Nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng 2.

Nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KC.03

YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG”

môc lôc

Robocar RP là phương án cải tiến để robot RP di động bằng xe Hệ thống gồm cơ cấu robot RP và cơ cấu xe di chuyển được điều khiển thống nhất Trong hệ thống đó được trang bị thêm các bộ phận cảm biến, thiết bị xử lý và chương trình phần mềm điều khiển Với các nội dung chủ yếu đó Đề tài đã hòan thành nghiên cứu thiết kế, chế tạo và vận hành điều khiển Robocar RP, định hướng ứng dụng trong phân xưởng công nghiệp

Chương trình điều khiển Robocar RP phiên bản 01 (Hình 1) viết cho PLC - S7200 để làm phụ việc trong phân xưởng chế tạo cơ khí cũng tương đối đơn giản và chỉ lặp lại một vài thao tác định trước Thực ra, nếu chỉ đặt ra phạm vi phục vụ cho Robocar là phụ việc trong phân xưởng công nghiệp thông thường thì trong thực tế hầu như không có nhu cầu phải “thông minh hóa”

Vì thế Đề tài phải bắt đầu nghiên cứu giai đoạn 2 tạo ra Robocar RP - 02 (hình 2) với nhiều cải tiến về môđun di chuyển và sử dụng bộ vi điều khiển onchip 89C52 Đồng thời mở rộng định hướng ứng dụng

Hình 1 Robocar RP phiên bản 01

Hình 2 Robocar RP phiên bản 02

Xu thế chuyển từ “Robocar công nghiệp” sang “Robocar dịch vụ” cũng là theo xu thế chung hiện nay trên thế giới: tỷ lệ đầu tư cho “Robot công nghiệp” (Industrial Robots) giảm đi nhiều so với “Robot dịch vụ” (Service

6Robots) Theo số liệu của Hiệp hội quốc tế về robot thì năm 2000 đầu tư cho robot công nghiệp giảm đi 32% tính chung cho các nước, còn riêng Nhật Bản giảm tới 60% Trong lúc các loại robot dịch vụ lại phát triển Cuối năm 2001 có khoảng 13.000 robot dịch vụ Từ năm 2002 đến 2005 có thêm gần 30.000 robot dịch vụ Số lượng robot gia dụng và robot đồ chơi tăng gấp đôi trong vòng 4 năm

Xu thế chuyển dịch đó có thể giải thích như sau:

Một là, robot được dùng trong công nghiệp thường là để thay thế những công việc đơn giản, đơn điệu và chủ yếu là chuyên dụng Bởi thế việc đầu tư cho công nghiệp những loại robot phức tạp, đa năng và thông minh là không phải lúc nào cũng cần thiết Trái lại robot dịch vụ và giải trí lại rất đa dạng, tinh tế và đòi hỏi mức thông minh cao hơn

Hai là, chỉ đến những năm gần đây khi mà các thành tựu của các ngành công nghệ liên quan đủ để hiện thực hóa, ý tưởng của những nhà thiết kế, luôn luôn bám sát các nhu cầu thực tế của cuộc sống phát triển đa dạng để tạo ra các kiểu robot dịch vụ và giải trí rất linh hoạt và thông minh

Các ngành công nghệ liên quan nói trên bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ không dây (wireless), công nghệ sensor trên cơ sở MEMS và NEMS, công nghệ VSS và thị giác máy (computer vision), công nghệ xử lý tiếng nói v.v

Đề tài KC.03.08 định hướng nghiên cứu tiếp cận những vấn đề về robot thông minh, phải cập nhật được những thông tin về xu thế nói trên và vì thế đã mở rộng được phạm vi ứng dụng kết quả nghiên cứu về robocar Qua những lần Đề tài đi “tiếp thị” nhận thấy trong nhiều ngành công nghiệp Việt Nam đang còn có nhiều thói quen trì trệ bao cấp chưa sẵn sàng tiếp thu những vấn đề khoa học kỹ thuật mới Trong lúc “robocar” dịch vụ và giải trí” có thể mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và đòi hỏi về mức độ “thông minh hóa” cao hơn

Với cách tiếp cận theo xu thế hiện nay trên thế giới, Đề tài đã phát triển với các nhóm sản phẩm sau đây:

1 Robocar phục vụ phòng chống dịch bệnh 2 Robocar phục vụ người tàng tật, ốm đau

Ngoài ra còn bước đầu nghiên cứu về Robocar địa hình, Robocar cảnh vệ, Robocar hướng dẫn viên v.v Trên các hình 3 ữ 5 là ảnh chụp các phiên bản đầu tiên về các Robocar này do Trung tâm NCKT Tự động hóa, ĐHBK HN nghiên cứu thiết kế, chế tạo

Các nội dung phát triển nói trên là phần nghiên cứu thiết kế chế tạo các sản phẩm ứng dụng của Đề tài Một vài sản phẩm nói trên đã được ứng dụng thử nghiệm, còn số khác cũng được nhiều cơ sở quan tâm đến, nhưng để thành sản phẩm thương mại thì còn cần có nhiều đầu tư thích đáng Tuy nhiên nếu có được những phiên bản đầu tiên ở PTN thì mới thu hút được sự quan tâm của cơ sở ứng dụng Đó chính là mục tiêu Đề tài đặt ra

Hình 3 Phiên bản chế thử Robocar địa hình đang leo thang

Hình 4 Phiên bản chế thử Robocar cảnh vệ với sensor hồng ngoại “nhìn” đ−ợc trong đêm

Hình 5 Phiên bản chế thử Robocar Hướng dẫn viên điều khiển từ xa qua “thị giác máy”

Với cách tiếp cận đó Đề tài đã nhận được các kết quả rất cơ bản và mở

ra nhiều khả năng ứng dụng Các kết quả cơ bản là nghiên cứu chuẩn hóa

được các môđun hợp thành robocar thông minh Đó là môđun di chuyển, môđun robot trên xe và môđun điều khiển xử lý tình huống Với các môđun

này khi ghép nối lại để đáp ứng một yêu cầu cụ thể là hòan toàn hiện thực Đó là cách triển khai ứng dụng của Đề tài và việc biến những kết quả nghiên cứu nay thành những sản phẩm ứng dụng theo các nhu cầu khác nhau của cơ sở là hoàn toàn khả thi

Trong báo cáo này trình bày những kết quả nghiên cứu về các môđun nói trên qua một số sản phẩm đã tương đối hoàn chỉnh Cụ thể là Robocar RP-01, Robocar RP-02, Robocar “Chữ thập đỏ”, Xe lăn và Xe ghế chạy điện tự động Báo cáo này gồm 2 phần: Phần I về Robocar RP và phần II về các sản phẩm robocar ứng dụng

i giới thiệu chung

Như đã trình bày ở phần mở đầu, Robocar RP là phương án cải tiến để Robot RP được tăng cường khả năng linh hoạt đáp ứng những yêu cầu về thông minh hóa

Phiên bản đầu tiên của Robocar RP đã hoàn thành từ năm 2002 Kết quả nghiên cứu này đã được giới thiệu trong sách giáo trình “Robot công nghiệp” và ảnh chụp Robocar RP với ghi chú là sản phẩm đề tài KC.03.08 đã dùng làm ảnh bìa sách (hình 1.1.1.) Giáo trình này được hầu hết các trường Đại học và Cao đẳng kỹ thuật dùng làm sách giáo khoa Sách được tái bản 2 năm một lần, đến nay đã là lần thứ 3, đó là chưa kể khá nhiều sách được in không chính thức bán ngoài thị trường

Sau nhiều lần khảo nghiệm qua việc ứng dụng thử nghiệm trong phân xưởng chế tạo cơ khí Đề tài đã nhiều lần cải tiến các bộ phận và luôn luôn đi sâu nghiên cứu để trả lời những câu hỏi sau:

- Cơ cấu robot nên như thế nào để nâng cao mức độ linh hoạt, mà giá thành chế tạo lại không quá cao?

- Cơ cấu xe di chuyển nên như thế nào để dễ điều khiển chính xác một khi mặt đường di chuyển không đòi hỏi quá bằng phẳng và đồng đều?

- Nên tạo ra các môđun điều khiển như thế nào để thích hợp với những loại hình robocar khác nhau, ví dụ robocar phải thao tác ở những nơi không

biết quá rõ về địa hình; Khi được trang bị những hệ thống sensor cao cấp rất đắt tiền và khi chỉ có khả năng đầu tư rất hạn hẹp v.v

Hình1.1.1 Robocar RP trên bìa sách giáo trình

Trước những vấn đề đặt ra đó Đề tài đã chọn phương pháp tiếp cận là đi sâu nghiên cứu cho từng vấn đề một và tạo ra những môđun thiết bị tương đối độc lập, chúng có thể nối ghép với nhau theo nhiều phương án để tạo ra nhiều loại robocar phù hợp với nhu cầu đa dạng của thực tế Đề tài cũng định hướng mở rộng phạm vi ứng dụng, cũng theo xu thế chung của thế giới là chuyển mạnh từ “robot công nghiệp” sang “robot dịch vụ” Bởi thế Đề tài đã nhanh chóng tạo ra nhiều loại sản phẩm từ những kết quả nghiên cứu khoa học tuy chỉ mới ở phạm vi phòng thí nghiệm nhưng là kết quả rất cơ bản, vì từ đó mở ra một triển vọng ứng dụng rộng rãi, chứ không đặt mục tiêu là làm ra một sản phẩm và tìm mọi sách đem dùng sản phẩm đó mà thôi

12Trong báo cáo này sẽ đi đến lời giải các câu hỏi nói trên như những kết quả nghiên cứu khoa học qua việc trình bày các nội dung sau:

1) Nghiên cứu tạo dựng các cơ cấu chấp hành linh hoạt cho robot 2) Nghiên cứu tạo dựng môđun xe di động và cơ cấu lái robocar 3) Nghiên cứu thiết lập phần cứng và phần mềm điều khiển robocar

Hình 1.1.2 Robocar trong phân xưởng

II Cơ cấu chấp hành linh hoạt cho Robot

2.1 Phân tích và chọn lựa cơ cấu tay máy phỏng sinh

Cơ cấu tay máy phỏng sinh nói chung là rất đơn giản, chỉ gồm môđun cơ bản là môđun cơ cấu cánh tay gồm 2 khâu nối với thân và cơ cấu cổ tay bàn kẹp Tuy vậy khi thiết kế cũng phải giải quyết nhiều vấn đề, ví dụ:

- Với quan hệ kích thước nào thì không gian hoạt động của tay máy và vùng dễ thao tác là lớn nhất?

- Loại hình động lực và truyền lực cho các khâu nên là và nên đặt trực tiếp ở các khâu đó hay là đặt trên phần cố định của thân?

- Vấn đề đảm bảo cân bằng của các khâu ở các vị trí khác nhau?

Ngoài ra còn có hàng loại vấn đề khác về động học và động lực học, về khe hở và độ chính xác v.v

Trên hình 1.1.3 là sơ đồ động của cơ cấu tay máy 6 bậc tự do trong Robot Cincinnaty 3T của USA Từ 1 đến 6 là các khâu của cơ cấu tay máy Cụm 7 là cơ cấu cổ tay - bàn kẹp, 8 là thân

Trên hình 1.1.4 mô tả sơ đồ các hệ thống động lực, các truyền lực bằng dây đai và các hệ cân bằng I, II, III Theo sự mô tả đó, có thể hình dung ra dự hoạt động của các hệ đó mà không cần phải giải thích thêm ở đây

Điều khiển dịch chuyển của bàn kẹp tay máy bám theo quỹ đạo không gian là phải căn cứ vào các yêu cầu về định vị và định hướng của bàn kẹp tại các điểm liên tiếp trên quỹ đạo mà xác định các thông số điều khiển, ở đây là các giá trị tọa độ suy rộng của các khớp động Có thể biểu thị theo mô hình sau:

gắn trên tay máy

14Thì lời giải của bài toán động học ng−ợc tay máy là:

Vì thế ngay từ khi chọn sơ đồ động cho cơ cấu tay máy đã phải chú ý đến vấn đề này Dễ dàng nhận thấy cơ cấu càng đơn giải thì đối với nó giải bài toán ng−ợc động học càng dễ Ví dụ nếu cơ cấu cánh tay của tay máy nằm trong mặt phẳng và khi quay chung quanh trục thẳng đứng thì cơ cấu tay máy có thể thao tác trong không gian 3 chiều Đối với các loại cơ cấu này nhiều bài toán động học ng−ợc trở nên rất đơn giải và lúc này trở về bài toán phẳng

Tùy theo quan hệ hình thức giữa các khâu và giá trị tọa độ suy rộng

chiếm những vị trí to nhỏ khác nhau và chứa các vùng khó dễ thao tác khác nhau

Với quan điểm trên, qua phân tích hàng loạt cơ cấu tay máy phỏng sinh của rất nhiều hãng khác nhau trên thế giới, chúng tôi đi đến nhận xét rằng tính −u việt nổi bật về của cơ cấu vẽ bình hành (Pantograph) khi dùng làm cơ cấu cánh tay phỏng sinh Vì thế loại cơ cấu này ngày càng đ−ợc dùng rộng rãi trong các loại tay máy khác nhau Đó cũng là sự chọn lọc tự nhiên

Hình 1.1.3 Sơ đồ động học của robot Cincinnaty 3T (USA)

Hình 1.1.4 Sơ đồ các hệ chức năng của robot Cincinnaty 3T (USA)

16 Như thế với mục đích chọn lựa những cơ cấu chấp hành cơ khí được điều khiển trong quỹ đạo không gian với độ linh hoạt cao, chúng ta đã chú ý tới các cơ cấu tay máy phỏng sinh và tập trung xem xét môđun cơ cấu cánh tay dùng Pantograph Cơ cấu cánh tay dùng Pantograph cũng có nhiều biến thể Trên hình 1.1.5 là một số biến thể cơ cấu cánh tay dùng Pantograph đã được sử dụng

nghiệm nhiều biến thể khác nhau của cơ cấu cánh tay dùng Pantograph với các số liệu của nhiều hãng sản xuất robot hiện dùng và đã xác định những loại hình có nhiều ưu điểm hơn Trong đó đảm bảo 3 yêu cầu đã đặt ra ở mục 2.2 là:

- Bố trí nguồn động lực gắn với thân nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu chấp hành

- Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh hoạt và nhỏ gọn về kích thước - Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau và tiêu hao ít năng lượng

Trên hình 1.1.6 đề xuất một loại cơ cấu tay máy có thể thỏa mãn các yêu cầu trên, đồng thời có thêm một tính chất nữa là dễ điều khiển Tính chất này xuất phát từ đặc điểm là ở đây bài toán động học ngược là bài toán phẳng và có thể điều khiển dịch chuyển của bàn kẹp theo các trục tọa độ bằng một hệ trục tọa độ suy rộng của khớp động

Hình 1.1.5 Các cơ cấu cánh tay dùng Pantograph

Hình 1.1.6 Sơ đồ động cơ cấu tay máy

GB

2.2 Xây dựng các hệ hình động học và động lực 1) Các thông số kích thước:

* Quan hệ kích thước tối ưu:

Từ đó ta có:

zz

Cho M* trùng với điểm xa nhất của vùng làm việc, Ví dụ điểm Q (xem hình 1.1.6) và đặt hàm mục tiêu F là:

Hoặc ta viết:

trình máy tính giải bài toán tối ưu loại phương trình (2.10) này Ví dụ tính

Từ hình 2.6 dễ dàng thiết lập các quan hệ sau:

Từ đó có độ dịch chuyển nhỏ của con trượt E và C là:

* Trường hợp chỉ riêng con trượt E di chuyển:

(2.16) ta có:

cos+bsin

* Trường hợp chỉ có riêng con trượt C di chuyển:

(2.16) ta có:

(2.19)

(2.20)

* Tính lực khi zc = const :

cosϕ = cosψ Theo phương pháo di chuyển khả dĩ, giả thiết do tác động của

z4 = sinψ

Với q = QE, Q là tiêu điểm kéo dài BE và là điểm đặt đối trọng Q

sin b

sin b

sin b

sin b

y)(jbsin

Vậy:

(2.22)

[(G1 G3)(K3 1)G2Ky G4]

* Tính các góc ϕ và ψ:

Từ hình (2.16) dễ dàng xác định:

từ phương trình (2.24) và (2.25) ta có:

Điểm A và B (hình 1.1.7) là hai điểm đ−ợc dẫn động bằng truyền động vít me

Cụm di động thẳng đứng AA' và BB'

Khung cấu kiện có hai vị trí làm việc biên mà cánh tay trên CD có góc

l = a + b = 12,5 + 50 = 62,5 cm

Góc CAx = β α + β = ϕ

Gọi tỉ số i = b/a

Điểm A di động trên trục 0x và điểm B di động trên trục 0y

Để đơn giản hoá trong tính toán sơ bộ, ta cho các tự trọng m của các

Hình 1.1.7 Sơ đồ tính toán lực b) Tính toán các phản lực:

Chia cả 2 vế phương trình cho 2aCosαCosβ ta có:

41tgR3Q

26Chia cả 2 vế phương trình cho 2aCosαCosβ và đặt tgαtgβ = N

+ 41

động Trong thực tế ta phải cộng thêm các lực ma sát tại các khâu dẫn động (ổ tr−ợt) và các tổn thất khác

III Hồ sơ thiết kế cải tiến Robot RP

™ Điều khiển theo vị trí bằng máy tính PC

3.1.2 Vùng làm việc của Robot RP

B thì điểm C sẽ di chuyển theo một quỹ đạo nào đó trong mặt phẳng x, y (hình 2.5) Nừu không hạn chế các chuyển dịch này thì các vị trí ứng với tầm với xa nhất và gần nhất tầm cao cao nhất và thấp nhất xác định là miền làm việc trong mặt phẳng x, y là hình chữ nhật

một vùng làm việc hình trụ rỗng nh− hình 1.1.8

H×nh 1.1.8 Vïng lµm viÖc cña robot RP

°

3.2 Các cụm chi tiết máy chủ yếu

Đề tài đã hoàn thành một khối lượng thiết kế chế tạo lắp ráp toàn bộ các chi tiết máy cấu thành Robot RP Cụ thể bao gồm:

- 120 bản vẽ thiết kế

- 220 chi tiết máy thành 7 cụm chính:

Tòan bộ hồ sơ thiết kế Robot RP trình bày trong tài liệu kèm theo như một phần phụ lục Dưới đây chỉ giới thiệu các bản vẽ lắp chủ yếu của các cụm:

Hình 1.1.10 là Bản vẽ lắp cụm thân

Hình 1.1.11 là Bản vẽ lắp cụm di động ngang Hình 1.1.12 là Bản vẽ lắp cụm di động đứng Hình 1.1.13 là Bản vẽ lắp cụm cánh tay cổ tay Hình 1.1.14 là Bản vẽ cụm giảm tốc

Hình 1.1.15 là Bản vẽ cụm bàn kẹp

Trách nhiệmDuyệtHướng dẫnThiết kếNhìn theo

tRUNG TÂM NCKTTự ĐộNG HóAbảN Vẽ TổNG THể

Tỉ lệSố lượngĐiểm P di động trong không gian vành trụ

R lớn=635 r nhỏ=245 chiều cao 900

Hình 1.1.9 Thiết kế Robot RP

Hình 1.1.16: Bánh sau chủ động bánh trước chạy theo

- Sơ đồ nguyên lý:

Gồm 2 bánh để chạy xe (V1, V2): Một bánh phụ (Vt): Khoảng cách 2 bánh sau là d: giữa bánh sau và bánh trước là m

d

40Khi đó ta xác định được tâm vận tốc tức thời tại P với vận tốc quay là ω Ta có công thức liên hệ giữa V1, V2 với V

Trường hợp V1, V2 cùng chiều (hình 2.4)

Hình 1.1.17: Trường hợp v1, v2 cùng chiều

V2 = V + 0,5 d ω, V1 = V - 0,5 d ω 2

( )

O2O1P

Hinh 1.1.18: Trường hợp v1, v2 ngược chiều

( )

-Trường hợp 2: bánh trước chủ động và lái (hình 1.1.19)

Ot Vt

O

d

mβ

( )

Ta có mối liên hệ giữa V1, V2 với Vt có vận tốc góc ω: V

V2 = Vt + V.sin(β) = Vt + 0,5dω; V2 = Vt - V.sin(β) = Vt - 0,5dω; - Nguyên lý hoạt động:

Khi xe chạy thẳng với tốc độ Vt và hai bánh sau chạy theo với tốc độ như nhau V1, V2, V1 = V2

Khi rẽ trái hoặc rẽ phải: V1 ≠ V2, thì bánh trước quay với một góc α với vận tốc góc ω (vừa quay vừa di chuyển) thì hai bánh sau chuyển động theo cùng vận tốc góc và với vận tốc dài V1 ≠ V2

Tương tự trường hợp hai bánh sau chủ động, ta có

Khi đó ta cũng xác định được tâm vận tốc tức thời tại P với vận tốc quay là ω (hình 1.1.20)