Mô hình robot điều khiển từ xa bằng máy tính thông qua sóng radio

Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu tổng quan về các kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt động và cách thức điều khiển Robot và các mô hình robot; Tìm hiểu các tài liệu và thiết bị liên quan; Phân tích và thiết kế mô hình robot điều khiển từ xa bằng sóng điện từ. Xây dựng mạch điều khiển robot, thiết kế cơ khí cho robot và thực hiện điều khiển robot thông qua mô đun truyền thông bằng sóng điện từ. Xây dựng chương trình điều khiển robot trên máy tính và lưu lại quá trình hoạt động của robot, mô phỏng trạng thái hoạt động của robot trên máy tính.

Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 MƠ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG MÁY TÍNH THƠNG QUA SĨNG RADIO Lê Hùng Linh*, Dương Chính Cương, Ngơ Hữu Huy Khoa Cơng nghệ thơng tin - ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Hiện nay, robot ngày đóng vai trò quan trọng q trình cơng nghiệp đời sống hàng ngày Việc ứng dụng loại robot vào cơng nghiệp giúp cho q trình sản xuất nhanh chóng đảm bảo độ xác cao Nhưng Việt Nam, robot chưa sử dụng rộng rãi, khái niệm robot phổ biến năm gần Do vậy, lĩnh vực nghiên cứu chế tạo robot phục vụ cho sản xuất mục đích dân dụng mẻ Robot có nhiều loại robot sử dụng dây chuyền sản xuất, robot dò đường, robot lau chùi cửa kính cho nhà cao tầng, robot chống khủng bố Trong báo này, nghiên cứu tổng quan kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt động cách thức điều khiển Robot mơ hình robot; Tìm hiểu tài liệu thiết bị liên quan; Phân tích thiết kế mơ hình robot điều khiển từ xa sóng điện từ Xây dựng mạch điều khiển robot, thiết kế khí cho robot thực điều khiển robot thông qua mô đun truyền thơng sóng điện từ Xây dựng chương trình điều khiển robot máy tính lưu lại q trình hoạt động robot, mô trạng thái hoạt động robot máy tính Từ khóa: Mơ phỏng, trạng thái, sóng điện từ, mơ hình, chương trình điều khiển TỔNG QUAN CÁC MƠ HÌNH ROBOT Định nghĩa[4]: “Một kiểu mơ hình triết lý tập hợp công nhận kỹ thuật, mô tả đặc điểm cách tiếp cận lớp vấn đề Nó vừa cách xem xét giới, vừa tập hợp công cụ giải vấn đề.” Lịch sử phát triển robot trải qua kiểu mơ hình, kiểu thứ bậc, kiểu phản hồi kiểu tổng hợp Trong hệ thống robot, luôn tồn ba nhóm chức Cảm nhận, Hành động Lập kế hoạch Các kiểu mô hình robot xác định dựa mối quan hệ nhóm chức Kiểu mơ hình thứ bậc: Đây kiểu mơ hình xuất đầu tiên, robot cố bắt chước cách người suy nghĩ: sau cảm nhận giới xung quanh, người ta suy nghĩ để lập kế hoạch, hành động đáp ứng Với cách này, liệu cảm nhận thường phải đầy đủ để có đánh giá bao quát môi trường xung quanh, sau ln qua xử lý bước lập kế hoạch  Tel: 0929077888 Hình Kiểu mơ hình thứ bậc Như vậy, kiểu không cho phép liệu truyền thẳng đến hành động kiểu phản xạ vô điều kiện, điều làm cho robot trở nên thiếu nhanh nhẹn Kiểu mơ hình khơng sử dụng từ 20 năm qua Kiểu mô hình phản hồi: Kiểu phản xạ gần ngược lại với kiểu thứ bậc, kiểu không giữ lại phần lập kế hoạch, cảm nhận robot truyền trực tiếp sang hành động Hình Kiểu mơ hình phản hồi Theo kiểu này, robot chứa sẵn nhiều cặp tương ứng Cảm nhận – Hành động, gọi hành vi Các hành vi xảy có tính đồng thời, xử lý riêng rẽ Và robot thực nhiều hành vi lúc, khơng lập kế hoạch nên tiết kiệm nhiều thời gian Kiểu mơ hình mang đến nhiều thành tựu to lớn, rõ ràng khơng thích hợp với loại robot nhiều chức Kiểu giống kiểu người ta dạy vật mà khơng làm cho vật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 71 Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ suy nghĩ thơng minh Kiểu mơ hình đòi hỏi hiểu biết khơng gian hoạt động tồn cục trước lập trình để tìm tất hành vi có robot Các nhà nghiên cứu thực mơ hình để giảm thiểu giá thành phần cứng sản phẩm cách tăng mức độ tính tốn ban đầu tạo hành vi robot Kiểu mơ hình tổng hợp: Kiểu tổng hợp kết hợp kiểu mơ hình trên, làm cho robot suy nghĩ uyển chuyển giống người hơn, hầu hết nghiên cứu theo hướng Kiểu tách việc lập kế hoạch khỏi hành vi robot 73(11): 71 - 77 công việc thiết kế cho ứng dụng Mơ hình điều khiển robot từ xa máy tính thơng qua sóng điện từ xây dựng theo kiểu mơ hình tổng hợp (Hình 3) Điều khiển robot từ xa cần có tín hiệu trạng thái phản hồi từ robot để biết trạng thái robot thời điểm, giúp cho việc điều khiển dễ dàng xác Robot điều khiển từ xa máy tính, việc lập kế hoạch, lưu trữ thơng tin máy tính thực gửi yêu cầu cần thực cho robot Robot hệ thống tiếp nhận thông in chủ yếu từ máy tính truyền qua thu/phát sóng RF Do việc lựa chọn mơ hình theo mơ hình tổng hợp đáp ứng đủ theo yêu cầu hệ thống Robo t Hình Kiểu mơ hình tổng hợp Lập kế hoạch tương tác với hành vi phương thức mà người ta gọi “nghe lén” “Nghe lén” phương thức lấy thông tin từ phận Cảm nhận để điều chỉnh lại thông tin toàn cục, tác động trở lại hành vi robot Với kiểu mơ hình này, robot thơng minh không tốn nhiều thời gian cho việc lập kế hoạch mơ hình thứ bậc, lại cho phép robot thực nhiều chức so với mơ hình phản hồi Kiểu mơ hình xác suất: Kiểu mơ hình kiểu mơ hình sử dụng tất kiểu mơ hình trên, thay tính tốn với thơng số cụ thể, tất liệu trạng thái robot dạng xác suất thống kê Kiểu mơ hình cho phép robot giảm thiểu tính tốn, tăng khả hoạt động mơi trường thiếu thơng tin, với cảm biến có sai số lớn, khả điều khiển bền vững ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Lựa chọn mơ hình phù hợp giúp cho việc giải vấn đề dễ dàng Vì vậy, việc biết kiểu mơ hình cơng nghệ robot chìa khố để thành Hình Mơ hình tổng quan hệ thống Xây dựng mơ hình Hệ thống Robot điều khiển từ xa máy tính bao gồm hai chương trình máy tính Robot Máy tính Robot liên lạc với sóng điện từ Hệ thống mơ tả hình vẽ Trong hệ thống, Máy tính Robot liên lạc với với khoảng cách xa sóng điện từ Khoảng cách Máy tính Robot có khoảng cách tối đa 900 m (khơng dùng ăng ten) 63 km (khi dùng ăng ten) Trong Máy tính thực điều khiển Robot, đồng thời lưu lại lịch trình hoạt động trạng thái Robot Robot thực việc di chuyển làm việc theo điều khiển máy tính Mơ hình robot tiến hành xây dựng gồm thành phần sau: Hệ thống phát động chấp hành Hệ thống cảm biến Bộ điều khiển, gồm phần mềm phần cứng hệ thống Chương trình điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 72 Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Hệ thống phát động chấp hành: Chuyển động robot thực hệ thống Hệ thống bao gồm: – Nguồn cung cấp điện – Khuyếch đại công suất – Động – Truyền động khí Hình sơ đồ ghép nối hệ thống phát động chấp hành, thể chuyển đổi lượng Hình Sơ đồ hệ thống phát động chấp hành Để thể quan hệ chung, Pc thể tín hiệu điều khiển, Pu công suất học cần thiết để làm robot chuyển động Các đại lượng trung gian, công suất điện cung cấp cho động Pa, công suất nguồn Pp, công suất học động phát Pm Ngồi có loại cơng suất tổn hao khâu trung gian: khuyếch đại công suất Pda, động Pds, truyền dẫn Pdt Hệ thống cảm biến: Hệ thống nhận ngõ vào liệu cảm biến, dựa vào thuật toán biến đổi phương pháp điều khiển để biến đổi thành thông tin cảm biến, kèm theo tất phần cứng liên quan Bộ điều khiển: Sử dụng chip Atmega16 làm điều khiển cho robot Bộ điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, xử lý điều khiển hoạt động robot gửi tín hiệu trạng thái tới máy tính Chương trình điều khiển: Chương trình điều khiển máy tính viết ngơn ngữ Microsoft Visual Basic 6.0; Chương trình cung cấp giao diện đơn giản, dễ sử dụng cho việc điều khiển như: điều khiển robot tiến, lùi, quay trái, quay phải, nâng/hạ cánh tay, gắp/nhả vật, quay trục, hiển thị thông tin thời 73(11): 71 - 77 robot, lưu lại lịch trình hoạt động trạng thái Robot Chương trình điều khiển chip Atmega16 viết ngôn ngữ C Sau nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, chương trình điều khiển xác định cơng việc phải làm khối lượng công việc cần làm cho robot cách xác xác định tiến, lùi bao nhiêu; quay trái, quay phải độ, quay trục hay quay xe, gắp hay nhả vật, nâng hay hạ cánh tay gửi tín hiệu phản hồi cho máy tính Phương trình tốn học sử dụng robot Robot thao tác cơng việc theo yêu cầu, với chương trình điều khiển CPU robot lập trình xác Một số phương trình, cơng thức sử dụng chương trình như: phương trình tính qng đường di chuyển, tính góc quay xe, tính góc quay trục Sau nhận quãng đường cần di chuyển, góc cần quay gửi từ máy tính, robot dựa vào phương trình để tính số xung điều khiển Phương trình quy đổi quãng đường di chuyển robot sang xung điều khiển CPU sử dụng robot: Do việc lựa chọn động bánh xe nên ta có: Cứ chip xuất 1T (1 xung ) động bước quay bước = 7.2o Vây số xung để động bước quay vòng = 360o là: x 360  50T 7.2 Số xung để động bước quay 14 vòng y  14*50  700 T; (1) Một vòng bánh xe có độ dài 310 mm (chu vi bánh xe) Vậy: vòng bánh xe nên độ dài d = 3*310 = 930 mm (2) Do thiết kế khí hệ thống nên ta có: Cứ động bước quay 14 vòng bánh xe quay vòng; Hay chip xuất 700T xe quãng đường 930mm (theo 2) Vậy số xung để quãng đường d (mm) T x d * 700 d * 70  (3) 930 93 Phương trình quy đổi góc quay robot sang Xung điều khiển CPU robot Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 73 Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Theo cơng thức tính độ dài cung tròn: l=R* Với  tính radian, mà chip nhận giá trị góc từ máy tính gửi tính độ, nên chuyển đơn vị góc từ độ sang radian Cứ 180o tương ứng với  radian Hay 45o tương ứng với arctan(1) radian Vậy để quay Ao ta có 73(11): 71 - 77 Modul khí A * arctan(1) radian 45 A * (khơng tính   số  khơng 180  chương trình máy tính định nghĩa sẵn, hàm arctan(1) có sẵn chương trình máy tính) Theo thiết kế robot, hai bánh trước bánh đa hướng giúp cho robot di chuyển dễ dàng, hai bánh sau phát động, khoảng cách hai bánh 380 mm chuyển động độc lập Vậy quay robot, hai bánh quay ngược chiều tâm quay nằm trục hai bánh, nên bán kính cung tròn R=380/2=190 mm Do đó, độ dài cung tròn qng đường cần di chuyển ứng với góc quay Ao là: A * arctan(1) ) 45 190  A * arctan(1) * s 45 l  R *   190 * ( Hình Thiết kế hệ thống khí Modul mạch Modul mạch gồm modul nhỏ là: modul mạch điều khiển modul mạch công suất - Sơ đồ khối hệ thống robot: Theo phương trình 2.3: số xung để quay A0 x Mô đun truyền thông l * 70 190* 70  A * arctan(1) * T 93 45 * 93 hay CPU Phối hợp cơng suất Khối chấp hành Hình Sơ đồ khối hệ thống robot l * 70 2660  A * arctan(1) * T (4) 93 837 Phương trình quy đổi góc quay robot sang x - Modul điều khiển: xung điều khiển CPU robot Do thiết kế khí hệ thống nên ta có: Cứ động bước quay 14 vòng trục cánh tay quay vòng; Hay chip xuất 700T trục cánh tay quay 5*360o = 1800o (theo 1) Vậy số xung để trục cánh tay quay góc Go là: x G * 700 G *  T (5) 1800 18 PHẦN CỨNG Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 74 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Lê Hùng Linh cs Hình Sơ đồ mạch nguyên lý mạch chip - Modul công suất: 73(11): 71 - 77 3: Obj = bàn tay  Khung truyền điều khiển thân robot: 1(Trái) * * (Thân) G G G (Tiến) D D D 2 (Phải) (Khơng 0 0 THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TRÊN PC Khung truyền liệu từ máy tính tới CPU robot - Khung truyền liệu dạng tổng quát: Để modul hệ thống giao tiếp với nhau, hiểu làm việc với cần quy định khung truyền liệu, cụ thể khung truyền gồm phần như: Start, Data, Stop Key word Key word Para Start … Para n Data 0 (Khơng làm) Hình Sơ đồ mạch nguyên lý mạch công suất # (Lùi) làm) G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ) D1, D2, D3: Quãng đương (đơn vị: cm) Các hoạt động phần thân robot ảnh hưởng đến toàn robot như: tiến, lùi làm thay đổi tọa độ robot; quay trái, quay phải làm thay đổi hướng robot (hướng robot so với trục OX sân)  Khung truyền điều khiển phần trục: Các hoạt động phần trục như: nâng, hạ, quay trục trái, quay trục phải (hướng cánh tay robot so với thân robot) Các hoạt động không ảnh hưởng đến tọa độ hướng robot Key word Stop - Khung truyền liệu dạng chi tiết: Khung truyền có 12 byte: Start: Đây phần đầu khung truyền tin, sử dụng byte start với key word là: ** Nếu sai giá trị gây lỗi khung truyền Data: Sau byte start byte data Stop: Đây byte kết thúc trình truyền gói tin, sử dụng byte stop với key word là: # Nếu sai giá trị gây lỗi khung truyền G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ)  Khung truyền điều khiển bàn tay : Các hoạt động bàn tay như: gắp, nhả Các hoạt động không ảnh hưởng đến tọa độ, hướng robot hướng cánh tay 1(Gắp) * Trong đó: Obj: đối tượng điều khiển 1: Obj = thân robot P3 = 2: Obj = phần trục 2(Nhả) (Tay) * 0 0 0 (Khơng làm) Thuật tốn điều khiển máy tính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 75 # Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Thuật toán điều khiển CPU Robot Begin Khëi t¹o: - ThiÕt lËp cỉng USART - Dạng khung truyền - Tốc độ truyền - Gửi tín hiệu sẵn sàng Chờ nhận tín hiệu điều khiển Kiểm tra liệu nhận Có lỗi ? Yes Gửi thông báo lỗi cho máy tính Trong quỏ trỡnh thc theo lệnh điều khiển máy tính CPU robot ln gửi tín hiệu phản hồi máy tính, để biết trạng thái robot Các tín hiệu phản hồi: “OK”: tín hiệu thơng báo robot sẵn sàng hoạt động Tín hiệu gửi bắt đầu trình hoạt động robot robot thực xong lệnh điều khiển máy tính “D”: tín hiệu thơng báo robot di chuyển tịnh tiến Tín hiệu gửi sau robot di chuyển 5cm “K”: tín hiệu gửi thơng báo kết thúc q trình robot di chuyển tịnh tiến “Q”: tín hiệu thơng báo thân robot quay Tín hiệu gửi sau thân robot quay 5o “H”: tín hiệu gừi thơng báo kết thúc q trình thân robot quay “T”: tín hiệu thơng báo cánh tay robot quay Tín hiệu gửi sau cánh tay robot quay 5o “C”: tín hiệu gửi thơng báo kết thúc q trình cánh tay robot quay Nhờ có tín hiệu phản hồi mà máy tính biết trạng thái robot dễ dàng hiển thị thơng tin giao diện chương trình điều khiển mỏy tớnh No - Phân tích liệu nhận đ-ợc - Thùc hiƯn theo lƯnh ®iỊu khiĨn - Gưi tÝn hiệu phản hồi cho máy tính - Gửi thông báo hoàn thành cho máy tính MT S HèNH NH KT QUẢ  Hình ảnh robot:  Hình ảnh giao diện máy tính chạy chương trình: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 76 Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ KẾT LUẬN Đề tài tập trung vào nghiên cứu tổng quan kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt động cách thức điều khiển robot xây dựng mạch điều khiển robot Ứng dụng truyền thơng sóng điện từ (RF) thực điều khiển truyền thông Xây dựng mơ hình robot điều khiển từ xa kết nối với máy tính Kết đạt đề tài sau: Xây dựng mơ hình robot kết nối với máy vi tính sóng điện từ Robot hoạt động tính như: tiến, lùi, quay trái phải với góc khác nhau; cánh tay robot gắp vật, nâng lên hạn xuống quay quanh trục 73(11): 71 - 77 Xây dựng chương trình điều khiển máy tính mơ hoạt động robot Chương trình có nút điều khiển đổ hiển thị vị trí robot Hướng phát triển: Dựa kết đạt đề tài phát triển mơ hình robot có nhiều tính như: sử dụng camera để quan sát nhận dạng đường đi, sử dụng động bước có độ xác cao công suất lớn để xác định vị trí xác; thực điều khiển với khoảng cách xa sử dụng loại ăng ten khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đào Văn Hiệp (2003), Kỹ thuật robot, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [2] Ngô Diên Tập (2003), Kỹ thuật vi điều khiển với AVR, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Trung tâm nghiên cứu, Đào tạo Phát triển Công nghệ điện tử, Vi điều khiển AVR, Xuất năm 2009 [4] ROBIN R MURPHY, “Introduction to AI Robotics”, Massachusetts Institute of Technology, 2000 SUMMARY MODEL ROBOT CONTROLED BY COMPUTER THROUGH RADIO WAVES Le Hung Linh, Duong Chinh Cuong, Ngo Huu Huy Faculty of Information Technology- TNU Robot is used more and more popular all over the world not only in the industry but also the domestic life However, there are not much the applications of robot in Vietnam Therefore, it is necessary to research and apply in the industrial manufacturing and the daily life In this paper, we research generally the control method and the operator of the robots via the reference documents Then we analysis and design the control model of the robot remotely by the radio wave Simultaneously, we build a mechanic system, a control panel and test the communication system between the robot and the computer Finally, we design a software that manages the operator history of the whole system and simulate the status of the robot Keywords: Simulation, radio wave, the control model, the control program Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 77 Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73(11): 71 - 77 http://www.lrc-tnu.edu.vn | 78 Lê Hùng Linh cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73(11): 71 - 77 http://www.lrc-tnu.edu.vn | 79 ... hành vi robot 73(11): 71 - 77 công việc thiết kế cho ứng dụng Mơ hình điều khiển robot từ xa máy tính thơng qua sóng điện từ xây dựng theo kiểu mơ hình tổng hợp (Hình 3) Điều khiển robot từ xa cần... xa máy tính bao gồm hai chương trình máy tính Robot Máy tính Robot liên lạc với sóng điện từ Hệ thống mơ tả hình vẽ Trong hệ thống, Máy tính Robot liên lạc với với khoảng cách xa sóng điện từ. .. Xây dựng mơ hình robot điều khiển từ xa kết nối với máy tính Kết đạt đề tài sau: Xây dựng mơ hình robot kết nối với máy vi tính sóng điện từ Robot hoạt động tính như: tiến, lùi, quay trái phải