Thiết kế, chế tạo robot điều khiển bằng tay game

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT
ÐIỀU KHIỂN BẰNG TAY GAME

MÃ SỐ: T2012-10

S K C0 0 3 8 4 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
  

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT
ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY GAME
MÃ SỐ: T2012-10

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI CHỦ TRÌ
: Lê Đình Cẩn
ĐƠN VỊ

: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

TP. HỒ CHÍ MINH – 10/2012


MỤC LỤC
Phần I : ĐẶT VẤN ĐỀ
I. Đố i tươ ̣ng nghiên cứu. .......................................................................... 1
II. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................... 1
III. Những vấ n đề tồ n ta ̣i ............................................................................. 2
Phần II : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ.
I. Mu ̣c đích Đề Tài. .................................................................................. 3
II. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 3
III. Giới ha ̣n Đề Tài..................................................................................... 4
IV. Nô ̣i dung................................................................................................ 4
Chương I: Cấu trúc của vùng thi đấu và các tiêu chuẩn ............................... 5
Chương II: Thiết kế. .............................................................................. 17
Chương III: Linh kiện, sơ đồ khố i_nguyên tắ c hoa ̣t đô ̣ng .......................... 20
Chương IV: Thi công ............................................................................. 30
Chương trình .......................................................................................... 31
Phấ n III: KẾT LUẬN.
I. Kế t luâ ̣n Đề tài .................................................................................... 58
II. Hướng phát triể n Đề tài ......................................................................58
Tài liê ̣u tham khảo .................................................................................... 59


PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

PHẦN I

ĐẶT VẤN ĐỀ
I. Đố i tươ ̣ng nghiên cứu:
Hiện nay là thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, các nhà máy xí nghiệp sản
xuất sản phẩm của mình trên các băng chuyền hiện đại, sản phẩm xuất ra rất nhanh
và nhiều, đờ ng thời các công viê ̣c ở những nơi nguy hiể m(ở những nơi có khí đô ̣c, ở
những nơi quá cao hoă ̣c quá sâu) mà con người không thể làm viê ̣c trực tiế p. Vì vậy mà
Robot ra đời để thay mô ̣t số vi ̣trí của con người. Có nhiề u cách để điề u khiể n Robot như
dùng PLC, các dòng VĐK…
Bên ca ̣nh viê ̣c nghiên cứu dùng loa ̣i PLC hay dòng VĐK, máy tính để điề u khiể n
Robot thì viê ̣c nghiên cứu các cơ cấ u của hê ̣ thố ng gắ p cũng không kém phầ n quan tro ̣ng
trong viê ̣c chế ta ̣o Robot. Chính vì những lý do này mà Nhóm thực hiện đề tài đã chọn đề
tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT BẰNG TAY GAME.
II.Tin
̀ h hin
̀ h nghiên cứu trong và ngoài nước:
Tình hình trong nước.
Robot di chuyển theo hành trin
̣ trước đã được sinh viên các trường đại học
̀ h đinh
nghiên cứu và chế tạo, tuy nhiên mức độ nghiên cứu chỉ dừng lại ở phạm vi lý thuyết hay
mơ hình mang tính giản đơn. Các Robot này chỉ hoạt động theo nguyên lí của một Robot
tự đơ ̣ng. Nhưng kết quả vẫn cịn nhiều thiếu sót. Ví dụ như Robot chưa thể hồn thành
cơng việc được giao, việc di chuyển của Robot chưa chính xác, Robot gắ p các khố i ứng
du ̣ng chưa tố t, vấ n đề di chuyể n của Robot không đươ ̣c linh hoa ̣t.
Một số nguyên nhân dẫn đến kết quả trên:
- Cơng nghệ chế tạo mang tính truyền thống, các bộ phận di chuyển của Robot còn
chưa có sự kiểm sốt của chương trình điều khiển. Vẫn còn sử dụng phương pháp điều
khiển mang nặng về cảm tính.
- Kinh phí đầu tư cho các cơng trình nghiên cứa còn chưa cao. Nên dẫn đến việc
đầu tư cho cơng nghệ trong q trình chế tạo Robot cịn thơ sơ.

- Kế t cấ u cơ khí của phầ n thân, củng như hê ̣ thố ng nâng gắ p khố i quà thiế t kế chưa
phù hơ ̣p.
Bên cạnh đó cũng có một số đề nghiên cứu về lĩnh vực này, đã có nghững thành
cơng bước đầu .Ví dụ như đề tài Ứng du ̣ng các loa ̣i hin
̀ h thanh trươ ̣t trong chế ta ̣o Robot
do ĐH La ̣c Hồ ng thực hiê ̣n,hay Robocar do ĐH Bách Khoa Hà Nội chế tạo ứng dụng
trong chống phóng xạ và dịch bệnh.Tuy nhiên chỉ cịn dưới dạng mơ hình và kinh phí
cũng khá cao .

-1-


PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

Tình hình ngồi nước.
Robot tự hành phát triển rất mạnh và được sử dụng rất phổ biến trong các trong tấc
cả các lĩnh vực như y tế (NHẬT BẢN), vũ trụ (RÔBÔT THÁM HIỂM SAO HỎA CỦA
NASA), ASIMO, CHÚ CHÓ thông minh của HONDA, trong quân sự (các xe tăng, máy
bay chiến đấu không người lái của quân đội Mỹ)…
III. Những vấ n đề tồ n ta ̣i:
Robot chế ta ̣o chưa đáp ứng đươ ̣c nhiề u về vấ n đề đi la ̣i trong những điạ hin
̀ h phức
ta ̣p, Robot chỉ mới có khả năng di chuyển trong địa hình bằng phẳng, Robot cũng khơng
có khả năng tự tránh được vật cản cố định hay di chuyển.
Để hoàn thành được nhiêm vụ người sử dụng phải chỉ cho Robot cách di chuyển để
tránh được vật cản trong quá trình đi đến đích.

-2-

PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

PHẦN 2
GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I. Mu ̣c đích đề tài:
Đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT BẰNG TAY THAM GAME” được thực hiện
nhằm mục đích:


Người điều khiển Robot bằng tay phải ngồi lên Robot trước khi trận đấu bắt đầu. Người
điều khiển sẽ lái Robot bằng tay từ vùng xuất phát đến Trạm thẻ. Robot bằng tay sẽ lấy
Thẻ tại Trạm thẻ. Người điều khiển sẽ lái Robot đến Đường hầm và mang theo Thẻ.



Khi đến Đường hầm, Robot bằng tay sẽ bỏ Thẻ vào Hộp đựng thẻ.



Robot bằng tay đi xuyên qua hầm và tiến tới khu vực xuất phát của Robot thu thập.
Robot bằng tay nâng Robot thu thập lên tại khu vực xuất phát của nó. Robot bằng tay
mang Robot thu thập vượt qua các chướng ngại vật theo đường zigzag và đặt lên robot tự
động 1



Robot bằng tay có thể gắp Bánh bao từ Tầng thấp nhất của Tháp trong thời gian một
phút cuối cùng của trận thi đấu.



Bánh bao ở trên Tầng đỉnh có thể được chạm vào và gắp lên bởi Robot thu thập trong khi
Robot thu thập được nâng lên khỏi bề mặt của Đảo bởi Robot bằng tay.

II. Phương pháp nghiên cứu.
Hai phương pháp chính được Nhóm thực hiện đề tài sử dụng để nghiên cứu đề tài này:
Phương pháp tham khảo tài liệu và Phương pháp thực nghiệm.
Tham khảo tài liệu
Hướng nghiên cứu của đề tài dần dần nảy sinh từ việc thu thập tài liệu và xử lí tài liệu thu thập
được. Các tài liệu tham khảo chủ yếu từ những giáo trình CAD/CAM/CNC, Hê ̣ thố ng điề u khiể n
tự đô ̣ng, thông minh, Kỹ thuâ ̣t Robot, những đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan, tài liệu về
ATMEGA32, CCS,Codevision, …

-3-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Thực nghiệm


Nhóm thực hiê ̣n Đề tài phải thiế t kế và thi công Robot, viế t chương triǹ h, điều khiển thử
nghiệm và chỉnh sửa để đạt hiệu quả cao nhất có thể



Hai phương pháp trên được áp dụng thường xuyên, đan xen nhau và bổ trợ nhau trong
suốt quá trình thực hiện Đề tài.

III. Giới ha ̣n đề tài
Đề tài THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT BẰNG TAY GAME phục vụ cho cuộc thi sáng

tạo robot Việt Nam 2012
IV. Nô ̣i dung.

-4-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Chương I: Các Lý Thuyế t Liên Quan
I. Cấu trúc của vùng thi đấu và các tiêu chuẩn
1. Sân thi đấu có kích thước 13x13m và được bao quanh bởi các hàng rào gỗ cao 100mm và
dày 50mm. Các hàng rào này sẽ được bắt chặt xuống sân bằng ốc. Sân thi đấu sẽ được chia đều
cho hai đội và ngăn cách bởi một hàng rào gỗ cao 100mm, dày 50mm. Hai đội thi đấu sẽ có hai
màu Xanh và Đỏ.
Sân thi đấu bao gồm vùng cho Manual Robot, Automatic Robot và Starting Points, Restarting
Points, Loading Areas, Common Zone và Island. Các kí hiệu tương ứng cho từng vùng theo thứ
tự là A, C, M, L1, L2, L3, S1 và S2. Và các kí tự này không cần phải được vẽ trên sân thi đấu
thực tế.

Hình 1.1: Hình dạng của vùng thi đấu.

-5-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.2: Kích thước của vùng thi đấu.
2. Vùng Robot bằng tay và vùng Robot tự động
Các đường màu trắng có bề rộng 30mm được dán trên phần nền của vùng Robot tự động. Mỗi
cạnh của ơ vng nằm trong đường màu trắng có kích thước là 470mm. Hàng rào gỗ cao 100mm

và dày nhất là 50mm sẽ được dùng để ngăn cách giữa vùng robot bằng tay với vùng robot tự
động.

-6-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.3 Kích thước của vùng thi đấu. (mặt bên)






Các khu vực xuất phát (Starting points)
Robot bằng tay phải xuất phát trong khu vực xuất phát cho Robot bằng tay (M)
Robot thu thập phải được đặt trong khu vực xuất phát cho Robot thu thập và được nâng
lên bởi Robot bằng tay (C)
Robot tự động phải xuất phát trong khu vực xuất phát cho Robot tự động (A)
Vùng chung (common zone)

Vùng chung là một hình hộp chữ nhật có chiều cao 100mm, rộng 500mm và dài 1985mm được
sơn màu vàng. Hai lỗ hình trịn dày 12mm và đường kính 452mm được khoét trên bề mặt của
vùng chung. Hai cái giỏ được đặt vào hai lỗ trịn đó trước khi trận đấu bắt đầu. Mỗi đội chỉ có
thể lấy một cái giỏ từ vùng chung

-7-

PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.4: Vùng chung
3. Giỏ (đựng quà) (The Basket)
Hai cái giỏ được đặt tại hai lỗ trịn trên vùng chung. Giỏ có cấu tạo gồm ba phần: phần giỏ có
đường kính 450mm và cao 400mm được làm từ tấm HIPS(475) và lưới nhựa hoặc lưới nylon,
phần đế có đường kính 450mm làm từ HIPS (475), và phần hình trụ đường kính 80mm và cao
388mm
làm
từ
ống
nhựa
PVC.
Khối
lượng
của
giỏ
là
2.85kg

Hình 1.5: Giỏ đựng quà

-8-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
4. Tháp Bánh bao (Bun Tower) sẽ được đặt trên một bệ hình vng (Đảo). Tháp bao gồm
ba tầng và chi tiết được mô tả như sau :


Số lượng Bánh bao trên từng tầng :

Tầng đỉnh: Có 2 Bánh bao (Một cho đội xanh và một cho đội đỏ).
Tầng giữa : Có 6 Bánh bao (3 Bánh bao cho mỗi đội)
Tầng thấp nhất : Có 8 Bánh bao (4 Bánh bao cho mỗi đội).


Khối lượng và kích thước của các Bánh bao

Bánh bao tầng đỉnh: 105gm, đường kính 200mm, cao 150mm
Bánh bao tầng giữa và tầng thấp nhất : 47gm, đường kính 150mm, cao 100mm

Hình 1.6: Bánh bao

-9-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ


Đường kính của ba tầng

Tầng đỉnh: 500mm
Tầng giữa: 850mm
Tầng thấp nhất : 1200mm


Độ cao của Tháp Bánh bao

Tháp Bánh bao cao tổng cộng 1850mm (tính từ mặt trên của Đảo)

Độ cao của từng tầng tính từ bề mặt của Đảo là :
Tầng đỉnh: 1500mm
Tầng giữa: 1000mm
Tầng thấp nhất : 500mm
Đế của Tháp Bánh bao cao 497mm tính từ bề mặt của Đảo đến đáy của của Tầng thấp nhất.
Vị trí của hình trụ được cố định bằng cách xuyên qua tâm của ba cái khuyên trịn ở mỗi tầng của
tháp hình nón.

Hình 1.7 Sơ đồ bố trí bánh bao của tháp bánh bao
-10-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ


Góc đặt của các Bánh bao trong một tầng sẽ khác với các Bánh bao trong các tầng khác
5. Đảo (Island)

2.8.1 Đảo là một vùng được nâng lên cao 400mm, độ rộng 3.030mm và dài 3.050mm.
Nó được chia đều ra cho cả hai đội xanh và đỏ. Mỗi phần sẽ bao gồm một nửa kích thước của
Tháp Bánh bao và một rãnh tròn khoét tại góc, nơi sẽ đặt giỏ quà, có độ sâu 12mm và đường
kính 500mm. Một giỏ quà sẽ được đặt tại Vùng đựng giỏ quà của Đảo bởi Robot bằng tay.

Hình 1.8 Island
6. Vùng trung chuyển (Loading areas)
Vùng trung chuyển 1 (L1) được đặt trên vùng Robot bằng tay và nằm gần vùng xuất phát của
Robot tự động với chiều dài 1.965mm và rộng 1.520mm.

Hình 1.9 Vùng L1

-11-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Vùng trung chuyển 2 (L2), được xem như là bậc thang để lên Đảo, là một khối hình vng với
chiều cao 200mm và dài 1.500mm. Nó được đặt bên cạnh của Đảo

Hình 1.10 Vùng L2

Vùng trung chuyển 3 (L3) được đặt gần Đường hầm. Nó là một khối hình hộp chữ nhật với chiều
cao 200mm, dài 1.550mm và rộng 1.000mm

Hình 1.11 Vùng L3

-12-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
7. Đường hầm & Hộp đựng thẻ (Tunnel & Token box)

Một Đường hầm được đặt tại vùng robot bằng tay. Kích thước bên trong của Đường hầm dài
2.040mm, rộng 1.200mm và cao nhất là 1.600mm. Mái của Đường hầm là dạng cong. (Hình 7)

Hình 1.12 Đường hầm

-13-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Hộp đựng thẻ được đặt bên cạnh Đường hầm. Khe của Hộp đựng thẻ rộng 100mm và dài 400mm

Hình 1.13 Token box
8. Thẻ (Token)
Thẻ được đặt tại Trạm thẻ. Thẻ có đường kính 300mm và dày 20mm. Khối lượng của Thẻ là
170gm.

Hình 1.14 : Thẻ

-14-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Thẻ được làm từ polystyrene với hai mặt được dán nhãn (sticker). Hình của hai mặt đó sẽ được
thiết kế bởi mỗi đội chơi. Trong trận đấu quốc tế tổ chức chủ nhà sẽ cung cấp nhãn này cho mỗi
đội. Từng trận đấu mỗi đội sẽ gửi bản mềm (softcopies) của nhãn thẻ cho tổ chức chủ nhà sau
khi người đại diện của mỗi đội đã xác nhận. Chi tiết sẽ được cung cấp sau.
9. Trạm thẻ (Token stand)
Trạm thẻ được cố định trên nền của Vùng robot bằng tay, nó gồm có ba phần: khung, đáy và
phần chân chống. Khung hình vịm được làm từ hợp kim thép và rỗng bên trong.
Độ dày của cái khung là 40mm, và độ rộng của không gian bên trong khoảng trống là 22mm.
Chân chống được làm từ hợp kim với đường kính 40mm và cao 742mm. Đáy của Trạm thẻ là
đĩa hình trịn đường kính 350mm và dày 3mm

Hình 1.15 : Trạm thẻ
-15-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
10. Cầu (Bridge)
Cầu được đặt trong Vùng robot tự động. Nó có hình thang ba chiều với độ dài 3.500mm và rộng

1.970mm. Đỉnh của Cầu cao 300mm.

Hình 1.16: Cầu
11. Chướng ngại vật (Obstructions)
Các chướng ngại vật bằng gỗ cao 100mm và dày 50mm được đặt ở Vùng robot bằng tay và
Vùng robot tự động.
Các Robot phải di chuyển qua các các chướng ngại vật theo đường Zigzag.

-16-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

II. Tính tốn thiết kế chi tiết:
1. Tay gắp thẻ
- Với nhiệm vụ là đi gắp thẻ và bỏ vào hộp đựng thẻ, phải cơ động dễ dàng thay
đổi vị trí 2 bên để đổi sân thi đấu

Do thẻ hình trịn dẹp nên dùng cơ cấu kẹp để giữ chặt thẻ

2. Cơ cấu kết nối với autobot collector
- Có 2 nhiệm vụ:
-Kết nối với collector, nâng collector từ vùng xuất phát và di chuyển, đặt lên
autobot 1.
-Kết nối và nâng autobot collector lên gắp quà tím ở đỉnh của tháp bánh bao và bỏ
vào giỏ đựng bánh bao

-17-

PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

3. Tay nâng giỏ đựng bánh bao
-Lấy giỏ do autobot 1 gắp được và đem về vị trí đặt giỏ ở đảo

-18-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

4.Cơ cấu truyền động
Tất cả các robot đều sử dụng dây đai để truyền động

-19-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
III. Linh kiện, sơ đồ khố i_nguyên tắ c hoa ̣t đô ̣ng
2.1 Các linh kiện điện tử
a. TLP521 hoặc BC817 hoă ̣c PC921
Sơ đồ chân :

Thơng số kĩ thuật:
- Dịng điện ngõ vào max 50ma
- Dòng điện mở 10ma
- điện ấp ngõ ra tối đa là 25vdc
b . ULN2003A:
Thơng số kĩ thuật:
- dịng ngõ ra tối đa là 500ma
- điện áp ngõ vào la 12vdc

- điện áp mạch ngõ ra max :50vdc

Sơ đồ chân ULN2003
Khi sử dụng mắc mạch như hình sau:

-20-


PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

c. LM7805 và DIODE 1N4007:
Tính năng nổi bật:
- Dòng điện ngõ ra định mức là 1A.
- Điện áp ngõ ra 5VDC
- Bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch
- Tranzitor ngõ ra hoạt động ở chế độ an toàn
- Điện áp ngõ vào là 7v - 35v
- Nhiệt độ làm việc -65 – 150’C

Hình 1.14:Hình dạng và sơ đồ chân LM7805
Tính năng nổi bật:
- Điện áp làm việc tối đa là : 1000V
- Điện áp ngược tối đa là : 1000V
- Dòng định mức làm việc thường xuyên : 1A
- Dòng xung định nức : 30A/1s
- Nhiệt độ làm việc : -65 - +175’C
- Dòng rò tối đa là : 30uA

-21-

PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hình 1.15: Hình dạng thực tế và kiểu chân diode 1N4007

d. Encoder.
Ngoài thi ̣trường hiê ̣n nay có rấ t nhiề u loa ̣i Encoder khác nhau:

- Encoder số:
Mỗi một Encoder số bao gồm một đĩa tròn với các vạch kẻ mẫu ở trên. Các vạch mẫu này
được đọc bơpỉ các đầu cảm biến. Đĩa này thường đi kèm với trục quay của nó, trục này
làm quay những mẫu phát tín hiệu cho mỗi vị trí nhận được. Cách ghi các mã trên đĩa phụ
thuộc vào các mẫu trên nó
Phân loại theo cấu tạo vật lý thì hiện nay Encoder thường có ba loại: Encoder tiếp xúc,
Encoder từ trường và Encoder quang
- Encoder tiếp xúc:
Điểm tiếp xúc thực tế của loại Encoder này là giữa đĩa và đọc thơng qua chổi than. Loại
này có nhược điểm là tạo ma sát, hao mòn, bụi bẩn do mụi than, xuất hiện điện trợ tiếp
xúc, gây ra rung động … làm giảm độ chính xác và tuổi thọ.
Độ phân giãi của Encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một
rãnh có thể có được trên đĩa, độ phân giải có thể đạt 10 rãnh trên đĩa. Độ phân giãi có thể
tăng lên bằng cách ghép nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ dếm 9lên xuống cho trạng thái cao
nhất của bit
- Encoder từ trường:

-22-