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 s[r]
(1)-
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật CơĐiện Tử
Mã số ngành : 60520114
(2)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 CơĐiện Tử
Mã số ngành : 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG
(3)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:
TT Họ tên Chức danh Hội đồng PGS.TS.Lê Hữu Sơn Chủ tịch
2 TS Nguyễn Hùng Phản biện TS Nguyễn Duy Anh Phản biện
4 TS Võ Hoàng Duy Ùy viên
5 PGS.TS.Ngô Cao Cường Ùy viên, Thư ký
Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau Luận văn sửa chữa (nếu có)
(4)TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HĐộc lập – TỘI CHự – HỦ NGHạnh phúc ĨA VIỆT NAM 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 CơĐiện 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
(5)LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác
Tôi 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
(6)LỜI CÁM ƠN
Luận văn tốt nghiệp hội để sinh viên vận dụng kiến thức mà tích lũy suốt trình học quan sát thực tế Tuy nhiên, nhiều hạn chế kiến thức, kinh nghiệm thực tế thời gian nên nỗ lực, cố gắng không tránh khỏi sai sót, chưa bám sát vào thực tiễn
Trong luận văn em mong nhận nhận xét, góp ý từ thầy bạn Để hoàn thành luận văn em xin kính gửi đến thầy TS Nguyễn Thanh Phương lịng biết ơn sâu sắc, thầy tận tình hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn
(7)TÓM 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 1200, 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
(8)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
(9)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 ẢNH x
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO
1.1 Các khái niệm robot di động, robot leo
1.2 Phân loại loại robot leo trụ
1.2.1 Phân loại theo kết cấu:
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
1.4 Phương pháp nghiên cứu
CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở thuật toán PID:
2.1.1 Những kiến thức sở bộđiều 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
(10)2.2.1 Giới thiệu ATmega32
2.2.2 Các đặc tính ATmega32: 10
2.2.3 Sơđồ 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 độđộng 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 bộđiều khiển hệ thống lực nén 26
3.3.2.1 Xác định hàm truyền 26
3.3.2.1 Thiết kế bộđiều khiển 28
3.3.3 Xác định bộđiều khiển hệ thống di chuyển 30
3.3.3.1 Xác định hàm truyền 30
3.3.3.2 Thiết kế bộđiều khiển 32
CHƯƠNG 4: 35
(11)4.1 Chế tạo khí 35
4.1.1 Bảng vẽ thiết kế 35
4.1.2 Hình ảnh sau chế tạo 35
4.2 Thiết kế mạch điện 36
4.2.1 Yêu cầu 36
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn linh kiện 37
4.2.2.1 Bo mạch vi điều khiển : 37
4.2.2.2 Board mạch Arduino 38
4.2.2.3 Khối công suất : 41
4.2.2.3.1 Optocoupler-NPN 41
4.2.2.2 Rờ le 42
4.2.2.3 IC L298 43
4.2.3 Lưu đồđiều khiển robot 44
4.2.4 Robot sau chế tạo 45
4.2.5 Kết thực nghiệm 46
Đánh giá kết thực nghiệm 46
TỔNG KẾT 47
5.1 Kết quảđạt 47
5.2 Kết chưa đạt 47
5.3 Hướng phát triển 47
(12)DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DC Direct Current
PID Proportional Integral Derivative GND Ground
LED Light Emitting Diode
MCU Microprocessor Control Unit PWM Pulse Width Modulation
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver VCC Voltage Common Collector
ADC Analog to Digital Converter BJT Bipolar Junction Transistor
(13)DANH MỤC CÁC BẢNG
(14)DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Robot leo SAITM Research Symposium on Engineering Advancementsm2014
2 Hình 1.2 Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa
Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2)
3 Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping
principle ( Cengiz Yilmaz)
3 Hình 1.4 Robot rắn Đại học Carnegie Mellon Hình 2.2 Vai trị khâu tỉ lệ bộđiều khiển PID Hình 2.3 Vai trị khâu tích phân bộđiều khiển PID Hình 2.4 Vai trị khâu vi phân bộđiều khiển PID
Hình 2.6 Sơđồ chân ATmega32
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H 11
Hình 2.8 Một số loại encoder thị trường 12 Hình 2.9 Cấu tạo thực tế encoder 13
Hình 2.1 Dạng sóng ngõ LED thu 14 Hình 2.11 Cấu tạo đĩa quay encoder 14
Hình 2.12 Quá trình đọc Encoder 15
Hình 2.13 Một số loại động thực tế 15 Hình 2.14 Cấu tạo động điện chiều 16 Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động động DC 17
Hình 2.16 Điều khiển động PWM 18
Hình 3.1 Phân bố lực Robot 19
Hình 3.2 Bộ tạo lực nén 20
(15)Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chuyển động 23 Hình 3.5 Bộđiều khiển lực nén 24
Hình 3.6 Bộđiều khiển tốc độ leo 26 Hình 3.7 Mơ bộđiều khiển PID cho hệ thống nén 26 Hình 3.8 Đáp ứng G(s) hệ thống nén 28 Hình 3.9 Đáp ứng có bộđiều khiển PID hệ thống nén 29 Hình 3.10 Đáp ứng điều khiển hệ thống nén 29 Hình 3.11 Mô bộđiều khiển PID cho hệ thống leo 32 Hình 3.12 Đáp ứng G(s) hệ thống leo 33 Hình 3.13 Đáp ứng có bộđiều khiển PID hệ thống leo 33 Hình 3.14 Đáp ứng điều khiển hệ thống leo 34 Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế hệ thống khí 35
Hình 4.2 Robot leo trụ 35
Hình 4.3 Sơđồ khối bộđiều khiển kết nối 36 Hình 4.4 Sơđồ nguyên lý hệ thống nén 37
Hình 4.5 Sơđồ nguyên lý hệ thống leo 38
Hình 4.6 Bo mạch Arduino UNO 41
Hình 4.7 Sơđồ nguyên lý Opto 42
Hình 4.8 Sơđồ nguyên lý Rờ le 42 Hình 4.9 Sơđồ nguyên lý điều khiển động DC 42 Hình 4.10 Sơđồ nguyên lý điều khiển động DC dùng L298 43 Hình 4.11 Lưu đồđiều khiển Robot 44
Hình 4.12 Robot leo trụ 45
Hình 4.13 Điều khiển nén robot 45 Hình 4.14 Điều khiển leo robot 45
(16)CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO
1.1 Các khái niệm robot di động, robot leo
Robot di động loại robot di chuyển để thực chức đề Thông thường để thực di chuyển, người ta hay sử dụng cấu dạng bánh, dạng xích, dạng chân, Robot di động hoạt động phân xưởng, nhà, khu vực che kín, Nhìn chung gọi robot di động nhà (Indoor Mobile Robot)
Trong thập niên cuối kỉ XIX người ta quan tâm nhiều đến khả leo trèo robot, phát sinh từ yêu cầu làm việc môi trường độc hại, nguy hiểm hay nơi khó tiếp cận để bảo vệ sức khỏe người nhiệm vụ mạo hiểm Robot leo có khả thực nhiệm vụ cây, cột thẳng đứng, đáp ứng yêu cầu công nghiệp hay quốc phòng để thi hành nhiệm vụ nguy hiểm chặt cây, phun sơn cột, thực công việc cao … Như với khả robot leo không cho phép chúng làm việc nơi nguy hiểm với người cơng nhân mà cịn loại bỏ tốn giàn giáo, phương tiện giới
1.2 Phân loại 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
(17)1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo 1.2.2.1 Robot dạng rời rạc
Robot thiết kế ý tưởng giống người lên cột, phần tay bám vào cột, phần thân di chuyển chân lên phần chân bám vào cột phần thân đưa tay lên … liên tục mà leo lên cột
Robot thường thiết kế thành khung cánh tay kẹp (1 + dưới) liên kết hệ thống trượt Các tay kẹp giữ cột hệ thống động DC khí nén Khi robot di chuyển khung kẹp điều khiển để bám giữ robot trụ, khung kẹp lại hệ thống truyền động khác nâng di chuyển trụ Cứ Robot sẽđược di chuyển trụ cách rời rạc
Ưu khuyết điểm :
- Robot leo có khả đối phó thích nghi nhiều bề mặt khác trụ, leo trụ, cây…
- Robot có khả vận chuyển khối lượng lớn - Tốc độ chậm tiêu hao nhiều lượng
- Kết cấu khí điều khiển phức tạp
(18)
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 trụ
Ưu khuyết điểm :
- Thiết hợp cho trụ trịn, …
- Có thể leo nhanh có khả leo cao - Kết cấu khí đơn giản
- Khơng thích hợp với bề mặt cột thường xuyên thay đổi - Hạn chế khối lượng robot
Hình 1.2: Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2, and Satoshi Ueki )
(19)1.2.2.3 Robot dạng rắn
Robot thiết kế với dạng rắn, kết cấu khớp nối di chuyển khơng có bánh xe có gắn camera sensor điện tử, kiểm soát cần điều khiển, uốn éo với trợ giúp động DC
Ưu khuyêt điểm:
- Robot leo có khả đối phó thích nghi nhiều bề mặt khác cột, leo cột, cây, di chuyển qua cành cây, linh hoạt môi trường leo thích hợp
- Tốc độ leo chậm, khó điều khiển tốc độ
- Không mang khối lượng lượng, thường để thực công việc quan sát
Hình 1.4 Robot rắn Đại học Carnegie Mellon 1.3 Đặt vấn đề
Với mục tiêu thiết kế robot leo trụ trịn, trụ với phân tích dạng Robot leo trên, việc chế tạo robot leo trụ có tính linh hoạt, di chuyển nhanh, xác tin cậy, khơng gây tốn nhiều lượng, khơng địi hỏi phức tạp lập trình thiết kế mạch điều khiển Tôi chọn phương án leo liên tục để chế tạo robot leo trụ
(20)trên trụ Do robot thiết kế hai hệ thống độc lập, hệ thống tạo lực nén điều khiển để luôn tạo lực F đủ lớn để giữ robot đứng yên trụ hệ thống bánh xe chuyển động điều khiển đồng tốc để đưa robot di chuyển trụ
Mục tiêu đề tài thiết kế robot hệ thống độc lập Điều khiển lực nén điều khiển tốc độ Cụ thể:
- Thiết kế hệ thống khí robot, tính tốn lực cần thiết để nén di chuyển robot
- Xây dựng hàm truyền động học cho hệ thống
- Xây dựng, lập trình thuật tốn PID để điều khiển động DC, điều khiển hệ thống
- Tìm hiểu cách kết nối, điều khiển cảm biến vị trí, encoder, động DC …
- Thiết kế lựa chọn mạch vi xử lý, mạch điều khiển công suất động
- Thiết kế vẽ, xây dựng lắp ráp mơ hình thực để kiểm nghiệm 1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Tiếp cận, xây dựng mơ hình lý thuyết gồm có
o Tiếp cận mơ hình khí để lựa chọn thiết kế tối ưu o Tiếp cận lý thuyết điều khiển
o Tiếp cận lý thuyết mạch vi xử lý, cảm biến vị trí, encoder, động DC
- Tiếp cận, xây dựng mơ hình thực: o Thiết kế mơ hình khí
o Phân tích thiết lập hàm truyền o Mô hàm truyền Matlab o Thiết kế mạch điều khiển