Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho Robot Rhex

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.” 100 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH DRIVE DÙNG CHO ROBOT RHEX Vũ Văn Tâm* Tóm tắt: Lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot theo phương pháp mô phỏng hoạt động của các loài động vật đang được nhiều quốc gia và các nhà khoa học quan tâm; Hiện nay, mẫu robot Rhex đang được hãng Boston và trường đại học Pennsylvania - USA [5,6] nghiên cứu thử nghiệm cho kết quả tương đối khả quan. Tuy nhiên, việc điều khiển motor của các chân robot Rhex là tương đối phức tạp do các motor này có momen xoắn lớn, đòi hỏi sự đồng bộ cao về tốc độ, vị trí và quỹ đạo di chuyển; Các mạch drive hiện nay thường không đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, vì vậy, cần phải có mạch drive chuyên dùng cho robot Rhex. Trong bài báo này chúng tôi trình bày quá trình phân tích, tính toán và thiết kế mạch drive cho robot Rhex; các kết quả thử nghiệm, so sánh cho thấy mạch drive mới đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra trong thực tế di chuyển của robot Rhex. Từ khóa: Robot, Rhex, Drive, L298, Motor, LMD12800. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Rhex là loại robot đối xứng mặt trên với mặt dưới và phần đầu với phần đuôi; Với 6 chân chữ C (hình 1) [5,6], Rhex có khả năng di chuyển linh hoạt để vượt qua nhiều loại địa hình phức tạp; đặt biệt có thể leo dốc, leo cầu thang, leo bậc cao, lội nước; đồng thời, do tính chất đối xứng nên Rhex có khả năng tiếp tục di chuyển khi bị ngã, lật, đổ [1,4,5]. Hình 1. Tính đối xứng. Hình 2. Motor của Rhex. Hình 3. Rhex di chuyển. Mỗi chân của Rhex được nối tới 1 motor, để Rhex đứng vững thì các motor này cần phải có momen xoắn lớn ( M ≥ 95Kgf.cm) [2,4,6]; Trong thực tế thường sử dụng motor DC (hình 2) có công suất ( = 20 .. 60 watsP ), tốc độ quay 1( = 900 .. 22000V vòng/phút); bộ giảm tốc có tỷ số truyền ( = 100 .. 200K ) [4], nên tốc độ quay của chân robot )( 2V được tính công thức 12 [vòng/phút] V V K  (1) Từ (1) cho thấy, do K thường lớn nên để có 2V lớn (robot di chuyển nhanh) thì 1V cần phải lớn, vì vậy, mạch drive phải có công suất cao; đồng thời để cho Rhex di chuyển được tiến, lùi, đứng, nằm thì mạch drive cần phải có các chức năng điều khiển motor quay xuôi, ngược chiều kim đồng hồ, phanh và chống quá tải (khi chân robot bị kẹt). Tại mỗi thời điểm phải có 3 chân của robot chạm đất (hình 3) [2, 5], do đó, cần phải kiểm soát vị trí các chân của robot (sử dụng encoder tuyệt đối). Ngoài ra, để đồng tốc giữa các chân của robot cần phải kiểm soát số vòng quay của các motor (sử dụng encoder tương đối). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 101 Các mạch drive có sẵn không đáp ứng được các yêu cầu trên bởi vì: i) Không có chức năng kiểm soát tốc độ và vị trí góc của motor (không xử lý tín hiệu từ các encoder, hình 4). a) Mạch drive sử dụng mosfet. b) Mạch drive dùng LMD12800. Hình 4. Một số mạch drive thông dụng. ii) Dòng cấp cho motor không đủ lớn (hình 4b, với Max 6AI  ); một số mạch drive có dòng lớn cần có tản nhiệt bằng nhôm, quạt hoặc nước (hình 4a, với Max 10AI  ), tuy nhiên do Rhex có hộp đựng bo mạch nhỏ, hẹp, kín nước nên không thể dùng tản nhiệt. iii) Không có chức năng chống quá tải, nên khi chân Rhex bị kẹt (do vướng vật cản) thì có thể cháy motor hoặc mạch drive. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Xây dựng sơ đồ khối mạch drive Từ các nội dung nêu trên, sơ đồ khối của mạch drive mới được thiết kế như sau (hình 5): Hình 5. Sơ đồ khối mạch drive mới của robot Rhex. Với Data là tín hiệu điều khiển (tiến, lùi, sang phải, sang trái...) từ người sử dụng; 1..6ABS là các tín hiệu từ 6 bộ encoder tuyệt đối [6, 7] (2),  A robot chân 1 A robot chân 0 61   ABS (2) Với A là vị trí đặt encoder tuyệt đối. 1..6EncoA , 1..6EncoB là tín hiệu kênh A, kênh B từ 6 encoder tương đối; với 1X [xung]/1 vòng motor, thì số xung khi chân robot quay được 1 vòng ( 2X ) sẽ là [xung] 12 KXX  (3) 1 2 6W , W ,.., WP M P M P M là tín hiệu điều chế độ rộng xung [2,3] để điều khiển tốc độ quay của motor 1, motor 2,.. motor 6; 621 ,.., DRVDRVDRV , là tín hiệu điều khiển chiều quay của motor 1, motor2,.. motor6 (4), 1..6 0DRV  => 1..6motor quay xuôi chiều kim đồng hồ, 1..6 1DRV  => 1..6motor quay ngược chiều kim đồng hồ. (4) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.” 102 Chíp điều khiển trung tâm sẽ căn cứ tín hiệu Data, 1..6ABS , 1..6EncoA , 1..6EncoB để tạo ra các tín hiệu 1WP M , 2WP M , 6WP M và 621 ,.., DRVDRVDRV . Các W ,P M DRV được đưa vào khối chống trùng dẫn (để bảo vệ các mosfet); khối cách ly (để chống nhiễu, do xung phản hồi từ các motor); khối điều khiển mosfet (để tạo ra tín hiệu đóng/mở mosfet tương ứng); khối các mosfet (để đóng/mở cung cấp nguồn cho motor). 2.2. Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch drive Sơ đồ nguyên lý của mạch drive điều khiển motor 1 (mạch điều khiển motor 2, ... motor 6 có sơ đồ tương tự). Hình 6. Sơ đồ nguyên lý mạch drive của robot Rhex. Trong đó PC817, 6N137 dùng để ghép cách ly tín hiệu 1DRV , 1WP M ; IC 4001 có tác dụng chống trùng dẫn cho các mosfet; IR2184 điều khiển đóng/mở các mosfet; các IRF3205 làm nhiệm vụ đóng/mở để cấp nguồn cho motor 1. 3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1. Kịch bản thử nghiệm Hình 7. Mạch drive mới và quá trình thử nghiệm với robot Rhex. Để minh chứng cho tính ưu việt của mạch drive mới, tác giả đã tiến hành gia công bo mạch (hình 7.a) và lắp ráp vào robot Rhex để thử nghiệm. Kịch bản thử nghiệm với motor a) Mạch drive mới. b) Thử nghiệm mạch drive mới cho robot Rhex. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 103 có 60 sP wat , 1 900V  vòng/phút, 139K  , 1 13X  xung; 1PWM = 10kHz, duty = 50%; robot Rhex thực hiện các thao tác di chuyển trên đường bằng, leo dốc 45 độ, leo bậc cao 40 cm, leo cầu thang với bậc cao 40 cm, lội nước sâu 20 cm (hình 7b). Kết quả thử nghiệm được so sánh với mạch drive sử dụng mosfet, IC chuyên dụng LMD12800 (hình 4). 3.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá Kết quả thử nghiệm được thống kê trong bảng 1 như sau: Bảng 1. Kết quả thử nghiệm. Số TT Tham số Kết quả mạch drive mosfet mạch drive LMD12800 Mạch drive mới I. Thử nghiệm riêng mạch drive 1 2 V (không có tải, với PWM =10 kHz, duty = 50%. 42 vòng/phút 30 vòng/phút 55 vòng/phút 2 Imax 10A 6A 110A 3 Nguồn cung cấp 9 đến 55 V 9 đến 24 V 9 đến 55 V 4 Motor quay xuôi Có Có Có 5 Motor quay ngược Có Có Có 6 Chức năng phanh Không Có Có 7 Ghép cách ly Có Không Có 8 Chống trùng dẫn Không Không Có 9 Tản nhiệt Có Có Không 10 Chịu quá tải Không Không Có II. Lắp mạch drive vào robot Rhex và thử nghiệm: 1 Tốc độ di chuyển cực đại (trên đường bằng) 70 mét/phút 30 mét/phút 150 mét/phút 2 Leo bậc cao 40 cm Có và chậm Không Có 3 Leo cầu thang có bậc cao 40 cm Chỉ leo được 2 bậc Không Có (liên tục nhiều bậc) 4 Leo dốc 45 độ Không Không Có 5 Lội nước sâu 20 cm Có Có Có Từ bảng 1 cho thấy: Mạch drive mới có các ưu điểm: i) tốc độ vòng quay của của motor cao hơn mạch drive sử dụng mosfet và LMD12800, có được điều này là do mạch drive mới sử dụng các IRF3205 và IC lái mosfet IR2184 chuyên dụng nên khả năng đóng/mở và thông dẫn tốt hơn; ưu điểm này cho phép robot di chuyển nhanh và tăng/giảm tốc tức thời khi cần thiết. ii) Mạch drive mới sử dụng các IRF3205 có công suất cao làm cầu H nên khả năng chịu dòng và áp cũng được cải thiện, điều này cho phép robot sử dụng được các motor có công suất lớn giúp cho robot vận hành mạnh mẽ hơn. iii) Mạch drive mới còn có chức năng phanh motor, điều này có ý nghĩa quan trọng bởi vì cho phép khóa cố định chân robot tại vị trí đã dừng để robot không bị ngã; có được chức năng này là do mạch drive mới sử dụng IR2184 có chức năng điều khiển cầu H chập hai đầu dây motor Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.” 104 lại với nhau để phanh motor. vi) Khả năng chịu quá tải (đặc biệt là khi giữ chặt không cho quay trục motor) của mạch drive mới là một đặc điểm nổi bật; Bởi vì trong thực tế di chuyển chân robot có thể bị mắc kẹt, khi đó, dòng cấp cho motor sẽ tăng đột biến. Có được ưu điểm này là do IR2184 nhận tín hiệu phản hồi từ cầu H để kịp thời điều khiển các IRF3205 phù hợp không làm cho các IRF3205 nóng hoặc cháy. v) Mạch drive mới còn có thêm các chức năng cách ly để chống nhiễu và bảo vệ vi điều khiển trung tâm; chống trùng dẫn, để bảo vệ các IRF3205; Đặc biệt là không cần phải sử dụng thêm tản nhiệt do vậy sẽ giảm được trọng lượng và kích thước của robot. Chính vì các ưu điểm nêu trên, nên robot Rhex có khả năng di chuyển, leo, trèo tốt khi thử nghiệm với bo mạch drive mới. 4. KẾT LUẬN Rhex là mẫu robot có khả năng di chuyển linh hoạt, đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng khác nhau; tuy nhiên việc thiết kế và gia công phần cứng và phần mềm cho robot này là tương đối phức tạp. Nhằm góp phần giải quyết một phần các khó khăn nêu trên, trong bài báo này tác giả đã phân tích các yêu cầu đối với mạch drive chuyên dùng cho robot Rhex, từ đó đã xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và thử nghiệm mạch drive mới cho robot Rhex. Từ kết quả thử nghiệm, so sánh, đánh giá cho thấy mạch drive mới có nhiều ưu điểm vượt trội (so với mạch drive sử dụng mosfet, LMD12800 hiện nay); đặc biệt là các ưu điểm về dòng điện, điện áp, phanh motor, khả năng chịu quá tải. Mạch drive mới hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu di chuyển của robot Rhex trong thực tế; ngoài ra có thể ứng dụng cho các mẫu robot khác có sử dụng động cơ DC công suất lớn (từ 20 đến 200 wats) hoặc có momen xoắn cao. Tuy nhiên, mạch drive mới có sử dụng ghép quang cách ly nên robot phải sử dụng 2 nguồn độc lập; đồng thời hiệu suất của mạch drive mới chưa được thử nghiệm và đánh giá chi tiết. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. C. Ordonez et al, “Power modeling of the xrl hexapedal robot and its application to energy efficient motion planning,” Clawar 2012-proceedings to the fifteenth international conference on climbing and walking robots and the support technologies for mobile machines, Baltimore, MD, USA, (2012), pp. 689-696. [2]. E. Ali et al, “Improvements to Rhex Robot Development;Towards a Low cost Rhex Robot,” IEEE Transactions on Mechatronics, (2016), pp. 1-7. [3]. K. C. Galloway et al, “X-Rhex: A Highly Mobile Hexapedal Robot for Sensorimotor Tasks,” Department of Electrical & Systems Engineering of University of Pennsylvania, (2010). [4]. P. C. Lin et al, “Toward a 6 DOF Body State Estimator for a Hexapod Robot with Dynamical Gaits,” Proc. of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendai, Japan, (2004), pp. 2265-2270. [5]. J. D. Weingaten et al, “Automated Gait Adaptation for Legged Robots,” Proc. of IEEE International Conference on Robotics & Automation, LA-USA, (2004), pp. 2153-2158. [6]. U. Saranli et al, “Back Flips with a Hexapedal Robot,” Proc. of IEEE International Conference on Robotics & Automation, Washington DC, (2002), pp. 2209-2215. [7]. S. N. Cubero, “Design concepts for a hybrid swimming and walking vehicle,” International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors Procedia Engineering 41, (2012), pp. 1211-1220. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 105 ABSTRACT RESEARCHING AND DESIGNING DRIVE CIRCUIT USED FOR RHEX ROBOT Field of study, design and manufacture of robots according to the method of simulating the activities of animals is concerned by many countries as well as scientists all over the world. Currently, Rhex robot is being researched and tested by Boston and Pennsylvania University- USA [5, 6] with satisfactory results. However, the control of the motors of robot's legs is relatively complex due to the large torque of these motors, which require a high synchronization of speed, position and orbital movement. Also, common drive circuits often do not meet the above requirements, so there must be a dedicated drive circuit for Rhex robot. In this article, we will present the process of analysing, calculating and designing drive circuits for Rhex robot. The test results show that the new drive circuit satisfies the requirements appear in the reality Rhex robot movement. Keywords: Robot, Rhex, Drive, L298, Motor, LMD12800. Nhận bài ngày 11 tháng 01 năm 2018 Hoàn thiện ngày 02 tháng 4 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018 Địa chỉ: Trường Đại học Kỹ thuật – Hậu cần Công an nhân dân. *Email: tamt36bca@gmail.com.