/

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
--------------o0o--------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY BẮN BANH TENNIS

GVHD
SVTH
MSSV
SVTH
MSSV

:
:
:
:
:

TS. Từ Diệp Công Thành
Nguyễn Tấn Lộc
20301558
Tôn Gia Phú
20302073


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài này tập trung nghiên cứu vấn đề thiết kế, chế tạo máy tập đánh banh tennis đa năng,
đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người mới tập chơi lẫn các vận động viên chuyên nghiệp
trình độ cao mang thương hiệu Việt. Với yêu cầu đó các vấn đề sau đây được triển khai
nghiên cứu, khảo sát thực tế: các phương pháp bắn banh tennis, cơ cấu thay đổi hướng bắn
(thay đổi điểm rơi của banh), cơ cấu cấp banh cho cơ cấu bắn, các loại cảm biến và hệ thống
điều khiển cho máy.
Những vấn đề nghiên cứu trên được hiện thực hóa bằng mô hình máy bắn banh tennis
Favi sử dụng hai bánh đai bắn banh có khả năng tạo được các cú giao bóng với độ xoáy khác
nhau, nòng bắn có 3 bậc tự do có thể chuyển động linh hoạt trong không gian có khả năng tạo
được các cú giao bóng đa dạng có trong thực tế, bảng điều khiển với màn hình LCD cung cấp
một giao diện thân thiện dễ sử dụng đảm bảo các yêu cầu thẩm mỹ. Mạch điều khiển từ xa
bằng sóng vô tuyến cũng được cung cấp để tạo thêm sự tiện lợi cho người sử dụng. Ngoài ra,
Favi còn có khả năng giao tiếp với máy tính thông qua chương trình Favi Main, cung cấp các
khả năng cân chỉnh, cấu hình lại chế độ hoạt động, giúp cho việc bảo trì, sửa chữa khi có sự
cố cũng như tinh chỉnh trước khi đến với người sử dụng được dễ dàng và nhanh chóng.
Sau khi chế tạo xong mô hình, máy bắn banh tennis có thể bắn banh qua sân đối phương
theo những điểm rơi xác định trong giới hạn chính xác cho phép với những đường banh thấp,
bổng, xoáy tạo tính ngẫu nhiên cho người chơi.

iii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ..................................................................................................... iii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ.................................................................................................... vi

4.3 Module Master ........................................................................................................... 35
4.4 Module Slave ............................................................................................................. 37
4.5 Module điều khiển từ xa............................................................................................. 40
4.6 Module hiển thị LCD và giao tiếp với người sử dụng ................................................. 40
4.7 Khối nguồn ................................................................................................................ 42
4.8 Khối giao tiếp với máy tính ........................................................................................ 42
4.9 Cảm biến ví trí ........................................................................................................... 43
4.10 Một số vi mạch được sử dụng trong luận văn............................................................ 43
4.10.1 Vi điều khiển PIC 18F4550 và 18F4431 ............................................................ 43
4.10.2 IC cầu H LMD18200 ......................................................................................... 44
4.10.3 EEPROM AT24C64 .......................................................................................... 44
iv


Chương 5. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ........................................................................... 46
5.1 Giải thuật điều khiển chung cho module Master ......................................................... 46
5.2 Giải thuật điều khiển PID cho các module Slave......................................................... 48
5.2.1 Sơ lược về lý thuyết PID cho hệ thống rời rạc...................................................... 48
5.2.2 Rời rạc hóa PID................................................................................................... 49
5.2.3 Áp dụng giải thuật PID vào điều khiển vận tốc và vị trí động cơ .......................... 50
5.2.3.1 Lưu đồ giải thuật PID trong các module Slave .............................................. 50
5.2.3.2 Tìm các giá trị PID thích hợp điều khiển vận tốc........................................... 53
5.3 Cấu trúc dữ liệu lưu trữ trên EEPROM....................................................................... 53
5.4 Giải thuật đọc keypad................................................................................................. 55
5.5 Giải thuật hiển thị Menu trên LCD ............................................................................. 56
Chương 6. CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ FAVI MAIN TRÊN MÁY TÍNH ................... 59
6.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 59
6.2 Các chức năng chính hỗ trợ máy tập FAVI ................................................................. 60
6.2.1 Công cụ tìm bộ số PID......................................................................................... 60
6.2.2 Các chức năng khác............................................................................................. 60

Hình 3.3: Máy bắn banh sử dụng ống lồng
Hình 3.4: Máy bắn banh sử dụng ống lệch
Hình 3.5: Mô hình máy bắn banh Tennis
Hình 3.6: Phân tích lực tác dụng lên banh
Hình 3.7: Kích thước bánh đai
Hình 3.8: Bánh đai
Hình 3.9: Góc ăn banh
Hình 3.10: Khoảng ép banh
Hình 3.11: Hộp bắn banh

vi


Hình 3.12: Ống quay trục x
Hình 3.13: Cơ cấu quay quanh trục x
Hình 3.14: Cơ cấu quay quanh trục z
Hình 3.15: Cơ cấu nâng hạ theo phương z
Hình 3.16: Cơ cấu cấp banh
Hình 3.17: Thân máy
Hình 3.18: Động cơ DC Servo 110W
Hình 3.19:Động cơ DC
Hình 3.20: Động cơ DC Servo 60W
Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện MASTER
Hình 4.3 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện MASTER
Hình 4.4 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện MASTER
Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất động cơ cấp banh
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện SLAVE
Hình 4.7 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện SLAVE
Hình 4.8 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện SLAVE

Hình 7.1 Hình nhìn tổng thể từ phía trước
Hình 7.2 Hình nhìn tổng thể từ một bên
Hình 7.3 Hình nhìn tổng thể từ phía sau
Hình 7.4 Hình nhìn tổng thể từ một phía
Hình 7.5 Bộ phận bắn banh nhìn một bên
Hình 7.6 Hộp điện điều khiển
Hình 7.7 Mạch điện Slave
Hình 7.8 Mạch điện Master
viii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Hệ số ma sát giữa hai mặt tiếp xúc
Bảng 5.1: Tổng hợp ảnh hưởng 3 hệ số lên đáp ứng hệ thống sử dụng giải thuật PID

ix


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay, với sự phát triển cao của xã hội theo xu thế toàn cầu hoá, các sản phẩm làm ra
phải thể hiện tính cạnh tranh về độ an toàn, sự tiện dụng, độ tin cậy cao và quan trọng là giá
thành hạ … Cơ điện tử chính là hướng giải quyết tối ưu để tạo ra các sản phẩm đáp ứng được
các yêu cầu trên.
Nghiên cứu, chế tạo máy phục vụ nhu cầu con người luôn là hướng đi đầu trong Cơ điện
tử. Ở hướng đi này, hiện tại trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc và có tiềm năng phát


Trang 2


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis

Hình 1.3 Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 1

Hình 1.4 Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 2

Trang 3


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis

Hình 1.5 Một máy bắn banh Tennis đơn giản sự dụng quyên lý giống như ná thun

Hình 1.6 Dụng cụ để chứa banh và nhặt banh
Trang 4


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis

Hình1.7 Máy nhặt banh tennis

Hình 1.8

Máy tập đánh banh tennis dạng dùng bánh đai bắn, có thể xoay nòng.

Trang 5

chơi môn này( vận động viên chuyên nghiệp, giới công chức, người có điều kiện vật chất…).
Để phổ biến, phát triển môn thể thao này, yêu cầu phải hạ mức giá xuống phù hợp với thu
nhập của người dân. Việc nghiên cứu - chế tạo máy tập - đánh banh tennis là một trong những
hướng đi đưa môn thể thao quí tộc này đến với đông đảo quần chúng bởi những ưu điểm sau:
không cần đội ngũ trọng tài - phục vụ đông đảo, nhiều người có thể tập - chơi mọi lúc mọi
nơi, chơi theo trình độ của người chơi… Vì thế nó có thể được sử dụng trong gia đình, trường
học, câu lạc bộ thể thao, công ty… Đây cũng là những yêu cầu cần phải được đáp ứng trong
chế tạo.
1.3 Nhiệm vụ của máy bắn banh Tennis
Máy bắn banh tennis là một dụng cụ trợ giúp cho các vận động viên trong những buổi tập
đơn. Nhiệm vụ chính của máy là phát bóng ra cho vận động viên tập. Hoạt động của nó dựa
Trang 8


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis
trên nguyên tắc động lực, thuỷ lực hoặc khí nén kết hợp với điều khiển.
Loại máy này rất tiện ích cho bạn khi bạn tập một mình. Máy có thể giúp bạn tập với tốc
độ nhanh hoặc không thích thì bạn tập chậm lại theo chế độ bạn cài đặt cho máy, với loại máy
hiện đại, bạn chỉ cần nhấn vài nút trên dụng cụ điều khiển từ xa là nó làm theo ý bạn.
Thực ra loại máy này đã được các nước Âu, Mỹ phát minh ra từ những năm 40. Ban đầu
họ cũng chế tạo nó với nhiệm vụ chính là phát banh, nó được đặt cố định trong suốt thời gian
hoạt động. Nhưng do nhu cầu ngày càng cao, sau này người ta chế tạo nó giống như một anh
chàng robot thực thụ, nó có thể đi quanh sân để giúp bạn thu hồi bóng và dĩ nhiên khi đó nó
không đồng thời phát bóng ra cho bạn được nhưng nó được coi là một phát minh mới.
Khi môn tennis trở nên phổ biến hơn thì không chỉ những người thích thể thao mà cả
những người đã gia nhập thể thao đang cố gắng cải tiến chất lượng trò chơi của họ. Với loại
máy như thế, vận động viên có thể thực hành những cú đánh riêng biệt đến khi anh ta có thể
thực hiện chúng một cách thuần thục và sau đó tiến hành những cú đánh khác.
Tóm lại máy bắn banh Tennis là một dụng cụ giúp đỡ cho mọi người luyện tập. Nhiệm vụ
của máy là bắn ra các quả banh Tennis ở các góc độ và mạnh, nhẹ khác nhau. Với máy này,

•

Nòng bắn banh phải linh hoạt, có thể tạo được mọi cú giao bóng từ mọi vị trí với vận
tốc và độ xoáy cũng như góc xoáy khác nhau.

•

Cơ cấu cấp banh đơn giản, gọn nhẹ, tránh kẹt banh. Tốc độ cấp banh đa dạng tùy thuộc
vào trình độ người chơi.

•

Lựa chọn động cơ điện cho phù hợp, đảm bảo các tiêu chí kỹ thuật và an toàn

•

Bộ điều khiển linh hoạt, có khả năng mở rộng, đáp ứng nhanh.

•

Cách sử dụng đơn giản.

2.2 Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận đề tài
• Khảo sát thực tế, tìm hiểu các kỹ thuật khó trong luyện tập Tennis.
• Nghiên cứu lý thuyết, lựa chọn phương án bắn banh, tạo được độ khó cơ bản và nâng
cao.
Trang 10


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis

- Hiệu suất bắn thấp do phải tốn thời gian nén lò xo
- Banh bắn ra không có lực (giống như ném), việc tạo ra những đường banh xoáy
khó khăn (phải thông qua một cơ cấu khác)
- Khi hoạt động gây ra tiếng ồn của lò xo, độ ma sát cao, kết cấu nén – nhả lò xo
phức tạp.

Trang 12


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis
Dùng khí nén
* Ưu điểm:
- Lực bắn lớn tạo ra tầm bắn rộng, banh có lực.
- Tính chính xác cao do chống chế được lưu lượng, áp suất dòng khí
- Năng suất cao do sử dụng nguồn không khí xung quanh một cách liên tục
* Nhược điểm:
- Phải sử dụng máy nén – lọc không khí nên kết cấu kồng kềnh, phức tạp, giá đắt.
- Khi sử dụng gây tiếng ồn
- Việc sử dụng vận hành phải hiểu biết về khí nén , tính an toàn không cao
Dùng lực li tâm
* Ưu điểm:
- Năng suất cao, dễ chế tạo
* Nhược điểm
- Do đặc điểm của kết cấu quay li tâm nên máy to kồng kềnh.
- Tầm bắn hạn chế
- Có thể tạo ra lực bắn lớn cần phải có tốc độ quay lớn gây va đập mạnh.
Dùng phương pháp cán ép banh
* Ưu điểm:
-Năng suất cao có thể bắn banh liên tục với lực bắn mạnh theo nhiều tầm
-Dễ chế tạo, đơn giản

3.2.2 Dùng dạng ống lồng

Hình 3.3 Máy bắn banh sử dụng ống lồng.
* Ưu điểm:
- Thiết kế này tận dụng ống dẫn banh làm các khớp nối xoay cũng như làm giá đỡ nên
kết cấu gọn nhẹ .
- Có thể bố trí ba bậc tự do hoạt động độc lập mà vẫn đảm bảo độ cứng vững cần thiết.
* Nhược điểm:
- Việc gia công chế tạo ống (tạo co, tạo khớp nối) yêu cầu độ chính xác hình học cao
đồng thời đảm bảo được độ cứng vững của các khớp xoay.
- Việc thiết kệ- bố trí, tính toán hệ truyền động cho 3 bậc tự do gặp nhiều khó khăn để
đáp ứng các yêu cầu về tải , momen lực, không bị vướng, gọn nhẹ.

Trang 15


Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis
3.2.3 Dùng ống lệch

Hình 3.4 Máy bắn banh sử dụng ống lệch.
* Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản (chỉ cần 2 bậc tự do), dễ chế tạo.
- Gọn nhẹ nhưng vẫn đảm bảo chức năng thay đổi hướng banh trong môn tennis.
* Nhược điểm:
- Để xác định hướng bắn cần phối hợp cả hai bậc tự do nên có phần hạn chế, gây khó
khăn trong việc điều khiển.
- Cần lưu ý trong việc tính toán góc lệch, góc ngang ở hai bậc bởi nó quyết định đến tầm
bắn, kích thước máy, điều khiển.
Kết luận:
Từ sự phân tích ưu – nhược điểm của các kết cấu trên ta nhận thấy kết cấu dạng ống