Mô hình robot điều khiển từ xa bằng máy tính thông qua sóng radio

Lê Hùng Linh và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 73(11): 71 - 77<br /> <br /> MÔ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG MÁY TÍNH<br /> THÔNG QUA SÓNG RADIO<br /> Lê Hùng Linh*, Dương Chính Cương, Ngô Hữu Huy<br /> Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Hiện nay, các robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các quá trình công nghiệp cũng như<br /> trong đời sống hàng ngày. Việc ứng dụng các loại robot vào trong công nghiệp sẽ giúp cho quá<br /> trình sản xuất được nhanh chóng và đảm bảo độ chính xác cao. Nhưng hiện nay ở Việt Nam, robot<br /> hầu như chưa được sử dụng rộng rãi, khái niệm robot đang được phổ biến trong mấy năm gần đây.<br /> Do vậy, lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo robot phục vụ cho sản xuất cũng như các mục đích dân<br /> dụng vẫn còn khá mới mẻ. Robot có rất nhiều loại như là robot sử dụng trong các dây chuyền sản<br /> xuất, robot dò đường, robot lau chùi cửa kính cho các toà nhà cao tầng, robot chống khủng bố.<br /> Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu tổng quan về các kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt<br /> động và cách thức điều khiển Robot và các mô hình robot; Tìm hiểu các tài liệu và thiết bị liên<br /> quan; Phân tích và thiết kế mô hình robot điều khiển từ xa bằng sóng điện từ. Xây dựng mạch điều<br /> khiển robot, thiết kế cơ khí cho robot và thực hiện điều khiển robot thông qua mô đun truyền thông<br /> bằng sóng điện từ. Xây dựng chương trình điều khiển robot trên máy tính và lưu lại quá trình hoạt<br /> động của robot, mô phỏng trạng thái hoạt động của robot trên máy tính.<br /> Từ khóa: Mô phỏng, trạng thái, sóng điện từ, mô hình, chương trình điều khiển.<br /> <br /> TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH ROBOT<br /> Định nghĩa[4]: “Một kiểu mô hình là một<br /> triết lý hoặc một tập hợp những công nhận và<br /> kỹ thuật, mô tả đặc điểm cách tiếp cận một<br /> lớp các vấn đề. Nó vừa là cách xem xét thế<br /> giới, vừa là một tập hợp các công cụ giải<br /> quyết vấn đề.” Lịch sử phát triển robot đã trải<br /> qua 3 kiểu mô hình, đó là kiểu thứ bậc, kiểu<br /> phản hồi và kiểu tổng hợp. Trong một hệ<br /> thống robot, luôn luôn tồn tại ba nhóm chức<br /> năng cơ bản đó là Cảm nhận, Hành động và<br /> Lập kế hoạch. Các kiểu mô hình robot được<br /> xác định dựa trên mối quan hệ của 3 nhóm<br /> chức năng cơ bản đó.<br /> Kiểu mô hình thứ bậc:<br /> Đây là kiểu mô hình xuất hiện đầu tiên, trong<br /> đó robot cố bắt chước cách con người suy<br /> nghĩ: sau khi cảm nhận được về thế giới xung<br /> quanh, người ta sẽ suy nghĩ để lập kế hoạch,<br /> và hành động đáp ứng.<br /> Với cách này, dữ liệu cảm nhận thường phải<br /> đầy đủ để có một đánh giá bao quát về môi<br /> trường xung quanh, sau đó luôn qua xử lý ở<br /> bước lập kế hoạch.<br /> <br /> <br /> <br /> Tel: 0929077888<br /> <br /> Hình 1. Kiểu mô hình thứ bậc<br /> <br /> Như vậy, kiểu này không cho phép dữ liệu<br /> truyền thẳng đến hành động như kiểu một<br /> phản xạ vô điều kiện, điều này làm cho robot<br /> trở nên thiếu nhanh nhẹn. Kiểu mô hình này<br /> đã không còn được sử dụng từ hơn 20 năm<br /> qua.<br /> Kiểu mô hình phản hồi:<br /> Kiểu phản xạ gần như ngược lại với kiểu thứ<br /> bậc, kiểu này không giữ lại phần lập kế<br /> hoạch, các cảm nhận của robot sẽ được<br /> truyền trực tiếp sang hành động.<br /> <br /> Hình 2. Kiểu mô hình phản hồi<br /> <br /> Theo kiểu này, robot chứa sẵn nhiều cặp<br /> tương ứng Cảm nhận – Hành động, được gọi<br /> là các bộ hành vi. Các hành vi xảy ra có tính<br /> đồng thời, do được xử lý riêng rẽ. Và vì robot<br /> có thể thực hiện nhiều hành vi một lúc, không<br /> lập kế hoạch nên nó tiết kiệm được rất nhiều<br /> thời gian. Kiểu mô hình này đã mang đến<br /> nhiều thành tựu to lớn, nhưng rõ ràng nó<br /> không thích hợp với các loại robot nhiều<br /> chức năng. Kiểu này giống như kiểu người ta<br /> dạy các con vật mà không làm cho con vật đó<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 71<br /> <br /> Lê Hùng Linh và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> suy nghĩ thông minh hơn. Kiểu mô hình này<br /> đòi hỏi sự hiểu biết về không gian hoạt động<br /> toàn cục trước khi lập trình để tìm ra tất cả<br /> các hành vi có thể có của robot. Các nhà<br /> nghiên cứu thực hiện mô hình này để giảm<br /> thiểu giá thành phần cứng của sản phẩm bằng<br /> cách tăng mức độ tính toán ban đầu khi tạo ra<br /> các hành vi của robot.<br /> Kiểu mô hình tổng hợp:<br /> <br /> Kiểu tổng hợp là sự kết hợp 2 kiểu mô hình<br /> trên, làm cho robot suy nghĩ uyển chuyển<br /> giống người hơn, và hiện nay hầu hết các<br /> nghiên cứu đi theo hướng này. Kiểu này tách<br /> việc lập kế hoạch ra khỏi các hành vi của<br /> robot.<br /> <br /> 73(11): 71 - 77<br /> <br /> công trong việc thiết kế cho mỗi ứng dụng.<br /> <br /> Mô hình điều khiển robot từ xa bằng<br /> máy tính thông qua sóng điện từ được<br /> xây dựng theo kiểu mô hình tổng hợp<br /> <br /> (Hình 3). Điều khiển robot từ xa cần có tín<br /> hiệu trạng thái phản hồi từ robot để biết được<br /> trạng thái của robot tại từng thời điểm, giúp<br /> cho việc điều khiển dễ dàng và chính xác.<br /> Robot được điều khiển từ xa bằng máy tính,<br /> việc lập kế hoạch, lưu trữ thông tin do máy<br /> tính thực hiện rồi gửi yêu cầu cần thực hiện<br /> cho robot. Robot trong hệ thống tiếp nhận<br /> thông in chủ yếu từ máy tính truyền qua bộ<br /> thu/phát sóng RF. Do đó việc lựa chọn mô<br /> hình theo mô hình tổng hợp đã đáp ứng đủ<br /> theo yêu cầu của hệ thống.<br /> <br /> Robo<br /> t<br /> <br /> Hình 3. Kiểu mô hình tổng hợp<br /> <br /> Lập kế hoạch tương tác với các bộ hành vi<br /> bằng một phương thức mà người ta gọi là<br /> “nghe lén”. “Nghe lén” là một phương thức<br /> lấy thông tin từ bộ phận Cảm nhận để điều<br /> chỉnh lại các thông tin toàn cục, tác động trở<br /> lại các hành vi của robot.<br /> Với kiểu mô hình này, các robot thông minh<br /> hơn và cũng không tốn nhiều thời gian cho<br /> việc lập kế hoạch như ở mô hình thứ bậc, và<br /> lại cho phép robot thực hiện nhiều chức năng<br /> hơn so với mô hình phản hồi.<br /> Kiểu mô hình xác suất:<br /> Kiểu mô hình này là một kiểu mô hình mới<br /> sử dụng tất cả các kiểu mô hình trên, nhưng<br /> thay vì tính toán với các thông số cụ thể, tất<br /> cả các dữ liệu và trạng thái của robot đều ở<br /> dưới dạng xác suất và thống kê. Kiểu mô<br /> hình này cho phép robot giảm thiểu các tính<br /> toán, tăng khả năng hoạt động trong các môi<br /> trường thiếu thông tin, với các cảm biến có<br /> sai số lớn, và khả năng điều khiển bền vững.<br /> ĐỀ<br /> XUẤT<br /> MÔ<br /> HÌNH<br /> ROBOT<br /> ĐIỀU KHIỂN TỪ XA<br /> Lựa chọn được mô hình phù hợp nhất sẽ giúp<br /> cho việc giải quyết vấn đề dễ dàng hơn. Vì<br /> vậy, việc biết các kiểu mô hình của công<br /> nghệ robot là một chìa khoá để có thể thành<br /> <br /> Hình 4. Mô hình tổng quan hệ thống<br /> <br /> Xây dựng mô hình<br /> Hệ thống Robot điều khiển từ xa bằng máy<br /> tính bao gồm hai chương trình trên máy tính<br /> và trên Robot. Máy tính và Robot liên lạc với<br /> nhau bằng sóng điện từ. Hệ thống được mô tả<br /> như trong hình vẽ.<br /> Trong hệ thống, Máy tính và Robot có thể<br /> liên lạc với nhau với một khoảng cách xa<br /> bằng sóng điện từ. Khoảng cách giữa Máy<br /> tính và Robot có khoảng cách tối đa là 900<br /> m (không dùng ăng ten) và 63 km (khi dùng<br /> ăng ten).<br /> Trong đó Máy tính sẽ thực hiện điều khiển<br /> Robot, đồng thời nó cũng lưu lại lịch trình<br /> hoạt động cũng như trạng thái của Robot.<br /> Robot sẽ thực hiện việc di chuyển và làm việc<br /> theo sự điều khiển của máy tính.<br /> Mô hình robot được tiến hành xây dựng gồm<br /> các thành phần sau:<br /> 1. Hệ thống phát động và chấp hành.<br /> 2. Hệ thống cảm biến.<br /> 3. Bộ điều khiển, gồm cả phần mềm và phần<br /> cứng hệ thống.<br /> 4. Chương trình điều khiển.<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 72<br /> <br /> Lê Hùng Linh và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Hệ thống phát động và chấp hành:<br /> Chuyển động của robot được thực hiện bởi hệ<br /> thống này. Hệ thống bao gồm:<br /> <br /> – Nguồn cung cấp điện<br /> – Khuyếch đại công suất<br /> – Động cơ<br /> – Truyền động cơ khí<br /> Hình 5 là sơ đồ ghép nối hệ thống phát động<br /> và chấp hành, trong đó thể hiện sự chuyển<br /> đổi năng lượng.<br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ hệ thống phát động và chấp hành<br /> <br /> Để thể hiện quan hệ chung, Pc thể hiện tín<br /> hiệu điều khiển, Pu là công suất cơ học cần<br /> thiết để làm robot chuyển động. Các đại<br /> lượng trung gian, công suất điện cung cấp<br /> cho động cơ Pa, công suất nguồn Pp, công<br /> suất cơ học do động cơ phát ra Pm. Ngoài ra<br /> còn có các loại công suất tổn hao trong các<br /> khâu trung gian: khuyếch đại công suất Pda,<br /> động cơ Pds, truyền dẫn Pdt.<br /> Hệ thống cảm biến:<br /> <br /> Hệ thống nhận ngõ vào là các dữ liệu cảm<br /> biến, dựa vào các thuật toán biến đổi và các<br /> phương pháp điều khiển để biến đổi nó thành<br /> thông tin cảm biến, kèm theo tất cả các phần<br /> cứng liên quan.<br /> Bộ điều khiển:<br /> <br /> Sử dụng chip Atmega16 làm bộ điều khiển<br /> cho robot. Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu<br /> điều khiển từ máy tính, xử lý rồi điều khiển<br /> hoạt động của robot và gửi tín hiệu trạng thái<br /> tới máy tính.<br /> Chương trình điều khiển:<br /> <br /> Chương trình điều khiển trên máy tính được<br /> viết bằng ngôn ngữ Microsoft Visual Basic<br /> 6.0; Chương trình sẽ cung cấp một giao diện<br /> đơn giản, dễ sử dụng cho việc điều khiển<br /> như: điều khiển robot tiến, lùi, quay trái,<br /> quay phải, nâng/hạ cánh tay, gắp/nhả vật,<br /> quay trục, hiển thị những thông tin hiện thời<br /> <br /> 73(11): 71 - 77<br /> <br /> của robot, lưu lại lịch trình hoạt động cũng<br /> như trạng thái của Robot.<br /> Chương trình điều khiển trên chip Atmega16<br /> được viết bằng ngôn ngữ C. Sau khi nhận<br /> được tín hiệu điều khiển từ máy tính, chương<br /> trình điều khiển sẽ xác định công việc phải<br /> làm và khối lượng công việc cần làm cho<br /> robot một cách chính xác như xác định tiến,<br /> lùi bao nhiêu; quay trái, quay phải bao nhiêu<br /> độ, quay trục hay quay xe, gắp hay nhả vật,<br /> nâng hay hạ cánh tay... và gửi tín hiệu phản<br /> hồi cho máy tính.<br /> Phương trình toán học sử dụng trong robot<br /> Robot có thể thao tác các công việc theo<br /> đúng yêu cầu, với chương trình điều khiển<br /> trên CPU của robot được lập trình chính xác.<br /> Một số phương trình, công thức sử dụng<br /> trong chương trình như: phương trình tính<br /> quãng đường di chuyển, tính góc quay xe,<br /> tính góc quay trục. Sau khi nhận được quãng<br /> đường cần di chuyển, góc cần quay gửi từ<br /> máy tính, robot dựa vào phương trình để tính<br /> ra số xung điều khiển.<br /> Phương trình quy đổi quãng đường di chuyển<br /> của robot sang xung điều khiển của CPU sử<br /> dụng trong robot:<br /> <br /> Do việc lựa chọn động cơ và bánh xe nên ta<br /> có:<br /> Cứ chip xuất 1T (1 xung ) thì động cơ bước<br /> quay 1 bước = 7.2o. Vây số xung để động cơ<br /> bước quay 1 vòng = 360o là:<br /> <br /> x<br /> <br /> 360<br />  50T<br /> 7.2<br /> <br /> Số xung để động cơ bước quay 14 vòng<br /> y  14*50  700 T; (1)<br /> Một vòng bánh xe có độ dài là 310 mm (chu<br /> vi bánh xe). Vậy: 3 vòng bánh xe nên độ dài<br /> là d = 3*310 = 930 mm (2)<br /> Do thiết kế cơ khí của hệ thống nên ta có:<br /> Cứ động cơ bước quay 14 vòng thì bánh xe<br /> quay 3 vòng; Hay chip xuất 700T xe đi được<br /> quãng đường là 930mm (theo 1 và 2). Vậy số<br /> xung để đi được quãng đường d (mm) là T<br /> <br /> x<br /> <br /> d * 700 d * 70<br /> <br /> (3)<br /> 930<br /> 93<br /> <br /> Phương trình quy đổi góc quay robot sang<br /> Xung điều khiển của CPU trong robot<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 73<br /> <br /> Lê Hùng Linh và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Theo công thức tính độ dài của cung tròn:<br /> l=R*. Với  tính bằng radian, mà chip nhận<br /> được giá trị góc từ máy tính gửi là tính bằng<br /> độ, nên chuyển đơn vị góc từ độ sang radian.<br /> Cứ 180o tương ứng với  radian<br /> Hay 45o tương ứng với arctan(1) radian<br /> Vậy để quay Ao thì ta có<br /> <br /> 73(11): 71 - 77<br /> <br /> Modul về cơ khí<br /> <br /> A * arctan(1)<br /> radian<br /> 45<br /> A *<br /> (không tính  <br /> vì số  không được<br /> 180<br /> <br /> <br /> <br /> chương trình máy tính định nghĩa sẵn, còn<br /> hàm arctan(1) có sẵn trong chương trình máy<br /> tính).<br /> <br /> Theo thiết kế robot, hai bánh trước là bánh đa<br /> hướng giúp cho robot di chuyển dễ dàng, hai<br /> bánh sau là phát động, khoảng cách giữa hai<br /> bánh là 380 mm và có thể chuyển động độc<br /> lập nhau. Vậy khi quay robot, hai bánh sẽ<br /> quay ngược chiều nhau và tâm quay nằm ở<br /> giữa trục hai bánh, nên bán kính của cung<br /> tròn là R=380/2=190 mm.<br /> Do đó, độ dài cung tròn hay chính là quãng<br /> đường cần di chuyển ứng với góc quay Ao là:<br /> <br /> A * arctan(1)<br /> )<br /> 45<br /> 190<br />  A * arctan(1) * s<br /> 45<br /> <br /> l  R *   190 * (<br /> <br /> Hình 6. Thiết kế hệ thống cơ khí<br /> Modul về mạch<br /> <br /> Modul về mạch gồm 2 modul nhỏ là:<br /> modul mạch điều khiển và modul mạch công<br /> suất.<br /> - Sơ đồ khối hệ thống robot:<br /> <br /> Theo phương trình 2.3: số xung để quay được<br /> A0 là<br /> <br /> x<br /> <br /> Mô<br /> đun<br /> truyền<br /> thông<br /> <br /> l * 70<br /> 190* 70<br />  A * arctan(1) *<br /> T<br /> 93<br /> 45 * 93<br /> <br /> hay<br /> <br /> CPU<br /> <br /> Phối<br /> hợp<br /> công<br /> suất<br /> <br /> Khối<br /> chấp<br /> hành<br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ khối hệ thống robot<br /> <br /> l * 70<br /> 2660<br />  A * arctan(1) *<br /> T (4)<br /> 93<br /> 837<br /> Phương trình quy đổi góc quay robot sang<br /> x<br /> <br /> - Modul điều khiển:<br /> <br /> xung điều khiển của CPU trong robot<br /> <br /> Do thiết kế cơ khí của hệ thống nên ta có: Cứ<br /> động cơ bước quay 14 vòng thì trục cánh tay<br /> quay 5 vòng; Hay chip xuất 700T trục cánh<br /> tay quay 5*360o = 1800o (theo 1).<br /> Vậy số xung để trục cánh tay quay góc Go là:<br /> x<br /> <br /> G * 700 G * 7<br /> <br /> T (5)<br /> 1800<br /> 18<br /> <br /> PHẦN CỨNG<br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 74<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Lê Hùng Linh và cs<br /> <br /> Hình 8. Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch chip<br /> <br /> - Modul công suất:<br /> <br /> 73(11): 71 - 77<br /> <br /> 3: Obj = bàn tay<br />  Khung truyền điều khiển thân robot:<br /> 1<br /> 1(Trái)<br /> <br /> 1<br /> * *<br /> (Thân)<br /> <br /> 2<br /> <br /> G G G<br /> <br /> (Tiến)<br /> <br /> D D D<br /> <br /> 1 2 3<br /> <br /> 2<br /> <br /> 1 2 3<br /> <br /> (Phải)<br /> 0<br /> (Không<br /> <br /> 0<br /> 0 0 0<br /> <br /> THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRÊN PC<br /> Khung truyền dữ liệu từ máy tính tới CPU của<br /> robot<br /> <br /> - Khung truyền dữ liệu dạng tổng quát:<br /> Để các modul trong hệ thống có thể giao tiếp<br /> với nhau, hiểu nhau và làm việc được với<br /> nhau thì cần quy định khung truyền dữ liệu,<br /> cụ thể khung truyền gồm 3 phần như: Start,<br /> Data, Stop.<br /> Key word<br /> <br /> Key word<br /> <br /> Para 1<br /> <br /> Start<br /> <br /> …<br /> <br /> Para n<br /> <br /> Data<br /> <br /> 0 0 0<br /> <br /> (Không<br /> <br /> làm)<br /> <br /> Hình 9. Sơ đồ mạch nguyên lý<br /> của mạch công suất<br /> <br /> #<br /> <br /> (Lùi)<br /> <br /> làm)<br /> <br /> G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ)<br /> D1, D2, D3: Quãng đương (đơn vị: cm)<br /> Các hoạt động của phần thân robot sẽ ảnh<br /> hưởng đến toàn bộ robot như: tiến, lùi sẽ làm<br /> thay đổi tọa độ robot; quay trái, quay phải sẽ<br /> làm thay đổi hướng của robot (hướng robot là<br /> so với trục OX của sân).<br />  Khung truyền điều khiển phần trục:<br /> Các hoạt động của phần trục như: nâng, hạ,<br /> quay trục trái, quay trục phải (hướng của<br /> cánh tay robot là so với thân robot). Các hoạt<br /> động này không ảnh hưởng đến tọa độ và<br /> hướng của robot.<br /> <br /> Key word<br /> <br /> Stop<br /> <br /> - Khung truyền dữ liệu dạng chi tiết:<br /> Khung truyền có 12 byte:<br /> Start: Đây là phần đầu của khung truyền tin,<br /> sử dụng 2 byte start với key word là: **. Nếu<br /> sai giá trị thì sẽ gây ra lỗi khung truyền.<br /> Data: Sau 2 byte start là 9 byte data.<br /> Stop: Đây là byte kết thúc quá trình truyền 1<br /> gói tin, sử dụng 1 byte stop với key word là:<br /> #. Nếu sai giá trị thì sẽ gây ra lỗi khung<br /> truyền.<br /> <br /> G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ)<br />  Khung truyền điều khiển bàn tay :<br /> Các hoạt động của bàn tay như: gắp, nhả. Các<br /> hoạt động này không ảnh hưởng đến tọa độ,<br /> hướng của robot và hướng của cánh tay.<br /> 1(Gắp)<br /> <br /> *<br /> <br /> Trong đó:<br /> Obj: chỉ đối tượng được điều khiển<br /> 1: Obj = thân robot<br /> P3 =<br /> 2: Obj = phần trục<br /> <br /> 3<br /> <br /> 2(Nhả)<br /> <br /> (Tay)<br /> <br /> 0<br /> <br /> *<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> (Không<br /> làm)<br /> <br /> Thuật toán điều khiển trên máy tính<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 75<br /> <br /> #<br /> <br />