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

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

395
lượt xem 139
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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 yt ϕt T yd xt xc, xd Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Lê Hoàng Giang yc Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN m Ot n D C ϕ Tóm tắt Py Trong bài này giới thiệu một số kết quả nghiên b a cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng Robocar của Trung tâm a 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 O x đường dẫn và tránh được chướng ngại v.v. Đồng thời Px giới thiệu một số ứng dụng thực tế. Hình 1 1. GIỚI THIỆU CHUNG Trên hình 1 là trường hợp 3 bánh, 2 bánh Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like sau chủ động và là các bánh lái. Cho hệ toạ độ xd yd mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần: zd gắn liền với xe di động, có gốc tại điểm D trung tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển. tâm xe. Ở vị trí xuất phát điểm D trùng với điểm C Robocar chủ yếu hoạt động trong các phân xưởng, bến (px yy 0) trong không gian cố định x, y, z. Điểm C bãi, với địa hình không quá phức tạp nên kết cấu xe nằm trên trục bánh xe sau và cách đều chúng một cũng rất đơn giản. khoảng b, còn D nằm giữa 2 trục bánh xe trước và 2. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC sau với khoảng cách 2a. Trước hết đối với tay máy của robocar thì về Gọi V là vận tốc di chuyển và ω là vận tốc nguyên tắc có thể dùng nhiều loại cơ cấu khác nhau. Ở góc của xe, tương ứng với góc lái α. Theo các quan đây chọn loại cơ cấu Robot RP thuộc nhóm robot phỏng hệ vận tốc, dễ dàng có các biểu thức sau: sinh trục ngang (bắt chước cơ cấu tay người). Sự khác V p + Vt biệt của robot này so với các kiểu robot phỏng sinh khác V= , (1) là ở đây dùng cơ cấu Pantograph với 2 con trượt dẫn 2 động làm môđun chủ yếu của cơ cấu tay máy. Cũng vì Vtgα thế robot này được ký hiệu vắn tắt là robot RP. ω= , (2) 2a 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 V p = Rω p động lực gần với thân nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu chấp hành; 2) Đảm bảo đơn giản 2a − btgα về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích Vt = V p , (3) 2a + b.tgα 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 α = arctg 2[ 2 a (V p − Vt ), b (V p + V t ). (4) thực hiện các chuyển dịch của bàn kẹp theo các trục toạ độ bằng cách di chuyển con trượt riêng rẽ và các bài Với R và ωp - bán kính và vận tốc góc của toán trong mọi cấu hình đều có thể đưa về bài toán bánh phải, phẳng. Vp và Vt - vận tốc trên bánh phải và bánh Đối với cơ cấu xe di chuyển đã tiến hành tính trái. toán với các phương án khác nhau: 3 bánh xe hoặc 4 bánh xe, 1 bánh chủ động hoặc 2 bánh chủ động, bánh Khi cần xét chuyển động của điểm T trên trước chủ động hoặc bánh sau chủ động, bánh lái đặt xe, gắn liền với dụng cụ thao tác (ví dụ, đầu dò, đầu trước hoặc đặt sau v.v. 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. 1 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 vận chuyển phối liệu hoặc sản phẩm trong phân các biểu thức sau: xưởng của các xí nghiệp công nghiệp. rt = ( Lt cos ϕ t , Lt sin ϕ t ,0)T (5) Trong hệ toạ độ cố định x, y, z điểm T được xác định bởi: r = M ot .rt (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: cosϕ − sin ϕ 0 px   sin ϕ cos ϕ 0 py  M0c =   , (8)  0 0 1 0 Hình 2   Phần trên của Robocar RP là một tay máy 4  0 0 0 1 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 1 0 0 a bước cho bàn kẹp. 0 1 0 0 Mcd =  , (9) Phần dưới của Robocar RP là một xe 3 0 0 1 0 bánh. Bánh trước đóng vai trò vừa là bánh lái vừa là   bánh truyền động, đều dùng động cơ 1 chiều. 0 0 0 1 Robocar RP làm việc theo chế độ tự hành cosθ − sin θ 0 m nên được trang bị một hệ thống quan sát có thể nhận  sin θ cosθ 0 n biết môi trường xung quanh. Hệ thống quan sát là các Mdt =   sensor quang học gắn trên khung xe nhằm phát hiện (10)  0 0 1 h các chướng ngại trên đường đi. Khi phát hiện chướng   ngại, Robocar dừng lại và báo hiệu.  0 0 0 1 Bộ thu tín hiệu từ xa 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 S7-200 Mạch role DC1 Tải 1 tay máy thì ta hoàn toàn có thể xác định về định vị và điều khiển PLC DC DC2 Tải 2 định hướng của điểm tác động cuối E (End - effector) của robocar trong không gian làm việc. DC3 Tải 3 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 Các bộ Các bộ mã Nguồn đếm xung vị trí xác định các giá trị tức thời của ωp và α để điều khiển cung cấp cho điểm T của xe bám theo quỹ đạo đó. Hoặc tổng quát 12 V hơn, bài toán động học ngược của robocar được mô tả Driver như sau: Để đảm bảo cho điểm tác động cuối E của Step 1 Tải 4 cho động robocar bám theo một quỹ đạo cho trước trong không cơ bước Các cảm Step2 Tải 5 gian làm việc, cần xác định bộ thông số theo thời gian biến vị trí của vận tốc góc bánh xe chủ động ωp, góc lái α và các biến khớp qi của cơ cấu tay máy. DC4 Tải 6 3. ROBOCAR RP Mạch role điều khiển Robocar RP (hình 2) là sản phẩm của Trung DC DC5 Tải 7 tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN thiết kế, chế tạo nhằm phục vụ cho các công việc như công gắp, sắp xếp, Hình 3 2 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
4. ROBOCAR “CHỮ THÂP ĐỎ” Khi bật điện cho Robocar chương trình được khởi động từ đầu. Nó thực hiện khởi tạo cho bộ Robocar “chữ thập đỏ” (hình 4) là một robot tự xi xử lý 89C52 đưa bánh lái về vị trí đầu với góc lái hành phục vụ trong công tác y tế nhằm giúp đỡ các công bằng 00 thẳng việc cho các y tá, hộ lý trong các bệnh viện. Đặc biệt trong các công việc phòng chống dịch bệnh. Robocar với hướng tiến của xe, vòi phun được đưa về vị trí “chữ thập đỏ” được thiết kế một cách gọn gàng và linh ban đầu. hoạt. Nó gồm một xe 3 bánh và một robot 2 bậc tự do Khi ấn nút START động cơ chuyển động và cũng là loại robot RP đơn giản. Đầu cánh tay robot có động cơ lái được nối điện xe tiến về phía trước, các gắn một vòi phun hoá chất phục vụ công tác phòng dịch. 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 Hình 4 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 Hệ điều khiển của Robocar “chữ thập đỏ” sử trí thẳng để đưa xe trở về trong hành lang 500 ÷ dụng on_chíp 89 C52 với chương trình được nạp trong 700mm. Cứ như vậy xe được điều khiển chuyển bộ nhớ nội và mạch ngoại vi theo sơ đồ hình 5. 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 5 dừng lại và đổi hướng đi hoặc lúc đó sẽ điều khiển Vị trí cuối dưới v P0.0 §éng c¬ lïi bơm hoá chất hoạt động để phòng dịch tuỳ chuyển §éng c¬ tiÕn Vị trí cuối ngoài P1.0 1 40 29 Đệm KD P0.1 §éng c¬ l¸i tr¸i mạch chọn chế độ làm việc được chọn trước. P1.1 P0.2 ra Công P1.2 Đệm P0.3 §éng c¬ l¸i ph¶i Dự Ra 1 P1.3 vào P1 89C52 P0 ULN suất P0.4 §éng c¬ cßi Các hoạt động của xe được điều khiển bởi Ra 2 2803 2383 trũ Ra 3 P1.4 ra 5 8 32 P0.5 §éng c¬ b¬m chương trình chứa trong EEPROM của bộ vi điều P1.5 A1013 v Ra 4 P1.6 Reset 31 5 khiển 89C52 có thể bổ sung, sửa đổi và thay thế dễ 9 18 v Bộ nhớ 24C P1.7 Bộ ĐKTT XTAL dàng, các ứng dụng của xe vì thế có thể thay đổi một 02 12Mhz Vcc 19 cách dễ dàng theo những ứng dụng mở cho phép tuỳ CB gãc l¸i P3. §éng c¬ lªn sau 0 10 28 Đệm P2.0 theo những nhiệm vụ mà người sử dụng có thể lựa P3.1 Đệm ra P2.1 §éng c¬ xuèng CB vËt c¶n P3.2 vào P3 P2 ULN KD P2.2 §éng c¬ ra chọn. CB gãc l¸i tríc P3.3 v à 2803 §éng c¬ vµo 17 21 công P2.3 CB xa P3.4 ra suất P2.4 §éng c¬ x¶ Chương trình được viết bằng hợp ngữ của CB gÇn P3.5 níc Chän chÕ ®é P3.6 20 2383 P2.5 P2.6 Dù tr÷ họ vi xử lý 8051 và được kiểm tra chạy thử trên Ra P3.7 P2.7 Emulator cho họ 8051. Chương trình được dịch bởi START 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 dựng các thuật toán điều khiển chuyển động của robocar trong hợp chung nhất, không xem xét tách biệt phần xe riêng, phần robot 3 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 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 4 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com