Tóm tắt Xe ghế đa hướng mà bài báo đang giới thiệu là loại xe sử dụng bốn bánh xe mecanum được bố trí vuông góc với nhau và có hệ thống giảm sốc, do đó xe có khả năng di chuyển rất linh hoạt trong không gian hẹp và kết cấu đặc biệt nên xe ghế không chỉ có thể hoạt động trên địa hình bằng phẳng mà còn thể hoạt động trên các địa hình gồ ghề. Ngoài ra, hệ thống điều khiển được trang bị thuật toán FuzzyPID thích hợp cho việc điều khiển dạng xe có hệ thống giảm sốc. Abstract Omni Direction Wheelchair is kind of the vehicle using four Mecanum wheels which are arranged perpendicular to each other. That Vehicle uses the Mecanum wheel, so it has ability to move flexiblein narrow spaces. With suspension system, this Vehicle is not only moving on flat terrain, but also it moves on rough terrain. Additionally, the control system is equipped with the FuzzyPID algorithm, control feedback, simple user interface (using joystick) and in accordance with kind of users. Keywords: Omnidirectional wheelchair, mecanum wheel.
96 Đặng Văn Nghìn, Phạm Thành Kha, Phan Huỳnh Lâm, Trương Thế Dũng VCM2012 Thiết kế bộ điều khiển xe ghế đa hướng linh hoạt Design the controller of omnidirectional wheelchair PGS.TS Đặng Văn Nghìn 1 , Phạm Thành Kha 1 , Phan Huỳnh Lâm 2 , Trương Thế Dũng 1 1 Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng Tp.HCM e-Mail: nghindv@yahoo.com mrphamcdt07@gmail.com hello020389@gmail.com 2 Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống e-Mail: huynhlam3387@gmail.com Tóm tắt Xe ghế đa hướng mà bài báo đang giới thiệu là loại xe sử dụng bốn bánh xe mecanum được bố trí vuông góc với nhau và có hệ thống giảm sốc, do đó xe có khả năng di chuyển rất linh hoạt trong không gian hẹp và kết cấu đặc biệt nên xe ghế không chỉ có thể hoạt động trên địa hình bằng phẳng mà còn thể hoạt động trên các địa hình gồ ghề. Ngoài ra, hệ thống điều khiển được trang bị thuật toán Fuzzy-PID thích hợp cho việc điều khiển dạng xe có hệ thống giảm sốc. Abstract Omni - Direction Wheelchair is kind of the vehicle using four Mecanum wheels which are arranged perpendicular to each other. That Vehicle uses the Mecanum wheel, so it has ability to move flexible in narrow spaces. With suspension system, this Vehicle is not only moving on flat terrain, but also it moves on rough terrain. Additionally, the control system is equipped with the Fuzzy-PID algorithm, control feedback, simple user interface (using joystick) and in accordance with kind of users. Keywords: Omni-directional wheelchair, mecanum wheel. 1. Giới thiệu Ngày nay, không chỉ ở nước ta mà còn ở nhiều nước trên thế giới, tỷ lệ người già yếu và người tàn tật đang chiếm tỷ lệ cao. Theo thông kê cho thấy người tàn tật cơ quan vận động chiếm tỉ lệ cao nhất: 35,46%. Đây là nhóm đối tượng mà ta quan tâm trong việc thiết kế xe ghế. Ngoài nhóm đối tượng này, nhóm đối tượng khác đó là những người già, giảm khả năng vận động. Việt Nam Thế giới % số người tàn tật 7% 7,5% % số người trên 65 tuổi 7,2% 8,0% % tổng 14,2% 15,5% B.1: Tổng kết số người tàn tật và già yếu. Hiện nay có rất nhiều dạng xe lăn như xe lăn tay, xe lăn điện, xe lăn hỗ trợ leo cầu thang Hầu hết các xe lăn này sử dụng các bánh xe thông thường, hai bánh sau có chức năng dẫn hướng giúp cho xe di chuyển; hai bánh chạy tự do. Tuy nhiên những loại xe trên còn có nhiều điểm hạn chế. Đối với xe lăn tay việc dụng sức người để di chuyển không phù hợp với người già yếu hay những đối tượng không có khả năng sử dụng tay, đối với xe điện, nhiều xe hiện tại vẫn còn cồng kềnh, gây khó khăn cho người sử dụng. Ngoài ra nhưng xe lăn này không đáp ứng được nhu cầu di chuyển ở những nơi chật hẹp, việc quay đầu, rẽ, đòi hỏi nhiều diện tích…trong khi không gian sinh hoạt đang ngày càng bị thu hẹp bởi sự phát triển dân số. Để giải quyết các vấn đề này chúng tôi đưa ra giải pháp thiết kế xe lăn sử dụng các bánh xe Mecanum. Nhờ kết cấu đặc biệt của bánh xe Mecanum có thể tạo ra nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector. Bằng cách kết hợp các chuyển động của từng bánh xe, xe có thể thực hiện các chuyển động cơ bản tiến-lùi, chuyển động theo phương ngang hay chéo, chuyển động xoay tròn một cách dễ dàng trong một không gian chật hẹp mà không cần thay đổi trục bánh xe.Thêm vào, việc xe ghế có khả năng di chuyển trên địa hình không bằng phẳng một cách dễ dàng nhờ vào hệ thống giảm sốc của xe. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 97 Mã bài: 26 Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày thiết kế, chế tạo xe ghế và bộ điều khiển của xe. 2. Thiết kế bộ điều khiển Để thực hiện được các yêu cầu di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp và gồ ghề, xe ghế đa hướng cần có kết cấu cơ khí đặc biệt và cách điều khiển riêng. Với việc thiết kế bộ điều khiển cho xe thì cần phải đảm bảo các yêu cầu: Phải điều khiển được moment và đảm bảo đủ moment để xe không bị trượt. Kết cấu xe phải đảm bảo các bánh phải tiếp xúc mặt đường. Hệ thống phải ổn định và an toàn. 2.1 Phân tích động học Bánh xe dùng cho xe ghế đa hướng là loại bánh Mecanum có 3 bậc tự do bao gồm chiều quay bánh xe, chiều di chuyển của con lăn, và quay trượt qua trục thẳng đứng thông qua tiếp xúc điểm. Bánh xe mecanum có các con lăn được bố trí dọc theo chu vi của bánh xe, trục quay của mỗi con lăn được đặt chéo góc so với trục quay của bánh xe (thường đặt chéo góc 45 o so với trục bánh xe). H.1: Bánh xe macanum (hướng nhìn thẳng) Phương trình động học của xe sử dụng bốn bánh mecanum: H.2 : Sơ đồ vận tốc của xe Phân tích vận tốc của xe thành các thành phần chính sau: : là vận tốc quay của xe. t v : là vận tốc tịnh tiến của xe. tx v : vận tốc tịnh tiến theo phương x. ty v : vận tốc tịnh tiến theo phương y. Xác định vectơ vận tốc ở mỗi bánh H.3: Sơ đồ tịnh tiến các lực về bánh xe Xác định vectơ vận tốc ở mỗi bánh H.4: Sơ đồ phân tích vận tốc tổng quát Xác định vectơ vận tốc trên con lăn: H.5: Sơ đồ phân tích vận tốc trên con lăn Vận tốc v của con lăn gồm 2 thành phần: 98 Đặng Văn Nghìn, Phạm Thành Kha, Phan Huỳnh Lâm, Trương Thế Dũng VCM2012 // v : thành phần song song với trục con lăn v : thành phần vuông góc với trục con lăn u : là vectơ đơn vị có hướng song song với trục con lăn Trường hợp tổng quát )( yxtxty rrvvv (1) Dấu “ + ” hay “ - ” phụ thuộc vào mỗi bánh xe. Sau khi thực hiện tính toán ba bước trên ta sẽ tìm ra được phương trình động học cho xe ghế sử dụng bốn bánh mecanum. Phương trình động học nghịch : tx ty yx yx yx yx v v rr rr rr rr v v v v . )( )( )( )( 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 2 1 (2) Phương trình động học thuận : yxyxyxyx ty tx rrrrrrrr v v 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 (3) H.6: Các chuyển động cơ bản của xe ghế 2.2 Mạch điện và điều khiển Để điều khiển xe, ta sử dụng Joystick. Tín hiệu Joystick là tín hiệu tương tự analog cho 2 trục X- Y. Hai giá trị analog được đưa tới vi điều khiển thông qua bộ đọc ADC. Với những tín hiệu ở các kênh ADC khác nhau thì bộ điều khiển xuất tín hiệu để điều khiển bốn động cơ thông qua mạch công suất. Ngoài ra, xe ghế đa hướng còn được trang bị các khối cảm biến như : cảm biến encoder, cảm biến siêu âm, cảm biến dòng điện. Với bộ điều khiển vòng kín (Fuzzy-PID) sẽ làm cho xe ghế di chuyển chính xác và giảm sai số thấp nhất có thể. Mọi trạng thái hoạt động của xe ghế và mức năng lượng của acquy sẽ được hiển thị trên một LCD giúp cho người điều khiển nắm rõ được tình trạng của xe ghế. H.7: Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống Đối tượng quan trọng nhất trong thiết kế điều khiển là điều khiển moment. Để thực hiện được vấn đề này thì cần phải dựa vào động lực học. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng cảm biến encoder để đo vận tốc, xác định vị trí của bánh xe và cảm biến dòng để hồi tiếp dòng tải động cơ. Ngoài ra, khi xe hoạt động trong gian hẹp hay di chuyển lùi thì cần phải có cảm biến phát hiện vật cản tránh trường hợp va chạm giữa xe và vật xung quanh gây ảnh hưởng đến người sử dụng. Cảm biến siêu âm Devantech SRF04 được sử dụng để thu các thông tin về khoảng cách một cách chính xác trong dải từ 3cm đến 3m. H.8: Cảm biến siêu âm Devantech SRF04 Việc truyền và nhận dữ liệu của dsPIC được thực hiện truyền thông CAN. Vì mỗi con dsPIC33 chỉ có 2 bộ đọc encoder chuyên dụng (QEI) mà ở đây ta cần đọc bốn kênh tín hiệu encoder. Vì vậy ta phải giao tiếp giữa 2 dsPIC33 với nhau. PIC Master sẽ điều khiển hai động cơ, đọc hai kênh Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 99 Mã bài: 26 encoder và ra lệnh cho PIC Slave điều khiển 2 động cơ còn lại. Khi người sử dụng gửi một tín hiệu điều khiển xe thông qua joystick chuyển động theo một hướng nào đó. Khi nhận được tín hiệu, bộ xử lý trung tâm sẽ điều chỉnh PWM thông qua board công suất để điều khiển động cơ sao cho xe di chuyển theo hướng cần điều khiển. Trong quá trình xe ghế hoạt động sẽ bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau như : sai số trong quá trình thiết kế cơ khí, ảnh hưởng của bộ truyền đai, đia hình hoạt động các yếu tố này làm cho quá trình chuyển động của xe ghế bị sai lệnh về vận tốc và hướng di chuyển. Sử dụng thuật toán điều khiển vòng kín Fuzzy-PID sẽ làm cho xe di chuyển chính xác phù hợp với Joystick. H.9: Bộ điều khiển Các tín hiệu đọc được từ các cảm biến sẽ được hai con vi điều khiển truyền thông qua lại với nhau và tín toán các thông số Fuzzy-PID và xuất ra tìn hiệu điều khiển phù hợp Thuật toán đề xuất của chúng tôi như sau, board chủ sẽ đọc dữ liệu Encoder từ 4 bánh và dòng điện qua động cơ, sau đó sẽ dùng thuật toán Fuzzy – PID để chọn thông số thích hợp điều khiển. H.10: Mạch driver động cơ Lưu đồ giải thuật: Tín hiệu được áp dụng mô hình động học nghịch để suy ra moment cần đặt vào 4 bánh. Khi đã có moment 4 bánh cần đặt, ta đọc tín hiệu cảm biến dòng và encoder 4 bánh. Dựa vào tín hiệu cảm biến ta có bảng mờ hóa thông số PID để phù hợp điều khiển. 3. KẾT QUẢ Qua quá trình thực hiện, kết quả quan trọng nhất của đề tài là chế tạo và điều khiển được mô hình robot vượt địa hình làm nền tảng cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài khi tích hợp thêm các module chức năng khác. Xe ghế đa hướng sau khi chế tạo đã thực hiện được những chức năng như: Xe có thể di chuyển ổn định và êm ái trong điều kiện nền bằng phẳng trong nhà xưởng, bệnh viện, văn phòng…với tốc độ 6km/h. Hệ thống điều khiển đơn giản thân thiện bằng joystick với 6 hướng cơ bản dễ sử dụng. Hệ thống giảm sốc hoạt động hiệu quả giúp xe không những di chuyển tốt trên địa hình bằng phẳng mà còn di chuyển được trên những địa hình gồ ghề Ắc quy dung lượng cao giúp thời gian vận hành liên tục lên đến 8 giờ. 100 Đặng Văn Nghìn, Phạm Thành Kha, Phan Huỳnh Lâm, Trương Thế Dũng VCM2012 H.11: Xe ghế đa hướng hoàn chỉnh B.2: Thông số xe ghế Lời cảm ơn Chúng tôi cám ơn sự giúp đỡ của Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống (DCSELAB) đã hỗ trợ kinh phí đễ thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo mô hình xe ghế (WheelChair) đa hướng linh hoạt”, mã số B2012-20b-01. Tài liệu tham khảo [1] Benjamin Woods, “Omni-directional Wheelchair”, the university of Western Australia, 10/2006 [2] Quang. Ng.Ph.; Dittrich, J A.: Praxis der feldorientierten Drehstromantriebs-regelungen. 2. Aufl., Expert-Verlag, 1999 [3] Yeh-Liang Hsu, Po-Er Hsu, Chau-Heng Tu, Chia-Hung Lu, Yan-Wei Chen, Yeh-Liang Hsu, “Platform Design For The Intelligent Robotic Wheelchair”, the 25 th World Electric Vehicle Symposium and Exposition (EVS 25), Shenzhen, China. [4] R.P.A van Haendel, “Design of an Omnidirectional universal mobile platform”, National University of Singapore [5] L.Gracia and J.Tornero, “Kinematic Control Of Wheeled Mobile Robots”, Deparment of Systems Engineering and Controll (DISA), Polytechnic University of Valencia (UPV), Camino de Vera s/n, E-46022 Valencia, Spain, 2008 [6] Nkgatho Tlale, Mark de Villiers, “Kinematics and Dynamics Modelling of a Mecanum Wheeled Mobile Platform”, Council for Scientific and Industrial Research Pretoria, RSA [7] Ryan Thomas, “Omni-directional Mobile Platform for the Transportation of Heavy Objects”, Massey University, New Zealend, 2011 [8] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển, “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập 1-2”, NXB Giáo Dục Việt Nam, 3/ 2010 [9] Nguyễn Trọng Hiệp. “Chi tiết máy,Tập1-2”, NXB Giáo Dục Việt Nam, 4 /2009 . bày thiết kế, chế tạo xe ghế và bộ điều khiển của xe. 2. Thiết kế bộ điều khiển Để thực hiện được các yêu cầu di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp và gồ ghề, xe ghế đa hướng cần có kết. 96 Đặng Văn Nghìn, Phạm Thành Kha, Phan Huỳnh Lâm, Trương Thế Dũng VCM2 012 Thiết kế bộ điều khiển xe ghế đa hướng linh hoạt Design the controller of omnidirectional wheelchair PGS.TS Đặng. và cách điều khiển riêng. Với việc thiết kế bộ điều khiển cho xe thì cần phải đảm bảo các yêu cầu: Phải điều khiển được moment và đảm bảo đủ moment để xe không bị trượt. Kết cấu xe phải