Nghiên cứu thiết kế robot leo trụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành : 60520114 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành : 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 Năm 2015 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Công nghệ TP HCM ngày 16 tháng 08 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: T T C h P G T Ph S T bP S b T S P Ù G viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày … tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23 / 11 /1977 Nơi sinh: Phú Thọ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840020 I- Tên đề tài: II- Nhiệm vụ nội dung: III- Ngày giao nhiệm vụ: …………………………………………………………… IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: Tiến sĩ, Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn Nguyễn Thành Trung ii LỜI CÁM ƠN Luận văn tốt nghiệp hội để sinh viên vận dụng kiến thức mà tích lũy suốt q trình học quan sát thực tế Tuy nhiên, nhiều hạn chế kiến thức, kinh nghiệm thực tế thời gian nên nỗ lực, cố gắng khơng tránh khỏi sai sót, chưa bám sát vào thực tiễn Trong luận văn em mong nhận nhận xét, góp ý từ thầy bạn Để hồn thành luận văn em xin kính gửi đến thầy TS Nguyễn Thanh Phương lòng biết ơn sâu sắc, thầy tận tình hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy khoa Cơ - Điện - Điện Tử hết lòng truyền đạt kiến thức tạo điều kiện để em hồn thành luận văn TĨM TẮT LUẬN VĂN Việc ứng dụng loại robot khác nhằm phục vụ người sản xuất sinh hoạt ngày thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nước giới Trong đề tài trình bày nghiên cứu thiết kế robot leo trụ với dạng leo liên tục bánh xe với động DC Robot thiết kế hệ thống độc lập Một hệ thống tạo lực nén với nhiệm vụ giữ robot di chuyển trụ hệ thống truyền động bánh xe để robot di chuyển trụ Cơ cấu khí thiết kế khung với ba nén đặt lệch góc 120 , tạo mặt phằng vng góc với trụ việc phân tích tính tốn lực đơn giản Bộ điều khiển PID thứ xây dựng để điều khiển lực nén cách điều khiển khoảng cách x lò xo, giúp ổn định lực nén giữ robot ổn định trụ Bộ điều khiển PID thứ điều khiển, ổn định tốc độ robot di chuyển trụ Các kết thực nghiệm việc thiết kế, chế tạo khí mạch điều khiển robot cho thấy robot leo trụ tròn, trụ ABSTRACT The application of different types of robots to serve people in production and daily life is increasingly attracting the attention of researchers around the world This research will present a design study describing a kind of climing robot that continuously climes a cylinder with wheels and DC motors The robot is designed with two independent systems A system will generate compressing force to keep the robot moving on the cylinder while another system is a wheel drive system that makes the robot move on the cylinder The gas distribution mechanism is designed on a frame containing three compressors put in a distance of 120 degree, creates a plane perpendicular to the cylinder This helps analyse the compressing force simpler The first PID controler is set up to control the compressing force by adjusting the distance ‘x’ of springs This will control the speed of the robot movement on the cylinder The experimental results of designing, mechenical manufacturing as well as controling board the in the research show that the robot can move on the cylinder and cone MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH SÁCH HÌNH x ẢNH CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO .1 1.1 Các khái niệm robot di động, robot leo .1 1.2 Phân loại loại robot leo trụ .1 1.2.1 Phân loại theo kết cấu: .1 1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo 1.2.2.1 Robot dạng rời rạc 1.2.2.2 Robot dạng liên tục 1.2.2.3 Robot dạng rắn 1.3 Đặt vấn đề .4 1.4 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: .6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở thuật toán PID: .6 2.1.1 Những kiến thức sở điều khiển PID 2.1.2 Vai trò khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 2.1.2.1 Khâu tỉ lệ 2.1.2.2 Khâu tích phân 2.1.2.3 Khâu vi phân 2.2 Vi điều khiển ATmega32 2.2.1 Giới thiệu ATmega32 2.2.2 Các đặc tính ATmega32: 10 2.2.3 Sơ đồ chân ATmega32 11 2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) 12 2.4 Encoder : 13 2.4.1 Cấu tạo Encoder: .13 2.4.2 Nguyên lý bản: 15 2.5 Động DC 16 2.5.1 Giới Thiệu 16 2.5.2 Cấu tạo: 16 2.5.3 Nguyên lý hoạt động: 18 2.5.4 Điều khiển tốc độ động DC: .18 CHƯƠNG 20 THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 20 3.1 Yêu cầu chức robot 20 3.2 Phân tích thiết kê robot 20 3.2.1 Tính tốn lực 20 3.2.2 Thiết kế tạo lực nén 22 3.2.3 Tính tốn hệ thống chuyển động robot 24 3.3 Điều khiển robot 25 3.3.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển 25 3.3.2 Xác định điều khiển hệ thống lực nén 26 3.3.2.1 Xác định hàm truyền 26 3.3.2.1 Thiết kế điều khiển 28 3.3.3 Xác định điều khiển hệ thống di chuyển 30 3.3.3.1 Xác định hàm truyền .30 3.3.3.2 Thiết kế điều khiển 32 CHƯƠNG 4: .35 CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 35 - Đặc tuyến tín hiệu điều khiển Hình 3.14 Đáp ứng tín hiệu điều khiển hệ thống leo CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Chế tạo khí 4.1.1 Bảng vẽ thiết kế Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế hệ thống khí 4.1.2 Hình ảnh sau chế tạo Hình 4.2: Robot leo trụ 4.2 Thiết kế mạch điện 4.2.1 Yêu cầu Xuất phát từ nhiệm vụ mục đích đề tài thử nghiệm mẫu robot leo trụ, từ yêu cầu robot leo robot phải bám di chuyển thao tác trụ thẳng đứng Hoạt động cao nơi người không với tới nên yêu cầu điều khiển cần đảm bảo robot điều khiển từ hệ thống điều khiển từ xa Từ yêu cầu mà chức điều khiển module điều khiển cần xác, nhịp nhàng ăn khớp cách đồng bộ, có đảm bảo robot hoạt động cách an toàn tin cậy hoạt động ý người điều khiển Sơ đồ khối điều khiển thiết kế sau : Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiển kết nối - Khối RF : khối có chức giao tiếp robot người điều khiển thơng qua thiết bị truyền phát tín hiệu mà phát máy tính tay cầm Nó có chức mã hóa, giải mã trình truyền nhận liệu robot thiết bị truyền phát - Khối vi điều khiển (MCU) : Khối có chức thu nhận tín hiệu từ truyền phát để đưa tín hiệu điều khiển trình dịch chuyển robot, đồng thời thu nhận xử lý tín hiệu từ sensor đưa - Khối cơng suất có chức khuếch đại tín hiệu điều khiển nhỏ thành tín hiệu đủ lớn để cấp cho cấu chấp hành ổn định chế độ làm việc cho mạch điều khiển Cơ cấu chấp hành cấu chấp hành robot động chiều có chức biến đổi tín hiệu điều khiển từ điện áp khối cơng suất thành chuyển động quay động Động điều chỉnh tốc độ băm xung PWM đảo chiều thông qua mạch cầu H sử dụng FET 4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn linh kiện Từ nhiệm vụ, chức robot để tiện cho kiểm tra sửa chữa, linh hoạt thay đổi mạch điều khiển robot thiết kế chia làm phần : + mạch vi điều khiển + mạch công suất 4.2.2.1 Bo mạch vi điều khiển : - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống bám trụ Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nén - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống leo Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống leo 4.2.2.2 Board mạch Arduino Hình 4.6 Bo mạch Arduino UNO Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR Atmel với hai chip phổ biến ATmega328 ATmega2560 Các dòng vi xử lý cho phép lập trình ứng dụng điều khiển phức tạp trang bị cấu hình mạnh với loại nhớ ROM, RAM Flash, ngõ vào digital I/O có nhiều ngõ có khả xuất tín hiệu PWM, ngõ đọc tín hiệu analog chuẩn giao tiếp đa dạng UART, SPI, TWI (I2C) Xung nhịp: 16MHz EEPROM: 1KB (ATmega328) 4KB (ATmega2560) SRAM: 2KB (Atmega328) 8KB (Atmega2560) Flash: 32KB (Atmega328) 256KB (Atmega2560) Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào: Digital: Các bo mạch Arduino có cổng digital cấu hình làm ngõ vào ngõ phần mềm Do người dùng linh hoạt định số lượng ngõ vào ngõ Tổng số lượng cổng digital mạch dùng Atmega328 14, Atmega2560 54 Analog: Các bo mạch Arduino có trang bị ngõ vào analog với độ phân giải 10-bit (1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn 5V độ phân giải khoảng 0.5mV) Số lượng cổng vào analog Atmega328, 16 Atmega2560 Với tính đọc analog, người dùng đọc nhiều loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro, accelerometer… Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra: Digital output: Tương tự cổng vào digital, người dùng cấu hình phần mềm để định dùng ngõ digital ngõ Tổng số lượng cổng digital mạch dùng Atmega328 14, Atmega2560 54 PWM output: Trong số cổng digital, người dùng chọn số cổng dùng để xuất tín hiệu điều chế xung PWM Độ phân giải tín hiệu PWM 8-bit Số lượng cổng PWM bo dùng Atmega328 6, bo dùng Atmega2560 14 PWM có nhiều ứng dụng viễn thơng, xử lý âm điều khiển động mà phổ biến động servos máy bay mơ hình Chuẩn Giao tiếp Serial: Đây chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng phổ biến bo mạch Arduino Mỗi bo có trang bị số cổng Serial cứng (việc giao tiếp phần cứng chip thực hiện) Bên cạnh đó, tất cổng digital lại thực giao tiếp nối tiếp phần mềm (có thư viện chuẩn, người dùng khơng cần phải viết code) Mức tín hiệu cổng TTL 5V Lưu ý cổng nối tiếp RS-232 thiết bị PC có mức tín hiệu UART 12V Để giao tiếp hai mức tín hiệu, cần phải có chuyển mức, ví dụ chip MAX232 Số lượng cổng Serial cứng Atmega328 Atmega2560 Với tính giao tiếp nối tiếp, bo Arduino giao tiếp với nhiều thiết bị PC, touchscreen, game console… USB: Các bo Arduino tiêu chuẩn có trang bị cổng USB để thực kết nối với máy tính dùng cho việc tải chương trình Tuy nhiên chip AVR khơng có cổng USB, bo Ardunino phải trang bị thêm phần chuyển đổi từ USB thành tín hiệu UART Do máy tính nhận diện cổng USB cổng COM cổng USB tiêu chuẩn SPI: Đây chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng có bus gồm có dây Với tính bo Arduino kết nối với thiết bị LCD, điều khiển video game, điều khiển cảm biến loại, đọc thẻ nhớ SD MMC… TWI (I2C): Đây chuẩn giao tiếp đồng khác bus có hai dây Với tính này, bo Arduino giao tiếp với số loại cảm biến thermostat CPU, tốc độ quạt, số hình OLED/LCD, đọc real-time clock, chỉnh âm lượng cho số loại loa… Môi trường lập trình bo mạch Arduino Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính thơng dụng mang lại nhiều lợi cho Arduino, nhiên sức mạnh thực Arduino nằm phần mềm Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngơn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu dựa tảng C/C++ quen thuộc với người làm kỹ thuật Và quan trọng số lượng thư viện code viết sẵn chia sẻ cộng đồng nguồn mở lớn 4.2.2.3 Khối công suất : 4.2.2.3.1 Optocoupler-NPN OpTo hay gọi cách ly quang linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm Led photo Diode hay Phôto Transitor Được sử đụng để cách ly khối chênh lệch điện hay cơng suất nh− khối cơng suất nhỏ (dòng nhỏ, điện áp 5V ) với khối điện áp lớn cỡ hàng ampe vài chục ampe Hình 4.7 Sơ đồ ngun lý Opto Ngun lý hoạt động: Khi có dòng nhỏ qua hai đầu Led có opto làm cho Led phát sáng Khi led phát sáng làm thơng cực Photo Transitor hay Photo Điode mở cho dòng điện chạy qua 4.2.2.2 Rờ le Role thiết bị bảo vệ hệ thống hoặt động nguyên lý đóng cắt Nó có vai trò khố Kí hiệu cấu tạo: Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý Rờ le Nguyên tắc hoạt động : biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua cuộn dây , Từ trường lại tạo thành lực học thông qua lực hút để thực động tắc khí nh− đóng mở hành trình thiết bị tự động Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động DC 4.2.2.3 IC L298 IC L298 IC tích hợp nguyên khối gồm mạch cầu H bên Với điện áp làm tăng công suất đầu từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L298 thích hợp ứng dụng cơng suất nhỏ động DC loại vừa Chức chân L298: - chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển - chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3, 13, 14 L298 Các chân nối với động - Hai chân ENA ENB dung để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H khơng hoạt động - Khi ENA = 0: Động không quay với đầu vào - Khi ENA = 1: ØINT1 = 1; INT2 = 0: động quay thuân ØINT1 = 0; INT2 = 1: động quay nghịch ØINT1 = INT2: động dừng tức Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động DC dùng L298 4.2.3 Lưu đồ điều khiển robot Hình 4.11 Lưu đồ điều khiển Robot 4.2.4 Robot sau chế tạo Hình 4.12 Robot leo trụ Hình 4.13 Điều khiển nén robot Hình 4.14 Điều khiển leo robot 4.2.5 Kết thực nghiệm Hình 4.15 Robot thực leo trụ Đánh giá kết thực nghiệm - Robot leo trụ tròn - Bộ điều khiển PID hệ thống nén, điều khiển khoảng cách x lò xo đạt kết ổn định, bám theo giá trị đặt Vì robot giữ ổn định trụ qua trình leo - Bộ điều khiển PID tốc độ leo động leo chưa ổn định, ảnh hưởng đến đồng tốc động ( đặt biệt Robot di chuyển xuống) TỔNG KẾT 5.1 Kết đạt   Tính tốn lực Robot dạng tổng qt Tính tốn công suất động  Mô hệ thống nén, leo Robot  Thiết kế khí thi công chế tạo Robot  Thiết kế mạch điện điều khiển Robot  Thiết lập sở lý thuyết lưu đồ giải thuật điều khiển Robot  Kết thực nghiệm, Robot leo trụ tròn côn 5.2 Kết chưa đạt  Chế tạo thủ cơng chưa có độ xác, làm ảnh hưởng đến điều khiển Robot  Mô Matlab chưa thể hết trực quan Robot  5.3 Chưa tìm vật liệu có ma sát thích hợp cho Robot Hướng phát triển  Phát triển phần phân tích động lực học để khắc phục phần sai, chưa hợp lý, sở lý thuyết để khảo sát vấn đề liên quan đến điều khiển robot leo tương lai  Song song với việc phát triển kết mơ việc lấy liệu từ mơ hình thực nghiệm so sánh Kết từ mô thực nghiệm áp dụng từ sở lý thuyết giống cho thấy tính đắn sở lý thuyết  Điều khiển robot theo trụ có đường kính thay đổi đột ngột, trụ cong TÀI LIỆU KHAM KHẢO TREEBOT: AN AUTONOMOUS TREE CLIMBING ROBOT UTILIZING FOUR BAR LINKAGE SYSTEM, B.C.Widanagamage1, T.N.Gallege1, S.Salgado1, J.Wijayakulasooriya2 Novel Climbing Method of Pruning Robot, Haruhisa Kawasaki1, Suguru Murakami2 Design and Fabrication of Coconut Harvesting Robot, Mani A, Jot hilingam Giáo trình Truyền động điện,NXBKHKT , Bùi Quốc Khánh (2002) Giáo trình Cơ sở điều khiển tự động, TS Đặng Hoài Bắc System Dynamics, William J palm III Sensor technology handbook edited by JON WILSON ứng dụng MATLAB điều khiển TS Võ Tường quân http://www.thietkemay.com/ 10 http://www.tamagawa-seiki.com/english/servo/tredc 11 https://www.arduino.cc/ ... loại robot leo trụ 1.2.1 Phân loại theo kết cấu: Một chức kết cấu robot leo kết hợp lực bám dính để gắn robot vào trụ chắn di chuyển linh hoạt Theo nghiên cứu có dạng robot leo - Robot leo di... 1.2.2.2 Robot dạng liên tục Robot thiết kế leo liên tục trụ bánh xe Các bánh xe bám vào trụ nhờ kết cấu bao xung quanh trụ ép bánh xe vào trụ, bánh xe làm nhiệm vụ vừa giữ robot trụ vừa di chuyển robot. .. lập trình thiết kế mạch điều khiển Tôi chọn phương án leo liên tục để chế tạo robot leo trụ Với lựa chọn thiết kế robot leo liên tục trụ, mục tiêu đặt phải điều khiển Robot giữ liên tục trụ điều