ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ROBOCON MANUAL

       Ngày nay các ngành công nghiệp ngày càng phát triển mạnh với xu thế ứng dụng nhiều công nghệ mới trong mọi lĩnh vực. Trong đó ngành nghề Cơ Điện tử là một ngành mới là sự kết hợp phức hợp của các ngành cơ khí, điện tử và tin học. Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy móc hiện đại, các robot đang không ngừng phát triển về số lượng cũng như khả năng của chúng. Robot ngày càng thông minh, đảm nhận thay thế những công việc mà con nguời không thể thực hiện như đi vào vùng phóng xạ, giải cứu nguời trong hoả hoạn,… Mỗi robot có bộ phận xử lý trung tâm (não bộ) (ngày nay còn được tích hợp thêm trí thông minh nhân tạo), các cơ cấu tác động (tay để cầm nắm, bánh xe di chuyển...), và các bộ phận cảm nhận (cảm biến) ghi nhận kích thích để gửi về bộ phận xử lý trung tâm. Robot chính là một sản phẩm của ngành Cơ Điện tử. Vì vậy chúng em quyết định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là Robocon. Robocon, viết ghép của tiếng Anh Robot Contest (Cuộc thi Robot), là tên cuộc thi chế tạo robot dành cho sinh viên các trường đại học và cao đẳng khối kĩ thuật của các nước trong khu vực châu Á Thái Bình Dương do Hiệp hội Phát thanh Truyền hình châu Á -Thái Bình Dương (Asia-Pacific Broadcasting Union, viết tắt là ABU) tổ chức hằng năm. Thông qua cuộc thi, chúng em sẽ củng cố và có thêm nhiều kiến thức chuyên môn thực tiễn.

Báo cáo của chúng em gồm có những nội dung chính sau đây:

+ Thiết kế và chế tạo cơ khí.

+ Thiết kế và thi công mạch điện tử.

+ Lập trình cho Robocon hoạt động theo hai chế độ.

Chương 1:  ĐẶT VẤN ĐỀ

Chủ đề của Robocon 2013 là Hành tinh xanh. Mỗi đội gồm có 2 robocon, một robo điều khiển bằng tay và một robo tự động. Chúng em thống nhất chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là robo điều khiển bằng tay.

Theo yêu cầu cuộc thi, robo có kích thước giới hạn dài x rộng x cao là 700x700x1200, giới hạn trọng lượng 20kg.

Sân thi đấu:

Hình 1.1 Sân thi đấu Robocon 2013

Robocon chỉ được di chuyển trong phần sân của đội mình. Robocon bằng tay không được di chuyển vào trong khu vực trái đất và khu vực dành cho Robocon tự động.

Nội dung: thiết kế tay gắp chiếc lá đặt vào 3 ring trong phần sân của mình và chuyển chiếc lá cho robo tự động. sau đó Robocon tự động sẽ đặt chiếc lá vào các ring trong phần sân của mình và đến khu vực cực để gắp khối mầm chuyền cho robocon bằng tay. Robocon bằn gtay sẽ nhận khối mầm và bắn khối mầm lên mặt trăng. Đội bắn được khối mầm lên mặ trăng trước sẽ dành chiến thắng tuyệt đối.

Sau thời gian hội ý chúng em quyết định thiết kế cơ khí theo hướng: thiết kế hai tay gắp hoạt động độc lập với nhau và các cơ cấu xếp gọn để robo đáp ứng yêu cầu của cuộc thi.

Các tay gắp phải đảm bảo gắp được chiếc lá với kích thước đường kính 250mm vào cao 200mm, trọng lượng chiếc lá 200g. tay gắp phải gắp được 3 chiếc lá để chuyển cho robocon tự động. do yêu cầu về kích thước robocon bằng tay và khoảng cách xa nhất của ring nên cánh tay được thiết kế để có thể vươn ra khi đặt chiếc lá vào ring và xếp gọn theo đúng kích thước yêu cầu.

Để tăng thêm tính tự động cho robo chúng em thiết kế robocon theo hai chế độ hoạt động điều khiển bằng tay game và chế độ điều khiển từ xa thông qua máy tính.

Nhiệm vụ của từng thành viên trong nhóm:

+ Thiết kế bản vẽ cơ khí trên phần mềm Solidworks  và thi công phần cơ khí của robocon do bạn Bùi Trọng Văn đảm nhiệm.

+ Thiết kế và thi công lắp ráp mạch điện do bạn Lê Tuấn Văn phụ trách.

+ Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình, viết lưu đồ giải thuật và lập trình cho robocon hoạt động là nhiệm vụ của bạn Trần Văn Tửng.

Chương 2:  THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

1.  THIẾT KẾ CƠ KHÍ
   1. Ý tưởng ban đầu

Hình 2.1: Thiết kế trên SolidWorks

Cơ khí Robocon gồm có hai phần chính là thân xe và 2 tay gắp. Thân xe là phần lắp bánh xe di chuyển, tay gắp và mạch điện điều khiển. 2 tay gắp có nhiệm vụ gắp các lá để ghi điểm và chuyển lá cho robo tự động.

Vật liệu chủ yếu được sử dụng là nhôm định hình và nhốm tấm. Khung xe được tạo thành từ các thanh nhôm định hình và ghép với nhau bằng rive. Tay gắp được ghép từ nhôm hộp và nhôm tấm, lắp với nhau bằng rive và bulong.

Hình 2.2: Thiết kế trên SolidWorks- hình chiếu cạnh

Robocon di chuyển nhờ hai bánh xe với động cơ riêng biệt ở trục sau cùng với hai con lăn bi cầu ở trục trước. Hướng di chuyển được điều khiển bằng cách tạo ra độ chênh lệch tốc độ ở hai bánh xe và điều chỉnh chiều quay thuận nghịch ở cả hai nánh xe. Thiết kế theo phương pháp này sẽ giúp xe đạt độ linh hoạt cao và chính xác khi cần rẽ hướng hay xoay đầu 180⁰.

Cánh tay gắp lá chuyển động lên xuống vươn ra nhờ cơ cấu xích và bánh xích tương tự như cơ cấu bánh răng thanh răng. Cơ cấu này có ưu điểm hơn so với cơ cấu truyền động dai do không có hiện tượng trượt đai. Tay gắp kẹp chặt chiếc lá bằng cơ cấu xylanh khí nén do có ưu điểm lực kẹp mạnh, hoạt động nhanh và chính xác, tuy nhiên cũng có khuyết điểm là số lần kẹp có giới hạn do lượng khí nén mang theo trên xe có giới hạn.

1. Chi tiết và vật liệu

Vật liệu chủ yếu là nhôm:

Một số loại nhôm được sử dụng làm robocon là:nhôm hộp 25x32mm, 25x38mm, 25x50mm, 50x50mm, 12x20mm, nhôm ống đường kính 8mm. Khung xe được làm hoàn toàn bằng vật liệu nhôm là vì nhôm có trọng lượng nhẹ, dễ gia công và có độ cứng vững và chịu lực tốt.

...............................

Cánh tay gắp làm từ nhôm hộp 50x50, 50x25, 25x32, 12x20, nhôm ống 8mm và nhôm tấm dày 2mm.

Hình 2.8: Nhôm tấm

Đĩa xích và xích ở bộ truyền động bánh xe. Bộ truyền

Hình 2.9: Xích và đĩa xích

Động cơ bánh xe DC 24v và động cơ hộp giảm tốc DC 24v ở cánh tay gắpHình 2.10: Động cơ DC 24V

Bình khí nén, van solenoid một chiều, dây dẫn khí nén và xy lanh khí nén

Bình khí nén được làm từ bình chứa nước dung tích 1.5l, đầu nắp bình khoét lỗ và lắp van khóa. Bình được quấn băng keo tăng cường độ chịu lực. Áp suất khí nén của bình có thể đạt 6bar.

Van solenoid khí nén là loại van 5/2 tác động điện một chiều. tín hiệu điện cấp cho van solenoid là điện áp 24V. trên xe robocon chúng em sử dụng van khí nén của hãng  airtac Model 4V110-06  áp suất khí nén từ 0.15-0.8Mpa.

Xy lanh khí nén có đường kính 4mm và hành trình 8mm.

Hình 2.11: Bình khí nén, van Solenoid và xylanh khí nén

Ổ bi 

Hình 2.12: Các loại ổ bi

Thiết kế robocon chủ yếu sử dung ổ bi đỡ chặn cỡ nhẹ đường kính trong 6mm và đường kính ngoài là 16mm và 19mm.

Công tắc hành trình

Hình 2.13: Công tắc hành trình

1. Thiết kế và thi công

Hình 2.14: Robocon hoàn thiện

1. Khung  xe robocon

Hình 2.15: Khung xe nhôm

Kích thước khung xe: 620x500mm.

Khung xe được thiết kế theo dạng hình chữ H với hai trục trước và sau nối với nhau bằng các thanh nhôm định hình dọc thân xe và song song để tăng độ chịu lực.

Mối ghép đinh tán( rive) được sử dụng để lắp ráp khung do có đặc điểm nhanh chóng tiện lợi và độ bền cao, giảm khối lượng thay vì sử dụng mối ghép bulong.

Thanh nhôm phía sau được lắp mỗi bên 2 miếng nhôm V 3mm đối xứng nhau và khoan lỗ 6mm đồng tâm để lắp trục bánh xe.

1. Bánh xe và tryền động

Hình 2.16: Truyền động bánh xe

Bánh xe bằng gang có 3 chấu có lớp vành ngoài bằng cao su tăng độ bám.

Vì sử dụng bộ truyền xích nên bánh xe được gắn cố định với đĩa xích bị dẫn bằng mối ghép hàn. Trục bánh xe lắp 2 ổ bi 16mm đường kính trong 6mm đường kình ngoài 19mm. Trục chính của bánh xe là bulong inox M6 xuyên qua ổ bi bánh xe và lắp chặt với khung xe.

Động cơ được lắp chặt với khung xe bằng hai thanh nhôm V. Một thanh được khoét hình tròn ôm sát vào động cơ lắp ở giữa động cơ có nhiệm vụ nâng đỡ. Thanh nhôm còn lại lắp vào mặt đầu của động cơ bằng bulong M3.

Tỷ số truyền của bộ truyền xích:

  i = N1/N2 = z2/z1 = 41/11 = 3,72

Trong đó:  

N1, z1 tương ứng là số vòng quay và số răng của nhông xích dẫn

                      N2, z2 tương ứng là số vòng quay và số răng của đĩa xích bị dẫn                      

Hình 2.17: Bộ truyền xích

Trục động cơ được lắp trực tiếp với nhông xích dẫn

Khoảng cách trục A của bộ truyền: A= 84mm

Thanh nhôm phía trước được lắp 2 con lăn bi cầu có nhiêm vụ nâng đỡ và giúp xe di chuyển dễ dàng.

1. Trụ nâng cánh tay gắp

Mỗi cánh tay có trụ nâng riêng biệt để nâng hạ cánh tay. Có một trụ cố định và một trụ có khớp xoay 90⁰.

Hình 2.18: Trụ nâng

Trụ nâng ở tay gắp nhỏ.

Hình 2.19: Bộ phận nâng hạ tay gắp nhỏ

Trụ nâng được làm từ nhôm hộp 25x50 chiều dài 600m lắp cố định với thanh thứ hai của trục trước. Thanh giằng chéo nhôm 12x20mm tăng độ chắc chắn và cũng là vị trí lắp 4 bình khí nén.

Phần trượt lên xuống gồm 2 tấm nhôm 3mm kích thước 150x120mm được khoan lỗ 6mm để lắp bulong M6, 8 ổ lăn 19mm lắp đối xướng giúp giảm ma sát trượt.

Các ổ lăn là bộ phận dẫn hướng cho phần trượt của cánh tay gắp.

Trụ nâng ở tay gắp lớn.

Trụ nâng này thiết kế sử dụng nhôm hộp 50x50mm, lớn hơn do kích thước của tay gắp này lớn hơn và chịu lực nhiều hơn. Chiều dài là 427mm

Hình 2.20: trụ nâng tay gắp lớn

Phần đầu trên được lắp miếng nhôm 3mm kích thước 30x50mm dùng để buộc dây nâng hạ cả phần tay gắp.

Phần đế lắp vuông góc với 2 miếng nhôm V chiều dài 120mm tăng sức chịu lực. phần trụ nâng này được liên kết với khung xe nhờ bộ bản lề xoay bằng nhôm 3mm và bulong M6.

 Phần trượt lên xuống ở tay gắp này có thiết kế giống như ở tay gắp nhỏ nhưng có điều chỉnh khoảng cách giữa các ổ lăn cho phù hợp với trụ nâng kích thước 50x50mm.

1. Động cơ nâng

Động cơ nâng là động cơ DC 24V có hộp giảm tốc với tốc độ đầu ra là 100 vòng/phút. Do cánh tay gắp có trọng lượng nặng nên động cơ phải có moment xoắn lớn, bù lại tốc độ của động cơ còn chậm.

Hình 2.21: Cơ cấu nâng hạ

Cơ cấu truyền động: động cơ được lắp trên miếng nhôm 3mm ở  bộ phận, bánh nhông xích được lắp với trục động cơ. Sợi xích sẽ được lắp cố định trên trụ nâng. Khi động cơ quay, nhông xích sẽ ăn khớp và truyền chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến dọc sợi xích.

1. Tay gắp

Tay gắp nhỏ

Gồm có cánh tay xoay và bộ phận gắp lá.

Cánh tay làm từ nhôm hộp 25x38mm, chiều dài 680mm. Cánh tay này xoay 90⁰ được lắp với phần trượt bằng bulong M6, bulong này cũng là chốt xoay.

Hình 2.22: cánh tay gắp nhỏ

Ban đầu cánh tay ở vị trí hướng lên trên, khi hoạt động cho xe chạt tới và dừng lại tạo quán tính cho cánh tay rơi xuống ở vị trí nằm ngang. Các lò xo làm nhiệm vụ giảm lực rơi xuống một cách từ từ.

Bộ phận gắp bao gồm nhiều chi tiết làm từ nhốm tấm 1,2mm là bộ phận lắp ráp với phần tay gắp và liên kết các chi tiết với nhau, 4 thanh nhôm hộp 10x20mm là các má kẹp, mỗi bên 2 thanh, được gấp khúc để tăng tiếp xúc nhằm kẹp chặt phôi.

Góc giữa phần gấp khúc của que kẹp là 140⁰. Khi kẹp chiếc lá. Các mặt trong của que kẹp sẽ ôm sát váo chiếc lá, tăng diện tích tiếp xúc để tăng lực giữ chiếc lá không bị rơi ra ngoài.

Hình 2.23: Bộ phận gắp

Xy lanh được sử dụng tạo ra lực kẹp cho tay gắp và được lắp dọc theo cánh tay. thông số của xylanh: hành trình: 60mm, đường kính cần xylanh: 4mm. cơ cấu chuyển động tịnh tiến tiến sẽ được chuyển thành chuyển động xoay.

Để tăng ma sát tăng lực kẹp, phần tiếp xúc với chiếc lá của má kẹp được dán thêm các miếng xốp.

Các chi tiết kể trên được lắp với nhau bằng bulong 4mm và đai ốc.

Tay gắp lớn

Gồm phần cánh tay có thể vươn dài và phần gắp chiếc lá.

Hình 2.24: Tay gắp lớn

Cánh tay có 2 chi tiết làm từ nhôm hộp 50x50 chiều dài 850mm và nhôm hộp 25x38mm chiều dài 870mm. hai phần này được lồng vào nhau có thể trượt ra vào với chiều dài trượt là 620mm.

Để giữ cho 2 phần này trượt song song với nhau, các ổ bi 19mm và 16mm được sử dụng giúp 2 phần của cánh tay trượt theo phương song song một cách nhẹ nhàng hơn, giảm ma sát.

Xy lanh là bộ phận chính tạo ra lực kẹp. xy lanh bố trí nằm ngang, vuông góc với cánh tay gắp. hai đầu của xy lanh được lắp trực tiếp với đầu của 2 má kẹp được ghép từ 4 thanh nhôm 12x20mm được gấp khúc để tăng độ bám.

Vì tay gắp này có nhiệm vụ gắp tới 4 chiếc lá chồng lên nhau nên mỗi bên của má kẹp được khoan lỗ 8mm và lắp thêm thanh nhôm tròn 8mm ôm sát 4 chiếc lá không bị rơi ra ngoài. Một thanh nhôm tròn nữa được lắp ở vị trí giữa phía trong của phần gắp. Để tăng độ bám chắc ống xốp tròn 30mm được lồng vào các thanh nhôm này.

1. Động cơ trượt của tay gắp lớn

Là động cơ DC 24V có hộp giảm tốc với tốc độ đầu ra 350 vòng/phút. Động cơ này có tốc đọ nhanh hơn động cơ nâng hạ nhưng moment xoắn nhỏ hơn do không yêu cầu cần nhiều lực vì cánh tay trượt ra theo phương ngang.

Hình 2.25: Động cơ trượt của tay gắp lớn

Cơ cấu trượt tương tự như ở trụ nâng, nhông xích ăn khớp với sợi xích lắp ở thanh nhôm trượt chuyển chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. động cơ sẽ được lắp ở thanh nhôm cố định.

1. Cơ cấu xoay của tay gắp lớn

Ở vị trí xuất phát, cánh tay gắp nằm ở vị trí hướng lên trên. Khi hoạt động, cơ cấu sẽ được hạ xuống nhờ động cơ và dây cáp.

Một thanh nhôm 12x20mm lắp vào khung xe, đầu kia được lắp một ròng rọc dẫn hướng cho dây cáp. Động cơ được bố trí nằm ở phía sau khung xe. Puli quấn dây cáp nằm thẳng hàng với ròng rọc sẽ không làm lệch dây kéo.

Hình 2.26: Cơ cấu xoay tay gắp lớn

Hệ thống hoạt động như sau: ban đầu động cơ kéo sẽ quấn dây để nâng trụ nâng đứng lên,đến khi cánh tay bắt đầu ngã về trước do trọng lượng thì động cơ sẽ nhả dây ra và hạ cánh tay xuống. do phương pháp hạ cánh tay bằng quán tính nên cánh tay sẽ không trở về vị trí ban đầu được. Dây cáp kéo là dây thường đường kính 2mm, đủ sức chịu lực căng của cánh cánh tay. Dây cáp cũng là một phần chịu lực khi cánh tay đã được hạ xuống.

Động cơ quấn dây là động cơ có hộp giảm tốc có tốc độ đầu ra 100 vòng/phút có moment xoắn lớn nhưng tốc độ chậm, do vậy thời gian hạ tay gắp xuống mất 5 giây.