Walking Robot 6 chân

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

0
398
lượt xem
175
download

Walking Robot 6 chân

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Walking Robot là dạng đặc biệt của Robot di động. Sự di chuyển của nó được thực hiện bởi sự phối hợp chuyển động của các chân. Sự di chuyển này có thể bắt chước từ thế giới động vật, như là: loài người, các loài động vật, các loài côn trùng,..Robot là sản phẩm của cơ điện tử, gồm có các thành phần sau:a) Phần cứng: gồm tất cả các bộ phận cấu thành thân Robot, như là: các kết cấu chân, kết cấu khung,......

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Walking Robot 6 chân

  1. WALKING ROBOT S¸U CH¢N KS. Bïi Quang §−îc, PGS. TS. §Æng V¨n Ngh×n Bé m«n C¬ §iÖn Tö - Khoa C¬ KhÝ §¹i häc B¸ch Khoa Tp.Hå ChÝ Minh Email: bqduoc@dme.hcmut.edu.vn Tãm t¾t Chóng t«i giíi thiÖu mét lo¹i robot ®i b»ng s¸u ch©n mét c¸ch linh ho¹t. Robot ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng bé vi xö lý vµ sö dông 12 ®éng c¬ DC ®Ó truyÒn ®éng. C¸c ch©n robot ®−îc ®iÒu khiÓn vµ ho¹t ®éng ®éc lËp, chóng phèi hîp víi nhau t¹o ra sù di chuyÓn cho robot. Kh¶ n¨ng øng dông cña robot rÊt lín trong l·nh vùc gi¶i trÝ, d©n dông vµ th¸m hiÓm. Abstract We introduce a new type of robot -the Hexapod walking robot (six-legged robot), powered by 12 DC servos and controled by AT89C51 mircocontroller board. The legs were controlled independently, and the combine of this to make the robot moving. This Robot is applied in many fileds such as entertaiment, civil and discovery. 1/ TOµN C¶NH VÒ WALKING ROBOT Ngay tõ khi ra ®êi robot ®−îc ¸p dông réng r·i ®Ó thay thÕ søc lùc cña con ng−êi trong viÖc bèc xÕp vµ vËn chuyÓn vËt liÖu ... trong c¸c d©y chuyÒn s¶n xuÊt tù ®éng. Nh−ng cã mét lo¹i robot l¹i cã kh¶ n¨ng phôc vô ®¾c lùc ë nh÷ng m«i tr−êng nguy hiÓm, ®éc h¹i, ë trªn cao, d−íi ®¹i d−¬ng vµ trªn c¸c hµnh tinh mµ con ng−êi kh«ng thÓ tíi ®−îc ®ã lµ robot di ®éng. Theo nguyªn t¾c dÞch chuyÓn, robot di ®éng cã thÓ ph©n ra c¸c lo¹i sau: - Robot di chuyÓn b»ng b¸nh xe, b¸nh xÝch (Mobile Robot). - Robot di chuyÓn b»ng ch©n (Walking Robot). - Robot di chuyÓn b»ng c¸ch tr−ên m×nh (Snake Robot). 1.1/ Giíi thiÖu vÒ Walking robot Walking Robot lµ d¹ng ®Æc biÖt cña Robot di ®éng. Sù di chuyÓn cña nã ®−îc thùc hiÖn bëi sù phèi hîp chuyÓn ®éng cña c¸c ch©n. Sù di chuyÓn nµy cã thÓ b¾t ch−íc tõ thÕ giíi ®éng vËt, nh− lµ: loµi ng−êi, c¸c loµi ®éng vËt, c¸c loµi c«n trïng, ... Robot lµ s¶n phÈm cña c¬ ®iÖn tö, gåm cã c¸c thµnh phÇn sau : a) PhÇn cøng: gåm tÊt c¶ c¸c bé phËn cÊu thµnh th©n Robot, nh− lµ: c¸c kÕt cÊu ch©n, kÕt cÊu khung, truyÒn ®éng, ... vµ tÊt c¶ c¸c linh kiÖn ®iÖn tö cÊu thµnh m¹ch ®iÖn ®−îc g¾n trªn th©n Robot, nh− lµ: c¸c vi m¹ch (IC), transistor, diode, ®iÖn trë, tô ®iÖn, c¸c ®−êng d©y dÉn, c¸c lo¹i c¶m biÕn, ... b) PhÇn mÒm: gåm tÊt c¶ c¸c ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn tõ bªn ngoµi ®−îc g¾n trªn th©n Robot, nh− lµ: c¸c ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn tõ m¸y tÝnh, hoÆc tõ c¸c bé vi xö lý, ... PhÇn c¬ khÝ ®−îc xem nh− lµ th©n cña Robot, cßn phÇn m¹ch ®iÖn vµ phÇn mÒm ®−îc xem nh− bé n·o cña Robot. 1.2/ LÞch sö ph¸t triÓn Walking robot: *Thêi kú ®Çu: + B¶n thiÕt kÕ ®Çu tiªn cña mét chiÕc m¸y cã ch©n xuÊt hiÖn vµo thÕ kû 18. + N¨m 1893 Georges Moore thiÕt kÕ ra chiÕc m¸y hai ch©n biÕt ®i ®Çu tiªn gäi lµ “Ng−êi h¬i n−íc” (Steam Man). + B¶n thiÕt kÕ cña chiÕc m¸y 4 ch©n biÕt ®i ®Çu tiªn do LA Rygg thùc hiÖn mang tªn “Chó ngùa c¬ khÝ” (Mechanical Horse). + Trong suèt thÕ chiÕn thø nhÊt, chiÕc m¸y nhiÒu ch©n biÕt ®i ®−îc ph¸t triÓn dùa trªn sù c¶i biÕn nh÷ng b¸nh xe cã d©y xÝch. *Thêi kú nh÷ng chiÕc m¸y biÕt ®i hiÖn ®¹i : + N¨m 1964: c¬ cÊu Chebyshev víi m« h×nh ®éng häc cña ®«i ch©n do gi¸o s− tiÕn sÜ AL.Kemurdjian ë St Peterburg, do Nga thùc hiÖn.
  2. + N¨m 1966: b¶n thiÕt kÕ Phoney Poney ®−îc thùc hiÖn víi viÖc øng dông m¸y vi tÝnh vµo ®iÒu khiÓn m¸y biÕt ®i lÇn ®Çu tiªn do McGhee Frank t¹i tr−êng ®¹i häc Nam Carolina. + N¨m 1969: m« h×nh Robot sö dông khÝ nÐn WAP-1 do Ichiro Kato lµm t¹i tr−êng §¹i häc Waseda, Tokyo, NhËt. + Tõ n¨m 1970 ®Õn 1971: Ichiro Kato tiÕp tôc lµm WAP-2, WAP-3 lµ nh÷ng thÕ hÖ ®−îc c¶i tiÕn tõ WAP-1. + N¨m 1973: Ichiro Kato ®· t¹o ra Robot gièng con ng−êi, ®ã lµ Wabot-1, lo¹i Robot gièng ng−êi nµy víi ®Çy ®ñ kÝch cë ®Çu tiªn trªn thÕ giíi. + N¨m 1980: Ichiro Kato t¹o ra WL-9DR thÕ hÖ m¸y lÇn ®Çu tiªn trªn thÕ giíi ®−îc biÕt ®Õn víi kh¶ n¨ng ®i bé hoµn toµn b»ng ®éng lùc häc. + N¨m 1985: Ichiro Kato t¹o ra WL – 10RD thÕ hÖ m¸y biÕt ®i cã kh¶ n¨ng lªn xuèng bËc thang hay dèc nghiªng. + N¨m 1984 ®Õn 1988: t¹i tr−êng ®¹i häc Gifu, NhËt. J.Furusho vµ A.S¸ng t¹o ra BLR-G2. Cho ®Õn nay, nhiÒu thÕ hÖ Walking Robot ®−îc nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn ngµy cµng hoµn thiÖn h¬n. §Æc biÖt trong cuèi thËp kû nµy qua Robot ®· cã nh÷ng c¶i tiÕn v−ît bËc dÇn dÇn gièng con ng−êi h¬n vµ ®Ønh cao lµ robot hai ch©n Honda Asimo cña NhËt B¶n. B¶ng thèng kª Walking Robot theo sè ch©n : Sè thø tù Lo¹i walking robot Sè l−îng 1 Monopod walking robot (robot 1 ch©n) 2 2 Bipod walking robot (robot 2 ch©n) 33 3 Tripod walking robot (robot 3 ch©n) 1 4 Quarpod walking robot (robot 4 ch©n) 22 5 Hexapod walking robot (robot 6 ch©n) 35 6 Heptapod Walking robot (robot 7 ch©n) 1 7 Octapod Walking robot (robot 8 ch©n) 12 −u ®iÓm næi bËt nhÊt cña Walking robot cã thÓ b−íc qua c¸c ch−íng ng¹i vËt trªn ®−êng ®i, cã thÓ chuyÓn ®éng trªn c¸c ®Þa h×nh phøc t¹p nh−: trÌo lªn xuèng cÇu thang, cã thÓ di chuyÓn trªn c¸c bÒ mÆt bÊt kú cho dï ®ã lµ bÒ mÆt tr¬n nh½n hay gå ghÒ, ®øng hay nghiªng. Walking robot Ýt bÞ ch×m xuèng ë nh÷ng n¬i lón, ®Çm lÇy. Walking robot tù ®iÒu chØnh æn ®Þnh (hay lµ ®iÒu chØnh d¸ng ®i cña nã) theo c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh mµ c¸c lo¹i robot di ®éng kh¸c (Robot di ®éng b»ng b¸nh xe hoÆc b¸nh xÝch,...) khã v−ît qua hoÆc kh«ng thÓ v−ît qua ®−îc. Tuy nhiªn, Walking robot th× khã ®iÒu khiÓn h¬n c¸c lo¹i robot di ®éng kh¸c, bëi v× sù di chuyÓn cña Walking Robot ®−îc thùc hiÖn bëi sù phèi hîp chuyÓn ®éng cña c¸c ch©n, mµ mçi ch©n l¹i cã sù chuyÓn ®éng phèi hîp cña c¸c motor t¹i c¸c khíp cña ch©n. VÝ dô, ®èi víi robot s¸u ch©n (Hexapod Walking robot), nÕu mçi ch©n cã 3 bËc do (mçi ch©n cã thÓ sö dông 3 motor), th× cã thÓ cã ®Õn 18 motor. Vµ nÕu robot s¸u ch©n thùc hiÖn d¸ng ®i Tripod Gait (d¸ng ®i cã 3 ch©n trô, 3 ch©n b−íc tíi vµ thay ®æi lu©n phiªn) th× ph¶i cã sù phèi hîp chuyÓn ®éng cña c¸c ch©n trong hai nhãm ch©n nµy. Nh÷ng −u ®iÓm trªn ®©y cho thÊy robot cã ch©n lµ mét lÜnh vùc nhiÒu tiÒm n¨ng, nhiÒu øng dông trong thùc tiÔn. Ch¼ng h¹n nh− th¸m hiÓm nh÷ng n¬i con ng−êi kh«ng thÓ ®Õn: c¸c hang ®éng, c¸c khu vùc nhiÔm phãng x¹. Trong c«ng t¸c kiÓm tra nh−: KiÓm tra c¸c bån chøa trong c«ng nghiÖp. Trong ®êi sèng robot cã ch©n ®−îc øng dông ®Ó tiÕp cËn c¸c con thó d÷ ®Ó b¾n thuèc g©y mª. Trong nghiªn cøu robot cã ch©n cã thÓ cho ®æ bé trªn c¸c vïng nói ®¸ trªn c¸c hµnh tinh xa x«i ... Cho ®Õn nay, nhiÒu thÕ hÖ Walking Robot ®−îc nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn ngµy cµng hoµn thiÖn h¬n. §Æc biÖt trong thËp kû võa qua Robot ®· cã nh÷ng c¶i tiÕn v−ît bËc vµ dÇn dÇn gièng con ng−êi h¬n. V× vËy chóng t«i ®· vµ ®ang nhËn thÊy r»ng viÖc nghiªn cøu vµ chÕ t¹o walking robot ë ViÖt Nam lµ mét viÖc rÊt cÇn thiÕt vµ lµ mét l·nh vùc kh«ng thÓ thiÕu trong nghiªn cøu khoa häc ®Ó cã thÓ ¸p dông réng r·i thµnh tùu khoa häc vµo
  3. ®êi sèng con ng−êi. Tõ b¶ng thèng kª vÒ Walking robot vµ t×nh h×nh thùc tÕ cña ViÖt Nam hiÖn nay chóng t«i ®· chän lùa vµ b¾t tay vµo nghiªn cøu vµ chÕ t¹o lo¹i walking robot s¸u ch©n. 2/ CÊU TRóC MéT WALKING ROBOT S¸U CH¢N §Ó ®iÒu khiÓn tù ®éng hoµn toµn robot cã ch©n ph¶i cã hiÖu suÊt n¨ng l−îng cao v× robot ph¶i mang c¸c ®éng c¬ trªn th©n ®ång thêi mang c¶ bé ®iÒu khiÓn trªn nã. Cã mét sè lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau mµ cã thÓ sö dông ®Ó lµm m« h×nh robot, trong ®ã yÕu tè gi¸ c¶ lµ mét nh©n tè quan träng cho viÖc lùa chän vËt liÖu, nh−ng yÕu tè khèi l−îng lµ quan träng nhÊt ¶nh h−ëng toµn bé qu¸ tr×nh thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot. PhÇn lín c¸c vËt liÖu ®−îc sö dông ®Ó lµm cÊu tróc khung s−ên robot lµ nh«m, v× nã cã träng l−îng nhÑ vµ cã thÓ gia c«ng c¬ khÝ dÔ dµng. Nh÷ng chç kh«ng cÇn thiÕt chóng ta cã thÓ xoi r·nh ®Ó gi¶m bít träng l−îng robot. Qu¸ tr×nh thiÕt kÕ ph¶i chó träng ®Õn bµi to¸n vÒ tÝnh æn ®Þnh tÜnh vµ ®éng cña robot. 2.1/ ThiÕt kÕ ch©n Sù chÕ t¹o thµnh c«ng Robot phô thuéc vµo ph¹m vi lùa chän thiÕt kÕ ch©n. Tõ ®ã, tÊt c¶ c¸c d¹ng chuyÓn ®éng b»ng ch©n ®−îc xem xÐt, sau ®ã xÐt ®Õn tÝnh kh¶ thi cña nã. §iÒu nµy th× rÊt quan träng cho viÖc chän lùa mét c¬ cÊu ch©n mµ nã sÏ tÝnh ®Õn ph¹m vi chuyÓn ®éng lµ lín nhÊt vµ mµ kh«ng ph¶i chÞu nh÷ng rµng buéc vµo d¸ng ®i ®· ®−îc lùa chän. Do ®ã, giai ®o¹n ®Çu tiªn cña qu¸ tr×nh thiÕt kÕ ch©n lµ t×m kiÕm mét kiÓu ch©n tèi −u nhÊt. * Ph−¬ng ¸n 1 Trong ph−¬ng ¸n nµy ch©n robot ®−îc thiÕt kÕ víi sè bËc tù do lµ 3 bËc tù do ®−îc thÓ hiÖn nh− h×nh 1. Nã cã mét bËc tù do cã t¸c dông vÉy ch©n tíi vµ lui, mét bËc tù do n©ng h¹ ch©n vµ mét bËc tù do ë khíp ®Çu gèi. H×nh 1 C¬ cÊu ch©n 3 bËc tù do ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ¸n nµy: C¸c cö ®éng cña ch©n sÏ linh ho¹t h¬n, di chuyÓn dÓ dµng trong ®Þa h×nh thay ®æi phøc t¹p, linh ho¹t h¬n trong viÖc ®Æt ch©n vµ cã thÓ c¶m nhËn ®−îc lùc ®Æt ch©n th«ng qua mét c¶m biÕn lùc ®Æt t¹i bµn ch©n. Nh−îc ®iÓm ë ®©y lµ t¨ng khèi l−îng thiÕt kÕ cho mçi ch©n, cÇn thªm nguån dÉn ®éng cho bËc tù do thø ba, phøc t¹p h¬n trong viÖc ®iÒu khiÓn, c¸c m¹ch xö lý nhiÒu h¬n vµ n¨ng l−îng tiªu thô nhiÒu h¬n. Ngoµi ra momen cÇn cho ®éng c¬ ph¶i ®ñ lín, v× nã ph¶i mang thªm t¶i lµ bËc tù do thø ba. Gi¸ thµnh chÕ t¹o mçi ch©n sÏ t¨ng lªn. Ph−¬ng ¸n nµy tuy cã nhiÒu −u ®iÓm nh−ng l¹i qu¸ phøc t¹p cho viÖc dÉn ®éng vµ ®iÒu khiÓn nªn khã kh¶ thi ®èi víi ph¹m vi ®Ò tµi nµy. * Ph−¬ng ¸n 2 Trong ph−¬ng ¸n hai kÕt cÊu ch©n robot ®−îc thiÕt kÕ víi 2 bËc tù do nªn robot sÏ kÐm linh ho¹t h¬n ch©n 3 bËc tù do. Tuy nhiªn, −u ®iÓm lµ kÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o, dÔ ®iÒu khiÓn, gi¸ thµnh cho mçi ch©n thÊp h¬n. Trong ph¬ng ¸n nµy ta l¹i kh¶o s¸t 3 tr−êng hîp thiÕt kÕ ch©n nh− sau: a) b) c) H×nh 2 C¬ cÊu ch©n 2 bËc tù do
  4. Víi tr−êng hîp a) ta nhËn thÊy hai bËc tù do cho hai kh©u lµ tÞnh tiÕn, ®iÒu nµy sÏ khã kh¨n trong qu¸ tr×nh di chuyÓn. Víi tr−êng hîp b) th× hai bËc tù do cho hai kh©u lµ xoay vµ tÞnh tiÕn, tr−êng hîp nµy cã −u ®iÓm h¬n tr−êng hîp a) nh−ng vÉn kÐm linh ho¹t h¬n tr−êng hîp c). §©y lµ tr−êng hîp mµ c¶ hai bËc tù do ®Òu lµ chuyÓn ®éng xoay quanh khíp. Do ®ã, ®©y sÏ lµ ph−¬ng ¸n lùa chän cho walking robot. Ngoµi ra cßn nhiÒu kiÓu thiÕt kÕ ch©n walking robot, nh−ng trong ph¹m vi bµi b¸o nµy chóng t«i chØ cã thÓ nªu hai ph−¬ng ¸n trªn. 2.2/ Th©n d¹ng h×nh ch÷ nhËt Víi d¹ng th©n h×nh ch÷ nhËt th× c¸c ch©n ®−îc bè trÝ ®Òu theo c¸c c¹nh dµi cña h×nh ch÷ nhËt. Th©n robot d¹ng nµy dÔ chÕ t¹o vµ phï hîp víi c¸c lo¹i walking robot cã mËt ®é ®i ®−êng th¼ng nhiÒu h¬n ®i ®−êng cong. V× khi di chuyÓn theo ®−êng cong sÏ gÆp nhiÒu khã kh¨n trong viÖc x©y dùng gi¶i thuËt ®iÒu khiÓn vµ ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn c¸c ch©n sÏ phøc t¹p h¬n di theo ®−êng th¼ng. H×nh 3 Th©n d¹ng h×nh ch÷ nhËt 2.3/ Chän ®éng c¬ §Ó t¹o nguån dÉn ®éng cho hai bËc tù do cña ch©n ta cÇn trang bÞ c¸c ®éng c¬. §Ó ®¬n gi¶n vµ dÔ dµng trong ®iÒu khiÓn th× mçi bËc tù do sÏ cã mét ®éng c¬ ®Ó dÉn ®éng. C¸c lo¹i ®éng c¬ cã thÓ dïng ®−îc lµ: §éng c¬ b−íc, lo¹i nµy ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng c¸c xung rêi r¹c vµ cã gãc xoay nhá dÔ dµng trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn ch©n, ®©y lµ mét −u ®iÓm. Tuy nhiªn, ®éng c¬ nµy cã träng l−îng qu¸ nÆng vµ momen qu¸ yÕu. Nh− vËy, khèi l−îng cña ch©n sÏ t¨ng thªm v× vËy g©y khã kh¨n trong viÖc chÕ t¹o robot. §éng c¬ DC servo lo¹i ®éng c¬ DC cã encorder ®Ó kiÓm so¸t sè vßng quay cña ®éng c¬ tøc lµ kiÓm so¸t hµnh tr×nh mµ ch©n robot ®· di chuyÓn ®−îc. Víi lo¹i nµy th× khèi l−îng nhÑ h¬n vµ cã thÓ dÓ dµng chän lùa lo¹i ®éng c¬ mong muèn. 2.4/ Chän d¹ng truyÒn ®éng NÕu momen cña ®éng c¬ qu¸ nhá kh«ng ®ñ ®Ó mang t¶i th× cÇn ph¶i cã bé truyÒn ®Ó t¨ng momen. C¸c d¹ng bé truyÒn cã thÓ sö dông ®−îc lµ: b¸nh r¨ng hoÆc trôc vÝt b¸nh vÝt * Bé truyÒn b¸nh r¨ng ¦u ®iÓm: KÝch th−íc nhá, kh¶ n¨ng t¶i lín. TØ sè truyÒn kh«ng thay ®æi do kh«ng cã hiÖn t−îng tr−ît tr¬n. HiÖu suÊt cao h=0.97-0.99. Lµm viÖc víi vËn tèc lín(®Õn 150 m/s), c«ng suÊt lín. Tuæi thä cao, lµm viÖc víi ®é tin cËy cao. KhuyÕt ®iÓm: ChÕ t¹o t−¬ng ®èi phøc t¹p. §ßi hái ®é chÝnh x¸c cao. Cã nhiÒu tiÕng ån khi ho¹t ®éng víi vËn tèc lín. * Bé truyÒn trôc vÝt - b¸nh vÝt: Bé truyÒn trôc vÝt b¸nh vÝt cã −u ®iÓm lµ tØ sè truyÒn lín, lµm viÖc ªm, kh«ng ån, cã kh¶ n¨ng tù h·m vµ cã ®é chÝnh x¸c ®éng häc cao. KhuyÕt ®iÓm lµ hiÖu suÊt thÊp, sinh nhiÖt nhiÒu do cã vËn tèc tr−ît lín nªn ph¶i tÝnh nhiÖt cho bé truyÒn trôc vÝt vµ kÌm theo c¸c biÖn ph¸p lµm nguéi.
  5. Chóng t«i nhËn thÊy bé truyÒn Trôc vÝt-B¸nh vÝt cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n bé truyÒn b¸nh r¨ng. §Æc biÖt, lµ kh¶ n¨ng tù ñoä g cô n h·m, v× c¸c chuyÓn ®éng cña ch©n robot lµ c¸c chuyÓn ®éng cÇn cã ®iÓm dõng vµ khi kh«ng cßn t¸c ®éng cña ®éng c¬ th× ph¶i ñoä g cô n ®¶m b¶o sao cho kÕt cÊu ch©n cßn kh¶ n¨ng gi÷ t− thÕ ®øng v÷ng cña robot. S¬ Caë truï vít - baùh vít naâ g haïchaâ p c n n n ®å bè trÝ ®éng c¬ trªn th©n robot vµ bé Caë truï vít - baùh vít vaã chaâ p c n y n phËn truyÒn ®éng cho c¸c bËc tù do vÉy vµ n©ng h¹ ch©n ®−îc tr×nh bµy trong h×nh 4 H×nh 4 S¬ ®å bè trÝ ®éng c¬ vµ bé phËn truyÒn ®éng 2.5/ C¸c chØ tiªu cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn : Trong phÇn nµy ta kh¶o s¸t mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn th−êng hay gÆp trong ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ ®ã lµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn vßng kÝn. ωr ωe ω M aï h vi xöû c lyù Driver M otor ñoä g cô n hoàtieá i p Caû bieá toá ñoä m n c H×nh 5 HÖ thèng ®iÒu khiÓn vßng kÝn Víi hÖ thèng trªn ta nhËn thÊy tèc ®é ®Çu ra cña ®éng c¬ ®−îc kiÓm so¸t bëi bé c¶m biÕn tèc ®é vµ tèc ®é nµy sÏ ®−îc so s¸nh víi tèc ®é mong muèn lµ ω r bÊt cø mét sù sai lÖch nµo ®Òu ®−îc ph¸t hiÖn vµ hiÖu chØnh th«ng qua bé c¶m biÕn tèc ®é vµ so s¸nh. HÖ thèng nµy sÏ cho ta c¸ch ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c gi¸ trÞ gãc quay cña ®éng c¬ hay gi¸ trÞ chÝnh x¸c b−íc ®i cña robot. Sau ®©y lµ biÓu ®å ®¸p øng thêi gian cña tèc ®é d−íi ¶nh h−ëng cña momen t¶i. To ñ ä áo c TL Th øg ô ian i H×nh 6 BiÓu ®å ®¸p øng cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn vßng kÝn H×nh 6 cho thÊy khi ®éng c¬ mang t¶i tèc ®é ®éng c¬ cã gi¶m xuèng nh−ng trong mét thêi gian ng¾n råi l¹i gi÷ gi¸ trÞ nh− tr−íc. Thùc hiÖn thµnh c«ng mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn sÏ cã nh÷ng ®Æc tr−ng sau ®©y: + Ph¶i thiÕt kÕ theo d¹ng m«®un cho tõng bé phËn riªng biÖt, nh−ng th«ng th−êng bé ®iÒu khiÓn trung t©m cã kh¶ n¨ng giao tiÕp trao ®æi th«ng tin réng r·i víi tÊt c¶ m«®un bé phËn. + Bé giao tiÕp ph¶i lµ thiÕt bÞ ®éc lËp, nh− thÕ thiÕt bÞ phÇn cøng sÏ nhËn ®−îc d÷ liÖu th«ng qua card l−u tr÷ d÷ liÖu. Chóng ®−îc n¹p vµo bé ®iÒu khiÓn nh− lµ bé vi xö lý AT89C51 cña Atmel, hay nh÷ng bé ®iÒu khiÓn víi c«ng nghÖ míi h¬n.
  6. + HÖ thèng ®iÒu khiÓn ph¶i cã kh¶ n¨ng ph©n chia tõng bËc, cã kh¶ n¨ng t−¬ng thÝch vµ tÝch hîp c¸c m«®un míi. HÖ thèng ph¶i cã kh¶ n¨ng chÊp nhËn m«®un míi nh−ng kh«ng lµm ¶nh h−ëng ®Õn sù ho¹t ®éng cña c¸c m«®un kh¸c ®· ®−îc thiÕt kÕ tr−íc ®ã. + Lµm gi¶m hiÖn t−îng nhiÔu do ®iÖn tõ (EMI: Electro Magnetic Interference). TiÕng ån cã thÓ chÊp nhËn trªn mét m«®un nh−ng cã thÓ g©y nhiÔu cho c¸c m«®un kh¸c. V× lý do ®ã tÊt c¶ c¸c m«®un ph¶i ®−îc thiÕt kÕ cïng víi viÖc gi¶m ån cho toµn bé chóng. + Ph¶i ®ñ nhanh ®Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n ®iÒu khiÓn thêi gian cho robot. + Nªn thùc hiÖn ®¬n gi¶n, v÷ng ch¾c vµ linh ho¹t. 3/ GI¶I THUËT CHUYÓN §éNG TH¼NG C¸ch ®i lÆp ®i lÆp l¹i vÞ trÝ ®Æt ch©n khi robot di chuyÓn ®−îc gäi lµ c¸ch ®i tuÇn hoµn. Vµ c¸ch ®i cßn l¹i lµ c¸ch ®i kh«ng tuÇn hoµn. Víi c¸ch ®i kh«ng tuÇn hoµn ®−îc øng dông ®Ó di chuyÓn trong c¸c ®Þa h×nh phøc t¹p nh−: Leo, trÌo qua l¹i c¸c ch−íng ng¹i vËt. Mét c¸ch ®i cã thÓ biÓu hiÖn trong d¹ng cã chu kú. B¾t ®Çu víi n ch©n tiÕp xóc víi nÒn, khèi l−îng cña th©n ®−îc thay ®æi ®Æt trªn c¸c ch©n ch¹m ®Êt, c¸c ch©n kh«ng ch¹m ®Êt ®−îc n©ng lªn vµ di chuyÓn. C¸c ch©n tiÕp xóc víi nÒn sÏ lµ c¸c ch©n n©ng, cßn khèi lîng cña th©n sÏ ®−îc di chuyÓn lªn phÝa tr−íc trong chu kú tiÕp theo. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng tÜnh ®Þnh robot lu«n lu«n cã Ýt nhÊt ba ch©n tiÕp xóc víi ®Êt vµ gi÷ träng t©m cña th©n n»m trong tam gi¸c t¹o bëi ba ®iÓm tiÕp xóc cña ch©n víi nÒn. Cßn trong c¸ch ®i c©n b»ng ®éng häc lu«n cã Ýt nhÊt ba ch©n tiÕp xóc víi nÒn ë mét vµi thêi ®iÓm trong chu kú, vµ nã cã thÓ cã tr¹ng th¸i tÊt c¶ c¸c ch©n rêi khái mÆt ®Êt trong mét kho¶ng thêi gian ng¾n. Mét chu kú c¬ b¶n cña c¸ch ®i ®−îc gäi lµ mét b−íc. Trong phÇn nµy mét b−íc lµ mét chu kú cña sù di chuyÓn cña ch©n ®−îc hoµn thµnh vµ nã ®−îc lÆp ®i lÆp l¹i. Cã ba c¸ch ®i mµ chóng ta cã thÓ ¸p dông cho walking robot s¸u ch©n lµ: c¸ch ®i tam gi¸c thay ®æi, c¸ch ®i gîn sãng vµ c¸ch ®i d¹ng sãng. Víi mçi c¸ch ®i ®−îc øng dông ®Ó di chuyÓn trªn nh÷ng ®Þa h×nh kh¸c nhau, víi mçi lo¹i ®Þa h×nh chØ cã mét c¸ch di chuyÓn nhÊt ®Þnh mµ th«i. 3.1/ C¸ch ®i tam gi¸c thay ®æi C¸ch ®i nµy ®−îc sö dông cho robot di chuyÓn trªn mÆt ph¼ng víi tèc ®é di chuyÓn nhanh. Víi c¸ch ®i nµy c¸c ch©n robot ®−îc chia ra lµm hai pha: pha ban ®Çu n©ng lªn ba ch©n khái nÒn, sau ®ã ba ch©n ch¹m ®Êt vÉy vÒ phÝa sau. Sau khi ba ch©n ch¹m ®Êt ®· vÉy vÒ phÝa sau xong th× ba ch©n cßn l¹i sÏ vÉy vÒ phÝa tr−íc, trong khi ®ã th©n cña robot sÏ di chuyÓn vÒ phÝa tr−íc. Sau ®ã, ®Õn pha thø hai c¸c ch©n n©ng lªn ®−îc h¹ xuèng ®Ó n©ng ba ch©n cßn l¹i. Vµ cø nh− vËy lÆp ®i lÆp l¹i c¸c chu kú tiÕp theo. Víi c¸ch nµy robot lu«n lu«n ®−îc c©n b»ng v× ë bÊt cø thêi ®iÓm nµo robot còng lu«n cã ba ch©n tiÕp xóc víi nÒn. Chaâ chaï ñaá n m t Chaâ khoâ g chaï ñaá n n m t H×nh 7 C¸ch ®i tam gi¸c thay ®æi §©y lµ c¸ch ®i ®¬n gi¶n vµ æn ®Þnh nhÊt cña walking robot s¸u ch©n. Quy luËt chÝnh cña c¸ch ®i tam gi¸c thay ®æi lµ ta chia c¸c ch©n robot ra lµm hai nhãm kh¸c nhau nh−ng thùc hiÖn viÖc di chuyÓn gièng nhau ë tõng n÷a chu kú. Tuy nhiªn, c¸ch ®i nµy kh«ng ph¶i lµ c¸ch ®i tèi −u dµnh cho robot tÜnh ®Þnh s¸u ch©n.
  7. 3.2/ C¸ch ®i d¹ng gîn sãng C¸ch ®i d¹ng nµy ®−îc sö dông khi robot ®ßi hái ®é æn ®Þnh nhiÒu h¬n so víi c¸ch ®i tam gi¸c thay ®æi. C¸ch ®i nµy ®¶m b¶o lu«n lu«n cã bèn ch©n tiÕp xóc víi nÒn trong suèt mäi thêi ®iÓm di chuyÓn, v× vËy, nã ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh cña th©n cao h¬n. Di chuyÓn ®Çu tiªn lµ cña ch©n phÝa sau ®u«i cña mçi bªn th©n, sau ®ã lµ c¸c ch©n tiÕp theo. C¸c cÆp ch©n ho¹t ®éng lÖch pha nhau 180o. Víi c¸ch ®i nµy th©n cña robot di chuyÓn chËm h¬n so víi c¸ch ®i tam gi¸c thay ®æi nhng l¹i cã ®é æn ®Þnh cao h¬n. 3.3/ C¸ch ®i d¹ng sãng C¸ch ®i nµy cã nhiÒu nguyªn lý ®i h¬n so víi c¸ch ®i d¹ng gîn sãng. Di chuyÓn ®Çu tiªn lµ cña ch©n cuèi cïng cña mét bªn. Khi ch©n di chuyÓn th× thø tù c¸c ch©n b−íc lªn phÝa tr−íc lan ra nh− c¬n sãng vÒ phÝa tr−íc cña th©n vµ tiÕp tôc c¸c ch©n phÝa bªn kia còng b¾t ®Çu tõ ch©n phÝa sau cïng. §iÒu nµy cã nghÜa lµ robot lu«n cã 5 ch©n tiÕp xóc víi mÆt ®Êt ë mäi thêi ®iÓm. C¸ch ®i nµy chËm nhÊt so víi hai c¸ch ®i ®· tr×nh bµy ë trªn. Nh−ng nã cã ®é æn ®Þnh cao nhÊt vµ c¸ch ®i nµy cã thÓ sö dông ®Ó di chuyÓn trªn c¸c ®Þa h×nh phøc t¹p, gå ghÒ nh− ®i trªn nói, ®Þa h×nh ®Êt ®¸ ... Trong ph¹m vi bµi b¸o nµy ®Ó ®¬n gi¶n chóng t«i sö dông c¸ch ®i tam gi¸c thay ®æi cho walking robot s¸u ch©n. Trong c¸ch di chuyÓn cña robot gåm cã di chuyÓn th¼ng tíi vµ lïi, di chuyÓn rÏ tr¸i vµ rÏ ph¶i. Trong hai di chuyÓn rÏ tr¸i vµ rÏ ph¶i th× ®Òu dùa trªn nÒn t¶ng cña di chuyÓn th¼ng. Trong ®ã, ®−êng cong cña quü ®¹o di chuyÓn sÏ ®−îc chia nhá ra thµnh nhiÒu ®o¹n nhá, mµ trong ®ã mçi mét ®o¹n ®−îc xem nh− lµ mét ®o¹n th¼ng. Vµ robot sÏ di chuyÓn trªn c¸c ®o¹n th¼ng nµy. Nh−ng ho¹t ®éng cña tõng ch©n khi nµy sÏ kh¸c nhau kh«ng ph¶i gièng nh− di chuyÓn th¼ng hoµn toµn. Mµ c¸c ch©n phèi hîp víi nhau sau cho phï hîp víi quü ®¹o cÇn di chuyÓn. §é chÝnh x¸c ®¹t ®−îc tuú thuéc vµo sè l−îng c¸c ®o¹n chia nhá nhiÒu hay Ýt. §o¹n chia cµng nhá th× quü ®¹o di chuyÓn sÏ cµng gièng víi quü ®¹o yªu cÇu. Tuy nhiªn, khi ®ã sÏ ®ßi hái ®é chÝnh x¸c cña gãc vÉy ch©n vµ nh− vËy th× khèi lîng tÝnh to¸n xö lý sÏ nhiÒu lªn. Bé vi xö lý cÇn ph¶i cã tèc ®é tÝnh to¸n nhanh, dung l−îng bé nhí ph¶i nhiÒu míi ®¸p øng ®−îc yªu cÇu nµy. 4/ GI¶I THUËT CHUYÓN §éNG THEO §¦êNG CONG Trong di chuyÓn theo ®−êng cong ta sö dông di chuyÓn theo ®−êng th¼ng lµm nÒn t¶ng c¬ b¶n. Ch¼ng h¹n, mét ®−êng quü ®¹o cÇn di chuyÓn lµ mét cung trßn nh− h×nh 8: H×nh 8 ChuyÓn ®éng theo ®−êng cong Mét ®−êng quü ®¹o cÇn di chuyÓn ch¼ng h¹n nh− cung trßn theo h×nh trªn. Th× ta chia cung trßn nµy thµnh c¸c ®o¹n th¼ng nhá v× trong giíi h¹n gÇn ®óng ta cã thÓ xem mét cung trßn lµ mét tËp hîp gåm v« sè c¸c ®o¹n th¼ng vµ viÖc di chuyÓn theo mét quü ®¹o nh− trªn th× chØ lµ viªc di chuyÓn trªn tõng c¸c ®o¹n th¼ng nhá. Tuy nhiªn robot chóng ta thiÕt kÕ gåm s¸u ch©n nªn c¸c ®o¹n th¼ng nhá qu¸ sÏ khã cã thÓ thùc hiÖn. Do ®ã, chØ trong mét giíi h¹n nµo ®ã th× theo gi¶i thuËt nµy robot s¸u ch©n míi ®¸p øng ®−îc. Trong chuyÓn ®éng theo ®−êng cong nµy, bé ®iÒu khiÓn ph¶i lµm nhiÖm vô ®−a ra c¸c ph−¬ng ¸n chuyÓn ®éng cña tõng kh©u trong tõng ch©n thÝch hîp.
  8. 5/ NhËn xÐt vµ kÕt qu¶: Chóng t«i ®· thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o thµnh c«ng mét walking robot s¸u ch©n, chóng cã tæng khèi l−îng lµ 5,8 kg, chuyÓn ®éng nhê 12 ®éng c¬ DC servo, vµ ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng bé vi xö lý AT89C51. Víi kÕt qu¶ ban ®Çu nµy chóng t«i cßn ph¶i hoµn thiÖn thªm cho robot vµi phÇn vÒ c¬ khÝ vµ bé ®iÒu khiÓn ®Ó ®¹t ®−îc nh÷ng yªu cÇu ®Æt ra. Víi tÊt c¶ nh÷ng g× nghiªn cøu, trong thêi gian tiÕp theo chóng t«i sÏ nghiªn cøu thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o c¸c lo¹i walking robot cã sè ch©n kh¸c nhau phôc vô cho viÖc gi¶i trÝ vµ nghiªn cøu khoa häc. Nh− b¹n ®äc ®· thÊy qua viÖc tr×nh bµy ë trªn, viÖc chÕ t¹o c¸c lo¹i walking robot ®Æc biÖt lµ lo¹i s¸u ch©n lµ hiÖn thùc. ViÖc chÕ t¹o walking robot sÏ gãp phÇn gi¶i quyÕt phÇn nµo ®ã c«ng viÖc nguy hiÓm mµ con ng−êi ®ang ph¶i lµm. TµI LIÖU THAM KH¶O: [1] Micheal B Binnard: Leg Design For a Small Walking Robot [2] Jonh J Craig – Introduction to Robotics Machanics and Control – SeconEdition – Addison Wesley Publishing Company [3] Lung – Wen Tsai – Robot Analysis the Mechanics of Seial and Parallel Manipulators – Jonh Wiely & Sons, INC [4] Philip John McKerrow – Introduction to Robotics – Addison Wesley Publishing company
Đồng bộ tài khoản