đồ án robot di chuyển đa hướng bằng bánh omni

Bài toán robot di động bằng bánh xe ominidirectionalmobile robot-OMR được sự quan tâm lớn của nhiều người trong những năm gầnđây, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khác nha

LỜI NÓI ĐẦU

Trên con đường tiến tới công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì vấn đề phát triểnkhoa học kỹ thuật cao là mấu chốt hàng đầu Với xu hướng giảm tối thiểu sức người

và tăng năng suất lao động đòi hỏi phải có nhiều trang thiết bị, nhiều dây chuyền tựđộng hóa, lấy sức máy móc thay thế sức người,

Để đáp ứng nhu cầu này, chắc chắn cần phải nghiên cứu phát triển các thiết bị tựđộng để phụ vụ cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp Trong đóRobot là lĩnh vực mới mà ở nước ta đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứngdụng vào quá trình sản xuất để góp phần nâng cao năng xuất lao động Việc nghiêncứu và chế tạo robot nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế của các dây chuyền sản xuất

là rất cần thiết

Việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các robot là điều thiết yếu đặc biệtđối với các robot di động Bài toán robot di động bằng bánh xe (ominidirectionalmobile robot-OMR) được sự quan tâm lớn của nhiều người trong những năm gầnđây, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khác nhau như công nghiệp,nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ, do khả năng di chuyển linh hoạt

Khác với robot di động sử dụng bánh truyền thống, robot di động sử dụng bánh đahướng (gọi tắt là robot di động đa hướng) có những ưu điểm vượt trội như: khảnăng thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, độ chính xác cao , bởi vì chúng cókhả năng di chuyển và quay đồng thời hoạt độc lập, vì vậy robot di động đa hướng

đã thu hút được nhiều sự chú ý hơn Trong kĩ thuật điều khiển chuyển động củaOMR, vấn đề bám quỹ đạo và tác động nhanh là rất cần thiết Có nhiều phươngpháp điều khiển robot nhưng có rất ít công trình nghiên cứu dùng điều khiển trượtcho robot đa hướng

Robot sử dụng bánh omni có thể di chuyển theo bất kì hướng nào, ở bất kì góc nào

mà không cần quay trước khi di chuyển Vì có khả năng như vậy nên robot omni cókhả năng tiết kiệm năng lượng so với robot sử dụng bánh xe thông thường

Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn cơ điện tửcũng như các thầy cô trong khoa Cơ Khí và những người đã dìu dắt chúng em, chochúng em kiến thức chuyên ngành và những kinh nghiệm quý báu để cùng với sự

nỗ lực của chúng em đã hoàn thành đồ án cơ sở ngành hôm nay

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô của khoa và củangành đã giúp em trong thời gian qua

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ tên GVHD:

Ngày giao đề tài: Ngàyhoàn thành đề tài:

Số buổi báo cáo thường ky:

Nhận xét chung:

Điểm hướng dẫn:

TPHCM, ngày … tháng … năm …

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Chương 1

TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề:

Vấn đề được đặt ra là làm thế nào để robot có thể hoạt động, nhận biết môi trường

và thực thi nhiệm vụ đề ra Vấn đề đầu tiên là di chuyển, robot đa hướng tự hànhnên di chuyển thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Vấn đề thứhai là điều hướng Vấn đề thứ ba là môi trường làm việc Robot đa hướng tự hànhphải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyểnđộng để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định

1.2 Cấu trúc xe tự hành: (Robot omni 3 bánh)

Hình 1.1 Cấu trúc đơn giản của xe tự hành omniRobot tự hành được định nghĩa là một loại xe robot cả khả năng dịch chuyển

tự vận động ( có thể tự lập trình được ) dưới sự điều khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao

1.3 Tổng quan chung của lĩnh vực nghiên cứu:

1.3.1 Tổng quan:

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngànhcông nghiệp cũng đang phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiện đạivào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng

xuất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Song song với sự phát triển đó,công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng đặc biệt là ở các nước pháttriển nhằm đáp ứng các nhu câu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng robot có thểthực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiệnđược như: làm những công việc đòi hỏi sự chính xác cao, làm việc trong môi trườngnguy hiểm ( như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự), thám hiểmkhông gian vũ trụ

Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới Mobile Robot với nhữngđặc thù riêng mà những loại Robot khác không có Với khả năng di chuyển linhhoạt và vùng hoạt động rộng, thu hút nhiều sự đầu tư nghiên cứu hiện nay MobileRobot có thể phân chia thành nhiều loại theo cách vận hành

1.3.2 Phân loại Mobile Robot:

Có thể phân loại robot theo phương pháp di chuyển:

 Robot có chân, giống người hay động vật

Hình 1.2 Robot nhện

 Robot di chuyển bằng bánh xích, đai

Hình 1.3 Robot bánh xích

 Robot di chuyển bằng bánh xe

Hình 1.4 Robot omni

1.3.3 Một số dạng điều khiển:

1.3.3.1 Điều khiển từ xa bằng tay:

Robot điều khiển từ xa bằng tay được điều khiển thông qua sóng RF, wifi, hồng ngoại hay bluetooth Robot điều khiển từ xa giúp con người tránh khỏi những nguy hiểm

1.3.3.2 Thực thi theo lộ trình:

Là những con Robot theo lộ trình sẵn Chúng có thể theo những đường được sơn khắc trên sàn trên trần nhà hay một dây điện Đa số những robot này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ cảm biến trung tâm, chúng không thể vòng qua các chướng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi có vật nào đó cản đường chúng

1.3.3.3 Ngẫu nhiên hoạt động độc lập:

Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó lànhững chuyển động nhảy bật lên tường, những bức tường được cảm nhận do sự cản trở về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba hoặc với bộ cảm biến điện tử của máy cắt cỏ Friendly Robotics.

1.4 Mục đích nghiên cứu:

Để góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật của nước nhà, nhóm chúng

em đã chọn Mobile Robot di chuyển đa hướng bằng 3 bánh xe omni với hệ thống điều khiển tự động và tránh được vật cản Nhóm chọn làm Robot omni di chuyển 3 bánh bởi vì tiện, gọn và giảm được chi phí cho nhóm Từ những suy nghĩ đó chúng

em sử dụng những kiến thức còn hạn chế của mình để nghiên cứu chế tạo Mobile Robot trong phạm vi đồ án với ước muốn đóng góp vào công nghệ chế tạo Robot của nước nhà trong thời gian tới và Robot này nhóm sẽ áp dụng vào việc giám sát những khu vực nguy hiểm mà còn người không tới được

1.5 Nhiệm vụ và giới hạn nghiên cứu:

Thiết kế mô hình của robot, tính toán thông số động cơ, đường kính vòng bánh

xe và điều khiển được robot tự tránh vật cản thông qua cảm biến siêu âm Khoảng cách mà robot có thể nhận biết được vật cản

1.6 Phương pháp nghiên cứu:

Nhóm sẽ tiến hành tìm kiếm thông tin, chức năng của robot có thể áp dụng vào việc

gì, nó có thể hoạt động ở môi trường nào, địa hình nào Cần phải nâng cấp chức năng gì ở robot và tiến hành thiết kế mô hình 3D, sau khi thiết kế 3D xong thì ta tiến hành nghiên cứu đến phần cơ khí của robot đó là khung sườn, nên dùng chất liệu gì để xe có độ bền cao nhưng nhẹ về cân năng để dễ dàng di chuyển, sau đó chọn hình dáng thiết kế cho khung sườn như hình tròn hay hình tam giác Phần hệ thống điện và động cơ, đối với điện thì ta phải chọn nên dùng board mạch gồm có

gì, sử dụng cảm biến nào, nguồn cấp cho Robot là bao nhiêu để phù hợp, tìm hiểu thông số kỹ thuật của các bộ phận chi tiết trong bo mạch như cảm biến, arduino , thông tin về nguông cấp là bao nhiêu vote đối với động cơ thì xem thông số kỹ thuật về công suất, tỷ số truyền, nguôn cấp là bao nhiêu, cơ cấu hộp số, sau đó ta

tiến hành tính toán giải thuật điều khiển cho Robot di chuyển các hướng Phần lập trình, ở phần này cần phải biết được nên sử dụng ngôn ngữ lập trình nào, dùng phầnmềm nào để lập trình và học cách sử dụng phần mềm đó Sau khi hoàn thành nhữngcông việc trên nhóm sẽ bắt đầu tiến hành vào việc phát triển làm mô hình ngoài thực tế và sau khi làm xong sẽ đem ra thử nghiệm nếu có chỗ nào chưa đạt thì nhóm

sẽ tiếp tục xem xét lại, sửa chữa lại, còn nếu thành công thì sẽ tiến hành áp dụng vào thực tiễn

1.7 Ưu và nhược điểm của Robot:

1.7.1 Ưu điểm:

 Di chuyển linh hoạt

 Dễ điều khiển

 Thiết kế đơn giản

 Có khả năng ứng dụng ngay vào đời sống

1.7.2 Nhược điểm:

 Di chuyển trong một số môi trường và địa hình nhất định

Chương 2

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1 Phần mềm thiết kế:

Mobile Robot được thiết kế trên phần mềm solidword 2016

Solidworks là phần mềm thiết kế cơ khí 3D, chạy trên hệ điều hành

windowns Solidworks được phát triển bởi Dassault Systemes Solidworks corp, mộtcông ty của Dassault Systemes, SA (Veslizy, pháp ) Solidworks hiện đang được sử dụng hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế ở mức 178.000 công ty trên toàn thế giới Solidworks đang là đối thủ cạnh tranh trực tiếp với Autodesk Inventor và Solid Edge Các phiên bản đã phát hành như: Solidworks 95, Solidworks 96, Solidworks

97, Solidworks 97 plus, Solidworks 98, Solidworks 98 plus, , Solidworks 2013, , Solidworks 2016

Các sản phẩm solidworks cung cấp:

 ứng dụng thiết kế cơ khí 3D: Solidworks Standar, Solidworks professional,

Solidworks Premium cung cấp một bộ công cụ phát triển sản phẩm thiết, thẩm tra thiết kế, quản lý dữ liệu, thông tin liên lạc và các công cụ cơ khí

 Thiết kế các công cụ chứng nhận: Solidworks Simulation là một công cụ xác nhận thiết kế cho thấy các kỹ sư cách thiết kế của họ sẽ cư xử như các đối tượng vật lý Solidworks Motion là công cụ tạo mẫu ảo cung cấp khả năng mô phỏng chuyển động để đảm bảo chức năng thiết kế đúng cách

Solidworks với tính mở và tính tương thích của mình, Solidworks cho phép nhiều phần mềm ứng dụng khác chạy trực tiếp trên môi trường của nó,Solidworks cũng kết xuất ra các tập tin dữ liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khai thác trong môi trường các phần mềm khác

2.2 Khung cơ khí:

Hình 2.1 Khung cơ khí

Khung là một bộ phận quan trong của robot, được lắp ráp các thứ lên như động cơ, board mạch, cảm biến

Hình 2.2 Ván MDF

di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần quay trước khi di chuyển) Đó là sự khác biệt cơ bản nhất so với các loại bánh xe truyền thống hay bánh xíc dùng trong

xe Tăng, khi đổi hướng thì phải quay đầu rồi đi theo hướng đó Vì có khả năng như vậy nên robot omni có khả năng tiết kiệm năng lượng so với robot sử dụng bánh xe thông thường

Hình 2.5 Bánh omniThông số kĩ thuật:

-Đường kính bánh xe: 40(mm)

-Rộng: 27 (mm)

-Con lăn vệ tinh: 8 con

-Chiều dài con lăn: 16 (mm)

-Vật liệu con lăn: nhôm

-Vật liệu khung bánh xe: nhựa PA

-Tải trọng: 15kg

-Khối lượng: 50gam

-Có độ bền cao, có khả năng di chuyển linh hoạt 360, với 8 bánh vệ tinh được gia công CNC từ kim loại nhôm cứng 6061 siêu bền giúp bánh chạy êm và giảm hao mòn đáng kể trong quá trình sử dụng Bằng cách thay đổi tốc độ và hướng của động

cơ, robot có thể lái theo bất kì hướng nào mà không cần phải quay

2.3.2 phần khớp nối trục:

Sử dụng nối động cơ DC với trục bánh xe

Hình 2.6 Khớp nối trụcThông số kĩ thuật:

-Một đầu cho trục 5mm đầu còn lại trục 8mm, nối với động cơ và các khớp-Chất liệu: Nhôm cứng

2.4 Một số chi tiết khác:

- Ốc vít

.Hình 2.7 Ốc, vít.

2.5 Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động+ Ghi chú:

- Góc giữa các bánh mỗi góc 120 độ

- Mũi tên màu đen chỉ hướng di chuyển của robot

- Mũi tên màu đỏ chỉ chiều quay của xe (cùng chiều kim đồng hồ).

- Các số 1,2,3 chỉ vị trí bánh xe

- Các kí tự A, B, C, D, E, F, G, H, Trước, sau, trái, phải là tên của các hướng di chuyển

Ta có nguyên lý hoạt động như sau:

 Đi thẳng về trước: bánh số 1 dừng, bánh số 2 quay ngược chiều mũi tên, số 3 quay cùng chiều mũi tên

 Đi thẳng về sau: bánh số 1 dừng, bánh số 2 quay cùng chiều mũi tên, bánh số 3 quay ngược chiều mũi tên

 Đi qua phải: bánh số 1 cùng chiều mũi tên, bánh số 2 và bánh số 3 quay ngược chiều mũi tên

 Đi qua trái: bánh số 1 ngược chiều mũi tên, bánh số 2 và bánh số 3 quay cùng chiều kim đồng hồ

 Đi thẳng về A: bánh số 3 dừng, bánh số 1 quay ngược chiều mũi tên, bánh số 2 quaycùng chiều mũi tên

 Đi thẳng về C: bánh số 3 dừng, bánh số 1 quay cùng chiều mũi tên, bánh số 2 quay ngược chiều

 Đi thẳng về B: bánh số 2 dừng, bánh số 1 cùng chiều mũi tên, bánh số 3 ngược chiều mũi tên

 Đi thẳng về D: bánh số 2 dừng, bánh số 1 ngược chiều mũi tên, bánh số 3 cùng chiều mũi tên

 Đi thẳng về E: bánh số 1 quay ngược chiều mũi tên, bánh số 2 quay cùng chiều mũi tên, bánh số 3 quay ngược chiều mũi tên

 Đi thẳng về G: bánh số 1 quay cùng chiều mũi tên, bánh số 2 quay ngược chiều mũitên, bánh số 3 quay cùng chiều mũi tên

 Đi thẳng về F: bánh số 1 và bánh số 2 quay cùng chiều mũi tên, bánh số 3 quay ngược chiều mũi tên

 Đi thẳng về H: bánh số 1 và bánh số 2 quay ngược chiều mũi tên, bánh số 3 quay cùng chiều mũi tên

 Tự quay quanh tâm cùng chiều kim đồng hồ: cả 3 bánh đều quay cung chiều mũi tên.

 Tự quay quanh tâm ngược chiều kim đồng hồ: cả 3 bánh quay ngược chiều mũi tên

2.6 Các công việc tính toán:

*Gọi:

- P(N): Trọng lượng toàn xe

- Fms(N)=P*u= 0.4*P là lực ma sát Ở đây u là hệ số ma sát, do bánh xe là cao su tiếp xúc đường trơn nên chọn giá trị bằng 0.4, (tra ở bảng 2.1 hệ số ma sát trượt)

- P1(w): công suất động cơ cho phép có ghi trên nhãn động cơ (về mặt điện học thì P1=U*I, ở đây ta ko đề cập tới điện)

-F(N): lực để đẩy toàn bộ xe chạy

-W(J):Công thực hiện

-S(m): Quãng đường chạy

-v(m/s): vận tốc tối đa đạt được ứng với công suất và khối lượng

Định nghĩa cơ bản: Công suất là lượng công(J) thực hiện trong 1s.(w=J/s)

Công thực hiện được là: W=P1=F*S =100*2 (Quãng đường xe chay 3m)

Trong 1s, muốn xe có thể chạy thì:

F>Fms <=> P1/S > 0.4*P

suy ra 300/3 >0.4*9.8 (1)

Tỉ số giữa công suất trên quãng đường chạy được trong 1s phải lớn hơn lực ma sát

*Mà ta thấy"quãng đường chạy được trong 1s" đây rõ ràng là vận tốc v(m/s)

Thép trên đất cứng 0,2 – 0,4

Lốp cao su trên đất cứng 0,4 – 0,6

Hình 2.6 Biểu diễn lực tác động

-Điện áp định mức: 12v-Tốc độ: 92 rpm

- Hộp số: 1:86-Dòng: 100 (mA)-Lực nâng: 300 (mN.m)-Tổng chiều dài động cơ: 56.2 (mm), (chiều dài hộp số 24.4 mm)-Đường kính hộp số: 25 mm

-Đường kính động cơ: 24.2 mm

-Trục dài: 13 mm

-Đường kính trục: 5 mm (độ dài cạnh cắt khoản 3.9 mm)-Trọng lượng: khoảng 100g

3.1.2 Nguồn cấp cho robot:

3.1.3 Dây cắm test board:

Hình 3.3 dây cắm đực cái, dây cắm đực đực và dây cắm cái cái

Mô tả:

-Dây lõi đồng nhiều sợi có độ dẫn điện cao, mối tiếp xúc chắc chắn, có độ dài 30cm, có nhiều màu sắc khác nhau (10 màu)

3.2 Thiết bị điều khiển:

3.2.1 Arduino uno R3 chip cắm:

Hình 3.4 Arduino uno R3Thông số kĩ thuật:

 Chip điều khiển chính: Atmega328

 Nguồn nuôi mạch: 5V

 Nguồn ngoài (cắm từ giắc tròn DC): Khuyên dùng 7v-9v để đảm bảo mạch hoạt động tốt Nếu bạn cắm 12v thì IC ổn áp rất dễ chết và gây

hư hỏng mạch

 Số chân Digital: 14 (hỗ trợ 6 chân PWM)

 Số chân Analog: 6

 Dòng ra trên chân Digital: tối đa 40mA

 Dòng ra trên chân 3.3V: 50mA

 Dung lượng bộ nhớ Flash: 32 KB (Atmega328) of which 0.5 KB used

by bootloader

 SRAM: 2 KB (Atmega328)

 EEPROM: 1 KB (Atmega328)

 Tốc độ: 16 MHz

3.2.2 Arduino điều khiển động cơ L298N:

Hình 3.5 Arduino điều khiển động cơThông số kỹ thuật:

-Driver: L298N tích hợp 2 mạch cầu H

-Điện áp điều khiển: +5v ~ +12v

-Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A

-Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5v ~ +7v

- Dòng của tín hiệu điều khiển : 0 ~ 36Ma

-Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)

-Nhiệt độ bảo quản : -25°C ~ +130

3.2.3 Cảm biến siêu âm HC SR-04:

ra nếu nhận được tín hiệu TRIG

Hình 3.6 Cảm biến siêu âm

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn làm việc: 5V

-Dòng tiêu thụ : nhỏ hơn 2mA

- Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) và LOW (0V)

- Khoảng cách đo: 2cm - 300cm (3 mét)

- Độ chính xác: 0.5cm

Chương 4

ĐIỀU KHIỂN4.1 Sơ đồ khối:

Hình 4.1 sơ đồ khối phần cứng

4.2 Chi tiết các khối:

- Khối nguồn 12V: cấp nguồn 12v cho mạch công suất arduino L298N để điều khiển động cơ, cấp nguồn 5v cho mạch điều khiển arduino uno R3 và cho cảm biến thông qua chân nguồn 5v của l298N

- Khối xử lý: xử lý các thông tin của chương trình lập trình và nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến sau đó xử lý thông tin xuất đi để điều khiển robot

- Khối công suất: nhận tín hiệu đầu vào đã được xử lý qua khối xử lý sau đó dùng thông tin xử lý đó đưa vào và điều khiển động cơ hoạt động theo yêu cầu

12V

Khối nguồn 12V

Động cơ giảm tốc GA25

Chương 5

MÔ HÌNH THỰC TẾ5.1 Cấu tạo robot:

Xem phần phụ lục

5.3 Chương trình điều khiển robot:

Xem phần phụ lục

5.4 Kết quả thông qua các lần chạy mô hình:

- Kết quả lần 1: điều khiển tự động di chuyển đa hướng tránh vật cản.

- Kết quả lần 2: điều khiển đa hướng tránh vật cản bằng tay.

- Kết quả lần 3: kết hợp kết quả lần 1 và lần 2, sử dụng công tắc gạc để chia robot

ra 2 chế độ điều khiển, chế độ tự động và chế độ điều khiển bằng tay

Chương 6