(Đồ án hcmute) thiết kế chế tạo robot bầy đàn có khả năng tự lắp ghép (self assembly robot)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT BẦY ĐÀN CÓ KHẢ NĂNG TỰ LẮP GHÉP (SELF-ASSEMBLY ROBOT) GVHD: TS BÙI HÀ ĐỨC SVTH: TRẦN QUỐC TÍN NGUYỄN TẤN ĐẠT PHẠM THÀNH BẮC SKL010451 Tp.Hồ Chí Minh,Tháng 2/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO -∗∗∗ - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành công nghệ kỹ thuật điện tử Mã môn học: UGRA475529 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT BẦY ĐÀN CÓ KHẢ NĂNG TỰ LẮP GHÉP (SELF-ASSEMBLY ROBOT) GVHD: TS Bùi Hà Đức SVTH: Trần Quốc Tín 18146231 Nguyễn Tấn Đạt 18146098 Phạm Thành Bắc 18146079 TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG NĂM 2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên: Trần Quốc Tín 18146231 Nguyễn Tấn Đạt 18146098 Phạm Thành Bắc 18146079 Lớp: 18146CL1B Ngành: Công nghệ kĩ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Hà Đức Ngày nhận đề tài: /…./…… Ngày nộp đề tài: …/… /…… Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT BẦY ĐÀN CÓ KHẢ NĂNG TỰ LẮP GHÉP (SAR) Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kích thước, kết cấu, số bậc tự robot Sử dụng DC motor Sử dụng loại cảm biến Sử dụng hệ điều hành ROS hỗ trợ Nội dung đồ án: Thiết kế, chế tạo module robot Tính toán lựa chọn động phù hợp Xây dựng thuật toán điều khiển kết nối module robot Các sản phẩm dự kiến Mơ hình robot Báo cáo đồ án TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN I CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc *** BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên 1: Trần Quốc Tín 18146231 Sinh viên 2: Nguyễn Tấn Đạt 18146098 Sinh viên 3: Phạm Thành Bắc 18146079 Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT BẦY ĐÀN CÓ KHẢ NĂNG TỰ LẮP GHÉP (SAR) Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Hà Đức NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: II CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc *** -BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Sinh viên 1: Trần Quốc Tín 18146231 Sinh viên 2: Nguyễn Tấn Đạt 18146098 Sinh viên 3: Phạm Thành Bắc 18146079 Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT BẦY ĐÀN CÓ KHẢ NĂNG TỰ LẮP GHÉP (SAR) Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Hà Đức NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: III LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập trường hướng dẫn tận tình q Thầy Cơ, để chúng em tiếp thu nhiều kiến thức nhằm bước chuẩn bị hành trang cho tương lai Những kiến thức mà nhóm thu thập q trình học tập thực đồ án vô quý giá Càng quý với hướng dẫn bảo Thầy Bùi Hà Đức trình làm Đồ án Thiết kế khí với đề tài Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Robot Bầy Đàn Có Khả Năng Tự Lắp Ghép (Self-assembly Robot) nhằm góp phần nhỏ vào việc phát triển mảng Robotic Việt Nam Trong q trình thiết kế tính tốn tất nhiên có nhiều thiếu sót thiếu kinh nghiệm thực tế Em mong bảo q Thầy Cơ bạn góp ý kiến để đề tài nhóm chúng em tốt Áp dụng kiến thức học sinh viên điện tử Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung “Đồ án tốt nghiệp” nói riêng Với cho phép Thầy Bùi Hà Đức Chúng em chọn thực đồ án “Thiết kế chế tạo robot bầy đàn có khả tự lặp ghép” IV TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày có nhiều người quan tâm đến việc triển khai robot bầy đàn robot để thực số nhiệm vụ công việc hàng ngày Biết thách thức việc cho robot nhận diện tự lắp ghép với Cả nhóm xem xét đề tài quan trọng giải vấn đề lĩnh vực robot bầy đàn Tìm hiểu dạng cấu trúc robot mà đề tài trước áp dụng, ba cấu robot bầy đàn có khả tự lắp ghép có là: cấu truyền động, cấu di chuyển cấu giao tiếp mô-đun Từ đưa phương án thiết kế, xác định yêu cầu kỹ thuật, đề xuất phương án thiết kế mới, tính tốn thiết kế SAR, mơ kiểm nghiệm ứng suất bền, xây dựng mơ hình động mô-đun nhiều mô-đun robot kết nối với Tiếp theo nhóm thiết kế phần điện xây dựng hệ thống điều khiển động phương pháp PID kết hợp với cảm biến từ Hall để đáp ứng khả di chuyển truyền động xác robot Sau tiến hành xây dựng mơ hình điều khiển giả lập hệ điều hành robot ROS kết với hợp với trình mơ Gazebo, thưc hóa khả di chuyển dựa vào góc quay khớp bán cầu mô-đun robot từ việc phân tính mơ hình động học để thấy rõ đa dạng linh hoạt robot bầy đàn giới thực Từ tiến hành xây dựng sơ đồ giải thuật điều khiển, mô tả cách thức hoạt động mơđun robot Cuối cùng, nhóm đánh giá trình làm việc dựa theo mục tiêu đặt phần khí, điện tử điều khiển, phân tích thách thức, khó khăn chưa giải hướng nghiên cứu cải tiến cho hệ robot bầy đàn có khả tự lắp ghép V ABSTRACTS More and more people are interested in deploying a swarm of robots to perform some tasks in everyday work Understanding the challenges of how robots can recognize and assemble themselves is essential The team considers important topics that have addressed this issue in the field of swarm robotics They study the types of robot structures that previous research has applied, and the three main mechanisms that a self-assembling swarm robot should have: the drive mechanism, the locomotion mechanism, and the module interface mechanism From there, they develop a design plan, determine technical requirements, propose new design options, calculate the design of the Self-Assembling Robot (SAR), simulate stress testing, construct a dynamic model of a single module, and multiple modules connected together Next, the team designs the electrical part and builds a motor control system using PID control combined with Hall sensors to meet the robot's precise movement and transmission capabilities Then, they build a simulated control model using the ROS robot operating system combined with the Gazebo simulation tool, realizing movement capabilities based on the rotation angle of the spherical joints of the robot modules by analyzing the dynamic model to show the diversity and flexibility of swarm robots in the real world From there, they develop a control algorithm diagram that describes how a robot module operates Finally, the team evaluates the work process based on the set goals for mechanics, electronics, and control, analyzes the challenges and difficulties they have not solved, and identifies the direction for improving the next generation of self-assembling swarm robots VI  MỤC LỤC  NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN II BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN III LỜI CẢM ƠN IV TÓM TẮT LUẬN VĂN V ABSTRACTS VI MỤC LỤC VII DANH MỤC HÌNH ẢNH X DANH MỤC BẢNG .XIV DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XV CHƯƠNG : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý Do Chọn Đề Tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Bố cục luận văn CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Robot bầy đàn có khả tự lắp ghép – Self assembly robot (SAR) 2.2 Các dạng robot tự lắp ghép 2.2.1 Cấu trúc mạng lưới 2.2.2 Cấu trúc dạng chuỗi 2.2.3 Cấu trúc lai 2.2.4 Cấu hình xác định lại 2.2.5 Cấu hình lại ngẫu nhiên 2.3 Một số nghiên cứu robot bầy đàn có khả tự lắp ghép - Self-assembly Robot(SAR) 2.3.3 M-BLOCKS (MIT CSAIL) 11 2.3.5 FreeBOT 13 2.4 Các thành phần cấu Robot bầy đàn có khả tự lắp ghép - Selfassembly Robot(SAR) 15 2.4.3 M-BLOCKS (MIT CSAIL) 21 2.4.5 FreeBOT 26 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 28 VII 3.1 Xác định yêu cầu kỹ thuật 28 3.2 Phương án thiết kế 28 3.2.1 Tổng quát phận công tác chính Roombots 28 3.2.2 Nguyên lý làm việc phận công tác 29 3.2.3 Ưu điểm nhược điểm thiết kế Roombots 30 3.2.4 Đề xuất phương án cho robot SAR nhóm 30 3.3 Tính toán thiết kế từng phận 30 3.3.1 Các khối sử dụng mô-đun SAR 30 3.3.2 Mô tả cách hoạt động 31 3.3.3 Tính toán thiết kế khối khối Outer 32 3.3.4 Tính toán thiết kế khối khối Inner Inner 46 3.4 Đế kết nối 62 3.5 Kiểm nghiệm bền 63 3.5.1 Vỏ Outer 63 3.5.2 Vỏ Inner 64 3.5.3 Ống trượt (slip ring) 65 3.5.4 Móc kết nối 66 3.5.5 Cánh tay đòn cụm ACM 66 3.6 Động học 68 3.6.1 Thiết kế mơ hình động học 68 3.6.2 Mơ hình động học mô-đun 71 3.6.3 Mơ hình động học bốn mô-đun 72 3.6.4 Kết nối mô-đun robot với 73 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN, ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG TRÊN GAZEBO VÀ ROS 75 4.1 Thiết kế điện – điện tử 75 4.1.1 Sơ đồ khối mạch điện 75 4.1.2 Các khối sử dụng 75 4.1.3 Các thiết bị điện sử dụng 76 4.1.4 Mô tả cách hoạt động 82 4.2 Xây dựng mơ hình hàm truyền 83 4.3 Thiết kế điều khiển PID 87 4.3.1 Cơ sở sử dụng điều khiển PID 87 4.3.2 Vai trò khâu điều khiển PID 87 4.3.3 Tìm số PID Matlab 89 VIII Đầu tiên đầu mô-đun robot cố định móc kết nối ACM Khi có tín hiệu bắt đầu, khớp Outer 1, Outer Inner bắt đầu quay đến vị trí định - trường hợp thử nghiệm nhóm mặt đế kế nối nằm liền kề Trên bề mặt đế kết nối có viên nam châm nằm cạnh rãnh kết nối Khi này, cảm biến biến Hall cụm ACM cịn lại giúp xác định móc rãnh hàng chưa Nếu chưa, mô-đun robot chạy thuật tìm kiếm cách cho xoay khớp góc ± độ cảm biến hall hàng với nam châm, lúc động ACM xoay khoảng thời gian định trước cho móc khóa lại Sau động ACM dừng móc khóa chặt, móc cụm ACM kết nối ban đầu mở Kết thúc chu trình di chuyển sẵn sàng di chuyển tới vị trí 95 CHƯƠNG : KẾT QUẢ 5.1 Kết sau gia công phần cứng 5.1.1 Khối ACM Phần khung ACM có tác dụng dẫn hướng cho cục trượt giữ tồn hệ cấu với Được gia cơng phương pháp in 3D resin cho độ xác cao (Hình 5.1) Hình 5.1: Khung ACM gia cơng phương pháp In 3D Phần đĩa kết nối thụ đơng in 3D cơng nghệ FDM (Hình 5.2) Hình 5.2: Đĩa kết nối thụ động gia cơng phương pháp in 3D FDM Sau phần khung hoàn thiện đo đạt kiểm nghiệm độ bền tiến hành lắp ráp chi tiết động để hồn thành khối ACM (Hình 5.3) Hình 5.3: Cụm cấu kết nối tự động ACM hoàn thiện 96 5.1.2 Khối outer Phần khung vỏ gia công in 3D nhựa ABS, với sai số máy in 0.1 mm (Hình 5.4) Hình 5.4: Phần khung vỏ Outer Sau phần khung hoàn thành tiến lắp ráp chi tiết hoàn thành khối Outer (Hình 5.5) Hình 5.5: Khối Outer1/2 hồn thiện 97 5.1.3 Khối Inner Đường kính kích thước giống hoàn toàn với khối Outer, khối Inner thiết kế thêm phận để gá động Outer (Hình 5.6) Hình 5.6: Vỏ Inner sau gia cơng lắp vịng bi Sau hoàn thiện phần vỏ tiến hành lắp ráp chi tiết động để hoàn thiện khối Inner (Hình 5.7) Hình 5.7: Khối Inner hồn thiện 98 Hồn thành cụm truyền động khối Inner (Hình 5.8) Hình 5.8: Cụm truyền động Inner hồn thiện 5.1.4 Hồn thiện Robot Hình 5.9: Một mơ – đun robot SAR hoàn thiện (trái) chưa gắn đĩa kết nối thụ động (phải) gắn đĩa kết nối thụ động 99 5.1.5 Tấm đế kết nối Hình 5.10: Mặt đế hoàn thiên (đỏ) rãnh kết nối (đen) nam châm giúp định vị trí rãnh Hình 5.11: Đế kết nối gá lên đế lớn tạo khoảng cách trụ đồng để móc kết nối có khoảng trống để móc vào 100 5.2 Kết phần điện điều khiển 5.2.1 Cảm biến hall khả kết nối cụm ACM Chạy thực nghiệm cụm cấu kết nối ACM (Hình 5.12) nhóm nhận xét thấy cảm biến Hall nhận diện vị trí, móc kết nối móc vào với rãnh chịu khối lượng mơ-đun robot Hình 5.12: Cụm ACM kết nối với mô-đun robot 101 5.2.2 Điều khiển khớp Với giá trị P = 2.628, I = 0.003, D = 0.0005 tìm chương 4, nhóm cho khớp mơ-đun robot quay với góc 900 1800 để kiểm tra độ xác khớp Hình 5.13: Tín hiệu đáp ứng khớp Outer với góc quay 900 Hình 5.14: Tín hiệu đáp ứng khớp Inner với góc quay 900 102 Hình 5.15: Tín hiệu đáp ứng khớp Inner với góc quay 1800 Hình 5.16: Tín hiệu đáp ứng khớp Outer với góc quay 1800 103 5.2.3 Chuyển động thực nghiệm đế kết nối Hình 5.17: Mơ hình robot SAR hoạt động thực tế Di chuyển từ đế kết nối sáng đế kết nối khác Mô tả bước chuyển động: 1 đầu robot kết nối vào đế kết nối khớp Outer 1, Outer 2, Inner quay điều chỉnh để đầu kết nối lại với rãnh kết nối đế kết nối liền kề Khi với rãnh móc kích hoạt để khóa lại đầu kết nối trước mở khóa Khớp Outer quay để dựng robot đứng thẳng Robot tiếp tục thực tín hiệu điều khiển gửi tới tiếp sau 104 CHƯƠNG : KẾT LUẬN 6.1 Đánh giá trình làm việc Sau trình nghiên cứu phát triển thi cơng hồn thiện mơ hình robot nhóm giải mục tiêu ban đầu như: gia công chi tiết, hoàn thành lắp ráp khối hoàn thiện, lên sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, thiết kế mạch điều khiển, xác định giải thuật điều khiển hoàn thành bước để vận hành robot • Về phần khí: Hồn thành u cầu phần khí đề nhằm đảm bảo ổn định dễ dàng cho phần điều khiển Các phận thiết mơ hình robot đảm nhiệm nhiệm vụ cụ thể hợp lí, thi cơng chế tạo hoàn thiện thiết kế đề ra, công nghệ in 3D với sai số 0.1mm phù hợp với điều kiện phát triển sau • Về phần điện tử: Thi cơng hồn thiện tốt mạch điều khiển Robot vận hành ổn định, không phát sinh lỗi nghiêm trọng • Về phần điều khiển: Giải thuật điều khiển hoạt động đáp ứng nhu cầu, tương đối ổn định 6.2 Những thách thức thiết kế phần cứng • Giới hạn độ bền, độ xác độ bền trường (cả điện) bề mặt liên kết, gắn kết mô-đun • Sai số in 3D làm cho số chi tiết lắp vào khơng khớp • Giới hạn cơng suất động cơ, độ xác chuyển động hiệu suất lượng phần tử(công suất, mơ-men xoắn) • Thiết kế phần cứng phần mềm Phần cứng thiết kế để làm cho phần mềm hoạt động dễ dàng Hệ thống tự cấu hình lại có phần cứng phần mềm kết hợp chặt chẽ hệ thống có khác • Nhiều linh kiện khơng có, khó tìm Việt Nam 6.3 Những thách thức điều khiển Mặc dù thuật toán phát triển để xử lý hàng nghìn phần tử điều kiện lý tưởng, thách thức khả mở rộng cịn kiểm sốt cấp thấp lập kế hoạch cấp cao để vượt qua hạn chế thực tế: • Các thuật tốn động học cho việc di chuyển nhiều • Các thuật tốn xác định cấu hình tối ưu cho nhiệm vụ định • Các thuật tốn cho kế hoạch cấu hình lại tối ưu (thời gian, lượng) 105 • Các thuật toán để xử lý triệt để nhiều lỗi khác nhau, từ điều chỉnh sai, đơn vị không hoạt động(khơng phản hồi, khơng nhả móc) đến đơn vị sai lệch • Giao tiếp hiệu mở rộng nhiều mơ-đun 6.4 Cải tiến • Thêm ray trượt cho cục trượt cụm cấu kết nối tự động ACM giúp móc di chuyển trơn tru khơng bị kẹt • Tích hợp cảm biến gia tốc MPU robot xác định vị trí xác khơng gian • Sử dụng/ thiết kế mạch AND cho cảm biến Hall giúp giảm số lượng dây tín hiệu • Thiết kế cấu tay gắp dạng mơ-đun tháo lắp giúp robot làm cơng việc cầm nắm đồ vật • Tích hợp esp32 để mơ-đun robot giao tiếp với wifi 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Yim, M., White, P., Park, M., Sastra, J (2009), “Modular SelfReconfigurable Robots” Alexander Sproewitz, Philippe Laprade, Stephane Bonardi, Mikael Mayer, Rico Moeckel, Pierre-Andre Mudry and Auke Jan Ijspeert (2010), “Roombots—Towards Decentralized Reconfiguration with SelfReconfiguring Modular Robotic Metamodules” David Brandt, David Johan Christensen and Henrik Hautop Lund (2007), “ATRON Robots: Versatility fromSelf-Reconfigurable Modules” John W Romanishin, Kyle Gilpin, Sebastian Claici, and Daniela Rus ( 2015), “3D M-Blocks: Self-reconfiguring robots capable of locomotion via pivoting in three dimensions” Haruhisa Kurokawa, Kohji Tomita, Akiya Kamimura, Shigeru Kokaji, Takas hi Hasuo, and Satoshi Murata (2008), “Distributed Self-Reconfiguration of M-TRAN III Modular Robotic System” Guanqi Liang, Haobo Luo, Ming Li, Huihuan Qian, and Tin Lun Lam (2020), “FreeBOT: A Freeform Modular Self-reconfigurable Robot with Arbitrary Connection Point - Design and Implementation” S.Hauser, M.Mutlu, P.-A.Léziart, H.Khodr, A.Bernardino, A.J.Ijspeert Robotics and Autonomous Systems (2020) “Roombots extended: Challenges in the next generation of self-reconfigurable modular robots and their application in adaptive and assistive furniture” A.Spröwitz, R.Moeckel, M.Vespignani, S.Bonardi, A.J.Ijspeert (2013) “Roombots: A hardware perspective on 3D self-reconfiguration and locomotion with a homogeneous modular robot” Ming Li; Kejie Lu; Hua Zhu; Min Chen; Shiwen Mao; B Prabhakaran ( 2008), “Robot swarm communication networks: Architectures, protocols, and applications” Mikael Mayer (2009), “Roombot modules - Kinematics Considerations for Moving Optimizations” Morgan Quigley, Brian Gerkey, and William D Smart (2015), “Programming Robots with ROS” Ang, K.H., Chong, G.C.Y and Li, Y “PID control system analysis, design, and technology” PGS TS Trịnh Chất & TS Lê Văn Uyển (2006), “Tính toán thiết kế hệ đẫn động khí”, Nhà xuất Giáo Dục 107 [14] [15] Bộ giáo dục đào tạo (2014), Giáo trình “Kỹ Thuật Robot”, PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh, Nxb Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa (2005), Nguyễn Thị Phương Hà & Huỳnh Thái Hồng, Giáo trình “Lý thút điều khiển tự động”, Nxb Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh 108 S K L 0