Tài liệu Một vốn hiểu biết cơ bản về robot và những lĩnh vực liên quan như cơ khí - Copy docx

Một vốn hiểu biết cơ bản về robot và những lĩnh vực liên quan như cơ khí, điện tử, công nghệ cảm biến, công nghệ phần mềm, . là một điều kiện cần để có thể bắt tay vào nghiên cứu, chế tạo một con robot hoàn chỉnh. Như đã giới thiệu trong nhiều kỳ trên tạp chí TĐHNN, robot đã, đang và sẽ là một ngành công nghệ có ảnh hưởng lớn đến nhiều mặt trong đời sống của con người. Chúng thay thế con người làm những công việc có tính nguy hiểm, nhàm chán, lặp đi lặp lại, cần độ chính xác cao như hàn, sơn hay làm việc trong môi trường có phóng xạ hạt nhân, . Vậy nhưng, để làm được một con robot hoàn chỉnh là công việc không hề đơn giản. Robot là một hệ thống rất phức tạp, gồm nhiều bộ phận khác nhau kết hợp lại và phải hoạt động đồng bộ, ăn khớp hoàn toàn. Do vậy, trước khi bắt tay vào thiết kế chế tạo một con robot hoàn chỉnh, thì điều đầu tiên phải làm là trang bị cho bản thân một vốn kiến thức cơ bản về lĩnh vực robot và lĩnh vực khác liên quan như cơ khí, điện tử, công nghệ cảm biến, công nghệ phần mềm, . Trong giới hạn của bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu về kết cấu của một con robot tự hành, cảm biến trong robot, các hệ thống sử lý tín hiệu của cảm biến và một số ngôn ngữ lập trình cho robot. Về cơ bản một con robot tự hành gồm có: - Kết cấu cơ khí, như bánh, cánh tay, . có khả năng tương tác với môi trường vật thể. - Cảm biến được trang bị bên trong hoặc ngoài robot giúp nó có thể kiểm soát trạng thái bên trong và cảm nhận được môi trường bên ngoài, gửi thông tin phản hồi về hệ thống xử lý. - Hệ thống xử lý thông tin đầu vào của cảm biến và đưa ra lệnh đáp lại tương ứng cho robot. Hệ thống này còn được gọi là não bộ của robot. Kết cấu cơ khí Động cơ: Động cơ sử dụng cho robot tự hành thường là loại động cơ điện thông dụng như: động cơ một chiều, động cơ xoay chiều, động cơ bước, động cơ servo. Cơ cấu truyền động: Có các loại cơ cấu truyền động như cơ cấu truyền động bằng bánh răng - dây xích, cơ cấu truyền động bằng ròng rọc - dây curoa, và cơ cấu truyền động hộp số. Các cơ cấu này có nguyên lý làm việc tương đối giống nhau. Tuy nhiên cơ cấu bánh răng-dây xích là cơ cấu hiệu quả và chính xác cho chuyền động quay. Cơ cấu truyền động hộp số được sử dụng phổ biến trong xe hơi, đồng hồ cơ, . Để động cơ và cơ cấu truyền động có thể hoạt động được thì cần đến nguồn điện. Nguồn điện cho robot có hai loại: Pin và ắc quy. Pin thường có tuổi thọ ngắn hơn ắc quy. Hiện nay có rất nhiều loại pin và ắc quy với đủ loại kích cỡ thuận tiện sử dụng với mọi loại robot. Cảm biến Cảm biến (sensor) là thiết bị dùng để nhận giá trị của đại lượng vật lý cần đo và biến đổi nó thành tín hiệu mà thiết bị đo hay thiết bị điều khiển có thể xử lý được (trích: Kỹ thuật Robot - PGS.TS Đào Văn Hiệp). Cảm biến được dùng để giám sát trạng thái bên trong robot và thu thập thông tin về môi trường bên ngoài đưa về não bộ xử lý. Hiện nay cảm biến cho robot có nhiều loại, tuỳ từng ứng dụng mà sử dụng từng loại cảm biến khác nhau. Để hiểu rõ hơn về cảm biến bạn đọc có thể xem mục “Thế giới cảm biến” hoặc tham khảo cuốn: “Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển” của các tác giả: Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tấn. Hệ vi điều khiển Vi điều khiển (MCU) là một thiết bị điện tử thông minh bên trong robot và được coi là bộ não của robot. Hệ vi điều khiển có chức năng giống như bộ vi xử lý (CPU) trong máy tính cá nhân. So với CPU, MCU có tốc độ chậm hơn và dung lượng bộ nhớ nhỏ hơn, nhưng nó được thiết kế để giải quyết các vấn đề điều khiển thời gian thực. Khi chọn MCU chúng ta xem xét trên bốn khía cạnh: Tốc độ, loại, dung lượng bộ nhớ và những phụ kiện khác (như thiết bị xử lý đầu ra, .). Phần mềm điều khiển robot nguồn mở Thư viện nguồn mở: GNU Octave: GNU Octave là một ngôn ngữ cao cấp, một công cụ tính toán số. Nó cung cấp những giao diện dòng lệnh thuận tiện để giải quyết những vấn đề về tuyến tính và phi tuyến tính số. Người sử dụng có thể dễ dàng mở rộng và tuỳ chỉnh GNU Octave theo ý mình bằng chính ngôn ngữ Octave hay các ngôn ngữ khác như C++, C, Fortran, và một số ngôn ngữ khác. Đây là một phần mềm miễn phí. Để biết thông tin chi tiết bạn đọc có thể truy cập trang web: http://www.octave.org/ GSL (GNU Scientific Library): GSL là một thư viện tính toán số mở rộng hiện đại. GSL gồm một tập hợp trình tính toán giao diện lập trình ứng dụng cho các lập trình viên sử dụng ngôn ngữ lập trình C. Để biết thông tin chi tiết bạn đọc có thể truy cập trang web: http://sources.redhat.com/gsl/ Hệ điều hành robot: Real-Time Linux (RTLinux): RTLinux là một hệ điều hành thời gian thực. Với RTLinux, thì có thể chia sẻ Kernel với một hay nhiều bộ xử lý chuẩn Linux. Tính năng này cho phép cả hệ thống đáp ứng được yêu cầu thời gian khắt khe trong việc thu nhận dữ liệu, điều khiển hệ thống trong công nghệ robot, trong khi đó vẫn có thể làm một máy trạm Linux bình thường. Để biết thông tin chi tiết bạn đọc có thể truy cập trang web: http://www.ftp.rtlinux.com; www.RTLinux.org;www. RTLinux.com eCos (embedded Configurable operating system): eCos là một hệ điều hành nguồn mở thời gian thực cho những ứng dụng nhúng. Hệ này có một số những tính năng hữu dụng hơn so với Linux. Để biết thông tin chi tiết bạn đọc có thể truy cập: http://sources.redhat.com/ecos/ RTEMS (GPL Licence): Là hệ điều hành nguồn mở thời gian thực và có môi trường cho các ngôn ngữ C, C++ và Ada95. Để biết thêm chi tiết thông tin và tải miễn phí bạn đọc có thể truy cập: www.rtems.com/RTEMS/rtems.htm Công cụ lập trình ROBOOP: Đây là một gói phần mềm mô phỏng robot hướng đối tượng ngôn ngữ C++. Mọi thông tin về kỹ thuật và cách download tại trang web: http://www.cours.polymtl.ca/roboop/ TANGO/TACO: Cả hai gói phần mềm này rất hữu dụng trong điều khiển hệ thống robot có nhiều thiết bị. Chúng là phần mềm hướng đối tượng. TACO được thiết kế nhỏ gọn và thích hợp với nhiều loại hệ điều hành (như Linux, Solaris, HP-UX, Windows/NT, Windows/95, và OS9). Để biết thêm thông tin bạn đọc có thể truy cập trang web: http://www.esrf.fr/computing/cs/taco/taco.html Phần mềm điều khiển: Cấu trúc điều khiển nhiệm vụ: Cấu trúc điều khiển nhiệm vụ (TCA) đơn giản hoá việc xây dựng hệ thống điều khiển cấp nhiệm vụ cho robot di chuyển. “Cấp nhiệm vụ” tức là sự tích hợp và phối hợp hoạt động giữa sự cảm nhận, chương trình và điều khiển thời gian thực để hoàn thành nhiệm vụ đề ra. TCA cung cấp một khung điều khiển chung cho nhiều loại robot. Nó cung cấp một phương pháp truyền thông máy độc lập cao cấp giữa những hệ thống máy phân tán. Ngoài ra nó còn cung cấp những chức năng điều khiển thông dụng cho nhiều loại robot như phân tích, giám sát, quản lý nguồn. Để biết thêm thông tin bạn đọc có thể truy cập: www-2.cs.cmu.edu/afs/cs/project/TCA/release/tca.orig.html EMC (Enhanced Machine Controller): Phần mềm EMC dựa trên hệ điều khiển thời gian thực NIST, và sử dụng thư viện NIST RCS để lập trình. Thư viện RCS đơn giản hoá mã cổng điều khiển tới mọi hệ điều khiển Microsoft và UNIX, cung cấp giao diện trình ứng dụng trung tính (AIP) vận hành các nguồn hệ như bộ nhớ chung, cờ tín hiệu/xêmapho và bộ định thời. Thông tin chi tiết tại trang web: www.isd.cme.nist.gov/projects/emc/emcsoft.html. Darwin2K: Là một công cụ nguồn mở phục vụ cho thiết kế tự động và mô phỏng robot. Công cụ này có nhiều tính năng mô phỏng hữu dụng và thuật toán tiến hoá có thể tự động tổng hợp và tối ưu hoá thiết kế robot, đáp ứng những mục đích ứng dụng chuyên biệt. Để biết thêm chi tiết thông tin bạn đọc có thể truy cập trang web: www.darwin2k.com Ngôn ngữ lập trình: RoboML (Robotic Markup Language): RoboML được sử dụng để chuẩn hoá dữ liệu về robot. RoboML hỗ trợ cho giao diện ngôn ngữ người - máy cũng như giữa bộ xử lý robot chủ, bộ xử lý giao diện và cung cấp dạng thức lưu trữ dữ liệu cho tác nhân giao diện người - máy. Thông tin chi tiết tại trang web: http://www.oasis-open.org/cover/roboML.html. RẶSSỰM: Là môi trường lập trình và mô phỏng cho các loại robot di chuyển, RẶSSỰM hỗ trợ tập hợp, phát triển và phân loại phần mềm cho các ứng dụng của robot. Thông tin chi tiết tại trang web: http://rossum.sourceforge.net/. XRCL (Ọxtensible Robot Control Language): XRCL là một trình ngôn ngữ hiện đại và mang tính mở. Thông tin chi tiết tại trang web: http://brainstem.uark.edu/xrcl/ Thay lời kết: Là một lĩnh vực mới mẻ nhưng rất thú vị, robot đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng, đặc biệt là giới trẻ. Hơn nữa, hiện nay robot là ngành công nghệ chiến lược của nhiều quốc gia trên thế giới. Nhưng để chế tạo được robot là công việc khó khăn. §ây là công việc đòi hỏi nhiều nỗ lực, kiên trì và trên hết là niềm đam mê thực sự với robot. Chúc các bạn thành công! . Một vốn hiểu biết cơ bản về robot và những lĩnh vực liên quan như cơ khí, điện tử, công nghệ cảm biến, công nghệ phần mềm, . là một điều kiện. đầu tiên phải làm là trang bị cho bản thân một vốn kiến thức cơ bản về lĩnh vực robot và lĩnh vực khác liên quan như cơ khí, điện tử, công nghệ cảm biến,