3. CHƢƠNG III – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
3.2QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ CƠ KHÍ
3.2.1 Đặt vấn đề :
Sau khi tìm hiểu các kết cấu và các cách di chuyển của một số robot rắn . Em đã xây dựng một thiết kế cơ khí chuyển động trên mặt phẳng nhờ lực ma sát.Và sẽ đƣợc bọc một lớp chống thấm nƣớc cho mô hình.
Mô hình gồm có 6 đốt sẽ giúp robot di chuyển. Mỗi đốt có đƣờng kính là 75 mm và dài 120mm, liên kết giữa các đốt là một ống nối. Mỗi đốt gồm có một động cơ RC dùng để truyền động.
3.2.2 Giới thiệu động cơ RC servo
RC servo là một động cơ DC có gắn với bánh răng giảm tốc , một mạch điều khiển hồi tiếp. RC servo có khả năng quay đến một vị trí chính xác và giữ tại vị trí đó với một moment lớn. Dải góc quay chuẩn của đầu trục ra thƣờng là -900 đến +900
3.2.3 Cấu tạo động cơ RC servo chuẩn
1 . Động cơ DC 2. Mạch điều khiển 3,4,5. Dây nối 6 . Chiết áp 7. Bộ bánh răng và trục 8. Cần servo 9. Vỏ động cơ 10. Chip điều khiển
Để có thể hoạt động đƣợc thì servo cần 3 dây : một dây nguồn , một dây nối đất , một dây tín hiệu . Có hai chuẩn đầu nối : kiểu S ( Hitec) , kiểu J(Futaba) . Thứ tự của các dây là nhƣ nhau nhƣng màu sắc có thể khác nhau . Dây đỏ là dây cấp nguồn , dây nối đất là dây màu đen ( hay màu nâu ) và dây tính hiệu màu vàng ( kiểu S) hoắc màu trắng ( kiểu J) . Với các servo khác màu sắc có thể thay đổi .
Cơ cấu chấp hành , thƣờng là đƣợc gọi là cần servo , có các rãnh then hoa trên đó ăn khớp với các rãnh then hoa trền đầu trục . Các rãnh này giúp không bị trƣợt khi có moment xoắn . Có một ốc vít gắn cần chặt vào trục , Cần có thể có rất nhiều dạng : cánh tay , thanh , đĩa ……
3.2.4 Phân loại động cơ RC servo
a. Phân loại về nguồn cấp:
Có servo 1 chiều, servo xoay chiều 1 pha, servo xoay chiều 3 pha.
Trong đề tài sử dụng servo 1 chiều công suất nhỏ dùng để làm các đồ chơi mô hình. Trên thế giới, dòng sản phẩm này có 2 hãng sản xuất lớn, chất lƣợng cao là: Hitec (Mỹ) và Futaba (Nhật).
b. Phân loại về vật liệu làm hộp giảm tốc: composit, kim loại và hợp kim c. Phân loại về phƣơng pháp điều khiển : servo analog và digital.
Bề ngoài thì không có gì khác nhau và về cơ bản, các phần bên trong cũng không phân biệt nhiều ngoại trừ một vài phần điện tử và động cơ digital servo có một bộ vi xử lý.
Servo digital có tần số hoạt động lên đến 300Hz. Một số servo digital có thể lập trình đƣợc các tham số nhƣ tốc độ, chiều quay, độ quay và dải chết. Vì servo digital có thể nhận lệnh đầu vào nhanh hơn servo analog, chúng có thể cập nhật vị trí động cơ nhanh, đáp ứng nhanh hơn, moment mạnh hơn và dải chết hẹp hơn. Nhƣợc điểm là chúng là tiêu thụ nhiều dòng lớn.
3.2.5 Nguyên tắc hoạt động
Để quay động cơ , tín hiệu số đƣợc gửi tới mạch điều khiển . Tín hiệu này khởi động động cơ điện , thông qua chuỗi bánh răng , nối với trục ra . Vị trí yêu cầu là tín hiệu vào, chiết áp trên trục sẽ đƣa ra tín hiệu điện thế phản hồi về vị trí trục ra của servo . Ƣu điểm của servo là biến trở đƣợc nối trực tiếp với trục ra nên tại mỗi vị trí của trục ra đều có thể kiểm soát đƣợc bằng giá trị trên biến trở
Mạch điều khiển trong servo so sánh điện thế này với đọ dài các xung số đƣa vào và phát tín hiệu sai số nếu điện thế không đúng . Tín hiệu sai số này tỉ lệ với độ lệch giữa vị trí của chiết áp và độ dài của tín hiệu vào . Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệu sai số này để quay động cơ . Khi điện thế của chiết áp và độ dài các xung số bằng nhau , tín hiệu sai sô đƣợc loại bỏ và động cơ ngừng .
3.2.6 Các thông số kỹ thuật của RC
Moment xoắn : tổng ngẫu lực mà động cơ sinh ra . Đơn vị chuẩn của moment xoắn trong RC là ounce.inch
Thời gian chuyển tiếp – transit time ( còn gọi là tỉ lệ quay ) : thời gian để trục RC quay 1 góc X ( 0.2 s/600 ) . Thời gian chuyển tiếp càng nhanh thì RC hoạt động càng nhanh . Từ thời gian chuyển tiếp ta có thể tính đƣợc vận tốc quay của trục động cơ .
Moment và thời gian chuyển tiếp đƣợc gắn cho một điện áp nhất định, thƣờng là 4,8V đến 6V Dải chết của RC là thời gian sai lệch lớn nhất giữa tín hiệu điều khiển ngõ vào và tín hiệu tham chiếu nội sinh ra bởi vị trí của chiết áp . Nếu không có dải chết , RC phải liên tục dò tìm điểm tƣơng thích chính xác giữa tín hiệu vào và tín hiệu tham chiếu nội . Dải chết cho phép RC giảm thiểu sự dò tìm này và sẽ lấy điểm lân cận điểm cần tìm . Nếu thời sai lệch nhỏ hơn dải chết, RC không cần chỉnh động cơ để sửa sai lệch .
Dải chết thay đổi tuy theo RC , điển hình là 5us . Nếu bộ xử lý có độ phân giải 2us và nếu RC có dải chết 5us thì sự thay đổi 1 hay 2 giá trị - tức là 2 hay 4us trong bề rộng xung , sẽ không ảnh hƣởng lên RC . Ta chọn RC có dải chết hẹp nếu cần độ chính xác và mạch điều khiển hay môi trƣờng lập trình có độ phân giả đủ lớn . Ngƣợc lại ra không cần lƣu ý đến dải chết .
3.2.7 Tính toán moment xoắn động cơ
Mỗi khâu robot có khối lƣợng 350g, đã đƣợc gia trọng để trọng tâm nằm chính giữa khâu. Hệ số masat giữa khâu và môi trƣờng theo phƣơng pháp tuyến n 0,56
Moment xoắn cần thiết cho động cơ
1 1 0,35 0,56* 25, 0 2, 45 . 2 2 i i n i T m l x x kg cm (3.1) 3.2.8 Lựa chọn động cơ
Động cơ RC servo đƣợc chọn sử dụng là loại Towerpro MG946R
Hình 3.7 Ảnh động cơ thực tế dùng trong mô hình Thông số động cơ :
Khối lƣợng : 55g (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đƣờng kính : 40.7*19.7*42.9mm
Vận tốc : 0.2 s/60degree(4.8V) , 0.17 s/60degree(6V) Vol : 4.8 – 7.2V
Hộp số là bánh răng kim loại Dải chết 5us
Với các thông số trên , thì động cơ có thể thắng lực cản và giúp cho robot có thể chuyển động đƣợc.
3.2.9 Thiết kế hệ thống cơ khí : 3.2.9.1Thiết kế mô hình 3D 3.2.9.1Thiết kế mô hình 3D
Động Cơ
Hình 3.8 : Mô hình 3D của RC servo
Động cơ RC đƣợc vẽ trên những kích thƣớc thật của chi tiết Giá Động Cơ
Hình 3.9 : Mô hình 3D của giá động cơ Ống để làm 1 đốt của robot rắn
Hình 3.10 : Mô hình 3D của ống làm 1 đốt của robot 1 đốt của robot rắn
Hình 3.11 : Mô hình 3D 1 đốt của robot Ống nối các đốt
Hình 3.13 : Robot rắn 6 đốt
4. CHƢƠNG IV - ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 ĐIỀU KHIỂN 4.1 ĐIỀU KHIỂN
4.1.1 Phƣơng án điều khiển
Trong khuôn khổ luận văn này, chuyển động của robot rắn là sóng ngang (lateral undulation) bám mục tiêu. Điều khiển đƣợc thực hiện ở các module với nhiệm vụ là điều khiển động cơ thực hiện dạng chuyển động .
4.1.1.1Chuyển động hình sin
Cách đơn giản nhất để tạo ra di chuyển dạng sóng trong một chuỗi nối tiếp của n khâu là do các góc khác nhau của từng khâu có 1 tần số chung và 1 hằng số độ lệch pha giữa các khâu với nhau .
Ta đã biết góc tƣơng đối giữa các khâu theo dạng chuyển động dạng sóng ngang nhƣ sau: , sin( ( 1) ) ( 1 )
i d t i i n
Với α là biên độ dao động, β là độ lệch pha giữa các khâu kế tiếp, γ quyết định hƣớng của robot ( γ=0 thì robot chạy thẳng), và ω là tần số góc của dao động. Tham số β và ω quyết định tốc độ của dạng sóng truyền dọc theo robot và qua đó xác định tốc độ robot.
Tối ưu Pareto
Các nghiên cứu theo lý thuyết tối ƣu Pareto về năng lƣợng đã xác định các tính chất: ω là hàm tuyến tính của vận tốc di chuyển tới
α là hàm tỉ lệ với tỉ lệ ct/cn của các hệ số ma sát β là hàm tỉ lệ với số khâu n , ta thƣờng chọn 2
n
Kết quả này sẽ đƣợc sử dụng trực tiếp để điều khiển robot chứ không chứng minh lại Động cơ RC Servo đƣợc điều khiển trong khoảng -90 ÷ 900
. Chọn phƣơng trình chuyển động của robot nhƣ sau :
, 2 30sin( ( 1) ) ( 1 6) 6 i d t i i
Với γ trong khoảng [-45÷45 ] đƣợc điều khiển định hƣớng theo thuật toán điều khiển Fuzzy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.1.1.2Chuyển động hình sin với sự định hƣớng của khâu đầu
Khi rắn chuyển động ,rắn sẽ di chuyển chính xác khi đƣợc định hƣớng bởi khâu đầu. Quá trình này đƣợc thực hiện thông qua việc nhận tín hiệu từ các cảm biến gắn trên đầu mô hình .
Khi robot rắn di chuyển, định hƣớng của khâu đầu cũng thay đổi theo hình sin và do đó tín hiệu cảm biến cũng thay đổi liên tục trong suốt quá trình di chuyển. Điều này làm cho việc điều khiển robot trở nên khó khăn hơn , vì thế ta có thể cần thêm nhiều cảm biến để giúp rắn hoạt động chính xác hơn .
Hình 4.1 : P1 chuyển động theo khâu đầu , P2 là chuyển động hình sin
Để giảm thiểu tối đa những thay đổi định hƣớng của khâu đầu trong quá trình chuyển động trong khi các khâu liên kết khác tiếp tục đi theo chuyển động hình rắn. Ta có phƣơng trình quan hệ của các góc tƣơng đối của các khâu liền kề nhau
sin( ( 1) ) ( 1 ) i t i i n sin( ) h h t h h h
là góc tƣơng đối của khâu đầu . h và h là góc lệnh pha lớn nhất của khâu đầu . Hai tham số này đảm bảo rằng đầu robot vẫn còn khoảng cách song song với mục tiêu .
Từ trên ta thấy , nhiệm vụ của ta là sử dụng liên kết đầu thiết lập các hƣớng chuyển động thông qua tham số h , điều khiển các liên kết còn lại để tạo ra chuyển động sóng ngang và thông qua chuyển động của cơ thể robot rắn đẩy rắn về phía trƣớc .
4.1.2 Điều khiển động cơ RC servo
4.1.2.1Nguyên lý điều khiển động cơ RC Servo
Động cơ RC servo đƣợc điều khiển dựa vào xung PWM đƣa vào dây tín hiệu. Động cơ RC Servo analog có tần số là 50Hz, mỗi chu kỳ xung là 20ms. Khi độ rộng xung khoảng 1.5ms thì động cơ quay về vị trí giữa. Khi độ rộng xung trong khoảng 1.5 ÷ 2.0ms thì động cơ đạt các vị trí ngƣợc chiều kim đồng hồ và khi độ rộng xung trong khoảng 0.7 ÷ 1.0ms thì động cơ đạt các vị trí cùng chiều kim đồng hồ. Ứng với mỗi độ rộng xung, động cơ sẽ đạt các vị trí chính xác khác nhau. Vị trí này có sai số tùy thuộc loại động cơ.
Hình 4.2 : Giản đồ xung điều khiển động cơ RC servo
4.1.2.2Điều khiển động cơ RC servo trong robot rắn
Vi điều khiển đƣợc sử dụng trong mô hình là pic 18F4431 . Tần số PWM trong phần cứng của vi điều khiển là :
PWM period = [ (PR2+1)] x 4 x Tosc x ( TMR2 prescaler value ) Thanh ghi PR2 là thanh ghi 8 bit có giá trị tối đa là 0xFF(255) , ta có :
Chu kỳ PWM = ( 255+1) x 4 x (1/4000000) x 16 = 0.0041 (s) Tần số PWM = 1/chu kỳ PWM = 1/0.0041 = 244.1 (Hz)
Tần số 244.1 Hz là quá cao so với tần số hoạt động của RC servo ( 50Hz) , ta điều khiển động cơ servo bằng PWM tạo bởi phần mềm . Ta sử dụng bộ định thì TIMER0 để tạo ngắt xuất xung .
Thời gian để timer đếm lên 1 đơn vị đựơc tính bằng công thức 4
Focs
prescaler
T
4.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG 4.2.1 Bộ điều khiển Fuzzy 4.2.1 Bộ điều khiển Fuzzy
Chuyển động của robot rắn theo phƣơng trình
sin( ( 1) ) ( 1 )
i t i i n
(4.1)
Có tham số điều khiển hƣớng là γ. Khi γ=0, robot chạy thẳng. Khi γ>0, robot rẽ trái theo đƣờng tròn và ngƣợc lại γ <0 robot sẽ rẽ phải.
Khi tăng độ lớn của γ sẽ làm giảm bán kính của đƣờng tròn, hay nói cách khác thì càng cao, robot sẽ rẽ càng gấp. Nhƣ vậy, việc chọn hợp lý sẽ là sự kết hợp của tốc độ rẽ và độ ổn định của robot.
Ta sử dụng thuật toán Fuzzy để điều khiển hƣớng do bộ điều khiển Fuzzy có thể sử dụng các biến ngôn ngữ để điều khiển hệ thống phức tạp với cấu trúc bộ điều khiển đơn giản (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tín hiệu đƣa vào bộ điều khiển sẽ là độ sai lệch giữa hƣớng di chuyển của robot và hƣớng mong muốn đến mục tiêu
Hình 4.4 : Mô hình xác định hƣớng của robot Hƣớng của robot đƣợc định nghĩa bởi công thứ
1 1 n i i n (4.2) Hƣớng mong muốn * là hƣớng từ trọng tâm robot đến mục tiêu
Độ lệch hƣớng giữa hƣớng mong và hƣớng của robot là *
Để thực hiện giải thuật điều khiển điều khiển định hƣớng cho robot rắn, ta coi mục tiêu sẽ đƣợc phát một nguồn sáng về phía robot. Cảm biến định hƣớng đƣợc sử dụng là quang điện trở. Dùng để xác định góc lệch của robot với mục tiêu. Quang điện trở (LDR) là một cảm biến điện trở nhạy sáng làm bằng vật liệu bán dẫn Cadmium Sulfide (CdS). Bình thƣờng, trở kháng của LDR là rất cao khoảng 1.000.000 Ω , khi đƣợc chiếu sáng với ánh sáng thì trở kháng giảm rất nhiều.
Hình 4.5 : Mạch quang điện trở
Khi mức độ ánh sáng thấp điện trở của LDR là cao. Điều này làm các làm các transistors không dẫn. Do đó LED không sáng.
Tuy nhiên, khi có ánh sáng chiếu lên bề mặt LDR nó phân cực cho transistror đầu tiên dẫn, và do đó transistor thứ 2 dẫn, đèn LED sẽ phát sáng.
Một biến trở đặt sẵn có thể điều chỉnh để tăng hoặc giảm trở kháng của mạch (LDR), trong cách này, nó có thể làm cho độ nhạy của mạch thay đổi
Chọn nguồn sáng là một bóng đèn Rạng Đông Compact 40W đặt cách robot 2 m.Độ rọi sáng của bóng đèn vào khoảng 500Lux. Khi robot hoạt động trong điều kiện bình thƣờng, với các bố trí cảm biến nằm ngang, độ rọi sáng vào hai cảm biến do ánh sáng môi trƣờng tạo ra ở vào khoảng 50Lux. Nhƣ vậy, điện trở của LDR sẽ biến thiên trong khoảng 1÷10 kΩ ( 1 lux là độ rọi có đƣợc của một bề mặt có diện tích 1 mét vuông có thông lƣợng chiếu sang 1 lumen )
Một cặp LDR sẽ đóng vai trò cảm biến ánh sáng để định hƣớng cho robot. Đặt 2 LDRs định vị trí chúng 60° theo hƣớng của khâu đầu để xác định góc tƣơng đối của khâu với nguồn sang thông qua tính hiệu của cƣờng độ sáng. Cặp LDR sẽ cung cấp vị trí nguồn sáng về mạch điều khiển và tạo thành một vòng hồi tiếp. Điểm quan trọng ở đây là ta sử dụng giá trị sai lệch giữa LDR trái và LDR phải, và giảm đƣợc nhiễu do ánh sáng bên ngoài.
Hình 4.7 : Bố trí cảm biến định hƣớng
4.2.1.1Mờ Hóa
Giá trị đầu vào của tập mờ là góc lệch của robot rắn với mục tiêu. Giá trị đầu ra là hệ số là hệ số định hƣớng trong phƣơng trình chuyển động của robot rắn. Sử dụng bộ ADC 10 bit của vi điều khiển, với cảm biến LDR 12mm đã đƣợc chọn, điện áp chân Analog đạt đƣợc trong khoảng 1÷5V. Tín hiệu cảm biến đƣợc đƣa về sẽ nằm trong khoảng [100 1000] và tín hiệu sai lệch (LDR trái – LDR phải) nằm trong khoảng [-900 900].
4.2.1.2Hệ luật mờ
Nếu 0 thì 0 (mục tiêu lệch bên trái – robot rẻ trái) Nếu 0 thì 0 (mục tiêu không lệch – robot đi thẳng) Nếu 0 thì 0 (mục tiêu lệch bên phải – robot rẻ phải)
Tín hiệu vào biến thiên trong khoảng [-900 900 ], ta cho tín hiệu ra biến thiên trong