Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Mục Lục
Chương I TỔNG QUAN.............................................................................................1
1 Lý do chọn đề tài........................................................................................................1
2 Mục tiêu đề tài............................................................................................................1
3 Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................2
4 Phương tiện nghiên cứu..............................................................................................2
5 Nội dung đề tài...........................................................................................................2
6 Tổng quan về mobile robot.........................................................................................3
6.1 Lịch sử phát triển của robot...............................................................................3
6.2 Sơ lược về mobile robot....................................................................................6
6.3 Phân loại mobile robot......................................................................................7
6.4 Ứng dụng........................................................................................................... 7
7 Phương pháp nghiên cứu............................................................................................8
7.1 Thiết kế, chế tạo mobile- robot..........................................................................8
7.2 Sơ đồ nguyên lý của các dạng điều khiển không dây......................................10
8 Kết quả dự kiến.........................................................................................................14
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ LÝ THUYẾT..............................................15
1 Thiết kế cơ khí..........................................................................................................15
1.1 Thiết kế cơ khí.................................................................................................15
1.1.1 Sơ lược về phần mềm thiết kế.................................................................15
1.1.2 Động cơ...................................................................................................18
1.1.3 Bánh xe đa hướng....................................................................................19
1.1.4 Nguồn......................................................................................................19
1.1.5 Một số chi tiết khác.................................................................................20
2 Thiết kế giao diện.....................................................................................................21
2.1 Phần mềm thiết kế...........................................................................................21
2.2 Cách kết nối labview và Arduino.....................................................................23
3 Lý thuyết................................................................................................................... 29
3.1 Sóng RF........................................................................................................... 29

3.2 Sóng Wifi........................................................................................................30
3.3 Sóng Bluetooth................................................................................................31
3.4 So sánh lý thuyết các chuẩn điều khiển...........................................................33
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG.....................................................34
1 Thiết bị điều khiển....................................................................................................34


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

1.1 Arduino Mega 2560.........................................................................................34
1.2 Arduino Uno R3..............................................................................................36
1.3 Ngôn Ngữ Lập Trình Cho Arduino..................................................................37
1.4 Lưu đồ giải thuật của mobile robot..................................................................39
2 Giới thiệu các module điều khiển không dây............................................................39
2.1 Module Bluetooth............................................................................................39
2.2 Module nRF24L01..........................................................................................41
2.3 Module Wifi ESP8266....................................................................................44
Chương 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN..........................................................................47
1 Kết quả đạt được.......................................................................................................47
1.1 Mạch phát RF..................................................................................................47
1.2 Main chính......................................................................................................48
1.3 Mạch điều khiển động cơ................................................................................48
1.4 Mô hình mobile- robot sau khi hoàn thành......................................................49
1.5 Giao diện điều khiển........................................................................................50
2. Khảo nghiệm thực tế................................................................................................52


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh 3 loại điều khiển không dây............................................................33
Bảng 3.1 Nối chân của Bluetooth với Arduino Mega..................................................40
Bảng 3.2 Điều kiện làm việc của nRF24L01...............................................................42
Bảng 3.3 Các chế độ hoạt động của nRF24L01...........................................................43
Bảng 3.4 Nối chân của Esp8266 với Arduino Mega....................................................46
Bảng 4.1 Kết quả khảo sát nhiễu của RF.....................................................................53
Bảng 4.2 Kết quả khảo sát hiện tượng nhiễu của Bluetooth........................................54
Bảng 4.3 Kết quả khảo sát hiện tượng nhiễu của Wifi.................................................54
Bảng 4.4 So sánh 3 loại truyền không dây thông qua khảo nghiệm thực tế.................55


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Chương I
TỔNG QUAN
1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển của công nghệ điện tử, kỹ thuật số, các hệ thống điều khiển dần
dần được tự động hóa. Nó trở thành một lĩnh vực khoa học, mà ứng dụng của nó
không thể thiếu trong dân dụng cũng như trong các VNĐh công nghiệp.Và nó còn là
nền tảng cho các VNĐh khác. Với kỹ thuật tiên tiến như: vi xử lý, vi mạch số,.. được
ứng dụng rộng rãi vào lĩnh vực điều khiển.
Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp việc phải sử dụng những cánh
tay robot, những máy tự động làm việc theo chương trình cài sẵn, những robot di động
thực hiện các công việc nguy hiểm là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Nó
giúp thực hiện những thao tác đòi hỏi độ chính xác cao hoặc môi trường làm việc ô
nhiễm độc hại nhằm đảm bảo an toàn cho người lao động , tăng năng suất sản xuất.
Nhất là trong các công việc mang tính lặp đi lặp lại công việc cụ thể thì robot có thể
làm việc rất là chính xác.
Bởi những lí do trên nhóm đã thực hiện đề “Thiết kế, chế tạo các module điều
khiển không dây cho mobile-robot ” với các tính năng điều khiển không dây bằng

sóng RF, wifi, bluetooth để có thể thực hiện những công việc nguy hiểm gián tiếp.
2 Mục tiêu đề tài
- Mục tiêu trước hết là hoàn thành đề tài tốt nghiệp.
- Áp dụng những lý thuyết đã học vào thực tế, phát huy những thành quả của vi điều
khiển vào thực tế nhằm tạo những sản phẩm, những thiết bị tiên tiến hơn nhằm đạt
hiệu quả cao trong sản xuất cũng như phục vụ nhu cầu trong sinh hoạt hằng ngày.
- Ôn lại, tìm hiểu rộng thêm các kiến thức đã được học.
- Và cuối cùng là hoàn thiện được một mô hình mobile robot và thiết kế, chế tạo các
module điều khiển không dây RF, wifi, Bluetooth.

Trang 1


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

- Ngoài ra, nhóm mong muốn đề tài là nền tảng để các khóa sau nghiên cứu, phát triển
hoàn thiện hệ thống hơn để ứng dụng vào các cuộc thi robocon.
3 Đối tượng nghiên cứu
- Tìm hiểu về vi xử lí Atmega2560, Atmega328.
- Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình C/C++ trên phần mềm Arduino IDE.
- Tìm hiểu về mosfet IRF540, IRF 9540.
- Tìm hiểu về điều khiển từ xa bằng sóng RF (nRF24L01), wifi (ESP8266),
bluetooth(HC-05).
4 Phương tiện nghiên cứu
- Các tài liệu liên quan đến đề tài.
- Máy tính.
- Các dụng cụ hổ trợ thiết kế mạch điện tử.
5 Nội dung đề tài
Nội dung của đề tài cần thực hiện là:
- Tổng hợp phân tích các chuẩn không dây điều khiển cho mobile robot như :

dùng sóng RF, sóng bluetooth , sóng wifi.
- Thiết kế, chế tạo một mobile robot .
- Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển không dây dựa trên lý thuyết đã tìm hiểu.
- So sánh , phân tích ưu nhược các chuẩn điều khiển đã tìm hiểu.

Trang 2


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

6 Tổng quan về mobile robot
6.1 Lịch sử phát triển của ROBOT
Hình dạng Robot xuất hiện đầu tiên ở nước Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình
dung trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 của thế kỷ trước,
bên cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực điện
tử đã xuất hiện. Tuy nhiên, các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu
sự di động, các tay máy này hoạt động hạn chế quanh vị trí của nó. Ngược lại, Mobile
Robot là lại Robot di động có thể di chuyển từ không gian này đến không gian khác
một cách độc lập hay được điều khiển từ xa, do đó tạo không gian hoạt động lớn.
Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong cuộc chiến thế giới lần thứ II, những con
Robot di động đầu tiên xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong
những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và điều khiển học,
hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ nổ trong những
dãy mục tiêu nhất định, sử dụng trong hệ thống hướng dẫn và rada điều khiển. Tên lửa
V1 và V2 có “ phi công tự động” và hệ thống phát nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn
hạt nhân tự điều khiển hiện đại.
Từ năm 1948 đến 1948: W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai con Robot
trông giống con đồi mồi. Về mặc hành chính, chúng được gọi là Machina Speculatrix
bởi vì những con Robot này hoạt động trong môi trường như những chú chim đồi mồi.
Elmer và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sáng. Nếu chúng nhận ra một nguồn

sáng, chúng sẽ di chuyển về phía nguồn sáng. Chúng có thể tránh hoặc chuyển những
chướng ngại trên đường di chuyển. Những con Robot này chứng mình rằng những cử
chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản. Elmer và Elsie chỉ được thiết kế
tương đương hai tế bào thần kinh.
Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast”. Beast
sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh. Khi pin yếu nó sẽ tự tìm ổ cắm điện
và cắm vào.

Trang 3


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Năm 1969: Mowbot là con Robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động. The
Stanford Cart line follower là một con Robot di động có thể di chuyển thông qua nhận
dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn. Nó bao gồm một “kênh truyền
thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính toán.
Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng
và nghiên cứu ra Shakey. Shakey có một camera, một dãy kính gắm, một bộ cảm biến
và một bộ truyền thanh. Shakey là con Robot đầu tiên lý giải về những chuyển động
của nó. Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa nhiều mệnh lệnh chung và và Robot
này sẽ tính toán những bước cần thiết để hoàn thiện nhiệm vụ được giao.
Năm 1976: trong chương trình Vikiry, tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ trụ
không người lái lên sao hỏa.
Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả
R2D2, một con Robot di động hoạt động độc lập và C3P0, một con robot hình người.
Họ đã khiến công chúng biết đến những con Robot.
Năm 1980: Thị hiếu của người tiêu dùng về Robot tăng, robot được bày bán và
mua về để sử dụng trong nhà. Ví dụ RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loạt mẫu
robot HERO. Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó đã có thể lái tàu biển

vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua.
Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics.
Năm 1990: Cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với
các đồng nghiệp và đã phát minh ra những con robot tự động trong VNĐh y tế và được
bán bởi Helpmate. Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ
trong nhà Cybermotion.
Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học
Carnegie Mellon, cả hai con Robot dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt động.
Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (người tiên phong) được bán
sẵn ở một mức giá chấp nhận được, điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về nghiên cứu
Robot và các trường đại học nghiên cứu về Robot trong suốt các thập sau. Robot di
Trang 4


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

động trở thành một phần không thể thiếu trong chương trình giảng dạy của các trường
đại học.
Năm 1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 Robot Rover và
Sojourner lên sao Hoả. The Rover thám hiểm bề mặt sao hoả được điều khiển từ mặt
đất. Sojourner được trang bị với một hệ thống tránh rủi ro cao. Hệ thống này làm cho
Sojourner có thể tìm thấy đường đi của nó một cách độc lập trên địa hình của sao Hoả.
Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một con robot có khả năng đi lại, quan sát và
tác động qua lại tới môi trường. Robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBot
cũng được giới thiệu.
Năm 2001: Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng được
khởi động. Chúng bao gồm một số lượng lớn các con Robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn
nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp.
Năm 2002: Roomaba, một con robot di động dung trong gia đình, thực hiện công
việc lau nhà xuất hiện. Tiếp tục phát triển hiện nay có rất nhiều loại Robot phục vụ cho

con người dần xuất hiện ngày càng thân thiện hơn.
Năm 2004: Robosapien, một con robot đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden được
bán sẵn. Trong dự án “The Centibots Project” 100 con Robot cùng làm việc với nhau
để tạo lên một bản đồ cho một vùng không xác định và tìm những vật thể trong môi
trường đó. Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge, các con Robot tự động
đã cùng nhau tranh tài trên sa mạc.
Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo và Helpmate. PatrolBot trở lên phổ
biến khi các Robot di động vẫn tiếp tục cạnh tranh nhau để trở thành mặt hàng độc
quyền. Sở an ninh Mỹ đã bỏ dự án MDARS-I, nhưng lại gây quỹ cho dự án MDARSE một loại Robot an ninh tự động khác. TALON-Sword, một loạiRobot tự động dùng
để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn và những sự lựa chọn về vũ khí hợp thành khác đã
ra đời. Asimo của Honda biết cách chạy và leo cầu thang chỉ với hai chân như con
người.

Trang 5


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thông minh tăng nhanh về số lượng trong quy
trình phân phối, những Robot thông minh này được phân loại theo mức độ phổ biến
những nội dung của chúng. Robot từng trở thành phương tiện phổ biến trong các bệnh
viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác. ARCSinside SpeciMinder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm. Seekur, Robot
dịch vụ dùng ngoài trời với mục đích phi quân sự có thể kéo một xe qua một bãi đậu
xe, lái một cách độc lập (tự động) vào trong nhà và bắt đầu học cách lái ra ngoài.
Trong khi đó, PatrolBot học cách theo sau con người và nếu cửa mà mở thì đóng lại.
6.2. Sơ lược về mobile robot
- Khái niệm: mobile robot là các robot mà trong đó nhiệm vụ chủ yếu của nó là di
chuyển, định vị, tìm đường đi tối ưu, và vẽ lại bản vẽ.
- Thành phần chính được chia làm 3 phần chính:
+ Bộ bão (Brain): Là main chính dùng để điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ

thống robot.
+ Cảm biến (Sensor): các loại cảm biến âm thanh, nhiệt độ, chuyển động, ánh
sáng, khoảng cách,…… Nhờ vào phần này mà robot có thể biết các yếu tố môi
trường xung quanh.
+ Các bộ phận cơ khí và cấp hành (Actuator): động cơ, piston, cơ cấu kẹp, bánh
răng, bánh xe.
- Ngoài ra còn được lắp các thiết bị phụ trợ như camera, máy ghi âm,…..hoặc cả vũ
khí để thực hiện những nhiệm vụ riêng tùy vào mục đích.
- Sơ đồ tổng quát điều khiển Robot:

NGƯỜI ĐIỀU
KHIỂN

BỘ ĐIỀU
KHIỂN TỪ
XA

MOBILE ROBOT

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển Robot
Trang 6


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

- Mobile robot là một lĩnh vực có nhiều tiềm năng, được dùng trong nhiều mục đích
khác nhau như: giải trí trong gia đình, phục vụ trong các công sở, trong các mục đích
quân sự, và dùng nhiều trong thám hiểm hành tinh. Tiêu biểu trong họ robot này có thể
kể đến như: robot chó Aibo, xe tự hành Sojourner thám hiểm sao hỏa và các loại robot
dò mìn, tìm đường, …

6.3 Phân loại mobile robot
Có một số cách phân loại mobile robot sau:
- Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển:
+ Robot Ngoài trời và robot trong nhà. Thông thường, chúng được lắp bánh
xe, nhưng có loại robot có chân (gồm 2 hoặc nhiều chân) robot hình người,
robot hình dạng động vật hoặc côn trùng.
+ Robot trên không thường dùng cho các phương tiện trên không, phương
tiện không người lái.
+ Robot dưới nước dùng cho các phương tiện hoạt động dưới nước, chúng
hoạt động độc lập.
- Phân loại theo phương pháp di chuyển:
+ Robot có chân, chân giống người hay chân giống động vật.
+ Robot có bánh xe.
+ Robot di chuyển bằng bánh xích.
6.4 Ứng dụng
- Ngày nay, mobile robot được ứng dụng rộng rãi hầu hết trong mọi lĩnh vực.
- Lĩnh vực được ứng dụng nhiều nhất là trong công nghiệp, mobile robot được sử dụng
chủ yếu để di chuyển các thiết bị, mang vác nguyên liệu và phụ kiện cần thiết, nơi có
môi trường làm việc ô nhiễm độc hại. Robot được dẫn hướng bởi các đường dây điện
đặt ở dưới sàn, hay các robot này được lập trình theo một đường đi và công việc nhất
định.
Trang 7


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

- Phục vụ công việc hằng ngày và giải trí của con người. Ví dụ như robot lau nhà, nhảy
theo điệu nhạc, robot điều tiết giao thông,….
- Trong an ninh quốc phòng cũng được đầu tư nghiên cứu phát triển rất nhiều.
- Ngoài ra, còn được ứng dụng trong thám hiểm vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác. Ví dụ

như Robot Sojourner được sử dụng trong nhiệm vụ tìm kiếm sự sống trên sao Hỏa
năm 1997. Robot hầu như hoàn toàn được điều khiển từ xa trái đất. Tuy nhiên, robot
có một số sensor được trang bị trên nó giúp nó có thể di chuyển một cách khá độc lập.

Hình 1.2 Robot sojourner

Hình 1.3 Robot lau nhà Samsung

7 Phương pháp nghiên cứu
7.1 Thiết kế, chế tạo mobile- robot
Hoạt động của Robot chủ yếu ở những nơi có điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, địa hình
thích hợp nên chọn mica làm phần khung Robot. Mica là một loại nhựa PPC tổng hợp,
do đặc tính bền, dẻo, dễ sử dụng của mica mà ta có thể dùng dao cắt hay các máy cắt
cnc (máy tự động có đầu cắt là hợp kim cứng) hoặc các máy laser (đầu cắt sử dụng tia
laser) để cắt mica theo thiết kế. Thông số của mica chọn làm khung như sau: bề dày
3mm đến 5mm, màu sắc mica trắng đục và xanh dương.
Trang 8


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Hình 1.4 Mica thiết kế

Hình 1.5 Mô hình mobile robot

Trang 9


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

7.2 Sơ đồ nguyên lý của các dạng điều khiển không dây

Hình 1.6 Sơ đồ playout phần phát sóng RF

Hình 1.7 Sơ đồ playout mạch thu sóng RF (nRF24L01) , bluetooth (HC05),
wifi (esp8266)
Trang 10


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Sóng RF:
Module nRF24L01 hoạt động ở tần số sóng ngắn 2.4G nên Module này khả năng
truyền dữ liệu tốc độ cao và truyền nhận dữ liệu trong điều kiện môi trường có vật cản,
Modul nRF24L01 có 126 kênh truyền. Điều này giúp ta có thể truyền nhận dữ liệu trên
nhiều kênh khác nhau. Module khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình,
điều này giúp nó có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng.

Hình 1.8 Module nRF24l01

Hình 1.9 Sơ đồ khối của nRF24l01

Trang 11


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Hình 1.10 Sơ đồ chân nRF24L01

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý module nRF24L01

Trang 12


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Sóng Bluetooth:
Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nối thiết bị
cá nhân hay mạng cục bộ nhỏ trong phạm vi băng tần từ 2.4GHz đến 2.485GHz.
Bluetooth được thiết kế hoạt động trên 79 tần số đơn lẻ. Khi kết nối , nó sẽ tự động tìm
ra tần số tương thích để di chuyển đến thiết bị cần kết nối trong khu vực nhằm đảm
bảo sự liên tục.

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý module Bluetooth HC-05

Hình 1.13 Module Bluetooth HC-05
Sóng Wifi:
ESP8266 là một chip tích hợp được thiết kế dùng cho chuẩn kết nối mới. Có thể
dùng nó để đưa những dự án của bạn kết nối đến Internet. Đơn giản nó sử dụng ngõ

Trang 13


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

giao thức nối tiếp với tốc độ Baud 9600 (mặc định). Kết nối mạng không dây, giống
như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian và có thể download dữ liệu từ Internet.

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý module esp8266

8 Kết quả dự kiến
Hoàn thành các nhiệm vụ được giao:
- Thiết kế được một mô hình mobile- robot.
- Thiết kế được giao diện điều khiển mobile- robot thông qua 3 loại sóng là
bluetooth, RF, wifi trên phần mền labview.
- So sánh, đánh giá ưu và nhược điểm của 3 loại sóng trên.

Trang 14


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ LÝ THUYẾT

1 Thiết kế cơ khí
1.1 Thiết kế cơ khí
1.1.1 Sơ lược về phần mềm thiết kế
Mobile robot được thiết kế trên phần mềm solidworks 2013. Solidworks là phần
mềm thiết kế cơ khí 3D, chạy trên hệ điều hành Windowns. Solidworks được phát
triển bởi Dassault Systèmes Solidworks Corp, một công ty con của Dassault Systèmes,
SA (Vélizy, Pháp). Solidworks hiện đang được sử dụng bởi hơn 2 triệu kỹ sư và nhà
thiết kế ở mức hơn 178.000 công ty trên toàn thế giới.
Solidworks đang là đối thủ cạnh tranh trực tiếp với Autodesk Inventor và Solid
Edge. Về lịch sử: Tổng công ty Solidworks được thành lập vào tháng 12/1993 bởi Viện
Công nghệ Massachusetts của Jon Hirschtick. Hirschtick sử dụng số tiền $1.000.000
của ông kiếm được khi là thành viên của nhóm MIT Blackjack để thành lập công ty.
Ban đầu công ty có trụ sở tại Waltham, Massachusetts, Hoa Kỳ, Hirschtick tuyển dụng
một đội ngũ kỹ sư với mục tiêu xây dựng phần mềm CAD 3D mà dễ sử dụng, giá cả
phải chăng, và chạy trên nền Windows. Hoạt động sau từ Concord, Massachusetts,

Solidworks phát hành sản phẩm đầu tiên của mình Solidworks 95 vào năm 1995. Năm
1997, Dassault nổi tiếng với phần mềm CATIA CAD, mua lại Solidworks với giá
$310.000.000. Solidworks đang tiếp thị một số phiên bản của phần mềm Solidworks
CAD ngoài eDrawings-một công cụ cộng tác và DraftSight-một sản phẩm 2D CAD.
Solidworks đã được lãnh đạo bởi John McEleney từ năm 2001 đến tháng 7 năm 2007
và Jeff Ray từ năm 2007 đến tháng 1 năm 2011. Giám đốc điều hành hiện nay là

Trang 15


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Bertrand Sicot. Các phiên bản đã phát hành như: SolidWorks 95, SolidWorks 96,
SolidWorks 97, SolidWorks 97 Plus, SolidWorks 98, SolidWorks 98 Plus,…,
SolidWorks 2013,…
Các sản phẩm solidworks cung cấp:
Ứng dụng thiết kế cơ khí 3D: SolidWorks Standar, SolidWorks Professional,
SolidWorks Premium cung cấp một bộ công cụ phát triển sản phẩm thiết kế, thẩm tra
thiết kế, quản lý dữ liệu, thông tin liên lạc và các công cụ cơ khí. SolidWorks Premium
bao gồm tất cả các khả năng của SolidWorks chuyên nghiệp cũng như định tuyến và
các công cụ phân tích, bao gồm SolidWorks Routing, SolidWorks Simulation, và
SolidWorks Motion.SolidWorks Education Edition cung cấp các chức năng thiết kế
tương tự nhưng được cấu hình và đóng gói cho kỹ thuật và sinh viên thiết kế công
nghiệp.
Thiết kế các công cụ chứng nhận: SolidWorks Simulation là một công cụ xác
nhận thiết kế cho thấy các kỹ sư cách thiết kế của họ sẽ cư xử như các đối tượng vật
lý. SolidWorks Motion là một công cụ tạo mẫu ảo cung cấp khả năng mô phỏng
chuyển động để đảm bảo chức năng thiết kế đúng cách. SolidWorks Flow Simulation
là một công cụ kiểm tra mô phỏng chất lỏng dòng chảy bên trong và bên ngoài và phân
tích nhiệt để các nhà thiết kế có thể tiến hành thử nghiệm trên nguyên mẫu ảo.

SolidWorks Simulation Premium là một phân tích phần tử hữu hạn (FEA) công cụ xác
nhận thiết kế có thể xử lý một số mô phỏng đa môi trường cũng như các vật liệu phi
tuyến. SolidWorks phát triển bền vững là một sản phẩm mà các biện pháp tác động
môi trường của thiết kế trong khi họ được mô phỏng trong SolidWorks.
Sản phẩm công cụ quản lý dữ liệu: SolidWorks Workgroup PDM là một công cụ
PDM cho phép người dùng SolidWorks hoạt động trong nhóm 10 thành viên hoặc ít
hơn để làm việc trên các thiết kế đồng thời. Với SolidWorks PDM nhóm làm việc, các
nhà thiết kế có thể tìm kiếm, chỉnh sửa, và dữ liệu ngăn CAD trong khi duy trì một lịch
sử thiết kế chính xác. SolidWorks Enterprise PDM là một công cụ PDM cho phép
người dùng SolidWorks hoạt động theo nhóm tại các cơ sở riêng biệt khác nhau để làm
việc trên các thiết kế đồng thời. Với SolidWorks Doanh nghiệp PDM, các nhà thiết kế
Trang 16


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

có thể tìm kiếm chỉnh sửa, và dữ liệu ngăn CAD trong khi duy trì một lịch sử thiết kế
chính xác. Doanh nghiệp PDM duy trì một đường mòn kiểm toán, tương thích với một
loạt các gói CAE (Autodesk, Siemens, PTC, Catia, vv) để duy trì quan hệ inteRFile, và
sẽ quản lý các phiên bản của bất kỳ tài liệu lưu trong khu vực lưu trữ chung. PDM
doanh nghiệp cũng sử dụng một sơ đồ quy trình làm việc để tự động thông báo cho
thành viên trong nhóm khi một dự án di chuyển từ một giai đoạn đến, cũng như ý kiến
theo dõi tiếp theo. PDM doanh nghiệp có khả năng giao tiếp với các hệ thống MRP /
ERP và có thể được sử dụng trực tuyến để giao tiếp với khách hàng và chuỗi cung ứng.
Công cụ thiết kế đặc biệt: SolidWorks Routing, SolidWorks Electrical, olidWorks
Plastics là một công cụ xác nhận thiết kế khuôn mẫu đã được xây dựng thành một môi
trường mô hình rắn. Nó cho phép các nhà thiết kế khuôn để nhanh chóng và dễ dàng
xác minh xem một phần đúc nhựa có thể được lấp đầy. SolidWorks MoldBase là một
danh mục các hội đồng cơ sở khuôn tiêu chuẩn và các thành phần. Các gói phần mềm
cho phép các nhà thiết kế để tạo ra một cơ sở khuôn lắp ráp hoàn chỉnh. Print3D là một

tính năng in 3D cho phép người dùng chuyển đổi mô hình CAD 3D của họ vào một
tập tin STL. Và sau đó có nó được gửi đến các nhà sản xuất đặc biệt cho báo giá. Các
tập tin STL. Có thể được sử dụng để tạo ra một liên kết ngay lập tức trích dẫn bằng
cách sử dụng công nghệ Quickquote.
Solidworks với tính mở và tính tương thích của mình, Solidworks cho phép nhiều
phần mềm ứng dụng khác chạy trực tiếp trên môi trường của nó, Solidworks cũng kết
xuất ra các tập tin dữ liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khai thác trong
môi trường các phần mềm khác.
Những nhà sản xuất, họ không những sử dụng máy CNC mà còn sử dụng nó với
các phần mềm CAD/CAM như Pro-Engineer, Cimatron, MasterCam… là những phần
mềm khá nổi tiếng đang được sử dụng ở nước ta. Những phần mềm như Cimatron,
MasterCam có tính năng CAM rất tốt nhưng lại có tính năng thiết kế 3D không mạn
như Pro-Engineer.
Nhưng theo phản ánh của các kỹ sư thì giao diện của Pro-Engineer làm chậm quá
trình thiết kế và thậm chí làm rối các nhà thiết kế vì sự xuất hiện quá nhiều cửa sổ.
Trang 17


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

Chính vì vậy các nhà sản xuất trên thế giới đang dần chuyển qua phần mềm
Solidworks (Edited by congtd ).

Hình 2.1 Giao diện chính của solidworks 2013
1.1.2 Động cơ
Động Cơ Giảm Tốc GA 37 thích hợp với các ứng dụng xe mô hình, robot, ổ khóa
điện tử, thiết bị thông minh,…

Thông số kỹ thuật :
- Moment xoắn: 3.5kg.cm

- Điện Áp: 12V
- Tốc Độ: 200RPM
- Trọng Lượng: 208 g
Hình 2.2 Động cơ giảm tốc GA37

Trang 18


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

1.1.3 Bánh xe đa hướng
Để đạt được tính linh hoạt trong di chuyển thì chúng em chọn bánh xe đa hướng
với kích thước màu sắc đã chọn trước. Bánh xe với đường kính ngoài là 20mm, được
làm từ nhựa PP-thép, có khối lượng 20 gam, độ dày bánh xe là 14mm, tổng chiều cao
chân đế là 13,5mm, có thể chịu được tải trọng lớn và di chuyển linh hoạt trong các môi
trường khác nhau.

Hình 2.3 Bánh xe đa hướng
1.1.4 Nguồn
Pin Li-ion NCR18650A 4.2V
Thông số kỹ thuật:
- Dung lượng: 3700mAh
- Size: 18 x 65mm
- Trọng lượng : 46 g
- Điện áp: 3.7V – 4.2V
- Số lần sạc xả : 1200 lần
Hình 2.4 Pin Li-ion NCR18650A

Trang 19

Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

1.1.5 Một số chi tiết khác
Part gá động cơ đường kính 25mm
Part gá động cơ được gia công với độ chính xác cao, khó biến dạng. Với chất liệu
hợp kim nhôm cùng với độ dày 3mm được xữ lý bề mặt, chống ăn mòn giúp cho việc
gá đặt động cơ trở nên cứng cáp hơn

Hình 2.5 Part gá động cơ
Bulông đai ốc
Bulông và đai ốc M3 x 12mm, M4 x 26mm sử dụng chủ yếu ở Robot có thông số như
sau: Chất liệu nhôm hợp kim, đầu tròn,…

Hình 2.6 Bulông đai ốc

Trang 20


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

2 Thiết kế giao diện
2.1 Phần mềm thiết kế
Labview là một phần mền được viết ra nhằm mục đích phát triển những ứng
dụng rộng lớn trong đo lường và điều khiển giống như ngôn ngữ lập trình C hoặc
Basic cũng như LabWindows, tuy nhiên LabVIEW khác so với các ngôn ngữ trên là
các ứng dụng của nó đặt trong các VI (Virtual Instrument) nằm trong thư viện của
LabView, một số ứng dụng đặc biệt của LabView là tạo các giao diện để người dùng
quan sát trực quan các hiện tượng vật lí trên thực tế. Khác với những ngôn ngữ lập
trình hệ thống được viết trên nền văn bản để tạo ra các dòng lệnh hoặc mã lệnh. Trong

khi đó Labview lại sử dụng một ngôn ngữ lập trình đồ họa G để tạo ra những chương
trình ứng dụng đặc biệt. Labview có rất nhiều công dụng để tạo ra một trình ứng dụng
theo ý của người sử dụng nó, trong Labview chứa đựng nhiều khối đã tạo sẵn được đặt
trong thư viện,đặc biệt nó còn bao gồm các thư viện của các hàm và các chương trình
con cho một nhiệm vụ nào đó. Labview còn có những hướng dẫn và những ví dụ.
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) là một ngôn
ngữ lập trình đồ họa mà sử dụng các biểu tượng thay vì các văn bản để tạo ra các ứng
dụng. Trái với các ngôn ngữ lập trình văn bản cơ sở, nơi mà hướng dẫn xác định mệnh
lệnh thực hiện chương trình,Labview sử dụng lập trình lưu đồ, ở đó nguồn dữ liệu
xuyên qua các nút trên các sơ đồ khối xác định các mệnh lệnh thực hiện của các VI và
các hàm chức năng. Các VI hay các thiết bị ảo là các chương trình Labview mà bắt
chước các dụng cụ vật lí.
Trong LabView, bạn xây dựng một giao diện người dùng bằng việc sử dụng một
tập hợp các dụng cụ và các đối tượng. Giao diện người dùng được biết đến như là giao
diện (mặt máy). Sau khi bạn thêm mã sử dụng trình bày đồ họa của các hàm chức năng
tới điều khiển các đối tượng giao diện. Mã nguồn đồ họa này cũng được biết đến như
mã G hoặc mã sơ đồ khối. Sơ đồ mã khối chứa đựng mã này. Trong một số cách, sơ đồ
khối giống với lưu đồ.
LabView có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa và cơ điện tử:

Trang 21


Thiết Kế, Chế Tạo Module Điều Khiển Không Dây Cho Mobile Robot

- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh
từ webcam, vận tốc của động cơ,...
- Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông
qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet, …
- Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích

nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn
- Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn
nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,..
- Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (Fuzzy
Logic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong
LabVIEW.
- Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,...

Hình 2.7 Giao diện khi khởi động môi trường LabVIEW

Trang 22