không gian bộ nhớ chương trình ngoài đến64k không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài 64K

2.2.2.4 Hoạt động RESET.

AT9C51 được reset bằng cách giữ chân RST ở múc cao tối thiểu 2 chu

kì máy sau đó chuyển về mức thấp RST có thể được tác động bằng tay hoặctác động khi cấp nguồn bằng cách dùng một mạch RC

5 V

SW 1

R 14 0

Hình 2.8 Mạch reset

Hình 2.9: Mạch điện tử

Hình 2.10 Mạch vi điều khiển sử dụng họ 8051

* Các họ vi điều khiển thông dụng :8051, PIC, AVR

+ Họ vi điều khiển 8051

Hình 2.11 Vi điều khiển 8051 + Họ vi điều khiển AVR

Hình 2.12 Vi điều khiển 8051

+ Họ vi điều khiển PIC:

Hình 2.13 Vi điều khiển 8051

Nguyên lí hoạt động: Khi đóng các công tắc SW, SW4 Hình 6.1b, động

cơ quay theo một chiều Khi đóng các công tắc SW2, SW3, động cơ quaytheo chiều ngược lại Bằng cách sử dụng công tắc thích hợp, bạn có thể đảochiều dòng điện đến động cơ để đảo chiều quay của trục động cơ

2.3.2 Driver sử dụng transistor có diode bảo vệ:

kì Thời gian động cơ hoạt động càng lớn điện áp trung bình càng cao Cácđộng cơ là tải cảm ứng Khi dòng điện được đóng và ngắt, điện áp chuyển tiếpphát sinh trong các dây (động cơ) có thể phá huỷ các linh kiện bán dẫn trongcầu H vì vậy mà người ta sử dụng các diode chặn qua từng transistor Diodechặn làm giảm điện áp chuyển tiếp bằng cách tạo ra đường dẫn điện áp trựctiếp đến mát cho điện áp này, nhằm bảo vệ linh kiện bán dẫn này.

2.3.3 Driver dùng Relay và Mosfet

Hình 2.16 Mạch công xuất sử dụng Relay và Fed.

Mạch sử dụng Relay+FET Relay để đảo chiều động cơ FET để điềuchỉnh tốc độ động cơ Chân P3.3 điều khiển hướng động cơ Chân P1.3 điềukhiển tốc độ động cơ Mạch sử dụng opto cách ly để chống nhiễu

Hình 2.17 Mạch cầu H sử dụng FET kênh N và P ghép bổ phụ

Mạch cầu H sử dụng FET kênh N và P ghép bổ phụ Chú ýkhông được để 2 chân kích cùng bên (trái hoặc phải) cùng dẫn, sẽ làmcháy mạch, vì có dòng nối tắt từ 24VDC xuống GND.

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT TỰ XÁC

ĐỊNH QUỸ ĐẠO

1.Thiết kế cơ khí:

Phần này bao gồm các kết cấu cơ khí của Robot Đây chính là phần thểhiện ý tưởng của bạn Ý tưởng đóng vai trò rất quan trọng nó chính là cơ sở

để định hướng đưa ra giải pháp thiết kế, bạn có thể có rất nhiều ý tưởng cũng

có rất nhiều phần mềm phục vụ cho công việc thiết kế cơ khí chuyên dụngnhư Solid word, Autocad…xong để đưa ra một giải pháp thiết kế cơ khí tối

ưu cũng là một vấn đề không hề đơn giản Công việc này cũng đòi hỏi sự tínhtoán cao, nếu việc thiết kế sai hoặc không đạt yêu cầu, sẽ gây ra lãng phí rấtlớn, hoặc sẽ ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của robot sau này

Sau khi công việc thiết kế đã được tối ưu công việc tiếp theo là đưa racác bản vẽ tôi xin giới thiệu một số bản vẽ của chi tiết

Hình 3.1 Thân tay gắp Robot

- Mạch nguồn là nơi cung cấp nguồn điện để toàn bộ các cơ cấu và hệ

thống của Robot hoạt động Mạch nguồn sử dụng cho robot này sử dụng IC

7805 lấy ra nguồn 5V

D1 J1

1

U2 LM7805C/TO3

1 3

C1

D2 LED

J2

1 2

CON2 CON2

DIODE BRIDGE CAPACITOR R1

RESISTOR

Hình 3.5 Mạch nguồn

- Mô đun vi điều khiển: Vi điều khiển, đóng vai trò như bộ não của

Robot điều khiển toàn bộ hoạt động của Robot theo chương trình lập sẵn

VC C_BAR

J2 CON5

12

13 14

X2 RESET INT0

R11

1

D4 LE

D D5

J5

1 3

T0 P1.0

16 30 10

P2.0 output - control motor

P1.0 input signal - Turn left

p1.3 input signal - Turn right

Hình 3.6 Mạch mô đun vi điều khiển sử dụng họ 8051

- Mô đun dò đường tín hiệu phản hồi tử mô đun dò đường giúp vi điều

khiển điều hành mô hình đi đúng theo hường quỹ đạo đã đựơc lập trình từtrước

Hình 3.7 Mạch mô đun mắt dò đưòng

- Mạch công suất sử dụng cho Robot này.

Hình 3.8 Mạch công xuất.

* Mạch in

Đây được xem là bước cuối cùng để hoàn tất công việc thiết kế mạchđiện tử Ở Việt Nam công nghệ làm mạch in khá phát triển trong những nămgần đây do những ưu điểm như như dễ chế tạo đảm bảo tốt tốt yêu cầu kĩthuật của mạch điện dễ dàng kiểm tra và sửa chữa khi có hỏng hóc hoặc thaythế Để thiết kế mạch in chúng ta có thể sử dụng các phần mềm thiết kế mạch

in thông dụng như Orcad hay Protel…Trên cơ sở đó tôi đã thiết kế mạch incho Robot của mình

Hình 3.9 Mạch in mạch nguồn

Hình 3.10 Mạch in mạch mô đun do đường

Hình 3.11 Mạch in mạch công suất

Hình 3.12 Mạch in mô đun vi điều khiển

3 Chương trình Assembly dẫn đường thẳng cho robot.

Như vậy là phần thiết kế cơ khí, lắp giáp và lắp mạch điện tử cho Robot

đã xong công việc tiếp theo là ta đi lập trình cho Robot Chương trình lậptrình cho Robot được ví như các tế bào thần kinh của bô não con người Nó

có chức năng thu nhận mọi tín hiệu xử lí và điều khiển mọi hoạt động Nếukhông có nó thì Robot của chúng ta sẽ chẳng thể nào hoạt động được Hiệnnay có khá nhiều ngôn ngữ lập trình riêng tôi, tôi sử dụng ngôn ngữ lập trìnhAssembly cho Robot của mình do chương trình này khá dễ lại phù hợp vớinhữn người mới bắt đầu làm quen với công việc thiết kế Robot Chương trìnhnày như sau:

;CHUONG TRINH DIEU KHIEN ROBOT TU DONG

;CHON MODE: MODE DO:P1.4=1, MODE XANH: P1.4=0

;start:p1.5, retry1:p1.6, retry2:p1.7

;MOTO LEN XUONG KHI NHAN CANG: P2.4, P2.5

; -tom tat toan bo phan lap

trinh -;dau tien dem 3 vach va dung lai de nhan cang

;sau do di va dem tiep 11 vach nua(qua nui) thi RE LAN 1

;dem tiep 3 vach nua roi RE LAN 2

;dem 1 vach lan 1 roi RE LAN 3

;dem 1 vach lan 2 roi RE LAN 4

;dem 1 vach lan 3 roi RE LAN 5

;dem 1 vach lan 4 roi RE LAN 6

;tiep tuc dem 2 vach roi RE LAN 7(vao khu vuc danh trong)

;dem 3 vach lan cuoi cung roi dung han de robot lu hanh di danh trong

setb p2.1setb p2.3setb p2.2LCALL DELAY200

; DI THANG DEM DUOC 3 VACH THI DUNG LAI DE CHO CANG LEN -

REPHAI: CLR P2.0

SETB P2.1

SETB P2.2SETB P2.3RET

DITHANG: CLR P2.0

CLR P2.2

SETB P2.1

SETB P2.3 RET

DUNGLAI: SETB P2.0

SETB P2.1SETB P2.2SETB P2.3RET

; -DEM

VACH -DI_DEM: JB P1.2,DI_DEM ;cho 1 o P1.2

KTRA: JNB P1.2,CHAY ;cho 0 o P1.2 -Dem su kien

INC R0LJMP MAIN

HACANGXUONG:

; -moto chuyen dong dua cang xuong de don roboT lu