Trong bài này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng Robocar của Trung tâm NCKT tự động hoá, ĐHBK - HN. Trình bày các phương pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động của Robocar khi yêu cầu bám theo đường dẫn và tránh được chướng ngại v.v. Đồng thời giới thiệu một số ứng dụng thực tế. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần: tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển. Robocar chủ yếu hoạt động trong các phân xưởng, bến bãi, với địa hình không quá phức tạp nên kết cấu xe cũng rất đơn giản.
1 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG ROBOCAR Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Lê Hoàng Giang Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN Tóm tắt Trong bài này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng Robocar của Trung tâm NCKT tự động hoá, ĐHBK - HN. Trình bày các phương pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động của Robocar khi yêu cầu bám theo đường dẫn và tránh được chướng ngại v.v. Đồng thời giới thiệu một số ứng dụng thực tế. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần: tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển. Robocar chủ yếu hoạt động trong các phân xưởng, bến bãi, với địa hình không quá phức tạp nên kết cấu xe cũng rất đơn giản. 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC Trước hết đối với tay máy của robocar thì về nguyên tắc có thể dùng nhiều loại cơ cấu khác nhau. Ở đây chọn loại cơ cấu Robot RP thuộc nhóm robot phỏng sinh trục ngang (bắt chước cơ cấu tay người). Sự khác biệt của robot này so với các kiểu robot phỏng sinh khác là ở đây dùng cơ cấu Pantograph với 2 con trượt dẫn động làm môđun chủ yếu của cơ cấu tay máy. Cũng vì thế robot này được ký hiệu vắn tắt là robot RP. Với những quan hệ thông số hợp lý, loại cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau: 1) Có thể bố trí nguồn động lực gần với thân nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu chấp hành; 2) Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích thước; 3) Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau và tiêu hao ít năng lượng; 4) Dễ điều khiển do có thể thực hiện các chuyển dịch của bàn kẹp theo các trục toạ độ bằng cách di chuyển con trượt riêng rẽ và các bài toán trong mọi cấu hình đều có thể đưa về bài toán phẳng. Đối với cơ cấu xe di chuyển đã tiến hành tính toán với các phương án khác nhau: 3 bánh xe hoặc 4 bánh xe, 1 bánh chủ động hoặc 2 bánh chủ động, bánh trước chủ động hoặc bánh sau chủ động, bánh lái đặt trước hoặc đặt sau v.v. Hình 1 Trên hình 1 là trường hợp 3 bánh, 2 bánh sau chủ động và là các bánh lái. Cho hệ toạ độ x d y d z d gắn liền với xe di động, có gốc tại điểm D trung tâm xe. Ở vị trí xuất phát điểm D trùng với điểm C (p x y y 0) trong không gian cố định x, y, z. Điểm C nằm trên trục bánh xe sau và cách đều chúng một khoảng b, còn D nằm giữa 2 trục bánh xe trước và sau với khoảng cách 2a. Gọi V là vận tốc di chuyển và ω là vận tốc góc của xe, tương ứng với góc lái α. Theo các quan hệ vận tốc, dễ dàng có các biểu thức sau: V = 2 tp VV + , (1) a Vtg 2 α ω = , (2) pp RV ω= V t = V p , .2 2 α α tgba btga + − (3) ).(),(2[2 tptp VVbVVaarctg + − = α (4) Với R và ω p - bán kính và vận tốc góc của bánh phải, V p và V t - vận tốc trên bánh phải và bánh trái. Khi cần xét chuyển động của điểm T trên xe, gắn liền với dụng cụ thao tác (ví dụ, đầu dò, đầu cắt, đầu hàn v.v.) ta gắn hệ toạ độ x t , y t , z t tại điểm O t của xe có toạ độ (m, n, h) trong hệ toạ độ x d y d z d . x C D b a a ϕ ϕ t x y y x O t t y d c O t T m n P P y x c , x d PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 2 Điểm T cách 0 t đoạn L được mô tả trong hệ x t y t z t bằng các biểu thức sau: T ttttt LLr )0,sin,cos( ϕϕ= (5) Trong hệ toạ độ cố định x, y, z điểm T được xác định bởi: tot rMr .= (6) Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ M ot theo phương pháp dùng ma trận đồng nhất [1]: M ot = M oc .M cd .M dt (7) Trong đó: M 0c = − 1000 0100 0cossin 0sincos y x p p ϕϕ ϕϕ , (8) M cd = 1000 0100 0010 001 a , (9) M dt = − 1000 100 0cossin 0sincos h n m θθ θθ (10) Bài toán sẽ tổng quát hơn nếu hệ thống tay máy của robocar được đặt tại điểm O t nói trên và kết nối hệ toạ độ x t , y t , z t với hệ toạ độ động đầu tiên của cơ cấu tay máy thì ta hoàn toàn có thể xác định về định vị và định hướng của điểm tác động cuối E (End - effector) của robocar trong không gian làm việc. Bài toán động học ngược của robocar có thể đặt ra như sau: Cho điểm T gắn với dụng cụ thao tác di chuyển theo một quỹ đạo với vận tốc V không đổi, cần xác định các giá trị tức thời của ω p và α để điều khiển cho điểm T của xe bám theo quỹ đạo đó. Hoặc tổng quát hơn, bài toán động học ngược của robocar được mô tả như sau: Để đảm bảo cho điểm tác động cuối E của robocar bám theo một quỹ đạo cho trước trong không gian làm việc, cần xác định bộ thông số theo thời gian của vận tốc góc bánh xe chủ động ω p , góc lái α và các biến khớp q i của cơ cấu tay máy. 3. ROBOCAR RP Robocar RP (hình 2) là sản phẩm của Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN thiết kế, chế tạo nhằm phục vụ cho các công việc như công gắp, sắp xếp, vận chuyển phối liệu hoặc sản phẩm trong phân xưởng của các xí nghiệp công nghiệp. Hình 2 Phần trên của Robocar RP là một tay máy 4 bậc tự do, thực hiện bởi 3 động cơ một chiều điện áp 24V và một động cơ bước, ngoài ra còn một động cơ bước cho bàn kẹp. Phần dưới của Robocar RP là một xe 3 bánh. Bánh trước đóng vai trò vừa là bánh lái vừa là bánh truyền động, đều dùng động cơ 1 chiều. Robocar RP làm việc theo chế độ tự hành nên được trang bị một hệ thống quan sát có thể nhận biết môi trường xung quanh. Hệ thống quan sát là các sensor quang học gắn trên khung xe nhằm phát hiện các chướng ngại trên đường đi. Khi phát hiện chướng ngại, Robocar dừng lại và báo hiệu. Hình 3 S7-200 PLC M ạch role đi ều khiển DC DC1 DC2 DC3 Tải 1 Tải 2 Tải 3 Các bộ đếm xung Các bộ m ã vị trí Nguồn cung c ấp 12 V Driver cho đ ộng cơ bước Step2 Step 1 Tải 4 Tải 5 M ạch role đi ều khiển DC DC4 DC5 Tải 6 Tải 7 Các cảm biến vị trí Bộ thu tín hiệu từ xa PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 3 4. ROBOCAR CH THP Robocar ch thp (hỡnh 4) l mt robot t hnh phc v trong cụng tỏc y t nhm giỳp cỏc cụng vic cho cỏc y tỏ, h lý trong cỏc bnh vin. c bit trong cỏc cụng vic phũng chng dch bnh. Robocar ch thp c thit k mt cỏch gn gng v linh hot. Nú gm mt xe 3 bỏnh v mt robot 2 bc t do cng l loi robot RP n gin. u cỏnh tay robot cú gn mt vũi phun hoỏ cht phc v cụng tỏc phũng dch. Hỡnh 4 H iu khin ca Robocar ch thp s dng on_chớp 89 C52 vi chng trỡnh c np trong b nh ni v mch ngoi vi theo s hỡnh 5. Hỡnh 5 Khi bt in cho Robocar chng trỡnh c khi ng t u. Nú thc hin khi to cho b xi x lý 89C52 a bỏnh lỏi v v trớ u vi gúc lỏi bng 0 0 thng vi hng tin ca xe, vũi phun c a v v trớ ban u. Khi n nỳt START ng c chuyn ng v ng c lỏi c ni in xe tin v phớa trc, cỏc cm bin xa, gn c ni in v dựng iu khin ng c lỏi xe. ng c bm nc c khi ng to ỏp sut cho vũi phun nc. Cỏc cm bin o khong cỏch c b trớ theo sn trỏi ca xe o khong cỏch ti vỏch ta. Cỏc cm bin c iu chnh nh sau: Cm bin o c ly gn c iu chnh thay i trng thỏi khi cỏch vỏch ta 500mm, cm bin o c ly xa c iu chnh thay i trng thỏi khi cỏch vỏch ta 700mm. Nu xe chuyn ng cỏch vỏch ta trong khong 500 ữ 700mm thỡ bỏnh lỏi c gi v trớ thng (gúc lỏi bng 0). Nu xe chuyn ng cỏch vỏch di 500mm thỡ bỏnh lỏi c iu khin quay v phi trong thi gian T l chu trỡnh lỏi c xỏc nh bng thc nghim, sau ú li tr v v trớ thng a xe v vi khong cỏch 500 ữ 700mm so vi vỏch. Nu xe chuyn ng cỏch vỏch ta hn 700mm thỡ bỏnh lỏi c iu khin quay v trỏi a xe v gn vỏch ta, trong thi gian T v li c tr v v trớ thng a xe tr v trong hnh lang 500 ữ 700mm. C nh vy xe c iu khin chuyn ng cỏch vỏch ta mt khong nh sn, khong cỏch ny cú th t trc theo ý mun. Khi xe gp chng ngi vt phớa trc, cm bin bỏo vt cn c kớch hot iu khin xe dng li v i hng i hoc lỳc ú s iu khin bm hoỏ cht hot ng phũng dch tu chuyn mch chn ch lm vic c chn trc. Cỏc hot ng ca xe c iu khin bi chng trỡnh cha trong EEPROM ca b vi iu khin 89C52 cú th b sung, sa i v thay th d dng, cỏc ng dng ca xe vỡ th cú th thay i mt cỏch d dng theo nhng ng dng m cho phộp tu theo nhng nhim v m ngi s dng cú th la chn. Chng trỡnh c vit bng hp ng ca h vi x lý 8051 v c kim tra chy th trờn Emulator cho h 8051. Chng trỡnh c dch bi b dch chộo cho h vi x lý 8051 v c np bng b np chuyờn dng. 5. KT LUN Trờn õy ó trỡnh by phng phỏp tớnh toỏn ng hc v xõy dng cỏc thut toỏn iu khin chuyn ng ca robocar trong hp chung nht, khụng xem xột tỏch bit phn xe riờng, phn robot 1 8 32 29 89C52 9 B KTT 17 10 m vo ra A1013 24C 02 P1 P0 P2 P3 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 B nh V trớ cui di V trớ cui ngoi D tr Ra 1 Ra 2 Ra 4 Ra 3 P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3. 0 CB góc lái sau CB vật cản CB góc lái tr<ớc CB xa CB gần Chọn chế độ 20 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 Động cơ lùi Động cơ tiến Động cơ lái trái Động cơ lái phải Động cơ còi Động cơ bơm Động cơ xả n<ớc Động cơ vào Động cơ ra Động cơ xuống Động cơ lên P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.7 P2.6 Dự trữ 19 18 XTAL 12M hz 31 5 v 40 5 v Vcc START 5 v Reset m vo v ra Ra m ra ULN 2803 m ra ULN 2803 28 21 KD Cụng sut 2383 KD cụng sut 2383 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 4 riêng và số bậc tự do của robot không hạn chế. Bộ phận sensor được trang bị như những môđun độc lập nhưng cùng trong một hệ thống điều khiển và ngày càng phong phú dần. Các kết quả nghiên cứu ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng, rất có hiệu quả. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Thiện Phúc - Robot công nghiệp - NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002. SOME RESULTS OF DESIGNING, MANUFACTURING AND APPLICATION OF THE ROBOCAR Nguyen Thien Phuc, Tran Minh Nghia, Le Hoang Giang Research Centre of Automation, Hanoi University of Technology In this paper are introduced some results of studying and applying of the Robocar produced at the RCA of Hanoi University of Technology. The paper presents a method of kinematic calculation and establishment of algorithm calculation for motion control along a described trajectory and for a way avoided obstacles v.v In this paper are also introduced some application of robocar PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com . nhận biết môi trường xung quanh. Hệ thống quan sát là các sensor quang học gắn trên khung xe nhằm phát hiện các chướng ngại trên đường đi. Khi phát hiện chướng ngại, Robocar dừng lại và báo. GIỚI THIỆU CHUNG Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần: tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển. Robocar chủ yếu. đóng vai trò vừa là bánh lái vừa là bánh truyền động, đều dùng động cơ 1 chiều. Robocar RP làm việc theo chế độ tự hành nên được trang bị một hệ thống quan sát có thể nhận biết môi trường xung