Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot leo tường

Robot leo tường trần nhà có tính ứng dụng cao có thể dùng để kiểm tra, bảo trì và lau chùi kính các tòa nhà cao tầng. Robot leo tường được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính: bộ phận bám tường, bộ phận di chuyển và phần điều khiển cho robot. Bài báo này trình bày kết quả thiết kế, chế tạo 1 mô hình robot leo tường và trần nhà theo các yêu cầu về vận tốc tiến trong khoảng từ 0,2 - 0,4 m/giây , với độ bám đủ lớn và 1 bộ điều khiển phù hợp. Để hoạt động được robot , một cơ cấu tạo ra áp suất bên dưới robot được điều khiển bởi vi điều khiển Arduino. Kết quả nghiên cứu cho thấy robot thiết kế đạt yêu cầu đề ra, hoạt động tốt ở phạm vi các tòa nhà cao tầng có chiều cao từ 20 - 30 m.

11 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Designing and manufacturing a wall climbing robot model Phuc T Nguyen∗ , & Hoan D Tran Faculty of Engineering and Technology, Nong Lam University, Ho Chi Minh City, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Research paper Potential applications of wall climbing robot are quite numerous, such as inspection, maintenance and cleaning operations of civils infrastructures This robot was devided into parts : adhedsion part, movement part and control part This paper presented the design and manufacture of a robot model which was suitable for well operating at 0.2 - 0.4 m/s velocity, high enough adhesion and a adaptive controller In order to operate robot, a negative pressure adhesion mechanism was controlled by a adruino micro-controller The result of research showed that robot was well adaptive for cleaning in high building which was from 20 to 30 meters high Received: November 11, 2017 Revised: January 29, 2018 Accepted: April 09, 2018 Keywords Climbing robot Pressure Wifi -controller ∗ Corresponding author Nguyen Tan Phuc Email: phucnt@hcmuaf.edu.vn Cited as: Nguyen, P T., & Tran, H D (2018) Designing and manufacturing a wall climbing robot model The Journal of Agriculture and Development 17(4), 11-18 www.jad.hcmuaf.edu.vn Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) 12 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình robot leo tường Nguyễn Tấn Phúc∗ & Trần Dương Hoan Khoa Cơ Khí Cơng Nghệ, Trường Đại Học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Bài báo khoa học Robot leo tường trần nhà có tính ứng dụng cao dùng để kiểm tra, bảo trì lau chùi kính tòa nhà cao tầng Robot leo tường cấu tạo phận chính: phận bám tường, phận di chuyển phần điều khiển cho robot Bài báo trình bày kết thiết kế, chế tạo mơ hình robot leo tường trần nhà theo yêu cầu vận tốc tiến khoảng từ 0,2 - 0,4 m/giây , với độ bám đủ lớn điều khiển phù hợp Để hoạt động robot , cấu tạo áp suất bên robot điều khiển vi điều khiển Arduino Kết nghiên cứu cho thấy robot thiết kế đạt yêu cầu đề ra, hoạt động tốt phạm vi tòa nhà cao tầng có chiều cao từ 20 30 m Ngày nhận: 11/11/2017 Ngày chỉnh sửa: 29/01/2018 Ngày chấp nhận: 09/04/2018 Từ khóa Áp suất Bộ điều khiển wifi Robot leo tường ∗ Tác giả liên hệ Nguyễn Tấn Phúc Email: phucnt@hcmuaf.edu.vn Đặt Vấn Đề Trong thời gian gần đây, có yêu cầu mạnh mẽ việc sử dụng robot sống lau dọn, kiểm tra kết cấu kiến trúc, điều kiện ẩm mốc, bề mặt vật liệu tòa nhà cao tầng, vị trí khó di chuyển đến Ngồi quân việc quan sát phòng thủ, giám sát chống khủng bố từ cao cần thiết Hầu hết robot di động ngày chủ yếu chuyển động mặt phẳng 2D không mà khơng có khả leo tường Robot leo tường thiết bị sử dụng nhiều ứng dụng thực tế Những robot hoạt động trực tiếp nơi nguy hiểm môi trường hoạt động hiểm trở leo thẳng đứng tòa nhà , cơng trình cao tầng Có nhiều nghiên cứu trước để giải vấn đề liên quan đến việc di chuyển khả bám robot Các dạng di chuyển robot nghiên cứu kể : robot di chuyển theo kiểu chân, sử dụng giác hút chân khơng có tính linh hoạt nhiều địa hình khác bề mặt kính, thay đinh gai dính với bề mặt gồ ghề, ưu điểm dạng Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) di chuyển bề mặt, linh kiện dễ kiếm, chi phi thấp, nhiên cấu phức tạp chuyển động,phải thay đổi phân bám dính thường xuyên(Nishi & Miyagi, 1993; Love & ctv., 2006; Li & ctv., 2009) Robot di chuyển kiểu bánh xe, khung xe sử dụng lực hút từ tính giúp robot vận hành bề mặt tơn thép, ưu điểm kiểu di chuyển bề mặt kim loại, cấu thiết kế đơn giản, dễ dàng điều khiển, nhược điểm dạng khó khăn chế tạo bánh xe từ tính,robot khơng thể di chuyển bề mặt khơng chịu ảnh hưởng từ tính (Kim & ctv., 2005; Johnson & Suid, 2015) Robot di chuyển theo kiểu bánh xe có ưu điểm chuyển động liên tục bề mặt phẳng ,nhanh, dễ dàng với ứng dụng lau chùi kính nhà cao tầng (Love & ctv., 2006; Sangbae & Matthew, 2007) Phương án sử dụng robot có máy bơm chân khơng để tạo áp lực cần linh kiện máy nén khí, phận điều khiển, động DC cấu van khí, solenoid, điểm tiếp xúc hút có ưu điểm khả bám hút cao, di chuyển nhiều bề mặt nhiên có nhược điểm cấu thiết kế khó khăn, cần phải có ống tải khí từ máy nén đến www.jad.hcmuaf.edu.vn 13 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh robot nên phạm vi di chuyển hẹp, điều khiển phức tạp (Shen & ctv., 2005; Michael & William, 2006; Jiang & ctv., 2009) Bộ điều khiển phù hợp cho robot hoạt động tầm 20-30 m vi mạch thu nhận sóng wi-fi ESP 8266, dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển ardruino Các module điều khiển động cơ, mạch công • Chọn phận bám dịch chuyển phù hợp suất linh kiện dễ tìm thị trường để dẽ dàng thay để thực công việc lau chùi đạt suất Nội dung nghiên cứu là: • Thiết kế, chế tạo điều khiển phù hợp để robot hoạt động tốt phạm vi chiều cao 2.2 Phương pháp nghiên cứu • Tính tốn chọn phân lượng pin giúp đảm bảo thời gian làm việc cho robot 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu thiết kế, chế tạo Robot leo tường dùng kỹ thuật với cấu tạo tạo áp suất cao nhỏ gọn, khắc phục khuyết điểm với kiểu di chuyển bánh xe giúp robot di chuyển nhanh gọn, thích hợp cho cơng việc lau chùi kính tòa nhà cao tầng đề cập đến nghiên cứu Xây dựng điều khiển không dây với nguồn lượng pin lipo đủ lớn giúp thực nghiên cứu Từ yêu cầu cần thiết kế robot có khối lượng nhỏ m = 1- 1,5 kg có khả leo cao tòa nhà cao tầng với chiều cao từ 20 – 30 m, chạy ổn định chắn mặt phẳng thẳng đứng mặt kính, robot gắn chổi lau thiết kế phía bên robot nên di chuyển vận tốc đủ chậm v = 0,2 - 0,4 m/giây, robot điều khiển cách mịn màng, lặp lặp lại có chu kỳ đường lau, thời gian hoạt động tầm 10-15 phút cho lần thay lượng pin Vật Liệu Phương Pháp Nghiên Cứu 2.1 Vật liệu Động hút tạo áp suất động dễ tìm thấy thị trường đáp ứng đủ yêu cầu tạo lực hút bám cho robot (Hình 1) Dựa yêu cầu thiết kế, chế tạo để lựa chọn thông số như: động tạo áp suất bám, điều khiển thích hợp, lượng pin hoạt động Dựa yêu cầu vận tốc tiến, diện tích lau chùi để lựa chọn đường kính chổi lau, đường kính bánh xe, khung robot 2.2.2 Phương pháp khảo nghiệm Robot khảo nghiệm trực tiếp tòa nhà Thiên Lý - Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Thời gian hoạt động robot đo qua định thời trực tiếp điều khiển, quãng đường hoạt động đo theo phương pháp kẻ vạch trực tiếp với sai số mm Vận tốc tiến diện tích lau chùi robot tính tốn qua thông số đo Khảo nghiệm robot nhiều lần để lấy đánh giá tính ổn định lấy số liệu trung bình Kết Quả Thảo Luận Hình Robot dùng động tạo áp suất 3.1 Lựa chọn vật liệu để chế tạo robot Sau tìm hiểu thiết kế có tác giả Động hoạt động cho robot động định chọn phương án sử dụng động hút DC cỡ nhỏ, có tốc độ đáp ứng nhành tạo áp suất hút thành phần giữ Robot bề Nguồn lượng pin lipo có cơng suất lớn mặt, chọn động Electrics Ducted Fans chọn lựa (EDF) đường kính 70 mm, số vòng quay vol www.jad.hcmuaf.edu.vn Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) 14 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh 4500KV sử dụng drive ESC 60A có ngõ 5V cấp cho vi điều khiển Sử dụng nguồn Lipo cell 5500 mAh cấp cho toàn hệ thống, động mini N20 với hộp giảm tốc tỉ số 1:150 hoạt động với điện áp từ – 12V thông qua drive TB6612 dòng liên tục 1,2A chuyển đổi DC – DC LM2596 3A điện áp điều chỉnh Bánh xe 4mm, khung nhôm mica Robot điều khiển ESP8266 mạch Arduino Nano 3.1.1 Tính tốn lý thuyết cho robot Dựa vào điều kiện ban đầu robot mơ hình robot với khung bánh di chuyển để viết phương trình động học cho robot sau áp dụng công thức Euler-Lagrange cho khung xe robot Mô hình hệ tọa độ robot trình bày Hình 2: 3.1.2 Kết thiết kế khí Robot thiết kế dựa phần mềm solidworks công ty Solidworks Corp Bản vẽ chi tiết thiết kế danh mục thành phần theo vẽ Hình Bảng bên dưới: Bảng Danh mục bảng vẽ thiết kế STT 10 11 12 13 14 15 Tên Khung N20-1:150 Giá N20 Tấm Đệm Bánh xe Cánh Quạt Hút ĐC Hút Khung ĐC Hút Giá Giá Trên Vành Khung Quạt Giá Pin HX-SHCS 0.073-72X0.5625X0.5625-C HX-SHCS 0.138-40X2X1-N MSHXNUT 0.073-72-S-N 3.1.3 Kết thiết kế điều khiển Hình Hệ tọa độ mơ hình robot x, y: tọa độ trọng tâm robot v(t), w(t): vận tốc dài, góc robot Mc, Mw :khối lượng trục robot, bánh xe Rc, Rw: bán kính trục robot,bánh xe Ic, Iw : momen quán tính robot, bánh xe Sử dụng phương trình Lagrange II để tính tốn vận tốc gia tốc robot leo tường, theo Michael & ctv (2016) ta cơng thức tính gia tốc dài gia tốc góc robot hoạt động leo tường là: Bộ điều khiển robot thực thơng qua sóng wifi dùng vi mạch ESP 8266 vi mạch dễ tìm giúp robot hoạt động tốt khoảng cách xa, trời tòa nhà cao tầng đáp ứng yêu cầu thiết kế Bên cạnh đó, vi mạch ESP8266 liên kết với adruino vi điều khiển lập trình được, giúp liên kết với module điều khiển động bánh xe cách dễ dàng Giải thuật điều khiển robot Hình cho thấy tín hiệu sau truyền qua sóng wifi đến điều khiển, tín hiệu giải mả xuất tín hiệu điều khiển động trái phải bánh xe để động hoạt động mong muốn Để người sử dụng dễ dàng điều khiển robot, giao diện điều khiển Hình thiết kế giúp người dùng quan sát thơng số hoạt động robot số vòng quay động cơ, tình trạng hoạt động Từ phương trình đòi hỏi gia tốc dài, gia tốc robot góc robot yêu cầu hoạt động phụ thuộc Kết thiết kế chế tạo tồn mơ hình điều vào bán kính bánh xe, bán kính khung robot , gia khiển Hình tốc góc bánh trái gia tốc góc bánh xe phải 1 Rwω(l) ˙ + Rwω(r) ˙ 2 Rwω(l) ˙ − Rwω(r) ˙ ω(t) ˙ = Rc υ(t) ˙ = Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) www.jad.hcmuaf.edu.vn 15 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Hình Bản vẽ thiết kế mơ hình robot 3.1.4 Thiết kế phận lượng pin Toàn hệ thống cấp nguồn thông qua nguồn pin Lipo cell nuôi tồn mạch điều khiển động thơng qua mạch BEC 5V mạch chuyển điện áp DC-DC LM2596 dùng để điều khiển quạt hút áp suất I = Idongco + Imachdieukhien + Iquathut = + + 30 = 33 Ample Dung lượng pin C=5500 mAh, thời gian sử dụng robot: T = C/I × 60 = 10 phút Thực tế robot hoạt động tầm 8-10 phút gần kết với lý thuyết tính tốn 3.1.5 Kết khảo nghiệm robot Sau q trình thiết kế viết chương trình điều khiển cho robot tiến hành khảo nghiệm cho robot hoạt động chế độ: chế độ leo bám tường chế độ bám trần nhà (Hình 10) Kết cho thấy robot hoạt động tốt phạm vi có sóng wifi điều khiển ,quãng đường robot dịch chuyển lần đo tương đối ổn định, vận tốc hoạt động theo bảng khảo nghiệm từ 15 - 30 cm/giây thích hợp cho yêu cầu thiết kế với ứng dụng lau chùi cửa kính Với kết khảo nghiệm, quãng đường robot di chuyển sau 13 s chế độ bám tường từ lên 193-195 cm, thời gian robot hoạt động theo tính tốn 10 phút = 600 giây tương đương qng đường lau kính 90 m, điều thích hợp cho việc lau chùi có lặp lại tòa nhà cao tầng từ 20-30 m yêu cầu thiết kế Kết Luận Một mơ hình robot leo tường trần nhà Để đánh giá hoạt động robot sau thiết thiết kế chế tạo với khối lượng nhỏ m = 1,2 kg, kế toàn robot, tác giả cho robot hoạt động có phận bám động tạo áp chế độ, chế độ tiến hành đo lần thời suất lớn với điều khiển từ xa qua sóng gian quãng đường hoạt động internet • Chế độ hoạt động bám tường chạy từ Kết khảo nghiệm cho thấy tính ổn lên trên: ta có kết Bảng đồ thị Hình định robot qua lần đo, robot hoạt động • Chế độ bám tường chạy từ xuống: ta có bám tốt phạm vi tòa cao tầng từ 20 bảng kết Bảng đồ thị Hình 30 m, vận tốc hoạt động vào khoảng 20 cm/giây • Chế độ bám trần nhà: ta có kết Bảng Robot hoạt động mượt mà phạm vi sóng đồ thị Hình wifi tốt, có khả lặp lại đường lau Tuy nhiên www.jad.hcmuaf.edu.vn Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) 16 Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh Bắt đầu Khởi tạo kết nối wifi S Kết nối từ client Đ Đọc liệu điều khiển từ client S Mở EDF Đ Đọc liệu điều khiển từ client Đ Đọc liệu điều khiển từ client S Lỗi kết nối S Gửi thông số S Di chuyển Đ Đ Kết thúc Đọc liệu điều khiển từ client Hình Sơ đồ giải thuật điều khiển robot Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) www.jad.hcmuaf.edu.vn 17 Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh Bảng Thời gian quãng đường robot chế độ bám tường từ lên Thời gian (s) Lần 1(cm) Lần (cm) Lần (cm) Trung bình (cm) 0 0 14 15 15 14,6 31 29 28 29,3 45 44 43 44 60 58 58 58,3 76 73 73 74 90 89 88 89 104 104 103 103,6 119 120 121 120 133 134 133 133,3 10 148 148 147 147,6 11 163 162 163 162,6 Bảng Thời gian quãng đường robot chế độ bám tường từ xuống Thời gian (s) Lần (cm) Lần (cm) Lần (cm) Trung bình (cm) 0 0 23 22 22 22,3 47 46 47 46,6 70 69 68 69 94 92 93 93 117 116 116 116,3 141 140 140 140,3 164 162 163 163 187 184 185 185,3 209 207 210 208,6 10 232 230 232 231 11 254 250 254 252,6 164 162 163 163 187 184 185 185,3 209 207 210 208,6 10 232 230 232 231 11 254 250 254 252,6 Bảng Thời gian quãng đường robot chế độ bám trần nhà Thời gian (s) Lần (cm) Lần (cm) Lần (cm) Trung bình (cm) 0 0 23 22 22 22,3 47 46 47 46,6 Hình Giao diện điều khiển cho robot Hình Các thành phần điều khiển www.jad.hcmuaf.edu.vn 70 69 68 69 94 92 93 93 117 116 116 116,3 141 140 140 140,3 Hình Đồ thị Robot hoạt động bám tường lên Hình Đồ thị Robot hoạt động bám tường lên Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) 18 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Tài Liệu Tham Khảo (References) Jiang, Z., Li, J., Gao, X., Fan, N., & Wei, B (2009) Study on pneumatic wall climbing robot adhesion principle and suction control International Conference on Robotics and Biomimetics (1812-1817) Guangxi, China: IEEE Hình Đồ thị Robot hoạt động bám trần Johnson, R J., & Suid, R H (2015) Pressure Control of Wall Climbing Robot Using PID Controller, ARPN Journal of engineering and applied sciences 10(21), 9825-9829 Kim S., Asbeck, A T., Provancher, W R., & Cutkosky M R (2005) SpinybotII: Climbing Hard Walls with Compliant Microspines ICAR 05 Proceedings of the 12th International Conference (601-606) Washington, USA: IEEE Li, J., Gao, X., Fan, N., Li, K., & Jiang Z (2009) Bit climber: A centrifugal impeller based wall climbing robot 2009 International Conference on Mechatronics and Automation (4605-4609) Changchun, China: IEEE Hình 10 Khảo nghiệm robot Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh Love, P K., Jason, G., & Max, M (2006) A Wall Climbing Robot for Oil Tank Inspection 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (1523-1528) Kunming, China: IEEE robot hạn chế thời lượng pin chưa đủ lớn để làm việc liên tục thời gian dài, phận lau đơn giản, robot hoạt động chập chờn sóng wifi yếu Michael, P M., & William, T (2006) Waalbot: An Agile Small-Scale Wall Climbing Robot Utilizing Pressure Sensitive Adhesives Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (330-338) Beijing, China: IEEE Đây bước đầu nghiên cứu cho mơ hình robot leo bám tường điều khiển từ xa khơng dây, phát triển thêm cho robot ứng dụng thực tế như: nâng cao thời lượng pin để robot hoạt động lâu hơn, gắn thêm phận công tác chổi lau giúp lau kính tòa nhà cao tầng, thêm camera để robot truyền hình ảnh khe tường bị nứt , đường bị hư vị trí mà người khơng khó có khả di chuyển đến (Hình 11) Nishi, A., & Miyagi, H (1993) Propeller type wallclimbing robot for inspection use Proceedings of the 10th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (189-196) Houston, Texas, USA: Elsevier Sangbae, K., & Matthew, S (2007) Whole body adhesion: hierarchical, directional and distributed control of adhesive forces for a climbing robot Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation Roma, Italy: IEEE Shen, W., Gu, J., & Shen, Y (2005) Proposed Wall Climbing Robot with Permanent Magnetic Tracks for Inspecting Oil Tanks IEEE International Conference Mechatronics and Automation (2072-2077) Niagara Falls, Ont., Canada: IEEE Hình 11 Robot làm việc chế độ leo kính Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển 17(4) www.jad.hcmuaf.edu.vn ... 20-30 m yêu cầu thiết kế Kết Luận Một mơ hình robot leo tường trần nhà Để đánh giá hoạt động robot sau thiết thiết kế chế tạo với khối lượng nhỏ m = 1,2 kg, kế toàn robot, tác giả cho robot hoạt động... xe robot Mơ hình hệ tọa độ robot trình bày Hình 2: 3.1.2 Kết thiết kế khí Robot thiết kế dựa phần mềm solidworks công ty Solidworks Corp Bản vẽ chi tiết thiết kế danh mục thành phần theo vẽ Hình. .. bày kết thiết kế, chế tạo mơ hình robot leo tường trần nhà theo yêu cầu vận tốc tiến khoảng từ 0,2 - 0,4 m/giây , với độ bám đủ lớn điều khiển phù hợp Để hoạt động robot , cấu tạo áp suất bên robot