MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG ROBOCAR

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG ROBOCAR

j t

xc, xd

y d

x t

y c

y t Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Lê Hoàng Giang

O t

Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN

P y

P x

Tóm tắt

Trong bài này gi ới 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 ph ương pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều khiển chuy ển động của Robocar khi y êu cầu bám theo đường dẫn và tránh được ch ướng ng ại v.v. Đồng th ời giới thiệu một số ứng dụng thực tế. Hình 1 1. GIỚI THIỆU CHUNG ường hợp 3 bánh, 2 bánh

Robocar là lo ại robot di động trên xe (a car-like mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần: tay máy và xe, nh ưng có chung h ệ th ống điều khi ển. Robocar ch ủ yếu hoạt động trong các phân x ưởng, bến bãi, với địa hình không quá ph ức tạp nên kết cấu xe cũng rất đơn giản. Trên hình 1 là tr sau chủ động và là các bánh lái. Cho h ệ toạ độ xd yd zd gắn li ền với xe di động, có g ốc tại điểm D trung tâm xe. Ở vị trí xu ất phát điểm D tr ùng với điểm C (px yy 0) trong không gian c ố định x, y, z. Điểm C nằm tr ên tr ục bánh xe s au và cách đều chúng m ột khoảng b, c òn D n ằm gi ữa 2 tr ục bánh xe tr ước và sau với khoảng cách 2a. 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

Gọi V là vận tốc di chuy ển và ω là vận tốc góc của xe, tương ứng với góc lái α. Theo c ác quan hệ vận tốc, dễ dàng có các biểu thức sau:

V + p V 2

V = (1) ,

w =

Vtg a a 2 w=

p R

Tr ước hết đối với tay máy c ủa robocar th ì về nguyên tắc có th ể dùng nhiều loại cơ cấu khác nhau. Ở đây chọn loại cơ cấu Robot RP thuộc nhóm robot phỏng sinh tr ục ngang (b ắt ch ước cơ cấu tay ng ười). Sự khác biệt của robot này so với các kiểu robot phỏng sinh khác là ở đây dùng c ơ cấu Pantograph v ới 2 con tr ượt dẫn động làm mô đun chủ yếu của cơ cấu tay máy. C ũng vì thế robot này được ký hiệu vắn tắt là robot RP. , (2)

- (3) Vt = Vp

,

a btg 2 + tgba . 2

a a

+

- (4)

arctg

(2[2

Va

VbV ),

(

V

).

=a

Với R và ωp - bán kính và vận tốc góc của bánh phải, Với những quan hệ thông số hợp lý, loại cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau: 1) Có th ể bố trí nguồn động lực gần với thân nh ưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu ch ấp hành; 2) Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh ho ạt về cấu trúc v à nh ỏ gọn về kích thước; 3) D ễ dàng giữ cân b ằng ở các vị trí khác nhau và tiêu hao ít n ăng lượng; 4) D ễ điều khi ển do có th ể thực hiện các chuyển dịch của bàn kẹp theo các tr ục toạ độ bằng cách di chuy ển con tr ượt ri êng rẽ và các bài toán trong m ọi cấu hình đều có th ể đưa về bài toán phẳng. Vp và Vt - vận tốc trên bánh phải và bánh trái.

ần xét chuyển động của điểm T trên

Đối với cơ cấu xe di chuy ển đã tiến hành tính toán với các ph ương án khác nhau: 3 bánh xe ho ặc 4 bánh xe, 1 bánh ch ủ động hoặc 2 bánh ch ủ động, bánh trước ch ủ động ho ặc bánh sau ch ủ động, bánh lái đặt trước hoặc đặt sau v.v. Khi c 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.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Điểm T cách 0t đoạn L được mô tả trong hệ xt yt zt bằng các biểu thức sau: vận chuy ển ph ối li ệu ho ặc sản ph ẩm trong phân xưởng của các xí nghiệp công nghiệp.

(

cos

sin

)0,

r t

L t

(5)

ệ toạ độ cố định x, y, z điểm T được Trong h xác định bởi:

. ot rMr t

(6)

ết lập ma trận chuyển hệ toạ độ Mot theo Thi phương pháp dùng ma trận đồng nhất [1]:

(7) Mot = Moc .Mcd.Mdt

Trong đó:

- ø Ø

cos

sin

0 p

j

œ Œ

sin

cos

0 p

j

œ Œ , (8) M0c = Hình 2 œ Œ

0

1

y 0

œ Œ

0

1

ß º

ø Ø

001 a

ần trên của Robocar RP l à một tay máy 4 Ph 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. œ Œ

0010

œ Œ ần dưới của Robocar RP l à một xe 3 , (9) Mcd = œ Œ

0100

œ Œ Ph bánh. Bánh tr ước đóng vai trò v ừa là bánh lái v ừa là bánh truyền động, đều dùng động cơ 1 chiều.

1000

ß º

- ø Ø

cos

sin

0 m

q

œ Œ

sin

cos

0 n

q

œ Œ (10) Mdt = œ Œ

0

1 h

ệc theo ch ế độ tự hành Robocar RP làm vi nên được trang bị một hệ thống quan sát có th ể nhận biết môi trường xung quanh. Hệ thống quan sát là các sensor quang học gắn trên khung xe nh ằm phát hi ện các chướng ngại trên đường đi. Khi phát hiện chướng ngại, Robocar dừng lại và báo hiệu. œ Œ

0

1

Bộ thu tín hiệu từ xa

DC1

Tải 1

Mạch role điều khiển DC

DC2

Tải 2

S7-200 PLC

ß º

DC3

Tải 3

Các bộ đếm xung

Các bộ mã vị trí

Step 1

Tải 4

Driver cho động cơ bước

Step2

Tải 5

Bài toán s ẽ tổng quát h ơn nếu hệ th ống 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 th ể xác định về định vị và định hướng của điểm tác động cu ối E (End - effector) của robocar trong không gian làm việc.

DC4

Tải 6

Bài toán động học ng ược của robocar có th ể đặt ra nh ư 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 tr ị tức th ời 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 ng ược của robocar được mô tả như sau: Để đảm bảo cho điểm tác động cu ối E c ủa robocar bám theo m ột qu ỹ đạo cho tr ước trong không gian làm vi ệc, cần xác định bộ thông số theo th ời gian của vận tốc góc bánh xe ch ủ động ωp, góc lái α và các biến khớp qi của cơ cấu tay máy.

DC5

Mạch role điều khiển DC

Tải 7

Nguồn cung cấp 12 V Các cảm biến vị trí

3. ROBOCAR RP

Hình 3 Robocar RP (hình 2) là s ản ph ẩm của Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN thi ết kế, chế tạo nhằm phục vụ cho các công vi ệc như công gắp, sắp xếp,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Khi bật điện cho Robocar ch 4. ROBOCAR “CHỮ THÂP ĐỎ”

ương trình được khởi động từ đầu. Nó thực hiện khởi tạo cho bộ xi xử lý 89C52 đưa bánh lái v ề vị trí đầu với góc lái bằng 00 thẳng

với hướng ti ến của xe, v òi phun được đưa về vị trí ban đầu.

ữ thập đỏ” (hình 4) là một robot tự Robocar “ch hành phục vụ trong công tác y tế nhằm giúp đỡ các công việc cho các y tá, h ộ lý trong các b ệnh viện. Đặc bi ệt trong các công vi ệc ph òng ch ống dịch bệnh. Robocar “chữ thập đỏ” được thiết kế một cách gọn gàng và linh hoạt. Nó g ồm một xe 3 bánh v à một robot 2 b ậc tự do cũng là lo ại robot RP đơn giản. Đầu cánh tay robot có gắn một vòi phun hoá chất phục vụ công tác phòng dịch.

Khi ấn nút START động cơ chuyển động và động cơ lái được nối điện xe ti ến về phía tr ước, các cảm bi ến xa, g ần 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.

Hình 4

5 v

Hệ điều khi ển của Robocar “ch ữ th ập đỏ” sử dụng on_chíp 89 C52 v ới chương trình được nạp trong bộ nhớ nội và mạch ngoại vi theo sơ đồ hình 5. Các c ảm bi ến đo kho ảng 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 g ần được điều ch ỉnh thay đổi tr ạng thái khi cách vách t ựa 500mm, c ảm bi ến đo cự ly xa được điều ch ỉnh thay đổi tr ạng thái khi cách vách t ựa 700mm. Nếu xe chuy ển động cách vách t ựa trong khoảng 500 ÷ 700mm th ì bánh lái được gi ữ ở vị trí thẳng (góc lái b ằng 0). N ếu xe chuy ển động cách vách dưới 500mm th ì bánh lái được điều khiển quay về ph ải trong th ời gian T l à chu trình lái được xác định bằng thực nghiệm, sau đó lại trả về vị trí th ẳng để đưa xe v ề với kho ảng cách 500 ÷ 700mm so v ới 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 th ời gian T v à lại được trả về vị trí th ẳng để đưa xe tr ở về trong h ành lang 500 ÷ 700mm. Cứ nh ư vậy xe được điều khi ển chuy ển động cách vác h tựa một kho ảng định sẵn, kho ảng cách này có thể đặt trước theo ý muốn.

Đệm ra ULN 2803

KD Công suất 2383

Dự trũ

P0.0 §éng c¬ lïi §éng c¬ tiÕn P0.1 §éng c¬ l¸i tr¸i P0.2 §éng c¬ l¸i ph¶i P0.3 §éng c¬ cßi P0.4 §éng c¬ b¬m P0.5

Đệm vào ra A1013

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

24C 02

5 v XTAL 12Mhz

40 1 29 89C52 32 8 5 31 v Reset 18 9 Bộ ĐKTT 19 28

Khi xe g ặp ch ướng ng ại vật ở phía tr ước, cảm biến báo vật cản được kích hoạt để điều khiển xe dừng lại và đổi hướng đi ho ặc lúc đó sẽ điều khi ển bơm hoá ch ất ho ạt động để ph òng dịch tuỳ chuy ển mạch chọn chế độ làm việc được chọn trước.

Đệm ra ULN 2803

Đệm vào v à ra

KD công suất 2383

§éng c¬ lªn §éng c¬ xuèng §éng c¬ ra §éng c¬ vµo §éng c¬ x¶ níc Dù tr÷

Vị trí cuối dưới Vị trí cuối ngoài Ra 1 Ra 2 Ra 3 Ra 4 Bộ nhớ Vcc CB gãc l¸i sau CB vËt c¶n CB gãc l¸i tríc CB xa CB gÇn Chän chÕ ®é

P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

START

Các ho ạt động của xe được điều khi ển bởi chương trình ch ứa trong EEPROM c ủa bộ vi điều khiển 89C52 có th ể bổ sung, sửa đổi và thay th ế dễ dàng, các ứng dụng của xe vì thế có thể thay đổi một cách dễ dàng theo nh ững ứng dụng mở cho phép tu ỳ theo nh ững nhi ệm vụ mà ng ười sử dụng có th ể lựa chọn.

Ch ương trình được vi ết bằng hợp ng ữ của họ vi x ử lý 8051 v à được ki ểm tra ch ạy th ử tr ên Emulator cho h ọ 8051. Ch ương trình được dịch bởi bộ dịch chéo cho họ vi xử lý 8051 và được nạp bằng bộ nạp chuyên dụng.

5. KẾT LUẬN

Hình 5

Trên đây đã trình bày phương pháp tính toán động học và xây d ựng các thu ật toán điều khi ển chuyển động của robocar trong h ợp chung nh ất, không xem xét tách bi ệt ph ần xe ri êng, ph ần robot

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

riêng và số bậc tự do của robot không hạn chế. Bộ phận sensor được trang b ị nh ư nh ững mô đun độc lập nh ưng cùng trong một hệ thống điều khiển và ngày càng phong phú dần. Các k ết qu ả nghi ên cứu ng ày càng m ở 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