Đề tài Một số kết quảnghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng robocar

1 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG ROBOCAR Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Lê Hoàng Giang Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN Tóm tắt Trong bài này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng Robocar của Trung tâm NCKT tự động hoá, ĐHBK - HN. Trình bày các phương pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động của Robocar khi yêu cầu bám theo đường dẫn và tránh được chướng ngại v.v. Đồng thời giới thiệu một số ứng dụng thực tế. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần: tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển. Robocar chủ yếu hoạt động trong các phân xưởng, bến bãi, với địa hình không quá phức tạp nên kết cấu xe cũng rất đơn giản. 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC Trước hết đối với tay máy của robocar thì về nguyên tắc có thể dùng nhiều loại cơ cấu khác nhau. Ở đây chọn loại cơ cấu Robot RP thuộc nhóm robot phỏng sinh trục ngang (bắt chước cơ cấu tay người). Sự khác biệt của robot này so với các kiểu robot phỏng sinh khác là ở đây dùng cơ cấu Pantograph với 2 con trượt dẫn động làm môđun chủ yếu của cơ cấu tay máy. Cũng vì thế robot này được ký hiệu vắn tắt là robot RP. Với những quan hệ thông số hợp lý, loại cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau: 1) Có thể bố trí nguồn động lực gần với thân nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu chấp hành; 2) Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích thước; 3) Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau và tiêu hao ít năng lượng; 4) Dễ điều khiển do có thể thực hiện các chuyển dịch của bàn kẹp theo các trục toạ độ bằng cách di chuyển con trượt riêng rẽ và các bài toán trong mọi cấu hình đều có thể đưa về bài toán phẳng. Đối với cơ cấu xe di chuyển đã tiến hành tính toán với các phương án khác nhau: 3 bánh xe hoặc 4 bánh xe, 1 bánh chủ động hoặc 2 bánh chủ động, bánh trước chủ động hoặc bánh sau chủ động, bánh lái đặt trước hoặc đặt sau v.v. Hình 1 Trên hình 1 là trường hợp 3 bánh, 2 bánh sau chủ động và là các bánh lái. Cho hệ toạ độ xd yd zd gắn liền với xe di động, có gốc tại điểm D trung tâm xe. Ở vị trí xuất phát điểm D trùng với điểm C (px yy 0) trong không gian cố định x, y, z. Điểm C nằm trên trục bánh xe sau và cách đều chúng một khoảng b, còn D nằm giữa 2 trục bánh xe trước và sau với khoảng cách 2a. Gọi V là vận tốc di chuyển và ω là vận tốc góc của xe, tương ứng với góc lái α. Theo các quan hệ vận tốc, dễ dàng có các biểu thức sau: V = 2 tp VV + , (1) a Vtg 2 a w = , (2) pp RV w= Vt = Vp , .2 2 a a tgba btga + - (3) ).(),(2[2 tptp VVbVVaarctg +-=a (4) Với R và ωp - bán kính và vận tốc góc của bánh phải, Vp và Vt - vận tốc trên bánh phải và bánh trái. Khi cần xét chuyển động của điểm T trên xe, gắn liền với dụng cụ thao tác (ví dụ, đầu dò, đầu cắt, đầu hàn v.v.) ta gắn hệ toạ độ xt, yt, zt tại điểm Ot của xe có toạ độ (m, n, h) trong hệ toạ độ xd yd zd. x C D b a a j j t x y y x O t t y d c O t T m n P P y xc, xd PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 2 Điểm T cách 0t đoạn L được mô tả trong hệ xt yt zt bằng các biểu thức sau: Tttttt LLr )0,sin,cos( jj= (5) Trong hệ toạ độ cố định x, y, z điểm T được xác định bởi: tot rMr .= (6) Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ Mot theo phương pháp dùng ma trận đồng nhất [1]: Mot = Moc .Mcd.Mdt (7) Trong đó: M0c = ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é - 1000 0100 0cossin 0sincos y x p p jj jj , (8) Mcd = ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é 1000 0100 0010 001 a , (9) Mdt = ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é - 1000 100 0cossin 0sincos h n m qq qq (10) Bài toán sẽ tổng quát hơn nếu hệ thống tay máy của robocar được đặt tại điểm Ot nói trên và kết nối hệ toạ độ xt, yt, zt với hệ toạ độ động đầu tiên của cơ cấu tay máy thì ta hoàn toàn có thể xác định về định vị và định hướng của điểm tác động cuối E (End - effector) của robocar trong không gian làm việc. Bài toán động học ngược của robocar có thể đặt ra như sau: Cho điểm T gắn với dụng cụ thao tác di chuyển theo một quỹ đạo với vận tốc V không đổi, cần xác định các giá trị tức thời của ωp và α để điều khiển cho điểm T của xe bám theo quỹ đạo đó. Hoặc tổng quát hơn, bài toán động học ngược của robocar được mô tả như sau: Để đảm bảo cho điểm tác động cuối E của robocar bám theo một quỹ đạo cho trước trong không gian làm việc, cần xác định bộ thông số theo thời gian của vận tốc góc bánh xe chủ động ωp, góc lái α và các biến khớp qi của cơ cấu tay máy. 3. ROBOCAR RP Robocar RP (hình 2) là sản phẩm của Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN thiết kế, chế tạo nhằm phục vụ cho các công việc như công gắp, sắp xếp, vận chuyển phối liệu hoặc sản phẩm trong phân xưởng của các xí nghiệp công nghiệp. Hình 2 Phần trên của Robocar RP là một tay máy 4 bậc tự do, thực hiện bởi 3 động cơ một chiều điện áp 24V và một động cơ bước, ngoài ra còn một động cơ bước cho bàn kẹp. Phần dưới của Robocar RP là một xe 3 bánh. Bánh trước đóng vai trò vừa là bánh lái vừa là bánh truyền động, đều dùng động cơ 1 chiều. Robocar RP làm việc theo chế độ tự hành nên được trang bị một hệ thống quan sát có thể nhận biết môi trường xung quanh. Hệ thống quan sát là các sensor quang học gắn trên khung xe nhằm phát hiện các chướng ngại trên đường đi. Khi phát hiện chướng ngại, Robocar dừng lại và báo hiệu. Hình 3 S7-200 PLC Mạch role điều khiển DC DC1 DC2 DC3 Tải 1 Tải 2 Tải 3 Các bộ đếm xung Các bộ mã vị trí Nguồn cung cấp 12 V Driver cho động cơ bước Step2 Step 1 Tải 4 Tải 5 Mạch role điều khiển DC DC4 DC5 Tải 6 Tải 7 Các cảm biến vị trí Bộ thu tín hiệu từ xa PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 3 4. ROBOCAR “CHỮ THÂP ĐỎ” Robocar “chữ thập đỏ” (hình 4) là một robot tự hành phục vụ trong công tác y tế nhằm giúp đỡ các công việc cho các y tá, hộ lý trong các bệnh viện. Đặc biệt trong các công việc phòng chống dịch bệnh. Robocar “chữ thập đỏ” được thiết kế một cách gọn gàng và linh hoạt. Nó gồm một xe 3 bánh và một robot 2 bậc tự do cũng là loại robot RP đơn giản. Đầu cánh tay robot có gắn một vòi phun hoá chất phục vụ công tác phòng dịch. Hình 4 Hệ điều khiển của Robocar “chữ thập đỏ” sử dụng on_chíp 89 C52 với chương trình được nạp trong bộ nhớ nội và mạch ngoại vi theo sơ đồ hình 5. Hình 5 Khi bật điện cho Robocar chương trình được khởi động từ đầu. Nó thực hiện khởi tạo cho bộ xi xử lý 89C52 đưa bánh lái về vị trí đầu với góc lái bằng 00 thẳng với hướng tiến của xe, vòi phun được đưa về vị trí ban đầu. Khi ấn nút START động cơ chuyển động và động cơ lái được nối điện xe tiến về phía trước, các cảm biến xa, gần được nối điện và dùng để điều khiển động cơ lái xe. Động cơ bơm nước được khởi động để tạo áp suất cho vòi phun nước. Các cảm biến đo khoảng cách được bố trí theo sườn trái của xe để đo khoảng cách tới vách tựa. Các cảm biến được điều chỉnh như sau: Cảm biến đo cự ly gần được điều chỉnh thay đổi trạng thái khi cách vách tựa 500mm, cảm biến đo cự ly xa được điều chỉnh thay đổi trạng thái khi cách vách tựa 700mm. Nếu xe chuyển động cách vách tựa trong khoảng 500 ÷ 700mm thì bánh lái được giữ ở vị trí thẳng (góc lái bằng 0). Nếu xe chuyển động cách vách dưới 500mm thì bánh lái được điều khiển quay về phải trong thời gian T là chu trình lái được xác định bằng thực nghiệm, sau đó lại trả về vị trí thẳng để đưa xe về với khoảng cách 500 ÷ 700mm so với vách. Nếu xe chuyển động cách vách tựa hơn 700mm thì bánh lái được điều khiển quay về trái để đưa xe về gần vách tựa, trong thời gian T và lại được trả về vị trí thẳng để đưa xe trở về trong hành lang 500 ÷ 700mm. Cứ như vậy xe được điều khiển chuyển động cách vách tựa một khoảng định sẵn, khoảng cách này có thể đặt trước theo ý muốn. Khi xe gặp chướng ngại vật ở phía trước, cảm biến báo vật cản được kích hoạt để điều khiển xe dừng lại và đổi hướng đi hoặc lúc đó sẽ điều khiển bơm hoá chất hoạt động để phòng dịch tuỳ chuyển mạch chọn chế độ làm việc được chọn trước. Các hoạt động của xe được điều khiển bởi chương trình chứa trong EEPROM của bộ vi điều khiển 89C52 có thể bổ sung, sửa đổi và thay thế dễ dàng, các ứng dụng của xe vì thế có thể thay đổi một cách dễ dàng theo những ứng dụng mở cho phép tuỳ theo những nhiệm vụ mà người sử dụng có thể lựa chọn. Chương trình được viết bằng hợp ngữ của họ vi xử lý 8051 và được kiểm tra chạy thử trên Emulator cho họ 8051. Chương trình được dịch bởi bộ dịch chéo cho họ vi xử lý 8051 và được nạp bằng bộ nạp chuyên dụng. 5. KẾT LUẬN Trên đây đã trình bày phương pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động của robocar trong hợp chung nhất, không xem xét tách biệt phần xe riêng, phần robot 1 8 32 29 89C52 9 Bộ ĐKTT 17 10 Đệm vào ra A1013 24C 02 P1 P0 P2 P3 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 Bộ nhớ Vị trí cuối dưới Vị trí cuối ngoài Dự trũ Ra 1 Ra 2 Ra 4 Ra 3 P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3. 0 CB gãc l¸i sau CB vËt c¶n CB gãc l¸i tr­íc CB xa CB gÇn Chän chÕ ®é 20 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 §éng c¬ lïi §éng c¬ tiÕn §éng c¬ l¸i tr¸i §éng c¬ l¸i ph¶i §éng c¬ cßi §éng c¬ b¬m §éng c¬ x¶ n­íc §éng c¬ vµo §éng c¬ ra §éng c¬ xuèng §éng c¬ lªn P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.7 P2.6 Dù tr÷ 19 18 XTAL 12Mhz 31 5 v 40 5 v Vcc START 5 v Reset Đệm vào v à ra Ra Đệm ra ULN 2803 Đệm ra ULN 2803 28 21 KD Công suất 2383 KD công suất 2383 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 4 riêng và số bậc tự do của robot không hạn chế. Bộ phận sensor được trang bị như những môđun độc lập nhưng cùng trong một hệ thống điều khiển và ngày càng phong phú dần. Các kết quả nghiên cứu ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng, rất có hiệu quả. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Thiện Phúc - Robot công nghiệp - NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002. SOME RESULTS OF DESIGNING, MANUFACTURING AND APPLICATION OF THE ROBOCAR Nguyen Thien Phuc, Tran Minh Nghia, Le Hoang Giang Research Centre of Automation, Hanoi University of Technology In this paper are introduced some results of studying and applying of the Robocar produced at the RCA of Hanoi University of Technology. The paper presents a method of kinematic calculation and establishment of algorithm calculation for motion control along a described trajectory and for a way avoided obstacles v.v...In this paper are also introduced some application of robocar PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version