Tài liệu Cam bien trong robot (sensor Robot) pdf

Lớp cơ điện tử 2-K47 Cảm biến trong robot 1.Định nghĩa cảm biến Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu .Đây là thiết bị vô cùng quan trọng để robot có thể nhận biết được chính mình và thế giới bên ngoài .Chúng ta phải cần nghiên cứu rõ hơn về vấn đề này ,để giúp cho robot trở lên càng ngày thông minh hơn. Qua hai sơ đồ sau ta có thể hình dùng sơ lược về bộ cảm biến : x y kích thích đáp ứng Mô hình mạch của bộ cảm biến Hệ thống điều khiển tự động quá trình 2.Tìm hiểu một số bộ cảm biến thường sử dụng trong robot Nhóm : NNT-DR 1 Bộ cảm biến Quá trình (các biến trạng thái) Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến Chương trình Bộ vi xử lý Lớp cơ điện tử 2-K47  Cảm biến nhìn toạ độ chuyển động robot sủ dụng công nghệ nhận dạng ảnh. Di Chuyển rất nhỏ của tay máy có thể được điều khiển bằng kỹ thuật mới với hai mạch phản hồi dễ giảm độ lớn sai lệch vị trí. Sai lệch cỡ centimet là hiệu số vị trí thực hiện trên một tay và vị trí đo và tính trên tay khác .Sai số này tăng từ nguồn của bộ chấp hành và cảm biến và mô hình động học sử dụng trong tính toán điều khiển.So với phương pháp sản xuất hiện nay việc điều khiển chuyển động của robot với phản hồi bằng mắt,phương pháp mới không đòi hỏi chỉnh định không gian làm việc cũng không sử dụng toạ độ chuẩn tuyệt đối để tính toán biến đổi giữa không gian làm việc và các toạ độ khớp nối robot. Hệ thống nhìn của robot gồm có 5 camera: 3 camera cố định cung cấp góc nhìn của không gian làm việc và 2 camera lắp trên cổ tay để nhìn cận cảnh .Hệ thống nhìn có khả năng nhận biết đối tượng cần nhìn và thao tác,phát dữ liệu toạ độ của đối tượng cảm nhận ở vị trí tầm nhìn. Phương pháp nhìn mới này có thể được thực hiện theo hai bước: 1. Camera cận cảnh trên cổ tay robot ban đầu được điều khiển để nhìn đối tượng trong phạm vi hẹp.Bộ cảm nhận cuối được điều khiển để di chuyển tới vị trí bình thường gần đối tượng và trong thì trường.Nói chung cơ cấu chấp hành dừng ở vị trí gần đó, vị trí này do camera đo,sau đó sai số vị trí đo được sử dụng để tính đến sai số nhỏ về vị trí đo được và chuyển động tương đối nhỏ,có thể điều chỉnh một cách chính xác. 2. Ánh xạ trực tiếp gần đúng giữa các toạ độ nhìn và toạ độ khớp nối cơ cấu chấp hành có thể được thiết kế không qua chuyển đổi trung gian và từ các toạ độ tuyệt đối. Thực ra điều này có nghĩa là việc định chuẩn đòi hỏỉ ít điểm hơn việc định chuẩn thông thường trong toạ độ tương đối .Việc định chuẩn được tiến hành bằng việc đo vị trí của đối tượng (trong toạ độ thị trường) khi đối tượng được giữ cứng bằng cơ cấu thao tác ở vị trí điều khiển (trong tọa độ khớp nối của cơ cấu thao tác) và khi các camera được đặt tại các vị trí điều khiển khác nhau .Tiếp theo sec nội suy và ngoại suy đến các vị trí chuẩn được thực hiện bằng cách sử dụng các biến đôi động học phi tuyến  Cảm biến cáp sợi quang đo vị trí và di chuyển Đây là loại cảm biến rẻ tiền và được áp dụng vào những năm 60 để đo vị trí ,khoảng cách và di chuyển . Cảm biến gồm khoảng 900 sợi quang ghép trong cùng một sợi cáp kèm theo một sợi kim loại ở giữa để đảm bảo độ cứng mong muốn Nhóm : NNT-DR 2 Lớp cơ điện tử 2-K47 Nguồn Phát hiện Vật Cảm biến vị trí dùng 2 sợi quang Ánh sáng tới Ánh sáng trở về Mục tiêu  Cảm biến vận tốc và gia tốc Để đo tốc độ động cơ ta sử dụng những phương pháp sau đây: -Sử dụng máy phát tốc - Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá -Sử dụng máy đo góc tuyệt đối -Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ Hiện nay ta thường chúng ta thường sử dụng phương pháp dùng bộ cảm biến tốc độ với đĩa mã hoá và xác định gián tiếp  Cảm biến lực Các phương pháp cảm biến lực có thể thực hiện bằng cách: Nhóm : NNT-DR 3 Lớp cơ điện tử 2-K47 - Cân bằng một lực chưa biết với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và momen tổng cộng chúng bằng không - Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định lực - Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ - Biến đổi lực thàp áp suất chất lỏng và đo áp suất này - Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực. Trong đó để đo đươc lực ta thường dùng phương pháp gián tiếp. Ví dụ bộ cảm biến lực được chế tạo bằng cách phối hợp bộ cảm biến vị trí và bộ cảm biến đổi lực thành di chuyển.Như Bộ cảm biến lực sử dụng cuộn dây ví sai,Bộ cảm biến lực thạch anh,Bộ cảm biến lực thành áp điện Ở đây em xin giới thiệu các bước thiết kế sensor cho robot được download từ trên mạng về với nguyên bản tiếng anh . Em xin dịch lại như sau: 1.Thiết kế Sensor: Robot nếu không cảm biến thì nó chỉ như chỉ là cái máy .Những robot cần phải có Sensor để có thể giải quyết những chuyện xẩy ra thế giới bên ngoài và phản hồi lại những thay đổi trạng thái .Trong chương này chúng tôi giới thiệu nhiều loại cảm biến và giải thích những tính điện của chúng sử dụng và thực hành ứng dụng chúng.Những Sensor xuất hiện ở đây không diễn tả toàn bộ ,nhưng nó chỉ đơn thuần định hướng cho chúng ta . 2.Sensor như máy biến đổi vạn năng Chức năng cơ bản của Sensor là đo lường các nét đặc trưng của thế giới,như ánh sáng ,âm thanh,hoặc áp suất và chuyển đổi thành các tín hiệu điện ,thường là điện áp hoặc dòng điện.Những kiểu mà Sensor đáp ứng lại những kích thích thích là thay đổi điện trở của chúng (như Tế bào quang điện),thay đổi dòng điện (Cảm biến quang),hoặc thay đổi điện áp ra (Cảm biến hồng ngoại).Những nguồn điện ra của những Sensor có thể dễ dàng chuyển thành những điện khác đặc trưng . 3.Sensor liên tục và số : Có hai kiểu Sensor cơ bản :liên tục và số .Hầu hết hai loại này khác nhau về chức năng,ứng dụng ,và cách sử dụng chúng vơi bo mạch của robot .Tín hiệu của Sensor liên tục là một dãy số đo liên tục ở đầu ra.Ví dụ ,đặc thù của một tế bào quang điện là có một điện trở 1k ohm màu sáng ,và một điện trở 300k ohm màu đen .Còn những giá trị nằm giữa hai khoảng đó thì phụ thuộc mức ánh sáng chiếu lên.Cảm biến số ,theo một hướng khác,nó chỉ có hai trạng thái,tắt và bật (“0” và “1”) .Ví dụ đơn giản nhất về Sensor là một cái công tắc điện .Đặc thù cái công tắc điện là mạch hở (điện trở là vô cùng lớn)khi công tắc không bật và mạch kín (điện trở bằng không) khi công tắc bật. Nhóm : NNT-DR 4 Lớp cơ điện tử 2-K47 Một vài Sensor tạo ra những tín hiệu số rất phức tạp.Những Sensor đó tạo ra những dãy xung chuyển tiếp giữa hai trạng thái điện áp 0V và 5V.Với loại cảm biến này ,tần sô riêng và hình thù của dãy xung sẽ mang thông tin từ cảm biến đo lường.Ví dụ cho loại cảm biến này như là máy dò đầu nhọn dùng điều biến hồng ngoại.Với những Sensor thì trên thực tế những thành phần đo được là những tín hiệu liên tục nhưng khi tín hiệu đưa ra được xử lí thành những tín hiệu số . 4.Cảm biến vào trên bo mạch chủ của robot Bo mạch chủ của robot bao gồm các cổng vào cho cả cảm biến số và liên tục .Các cổng này rất nhạy cảm với điện áp ,mỗi kiểu sẽ nhận được sự khác nhau từ điện áp vào và đưa thành dữ liệu để bộ vi xử lí sử lí.Cổng liên tục đo điện áp và chuyển thành số từ 0 đến 255 ,tương ứng với mực điện áp 0V và 5V .Chuyển thành tỉ lệ là vạch thẳng,như điện áp 2.5V có thể tạo ra giá trị vào 127 hoặc 128 .Với cổng số ,thì bằng cách nào đó nó chuyển đổi thành điện áp thành 2 giá trị ra là 0 và 1.Nếu điện áp trên cổng số có mức dưới 2.5V thì lúc ra sẽ là 0,Còn nếu lớn 2.5V thì sẽ là 1.Như vậy sự chuyển đổi này không giống như một đường thẳng. 5.Đọc tín hiệu vào từ cảm biến. Trong thư viện hàm của C có hàm analog(-#) sử dụng để trả lại giá trị riêng của cổng cảm biến liên tục.Cho ví dụ,về IC Val=analog(27) Đây là bộ giá trị của biến val ở đầu ra của cổng #27 Tại đầu vào số của bo mạch robot có một điện trở biến đổi để kéo mức điện áp đầu vào lúc nào cũng bằng 5V khi không kết nối .Khi đóng hoặc ấn công tắc kết nối với một cổng số có thể làm thay đổi điện áp về 0V do làm nối ngắn mạch về đất.Kết quả nhận được ở đầu ra là : mở =5V và đóng =0V,là logic ngược mà chúng thường xuyên muốn.Điều đó là ta thường ưa thích sử dụng cổng số mang giá trị 0 hoặc thường là sai và chuyển đổi về 1 hoặc đúng khi cái công tắc bật cái gì đó (giống như tường hoặc con robot khác ) và khi ấn công tắc.Thư viện hàm IC digital(port -#) sử dụng để đọc giá trị True-False kết hợp với cổng số nối với sensor để biến đổi ngược lại tín hiệu đo lường nhận được trên một cổng số .Nghĩa là từ đây khi ta ấn công tắc (tức là 0V trên phần cứng )thì hàm digital() sẽ trả lại giá trị 1 hoặc giá trị True Ví dụ: If(digital(2)) do _it(); trả lại giá trị True (hoặc 1 ) và gọi hàm do_it() nếu tại cổng 2 có giá trị 0V (biểu thị đang ấn khoá) Nhóm : NNT-DR 5 Lớp cơ điện tử 2-K47 6.Kết nối chốt chuẩn Đặc điểm chung của cảm biến dây Hình trên là hình dạng cái giắc cắm để kết nối với cảm biến với bo mạch chủ của robot .Ta thấy cái giắc này là không đối xứng (do một chốt đã tháo rời từ 4 chốt của phần đầu đực) Và là bởi vì nó phân cực.Cái giắc này chỉ được ở trong bo mạch robot và theo một hướng ,vì vậy dây nối phải nối đúng ,nó không thể nối đằng sau cổng nối sensor .Cái giắc cắm rất dễ sử dụng đúng ,nhưng tất nhiên nếu nối sai dây thì bạn phải nối lại dây kể từ khi giắc không thể xoay vòng . Trên thực tế sensor được nối với 3 dây với giắc cắm .Hai dây được nối với nguồn 5V với bo mạch chủ robot ,kí hiệu“+5và“Gnd”.Dây thứ 3 kí hiệu là “signal” là điện áp ra của cảm biến.Nó là phần công việc của cảm biến có sử dụng điện áp của bo mạch chủ (nếu cần thiết ) và nó trả lại “answer”, bằng điện áp trên dây tín hiệu . 7.Mạch cảm biến . Hình vẽ trên giới thiệu mạch kết nối với cảm biến . Nhóm : NNT-DR 6 Lớp cơ điện tử 2-K47 Hình trên mô tả mạch kết hợp với sensor .Nó thuộc về bo mạch chủ của robot và đây là mô hình chung cho các kênh nối với sensor .Ở đây ta cần chú ý tới cái điện trở kéo nối từ sensor từ dây tín hiệu vào với nguồn 5V Có hai lí do để ta sử dụng điện trở .Thứ nhất ,nó tạo ra giá trị mặc định cho đầu vào của sensor --- giá trị khi đầu vào không có sensor .Một số ICs ,lắp trên bo mạch chủ của robot nó đọc và dịch từ điện áp vào của sensor ,nó không thực hiện tốt khi đầu vào ở phía bên trái không kết nối .Với mạch trên thì khi không có kết nối thì điện trở kéo luôn nối với nguồn 5V nên đầu vào của sensor là đường thẳng .Như vậy ,giá trị mặc định ở cổng liên tục là 255 ,Trong khi giá trị mặc định ở cổng số là 0 hoặc mức logic sai.(nhớ rằng 5V đầu vào ) Nhóm : NNT-DR 7 Lớp cơ điện tử 2-K47 Em xin giới thiệu một loại sensor bắt đường của robot ,thường dùng trong thực tế Cảm biến hồng ngoại gồm :đèn led (phát )và transistor thu Nguyên lí chung : cường độ phát càng lớn thì dòng điện trên transistor càng lớn. Theo sơ đồ trên thì điện rơi trên điện R trên mạch thu càng lớn khi R tăng. Ta thấy rằng nếu màu sắc khác nhau thì độ phản xạ khác nhau dẫn đến dòng thu cũng khác nhau. Nhóm : NNT-DR 8 Lớp cơ điện tử 2-K47 Đây là mạch cơ bản nhưng trong thực tế không dùng vì nhạy cảm với nhiễu (ánh sáng tự nhiên ,ánh sáng đèn). Thực tế dùng :mạch phát Nhóm : NNT-DR +5v 677.8mV Q1 D61 3 3 .3 3 2V §ièt ph¸t hång ngo¹i R7 5 .6k R1 2 1 0k D1 12 1 .661 V R42 1 k 0 U1 0 5 5 5 B 1 2 34 5 6 7 8 GND TR IGGER OUTPU TRE SE T CONTROL TH RE SHOL D DISCHA RGE V CC C3 1 0n R6 5 .6k R41 POT A 1 .661 V C4 0.1 uf 9 Lớp cơ điện tử 2-K47 Mạch thu tín hiệu: 0 0 R26 1 k R23 1 k R27 1 0k +5 v 0 R3 0 1 k 0 +5 v 0 R25 1 0k +5 v C1 0 1 uf U1 3 D L M3 24 1 2 1 3 41 1 1 4 + - V+V- OUT R3 1 1 k 0 +5 v R28 1 0k +5 v R29 1 k Q4 Q2S C829 D4 L E D 0 C1 1 4.7uf U1 3 A L M3 24 3 2 41 1 1 + - V+V- OUT 0 R24 1 k Nhóm : NNT-DR 10 [...]... thu 100K - Kiểm tra thử đối vật liệu mà cần do để tìm điện áp làm việc - Kiểm tra với những ánh sáng khác nhau để thử độ nhậy -Bọc kín các sensor để tránh nhiễu Phương pháp bố trí cảm biến trong robot dò đường : Bố trí cảm biến ít nhất hai cảm biến hai bên mép để robot đi theo đường thẳng Ví dụ một số cảm biến màu như E3S-VS color mark sensor của hãng omron Động cơ trong robot Nhóm : NNT-DR 12 Lớp cơ... giữa nên khi đảo chiều quay động cơ gặp khó khăn Để đảo được chiều từ trường sinh ra trong cuộn dây ( cũng có nghĩa đảo chiều dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi là cầu H Với 4 khoá A,B,C,D có thể thiết lập được 16 chế độ trong đó 7 chế độ ngắn mạch nguồn Thông thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóng trong chế độ ngược Chế độ hãm Cặp khoá A,D đóng, cặp khoá B,C mở, dòng chảy qua cuộn... được những IC chuyên biệt cho việc cầu H, có thể ghép từ các IC nửa cầu H trong danh mục sau: IR2001, IR2002, IR 2003, IR2004, IR2111 Nhóm : NNT-DR 23 Lớp cơ điện tử 2-K47 Có thể sử dụng chip chuyên dụng cho điều khiển ba pha nhưng bỏ bớt nhánh để tạo cầu điều khiển TA7288P, GL7438, TA 8400, TA8405 II) Động cơ một chiều (DC) Trong robot một loại động cơ hay dùng là động cơ một chiều.Ta xét việc điều khiển... dây ngay lập tức Khi đóng, dòng trong cuộn dây tăng từ từ, trễ so với áp Khi mở khoá, dòng này có thể gây lên một điện áp lớn đánh thủng tiếp điểm của khoá Để tránh vấn đề này có hai phương cách giải quyết: + Mắc vào hai đầu cuộn dây một diode ngược + Mắc vào hai đầu cuộn dây một tụ điện Như hình vẽ: Nhóm : NNT-DR 15 Lớp cơ điện tử 2-K47 C1: Diode đảm bảo dẫn dòng qua trong một thời gian ngắn Nếu dùng... đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor Điều khiển vị trí theo vòng hở:... diode bên ngoài Nhóm : NNT-DR 22 Lớp cơ điện tử 2-K47 L293D: Đã có sẵn cầu diode bên trong - Để tản nhiệt cho IC có thể thiết kế chân GND rộng hay gắn thêm một phiến tản nhiệt - Dòng chịu được lên tới 3A Chip L298 cũng có thể dùng điều khiển động cơ có dòng qua cuộn dây chừng 2A Để nâng dòng lên khoảng 4A, giống như trong trường hợp dùng 74LS244 ta mắc song song hai đầu ra như sơ đồ bên phải Một điều... của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay Phân loại động cơ : Động cơ buớc với roto là nam châm vĩnh cửu - nhận biết : + Khi mất nhãn mác, khi quay trục động cơ bước có rotor là nam châm vĩnh cửu ta sẽ thấy vướng theo chu kỳ răng cưa .Trong khi đó, nếu là động cơ từ trở sẽ thấy... châm vĩnh cửu ta sẽ thấy vướng theo chu kỳ răng cưa .Trong khi đó, nếu là động cơ từ trở sẽ thấy trơn + Cũng có thể phân biệt bằng đồng hồ vạn năng Động cơ từ trở thường có 3-4 cuộn dây được đấu chung GND trong khi động cơ nam châm vĩnh cửu thì không - phân loại động cơ : Nhóm : NNT-DR 13 Lớp cơ điện tử 2-K47 +)Động cơ loại đơn cực (Unipolar), thường có 6 đầu ra Đầu 1,2 thường được nối với cực dương, hai... nhanh, khi đó rotor vẫn quay Nhóm : NNT-DR 18 Lớp cơ điện tử 2-K47 Nếu chỉ khoá khoá A còn vẫn để D như cũ, dòng điện vẫn khép kín qua cuộn dây như hình vẽ Do điện trở nhỏ của cuộn dây, dòng sẽ duy trì trong một thời gian giảm dần và có tác dụng tạo nên một phanh hãm động, kéo rotor dừng lại Chế độ chống ngắn mạch Một vấn đề rất đáng lưu tâm khi điều khiển động cơ loại lưỡng cực là vấn đề chống ngắn... 1001 10 0110 Chạy nghịch 11 0101 Hãm nhan thuận Xét mạch cầu H thực tế : Nhóm : NNT-DR 20 Lớp cơ điện tử 2-K47 Sơ đồ có đầu vào TTL, có thể điều khiển bởi một đầu collector hở như đã trình bày Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai transitor chéo nhau sẽ đóng dẫn dòng qua cuộn dây Khi cả hai ở mức thấp, hai transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor . các toạ độ khớp nối robot. Hệ thống nhìn của robot gồm có 5 camera: 3 camera cố định cung cấp góc nhìn của không gian làm việc và 2 camera lắp trên cổ tay. dữ liệu toạ độ của đối tượng cảm nhận ở vị trí tầm nhìn. Phương pháp nhìn mới này có thể được thực hiện theo hai bước: 1. Camera cận cảnh trên cổ tay robot