BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRUONG DAI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
CAO MẠNH HÀ
NGHIÊN CỨU, ĐIÊU KHIỂN
CHUYEN DONG ROBOT RAN LUAN VAN THAC Si
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành : 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ TƯỜNG QUAN
Trang 2CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Võ Tường Quân Ye Z YO Luan văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng 03 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 TS Nguyén Thanh Phuong Chủ tịch 1+}
2 PGS TS Lê Hữu Sơn Phản biện 1 3 PGS TS Nguyễn Quốc Hưng Phản biện 2
4 TS Nguyễn Duy Anh Ủy viên
5 TS Bùi Thanh Luân Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận van đã được
Trang 3TRƯỜNG DII CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHONG QLKH - ĐTSĐH Độc lập ~ Tự do - Hạnh phúc
TP HCM, ngày 1Š tháng 08 năm 2014
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: CAO MẠNH HA Giới tính: Nam
Ngày tháng, năm sinh: 10 /08 /1982 Nơi sinh: Phú Thọ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHY: 1341840008
I- Tên để tài:
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT RÁN
fI- Nhiệm vụ và nội đụng:
Tìm hiệu các loại robot răn hiện nay tại Việt Nam và trên Thế Giới,
- Phân tích động học/động lực học của robot rắn từ 5 đến 6 khớp động với môi trường làm việc là mặt phẳng
- 1ìm hiều quy luật điều khiển chuyển động của robot ran
- Mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế bộ điều khiên chuyên động của robot rắn - Thực nghiệm kiêm chứng (dự kiến)
{II- Ngày giao nhiệm vụ: 18/08/2014
1V- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 24/01/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: TS Võ Tường Quân
CAN BO HUONG DAN KHOA QUAN LY CHUYEN NGANH
(1 1o tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký}
Trang 4LOI CAM DOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Học viên thực hiện Luận văn
mg
Trang 5LOI CAM ON
Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để các sinh viên vận dụng những kiến thức mà mình đã tích lũy được trong suốt quá trình học và quan sát thực tế Tuy nhiên, cũng còn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế cũng như thời gian nên mặc dù rất nỗ lực, cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi sai sót, và chưa bám sát vào thực tiễn
Trong luận văn này em rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý từ các thầy cô và các bạn Để hoàn thành được luận văn này em xin kính gửi đến thầy TS Võ Tường Quân lòng biết ơn sâu sắc, thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời
gian thực hiện luận văn
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy trong khoa Cơ - Điện - Điện Tử đã hết
lòng truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này
Sinh viên thực hiện
Lh
Trang 6TOM TAT LUAN VAN
Hầu hết các cơ chế robot di động hiện nay có các bánh xe được điều khiển bởi
các động cơ Những cơ cấu robot có bánh xe như vậy di chuyển tương đối hiệu quả,
dễ dàng điều khiển và thích hợp với điều khiển tốc độ cao trên những mặt bằng
phẳng Tuy nhiên, chúng không hiệu quả trong những môi trường gồ ghèề như là những địa hình lởm chởm và lầy lội Những robot di chuyển bằng chân đang được tích cực nghiên cứu Chúng cho thấy tính thích nghỉ với địa hình cao hơn những
robot di chuyển bằng bánh xe Tính thích nghỉ với địa hình khá cao đối với những
robot có nhiều đoạn có thê bò, trườn như rắn Ngoài tính thích nghỉ với môi trường, những robot hình rắn còn cho thấy nhiều ưu điểm hơn những robot đi chuyển bằng
bánh xe và chân Chúng có thể làm việc như những tay máy khi một phần của các
khâu nối được cố định trên một đế
Khó khăn chủ yếu trong điều khiển robot ran là phân tích và tổng hợp những
cơ chế di chuyển như rắn Việc phân tích và tổng hợp này không đơn giản như
những cơ chế bánh xe do tính phi tuyến và đa biến của robot rắn
Trong đề tài này sẽ xét một robot rắn không có bánh xe, robot rắn này gồm 5
khâu 4 khớp Mục đích của đề tài là phân tích động lực học và xây dựng mơ hình
tốn học cho robot rắn, mô phỏng động lực học, tìm quy luật tạo chuyển động hình sin cho robot rin Sau đó, bộ điều khiển PID sẽ được xây dựng để điều khiển hướng
cho robot rắn trên mặt phẳng 2D, mà cụ thể trong luận văn này là mặt đất Song
song đó là thiết kế cơ khí và mạch điện điều khiển cho robot trong thực tế, cũng như
Trang 7ABSTRACT
Snake robot is one of most popular biomimetic robots that are concerned by
many researchersin the world Snake robot can move by combining a series of joint
to create sinusoidal shape This special locomotion has attracted the scientists around the world for a long time Therefore, there are many kind of snake robot
prototypes are produced to satisfy human’s demand every year In this paper, an on- land snake robot is developed with the number of active joints is 4 The navigation system of robot is equipped with a compass sensor The purpose of this paper is mainly focus on the dynamics analysis of the 4-joint (5 links) snake robot and the
method to control the operation of snake robot A PID controller is developed in
order to control the moving direction of the snake robot This kind of controller can operate the snake robot move with a desired direction in 2D environment Finally,
some simulation and experiment results are introduced to prove the effectiveness of
Trang 8MUC LUC
CHUONG 1: TONG QUAN VE ROBOT RAN
DA vả nh 6 1
1.2 Các đạng chuyền động của robot rắn -ss 22222 2tEE221551 1211212 nnnne 1 1.2.1 Chuyển động theo SÓN INg sàn HH grry I
1.2.2 Chuyển động kiểu lượn một bên .22222222222eeEEEEEEEEEE1e 2 1.2.3 Các dạng chuyển động khác ss 222cc1222112 2255111152111 3 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . se +zs+EEsEs+EgEEg se EEeseersra 3 1.3.1 Một số robot rắn trên thế 0 -‹+-1 3 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước -s- sex +Evxsxersrrrersccee 5 1.4 Phạm vi để tài ch n021112.T 1 reo 6
1.5 Tổ chức VUAN VAN oo esccesesssesssscssscsssesceccsscesacscscsesavsessessasasssacsussssesesesesaesacaverseese 6
CHUONG 2: THIET KE CO KHi
2.1 Chọn dong co RC Servo ccccccssccsscsssssccsecscessscsesvavscesssesssessssevatsecesessvevecseseneevesses 7
2.2 CHOM Pir LIPO wos eesessesseseececsscssessessesseesesscsscscsresseseessssssessecsucsesreeuesereussessesaeeueseses 7 2.3 Chon Khop xoay 2 bac tu do ccccccessessescsssssscssssssscscsssscessasarsncaseucassesacsvsavansacavene 8 2.4 ĐỀ của robotL cv 222.1100.021 reo 9 2.5 Tổng hợp về lựa chọn thiết kế cơ KG .scsssesssscsscsessssssesesssssssssssssssseessessesesssssssees 9
2.6 M6 hinh that ctia robot ran .esceccesseccscssessesssessessessessessscsscssessesssosesereeeeeseacceseceees 10 CHUONG 3: MƠ HÌNH HĨA - PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC
3.1 Phân tích robot bằng phương pháp Lagrange cho khớp yaw trên mặt phẳng
Trang 9CHUONG 4: THIET KE BO DIEU KHIEN
Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển bám hướng cho trước cho robot rắn 20
CHUONG 5: THIET KE MACH DIEN
5.1 Chon cm bin cccscssssssssesesseccsssssssssssescsesssessnssesssessssssssssasesssssssessssssssssseessesseee 24 5.2 Chon vi di6u KniGn oc ecccccsscssssssssssssesssssesesssssssnesesesssssssssesessusssassstssvaseesssesense 24
5.3 Mach nguan esesccccssssecssscossssssessssssssvessscssnsussseesssssssvecsessassvessestssassesssssssssivesseessseses 25
5.3.1 Mạch lay nguén tir pin lipo v ccccccscsssessscssssssesecsessesecessssssssrecesssasssessesese 25
5.3.2 Mạch nguồn 3V3 cho vi điều khiển, cảm biến và 6V cho động cơ RC
bà 26
5.3.3 Mạch điều khiển 22 txEE111 0211111121111 1.EEEEerree 27
5.3.4 Mạch lấy tín hiệu điều khiển và nguồn cấp cho động cơ RC Servo 27
TONG KET
6.1 Két QUA dat GUC ee ececcssessssssescsesenssessvssscsssssssevevscssevacseeesesseetacaesasanasavanasenees 28
6.2 Kết quả chura dat GUuQC cccceccssssssecssssseescssssssccsssssceceesusssessasscesssssacsensusesessssssecsseses 28 6.3 Hướng phát triỂn - s1 tt 110111 011112111111E111E121121121111111111121xeEEeere 28
TAI LIEU THAM KHẢO -2-22222222221112112115111501122211221111120111.12112112 Xe 29
Trang 10DANH SACH HiNH ANH
Hình 1.1 Chuyên động theo s6ng ngang .ccscsccsssesssecssesssecsssessecsssesssssssecsseetsneesssesseenses 2
Hình 1.2 Chuyển động lượn một bên .- 5 S2 HH Hưng re gen 2
Hình 1.3 Robot rắn leo cây của Đại học Carnegie Mellon, Mỹ - 3
Hình 1.4 Robot rắn Wheeko ch HH re 4 Hình 1.5 Robot rắn leo cây của đại học Carnegie Mellon «sec 4 Hình 1.6 Robot rắn của KS Trần Phước Báu và Trương Thường Quân 3
Hình 2.1 Khớp 2 bậc tự do gồm các cặp bánh răng . -6-5ccccccrrrreerrrerer § Hình 2.2 Robot rắn cứu hỏa cà họ TH tiêu 9 Hình 2.3 Mô hình that cia robot 80 ooo sessssssesseessssesesesssseeesseeesssieecsssssnneessessssnensess 10 Hình 3.1 Sơ đồ khớp 2 bậc tự đo .-¿-2<22+ 2x22 EEk.EEkerkrrrkrrkrrtrrrkrrrkrree 11 Hình 3.2 Mô hình phân tích khâu, khớp của robot rắn trên mặt phẳng Oxy 12
Hình 3.3 Mô hình biểu diễn lò xo xoắn và giảm chắn xoắn trên mặt phẳng Oxy 14
Hình 3.4 Mô hình lực ma sát và moment ngoại lực tác dụng lên robot rắn 14
Hình 3.5 Giá trị góc và vận tốc góc của khâu thứ nhất đến khâu thứ ba 17
Hình 3.6 Giá trị góc và vận tốc góc của khâu thứ tư và thứ năm 17
Hình 3.7 Giá trị góc tại 4 khớpD - - cv HH HH HH HH HH ch 18 Hình 3.8 Đồ thị tọa độ trọng tâm của robot TẮN H2 S21 E221 11013011213 11 xe 18 Hình 3.9 Góc của robot rắn so với trục x v+cccctrttiiirirriieririere 18 Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển hướng robot rắn trong mô phỏng Matlab 20
Hình 4.2 Giá trị góc tại các khớp khi có bộ điều khiển PID - - 21
Hình 4.3 Giá trị góc của robot rắn so với trục x khi có bộ điều khiển PID 21
Hình 4.4 Quãng đường di chuyển của robot rắn khi có bộ điều khiển PID 22
Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật điều khiển hướng cho robot rắn trong thực tế 23
Hình 5.1 Bảng địa chỉ các thanh ghi của cảm biến HMC5883L - 24
Trang 11Hinh 5.5 Mach nguén 6V cho dng CO .csssecsssseccssssecsssessssseessssvesssssessssnseensenecesseseeses
Hinh 5.6 Khéi mach diéu khién
Trang 12CHUONG 1:
TONG QUAN VE ROBOT RAN
1.1 Giới thiệu
Loài bò sát xuất hiện trên Trái đất này trước con người đã hàng triệu năm về
trước Với sự đa dạng về chủng loài và những đặc trưng sinh học đặc biệt giúp chúng tồn tại tới ngày nay, trong khi khủng long đã tuyệt chủng khi không chịu được sự thay đổi của khí hậu lúc thiên thạch va vào địa cầu Nổi bật trong đó là loài
rắn, một lồi bị sát khơng chân, có thể dựa vào sự thay đổi biên dạng của cơ thể để
có thể di chuyển một cách dễ dàng và đáng kinh ngạc trên nhiều địa hình khác nhau,
như là đất, đá, cát, cỏ, nước, cây, Ngày nay, với sự phát triển của nền khoa học
nói chung và trong lĩnh vực robot sinh học nói riêng, các chuyển động tuyệt vời trên của chúng đã được nghiên cứu và thu hút được nhiều nhà khoa học tham gia cải tiến, để cho ra đời nhiều thế hệ robot rắn di chuyển linh hoạt hơn, nhiều tính năng
hơn mà các mobile robot không thể nào thực hiện được như leo cây, lặn trong
nước, Những tính năng đó được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực do thám quân sự, tìm kiếm cũng như thám hiểm những vùng nguy hiểm đối với con người
Hầu hết những robot rắn trên thế giới đều được cấu tạo bởi một chuỗi module giống nhau, được liên kết lại với nhau để tạo ra một chuỗi chuyển động giúp robot tiến lên phía trước Những module này có thể được tháo lắp và thay thế dễ dàng để có thể thay đổi kích thước cũng như sửa chữa
1.2 Các dạng chuyền động của rắn
Dựa vào chuyển động của rắn trên cạn ta có thể chia làm các loại sau
1.2.1 Chuyển động theo sóng ngang
Đây là kiểu chuyển động liên tục của toàn bộ cơ thể rắn trên mặt phẳng Chuyển động được thực hiện nhờ việc tạo dạng sóng di chuyến từ trước ra sau và
dựa vào độ nhám của mặt đất Mỗi phần của cơ thể sẽ đi qua vị trí của phần trước
Trang 13dạng vảy, có đặc điểm hạn chế trượt ngang và cho phép trượt theo phương tiếp
tuyến để dàng Nhờ lực ma sát theo phương vuông góc lớn hơn nhiều so với lực ma
sát tiếp tuyến nên rắn có thể di chuyển thẳng về phía trước nhằm tránh sự trượt
ngang
Dạng chuyên động này không thích hợp với bề mặt nhẫn, ma sát thấp va trong không gian hẹp Nó cũng không thích hợp cho những loài rắn quá ngắn hoặc quá
nặng vì chúng không thể đạt được biên dạng cần thiết để di chuyển hoặc hiệu suất
chuyền động giảm đáng kẻ do cơ thể quá nặng
JN
Hình 1.1: Chuyển động theo sóng ngang [ 1]
Trang 14Đây là dạng chuyển động được thu hút nhiều nhất của rắn và đượcc sử dụng
chủ yếu bởi các loài rắn sống trên sa mạc Rắn nhấc và uốn cơ thể thành các vết
ngắn, song song trên mặt đất đồng thời di chuyển theo một góc nghiêng Khác với dạng sóng ngang, dạng này có một đoạn tiếp xúc ngắn giữa cơ thể rắn và bề mặt 1.2.3 Các dạng chuyển động khác
Rắn còn có các dạng chuyển động hiếm gặp hơn tùy vào môi trường sống Ví dụ như bò theo đường thắng (rectilinear crawling), đào bới (burrowing), nhảy (jumping), dang sin (sinus-lifting), tragt ngang (skidding), leo va boi
Hình 1.3: Robot rắn leo cay cha Dai hoc Carnegie Mellon, Mj [3]
Tóm lại: Các kiểu đi trên là kiểu di chuyển chính nhưng trong thực tế, hầu hết
robot rắn trên thế giới đều hoạt động chủ yếu với kiểu lateral undulation, mặc dù
trên một số robot rắn hiện nay ngoài kiểu đi trên thì còn có thể đi bằng nhiều kiểu
khác nhau do kết cấu cơ khí đặc biệt, nhưng đó chính là kiểu phổ biến nhất hiện
nay, vì nó làm robot di chuyển linh hoạt, nhanh và giống với rắn thật nhất 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
1.3.1 Một số robot rắn mới trên thế giới
Robot rắn wheeko: Gần đây, Đại học khoa học và công nghệ Na-Uy đã phát triển robot rắn Wheeko dùng để nghiên cứu chuyển động trên bề mặt phẳng Robot
này gồm 10 khớp giống nhau liên kết với nhau, mỗi khớp có 2 bậc tự do (pitch và
Trang 15các bánh xe bị động, có tác dụng làm cho lực ma sát tác dụng một cách đẳng hướng, cho phép robot trượt về phía trước chứ không bị trượt theo phương ngang
Hình 1.4: Robot rắn Wheeko [4]
Robot rắn leo cây: Năm 201 1 các chuyên gia chế tạo máy Đại học Carnegie
Mellon, Mỹ cho biết, chú robot vừa được chế tạo có 16 khớp có thể bám chắc vào
mọi vật liệu, di chuyền vào những khu vực nhỏ hẹp mà các loại robot khác không thể tiếp cận Đặc biệt, phần đầu robot được trang bị đèn và máy quay phim độ nét
cao, giúp người điều khiến dễ dàng quan sát khu vực trước mặt chú robot
Trang 16
Hai mô hình trên là hai mô hình tiêu biểu, đại điện cho hai hướng phát triển trên thế giới Mô hình của trường Đại học khoa học và công nghệ Na-Uy được làm
ra để nghiên cứu về chuyên động, nghiên cứu về các phương trình toán học để phát
triển thêm nhiều hướng đi mới Trong khi robot rắn leo cây của trường Đại Học
Carnegie Mellon được ứng dụng trong thực tế nên nó được thiết kế theo một cách
khác để thỏa mãn yêu yêu cầu đó
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Trước đây, do điều kiện nghiên cứu có hạn nên chỉ đừng lại ở phần tính toán và
chưa có sản phẩm nào có thể chuyển động hoàn toản Tại trường Đại học Sư Phạm
Kĩ Thuật TPHCM và Đại học Bách Khoa TPHCM đã có nhiều luận văn về robot
rắn nhưng chưa sản phẩm nào hoàn thiện nhưng đến năm 2013 robot rắn Q2C của
trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã phần nào giải quyết được vấn đề trên khi
thiết kế được robot rắn chuyển động dạng sóng ngang khá linh hoạt
Robot rắn của KS Trần Phước Báu năm 2010 và robot rắn của KS Bùi Thành Vinh năm 2012 là những mô hình đi đầu, là nền tảng của phân tích động lực học và ý tưởng thiết kế cho các phiên bản robot rắn sau này Chuyên động tương quan giữa các khớp gần giống rắn thật
Hình 1.6: Robot rắn của KS Trần Phươc Báu và Trương Thường Quân [6] Robot rắn Q2C đã đi chuyến được kiểu sóng ngang trên nền phẳng, chuyển hướng một cách linh hoạt, là bước tiến về phân tích động lực học, là nẻn tảng tốt
Trang 17khi gặp những bề mặt không phẳng hoặc khi nhac robot lên, robot rắn này cần cải
tiến để có thêm nhiều kiểu di chuyển khác
1.4 Phạm vi luận văn
Tìm hiểu về những dạng chuyển động của rắn, tìm hiểu các nghiên cứu trên thé giới và trong nước là tiền đề để hoàn thành luận văn này, với mục đích thiết kế một mô hình robot rắn có tính ứng dụng, di chuyển gần với dạng sóng ngang có những đặc điểm cơ bản mới sau:
> Khớp xoay 2 bac ty do (pitch va yaw)
> Kết cấu các khớp liên kết nhau vững chắc hơn
> Số khớp động của robot: 4 khớp
> Pham vi hoạt động của robot: Mặt phẳng
1.5 Tổ chức luận văn
> Tìm hiểu các dạng chuyển động của rắn
> Tìm hiểu tình hình phát triển robot rắn trên thế giới và tại Việt Nam
> Thiết kế cơ khí và chế tạo mô hình khớp xoay 2 bậc tự do cho robot rắn 5
khâu 4 khớp
Mô hình hóa và phân tích động lực học cho robot rắn 5 khâu 4 khớp
Mô phỏng động lực học cho robot rắn 5 khâu 4 khớp
Trang 18CHƯƠNG 2:
THIẾT KÉ CƠ KHÍ
2.1 Động cơ RC Servo
Động co RC Servo cho góc quay chính xác đễ điều khiển tuy nhiên nhược
điểm của phương án này là mỗi động cơ RC Servo có góc quay giới hạn và momen giới hạn khác nhau Do đó đối với những thiết kế đòi hỏi momen lớn thì kích thước
của động cơ RC Servo phải lớn, gây ảnh hưởng đến kích thước robot Ngoài ra do
động cơ RC Servo được thiết kế sẵn nên khả năng kéo tải của động cơ phụ thuộc
nhiều vào nhà cung cấp nên ta không thể tăng momen của động cơ bằng phần mềm hoặc phần cứng bên trong động cơ Vì vậy phương án này chỉ phù hợp cho những
thiệt kê đòi hỏi momen vừa và nhỏ Kích thước: 40.7* 19.7*42.9mm Moment xoắn : 10,5kg.cm ( 4.8V) =1.02 Nm, 13kg.cm(6V) Vận tốc : 0.2 s/60degree(4.8V) , 0.17 s/60degree(6V) Điện áp : 4.8 — 7.2V Hộp số: bánh răng kim loại [7] Dai chét: 5us Khối lượng: 55g Bảng 2.1: Thông số động cơ RC servo TowerPro MG946R 2.2 Pin lipo
> Uu điểm: Cơ động, gắn lên thân robot, góp phần làm gọn dây dẫn tăng tính cơ động cho robot
> Nhược điểm: Sử dụng một thời gian lâu mà không sạc sẽ không cung
Trang 19Như vậy, kích thước của khớp sẽ phụ thuộc vào kích thước pin lipo, khối lượng của pin, kích thước động cơ và các chỉ tiết đi kèm Từ kích thước và khối
lượng sơ bộ của khớp ta có thể tìm được moment xoắn cần thiết từ trục động cơ và lựa chọn động cơ phù hợp
2.3 Khớp xoay 2 bậc tự do
Dùng 2 động cơ RC servo kết hợp với các cặp bánh răng và các chỉ tiết khác
vì chấp nhận khớp chuyển động không giống như rắn thật khi 2 trục xoay không vuông góc với nhau nhưng vẫn đảm bảo nguyên lý khi khớp xoay được 2 bậc tự do dé:
¥ Gia thanh phu hgp va dé ché tạo hơn
* Đa đạng về kết cầu cơ khí, tùy thuộc vào các chỉ tiết đi kèm Ưu điểm :
Việc kết hợp với các cặp bánh răng, chúng ta có thể tăng moment xoắn từ
đầu ra của động cơ Thiết kế những robot với động cơ nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo
đủ công suất 2 trục xoay được đặt vuông góc với nhau tại một điểm giúp khớp chuyền động gần như rắn thật
Nhược điểm :
- Việc chế tạo bánh răng có kích thước nhỏ, đạt độ chính xác là không dễ dàng
- Ngoài ra, việc kết hợp 2 trục để vuông góc nhau ở giữa khớp cũng khó thực hiện
Trang 202.4 Dé ciia robot : Chon vé ma sat
Phương án này đòi hỏi người thiết kế phải có kinh nghiệm trong việc lựa chọn vật liệu nhằm lựa chọn hệ số ma sát phù hợp vơi môi trường hoạt động của robot
Phương án này tương tự như sử dụng bánh xe bị động vì hoạt động của robot đều do các khớp xoay quyết định Tuy nhiên lực ma tiếp tuyến và pháp tuyến ở phương án
này là như nhau nên robot dễ dàng bị trượt theo phương nghiêng của địa hình Phương án này thích hợp cho các robot rắn có thiết kế cho phép xoay 2 trục trở lên
Ưu điểm:
*_ Biểu diễn được đặc điểm của rắn sinh học khi di chuyến
* Biểu diễn được sự đa dang trong di chuyển
Nhược điểm:
* Phụ thuộc nhiều vào hệ số ma sát của vật liệu tạo nên chỉ tiết
Hình 2.2: Robot cứu hỏa [9]
2.5 Tổng hợp về lựa chọn thiết kế cơ khí
> Cơ cấu truyền động: Chọn động cơ RC servo
>» Chon pin lipo
> Khớp 2 bậc tự do: Chọn d6éng co 2 RC servo kết hợp với các chỉ tiết tao
chuyên động quay (1 động cơ cho khớp yaw và 1 động cơ cho khớp pitch)
Trang 212.6 Mô hình thật của robot rắn
Hình 2.3, Mô hình thật robot rắn [ 10]
Trang 22CHUONG 3:
MƠ HÌNH HÓA - PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC
Có nhiều phương pháp để phân tích động lực học của robot, như là định luật 2 New-ton hoặc phương pháp Lagrange nhưng trong khuôn khổ luận văn này, phương pháp Lagrange sẽ được sử dụng để thiết lập phương trình động lực học, tìm
giá trị góc và vận tốc góc của các khâu và khớp Trong khi định luật 2 New-ton sẽ
được dùng để tính phương trình tổng lực tác dụng lên robot rắn tìm giá trị tọa độ trọng tâm, từ đó có thể khảo sát được các đặc điểm ảnh hưởng đến chuyển động của robot
Kết quả của quá trình phân tích động lực học, chúng ta có thể xác định được
trạng thái của từng khâu, khớp của robot khi đặt vào mỗi khớp một moment xoắn và
ngược lại, chúng ta có thể tìm được các giá trị moment xoăn cần thiết cần cung cấp
để có thể đạt được biên dạng chuyển động như mong muốn
Hình 3.1 Sơ đồ khớp 2 bậc tự do [11]
Trong phạm vi đề tài luận văn này, việc phân tích động lực học cho khớp yaw trên mặt phăng Oxy sẽ được tập trung tìm hiểu vì chuyển động của khớp yaw ảnh hưởng đến việc thay đổi hướng của robot
Trang 233.1 Phân tích robot bằng phương pháp Lagrange cho khớp yaw trên mặt phẳng Oxy
Robot ran được kết nối bởi nhiều module độc lập bao gồm một khâu và một
khớp Nhìn chung, một robot rắn có n khâu sẽ có (n-I) khớp Mỗi khâu có chiều dài l¡, khối lượng m; va moment quan tinh I; Ta đặt (x¡, y¡) và Ø; là tọa độ của trọng tâm
từng khâu so với hệ trục tọa độ Oxy và góc tuyệt đối của từng khâu so với phương
x d; la vị trí trọng tâm của từng khâu
(xv) Ê
Hình 3.2 Mô hình phân tích khâu, khớp của robot răn trên mặt phẳng Oxy [12]
Dựa vào hình 3.2, ta có tọa độ trọng tâm từng khâu phụ thuộc vào góc hợp với
phương ngang của từng khâu như sau:
i-1
x = > Icos8; + d¡cos6, 41 [15]
JEi
Trang 24Qe;
i-1
y= » sind, + d,sind, (3.2) [15]
j=i
Áp dụng phương pháp Lagrange, ta có phương trình tổng quát như sau:
Trang 25
Hình 3.3 Mô hình lò xo xo4n, giam chan xoan trén mat phang Oxy [13]
Trong công thức (3.7), ƒ„; và ƒ„¡ là những lực ma sát được chiếu theo phương y và phương x:
fi = faicos6; — f„¡sin6, (3.8) [21]
fyi = fusin; + f,cosd; (3.9) [21]
Dựa vào phương trình (3.8) va (3.9), fi; va fai 1a lực ma sát tiếp tuyến và lực ma sát pháp tuyến của mô hình lực ma sát Coulomb
2
fu = —Hưnyg " arctan(cv;), Vv; (3.10) [22]
đại = —Unmg.sign(6,) (3.11) [22]
Trang 26Hình 3.4 Mô hình lực ma sát và moment ngoại lực tác dụng lên robot [14]
Bằng cách tính đạo hàm phương trình (3.3) và kết hợp với phương trình (3.7),
ta có thể tìm được phương trình động lực học của robot rắn như sau:
M(6)ð = r + H(0,6) + F(8) (3.12)
Trong đó, ma trận M kích thước (nxn) chính là ma trận chứa các phần tử phụ
thuộc vào góc Ø và là những phần tử đi với Ổ z là ma trận kích thước (n1) là ma trận chứa các moment xoắn từ động cơ H là ma trận (nx1) chứa những phần tử
gồm Ø và ổ F là ma trận (nx1) chứa các thành phần lực ma sát
Trang 27Phương trình (3.12) chính là phương trình động lực học của robot rắn, có thé mở rộng ra n khâu Và như đã đề cập ở phần đầu chương, ở phương trình động lực học (3.12), khi cung cấp các moment xoắn từ động cơ, bằng cách giải phương trình vi phân bậc 2 ta có thể tìm được giá trị góc và vận tốc góc của từng khâu, khớp 3.2 Mô phỏng động lực học
Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát một robot rắn 5 khâu, 4 khớp Khối lượng mỗi module gồm khâu và khớp là 0.5kg, chiều dai 14 0.2m, moment quan tinh duge tinh gần đúng bằng công thức:
T= sml +m () = ; x 0.5 x 0.2? + 0.5 x 0.1? = 0.0117kg.m? (3.13) [23]
Theo (3.12), ta có thé thấy phương trình này được xây dựng bằng cách chuyển tất cả những phần tử có liên quan đến ổ qua về trái của phương trình, còn các phần tử còn lại thì qua về phải Trạng thái các khâu của robot với đầu vào là giá trị của
momen xoắn tại mỗi khớp với dạng thường gặp ở các robot rắn hoặc cá có thiết kế
dạng module:
+ = A,sin(2rfrt — Bị) (3.15) [24]
Trong đó, 4; là biên độ của moment xoắn từ động cơ, ƒ là tần số mà động cơ
thay đổi biên độ và Ø, là độ lệch pha trong quá trình cung cấp moment giữa các
khớp
Trang 30Từ những kết quả trên, ta thấy các khâu, khớp của robot chuyển động theo
biên dạng hình sin như hình 3.5 đến 3.7, giúp robot rắn tiến lên phía trước
Mặt khác áp dụng công thức tính góc của cả robot so với trục x là trung bình cộng góc của các khâu (3.16), đồ thị xác định hướng của robot được thể hiện trong hình 3.9 8= Ble 6; (3.16) [25] n i=1 Goc cua robot so voi truc x Degree L : i i i 0 5 10 15 20 25 30 Thoi gian (s)
Hình 3.9 Góc của robot so với trục x
Trang 31CHUONG 4:
THIET KE BO DIEU KHIEN
4.1 Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển bám hướng cho trước cho robot rắn
Dựa vào các kết quả ở chương 3, các khâu khớp của robot chuyển động theo biên dạng hình sin khi cung cấp momen xoắn cho từng khớp cũng theo biên dạng hình sin và giúp robot di chuyển tiến lên phía trước Tuy nhiên trong thực tế, còn có rất nhiều
yếu tố khác tác động đến việc chuyển động của robot rắn làm thay đổi góc của nó so
với trục x Chính vì vậy, robot cần phải có một bộ điều khiển để giúp robot không bị
thay đổi vị trí đưới các tác động ngoại cảnh
Trong phạm vi luận văn này, bộ điều khiển PID sẽ được sử dụng để điều khiển
hướng cho robot rắn Đây là một bộ điều khiển phổ biến và đơn giản Từ đây, ta có sơ
Trang 32Theo hình 4.1, sau khi cài đặt giá trị y_desired mong muốn cũng như 7ạ_ max và
Tạ_min, ta tiến hành tính toán error và đưa vào bộ điều khiển PID, đầu ra của bộ PID
Trang 33Dựa vào kết quả của chương 3, giả sử rằng robot đang di chuyển bám theo trục x như đồ thị hình 3.9 thì có một tác động ngoại cảnh làm robot lệch đi 3° so với vị trí ban đầu Từ đó, áp dụng lưu đồ giải thuật ở hình 4.1, thông qua bộ điều khiển PID giúp
robot bám lại trục x như theo hình 4.3 và 4.4
The relationship between x and y 0.6†- 0 0.5 1 1.5 2 25 3
Hình 4.4 Quãng đường di chuyển của robot
Dựa vào hình 4.3 và hình 4.4, khi bị tác động lệch đi 3”, bộ điều khiển PID giúp
robot bám lại theo trục x và không bị lệch ra xa Kết quả mô phỏng này cho thấy được đầu ra của bộ điều khiển được cộng vào giá trị moment xoắn cung cấp cho khớp thứ 1 có thé giúp cho robot có thé giữ được vị trí so với trục x Từ đây ta có lưu đồ giải thuật cho robot rắn trong thực tế áp dụng bộ điều khiển PID như hình 4.5
Trang 34xã [ Vaue2= sensơ -y_ củ | ——=|Value =(Value1 + VaUe2y2) = _ max + Angle Beh = AND mat ¡=1 False True Faise Value1 = sensor - y_cal a +> ane ain Amp_min j=j>1
Hinh 4.5 Luu dé giai thuat diéu khién hướng cho robot rắn trong thực tế
Theo lưu đồ giái thuật ở hình 4.1, khi kích hoạt robot rắn, hệ thống sẽ cài đặt giá
trị góc y_desired mong muốn của khớp đầu tiên, các giá trị Tạ_ max Và 7ọg_ min ràng buộc đầu ra của bộ điều khiển Bên cạnh đó giá trị đầu ra bộ điều khiển rạ ban đầu bằng 0 và giá trị y_calib cũng được lay tir cam biến, giá trị này được chọn để làm gốc cho hướng ban đầu của robot rắn
Sau đó, lần lượt các khớp yaw và pitch của robot sẽ được kích hoạt, xen giữa là các khoảng thời gian Time_delay, dé đạt giá trị góc ở biên max, sau đó đạt giá trị góc ở biên min Riêng khớp yaw đầu tiên sẽ được cộng thêm giá trị rạ đầu ra từ bộ điều
khiển Kết hợp với việc robot chuyển động là việc lấy giá trị cảm biến tại 2 thời điểm
khi khớp thứ n đạt giá trị góc ở biên max và min so với y_calib Sau đó, tính giá trị
trung bình của chúng, ta sẽ tìm được giá trị góc thể hiện hướng hiện tại của robot để tính toán error, đưa vào bộ điều khiển Với bộ thông sỐ Kp, Ki và Kd, ta tính được giá trị đầu ra bộ điều khiển để tiếp tục quá trình trên
Trang 35CHUONG 5:
THIET KE MACH DIEN
5.Thiét ké phan mach dién 5.1/ Cam bién
¢ Ding cam bién la ban HMC5883L:
> Uu diém: giá trị góc trả về khá chính xác
> Khuyết điểm: bị nhiễu bởi các nguồn từ trường khác
HMCS5883L là cảm biến la bàn số 3 trục của hãng Honeywell, có độ chính xác l
dén 2°, dùng chuẩn giao tiếp I2C ta có thé lấy được đữ liệu từ các thanh ghi của cảm biến để xác định góc của robot
Cảm biến có 13 thanh ghi, 3 thanh ghi đầu tiên có địa chỉ 0x00, 0x01 và 0x02 là 3 thanh ghi cài đặt cho cảm biến Tiếp theo là 6 thanh ghi có địa chỉ tử 0x03 đến 0x08
mà từ đó có thê xác định được góc quay
00 Configuration Register A Read/Write
01 Configuration Register B Read/Write
02 Mode Register Read/Write
03 Data Output X MSB Register Read
04 Data Output X LSB Register Read
05 Data Output Z MSB Register Read
06 Data Output Z LSB Register Read
07 Data Output Y MSB Register Read
08 Data Output Y LSB Register Read
09 Status Register Read
10 identification Register A Read
11 Identification Register B Read
12 Identification Register C Read
Hình 5.1 Bảng địa chỉ các thanh ghi của cảm bién HMC5883L [26]
5.2 Chọn vi điều khiển Tiva C series TM4C123GH6PM với cấu hình như sau:
- 6 module giao tiếp I2C
Trang 36TM4C123GH6PM Ia dong vi diéu khién ARM Cortex M4 cua TI, dién 4p cap
vào 3.3V, là vi điều khiển 32bit, tan số thạch anh trên kit la 16MHz, 2 module PWM, mỗi module gồm bộ 4 PWM Generator, mỗi bộ Generator có 2 chân PWM
5.3 Mạch nguồn:
- Thiết kế mạch nguồn 6V cho động cơ RC Servo
- Thiết kế mạch nguồn 3.3V cho vi điều khiển và cho cảm biến => Từ đây ta có sơ đồ kết nối tổng quát như sau: Cảm biến la bản Man] - Yaw RC Servo - Yaw khớp Yaw động cơ Má mÌ33 Phfpe | và cho cảm biển 3V PWM PWM ang an Mamn2 - PITCH RC Servo - Pitch khớp Pach : V4 [Mạch nguồn 6v
Pin lipo cho động cơ
Hình 5.2 Sơ đồ tổng quát mạch điện trên robot rắn
5.3.1 Mạch lấy nguồn từ Pin lipo
42 Switch et 3
“TL a ° Ap x =
= 2a FUSE 3A a =
Pr Lipp 74V 0 HEADER 7.4V
Hình 5.3 Mạch lấy nguồn từ Pin Lipo
Pin lipo 7.4V — 900mAh 2 cells, sẽ được lấy nguồn cho các mạch tạo nguồn cho
vi điều khiển và động cơ RC Servo, theo hình 5.4, nguồn 7.4V sẽ được điều khiển
Trang 375.3.2 Mạch nguồn 3.3V cho vi điều khiến, cảm biến và 6V cho động cơ RC Servo
Để tạo nguồn cho vi điều khiển và động co RC servo, IC én 4p tuyén tinh hoac
IC ổn áp xung có thể được dùng Mặc dù IC ỗn áp tuyến tinh có áp đầu ra phẳng hơn
IC ổn áp xung tuy nhiên tổn hao về tỏa nhiệt là rất lớn, sẽ làm giảm hiệu suất đồng
thời chỉ có các loại IC én áp cho tải có dòng nhỏ Với vi điều khiển và cảm biến, dòng hoạt động không quá lớn nhưng với động cơ RC servo được chọn là Towerpro MG946R, ngồi các thơng số trong bảng 2.1, thì dòng qua động cơ khi không có tải là 200mA đến 300mA, có tải nhẹ khoảng 400mA đến 500A và khi kẹt tải là khoảng 1.2A Chính vì vậy, với các tải là động cơ nên ngõ ra của nguồn có dòng lớn là thực sự
cần thiết hơn, và IC ổn áp xung LM2596 (dòng 3A, áp đầu vào 1.23V đến 37V ) với
áp ra có thể thay đôi được sẽ được sử dụng để tạo nguồn cho động cơ, đồng thời cũng có thể được dùng đẻ tạo nguồn cho vi điều khiển Từ đây mạch nguồn cho vi điều
Trang 385.3.3 Mach diéu khién
Mạch điều khiển sẽ nhận nguồn 3V3 từ mạch nguồn, có nhiệm vụ đọc giá trị từ
cảm biến, xử lý số liệu và cuối cùng là xuất tín hiệu xung PWM cho 4 động cơ RC
Servo khớp yaw, tương tự là khớp pitch của robot rắn 5 khâu 4 khớp được thể hiện trong hình 5.7 pee eee tuy ĐỀ tr Wrrrrl” m——————-a-a a——— MACH DIEU KHIEN
Hinh 5.6 Khéi mach diéu khién [27]
5.3.4 Mạch lấy tin hiệu điều khiến và nguồn cấp cho động cơ RC Servo
Do pin lipo có dòng 900mA nên mỗi pin sẽ được dùng để điều khiển 2 động cơ RC, xét các động cơ của khớp yaw, robot rắn 5 khâu 4 khớp có 4 khớp yaw, tương đương với 4 động cơ RC Servo, nên sẽ có 2 mạch lấy nguồn và tín hiệu điều khiển cho
Trang 39TONG KET 6.1 Kết quả đạt được
Tính toán động lực học cho robot rắn ở dạng tổng quát Mô phỏng chuyển động của robot rắn 5 khâu 4 khớp
Thiết kế cơ khí khớp xoay 2 bậc tự do cho robot rắn 5 khâu 4 khớp
Thiết kế mạch điện cho robot rắn 5 khâu 4 khớp
Thiết lập được cơ sở lý thuyết và lưu đồ giải thuật điều khiển bám quỹ đạo
đường thắng cho robot rắn trong thực tế 6.2 Kết quả chưa đạt được
Chưa khảo sát được mô phỏng chuyền động cho khớp pitch
Chưa điều khiển robot rắn bám được theo đường
Chưa tìm được vật liệu có ma sát thích hợp cho robot rắn
Chưa bám được quỹ đạo đường thẳng khi thời gian chạy lâu hơn
6.3 Hướng phát triển
Phát triển hơn nữa phần phân tích động lực học để khắc phục được những phần còn sai, chưa hợp lý, vì đó chính là cơ sở lý thuyết để khảo sát các vấn để liên
quan đến điều khiển robot rắn trong tương lai
Song song với việc phát triển các kết quả mô phỏng là việc lấy dữ liệu từ mô
hình thực nghiệm so sánh Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm áp dụng từ các cơ sở lý thuyết càng giống nhau càng cho thấy tính đúng đắn của các cơ sở ly thuyết đó
Tìm ra được vật liệu có ma sát thích hợp cho đi chuyên của robot rắn Điều khiển được robot rắn bám được theo đường cong
Điều khiển robot rắn bám được theo đường thẳng với thời gian dài
Trang 40TAI LIEU THAM KHAO
[1] Locomotion and control of a modular snake like robot a thesis submitted to the graduate school of natural and applied sciences of middle east technical university by
ERGIN KURTULMUS september 2010
[2] Locomotion and control of a modular snake like robot a thesis submitted to the
graduate school of natural and applied sciences of middle east technical university by
ERGIN KURTULMUS september 2010 [3] hitp:/www.news.com.au/technology/bioroboticists-create-a-robot-snake-that-can- climb-trees/story-e6 frfro0-1225915794779 [4] http://atmelcorporation.wordpress.com/2014/09/17/snake-robots/ [5] https://gigaom.com/2013/07/10/robotic-snakes-wriggle-through-pipes-to-inspect- nuclear-power-plants/ [6] Trần Phước Bau (2010) Luận văn tốt nghiệp, bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí, đại học Bách khoa thành phó Hồ Chí Minh [7] Bùi Thanh Vinh (2012) Luận văn tốt nghiệp, bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí, đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh [8] http://hrenovina.net/6453/acm-r5-mechaniko
[9] 3-D Snake Robot Motion: Nonsmooth Modeling, Simulations, and Experiments
Aksel A Transeth, Member, IEEE, Remco I Leine, Christoph Glocker, and Kristin Y
Pettersen, Senior Member, IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL 24, NO 2, APRIL 2008
[10]
[11] Let's build a modular snake robot! Dr Juan González-Gómez J uly-2nd-2013 [12] A Study on Dynamics Analysis and PID Controller Design for Direction Control of a Snake Robot Tran Thanh Cong Vu, Tuong Quan Vo Department of Mechatronics, Ho Chi Minh City, University of Technology — Viet Nam VCM-20/4
[13] Hamid Bamshad, Ali Reza Akbarzadeh Tootoonchi* and Shahir Hasanzadeh