Nghiên cứu xây dựng mô hình robocon theo chủ đề và luật thi ABU robocon 2017

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC HÌNH

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 điện – 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 xây dựng mô hình robocon theo chủ đề và luật thi ABU Robocon 2017”
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.

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình giảng vên hướng dẫn Ths.Tô Anh
Dũng cùng các thầy trong khoa điện đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này.


Mục đích:
•

•

•

Giúp sinh viên tổng hợp được các kiến thức chuyên mô đã học.
Như là thiết kế, san xuất, chế tạo, thử nghiệm, vận hành, sử dụng,

lắp đặt, sữa chữa, bảo dững, quản lý, nghiên cứu phát triển các hệ
thống điện-điện tử, trang thiết bị điện.
Làm quen xây dựng một hệ thông thực tế
Giúp sinh viên làm quen với mô hình và hệ thống thực tế. Như thực
tế ở đây là mô hình hệ thống robocon theo chủ đề thi robocon năm
2017.
Phân tích, lựa chọn, hiệu chỉnh và điều khiển được thiết bị trong đề tài

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: CHỦ ĐỀ VÀ LUẬT THI ROBOCON 2017
1.1. Chủ đề cuộc thi robocon 2017
Ngay sau khi kết thúc những trận đấu căng thẳng tại cuộc thi ABU
Robocon 2016, chủ đề và luật thi của cuộc thi Robocon châu Á – Thái
Bình Dương năm tiếp theo đã được công bố. Theo đại diện nước chủ nhà
Nhật Bản – đơn vị đăng cai tổ chức ABU Robocon 2017, chủ đề cuộc thi
năm sau là “The Landing Disc”, được lấy cảm hứng từ trò chơi truyền
thống “Tosenkyo” của Nhật Bản.
“Tosenkyo” là một trò chơi liên quan đến “Sensu” (chiếc quạt giấy) – được
phát minh tại Nhật Bản vào khoảng 1300 năm trước. Mục đích của trò
chơi không chỉ là ném quạt trúng mục tiêu mà còn phải chú ý tới vị trí của
quạt và mục tiêu sau khi ném.

Hình 1. Chủ đề cuộc thi ABU Robocon 2017 có liên quan đến chiếc quạt giấy của
Nhật Bản
Chủ đề cuộc thi xoay quanh tinh thần “Asobi” cũng là triết lý cơ bản của
cuộc thi Robocon. Đây là một khái niệm đã ăn sâu vào văn hóa của Nhật

Bản. Mang nghĩa là “chơi” trong tiếng Nhật, “Asobi” đề cao sự vui vẻ, độc
đáo và sự trình diễn các kỹ năng hơn là sự thắng, thua. Theo tinh thần

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
“Asobi”, mọi người chơi, dù là bạn bè hay đối thủ, đều được khuyến khích
chia sẻ niềm vui trong khi thi đấu.
Thử thách đặt ra trong cuộc thi ABU Robocon 2017 là phải đặt “Sensu” trên
đỉnh hộp sau khi ném trúng mục tiêu. Tuy nhiên, tại cuộc thi, người choiw
sẽ thay bằng những chú robot, “Sensu” được thay thế bằng những chiếc đĩa
(Flying Disc), mục tiêu là những quả bóng chuyền (Beach Ball) đặt trên
đỉnh hộp là đĩa tròn trên các cột trụ (Spot).

Hình 2. Chủ đề cuộc thi lấy cảm hứng từ trò chơi truyền thống Tosenkyo của
Nhật Bản
1.2. Luật thi Robocon 2017
Theo chủ đề và luật thi của ABU Robocon 2017, mỗi trận đấu sẽ diễn ra
trong thời gian tối đa là 3 phút giữa hai đội xanh và đỏ. Có tổng cộng 7 cột
trụ với chiều cao là đường kính đĩa tròn trên đỉnh cột khác nhau trên sân thi
đấu. Trên mỗi đĩa tròn (Spot) là quả bóng chuyền đại diện cho mục tiêu.
Robot của hai đội chỉ được di chuyển trong khu vực kẻ màu tương ứng ở
hai cạnh bên của sân thi đấu, gọi là khu vực ném đĩa (Throwing Area).

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 3. Mô phỏng sân thi đấu ABU Robocon 2017
Khi trận đấu bắt đầu, robot mỗi đội di chuyển từ khu vực xuất phát (Starting
Zone) vào khu vực ném đĩa và “bắn hạ” quả bóng chuyền trên đỉnh cột. Sau
đó, với mỗi chiếc đĩa được đặt trên Spot, mỗi đội sẽ giành được điểm tương
ứng tùy theo cột mà robot đặt được đĩa. Với mỗi đĩa đặt trên cột gần nhất
với robot và các cột theo hàng ngang ở trung tâm sân thi đấu, đội tuyển sẽ
ghi được 1 điểm. Trong khi đó, đĩa đặt trên cột nằm xa robot nhất (gần robot
đối phương) sẽ giúp đội chơi ghi được 5 điểm. Ngoài ra, mỗi đĩa được đặt
thêm trên các cột trung tâm và cột xa nhất sẽ giúp đội chơi ghi thêm điểm.
Tuy nhiên, các đội chơi có thể sử dụng đĩa của mình để bắn phá các đĩa trên
cột của đối thủ. Đối với những đĩa rơi khỏi Spot, đội chơi sẽ không được
tính điểm.

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 4. Số điểm đội chơi ghi được tương ứng với các cột
Theo thể lệ cuộc thi, mỗi đội chơi được sử dụng tối đa 50 đĩa được đặt tại
khu vực nạp (Loading Area). Do đó các đội chơi cần có chiến lược sử dụng
đĩa hiệu quả để giành chiến thắng. Trận đấu sẽ giống như một cuộc chiến
ném phi tiêu (Shuriken) của hai Ninja trên sân thi đấu nếu cả hai đội chơi
đều liên tục bắn phá đĩa của đối phương.

Hình 5. Hình ảnh thực tế chiếc đĩa sử dụng trong cuộc thi ABU Robocon 2017

8

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đội chơi đầu tiên đặt được đĩa trên Spot của cả 7 cột trụ sẽ giành chiến
thắng tuyệt đối. Chiến thắng này gọi là “Appare”, đội chơi giành được số
điểm cao hơn trong trận đấu sẽ là đội chiến thắng. Vì vậy, các đội chơi có
thể chọn chiến thuật giành “Appare” ngay từ đầu trận đầu hay ghi thật nhiều
điểm trong 3 phút để trở thành đội chiến thắng.
1.3. Kích thước sân thi đấu
-

Khu vực thi đấu là một hình chữ nhật được chia thành khu vực cho mỗi đội
Mỗi bên sẽ gồm có khu bắt đầu, khu ném đĩa, khu nạp đạn (đĩa)
Trong sân đấu sẽ gồm có 7 điểm, tại đó sẽ có 7 bảng hình tròn được gắn lên

-

7 cột với các độ cao khác nhau.
Ở 7 điểm này có 5 điểm nằm ở đường trung tâm của sân đấu (đường chia

-

sân đấu). Có 2 điểm nằm ở vị trí gần phần sân của mỗi đội.
Độ cao cũng như kích thước của các cột được mô tả như trong hình.

Hình 6: Kích thước sân thi đấu

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU, ĐỘNG CƠ SERVO VÀ
NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN
2.1. Tổng quan về mô hình robocon
2.1.1. Yêu cầu thiết kế mô hình
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.
Đảm bảo giá rẻ, giảm tối đa chi phí.
Robot phải có tính thẩm mỹ cao.
2.2. Giải thích các thiết bị trong mô hình
2.2.1. Động cơ điện 1 chiều



Hình 7: Động cơ điện 1 chiều
Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
- Điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà không ảnh hưởng tới điện áp cung cấp.
-

Dễ dàng điều chỉnh tốc độ hơn động cơ xoay chiều.
Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều
kiện làm việc khác nhau.
10






ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Có momen khởi động và làm việc lớn ổn định khi thay đổi.
Chịu quá tải tốt momen khởi động lớn ổn định khi tải thay đổi.
Nhược điểm của động cơ 1 chiều
Có hệ thống cổ góp bằng chổi than nên vận hành kém chính xác và
hoạt động không an toàn trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Phân loại động cơ điện 1 chiều
• Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
• Động cơ điện 1 chiều tự kích
Động cơ điện kích từ song song
Động cơ điện kích từ nối tiếp
Động cơ điện kích từ hỗn hợp

2.2.1.1. Một số động cơ chuyên dùng
a.

Động cơ DC M6812 24V - 100V – 4500rpm

Hình 8:Động cơ DC M6812


Thông số cơ bản
Điện áp hoạt động: 24V (DC)
Khối lượng: 1200 gam
Công suất: 100 W
Kích thước: dài 120mm, đường kính trục 8mm, đường kính motor
68mm.
Thể tích: 600

Tốc độ: 4500 vòng/phút
b. Động cơ chuyên dùng cho cơ cấu bắn đĩa.
11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 9:Động cơ DC


Thông số cơ bản
Điện áp hoạt động: 24V (DC)
Khối lượng: 1000 gam
Thể tích: 550
Công suất: 55 W
Tốc độ: 5500 vòng/phút.
Kích thước: dài 140mm, đường kính trục 8mm, đường kính motor
53mm.



Kết luận: Trong mô hình chúng em chọn động cơ điện một chiều chuyên
dùng cho cơ cấu bắn đĩa( kích từ độc lập bằng nam châm vĩnh cửu) để sử
dụng cho cả cơ cấu bắn đĩa và di chuyển robot vì:
Thông số phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế
Giá thành rẻ phù hợp với điều kiện kinh tế.

2.2.2. Động cơ servo




Khái niệm: Động cơ servo là loại động cơ cho phép ta điều khiển một cách
cực kỳ chính xác tốc độ, góc quay... Vì vậy, nó khác với động cơ thường là
ta chỉ cần cấp nguồn cho động cơ là có thể vận hành.
Phân loại và cấu tạo

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Để vận hành được, động cơ servo yêu cầu ta phải cấp nguồn (2 dây) và
nhận điều khiển từ mạch chính (1 dây), mỗi dây thường được đánh màu
như sau:
 Đỏ: nhận điện nguồn, tùy vào loại động cơ mà giá trị này có thể
khác nhau.
 Đen: nối với cực âm của mạch.
 Vàng: nhận tín hiệu từ mạch điều khiển.
Động cơ servo cũng được chia làm nhiều loại, phụ thuộc vào góc quay
tối đa của chúng. Hai loại phổ biến nhất ta hay sử dụng là:
 Động cơ servo quay 180: Futaba S3003, MG90[S]…
 Động cơ servo quay 360: MG995, MG996R ...
Động cơ servo nhóm chúng em sử dụng trong bài này là loại Power HD
LF-13MG 13KG. Động cơ này quay được 180 (trái 90 và phải 90)

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 10: Động cơ servo Power HD LF – 13MG 13KG
Mô tả về động cơ servo Power HD LF – 13MG 13KG
 Tên: Robot Servo.
 Nhãn hiệu: Power HD.
 Mô hình: LF-13MG.
 Torque (4.8 V): 10.5 kg-cm (145.8 oz/in).
 Torque (6.6 V): 13.0 kg-cm (180.5 oz/in).
 Tốc độ: 0.15 sec (4.8 V) ; 0.12 sec (6.6 V).
 Điện Áp hoạt động: 4.8 ~ 6.6 Volts DC.
 Trọng lượng: 60 gam (2.12 oz).
14








ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Loại động cơ: Động Cơ DC.
Loại thiết bị: Đồng & Nhôm.
Nhiệt Độ hoạt động: -20 ~ 60.
Làm việc tần số: 1520μs/333 hz.
Kích thước: 40.7x20.5x39.5mm(1.60x0.80x1.55 inch).

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG KHÍ NÉN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
3.1. Lựa chọn hệ thống khí nén
•

Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng khí nén

Hình 11:Sơ đồ cấu trúc điều khiển khí nén

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
a.

Xi lanh
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng
lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng
(xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén).

Hình 12:Các loại xi lanh thường gặp

b.

Van khí
17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
•

Van 2/2

Hình 13:Van 2/2
Van 2/2 có hai cổng vào (1) và ra (2), hai trạng thái
Van 2/2 có thể sử dụng làm khóa ON/OFF đóng mở nguồn khí nén

•

hoặc rẽ mạch khí nén.
Van 2/2 được chế tạo điều khiển bằng tay, bằng tiếp xúc cơ khí, bằng
khí nén hay điện- khí nén.
Van 3/2

Hình 14:Van 3/2
Van 3/2 có 3 cổng làm việc vào(1), ra(2) và cổng xả(3)và hai trạng
thái.
Các van 3/2 được chế tạo rất đa dạng và ứng dụng cũng rất phong
phú. Dạng tác động có thể bằng tay, bằng tiếp xúc cơ khí, bằng khí
nén hay bằng điện từ ở một phía hoặc cả hai phía. Các van điều khiển
bằng khí nén hay bằng điện từ cả hai phía có đặc tính như một phần tử
chuyển mạch có nhớ trạng thái ( Flip-Flop) hay còn gọi là van xung.
•

Van 4/2
Van 4/2 có 4 cổng làm viêc vào(1), ra (2,4) và chung một cổng xả (3),
hai trạng thái. Van 4/2 được ghép bởi hai van 3/2 trong một vỏ, một
thường đóng, một thường mở.
Van 4/2 cũng có thể điều khiển bằng cơ khí, bằng khí nén hay điện
một phía hoặc cả hai phía. Các van điều khiển bằng khí nén hay điện

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
cả hai phía cũng có đặc điểm như một phần
tử nhớ hai trạng thái.
Hình 15: Van 4/2
Van 4/2 được sử dụng làm van đảo chiều
•

xilanh kép hoặc động cơ.
Van 5/2

Hình 16:Van 5/2
Van 5/2 có 5 cổng làm việc vào(1), ra (2, 4) và hai cửa xả riêng cho
mỗi trạng thái (3,5), có hai trạng thái.
Van 5/2 cũng có thể điều khiển bằng cơ khí, bằng khí nén hay điện
một phía hoặc cả hai phía. Các van điều khiển bằng khí nén hay điện
cả hai phía có đặc điểm như các van đã giới thiệu là một phần tử nhớ
hai trạng thái.
Van 5/2 dùng làm van đảo chiều điều khiển xilanh tác dụng kép, động
•

cơ.
Van 5/3

Hình 17:Van 5/3
Van 5/3 có 3 trạng thái, trong đó trạng thái trung gian, là trạng thái ổn
định và luôn được thiết lập bởi các lò xo hồi khi không có bất kỳ một
tín hiệu điều khiển nào. Người ta thường gọi đó là trạng thái không.

Hai trạng thái còn lại sẽ được thiết lập và cùng tồn tại bởi hai tín hiệu
điều khiển tương ứng như đối với van 5/2 điều khiển một phía.
Ngoài chức năng đảo chiều cơ cấu chấp hành, các van 5/3 khác nhau bởi trạng thái
không và vì vậy được lựa chọn vì những mục đích sử dụng khác nhau: Van 5/3
trạng thái không của van thích hợp với yêu cầu hãm dừng cần piston của xilanh ở
19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
bất kỳ vị trí nào trên đoạn tác dụng của nó. Tuy nhiên, điểm dừng chính xác còn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như tải trọng, áp suất, tính nén được của khí nén…
Kết luận: : Nhóm chúng em chọn cơ cấu sinh lực bằng xylanh khí nén để tạo ra
lực đẩy các cơ cấu cẩu đĩa, sử dụng xi lanh tác động 2 chiều ( xi lanh kép). Dùng
van tiết lưu 2 chiều để điều khiển lực tác động và tốc độ của các xi lanh hợp lý.
Chúng em chọn van 5/2 để điều khiển xilanh tác động kép và dùng van 2/2 để khóa
nguồn khí bởi vì nó có ưu điểm là:

−

Thực tế trong công nghiệp.
Giá thành hợp lý.
Sử dụng đơn giản dễ tìm mua, thông dụng trên thị trường.
xi lanh tác động 2 chiều
Hình 18:Xi lanh nén khí

Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và tích
chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho
chứa năng lượng.
Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ
Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây

tổn hại cho môi trường
Tốc độ truyền động cao, linh hoạt;

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác.
Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.
Hình 19:Ứng
dụng vào robot
dùng cẩu đĩa.
 Van 5/2 sử
dụng trong
mô hình

Hình 20: Van khi sử dụng cho robot

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
Một số loại vi điều khiển thông dụng như là ARDUINO, 8051,ARM,AVR…

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4.1. Một số loại vi điều khiển
4.1.1. Vi điều khiên 8051.

Hình 21: VDK 8051




Ưu điểm:
- 8051 có ma lệnh asm đơn giả trực quan dễ hiểu dễ học
- Giá thành rẻ, đơn giản thông dụng
Nhược điểm:
- Tốc độ sử lý thấp
- Chống nhiễu kém. Hay bị nhiễu nếu đặt trong không gian có nhiều tia lửa
-

điện hay từ trường động cơ…
Hoạt động không ổn định, hay bị treo.

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4.1.2. Vi điều khiển ARM.

Hình 22: VDK ARM




Ưu điểm.
- Tốc độ xử lý cao, chống nhiễu tốt.
- Tích hợp niều chức năng.
- Hoạt động ổn định.
Nhược điểm.

- Giá thành cao.
- Khó lập trình.

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4.1.3. Vi điều khiển AVR.

Hình 23: VDK AVR




Ưu điểm.
- Tốc độ xử lý cao.
- Chống nhiễu tốt.
- Hoạt động ổn định, có công suất cao, tiêu thụ điện năng thấp.
- Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR đoen giản.
Nhược điểm.
- Giá thành cao.

24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4.1.4. Module ARDUINO.\

Hình 24:Module Arduino


Ưu Điểm:
- Giá thành hợp lý.
- Tốc dộ xử lý cao, chống nhiễu tốt.
- Dễ lập trình đơn giả dễ hiểu, Dễ sử dụng, dễ lắp rắp, đễ dàng chia sẻ
- Ứng dụng rộng dãi vào tất cả các mạch từ đơn giản đến phức tạp.
- Tương tác được với nhiều hệ thống phần cứng như (cảm biến, thiết bị hiển
thị,động cơ, đèn…).

Kết luận:
Vậy nhóm em lựa chọn modul arduino cho đề tài, vì giá thành hợp lý, phổ
biến, lập trình đơn giản dễ hiểu. tương tác với các phần cứng nhanh chóng
rất thích hợp cho mạch robot.
Cụ thể trong mô hình này, nhóm em sử dụng module Arduino Mega 2560.

25