Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mobile robot vượt địa hình

Mobile robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các hoạt động phục vụ đời sống thường ngày như: Lau dọn, trông nom nhà cửa,… hoặc vận chuyển vật liệu cần thiết ở các nhà máy,

I

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Chữ ký của giáo viên hướng dẫn

II

NHẪN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Chữ ký của giáo viên phản biện

III

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học - kỹ thuật và thực tiễn 3

6 Tóm tắt nội dung báo cáo 3

CHƯƠNG I 5

GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của mobile robot 5

1.2 Phân loại mobile robot 7

1.2.1 Phân loại theo theo phương pháp di chuyển 7

1.2.1.1 Robot sử dụng bánh xe 7

1.2.1.2 Robot di chuyển sử dụng chân 7

1.2.2 Phân loại theo môi trường hoạt động 8

1.2.2.1 Mobile robot trên không 8

1.2.2.2 Mobile robot di chuyển dưới nước 9

1.2.2.3 Mobile robot di chuyển trên mặt đất 10

1.2.3 Phân loại theo phương pháp điều khiển 10

1.2.3.1 Mobile robot tự trị (Autonomous robot) 10

1.2.3.2 Mobile robot điều khiển từ xa (Remote control robot) 10

1.2.3.3 Mobile robot di chuyển theo lộ trình (Move robot schedule) 11

1.3 Ứng dụng của mobile robot 11

CHƯƠNG II 17

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Động học mobile robot 17

2.1.1 Khái niệm và bài toán đặt ra 17

IV

2.1.2 Mô hình bánh xe robot 18

2.1.3 Phương trình động học robot 19

2.2 Động lực học mobile robot 22

2.3 Động lực học tay máy 33

2.4 Các phương thức truyền thông và giao tiếp vi điều khiển 42

2.5 Động cơ điện một chiều 48

CHƯƠNG III 52

THIẾT KẾ HỆ THỐNG 52

3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 52

3.1.1 Thiết kế mobile robot 52

3.1.1.1 Thiết kế nguyên lý di chuyển của mobile robot 52

3.1.1.2 Tính chọn động cơ 53

3.1.1.3 Tính toán một số chi tiết khác 55

3.1.2 Thiết kế tay máy 62

3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 67

3.2.1 Chức năng của hệ thống điều khiển 67

3.2.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển 68

3.2.2.1 Vi điều khiển trung tâm PIC18F4520 69

3.2.2.2 Tay PS2 70

3.2.2.3 Module RF 73

3.2.2.4 Camera 74

3.2.3 Thiết kế mạch nguyên lý 76

3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch phát 76

3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch thu 77

3.2.4 Lưu đồ thuật toán 78

3.2.5 Mô phỏng hệ thống điều khiển 85

CHƯƠNG IV 86

CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 86

V

4.1 Chế tạo hệ thống cơ khí 86

4.1.1 Chế tạo tay máy 86

4.1.1.1 Tay ngắn 86

4.1.1.2 Tay dài 88

4.1.1.3 Trục khâu số 3 90

4.1.1.4 Ôm động cơ khâu số 3 92

4.1.1.5 Trục khâu số 2 94

4.1.1.6 Gối đỡ ổ bi trên tay máy 96

4.1.1.7 Nối trục động cơ khâu số 2 99

4.1.1.8 Tấm đế trên 100

4.1.1.9 Tấm đế dưới 102

4.1.2 Chế tạo mobile robot 105

4.1.2.1 Thân xe 105

4.1.2.2 Nắp thân xe 106

4.1.2.3 Trục chính 109

4.1.2.4 Khớp tự lựa 110

4.1.2.5 Càng xe 112

4.2 Xây dựng bộ điều khiển 115

4.3 Lắp ráp và thử nghiệm hệ thống 120

4.3.1 Lắp ráp hệ thống 120

4.3.2 Thử nghiệm hệ thống 121

CHƯƠNG V 123

KẾT LUẬN 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

PHỤ LỤC 1 129

CODE CHƯƠNG TRÌNH MATLAP 129

PHỤ LỤC 2 138

CODE LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 138

VI

PHỤ LỤC 3 158 BẢN VẼ TỔNG THỂ VÀ BẢN VẼ CHI TIẾT 158

VII

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT

5 Jb1,Jb2 Momen quán tính của từng bánh xe Kg/m2

6 mb1, mb2 Khối lượng bánh xe 1, bánh xe 2 Kg

7 V b1,V b2 Vận tốc dài bánh 1, bánh 2 m/s

VIII

21 D sb Đường kính sơ bộ của trục động cơ mm

26 J2 Là momen quán tính khối tâm khâu 2 Kg/m2

28 J3 Là momen quán tính khối tâm khâu 3 Kg/m2

IX

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot di chuyển dạng 7

Hình 1.2 Robot di chuyển sử dụng 8

Hì 3 M y ay k ô g gười 9

Hình 1.4 Mobile robot di chuyể dưới ướ 9

Hình 1.5 Mobile robot di chuyển trên mặt 10

Hình 1.6 Robot 11

Hình 1.7 Robot vận chuyển trong nhà máy sản xu t xe y 12

Hình 1.8 SMP 3 13

Hình 1.9 Robot H 14

Hình 1.10 PackBot 14

Hình 1.11 Robot cứu hỏa 15

Hình 2.1 Moibile robot 4 bánh 18

Hì Mô ì ã ượ ý ưởng a 18

Hì 3 Mô ì ộng học của 19

Hình 2.4 Các bài toán về chuyể ộng trong thực tế của robot 22

Hình 2.5 Vận tốc của xe ở ường bằng 23

Hì Đồ thị công su t theo thờ g a , à ường bằng 27

Hình 2.7 Xe ở trạng thái lên dốc 28

Hì Đồ thị công su t theo thời gian bài toán lên dốc 33

Hì Đồ thị biến thiên momen và công su ộ g ơ ời gian 42

Hì Đồ thị biến thiên momen và công su ộ g ơ ời gian 42

Hì Đồ thị biến thiên momen và công su ộ g ơ 3 ời gian 42

Hì ơ ồ p ươ g p p yền thông song song 43

Hì 3 ơ ồ p ươ g p p yền thông nối tiếp 43

Hình 2.14 Giao diện SPI 45

Hì Đặ í ơ ủa ộ g ơ k ay ổ ện p 3 49

Hì Ng yê ý ều chế ộ rộng g 50

Hì ơ ồ mạch cầ H ơ g ản 51

Hình 3.1 Mô phỏng kết c u của robot 52

Hình 3.2 Các trạng thái của robot trong thực tế 53

X

Hì 3 3 Độ g ơ p a 3 55

Hình 3.4 Tổng hợp các lực tác dụng lên trục 56

Hình 3.5 Biể ồ momen uố p ươ g 59

Hình 3.6 Tổng hợp các lực tác dụng lên ổ ă 60

Hình 3.7 Cánh tay hệ tọa ộ cầu RRR 63

Hì 3 Đồ thị biến thiên momen và công su ộ g ơ ời gian 63

Hì 3 Đồ thị biến thiên momen và công su ộ g ơ ời gian 63

Hì 3 Đồ thị biến thiên momen và công su ộ g ơ 3 ời gian 64

Hì 3 Độ g ơ k ớp 3 64

Hì 3 Độ g ơ k ớp 3 65

Hì 3 3 Độ g ơ k ớp 3 3 66

Hì 3 ơ ồ khối hệ thố g ều khiển 67

Hì 3 ơ ồ chân 69

Hì 3 ơ ồ u dây của tay 3 71

Hình 3.17 Module E17-TTL- 3 73

Hình 3.18 SJCAM X 3 3 74

Hình 3.19 FPV 3 3 75

Hình 3.20 Màn hình hiển ị 3 75

Hì 3 ơ ồ u dây mạch phát 76

Hì 3 ơ ồ u dây mạch thu 77

Hình 3.23 Mô phỏng hệ thố g ều khiển bằng Proteus 85

Hình 4.1 Bản vẽ chi tiết tay ngắn 87

Hình 4.2 Tay ngắn sau chế tạo 88

Hình 4.3 Bản vẽ chi tiết tay dài 89

Hình 4.4 Tay dài sau chế tạo 90

Hình 4.5 Bản vẽ chi tiết trục khâu số 3 91

Hình 4.6 Trục khâu số 3 sau khi chế tạo 92

Hình 4.7 Bản vẽ chi tiế ô ộ g ơ k số ba 93

Hì Ô ộ g ơ k 3 sa ế tạo 94

Hình 4.9 Bản vẽ chi tiết trục khâu số 2 95

Hình 4.10 Trục khâu số 2 sau chế tạo 96

Hình 4.11 Bản vẽ chi tiết gố ỡ ổ bi trên tay máy 97

Hình 4.12 Gố ơ ổ bi trên tay máy sau chế tạo 98

Hình 4.13 Bản vẽ chi tiết nối trục khâu số 2 99

XI

Hình 4.14 Nối trục khâu số hai 2 chế tạo 100

Hình 4.15 Bản vẽ chi tiết t ế trên 101

Hình 4.16 T ế trên sau chế tạo 102

Hình 4.17 Bản vẽ chi tiết t ế dưới 103

Hình 4.18 T ế dưới sau chế tạo 104

Hình 4.19 Bản vẽ chi tiết thân xe 105

Hình 4.20 Thân xe sau chế tạo 106

Hình 4.21 Bản vẽ chi tiết nắp thân robot 107

Hình 4.22 Nắp thân sau khi chế tạo 108

Hình 4.23 Bản vẽ chi tiết trục chính 109

Hình 4.24 Trục chính sau chế tạo 110

Hình 4.25 Bản vẽ chi tiết khớp tựu lựa 111

Hình 4.26 Khớp tự lựa sau khi chế tạo 112

Hình 4.27 Bản vẽ chi tiết càng xe 113

Hình 4.28 Càng xe sau khi chế tạo 114

Hình 4.29 Pin Lipo 22.2V (6S) và 11.1V (3S) 115

Hì 3 ơ ồ mạch hạ ện áp xuống 5V 115

Hình 4.31 Module Buck DC-DC 3A 116

Hì 3 ơ ồ chân của PIC18F4520 116

Hình 4.33 Mạch phát tín hiệ ều khiển 117

Hình 4.34 Mạch giải mã và xử lý tín hiệ ều khiển 117

Hình 4.35 Module RF truyền nhận tín hiệ ều khiển 118

Hình 4.36 Mạch công su t MB3B 118

Hì 3 ơ ồ khối của MB3B 119

Hình 4.38 Mạch công su t MC33486 119

Hình 4.39 Hệ thố g ay ều khiển PS2, mạ ều khiển và màn hình hiển thị 120

Hình 4.40 Hệ thống mạch xử lí tín hiệ ều khiển và driver 120

Hình 4.41 Robot sau khi lắp ráp hoàn chỉnh 121

XII

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tải trọ g da g ĩa vò g 61 Bảng 3.2 Hệ số tải trọ g ướ g X và ướng trục 61

XIII

LỜI NÓI ĐẦU

Trong suốt quá trình phát triển, loài người luôn tạo ra những công cụ lao động mới

để nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng cuộc sống, hạn chế rủi ro tai nạn lao động, Mobile robot chính là một trong những công cụ lao động đó - một công cụ lao động thông minh

Mobile robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các hoạt động phục vụ đời sống thường ngày như: Lau dọn, trông nom nhà cửa,… hoặc vận chuyển vật liệu cần thiết ở các nhà máy, xưởng sản xuất trong công nghiệp Tới các công việc

có tính chất phức tạp trong hàng không vũ trụ như: Thám hiểm, lấy mẫu phân tích

số liệu,… Hay các công việc trong quân sự như: Do thám, trinh sát, rà phá bom mìn,…

Từ những mobile robot ban đầu còn đơn giản, nhiều hạn chế về mặt công nghệ trải qua quá trình phát triển, ngày nay mobile robot đã có nhiều thay đổi: Hoạt động với

độ chính xác cao, khả năng di chuyển linh hoạt trên địa hình phức tạp, thời gian hoạt động lâu hơn,… Những thành tựu trên có được là nhờ các hoạt động nghiên cứu, thử nghiệm của nhiều thế hệ kỹ sư, nhà khoa học

Với mong muốn khám phá thực tiễn hoạt động nghiên cứu và tạo ra một robot có

thể sử dụng trong thực tế nhóm chúng em đã chọn “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mobile robot vƣợt địa hình” làm đề tài nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em đã học hỏi được nhiều kiến thức quý báu, không chỉ là kiến thức chuyên môn mà còn cả những kinh nghiệm sống và hoạt động nhóm Đây là những trang bị rất có ích cho cuộc sống cũng như công việc trong tương lai của chúng em

Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn đã tận tình giúp đỡ

chúng em trong quá trình thực hiện đề tài Đặc biệt là thầy Khổng Minh, người đã

XIV

trực tiếp hướng dẫn chúng em trong thời gian qua Thầy đã là người định hướng,

tạo động lực giúp chúng em học tập, nghiên cứu Chúng em cũng xin cảm ơn toàn

thể cán bộ công nhân viên công ty cổ phần công nghiệp phụ trợ FV đã tạo điều kiện

giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tuy đã dành nhiều sự đầu tư vào đồ án nhưng cũng không thể tránh được sự thiếu

sót trong quá trình thực hiện Chúng em xin cảm ơn và mong nhận được sự đóng

góp ý kiến từ phía các thầy cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 3 tháng 5 năm 2016 Nhóm sinh viên thực hiện Nhâm văn Tùng Phạm Quang Sơn Hoàng Văn Công Nguyễn Tiến Thành

Ngoài ra ở nước ta hàng năm xảy ra rất nhiều vụ hỏa hoạn Theo thống kê của Bộ Công An năm 2015 xảy ra gần 2792 vụ cháy làm 62 người chết, 264 người bị thương, thiệt hại về tài sản lên tới 1498 tỷ đồng 1.2 Trong đó có nhiều vụ cháy lớn xảy ra ở khu chung cư, chợ, trung tâm thương mại, khu công nghiệp làm cho quá trình chữa cháy diễn ra hết sức khó khăn và nguy hiểm

Ở trên chỉ là hai trong số rất nhiều công việc nguy hiểm mà trước nay ở nước ta vẫn

do con người trực tiếp xử lý Vì vậy tìm kiếm một giải pháp đảm bảo an toàn cho con người khi thực hiện nhiệm vụ thực sự rất cần thiết, một giải pháp được đưa ra

đó là sử dụng robot Trên thế giới ứng dụng công nghệ này rất phổ biến nhưng ở trong nước vẫn chưa được áp dụng vì nhiều nguyên nhân như: Giá của một robot như vậy rất cao so với điều kiện kinh tế nước ta, vấn đề bảo mật thông tin,…

Để góp phần giải quyết vấn đề trên nhóm chúng em đã quyết định chọn “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mobile robot vƣợt địa” làm để tài nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm chúng em đã tiến hành tìm hiểu về nhiều mẫu mobile robot hiện có trên thế giới để tìm ra một mẫu phù hợp với địa hình ở Việt Nam cũng như mục đích ứng dụng của đề tài

2

2 Mục tiêu của đề tài

Dưới đây là một số thông số kỹ thuật mục tiêu của robot:

- Robot có vận tốc tối đa khi chạy ở đường bằng là 3,6km/h

- Thời gian tăng tốc của robot trên đường bằng từ 0 lên 3,6km/h là 3s

- Robot có thể leo rốc với độ nghiêng 150

- Tải trọng tối đa robot có thể mang là 10Kg

- Robot có thể tích hợp thêm các module mở rộng

- Module cánh tay của robot có thể nâng được vật nặng khoảng 0.5Kg

- Robot được điều khiển từ xa bằng sóng RF với bán kính hoạt động trong môi trường không có vật cản khoảng 100m

3 Nội dung nghiên cứu

- Bài toán động học mobile robot làm nền tảng cho việc phát triển robot theo hướng tự trị trong tương lai

- Bài toán động lực học mobile robot làm cơ sở cho việc tính toán lựa chọn động

cơ cho robot

- Bài toán động lực học tay máy để tính toán lựa chọn động cơ cho module tay máy

- Các chuẩn truyền thông và giao tiếp vi điều khiển phục vụ cho việc lập trình điều khiển robot từ xa

- Phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm cơ sở để điều khiển robot

4 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp lý thuyết

Xây dựng các bài toán (động lực học mobile robot, động lực học tay máy) về quá trình hoạt động trong thực tiễn để tính toán các chi tiết chính của robot, đồng thời nghiên cứu các cở sở lý thuyết về điều khiển để thiết kế hệ thống điều khiển

3

 Phương pháp thực nghiệm

Do giữa lý thuyết và kết quả thực tế luôn có sự sai lệch nên sau khi chế tạo robot cần phải được thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá lấy kết quả so sánh với mục tiêu ban đầu của đề tài Đồng thời dựa vào kết quả của thực nghiệm để tiến hành hoàn thiện phần điều khiển robot sao cho chính xác nhất

5 Ý nghĩa khoa học - kỹ thuật và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học - kỹ thuật

Xây dựng được một quy trình thết kế chế tạo mobile robot, tạo ra cơ sở dữ liệu tính toán thuận tiện cho việc phát triển mobile robot

 Ý nghĩa thực tiễn

Tạo ra được một nền tảng mobile robot có ứng dụng trong thực tế phục vụ con người trong các nhiệm vụ nguy hiểm

6 Tóm tắt nội dung báo cáo

Trong báo cáo này nhóm chúng em đã trình bày một cách cụ thể về quá trình nghiên cứu từ tìm hiểu, đánh giá, tính toán, đến thiết kế, chế tạo robot cùng với đó

là những đánh giá khách quan, chủ quan của nhóm về quá trình thực hiện đề tài Báo cáo gồm 5 chương được sắp xếp theo thứ tự quá trình thực hiện đề tài

Chương I - Tổng quan: Giới thiệu về khái niệm mobile robot, lịch sử phát triển,

phân loại và ứng dụng của chúng Song song với đó là trình bày về những hiểu biết

mà chúng em tích lũy được sau quá trình tìm hiểu về một số mẫu robot được sử dụng nhiều trong thực tế

Chương II - Cơ sở lý thuyết: Xây dựng các bài toán về quá trình hoạt động của

robot trong thực tế, đưa ra công thức tổng quát đồng thời thực hiện các nghiên cứu

về các chuẩn truyền thông và giao tiếp, các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều làm cơ sở thiết kế hệ thống

4

Chương III - Thiết kế hệ thống: Dựa vào những cơ sở lý thuyết từ chương II tiến

hành tính toán lựa chọn động cơ, tính toán kích thước các trục,… Sau đó thực hiện thiết kế robot về cả phần điều khiển và phần cơ khí

Chương IV - Chế tạo và thử nghiệm hệ thống: Trình bày về quá trình gia công

lắp ráp và thử nghiệm robot

Chương V - Kết luận: Tổng kết đánh giá về quá trình thực hiện đề tài

5

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của mobile robot

Mobile robot được hiểu là một loại máy tự động có khả năng di chuyển (“A mobile robot is an automatic machine that is capable locomotion” – Wikipedia 1.3 ) Môi trường hoạt động của mobile robot có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hoặc tổ hợp giữa chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển rất đa dạng, có thể bằng phẳng nhưng cũng có thể mấp mô, gồ ghề

Mobile robot từ những ngày đầu, trải qua quá trình phát triển tới ngày nay đã có nhiều sự thay đổi, đặc biệt là những công nghệ sử dụng trong chế tạo robot Dưới đây là một số mốc lớn trong lịch sử phát triển của mobile robot được trích dẫn từ

“ Wikipedia”. 1.4

Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong chiến tranh thế giới thứ II những mobile robot đầu tiên xuất hiện, hầu hết chúng là những quả bom bay Đó là kết quả của những thành tựu công nghệ mới có liên quan tới khoa học máy tính và điều khiển

Từ năm 1948 đến năm 1949: W.Gray Walter đã chế tạo nên Elmer và Elsie, hai con robot tự động được trang bị cảm biến ánh sáng, nếu chúng phát hiện được nguồn sáng chúng sẽ di chuyển về phía đó, ngoài ra chúng có khả năng tránh chướng ngại vật trên đường di chuyển

Từ năm 1961 đến năm 1963: Trường đại học Jonhs Hopkins phát triển mobile robot Beast, nó có khẳng năng tự tìm đến nguồn điện để sạc khi pin yếu

Năm 1969: Mowbot là robot đầu tiên có khả năng cắt cỏ tự động

6

Từ năm 1969 đến năm 1972: Viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng và nghiên cứu ra Shakey Đó là robot có khả năng tính toán các bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ được giao

Năm 1995: Robot có khả năng lập trình - Pioneer được bán ở mức giá hợp lý, điều

đó dẫn tới sự gia tăng về nghiên cứu robot trong suốt các thập kỷ sau Mobile robot trở thành một phần không thể thiếu trong trương trình giảng dạy ở các trường đại học kỹ thuật

Năm 1996-1997: NASA đưa hai robot Rover và Sojourner lên sao Hỏa Rover được điều khiển từ mặt đất, Sojourner có khả năng tìm thấy đường của nó một cách độc lập trên địa hình sao Hỏa

Năm 1999: Sony giới thiệu Abio - một con robot có khả năng đi lại quan sát và tương tác lại với môi trường Robot điều khiển từ xa dùng trong quân sự PackBot cũng được giới thiệu

Năm 2001: Dự án Swaim - Bost bao gồm một lượng lớn các con robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau và cùng thực hiện một nhiệm vụ phức tạp

Năm 2006: Asimo của Honda có khả năng chạy và leo cầu thang chỉ với hai chân như con người

Nawm 2007: Các mobile robot đươc sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến trong các bệnh viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này tới nơi khác Robot ARCsincide Speci Minder mang máu và các mẫu vật tới phòng thí nghiệm …

Năm 2008: Boston Dynamiccs công bố đoạn video về thế hệ mới của Big Dog, nó

có khả năng đi trên địa hình băng giá và tự lấy lại cân bằng khi va chạm xảy ra

7

Hiện nay, các công trình nghiên cứu về mobile robot vẫn không ngừng được đầu tư

và phát triển Các thành tựu mới liên tục ra đời phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người

1.2 Phân loại mobile robot

Mobile robot có thể phân loại bằng nhiều cách: Theo môi trường hoạt động, theo phương pháp di chuyển, theo phương pháp điều khiển

1.2.1 Phân loại theo theo phương pháp di chuyển

1.2.1.1 Robot sử dụng bánh xe

Ngày nay, phương thức di chuyển sử dụng bánh là phổ biến nhất, nó mang lại hiệu quả cao trong khi kết cấu lại tương đối đơn giản Mobile robot sử dụng bánh được thiết kế sao cho các bánh luôn tiếp xúc với bề mặt địa hình để đảm bảo cho sự cân bằng của robot Nhưng trong thiết kế cân bằng không phải là vấn đề được quan tâm hàng đầu mà người ta thường tập trung vào nghiên cứu sự cơ động, khả năng kéo, tính ổn định, và điều khiển các động cơ 1

Hình 1.1 Robot di chuyển dạng

1.2.1.2 Robot di chuyển sử dụng chân

Di động bằng chân có đặc trưng là sự tiếp xúc giữa robot và bề mặt địa hình theo điểm, điều này giúp robot tăng khả năng thích ứng và cơ động trong địa hình gồ

8

ghề Nhưng di chuyển theo kiểu này gặp trở ngại lớn về mặt năng lượng và thiết kế

cơ khí phức tạp Muốn robot di chuyển được như mong muốn thì chân phải đảm bảo một số bậc tự do nhất định Vận động theo cách này lấy cảm hứng thiết kế từ các loại động vật, vì vậy cách thức di chuyển của robot sẽ phản ánh đặc trưng di chuyển của loại động vật mà nó được mô phỏng theo 1

Hình 1.2 Robot di chuyển sử dụng

1.2.2 Phân loại theo môi trường hoạt động

1.2.2.1 Mobile robot trên không

Mobile robot trên không được phát triển mạnh trong quân sự đặc biệt là máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle), chúng có khả năng tự động cao, được sử dụng trong các nhiệm vụ trinh sát, phát hiện các mục tiêu thông minh Mặc

dù khả năng của UAV lớn nhưng vẫn chưa được sử dụng nhiều vì còn nhiều vấn đề liên quan tới công nghệ chế tạo và hệ điều khiển UAV chưa được hoàn hảo Việc đầu tư phát triển UAV ngày càng được chú trọng vì những lợi ích mà chúng mang lại, hiện nay các UAV có khả năng bay xa hàng ngàn dặm, thời gian bay có thể lên tới vài ngày, độ thông minh cũng ngày một được nâng cao, kích cỡ, khối lượng được thu nhỏ 1.10

9

Hình 1.3 M y ay k ô g gười

1.2.2.2 Mobile robot di chuyển dưới nước

Các mobile robot di chuyển dưới nước được sử dụng nhiều trong các hoạt động hỗ trợ đánh bắt cá, giảm ô nhiễm môi trường biển, cứu nạn, thu dọn rác thải, xử lý tràn dầu, giám sát kiểm tra các công trình dưới nước Ngày nay, các mobile robot di chuyển trong môi trường nước được tập trung phát triển đặc biệt là robot AUV(Autonomous Underwater Vehicle) để tăng khả năng tự động, tự thích nghi và

độ thông minh của robot Vấn đề điều khiển chuyển động trong môi trường dưới nước với khải năng truyền tin hạn chế cũng là thách thức với các nhà nghiên cứu 1.10

Hình 1.4 Mobile robot di chuyể dưới ướ

10

1.2.2.3 Mobile robot di chuyển trên mặt đất

Mobile robot di chuyển trên mặt đất được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và quân sự ngoài ra cũng được sử dụng trong cuộc sống đời thường Loại robot này yêu cầu có mức độ nhận thức nhất định, có khả năng di chuyển trong môi trường biến động Hiện tại, các nhà khoa học đang tập trung phát triển nhóm robot này theo hướng theo hướng tự hành trong đó vấn đề định vị và tạo bản đồ cho robot là vấn đề nghiên cứu trọng tâm 1.10

Hình 1.5 Mobile robot di chuyển trên mặt

1.2.3 Phân loại theo phương pháp điều khiển

1.2.3.1 Mobile robot tự trị (Autonomous robot)

Trong những năm gần đây trên thế giới cùng với việc thông minh hóa robot là nhu cầu phát triển của các mobile robot đã dẫn tới sự bùng nổ trong các nghiên cứu các mobile robot tự trị Hoạt động tự trị có nghĩa là chương trình hoạt động được nạp sẵn trong bộ nhớ của robot, trong quá trình hoạt động không cần tác nhân điều khiển từ bên ngoài 3

1.2.3.2 Mobile robot điều khiển từ xa (Remote control robot)

Bằng cách sử dụng bộ điều điều khiển người ta có thể kiểm soát mọi hoạt động của robot Bộ điều khiển có thể là điện thoại thông minh, các thiết bị điều khiển không

11

dây,… bằng cách điều khiển mobile robot từ xa con người sẽ tránh được các rủi do khi phải làm những công việc nguy hiểm hoặc trong môi trường độc hại 1.5

1.2.3.3 Mobile robot di chuyển theo lộ trình (Move robot schedule)

Nhóm robot này được sử dụng nhiều trong công nghiệp, y tế,… chúng được tạo ra với mục đích vận chuyển sản phẩm, nguyên vật liệu, dụng cụ,… từ nơi này qua nơi khác và được lập trình chạy theo vạch kẻ sơn trên sàn, trần nhà hoặc đường dây điện trong sàn nhà 1.5

1.3 Ứng dụng của mobile robot

Các tiến bộ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và được áp dụng vào thực tiễn nhiều hơn, trong đó có mobile robot Mobile robot được phát triển phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau: Hàng không vũ trụ, quân sự, công nghiệp…

Trong hàng không vũ trụ, các mobile robot thường được tạo ra với mục đích thám hiểm, sửa chữa các thiết bị ngoài không gian… Năm 1997, các nhà khoa học đã gửi robot Sojourner lên sao Hỏa với mục đích tìm kiếm sự sống ngoài vũ trụ, robot này được điều khiển từ trái đất tuy nhiên do được trang bị một số sensor nên nó di chuyển một cách khá độc lập. 1.21

Hình 1.6 Robot

12

Trong công nghiệp, mobile robot được thiết kế chủ yếu để di chuyển các thiết bị, vận chuyển nguyên liệu và phụ kiện cần thiết Các robot này được lập trình chạy theo một đường đi nhất định, phục vụ cho từng công việc cụ thể Hiện nay, có hàng ngàn robot loại này phục vụ trong các nhà máy, các khu công nghiệp

Hình 1.7 Robot vận chuyển trong nhà máy sản xu t xe y

Các quốc gia hiện nay đều đang có gắng hiện đại hóa sức mạnh vũ trang cho quân đội của nước mình, tiến tới giảm sự có mặt của con người trên chiến trường bằng cách đầu tư phát triển những mẫu mobile robot có khả năng chiến đấu, trinh thám thay thế con người Các mobile robot quân sự thường có khả năng di chuyển rất linh hoạt và được trang bị những loại vũ khí hiện đại Dưới đây là một số mẫu mobile robot thường được sử dụng trong quân sự

 SMP robot (Surface Mobility Platform robot)

SMP robot là một nền tảng robot di động 4 bánh xe, có kết cấu cơ khí ổn định đảm

bảo nó có thể di chuyển nhanh chóng và dễ dàng trên các các địa hình dốc, không bằng phẳng mặc dù không sử dụng bánh xích SMP robot có thể leo cầu thang, di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau, có thể được tích hợp thêm hệ thống camera

để truyền và nhận dữ liệu hình ảnh và được điều khiển bằng bộ điều khiển từ xa Một số SMP robot được gắn thêm tay máy phía trên thân giúp cho nó có thể cầm nắm các vật một cách dễ dàng SMP Robot được phát triển cho các ứng dụng an

RHex có thiết kế khá kín cho phép nó có thể hoạt động trong môi trường ẩm ướt hoặc bùn lầy Nó có thể được tích hợp camera, đèn chiếu sáng và được điều khiển bằng bộ điều khiển từ xa Hiện nay các phiên bản của RHex được phát triển ở nhiều trường đại học, vật liệu làm robot ngày càng nhẹ, điều này cho phép robot di chuyển mà không tốn quá nhiều năng lượng

RHex có ưu điểm là vượt được nhiều dạng địa hình, di chuyển linh hoạt, nhưng khả năng mang theo các phụ kiện của nó rất hạn chế do cấu tạo chân không chịu được tải trọng lớn mang lại. 1.18

PackBot 510 có khả năng vượt nhiều dạng địa hình, hoạt động ổn định, khả năng mang theo tải lớn, nhưng thiết kế, chế tạo rất phức tạp Hiện nay tại Việt Nam chế tạo bánh xích còn gặp rất nhiều khó khăn do vấn đề công nghệ, các sản phẩm có sử dụng bánh xích hầu như phải đặt từ nước ngoài với chi phí rất đắt

Hình 1.10 PackBot

15

Các hoạt động cứu nạn hiện nay cũng sử dụng nhiều mobile robot để hỗ trợ, một số robot có thể đi vào những nơi có nhiệt độ cao như những đám cháy để tham gia cứu hỏa, một số lại được trang bị những thiết bị có khả năng tháo gỡ các chất nổ Ngoài

ra ở một số nơi nguy hiểm, độc hại người ta cũng sử dụng robot để thay thế con người

Hình 1.11 Robot cứu hỏa

Ở trên chúng em đã trình bày một cách tổng thể về mobile robot Vì muốn tạo ra một mobile robot tốt, hội tụ nhiều ưu điểm trước tiên phải biết thế nào là mobile robot, chúng được tạo ra với mục đích gì, chúng có những loại nào, những mobile robot nào đang được sử dụng nhiều, tại sao chúng lại được ưu chuộng, chúng có ưu nhược điểm gì,…?

Trong quá trình tìm hiểu chúng em nhận thấy trong số những mobile robot di chuyển trên mặt đất (môi trường mà nhóm chúng em quyết định phát triển robot) hiện đang được sử dụng, nhất là trong lĩnh vực quốc phòng an ninh, cứu nạn có ba mẫu robot đang được ưu tiên sử dụng đó là: RHex robot, PackBot robot, SMP robot

Về RHex robot, chúng là mẫu robot có khả năng vượt địa hình mạnh nhưng lại bị hạn chế về khả năng tích hợp thêm module mở rộng và tốc độ di chuyển Còn PackBot robot, chúng có khả năng mạnh ở phần vượt địa hình nhưng lại rất phức

16

tạp trong thiết kế và chế tạo do di chuyển bằng bánh xích Sau quá trình tìm hiểu, phân tích và đánh giá cùng với sự tư vấn, định hướng của giáo viên hướng dẫn nhóm chúng em đã quyết định phát triển mẫu SMP robot (Surface Mobility Platform robot) - đây là một mẫu robot có khả năng vượt địa hình mạnh, có thể tích hợp thêm các module mở rộng, cùng với đó việc thiết kế, chế tạo thành công trong điều kiện thực tế ở mức cao cũng là một trong những nguyên nhân để nhóm đưa ra quyết định này

17

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động học mobile robot

2.1.1 Khái niệm và bài toán đặt ra

Trong giới hạn đề tài, chúng em sẽ điều khiển robot theo hướng điều khiển từ xa, nhưng để thuận tiện cho việc phát triển đề tài theo hướng mobile robot tự trị trong tương lai chúng em đã tìm hiểu về những vấn đề cơ bản của động học mobile robot Động học là nghiên cứu cơ bản nhất để tìm hiểu hoạt động của một hệ thống cơ khí, trong lĩnh vực mobile robot, cần phải tìm hiểu đặc tính cơ của robot để thiết kế sao cho phù hợp với các nhiệm vụ đặt ra Việc tìm hiểu đặc tính cũng giúp xác định được phương pháp thiết kế phần mềm điều khiển sao cho phù hợp với từng phần cứng của robot

Động học của một robot là cơ sở để xây dựng một robot có khả năng tự trị (Autonomous robot) Đây là một hướng phát triển của lĩnh vực robotic mà trọng tâm là nghiên cứu chuyển động của robot trong một không gian nhất định (không gian làm việc của robot) Việc điều khiển robot trong không gian làm việc của nó chính là việc điều khiển động cơ gắn trên robot cùng với hệ thống cảm biến, camera, GPS…

Trong đề tài này, chúng em sẽ nghiên cứu điều khiển mô hình robot tự hành có 4 bánh, 4 động cơ độc lập được bố trí như hình 2.1

Hình 2.2 Mô ì ã ượ ý ưởng a

2.1.3 Phương trình động học robot

Hình 2.3 Mô ì ộng học của

Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng, ta xây dựng mối quan hệ giữa hệ tọa độ tham chiếu cố định của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu vật của

robot như hình 2.3 Các trục X Y0, 0 dùng để xác định tọa độ của điểm bất kì trong

hệ tọa độ cố định (X O Y0 0 0 ) Điểm P coi là tâm dịch chuyển của robot (trung điểm của đường nối tâm hai bánh L), nó được dùng để xác định vị trí của robot Hệ tọa

độ (X PY m m) là hệ tọa độ tham chiếu vật được đặt trên robot Như vậy vị trí điểm P

20

trong hệ tọa độ tham chiếu cố định được xác định bởi tọa độ X, Y và góc lệch θ giữa hai hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ vật Các thông số hình học của robot bao gồm:

- V1(t): Vận tốc dài của bánh bên trái

- V2(t): Vận tốc dài của bánh bên phải

- 1 t : Vận tốc góc của bánh bên trái

- 2 t : Vận tốc góc của bánh bên phải

- r : Bán kính của bánh robot

- L: Là khoảng cách 2 bánh

- R: Khoảng cách từ tâm robot tới tâm vận tốc tức thời

- ICC: Tâm vận tốc tức thời

R : Bán kính mô phỏng quỹ đạo chuyển động cong của bánh phải

Từ tâm vận tốc tức thời ICC, ta xác định được vận tốc góc của robot:

/ 2

v t t

Phương trình toán học trong không gian trạng thái có thể được viết thành:

( ) ( )cos ( )( ) ( )cos ( )( ) ( )

( ) ( ) cos( ( ))0

( ) ( )sin( ( )) )0

( ) ( )0

Hình 2.4 Các bài toán về chuyể ộng trong thực tế của robot

Vì trong trường hợp xe xuống dốc công suất và momen của động cơ đều nhỏ hơn trường hợp lên dốc và đi đường bằng nên chúng em không xét tới

Bài toán 1: Xét robot chuyển động ngang trên đoạn thẳng AB, thân xe có khối

lượng m t(kg); 4 bánh xe, mỗi bánh có khối lượng m b(kg), bán kính r(m), xe chạy nhanh dần đều với vận tốc ban đầu v a(m/s) và vận tốc đạt được tại điểm B là v b

23

(m/s), t (s) là thời gian xe chuyển động từ A đến B, hệ số ma sát giữa bánh xe và

mặt đường là k , gia tốc trọng trường g (m/ s )2

Coi bánh xe là đĩa tròn mỏng:

212

32

26

2 1

t : Thời gian xe di chuyển từ A tới B (s)

Từ đó ta có công suất của động cơ được tính như sau:

P D