Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex

Bài viết trình bày quá trình phân tích, tính toán và thiết kế mạch drive cho robot Rhex, các kết quả thử nghiệm, so sánh cho thấy mạch drive mới đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra trong thực tế di chuyển của robot Rhex.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH DRIVE DÙNG CHO ROBOT RHEX Vũ Văn Tâm* Tóm tắt: Lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot theo phương pháp mô hoạt động loài động vật nhiều quốc gia nhà khoa học quan tâm; Hiện nay, mẫu robot Rhex hãng Boston trường đại học Pennsylvania - USA [5,6] nghiên cứu thử nghiệm cho kết tương đối khả quan Tuy nhiên, việc điều khiển motor chân robot Rhex tương đối phức tạp motor có momen xoắn lớn, đòi hỏi đồng cao tốc độ, vị trí quỹ đạo di chuyển; Các mạch drive thường không đáp ứng yêu cầu nêu trên, vậy, cần phải có mạch drive chuyên dùng cho robot Rhex Trong báo chúng tơi trình bày q trình phân tích, tính tốn thiết kế mạch drive cho robot Rhex; kết thử nghiệm, so sánh cho thấy mạch drive đáp ứng tốt yêu cầu đặt thực tế di chuyển robot Rhex Từ khóa: Robot, Rhex, Drive, L298, Motor, LMD12800 ĐẶT VẤN ĐỀ Rhex loại robot đối xứng mặt với mặt phần đầu với phần đuôi; Với chân chữ C (hình 1) [5,6], Rhex có khả di chuyển linh hoạt để vượt qua nhiều loại địa hình phức tạp; đặt biệt leo dốc, leo cầu thang, leo bậc cao, lội nước; đồng thời, tính chất đối xứng nên Rhex có khả tiếp tục di chuyển bị ngã, lật, đổ [1,4,5] Hình Tính đối xứng Hình Motor Rhex Hình Rhex di chuyển Mỗi chân Rhex nối tới motor, để Rhex đứng vững motor cần phải có momen xoắn lớn ( M ≥ 95Kgf.cm) [2,4,6]; Trong thực tế thường sử dụng motor DC (hình 2) có cơng suất ( P = 20 60 wats ), tốc độ quay (V1 = 900 22000 vòng/phút); giảm tốc có tỷ số truyền ( K = 100 200 ) [4], nên tốc độ quay chân robot (V2 ) tính cơng thức V1 [vòng/phút] (1) K Từ (1) cho thấy, K thường lớn nên để có V2 lớn (robot di chuyển nhanh) V1 cần V2  phải lớn, vậy, mạch drive phải có cơng suất cao; đồng thời Rhex di chuyển tiến, lùi, đứng, nằm mạch drive cần phải có chức điều khiển motor quay xuôi, ngược chiều kim đồng hồ, phanh chống tải (khi chân robot bị kẹt) Tại thời điểm phải có  chân robot chạm đất (hình 3) [2, 5], đó, cần phải kiểm sốt vị trí chân robot (sử dụng encoder tuyệt đối) Ngoài ra, để đồng tốc chân robot cần phải kiểm sốt số vòng quay motor (sử dụng encoder tương đối) 100 Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Các mạch drive có sẵn khơng đáp ứng u cầu vì: i) Khơng có chức kiểm sốt tốc độ vị trí góc motor (khơng xử lý tín hiệu từ encoder, hình 4) a) Mạch drive sử dụng mosfet b) Mạch drive dùng LMD12800 Hình Một số mạch drive thơng dụng ii) Dòng cấp cho motor khơng đủ lớn (hình 4b, với I  6A ); số mạch drive có dòng lớn cần có tản nhiệt nhơm, quạt nước (hình 4a, với I Max  10A ), Max nhiên Rhex có hộp đựng bo mạch nhỏ, hẹp, kín nước nên khơng thể dùng tản nhiệt iii) Khơng có chức chống q tải, nên chân Rhex bị kẹt (do vướng vật cản) cháy motor mạch drive NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1 Xây dựng sơ đồ khối mạch drive Từ nội dung nêu trên, sơ đồ khối mạch drive thiết kế sau (hình 5): Hình Sơ đồ khối mạch drive robot Rhex Với Data tín hiệu điều khiển (tiến, lùi, sang phải, sang trái ) từ người sử dụng; ABS1 tín hiệu từ encoder tuyệt đối [6, 7] (2), ABS1    chân robot  A  chân robot  A (2) Với A vị trí đặt encoder tuyệt đối EncoA1 , EncoB1 tín hiệu kênh A, kênh B từ encoder tương đối; với X [xung]/1 vòng motor, số xung chân robot quay vòng ( X ) X  X  K [xung] (3) PWM , PWM , , PWM tín hiệu điều chế độ rộng xung [2,3] để điều khiển tốc độ quay motor 1, motor 2, motor 6; DRV1 , DRV2 , DRV6 , tín hiệu điều khiển chiều quay motor 1, motor2, motor6 (4), DRV1  => motor1 quay xuôi chiều kim đồng hồ, DRV1  => motor1 quay ngược chiều kim đồng hồ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 (4) 101 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Chíp điều khiển trung tâm tín hiệu Data, ABS1 , EncoA1 , EncoB1 để tạo tín hiệu PWM , PWM ,… PWM DRV1 , DRV2 , DRV6 Các PWM , DRV đưa vào khối chống trùng dẫn (để bảo vệ mosfet); khối cách ly (để chống nhiễu, xung phản hồi từ motor); khối điều khiển mosfet (để tạo tín hiệu đóng/mở mosfet tương ứng); khối mosfet (để đóng/mở cung cấp nguồn cho motor) 2.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch drive Sơ đồ nguyên lý mạch drive điều khiển motor (mạch điều khiển motor 2, motor có sơ đồ tương tự) Hình Sơ đồ nguyên lý mạch drive robot Rhex Trong PC817, 6N137 dùng để ghép cách ly tín hiệu DRV1 , PWM ; IC 4001 có tác dụng chống trùng dẫn cho mosfet; IR2184 điều khiển đóng/mở mosfet; IRF3205 làm nhiệm vụ đóng/mở để cấp nguồn cho motor THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Kịch thử nghiệm a) Mạch drive b) Thử nghiệm mạch drive cho robot Rhex Hình Mạch drive trình thử nghiệm với robot Rhex Để minh chứng cho tính ưu việt mạch drive mới, tác giả tiến hành gia cơng bo mạch (hình 7.a) lắp ráp vào robot Rhex để thử nghiệm Kịch thử nghiệm với motor 102 Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ có P  60 wats , V1  900 vòng/phút, K  139 , X  13 xung; PWM = 10kHz, duty = 50%; robot Rhex thực thao tác di chuyển đường bằng, leo dốc 45 độ, leo bậc cao 40 cm, leo cầu thang với bậc cao 40 cm, lội nước sâu 20 cm (hình 7b) Kết thử nghiệm so sánh với mạch drive sử dụng mosfet, IC chuyên dụng LMD12800 (hình 4) 3.2 Kết thử nghiệm đánh giá Kết thử nghiệm thống kê bảng sau: Bảng Kết thử nghiệm Kết Số TT Tham số mạch drive mosfet mạch drive LMD12800 Mạch drive 42 vòng/phút 30 vòng/phút 55 vòng/phút I Thử nghiệm riêng mạch drive V2 (khơng có tải, với PWM =10 kHz, duty = 50% Imax 10A 6A Nguồn cung cấp đến 55 V đến 24 V Motor quay xi Có Có Có Motor quay ngược Có Có Có Chức phanh Khơng Có Có Ghép cách ly Có Khơng Có Chống trùng dẫn Khơng Khơng Có Tản nhiệt Có Có 10 Chịu q tải Khơng Không II Lắp mạch drive vào robot Rhex thử nghiệm: Tốc độ di chuyển cực đại 70 mét/phút (trên đường bằng) 30 mét/phút 150 mét/phút Leo bậc cao 40 cm Khơng Có Leo cầu thang có bậc cao 40 Chỉ leo Không cm bậc Có (liên tục nhiều bậc) Leo dốc 45 độ Khơng Khơng Có Lội nước sâu 20 cm Có Có Có Có chậm 110A đến 55 V Khơng Có Từ bảng cho thấy: Mạch drive có ưu điểm: i) tốc độ vòng quay của motor cao mạch drive sử dụng mosfet LMD12800, có điều mạch drive sử dụng IRF3205 IC lái mosfet IR2184 chuyên dụng nên khả đóng/mở thơng dẫn tốt hơn; ưu điểm cho phép robot di chuyển nhanh tăng/giảm tốc tức thời cần thiết ii) Mạch drive sử dụng IRF3205 có cơng suất cao làm cầu H nên khả chịu dòng áp cải thiện, điều cho phép robot sử dụng motor có cơng suất lớn giúp cho robot vận hành mạnh mẽ iii) Mạch drive có chức phanh motor, điều có ý nghĩa quan trọng cho phép khóa cố định chân robot vị trí dừng để robot khơng bị ngã; có chức mạch drive sử dụng IR2184 có chức điều khiển cầu H chập hai đầu dây motor Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 103 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử lại với để phanh motor vi) Khả chịu tải (đặc biệt giữ chặt không cho quay trục motor) mạch drive đặc điểm bật; Bởi thực tế di chuyển chân robot bị mắc kẹt, đó, dòng cấp cho motor tăng đột biến Có ưu điểm IR2184 nhận tín hiệu phản hồi từ cầu H để kịp thời điều khiển IRF3205 phù hợp không làm cho IRF3205 nóng cháy v) Mạch drive có thêm chức cách ly để chống nhiễu bảo vệ vi điều khiển trung tâm; chống trùng dẫn, để bảo vệ IRF3205; Đặc biệt không cần phải sử dụng thêm tản nhiệt giảm trọng lượng kích thước robot Chính ưu điểm nêu trên, nên robot Rhex có khả di chuyển, leo, trèo tốt thử nghiệm với bo mạch drive KẾT LUẬN Rhex mẫu robot có khả di chuyển linh hoạt, đáp ứng nhiều mục đích sử dụng khác nhau; nhiên việc thiết kế gia công phần cứng phần mềm cho robot tương đối phức tạp Nhằm góp phần giải phần khó khăn nêu trên, báo tác giả phân tích yêu cầu mạch drive chuyên dùng cho robot Rhex, từ xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý thử nghiệm mạch drive cho robot Rhex Từ kết thử nghiệm, so sánh, đánh giá cho thấy mạch drive có nhiều ưu điểm vượt trội (so với mạch drive sử dụng mosfet, LMD12800 nay); đặc biệt ưu điểm dòng điện, điện áp, phanh motor, khả chịu tải Mạch drive hoàn toàn đáp ứng yêu cầu di chuyển robot Rhex thực tế; ngồi ứng dụng cho mẫu robot khác có sử dụng động DC cơng suất lớn (từ 20 đến 200 wats) có momen xoắn cao Tuy nhiên, mạch drive có sử dụng ghép quang cách ly nên robot phải sử dụng nguồn độc lập; đồng thời hiệu suất mạch drive chưa thử nghiệm đánh giá chi tiết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C Ordonez et al, “Power modeling of the xrl hexapedal robot and its application to energy efficient motion planning,” Clawar 2012-proceedings to the fifteenth international conference on climbing and walking robots and the support technologies for mobile machines, Baltimore, MD, USA, (2012), pp 689-696 [2] E Ali et al, “Improvements to Rhex Robot Development;Towards a Low cost Rhex Robot,” IEEE Transactions on Mechatronics, (2016), pp 1-7 [3] K C Galloway et al, “X-Rhex: A Highly Mobile Hexapedal Robot for Sensorimotor Tasks,” Department of Electrical & Systems Engineering of University of Pennsylvania, (2010) [4] P C Lin et al, “Toward a DOF Body State Estimator for a Hexapod Robot with Dynamical Gaits,” Proc of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendai, Japan, (2004), pp 2265-2270 [5] J D Weingaten et al, “Automated Gait Adaptation for Legged Robots,” Proc of IEEE International Conference on Robotics & Automation, LA-USA, (2004), pp 2153-2158 [6] U Saranli et al, “Back Flips with a Hexapedal Robot,” Proc of IEEE International Conference on Robotics & Automation, Washington DC, (2002), pp 2209-2215 [7] S N Cubero, “Design concepts for a hybrid swimming and walking vehicle,” International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors Procedia Engineering 41, (2012), pp 1211-1220 104 Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT RESEARCHING AND DESIGNING DRIVE CIRCUIT USED FOR RHEX ROBOT Field of study, design and manufacture of robots according to the method of simulating the activities of animals is concerned by many countries as well as scientists all over the world Currently, Rhex robot is being researched and tested by Boston and Pennsylvania University- USA [5, 6] with satisfactory results However, the control of the motors of robot's legs is relatively complex due to the large torque of these motors, which require a high synchronization of speed, position and orbital movement Also, common drive circuits often not meet the above requirements, so there must be a dedicated drive circuit for Rhex robot In this article, we will present the process of analysing, calculating and designing drive circuits for Rhex robot The test results show that the new drive circuit satisfies the requirements appear in the reality Rhex robot movement Keywords: Robot, Rhex, Drive, L298, Motor, LMD12800 Nhận ngày 11 tháng 01 năm 2018 Hoàn thiện ngày 02 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng năm 2018 Địa chỉ: Trường Đại học Kỹ thuật – Hậu cần Cơng an nhân dân * Email: tamt36bca@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 105 ... nghiệm a) Mạch drive b) Thử nghiệm mạch drive cho robot Rhex Hình Mạch drive trình thử nghiệm với robot Rhex Để minh chứng cho tính ưu việt mạch drive mới, tác giả tiến hành gia cơng bo mạch (hình... 1211-1220 104 Vũ Văn Tâm, Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT RESEARCHING AND DESIGNING DRIVE CIRCUIT USED FOR RHEX ROBOT Field of study, design... bo mạch (hình 7.a) lắp ráp vào robot Rhex để thử nghiệm Kịch thử nghiệm với motor 102 Vũ Văn Tâm, Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ có P  60