MỤC LỤC
MỤC LỤC……1
LỜI NÓI ĐẦU.. 3
PHẦN 1: NHỮNG YÊU CẦU TRONG THIẾT KẾ ROBOT QUÂN SỰ VÀ ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT GÁ SÚNG V1.0. 4
1.1. NHỮNG YÊU CẦU TRONG THIẾT KẾ ROBOT QUÂN SỰ.. 4
1.1.1. Yêu cầu về kết cấu cơ khí 4
1.1.2. Yêu cầu và chức năng bộ điều khiển. 5
1.2. ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CHẾ TẠO.. 5
1.2.1. Nhiệm vụ thiết kế mẫu Robot gá súng V1.0. 5
1.2.2. Đặc điểm thiết kế chế tạo môđun di chuyển của Robot gá súng V1.0. 6
1.2.3. Đặc điểm thiết kế, thi công hệ thộng điều khiển của robot 7
1.2.4. Các hạn chế về thiết kế và chế tạo của Robot gá súng V1.0. 8
PHẦN 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ PHIÊN BẢN 2. 9
2.1. THIẾT KẾ TỔNG THỂ.. 9
2.2. CÁC MÔĐUN TRONG ROBOT.. 10
2.2.1 Môđun chuyển động. 10
2.2.2. Khung Robot 11
2.2.3. Cơ cấu chỉnh hướng. 11
2.2.4. Cơ cấu chỉnh tầm.. 12
2.2.5. Môđun gá súng. 12
2.2.6. Cơ cấu bóp cò. 13
2.3. TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ.. 14
PHẦN 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.. 16
3.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN.. 16
3.2. GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ.. 17
3.2.1. Khối xử lý trung tâm.. 17
3.2.2. Mạch công suất 17
3.2.3. Khối thu phát RF. 20
3.2.4. Khối quan sát 20
3.2.5.Tay điều khiển và màn hình LCD: 21
3.2.6. Giao diện điều khiển trên máy tính. 22
PHẦN 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN.. 24
4.1. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM... 24
4.1.1. Một số hình ảnh về quá trình thử nghiệm.. 24
4.1.2. Kết quả đã đạt được. 28
4.2. PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 28
KẾT LUẬN.. 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 32
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, công nghệ Robot cũng có những bước phát triển mạnh mẽ. Chỉ trong vòng nửa thế kỷ qua, rất nhiều loại Robot đã được nghiên cứu, chế tạo để phục vụ hoạt động của con người. Ngày nay, Robot đã được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội. Cùng với ứng dụng trong hoạt động dân sự, Robot đã và đang được sử dụng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng. Từ những robot đóng vai trò giám sát, kiểm tra an ninh cho đến những chiến binh Robot thực thụ trên chiến trường, tất cả đều cho thấy khả năng phát triển không thể ngăn cản của Robot quân sự. Vậy Robot quân sự là gì ? Theo từ điển Wikipedia: “ Robot quân sự là những Robot tự hành hoặc những thiết bị được điều khiển từ xa được thiết kế để phục vụ hoạt động quân sự ”
Robot quân sự đóng vai trò to lớn trong chiến tranh hiện đại. Chúng thay thế cho người lính trong các công việc khó khăn,gian khổ và nguy hiểm như trinh sát, do thám, vượt qua bãi mìn được ngụy trang khéo léo, xung phong tấn công cứ điểm, rà phá bom mìn,... Như vậy, người lính sẽ được an toàn hơn trong chiến đấu, nếu có vấn đề xảy ra, chúng ta chỉ phải tốn chi phí để sản xuất Robot mới. Trong các cuộc chiến tranh gần đây, nhiều mẫu Robot quân sự đã được đưa vào chiến trường. Chúng đã thực sự khẳng định được tính ưu việt của mình.
Xuất phát từ thực tiễn trên thế giới và từ yêu cầu xây dựng Quân đội Nhân dân Việt Nam trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các Robot quân sự là 1 vần đề cấp bách . Nhiệm vụ đó đòi hỏi các nhà khoa học, nhà nghiên cứu, đội ngũ kỹ sư và học viên, sinh viên Việt Nam phải khai thác được các kỹ thuật hiện đại để thiết kế chế tạo ra các Robot quân sự phục vụ cho hoạt động An ninh Quốc phòng. Trên cơ sở kế thừa kết quả nghiên cứu, thiết kế chế tạo Robot gá súng từ các năm trước, chúng em đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo robot gá súng V2.0” với mục tiêu là phát triển, hoàn thiện các module chức năng của Robot.
Do hạn chế về thời gian, năng lực và kinh phí nên kết quả nghiên cứu khó tránh khỏi các sai sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp từ phía các thầy để chúng em tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài.
PHẦN 1: NHỮNG YÊU CẦU TRONG THIẾT KẾ ROBOT QUÂN SỰ VÀ ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT GÁ SÚNG V1.0
1.1. NHỮNG YÊU CẦU TRONG THIẾT KẾ ROBOT QUÂN SỰ
1.1.1. Yêu cầu về kết cấu cơ khí
Yêu cầu đầu tiên với mọi loại robot địa hình đó là khả năng di chuyển trên các địa hình phức tạp, với những đặc trưng chủ yếu gồm: khả năng di chuyển linh hoạt ở nhiều loại địa hình, khả năng vượt qua các chướng ngại vật, dễ dàng thay đổi hướng di chuyển, có thể hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt của thời tiết, phạm vi hoạt động rộng, độ ổn định cao, khả năng ứng dụng cao, tích hợp được nhiều tính năng và ít chịu sự tác động của con người…
Để đáp ứng yêu cầu di chuyển linh hoạt của Robot, người ta thường sử dụng 3 kết cấu chính là: Robot nhiều bánh( thường là 6 bánh) , Robot chân, Robot bánh xích( bánh đai).
1.1.2. Yêu cầu và chức năng bộ điều khiển
Yêu cầu đối với bộ điều khiển Robot là tính ổn định, khả năng đáp ứng nhanh mệnh lệnh điều khiển, ít bị ảnh hưởng bởi các tác động bên ngoài. Bộ điều khiển cần phải lấy được tín hiệu phản hồi từ các sensor và công tác hành trình (CTHT) lắp trên cơ cấu chấp hành để nâng cao chất lượng điều khiển. Để thuận tiện cho việc lập trình và kiểm tra, bộ điều khiển cần phải có các chuẩn giao tiếp để kết nối với thiết bị ngoại vi.
1.2. ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CHẾ TẠO
1.2.1. Nhiệm vụ thiết kế mẫu Robot gá súng V1.0
Bài toán thiết kế mẫu robot gá súng V1.0 đặt ra nhiều vẫn đề phải giải quyết trong đó việc đưa ra cấu trúc, cơ cấu vận động hợp lý, thiết kế hệ thống điều khiển tin cậy, khả năng giám sát là vấn đề then chốt nó được thể hiện trên các mặt như sau:
- Robot có kết cấu cơ khí vũng chắc, di chuyển linh hoạt qua các địa hình phức tạp, mấp mô, vượt qua các vật cản nhỏ.
- Robot được điều khiển với nhiều chức năng như tự động, bán tự động hay bằng tay.
1.2.2. Đặc điểm thiết kế chế tạo môđun di chuyển của Robot gá súng V1.0
Trên hình 1.1 là mô hình module chuyển động của Robot gá súng V1.0 được thiết kế trên phần mềm Pro Engineer. Module này gồm các cụm chi tiết chính là : hệ thống khung, động cơ dẫn động, hộp giảm tốc, xích ( đai), bánh truyền động, bánh đỡ và bánh căng xích. Bánh đỡ và bánh căng xích được thiết kế để tăng tối đa diện tích tiếp xúc giữa xích và mặt đường đồng thời giảm sự trượt. Loại xích được sử dụng có mặt trong nhẵn tiếp xúc với bánh truyền động, bánh đỡ, bánh căng xích và mặt ngoài có các răng thang để tăng độ ma sát và khả năng vượt vật cản. Loại xích được sử dụng là xích cao su có ký hiệu XH840.
1.2.3. Đặc điểm thiết kế, thi công hệ thộng điều khiển của robot
Căn cứ vào chức năng, nhiệm vụ của Robot, bộ điều khiển được thiết kế gồm có 2 phần chính. Một phần được lắp trên Robot và một phần được nối ghép với máy tính như trên sơ đồ hình 1.3. Người điều khiển căn cứ vào hình ảnh truyền về từ máy tính để đưa ra các mệnh lệnh điều khiển Robot trên máy tính. Các mệnh lệnh điều khiển này được máy tính truyền đến MCU thông qua bộ thu phát RF. MCU sẽ căn cứ vào mệnh lệnh nhận được để đưa ra các tính hiệu điều khiển các động cơ của Robot.
1.2.4. Các hạn chế về thiết kế và chế tạo của robot gá súng V1.0
Do điều kiện về kinh phí, thời gian, trình độ cho nên Robot gá súng V1.0 có một số hạn chế như sau:
- Tốc độ di chuyển không cao, độ linh hoạt kém.
- Khó khăn khi di chuyển trên 1 số địa hình như cát, nền đất lún…
- Sau vượt vật cản, Robot va chạm mạnh với mặt đất gây biến dạng 1 số bộ phận, ảnh hưởng đến kết cấu của Robot.
PHẦN 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ PHIÊN BẢN 2
2.1. THIẾT KẾ TỔNG THỂ
Qua tìm hiểu các kết cấu Robot Quân sự trên thế giới và các đặc điểm trong thiết kế chế tạo Robot gá súng phiên bản 1, chúng em lựa chọn thiết kế mẫu robot gá súng phiên bản 2 là loại robot di động bằng 6 bánh ( outdoor Robot) . Robot kết cấu 6 bánh có tốc độ di chuyển cao hơn, độ linh hoạt cao hơn. Cơ cấu chỉnh tầm hướng sử dụng các hộp giảm tốc trục vít bánh vít đem lại độ chính xác cao, vận hành êm dịu và khả năng tự hãm.
2.2. CÁC MÔĐUN TRONG ROBOT
2.2.1 Môđun chuyển động
Môđun chuyển động gồm hai hệ thống bánh lốp ở hai bên thân xe, mỗi hệ thống bánh này bao gồm ba bánh chúng được liên kết với nhau thông qua 2 bộ truyền xích tạo thành một khối. Lực phát động từ động cơ sẽ truyền tới một bánh. Thông qua các bộ truyền xích momen được truyền tới các bánh còn.
2.2.2. Khung Robot
Khung Robot được thiết kế bằng các tấm thép có độ dày 5mm với phương pháp gia công dập tạo cho phần thân của Robot chắc chắn và cứng vững hơn. Các chi tiết được liên kết với nhau thông qua các mỗi ghép hàn tạo thành một khối thống nhất. Thân Robot có bố trí các vị trí để lắp ghép với các bộ phận khác như vị trí gá động cơ dẫn động, vị trí gá cơ cấu chỉnh tầm hướng, vị trí lắp các gối đỡ của bánh lốp…
2.2.4. Cơ cấu chỉnh tầm
Cơ cấu chỉnh tầm được thiết kế dựa trên nguyên lý tịnh tiến của trục vít me giúp làm tăng momen và độ chính xác. Phạm vi hoạt động được trong khoảng từ -150 dến +150. Hình 2.5.
2.2.6. Cơ cấu bóp cò
Sử dụng động cơ RC servo để thực hiện động tác bóp cò bảo đảm đơn giản, dễ điều khiển cho độ tin cậy cao.
2.3. TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
Động cơ phát động:
Ta có:
P: Công suất động cơ, [W].
F: Lực phát động, [N].
V: Vận tốc của bánh phát động, [ m/s].
h: Hiệu suất của bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích.
+ Sử dụng hộp giảm tốc với bộ truyền bánh răng: h = 0,96% ¸ 0,98% (chọn h = 0,98%)
+ Sử dụng bộ truyền xích: h = 0,90% ¸ 0,93% (chọn h = 0,93%)
+ Vận tốc chuyển động tối đa của robot là: vrb = 0,7 [m/s]
Đường kính bánh phát động: db = 0,1274 [m]
Đường kính phần bánh tiếp xúc với mặt đường:
d = db + 0,0224= 0,1498 [m] (1-2)
+ Với k là hệ số ma sát của đai với mặt đất.
Hệ số ma sát tĩnh: 0,6¸0,9 ; Hệ số ma sát trượt: 0,5¸0,8
+ Prb là trọng lực tác dụng lên robot.
+ a là góc nghiêng của robot với mặt đất.
Xét robot đi thẳng: k = 0,6
Vậy để đảm bảo robot có thể hoạt động tốt (trên địa hình gồ ghề, vượt được các chướng ngại vật trên đường di chuyển) ta chọn loại động cơ:
+ Công suất: P = 200 [W]
+ Số vòng quay: n = 4000 [vòng/phút]
PHẦN 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN
Căn cứ vào chức năng của bộ điều khiển, để đáp ứng được những yêu cầu đó bộ điều khiển được thiết kế như sau:
Bộ điều khiển gồm 2 phần là trung tâm điều khiển và bộ điều khiển trên Robot. Trung tâm điều khiển được lắp tại vị trí người điều khiển. Bộ điều khiển trên Robot được gắn trên Robot.
Khối quan sát: gồm có camera và các module thu phát dùng để truyền hình ảnh từ Robot về trung tâm điều khiển giúp cho người điều khiển quan sát được không gian hoạt động của Robot. Để quan sát được toàn bộ không gian hoạt động của Robot cần bố trí nhiều camera ở những góc độ khác nhau.
CTHT và sensor: Lấy tín hiệu phản hồi về vị trí và vận tốc của cơ cấu chấp hành đưa về MCU.
3.2. GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
Căn cứ vào vào nhiệm vụ, chức năng của robot thì bộ điều khiển có những khối chức năng chính như sau:
3.2.1. Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm được thiết kế sử dụng vi điều khiển 8 bit AVR Atmega32 do hãng Atmel sản xuất
3.2.2. Mạch công suất
Yêu cầu đối với mạch công suất là có công suất lớn (P>200W / 1 động cơ), độ ổn định cao,dễ dàng điều khiển và khả năng đáp ứng nhanh chóng tín hiệu điều khiển. Với những yêu cầu trên,giải pháp sử dụng các Rơle cho mạch công suất là không hợp lý. Giải pháp được đưa ra là sử dụng 4 MOSFET công suất lớn để tạo mạch cầu H. Trong đề tài này sử dụng MOSFET kênh N “IRFB4310” (VDSS = 100V ; RDS(on) = 5.6 mΩ ; ID = 140A ở TC =250C) ) và các IC kích FET chuyên dụng IR2104 để đóng mở các MOSFET.
3.2.3. Khối thu phát RF
Việc giao tiếp giữa MCU và máy tính qua bộ RF đòi hỏi phải lập trình mã hóa dữ liệu truyền, nhận đảm bảo tính bảo mật, chống nhiễu và làm cho tín hiệu trở nên tốt hơn. Trong đề tài này sử dụng bộ thu phát DRF7020D13. Bộ thu phát này có ưu điểm là dễ sử dụng, thông tin truyền đi ổn định và chính xác.
3.2.4. Khối quan sát
Bao gồm Camera, bộ phát sóng, bộ thu sóng , nguồn 12V.
3.2.5.Tay điều khiển và màn hình LCD:
Tay điều khiển sử dụng 1 vi điều khiển ATmega8 để mã hóa các phím bấm thành các lện điều khiển để điều khiển Robot. Màn hình LCD 4” được kết nối với bộ thu tín hiệu Camera không dây.
PHẦN 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
4.1.1. Một số hình ảnh về quá trình thử nghiệm
Một số hình ảnh về quá trình thử nghiệm thể hiện như các hình 4.1, 4.2, 4.3.
4.1.2. Kết quả đã đạt được
Robot gá súng V2.0 có kết cấu bánh lốp cho nên khả năng cơ động cao, độ linh hoạt cao. Kết cấu cơ khí vững chắc cho phép Robot hoạt động trong nhiều điều địa hình khác nhau. Robot có khả năng vượt qua một số vật cản thấp và di chuyển tốt trên địa hình mềm.
Hệ thống chỉnh tầm, chỉnh hướng vững chắc, ổn định, độ chính xác cao, đáp ứng được các yêu cầu khi bắn của súng AK.
Hệ thống bóp cò hoạt động tốt, đảm bảo an toàn khi sử dụng.
Bộ điều khiển tương thích với kết cấu cơ khí, làm việc ổn định, tin cậy, hiệu quả.
Tích hợp được hệ thống camera không dây vào Robot.
Với việc sử dụng bộ điều khiển bằng tay kết hợp với màn hình hình LCD cho phép nâng cao hiệu quả, giảm sự phụ thuộc vào máy tính, tăng tính cơ động.
4.2. PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
- Tối ưu hóa kết cấu cơ khí, thay đổi 1 số kết cấu, thay đổi một số bộ phận tự chế bằng các chi tiết được chuẩn hóa để nâng cao độ chính xác.
- Tính toán phương án gá lắp các loại hỏa lực manh hơn như PKMS trên Robot.
- Phát triển bài toán xử lý ảnh bám mục tiêu.
- Áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh cho
KẾT LUẬN
Qua một thời gian nghiên cứu, phát triển Robot gá súng V2.0, chúng em đã hoàn thành tốt mục tiêu đề tài đặt ra. Robot được chế tạo đã đạt được cải thiện nhiều tính năng so với phiên bản 1. Mặc dù còn nhiều hạn chế nhưng đây là cơ sở để mẫu Robot gá súng này tiếp tục phát triển và hoàn thiện. Nếu được đầu tư các trang thiết bị hiện đại và các công nghệ mới, mẫu Robot này hoàn toàn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hoạt động quân sự.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy: PGS TS....................... cùng tập thể giáo viên bộ môn Cơ điện tử và Robot đặc biệt đã tích cực giúp đỡ chúng em hoàn thành.
Em xin chân thành cảm ơn!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1,2 - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển - NXBGD
2. Dung sai và lắp ghép - Nguyễn Đức Hát - Nguyễn Trọng Bản , Lưu Văn Bồng, Đỗ Tiến Lập - Học viện kĩ thuật quân sự 2006.
3. Kĩ thuật mạch điện tử - Đỗ Xuân Thu - Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật 2004.
4. Visual basic.net kĩ xảo lập trình - Phương Lan, Hoàng Đức Hải - Nhà xuất bản Thống kê 2005.
5. Dynamic tracking control of nonholonomic mobile Robot with model reference adaptation for uncertain parameters; Ali Gholipour, M.J.Yazdanpanah.
6. Dimitrios Apostolopoulos. (2002) “Research Report on Systematic Configuration of Robotic Locomotion”. The Robotics Institute Carnegie Mellon University, USA (This research was sponsored by NASA).
7. Intelligent Robotics and Autonomous Agents; Ronald C. Arkin, editor.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"