Nghiên cứu, thiết kế robot điều khiển theo quỹ đạo ứng dụng la bàn số và cảm biến khoảng cách

Nghiên cứu, thiết kế robot điều khiển theo quỹ đạo ứng dụng la bàn số và cảm biến khoảng cách

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Giáo viên phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật robot là một lĩnh vực phát triển hết sức nhanh chóng, là mộttrong những công nghệ mũi nhọn của thế kỉ 21 Cùng với sự phát triển của xãhội, kỹ thuật robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống conngười Ngày nay, chúng ta có thể thấy robot đã làm thay con người rất nhiềucông việc Đó là những công việc mà con người cảm thấy nhàm chán, khóthực hiện, yêu cầu độ chính xác hoặc có mức độ nguy hiểm cao Ví dụ nhưrobot lau nhà, robot lắp ráp trong công nghiệp, robot trong ngành năng lượnghạt nhân, robot để thám hiểm vũ trụ…

Để góp phần giúp sinh viên hiểu hơn về cấu tạo và nguyên lí hoạt độngcủa Mobile robot nhóm em đã chọn đề tài Mobile robot 3 bánh di chuyển theoquỹ đạo, ứng dụng la bàn số và cảm biến khoảng cách Dựa trên các kiến thức

đã tìm hiểu ở loại Mobile robot truyền thống, nhóm em ứng dụng thêm la bàn

số để tăng tính chính xác và điều khiển tối ưu quỹ đạo của robot hơn

Em xin chân thành cám ơn thầy Lê Ngọc Duy đã hướng dẫn, nhiệt tìnhgiúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đồ án Chúng em cũng gửi lờicảm ơn tới nhà trường, đặc biệt là quý thầy cô trong bộ môn cơ khí, cơ điện

tử, những người đã trang bị kiến thức nền tảng và giúp đỡ chúng em trongthời gian qua

Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều sai sót Chúng em mongđược sự giúp đỡ và đóng góp của các thầy và các bạn để đồ án được hoànthiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đồ án

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO 1

1.1 Lịch sử nghiên cứu 1

1.1.1 Giới thiệu chung về Robot 1

1.1.2 Giới thiệu chung về robot omni 3

1.2 Mục tiêu của đề tài 7

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài 8

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO 9

2.1 Tính toán, lựa chọn phương pháp điều khiển 9

2.2 Mô hình toán học hệ thống cơ khí 9

2.2.1 Mô hình hóa robot 9

2.2.2 Tính toán động học, động lực học cho robot 10

2.2.3 Tính toán động học cho robot cho một số chuyển động cơ bản 13

2.3 Mô hình toán học hệ thống điều khiển 15

2.3.1 Bộ điều khiển động cơ PID 15

2.3.2 Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều dưới dạng hàm truyền .17

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO 19

3.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 19

3.1.1 Thiết kế phần đế và nắp robot omi 19

3.1.2 Thiết kế khớp nối U 20

3.1.3 Lựa chọn bánh xe omni 21

3.1.4 Khớp nối bánh xe với động cơ 22

3.1.5 Tính toán chọn động cơ 23

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử 26

3.2.1 Lựa chọn vi điều khiển trung tâm 27

3.2.2 Vi điều khiển Arduino Nano 30

3.2.3 Lựa chọn module bluetooth 31

3.2.4 Lựa chọn driver 33

3.2.5 Cảm biến gia tốc 35

3.2.6 La bàn số 36

3.2.7 Hệ thống nguồn 38

3.2.8 Mạch giảm áp 39

3.2.9 Sơ đồ kết nối mạch điện 40

3.3 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển 40

3.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển Mobile Robot 40

3.3.2 Thiết kế giao diện điều khiển 40

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 44

4.1 Chế tạo hệ thống cơ khí 44

4.2 Hệ thống điện, điện tử 45

4.3 Mô hình hoàn chỉnh 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 49

Chương trình điều khiển trên Arduino: 49

Chương trình lập trình ứng dụng điều khiển trên điện thoại: 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Robot vận chuyển hàng hóa tự động trong kho hàng Amazon

2

Hình 1-2: Robot hút bụi Samsung POWERbot 3

Hình 1-3: Robot thám hiểm Sao Hỏa Curiosity của NASA 3

Hình 1-4: Xe lăn alexis- 1982 4

Hình 1-5: Robot KUKA - omniMove 5

Hình 1-6: Robot Omni do Trường ĐHBK Đà Nẵng nghiên cứu 6

Hình 1-7: Robot Omni tránh vật cản sử dụng hồng ngoại 7

Hình 2-1: Mô hình động học và động lực học cho Omni Robot 9

Hình 2-2: Quan hệ giữa hệ số ma sát khô và hệ số ma sát nhớt 13

Hình 2-3: Chuyển động tịnh tiến 14

Hình 2-4: Chuyển động quay 14

Hình 2-5 Mô hình bộ điều khiển PID 16

Hình 2-6: Mô hình hóa động cơ DC 17

Hình 3-1: Hình ảnh thiết kế của đế và nắp 20

Hình 3-2: Khớp nối U 20

Hình 3-3: Ví dụ các loại bánh xe trên thực tế 21

Hình 3-4: Bánh xe omni mô hình 22

Hình 3-5: Khớp nối trục động cơ và bánh 22

Hình 3-6: Các lực tác dụng lên bánh xe 23

Hình 3-7: Các chân kết nối của Encoder 25

Hình 3-8: Hình ảnh mô hình của động cơ 26

Hình 3-9: Mô hình thiết kế trên phần mềm Solidworks 26

Hình 3-10: Sơ đồ khối hệ thống 27

Hình 3-11: Hình ảnh mô hình của Arduino 29

Hình 3-12: Module bluetooth HC-06 32

Hình 3-13: Hình ảnh thực tế của Driver L298 33

Hình 3-14: Vị trí các chân của driver L298 34

Hình 3-15: Cảm biến gia tốc và la bàn số MPU-6050 35

Hình 3-16: Cảm biến la bàn số HMC5883L 37

Hình 3-17: Sơ đồ nguyên lí la bàn số HC8553L 38

Hình 3-18: Hình ảnh thực tế của Pin 12V 39

Hình 3-19: Mạch giảm áp 39

Hình 3-20: Giao diện Project MIT App Inventor 42

Hình 3-21: Giao diện thiết kế ứng dụng 42

Hình 3-22: Hình ảnh giao diện lập trình ứng dụng 43

Hình 3-23: Giao diện điều khiển bằng điện thoại 43

Hình 4-1: Khung máy sau khi được lắp ráp 44

Hình 4-2: Bánh xe omni 58mm 44

Hình 4-3: khớp nối trục động cơ và bánh omni 45

Hình 4-4: Mô hình hoàn chỉnh 47

DANH MỤC BẢ

Y

Bảng 2-1: : Nhận xét về các thông số Kp, Ki, Kd 25

Bảng 3-1: Thông số yêu cầu robot 28

Bảng 3-2: Thông số kỹ thuật động cơ 33

Bảng 3-3: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 38

Bảng 3-4: Bảng thông số của Arduino Nano 39

Bảng 3-5: Thông số kỹ thuật Driver L298 42

Bảng 3-6: Thông số kỹ thuật PIN 12V 47

Bảng 4-1 :Các linh kiện điện, điện tử 54

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO

QUỸ ĐẠO 1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.1.1 Giới thiệu chung về Robot

Robot là một từ chỉ người lao động trong hệ ngôn ngữ Sla-vơ Cho đếnnay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về robot Những định nghĩa đó có nộidung tương tự như nhau

Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việcmột cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tửđược lập trình

Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thống cơ điện tử Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người tacảm giác rằng nó giác quan giống như con người Từ "robot" (người máy)thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn đề: “Một loại máy nhưthế nào thì đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot?” Một cách gần chính xác,robot phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây:

khí Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra

- Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

- Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

- Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môitrường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đãđược lập trình trước

- Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùytheo yêu cầu của người sử dụng

- Có thể quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

- Có sự khéo léo trong vận động

Phân loại Mobile Robot: Có thể phân loại Mobile robot theo phương

pháp di chuyển

- Robot có chân, di chuyển giống con người hay động vật

- Robot di chuyển bằng xích, đai

- Robot di chuyển bằng bánh xe

Các dạng điều khiển:

- Robot điều khiển từ xa bằng tay qua sóng RF, wifi, hồng ngoại hayBluetoot…Robot điều khiển từ xa giúp con người tránh khỏi nguy hiểm,không phải di chuyển theo robot

- Thực thi theo lộ trình: dạng robot thường thấy đó là robot dò line, pháthiện đường đi theo vạch chỉ sẵn; hay lập trình sẵn quỹ đạo và robot dichuyển theo quỹ đạo đó

- Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên: Về cơ bản

đó là chuyển động nhảy bật lên tường, hay di chuyển trong khoảng khônggian nhất định, có sử dụng cảm biến tránh vật cản như robot hút bụi, máy cắtcỏ…

Ứng dụng của Mobile robot:

Mobile robot được dùng trong các nhà máy vận chuyển hàng hóa

Hình 1-1: Robot vận chuyển hàng hóa tự động trong kho hàng Amazon

Ứng dụng trong đời sống, hỗ trợ con người làm việc nhà như hút bụi, lausạch bể bơi, giám sát an ninh, cắt cỏ, đồ chơi…

Hình 1-2: Robot hút bụi Samsung POWERbot

Ứng dụng trong những môi trường độc hại, những nơi con người khôngthể đi tới, hay đi tới một cách khó khăn, nguy hiểm như sao hỏa, đáy biển, núilửa…

Hình 1-3: Robot thám hiểm Sao Hỏa Curiosity của NASA

1.1.2 Giới thiệu chung về robot omni

Robot Omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đãđược ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đadạng Đặc biệt là Omni có kết cấu lạ với 3 bánh xe, nhưng chính do sự phốihợp hoạt động của 3 bánh xe lại cho ta khả năng điều khiển tốt quỹ đạo củarobot

Omni robot thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng và tự tránhđược vật cản Ứng dụng của nó là phục vụ trong công tác dịch vụ chăm sóc y

tế, đặc biệt là trong điều kiện môi trường lây nhiễm cao hay môi trường cócường độ phóng xạ cao thay con người

Robot Omni có đặc điểm là kết cấu đơn giản, có quỹ đạo di chuyển khálinh hoạt nên được phát triển để thay thế cho các loại mobile robot truyềnthống

Trên thế giới, Mobile robot đã được phát triển từ lâu và ngày càng cónhiều ứng dụng đa dạng do được tích hợp các công nghệ mới nhất

Một số mô hình Omni robot trong ứng dụng thực tế trên thế giới:

- Alexis – xe lăn đa hướng bánh xe omni (năm 1982)

Hình 1-4: Xe lăn alexis- 1982

Xe lăn Alexis sử dụng bánh xe omni được nghiên cứu và phát triển bởinhóm nghiên cứu đại học Stanford (Hoa Kỳ) vào năm 1982 Vào thời gian đó,đây là một cuộc cách mạng về cách di chuyển mới của robot là sử dụng bánh

xe omni-directional (gồm 1 bánh lớn và nhiều bánh nhỏ có trục vuông góc vớibánh lớn) Alexis có thể di chuyển trực tiếp đến bất kỳ vị trí nào trên đường đi

bằng thao tác của người lái thông qua một núm điều khiển nó sẽ gửi tín hiệuđến vi xử lý để điều tốc độ của ba bánh xe Xe được tạo ra để phục vụ ngườitàn tật và các cựu chiến binh không có khả năng đi lại bình thường.

Đặc điểm của xe lăn Alexis:

- Hiệu quả cao

- Tốc độ cao

- Tải trọng lớn

- Thao tác đơn giản

- Khả năng cơ động cao

xe Omni giúp đỡ người tàn tật

Hình 1-5: Robot KUKA - omniMove

Robot KUKA omniMove của hãng sản xuất robot công nghiệp KUKA,Robot omniMove là sản phẩm điển hình cho giải pháp vận chuyển mới trongnhà máy

Điểm mạnh:

- Có khả năng vận hành tự động hoặc điều khiển từ xa

- Tính linh hoạt cao

- Độ chính xác cực kì cao

- Trọng tải siêu lớn

- Có thể lắp ghép mô-đun

Các nghiên cứu trong nước

- Omni Robot cân bằng trên quả cầu.

Hình 1-6: Robot Omni do Trường ĐHBK Đà Nẵng nghiên cứu

Robot cân bằng trên quả cầu (Ball Balancing Robot – BBR) lấy cảmhứng từ Rezero của đại học ETH Zurich (Anh), nguyên mẫu BBR được thiết

kế và chế tạo tại khoa cơ khí, Trường đại học bách khoa Đà Nẵng gồm babánh xe đa hướng được truyền động bởi ba động cơ DC được bố trí lệch nhau

120 độ Điểm đặc biệt là phần thân nguyên mẫu có hình lăng trụ lục giác đều,phù hợp cho việc chế tạo lớp vỏ bảo vệ Nguyên mẫu BBR bao gồm 3 phầnchính: phần thân, hệ thống động lực và quả cầu

Khối điều khiển trung tâm là một mạch Arduino Mega2560, nhận dữ liệutrạng thái từ IMU và tính toán, truyền đến khối điều khiển động cơ, các giá trịđặt cho mỗi động cơ Mạch này cũng đảm bảo các kết nối không dây để điềukhiển và thu thập dữ liệu BBR từ xa Hệ thống động lực robot bao gồm bađộng cơ DC dẫn động ba bánh xe đa hướng và các mạch driver tương ứng Vịtrí trục và dòng điện của các động cơ được đo bằng encoder và cảm biếndòng Các thông tin này được khối điều khiển động cơ sử dụng để điều chỉnh

tốc độ và momen xoắn của mỗi động cơ theo phương pháp điều chế độ rộngxung (PWM - Pulse Width Modulation).

- Omni Robot tránh vật cản:

Điều khiển phối hợp 3 động cơ RC Servo và sử dụng 3 cảm biến hồngngoại đi theo những quy đạo đơn giản và tránh chướng ngại vật do nhóm sinhviên đại học bách khoa Hà Nội chế tạo

Hình 1-7: Robot Omni tránh vật cản sử dụng hồng ngoại

1.2 Mục tiêu của đề tài

Về mặt thiết kế cơ khí: Mobile robot có thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, đảmbảo độ cứng vững và đủ không gian lắp ráp các linh kiện Các bánh được lắpđặt theo góc đều nhau và đảm bảo trọng tâm của mô hình trong quá trình dichuyển

Hệ thống điều khiển: Sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến trên thịtrường, dễ dàng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển, lập trình Cáclinh kiện, đường đi dây được bố trí hợp lí, gọn gàng, không bị lỏng lẻo, ngắtkết nối trong quá trình hoạt động

Mục tiêu hoạt động của mô hình: Mobile robot có khả năng di chuyển đahướng, di chuyển theo quỹ đạo đơn giản được thiết kế trên giao diện điệnthoại Mô hình có thể sử dụng chế độ điều khiển bằng tay và chế độ điều

khiển tự động được kết nối thông qua modul bluetooth với độ chính xác trên95%

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài

- Tham khảo tài liệu và đánh giá:

Đọc tài liệu về động lực học Robot, Robot đa hướng, tìm hiểu về nguyên

lí điều khiển, các phương trình động lực học, bộ điều khiển PID vận dụngkiến thức các môn học đưa vào thực tế

Tìm hiểu tài liệu vi điều khiển, cụ thể là Arduino để tạo ra chương trìnhđiều khiển cho Robot, các tài liệu về kĩ thuật điện tử, vi mạch, để hiểu hơn vềnguyên lí các linh kiện

Sử dụng các phần mềm hỗ trợ thiết kế cơ khí như Solidworks để tạo racác mẫu thử, btừ đó đánh giá mô hình thích hợp nhất Phần mềm Proteusdùng để vẽ sơ đồ mạch điện, đường đi dây

Ngoài ra chúng em con tham khảo các tài liệu trên Internet cũng như các

đồ án tương tự của khóa trước để hiểu rõ hơn về lĩnh vực Robot

- Quan sát: Hoạt động Robot đa hướng trong các video hay các cuộc thiRobocon xem khả năng hoạt động của Mobile robot và đưa ra các yêu cầucho mô hình

- Thực nghiệm: Từ mục tiêu đề tài và đánh giá trên mô hình thiết kế trên phầnmềm chúng em thiết kế, chế tạo thân robot, lắp ráp các Board mạch, cảmbiến, kết nối với máy tính, viết chương trình chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN

THEO QUỸ ĐẠO 2.1 Tính toán, lựa chọn phương pháp điều khiển

Trong đồ án này, chúng em sẽ sử dụng Aduino mega 2560 và ứng dụng

la bàn số để điều khiển phối hợp 3 động cơ 12V-DC Encoder cho robot dichuyển đa hướng Sử dụng phương pháp điều khiển trên máy tính (thiết kếquỹ đạo) kết hợp với Board mạch điều khiển để điều khiển Robot di chuyểntheo quỹ đạo có sẵn Từ đó có thể ứng dụng trong công việc vận chuyển, giámsát, xác định được quỹ đạo tối ưu giúp Robot di chuyển một cách dễ dàng vàlinh hoạt

2.2 Mô hình toán học hệ thống cơ khí

2.2.1 Mô hình hóa robot

Chuyển động của robot là do chuyển động của các bánh xe Các bánh xechuyển động do động cơ lắp ở mỗi trục bánh quay và sinh ra lực kéo Vậy taxét đến mô hình robot, trong đó các lực kéo đặt ở các bánh xe Vận tốc củarobot được tính dựa vào vận tốc của các bánh xe Từ đó ta có mô hình robotnhư sau:

Hình 2-8: Mô hình động học và động lực học cho Omni Robot

Robot gồm 3 bánh đặt lệch nhau 1200, tiếp tuyến với một đường trònđường kính 350mm Gọi các bánh xe lần lượt là 1,2,3 Chọn 2 hệ trục tọa độnhư sau: hệ trục tọa độ Oxy gắn cố định với mặt phẳng sàn, hệ trục tọa độ

Ox1y1 gắn với robot như trên hình vẽ Tại thời điểm ban đầu giả thiết rằng haitrục tọa độ trùng với nhau Tại thời điểm t, hai hệ trục tọa độ lệch nhau 1 góc

θ chính là góc quay của robot so với vị trí ban đầu

Trong đó:

- x: vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Ox

- y: vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Oy

- d: khoảng cách giữa các bánh và tâm robot [m]

- v1, v2, v3: vận tốc dài của các bánh xe [m/s]

- ω1, ω2, ω3: vận tốc góc của các bánh [rad/s]

- f1, f2, f3: lực do động cơ sinh ra trên các bánh [N]

- T1, T2, T3 : Momen kéo do động cơ sinh ra đặt lên các bánh [Nm]

- v, vn : Vận tốc theo 2 phương trên hệ trục Ox1y1 của robot [m/s]

- : vận tốc góc của robot: [rad/s]

- Fv, Fvn: lực tác dụng lên robot dọc theo phương 0x1 và 0y1 [N]

- T: Momen robot (theo ) [Nm]

2.2.2 Tính toán động học, động lực học cho robot

Gọi vx(t), vy(t),  t là vận tốc tức thời của robot trên hệ trục tọa độ Oxy Tacó:

v x (t )= dx (t)

dt v y (t )= dy (t)

dt ω(t )=

dθ (t ) dt

Chiếu các vận tốc trên lên hệ trục tọa độ Ox1y1 gắn với robot, ta có:

Mô hình động lực học cho robot

Theo phương trình các phương trình tính gia tốc và gia tốc góc cho một vật:

M [kg]: khối lượng robot

J [kgm2]: Mô men quán tính của robot

F Bv, F Bvn [N]: Lực ma sát nhớt dọc theo phương Ox1 và Oy1 tác dụng lên robot

T Bω [Nm]: Mô men ma sát nhớt tác dụng lên robot

(2.4)

(2.5)

(2.6)

F Cv, F Cvn [N]: Lực ma sát khô dọc theo phương Ox1 và Oy1 tác dụng lên robot

T Cω [Nm]: Mô men ma sát khô tác dụng lên robot

Lực ma sát nhớt tỉ lệ với vận tốc của robot:

F Bv (t )=B v v (t)F Bvn (t )=B vn vn (t)F Bvn (t )=B ω ω (t )

B v,B vn [N/(m/s)]: Hệ số ma sát nhớt

B ω [Nm/(rad/s)]: Hệ số ma sát nhớt do vận tốc quay

Độ lớn của các lực ma sát khô là hằng số:

F Cv (t )=C v sin(v (t))F Cvn (t )=C vn .sin(vn (t))T Cω (t )=C ω sin(ω(t ))

C v, C vn [N]: hệ số ma sát khô dọc theo phương Ox1 và Oy1

C ω [Nm]: hệ số ma sát khô theo w

Hình 2-9: Quan hệ giữa hệ số ma sát khô và hệ số ma sát nhớt

Mối quan hệ giữa lực kéo của robot, mô men quay và lực kéo trên mỗibánh được đưa vào công thức sau:

∑F v (t )=(f3(t )−f1(t ))sinπ3∑F vn (t )=−f2(t )+(f3(t )+ f1(t ))c os π3

∑T (t)=(f1(t )+f2(t )+ f3(t )) d

Lực kéo trên mỗi bánh được ước lượng theo mô men kéo có thể xácđịnh được bằng cách sử dụng dòng điện của động cơ, được miêu tả bằng côngthức dưới đây:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

f j(t)= T j (t )

r T j (t )=l K t i j (t )

l: hệ số của hộp tốc độ

r [m]: bán kính bánh xe

Kt [Nm/A]: hằng số mô men động cơ

ij: dòng động cơ [A]: j= động cơ thứ j

2.2.3 Tính toán động học cho robot cho một số chuyển động cơ bản

Các chuyển động dùng để lập trình cho robot gồm có:

Chuyển động tịnh tiến: Khi cho 2 bánh bất kỳ trong 3 bánh quay cùnglúc theo 1 phương nào đó (2 bánh đó quay ngược chiều nhau) thì sẽ làm chorobot chuyển động tịnh tiến (hình 2.1b)

Hình 2-10: Chuyển động tịnh tiến

Ví dụ: Khi cho 2 bánh xe V1 và V2 theo phương như hình vẽ 2.4 với r là bán kính của bánh xe Omni Giả sử 2 bánh xe cùng quay với vận tốc ω (quay

ngược chiều nhau) có vector vận tốc dài là ⃗V1và ⃗V2

Tổng hợp 2 chuyển động trên ta có vector chuyển động tịnh tiến của

và hướng quay của các bánh sẽ khác nhau Căn cứ vào vận tốc các bánh mà ta

có thể điều khiển góc quay và vận tốc của robot

Hình 2-11: Chuyển động quay

2.3 Mô hình toán học hệ thống điều khiển

Dựa vào các tính toán động học cơ cấu Omni, góc chuyển động và vậntốc của robot phụ thuộc vào tốc độ các bánh Vì vậy bằng cách thiết lập tốc độcho trước ta có thể tính toán được tốc độ của các động cơ cơ cấu bánh omni

Do đó bài toán được đưa về điều khiển tốc độ dùng phương pháp PIDcho từng động cơ

2.3.1 Bộ điều khiển động cơ PID

Giới thiệu về bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chếphản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống

bộ điều khiển công nghiệp- bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhấttrong số các bộ điều khiển có phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán mộtgiá trị ‘sai số’ là hiệu số giữa giá trị thông số đo được và giá trị mong muốnđạt được Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnhgiá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản vềquá trình, bộ điều khiển PID là sự lựa chọn tốt nhất Tuy nhiên, để đạt đượckết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh

theo tính chất của hệ thống- trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, cácthông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Một bộ điều khiển PID bao gồm 3 khâu: khâu tỷ lệ (P), khâu tích phân(I), khâu vi phân (D) Trong miền thời gian, bộ điều khiển PID được mô tảbằng mô hình vào ra:

Tín hiệu u sẽ được gửi tới cơ cấu chấp hành, và cho ra đầu ra y Đầu ra y

sẽ được gửi đến cảm biến đo và ta lại có giá trị sai số e mới Bộ điều khiển sẽlại lấy giá trị sai số mới, tính toán tích phân, vi phân và lại đưa ra tín hiệu điềukhiển Quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại

Hình 2-12 Mô hình bộ điều khiển PID

Đặc tính của các luật điều khiển P, I, D:

Luật điều khiển P có tác dụng làm giảm thời gian xác lập nhưng khôngthể khử được sai số trạng thái xác lập

Luật điều khiển I có tác dụng khử được sai số trạng thái, nhưng nó làmgiảm khả năng đáp ứng tức thời của hệ thống

Luật điều khiển D có tác dụng tăng độ ổn định của hệ thống và giảm độquá điều chỉnh, và cải thiện khả năng đáp ứng tức thời

Hiệu quả của từng luật điều khiển P, I và D lên hệ thống vòng kín đượctổng kết qua bảng sau:

Bảng 2-1: : Nhận xét về các thông số Kp, Ki, Kd

Thông số Thời gianquá độ Độ quá điềuchỉnh đến ổn địnhThời gian Sai số tĩnh

2.3.2 Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều dưới dạng hàm truyền

Động cơ điện một chiều có thể được mô hình thành mạch điện phần ứng

s (Js+b )ϕ (s )=KI ( s )( Ls+R ) I (s )=V −Ksϕ (s )

Khử I(s) ở cả 2 phương trình ta được

s (Js+b )ϕ (s )= K(V −Ksϕ (s ))

(Ls + R)

Từ đây ta có thể rút ra được hàm truyền của hệ thống với đầu vào là điện áp

V, đầu ra là vận tốc góc của rotor :

V θ= K

(Js+b) ( Ls+R)+ K2 (3.5)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO

QUỸ ĐẠO 3.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí

Bảng 3-2: Thông số yêu cầu robot

3.1.1 Thiết kế phần đế và nắp robot omi

Với nhiệm vụ vừa là phần đế, nắp giống nhau đồng thời là bộ khung thâncủa robot, các linh kiện đều được bắt vít vào đế Phần đế phải đảm bảo độ bềnchịu tải trọng của toàn bộ thân robot 3 bánh Do vậy chúng em đã chọn vậtliệu thép tấm không gỉ (Inox), có sẻ các rảnh để dễ dàng tùy chỉnh bắt vít cáclinh kiện và đồng thời giảm trọng lượng của đế mà vẫn đảm bảo độ bền Phầnbích để bắt động cơ vào khung được thiết kế dạng chữ U gắn liền với đế bằngbulong- đai ốc để tạo sự liền mạch và chắc chắn

- Vật liệu: thép không gỉ (độ dày 1.5mm)

- Khối lượng: 0.3 kg (đo trên phần mềm Solidworks)

- Phương pháp gia công: gia công máy cắt plasma CNC

Phần nắp có nhiệm vụ bảo vệ các bộ phận bên trong robot, được thiết kếgiống như phần đế với các rãnh có thể linh động lắp ghép với các module(Giá chứa phôi, tay máy robot…)

3.1.3 Lựa chọn bánh xe omni

Bánh xe omni là một loại bánh xe đặc biệt, gồm một bánh xe lớn và cácbánh xe nhỏ có trục theo phương tiếp tuyến với bánh lớn và vuông góc vớitrục bánh Nhờ đó bánh xe có thể di chuyển theo phương song song với trụcbánh xe Ưu điểm của bánh xe Omni là sự kết hợp chuyển động của mỗi bánh

xe sẽ tạo nên chuyển động đa hướng mà không cần có cơ cấu quay của robot

Từ ưu điểm đó, đã có rất nhiều loại hình dạng bánh xe Omni ra đời, mỗi loạiphù hợp với những điều kiện hoạt động khác nhau

- Số lượng con lăn: 10

- Khối lượng bánh xe: 60g

- Chất liệu: Nhựa ABS và cao su

Hình 3-17: Bánh xe omni mô hình

3.1.4 Khớp nối bánh xe với động cơ

- Nhiệm vụ kết nối bánh xe với trục động cơ

- Vật liệu: Hợp kim nhôm

- Đường kính lỗ trục: 6mm

- Bu lông: M4x15mm

- Khớp nối được thiết kế đi kèm với bánh Omni 58mm

Hình 3-18: Khớp nối trục động cơ và bánh.

3.1.5 Tính toán chọn động cơ

Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh.Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và

ma sát giữa bánh xe và mặt đường

Mục tiêu: tốc độ mong muốn 0.7 m/s

Tốc độ lớn nhất của 1 động cơ chính bằng Vtt=0.7=ωr (m/s), r=0.05m suy

ra tốc độ góc bánh xe (tốc độ góc động cơ) là ω=14 rad/s ¿ > ¿ tốc độ quayđộng cơ 133,69 vòng/phút Vậy tốc độ tối thiểu của động cơ phải là 133.69vòng /phút