Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu phat triển bộ điều khiển OMNI ROBOT chuyển động theo quỹ đạo định trước

1 Mục lục 2 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật robot là một lĩnh vực phát triển hết sức nhanh chóng, là một trong những công nghệ mũi nhọn của thế kỉ 21. Cùng với sự phát triển của xã hội, kỹ thuật robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống con người. Ngày nay, chúng ta có thể thấy robot đã làm thay con người rất nhiều công việc. Đó là những công việc mà con người cảm thấy nhàm chán hoặc có mức độ nguy hiểm cao. Ví dụ như robot lau nhà, robot lắp ráp trong công nghiệp, robot trong ngành năng lượng hạt nhân, robot để thám hiểm vũ trụ…. Robot bám theo quỹ đạo cho trước có cấu tạo tương đối đơn giản và có tính ứng dụng cao. Omni robot là một loại robot có kết cấu đơn giản, di chuyển linh hoạt hơn so với các loại mobile robot truyền thống. Vậy nên Omni robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đồ án tập trung vào nghiên cứu phát triển bộ điều khiển cho Omni robot track. Từ cơ cấu Omni robot đã được các sinh viên khóa trước thiết kế, đồ án nghiên cứu xây dựng quỹ đạo chuyển động cho robot theo đường thẳng, đường parabol, đường hình sine. Trong quá trình thực hiện đồ án, giúp cho học viên củng cố được những kiến thức đã học. Nội dung đồ án gồm 5 chương. Các chương có nội dung cơ bản như sau: Chương 1: Tổng quan về robot và Omni robot Chương 2: Phân tích xây dựng phương trình động học cho cơ cấu Omni- Direction Chương 3: Xây dựng các thuật toán điều khiển ứng với các quỹ đạo chuyển động đường thẳng, đường xiên, đường cong hình Parabol, đường hình sine. Chương 4: Tổ hợp bộ điều khiển và tích hợp hệ thống. Chương 5: Kết quả thực nghiệm và kết luận 3 Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo, thạc sĩ và thầy giáo kĩ sư, và các thầy trong bộ môn Cơ điện tử và chế tạo máy đặc biệt- Khoa hàng không vũ trụ đã giúp tôi hoàn thành đồ án này. Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều sai sót. Tôi xin nhận sự giúp đỡ và đóng góp của các thầy và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn. Người thực hiện đồ án 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ OMNI ROBOT 1.1Giới thiệu chung về robot Robot là một từ chỉ người lao động trong hệ ngôn ngữ Sla-vơ. Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về robot. Những định nghĩa đó có nội dung tương tự như nhau. Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử. Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó giác quan giống như con người. Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động. Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn đề: “Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot?” Một cách gần chính xác, robot phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây: Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra. Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh. Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường. Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước. Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng. Có thể quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều. 5 Có sự khéo léo trong vận động. 1.2 Giới thiệu chung về Omni Robot Robot Omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã được ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng. Đặc biệt là Omni có kết cấu lạ với 3 bánh xe, nhưng chính do sự phối hợp hoạt động của 3 bánh xe lại cho ta khả năng điều khiển tốt quỹ đạo của robot. Omni robot thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng và tự tránh được vật cản. Ứng dụng của nó là phục vụ trong công tác dịch vụ chăm sóc y tế, đặc biệt là trong điều kiện môi trường lây nhiễm cao hay môi trường có cường độ phóng xạ cao thay con người Robot Omni có đặc điểm là kết cấu đơn giản, có quỹ đạo di chuyển khá linh hoạt nên được phát triển để thay thế cho các loại mobile robot truyền thống. 1.3 Một số nghiên cứu về Omni Robot trên thế giới và Việt Nam Trên thế giới, Omni robot đã được phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng do được tích hợp các công nghệ mới nhất. Hình 1.1: WowWee Rovio Robot Đặc điểm: Cho phép điều khiển qua wi-fi Có thể điều khiển qua mạng internet Có thể tự di chuyển xung quanh nhà do có nguồn dự trữ 6 Hình 1.2: Robot SPARK IV Những nghiên cứu về Omni Robot ở Việt Nam đã được thực hiện trong thời gian gần đây bởi các sinh viên và giáo viên trong các trường đại học. Những nghiên cứu này đã đạt được những kết quả bước đầu, tạo ra được sản phẩm thực nghiệm. Robot Omni do khoa cơ khí đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh chế tạo. Hình 1.3: Robot Omni do đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh thiết kế Omni Robot tránh vật cản sử dụng 3 cảm biến hồng ngoại do nhóm sinh viên đại học bách khoa Hà Nội chế tạo. 7 Hình 1.4: Robot Omni tránh vật cản sử dụng hồng ngoại 1.4 Mục đích của đồ án Trên cơ sở đồ cơ cấu robot Omni của nhóm nghiên cứu trước đã thực hiện được bám đối tượng (quả bóng màu xanh) và tránh vật cản trong quá trình hoạt động, đồ án tính toán động học và quỹ đạo cho robot để xác định được thuật toán điều khiển cho từng quỹ đạo, và tiến hành mô phỏng trên Matlab. Đồ án chia làm 5 chương với những nội dung chính như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về robot và Omni robot, các nghiên cứu đã được tiến hành trong và ngoài nước về Omni robot, mục đích để thực hiện đồ án. Chương 2: Tính toán động học về động lực học cho Omni robot để từ đó có thể xây dựng các chuyển động cơ bản cho robot trong phần tiếp theo. Chương 3: Từ đặc điểm điều khiển và động học của robot, tiến hành xây dựng quỹ đạo cho robot ứng với các trường hợp quỹ đạo thẳng, hình Parabol và quỹ đạo sine. Từ đó đưa ra được thuật toán điều khiển cụ thể cho robot. Chương 4: Tổ hợp bộ điều khiển cho robot Chương 5: Trình bày các ứng dụng mô phỏng trên Matlab và một số kết quả thực nghiệm. 8 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CƠ CẤU CƠ KHÍ KIỂU OMNIDIRECTION VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ 2.1 Mô hình cơ khí thực tế của Omni Robot Hình 2.1: Mô hình cơ khí cho robot Trong đó : 1-Đế robot 5-Đế gá mạch 2-Bánh xe omni 6-Công tắc nguồn 3-Encoder 7-Lưới chắn 4-Đế gá máy tính 9-Động cơ 24V Theo mô hình cơ khí ở trên, nếu ta xét tới tất cả các thông số khi tính toán động học và động lực học cho robot, thì bài toán thu được sẽ rất phức tạp, và khối lượng tính toán sẽ quá lớn. Do vậy nhằm đáp ứng mục đích của đồ án là xây dựng thuật toán điều khiển ứng với các quỹ đạo cho robot, ta xét tới một mô hình đơn giản hơn để tính các chuyển động cho robot. 9 2.2 Mô hình robot Chuyển động của robot là do chuyển động của các bánh xe. Các bánh xe chuyển động do động cơ lắp ở mỗi trục bánh quay và sinh ra lực kéo. Vậy ta xét đến mô hình robot, trong đó các lực kéo đặt ở các bánh xe. Vận tốc của robot được tính dựa vào vận tốc của các bánh xe. Từ đó ta có mô hình robot như sau: Hình 2.2: Mô hình động học và động lực học cho Omni Robot Robot gồm 3 bánh đặt lệch nhau 120 0 , tiếp tuyến với một đường tròn đường kính 350mm. Gọi các bánh xe lần lượt là 1,2,3. Chọn 2 hệ trục tọa độ như sau: hệ trục tọa độ Oxy gắn cố định với mặt phẳng sàn, hệ trục tọa độ Ox 1 y 1 gắn với robot như trên hình vẽ. Tại thời điểm ban đầu giả thiết rằng hai trục tọa độ trùng với nhau. Tại thời điểm t, hai hệ trục tọa độ lệch nhau 1 góc θ chính là góc quay của robot so với vị trí ban đầu. Sau đây là các kí hiệu dùng trong hình vẽ. Vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Ox: x Vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Oy: y Khoảng cách giữa các bánh và tâm robot: d[m] (xem hình vẽ) Vận tốc dài của các bánh xe: v 1 ,v 2 ,v 3 [m/s] Vận tốc góc của các bánh: 1 2 3 , , ω ω ω [rad/s] 10 Lực do động cơ sinh ra trên các bánh: f 1 ,f 2 ,f 3 [N] Mô men kéo do động cơ sinh ra đặt lên các bánh : T 1 ,T 2 ,T 3 [Nm] Vận tốc theo 2 phương trên hệ trục Ox 1 y 1 của robot: v, vn [m/s] Vận tốc góc của robot: ω [rad/s] Lực tác dụng lên robot dọc theo phương 0x 1 và 0y 1 : F v ,F vn [N] Mô men robot (theo ω ): T [Nm] 2.3 Tính toán động học cho robot Gọi v x (t), v y (t), ( ) t ω là vận tốc tức thời của robot trên hệ trục tọa độ Oxy. Ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) x y dx t v t dt dy t v t dt d t t dt θ ω = = = Chiếu các vận tốc trên lên hệ trục tọa độ Ox 1 y 1 gắn với robot, ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) os sin x y v t v t c t v t t θ θ = + ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sin os x y vn t v t t v t c t θ θ = − + ( ) ( ) t t ω ω = Viết lại các công thức trên dưới dạng ma trận, ta được công thức liên hệ giữa vận tốc theo 2 hệ trục tọa độ khác nhau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) os sin 0 sin os 0 0 0 1 x y v t c t t v t vn t t c t v t t t θ θ θ θ ω ω             = −                     (2.3) (2.1) (2.2) [...]... điều khiển robot 3.5.1 Sơ đồ điều khiển chung Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển chung 3.5.2 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng Hình 3.15: Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng 35 3.5.3 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng lệch 1 góc 450 Hình 3.16: Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng lệch 1 góc 450 3.5.4 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo dạng Parabol Hình 3.17: Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo dạng... bộ điều khiển TLC Như đã đề cập ở trên, bộ điều khiển TLC gồm có 2 thành phần: bộ điều khiển vòng trong và bộ điều khiển vòng ngoài Bộ điều khiển vòng ngoài là một bộ điều khiển động học và gồm có bộ điều khiển PID để điều khiển vận tốc cho từng động cơ Bộ điều khiển vòng trong là bộ điều khiển động lực học và có bộ điều khiển PI II để điều khiển tốc độ cho động cơ Hệ thống Sensor Fussion gồm có tín... gần đúng chuyển động của robot Trong nhiều trường hợp người ta phân bài toán lập trình quỹ đạo thành: Xác định quỹ đạo hình học của robot Xác định quy luật chuyển động theo thời gian trên quỹ đạo Các dạng quy đạo trong bài toán đặt ra là quỹ đạo thẳng, quỹ đạo parabol, quỹ đạo hình sine 18 3.1.4 Các bước của bài toán lập trình quỹ đạo Việc giải quyết bài toán lập trình quỹ đạo chuyển động của robot có... chuyển động cơ bản trên của Robot, thì chuyển động của các bánh tương ứng là: Robot chuyển động thẳng về phía trước: động cơ 2 và động cơ 3 quay ngược chiều nhau, động cơ 1 không chuyển động Robot chuyển động lùi về phía sau: động cơ 2 và động cơ 3 quay ngược lại so với chuyển động thẳng về phía trước, động cơ 1 không chuyển động Robot chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ: 3 bánh đều quay theo chiều... hợp chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, người ta cần biết vị trí, vận tốc, gia tốc của robot đối với hệ quy chiếu 3.2 Các phương pháp lập trình quỹ đạo cho robot 3.2.1 Lập trình quỹ đạo sử dụng bộ điều khiển TLC a) Robot ứng dụng bộ điều khiển TLC Điều khiển chính xác quỹ đạo cho robot là một trong những nhiệm vụ chủ yếu của các ứng dụng cho bộ điều khiển Omni Direction Bộ điều khiển quỹ đạo. .. các bánh sẽ khác nhau Căn cứ vào vận tốc các bánh mà ta có thể điều khiển góc quay và vận tốc của robot Hình 2.5: Chuyển động quay CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỨNG VỚI CÁC QUỸ ĐẠO ĐIỂN HÌNH 3.1 Khái quát về lập trình quỹ đạo 3.1.1 Khái quát về lập trình quỹ đạo Nhiệm vụ của bài toán lập trình quỹ đạo là xác định quỹ đạo chuyển động của robot theo các một quỹ đạo đã được xác định trước. .. đó quỹ đạo của robot sẽ có dạng: Hình 3.13: Quỹ đạo hình sine của robot theo thuật toán đưa ra 34 Vậy chuyển động của robot sẽ là: Khởi động, robot chuyển động thẳng về phía trước 0.2s rồi sau đó chuyển động sang phải 0.72s Khi tọa độ y đạt được 1m, robot sẽ chuyển động lùi 0.2s, rồi chuyển động sang phải 0.72s Cứ như vậy cho đến khi robot đạt được quỹ đạo hình sine 3.5 Sơ đồ của chương trình điều khiển. .. để chuyển động xoay đạt được góc trên là: t= 1.04 /9.65 = 0.11(s) Vậy thuật toán để Robot chuyển động theo quỹ đạo hình Parabol là: Khởi đầu khởi động Robot, xoay theo chiều kim đồng hồ trong thời gian 0.11 s, sau 31 đó chuyển động thẳng trong khoảng thời gian 0.2s Lặp lại như thế tới khi robot chuyển động đến điểm cuối của quỹ đạo cần xây dựng 3.4.3 Quỹ đạo hình sine Mô tả quỹ đạo: Robot chuyển động. .. các quỹ đạo cho robot, ta phân chuyển động của robot thành các chuyển động cơ bản sau: Chuyển động thẳng tiến về phía trước Chuyển động lùi về phía sau Chuyển động quay cùng chiều kim đồng hồ Chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ Chuyển động sang phải Chuyển động sang trái 26 Dựa vào phương trình động học ở chương 2, ta tính được vận tốc của Robot dựa vào vận tốc của các bánh Để thu được các chuyển. .. kim đồng hồ Robot chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ: 3 bánh đều quay ngược chiều kim đồng hồ Robot chuyển động sang phải: động cơ 1 quay ngược chiều kim đồng hồ, động cơ 2 và 3 quay cùng chiều kim đồng hồ Robot chuyển động sang trái: động cơ 1 quay cùng chiều kim đồng hồ, động cơ 2 và 3 quay ngược chiều kim đồng hồ Dựa vào các chuyển động cơ bản trên, ta lần lượt xây dựng các quỹ đạo chuyển động . phần: bộ điều khiển vòng trong và bộ điều khiển vòng ngoài. Bộ điều khiển vòng ngoài là một bộ điều khiển động học và gồm có bộ điều khiển PID để điều khiển vận tốc cho từng động cơ. Bộ điều khiển. ứng dụng bộ điều khiển TLC Điều khiển chính xác quỹ đạo cho robot là một trong những nhiệm vụ chủ yếu của các ứng dụng cho bộ điều khiển Omni Direction. Bộ điều khiển quỹ đạo cho robot có thể. cứu phát triển bộ điều khiển cho Omni robot track. Từ cơ cấu Omni robot đã được các sinh viên khóa trước thiết kế, đồ án nghiên cứu xây dựng quỹ đạo chuyển động cho robot theo đường thẳng,