báo cáo đồ án thiết kế xây dựng mô hình và thiết kế điều khiển cho robot di động bánh xích

TỔNG QUAN CHUNG1.1 Khái niệm robot di độngRobot là một loại thiết bị có thể thực hiện những công việc một cách tự độngbằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên

ngành Tự động hóa công nghiệp

Chữ ký của GVHD

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Phạm Thục Anh

Bộ môn: Tự động hóa công nghiệp

HÀ NỘI, 7/2022

MỤC LỤC

PHỤ LỤC 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG 6

1.1 Khái niệm robot di động 6

1.2 Cấu tạo chung của robot di động 6

1.3 Phân loại robot di động 7

1.3.1 Robot di chuyển dung bánh xe 7

1.3.2 Robot di chuyển dung bánh xích 8

1.3.3 Robot di chuyển dung chân 9

1.3.4 Robot bay 10

1.3.5 Robot lặn/tàu/thuyền 11

1.3.6 Robot lai, tiêu khiển, sở thích cá nhân 11

1.4 Ứng dụng của robot di động 12

1.5 Robot di động bánh xích 15

1.5.1Ưu nhược điểm của robot di động bánh xích 15

1.5.2 Yêu cầu nghiên cứu 16

1.6 Các bài toán cơ bản của robot di động 17

1.7 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 KẾT CẤU VÀ THIẾT BỊ 19

2.1 Kết cấu Robot 19

2.1.1 Ý tưởng chung 19

2.1.2 Kích thước và hình dáng tổng thể của robot 19

2.1.3 Kết cấu đai được lựa chọn 20

2.1.4 Hệ thống bánh đai 20

2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển các động cơ DC 25

2.2.1 PLC FX3U-24MT-6AD-2DA 25

2.2.2Module điều khiển động cơ 26

2.2.3Module hạ áp DC-DC Lm2596 27

2.2.4 Bộ thu fs-ia6b 28

2.2.5Cảm biến khoảng cách_Encoder 29

2.2.6 Adruino Nano 29

2.2.7 Động cơ giảm tốc 31

2.2.8 Pin lithium 24v 33

2.2.9 Tay điều khiển Flysky I6 33

2.2.10 Các thiết bị khác 35

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI 35

3.1Phân địa chỉ vào ra 35

3.2Thiết kế thuật toán điều khiển 37

3.2.1 Giới thiệu phần mềm 37

3.2.2 Điều khiển bằng tay 37

3.2.3 Điều khiển tự động 38

3.3Kết quả thực nghiệm 43

3.3.1 Điều khiển bằng tay 43

3.3.2 Điều khiển tự động 43

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC

Hình 1 Các loại cảm biến 7

Hình 2 Các loại cảm biến 7

Hình 3 Các loại chip xử lý 7

Hình 4 Robot di động ba bánh 8

Hình 5 Robot di động bánh xích 9

Hình 6 Robot di chuyển bằng chân 10

Hình 7 Robot bay 10

Hình 8 Robot lặn 11

Hình 9 Dùng robot vận chuyển hàng hóa 12

Hình 10 Robot chứa các thiết bị hỗ trợ cấp cứu ngưng tim 13

Hình 11 Robot tự hành do Việt Nam sản xuất 13

Hình 12 Robot Opportunity của Mỹ thăm dò sao Hỏa 14

Hình 13 Robot hút bụi thông minh 14

Hình 14 Các bài toán nghiên cứu trong lĩnh vực robot di động 17

Hình 15 Robot sau khi chế tạo 19

Hình 16 Đai dùng cho robot 20

Hình 17 Bánh đai dẫn động và bánh răng truyền lực 21

Hình 18 Bánh phụ 22

Hình 19 Bánh căng đai 23

Hình 20 Khoang chứa module điều khiển robot 24

Hình 21 Hệ thống điều khiển Robot 25

Hình 22 PLC MITSUBISHI FX3U-24MT-6AD-2DA 25

Hình 23 Module điều khiển động cơ 27

Hình 24 Module hạ áp DC-DC Lm2596 27

Hình 25 Module fs-ia6b 28

Hình 26 Encoder 29

Hình 27 Adruino NANO 30

Hình 28 Động cơ giảm tốc 32

Hình 29 Pin Lithium 33

Hình 30 Tay cầm Flysky 34

Hình 31 Tín hiệu đầu vào của PLC 35

Hình 32 Tín hiệu đầu ra của PLC 35

Hình 33 Sơ đồ đấu dây 36

Hình 34 Giao diện vùng viết chương trình PLC 37

Hình 35 Lưu đồ thuật toán điều khiển bằng tay 38

Hình 36 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh tốc độ bánh 1 41

Hình 37 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh tốc độ bánh 2 42

Tóm tắt nội dung báo cáo

Đồ án nghiên cứu, xây dựng mô hình động học và động lực học choDifferential Drive Mobile Robot Thiết kế điều khiển cho robot đi đến đúng vịtrí đặt bám theo quỹ đạo trong thời gian nhất định Đồng thời thiết kế vànghiên cứu điều khiển robot di động bánh xích bằng PLC Mitsubishi FX3U điđúng quỹ đạo thẳng

Như đã đề cập, mục tiêu của đồ án nhằm giải quyết bài toán ước lượng vị trí

và điều khiển chuyển động robot Để giải quyết các vấn đề đặt ra, nội dung đồ

án được chia ra làm các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan chung về robot di động

Chương 2: Kết cấu và thiết bị

Chương 3: Thiết kế điều khiển và sơ đồ đấu nối

Kết luận

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

Mai Ngọc Long

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG

1.1 Khái niệm robot di động

Robot là một loại thiết bị có thể thực hiện những công việc một cách tự độngbằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.Robot có một số đặc điểm sau đây: Do con người sang tạo ra, tùy theo côngnghệ trang bị trên mà robot có khả năng nhận biết được môi trường xungquanh và tương tác với những vật thể trong môi trường, có khả năng đưa racác lựa chọn dựa trên môi trường và điều khiển một cách tự động theo nhữngtrình tự đã được lập trình, có thể điều khiển được bằng các lệnh để có thể thayđổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng, có thể di chuyển quay hoặc tính tiếntheo một hay nhiều chiều và khéo léo trong vận động

Robot di động là loại robot có khả năng tự di chuyển trong môi trường củachúng, không cố định vào một vị trí thực Robot di động có thể là “tự trị”(Robot di động tự động) có nghĩa là chúng có khả năng điều hướng một môitrường không kiểm soát được mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lýhoặc cơ điện Ngoài ra Robot di động có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫncho phép nó di chuyển tuyến đường định hướng được xác định trước trongkhông gian tương đối được kiểm soát (Robot tự điều khiển) Nó khác vớirobot công nghiệp thường đặt gần cố định và hoạt động bằng các cánh tay

1.2 Cấu tạo chung của robot di động

1.3 Phân loại robot di động

1.3.1 Robot di chuyển dung bánh xe

Bánh xe là phương pháp phổ biến nhất cung cấp khả năng di chuyển cho mộtrobot, được sử dụng với nhiều kích thước và nền tảng robot khác nhau Kíchthước của bánh xe dao động khá rộng, từ nhỏ cỡ vài chục cm đến lớn hàng

mét Thông thường, xu hướng phát triển tập trung vào các bánh xe cỡ nhỏ, cỡ

5 cm trở lại với 3 bánh xe/robot, một bánh lái và hai bánh di chuyển Loạiphức tạp hơn có thể sử dụng con quay hồi chuyển

Về vật liệu, vật liệu làm bánh xe không có yêu cầu đặc biệt, nhưng một sốtrường hợp cụ thể có yêu cầu khá chặt Ví dụ bánh xe robot quân sự cần cókhả năng chống trượt Điều này cũng có thể đạt được thông qua cấu trúc bánh

xe, một robot với 4 bánh hoặc 6 bánh sẽ có ưu thế chống trượt tốt hơn trườnghợp 2 bánh Ngoài ra, cơ cấu bánh xe cũng cần được chú ý khi thiết kếchuyển động cho robot Một quan niệm sai lầm phổ biến là xây dựng nhữngrobot có bánh xe lớn, nguồn năng lượng sử dụng không cung cấp đủ nhu cầucủa robot

Ưu điểm

+ Chi phí thường thấp so với các phương pháp khác

+ Đơn giản trong thiết kế và chế tạo

1.3.2 Robot di chuyển dung bánh xích

Bánh xích hoặc bánh răng được sử dụng trong những thiết bị như máy kéo, xetăng … do khả năng thích ứng với địa hình và yêu cầu về lực kéo Nguyênnhân do cơ cấu bánh xích giảm tính trượt và phân bố đều trọng lượng của

thiết bị, thích hợp với các bề mặt yếu như cát, đất yếu…hay các bề mặt mấp

mô Một điều khác là khi sử dụng chúng cho robot, robot của chúng ta trông

ấn tượng hơn rất nhiều

Ưu điểm

+ Tiếp xúc với bề mặt lớn, giảm khả năng trượt

+ Phân bố trọng lượng đều, có thể hoạt động linh hoạt trong nhiều loại bề mặtkhác nhau

+ Tăng đáng kể không gian sử dụng của robot, không cần kết hợp với cácbánh xe có ổ đĩa lớn

Nhược điểm

+ Gây tổn hại bề mặt khi di chuyển

+ Ổ đĩa xích hạn chế đáng kể số lượng động cơ có thể sử dụng

+ Tính phức tạp cơ khí tăng (số liên kết, khớp nối, cơ cấu lực… tăng)

Hình 5 Robot di động bánh xích

1.3.3 Robot di chuyển dung chân

Chân là lựa chọn ưa thích cho các robot phải di chuyển trên địa hình khôngđồng đều Hầu hết các robot nghiệp dư được thiết kế với 6 chân, do khả nănggiữ cân bằng tĩnh (cân bằng với 3 chân trong khi di chuyển) Điều kiện cânbằng được định nghĩa là sự ổn định động, nghĩa là khả năng cân bằng robotkhi chuyển động và ngừng chuyển động Các thiết kế phổ biến là monopod (1chân “nhảy”), bipeds (2 chân), quadrupeds (bốn chân), và hexapods (6 chân)

Ưu điểm

+ Gần gũi với chuyển động tự nhiên

+ Khả năng có thể vượt qua những trở ngại lớn và điều hướng các địa hìnhthô

Nhược điểm

+ Tính phức tạp cơ khí và điện tử

+ Yêu cầu về năng lượng/pin

+ Chi phí phát triển cao

Hình 6 Robot di chuyển bằng chân

1.3.4 Robot bay

Các robot bay, được biết với tên AUAV (robot bay không người lái) là mộtchủ đề hấp dẫn và hoàn toàn trong khả năng của những người đam mê Tuynhiên, việc thiết kế, chế tạo các thiết bị bay không người lái với người mới bắtđầu thường đi kèm nhiều rủi ro Hiện tại, hầu hết người dùng nghiệp dư sửdụng máy bay điều khiển từ xa được bán trên thị trường Các thiết bị chuyênnghiêp, ví dụ Predator của quân đội Mỹ, đã dần chuyển từ cơ chế bán tự chủsang tự chủ hoàn toàn

+ Toàn bộ những gì bạn đầu tư có thể mất trong một tai nạn

+ Sự hạn chế của cộng đồng phát triển về khả năng tự trị cho robot

Hình 7 Robot bay

1.3.5 Robot lặn/tàu/thuyền

Đây là niềm đam mê của một số nhà thiết kế robot nghiệp dư, đặc biệt với cácthiết bị không người lái dưới nước Có nhiều trở ngại cần phải vượt qua,nhưng có vẻ đã và đang không phải là rào cản với những người đam mê.Một loạt các sản phẩm đạng này đã có trên thị trường, đi kèm với nhiều mẫuthiết kế miễn phí mà bạn có thể tìm thấy Vấn đề chính với robot dạng này lànăng lượng và khả năng làm việc dưới nước (áp suất, chống thấm, …)

+ Hạn chế về giao tiếp điều khiển (giao tiếp không dây)

Hình 8 Robot lặn

1.3.6 Robot lai, tiêu khiển, sở thích cá nhân

Được phát triển hoàn toàn theo ý thích các nhân của bạn bằng việc kết hợpcác thiết kế, ý tưởng lại với nhau Thiết kế thường vô cùng linh hoạt, đa dạng,thậm chí là ngược đời Tuy nhiên, nó sẽ làm tăng khả năng và tính sáng tạocủa bạn trong mỗi sản phẩm

Ưu điểm

+ Thiết kế và phát triển gắn với một mục tiêu cụ thể

+ Cấu trúc đa tác vụ, module

+ Đa tính năng

+ Linh hoạt

Nhược điểm

+ Phức tạp trong thiết kế, chi phí cao

+ Các bộ phận cần tùy chỉnh lại cho phù hợp

1.4 Ứng dụng của robot di động

Robot di động ứng dụng cho rất nhiều loại công việc khác nhau từ xây dựngđến nông nghiệp, từ đào mìn đến thăm dò dầu khí, xử lý môi trường, y tế, giảitrí, vận chuyển,…

Trong công nghiệp

Ngày nay, robot di động được sử dụng rất phổ biến trong các ngành côngnghiệp, nó được lập trình sẵn theo một trình tự nhất định với mục đích phục

vụ công việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm,…Đặc biệt là trongnhững môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm Robot được sử dụngtrong công nghiệp có tính chính xác cao và hiệu quả vượt trội so với sản xuấtthủ công

Ưu điểm của robot di động trong công nghiệp:

+ Giảm chi phí, cải thiện chất lượng môi trường lao động

+ Đảm bảo tính đồng nhất và tăng chất lượng sản phẩm

+ Giúp gia tăng năng suất

+ Tăng tính linh hoạt trong sản xuất

Hình 9 Dùng robot vận chuyển hàng hóa

Các ứng dụng của robot và tự động hóa trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻđang tăng lên từng ngày Robot không chỉ giúp các bác sĩ và nhân viên y tếthực hiện thực hiện các nhiệm vụ phức tạp và chính xác mà còn làm giảmkhối lượng công việc của họ, do đó, về tổng thể robot sẽ giúp nâng cao hiệuquả của các cơ sở y tế

Hình 10 Robot chứa các thiết bị hỗ trợ cấp cứu ngưng tim

Trong an ninh quốc phòng

Ngày nay, các hoạt động quân sự ứng dụng khá nhiều thành tựu của côngnghệ chế tạo robot Nhằm thay thế các chiến sĩ trong lĩnh vực nguy hiểm nhưhậu quả thiên tai bão lũ, động đất tác động đến cơ sở hạt nhân, rò rỉ hóa chất,

…đã gợi ý cho các nhà công nghệ nghiên cứu loại robot nhanh chóng đếnthăm rò nơi xảy ra sự cố, gửi các thông tin về thực trạng thảm họa

Robot có thể thao tác chính xác, khéo léo hơn cả con người trong các động tác

ở khu vực khó khăn, khe, lỗ, ống sâu cũng được phát triển, đỉnh cao phải nóiđến robot phẫu thuật cơ thể thương bệnh binh Loại robot này cũng cần trong

vô hiệu hóa kíp nổ điện, kíp nổ cơ Cùng với nó là robot cảnh giới tự động tạicác kho vũ khí, sân bay…

Ngoài ra các robot trinh sát có khả năng tiến, lui, trèo, băng qua các đống đổnát, biết leo cầu thang, có bàn tay máy cử động để mở cửa phòng, kho xưởng,cắt, cưa, gạt chướng ngại vật, tiến sâu vào nơi nguy hiểm để đánh giá tìnhhình, thu thập dữ liệu gửi ra ngoài

Hình 11 Robot tự hành do Việt Nam sản xuất

Trong khoa học vũ trụ

Việc thiết kế các thiết bị robot hỗ trợ khám phá vũ trụ là một thử thách hoàntoàn mới đối với các kỹ sư Cụ thể, họ sẽ phải thiết kế sao cho các thiết bịchịu được những biến thiên nhiệt mạnh mẽ ở ngoài vũ trụ, và chọn vật liệucùng thành phần thật hợp lý cho môi trường ở ngoài không gian

Nhiệm vụ của robot di động được đưa ra ngoài vũ trụ, thăm dò các hành tinh,truyền thông tin,…thay thế cho con người bới đó là môi trường không có sựsống, hỗ trợ cho việc khám phá bên ngoài vũ trụ, nghiên cứu các hành tinh,hiện tượng ngoài vũ trụ,…

Hình 12 Robot Opportunity của Mỹ thăm dò sao Hỏa

Trong đời sống

Robot di động không chỉ dừng lại ở việc thực hiện những thao tác, nhiệm vụđơn giản mà còn thực hiện dễ dàng những công việc phức tạp Ngoài các sảnphẩm robot di động trong công nghiệp, các loại robot di động tiện ích phục vụtrong cuộc sống con người cũng đem lại nhiều lợi ích thiết thực trong đờisống chẳng hạn như: máy hút bụi, máy lau nhà, người máy phục vụ,…

Hình 13 Robot hút bụi thông minh

1.5 Robot di động bánh xích

1.5.1Ưu nhược điểm của robot di động bánh xích

1.5.1.1 Về cấu tạo

Robot di động bánh xích phức tạp hơn các loại robot khác ở bộ phận xích và

cố định bánh Thường thì xích không có sẵn trên thị trường lên phải tự chế tạoriêng theo từng người thiết kế bánh xích và theo từng loại robot lên có nhiềuloại xích khác nhau Vật liệu làm xích bằng vật liệu dẻo, uốn dễ dàng

Thêm vào đó, nó cho phép xử lý trên số thực và các ngắt Việc lập trình trênFX3U dễ hơn bao giờ hết nhờ vào sự thực thi thông qua đồng thời

2 cổng truyền thông tốc độ cao là RS422 & USB Còn với dòng FX3U ngõ rakiểu transistor cho phép phát xung độc lập trên 3 ngõ ra lên đến 100 kHz,được nhà sản xuất tích hợp và cải tiến nhiều tập lệnh điều khiển vị trí Chứcnăng cho phép cài đặt mật khẩu truy cập và phân quyền theo người sử dụng.Ngoài ra việc kết nối mở rộng thông qua 2 bus bên trái và bên phải cho phépkết nối mở rộng khối chức năng đặc biệt như analog/truyền thông nối mạng…

để đạt được hiệu suất làm việc tốt hơn

Những tính năng chính:

Download speed 38,400kbs

14 ngõ vào NPN, 10 ngõ ra Transistor NPN, 6 đầu vào analog( 3ngõ vào 0-10V và 3 ngõ vào 0-20mA), 2 đầu ra analog (0-10V)X0-X5 là ngõ vào xung tốc độ cao, nhận được 3 encoder AB, mặcđịnh là 12K, có thể yêu cầu 100K

Y0-Y3 là ngõ ra xung tốc độ cao có thể lên đến 100K

Có vùng nhớ duy trì khi mất điện

Điện áp cung cấp: 12-40 VDC

Dòng tải cao: 40A

Tín hiệu logic điều khiển: 0-5V

Sơ đồ chân:

Vin+: Nguồn 24v

Vin-: Chân đất

Vout+: Ngõ ra dương điều khiển động cơ

Vout-: Ngõ ra âm điều khiển động cơ

RP, LP,CM là 3 chân dung để đảo chiều động cơ

o Khi RP thông với CM thì động cơ quay ngược

o Khi LP thông với CM thì động cơ quay thuận

Signal+: tín hiệu điều khiển 0-5v

Signal-: chân âm của tín hiệu điều khiển

Độ nhạy của máy thu RF: -105dbm

Chế độ 2.4G: Thế hệ thứ hai của một phiên bản nâng cao của hệ thống

FM kỹ thuật số tự động

Mã hóa: GFSK

Antenna Chiều dài: 26mm * 2 (ăng ten kép)

Công suất đầu vào: 4,0-6,5 V DC

Kích thước: 47 x 26.2 x 15mm

Trọng lượng: 14.9g

Màu đen

Giao diện i-Bus: Có

Giao tiếp truyền dữ liệu: Có

Loại Kiểu: Máy bay / Máy lượn / Trực thăng