Đồ án Thiết kế, chế tạo ROBOT leo cầu thang

Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy MỤC LỤC CHƯƠNG 1:.................................................................................................................4 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ROBOT.....................................................................4 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT................................................................4 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ROBOT VƯỢT ĐỊA HÌNH...............................14 CHƯƠNG 2:...............................................................................................................17 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. .17 2.1. PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN VÀ CHỌN KẾT CẤU CƠ KHÍ............................17 2.1.1. Chọn loại động cơ............................................................................................17 2.1.2. Chọn loại đai....................................................................................................18 2.1.3. Chọn cơ cấu truyền động..................................................................................20 2.2.PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN VÀ CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.................21 CHƯƠNG 3:...............................................................................................................22 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ ROBOT LEO CẦU THANG.............................................................................................................22 3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÁNH ĐAI.................................................................22 3.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÂN ROBOT...........................................................23 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN GIẢM TỐC.........................................24 3.3.1. Chọn loại xích .................................................................................................24 3.3.2. Chọn số răng đĩa xích.......................................................................................28 3.4. ROBOT ĐÃ THI CÔNG......................................................................................29 CHƯƠNG 4:...............................................................................................................33 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG................................................33 4.1. SƠ ĐỒ KHỐI.......................................................................................................33 4.1.1. Sơ đồ mạch nguyên lý.......................................................................................33 4.2. CÁC CHỈ TIÊU CỦA SẢN PHẨM.....................................................................36 4.2.1. Chức năng........................................................................................................36 4.2.2. Chất lượng sản phẩm........................................................................................36 4.3. THIẾT KẾ MẠCH THU, PHÁT SÓNG RADIO................................................36 4.3.1. Giới thiệu về truyền thông nối tiếp.....................................................................36 4.3.2. Truyền thông nối tiếp dị bộ và đóng khung dữ liệu.............................................38 4.3.3. Khối thu, phát RF không có IC giải mã..............................................................39 Đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot leo cầu thang Trang 1 Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy 4.3.4. Mạch phát thu co IC giải mã..............................................................................40 4.4. SƠ ĐỒ MẠCH THU............................................................................................44 4.4.1. Giao tiếp SC2272.............................................................................................45 4.4.2. Điều khiển kênh nhận.......................................................................................46 4.5. MÔṬ SÔ ́THÔNG TIN VỀ IC P89V51RD2........................................................47 4.5.1. Hình dạng thực tế và mô phỏng.........................................................................47 4.5.2. Khái quát các tính năng....................................................................................48 4.5.3. Tổ chức bộ nhớ ...............................................................................................50 4.5.4. Định nghĩa các thanh ghi chức năng...................................................................52 4.6. NGUYÊN LY ́ĐIỀU KHIỂN CUẢ RƠLE 8 CHÂN............................................53 4.6.1. Giơí thiêụ rơle..................................................................................................53 4.6.2. Ứng dụng trong mạch điện .................................................................................................................................54 4.6.3. Nguyên ly ́điêù khiên̉ đôṇg cơ băǹg mac̣h FET + rơle.........................................55 4.7. NGUYÊN LY ́HOẠT ĐÔṆG FET IRF3205........................................................56 4.7.1. Cấu tạo của Mosfet...........................................................................................56 4.7.2. Nguyên lý hoạt động.........................................................................................57 4.8. Nguyên ly ́hoaṭ đôṇg opto P521...........................................................................59 4.9. ĐÔṆG CƠ DC......................................................................................................59 4.11. MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÃ THI CÔNG.............................................................60 CHƯƠNG 5: ..............................................................................................................62 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN................................................................................62 CHƯƠNG 6: ..............................................................................................................67 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT.............................................................67 6.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN....................................................................................67 6.2. CHƯƠNG TRÌNH ASSEMBLY ............................................................70 Đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot leo cầu thang Trang 2 Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy 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 theo 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 sẵn có thông qua việc học lí thuyết , 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. Có thể nói Robot là một thành tựu của Cơ Điện Tử đã xuất hiện từ sớm và đang có những 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: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT LEO CẦU THANG” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Robot được điều khiển bằng hai cách thông qua máy tính cũng như tay cầm. 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 mà 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 nhận 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 của PGS.TS. Trần Xuân Tùy cùng các thầy trong khoa Cơ khí đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Sinh Viên Thực Hiện Đặng Xuân Hải Nguyễn Duy Khiêm Đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot leo cầu thang Trang 3 Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ROBOT 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT 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. 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 chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, cho đến vận chuyển đồ vật và tham vui chơi cùng với trẻ em. Các nhà nghiên cứu châu Âu và Mỹ đã phóng nhiều robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò và chinh phục Hành tinh này. Theo kế hoạch đã định, tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu, sau khi vượt qua chặng đường 485 triệu km đã thực hiện động tác cho Robot Beagle-2 tiếp "đất" sao Hoả vào đêm Noel năm 2003. Về phần mình, NASA đã cho 2 robot cơ động (Rovers) hạ cánh xuống bề mặt Hành tinh Đỏ vào tháng Giêng 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 thách thức này, thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thám hiểm vũ trụ kỳ diệu. Lĩnh vực thứ hai mà robot phát huy tác dụng tích cực là hỗ trợ thầy thuốc khám, chẩn 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 tạo khả năng tự hành cao hơn, giống "người" hơn: ví dụ như ô-tô tự điều khiển (không cần sự hỗ trợ của người); robot thích ứng thăm dò biển thế hệ thứ ba - 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 hay 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 được một số robot có khả năng di chuyển tối ưu, gần giống di chuyển (cử động) 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 robot hỗ trợ, cải 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 vị trí làm việc của mình và xác định được chuẩn khoảng cách giữa tay và mắt của phẫu thuật viên. Dụng cụ robot có thể giúp phẫu thuật viên không bị run tay và Đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot leo cầu thang Trang 4 Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy 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 (đúng vị trí) cho bệnh nhân, tự động thực hiện một số nhiệm vụ lặp đi lặp lại (như thao tác khâu vết mổ chẳng hạn). 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 độ 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 hoá và khả năng nhận biết (TIMC), Uỷ ban Năng lượng Nguyên tử Quốc gia (CEA) của Pháp v.v 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 hệ robot biết sửa chỉnh đồ mỹ nghệ. Nhờ có hệ robot này, nghệ nhân có khả năng nhân đôi giá trị tác phẩm điêu khắc 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 mẫu. Tại đó, nghệ nhân khắc trạm theo cảm giác ảo riêng và bằng bàn tay của mình. Các thao tác này có thể hiệu chỉnh được bằng robot với mức kích cỡ thực trên cơ sở mẫu điêu khắc của người sáng tạo. Viện Bảo tàng 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 thế hoàn toàn cho con người đang phải đảm nhiệm hiện nay. Để thiết kế được loại robot này, các nhà nghiên cứu phải có nguồn cảm hứng tuyệt vời: đó là sự sống. Một số động vật có khả năng giao cảm và thích ứng với sự thay đổi của môi trường. Do đó, người ta đã nảy 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 Kiến Robot. Kiến Robot được đưa vào trong tổ kiến và 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 khỏ 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 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 chưa từng biết đến. Nhóm nghiên cứu Animartlab trực thuộc Phòng Thí nghiệm của Đại học Paris VI (LIP6) thử nghiệm lựa chọn thiết kế chế tạo Chuột Robot với lý do chuột là Đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot leo cầu thang Trang 5 Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy động vật có hệ thần kinh phát triển nhất và con người biết về nó rõ nhất. Chuột Robot được mang tên Psikharpax tên của vua chuột trong truyện phỏng theo thần thoại "Từ Iliade đến Home". Chuột Robot được gắn chương trình tin học này, đảm bảo để robot thực hiện được các chức năng chính như di chuyển và định vị, lựa chọn thao tác, Hiện tại, Chuột Robot đang trong quá trình chế tạo. Chuột nhân tạo sẽ được thả vào môi trường mới lạ và phải học thích ứng với môi trường đó. Phòng Thí nghiệm Tự động Besancon vừa đưa vào vận hành robot kích thước nhỏ, gọi là vi robot, có khả năng vận chuyển những vật thể kích thước bằng một noãn bào (vài chục micromet). Với loại vi robot này, người thày thuốc có thể điều khiển dễ dàng một noãn bào, mà không sợ hư hại. Robot này có thể áp dụng cho quá trình thụ tinh in-vitro. Phòng Thí nghiệm tự động Besancon còn thiết kế chế tạo được hệ thống (trạm) vi điều khiển cực nhỏ, đặt được vào trong kính hiển vi điện tử quét. Với thiết bị này, ta có thể dễ dàng nhận biết điều khiển một vật thể kích thước bằng hạt cát như một đồ chơi của trẻ em.Song song với công trình nghiên cứu chế tạo Chuột Robot, nhóm Animartlab còn muốn chế tạo chim Hải Âu nhân tạo Robot có cánh vỗ, có khả năng chạy, bay theo gió, sau đó hạ cánh. Hệ thần kinh và hình dáng của loại robot này sẽ được mã hoá trong "Bộ gen" của nó và sẽ được cải tiến thường xuyên từ thế hệ này đến thế hệ khác. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu thuộc Phòng Thí nghiệm dụng cụ và quan hệ Người Máy (LIRIS) ở Verily cũng đang sử dụng quy trình này để chế tạo các bộ phận của robot khác.Robot nhận biết cảm xúc của người Bạn thả mình xuống ghế bành, bật mát thu hình và xem một bộ phim nào đó trên truyền hình. Trong phim có thể xuất hiện cảnh buồn, thương tâm, bạn quay tìm chiếc khăn mùi xoa. Tuy nhiên, bạn không cần phải tìm nữa, robot giúp việc gia đình đã mang đến cho bạn, lau nước mắt cho chủ nhân của nó và bạn sẽ nở một nụ cười. Đó có phải là khoa học viễn tưởng? Từ lâu, con người đã đặt niềm tin và nhánh tin học được mệnh danh là "Máy tính biết cảm xúc". Nhờ có bộ môn này, đến một ngày nào đó, máy tính sẽ nhận biết được cảm xúc của người và thể hiện cảm xúc của nó với người.Phòng thí nghiệm Heudiasyc, có trụ sở tại thành phố Compiègne (Pháp) đã tự đặt nhiệm vụ cho mình: nghiên cứu các phương pháp phân tích nét mặt và nhận dạng nét mặt người.Cảm xúc của người, tựu trung lại thể hiện ở 6 loại: vui vẻ, giận dữ, sợ hãi, chán nản, ngạc nhiên và buồn rầu. Để nhận dạng cảm xúc của người, giai đoạn đầu tiên đối với máy tính là tìm khuôn mặt của người, sau đó lập mô hình tĩnh trên cơ sở 40 thông số. Việc lập mô hình sẽ cho phép xác định được loại xúc động, thể hiện trên nét mặt.Những kết quả đầu tiên của công trình nghiên cứu này rất đáng khích lệ, vì tỷ lệ nhận dạng được vào khoảng 85% trên ảnh cố định của nét mặt. Tuy nhiên, nhiệm vụ còn rất phức tạp, vì sự xuất hiện nét mặt người rất khác nhau, do đó rất khó thông số hoá được (râu, nếp nhăn và kính làm nhiễu loạn sự nhận dạng). Mặt khác, máy tính không lập được mô hình đối với khuôn mặt không được chiếu sáng đủ Đề tài: Thiết kế, chế tạo Robot leo cầu thang Trang 6 Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS Trần Xuân Tùy và ở vị trí không thuận lợi. Ngoài ra, còn có nhiều trường hợp cảm xúc khác nữa. Các giải pháp áp dụng ở đây là phân tích sự thay đổi của nét mặt bằng kỹ thuật video.Kỹ thuật robot đã tính đến việc ứng dụng kết quả của công trình này cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Song, có một điều khẳng định là công nghệ này sẽ được đưa vào ứng dụng rất nhanh trong đời sống thường nhật. Trong thế giới robot, cách đây không lâu vừa xuất hiện loại robot đặc biệt, thay thế con người hoạt động ở những vị trí đặc biệt nguy hiểm, ví dụ trong trường hợp xảy ra sự cố ở nhà máy điện hạt nhân, loại robot này phát huy tác dụng rất tích cực. Trong số các robot loại này phải kể đến Quimporte robot do CEA phát triển. Quimporte có khả năng thực hiện một số thao tác, như: mở van hoặc mang một vật nặng tới 5kg. Hệ thống điện tử của robot này chịu được bức xạ 10.000 lớn hơn khả năng của con người. Trong lĩnh vực thám hiểm, robot Hylos, do LRP thiết kế, được trang bị cơ cấu chuyển động lai ghép (bánh xe được nối với tay máy), do đó có thể vượt qua được vật cản cao 20 cm. Hylos có hệ thị giác 3 chiều (3D), có thể vẽ được bản đồ số tại chỗ và nhận dạng được cấu trúc của đất. Người ta còn có thể sử dụng robot này để gỡ mìn, thăm dò hành tinh khác, nghiên cứu cơ chế hoạt động của núi lửa v.vCuối cùng là họ hàng nhà vi robot (microrobots) và robot thăm dò sao Hoả.Robot nhỏ nhất thế giới hiện nay được chế tạo cuối năm 2003 tại LRP với kích thước: dài 3,5 mm, rộng 6 mm và cao 0,5 mm. Robot này có khả năng mang vác khối lượng lớn gấp 2000 lần trọng lượng của chính nó. Trong tương lai, vi robot sẽ rất đắc dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực thông dòng (thông đường ống). Robot đầu tiên được đưa lên sao Hỏa mang tên Sojourner, chế tạo năm 1997. Sojourner được điều khiển từ Trái đất. Tháng Giêng năm 2004, 2 robot Rovers của Mỹ đã tiếp cận sao Hoả, mỗi ngày tự di chuyển được cỡ chục mét. Phòng Thí nghiệm phân tích và kiến trúc hệ thống (LAAS) ở Toulouse đang p