Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng: Nhóm sản phẩm robot RP

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” Mà SỐ: KC.03.08 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 1 - ĐỀ TÀI KC.03.08 NHÓM SẢN PHẨM ROBOT RP 6246-1 25/12/2006 HÀ NỘI - 2006 2 môc lôc Më ®Çu 4 PhÇn 1. Robocar RP 10 I. Giíi thiÖu chung 10 II. C¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t 13 2.1. Ph©n tÝch vµ chän lùa c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh 13 2.2. X©y dùng c¸c hÖ h×nh ®éng häc vµ ®éng lùc 18 III. Hå s¬ thiÕt kÕ c¶i tiÕn Robot RP 27 3.1. ThiÕt kÕ tæng thÓ 27 3.2. Côm chi tiÕt chñ yÕu 31 IV. §éng häc xe Robocar 39 4.1. §éng häc xe 3 b¸nh 39 4.2. §éng häc xe 4 b¸nh 43 V. M«®un xe di chuyÓn 46 5.1. Nh÷ng vÊn ®Ò chung 46 5.2. M«®un xe di chuyÓn cho RP-01 47 5.3. M«®un xe di chuyÓn cho RP-02 51 VI. HÖ thèng thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn 56 6.1. Giíi thiÖu chung 56 6.2. HÖ ®iÒu khiÓn Robot RP 56 6.3. §iÒu khiÓn Robocar RP-01 b»ng PLC 68 6.4. HÖ ®iÒu khiÓn Robocar RP-02 72 PhÇn 2. c¸c s¶n phÈm Robocar øng dông 80 I. Giíi thiÖu chung 80 II. Robocar TN trong phßng thÝ nghiÖm 81 2.1. Giíi thiÖu chung 81 3 2.2. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o TN 81 2.3.C¸c sensors ®−îc sö dông 90 2.4. Nh÷ng nhËn xÐt qua thö nghiÖm 95 III. Robocar “Ch÷ thËp ®á” 97 3.1. Giíi thiÖu chung 97 3.2. KÕt cÊu c¸c bé phËn chÊp hµnh 97 3.2.1. KÕt cÊu xe di chuyÓn 97 3.2.2. C¬ cÊu robot 100 3.2.3. HÖ thèng b¬m phun 102 3.3. X©y dùng m« h×nh ®éng häc Robocar – Camera 103 3.3.1. Chän c¸c hÖ täa ®é 103 3.3.2. M« t¶ ®èi t−îng quan s¸t trong hÖ täa ®é 104 3.3.3. X¸c ®Þnh vÞ trÝ ®iÓm quan s¸t trªn mµn h×nh camera 106 3.3.4. Khèng chÕ vïng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh 107 3.4. VÊn ®Ò xö lý h×nh ¶nh vµ c¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho robot 108 3.4.1. VÊn ®Ò xö lý ¶nh 108 3.4.2. C¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho robot 111 3.5. ThiÕt lËp hÖ thèng ®iÒu khiÓn t×m kiÕm ®èi t−îng theo mµu s¾c 112 3.5.1. M« t¶ ho¹t ®éng cña hÖ thèng 113 3.5.2. Ch−¬ng tr×nh dÉn ®−êng tù ®éng 114 3.5.3. C¸c b−íc cña ch−¬ng tr×nh xö lý ¶nh 115 3.6. C¸c øng dông thö nghiÖm b−íc ®Çu 116 IV. Xe l¨n vµ xe ghÕ tù ®éng 126 V. KÕt luËn 133 Tµi liÖu tham kh¶o 135 4 B¸o c¸o c¸c kÕt qu¶ Nghiªn cøu theo nhiÖm vô 1 Cña ®Ò tµi kc.03.08 Më ®Çu NhiÖm vô 1 cña §Ò tµi KC.03.08 ®−îc ®¨ng ký lµ nghiªn cøu t¹o ra nhãm s¶n phÈm Robot RP ®−îc n©ng cÊp vµ th«ng minh hãa. Phiªn b¶n ®Çu tiªn cña Robot RP còng do Trung t©m NCKT Tù ®éng hãa, §HBK - HN. §©y lµ lo¹i robot pháng sinh (b¾t ch−íc c¬ cÊu tay ng−êi). Sù kh¸c biÖt cña robot nµy víi c¸c kiÓu robot pháng sinh kh¸c lµ ë ®©y dïng c¬ cÊu pantograph víi 2 con tr−ît dÉn ®éng lµm m«®un chñ yÕu cña c¬ cÊu robot. Còng v× thÕ robot nµy ®−îc ký hiÖu v¾n t¾t lµ RP. NÕu so s¸nh víi c¸c lo¹i c¬ cÊu dïng lµm robot pháng sinh kh¸c th× c¬ cÊu robot RP cã nhiÒu −u ®iÓm nh− nhá gän vÒ kÝch th−íc, linh ho¹t vµ cÊu tróc, dÔ gi÷ c©n b»ng ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau mµ kh«ng cÇn ®Õn ®èi träng. Tuy nhiªn ®Ó hÖ thèng chÊp hµnh cã thÓ ®¸p øng linh ho¹t c¸c yªu cÇu vÒ th«ng minh hãa, cÇn ph¶i nghiªn cøu c¶i tiÕn n©ng cÊp hÖ thèng chÊp hµnh nµy. Víi ®Þnh h−íng ®ã cÇn t¹o thªm khả n¨ng di ®éng cho robot RP vµ thÝch hîp nhÊt lµ di ®éng b»ng xe. Robocar RP lµ ph−¬ng ¸n c¶i tiÕn ®Ó robot RP di ®éng b»ng xe. HÖ thèng gåm c¬ cÊu robot RP vµ c¬ cÊu xe di chuyÓn ®−îc ®iÒu khiÓn thèng nhÊt. Trong hÖ thèng ®ã ®−îc trang bÞ thªm c¸c bé phËn c¶m biÕn, thiÕt bÞ xö lý vµ ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm ®iÒu khiÓn. Víi c¸c néi dung chñ yÕu ®ã §Ò tµi ®· hßan thµnh nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ vËn hµnh ®iÒu khiÓn Robocar RP, ®Þnh h−íng øng dông trong ph©n x−ëng c«ng nghiÖp. Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn Robocar RP phiªn b¶n 01 (H×nh 1) viÕt cho PLC - S7200 ®Ó lµm phô viÖc trong ph©n x−ëng chÕ t¹o c¬ khÝ còng t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n vµ chØ lÆp l¹i mét vµi thao t¸c ®Þnh tr−íc. Thùc ra, nÕu chØ ®Æt ra ph¹m vi phôc vô cho Robocar lµ phô viÖc trong ph©n x−ëng c«ng nghiÖp th«ng th−êng th× trong thùc tÕ hÇu nh− kh«ng cã nhu cÇu ph¶i “th«ng minh hãa”. 5 V× thÕ §Ò tµi ph¶i b¾t ®Çu nghiªn cøu giai ®o¹n 2 t¹o ra Robocar RP - 02 (h×nh 2) víi nhiÒu c¶i tiÕn vÒ m«®un di chuyÓn vµ sö dông bé vi ®iÒu khiÓn onchip 89C52. §ång thêi më réng ®Þnh h−íng øng dông. H×nh 1. Robocar RP phiªn b¶n 01 H×nh 2. Robocar RP phiªn b¶n 02 Xu thÕ chuyÓn tõ “Robocar c«ng nghiÖp” sang “Robocar dÞch vô” còng lµ theo xu thÕ chung hiÖn nay trªn thÕ giíi: tû lÖ ®Çu t− cho “Robot c«ng nghiÖp” (Industrial Robots) gi¶m ®i nhiÒu so víi “Robot dÞch vô” (Service 6 Robots). Theo sè liÖu cña HiÖp héi quèc tÕ vÒ robot th× n¨m 2000 ®Çu t− cho robot c«ng nghiÖp gi¶m ®i 32% tÝnh chung cho c¸c n−íc, cßn riªng NhËt B¶n gi¶m tíi 60%. Trong lóc c¸c lo¹i robot dÞch vô l¹i ph¸t triÓn. Cuèi n¨m 2001 cã kho¶ng 13.000 robot dÞch vô. Tõ n¨m 2002 ®Õn 2005 cã thªm gÇn 30.000 robot dÞch vô. Sè l−îng robot gia dông vµ robot ®å ch¬i t¨ng gÊp ®«i trong vßng 4 n¨m. Xu thÕ chuyÓn dÞch ®ã cã thÓ gi¶i thÝch nh− sau: Mét lµ, robot ®−îc dïng trong c«ng nghiÖp th−êng lµ ®Ó thay thÕ nh÷ng c«ng viÖc ®¬n gi¶n, ®¬n ®iÖu vµ chñ yÕu lµ chuyªn dông. Bëi thÕ viÖc ®Çu t− cho c«ng nghiÖp nh÷ng lo¹i robot phøc t¹p, ®a n¨ng vµ th«ng minh lµ kh«ng ph¶i lóc nµo còng cÇn thiÕt. Tr¸i l¹i robot dÞch vô vµ gi¶i trÝ l¹i rÊt ®a d¹ng, tinh tÕ vµ ®ßi hái møc th«ng minh cao h¬n. Hai lµ, chØ ®Õn nh÷ng n¨m gÇn ®©y khi mµ c¸c thµnh tùu cña c¸c ngµnh c«ng nghÖ liªn quan ®ñ ®Ó hiÖn thùc hãa, ý t−ëng cña nh÷ng nhµ thiÕt kÕ, lu«n lu«n b¸m s¸t c¸c nhu cÇu thùc tÕ cña cuéc sèng ph¸t triÓn ®a d¹ng ®Ó t¹o ra c¸c kiÓu robot dÞch vô vµ gi¶i trÝ rÊt linh ho¹t vµ th«ng minh. C¸c ngµnh c«ng nghÖ liªn quan nãi trªn bao gåm c«ng nghÖ th«ng tin, c«ng nghÖ kh«ng d©y (wireless), c«ng nghÖ sensor trªn c¬ së MEMS vµ NEMS, c«ng nghÖ VSS vµ thÞ gi¸c m¸y (computer vision), c«ng nghÖ xö lý tiÕng nãi v.v. §Ò tµi KC.03.08 ®Þnh h−íng nghiªn cøu tiÕp cËn nh÷ng vÊn ®Ò vÒ robot th«ng minh, ph¶i cËp nhËt ®−îc nh÷ng th«ng tin vÒ xu thÕ nãi trªn vµ v× thÕ ®· më réng ®−îc ph¹m vi øng dông kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ robocar. Qua nh÷ng lÇn §Ò tµi ®i “tiÕp thÞ” nhËn thÊy trong nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp ViÖt Nam ®ang cßn cã nhiÒu thãi quen tr× trÖ bao cÊp ch−a s½n sµng tiÕp thu nh÷ng vÊn ®Ò khoa häc kü thuËt míi. Trong lóc “robocar” dÞch vô vµ gi¶i trÝ” cã thÓ më réng ph¹m vi øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau vµ ®ßi hái vÒ møc ®é “th«ng minh hãa” cao h¬n. 7 Víi c¸ch tiÕp cËn theo xu thÕ hiÖn nay trªn thÕ giíi, §Ò tµi ®· ph¸t triÓn víi c¸c nhãm s¶n phÈm sau ®©y: 1. Robocar phôc vô phßng chèng dÞch bÖnh 2. Robocar phôc vô ng−êi tµng tËt, èm ®au. Ngoµi ra cßn b−íc ®Çu nghiªn cøu vÒ Robocar ®Þa h×nh, Robocar c¶nh vÖ, Robocar h−íng dÉn viªn v.v. Trªn c¸c h×nh 3 ÷ 5 lµ ¶nh chôp c¸c phiªn b¶n ®Çu tiªn vÒ c¸c Robocar nµy do Trung t©m NCKT Tù ®éng hãa, §HBK HN nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o. C¸c néi dung ph¸t triÓn nãi trªn lµ phÇn nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm øng dông cña §Ò tµi. Mét vµi s¶n phÈm nãi trªn ®· ®−îc øng dông thö nghiÖm, cßn sè kh¸c còng ®−îc nhiÒu c¬ së quan t©m ®Õn, nh−ng ®Ó thµnh s¶n phÈm th−¬ng m¹i th× cßn cÇn cã nhiÒu ®Çu t− thÝch ®¸ng. Tuy nhiªn nÕu cã ®−îc nh÷ng phiªn b¶n ®Çu tiªn ë PTN th× míi thu hót ®−îc sù quan t©m cña c¬ së øng dông. §ã chÝnh lµ môc tiªu §Ò tµi ®Æt ra. 8 H×nh 3. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar ®Þa h×nh ®ang leo thang H×nh 4. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar c¶nh vÖ víi sensor hång ngo¹i “nh×n” ®−îc trong ®ªm 9 H×nh 5. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar H−íng dÉn viªn ®iÒu khiÓn tõ xa qua “thÞ gi¸c m¸y” Víi c¸ch tiÕp cËn ®ã §Ò tµi ®· nhËn ®−îc c¸c kÕt qu¶ rÊt c¬ b¶n vµ më ra nhiÒu kh¶ n¨ng øng dông. C¸c kÕt qu¶ c¬ b¶n lµ nghiªn cøu chuÈn hãa ®−îc c¸c m«®un hîp thµnh robocar th«ng minh. §ã lµ m«®un di chuyÓn, m«®un robot trªn xe vµ m«®un ®iÒu khiÓn xö lý t×nh huèng. Víi c¸c m«®un nµy khi ghÐp nèi l¹i ®Ó ®¸p øng mét yªu cÇu cô thÓ lµ hßan toµn hiÖn thùc. §ã lµ c¸ch triÓn khai øng dông cña §Ò tµi vµ viÖc biÕn nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu nay thµnh nh÷ng s¶n phÈm øng dông theo c¸c nhu cÇu kh¸c nhau cña c¬ së lµ hoµn toµn kh¶ thi. Trong b¸o c¸o nµy tr×nh bµy nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ c¸c m«®un nãi trªn qua mét sè s¶n phÈm ®· t−¬ng ®èi hoµn chØnh. Cô thÓ lµ Robocar RP- 01, Robocar RP-02, Robocar “Ch÷ thËp ®á”, Xe l¨n vµ Xe ghÕ ch¹y ®iÖn tù ®éng. B¸o c¸o nµy gåm 2 phÇn: PhÇn I vÒ Robocar RP vµ phÇn II vÒ c¸c s¶n phÈm robocar øng dông. 10 PhÇn i B¸o c¸o c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu theo nhiÖm vô 1 cña ®Ò tµi kc. 03.08 robocar rp i. giíi thiÖu chung Nh− ®· tr×nh bµy ë phÇn më ®Çu, Robocar RP lµ ph−¬ng ¸n c¶i tiÕn ®Ó Robot RP ®−îc t¨ng c−êng kh¶ n¨ng linh ho¹t ®¸p øng nh÷ng yªu cÇu vÒ th«ng minh hãa. Phiªn b¶n ®Çu tiªn cña Robocar RP ®· hoµn thµnh tõ n¨m 2002. KÕt qu¶ nghiªn cøu nµy ®· ®−îc giíi thiÖu trong s¸ch gi¸o tr×nh “Robot c«ng nghiÖp” vµ ¶nh chôp Robocar RP víi ghi chó lµ s¶n phÈm ®Ò tµi KC.03.08 ®· dïng lµm ¶nh b×a s¸ch (h×nh 1.1.1.). Gi¸o tr×nh nµy ®−îc hÇu hÕt c¸c tr−êng §¹i häc vµ Cao ®¼ng kü thuËt dïng lµm s¸ch gi¸o khoa. S¸ch ®−îc t¸i b¶n 2 n¨m mét lÇn, ®Õn nay ®· lµ lÇn thø 3, ®ã lµ ch−a kÓ kh¸ nhiÒu s¸ch ®−îc in kh«ng chÝnh thøc b¸n ngoµi thÞ tr−êng. Sau nhiÒu lÇn kh¶o nghiÖm qua viÖc øng dông thö nghiÖm trong ph©n x−ëng chÕ t¹o c¬ khÝ. §Ò tµi ®· nhiÒu lÇn c¶i tiÕn c¸c bé phËn vµ lu«n lu«n ®i s©u nghiªn cøu ®Ó tr¶ lêi nh÷ng c©u hái sau: - C¬ cÊu robot nªn nh− thÕ nµo ®Ó n©ng cao møc ®é linh ho¹t, mµ gi¸ thµnh chÕ t¹o l¹i kh«ng qu¸ cao? - C¬ cÊu xe di chuyÓn nªn nh− thÕ nµo ®Ó dÔ ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c mét khi mÆt ®−êng di chuyÓn kh«ng ®ßi hái qu¸ b»ng ph¼ng vµ ®ång ®Òu? - Nªn t¹o ra c¸c m«®un ®iÒu khiÓn nh− thÕ nµo ®Ó thÝch hîp víi nh÷ng lo¹i h×nh robocar kh¸c nhau, vÝ dô robocar ph¶i thao t¸c ë nh÷ng n¬i kh«ng 11 biÕt qu¸ râ vÒ ®Þa h×nh; Khi ®−îc trang bÞ nh÷ng hÖ thèng sensor cao cÊp rÊt ®¾t tiÒn vµ khi chØ cã kh¶ n¨ng ®Çu t− rÊt h¹n hÑp v.v. H×nh1.1.1. Robocar RP trªn b×a s¸ch gi¸o tr×nh Tr−íc nh÷ng vÊn ®Ò ®Æt ra ®ã §Ò tµi ®· chän ph−¬ng ph¸p tiÕp cËn lµ ®i s©u nghiªn cøu cho tõng vÊn ®Ò mét vµ t¹o ra nh÷ng m«®un thiÕt bÞ t−¬ng ®èi ®éc lËp, chóng cã thÓ nèi ghÐp víi nhau theo nhiÒu ph−¬ng ¸n ®Ó t¹o ra nhiÒu lo¹i robocar phï hîp víi nhu cÇu ®a d¹ng cña thùc tÕ. §Ò tµi còng ®Þnh h−íng më réng ph¹m vi øng dông, còng theo xu thÕ chung cña thÕ giíi lµ chuyÓn m¹nh tõ “robot c«ng nghiÖp” sang “robot dÞch vô”. Bëi thÕ §Ò tµi ®· nhanh chãng t¹o ra nhiÒu lo¹i s¶n phÈm tõ nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu khoa häc tuy chØ míi ë ph¹m vi phßng thÝ nghiÖm nh−ng lµ kÕt qu¶ rÊt c¬ b¶n, v× tõ ®ã më ra mét triÓn väng øng dông réng r·i, chø kh«ng ®Æt môc tiªu lµ lµm ra mét s¶n phÈm vµ t×m mäi s¸ch ®em dïng s¶n phÈm ®ã mµ th«i. 12 Trong b¸o c¸o nµy sÏ ®i ®Õn lêi gi¶i c¸c c©u hái nãi trªn nh− nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu khoa häc qua viÖc tr×nh bµy c¸c néi dung sau: 1) Nghiªn cøu t¹o dùng c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t cho robot. 2) Nghiªn cøu t¹o dùng m«®un xe di ®éng vµ c¬ cÊu l¸i robocar 3) Nghiªn cøu thiÕt lËp phÇn cøng vµ phÇn mÒm ®iÒu khiÓn robocar H×nh 1.1.2. Robocar trong ph©n x−ëng 13 II. C¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t cho Robot 2.1. Ph©n tÝch vµ chän lùa c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh C¬ cÊu tay m¸y pháng sinh nãi chung lµ rÊt ®¬n gi¶n, chØ gåm m«®un c¬ b¶n lµ m«®un c¬ cÊu c¸nh tay gåm 2 kh©u nèi víi th©n vµ c¬ cÊu cæ tay bµn kÑp. Tuy vËy khi thiÕt kÕ còng ph¶i gi¶i quyÕt nhiÒu vÊn ®Ò, vÝ dô: - Víi quan hÖ kÝch th−íc nµo th× kh«ng gian ho¹t ®éng cña tay m¸y vµ vïng dÔ thao t¸c lµ lín nhÊt? - Lo¹i h×nh ®éng lùc vµ truyÒn lùc cho c¸c kh©u nªn lµ vµ nªn ®Æt trùc tiÕp ë c¸c kh©u ®ã hay lµ ®Æt trªn phÇn cè ®Þnh cña th©n? - VÊn ®Ò ®¶m b¶o c©n b»ng cña c¸c kh©u ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau? Ngoµi ra cßn cã hµng lo¹i vÊn ®Ò kh¸c vÒ ®éng häc vµ ®éng lùc häc, vÒ khe hë vµ ®é chÝnh x¸c v.v. Trªn h×nh 1.1.3 lµ s¬ ®å ®éng cña c¬ cÊu tay m¸y 6 bËc tù do trong Robot Cincinnaty 3T cña USA. Tõ 1 ®Õn 6 lµ c¸c kh©u cña c¬ cÊu tay m¸y. Côm 7 lµ c¬ cÊu cæ tay - bµn kÑp, 8 lµ th©n Trªn h×nh 1.1.4 m« t¶ s¬ ®å c¸c hÖ thèng ®éng lùc, c¸c truyÒn lùc b»ng d©y ®ai vµ c¸c hÖ c©n b»ng I, II, III. Theo sù m« t¶ ®ã, cã thÓ h×nh dung ra dù ho¹t ®éng cña c¸c hÖ ®ã mµ kh«ng cÇn ph¶i gi¶i thÝch thªm ë ®©y. §iÒu khiÓn dÞch chuyÓn cña bµn kÑp tay m¸y b¸m theo quü ®¹o kh«ng gian lµ ph¶i c¨n cø vµo c¸c yªu cÇu vÒ ®Þnh vÞ vµ ®Þnh h−íng cña bµn kÑp t¹i c¸c ®iÓm liªn tiÕp trªn quü ®¹o mµ x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè ®iÒu khiÓn, ë ®©y lµ c¸c gi¸ trÞ täa ®é suy réng cña c¸c khíp ®éng. Cã thÓ biÓu thÞ theo m« h×nh sau: Gäi x = (x1, ... xn) T lµ vÐct¬ tr¹ng th¸i ®iÓm cuèi cña phÇn tö t¸c ®éng g¾n trªn tay m¸y. Gäi q = (q1, ...qn) T lµ vÐct¬ täa ®é suy réng cña c¸c khíp ®éng tay m¸y. 14 Th× lêi gi¶i cña bµi to¸n ®éng häc ng−îc tay m¸y lµ: ϕ: x → {q1, i = 1, ... 1} Gäi S lµ tËp c¸c cÊu h×nh cã thÓ cña tay m¸y th× S = {q: qi min ≤ qi ≤ qimax, i = 1, ...., n} Nh− sÏ tr×nh bµy trong b¶n b¸o c¸o nµy, r»ng viÖc gi¶i bµi to¸n trªn trong tr−êng hîp chung kh«ng ph¶i lµ ®¬n gi¶n. §«i khi kh«ng t×m ®−îc lêi gi¶i hoÆc thêi gian t×m lêi gi¶i qu¸ dµi nªn kh«ng ®¶m b¶o thêi gian thùc trong ®iÒu khiÓn. V× thÕ ngay tõ khi chän s¬ ®å ®éng cho c¬ cÊu tay m¸y ®· ph¶i chó ý ®Õn vÊn ®Ò nµy. DÔ dµng nhËn thÊy c¬ cÊu cµng ®¬n gi¶i th× ®èi víi nã gi¶i bµi to¸n ng−îc ®éng häc cµng dÔ. VÝ dô nÕu c¬ cÊu c¸nh tay cña tay m¸y n»m trong mÆt ph¼ng vµ khi quay chung quanh trôc th¼ng ®øng th× c¬ cÊu tay m¸y cã thÓ thao t¸c trong kh«ng gian 3 chiÒu. §èi víi c¸c lo¹i c¬ cÊu nµy nhiÒu bµi to¸n ®éng häc ng−îc trë nªn rÊt ®¬n gi¶i vµ lóc nµy trë vÒ bµi to¸n ph¼ng. Tïy theo quan hÖ h×nh thøc gi÷a c¸c kh©u vµ gi¸ trÞ täa ®é suy réng qi min, qi max cña c¸c khíp ®éng mµ kh«ng gian ho¹t ®éng cña c¬ cÊu tay m¸y chiÕm nh÷ng vÞ trÝ to nhá kh¸c nhau vµ chøa c¸c vïng khã dÔ thao t¸c kh¸c nhau. Víi quan ®iÓm trªn, qua ph©n tÝch hµng lo¹t c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh cña rÊt nhiÒu h·ng kh¸c nhau trªn thÕ giíi, chóng t«i ®i ®Õn nhËn xÐt r»ng tÝnh −u viÖt næi bËt vÒ cña c¬ cÊu vÏ b×nh hµnh (Pantograph) khi dïng lµm c¬ cÊu c¸nh tay pháng sinh. V× thÕ lo¹i c¬ cÊu nµy ngµy cµng ®−îc dïng réng r·i trong c¸c lo¹i tay m¸y kh¸c nhau. §ã còng lµ sù chän läc tù nhiªn. 15 H×nh 1.1.3. S¬ ®å ®éng häc cña robot Cincinnaty 3T (USA) H×nh 1.1.4 S¬ ®å c¸c hÖ chøc n¨ng cña robot Cincinnaty 3T (USA) 16 Nh− thÕ víi môc ®Ých chän lùa nh÷ng c¬ cÊu chÊp hµnh c¬ khÝ ®−îc ®iÒu khiÓn trong quü ®¹o kh«ng gian víi ®é linh ho¹t cao, chóng ta ®· chó ý tíi c¸c c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh vµ tËp trung xem xÐt m«®un c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph. C¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph còng cã nhiÒu biÕn thÓ. Trªn h×nh 1.1.5 lµ mét sè biÕn thÓ c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph ®· ®−îc sö dông. Theo ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch nªu ë môc 2.2. ®· tݪn hµnh tÝnh to¸n kiÓm nghiÖm nhiÒu biÕn thÓ kh¸c nhau cña c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph víi c¸c sè liÖu cña nhiÒu h·ng s¶n xuÊt robot hiÖn dïng vµ ®· x¸c ®Þnh nh÷ng lo¹i h×nh cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n. Trong ®ã ®¶m b¶o 3 yªu cÇu ®· ®Æt ra ë môc 2.2. lµ: - Bè trÝ nguån ®éng lùc g¾n víi th©n nh−ng vÉn ®¶m b¶o chuyÓn ®éng ®éc lËp cña c¸c kh©u chÊp hµnh. - §¶m b¶o ®¬n gi¶n vÒ kÕt cÊu, linh ho¹t vµ nhá gän vÒ kÝch th−íc. - DÔ dµng gi÷ c©n b»ng ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau vµ tiªu hao Ýt n¨ng l−îng. Trªn h×nh 1.1.6 ®Ò xuÊt mét lo¹i c¬ cÊu tay m¸y cã thÓ tháa m·n c¸c yªu cÇu trªn, ®ång thêi cã thªm mét tÝnh chÊt n÷a lµ dÔ ®iÒu khiÓn. TÝnh chÊt nµy xuÊt ph¸t tõ ®Æc ®iÓm lµ ë ®©y bµi to¸n ®éng häc ng−îc lµ bµi to¸n ph¼ng vµ cã thÓ ®iÒu khiÓn dÞch chuyÓn cña bµn kÑp theo c¸c trôc täa ®é b»ng mét hÖ trôc täa ®é suy réng cña khíp ®éng. 17 H×nh 1.1.5. C¸c c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph H×nh 1.1.6. S¬ ®å ®éng c¬ cÊu tay m¸y R V 0 o E 1S S3 x0 S2 0y Z G B 4 Z0 3 G 2G A D P y q 6 T Bµn kÑp q4 G1 M q 5 Q 18 2.2. X©y dùng c¸c hÖ h×nh ®éng häc vµ ®éng lùc 1) C¸c th«ng sè kÝch th−íc: * Quan hÖ kÝch th−íc tèi −u: Ký hiÖu: MD = m AD = b AB = d EB = c e + d = a b + m = l §¶m b¶o quan hÖ sau: a d m = l ⇒ e d b m = (2.1) Tõ ®ã ta cã: y y M E y m b K= = (2.2) Z C M K b == l z z (2.3) Ky vµ Kz lµ ®é khuÕch ®¹i theo chiÒu y vµ theo chiÒu z Kz = 1 + Ky (2.4) Suy ra: m = b. Ky d = e. Ky (2.5) NÕu ®Æt : nb e m d == (2.6) Gäi vÞ trÝ xa nhÊt lµ M* vµ gi¶ thiÕt c¬ cÊu cã thÓ duçi th¼ng th× con tr−ît E ë vÞ trÝ E* th×: L = E*M* = m + d + b + e = b(1 + n).(1 + Ky) (2.7) Trong tr−êng hîp c¬ cÊu kh«ng cho phÐp duçi th¼ng hoµn toµn th× gäi ∆ lµ ®é dµi phÇn kh«ng duçi th¼ng hÕt vµ ®Æt: L = L + ∆ (2.8) Bµi to¸n x¸c ®Þnh kÝch th−íc c¬ cÊu nhá gän nhÊt ®èi víi vïng lµm viÖc PQVR (xem h×nh 1.1.6) cho biÕt tr−íc cã thÓ ®Æt ra nh− sau: 19 Cho M* trïng víi ®iÓm xa nhÊt cña vïng lµm viÖc, VÝ dô ®iÓm Q (xem h×nh 1.1.6) vµ ®Æt hµm môc tiªu F lµ: F = b(1 + n).(1 + Ky) (2.9) HoÆc ta viÕt: x1 = b x2 = n x3 = Ky th× F = x1(1 + x2)(1 + x3) - L (2.10) NhiÖm vô lµ ph¶i chän bé th«ng sè x1 , x2 , x3 sao cho Fmin . Cã nhiÒu ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh gi¶i bµi to¸n tèi −u lo¹i ph−¬ng tr×nh (2.10) nµy. VÝ dô tÝnh to¸n ®èi víi tr−êng hîp L = 20 th× x1 = 2 , x2 =1, x3 = 4 lµ lêi gi¶i tèi −u. Tõ h×nh 2.6 dÔ dµng thiÕt lËp c¸c quan hÖ sau: yE = - ecosϕ - bcosψ (2.11) zc = esinϕ - bsinψ (2.12) NÕu lÊy n = 1 (tøc lµ x2 = 1) tõ ph−¬ng tr×nh (2.6) cã e = b, do ®ã: yE = - b(cosϕ + cosψ) (2.13) zc = b(sinϕ - sinψ) (2.14) Tõ ®ã cã ®é dÞch chuyÓn nhá cña con tr−ît E vµ C lµ: δyE = - b(cosϕ + cosψ) (2.15) δzc = b(sinϕ - sinψ) (2.16) * Tr−êng hîp chØ riªng con tr−ît E di chuyÓn: Trong tr−êng hîp nµy zc = const. , δzc = 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.15), (2.16) ta cã: δyE = ( ) ϕ ψϕ cos +bsin (2.17) hoÆc : δyE = ( ) ψ ψϕ cos +bsin (2.18) 20 * Tr−êng hîp chØ cã riªng con tr−ît C di chuyÓn: Trong tr−êng hîp nµy zE = const. , δzE = 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.15), (2.16) ta cã: δyc = - ( ) ϕ ψϕ sin +bsin (2.19) hoÆc : δyc = ( ) ψ ψϕ sin +bsin (2.20) * TÝnh lùc khi zc = const. : Trong tr−êng hîp nµy zc = 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.16) ta cã cosϕ = cosψ. Theo ph−¬ng ph¸o di chuyÓn kh¶ dÜ, gi¶ thiÕt do t¸c ®éng cña c¸c träng lùc Gi cã thÓ g©y ra c¸c lùc PEi t¸c ®éng vµo con tr−ît E th× c¶ hÖ cÇn ph¶i c©n b»ng, tøc lµ: PEi. δyE - Gi. δzi = 0 (2.21) TÝnh δzi : z1 = ψsin2zb c ll + ⇒ δz1 = ψcos2 l z2 = ϕsin2 dzc + ⇒ δz2 = ϕcos2 d z3 = ϕsin2 e+d ⇒ δz3 = ϕcos2 e+d z4 = ψsin2 bzc + ⇒ δz4 = ψcos2 b zQ = - q.sinϕ ⇒ δzQ = - q.cosψ Víi q = QE, Q lµ tiªu ®iÓm kÐo dµi BE vµ lµ ®iÓm ®Æt ®èi träng Q. TÝnh lùc PEi tõ c¸c ph−¬ng tr×nh (2.21) ta ®−îc: 21 ψ)(sin b ψsin cos 2 1.G δy .δδGP 1 E 11 E1 +== ϕ ϕ ψ)(sin b ψsin cos 2 d.G δy .δδGP 2 E 22 E2 +== ϕ ϕ ψ)(sin b ψsin cos 2 e d.G δy .δδGP 3 E 33 E3 + + == ϕ ϕ ψ)(sin b ψsin cos 2 b.G δy .δδGP 4 E 44 E4 +== ϕ ϕ y) (jbsin jQ.qcosysin dy Qdz P E Q EQ +== VËy: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+++++=∑ e qQGKGKGG y 2)1)(( 42331)( 2sin sincos PEQ ψϕ ψϕ (2.22) Tõ ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh ®èi träng ®Ó ΣPEi = 0, vËy [ ]4y2331 GKG1))(KG(G2qe Q ++++= (2.23) * TÝnh c¸c gãc ϕ vµ ψ: Tõ h×nh (2.16) dÔ dµng x¸c ®Þnh: ym = d cosϕ + m cosψ = m(cosϕ + cosψ) (2.24) zm = asinϕ - lsinψ = l(sinϕ - sinψ) (2.25) tõ ph−¬ng tr×nh (2.24) vµ (2.25) ta cã: 22 ϕ = ( )[ ]( )m mzlyyl zmarctg mmmm 22 arccos . . ++ 2.26 ψ = ( )[ ]( ) m mzly yl zmarctg mm m m 22 arccos . . +− 2.27 b) KiÓm nghiÖm hÖ lùc dÉn ®éng: CÊu kiÖn c¬ khÝ ®−îc thiÕt kÕ trªn c¬ së nghiªn cøu øng dông c¬ cÊu 4 kh©u song hµnh. CÊu kiÖn cã 6 bËc tù do: 2 chuyÓn ®éng th¼ng vµ 4 chuyÓn ®éng quay. Cã thÓ chia lµm 2 nhãm 3: nhãm 3 víi to¹ ®é c¬ së (3/1) cã 2 chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ mét chuyÓn ®éng quay vµ nhãm 3 thø hai (3/2) gåm cã 3 chuyÓn ®éng quay. §iÓm A vµ B (h×nh 1.1.7) lµ hai ®iÓm ®−îc dÉn ®éng b»ng truyÒn ®éng vÝt me. Côm di ®éng th¼ng ®øng AA' vµ BB' Gäi ®iÓm A0 lµ ®iÓm cuèi cña thanh FA0 vµ B0 lµ ®iÓm cuèi cña thanh DB0 . Khung cÊu kiÖn cã hai vÞ trÝ lµm viÖc biªn mµ c¸nh tay trªn CD cã gãc quay giíi h¹n trªn vµ ®Çu A0 di chuyÓn ®Õn ®iÓm cuèi hµnh tr×nh A' vµ ®iÓm B0 ®øng ë ®iÓm cùc trªn cña hµnh tr×nh B. a) S¬ ®å lùc: HÖ lùc c¬ b¶n lµ t¶i t¸c ®éng vµo hÖ thanh cÊu t¹o vµ b¶n th©n tù träng cña c¸c thanh ®ã. KÝch th−íc kÕt cÊu : AF = BF = EB = a = 12,5 cm EF = BD = CD = b = 50 cm 23 l = a + b = 12,5 + 50 = 62,5 cm Gãc FAB = α Gãc CAx = β α + β = ϕ Gäi tØ sè i = b/a ta cã: 4 12,5 50 i == (2.28) §iÓm A di ®éng trªn trôc 0x vµ ®iÓm B di ®éng trªn trôc 0y. §Ó ®¬n gi¶n ho¸ trong tÝnh to¸n s¬ bé, ta cho c¸c tù träng m cña c¸c thanh n»m t¹i ®iÓm gi÷a cña c¸c thanh vµ träng l−îng cña thanh AM = m1 ; BD = m2 ; BF = m3 ; ED = m4 ; DC = m5 ; träng l−îng cæ tay ®Æt t¹i ®iÓm C = m5; Q lµ t¶i g©y ra R1 ph¶n lùc t¹i A, R2 ph¶n lùc t¹i B R3 ph¶n lùc ngang t¹i A, R4 ph¶n lùc ngang t¹i B 24 H×nh 1.1.7. S¬ ®å tÝnh to¸n lùc b) TÝnh to¸n c¸c ph¶n lùc: - LÊy moment M(B) ®Ó tÝnh R1: M(B) = R1.2aCosαCosβ + R3.2aCosαSinβ - Q.2bCosαCosβ + + m1.(2aCosαCosβ - l/2.Cosϕ) - m2.(b/2.Cosϕ) + + m3.(a/2.Cosγ) - m4.(b.Cosϕ - a/2.Cosγ) – - m5.(bCosϕ + b/2.Cosγ) - m6.(2bCosαCosβ) (2.29) Chia c¶ 2 vÕ ph−¬ng tr×nh cho 2aCosαCosβ ta cã: R1 + R3tgβ - Q(i - 1) + m1[ 1 - i4 (1-tgαtgβ)] - - m2[ i -1 4 .(1 - N) + m3[ i 4 (1+N)] - m4[(i - 1)(1 - N)- i 4 (1 + N)] - 25 - m5[ i -1 2 (1 - N) + i -1 4 .(1 + N)] - m6[i - 1] = 0 ChuyÓn ®æi ta ®−îc: R1 + R3tgβ - Q(i - 1) + m1 - m1 i4 + m1 i 4 N - m2 i -1 4 + m2 i -1 4 N + m3 1 4 + m3 1 4 N - m4(i - 1) + m4(i - 1)N + m4 1 4 m + m4 1 4 N - m5( i -1 2 ) + m5( i -1 2 )N - m5( i -1 4 )N - m5( i -1 4 ) - m6(i - 1) = 0 R1 + R3tgβ - Q(i - 1) + + m1 + m2 1 4 + m3 1 4 + m4(1 + 1 4 ) - m5( 1 2 + 1 4 ) m6 - - i 4 .( m1 + m2 + m3 + 4m4 + 3m5 + 4m6 ) + + i.tgαtgβ[ m1 + m2 14 - m2 1 i + m3 1 4i + m4( 1 1 i ) + + m4 1 4i + m5( 1 1 i ) 1 4 ] = 0 Ph¶n lùc R1 = 3,5Q - R3tgβ - [ m1(1 - i4 ) + m2( 1 4 - i 4 ) + m3 1 4 + + m4( 5 4 - i) + m5( 3 4 - 3 4 i ) + m6 (1 - i)] (2.30) Thay i = 4 Ta ®−îc: )12m9mmm(3m 4 1 tgR3QR 6543231 +++−+−= β T−¬ng tù ta tÝnh R2. LÊy moment t¹i ®iÓm A ta cã: M(A) = R2.2aCosαCosβ + R4.2aCosαSinβ - Q.2l.CosαCosβ - - m1. l/2.Cosϕ - m3.( 2aCosαCosβ - a/2. Cosγ) - - m2.( 2aCosαCosβ + b/2.Cosγ) - m4.(l.Cosϕ + a/2.Cosγ) - - m5.[l/2Cosϕ + (a + b/2)Cosγ ] - m6.(2lCosαCosβ) (2.31) 26 Chia c¶ 2 vÕ ph−¬ng tr×nh cho 2aCosαCosβ vµ ®Æt tgαtgβ = N M(A) = R2 + R4tgβ - Q.i + m1 i4 (1 - N) - m3[1 - 1 4 (1+N)] - - m2[ 1 + i -1 4 (1 - N )] - m4[ i 2 (1 - N ) + 1 4 (1+N)] - - m5[ i 4 (1 - N) + i -1 4 .(1 + N)] - m6.i ChuyÓn ®æi ta ®−îc: R2 + R4tgβ - Q.i - m1 i4 + m1 i 4 N - m3 3 4 + m3 1 4 N - m2 - m2 i -1 4 + m2 i -1 4 N - m4 i 2 + m4 i 2 N - m4 1 4 - m4 1 4 N - m5 i 4 + m5 i 4 N - m5 1 2 (1+N) - m5( i -1 4 ).(1 + N) - m6.i = 0 ⇒ R2 = Q.i - R4tgβ + m1 i4 + m3 34 + m2(1 + i -1 4 ) + m4( i 2 + 1 4 ) + m5( i 4 + 1 2 + i -1 4 ) + m6.i - N.[ m1 i 4 - m3 1 4 + m2 i -1 4 - m4( i 2 + 1 4 ) + m5( i 4 - 1 2 - i -1 4 ) (2.32) Thay i = 4 ta cã R2 = 4Q – R4 tgβ + 4 1 (4m1+7m2+3m3+9m4+9m5+16m6) + 4 1 tgαtgβ (m3+9m4+5m5-4m1-3m2) NhËn xÐt: - Ta thÊy r»ng R3 vµ R4 lµ hai lùc b»ng nhau vµ ng−îc chiÒu nhau, do ®ã trong tr¹ng th¸i tÜnh R3 vµ R4 = 0 - ¶nh h−ëng cña c¸c gãc α vµ β ®èi víi c¸c lùc R1 vµ R2 rÊt nhá vµ l¹i lµ t¸c dông ©m nªn ta cã thÓ bá qua. VËy c¸c ph¶n lùc R1 vµ R2 cã thÓ tÝnh gÇn ®óng nh− sau: R1 = (i - 1).Q - 1/4.[4m1 + m2 + m3 + 5m4 + 3m5 + 4m6] + 27 + i 4 .[m1 + m2 + m3 + 4m4 + 3m5 + 4m6] R2 = i.Q - 1/4.[3 m2 + 3m3 + m4 + m5] + + i 4 .[m1 + m2 + 2m4 + 2m5 + 4m6] Lùc R1 vµ R2 lµ lùc cÇn thiÕt ®Ó tÝnh to¸n kÝch th−íc c¸c hÖ truyÒn dÉn ®éng. Trong thùc tÕ ta ph¶i céng thªm c¸c lùc ma s¸t t¹i c¸c kh©u dÉn ®éng (æ tr−ît) vµ c¸c tæn thÊt kh¸c. III. Hå s¬ thiÕt kÕ c¶i tiÕn Robot RP 3.1. ThiÕt kÕ tæng thÓ 3.1.1. C¸c ®Æc tÝnh th«ng sè kü thuËt ™ 6 bËc tù do: θ1 = ± 1500 S2 = 130mm S3 = 250mm θ4 = ± 1500 θ5 = ± 1500 θ6 = ± 1500 ™ §éng lùc: • §èi víi θ1, S2, S3 dïng 3 ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu • §èi víi θ4, θ5, θ6 dïng 3 ®éng c¬ b−íc ™ Vïng lµm viÖc: • TÇm xa: 660 mm 28 • TÇm gÇn: 270 mm • TÇm cao: 900 mm • TÇm thÊp: 100 mm ™ §é chÝnh x¸c: ± 1 mm ™ §iÒu khiÓn theo vÞ trÝ b»ng m¸y tÝnh PC 3.1.2. Vïng lµm viÖc cña Robot RP Khi thay ®æi c¸c gi¸ trÞ chuyÓn dÞch ë S2 vµ S3 ë c¸c khíp tÞnh tiÕn A vµ B th× ®iÓm C sÏ di chuyÓn theo mét quü ®¹o nµo ®ã trong mÆt ph¼ng x, y (h×nh 2.5). Nõu kh«ng h¹n chÕ c¸c chuyÓn dÞch nµy th× c¸c vÞ trÝ øng víi tÇm víi xa nhÊt vµ gÇn nhÊt tÇm cao cao nhÊt vµ thÊp nhÊt x¸c ®Þnh lµ miÒn lµm viÖc trong mÆt ph¼ng x, y lµ h×nh ch÷ nhËt. Khi thªm ®éng t¸c quay θ1 h×nh ch÷ nhËt nµy sÏ quÐt trong kh«ng gian mét vïng lµm viÖc h×nh trô rçng nh− h×nh 1.1.8. 29 H×nh 1.1.8. Vïng lµm viÖc cña robot RP ° ° 30 3.1.3 B¶n vÏ l¾p tæng thÓ ° 1 T æn g sè K hè i l −î ng V Ët li Öu S è l− în g § ¬n v Þ 12 1 G hi c hó 1 T ñ ®i Ön ¾ p qu i 1 M « ®u n di c hu yÓ n V Þ t rÝ T ªn g äi M « ®u n ta y m ¸y 34, 5 2 V Ët k Ñp 6 N gu y? n Th i? n Ph úc N gu y? n V an M in h D uy ?t Th i? t k ? Tr . n hi ?m K i? m tr a H ? và tê n K ý N gà y S? lu ?n g: Đ ? tà i K C - 0 3 - 0 8 Tr un g tâ m N CK T T? d ?n g hó a Tr u? ng Đ ?i h ?c B ác h K ho a H à N ?i B ?n v ? s? : T? l? : H oµ ng A nh § ¹i R O B O C A R R P B ¶ n v Ï l¾ p 4 5 1 2 3 6 H×nh 1.1.9. B¶n vÏ l¾p tæng thÓ Robocar RP 31 3.2. C¸c côm chi tiÕt m¸y chñ yÕu §Ò tµi ®· hoµn thµnh mét khèi l−îng thiÕt kÕ chÕ t¹o l¾p r¸p toµn bé c¸c chi tiÕt m¸y cÊu thµnh Robot RP. Cô thÓ bao gåm: - 120 b¶n vÏ thiÕt kÕ - 220 chi tiÕt m¸y thµnh 7 côm chÝnh: - 1 Côm th©n 31 chi tiÕt - 2 Côm di ®éng ngang 40 chi tiÕt - 3 Côm di ®éng ®øng 47 chi tiÕt - 4 Côm c¸nh tay cæ tay 70 chi tiÕt - 5 Côm phanh 13 chi tiÕt - 6 Côm gi¶m tèc 12 chi tiÕt - 7. Côm bµn kÑp 7 chi tiÕt Tßan bé hå s¬ thiÕt kÕ Robot RP tr×nh bµy trong tµi liÖu kÌm theo nh− mét phÇn phô lôc. D−íi ®©y chØ giíi thiÖu c¸c b¶n vÏ l¾p chñ yÕu cña c¸c côm: H×nh 1.1.10. lµ B¶n vÏ l¾p côm th©n H×nh 1.1.11. lµ B¶n vÏ l¾p côm di ®éng ngang H×nh 1.1.12. lµ B¶n vÏ l¾p côm di ®éng ®øng H×nh 1.1.13. lµ B¶n vÏ l¾p côm c¸nh tay cæ tay H×nh 1.1.14. lµ B¶n vÏ côm gi¶m tèc H×nh 1.1.15. lµ B¶n vÏ côm bµn kÑp 32 30 Tr¸ch nhiÖm DuyÖt H−íng dÉnThiÕt kÕ Nh×n theo tRUNG T¢M NCKT Tù §éNG HãA b¶N VÏ TæNG THÓ C«ng tr×nh : RB4102 TØ lÖ Sè l−îng §iÓm P di ®éng trong kh«ng gian vµnh trô R lín=635 r nhá=245 chiÒu cao 900 gãc vµnh trô 270 ° H×nh 1.1.9. ThiÕt kÕ Robot RP 39 IV. §éng häc xe Robocar 4.1. §éng häc xe 3 b¸nh - Ưu điểm: do 3 điểm xác định một mặt phẳng do đó xe dễ cân bằng, đảm bảo xe chạy tương đối chính xác, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển. - Nhược điểm: nếu cùng một diện tích chân đế thì không chắc chắn bằng bốn bánh vì khi đó chịu tải của xe chỉ nằm trong tam giác xác định bởi 3 bánh. 1. Trường hợp 1: 2 bánh sau chủ động và bánh trước chạy theo (sơ đồ hình 1.1.16): 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 - Nguyên lý hoạt động: Khi xe chạy thẳng: 2 bánh sau chạy cùng tốc độ (V1 = V2), bánh trước lúc đó chuyển động theo vận tốc Vv. Khi rẽ trái hoặc phải: 2 bánh sau chuyển động với vận tốc khác nhau (V1, V2) (tuỳ thuộc rẽ trái hay rẽ phải). O1 O2 V1 V2 Ot Vt m d 40 Khi 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 2PO 1PO 2V 1V = , ω+ +ω−==⇒ d5,0V )d1PO)(.d.5,0V( 2V 2PO.1V 1PO PO1(V+0,5ωd) = (V- 0,5ωd)(PO1 + d) ω ω−= d5,0V1PO ( ) V m d5,0 d5,0V m 0,5dPO1 tOO PO OtO tan ω= +ω ω−=+==α Trường hợp V1, V2 ngược chiều hình vẽ 1.1.18 o Vt Ot V2 V1 O2 O1 P ω d m α ω 41 Hinh 1.1.18: Trường hợp v1, v2 ngược chiều 2PO 1PO 2V 1V = , ω+ +ω−==⇒ d5,0V )d1PO)(.d.5,0V( 2V 2PO.1V 1PO PO1(V+0,5ωd) = (V- 0,5ωd)(PO1 + d) V2 d5,0Vd 1PO 2ω−= ( ) ω=ω−− ===α 22 d5,0 Vm2 V2 d5,0V d5,0 m PO1-,5d0 tOO PO OtO tan -Trường hợp 2: bánh trước chủ động và lái (hình 1.1.19) Hình 1.1.19: Bánh trước chủ động và lái α m d ωP O1 O2 V1 V2 Ot Vt O O Vt Ot V2 V1 O2 O1 ω d m β 42 - Sơ đồ nguyên lý: Xe có hai bánh chạy theo (V1, V2) và một bánh chủ động vừa quay vừa tịnh tiến (Vt) Khoảng cách 2 bánh sau là d, giữa bánh sau và bánh trước là m 2225,0. mdV += ω ( ) 22 md25,0 d5,0 sin +=β Ta có mối liên hệ giữa V1, V2 với Vt có vận tốc góc ω: VtV2V rrr += , VtV1V rrr += 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). 43 Hình 1.1.20: Hai bánh sau chủ động Ta có công thức liên hệ giữa V1, V2 với V: Trường hợp V1, V2 cùng chiều: V2 = Vt + 0,5dω, V1 = Vt - 0,5dω 2PO 1PO 2V 1V = , ω+ +ω−==⇒ d5,0V )d1PO)(.d.5,0V( 2V 2PO.1V 1PO PO1(V+0,5ωd) = (V- 0,5ωd)(PO1 + d) ω ω−= d5,0V1PO ( ) V m d5,0 d5,0V m 0,5dPO1 tOO PO OtO tan ω= +ω ω−=+==α Tương tự trường hợp V1, V2 ngược chiều giống trường hợp xe 3 bánh 2 bánh sau chủ động. 4.2. Động học xe 4 bánh - Ưu điểm: chắc chắn hơn 3 bánh nếu cùng một diện tích chân đế. Dễ chế tạo. - Nhược điểm: Cân bằng khó hơn 3 bánh vì 3 điểm xác định một mặt phẳng, do đó có một bánh có thể sẽ không tiếp xúc mặt sàn. ω α m d ω P O1 O2 V1 V2 Ot Vt V 44 1. Trường hợp tổng quát: hai bánh sau chủ động, hai bánh trước chuyển động theo: - Trường hợp V1, V2 quay cùng chiều (hình 1.1.21) Hình 1.1.21. Trường hợp V1, V2 cùng chiều Khoảng cách giữa 2 trục là m, Khoảng cách giữa 2 bánh trên một trục là 2d Gọi góc nghiêng của bánh trước trái là β, Gọi góc nghiêng của bánh trước phải là α Ta xác định được tâm quay tức thời của xe là P tương tự như xe ba bánh. Ta có mối liên hệ giữa 2 bánh chủ động và vận tốc góc của xe là V, ω: V2 = V + dω V1 = V - dω, 2PO 1PO 2V 1V = ω+ +ω−==⇒ dV )d21PO)(.dV( 2V 2PO.1V 1PO ω m ω P O1 O2 V1 V2 Ot1 Vt1 o α β Vt2 Ot2 2d 45 H×nh 1.1.22. Tr−êng hîp V1,V2 ng−îc chiÒu 2d Ot2 Vt2 β α O Vt1 Ot1 V2 V1 O2 O1P ω m 46 V. M«®un xe di chuyÓn 5.1. Nh÷ng vÊn ®Ò chung M«®un xe di chuyÓn cña Robocar cã thÓ ®−îc thùc hiÖn b»ng nhiÒu ph−¬ng ¸n kh¸c nhau. Qua thùc tÕ kh¶o nghiÖm nhiÒu thö nghiÖm §Ò tµi ®· ®i ®Õn nh÷ng nhËn xÐt sau: 1) Nªn chän ph−¬ng ¸n di chuyÓn víi 3 b¸nh xe vµ b¸nh chñ ®éng (®ång thêi ®−îc xoay theo h−íng l¸i) cã thÓ ®Æt tr−íc hoÆc sau 2 b¸nh kia. Ph−¬ng ¸n nµy dïng thÝch hîp víi tr−êng hîp mÆt ®−êng kh«ng ®ßi hái qu¸ cao vÒ ®é b»ng ph¼ng vµ ®ång ®Òu. Trong tr−êng hîp mÆt ®−êng kh«ng ®−îc tèt mµ l¹i bè trÝ ®éng c¬ ë 2 b¸nh ®ång trôc th× dÇu cã ®iÒu khiÓn ®¶m b¶o cho ®ång tèc cña 2 ®éng c¬ xe vÉn kh«ng ch¹y theo ®−êng th¼ng ®−îc. §iÒu ®ã sÏ thÊy rÊt râ vÝ dô tr−êng hîp 1 trong 2 b¸nh ®ã kh«ng trùc tiÕp tiÕp xóc víi mÆt ®−êng. 2) Robocar th−êng ®−îc thiÕt kÕ ®Ó ho¹t ®éng trªn ®Þa h×nh mµ kh«ng thÓ nèi d©y ®iÖn nguån tíi ®−îc, tøc lµ ph¶i ch¹y víi nguån ®iÖn l¾p trªn xe, vÝ dô nh− ¾cquy. V× thÕ vÊn ®Ò tiÕt kiÖm n¨ng l−îng ®Ó robocar cã thÓ ho¹t ®éng liªn tôc trong mét thêi gian kÐo dµi lµ ®iÒu rÊt quan träng. Do vËy cÇn h¹n chÕ viÖc sö dông qu¸ nhiÒu bé truyÒn ®éng ®Ó tr¸nh tæn thÊt c«ng suÊt. Víi nh÷ng kinh nghiÖm ®· ®óc kÕt ®−îc qua qu¸ tr×nh triÓn khai §Ò tµi ®i ®Õn ph−¬ng ¸n thiÕt kÕ phï hîp víi thùc tÕ ë nhiÒu ®Þa ®iÓm lµ kh«ng thÓ kÐn chän chÊt l−îng mÆt ®−êng cho robocar di chuyÓn ®−îc. §ã lµ ph−¬ng ¸n dïng 3 b¸nh xe víi b¸nh chñ ®éng quay trùc tiÕp b»ng lo¹i ®éng c¬ cña xe ®¹p ®iÖn (sau khi ®· ®Æt nhµ m¸y cao su lµm lèp xe l¾p trùc tiÕp lªn ®éng c¬). Gi¶i ph¸p s¸ng t¹o nµy tá ra cã nhiÒu −u ®iÓm: - §¶m b¶o thêi gian liªn tôc lµm viÖc cho robocar ®−îc nh− nh÷ng tiªu chuÈn th«ng th−êng mµ xe ®¹p ®iÖn sö dông v× cïng sö dông mét nguån ®éng c¬. Cô thÓ lµ mçi lÇn n¹p ®iÖn ®Çy ®ñ ch¹y liªn tôc ®−îc kho¶ng 20km 47 - Cã s½n nguån cung cÊp ®éng c¬ nµy ë thÞ tr−êng nªn chñ ®éng ®−îc trong viÖc nhanh chãng t¹o ra nhiÒu lo¹i robocar phôc vô nh÷ng yªu cÇu ®a d¹ng, tøc lµ t¹o ra kh¶ n¨ng ¸p dông kÕt qu¶ nghiªn cøu cña §Ò tµi. - Do cã thÓ ®Æt lµm b¸nh s¨m lèp xe chuyªn dông trùc tiÕp lªn ®éng c¬ bªn dÔ dµng gi¶i quyÕt vÊn ®Ò tiÕp xóc b¸nh xe trªn mét ®−êng kh«ng ®ßi hái qu¸ b»ng ph¼ng. §ång thêi kh«ng cÇn l¾p thªm c¸c bé phËn gi¶m chÊn cho xe. - RÊt thuËn tiÖn cho viÖc ®iÒu khiÓn thay ®æi tèc ®é vµ thay ®æi h−íng l¸i cña robocar. 5.2. M«®un xe di chuyÓn cho Robocar RP - 01 Phiªn b¶n ®Çu tiªn cña Robocar RP (®Ó thuËn tiÖn khi tr×nh bµy, tõ ®©y trë vÒ sau ký hiÖu lµ Robocar RP - 01) ®· dïng ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu th«ng th−êng kÌm bé truyÒn b¸nh r¨ng. H×nh 1.1.23 trªn trang tiÕp theo lµ c¸c b¶n vÏ l¾p m«®un xe di chuyÓn cña Robocar RP - 01. TiÕp theo lµ h×nh ¶nh m« pháng ho¹t h×nh Robocar RP - 01 phôc vô c«ng viÖc thiÕt kÕ 48 H×nh 1.1.23. B¶n vÏ l¾p m«®un xe di chuyÓn T hÐ p C T 45 1 T æn g sè K hè i l −î ng T hÐ p C T 3 V Ët li Öu S è l− în g § ¬n v Þ 12 1 G hi c hó T hÐ p C T 45 1 M « ®u n l¸ i v µ vµ v µ dÉ n ®é ng B ¸n h sa u 1 T h© n xe V Þ t rÝ T ªn g äi § én g c¬ l¸ i 34 2 T rô c b¸ nh s au 5 N gu y? n Th i? n Ph úc N gu y? n V an M in h D uy ?t Th i? t k ? Tr . n hi ?m K i? m tr a H ? và tê n K ý N gà y S? lu ?n g: Đ ? tà i K C - 0 3 - 0 8 Tr un g tâ m N C K T T? d ?n g hó a Tr u? ng Đ ?i h ?c B ác h K ho a H à N ?i B ?n v ? s? : T? l? : H oµ ng A nh § ¹i M ¤ ® u n d i c h u y Ón R O B O C A R R P B ¶ n v Ï l¾ p D C 2 4V - 5 0w C ao s u 49 H×nh 1.1.24. M« pháng ho¹t h×nh Robocar RP - 01 H×nh 1.1.25. M« pháng ho¹t h×nh Robocar RP – 01 trong ph©n x−ëng 50 5.3 M«®un xe di chuyÓn cña Robocar RP-02 Sau nhiÒu lÇn kh¶o nghiÖm Robocar RP-01 di chuyÓn trªn nh÷ng ®Þa h×nh kh¸c nhau nhËn thÊy nh÷ng néi dung sau ®©y cÇn nghiªn cøu tiÕp theo: - §¶m b¶o cho c¸c b¸nh xe lu«n lu«n tiÕp gi¸p víi mÆt ®−êng. Nõu kh«ng, cã thÓ gÆp nh÷ng tr−êng hîp xe bÞ kªnh do nh÷ng hiÖn t−îng ngÉu nhiªn trªn mÆt ®−êng, b¸nh xe chñ ®éng vÉn quay nh−ng kh«ng ®ñ ma s¸t víi mÆt ®−êng nªn xe kh«ng chÊp hµnh ®óng quü ®¹o ®· lËp tr×nh ®iÒu khiÓn. - Gi¶m thiÓu c¸c tæn thÊt c«ng suÊt ®Ó cã thÓ kÐo dµi thêi gian lµm viÖc liªn tôc víi bé nguån lµ c¸c lo¹i ¾cquy th«ng dông. - Thay ®æi nguån ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu ch¹y b»ng ¾cquy võa hiÕm, võa cång kÒnh ®Ó cã kh¶ n¨ng nh©n b¶n øng dông réng r·i. §Ò tµi nghiªn cøu c¸c néi dung tån t¹i ®ã §Ò tµi ®· t×m ra gi¶i ph¸p rÊt hîp lý lµ dïng mét lo¹i ®éng c¬ ®iÖn l¾p cho xe ®¹p ®iÖn (X§§) cã b¸n s½n trªn thÞ tr−êng lµm b¸nh xe chñ ®éng vµ ®−îc l¸i trùc tiÕp. V× lo¹i ®éng c¬ nµy rotor quay g¾n víi vá ngoµi nªn cã thÓ trùc tiÕp l¾p lèp xe vµ cã thÓ t¹o ra b¸nh h¬i võa ®¶m b¶o dÔ tiÕp gi¸p víi mÆt ®−êng võa gi¶m chÊn ®éng cña xe. §ång thêi ®éng c¬ cã thÓ trùc tiÕp ®−îc ®iÒu khiÓn tèc ®é b»ng ®iÖn nªn kh«ng cÇn nhiÒu bé truyÒn ®éng nªn gi¶m tæn thÊt c«ng suÊt. V× thÕ kÕt cÊu cña m«®un xe di chuyÓn cña Robocar RP - 02 ®· ®−îc ®¬n gi¶n ®i rÊt nhiÒu vµ ®· ®−îc thiÕt kÕ nh− mét m«®un chuÈn hãa cã thÓ nhanh chãng nh©n b¶n cho c¸c biÕn thÓ robocar kh¸c phôc vô c¸c nhu cÇu ®a d¹ng. Trªn c¸c trang tiÕp theo lµ h×nh 1.1.25 - §éng c¬ xe ®¹p ®iÖn; h×nh 1.1.26 - M«®un b¸nh chñ ®éng (gåm cµng xe, ®éng c¬ kÌm lèp xe, gi¶m chÊn) cña Robocar RP-02; h×nh 1.1.27 - M«®un l¸i cña Robocar RP - 02 TiÕp theo trªn h×nh 1.1.28. lµ 3 h×nh chiÕu vµ h×nh lËp thÓ cña Robocar RP-02 51H×nh 1.1.25. §éng c¬ xe ®¹p ®iÖn § é N G c ¬ H oµ ng A nh § ¹i T? l? : B? n v? s? : Tr un g tâ m N CK T T? d ?n g hó a T r u? ng Đ ?i h ?c B ác h K ho a H à N ?i Đ ? t ài K C - 0 3 - 0 8 S? lu ?n g: N gà y K ý H ? và tê n K i? m tr a Tr . n hi ?m Th i? t k ? D uy ?t N gu y? n V an M in h N gu y? n Th i?n P hú c 52 H×nh 1.1.26. M«®un b¸nh chñ ®éng B ¸t p hu èc B¶ n v Ï l¾ p M « ® u n c µ n g x e v µ b¸ n h t ru y Òn ® é n g H oµ ng A nh § ¹i T? l? : B? n v? s? : Tr un g tâ m N CK T T? d ?n g hó a Tr u? ng Đ ?i h ?c B ác h K ho a H à N ?i Đ ? tà i K C - 0 3 - 0 8 S? lu ?n g: N gà y K ý H ? và tê n K i? m tr a Tr . n hi ?m Th i? t k ? D uy ?t N gu y? n V an M in h N gu y? n Th i? n Ph úc 24 3 B ¸n h xe T ªn g äi V Þ t rÝ 1 § én g c¬ C æ ph uè c G hi c hó 11 1 § ¬n v Þ S è l− în g V Ët li Öu K hè i l −î ng Tæ ng s è 1 C àn g xe 4 1 53 H×nh 1.1.27. B¶n vÏ l¾p m«®un l¸i cña Robocar RP B¶n vÏ l¾p M« ®un l¸i ROBOCAR RPHoµng Anh §¹i T? l?:B?n v? s?: Trung tâm NCKT T? d?ng hóa Tru?ng Đ?i h?c Bách Khoa Hà N?i Đ? tài KC - 03 - 08 S? lu?ng: NgàyKýH? và tên Ki?m tra Tr. nhi?m Thi?t k? Duy?t Nguy?n Van Minh Nguy?n Thi?n Phúc 2 4 3 M« ®un cµng xe vµ b¸nh truyÒn ®éng Tªn gäi VÞ trÝ 1 §Üa ®o gãc Bé truyÒn xÝch Ghi chó 1 1 1 §¬n vÞ Sè l−îng VËt liÖu Khèi l−îng Tæng sè 1§éng c¬ 54 H×nh 1.1.28. C¸c b¶n vÏ h×nh chiÕu vµ h×nh 3D cña Robocar RP-02 55 VI. HÖ thèng thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn 6.1. Giíi thiÖu chung Môc ®Ých yªu cÇu nghiªn cøu hÖ thèng ®iÒu khiÓn robocar kh«ng ph¶i chØ ®Ó hiÖn thùc viÖc ®iÒu khiÓn mét s¶n phÈm cô thÓ, mµ lµ x©y dùng nh÷ng m«®un chuÈn hãa t−¬ng ®èi ®Ó cã ghÐp nèi thµnh hÖ thèng, thÝch hîp víi nh÷ng phiªn b¶n kh¸c nhau cña Robocar RP, khi xuÊt hiÖn râ nÐt nhu cÇu øng dông cô thÓ víi c¸c møc ®é ®ßi hái vÒ ®iÒu khiÓn còng kh¸c nhau. D−íi ®©y tr×nh bµy kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ mét sè mo®un hÖ thèng ®iÒu khiÓn. 6.2. HÖ ®iÒu khiÓn Robot RP 6.2.1 Môc ®Ých yªu cÇu X©y dùng ®−îc hÖ thèng ®iÒu khiÓn RP-02 b»ng m¸y tÝnh c¸ nh©n PC. Ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm viÕt trªn ng«n ng÷ C thùc hiÖn viÖc nhËp ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn RP-02, giao tiÕp gi÷a ng−êi víi m¸y, cã thÓ dïng ®Ó kiÓm tra ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña RP-02 PhÇn cøng dïng bé giao tiÕp víi m¸y tÝnh qua cæng ®iÒu khiÓn m¸y in thùc hiÖn c¸c chuyÓn ®éng cña RP-02 ®−îc tÝnh to¸n hoÆc nhËp vµo tõ bµn phÝm m¸y PC. Sö dông bé ®Õm xung ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña RP-02, c¸c m¹ch c«ng suÊt cho ®éng c¬ 1 chiÒu vµ ®éng c¬ b−íc, c¸c c¶m biÕn vÞ trÝ dïng c«ng t¾c hµnh tr×nh ®Ó giíi h¹n chuyÓn ®éng cña tay RP-02 vµ x¸c ®Þnh vÞ trÝ ban ®Çu cho RP-02. M¹ch nguån cung cÊp c¸c nguån nu«i cho hÖ thèng ®iÒn khiÓn RP-02. 6.2.2 ThiÕt kÕ chung Robot RP-02 ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh c¸ nh©n PC th«ng qua cæng m¸y in nhê bé giao tiÕp ®iÒu khiÓn. 1. S¬ ®å khèi 56 H×nh 1.1.29. S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu khiÓn RP-02 2. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng. Nhê phÇn mÒm ®iÒu khiÓn, c¸c chuyÓn ®éng cña RP-02 ®−îc tÝnh to¸n hoÆc ®−îc n¹p vµo th«ng qua bµn phÝm vµ mµn h×nh cña m¸y PC. Khi khëi ®éng m¸y, ch−¬ng tr×nh §K sÏ ®−a tay RP-02 vÒ vÞ trÝ ban ®Çu ®−îc x¸c ®Þnh nhê c¸c bé c¶m biÕn vÞ trÝ ®−îc g¾n trªn c¸c hµnh tr×nh cña RP- 02 vµ viÖc ®äc vµo c¸c tham sè tr¹ng th¸i cña tay RP-02. Trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn RP-02 theo ch−¬ng tr×nh ®· nhí hoÆc ®−îc x©y dùng bëi ng−êi xö dông ®−a vµo m¸y tÝnh sÏ tÝnh to¸n c¸c gi¸ trÞ gãc quay vµ xuÊt ra c¸c lÖnh ®Ó lµm quay c¸c ®éng c¬ ®iÖn t−¬ng øng víi c¸c khíp chuyÓn ®éng cña tay RP-02, trong qu¸ tr×nh c¸c khíp quay nã lu«n lu«n ®äc vµo c¸c gi¸ trÞ xung t−¬ng øng víi c¸c chuyÓn ®éng cña c¸c khíp ®Ó kiÓm tra vÞ trÝ cña c¸c khíp so víi ch−¬ng tr×nh ®· ®Æt ra. Nh− vËy nhê phÇn mÒm ®iÒu khiÓn ta cã thÓ kiÓm so¸t ®−îc ho¹t ®éng cña RP-02 theo c¸c ch−¬ng tr×nh mµ ta muèn. M¸y tÝnh c¸ nh©n PC Bé giao tiÕp ®iÒu khiÓn M¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®«ng c¬ 1 chiÒu §/C §/C §/C T¶i 1 T¶i 2 T¶i 3 Cæng m¸y Bé nguån cung cÊp C¸c bé m· vÞ trÝ C¸c c¶m biÕn vÞ trÝ trong hµnh tr×nh C¸c bé ®Õm xung M¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn §/c b−íc §/C §/C §/C §/C T¶i 4 T¶i 5 T¶i 6 T¶i 7 57 6.2.3 C¸c thµnh phÇn cña m¹ch ®iÒu khiÓn ViÖc sö dông cæng §K m¸y in cña m¸y tÝnh PC ®Ó ®iÒu khiÓn RP-02 cho phÐp kÕt nèi mét c¸ch ®¬n gi¶n gi÷a m¸y tÝnh vµ RP-02 khi ®ã kh«ng cÇn ph¶i më vá m¸y tÝnh PC ra nh− khi sö dông c¸ch giao tiÕp trªn r·nh c¾m, tuy viÖc ®ã dÉn ®Õn tæ chøc cña phÇn cøng m¹ch ®iÒu khiÓn phøc t¹p h¬n vµ ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm ®iÒu khiÓn còng cã ®é phøc t¹p cao h¬n. 1. M¹ch giao tiÕp víi m¸y tÝnh qua cæng m¸y in. Trªn h×nh 1.1.30 lµ S¬ ®å m¹ch giao tiÕp H×nh 1.1.30 S¬ ®å m¹ch giao tiÕp T¹o c¸c lÖnh vµo, ra Cæng ®iÒu khiÓn m¸y in cña m¸y PC §Öm DL ra Chèt ®Þa chØ Gi¶i m· ®Þa chØ Kho¸ d÷ liÖu XuÊt ra lÖnh xo¸ bé ®Õm C¸c bé ®Õm (3 bé) C¸c bé ®Õm (3 bé) §Öm d÷ liÖu vµo §äc vµo tr¹ng th¸i XuÊt ra lÖnh quay 58 2. M¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu Trªn h×nh 1.1.31 lµ s¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu (DM) H×nh 1.1.31 a - S¬ ®å m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ DM1 H×nh 1.1.31 b S¬ ®å m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ DM 2 LÖnh quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ChiÒu quay KhuÕch ®¹i c«ng suÊt DM1 T¶i 1 (quay th©n RB) Bé m· vÞ trÝ T¹o xung ®Õm Xung ®Õm vÞ trÝ LÖnh quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ChiÒu quay KhuÕch ®¹i c«ng suÊt DM2 T¶i 2 (quay th©n RB) Bé m· vÞ trÝ T¹o xung ®Õm Xung ®Õm vÞ trÝ 59 H×nh 1.1.31 c S¬ ®å m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ DM 3 3. M¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc. Trªn h×nh 1.1.32 lµ c¸c s¬ ®å khèi m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc (SM) H×nh 1.1.32 a – S¬ ®å khèi m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ SM 4 LÖnh quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ChiÒu quay KhuÕch ®¹i c«ng suÊt DM3 T¶i 3 (quay th©n RB) Bé m· vÞ trÝ T¹o xung ®Õm Xung ®Õm vÞ trÝ LÖnh quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ChiÒu quay Bé t¹o xung KhuÕch ®¹i c«ng suÊt §éng c¬ b−íc SM4 T¶i 4 (quay tay RB) T¹o xung ®Õm Xung ®Õm vÞ trÝ 60 H×nh 1.1.32 b – S¬ ®å m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc SM 5 H×nh 1.1.32 c – S¬ ®å m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ SM 6 vµ SM 7 4. M¹ch c¸c bé ®Õm xung Trªn h×nh 1.1.33 lµ s¬ ®åi khèi m¹ch c¸c bé ®Õm xung LÖnh quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ChiÒu quay Bé t¹o xung KhuÕch ®¹i c«ng suÊt §éng c¬ b−íc SM5 T¶i 5 (quay tay RB) T¹o xung ®Õm Xung ®Õm vÞ trÝ LÖnh quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ChiÒu quay Bé t¹o xung KhuÕch ®¹i c«ng suÊt §éng c¬ b−íc SM6 vµ SM7 T¶i 6 vµ 7 (quay tay ®ãng më bµn kÑp) T¹o xung ®Õm Xung ®Õm vÞ trÝ 61 H×nh 1.1.33 a S¬ ®å khèi m¹ch c¸c bé ®Õm xung 1, 2, 3 H×nh 1.1.33 – b S¬ ®å khèi m¹ch c¸c bé ®Õm xung 4, 5, 6 Xung ®Õm 1 Bé ®Õm 1 (16 bits) Bé ®Õm 2 (16 bits) Xung ®Õm 3 Bé ®Õm 3 (16 bits) Xung ®Õm 2 LÖnh xo¸ Bé ®Õm vµo Bé ®Õm vµo Bé ®Õm vµo Gäi ®Þa chØ Xung ®Õm 1 Bé ®Õm 4 (16 bits) Bé ®Õm 5 (16 bits) Bé ®Õm 6 (16 bits) LÖnh xo¸ Bé ®Õm vµo Bé ®Õm vµo Bé ®Õm vµo Gäi ®Þa chØ Xung ®Õm 3 Xung ®Õm 2 62 6.2.4 ThiÕt kÕ chi tiÕt 1. Bé giao tiÕp ®iÒu khiÓn HÖ thèng ®iÒu khiÓn Robot ®−îc kÕt nèi víi m¸y tÝnh PC th«ng qua cæng ®iÒu khiÓn m¸y in cho phÐp xuÊt nhËp d÷ liÖu ®iÒu khiÓn 7 ®éng c¬ quay theo c¸c chiÒu kh¸c nhau ®Ó thùc hiÖn ®−a tay RP-02 ®i theo nh÷ng hµnh tr×nh ®−îc x¸c ®Þnh tr−íc nhê c¸c ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn kh¸c nhau ®−îc nhËp vµo m¸y tÝnh. Trªn h×nh 1.1.34 lµ S¬ ®å nguyªn lý bé giao tiÕp ®iÒu khiÓn 1 IC: 74245 Bé ®Õm d÷ liÖu ra 1 IC: 74373 Bé chèt ®Þa chØ 1 IC: 74373 Kho¸ ®ãng më d÷ liÖu ra 1 IC: 74373 Bé ®Öm d÷ liÖu ra 1 IC: 7400 Bé t¹o xung vµo ra 1 IC: 7400 1 IC: 74257 Bé ®Öm d÷ liÖu vµo 2 IC: 74138 2 IC: 7432 Bé gi¶i m· ®Þa chØ cæng 2 IC: 7404 1 IC: 74373 Bé ®Öm d÷ liÖu vµo C¸c ®−êng d÷ liÖu ra tõ m¸y tÝnh qua cæng m¸y in võa ®−îc sö dông ®Ó t¹o ®Þa chØ cho c¸c khíp quay võa ®Ó t¹o ra c¸c lÖnh quay vµ chiÒu quay phï hîp víi ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn. 63 2. C¶m biÕn t¹o xung vÞ trÝ C¶m biÕn lµ mét ®Üa mµ trªn cã ®ôc c¸c lç mµ ¸nh s¸ng cã thÓ ®i qua, hai bªn cã g¾n c¸c bé thu ph¸t tia hång ngo¹i xuyªn qua c¸c lç ®ôc H×nh 1.1.35. S¬ ®å c¶m biÕn t¹o xung Trªn h×nh 1.1.35 lµ bé thu ph¸t quang dïng diode hång ngo¹i vµ phototranzitor tÝn hiÖu ®−îc khuÕch ®¹i nhê mét bé khuyÕt ®¹i thuËt to¸n sö dông IC LM 358. Khi ®Üa quay theo ®éng c¬ nã sÏ lµm thay ®æi ¸nh s¸ng cña diode chiÕu lªn transitor tÝn hiÖu ®ã ®−îc khuÕch ®¹i lªn thµnh c¸c xung vu«ng ®−a vÒ ®Çu vµo m¹ch ®Õm. 3. C¸c bé ®Õm. Khi ®éng c¬ quay sÏ t¹o ra c¸c xung c¶m biÕn nhê c¸c bé c¶m biÕn c¸c xung nµy ®−îc ®−a tíi c¸c bé ®Õm t−¬ng øng víi c¸c ®éng c¬ quay cña c¸c khíp t−¬ng øng. H×nh 1.1.36 lµ s¬ ®å bé ®Õm 65 Sö dông c¸c bé ®Õm CMOS: 4040 t¹o thµnh bé ®Õm 16 bits C¸c bé ®Õm d÷ liÖu vµo 74373 Bé ®Õm ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c xung xo¸ vµ c¸c xung gäi ®Þa chØ ®äc d÷ liÖu vµo tõ bé giao tiÕp ®iÒu khiÓn. D÷ liÖu cña bé ®Õm 16 bits ®−îc ®äc vµo tõng 8 bits mét qua bus d÷ liÖu cña bé giao tiÕp ®iÒu khiÓn vµ ®−a vµo m¸y tÝnh PC. 4. M¹ch logic vµ c«ng suÊt ®iÒu khiÓn ®éng c¬ 1 chiÒu C¸c khíp quay cña RP - 02 cã 3 ®éng c¬ 1 chiÒu ®−îc ®iÒu khiÓn quay theo chiÒu ®· ®Þnh nhê m¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn. M¹ch logic sö dông IC 7400 t¹o chiÒu quay vµ lÖnh quay cho ®éng c¬ nhê vµo c¸c lÖnh ®iÒu khiÓn vµ quay tõ bé giao tiÕp ®iÒu khiÓn ®−a tíi. M¹ch c«ng suÊt sö dông cÇu gåm 4 transitor c«ng suÊt lín. Trong ®ã cßn cã m¹ch h¹n chÕ ph¹m vi ho¹t ®éng cña c¸c khíp quay thiÕt kÕ trªn c¸c IC: 7400; 7432, 7408, 4066 t¹o ra c¸c lÖnh dõng ®éng c¬ khi tíi c¸c giíi h¹n quay cña c¸c khíp. 5. M¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc C¸c khíp quay cña RP-02 ®−îc thùc hiÖn trªn 3 ®éng c¬ b−íc cïng víi tay g¾p còng trªn 1 ®éng c¬ b−íc. M¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc thiÕt kÕ trªn c¸c IC: 4093, 7474, 74257, 7406, 4066 vµ c¸c transitor c«ng suÊt lín cho phÐp t¹o ra c¸c xung ®iÒu khiÓn lµm quay ®éng c¬ b−íc theo c¸c chiÒu x¸c ®Þnh nhê ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn. S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn cña 1 ®éng c¬ b−íc cho trªn h×nh 1.1.37 67 6.3. §iÒu khiÓn Robocar RP-01 b»ng PLC 1. Môc ®Ých yªu cÇu Robocar RP-01 lµ robot tù hµnh phôc vô cho c¸c c«ng viÖc trong ph©n x−ëng. Nã cã thÓ tù di chuyÓn ®Õn n¬i cÇn lµm viÖc b»ng mét khung xe 3 b¸nh. Tay m¸y ®Æt trªn xe lµ tay m¸y ®−îc c¶i tiÕn tõ Robot RP. HÖ ®iÒu khiÓn cña Robcar RP-01 sö dông PLC S7-200 cña h·ng Siemens. VÒ phÇn mÒm ®−îc viÕt b»ng ph−¬ng ph¸p h×nh thang Ladder trªn m«i tr−êng S7-200. Ch−¬ng tr×nh ph¶i ®iÒu khiÓn ®−îc c¸c ®éng c¬ mét chiÒu còng nh− c¸c ®éng c¬ b−íc, ®ång thêi ph¶i xö lý c¸c tÝn hiÖu tõ c¸c sensor göi vÒ. VÒ phÇn cøng sö dông bé ®Õm xung ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña robot RP, c¸c m¹ch c«ng suÊt cho ®éng c¬ 1 chiÒu vµ ®éng c¬ b−íc, c¸c c¶m biÕn vÞ trÝ dïng c«ng t¸c hµnh tr×nh ®Ó giíi h¹n chuyÓn ®éng cña tay m¸y. Do Robocar lµ tay m¸y tù hµnh nªn nguån nu«i cña hÖ ®iÒu khiÓn sÏ sö dông ¾cquy ®iÖn ¸p 24V. Bá qua biÕn ¸p ®iÖn xoay chiÒu nh−ng vÉn gi÷ bé nguån 5V cho b¶ng m¹ch ®iÒu khiÓn. 2. ThiÕt kÕ chung 2.1. S¬ ®å khèi 68 H×nh 1.1.38. S¬ ®å khèi hÖ ®iÒu khiÓn S7 – 200 PLC Bé nguån cung cÊp M¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ 1 chiÒu §/C 1 §/C 2 §/C 3 §/C X1 §/C X2 T¶i 1 T¶i 2 T¶i 3 T¶i X1 T¶i X2 C¸c bé ®Õm xung C¸c bé m· vÞ trÝ C¸c c¶m biÕn vÞ trÝ C¸c bé ®Õm xung M¹ch logic vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc §/C 4 §/C 5 T¶i 4 T¶i 5 69 Do c¸c tÝn hiÖu vµo ra cña PLC lµ c¸c tÝn hiÖu ®iÖn 5V nªn cã thÓ giao tiÕp trùc tiÕp víi c¸c b¶ng m¹ch ®iÖn tö. 2.2. C¸c b¶ng m¹ch ®iÒu khiÓn * M¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu * M¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc H×nh 1.1.39 LÖnh quay ChiÒu quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ M¹ch khuyÕt ®¹i c«ng suÊt DC C¸c t¶i (quay, lªn, xuèng, ngang) Xung ®Õm vÞ trÝ T¹o xung ®Õm Bé m· vÞ trÝ LÖnh quay ChiÒu quay M¹ch logic ®iÒu khiÓn ®éng c¬ Bé t¹o xung KhuyÕch ®¹i c«ng suÊt SM Xung ®Õm vÞ trÝ T¹o xung ®Õm T¶i 70 3. TÝnh to¸n c¸c cæng vµo/ ra: ThiÕt bÞ lËp tr×nh ë ®©y sö dông PLC S7 – 200, CPU 214, cã rÊt nhiÒu c¸c hµm vµ tÝnh n¨ng kh¸c nhau nh−ng ta quan t©m ®Õn c¸c tÝnh n¨ng sau: - Cã 14 cæng vµo vµ 10 cæng ra logic - Cã 7 modul ®Ó më réng cæng vµo/ra - Tæng sè cæng vµo/ ra cùc ®¹i lµ 64 cæng vµo vµ 64 cæng ra - 128 bé ®Õm chia lµm 2 lo¹i: chØ ®Õm tiÕn vµ võa ®Õm tiÕn võa ®Õm lïi - 3 bé ®Õm tèc ®é cao víi xung nhÞp 2KHz vµ 7 KHz - Toµn bé vïng nhí kh«ng bÞ mÊt d÷ liÖu trong kho¶ng thêi gian 190 giê khi PLC bÞ mÊt nguån nu«i. §Ó ghÐp nèi víi S7-200 víi m¸y tÝnh PLC qua cæng RS-232 cÇn cã c¸p nèi víi PC/PPI víi bé chuyÓn ®æi RS232/RS485. 3.1. C¸c cæng ®iÒu khiÓn §èi víi mét b¶ng m¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu nh− trªn ta cÇn 2 ®Çu ra tõ PLC ®Ó ra lÖnh ®¶o chiÒu quay vµ lÖnh quay, 1 ®Çu vµo bé ®Õm PLC ®Ó ®Õm xung. §ång thêi khi ®iÒu khiÓn DC motor cÇn x¸c ®Þnh ®iÓm ®Çu cuèi nªn cÇn 2 ®Çu vµo PLC tõ c¸c c«ng t¾c hµnh tr×nh. Nh− vËy víi 5 ®éng c¬ mét chiÒu ta cÇn 10 ®Çu ra tõ PLC vµ 15 vµo PLC. Riªng víi ®éng c¬ mét chiÒu quay th©n robot cã 3 c«ng t¾c hµnh tr×nh, nªn cÇn thªm 1 ®Çu vµo. §èi víi b¶ng m¹ch ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc còng cÇn 2 ®Çu ra tõ PLC vµ 2 ®Çu vµo, 1 ®Çu vµo bé ®Õm ®Ó ®Õm xung vµ mét tõ c«ng t¾c hµnh tr×nh ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ ®Çu. Tãm l¹i ®Ó ®iÒu khiÓn tay m¸y Robocar RP-01 c¶i tiÕn cÇn 12 ®Çu ra vµ 18 ®Çu vµo cña PLC. 3.2. C¸c cæng ®iÒu khiÓn hÖ thèng sensor vµ c¬ cÊu l¸i xe: 71 §Ó ®iÒu khiÓn xe tù hµnh cÇn mét ®éng c¬ mét chiÒu X1 ®Ó ®iÒu khiÓn h−íng vµ mét ®éng c¬ 1 chiÒu X2 ®Ó ®iÒu khiÓn b¸nh xe. Ngoµi ra cßn cã c¸c hÖ thèng sensor nh− sensor dÉn ®−êng, sensor ph¸t hiÖn vËt... C¸c tÝn hiÖu cña c¸c sensor nµy sÏ quyÕt ®Þnh viÖc ®ãng ®iÖn cho ®éng c¬ b¸nh xe vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÒu khiÓn h−íng. 6.4. HÖ ®iÒu khiÓn Robocar RP-02 6.4.1. S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÖn ®iÒu khiÓn * S¬ ®å tæng qu¸t hÖ thèng ®iÒu khiÓn (h×nh 1.1.40) 72 H×nh 1.1.40. S¬ ®å tæng qu¸t hÖ thèng ®iÒu khiÓn Trªn Robocar RP Camera v« tuyÕn §Çu thu tÝn hiÖu tõ camera BiÕn ®æi AD Bé §K gãc nh×n M¸y tÝnh PC - Xö lý t¹o ¶nh - T¹o lÖnh §K Robot ¡ngten ph¸t ¡ngten thu Bé thu ph¸t v« tuyÕn Cxite 9600 ¡ngten thu Bé thu ph¸t v« tuyÕn Cxite 9600 ¡ngten thu ph¸t Bé m· hãa lÖnh §iÒu khiÓn Trung t©m ®iÒu khiÓn NhËn vµ gi¶i m· lÖnh §K C¸c c¶m biÕn ®iÒu khiÓn vµ b¶o vÖ T¹o lÖnh §K Robot Khèi c¸c bé §K c«ng suÊt §éng c¬ l¸i C¸c ®éng c¬ §K tay m¸y §éng c¬ di chuyÓn 73 6.4.2. Ho¹t ®éng cña Robocar RP Robocar RP ®−îc thiÕt kÕ ®Ó ho¹t ®éng trong mét vïng lµm viÖc ®· ®−îc ®Þnh tr−íc víi mét tay m¸y cã 3 bËc tù do ®Æt trªn xe ®Ó nhÆt vµ ®Æt c¸c vËt cã kÝch th−íc ®· ®−îc tÝnh to¸n tr−íc. Robocar RP ®−îc ®iÒu khiÓn tõ xa bëi mét trung t©m ®iÒukhiÓn cã m¸y tÝnh PC lµ thiÕt bÞ xö lý vµ t¹o lÖnh ®iÒu khiÓn cïng c¸c thiÕt bÞ thu ph¸t sãng v« tuyÕn ®Ó m· hãa vµ bëi ng−êi ®iÒu khiÓn hoÆc theo nh÷ng ch−¬ng tr×nh ®−îc lËp s½n trong PC. Trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng mäi th«ng tin vÒ tr¹ng th¸i cña Robocar ®Òu ®−îc truyÒn vÒ m¸y tÝnh, ®ång thêi mét camera ®Æt trªn xe còng truyÒn tÝn hiÖu h×nh ¶nh thu nhËn ®−îc tõ ®ã cho m¸y tÝnh gióp cho ng−êi ®iÒu khiÓn hoÆc ch−¬ng tr×nh ra c¸c quyÕt ®Þnh ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña nã. Hai bé thu ph¸t vµ truyÒn ®Æt ë Trung t©m §iÒu khiÓn vµ trªn Robocar cho phÐp thµnh lËp mét ®−êng truyÒn kh«ng d©y gi÷a 2 thiÕt bÞ. §©y lµ ®−êng truyÒn song c«ng cho phÐp trao ®æi th«ng tin diÔn ra ®ång thêi theo c¶ hai chiÒu tõ Trung t©m ®iÒu khiÓn tíi Robocar vµ ng−îc l¹i. C¸c lÖnh ®iÒu khiÓn ®−îc m· hãa vµ truyÒn tõ Trung t©m ®iÒu khiÓn tíi Robocar theo ®−êng truyÒn v« tuyÕn, Robocar thu nhËn ®−îc c¸c tÝn hiÖu lÖnh d−íi d¹ng sãng cao tÇn vµ thùc hiÖn gi¶i ®iÒu chÕ, gi¶i m· c¸c lÖnh nhËn ®−îc ®Ó thùc hiÖn. C¸c th«ng tin tr¹ng th¸i cña Robocar còng ®−îc bé ®iÒu khiÓn cña nã thu nhËn råi m· hãa vµ ®iÒu chÕ ®Ó göi vÒ trung t©m §K. Sè lÖnh ®iÒu khiÓn c¬ b¶n cña Robocar lµ 60 lÖnh vµ sè th«ng tin tr¹ng th¸i truyÒn vÒ trung t©m ®iÒu khiÓn còng t−¬ng øng nh− vËy. Ngoµi viÖc thùc hiÖn c¸c lÖnh ®iÒu khiÓn tõ trung t©m §K, trªn Robocar cßn cã trang bÞ c¸c c¶m biÕn ®iÒu khiÓn vµ b¶o vÖ nh− bé ®o cù ly tõ xe ®Õn vËt c¶n, bé c¶m biÕn mµu s¾c v.v. gióp cho Robocar tù quyÕt ®Þnh ho¹t ®éng cña nã khi cÇn thiÕt, nhê ®ã mµ c¸c ho¹t ®éng ®−îc linh ho¹t vµ hßan thiÖn h¬n. 74 6.4.3. Bé ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña Robocar 6.4.3.1. S¬ ®å nguyªn lý hÖ thèng ®iÖn ®iÒu khiÓn trªn Robocar §Ìn ®á §Ìn xi nhan T/P §Ìn sau Chèt ®Öm ra 2 Chèt ®Öm ra 3 §éng c¬ buíc 1 §éng c¬ buíc 2 §éng c¬ buíc 3 Chèt ®Öm ra 1 Quay Camera Cßi chÝp Bus lÖnh nèi tiÕp Chän Chän Bé ®Öm vµo 1 Bé ®Öm vµo 2 Bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ l¸i Bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ l¸i Bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ l¸i Bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ l¸i 8 ®uêng vµo 2 8 ®uêng vµo 2 C¸c c¶m biÕn vÞ trÝ khíp cña tay m¸y C¸c c¶m biÕn siªu ©m , hång ngo¹i P1 P0 Chèt Chèt Chèt P3 18,432 MHz Xung vµo 1 Xung vµo 2 Xung vµo 3 Bé ®iÒu khiÓn thu Ph¸t Xcite An ten XTAL1 XTAL2 B¶ng ®iÒu khiÓn b»ng tay Bus SS +5V Reset B é V X L A T 89 C 52 H×nh 1.1.41. Nguyªn lý hÖ thèng ®iÖn ®iÒu khiÓn Robocar 75 6.4.3.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña bé ®iÒu khiÓn chÝnh Bé ®iÒu khiÓn chÝnh cña Robocar RP ®−îc thiÕt kÕ trªn bé vi xö lý 89C52 lµ bé vi xö lý one-chip theo chuÈn c«ng nghiÖp MCS-51 nh−ng tÝnh n¨ng cao h¬n v× cã chøa bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn trong lªn tíi 8Kbyte. B¶ng m¹ch nµy cã thiÕt kÕ bao gåm 2 cæng vµo sè vµ 4 cæng ra sè, c¸c cæng vµo ra ®−îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c chÝp ®Öm cæng song song, mçi cæng vµo ra cã 8 ®−êng dÉn sè. Vi m¹ch ®Öm cña c¸c cæng vµo ra lµ IC 74HC víi BHS d÷ liÖu ®−îc nèi víi cæng PO cña bé vi xö lý vµ c¸c ch©n ®iÒu khiÓn ®−îc nèi víi cæng PC cña vi xö lý. C¸c cæng vµo cña b¶ng m¹ch ®−îc quÐt liªn tôc víi tÇn sè quÐt lµ 50Hz, tÝn hiÖu vµo lÊy tõ c¸c bé c¶m biÕn h¹n chÕ hµnh tr×nh cña tay m¸y vµ c¸c sensor siªu ©m, sensor hång ngo¹i ®Æt trªn xe. C¸c cæng ra sè cña b¶ng m¹ch ®iÒu khiÓn c¸c bé drive cña c¸c ®éng c¬ b−íc vµ c¸c m¹ch khuyÕch ®¹i c«ng suÊt ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c thiÕt bÞ trªn xe nh− ®Ìn, cßi, xinhan v.v. Ngoµi c¸c cæng ra sè theo chuÈn song song nãi trªn, b¶ng m¹ch cßn cã 2 cæng vµo ra theo chuÈn nèi tiÕp. Mét cæng vµo ra sè ®−îc nèi víi bé ®iÒu khiÓn thu ph¸t v« tuyÕn dïng ®Ó nhËn lÖnh ®iÒu khiÓn tõ trung t©m ®iÒu khiÓn tõ xa truyÒn tÝn hiÖu vµ tr¶ lêi c¸c th«ng tin tr¹ng th¸i vÒ cho trung t©m. Mét cæng vµo ra sè thø 2 ®−îc dïng ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c b¶ng m¹ch lµ c¸c Driver cña c¸c ®éng c¬ 1 chiÒu, cæng nµy ®−îc thiÕt kÕ theo nguyªn lý ®iÒu khiÓn BUS nªn cã thÓ gäi lµ BUS nèi tiÕp, nã cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc tíi hµng chôc thiÕt bÞ ®−îc kÕt nèi vµo BUS. TÝn hiÖu theo 2 chiÒu ®i vÒ ®−îc truyÒn ®ång thêi trªn 2 ®−êng dÉn cña BUS lµ c¸c tÝn hiÖu nèi tiÕp nhau theo chuÈn truyÒn cña cæng nèi tiÕp RS 232. C¸c lÖnh ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®−îc bé vi xö lý m· hãa ®Þnh ®Þa chØ råi göi ra trªn BUS nèi tiÕp, c¸c thiÕt bÞ trªn BUS ®äc ®Þa chØ vµ khi ®óng víi ®Þa chØ ®−îc ®Æt tr−íc th× nã sÏ nhËn c¸c lÖnh råi gi¶i m· vµ thùc hiÖn, ®ång thêi göi tr¶ th«ng tin tr¹ng th¸i cña nã vÒ cho bé ®iÒu khiÓn chÝnh. 76 Bé ®iÒu khiÓn chÝnh ngoµi nhËn lÖnh ®iÒu khiÓn tõ xa cßn cã mét cæng ®iÒu khiÓn song song nhËn c¸c lÖnh tõ b¶ng ®iÒu khiÓn b»ng tay trªn xe phôc vô cho c¸c c«ng viÖc t¹i chç mµ kh«ng cÇn trung t©m ®iÒu khiÓn tõ xa. 6.4.3.3. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¸c bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ 1 chiÒu (Driver) Trªn Robocar cã 4 ®éng c¬ 1 chiÒu ®−îc ®iÒu khiÓn bëi 4 bé Drive ®éc lËp nhau. C¸c Drive nµy ®−îc kÕt nèi vµo BUS nèi tiÕp cña b¶ng m¹ch chÝnh ®Ó nhËn c¸c lÖnh ®iÒu khiÓn vµ tr¶ lêi c¸c th«ng tin tr¹ng th¸i cña chóng cho b¶ng m¹ch chÝnh. C¶ 4 Driver ®−îc thiÕt kÕ t−¬ng tù nhau vÒ phÇn cøng v× cã s¬ ®å nguyªn lý nh− trªn h×nh 3. Bé vi xö lý 89C 2051 ®−îc dïng lµm bé ®iÒu khiÓn cho c¸c Driver, c¸c driver nµy ®−îc ®Æt ®Þa chØ nhê c¸c ch©n chän ®Þa chØ, mçi Driver cã mét ®Þa chØ duy nhÊt, sè ®Þa chØ nµy ®−îc dïng ®Ó cho b¶ng m¹ch chÝnh gäi ®Õn c¸c Driver kh¸c nhau vµ kh«ng bÞ lÉn. Khi nhËn ®−îc tÝn hiÖu göi tõ b¶ng m¹ch cÝnh, bé vi xö lý so s¸nh ®Þa chØ cña nã víi ®Þa chØ lÖnh, nÕu 2 ®Þa chØ nµy trïng nhau th× lÖnh kÌm theo sÏ ®−îc nã nhËn vµo vµ gi¶i m· ®Ó thùc hiÖn, nÕu 2 ®Þa chØ kh«ng trïng nhau th× nã sÏ kh«ng nhËn tiÕp lÖnh kÌm theo n÷a, nhê vËy mµ tÊt c¶ c¸c ®−êng lÖnh cña c¸c Driver cã thÓ kÕt nèi víi ®−êng truyÒn duy nhÊt. LÖnh quay ®éng c¬ ®−îc vi xö lý ph¸t ra ®−a tíi bé ®iÒu khiÓn c«ng suÊt lµ m¹ch cÇu dïng ®Ó ®¶o chiÒu quay cña ®éng c¬, tèc ®é cña ®éng c¬ cã thÓ ®−îc thay ®æi nhê bé ®iÒu chÕ ®é réng xung (PWM) ®−îc thiÕt kÕ trong bé vi xö lý. C¸c c¶m biÕn ®Çu cuèi hµnh tr×nh vµ encoder ®o gãc ®−a tÝn hiÖu vÒ c¸c bé khuyÕch ®¹i ®Öm råi vµo vi xö lý, gióp cho vi xö lý cã thÓ ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c hµnh tr×nh cña c¬ cÊu vµ kiÓm so¸t ®−îc tèc ®é ®éng c¬. M¹ch ph¶i håi dßng tõ bé cÇu H ®−îc ®−a vµo vi xö lý gióp cho vi xö lý cã thÓ qu¶n lý t×nh 77 tr¹ng lµm viÖc cña m¹ch c«ng suÊt ®iÒu khiÓn ®éng c¬ tr¸nh cho nã kh«ng bÞ qu¸ t¶i. 6.4.4.4. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ di chuyÓn. §éng c¬ di chuyÓn cña Robocar lµ lo¹i ®éng c¬ mét chiÒu kh«ng cã chæi than. KhuÕch ®¹i dÖm 11,0592 MHz P3.7 P1.0 P3.3 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 Bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt cÇu H Quay tr¸i Quay ph¶i Chän ®Þa chØ Sun C¶m biÕn vÞ trÝ ®Çu cu«i Encoder do gãc +5V Ph¶n håi dßng +5V Reset Bé V X L A T 89C 2052 P3.0 P3.1 XTAL1 XTAL2 P3.2 P3.4 P3.5 Bus lÖnh nèi tiÕp LÖnh Reset H×nh 1.1.42. S¬ ®å nguyªn lý c¸c bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu 78 P3.0 P3.1 XTAL1 XTAL2 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P3.4 P3.5 P3.2 P3.3 LÖnh Reset Bus lÖnh nèi tÕp +5V 11,0592 MHz Reset +5V BiÕn ®æi D/A (§iÒu khiÓn tèc ®é) Bé c«ng suÊt ®iÒu khiÓn ®éng c¬ C¶m biÕn xung B é V X L A T 89C 2052 H×nh 1.1.43 S¬ ®å nguyªn lý bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ di chuyÓn 79 PhÇn Ii B¸o c¸o c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu theo nhiÖm vô 1 cña ®Ò tµi kc. 03.08 C¸c s¶n phÈm robocar øng dông I. Giíi thiÖu chung Sau khi hoµn thµnh phiªn b¶n 01 Robocar RP, tõ ®©y sÏ gäi t¾t lµ Robocar RP-01, §Ò tµi ®· triÓn khai giai ®o¹n kh¶o nghiÖm. Qua ®ã ®· ®i ®Õn nh÷ng nhËn ®Þnh sau: - Trong thùc tÕ ë c¸c ph©n x−ëng c«ng nghiÖp th«ng th−êng mµ §Ò tµi cã thÓ tiÕp cËn ®−îc hÇu nh− kh«ng cã nhu cÇu dïng robot “th«ng minh hãa”. V× vËy, cÇn thay ®æi ®Þnh h−íng “phôc vô c«ng nghiÖp” mµ §Ò tµi tù ®Æt ra khi triÓn khai c«ng viÖc thiÕt kÕ Robocar RP-01. Ph¹m vi mµ §Ò tµi nh»m øng dông lµ phôc vô c«ng t¸c phßng dÞch bÖnh vµ phôc vô ng−êi giµ yÕu tµng tËt. Sù chuyÓn h−íng ®ã cã thÓ lµ do nhËn thøc ®−îc c¸c nhu cÇu thùc tÕ trong t−¬ng lai gÇn, nh−ng còng cã thÓ do t¸c ®éng cña xu thÕ cña thÕ giíi chuyÓn tõ “robot c«ng nghiÖp” sang ®Çu t− cho “robot dÞch vô”. Sù chuyÓn h−íng ®ã tá ra lµ ®óng ®¾n bëi v× sau khi “tiÕp thÞ” nh÷ng s¶n phÈm míi §Ò tµi ®· nhËn ®−îc mét vµi n¬i “®Æt hµng”. - ViÖc triÓn khai ý t−ëng “th«ng minh hãa” cho robot kh«ng thÓ chung chung ®−îc mµ ph¶i nh»m thùc hiÖn mét lo¹i viÖc cô thÓ nµo ®ã. V× vËy theo con ®−êng tiÕp tôc ph−¬ng ph¸p ghÐp nèi nh÷ng kÕt qu¶ ®· ®−îc nghiªn cøu m«®un hãa trong phßng thÝ nghiÖm thµnh nh÷ng s¶n phÈm theo nhu cÇu øng dông, §Ò tµi ®· thiÕt kÕ chÕ t¹o ra mét robocar cì nhá, gäi tªn lµ Robocar FI, ®Ó cã thÓ ch¹y trong phßng thÝ nghiÖm qu¸ chËp hÑp víi môc ®Ých thö nghiÖm víi c¸c m«®un ®iÒu khiÓn dïng c¸c lo¹i sensor kh¸c nhau. 80 Theo sù chuyÓn h−íng míi vÒ ph¹m vi øng dông vµ c¸ch tiÕp cËn vÊn ®Ò “th«ng minh hãa” nh− ®· tr×nh bµy ë trªn §Ò tµi ®· hßan thµnh mét sè kÕt qu¶ nh− Robocar “Ch÷ thËp ®á”, xe l¨n ®iÖn ch¹y tù ®éng, xe ghÕ ®iÖn tù ®éng vµ mét vµi lo¹i thiÕt bÞ nh− Robocar PHC, Robocar BB ®ang triÓn khai ®Ó dïng 2 bÖnh viÖn ë Hµ Néi. II. Robocar TN trong phßng thÝ nghiÖm 2.1. Giíi thiÖu chung §Ó cã ®iÒu kiÖn tiÕp tôc c¸c néi dung nghiªn cøu vËn hµnh khi ®−îc trang bÞ nh÷ng lo¹i sensor ®Ó thao t¸c nh÷ng c«ng viÖc kh¸c nhau, §Ò tµi ®· thiÕt kÕ, chÕ t¹o ra mét Robocar kÝch cì nhá ®Ó thö nghiÖm trong phßng, gäi tªn lµ Robocar TN. Robocar TN gåm mét m«®un xe di chuyÓn cì nhá, trªn ®ã cã thÓ g¸ l¾p nhiÒu lo¹i sensor kh¸c nhau tïy theo c«ng viÖc thö nghiÖm. PhÇn robot ®Æt trªn xe lµ Robot SCA cã 4 bËc tù do thùc hiÖn ®−îc c¸c thao t¸c c«ng g¾p. B¶n th©n Robocar TN ®ång thêi còng lµ mét s¶n phÈm ®éc lËp. Nã ®−îc thiÕt kÕ lµm bé phËn chñ yÕu cho nh÷ng thiÕt bÞ phôc vô ng−êi tµn tËt, giµ yÕu, nªn tho¹t ®Çu cßn ®Æt tªn lµ Robocar FI (Robocar For Invalid). Tuy kh«ng thµnh s¶n phÈm ®éc lËp nh− tªn gäi, nh−ng ®· ®−îc dïng rÊt hiÖu qu¶ ®Ó thö nghiÖm c¸c m«®un ghÐp nèi víi sensor c¸c lo¹i, dïng cho c¸c s¶n phÈm xe l¨n ®iÖn, xe ghÕ ch¹y tù ®éng sau nµy. 2.2. ThiÕt kÕ chÕ t¹o Robocar TN - C¸c h×nh 1.2.1. tõ trang 82 ®Õn trang 85 lµ mét sè b¶n vÏ chñ yÕu (®· ghi chó tªn gäi trªn b¶n vÏ) thiÕt kÕ cho bé phËn di ®éng cña Robocar FI. - H×nh 1.2.4 trªn tõ trang 86 lµ ¶nh chôp c¸c bé phËn cÊu thµnh Robocar TN 81 - H×nh 1.2.5 trang 87 lµ ¶nh chôp bé phËn c¶m biÕn tÝn hiÖu dÉn ®−êng dïng c¸c sensor nhËn biÕt mÇu. - H×nh 1.2.6 trang 88 lµ ¶nh chôp sensor hång ngo¹i dïng cho Robocar TN - H×nh 1.2.7 trang 89 lµ ¶nh chôp sensor siªu ©m dïng cho Robocar FI. 85 Bé phËn cÊu thµnh Robocar TN H×nh 1.2.4. Robot TN trong phßng thÝ nghiÖm 86 H×nh 1.2.5. Bé phËn c¶m biÕn tÝn hiÖu dÉn ®−êng dïng c¸c sensor nhËn biÕt mµu 87 Sensor hång ngo¹i dïng cho Robocar TN H×nh 1.2.6 .C¸c sensor hång ngo¹i dïng cho Robocar TN 88 H×nh 1.2.7. Sensor siªu ©m dïng cho Robocar TN 89 2.3. C¸c sensor ®−îc sö dông 2.3.1. M«®un c¶m biÕn siªu ©m ph¸t hiÖn ch−íng ng¹i vËt Khái niệm về cảm biến: Các thiết bị cảm biến (sensors) trang bị cho robot để thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot và loại cảm biến dùng trong kỹ thuật robot, có thể phân ra 2 loại: - Cảm biến nội tín hiệu (internal sensors) đảm bảo thông tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác động trong các bộ phận quan trọng của robot. Các thông tin này là những tín hiệu phản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động của robot. - Cảm biến ngoại tín hiệu (external sensors) cung cấp thông tin về đối tác và môi trường làm việc, phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc thao tác trong không gian làm việc. Để làm được việc đó, cần có các loại cảm biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “xúc giác” và cảm biến “thị giác” v.v. Để thực hiện nhiệm vụ của các loại cảm biến nội tín hiệu và ngoại tín hiệu nói trên có thể dùng nhiều kiểu cảm biến thông dụng hoặc chuyên dụng. Các cảm biến thông dụng không chỉ dùng cho kỹ thuật robot mà còn dùng nhiều trong các thiết bị kỹ thuật khác. Có nhiều tài liệu kỹ thuật về các kiểu cảm biến này. Tuỳ theo các dạng tín hiệu cần nhận biết mà phân thành các kiểu cảm biến khác nhau: cảm biến lực, vận tốc, gia tốc, vị trí, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ v.v. Tuỳ theo cách thức nhận tín hiệu lại phân ra các kiểu khác nhau. Ví dụ, cũng là cảm biến vị trí nhưng có kiểu cảm ứng, kiểu điện dụng, kiểu điện trở, kiểu điện quang v.v. 90 Nguyên lý cơ bản của cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm phát hiện mục tiêu bằng chùm sóng âm mà nó phát ra (hình 1.2.8) Cảm biến phát ra một chùm sóng âm ngắn cường độ cao từ một bộ phận chuyển đối áp điện. Chùm sóng này khi gặp vật sẽ bị dội ngược lại. Cảm biến xác định được khoảng cách bằng phép đo thời gian từ lúc phát đi chùm sóng tới lúc nhận được tín hiệu trở lại. Phương pháp cảm nhận này có độ tin cậy cao mà không phụ thuộc vào màu sắc, chất liệu của vật đối tượng. Hình 1.2.8 Trên hình 1.2.9. mô tả cấu tạo một loại cảm biến siêu âm dùng trong kỹ thuật robot để nhận biết tín hiệu gần. Phần chủ yếu là bộ biến âm dùng chất gốm điện (1) được bảo vệ bằng chất nhựa tổng hợp (2). Tiếp theo là phần giảm âm (3), cáp điện (4), vỏ kim loại (5) và vỏ bọc (6) Hình 1.2.9. Để tìm hiểu hoạt động của cảm biến siêu âm, cần phân tích các tín hiệu khi nhận cũng như khi truyền âm lượng. Dạng điển hình của các tín hiệu này cho trên hình 1.2.10 A là tín hiệu mang, B là các tín hiệu phát ra (1) và tín 91 hiệu phản lại (2). Các xung C tách biệt tín hiệu truyền và tín hiệu nhận. Để phân biệt sự khác nhau giữa các xung, tương ứng với tín hiệu mang và tín hiệu phản lại, tạo ra tín hiệu D. ∆t là khoảng thời gian đo nhỏ nhất, còn t1 + t2 là khoảng đo lớn nhất. Các khoảng thời gian này tương ứng với khoảng truyền sóng trong môi trường khi nhận được tín hiệu phản lại (lúc đó tín hiệu D có giá trị lớn nhất) sẽ hình thành tín hiệu E và sẽ có giá trị bằng không khí kết thúc xung tín hiệu A. Cuối cùng tín hiệu F sẽ hình thành khi xuất hiện xung tín hiệu E và sẽ là tín hiệu ra của cảm biến siêu âm hoạt động theo chế độ nhị phân. Hình 1.2.10 3.2. Mô tả các loại cảm biến siêu âm Caûm bieán sieâu aâm laø giaûi phaùp lyù töôûng ñeå ño vò trí vaø khoaûng caùch khoâng tieáp xuùc trong taát caû caùc laõnh vöïc coâng nghieäp, ñaëc bieät trong moâi tröôøng nhieàu buïi, khoùi hoaëc hôi nöôùc coù khaû naêng aûnh höôûng xaáu ñeán caûm bieán. Coù theå doø caùc chaát raén, chaát loûng trong phaïm vi xa vôùi ñoä chính xaùc cao. Caûm bieán phaùt tín hieäu töông töï hoaëc tín hieäu soá taïi coång ra. 92 Hình 1.2.11 Ñaëc tröng : - Hieäu chænh nhieät ñoä ngang baèng söï dao ñoäng vaän toác aâm thanh do söï thay ñoåi nhieät ñoä khoâng khí - Ñoàng boä hoùa tín hieäu vaøo nhaèm traùnh nhieãu xuyeân aâm khi nhieàu boä caûm bieán ñöôïc laép ñaët gaàn nhau. - Caûm bieán vôùi tín hieäu ra töông töï vaø/hoaëc soá - Phaïm vi phaùt hieän roäng - Phaïm vi phaùt hieän coù theå ñieàu chænh ñöôïc - Coù khaû naêng buø nhieät ñoä - Coång ra linh ñoäng - Coù nhieàu hình daïng khaùc nhau - Giaûm ñoä oàn cao - Coù theå giao tieáp vôùi maùy tính - Hoaït ñoäng ñoàng thôøi vôùi thieát bò giao tieáp Hình 1.2.12 Phaïm vi hoaït ñoäng coù theå ñieàu chænh = Caøi ñaët chuyeån maïch DIP 93 Hình 1.2.13 Phaïm vi hoaït ñoäng coù theå ñieàu chænh ñöôïc Gaén ñaàu noái chöông trình - Giôùi haïn gaàn - Giôùi haïn xa - Chöùc naêng taùc ñoäng coång ra Coù theå thay ñoåi chöông trình baèng phaàn meàm Hình 1.2.14 Caùc loaïi coång ra raát linh ñoäng • - Coång ra coâng taéc • - Coång ra töông töï • - Coång ra 8 Bits BCD • - Giao tieáp RS 232 Nhieàu daïng khaùc nhau Loaïi cô baûn (UB) - 2 taùc ñoäng coång ra - 2 coång ra ñoäc laäp - 5 chöùc naêng coång ra khaùc nhau Hình 1.2.15 - Phaïm vi hoaït ñoäng coù theå ñieàu chænh qua chöông trình 94 2.4. Nh÷ng nhËn xÐt qua thö nghiÖm Sau khi hoµn thµnh viÖc chÕ t¹o, l¾p r¸p Robocar TN ®É tiÕn hµnh nhiÒu thö nghiÖm víi mét vµi lo¹i sensor kh¸c nhau. Víi ®Þnh h−íng ban ®Çu cho Robocar phôc vô lµ ng−êi tµn tËt, giµ yÕu, nªn ®· chän ®Þa h×nh thao t¸c lµ c¸c c¨n phßng kh«ng cã lèi ®Ý dµnh riªng cho Robocar. C¸c ph−¬ng ph¸p di chuyÓn cã ®−êng dÉn chØ ®Þnh tr−íc còng ®−îc thö nghiÖm, nh−ng thÊy sÏ kh«ng phï hîp cho kh¶ n¨ng øng dông thùc tÕ. V× vËy §Ò tµi tËp trung ®i s©u nghiªn cøu c¸c néi dung: - C¸c ph−¬ng ¸n kh¶ thi ®Ó ®iÒu khiÓn tù ®éng Robocar khi kh«ng cã ®−êng dÉn chØ ®Þnh tr−íc. Trong ®ã dÆc biÖt chó ý ®Õn sensor siªu ©m, sensor hång ngo¹i vµ hÖ thèng camera gi¸ thµnh thÊp. - Sù t−¬ng thÝch gi÷a ®é nh¹y cña c¸c sensor víi møc ®é ®¸p øng cña c¬ cÊu chÊp hµnh cña Robocar. - TiÕp cËn ®Õn lÜnh vùc thÞ gi¸c m¸y (Computer Vision) t−¬ng ®èi míi mÎ. Sau nhiÒu lÇn thö nghiÖm víi c¸c néi dung nãi trªn ®· hiÖn thùc ®−îc c¸c gi¶i ph¸p tin cËy vµ víi møc ®Çu t− t−¬ng ®èi thÊp, nªn cã triÓn väng tèt trong øng dông. Cô thÓ lµ: 1) Dïng hÖ thèng 2 sensor hång ngo¹i l¾p bªn h«ng Robocar cã thÓ ®¶m b¶o mét hµnh lang di chuyÓn cho nã ®i men theo t−êng ch¾n vµ lu«n lu«n gi÷ kho¶ng c¸ch víi t−êng ch¾n. Nh− vËy Robocar cã thÓ di chuyÓn trong c¨n phßng mµ kh«ng cÇn chØ ®Þnh tr−íc ®−êng dÉn. 2) Sensor siªu ©m cïng bé phËn nèi ghÐp víi bé xö lý cã thÓ x©y dùng nh− mét m«®un t−¬ng ®èi ®éc lËp ®Ó ghÐp nèi víi hÖ thèng ®iÒu khiÓn Robocar ®Ó tù xö lý khi gÆp ch−íng ng¹i hoÆc ®¬n thuÇn chØ lµ ®Ó c¶nh b¸o, tïy theo møc ®é cÇn thiÕt vµ møc ®é ®Çu t−. 95 3) Dïng camera vµ xö lý ¶nh cho robot lµ mét lÜnh vùc ®a d¹ng øng dông ph−¬ng ph¸p nµo lµ phô thuéc vµo nhiÖm vô ®Æt ra. ë ®©y nhiÖm vô lµ ph¸t hiÖn c¸c ®å vËt theo mµu s¾c. Trong nhiÖm vô 2 cña §Ò tµi khi nghiªn cøu gi¶i ph¸p dïng robot ph©n lo¹i s¶n phÈm theo mµu s¾c, dïng ph−¬ng ph¸p “d¹y häc” cho robot nhËn biÕt mµu. Cßn ë ®©y ®Ó cho Robocar tù ph¸t hiÖn vµ ®i tíi chç ®Æt ®å vËt cã mµu s¾c nhÊt ®Þnh, ®· dïng ph−¬ng ph¸p cña “thÞ gi¸c m¸y” (Computer Vision), tøc lµ nh×n vµ xö lý qua mµn h×nh m¸y tÝnh. C¸c hÖ thèng thiÕt bÞ cïng víi c¸c sensor nãi trªn ®· ®−îc thö nghiÖm trªn Robocar TN vµ ®· ®−îc c¶i tiÕn hßan chØnh thµnh c¸c m«®un l¾p trªn c¸c s¶n phÈm øng dông nh− Robocar “Ch÷ thËp ®á” hoÆc trªn xe l¨n ®iÖn vµ xe ghÕ ch¹y ®iÖn tù ®éng, khi tr×nh bµy c¸c s¶n phÈm øng dông nµy sÏ m« t¶ chi tiÕt c¸c m«®un nãi trªn. 96 III. Robocar “Ch÷ thËp ®á” 3.1. Giíi thiÖu chung VËn dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ Robocar RP vµ theo ®Þnh h−íng míi chuyÓn tõ phôc vô c«ng nghiÖp sang phôc vô c¸c dÞch vô, trong ®ã cã phôc vô søc kháe con ng−êi, §Ò tµi ®· thµnh c«ng trong viÖc t¹o ra mét robocar phôc vô phßng dÞch bÖnh vµ ®Æt tªn lµ Robocar “Ch÷ thËp ®á”. Vµo thêi gian ®ã còng míi xuÊt hiÖn dÞch SARS vµ ®−îc biÕt th«ng tin tõ VTV1 r»ng ë Trung Quèc ®ang triÓn khai nghiªn cøu chÕ thö Robocar ®Ó phßng chèng dÞch. 3.2. KÕt cÊu c¸c bé phËn chÊp hµnh 3.2.1. KÕt cÊu xe di chuyÓn VËn dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ m«®un xe di chuyÓn cña Robocar RP ®· ®−îc tr×nh bµy chi tiÕt ë phÇn I, trong môc nµy chØ tr×nh bµy c¸c hå s¬ kü thuËt vµ c¸c b¶n vÏ thiÕt kÕ cho tr−êng hîp cô thÓ cña Robocar “Ch÷ thËp ®á”. VÒ c¬ b¶n ®Òu gièng nh− c¸c b¶n vÏ dïng cho m«®un xe di chuyÓn cña Robocar RP, chØ thay ®æi mét sè chç ®Ó phï hîp víi c¸c thiÕt bÞ l¾p trªn nã nh− hÖ thèng b¬m phun vµ c¬ cÊu robot mang ®Çu phun. H×nh 1.2.16. lµ b¶n vÏ l¾p m«®un xe di chuyÓn cña Robocar “Ch÷ thËp ®á” H×nh 1.2.17. B¶n vÏ l¾p tæng thÓ cña Robocar “Ch÷ thËp ®á” 97 H×nh 1.2.16. B¶n vÏ l¾p m«®un xe di chuyÓn cña Robocar 175 90 0 640 M od ul x e D uy Öt N gµ y G S. N gu yÔ n T hi Ön P hó c H −í ng d Én T hi Õt k Õ C hø c n¨ ng H ä vµ tª n C h÷ k ý § H B K - H N T ru ng t© m n gh iª n cø u T § H T Ø l Ö 1: 1 1 2 3 4 5 V Ët li Öu K ý hi Öu 3 25 4 1 V Þ tr Ý 2 22 2 B ¸n h r¨ ng lí n § én g c¬ B ¸n h xe B ¸n h r¨ ng n há SL T ªn g äi T rô c 1 G hi ch ó T hi Õt k Õ ch Õ t¹ o " R ob oc ar C h÷ th Ëp ® á " H oµ ng A nh § ¹i G S. N gu yÔ n T hi Ön P hó c C hñ n hi Öm N gu y? n V an M in h 98 H×nh 1.2.17. B¶n vÏ l¾p tæng thÓ cña Robocar “Ch÷ thËp ®á” N gu y? n Th i? n Ph úc T ªn g äi C ôm ta y b¬ m H ép ® iÒ u kh iÓ n 1370 90 0 12 40 640 4 3 3 H uí ng d Én C hñ n hi Öm D uy ?t N gu y? n V an M in h G S. N gu yÔ n T hi Ön P hó c Th i? t k ? Tr . n hi ?m 2 1 V Þ t rÝ H oµ ng A nh § ¹i H ? và tê n ¾p q ui 4 B ×n h ph un 882 1 2 51 0 1 S? lu ?n g: 1 Đ ? tà i K C - 03 - 08 Tr un g tâ m N C K T T? d ?n g hó a Tr u? ng Đ ?i h ?c B ác h K ho a H à N ?i B ¶ n v Ï l¾ p R O B O C A R " c h ÷ t h Ëp ® á " V Ët li Öu N gà y K ý 2 1 S è l− în g B ?n v ? s? : § ¬n v Þ K hè i l −î ng T æn g sè T? l? : 1: 1 G hi c hó 1 99 3.2.2. C¬ cÊu robot C¬ cÊu robot trªn Robocar “Ch÷ thËp ®á” lµ mét d¹ng ®¬n gi¶n cña Robot RP, chØ cßn l¹i 3 bËc tù do chñ yÕu: quay th©n quanh trôc th¼ng ®øng, thay ®æi tÇm v−¬n xa vµ v−¬n cao cña c¸nh tay. NhiÖm vô cña robot nµy lµ mang ®Çu phun (phun hãa chÊt phßng dÞch) quÐt trong kh«ng gian thao t¸c vµ kh«ng ®ßi hái ®é chÝnh x¸c qu¸ cao. Tuy nhiªn robot l¹i cÇn thao t¸c linh ho¹t, gän nhÑ vµ c¸c bé truyÒn ®Òu ®Æt kÝn ë phÝa d−íi. Nh− vËy c¬ cÊu pantograph víi 2 con tr−ît chñ ®éng lµ hßan toµn thÝch hîp lµm c¬ cÊu robot nµy vµ lý thuyÕt tÝnh to¸n vÒ c¬ cÊu nµy ®· tr×nh bµy khi nghiªn cøu vÒ robot RP. VËn dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ®ã cho tr−êng hîp Robocar “Ch÷ thËp ®á” víi tinh th©n ®¬n gi¶n hãa ®i nhiÒu ®Ó h¹ gi¸ thµnh nh»m cho nhiÒu n¬i cã thÓ ®Çu t− øng dông ®−îc. H×nh 1.2.18 lµ b¶n vÏ kÕt cÊu m«®un robot cña Robocar “Ch÷ thËp ®á” 100 H×nh 1.2.18. B¶n vÏ kÕt cÊu m«®un robot 1 2 3 4 D uy Öt 1 7 K hí p qu ay 2 H −í ng d Én T hi Õt k Õ C hø c n¨ ng V Þ tr Ý16 45 23 1 T Êm g ¸ 1 K ý hi Öu C h÷ k ý N gµ y H ä vµ tª n T ªn g äi SL æ bi T hÐ p hé p ta y N èi tr ôc V Ýt m e K hí p qu ay 1 4 22 21 10 89 T ha nh tr uî t T rô c tr ¬n T Êm g ¸ 2 1 12 G hi ch ó V Ët li Öu 5 6 9 10 8 7 T Ø l Ö 1: 1 M od ul C ¸n h ta y § H B K - H N T ru ng t© m n gh iª n cø u T § H G S. N gu yÔ n Th iÖ n Ph óc 44 5 390 12 0 T hi Õt k Õ ch Õ t¹ o " R ob oc ar C h÷ th Ëp ® á " H oµ ng A nh § ¹i C hñ n hi Öm G S. N gu yÔ n T hi Ön P hó c N gu y? n V an M in h 101 3.2.3. HÖ thèng b¬m phun Hệ thống bơm hóa chất của Robocar phun hóa chất phòng dịch ta có thể lựa chọn các phương án. + Phương án 1: Dùng một bơm điện để bơm trực tiếp hóa chất từ thùng chứa ra vòi phun. Đặc điểm của phương án này là phương pháp bơm đơn giản. Áp suất vòi phun phụ thuộc vào công suất của động cơ. Nó có nhược điểm là dung dịch hóa chất sẽ đi qua bơm. Ảnh hưởng tới công suất làm việc của động cơ. + Phương án 2: Sử dụng bình phun có bộ phận tích áp và một Pitong nén khí. Bộ phận tích áp có tác dụng giúp cho áp suất vòi phun luôn ở mức cố định. Ta dùng cơ cấu trục khuỷu để truyền chuyển động giữa động cơ và Pitông + Phương án 3: Sử dụng bơm khí nén để phun hóa chất. Nếu sử dụng phương án này sẽ có ưu điểm, đơn giản về kết cấu, hóa chất sẽ không đi qua bơm. Tuy nhiên trên thị trường loại bơm khí nén dùng nguồn điện một chiều 24V có rất ít. Với nhưng phương án đã trình bày thì chúng ta sử dụng phương án 2 để thiết kế hệ thống bơm cho Robot. * Kết cấu cơ khí của hệ thống bơm hóa chất - Thông số động cơ : dùng động cơ điện một chiều DK có P= 0,15kW; sbn = 80 v/ph ; khối lượng động cơ M = 1,7 kg - Bình chứa hóa chất dung tích V = 1,8 m3 - Cơ cấu trục khuỷu : + Cần lắc có độ dài l1 = 40 mm. + Thanh truyền có độ dài l2 = 100 mm. + Cần lắc có độ dài l3 = 250 mm 102 Hình 1.2.19 : Kết cấu cơ khí của hệ thống bơm hóa chất 3.3. X©y dùng m« h×nh ®éng häc cña hÖ thèng Robocar – Camera 3.3.1. Chän c¸c hÖ täa ®é Trªn h×nh 1.2.20 m« t¶ vÞ trÝ cña camera vµ robocar trong hÖ to¹ ®é cè ®Þnh X, Y, Z. §©y lµ tr−êng hîp camera l¾p trªn robocar vµ di ®éng cïng víi robocar. Chän hÖ to¹ ®é Xk, Yk, Zk g¾n liÒn víi robocar t¹i ®iÓm K n»m trong mÆt ph¼ng trung t©m Zk, Yk cña robocar vµ t¹i vÝ trÝ h×nh chiÕu trªn trôc Yk cña ®iÓm P, ®iÓm ®Æt cña gi¸ quay camera. Gäi hÖ to¹ ®é g¾n liÒn víi gi¸ quay cña camera t¹i ®iÓm gèc P lµ Xp, Yp, Zp. V× gi¸ quay cña camera g¾n liÒn víi robocar nªn gi÷a Xp, Yp, Zp vµ Xk, Yk, Zk kh«ng cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi nhau. Víi c¸ch chän ®iÓm K nh− trªn th× xem nh− dêi gèc to¹ ®é cña hÖ Xk, Yk, Zk ®i mét ®o¹n KP däc theo trôc Zk ta sÏ cã hÖ Xp, Yp, Zp. §Æt hÖ to¹ ®é g¾n liÒn víi camera lµ Xc, Yc, Zc. Trôc Zc trïng víi trôc thÊu kÝnh cña camera. MÆt ph¼ng Xc, Yc lµ mÆt ph¼ng chiÕu. T©m C cña mÆt ph¼ng chiÕu chän trïng víi ®iÓm P cho ®¬n gi¶n viÖc m« t¶. NÕu kh¸c ®i th× chØ cÇn thùc hiÖn thªm phÐp tÞnh tiÕn mÆt ph¼ng chiÕu däc trôc Zc. VÝ trÞ ban ®Çu cña c¸c trôc Xc, Yc, Zc trïng víi Xp, Yp, Zp t−¬ng øng. PhÐp chuyÓn tõ Xp, 103 Yp, Zp sang Xc, Yc, Zc ®−îc thùc hiÖn theo 2 b−íc: 1) Quay gãc φ quanh trôc Zp, gãc φ gäi lµ “gãc h−íng”; 2) Quay tiÕp gãc θ quanh trôc Xc ë vÞ trÝ míi, gãc θ gäi lµ “gãc tÇm”. ChiÒu cña c¸c gãc quay φ vµ θ ®Òu theo quy t¾c “vÆn nót chai” th«ng dông. H×nh 1.2.20 3.3.2. M« t¶ ®èi t−îng quan s¸t trong c¸c hÖ to¹ ®é Gäi M lµ mét ®iÓm bÊt kú cña ®èi t−îng quan s¸t. Trong hÖ to¹ ®é cè ®Þnh ®iÓm M ®−îc x¸c ®Þnh b»ng b¸n kÝnh vÐct¬ r . TZYXr )1,,,(= (1) Cßn trong hÖ to¹ ®é g¾n liÒn víi camera Xc, Yc, Zc ®iÓm M nµy ®−îc x¸c ®Þnh b»ng b¸n kÝnh vect¬ cr . cr = Aco . r (2) víi Aco = Acp. Apk. Ako (3) O X Y Z Xk K Yk Z Xc XP Yp Zc PC ZP φ −θ rk 104 Trong ®ã: Ako = ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ 1000 100 010 001 kz ky kx r r r (4) Apk = ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ 1000 100 0010 0001 h , h = PK (5) Acp = ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ − ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ − 1000 0cossin0 0sincos0 0001 1000 0100 00cossin 00sincos θθ θθφφ φφ (6) Tõ biÓu thøc (2) ta cã: COCcCO rArAr . 1 == − (7) ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ − −−= 1000 0coscossinsinsin 0sincoscossin.cos 00sincos θφθφθ θφθφθ φφ cpA (6*) TÝch ma trËn nghÞch ®¶o tõ biÓu thøc (3): 11111 )( −−−−− == CPPKKOKOPKCPCO AAAAAAA (8) ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ +++−− +−+−− + = 1000 cos)(cos.sinsincoscossinsinsin sin)(coscossincossincoscossincos sincos0sincos θφθθθφθφθ θφθθθφθφθ φφφφ hrrr hrrr rr A KZKYKX KZKYKX KYKX CO (8*) ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ +−− − −−− == 1000 )(cossin0 cossincoscossin sinsinsincoscos 1 hr r r AA KZ KY KX COOC θθ φθφθφ φθφθφ (8**) 105 3.3.3. X¸c ®Þnh vÞ trÝ ®iÓm quan s¸t trªn mµn h×nh camera Trªn h×nh 1.2.21 m« t¶ s¬ ®å phÐp chiÕu quang häc. HÖ to¹ ®é Xc, Yc, Zc g¾n liÒn víi camera. Trôc Zc trïng víi trôc chÝnh qua t©m thÊu kÝnh vµ mÆt ph¼ng XcYc lµ mÆt ph¼ng chiÕu. Nh− vËy gèc cña hÖ to¹ ®é nµy trïng víi t©m C cña mÆt ph¼ng chiÕu, cßn t©m thÊu kinh cã to¹ ®é lµ (0, 0, λ) víi λ lµ kho¶ng c¸ch tiªu cù. H×nh 1.2.21 H×nh chiÕu phèi c¶nh cña ®iÓm M trªn mÆt ph¼ng chiÕu Xc, Yc lµ ®iÓm m. Nh− ®· nªu trong [1] to¹ ®é cña ®iÓm m ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng tr×nh sau: ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +− = ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ − = 111/100 0100 0010 0001 ~ λλ C C C C C C C cm Z Z Y X Z Y X r (9) vÐct¬ më réng cmr~ biÓu thÞ ®iÓm m trong hÖ to¹ ®é ®ång nhÊt b»ng 4 thµnh phÇn, cßn trong hÖ to¹ ®é thùc 3 chiÒu th×: ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − = C C C C C C C Z Z Z Y Z X r λ λ λ λ λ λ (10) [1] NguyÔn ThiÖn Phóc, Robot C«ng nghiÖp, NXB KH&KT, Hµ Néi, 2004 C Z Y M X m c c c λ 106 Hai thµnh phÇn ®Çu cña vÐct¬ Cr lµ h×nh chiÕu m (Xcm, Ycm) cña ®iÓm M trªn (mÆt ph¼ng chiÕu) mµn h×nh camera. Thµnh phÇn thø 3 kh«ng tån t¹i trªn mÆt ph¼ng chiÕu. Nãi kh¸c ®i, m kh«ng chØ lµ h×nh chiÕu cña mét ®iÓm M mµ lµ cña tÊt c¶ c¸c ®iÓm n»m trªn ®−êng th¼ng sau: ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ −= −= )( )( c cm c c cm c Z Y Y Z X X λλ λλ (11) Râ rµng lµ nÕu chØ biÕt to¹ ®é h×nh chiÕu m (Xcm, Ycm) trªn mÆt ph¼ng chiÕu th× ch−a ®ñ ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña ®iÓm ®ã trong kh«ng gian 3 chiÒu, mµ cÇn bæ sung thªm th«ng tin kh¸c, vÝ dô to¹ ®é Zc. Tuy nhiªn khi cho biÕt ®iÓm M cña ®èi t−îng ®−îc quan s¸t, th× 2 to¹ ®é Xcm vµ Ycm lµ ®ñ ®Ó x¸c ®Þnh ®iÓm m h×nh chiÕu trªn mµn h×nh camera. c c cm Z XX −= λ λ (12) c c cm Z YY −= λ λ (13) Theo (2) ta cã: θφθφθ θφθφθ θφθφθ θφθφθ φφ φφφφ cos)(cossinsinsin coscossinsinsin sin)(coscossincos sincoscossincos sin)(cos)( sincossincos hrrr ZYXZ hrrr ZYXY rYrX rrYXX KZKYKX C KZKYKX C KYKX KYKXC +++− −++−= +−+− −−+−= +++= =+++= (13*) NÕu dïng kÕt hîp chóng víi ph−¬ng tr×nh (12) vµ (13) ta cã thÓ x¸c ®Þnh Xcm, Ycm theo c¸c to¹ ®é cña ®iÓm M trong hÖ to¹ ®é cè ®Þnh: Xcm = f1 (X, Y, Z) (14) Ycm = f2 (X, Y, Z) (15) 3.3.4. Khèng chÕ vïng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh 107 Bµi to¸n ®−îc ®Æt ra nh− sau: cho biÕt ®èi t−îng cÇn quan s¸t chØ xuÊt hiÖn trong vïng kh«ng gian sau: Xmin ≤ X ≤ Xmax (16) Ymin ≤ Y ≤ Ymax (17) Zmin ≤ Z ≤ Zmax (18) §Ó ®¶m b¶o cho h×nh chiÕu trªn mµn h×nh camera cña ®èi t−îng quan s¸t lu«n lu«n n»m trong vïng mong muèn: Xcmin≤ Xc ≤ Xc max (19) Yc max ≤ Yc ≤ Yc max (20) CÇn ph¶i khèng chÕ ph¹m vi c¸c gãc quay cña camera: φ ≤ φmax (21) θ ≤ θmax (22) Trªn c¬ së c¸c ph−¬ng tr×nh (14), (15) vµ chó ý r»ng quan hÖ gi÷a X, Y, Z vµ Xc, Yc, Zc, nh− thÊy râ trong c¸c biÓu thøc (2) ÷ (7), phô thuéc vµo c¸c gãc φ vµ θ. Tõ c¸c biÓu thøc quan hÖ ®ã cã thÓ tÝnh to¸n ra gi¸ trÞ c¸c gãc φ vµ θ theo gi¸ trÞ tøc thêi X, Y, Z. 3.4. VÊn ®Ò xö lý ¶nh vµ c¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho Robocar 3.4.1. VÊn ®Ò xö lý ¶nh Chúng ta cảm nhận được màu sắc của một vật thể là do mắt ta thu nhận ánh sáng sáng phản xạ từ vật thể đó. Ánh sáng là một dạng sóng điện từ và dải tần số của ánh sáng mắt người nhìn thấy được tương đối hẹp (bước sóng trong khoảng 400-700nm). Một đối tượng có độ phản xạ tương đối cân bằng ở mọi bước sóng trong dải nhìn được sẽ có màu trắng trong mắt người quan sát, còn những đối tượng chỉ phản xạ ánh sáng có bước sóng trong những giới hạn nhất định sẽ xuất hiện với các màu sắc khác. Ví dụ, với các vật màu xanh lục ánh 108 sáng phản xạ có bước sóng chủ yếu nằm trong khoảng 500-570nm, còn phần lớn năng lượng của các bước sóng nằm ngoài khoảng đó bị hấp thụ. Căn cứ vào cấu trúc của mắt người, mọi màu sắc được coi là tổ hợp của ba màu cơ bản: Đỏ (Red), Xanh lục (Green), và Xanh lam (Blue), có bước sóng tương ứng là 700nm, 546,1nm, và 435,8nm. Vì vậy, để mô tả màu sắc người ta thường sử dụng mô hình RGB hay còn gọi là mô hình màu cộng (Hình 1.2.22). Mô hình này sử dụng hệ tọa độ Đề-các ba chiều. Mỗi giá trị màu có ba thành phần, tương ứng với ba màu cơ bản. Mỗi thành phần có giá trị thực nằm trong khoảng [0,1]. Trong thực tế, để thuận tiện cho việc tính toán và lưu giữ trên máy tính, người ta thường sử dụng số nguyên để biểu diễn các giá trị màu. Ví dụ, nói một bức ảnh số là ảnh màu 24-bit có nghĩa là mỗi điểm màu trên bức ảnh được mã hóa bằng một giá trị nhị phân có độ dài 24 bits, trong đó mỗi thành phần (R, G, và B) của giá trị màu được biểu diễn bằng 8 bits, tương đương với một giá trị nguyên nằm trong khoảng [0,255]. Để phân biệt các màu sắc khác nhau người ta thường căn cứ vào ba thuộc tính: tông màu (Hue), độ bão hòa (Saturation), và cường độ sáng R G B Đỏ (1,0,0) Xanh lục (0,1,0) Xanh lam (0,0,1) Trắng (1,1,1) 1 1 1 0 Hình 1.2.22. Mô hình màu RGB. 109 (Intensity). Một màu sắc tương ứng với một dải tần số nhất định, trong đó tần số tập trung nhiều năng lượng nhất tương ứng với màu chủ đạo. Tông màu là thuộc tính đại diện cho màu chủ đạo của một màu sắc, còn độ bão hòa đại diện cho độ thuần nhất của màu sắc. Các thuộc tính này là cơ sở cho mô hình HSI. Ưu điểm của mô hình này là nó tách thuộc tính cường độ sáng (I) khỏi các thông tin về màu (H và S). Vì vậy, nếu như mô hình RGB là mô hình thông dụng nhất để biểu diễn màu sắc, thì trong các ứng dụng xử lý ảnh màu người ta lại thường sử dụng mô hình HSI. Việc chuyển đổi biểu diễn màu sắc từ RGB sang HSI được thực hiện bằng các công thức sau: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−+− −−= ))(()(2 2arccos 2 BGBRGR BGRH 0 1 I Trắng Đen 0 1 Đỏ Vàng Xanh lục Xanh lam Hình 1.2.23. Mô hình màu HSI. S H 0o 110 BGR BGRS ++−= },,min{31 3 BGRI ++= ở đó các giá trị R, G, và B nằm trong khoảng [0,1]. Giá trị của tông màu, H, đo bằng góc trong khoảng [0o,360o], tương ứng với màu biến đổi từ Đỏ (0o) tới Vàng (60o), Xanh lục (120o), Xanh lam (240o), rồi quay về Đỏ (360o), còn giá trị của S và I đều nằm trong khoảng [0,1]. 3.4.2. C¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho Robocar Một đặc điểm của robot di động là chúng có khả năng di chuyển tự do trong môi trường làm việc. Hoạt động không theo một quỹ đạo định sẵn thường đòi hỏi robot phải có khả năng thu thập và xử lý một khối lượng lớn dữ liệu trong khoảng thời gian rất ngắn, cùng với nhiều vấn đề phức tạp vẫn còn chưa được giải quyết trọn vẹn. Vì vậy bài toán dẫn đường cho robot di động là vấn đề vô cùng phức tạp và là một trong những lĩnh vực trọng tâm trong các nghiên cứu về robot di động thông minh. Các phương pháp điều khiển robot di động rất đa dạng, từ các hệ thống điều khiển cần có người vận hành tới các hệ dẫn đường hoàn toàn tự động. Do độ phức tạp cao của việc điều khiển, phần lớn các robot di động hiện nay là robot được điều khiển từ xa bởi con người. Tuy nhiên, các robot thông minh có khả năng hoạt động độc lập với các hệ thống dẫn đường tự động mới là mục tiêu được hướng tới. Chúng ta có thể chia các phương pháp dẫn đường thành hai nhóm chính: • Các phương pháp dẫn đường theo tọa độ: với các phương pháp này chương trình dẫn đường thường phải có sẵn bản đồ địa hình vùng hoạt động của robot, và đường đi của robot sẽ được vạch ra trên bản đồ. Vị trí của robot tại mỗi thời điểm có thể xác định trực tiếp bằng các sensor vị trí như GPS (Global Positioning System) -- hệ thống xác định tọa độ toàn cầu dựa vào vệ tinh, hay bằng phương pháp gián tiếp. Nhược điểm 111 của việc sử dụng GPS là tín hiệu từ các vệ tinh mà sensor phải thu nhận có thể bị nhiễu do nhiều lý do khác nhau, gây ra sai số có thể lên tới hàng trăm mét. Ở các phương pháp gián tiếp, vị trí của robot tại mỗi thời điểm được tính toán căn cứ vào tọa độ vị trí ban đầu của robot, quãng đường robot đã đi qua kể từ điểm đó, hướng di chuyển của robot… Trong trường hợp đó robot phải được trang bị các sensor đo vận tốc hay quãng đường chuyển động, hướng chuyển động, góc nghiêng của robot… Nhược điểm của phương pháp gián tiếp là sai số sẽ tăng dần theo quãng đường đi của robot. Một nhược điểm nữa của các phương pháp dẫn đường theo tọa độ là chúng không có khả năng nhận biết và xử lý khi robot gặp phải các vật cản không có trên bản đồ, vì vậy các hệ dẫn đường sử dụng những phương pháp này thường có kết hợp cả các phương pháp khác để xử lý những tình huống như vậy. • Các phương pháp dẫn đường theo khung cảnh: với các phương pháp này chương trình dẫn đường điều khiển robot theo nhận thức của nó về môi trường xung quanh robot như địa hình, các đối tượng như vật cản, mục tiêu, vạch dẫn đường, đèn hiệu… Để làm được điều đó robot cần được trang bị các sensor nhận biết địa hình và các đối tượng trong môi trường. Loại sensor được sử dụng phổ biến nhất cho các robot di động là các sensor khoảng cách, từ những loại đơn giản như sensor âm thanh (sonar) và hồng ngoại đến các loại đắt tiền như radar và laser scanner. Tuy nhiên, các sensor khoảng cách chỉ có thể mang lại thông tin về địa hình và vật cản, trong khi để nhận thức đầy đủ về các đối tượng trong môi trường người ta còn cần tới những thông tin như màu sắc, hình dáng, cấu trúc… Để có được những thông tin này người ta thường dùng các sensor hình ảnh, phổ biến nhất là các loại CCD và CMOS camera. Phương pháp dẫn đường theo hình ảnh sử dụng các kỹ thuật của Thị giác Máy (Computer Vision), bao gồm các kỹ thuật xử lý ảnh và nhận dạng. 3.5. ThiÕt lËp hÖ thèng ®iÒu khiÓn t×m kiÕm ®èi t−îng theo mµu s¾c 112 3.5.1. M« t¶ ho¹t ®éng cña hÖ thèng Hệ thống gồm 2 phần: a) Máy tính trung tâm đóng vai trò bộ xử lý và điều khiển trung tâm; b) Robocar cùng camera di chuyển trong phạm vi không quá xa chỗ đặt máy tính trung tâm. Hai phần này được liên hệ với nhau bằng kết nối không dây. Hình 1.2.24. Màn hình của chương trình điều khiển robocar Các hình ảnh camera thu nhận sẽ được truyền đi bằng bộ phát tín hiệu cao tần gắn liền với camera và được nhận lại bởi bộ thu tín hiệu rồi đi qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, nối với máy tính qua cổng USB. Còn tín hiệu điều khiển từ máy tính được truyền tới các bộ phận chấp hành cũng bằng sóng radio. Hình ảnh máy tính nhận được từ camera sẽ được hiển thị trên màn hình. Trên hình 1.2.24 là màn hình của chương trình điều khiển robocar. Khi robocar hoạt động ở chế độ có người điều khiển, người vận hành quan sát khung cảnh chung quanh robocar qua hình ảnh gửi về từ camera và điều khiển robocar tiến lùi, rẽ phải, rẽ trái v.v. bằng bàn phím hay chuột. Người điều khiển cũng có thể ra lệnh cho camera quay sang trái hay phải để quan sát được rộng hơn. 113 Ở chế độ tự động, hình ảnh máy tính nhận được từ camera sẽ được chương trình điều khiển tự đông xử lý và phân tích liên tục. Chương trình sẽ liên tục phát lệnh điều khiển chuyển động tới robocar. 3.5.2. Chương trình dẫn đường tự động Lưu đồ của chương trình dẫn đường tự động theo hình ảnh được thể hiện ở hình 1.2.25 Hình 1.2.25. Lưu đồ của chương trình dẫn đường tự động cho robocar Với chương trình dẫn đường tự động theo hình ảnh này đã tiến hành thử nghiệm thành công cho robocar “Chữ thập đỏ” ở Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN. Chương trình này cho phép robocar tìm kiếm và hướng theo các đối tượng có màu sắc được xác định trước. Hình 1.2.25 là Robocar “Chữ thập đỏ” được điều khiển bằng chương trình dẫn đường tự động theo hình ảnh có màu đỏ. Ảnh chụp lúc Robocar “Chữ thập đỏ” đã tìm thấy và chạy hướng tới chiếc hộp màu đỏ trước mặt. Start Đọc khung hình từ camera vào vùng đệm Xử lý ảnh trong vùng đệm Tìm được mục tiêu? Mục tiêu nằm giữa màn hình? Đúng Sai Quay tìm mục tiêuTiến thẳng Đúng Chế độ tự động. Đúng End Sai Mục tiêu nằm bên phải? Quay trái Sai Quay phải Đúng Sai 114 Hình 1.2.26. Ảnh chụp Robocar “Chữ thập đỏ” được điều khiển bằng chương trình dẫn đường tự động theo hình ảnh 3.5.2. Các bước của chương trình xử lý ảnh Một chương trình xử lý ảnh thường bao gồm các bước: Thu nhận ảnh Æ Tiền xử lý Æ Phân đoạn Æ Xác định thuộc tính Æ Nhận dạng. Chương trình dẫn đường tự động của robocar có chức năng điều khiển robocar tìm kiếm, nhận dạng và bám theo đối tượng căn cứ vào màu sắc, cụ thể là màu đỏ được sử dụng làm tín hiệu dẫn đường cho robocar. Phần xử lý ảnh của chương trình khá đơn giản, nhưng cũng bao gồm đầy đủ các bước của một chương trình xử lý ảnh như trên: - Thu thập ảnh: chương trình đọc ảnh từ camera vào một vùng đệm. Camera được sử dụng với robocar cho phép ghi được tới 30 khung hình/giây. Tuy nhiên, do đặc điểm của việc xử lý ảnh cho hệ dẫn đường của robocar là phải xử lý trong thời gian thực, chương trình phải xử lý xong một khung hình trước khi đọc vào khung hình tiếp theo, mà với các máy tính hiện có ở phòng thí nghiệm chương trình chỉ có khả năng xử lý 10-15 khung hình/giây. Hình ảnh được ghi vào vùng đệm ở dạng ma trận điểm với độ phân giải 320x240, 24bits/điểm ảnh, sử dụng mô hình màu cộng (RGB). 115 `- Tiền xử lý: trong bước này ảnh RGB (mô hình màu cộng) được chuyển đổi sang biểu diễn ở dạng mô hình HSI (với I là cường độ sáng, H và S biểu thị thông tin về màu)và được lọc bớt nhiễu. - Phân đoạn: ảnh được chia thành các vùng, mỗi vùng bao gồm các điểm có màu sắc tương tự nhau và liên tục. Các vùng không dính liền nhưng chỉ cách nhau vài điểm và có màu sắc gần giống nhau sẽ được nhập lại làm một vì có nhiều khả năng chúng thuộc về cùng một đối tượng. - Xác định thuộc tính: tính toán các giá trị H, S, và I trung bình cùng diện tích của và tâm của mỗi vùng. - Nhận dạng: tìm các vùng trong ảnh có màu đỏ (H trong khoảng [0o,20o] hay [340o,360o], S > 0,5) và cường độ sáng vừa phải (0,4 < I < 0,8) vì rất khó phân biệt màu sắc khi quá sáng hoặc quá tối. Trong những vùng này chọn vùng có diện tích lớn nhất làm mục tiêu để điều khiển robocar bám theo. Để viết chương trình xử lý ảnh, đã sử dụng thư viện OpenCV của Intel. Đây là một thư viện mã nguồn mở sử dụng cho ngôn ngữ lập trình C/C++ trong môi trường Windows và Linux, cung cấp nhiều chức năng xử lý và nhận dạng ảnh. 3.6. C¸c øng dông thö nghiÖm b−íc ®Çu VËn dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ Robocar RP. §Ò tµi ®· tiÕp tôc t¹o ra mét s¶n phÈm míi nh»m phôc vô cho viÖc phun hãa chÊt phßng chèng dÞch bÖnh. V× thÕ cã tªn gäi lµ Robocar “Ch÷ thËp ®á”. Còng nh− Robocar RP, ë ®©y Robocar “Ch÷ thËp ®á” cã 3 bé phËn chñ yÕu: M«®un xe di chuyÓn, c¬ cÊu robot vµ bé ®iÒu khiÓn. VÒ c¬ b¶n th× ë ®©y xe di chuyÓn theo nguyªn mÉu nh− Robocar RP, nh−ng c¬ cÊu robot l¹i ®¬n gi¶n hãa ®i cho phï hîp víi c«ng viÖc. Riªng hÖ thèng ®iÒu khiÓn th× l¹i trë 116 nªn phøc t¹p h¬n vÝ dô ph¶i dïng hÖ thèng camera ®Ó ®¸p øng ®−îc nh÷ng yªu cÇu cña c¸c c¬ së y tÕ cã yªu cÇu ¸p dông lo¹i robocar nµy. Thµnh c«ng ®Çu tiªn lµ nhê cã Robocar “Ch÷ thËp ®á” tiÕp thÞ nªn ®· cã c¸c bÖnh viÖn §èng §a, U b−íu, Thanh Nhµn Hµ Néi muèn ®−îc ¸p dông lo¹i robocar nµy. Thµnh phè Hµ néi ®· cÊp kinh phÝ ®Ó øng dông kÕt qu¶ nghiªn cøu vµ c¸c néi dung nµy ®ang ®−îc triÓn khai. Sau khi kh¶o s¸t t×nh h×nh ë mét sè bÖnh viÖn vµ tr×nh diÔn t¹i bÖnh viÖn Thanh Nhµn ®· kh¼ng ®Þnh ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ c¬ b¶n, nh−ng còng cÇn bæ sung mét sè néi dung cho phï hîp víi thùc tÕ cña bÖnh viÖn. Cã thÓ rót ra nh÷ng nhËn xÐt sau ®©y: - M«®un xe cña Robocar nh− ®· thiÕt kÕ lµ cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc trªn mÆt b»ng hµnh lang ch−a ®¹t tiªu chuÈn ë nhiÒu bÖnh viÖn ë ta. Tuy nhiªn vÉn ph¶i ®Ò nghÞ bÖnh viÖn söa sang l¹i nhiÒu ®o¹n chuyÓn tiÕp cã bËc cao hoÆc qu¸ dèc. - C¬ chÕ dïng sensor hång ngo¹i t¹o hµnh lang di chuyÓn men theo t−êng ch¾n lµ hoµn toµn kh¶ thi. - ViÖc ®iÒu khiÓn Robocar dïng ph−¬ng ph¸p “thÞ gi¸c m¸y” (computer Vision) lµ hîp lý vµ rÊt cã triÓn väng. - Ngoµi nhiÖm vô phun hãa chÊt phßng dÞch, cÇn cã nh÷ng robocar ®Ó b−ng bª c¸c thïng r¸c nhiÔm khuÈn, nhiÔm ®éc lµ nhu cÇu bøc sóc ë nh÷ng n¬i cã dÞch. - Dïng sensor siªu ©m ®Ó b¸o hiÖu vµ xö lý khi Robocar gÆp ch−íng ng¹i trªn ®−êng di chuyÓn trong lÇn tr×nh diÔn nµy ®· gÆp nhiÒu khã kh¨n v× sè bÖnh nh©n ®i l¹i rÊt lén xén trªn hµng lang còng nh− trong phßng. Thùc ra khi thiÕt kÕ theo nhiÖm vô ®Æt ra lµ ®iÒu khiÓn Robocar trong khu vùc cã bÖnh dÞch, hÇu nh− kh«ng cã ng−êi qua l¹i. Tuy nhiªn, tõ viÖc ®ã cã thÓ nhËn thÊy trong thùc tÕ chØ nªn dïng sensor siªu ©m nµy ®Ó c¶nh b¸o khi gÆp ch−íng ng¹i th«i. 117 C¸c trang tiÕp theo lµ ¶nh chôp Robocar “Ch÷ thËp ®á” vµ c¸c ¶nh lÊy tõ b»ng video quay c¸c c¶nh Robocar tr×nh diÔn ë BÖnh viÖn Thanh Nhµn vµ ®· chiÕu trªn VTV2. TiÕp theo lµ c¸c ¶nh chôp Robocar PHC (Phun hãa chÊt) ®−îc t¹o ra teo mÉu vµ cã c¶i tiÕn Robocar “Ch÷ thËp ®á, vµ Robocar BB (B−ng bª c¸c thïng r¸c nhiÔm khuÈn, nhiÔm ®éc hoÆc nhiÔm x¹). C¸c thiÕt bÞ nµy cßn ®ang triÓn khai theo nguån kinh phÝ cña thµnh phè Hµ Néi ®Ó lµm cho c¸c bÖnh viÖn. H×nh 1.2.27. Mét vµi ¶nh chôp Robocar “Ch÷ thËp ®á” H×nh 1.2.28. C¸c c¶nh Robocar tr×nh diÔn phun hãa chÊt phßng dÞch ë Bönh viÖn Thanh Nhµn (TrÝch tõ b¨ng Video chiÕu trªn VTV2) H×nh 1.2.29. Mét sè h×nh ¶nh ®ang l¾p r¸p Robocar PHC theo mÉu Robocar “Ch÷ thËp ®á” H×nh 1.2.30. Robocar BB-01 H×nh 1.2.31. L¾p r¸p Robocar BB-02 118 H×nh 1.2.27. Mét vµi ¶nh chôp Robocar “Ch÷ thËp ®á” 119 H×nh 1.2.28. C¸c c¶nh Robocar tr×nh diÔn phun hãa chÊt phßng dÞch ë BÖnh viÖn Thanh Nhµn (TrÝch tõ b¨ng Video chiÕu trªn VTV2) 120 H×nh 1.2.29. Mét sè h×nh ¶nh ®ang l¾p r¸p Robocar PHC theo mÉu Robocar “Ch÷ thËp ®á” 121 H×nh 1.2.30. Robocar BB – 01 H×nh 1.2.31 L¾p r¸p Robocar BB – 02 122 H×nh 1.2.32. B¶n vÏ l¾p Robocar PHC 2 5 6 3 14 78 § Ò tµ i K C 0 3- 08 2 S en so r q ua ng 8 57 6 C am er a 4 S en so r s iª u ©m § én g c¬ q ua y ta y m ¸y 12 1 1 T æn g sè K hè i l −î ng V Ët li Öu S è l− în g § ¬n v Þ 11 1 G hi c hó M « ®u n ta y m ¸y p hu n hã a ch Êt T hï ng c hó a hã a ch Êt 1 M « ®u n di c hu yÓ n V Þ t rÝ T ªn g äi B ¬m 3 2 N gu y? n Th i? n Ph úc N gu y? n V an M in h D uy ?t Th i? t k ? Tr . n hi ?m K i? m tr a H ? và tê n K ý N gà y S? lu ?n g: Tr un g tâ m N CK T T? d ?n g hó a Tr u? ng Đ ?i h ?c B ác h K ho a H à N ?i B? n v? s? : T? l? : H oµ ng A nh § ¹i R O B O C A R P H C B ¶ n v Ï l¾ p N gu y? n Th i? n Ph úc C h? n hi ?m 123 H×nh1.2.32. Robocar BB - 02 25 230 38 70 90 0 24 0 210 20 80 658 320 45 14 7 Tr ác h nh i?m H ? và tê n Ch ? kí N gà y Th i? t k ? K i? m tr a Du y? t K h? i l u? ng : T? l? : T? s? : S? t? : Ro bo ca r B B0 2 B? n v? s? : Tr un g tâ m N CK T t? d ?n g ho á Tr u? ng Đ ?i h? c B ác h K ho a H à N ?i B? N V? L ?P 545 1: 1 N gu y? n Đ ?c Q ua ng N gu y? n V an M in h Ng uy ?n th i?n P hú c V ? t rí Tê n g? i V ?t li? u S. lu ?n g G hi ch ú 1234567 Đ ? Á N T? T NG HI ?P 44 124 IV. Xe l¨n vµ xe ghÕ tù ®éng XuÊt ph¸t tõ c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ Robocar RP, sau khi chuyÓn h−íng kÞp thêi sang lµm robot dÞch vô (service robot), nhÊt lµ vËn dông nh÷ng kÕt qu¶ thö nghiÖm trªn Robocar TN. §Ò tµi ®· nhanh chãng hßan thµnh mét phiªn b¶n ®Çu tiªn Xe l¨n ch¹y ®iÖn