nghiên cứu thiết kế chế tạo cơ cấu di chuyển linh họat cho robot

thấy nó có các đặc tính thú vị, chẳng hạn như trên một chiếc xe sáu bánh xe sử dụng hai bánh xe thông thường trên một trục trung tâm và bốn bánh xe omni về phía trước và trục sau, cơ cấu

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

MÃ SỐ: T2010 - 36

S 0 9

S KC 0 0 2 9 7 7

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ - CHẾ TẠO

CƠ CẤU DI CHUYỂN LINH HỌAT CHO ROBOT

Nghiên cứu thiết kế- chế tạo cơ cấu

di chuyển linh hoạt cho robot

hệ di chuyển cho robot loại bánh xe omni rất linh hoạt với các bánh xe đa huớng omni bố trí lệch nhau 120 độ

Omni-drive operate by having individual wheels apply torque in one direction in the same way as a regular wheel, but are able to slide freely in another direction (often perpendicular to the torque vector) The key advantage of omni-drive systems

is that translational and rotational motion are decoupled for simple motion

However, in considering the fastest possible motion this is not necessarily the case

In this paper, we review all the current popular designs of omni-drive transport systems, and compare them in terms of practical and theoretical considerations We then present a kinematic analysis that applies to two major omni-drive robot

vehicles classes, for any number of wheels Finally, we show that for three-wheeled omni-drive transport systems and certain ranges of trajectories and starting

conditions, a curved path can be traversed faster than a straight-line path, we confirm this result experimentally it is very flexible with omni omni-directional wheel layout 120 degrees offset each other.

MỤC LỤC PHẦN 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ

I Đối tượng nghiên cứu

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

III Những vấn đề còn tồn tại

PHẦN 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Mục đích đề tài

II Phương pháp nghiên cứu

III Nội dung

Phần 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

I Đối tượng nghiên cứu

 Nghiên cứu thiết kế phưong án di chuyển cho robot với kiểu di chuyển linh hoạt theo phưong bất kỳ cho robot

 Lựa chọn cơ cấu di chuyển là loại banh xe omni với chuyển động theo hai phuơng huớng kinh va huớng trục so với trục bánh xe

 Tính toán giải thụât di chuyển cho robot

 Thiết kế chế tạo phần cơ khí cơ cấu di chuyển trên 3 bánh đa huớng omni

Với một bánh xe omni đơn Các con lăn xoay tự do làm cho các bánh xe có thể trượt theo chiều ngang hoặc quay theo chiều trục dễ dàng

Bánh xe omni đơn bánh xe hoặc bánh xe wheel Omni nhiều con lăn, tương tự như bánh xe Mecanum, là bánh xe với các đĩa nhỏ xung quanh chu vi vuông góc với hướng trục và quay xung quanh trục bản thân bánh xe đó Hiệu ứng này có các bánh

xe sẽ lăn xung quanh trục chính , nhưng cũng sẽ trượt theo chiều ngang rất dễ dàng Những bánh xe này thường được sử dụng trong các hệ thống ổ đĩa holonomic

Một ứng dụng cơ bản sử dụng ba bánh xe omni trong một cấu hình tam giác thường được gọi là Kiwi Drive

Bánh xe omni thường được sử dụng trong các robot nhỏ Trong giải đấu như

Robocup, nhiều robot sử dụng các bánh xe có khả năng di chuyển theo mọi hướng Omni bánh xe đôi khi cũng được sử dụng như là bộ vi sai để làm cho chuyển nhanh hơn, linh hoạt hơn Bánh xe omni so với các bánh xe thông thường thì chúng ta

thấy nó có các đặc tính thú vị, chẳng hạn như trên một chiếc xe sáu bánh xe sử dụng hai bánh xe thông thường trên một trục trung tâm và bốn bánh xe omni về phía trước và trục sau, cơ cấu này sẽ giúp cho xe di chuyển rất linh hoạt Mặc dù Bánh

xe omni có khả năng di chuyển trong nhiều hướng, tuy nhiên nó sẽ bị truợt và sai số rất nhiều nếu ta chọn phuợng án điều khiển cứng

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật robot di động, một trong những robot di động mới lạ, thú vị và hứa hẹn ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp, dịch vụ, dân dụng, quân sự, v.v… là robot sử dụng bánh dẫn hướng omni (gọi tắt là Omni

Robot)

Dựa trên khả năng di chuyển được theo hai hướng vuông góc của bánh dẫn hướng omni, Omni Robot có thể thực hiện những chuyển động phức tạp khác nhau hoặc không thể đối với các loại robot di động sử dụng các bánh lái độc lập Điểm đặc biệt của Omni Robot là kết hợp hướng di chuyển và chuyển động quay tròn Nhờ đó, loại robot này có thể đi lại ở các nơi chật hẹp, địa hình phức tạp

Ba bánh robot được gắn trên 3 trục khác nhau và hợp từng đôi một tạo thành góc

1200 Omni Robot có thể di chuyển vào hướng trong một góc 360o, do đó nó rất linh hoạt và đa hướng Các bánh chuyển động bởi các động cơ điện một chiều sử dụng nguồn điện DC 24V

n robot ta cũng có thể trang bị các cảm biến siêu âm và la bàn định hướng bằng

kỹ thuật số để robot có khả năng tự vận hành, tránh các vật cản và định hướng đích đến theo đúng yêu cầu

Ngoài ra, robot sẽ mang theo một máy camera không dây để truyền thông tin về vị trí tọa độ và môi trường xung quanh về cho người giám sát từ xa 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 sử dụng bánh dẫn hướng omni không phải là vấn đề mới trên thế giới Đã có rất nhiều kiểu robot omni này Trong đề tài này tác giả đưa ra giải pháp về thiết kế cho loại robot omni với 3 bánh dẫn động, so sánh với các phương án 4 bánh dẫn động và cả 5 và 6 bánh dẫn động Các thiết kế và tính toán thiết kế này đuợc sử dụng các kết quả khoa học trên hoàn toàn mang tính kế thừa và phát triển, tuy nhiên chúng tôi luôn ý thức được rằng, cái gì là nét mới trong nghiên cứu của chúng ta

Và ở đây, đó là giải bài toán điều khiển theo mục tiêu nghiên cứu đề ra của tác giả

Có thể khẳng định rằng, có rất nhiều bài toán điều khiển cho các loại robot khác nhau, Nhưng sự thành công của các thuật toán điều khiển đều ở mức giới hạn trong

Hinh 1.1 Omni robot do đại học Bách Khoa Tp.HCM chế tạo

điều kiện ban đầu đặt ra của robot Ví dụ, robot di chuyển trong môi trường nào, robot có những hành vi gì, robot di chuyển với độ chính xác như thế nào là chấp nhận được, các cảm biển chuyên dụng gì được sử dụng trong điều kiện của robot Thật không đơn giản để sử dụng lại các giải thuật được công bố! Những kinh nghiệm học được qua các bài báo là khả năng của các loại điểu khiển (điều khiển tuyến tính, phi tuyến, điều khiển tối ưu, thông minh

III Những vấn đề còn tồn tại

Về mặt thiết kế và chế tạo, chúng tôi thường gặp khó khăn trong lựa chọn vật liệu

để chế tạo robot Khó khăn nữa là, điều kiện tham quan học tập trong nước và đặc biệt là quốc tế còn rất ít, các ý tưởng sáng tạo thường bị giới hạn trong nhận thức và suy nghĩ Phương pháp làm việc và quản lý theo nhóm và ý thức tự giác, trách nhiệm chưa tốt

Tuy nhiên, tác giả luôn sẵn sàng và đủ niềm tin trong chế tạo robot một khi có được môi trường làm việc và nghiên cứu tốt, mong muốn được tiếp cận các thông tin khoa học, đủ năng lực để độc lập làm việc và phát kiến sáng tạo Đồng thời, sẵn sàng và tiếp thu rất nhanh các cái mới

Từ những hạn chế trên, ta thấy việc nghiên cứu và chế tạo một cơ cấu di chuyển linh hoạt chuyên dụng cho robot dựa trên các linh kiện có sẵn trong nước là vấn đề rất đáng quan tâm và nghiên cứu, thiết kế có thể tùy biến phù hợp với điều kiện hiện nay, giá thành thấp Đó cũng chính là hướng nghiên cứu của đề tài

Phần 2 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Mục đích đề tài

Đề tài cần giải quyết các vấn đề sau:

 Nghiên cứu, tìm hiểu giải thuật di chuyển cho robot

 Tìm hiểu, lựa chọn phuơng án tốt nhất cho việc chế tạo cơ cấu di chuyển linh hoạt phù hợp với điều kiện hiện nay

 Thiết kế cơ cấu di chuyển cho robot bằng bánh xe omni đa hướng

 Chế tạo khung robot và bố trí lắp đạt các bánh xe omni

II Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với các phương pháp sau:

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các cơ cấu di chuyển linh hoạt

 Khảo sát, tìm hiểu nguyên lý hoạt động một số loại bánh xe duợc sử dụng cho các cơ cấu di chuyển phức tạp trên mặt phẳng

 Phân tích so sánh các cơ cấu di chuyển truyền thống trên robot

 Thực nghiệm tìm ra giải pháp tối ưu

III Nội dung

3.1 Tổng quan về các phương án di chuyển của bánh xe omni

Chuyển động cơ bản nhất, thông dụng nhất và phổ biến nhất của bánh xe omni là cho phép chuyển động tự do theo một hướng khác không phải là song song với hướng lái của bánh xe Bằng cách kết hợp các bánh xe này, mỗi bánh xe có thể tác dụng một lực vào trọng tâm của cơ cấu di chuyển và mỗi bánh xe có các trục dọc

mà nó có thể tự do xoay, tốc độ có thể được tạo ra bởi các bánh xe khác theo các hướng khác nhau Điểm đặc biệt của loại bánh xe này là đa hướng có thể được tách thành hai lớp cơ bản: trực giao bánh xe (bánh xe gần như hình cầu)

Hinh 3.1 bánh xe đa hướng omni do trung quốc chế tạo

Hinh 3.2 bánh xe đa hướng kiểu một vành trục lăn

Hinh 3.3 bánh xe đa hướng omni kiểu hai vành trục lăn

Hinh 3.4 Cấu tạo bánh xe đa hướng omni kiểu 2 vành trục lăn 6 con lăn

Hinh 3.5 phương án bố trí bánh xe đa hướng omni theo hai phương trục

cắt nhau

Các bánh xe được dùng phổ biến (xem hình 3.5) có một tập các con lăn thẳng xung quanh mép của nó mà làm cho tiếp xúc với mặt đất Carlisle [2] mô tả hai thiết kế bánh xe thay thế Trong thiết kế tiêu chuẩn các con lăn được liên kết để các bánh xe

có thể lăn tự do trực giao với hướng điều khiển cơ cấu di chuyển Chúng tôi thấy bánh như bánh xe hai trục vuông góc nhau Cơ bản với ba hoặc nhiều bánh xe như vậy có thể phối hợp các chuyển động tạo ra chuyển động đa hướng, nghĩa là, các chiều quay có thể được thực hiện độc lập Một thiết kế bánh xe thứ hai có các con lăn có thể bánh xe tự do ở một góc độ không trực giao với hướng lái của bánh xe, thông thường là 45 độ Bánh xe loại 2 trục trực giao thường được đặt tất cả ở cùng một khoảng cách từ trung tâm của hệ thống giao thông với vector hướng lái xe của

họ liên kết tiếp tuyến với đường tròn kết nối chúng, và với một góc độ đồng đều giữa các cặp bánh xe, xem hình 3.6 Cả ba [2] và bốn [1] với phuông án bố trí các bánh xe được trình bày dưới đây

Vetơ tổng

Hinh 3.6 trường hợp bánh xe đa hướng omni đặt lệch nhau 120 độ

F180 Robocup đội đã chứng minh rằng hệ thống treo là không cần thiết cho hệ thống bốn bánh nếu mặt đất bằng phẳng Các cấu hình tiêu chuẩn (ví dụ, [2,5]) có hai hàng của hai bánh xe với tất cả hướng dẫn lái xe phù hợp Chuyển tiếp chuyển động xảy ra do lái xe tất cả các chuyển động cơ, dao động xảy ra bằng cách đặt mỗi động cơ theo hướng đối diện với các cụm bánh xe kề bên Nó tạo mô men quay cho trung tâm cơ cấu di chuyển, sụ rung lắc đó có thể được gây ra bởi quay các bánh xe trên một mặt theo chiều ngược lại của phía bên kia Tuy nhiên, các nền tảng như vậy cũng nên loại trừ để đảm bảo mối liên hệ của các bánh xe trên cơ cấu di chuyển với mặt đất trên bề mặt không đồng đều, và sẽ phức tạp trong thiết kế Carlisle cũng chỉ trích hiệu quả kém của các chuyển động ngang [2]

Hinh 3.7 phương án bố trí bánh xe đa hướng omni theo ba phương trục

cắt nhau

3.2 phân tích chuyển động của bánh xe đa hướng omni

Trong đề tài này, chúng tôi phân tích các chuyển động của các hệ thống di chuyển omni Chúng tôi lần đầu tiên mô tả các chuyển động của một hệ thống đơn giản omni hai bánh xe Chúng tôi sử dụng phương án này để giới thiệu các yếu tố augmentation vận tốc, phương trình chuyển động, và lấy được các trường hợp tổng quát cho hệ thống n một bánh Trong phân tích này, chúng tôi xem xét trường hợp của bánh xe hai trục vuông góc, tuy nhiên, phân tích là như nhau cho việc thiết kế bánh xe trực giao vuông góc

3.3 hệ thống bánh omni đơn giản

Một bánh xe duy nhất chỉ có thể đẩy bản thân theo hướng vuông góc với trục của

nó Các hệ thống đơn giản omni-bánh xe có thể có khả năng di chuyển trong một phương nào đó khác hơn là một đường thẳng có hai bánh gắn liền với nhau để hướng nó đẩy một lực không song song, như trong hình 3.8 Do hai bánh omni đặt lệch nhau theo một góc, bằng cách thay đổi tốc độ mà mỗi bánh xe quay, ta có thể cho cơ cấu quay bất kỳ hướng nào mà chúng ta chọn Nó phải được ghi nhận vào thời điểm này là hệ thống được mô tả trong hình 3.8 không phải là một cụm truyền động omni chỉ có 2 bánh xe mà đòi hỏi tối thiểu ba bánh xe để giữ thăng bằng cho

hệ thống di chuyển

xe có thể có được một tốc độ (theo hướng của nó trượt) mà không áp dụng bất kỳ động lực bản thân Lực lượng này xuất phát từ sự chuyển động của bánh xe khác Chúng tôi xem như vận tốc vận tốc này gây ra.xem hình 3.9

Hình 3.9 : hai bánh xe trên bên phải là xe bánh xe lái Bánh xe bên trái bị khóa, Vw1 là vận tốc của lái xe một bánh xe, và Vinw2 là vận tốc của bánh xe thứ hai gây

ra

Trong 3.9 Hình, bánh xe 1 (phải) là bánh lái , trong khi bánh xe 2 (trái) bị khóa, đó không phải là có thể xoay về trục của nó Giả sử không có sự trượt, chỉ lăn theo hướng vuông góc với hướng lái của bánh xe 2 là có thể Trong trường hợp này, hệ thống sẽ xoay về một điểm duy nhất mà phải nằm dọc theo một đường thẳng góc với vận tốc của mỗi bánh xe Trung tâm của vòng quay có thể được tìm thấy tại các

Hinh 3.9 phương án bố trí bánh xe bên phải di động, bánh xe trái cố định

giao điểm của đường vuông góc với Vw1 và Vinw2 2 bánh xe, cung cấp không có động lực, đã thu được những Vinw2 vận tốc Đây là tốc độ gây ra 2,3 bánh Omni

hệ thống chuyển động Bây giờ chúng ta quan sát các chuyển động của một hệ thống bánh omni đơn giản, nơi mà vòng quay là cố định Hãy quan sát hình 3.10 hiển thị các vectơ chỉ phương trên một bánh xe di chuyển

Bây giờ chúng ta phân tích sự di chuyển của hệ thống bánh xe omni đơn giản với trường hợp hệ không quay Hình 3.10 mô tả vectơ tổng phối hợp hai chuyển động theo 2 phương của bánh xe

Trong đó, Vw là vận tốc của bánh xe , θ là góc hợp giữa hai vận tốc theo hai phương của bánh xe Vin là vận tồc kéo theo của bánh xe.φ là góc hợp bởi vectơ

Vectơ tổng

Hinh 3.10 phân tích vận tốc hệ bánh xe omni gồm 3 bánh đặt lệch nhau 120 độ

Ta có Vw là vận tốc của bánh xe, θ là góc bánh xe tham khảo, Vin là vận tốc gây ra trên bánh xe, φ là cơ quan tham chiếu vận tốc góc, và Vb là tốc độ bản thân của robot

Ta có Vin và Vw luôn trực giao:

Vb2 = Vw2 + Vin2 (1)

Ngoài ra:

Vin2 = Vb2 + Vw2 - 2 Vw Vb cos (θ - φ)

= Vb2 + Vw2 - 2 Vw Vb (cosθ cosφ + sinθ sinφ) (2)

Thay thế (2) vào (1), chúng tôi có thể có được:

Vw = Vb (cosθ cosφ + sinθ sinφ) (3)

Đối với một vận tốc quay nhất định là trung tâm của quần chúng, Ψ &, mỗi bánh xe, phải áp dụng vận tốc:

Ψ = & RVw, (4)

trong đó R là khoảng cách của bánh xe từ trung tâm của đại chúng Như vậy, đối với từng bánh xe:

Ψ + + = & RVVbw) sinsincos (cosφθφθ (5)

Đây là một phương trình chung mà không phụ thuộc vào số lượng các bánh xe Hãy xem xét một chiếc xe ba bánh omni-directional có bánh xe được bố trí ở góc 0 °,

120 ° và · 240, phương trình (5) năng suất:

Bánh xe 1 (θ = 0 °): (6) Ψ + = & RVVbwφcos1

Bây giờ, hãy xem xét lại hệ thống thể hiện trong hình 3., với điều kiện ban đầu: θ = 60°, Vw = 1, φ = 90 ° Thay thế các giá trị này vào phương trình (3) cho: Vb = 2 / 3

Vì vậy, việc bổ sung các omni-bánh xe góc cạnh có thể dẫn đến một tốc độ cơ cấu

di chuyển lớn hơn vận tốc xuyên tâm tối đa của bánh xe Ta tham khảo thêm vận tốc này là vận tốc Augmentation Factor (VAF)

Bây giờ chúng ta áp dụng phương trình (3), đặc biệt là VAF, với một số mẫu thiết

kế hệ thống bánh xe omni, như trong Hình 3.12 theo lý thuyết VAF và vận tốc trung bình thu được bằng φ khác nhau trong phạm vi 0 ° - 360 °

Hơn nữa, khi số lượng trên bốn bánh xe tăng, trong khi số lượng tăng lên, chiều cao của các sẽ luôn luôn nhỏ hơn 2, là một góc của góc độ tương đối của các bánh xe ảnh hưởng đến các VAF

Hình 3.12 3,4 và 5 bánh xe omni kết hợp thành một hệ