NGHIÊN cứu, THIẾT kế và CHẾ tạo ROBOT ĐÁNH cầu LÔNG

MỤC LỤC

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot Beagle[8]
Hình 2.1: Robot đánh cầu lông của các nhà khoa học Bỉ chế tạo [8]
Hình 2.2: Robot phát cầu lông do bạn Thành chế tạo[8]
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.2: Vị trí 4 bánh omni
Hình 3.3: Di chuyển quay vòng bên trái
Hình 3.4: Di chuyển thẳng về phía trước
Hình 3.5: Di chuyển thẳng về phía sau
Hình 3.6: Di chuyển thẳng sang bên phải
Hình 3.7: Di chuyển thẳng sang bên trái
Hình 3.8: Di chuyển chéo xuống góc bên phải
Hình 3.9: Di chuyển chéo xuống góc bên trái
Hình 3.10: Di chuyển chéo lên góc bên phải
Hình 3.11: Di chuyển chéo lên góc bên trái
Hình 3.12: Di chuyển quay vòng bên phải
Hình 3.13: Thứ tự các chân của tay PS2
Hình 3.14: Kết nối Tay PS với VĐK
Hình 3.15: Mạch Driver và cách ghép nối
Hình 4.1: Bản vẽ khung robot
Hình 4.2: Đế chuyển động 4 bánh
Hình 4.3: Bánh và buli
Hình 4.4: Cụm phát trên
Hình 4.5: Cụm phát dưới
Hình 4.1: Bản vẽ khung robot
Hình 4.2: Đế chuyển động 4 bánh

Hình 4.3: Bánh và buli
Hình 4.4: Cụm phát trên
Hình 4.5: Cụm phát dưới
Hình 4.6: Khối mạch ĐK động cơ
Hình 4.7: Khối Encoder
Hình 4.8: Khối giao tiếp ngoại vi
Hình 4.9: Khối LCD
Hình 4.10: Pin MCU với Mother Board
2


Hình 4.12: Mạch nguyên lý của mạch điều khiển van khí
Hình 4.13: Mạch in của mạch điều khiển van khí
Hình 4.14: Mô phỏng mạch 3D
Hình 4.15: Mạch nguyên lý toàn bộ hệ thống điều khiển
Hình 4.16: Mạch in Mother board
Hình 4.17: Hình ảnh 3d của Mother Board (a: mặt trước, b: mặt sau)
Hình 4.18: Bánh Omni
Hình 4.19 a: Toàn thể Robot (mặt trước)
Hình 4.19 b: Toàn thể Robot (mặt sau)
Hình 4.20: Cơ cấu đỡ cầu
Hình 4.21: Cơ cấu phát cầu thấp
Hình 4.22: Cơ cấu phát cầu cao
Hình 4.23: Kit stm32F4 discover (mặt trước)
Hình 4.24: Kit stm32F4 discover (mặt sau)
Hình 4.25: Mạch Mother Board (mặt trước)
Hình 4.26: Mạch Mother Board (mặt sau)
Hình 4.27: Mạch Driver (mặt trước)
Hình 4.28: Mạch Driver (mặt sau)
Hình 4.29: Mạch van khí (mặt trước)

Hình 4.30: Mạch van khí (mặt sau)
Hình 4.31: Toàn bộ hệ thống điều khiển

3


LỜI NÓI ĐẦU
Từ xa xưa khát vọng chinh phục tự nhiên luôn thôi thúc con người tìm tòi,
nghiên cứu khoa học. Đến nay con người đã đạt được các thành tựu khoa học to lớn
trong nhiều lĩnh vực, kể cả chinh phục các khoảng không gian mà trong giới hạn
của con người không cho phép, bằng việc chế tạo ra các robot thông minh có thể
hoạt động một cách độc lập và linh hoạt trong các môi trường khắc nghiệt, nguy
hiểm nhất.
Là sinh viên học khối kỹ thuật nói chung và ngành cơ điện tử nói riêng, được học
và thừa hưởng các kiến thức khoa học mà các thế hệ đi trước đã để lại, ngoài việc
phải nắm vững các kiến thức lý thuyết có sẵn, các sinh viên kỹ thuật còn phải đưa
các kiến thức đó vào thực tiễn thông qua việc tự tạo ra các mô hình khoa học có khả
năng ứng dụng vào thực tiễn. Vì vậy đồ án tốt nghiệp chính là cơ hội tốt nhất cho
chúng em sử dụng các kiến thức được học ở trường và biết khai thác thế mạnh của
bản thân.
Có thể nói robot là một thành tựu của Cơ Điện Tử đã xuất hiện từ rất sớm và
đang có thay đổi mạnh mẽ, thông minh hơn, linh hoạt hơn, chính xác hơn. Bên cạnh
đó việc ứng dụng công nghệ không dây vào việc truyền nhận thông tin giữa người
điều khiển và robot giúp cho Robot hoạt động có hiệu quả hơn nhờ được điều khiển
trực tiếp từ con người trong những tình huống bất ngờ mà bản thân không thể xử
lý được, ngoài ra nó cũng mang đến sự an toàn cho người điều khiển trong các môi
trường công việc nguy hiểm.Từ đó chúng em chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ
VÀ CHẾ TẠO ROBOT ĐÁNH CẦU LÔNG” cho đồ án tốt nghiệp của mình.
Tuy đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu và sử dụng các kiến thức bản thân nhưng do
sự hạn chế về mặt kiến thức trong khi đó khoa học về robot lại rộng lớn nên chúng

em không thể tránh được những thiếu sót hay mặt công nghệ có thể còn lạc hậu. Vì
vậy chúng em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy trong khoa giúp
chúng em bổ sung và nắm vững vốn kiến thức của mình.
Chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình giảng vên hướng dẫn Ths. Nguyễn
Văn Trường cùng các thầy trong khoa cơ khí đã giúp chúng em hoàn thành đồ án
này.
Hà Nội, ngày 4 tháng 5 năm 2015
4


Sinh viên thực hiện:
1. Đỗ Hồng Quân.
2. Dương Thái Sơn.
3. Phan Văn Nghiêm.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung
Một bước di chuyển ngắn của Robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn về
tri thức của nhân loại, sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người [1].
Chủng loại robot hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức
năng: từ thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chuẩn đoán bệnh, giúp đỡ
người khuyết tật, vận chuyển đồ và tham gia vui chơi với trẻ em và cho đến phục vụ
các môn thể thao như tenis cầu long [2]. Các nhà nghiên cứu châu Âu và Mỹ đã
phóng nhiều robot lên sao hỏa, nhắm khám phá thăm dò chinh phục hành tinh này.
Theo kế hoạch đã định tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu sau khi vượt chặng
đường 485 triệu km đã thực hiện tác động cho Robot Beagle 2 tiếp đất sao hỏa vào
đêm noel năm 2003 [3]. Về phần mình, NASA đã cho 2 robot cơ động hạ cánh xuống
bề mặt hành tinh đỏ và tháng riêng 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. Nếu vượt qua được thử thách này, thì robot

quả thật đã thực hiện được một cuộc thám hiểm vũ trụ kỳ diệu [4].

5


Hình 1.1: Robot Beagle[8]
Lĩnh vực thứ hai mà robot phát huy tác dụng tích cực là hỗ trợ thầy thuốc khám,
chuẩn đoán và phát hiện bệnh.Robot còn hỗ trợ người khuyết tật thực hiện các thao
tác hàng ngày mà họ không làm được.nhóm robot khác có hệ thống máy móc tao
khả năng tự hành cao hơn, giống người hơn: ví dụ như oto tự điều khiển, robot
thích ứng thăm dò biển thế hệ thứ 3- loại robot này đi được gần giống người. Nhóm
robot này hoạt động ở những địa điểm nguy hiểm nhất mà con người không thâm
nhập được như trong nhà máy điện hạt nhân và trong núi lửa. Hiện nay, việc nghiên
cứu kỹ thuật robot còn đang ở giai đoạn 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 đã tạo ra một số robot có khả năng di chuyển tối ưu,
gần giống di chuyển của người. Phòng thí nghiệm tin học, kỹ thuật Robot và vi điện
tử Montpellier(LIRMM) Pháp đã chế tạo thành công và cung cấp cho các nhà phẫu
thuật dụng cụ hỗ trợ, cái thiện các thao tác phẫu thuật. Ví dụ điển hình là dụng cụ
robot tách bóc da trong phẫu thuật ghép da bị bỏng. Trên thực tế, thao tác này đòi
hỏi phải thực hiện rất chính xác, ít phẫu thuật viên thực hiện được hoàn hảo, trong
khi dụng cụ robot do LIRMM cung cấp thực hiện rất tốt. Giám đốc trung tâm Nghiên
cứu khoa học Quốc gia của Pháp đánh giá: “Dụng cụ robot có khả năng xác định
chính xác vị trí làm việc của mình và xác định được chuẩn khoảng cách giữa tay và
mắt phẫu thuật viên. Dụng cụ robot có thể giúp phẫu thuật viên không bị run tay và
6


tăng tốc thao tác, nhất là trong vi phẫu thuật”. Đối với phẫu thuật tim, dụng cụ
robot cũng hỗ trợ được rất nhiều: mở lồng ngực chính xác cho bệnh nhân, tự động

thực hiện một số nhiệm vụ lặp đi lặp lại. Tại LIRMM, các chuyên gia đang nghiên
cứu điều khiển robot thực hiện thao tác khâu tim thao tác không thể thiếu khi đóng
lồng ngực, mà không làm tim ngừng đập. Đây là thao tác rất phức tạp và đòi hỏi sự
chính xác cao. LIRMM đã thành công trong việc 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 phòng thí nghiệm kỹ thuật ảnh, mô hình hóa và khả năng
nhận biết (TIMC) Uỷ ban Năng Lượng Nguyên Tử Quốc Gia (CEA) của Pháp trong
khuôn khổ dự án Robea Gabie. Mục tiêu và nhiệm vụ chính yếu của Dự án này là
thiết kế “Hệ thống chỉ dẫn bằng ảnh toàn ký”, phục vụ phẫu thuật tim. Trong một
lĩnh vực hoàn toàn khác, các chuyên gia của LIRMM đã thiết kế robot biết chỉnh sửa
đồ mỹ nghệ.Nhờ có hệ robot này nghệ nhân có khả năng nhân đôi giá trị tác phẩm
của mình.Trong thực tế, đã có những robot dạng này đang sử dụng trong công
nghiệp và sản xuất những vật phẩm đồng nhất. Song, trong thiết kế và sản xuất loại
thiết bị này đã không tính đến những đường gân của sản phẩm, độ sù sì của vật liệu
và những đường nét riêng của người sáng tạo ra sản phẩm đó. Tại đó, nghệ nhân
khắc chạm theo cảm giác riêng của mình. Các thao tác này có thể hiệu chỉnh bằng
Robot với mức kích cỡ được thực hiện cơ sở mẫu điêu khắc của người sáng tạo.
Viện bảo tang 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 vào được.trong
tương lai , sẽ có một loại robot khác có khả năng thực hiện một số hoạt động thay
thê hoàn toàn cho con người đang phải đảm nhiệm hiện nay. Để thiết kế được loại
robot này, các nhà nghiên cứu phải có cảm hứng tuyệt vời: đó là sự sống. Một số
động vật có khả năng thích ứng với sự thay đổi của môi trường. Do đó người ta đã
này sinh ý tưởng thiết kế robot mô phỏng theo một số loài vật. trung tâm nghiên
cứu về sự nhận biết của động vật(CRCA) ở Toulouse đã nghiên cứu “trí tuệ” của loài
kiến thông qua robot kiến. Kiến robot được đưa vào trong tổ kiến và được kết giao
với các loài côn trùng khác.Kiến robot sẽ hội nhập xã hội côn trùng và có khả năng
gây ảnh hưởng đến các quyết định của cộng đồng côn trùng. Trong khuôn khổ của
dự án Châu Âu Leurre, mà CRCA tham gia, 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

7


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 vực thám hiểm các vùng lãnh thổ chứ từng
biết đến.
1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu đề tài:
•

Vận dung kiến thức đã học vào thực tế.
+ 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.
+ Chế tạo hoàn chỉnh robot.

•
•

Robot có khả năng tham gia thi đấu trên sân thi đấu cầu lông.
Robot có thể phát và đỡ cầu hiệu quả giúp nâng cao kĩ năng cho người

•

mới tập đánh cầu lông.
Tạo bộ hướng dẫn sử dụng và ứng dụng chip ARM.

1.3 Phương pháp nghiên cứu
Robot đánh cầu lông là một sản phẩm cơ điện tử đang được phát triển trong

lĩnh vực thể thao, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã thực hiện phương pháp
nghiên cứu sau:
-

Nghiên cứu mô hình của các sản phẩm đã có sẵn và được áp dụng vào thực
tế, kết cấu, chức năng của các robot đó. Từ đó áp dụng để thiết kế trong giới

-

hạn đề tài.
Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế robot, cụ
thể là:
+ Thiết kế tuần tự và đồng thời.
+ Mô hình hóa mô phỏng phần cơ khí, phần điện, giả định những phương án

điều khiển, tối ưu hóa trước khi hoàn thiện thiết kế trước khi chế tạo.
1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Robot đánh cầu lông rất đa dạng và nhiều ý tưởng khác nhau. Tuy nhiên trong
phạm vi đề tài tốt nghiệp, với những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu
biết, nhóm chỉ chế tạo mô hình robot đánh cầu lông với những khả năng sau:
-

Thiết kế robot đánh cầu di chuyển linh hoạt trong sân thi đấu.
Robot có khả năng phát phát cầu bổng và cầu thấp với tốc độ cầu đi nhanh.
8


-

Robot có khả năng bắt cầu của đối phương với tầm bao quát rộng và trả cầu

-

nhanh, chính xác.
Động cơ di chuyển các cơ cấu có băm xung, động cơ dùng các encoder có độ

-

chính xác cao.
Trên robot có hệ thống cảm biến giúp tăng khả năng đỡ cầu chính xác.
Nghiên cứu và ứng dụng kit ARM, tạo bộ thư viện hướng dẫn sử dụng và lập
trình chíp ARM.

9


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT ĐÁNH CẦU LÔNG
2.1 Giới thiệu chung về robot đánh cầu lông
Robot đánh cầu lông là một loại robot dùng trong thể thao để giúp những người
mới tập rèn luyện được các kỹ năng khi đánh và có thể nhanh nâng cao trình độ
đánh cầu. với thiết kế vượt trội của robot như khung cơ khí vững chắc được làm
bằng vật liệu Inox có chất lượng cao, di chuyển bằng bánh đa hướng linh hoạt, dễ
điều khiển đáp ứng tốt các tín hiệu điều khiển của người điển khiển. Hệ thống mạch
điện đáp ứng tốt và ổn định, động cơ di chuyển có encoder có độ chính xác cao. Vì
vậy robot có thể thay thế con người trong khi chơi cầu lông. Chỉ cần 1 người chơi và
1 robot đánh cầu là có thể chơi thoải mái với robot.
Robot được thiết kế nhằm cho lĩnh vực thể thao nên cần phải có độ bền tốt và có
độ chính xác cao cũng nhưu tính linh hoạt của robot. Do robot có thể hoạt động liên
tục hàng giờ liền nên cần phải có kết cấu cơ khí bền vững và nguồn nuôi cho các hệ
thông mạch điện phải đủ bền và có khả năng đáp ứng 5 giờ hoạt động liên tục.Và

đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển đưa ra.
Robot đánh cầu lông sử dụng bánh đa hướng di chuyển có độ linh hoạt cao, sử
dụng 4 động cơ servo có encoder đảm bào độ chính xác ngay cả ở tốc độ cao.Các cơ
cấu phát cầu và đỡ cầu cũng được truyền động bằng các động cơ servo.Vì vậy, bài
toán tính toán động cơ rất quan trọng trong thiết kế robot. Bên cạnh đó hệ thống
phát cầu và đỡ cầu được truyền chuyển động từ động cơ qua các bộ truyền đai vậy
nên tính toán các thông số của bộ truyền đai cũng rất quan trọng.
2.2 Lịch sử và phương hướng phát triển của robot đánh cầu lông
2.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Cùng với sự phát triển của rất nhiều loại robot phục vụ cho các nhu cầu khác
nhau của con người, robot đánh cầu lông cũng là loại robot được rất nhiều nước
quan tâm và nghiên cứu và sản xuất ứng dụng vào thực tế.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, sức khỏe và tính trạng của mỗi con người
ngày càng được coi trọng. Chính vì thế, trong những điều kiện làm việc độc hại hoặc
nguy hiểm, robot điều khiển từ xa vượt địa hình sẽ được sử dụng đến để thay cho
con người.

10


Các nhà nghiên cứu của Trung tâm công nghệ cơ điện tử (FMTC) Flanders ở
Leuven, Bỉ vừa phát triển thành công 1 loại rô bốt mới có thể chơi cầu lông cùng với
con người.

Hình 2.1: Robot đánh cầu lông của các nhà khoa học Bỉ chế tạo [8]
Robot này sử dụng hệ thống tầm nhìn 3 chiều (3D), có thể theo dõi quả cầu lông
từ các góc ngắm khác khau. Khi đã xác định được vị trí của quả cầu, phần mềm của
robot sẽ có nhưng thuật toán tối ưu dự đoán hướng đi của nó. Và cuối cùng robot sẽ
đỡ quả cầu theo hướng đoán. Robot này có thể đánh chặn cầu lông với tốc độ
400km/h, thời gian đánh trả cũng rất nhanh, chỉ 1 phần nhỏ trên giây. Giám đốc

phụ trách kỹ thuật của trung tâm công nghệ cơ điện tử (FMTC) Wim Symens cho
biết: “Chúng tôi quyết định tạo ra 1 robot chơi cầu lông mới để chứng minh các
công nghệ mới mà chúng tôi đang phát triển. Con robot này là bằng chứng thuyết
phục cho thấy công nghệ của chúng tôi rất có ích trong thực tế. Robot chơi cầu lông
chưa từng xuất hiện trước đó, nhưng bây giờ mọi người có thể tận mắt ngắm nhìn
và chơi cầu lông với nó”[3].
2.2.2 Sự phát triển của robot đánh cầu lông tại Việt nam
Ứng dụng robot vào trong lĩnh vực thể thao là 1 ứng dụng khá mới đối với Việt
Nam. Các mô hình robot ở Việt Nam nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở dạng những
chiếc máy hỗ trợ người chơi mới học và ở các cấp độ dễ chưa có những con robot có
tính năng thông minh giúp tăng các cấp độ khó khi đánh.

11


Về nghiên cứu về các robot đánh cầu lông ờ Việt Nam các đề tài cũng chỉ dừng
lại ở các thí nghiệm nghiên cứu của sinh viên chứ chưa được đưa vào thực tế để
ứng dụng do cần 1 số yêu cầu riêng để ứng dụng bên ngoài.
Bạn sinh viên Bạch Văn Thành, khoa Cơ – Điện – Điện tử (trường Đại học Công
nghệ TPHCM – Hutech) năm 2011 đã nghiên cứu và làm ra 1 robot đánh cầu lông
nhưng chỉ mới thực hiện được nhiệm vụ phát cầu và dùng cho những người mới
chơi[5].

Hình 2.2: Robot phát cầu lông do bạn Thành chế tạo[8]
Năm 2015 cuộc thi sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương tổ chức tại
Indonesia đã chọn luật chơi là sáng tạo các robot đánh cầu lông để thực hiện các
nhiệm vụ được đưa ra trong luật. Sân chơi này giúp các sinh viên có thể thỏa sức
với các sáng tạo của mình và cũng có thể những robot này sẽ được ứng dụng ở
trong thực tế chứ không chỉ dừng lại ở một cuộc thi.

12


2.3 Các bài toán di chuyển
Việc giải quyết bài toàn di chuyển là quan trọng nhất đối với robot đánh cầu
lông để làm sao cho robot di chuyển linh hoạt nhất trên sân, giúp cho người điều
khiển dễ điều khiển và nâng cao thêm độ chính xác khi đánh và đỡ cầu…
Sân thi đấu nhỏ nên yêu cầu di chuyển sao cho linh hoạt và không bị chạm vào
vạch sân và không di chuyển ra ngoài sân hay va chạm robot của đội mình với nhau.
Trên robot đánh cầu lông sẽ có các chế độ điều khiển bằng tay, bán tự động hoặc
tự động mà không cần thông qua tín hiệu điều khiển từ người điều khiển, tùy thuộc
và chiến thuật cảu đội.
Robot sẽ được gắn thêm các cảm biến để giúp cho robot di chuyển linh hoạt và
thông minh hơn trong khi hoạt động.
Hệ thống mạch điều khiển được sử dụng chip ARM thê hệ thứ 4 có tốc độ xứ lý
nhanh giúp robot đáp ứng tốt các tín hiệu điều khiển, mạch điều khiển các động cơ
là mạch driver PID do trường Lạc Hồng phát triển có khả năng băm xung đảo chiều
tốc độ của động cơ, đặc biệt với chức năng hãm chính xác vị trí.
2.4 Giới thiệu về kết cấu cơ khí
Các cụm bánh di chuyển là sử dụng các bánh OMNI đa hướng giúp robot có thể
di chuyển linh hoạt. Các bánh omni có cấu tạo đặc biệt mỗi lớp có 8 bánh vệ tinh ,
tất cả các bánh vệ tinh và bánh lớn đều dùng bạc đạn loại tốt nên độ bền cao và
giảm ma sát tối đa .
Cơ cấu truyền động đảm bảo tốc độ cao mà vẫn giữ được độ chính xác giúp
robot di chuyển linh hoạt. Các cơ cấu phát cầu và đỡ cầu truyền động bằng xi lanh
sẽ đảm bảo gai tốc tốt giúp quả cầu có thể bay sang sân đối phương.
2.5 Giới thiệu về phương pháp điều khiển
Là loại điều khiển có dây, đảm bảo dữ liệu truyền ổn định và tốc độ truyền cao.
Với phương thức giáo tiếp là truyền thông SPI đảm bảo độ xác thực của dữ liệu và
không bị mất dữ liệu trong lúc truyền.

Ưu điểm:
Truyền với tốc độ cao.
Tránh được các nhiễu không mong muốn đối với truyền thông có dây do
truyền nhận được phản hồi liên tục.
Nhược điểm:
13


Do là truyền thông có dây nên hạn chế về khoảng cách truyền. Và mất 6 dây
để điều khiển. Do phải đứng ngoài sân nên cần dây có khoảng cách khá xa.
Khắc phục nhược điểm:
Dùng thuật toán chống nhiễu cho tay PS để khắc phục cho tình trạng dây dài
dễ mất tín hiệu điều khiển.

14


CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

Tay PS2
Nguồn
năng
lượng 1

Vi điều khiển

Chú thích:

Mạch driver PID

(1, 2, 3, 4)

Mạch van khí
(1, 2, 3, 4, 5)

Động cơ

Van khí

(1, 2, 3, 4)

(1, 2, 3, 4, 5)

Bánh

Các xilanh

(1, 2, 3, 4)

(1, 2, 3, 4, 5)

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Liên kết năng lượng
Liên kết điện, tín hiệu
Liên kết cơ khí
Khối điện, điện tử
Khối cơ khí
15

Nguồn

năng
lượng 2




Khối nguồn
Khối nguồn 1 dùng để cung cấp duy trì hoạt động cho tay cầm điều khiển và cảm
biến, do đó ta sử dụng cảm biến 3V.
Yêu cầu:
-

Khối nguồn có sự ổn định cao về dòng và điện áp
Đảm bảo dễ dàng nạp điện cho khối nguồn.
Có thời gian sử dụng sau 1 lần nạp từ 5-6 giờ.
Có thể tháo rời và lắp lẫn.

Khối nguồn 2 dùng để cấp nguồn cho mạch điều khiển lắp trên robot, mạch công
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 sự ổn định cao về dòng và điện áp.
Có khối lượng và kích thước khuôn khổ nhỏ để có thể lắp trên robot.
Đảm bảo dễ dàng nạp điện cho khối nguồn.
Có thời gian sử dụng sau 1 lần nạp từ 5-6 giờ.
Có thể tháo rời và dễ dàng kết nối lại với thân robot.

Từ đó ta chọn khối nguồn1 là pin li-po, nguồn 2 là Ắc quy.

 Khối cảm biến

Dùng các cảm biếm quang để sử dụng trên robot để biết được các trạng thái của
robot, giúp giữ trạng thái robot được ổn định. Tránh tình trạng trượt trong lúc di
chuyển.
Cùng với đó loại cảm biến tiệm cận để biết được thời điểm phát cầu có thể lập
trình cho robot có những cú phát hiểm hóc, và chính xác.
Yêu cầu:
Tín hiệu của cảm biến ra tỉ lệ tuyến tính với xung ra của cảm biến.
Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường kiểm tra.
Có độ nhạy cao và sai số nhỏ.
Ảnh hưởng ít nhất tới đại lượng đầu vào.
 Tay điều khiển.
-

Tay điều khiển có nhiệm vụ kích hoạt và yêu cầu tới bộ xử lí thực hiện các lệnh
tương ứng.
Yêu cầu:
-

Tốc độ xử lý và truyền cao để có thể thực hiện các chế độ hoạt động của robot

một cách nhịp nhàng nhất, đặc biệt là khả năng kháng nhiễu.
 Khối xử lý tín hiệu
16


Khối xử lý tín hiệu được đặt ở thân Robot có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển
từ tay điều khiển, từ đó giải mã tín hiệu điều khiển thành các xung rồi gửi cho mạch
công suất để thực hiện các chức năng.

Yêu cầu:
-

Tốc độ xử lý cao có bộ nhớ chương trình đủ lớn để lưu các chế độ hoạt động

của Robot.
- Tích hợp sẵn bộ biến đổi ADC.
- Có sẵn các kênh băm xung PWM.
- Các bộ Timer/couter mạnh với độ phân giải lên đến 32bits.
 Mạch khuếch đại công suất
Mạch khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để kích
tải.công suất có thể từ vào tram mw đến vài tram watt. Như vậy mạch công suất
làm việc với biên bộ lớn ở ngõ vào.
Yêu cầu:
-

Cung cấp 1 công suất ổn định cho động cơ.
Có độ bền và tuổi thọ cao.
Ít tỏa nhiệt.
Tản nhiệt tốt.

Từ những yêu cầu đặt ra tan chọn mạch khuếch đại công suất là mạch cầu H sử
dụng mosfet.
 Động cơ điện

Động cơ điện là bộ phận quan trong nhất quyết định khả năng di chuyển của
robot
Yêu cầu:
-

Đảm bảo công suất ổn định để robot có thể di chuyển dễ dàng và có thêm tải

-

trọng từ 10-15kg khi di chuyển.
Động cơ nâng các cơ cấu của robot càng phải có tải trọng và đảm bảo công

suất để có thể các cơ cấu hoạt động ổn định.
- Hoạt động ổn định và có tuổi thọ cao.
 Cơ cấu truyền động.
Để đảm bảo di chuyển tốt ta chọn bộ truyền đai để truyền momen từ trục động
cơ đến các bánh đa hướng giúp robot di chuyển linh hoạt.
 Cơ cấu chấp hành

17


Cơ cấu chấp hành chủ yếu của robot đánh cầu lông là các bộ truyền đai để giúp
robot di chuyển, cùng với các dàn vợt để giúp robot thực hiện các công việc phát, đỡ
cầu khi hoạt động.
Với những yêu cầu đó nhóm thiết kế đã chọn vật liệu để làm các cơ cấu lại Inox
có độ bền và tuổi thọ cao và độ chịu va đập tốt.
3.2 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí
3.2.1 Yêu cầu
Mô hình cơ khí đảm bảo được các yêu cầu và chức năng của robot cụ thể như
sau:
-

Thiết kế mô hình cơ khí đảm bảo chắc chắn, gọn, khối lượng nhẹ, bền và ổn

-

định trong quá trình di chuyển.
Các cơ cấu truyền chuyển động yêu cầu độ chính xác cao nhằm mục tiêu hạn

-

chế tối đa công suất động cơ.
Thiết kế mô hình đảm bảo vị trí của các cơ cấu chấp hành và vị trì lắp đặt

-

mạch điều khiển là hợp lý nhất.
Robot phải có tính thẩm mỹ cao.
Đảm bảo giá rẻ, giảm tối đa chi phí.

3.2.2 Thành phần chính của robot
Thành phần của robot bao gồm:
-

Phần cơ khí: khung robot, các cụm bánh, cơ cấu truyền động quay bánh, cơ
cấu truyền động nâng hạ cơ cấu bắn và bộ giảm tốc, bộ giảm rung, phần thân

-

robot.
Phần điện-điện tử: tay điều khiển, mạch xử lý, mạch công suất, mạch nguồn,
driver.

3.3 Phân tích động học của robot

18


Hình 3.2: Vị trí 4 bánh omni
Phân tích động học robot:
Đế hình vuông, sử dụng bánh xe OMNI, di chuyển linh hoạt, đa hướng
Với thiết kế 4 bánh Omni được gắn vào bốn đầu của hình vuông có thể chạy đa
hướng một cách nhanh chóng, dễ dàng xoay sở trong những khu vực nhỏ.
Bánh Omni cho phép di chuyển theo hướng tới và hướng ngang dễ dàng hơn. Các
bánh lăn của Omni được chế tạo bằng nhựa có độ bám cao nên tốc độ chạy trên sân
thi đấu rất nhanh.
Cách bố trí 4 bánh như hình 3.2.
Cách di chuyển và lập trình:

19


4

1

θ

3

2

Hình 3.3: Di chuyển quay vòng bên trái
Trong đó:

•

x, y, θ – là vị trí của Robot trong mặt phẳng (x, y) và θ là góc được tạo bởi

•
•
•
•
•

trục x và vecter Vi;
d [m] – là khoảng cách từ bánh xe đến tâm Robot;
V0, V1, V2, V3 [m/s]– lần lượt là vận tốc dài của bánh 1, 2, 3, 4;
ω 0, ω 1, ω2, ω3 [rad/s]– lần lượt là vận tốc góc của bánh 1, 2, 3, 4;
Vi, Vn [m/s] – là vận tốc dài của Robot;
ω [rad/s] – là vận tốc góc của Robot;

Trong cơ cấu truyền động, đó là sự hợp nhất của 3 thành phần (x, y, θ) và vận
tốc tổng hợp:
Vx(t)=

(3.1)

Vy(t)=

(3.2)

=

(3.3)

20


Theo [7] phương trình trạng thái nêu lên mối liên hệ giữa Vx và Vy và vận tốc
dài của Vi và Vn trong Robot.
(3.4)
Từ đó ta có mỗi quan hệ giữa vận tốc của bánh V 0, V1, V2, V3 với vận tốc của
Robot V, Vn, ω được diễn tả bởi ma trận sau:
(3.5)
Nó có thể nêu nên mối quan hệ giữa vận tốc của Robot và vận tốc của bánh xe
và được nêu ở ma trận trên. Nó có thể xách định bởi công thức:
Vi(t)=.(V3(t)-V1(t))

(3.6)

Vn(t)=.(V0(t)-V2(t))

(3.7)

(t)=.(V0(t) + V1(t) + V2(t) + V3(t))

(3.8)

Tử (3.3) (3.4) (3.5) => để robot chuyển động quay quanh tâm về hướng bên
trái cần phải điều khiển 4 bánh quay đồng tốc và ngược chiều kim đồng hồ.

Tương tự ta có mô hình điều khiển robot tiến: động cơ 1 quay thuận chiều
kim đồng hồ, động cơ 2 quay thuận chiều kim đồng hồ, động cơ 3 quay ngược chiều
kim đồng hồ, động cơ 4 quay ngược chiều kim đồng hồ, 4 động cơ quay đồng tốc.

21


4
1

2

3

Hình 3.4: Di chuyển thẳng về phía trước

Tương tự ta có mô hình điều khiển robot tiến: động cơ 1 quay ngược chiều
kim đồng hồ, động cơ 2 quay ngược chiều kim đồng hồ, động cơ 3 quay thuận chiều
kim đồng hồ, động cơ 4 quay thuận chiều kim đồng hồ, 4 động cơ quay đồng tốc.

22


1
4

2

3

Hình 3.5: Di chuyển thẳng về phía sau

23

Tương tự ta có mô hình điều khiển robot tiến: động cơ 1 quay ngược chiều
kim đồng hồ, động cơ 2 thuận chiều kim đồng hồ, động cơ 3 quay thuận chiều kim
đồng hồ, động cơ 4 quay ngược chiều kim đồng hồ, 4 động cơ quay đồng tốc.

1
4

2

3

Hình 3.6: Di chuyển thẳng sang bên phải

24


Tương tự ta có mô hình điều khiển robot tiến: động cơ 1 quay thuận chiều
kim đồng hồ, động cơ 2 ngược chiều kim đồng hồ, động cơ 3 quay ngược chiều kim
đồng hồ, động cơ 4 quay thuận chiều kim đồng hồ, 4 động cơ quay đồng tốc.

1
4

3

2

Hình 3.7: Di chuyển thẳng sang bên trái

25