Đồ án Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY TẬP CẦU LÔNG GVHD: TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG SVTH: TRƯƠNG TẤN TÀI MSSV: 11146096 SVTH: NGÔ LÊ KHANG DUY MSSV: 11146232 SVTH: NGUYỄN HỮU VINH MSSV: 11146144 SVTH: TRẦN TRUNG THÀNH MSSV: 11146263 SKL003874 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông Giảng viên hướng dẫn: TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG Sinh viên thực hiện: TRƯƠNG TẤN TÀI MSSV: 11146096 Sinh viên thực hiện: NGÔ LÊ KHANG DUY MSSV: 11146232 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HỮU VINH MSSV: 11146144 Sinh viên thực hiện: TRẦN TRUNG THÀNH MSSV: 11146263 Lớp: 111463 Khoá: 2011 – 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng tháng 07/2015
3. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA TP. HCM VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn: Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS. Cái Việt Anh Dũng Sinh viên thực hiện: Trương Tấn Tài MSSV: 11146096 Ngô Lê Khang Duy MSSV: 11146232 Nguyễn Hữu Vinh MSSV: 11146144 Trần Trung Thành MSSV: 11146263 1. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY TẬP CẦU LÔNG 2. Nhiệm vụ đề tài - Xác định các cơ cấu cần có của máy. - Tính toán và chọn công suất động cơ phù hợp với từng cơ cấu. - Thiết kế, gia công và lắp ráp máy. - Tìm hiểu nguyên lý, công dụng của các module điều khiển. - Lắp ráp nguồn điện, các module điều khiển vào tủ điện. - Lập trình PI điều khiển vận tốc và vị trí của động cơ DC servo. - Lập trình các bài tập cho máy. - Kết nối bluetooth điều khiển máy bằng điện thoại thông minh (smartphone). 3. Ngày giao đồ án: Ngày 20 tháng 03 năm 2015 4. Ngày nộp đồ án: Ngày 17 tháng 07 năm 2015 TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ (GVHD ký và ghi rõ họ tên) i
4. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông. - GVHD: TS. Cái Việt Anh Dũng - Họ tên sinh viên: Trương Tấn Tài - MSSV: 11146096 Lớp: 111463A - Địa chỉ sinh viên: 75/9/10 Trần Văn Đang, Phường 9, Quận 3, TPHCM - Số điện thoại liên lạc: 01687533338 - Email: truongtantai101193@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/07/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2015 Ký tên ii
5. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông LỜI CẢM ƠN Trước tiên, chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy cô và ban giám hiệu Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã tạo cho chúng em có một môi trường học tập và rèn luyện vô cùng bổ ích. Bước vào một môi trường hoàn toàn mới sau ba năm học phổ thông chúng em còn rất bỡ ngỡ nhưng được sự dìu dắt và chỉ dạy của thầy cô chúng em đã không ngừng nỗ lực và phấn đấu trong suốt bốn năm học tại trường và đạt được kết quả như ngày hôm nay. Tiếp theo, chúng em xin chân thành cám ơn các thầy cô trong Khoa Cơ khí chế tạo máy, đặc biệt là TS. Cái Việt Anh Dũng người đã tận tình chỉ dạy và hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian chúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Cám ơnban lãnh đạo công ty RMG Technologies và công ty Thiên Tạo đã cho chúng em mượn xưởng để gia công các chi tiết phục vụ cho đề tài của chúng em. Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các bậc phụ huynh đã hỗ trợ và động viên chúng em trong những lúc khó khăn, từ đó chúng em đã cố gắng vượt qua những khó khăn và đạt được thành công như hôm nay. Ký tên iii
6. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông TÓM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY TẬP CẦU LÔNG Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu các sản phẩm hỗ trợ cho việc tập luyện và nâng cao sức khỏe cho con người. Mỗi một môn thể thao đều có các máy tập hoặc các dụng cụ hỗ trợ giúp cho con người tập luyện một cách hiệu quả. Đặc biệt với các môn thể thao đối kháng như bóng bàn, tennis, cầulông, chúng ta không thể tập luyện một mình được. Trong đó, môn cầu lông được rất nhiều người quan tâm tập luyện, từ những em thiếu nhi, các bạn thanh thiếu niên, các bậc trung niên hoặc những người cao tuổi cũng có thể tập luyện môn thể thao này để rèn luyện sức khỏe. Nhưng để tập môn thể thao này thì phải cần 2 người trở lên hoặc phải có huấn luyện viên hướng dẫn mới có thể tập luyện được một cách bài bản. Chính vì vậy chúng em đã thiết kế và chế tạo ra máy tập cầu lông để đáp ứng các nhu cầuluyện tập của từng học viên và giảm bớt khối lượng công việc cho các huấn luyện viên, từ đó các huấn luận viên có thể bao quát tất cả các học viên. Máy có khả năng thay đổi được chiều cao, điều chỉnh được các góc bắn và tốc độ bắn để tạo ra các đường cầu theo yêu cầu của bài tập, giúp các học viên có thể tập luyện một cách chính xác và bài bản. Máy được điều khiển bằng một ứng dụng được cài đặt trên điện thoại thông minh (smartphone) và kết nối thông qua Bluetooth. iv
7. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông ABSTRACT DESIGN AND MANUFACTURE BADMINTON TRAINING MACHINE Nowadays, with scientific and technological development in all aspects, especially in sport field, people have been inventing products to support physical training and help man improve their health. Each kind of sports needs special exercise tools to help people practise effectively. However, in some competitive sports as in ping pong, tennis, badminton, there haven’t been any specialized facilities for people to practise either on their own or with others. Meanwhile, for basic practice, two or more players are required and a coach needs to be there all the time. Nevertheless, as the professional player in badminton, I learnt that many players and instructors are not always available at the same time. Therefore, we have designed and manufactured a badminton training machine to meet the needs of participants for training as well as reduce the trainers’ workload and help them evaluate the technique of all players more precisely and quickly. This machine enables players to change to height, adjust the shot angle and speed to meet the training demand. Hence, it can help players improve their techniques, tactics and footwork. The machine is controlled by an application which can be installed on a smart phone and connected via Bluetooth. Thus, it is very convenient for even a new player to use and control. It is hoped that the machine will be manufactured in mass production so that children, teenagers, the middle-aged and even the elderly can also play badminton without any difficulties. v
8. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu 2 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu 2 1.5. Phương pháp nghiên cứu 2 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận 2 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 3 1.6. Kết cấu của ĐATN 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5 2.1. Giới thiệu chung về môn cầu lông[1] 5 2.2. Hình dạng sân cầu và đường cầu tiêu chuẩn 6 2.2.1. Hình dạng sân cầu[1] 6 2.2.2. Các đường cầu tiêu chuẩn 6 2.3. Tầm quan trọng của máy tập cầu lông trong việc huấn luyện 7 2.4. Một số máy tập được nghiên cứu và chế tạo trên thế giới 8 2.4.1. Máy tập cầu lông của hãng Apollo (Apollo Badminton machine) 8 2.4.2. Máy tập cầu lông của hãng The Knight Trainer (Canada) 9 2.5. Mục đích nghiên cứu của đề tài 10 2.6. Điểm hạn chế của đề tài 11 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 3.1. Bộ truyền đai răng 12 3.1.1. Giới thiệu 12 3.1.2. Cơ sở lý thuyết 12 3.2. Bộ truyền vít me bi – đai ốc 15 3.2.1. Giới thiệu[4] 15 vi
9. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông 3.2.2. Cơ sở lý thuyết 16 3.3. Bộ truyền bánh răng 17 3.3.1. Giới thiệu[5] 17 3.3.2. Cơ sở lý thuyết[5] 17 3.3.3. Thông số hình học và đặc điểm ăn khớp[5] 18 3.3.4. Lực tác dụng lên bộ bánh răng thẳng khi truyền động 20 3.4. Cơ cấu Capstan 21 3.4.1. Giới thiệu[6] 21 3.4.2. Cơ sở lý thuyết[6] 23 3.5. Chuyển động ném xiên[7] 23 3.5.1. Quỹ đạo của vật bị ném 23 3.5.2. Tầm xa 25 3.5.3. Tầm cao 25 3.5.4. Mối liên hệ giữa tầm cao và tầm xa 26 3.6. Mã hoá các góc trên sân cầu bằng mã lệnh 27 3.7. Mạch HC06 Bluetooth to UART[8] 28 3.8. App Inventor 2 và cách lập trình tạo app trên Android 29 3.9. Lý thuyết tuning PI vận tốc và chi tiết sơ đồ khối hàm truyền bộ PI[9] 33 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 37 4.1. Sơ đồ nguyên lý máy 37 4.2. Lựa chọn cơ cấu máy và tính toán cơ cấu 38 4.2.1. Chọn cơ cấu cấp phôi 38 4.2.2. Chọn cơ cấu lấy cầu ra khỏi cơ cấu cấp phôi 38 4.2.3. Chọn cơ cấu bắn cầu 39 4.2.4. Chọn cơ cấu đưa cầu vào cơ cấu bắn 39 4.2.5. Chọn cơ cấu điều khiển góc bắn lên xuống 40 4.2.6. Tính toán công suất động cơ cho cơ cấu capstan 40 4.2.7. Thiết kế bộ truyền Capstan 41 4.2.8. Chọn cơ cấu điều khiển lấy cầu và cơ cấu cấp cầu cho bánh bắn 42 4.2.9. Tính toán công suất cho bộ truyền bánh răng 43 4.2.10. Chọn cơ cấu điều khiển máy xoay qua, lại 45 4.2.11. Tính toán chọn công suất động cơ cho bộ truyền đai răng[10] 46 4.2.12. Tính toán thiết kế và kiểm định bộ truyền đai răng 46 4.2.13. Chọn cơ cấu di chuyển cho máy 48 4.2.14. Chọn cơ cấu nâng, hạ máy 48 4.2.15. Tính toán thiết kế, chọn vít me bi và công suất của bộ truyền 49 4.2.16. Chọn động cơ cho từng cơ cấu 51 4.3. Các chi tiết trong máy 52 4.3.16. Phần đế và thân máy 52 vii
10. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông 4.3.17. Phần cấp cầu và bắn cầu 57 4.3.18. Mô hình hoàn chỉnh của máy 66 CHƯƠNG 5: MẠCH ĐIỆN 67 5.1. Mạch bluetooth HC06 67 5.2. Mạch PID dò tay 68 5.3. Mạch PID dò tự động[12] 71 5.4. Mạch cầu H công suất cao 74 5.5. Mạch driver động cơ bước TP6560 75 5.6. Mạch điều khiển PI vận tốc dùng pic18f4431 76 5.8. Mạch cảm biến hồng ngoại và mạch trễ cho tín hiệu cảm biến 78 5.8.1. Mạch cảm biến hồng ngoại 78 5.8.2. Mạch trễ cho tín hiệu cảm biến 79 5.9. Tủ điện và nguyên tắc bấm CODE 80 CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH CHO MÁY 81 6.1. Tuning PI điều khiển vận tốc DC 81 6.1.1. Lập trình cho pic 18f4431 trên MPLAP IDE 81 6.1.2. Test độ đáp ứng động cơ bằng chương trình Zedgraph trên C# 83 6.2. Cách tác động tính hiệu giữa các động cơ và mạch ARM 86 6.2.1. Lưu đồ tổng quan hoạt động máy 86 6.2.2. Lưu đồ chi tiết cách tác động tín hiệu giữa các động cơ 87 6.3. Điều khiển các bài tập qua- C form 88 6.3.1. Giao diện 88 6.3.2. Kết quả 88 6.4. App Badminton dùng để điều khiển máy tập cầu lông 88 6.4.1. Giao diện sử dụng 88 6.4.2. Ưu nhược điểm và hướng phát triển 93 CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC TẾ 94 7.1. Phần cơ khí 94 7.1.1. Mô hình máy tập cầu lông thực tế 94 7.1.2. Thông số kỹ thuật 94 7.2. Thực nghiệm các góc bắn trên sân cầu 95 7.3. Kết quả thực nghiệm 97 CHƯƠNG 8 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 100 8.1. Kết quả đạt được 100 8.2. Ưu nhược điểm và đề xuất cải thiện 100 8.2.1. Ưu điểm 100 8.2.2. Nhược điểm 101 8.2.3. Đề xuất cải thiện 101 8.3. Hướng phát triển của đề tài 101 viii
11. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC 1 I ix
12. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3. 1: Trị số tiêu chuẩn của module 18 Bảng 3. 2: Trị số tiêu chuẩn của module 20  Bảng 3. 3: Liệt kê giá trị của các nhân tố e dựa trên số vòng và hệ số ma sát μ 22 Bảng 3. 4: Tính góc alpha và V0 giữ nguyên ymax và tăng xmax 26 Bảng 3. 5: Tính góc alpha và V0 giữ nguyên xmax và tăng maxy 27 Bảng 4. 1: Bảng thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang 47 Bảng 5. 1: Kết nối chân HC06 và ARM 67 Bảng 5. 2: Tên 15 chân tín hiệu 69 Bảng 5. 3: Chế độ gạt và ý nghĩa 70 Bảng 5. 4: Đấu dây từ mạch pic tới các mạch khác 77 Bảng 5. 5: Sơ đồ kết nối chân của mạch ARM 77 Bảng 7. 1: Bảng số liệu thống kê từng góc 98 x
13. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Hình 2. 1: Các vận động viên đang thi đấu 5 Hình 2. 2: Thông số sân cầu lông chuẩn 6 Hình 2. 3: Các dạng đường cầu trong môn cầu lông 7 Hình 2. 4: The Apollo Trainer 8 Hình 2. 5: The Knight Trainer 10 Hình 3. 1: Góc ôm đai 12 Hình 3. 2: Lực căng đai ban đầu 13 Hình 3. 3: Lực căng đai khi làm việc 14 Hình 3. 4: Bộ truyền vít me bi 15 Hình 3. 5: Bộ truyền bánh răng trụ thẳng 17 Hình 3. 6: Thông số hình học của bánh răng trụ thẳng 18 Hình 3. 7: Tỉ số truyền cặp bánh răng 19 Hình 3. 8: Lực trên bánh răng 20 Hình 3. 9: Phân tích lực cơ cấu dây 21 Hình 3. 10: Ứng dụng cơ cấu Capstan để kéo màn 22 Hình 3. 11: Ứng dụng cơ cấu Cpstan để kéo buồm 22 Hình 3. 12: Đồ thị ném xiên 24 Hình 3. 13: Sơ đồ vị trí của các góc trên sân cầu 27 Hình 3. 14: Mạch HC06 Bluetooth to UART 28 Hình 3. 15: Giao diện lập trình App Inventor 2 30 Hình 3. 16: Giao diện lập trình khối trong App Inventor 2 30 Hình 3. 17: Kết nối và build app thông qua dây cáp USB 31 Hình 3. 18: Kết nối và build app bằng wifi 31 Hình 3. 19: Quét QR code bằng phần mềm App Inventor 2 32 Hình 3. 20: Giả lập Android trong App Inventor 2 32 Hình 3. 21: Sơ đồ khối hàm truyền PI 33 Hình 3. 22: Đồ thị đáp ứng 33 Hình 3. 23: Sơ đồ khối hàm truyền PI có hồi tiếp 34 Hình 3. 24: Sơ đồ khối hàm truyền PID 35 Hình 3. 25: Sơ đồ khối hàm truyền PI có hồi tiếp lọc nhiễu 35 Hình 4. 1: Sơ đồ nguyên lý máy 37 Hình 4. 2: Cơ cấu cấp phôi 38 Hình 4. 3: Cơ cấu lấy cầu ra khỏi cơ cấu cấp phôi 39 Hình 4. 4: Cơ cấu điều khiển góc bắn lên xuống 40 Hình 4. 5: Cơ cấu capstan chỉnh góc nâng 40 Hình 4. 6: Cơ cấu điều khiển cơ cấu lấy cầu và cơ cấu cấp cầu cho bánh bắn 43 Hình 4. 7: Lực tác dụng trên 9 bánh răng ăn khớp 43 Hình 4. 8: Cơ cấu xoay 45 Hình 4. 9: Cơ cấu nâng hạ 49 Hình 4. 10: Động cơ bước 51 Hình 4. 11: Động cơ DC servo 52 Hình 4. 12: Vòng tròn đỡ 52 Hình 4. 13: Ống sắt 52 Hình 4. 14: Liên kết phần trên và cơ cấu xoay 53 xi
14. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông Hình 4. 15: Trục bậc 53 Hình 4. 16: Trục được gắn 2 gối đỡ 53 Hình 4. 17: Chi tiết nằm trong cơ cấu 53 Hình 4. 18: Tấm mica cơ cấu xoay 54 Hình 4. 19: Chi tiết cơ cấu xoay 54 Hình 4. 20: Liên kết cơ cấu xoay và đế 55 Hình 4. 21: Chân đế 55 Hình 4. 22: Phần thân đỡ để gắn trục vít me 56 Hình 4. 23: Tấm nhôm phía dưới 56 Hình 4. 24: Vít me và khối nhôm đỡ ống sắt 56 Hình 4. 25: Chi tiết cơ cấu nâng hạ 56 Hình 4. 26: Ống chứa cầu 57 Hình 4. 27: Ống chứa cầu gắn với miếng mica 57 Hình 4. 28: Trục dẫn động trong cơ cấu 57 Hình 4. 29: Trục được gắn vào động cơ 57 Hình 4. 30: Bánh kinh chiếc lắc léo 58 Hình 4. 31: Các bánh xe và động cơ gắn vào tấm óp trên 58 Hình 4. 32: Phần thùng máy 58 Hình 4. 33: Tấm óp phía sau 59 Hình 4. 34: Tấm óp bên phải 59 Hình 4. 35: Tấm óp bên trái 59 Hình 4. 36: Tấm ở giữa phía dưới 60 Hình 4. 37: Tấm óp ở đáy 60 Hình 4. 38: Khung máy phía trên 60 Hình 4. 39: Cơ cấu lấy cầu 61 Hình 4. 40: Tấm đỡ cầu trước khi tay móc móc vào bánh bắn 61 Hình 4. 41: Tay móc 61 Hình 4. 42: Cơ cấu bánh răng truyền động 62 Hình 4. 43: Vòng chặn bánh bắn 62 Hình 4. 44: Bánh bắn 62 Hình 4. 45: Trục bánh bắn 62 Hình 4. 46: Lắp động cơ vào bánh bắn 62 Hình 4. 47: Tấm nhôm đỡ động cơ 63 Hình 4. 48: Tấm nhôm tăng cứng 63 Hình 4. 49: Động cơ phải gắn vào cơ cấu 63 Hình 4. 50: Động cơ trái gắn vào cơ cấu 63 Hình 4. 51: Thanh nối giữa hai thanh nhôm gắn động cơ 64 Hình 4. 52: Tấm mica đỡ 64 Hình 4. 53: Thanh nhôm bên phải gắn vào chi tiết hình cung 65 Hình 4. 54: Chi tiết hình cung trong cơ cấu dây 65 Hình 4. 55: Cơ cấu dây 65 Hình 4. 56: Tổng thể phần trên của máy 65 Hình 4. 57: Mô hình máy hoàn chỉnh 66 Hình 5. 1: Mạch HC06-bluetooth to UART 67 Hình 5. 2: Mạch PID dò tay 68 Hình 5. 3: Vị trí các khối trên mạch PID 68 Hình 5. 4: Sơ đồ đấu dây encoder 69 xii
15. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông Hình 5. 5: Sơ đồ đấu dây động cơ và dây nguồn 70 Hình 5. 6: Mạch PID dò tự động 71 Hình 5. 7: Sơ đồ đấu dây cho mạch driver 72 Hình 5. 8: Giao diện sử dụng chức năng tuning 72 Hình 5. 9: Công thức tính tần số cắt của bộ lọc thông thấp 73 Hình 5. 10: Giá trị các thông số đặt và ý nghĩa của bộ PID vị trí 74 Hình 5. 11: Kết quả sau khi tuning thành công 74 Hình 5. 12: Mạch cầu H 74 Hình 5. 13: Mạch driver động cơ bước TP6560 75 Hình 5. 14: Sơ đồ đấu dây cho driver động cơ bước 76 Hình 5. 15: Mạch điều khiển PI vận tốc 76 Hình 5. 16: Sơ đồ thiết kế mạch pic18f4431 76 Hình 5. 17: Mạch ARM STM32F407VGT 77 Hình 5. 18: Mạch cảm biến hồng ngoại 78 Hình 5. 19: Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại 78 Hình 5. 20: Mạch trễ tín hiệu cảm biến 79 Hình 5. 21: Công thức thiết kế mạch trễ 79 Hình 5. 22: Sơ đồ thiết kế mạch trễ cho tín hiệu cảm biến 80 Hình 5. 23: Các mạch điện trong tủ điện đã được bấm CODE 80 Hình 6. 1: Lưu đồ dò thông số hàm truyền của động cơ 81 Hình 6. 2: Lưu đồ khối điều khiển PI vận tốc 82 Hình 6. 3: Giao diện điều khiển PI vận tốc 1 83 Hình 6. 4: Giao diện điều khiển PI vận tốc 2 84 Hình 6. 5: Giao diện điều khiển PI vận tốc 3 84 Hình 6. 6: Đồ thị đáp ứng của động cơ thông qua giá trị đặt 85 Hình 6. 7: Lưu đồ tổng quan hoạt động máy 86 Hình 6. 8: Lưu đồ cách tác động tín hiệu của 7 động cơ 87 Hình 6. 9: Giao diện điều khiển máy bằng C-form 88 Hình 6. 10: Giao diện sử dụng của App Badminton 89 Hình 6. 11: Thông báo nhắc người dùng mở Bluetooth 90 Hình 6. 12: Danh sách các thiết bị được ghép nối 90 Hình 6. 13: Các góc sau khi được chọn 91 Hình 6. 14: Chọn số cầu bắn vào góc 91 Hình 6. 15: Các bài tập trên App Badminton 92 Hình 7. 1: Mô hình máy thực tế 94 Hình 7. 2: Các vị trí bắn trên sân cầu 95 Hình 7. 3: Tính toán các góc xoay 97 Hình 7. 4:Vùng bắn cho 15 góc 97 Hình 7. 5:Điểm cầu rơi trong 15 góc bắn 98 Hình 7. 6:Sơ đồ cột thể hiện tỉ lệ thành công của 15 góc 99 xiii
16. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DC Động Cơ DCB Động Cơ Bước CNC Computerized Numerical Control CTHT Công Tắc Hành Trình UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter PID Proportional-Integral-Derivative Controller PI Proportional-Integral Controller MPH Miles Per Hour USB Universal Serial Bus PC Personal Computer CT Công Tắc xiv
17. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo các sản phẩm nâng cao sức khỏe cho con người nói chung và thiết bị hỗ trợ tập luyện thể dục thể thao nói riêng. Mỗi một môn thể thao đều có các máy tập hoặc các dụng cụ hỗ trợ giúp cho người chơi tập luyện một cách hiệu quả. Và với các môn thể thao như bóng bàn, tennis, cầu lông.v v, đây đều là những môn thể thao đối kháng. Để có thể tập luyện tốt những môn thể thao này đòi hỏi người chơi phải có một đối thủ vừa sức hoặc mạnh hơn mới có thể tiến bộ. Trong đó, môn cầu lông là môn thể thao được rất nhiều người quan tâm tập luyện, từ những em thiếu nhi, các bạn thanh thiếu niên, các bậc trung niên đến những người cao tuổi cũng có thể chơi môn thể thao này để rèn luyện sức khỏe. Hiện nay ở Việt Nam, với những người mới tập cầu lông hoặc đam mê muốn chơi môn thể thao này đều khó khăn trong việc tìm người tập cùng hoặc muốn nâng cao trình độ. Thường họ sẽ lựa chọn đăng ký các khóa huấn luyện cầu lông. Nhưng nếu đăng ký học do huấn luyện viên giảng dạy thì một thầy chỉ có thể quản lý khoảng 10-12 học viên, cho nên việc bao quát toàn bộ học viên và chỉnh sửa kỹ thuật liên tục cho học viên là vấn đề khó khăn cho người huấn luyện cũng như là điều thiệt thòi của người tập. Vì thế, có rất nhiều người tuy bỏ tiền ra để học nhưng kỹ thuật cũng chẳng cải thiện được bao nhiêu vì huấn luyện viên không kịp thời sửa đi những thói quen xấu. Vậy yêu cầu đặt ra là phải có một thiết bị giúp cho các người chơi và học viên có thể tự tập luyện theo các bài tập đã thiết lập sẵn hoặc do huấn luyện viên biên soạn các bài tập phù hợp với từng học viên. Nhờ đó, huấn luyện viên có thể bao quát kỹ thuật toàn bộ học viên một cách dễ dàng nhằm kịp thời chỉnh sửa. 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài − Vận dụng được những kiến thức khoa học của bản thân để đạt được mục tiêu và ứng dụng thành quả nghiên cứu giúp đỡ cho cộng đồng và xã hội. − Giúp đỡ cho những người đam mê cầu lông có cơ hội được tập luyện và nâng cao khả năng, kỹ thuật cũng như thể lực của mình. − Đóng góp công trình nghiên cứu cho việc tập luyện và phát triển môn cầu lông ở Việt Nam. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài − Sử dụng chương trình MPLAP IDE để lập trình cho vi điều khiển 8-bit pic 18f4431, viết chương trình tuning PI và bộ điều khiển PI vận tốc cho động cơ bánh bắn. 1
18. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông − Sử dụng chương trình KeilC để lập trình cho vi điều khiển dòng ARM 32-bit STM32F407VG, giải mã nhận từ máy tính hoặc điện thoại để tác động các tín hiệu cho động cơ bước, DC servo, công tác hành trình, cảm biến. − Sử dụng chương trình C# để tạo giao diện và Zgraph để vẽ đồ thị cho khối điều khiển PI vận tốc, giao diện sân cầu nhằm điều khiển các đối tượng một cách dễ dàng. − Làm quen với cách viết code bằng khối trên chương trình App Inventor 2 để viết ứng dụng trên nền điện thoại có hệ điều hành Android. − Lập trình, cấu hình và sử dụng các mạch điều khiển PID vị trí, mạch truyền nhận bluetooth HC06, mạch cảm biến, mạch driver bước dùng TP6560. − Đọc và vận dụng được các tài liệu như nghiên cứu PI vận tốc thông qua thực nghiệm. − Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm thiết kế kỹ thuật SolidWorks 2014 để thiết kế cơ khí, xuất bản vẽ kỹ thuật cũng như tính toán, lắp ghép, mô phỏng cho máy. 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu − Các vi điều khiển Pic18f4431, Arm STM32F4VGT. − Giải thuật tìm thông số hàm truyền động cơ, khối PI điều khiển vận tốc của động cơ DC servo. − Chương trình viết ứng dụng App Inventor 2, chương trình tạo C-form bằng C#, chương trình vẽ đồ thị Zgraph. − Động cơ DC servo, động cơ bước, các cơ cấu truyền động. − Mạch PID vị trí dò tay và tự động, mạch cảm biến, mạch driver động cơ bước TP6560, mạch bluetooth HC06.v v. − Phần mềm thiết kế kỹ thuật SolidWork 2014. − Phần mềm thiết mạch điện Proteus. 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu − Nghiên cứu và thiết kế máy tập bắn cầu theo các góc định trước, điều khiển từ xa qua điện thoại. − Thiết kế các bài tập mẫu và bài tập có thể được thiết kế nhanh và đơngiản. − Máy tập được thực hiện trong môi trường sân tập trong nhà, không có gió. − Thời gian hoàn thành máy tập là 4 tháng 1.5. Phương pháp nghiên cứu 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận Nhóm chọn đề tài thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông thì các vấn đề đặt ra lànên tiếp cận với yêu cầu từ lý thuyết tới thực tế hay dùng thực tế để điều chỉnh lý thuyết. 2
19. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông Sau khi phân tích nhóm đã thống nhất như sau: − Xét mối quan hệ giữa độ xa độ cao với góc bắn và tốc độ bắn sử dụng phương pháp thực nghiệm vì mục tiêu đề ra là sự ảnh hưởng của đại lượng này lên đại lượng kia. − Để tìm được góc bắn chính xác đối với trái cầu lông, không phải là chất điểm thì không thể tính toán lý thuyết được vì sự tác động của nhiều yếu tố về hình dạng, lực cản.v v. Vì vậy phương pháp lựa chọn là sử dụng kết quả thực tế để điều chỉnh theo đúng yêu cầu 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Để hoàn thành mục tiêu đề ra của đề tài, nhóm đã thống nhất các phương pháp nghiên cứu sau: − Tìm hiểu tài liệu: tìm hiểu các tài liệu liên quan động cơ DC, xây dựng hàm truyền cho động cơ DC, thuật toán PI vận tốc, các tài liệu liên quan đến lập trình giao diện trong C#, AppInventor2 ,datasheet các IC hoặc mạch đã được sử dụng. − Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm: các đồ án các khóa trước, tài liệu viết tay của sinh viên nước ngoài, tài liệu trên Internet, và sự tham vấn trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử. − Phương pháp quan sát: dựa vào các hiện tượng và biên dạng đồ thị từ động cơ, biên dạng xung từ oscillocope, các hiện tượng chạy khởi động và bài tập của máy để rút ra kết luận cải tiến hoặc tìm lỗi sai. − Phương pháp thực nghiệm, thử và sai: qua những lần thử nghiệm trên test board, debug qua cổng UART nhằm rút ra được sơ đồ mạch điện tối ưu nhằm giải quyết các vấn đề truyền nhận, chạy thử nghiệm, xác định góc bắn và vận tốc bắn đến các điểm trên sân theo yêu cầu. − Phương pháp phân tích: dựa trên các kết quả thực nghiệm so sánh lại với yêu cầu đề ra và kết luận giải quyết được các vấn đề gì, chưa giải quyết được gì và cách khắc phục. − Phương pháp thiết kế và tính toán trên lý thuyết, áp dụng kiểm tra bằng thực nghiệm: Tính toán lựa chọn cơ cấu dựa trên yêu cầu đặt ra, đưa ra các thông số thiết kế và sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế, xuất bản vẽ gia công. − Phương pháp lập kế hoạch: lập kế hoạch cụ thế cho từng công việc, đề ra các mục tiêu nhỏ cần hoàn thành và hoàn thành trong thời gian bao lâu, dự trù các phương án dự phòng, chi phí thời gian cho từng phương án, báo cáo tiến độ, những khó khăn và cách giải quyết liên tục. 3
20. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông 1.6. Kết cấu của ĐATN Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Thiết kế cơ khí Chương 5: Mạch điện Chương 6: Giải thuật điều khiển và lập trình cho máy Chương 7: Thực nghiệm và kết quả thực tế Chương 8: Kết luận và hướng phát triển 4
21. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo máy tập cầu lông CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1. Giới thiệu chung về môn cầu lông[1] Khởi nguồn của cầu lông có vết tích từ giữa thế kỷ 18 tại British India (vùng thuộc địa cũ của Anh bao gồm Ấn Độ và Myanma) do một sĩ quan quân đội Anh đóng ở Ấn Độ sáng tạo. Đến đầu năm 1875, những cựu binh trở về từ Ấn Độ lập ra một câu lạc bộ câu lông ở Folkestone. Đến năm 1887, môn thể thao này được chơi ở Anh theo các luật thi đấu phổ biến ở British India. Năm 1893, Hiệp hội cầu lông Anh xuất bản bộ luật đầu tiên dựa những chỉnh sửa của câu lạc bộ câu lông sứ Bath, tương tự với bộ luật hiện đại và chính thức tổ chức một giải đấu trong nhà ở “Dunbar” số 6 Waverley, Grove, Portsmouth vào ngày 13 tháng 09 năm đó. Tại các thế vận hội năm 1972 và năm 1988, cầu lông chỉ mới được đưa vào như môn thể thao trình diễn. Nhưng bắt đầu từ năm 1992, môn cầu lông trở thành môn thi đấu chính thức tại Olympic với 5 hạng mục thi đấu: đơn nam và đơn nữ, đôi nam và đôi nữ, đôi nam nữ (một nam đánh cặp với một nữ). Ở cấp độ chuyên nghiệp, đặc biệt là đánh đơn, cầu lông đòi hỏi một thể lực cực tốt: vận động viên cần cósự dẻo dai, nhanh nhẹn, sức khỏe tốt, tốc độ và sự chuẩn xác. Đây còn là môn thể thao có liên quan nhiều đến kỹ thuật, yêu cầu sự kết hợp tốt và sự phát triển các di chuyển phức tạp của cây vợt. Hình 2. 1: Các vận động viên đang thi đấu Nguồn deportesar.terra.com Cầu lông hay Vũ cầu là môn thể thao dùng vợt thi đấu với 2 vận động viên (đấu đơn) hoặc 2 cặp vận động viên (đấu đôi) trên hai nửa của sân cầu hình chữ nhật được chia ra bằng tấm lưới ở giữa. Người chơi ghi điểm bằng cách đưa quả cầu qua lưới bằng vợt và chạm đất trong phần sân bên kia của đối thủ. Mỗi bên chỉ có một lần chạm cầu duy nhất để đưa cầu sang sân bên kia. Lượt cầu kết thúc khi quả cầu chạm đất, hoặc có lỗi do trọng tài chính hoặc trọng tài biên bắt, trường hợp không có trọng tài thì do người chơi bắt, vào bất cứ thời điểm nào trong lượt cầu đang đánh. 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4