Đề tài robot bắn pháo hoa

ROBOT BẮN PHÁO HOA Lời Nói Đầu Trong những năm gần đây với những tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ và kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực robot, các robot tự hành hầu hết được th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỐNG

KHOA CƠ ĐIỆN

ĐỀ TÀI NGHIỆN CỨU KHOA HỌC

ROBOT BẮN PHÁO HOA

ROBOT BẮN PHÁO HOA

Lời Nói Đầu

Trong những năm gần đây với những tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ và kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực robot, các robot tự hành hầu hết được thiết kế để làm việc trong môi trường bình thường, một số khác thì được thiết kế để phục vụ trong công nghiệp, trong quân sự trong y học Xuất phát từ

ý tưởng thiết kế robot phục vụ trong lĩnh vực giải trí Nhóm nghiên cứu đã thiết

kế Robot Bắn Pháo Hoa để phục vụ cho các lễ hội, các hội nghị và các sự kiện quan trọng trong năm của trường Đại Học Lạc Hồng

Đề tài ‘Robot Bắn Pháo Hoa ‘ là một trong những đề tài đặc trưng của ngành Cơ – Điện Tử , vì vậy đã được chọn làm đề tài nghiên cứu khoa học Đề tài gồm 3 phần :

- Giới thiệu khái quát về đề tài

- Lý thuyết

1 Tổng quan về cầu thang

2 Kiến trúc của robot

3 Hệ thống cơ của robot

4 Thiết kế hệ thống bắn pháo hoa

5 Bài toán hình học và động lực học

6 Tính toán hệ thống bánh răng theo chi tiết máy

7 Khái quát về động cơ

8 Khái quát về nguồn điện một chiều

9 Giới thiệu các phần tử điện trong mạch

10 Các cảm biến

11 Truyền dẫn dữ liệu không dây

12 Giới thiêu hệ thống điều khiển

- Thi công

Nhóm thực hiện

Nguyễn Vũ Quỳnh , Lê Phương Long

Keywords: ĐH Lạc Hồng, Robot Bắn Pháo Hoa

Lời Cảm Ơn

Trước tiên, tôi muốn nói lời cảm ơn tới thầy Trần Hành hiệu trưởng trường Đại Học Lạc Hồng, ông đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đề tài Robot Bắn Pháo Hoa

Cảm ơn chương trình Robocon Techshow 2010 đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho Robot Bắn Pháo Hoa được trình diễn để chào đón tất các đội trong Robocon Việt Nam 2010

Cảm ơn tất cả các bạn sinh viên đã nhiệt tình giúp đỡ trong suốt quá trình diễn ra triển lãm và cá lễ hội tại trường Đại Học Lạc Hồng

Mục Lục

Lời Nói Đầu I Lời Cảm Ơn III Mục Lục IV Hình Ảnh VII Bảng Biểu X Chương 1: Giới Thiệu 1

Chương 3: Khái Quát Động Cơ Điện Một Chiều 6

3.1 Giới Thiệu về Động Cơ điện một chiều và tầm quan trọng của nó: 6

3.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều: 6

3.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 8

3.4 Đặc tính của động cơ một chiều: 9

3.5 Nguyên tắc điều chỉnh động cơ điện một chiều 13

3.6 Khởi động động cơ điện một chiều 13

3.7 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 14

Chương 4: Cảm Biến 16 4.1 Cảm biến siêu âm : 16

4.2 Cảm biến Laser : 16

4.3 Cảm biến Camera : 17

4.4 Cảm biến Encoder : 17

4.5 Cảm biến La Bàn : 17

Chương 5: Hệ Thống Cơ Của Robot 18 5.1 Thiết Kế Thân Của Robot 18

5.2 Mô tả Hệ Thống Cơ : 20

5.3 Thiết Kế Hệ Thống Bắn Pháo Hoa: 22

Chương 6: Thiết Kế Bộ Răng Trụ Răng Thẳng 26 6.1 Định ứng suất tiếp xúc cho phép 26

6.2 Ứng suất uốn cho phép 26

6.3 Sơ bộ chọn hệ số tải trọng k=1,3 27

6.4 Chọn hệ số chiều rộng bánh răng 27

6.5 Tính khoảng cách trục A 27

6.6 Định chính xác hệ số tải trọng k 27

6.7 Xác định mô đun, số răng, góc nghiêng của răng và chiều rộng bánh răng 27

6.8 Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng : 28

6.9 Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng khi chịu quá tải đột ngột trong thời gian ngắn 28 6.10 Các thông số hình học của bánh răng [3] 29

Chương 7: Giới Thiệu Lý Thuyết Về Mạch Điều Khiển Từ Xa Của Thiết Bị 30 7.1 Tổng quan 30

7.2 Cấu trúc bộ nhớ và cổng vào ra 32

7.3 Cổng vào ra 36

7.4 Bộ định thời của AT mega8 [1] 38

7.5 Cấu trúc ngắt của ATmega8 44

7.6 Các bộ phận ngoại vi khác 50

7.7 Bộ truyền dữ liệu nối tiếp USART 53

7.8 Hệ thống xung CLOCK và lập trình bộ nhớ ON – CHIP 55

7.9 Ngôn Ngữ C cho AVR 56

7.10 Cấu trúc lựa chọn Switch 68

7.11 Phương pháp và phần mềm nạp cho ATmega8 74

7.12 Phần mềm nạp 80

7.13 Thiết kế mạch điều khiển từ xa cho chip AVR ATMEGA8 84

Hình Ảnh

Hình 1-1 Robot dò tìm 1

Hình 1-2 Robot điều khiển giao thông 2

Hình 1-3 Robot bắn pháo hoa 3

Hình 1-4 Robot bắn pháo hoa 3

Hình 3-1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 7

Hình 3-2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 9

Hình 5-1 Robot di chuyển bằng chân 18

Hình 5-2 Robot di chuyển bằng bánh xe 19

Hình 5-3 Robot di chuyển bằng xích 19

Hình 5-4 Robot di chuyển bằng bánh xích 20

Hình 5-5 Robot di chuyển bằng bánh răng hành tinh 20

Hình 5-6 Hệ thống cơ của robot bắn pháo hoa 21

Hình 5-7 Nguyên lý ăn khớp 21

Hình 5-8 Ổ đỡ thân chính của robot 22

Hình 5-9 Thân trụ chính của robot 23

Hình 5-10 Cách lắp thân trụ chính và động cơ kéo .23

Hình 5-11 Ổ đỡ dẫn hướng 76*76 24

Hình 5-12 Cách lắp thân trụ chính nâng hạ 50*50 24

Hình 5- 13 Cách lắp thân trụ chính nâng hạ 38*38 25

Hình 5-14 Cách lắp bệ bắn pháo hoa 25

Hình 7-1 Hình ảnh các loại AVR .31

Hình 7-2 Sơ đồ khối cấu trúc vi điêu khiển AVR 32

Hình 7-3 Tổng quan chế độ hoạt động boot loader 33

Hình 7-4 Thanh ghi EEAR 34

Hình 7-5 Thanh ghi EEDR 35

Hình 7-6 Thanh ghi EECR 35

Hình 7-7 Bản đồ bộ nhớ Atmega128 36

Hình 7-8 Thanh ghi DDRA 37

Hình 7-9 Thanh ghi PORTA 38

Hình 7-10 Thanh ghi PINA 38

Hình 7-11 Sơ đồ bộ định thời 1 39

Hình 7-12 Sơ đồ ngõ ra khối 41

Hình 7-13 Sơ đồ khối bộ định thời 0 42

Hình 7-14 Sơ đồ khối bộ định thời 2 43

Hình 7-15 Các Ngắt Lồng Nhau 47

Hình 7-16 Thanh ghi EICRA 48

Hình 7-17 Thanh ghi EICRB 49

Hình 7-18 Thanh ghi EIMSK 49

Hình 7-19 Thanh ghi EIFR 49

Hình 7-20 Thanh ghi MCUCR 50

Hình 7-21 Sơ đồ giản lượt của bộ so sánh tương tự 50

Hình 7-22 Sơ đồ khối đơn giản bộ ADC 52

Hình 7-23 Sơ đồ ngõ vào vi sai [5] 53

Hình 7-24 Sơ đồ khối bộ USART 55

Hình 7-25 Sơ đồ hệ thống xung clock cho Atmega8 56

Hình 7-26 Chương trình lập trình ATmega8 71

Hình 7-27 Giao diện lập trình của phần mềm CodeVisionAVR 72

Hình 7-28 Các tạo một project trên CodeVision 72

Hình 7-29 Các Bước Thực Hiện 72

Hình 7-30 Các bước thực hiện 73

Hình 7-31 Cách chọn loại AVR 73

Hình 7-32 Các bước thực hiện 74

Hình 7-33 Hiển thị nhận khi cắm mạch nạp 75

Hình 7-34 Các bước cài đặt 76

Hình 7-35 Các bước cài đặt 77

Hình 7-36 Các bước cài đặt 77

Hình 7-37 Thoát cài đặt 77

Hình 7-38 Cài đặt xong chương trình 78

Hình 7-39 Setup cổng COM 78

Hình 7-40 Cách setup cổng COM 79

Hình 7-41 Cách hiệu chỉnh port 79

Hình 7-42 Cách setup cổng COM 3 80

Hình 7-43 AVR program 81

Hình 7-44 Hiệu chỉnh bits 82

Hình 7-45 Lỗi khi nạp 82

Hình 7-46 Lỗi khi nạp 83

Hình 7-47 Sơ đồ mạch ATmega8 trên Capture (phần mềm Orcad) 84

Hình 7-48 Sơ đồ mạch in trên layout, Hình 7-49 Mạch thực tế 85

Hình 7-50 Bộ thu (phát) từ xa của thiết bị 85

Hình 7-51 Sơ đồ mạch động lực 86

Bảng Biểu

Bảng 1: Tổng kết kích thước bậc thang và độ dốc : 5

Bảng 2: Tổng kết bậc thang theo tính chất công trình 5

Bảng 3: Vector ngắt của Atmega8 46

Bảng 4: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt 48

Bảng 5: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt 49

Bảng 6: Kiểu dữ liệu 58

Chương 1

Giới Thiệu Tình hình robot hiện nay

Trong giai đoạn hiện nay ngành kỹ thuật vẫn đang được xem là ngành đóng vai trò quan trọng nhất để phát triển nền kinh tế và đưa con người thoát ra khỏi những công việc nguy hiễm Giải quyết những tồn đọng về kỹ thuật và đổi mới quá trình làm việc bằng cách tự động hoá và hiện đại hoá

Ngoài những loại hình Robot trong công nghiệp, ngày nay cũng không ngừng đưa ra những loại Robot tối tân hơn và hiện đại hơn để giải quyết nhiều vấn đề hơn trong cuộc sống, ví dụ như robot dò tìm và đo độ sâu của mực nước Nguyên lý hoạt động của Robot này là có thể dò tìm trong nước, kiễm tra và đánh giá được độ sâu của mực nước nơi robot đang hoạt động

Hình 1-1 Robot dò tìm

Bên cạnh đó không ngừng phát triển, các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra những loại hình robot hoạt động trong những điều kiện khắt nghiệt thay thế cho con người, nhóm nghiên cứu của trường đại học sư phạm kỹ thuật đã thiết kế ra Robot Giao Thông, nhằm mục đích là đem ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào

đời sống của con người, mặc khác Robot này giúp cho hệ thống giao thông được hoạt động tốt hơn Chúng ta thấy ngoài hệ thống đèn giao thông cũng đã giúp cho hệ thống giao thông hoạt động thông suốt, Robot Giao Thông sẽ làm cho hệ thống giao thông của chúng ta trở nên tốt hơn

Hình 1-2 Robot điều khiển giao thông

Ngoài những Robot trên trường Đại Học Lạc Hồng còn có thiết kế một Robot Điều Khiển Bằng Giọng Nói, có thể nói đây là con robot thông minh Chúng có thể hoạt động bằng cách dò tần số âm thanh của con người, khi chúng ta phát ra một âm thanh và dạy lại cho Robot thì Robot có khả năng nhận biết những âm thanh đó, đưa tín hiệu về phần xử lý và cơ cấu chấp hành để hoạt động Ngoài những ứng dụng trong công nghiệp, trong quân sự thì nhóm nghiên cứu đã thiết kế Robot Bắn Pháo Hoa nhằm phục vụ cho giải trí, đây cũng là một Robot đặc biệt cả về hình dáng cũng như là hình thức So với Robot Tự Hành thì đây là loại Robot có khả năng vượt chướng ngại vật, di chuyển trên những địa hình lồi lõm phức tạp, trên thân của Robot có thiết kế

một hệ thống bắn pháo hoa Robot có khả năng trình diễn những màn bắn pháo hoa thật đẹp mắt bởi sự điều khiển của đạo diễn

Hình 1-3 Robot bắn pháo hoa Hình 1-4 Robot bắn pháo hoa

Mục đích của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng Pro/E và ngôn ngữ lập trình C cho việc thiết kế và lập trình cho robot bắn pháo hoa

Chương 2

Cầu Thang

Cầu thang là một trong các loại hình giao thông đứng, để cho con người liên hệ nhau khi ở độ cao khác nhau, là một giải pháp tiêu biểu,phổ cập và toàn năng nhất Cầu thang là một yếu tố quan trọng về công dụng và nghệ thuật kiến trúc.Cầu thang được hình thành từ các bậc liên tiếp tạo thành vế thang, các vế thang được nối với nhau bằng chiếu nghỉ và chiếu đến Ngoài ra còn có lan can

và tay vịn…[3]

Chiều rộng thân thang : R =

t n

N

*

R : chiều rộng thang

N : số người sử dụng

t : thời gian thoát ra

n : số người thoát ra trong một giây Việt nam chọn n = 1.3 và thông thường chọn tương đối:

Nhà ở :1.2 - 1.4 m

Nhà công nghiệp :1.2 - 1.8 m

Nhà công cộng : 1.4 - 2 m

Cầu thang phụ từ 0.8 m trở lên

Độ dốc và kích thước bậc thang liên quan chặt chẽ với bước chân người

đi Những công thức tính chiều rộng R và chiều cao C của thang

C + R = 450 mm trong điều kiện C = 140 – 160 mm

2C + R = 600 mm trong điều kiện C = 140 – 170 mm

C * R = 45000 mm trong điều kiện C = 130 – 200 mm

Bảng 2: Tổng kết bậc thang theo tính chất công trình

Kích thước Nhà ở Trường học Công trình Bệnh

Chương 3

Khái Quát Động Cơ Điện Một Chiều

3.1 Giới Thiệu về Động Cơ điện một chiều và tầm quan trọng của nó:

Máy điện một chiều có thể làm việc theo chế độ máy phát khi E > U hoặc theo chế độ động cơ khi E < U việc chuyển từ chế độ máy phát sang chế

độ động cơ xảy ra hoàn toàn tự động không cần thay đổi dây nối trong mạch ,

vì khi E < U , dòng điện trong phần ứng sẽ tự động đổi chiều, năng lượng sẽ chuyển theo chiều ngược lại và máy phát trở thành động cơ

Động cơ điện một chiều được dùng phổ biến trong công nghiệp, những nơi yêu cầu momen mở máy lớn, và được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, quay liên tục trong phạm vi điều chỉnh rộng như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện Trong các thiết bị tự động, động cơ chấp hành cũng là các động cơ một chiều

• Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều: là dễ điều chỉnh tốc độ và có công

suất lớn, momen mở máy lớn, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và có phạm vi điều chỉnh rộng

• Nhược điểm của động cơ điện một chiều : là sử dụng nhiều kim loại mầu, có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, giá thành đắt hơn động cơ điện xoay chiều, nguy hiểm trong môi trường dễ nổ khi sử dụng cần phaỉ có nguồn điện một chiều kèm theo (các bộ chỉnh lưu hay máy phát điện một chièu

3.2 Cấu Tạo Động Cơ Một Chiều:

Gồm 2 phần chính : stato và roto

Hình 3-1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều a/ Stato: còn gọi là phần cảm, là phần đứng yên của máy, vừa là mạch

từ vừa là vỏ máy, gồm các bộ phận sau:

Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây

quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ, lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thép Cacbon dày 0,5-1mm ép lại và tán chặt, cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kĩ thành một khối , tất

cả được sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau

Cực từ phu : được đặt giữa các cực từ chính , dùng để cải thiện đổi

chiều , được gắn vào vỏ nhờ bulông , có cấu tạo và có cách đặt dây quấn trên thân giống như cực từ chính , nhưng lõi sắt được làm bằng thép khối

Gông: để làm mạch từ nối liền các cực từ.đồng thời làm vỏ máy, vỏ máy

thường làm bằng gang, thép đúc hợăc thép tấm dày uốn và hàn lại

Nắp máy: thường bằng gang,mục đích bảo vệ cho máy và an toàn cho

người

Cơ cấu chổi than: gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than và nhờ

một lò xo tì chặt lên cổ góp.có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

b/ Roto: còn gọi là phần ứng, gồm các bộ phận sau:

Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ , được làm từ những lá thép kĩ thuật

điện dày 0,5mm được sơn cách điện 2 mặt rồi ép chặt lại , để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Các lá thép được dập các lỗ thông gió và các rãnh để dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng : là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện

chạy qua, gồm các phần tử được nối thành mạch vòng khép kín, Mỗi phần tử có nhiều vòng dây, 2 đầu với 2 phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong 2 rãnh dưới 2 cực khác tên mỗi phần tử chỉ có 1 vòng có 2 kiểu quấn: dây quấn xếp và dây quấn song song

Dây thường là bằng đồng, có bọc cách điện, có tiết diện tròn đối với động cơ công suất nhỏ, có tiết diện chữ nhật đối với động cơ công suất vừa và lớn

Cổ góp : (vành góp, vành đổi chiều): dùng để đổi dòng điện xoay chiều

thành 1 chiều cổ góp gồm nhiều phiến đồng có đuôi nhạn được cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4-1,2mm, hợp thành hình trụ tròn …

Trục máy : bằng thép Cacbon tốt, trên đó gắn lõisắt phần ứng, cổ góp,

cánh quạt và ổ bi

Cánh quạt : để làm mát ,làm nguội động cơ , quạt được gắn trên trục

động cơ , hút gió từ ngoài , qua vành góp,cực từ , lõi sắt , dây quấn vá quạt ra ngoài

3.3 Nguyên Lý Làm Việc Của Động Cơ Một Chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U vào 2 chổi điện A và B , trong dây quấn phần ứng có dòng Iư các thanh dẫn ab có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực

từ Fđt tác dụng làm cho roto quay Chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng , thanh dẫn ab và cd hoán đổi vị trí cho nhau , do có phiến góp đổi chiều dòng điện , giữ cho chiều Fđt không đổi , đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Hình 3-2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

3.4 Phân Loai , Đặc Tính Của Động Cơ Một Chiều :

a) Phân loại : dựa vào cách cung cấp dòng cho mach kích và do cách

đấu dây giữa mạch kích và mạch phần ứng và được phân ra các loại sau: Động

cơ một chiều kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp:

b) Đặc tính của động cơ điện một chiều :

Động cơ điện một chiều thực chất là một máy điện một chiều làm việc khi E < U và máy điện một chiều có 4 đại lượng đặc trưng là : U , Iư , Ikt , n

Trong đo , tốc độ n được giữ không đổi , còn U , Iư , Ikt là các đại lượng biến thiên có quan hệ chặt chẽ với nhau và từ những quan hệ này nên động cơ một chiều có 5 đặc tính :

z Đặc tính không tải : Uo = Eo = f(Ikt) khi I = 0 , n = Cte

z Đặc tính ngắn mạch: Inm = f(Ikt) khi U = 0 , n = Cte

z Đặc tính ngoài: U = f(I) khi Ikt = Cte ,n = Cte

z Đặc tính tải : U = f(Ikt) khi Iư = Cte ,n = Cte

Đặc tính điều chỉnh :Ikt = f(Iư) khi U = Cte ,n = Cte

Trong 5 đặc tính trên , Đặc tính không tải là trường hợp đặc biệt của Đặc tính tải khi Iư = 0, và Đặc tính ngắn mạch là trường hợp của Đặc tính điều

chỉnh khi U = 0 cả 5 đặc tính có thể thành lập trên thí nghiệm, để đơn giản, thường làm thí nghiệm không tải và ngắn mạch rồi dựa vào tam giác đặc tính suy ra 3 đặc tính còn lại

b1/Đặc tính không tải : cho động cơ làm việc tốc độ n không đổi,

không nối với tải ngoài (I = 0), đo các giá trị It và U tương ứng, ta sẽ có đặc tính không tải

Động cơ một chiều kích từ độc lập: Vì nguồn của mạch phần kích độc lập với nguồn phần ứng nên có thể đổi chiều dòng kích nên có thể thí nghiệm dòng kích Ikt từ -Iđm đến Iđm còn các loại động cơ 1 chiều khác vì chổi than cố định nên không thể thí nghiệm từ –Iđm mà chỉ 0-Iđm

b2/Đặc tính ngắn mạch: nối ngắn mạch các chổi than, cho máy làm

việc với tốc độ n không đổi, đo các Ikt và I tương ứng ta được đặc tính ngắn mạch, chú y tất cả các loại động cơ một chiều đều phải kích từ độc lập và giới hạn dòng I = ( 1,25 ÷ 1,5 ).Iđm

Tùy theo phương pháp kích từ mà Động cơ một chiều có những đặc tính khác nhau và được biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau nhưng quan trọng nhất là đặc tính cơ, là đường biểu diễn sự quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động cơ: n = f (M) hoặc ω = f (M)

Và từ công thức Iư =

Φ

K

M

ta suy ra phương trình đặc tính tốc độ(đặc tính cơ điện) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ là:

n = f (I) hoặc ω = f (I)

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sinh ra sức điện động Eư , chiều Eư xác định theo quy tắc bàn tay phải ở động cơ chiều của sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư, nên còn gọi là sức phản điện : Eư =

a

N p

2

π Φ.ω = K.Φ.ω (V)

Trong đó: K =

a

N p

2

π là hệ số cấu tạo của động cơ , Φ là từ thông kích từ dười 1 cực tư , ω là tốc độ góc , P là số đôi cực từ chính , N là số thanh dẫn tác

dụng của cuộn dây phần ứng , là số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây

phần ứng

Nếu viết sđđ theo tốc tộ quay n (v/ph) thì ta có ω =

60

2 nπ nên Eư =

* Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập:

Phương trình cân bằng điện áp : U = Eư + ( Rđc + Rp ).Iư (V)

Trong đo : U là điện áp phần ứng (V) , Eư làsđđ phần ứng (V) , Iư là

dòng điện mạch phần ứng (A) , Rp là điện trở phụ gắn thêm vào mạch Ω) ,

Rđc điện trở của động cơ (Ω) , bao gồm điện trở dây phần ứng Rư , điện trở

cuộn cực từ phụ Rcf , điện trở cuộn bù Rb và điện trở tiếp xúc của chổi điện

Rct , nhưng chủ yếu là Rư : Rđc = Rư

Thay Eư , Rư vào pt cân bằng điện áp : U = K.Φ.ω + ( Rư + Rp ).Iư

 phương trình đặc tính tốc độ của động cơ điện :

ω =

Φ

K

U

- Φ

+

K

Rp R

.Iư

thay Iư =

Φ

K

U

-

) ( 2

Φ

+

K

Rp R

.M

Cách vẽ đường Đặc tính cơ : Có 2 loại đặc tính cơ

* Đặc tính cơ tự nhiên : ω =

Φ

K

U

-

) ( 2

Φ

K

R

.M

Mỗi một động cơ có 1 đường đặc tính cơ tự nhiên duy nhất Là đường

thẳng biểu diễn đặc tính cơ của động cơ khi cho động cơ làm việc ở chế độ

thông số định mức , qua 2 điểm : tốc độ không tải lý tưởng ωo(M=0 ,ωo=

K

U

-

) ( 2

Φ

+

K

Rp R

.M

Là đường thẳng biểu diễn đặc tính cơ của động cơ khi cho động cơ làm việc ở chế độ có ít nhất một thông số khác với giá trị định mức , gắn thêm điện trở phụ Rp chẳng hạn , cách vẽ Cũng tương tự như vẽ đặc tính tự nhiên : xác định 2 điểm :

Điểm 1 là tốc độ không tải lý tưởng ωo ( 0 , ωo ) , Điểm 2 là điểm mà tại

đó giá trị đạt trạng thái định mức của động cơ

Độ cứng của đặc tính cơ : ( )

Rp R

* Đặc tính cơ Động cơ DC kích từ nối tiếp:

Pt đặc tính cơ điện : ω =

Φ

K

U

- Φ

M

.

Î ω =

M C K

C K U

Tóm lại : Cả hai đường đặc tính cơ của các động cơ phụ thuộc vào 3 yếu tố :

Điện trở, điện áp và từ thông , ta sẽ xét kỹ ảnh hưởng của chúng trong phần diều chỉnh tốc độ

3.5 Nguyên Tác Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Một Chiều

3.5.1 Khái niệm chung :

Điều chỉnh tốc độ động cơ là tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc

độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu Có hai phương pháp điều chỉnh :

* Điều chỉnh các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

* Điều chỉnh các thông số của bộ phận nguồn điện , tải, mỗi một yếu tố này có một phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ tương ứng động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh ưu việt hơn so với loại động cơ khác , vì khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng và cấu trúc mạch động lực , mạch điều khiển đơn giản , đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc

độ rộng

3.5.2 Trạng Thái Làm Việc Của Động Cơ Điện Một Chiều :

Động cơ làmviệc trong một hệ truyền động , bao giờ cũng xảy ra quá trình biến đổi giữa loại năng lượng điện – cơ ,ngoài ra còn có nhiệt , nhưng đó

là phần tổn hao , chính quátrình này đã quyết định trạng thái làm việc của động

cơ tùy thuộc vào sự biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có các trạng thái làm việc của động cơ như sau:

+ Trạng thái khởi động

+ Trang thái làm việc :gồm chế độ không tải và có tải

+ Trạng thái hãm: gồm hãm tái sinh , hãm ngược , và hãm động năng

3.6 Khởi Động Động Cơ Một Chiều

3.6.1 Yêu cầu khi khởi động :

Momen khởi động Mk phải lớn nhất để hoàn thành quá trình mở máy, nghĩa là đạt tốc độ quy định trong thời gian ngắn nhất.nên Từ thông phải lớn nhất - dòng kích phải ở vị trí có giá trị nhỏ nhất để khi đóng điện nguồn , động

cơ được kích với giá trị tối đa , theo M = K Φ Iư thì momen khởi động ứng với mỗi giá trị của dòng Iư là lớn nhất

Dòng khởi động Ik :hạn chế ở mức nhỏ nhất để dây quấn không bị cháy hoặc ảnh hưởng xấu đến đổi chiều

Không để xảy ra đứt mạch kích từ , vì đứt mạch kích Φ = 0 nên M = 0

do đó động cơ không quay được , Eư = 0 theo pt cân bằng áp : U = Eư + Rư.Iư suy ra Iư có giá trị rất lớn, làm cháy vành góp và dây quấn

Khi khởi động phải chú ý chiều quay của động cơ , vì nó phụ thuộc vào chiều của momen Để thay đổi chiều của momen :hoặc đổi chiều dòng điện phần ứng Iư hoặc đổi chiều dòng kích

3.6.2 Các Phương Pháp Khởi Động Động Cơ Một Chiều

• khởi Động Trực Tiếp :

• Khởi động bằng điện áp thấp hơn định mức: dùng cho động cơ có công suất lớn

• phương pháp khởi động nhờ biến trở:

Cấu tạo Rk gồm nhiều bậc , trước khi khởi động chỉnh Rk ở vị trí có giá trị lớn nhất, bắt đầu khởi động nâng Rk lên bậc có giá trị điện trở cao nhất , roto quay và sđđ tăng tỉ lệ với tốc độ quay n , đồng thời dòng phần ứng củng giảm dần , làm cho M giảm khi Iư giảm đến trị số (1,1 – 1,3 ) Iđm ta chỉnh

Rk xuống bâc cao hơn nên Iư lại tăng và quá trình như trên lại diễn ra tuần tự như vậy , và ta cứ giảm Rk cho dến khi tốc độ động cơ đạt giá trị định mức , chú ý là mỗi bậc là như nhau để quá trình khởi động được tốt nhất

3.7 Điều Chỉnh Tốc độ Động Cơ Điện Một Chiều

Điều chỉnh điện trở mạch phần ứng: điện trở phụ mắc nối tiếp với mạch phần ứng ta có đặc tính biến trở dốc hơn

• Điều chỉnh từ thông:Khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên trị định mức Nếu tăng từ thông thì dòng điện kích từ IKT sẽ tăng dần và có thể hư cuộn dây kích , mặt khác , khi từ thông định mức đã

bão hoà nếu tăng dòng kích từ nữa thì từ thông tăng không đáng kể chỉ

có thể giảm từ thông nhỏ hơn định mức : tốc độ sẽ tăng lên : ω = U/KΦ Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ:

• Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ

tự nhiên :

• Phương pháp này thực chất là giảm áp và cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản ncb [2]

Chương 4

Cảm Biến

Cảm biến có nhiều loại, camera, cảm biến siêu âm, cảm biến la bàn, cảm biến laser, cảm biến hồng ngoại, cảm biến va chạm…mỗi loại có ưu nhược điểm riêng

4.1 Cảm Biến Siêu Âm :

Hoạt động bằng cách phát ra một tiếng nổ siêu âm với tấn số 40 kHz từ đầu phát Một lượng âm nhỏ được phản xạ lại bởi vật cản được nhận bởi đầu thu

Vi điều khiển sẽ điếm thời giữa 2 lần phát và thu

Ưu điểm : tín hiệu trả về rất nhanh, khá rẻ tiền, khám phá được một vùng lớn

Khuyết điểm : giá trị trả về phụ thuộc nhiều vào vào thời gian lấy mẫu, mạch điện tử thu tín hiệu, nhiệt độ môi trường; vị trí của vật cản không được xác định chính xác, Do có phát sóng siêu âm nên có tiếng lách cáchkhi cảm biến làm việc.phần lớn các khó khăn náy được khắc phục bằng các thuật toán phần mềm

Hiện nay có 3 loại cảm biến siêu âm có thể tìm thấy trên Internet: DevantechSRF04, Polaroid6500 và Devantech SRF08

4.2 Cảm Biến Laser :

Chùm tia phát ra từ cảm biến nhỏ 0.5 nên xác định nhanh và chinh xác vật cản nhưng không phát hiện được vật cản nằm dưói chùm tia Do góc quét nhỏ nên phải quét nhiều lần để có không gian quét lớn Gia thành rất đắt Thường

sử dụng chung cảm biến isêu âm và cảm biến laser để bù trừ những sai sót của nhau

4.3 Cảm Biến Camera :

Thường sử dụng 2 camera để xác định khoảng cách và kích thước vật cản

và có khá nhiều phương pháp sử dụng, phương pháp phổ biến là 2 ảnh sẽ được tách biên, so trùng 2 ảnh với nhau, sau đó dựa vào 2 ảnh thu được và vị trí 2 camera sẽ xác định khoảng cách từ robot đến vật cản

Cảm biến camera có thể phát hiện ra những lỗ trên nền, có thể sử dụng tính chất màu của vật cản để phân loại và tách rời chúng ra Trong tương lai cảm biến này sẽ được sử dụng nhiều khi một máy tính có cấu hình mạnh, các giải thuật xử lý ảnh tốt hơn.tuy nhiên loại cảm biến này có nhiều khuyết điểm : Thời gian xử lý ảnh lớn, không phù hợp với tránh vật cản

Phụ thuộc vào cường độ ánh sáng của môi trường, có thể trang bị thêm đèn chiếu sáng trên robot để khắc phục

Thể hiện thông tin chưa đầy đủ

Việc xác định vật cản và không gian khoảng trống rất khó khăn khi vật cản

có cùng màu với nền hoặc nền nhà có nhiều màu

4.4 Cảm Biến Encoder :

Ecoder gồm có bộ phận thu, nhận quang học và một đĩa tròn có khắc vạch

Bộ thu quang học trả về mức điện áp thấp hay cao ứng với có hoặc không có tín hiệu quang

Cảm biến cho biết số vòng quay thực sự của bánh xe nên chỉ xác định khoảng cách di chuyển và góc quay của bản thân robot

4.5 Cảm Biến La Bàn :

Được sử dụng như “hoa tiêu” dựa tên từ trường của trái đất Tín hiệu ra của cảm biến là một giá trị số, biểu hiện hướng của robot

Chương 5

Hệ Thống Cơ Của Robot

5.1 Thiết Kế Thân Của Robot

Chọn phương án thiết kế :

Một số mô hình Robot vượt địa hình đã chế tạo trên thế giới:

Mô hình Robot di chuyển bằng chân

Hình 5-1 Robot di chuyển bằng chân

• Ưu Điểm:

Là có thể bước qua chướng ngại vật, lên cầu thang, di chuyển qua địa hình không bằng phẳng Nhược điểm là di chuyển chậm, điều khiển vòng kín phức tạp, yêu cầu nguồn điều khiển có công suất tiêu thụ lớn, hệ thống cơ phức tạp,

độ cứng vững không cao, dễ ngã

Mô hình Robot di chuyển bằng bánh xe

Hình 5-2 Robot di chuyển bằng bánh xe

• Ưu Điểm:

Độ ổn định tốt, dễ điều khiển.kết cấu vững chắc và đơn giản Có thể di chuyển trên các địa hình phức tạp.nhưng gặp nhược điểm là cần phải có nhiều động cơ để tăng độ linh hoạt cho Robot

Mô hình Robot di chuyển bằng bánh xích

Hình 5-3 Robot di chuyển bằng bánh xích

Hình 5-4 Robot di chuyển bằng bánh xích

Mô hình Robot di chuyển bằng bánh răng hành tinh

Hình 5-5 Robot di chuyển bằng bánh răng hành tinh

• Ưu điểm:

của 2 loại này là có thể vượt chướng ngại vật, có thể lên xuống cầu thang dễ dàng, và có kết cấu vững chắc ngược lại khó điều khiển lái, chỉ lên xuống các bậc có chiều cao thấp và độ ổn định không cao

Dựa vào nhiệm vụ thiết kế và tính khả thi, kết hợp với việc tham khảo các ưu nhược điểm của một số Robot trên thế giới, ta chọn mô hình Robot di chuyển bằng bánh răng

5.2 Mô tả Hệ Thống Cơ :

a Tổng Quan :

Để đảm nhận chức năng vựơt chướng ngại vật hoặc địa hình phức tạp và leo cầu thang nên chọn Robot có hình chữ nhật có cấu tạo phần cơ với 2 phía đối xứng nhau

Hình 5-6 Hệ thống cơ của Robot bắn pháo hoa

Mỗi bên cấu tạo gồm 5 bánh răng ăn khớp với nhau, ba bánh răng nằm xen kẽ được gắn cố định đồng trục với ba bánh xe Bánh răng giữa nhận lực truyền từ động cơ, đóng vai trò là bánh dẫn truyền cho 2 bánh răng trước và 2 bánh răng sau

Hình 5-7 Nguyên lý ăn khớp

Mỗi phía của Robot là một khớp lắc phía trước và một khớp lắc phía sau ăn khớp với bánh dẫn Với kết cấu 6 bánh xe và 10 bánh răng thì Robot có thể di chuyển linh hoạt trên mọi địa hình, có thể vượt các bậc thang hay chướng ngại vật, di chuyển trên các mặt cầu lồi và lõm hoặc trên địa hình không bằng phẳng

Ta dùng 2 động cơ DC truyền cho 2 bánh răng dẫn ở chính giữa mỗi bên,

ta có thể lái khi điều khiển 2 động cơ quay ngược chiều nhau hoặc cho một động cơ quay và một động cơ ngừng quay.[1]

5.3 Thiết Kế Hệ Thống Bắn Pháo Hoa:

Hệ thống bắn pháo hoa là một hệ thống được thiết kế như sau:

Thân của Robot được thiết kế bởi nhôm vuông 76*76*600 và được gắn với khung chính của Robot bởi một ổ đỡ

Hình 5-8 Ổ đỡ thân chính của robot

Cơ cấu thân chính của Robot sẽ gắn với một động cơ kéo giúp cho Robot có thể tăng được chiều cao khi bắn pháo hoa, theo thiết kế thì thân robot có thể vươn lên cao 1.4 m, chính vì tạo sự cân bằng cho robot nên hình dáng ban đầu

có thể đạt 600 mm Ở độ cao này khi Robot di chuyển sẽ đạt được tốc độ di chuyển cũng như đạt được độ vững và ổn định của robot trong quá trình di chuyển trên những địa hình lồi lõm phức tạp

Quá trình lắp theo tuần tự như sau:

Hình 5-9 Thân trụ chính của robot

Hình 5-10 Cách lắp thân trụ chính và động cơ kéo

Để đạt được độ cao 1.4m thì thân của robot sẽ được lắp thêm, ở đây thân Robot sẽ được lắp lồng vào nhau giữa 3 thanh 76*76*600 và 50*50*500 và 38*38*400 Các thanh được lồng vào nhau bởi các sơ mi dẫn hướng

Hình 5-11 Sơ mi dẫn hướng 76*76

Hình 5-12 Cách lắp thân trụ chính nâng hạ 50*50

Lắp thanh 38*38*400

Hình 5-Hình 13 Cách lắp thân trụ chính nâng hạ 38*38

Hình 5-14 Cách lắp bệ bắn pháo hoa

Chương 6

Thiết Kế Bộ Răng Trụ Răng Thẳng

Chọn Vật Liệu Chế Tạo Bánh Răng:

Sử dụng thép 45 thường hoá:

δ b =600(N/mm²)

δ ch = 300(N/mm²)

HB =190( phôi rèn, giả thuyết D phôi =100 ÷ 200mm)

6.1 Định ứng suất tiếp xúc cho phép

Chu kỳ làm việc của bánh răng (công thức 3-3)

Ntđ = N = 600.UnT = 5.300.2.6 n.u

= 5.300.2.6.110.1 = 118106

Ưng suất tiếp xúc cho phép:

[δ ]tx = [δ ]notx KN = 2,6.190 = 494 (N/mm²)

6.2 Ứng suất uốn cho phép

Để xác định ứng suất uốn cho phép ta lấy hệ số an toàn n=1,5 và hệ số tập trung ứng suất ở chân răng kδ = 1,8

Giới hạn mỏi của thép 45:

δ = 0,43.600 = 258 (N/mm²)

Ứng suất uốn cho phép: ( CT 3-5)

δ δ

δδ

δ

nK

K nK

u

'' ''

0 ≈ 1,4÷1,6 −1

=

Khi răng làm việc 2 mặt răng chịu ứng suất thay đổi chiều

[ ] 143 , 3 ( / )

8 , 1 5 , 1

258 1 5 , 1

mm N N

K nK

Sơ bộ chọn góc nghiêng β = 100 ,cos β =0,985

Số răng của bánh răng: Z = 70

_ tính chính xác góc nghiêng β ( công thức 3 -28)

cos β = 0,9593

172.2

5,2)

1032(2

A

Mn Zt

⇒ β = 16040’

Chiều rộng bánh răng:

b =ψ A.A = 0,2.110 = 24,2 mm

Lấy b = 25mm

6.8 Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng :

Tính số răng tương đương :(công thức 3 – 37)

)9593,0(

76,5.2,1.10.1,19

.10.1,

.(

1235494

.5,2].[

5,2]

- Ưng suất uốn cho phép.(công thức 3 - 46)

) / (

240 300 8 , 0 8 , 0

]

[δ uqt = δch = = N mm2

- Kiểm nghiệm sức bền tiếp xúc.( công thức 3 -14 và 3 - 41)

8,1 K qt tx

tx txqt δ δ

2 , 124 25 5 , 1

8 , 1 76 , 5 2 , 1 ) 1 13 , 3 ( 13 , 3 110

10 05 ,

mm N

= +

=

6.10 Các thông số hình học của bánh răng [3]