LỜI MỞ ĐẦU. Trong thời đại công nghiệp hiện nay, Robot càng được sử dụng rộng rãi hơn trong mọi lãnh vực xã hội cuộc sống con người, nhất là trong phục vụ sản xuất, Robot đã có một vị trí quan trọng khó có thể thay thế được. Nó có thể giúp con người làm việc trong các điều kiện nguy hiểm, khó khăn, khắc nghiệt. Ngoài ra, Robot còn được dùng trong các lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, quốc phòng, giải trí… Nhằm tìm hiểu thêm về lĩnh vực này, đồng thời là lựa chọn đề tài cho luận văn tốt nghiệp, tôi đã nghiên cứu và thiết kế thi công hoàn chỉnh mô hình Robot tự động được sử dụng khá phổ biến ngày nay, đó là đề tài “THIẾT KẾ XE ROBOT HAI CHỨC NĂNG”.
Mô hình đã hoàn thành, đáp ứng được phần lớn những điều kiện đề ra. Trong quá trình làm luận văn, đã tích lũy và học hỏi thêm được rất nhiều kiến thức quan trọng.2 NGUỒN GỐC VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT. Ban đầu thuật ngữ Robot được hiểu đơn giản là cỗ máy có thể chuyển động được. Năm 1400 trước Công Nguyên, Người Babilon đã phát minh ra một chiếc đồng hồ đo thời gian sử dụng dòng chảy của nước.
Đây được coi là cỗ máy “Robot” đầu tiên trong lịch sử. Và nhiều phát minh có hình dáng có thể chuyển động được do các kỹ sư Hy Lạp cổ đại chế tạo ra. Năm 1495, Leona Da Vinci chế tạo ra một con Robot có hình dạng giống như con người nhằm chứng tỏ cơ thể người hoàn toàn có thể mô phỏng lại được. Đáng chú ý là Robot này có một cơ cấu hàm rất giống với con người về mặt giải phẫu học.
Mô hình thiết kế này của Da Vinci là cơ cở, là nguồn cảm hứng cho cơ quan hàng không vũ trụ quốc tế NASA phát triển một loại Robot AnthRobot thay con người trên các trạm vũ trụ quốc tế và trợ giúp con người chinh phục sao hỏa. Trải qua nhiều thời kì phát triển không ngừng cả về chất lượng và số lượng hình dạng cấu trúc… Đến năm 1961, thời đại phát triển của ngành Robot công nghiệp, cỗ máy Robot công nghiệp đầu tiên có tên là Unimate, được chế tạo tại phân xưởng nhà máy General Motor ở NewJersey. Trên thực tế hầu hết các Robot Unimate bán ra là để làm công việc lấy khuân ra khỏi các máy dập khuân và để hàn điểm trên ôtô. Năm 1969, Victor Scheinman, một sinh viên chế tạo máy làm việc tại phòng thí nghiệm trí thông minh nhân tạo Stanford đã chế tạo ra cánh tay Stanford.
Thiết kế này đã trở thành chuẩn mực và vẫn đang ảnh hưởng nhiều đến những thiết kế của những cánh tay Robot ngày nay. Đây là cánh tay Robot đầu tiên chạy bằng điện và điều khiển bằng máy tính thành công. SVTH: NGUYỄN ANH VŨ - 10 - MSSV: 060518D THIẾT KẾ XE ROBOT HAI CHỨC NĂNG GVHD: THS. THIỀU QUANG TRÍ Từ năm 1966 cho đến năm 1972, trung tâm trí tuệ nhân tạo của SRI (nay là viện nghiên cứu Stanford, Menlo Park, California) đã chế tao thành công Robot Shakey, là Robot di động đầu tiên có thể suy luận hoạt động của nó, là nền tảng và có ảnh hưởng to lớn đến trí thông minh nhân tạo và khoa học Robot ngày nay.
Từ năm 1979, phòng thí nghiệp Stanford tiếp tục đưa ra thiết kế mới, xe tự định vị Standford, đây là cột mốc đánh dấu thành quả mới cho những cỗ xe tự động. Kể từ thập niên 80 cho đến nay ngành công nghiệp Robot bắt đầu phát triển mạnh mẽ với những Robot mới xuất hiện liên tục. Năm 1992 Robot tám chân Dante thực hiện thám hiểm núi lửa Erebus ở AntarctICa. Nó được điều khiển từ Mỹ.
Và đã đặt ra cột mốc cho một kỷ nguyên mới: Robot thám hiểm những khu vực nguy hiểm thay cho con người. Năm 2000, sau 14 năm dài nghiên cứu và thử nghiệm, Honda đã cho ra đời Asimo người máy thông minh và giống người thật nhất thế giới. ASIMO là viết tắt của Advanced Step in Innovative Mobility, có nghĩa là "Bước đột phá về khả năng di chuyển sáng tạo". Và cho đến ngày nay, với những cải tiến đổi mới không ngừng, các Robot thông minh liên tục ra đời với những khả năng không ngờ.
Đánh dấu những tiến bộ vượt bật về khả năng sáng tạo của con người. SVTH: NGUYỄN ANH VŨ - 11 - MSSV: 060518D THIẾT KẾ XE ROBOT HAI CHỨC NĂNG GVHD: THS. THIỀU QUANG TRÍ CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI, THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA ĐỀ TÀI 2.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI: Đề tài luận văn:“ THIẾT KẾ XE ROBOT 2 CHỨC NĂNG ”. Sản phẩm sau khi hoàn thành là 1 chiếc xe tự động với 2 chức năng: + Chức năng 1: có khả năng di chuyển theo 1 line dò đường hình dạng tùy ý.
+ Chức năng 2: xe được điều khiển bằng 1 tay cầm không dây, điều khiển xe ở khoảng cách khá xa, tay cầm sử dụng cảm biến gia tốc góc nghiêng MMA7260Q, điều khiển hướng chạy, tốc độ nhanh chậm của xe bằng góc nghiêng của tay cầm.2 THÀNH PHẦN CẤU TẠO CHUNG: 2.1 Cấu tạo phần cứng của xe: Xe được thiết kế dựa trên khung nhôm mỏng, có kết cấu vững chắc có khả năng chịu lực tốt và trọng lượng nhẹ. Hai bánh xe sau (bánh xe đẩy) sử dụng bánh xe bằng nhôm có lớp bọc cao su giúp bám đường tốt hơn. Hai bánh xe trước (bánh xe mồi) sử dụng bánh xe mồi bằng nhựa có lớp bọc cao su, kích thước nhỏ hơn, nhẹ hơn giúp bám đường tốt và bẻ lái linh hoạt hơn. Sử dụng cặp động cơ 12Vdc, tốc độ 6400rpm, có bộ nhông truyền động giảm tốc tỉ lệ khá cao giúp xe có moment tải cao, có khả năng chở nặng.2 Cấu tạo phần điều khiển của xe: + Sử dụng AVR ATMEGA16L làm trung tâm điều khiển của xe.
+ Dùng 8 cặp LED thuờng kết hợp quang trở làm mạch dò đường (bám line dò đường) và LM324 làm mạch so sánh tín hiệu cảm biến thu được để đưa về xử lý. + Dùng 10 cặp LED thu phát hồng ngoại làm mạch phát hiện vật cản (gắn phía trước và hai bên đầu xe) và LM324 làm mạch so sánh tín hiệu cảm biến thu được để đưa về xử lý. + Dùng mạch cầu H (sử dụng cặp transitor trường kênh P là IR9540 và kênh N là IR540) để điều khiển chiều và tốc độ của 2 động cơ trái phải. Dùng IC 74LS139 giải mã giúp bảo vệ mạch cầu H không xảy ra trường hợp ngắn mạch gây hư hỏng mạch.
+ Sử dụng module thu RF không dây kết hợp với IC giải mã địa chỉ PT2272 (chống nhiễu) để kết nối điều khiển với tay cầm. + Module điều khiển 8 relay dùng để điều khiển các thiết bị trên xe. + Nguồn sử dụng là bình acquy xe máy 12v-7a. SVTH: NGUYỄN ANH VŨ - 12 - MSSV: 060518D THIẾT KẾ XE ROBOT HAI CHỨC NĂNG GVHD: THS.
THIỀU QUANG TRÍ 2.3 Cấu tạo phần điều khiển tay cầm của xe: + Sử dụng AVR ATMEGA 16L làm trung tâm xử lý. + Dùng cảm biến gia tốc góc nghiêng MMA7260Q làm cảm biến chính đo góc nghiêng của tay cầm theo 3 trục x, y, z. Rồi đưa ra giá trị tương ứng để xử lý. + Sử dụng module phát RF không dây kết hợp IC giải mã địa chỉ PT2262 (chống nhiễu) để kết nối với module thu RF trên xe.
ƯU ĐIỂM CỦA XE: + Gọn nhẹ, linh hoạt, di chuyển với tốc độ ổn định. + Hướng phát triển rộng, ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo hiện đại hơn. + Xe đạt được yêu cầu đề ra bám vạch tương đối, báo động và tránh tránh vật, điều khiển bằng góc nghiêng của tay cầm. HẠN CHẾ CỦA XE: + Do phần cứng còn hạn chế nên xe không thể chở được các vật có khối lượng lớn.
+ Do khả năng lập trình chưa cao thuật toán bám vạch chưa được nhuyễn. + Khi gặp góc cua gắt >90 độ, xe gặp khó khăn khi bẻ cua. HƯỚNG KHẮC PHỤC: + Thiết kế phần cứng vững chắc hơn. + Sử dụng các động cơ có encoder, servo.để có được phản hồi giúp điều khiển được tốt hơn.
SVTH: NGUYỄN ANH VŨ - 13 - MSSV: 060518D THIẾT KẾ XE ROBOT HAI CHỨC NĂNG GVHD: THS. THIỀU QUANG TRÍ CHƯƠNG 3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 3.1 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ: 3.1 Phần điều khiển xe: KHỐI ĐỘNG LỰC KHỐI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ KHỐI CÔNG SUẤT KHỐI CẢM BIẾN KHỐI XỬ LÝ VẬT CẢN KHỐI CẢM BIẾN KHỐI THU PHÁT RF BÁM VẠCH Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển xe 3.2 Phần điều khiền tay cầm: KHỐI XỬ LÝ KHỐI CẢM BIẾN GIA TỐC GÓC NGHIÊNG KHỐI ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHỐI THU PHÁT RF NÚT NHẤN Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển tay cầm KHỐI XỬ LÝ : Giữ chức năng thu nhận tín hiệu từ các khối cảm biến, xử lý và xuất tín hiệu điều khiển đến các khối chức năng. KHỐI CÔNG SUẤT: Có chức năng đảm bảo đủ dòng cung cấp cho hoạt động của toàn bộ mô hình. SVTH: NGUYỄN ANH VŨ - 14 - MSSV: 060518D THIẾT KẾ XE ROBOT HAI CHỨC NĂNG GVHD: THS.
THIỀU QUANG TRÍ KHỐI THU PHÁT RF: Giữ chức năng kết nối không dây giữa tay cầm và xe. KHỐI CẢM BIẾN: Dùng để đo các giá trị thực tế rồi chuyển thành các đại lượng thích hợp để truyền về xử lý. KHỐI ĐỘNG LỰC: Tạo ra các chuyển động nhanh chậm, hướng di chuyển. KHỐI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ: dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi.
KHỐI ĐIỀU KHIỂN BẰNG NÚT NHẤN (KEY BOARD): thực hiện cài đặt điều khiển xe bằng nút nhấn.2 LỰA CHỌN THIẾT BỊ: Với mục đích điều khiển ứng dụng vừa và nhỏ trong đề tài luận văn tốt nghiệp này thì việc sử dụng sử dụng vi điều khiển AVR ATMEGA16L là một lựa trọn tối ưu bởi sự đơn giản lập trình, tốc độ xử lý cao, giá thành thấp, nhiều tính năng, dễ tìm kiếm, khả năng giao tiếp với các thiếp bị khác rộng. Do AVR 16L đã có tích hợp ADC sẵn bên trong, nên chúng ta không cần sử dụng IC ADC 0809. Đây là một thuận lợi của các vi điều khiển hiện đại hiện nay, nó giúp chúng ta làm đơn giản mạch điện. Phần cảm biến bám vạch, 8 cặp LED thường được sử dụng kết hợp quang trở, dựa vào đặc tính của quang trở để thiết kế ra mạch phát hiện sáng tối.
Phần cảm biến phát hiện vật cản, sử dụng 10 cặp LED thu phát hồng ngoại, với khả năng phát ra ánh sáng gần vùng hồng ngoại (bước sóng 880nm), đây là cảm biến được sử dụng rộng rãi vì tính năng đơn giản, giá thành thấp, mà cho hiệu quả cao. Sử dụng IC LM324 để khuyếch đại tín hiệu cảm biến thu được, rồi sau đó đưa về xử lý.