Tài liệu được viết bởi Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự
Trang 1-
TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN LÀM ROBOT
Phần Cơ khí Bài 2: Bố trí robot
FDL
MẬT
Trang 2CÁCH BỐ TRÍ TRỌNG TÂM & CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG
Có thể nhận định là các bạn bây giờ đã nắm tương đối rõ công việc thiết kế và chế tạo rồi, phần còn lại chỉ là làm sao cho đúng kích thước và dung sai để lắp ráp các phần sao cho ít
bị sai lệch, trong quá trình gia công chế tạo thì phải có ít nhiều tay nghề, kinh nghiệm để ít bị
sai sót gây lãng phí vật liệu ( vấn đề tiền bạc luôn là vấn đề sống còn khi bạn tham gia thi
Robocon đó, bạn nên lưu ý ) và một thiết kế đẹp sẽ bao gồm tất cả các yếu tố trên Có thể
trong phần trình bày tôi có sử dụng một số từ ngữ chuyên ngành cơ khí, như vậy dễ gây khó
hiểu đối với các bạn mới bắt đầu hay học các chuyên ngành khác, nếu gặp vấn đề này bạn
chịu khó tìm đọc các tài liệu cơ bản về cơ khí để hiểu rõ vấn đề hơn, dù sao thêm một ít kiến
thức cũng có ích cho bạn Giờ chúng ta cùng nghiên cứu tiếp hai vấn đều cuối cùng trong
phần thiết kế cơ khí cho phần đế cho robot dò Line ( vạch trắng )
A - CÁCH BỐ TRÍ TRỌNG TÂM Trọng tâm hiểu đơn giản là nơi phân bố đều sức nặng của Robot, vậy trọng tâm có gì quan trọng? Trọng tâm đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cân bằng cho Robot lúc di
chuyển, nhất là với những robot có mặt chân đế nhỏ và có kết cấu cao,việc bảo đảm bảo vị trí
trọng tâm một cách hợp lý còn giúp rất nhiều cho người lập trình trong viết chương trình dò
đường cho Robot
Cố giải thích bằng một số thuật ngữ thế này, các bạn cố hiểu sẽ thấy lợi ích của trọng tâm, phần truyền lực chính của cả khung đế được quyết định bởi hai động cơ chạy, khi khung
đế xoay ( bẻ cua ) thì tâm xoay nằm tại trung điểm của trục nối 2 bánh chủ động ( điểm màu
đỏ ) như vậy lực xoay xe được quyết định bởi khoảng cách d và trọng lượng của Robot như
bạn biết thì Momem xoay ( M ) ở mỗi bánh có thể thiết lập đơn giản là :
F = ( Momem quay của động cơ ) / (chu vi của bánh xe chủ động )
M = F x d/2 (khi chưa xét tới vị trí của trọng tâm và độ dài a của Robot)
Có thể tạm xem ma sát giữa các loại bánh xe và mặt sàn là như nhau
Vậy thì theo công thức có thể hiểu nếu Robot có cùng trọng lượng và chiều dài thì
Robot có khoảng cách d càng lớn thì xoay xe càng dễ ( d là chiều rộng robot )
Khi xét tới vị trí của trọng tâm, giả sử trọng tâm đặt tại vị trí bất kì trên mặt chân đế
Robot ( không nằm trên trục đối xứng ) cách trục đối xứng một khoảng là y ( theo phương
Oy) và cách bánh tự lượn 1 đoạn x ( theo phương Ox ) lực xoay xe lúc đó sẽ có thay đổi là :
M1 = y x F
M2 = (d - y) x F
Với M1,M2 lần lượt là momen quay của bánh chủ động thứ nhất và thứ 2
Điều này có thể hiểu khi xe cua qua trái và qua phải sẽ khác nhau với cùng một điều kiện điều khiển động cơ ,sẽ gây khó khăn cho người lập trình khi xử lý các thông số điều
khiển Vậy phương án tối ưu là trọng tâm phải đặt trên trục đối xứng
Trang 3Với khoảng cách x từ bánh tự lượn tới trọng tâm ( theo phương Ox ) có công thức
đơn giản như sau :
Lực xoay = ( M1 + M2 ) / ( a – x )
Trong trường hợp trọng tâm nằm trên trục đối xứng thì M1 = M2=M
Lực xoay = 2M / ( a – x )
Xem hình vẽ :
Hình 1
Hiểu từ công thức có thể rút lại:
+ Trọng tâm phải nằm trên trục đối xứng của khung đế Robot
+ Trọng tâm càng xa bánh chủ động thì lực xoay xe càng lớn ( khó xoay hơn khi cần góc cua lớn ), điều này tương tự sẽ mất thời gian để điều chỉnh góc cua
Khoảng cách x của trọng tâm còn ảnh hưởng tới lực masat lên 2 bánh xe chủ động nếu x càng ngắn thì lực masat càng nhỏ nên khả năng tiếp xúc càng ít, xe dễ bị trượt bánh khi
tăng tốc đột ngột hay lúc xuất phát làm mất phương ( dễ lạc Line ), theo đó là lực quán tính
khi xoay xe ( góc lớn, tốc độ nhanh ) sẽ tăng dễ xẩy ra trường hợp xe bị thiếu góc cua hoặc
dư góc cua Như theo trường hợp lý tưởng nhất là bố trí trọng tâm nằm ngay trên trung điểm
của trục nối hai bánh chủ động ( điểm màu đỏ ), tuy giải quyết được vấn đề về lực xoay xe
nhưng lại phát sinh nhiều nhược điểm khi Robot quá cao ( phát sinh trọng tâm trên cao sẽ
nghiên cứu sau ) khi di chuyển sẽ dễ bị ngả ra sau nhất là khi xuất phát hay tăng tốc đột ngột,
phần đầu Robot quá nhẹ dễ lạc đường, khi tăng tốc độ ngộ dễ bị ngã ra sau gay nhiễu cãm
biến dò đường, những khuyết điểm như vậy quả thật không ai muốn mắc phải khi lập trình
điều khiển Robot Qua những nhận định cơ bản đó cho thấy được tầm quan trọng của việc
tính toán vị trí trọng tâm
Trang 4Theo hình vẽ bên dưới nếu gọi P là tọa độ trọng tâm giải pháp theo kinh nghiệm của riêng bản thân tôi thì vị trí tọa độ trọng tâm có thể tính toán gần đúng như sau:
1/4 < b/a < 1/3
1 < a/d < 2 1/4 < b/d < 2/3
Tất nhiên đây chỉ là công thức rút ra từ kinh nghiệm nên chẳng có gì để chứng minh một các cụ thể và sẽ có những bổ xung, trong quá trình bạn chế tạo bạn có thể rút ra một tiêu
chuẩn riêng cho mình
Hình 2
Phần tính toán vị trí trọng tâm nếu cho thật chính xác thì không đơn giản vì công thức
cụ thể còn liên quan đến trọng tâm của tất cả các chi tiết có khối lượng trong mặt đế ( liên
quan đến từng con bu – lông ) rất phức tạp ( bạn có thể tìm hiểu thêm trong giáo trình sức
bền vật liệu ) Để đơn giản trong tính toán vì đa số các chi tiết có khối lượng khá nhẹ ( các
thanh liên kết bằng nhôm ) nêm chỉ tập trung vào những chi tiết có khối lượn lớn như Bánh
xe chủ động , Acqui , Động cơ truyền động Chi tiết thể hiện ở Hình 1 với : 2 động cơ DC1
và DC2 , 3 Acqui : AQ1, AQ2, AQ3 bỏ qua trọng lượng của bánh xe chủ động và các chi tiết
khác Cần lưu ý trọng tâm của một các chi tiết thường nằm tại tâm đối xứng của nó ta có tọa
độ trọng tâm của AQ1,AQ3 và AQ2 so với trọng tâm của động cơ là K và J
1- Đảm bảo trọng tâm luôn nằm trên trục đối xứng thì các chi tiết phải được bố trí đều 2 bên nếu số lượng chi tiết chẳn hoặc bố trí trọng tâm chi tiết trùng với trục đối xứng nếu số chi tiết lẻ ( Theo phương Oy )
2- Phương Ox được tính như sau :
Giả sử Accq có diện tích bề mặt là S1 Động cơ có diện tích hình chiếu bằng là S2
Tại vị trí x = a có 2 chi tiết DC1 và DC2 Tại vị trí x = a – k có 2 chi tiết AQ1 và AQ3 Tại vị trí x = a – j có 1 chi tiết AQ2
Thiết lập công thức tính như sau :
a – b = [ (2a x S 2 ) + 2( a – k ) x S1 + ( a – j ) x S1] / (3S1 + 2S 2)
1/4 < b < 1/3
Từ điều kiện đó ta tìm đươc các thông số cần thiết a, b, j, k để bố trí cho hợp lý
¹ : Lưu ý tất cả các công thức sử dụng đều là công thức kinh nghiệm chỉ mang tính chất tham khảo
Trang 5B – CÁCH BỐ TRÍ CẢM BIẾN Vấn đề khó khăn cuối cùng là hoàn thành việc bố trí cảm biến dò đường cho Robot, vấn đề này rất quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến sự thành công của một con Robot hoàn
hảo Tôi xin không nói đến nguyên lý chế tạo về phần điện tử ( vấn đề này chúng ta sẽ thảo
luận sau ) chỉ tập trung vào cách bố trí trên Robot sao cho có hiệu quả tin cậy nhất
Tham khảo hình vẽ sau :
d
Line trắng của sân thi đấu
x1 x2 x3
m m
Cảm biến
X1 : cách bố trí ở vị trí trước X2 : cách bố trí ngang hàng X3 : cách bố trí sau bánh tự lượn
Hình 3
Ở đây tôi đưa ra 3 cách bố trí cảm biến cơ bản thường gặp
Giả sử cảm biến được bố trí ở vị trí x3 ( sau bánh tự lượn ) cách bánh tự lượn 1 khoảng là m như vậy ta có khoảng cách từ tâm xoay tới cảm biến là (a – m) Ban đầu giả sử
trong quá trình di chuyển ( dò line thẳng ) trục chính (trục đối xứng ) của Robot trùng với
Line thẳng do vậy góc hợp bởi trục đối xứng và Line thẳng 0 = 0, trong quá trình di chuyển
góc thay đổi liên tục (góc rất nhỏ), gọi n là khoảng cách mà cảm biến trong cùng từ vị trí
thẳng hàng đến lúc phát hiện Line
Hình 4 Cách bố trí cảm biến
Trang 6Như vậy từ công thức gần đúng có thể suy ra :
sin = n / ( a – m )
Góc è nhỏ nên:
= n / ( a – m )
Áp dụng tam giác đồng dạn tính độ lệch của bánh tự lượn so với vị trí ban đầu là:
y = a
Như vậy nếu m càng lớn thì góc càng lớn có nghĩa là độ lệch y càng lớn, điều này
ảnh hưởng đến lực hãm của động cơ chủ động để giữ cho Robot luôn đi thẳng, nếu Robot có
khối lượng lớn thì lực quán tính sẽ tăng tỉ lệ với góc và vận tốc chạy hay nói cách khác nếu
Robot chạy với tốc độ cao lực quán tính sinh ra sẽ kéo Robot ra khỏi phương thẳng càng lớn
(rất khó cho người lập trình) Giải quyết vấn đề này bằng cách giảm độ lệch y bằng cách :
- Tăng độ nhạy của cảm biến ( giảm n ) : Cách này là sử dụng loại cảm biến có tần
số cao, độ chính xác cao ( không kinh tế ), nhưng đa số những cảm biến đều tự chế nên cách này không khả thi
- Tăng khoảng cách a : ảnh hưởng đến việc bố trí trọng tâm, tăng kích thướt
- Giảm khoảng cách m : có thể thực hiện đơn giản
Nhưng nếu giảm khoảng cách hoặc đưa cảm biến lên trước bánh tự lượn, về lý thuyết thì nếu đặc phía trước bánh tự lượn thì cảm biến xử lý tốt nhất nhưng lại gặp vấn đề là độ dài
của mặt chân đế lại ảnh hưởng đến việc bố trí trọng tâm, và kích thước Robot tăng ( không
hợp lý vì trong cuộc thi Robocon có giới hạn về kích thướt), hơn nữa cảm biến rất dễ bị nhiễu
do khó che chắn tốt và khi di chuyển rất dễ va chạm gây hỏng
Vậy bố trí hợp lý hơn hết theo tôi là thẳng hàng với bánh tự lượn, lúc đó y = n, những
công thức trên chỉ là những suy luận đơn giản và được thử nghiệm trong thực tế Sau đây là
những kiểu bố trí cảm biến thường gặp nhất khi chế tạo Robot dò đường
Trang 7
Line trắng của sân thi đấu
Line trắng của sân thi đấu
Line trắng của sân thi đấu
Line trắng của sân thi đấu
Cảm biến đếm Line ngang
Hình 5 Cách bố trí led do đường
Trang 8
Tài liệu tham khảo:
1 MAXX ROBOT – BƯỚC KHỞI ĐẦU ĐẾN CUỘC THI ROBOCON
2 Diễn đàn Điện tử Việt Nam www.dientuvietnam.net
3 Society of Robot
4 David Cook - Hướng dẫn thực hiện robot cho cuộc thi robot Sumo
5 Trang web bán hàng www.roboconshop.com
Credits: Vũ Mạnh Dũng - ô tô K40
