Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH DRIVE<br /> DÙNG CHO ROBOT RHEX<br /> Vũ Văn Tâm*<br /> Tóm tắt: Lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot theo phương pháp mô<br /> phỏng hoạt động của các loài động vật đang được nhiều quốc gia và các nhà khoa<br /> học quan tâm; Hiện nay, mẫu robot Rhex đang được hãng Boston và trường đại học<br /> Pennsylvania - USA [5,6] nghiên cứu thử nghiệm cho kết quả tương đối khả quan.<br /> Tuy nhiên, việc điều khiển motor của các chân robot Rhex là tương đối phức tạp do<br /> các motor này có momen xoắn lớn, đòi hỏi sự đồng bộ cao về tốc độ, vị trí và quỹ<br /> đạo di chuyển; Các mạch drive hiện nay thường không đáp ứng được các yêu cầu<br /> nêu trên, vì vậy, cần phải có mạch drive chuyên dùng cho robot Rhex. Trong bài<br /> báo này chúng tôi trình bày quá trình phân tích, tính toán và thiết kế mạch drive<br /> cho robot Rhex; các kết quả thử nghiệm, so sánh cho thấy mạch drive mới đáp ứng<br /> tốt các yêu cầu đặt ra trong thực tế di chuyển của robot Rhex.<br /> Từ khóa: Robot, Rhex, Drive, L298, Motor, LMD12800.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Rhex là loại robot đối xứng mặt trên với mặt dưới và phần đầu với phần đuôi; Với 6<br /> chân chữ C (hình 1) [5,6], Rhex có khả năng di chuyển linh hoạt để vượt qua nhiều loại<br /> địa hình phức tạp; đặt biệt có thể leo dốc, leo cầu thang, leo bậc cao, lội nước; đồng thời,<br /> do tính chất đối xứng nên Rhex có khả năng tiếp tục di chuyển khi bị ngã, lật, đổ [1,4,5].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Tính đối xứng. Hình 2. Motor của Rhex. Hình 3. Rhex di chuyển.<br /> Mỗi chân của Rhex được nối tới 1 motor, để Rhex đứng vững thì các motor này cần<br /> phải có momen xoắn lớn ( M ≥ 95Kgf.cm) [2,4,6]; Trong thực tế thường sử dụng motor<br /> DC (hình 2) có công suất ( P = 20 .. 60 wats ), tốc độ quay (V1 = 900 .. 22000<br /> vòng/phút); bộ giảm tốc có tỷ số truyền ( K = 100 .. 200 ) [4], nên tốc độ quay của chân<br /> robot (V2 ) được tính công thức<br /> V1<br /> V2 <br /> [vòng/phút] (1)<br /> K<br /> Từ (1) cho thấy, do K thường lớn nên để có V2 lớn (robot di chuyển nhanh) thì V1 cần<br /> phải lớn, vì vậy, mạch drive phải có công suất cao; đồng thời để cho Rhex di chuyển được<br /> tiến, lùi, đứng, nằm thì mạch drive cần phải có các chức năng điều khiển motor quay xuôi,<br /> ngược chiều kim đồng hồ, phanh và chống quá tải (khi chân robot bị kẹt).<br /> Tại mỗi thời điểm phải có  3 chân của robot chạm đất (hình 3) [2, 5], do đó, cần<br /> phải kiểm soát vị trí các chân của robot (sử dụng encoder tuyệt đối). Ngoài ra, để đồng<br /> tốc giữa các chân của robot cần phải kiểm soát số vòng quay của các motor (sử dụng<br /> encoder tương đối).<br /> <br /> <br /> <br /> 100 Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Các mạch drive có sẵn không đáp ứng được các yêu cầu trên bởi vì: i) Không có chức<br /> năng kiểm soát tốc độ và vị trí góc của motor (không xử lý tín hiệu từ các encoder, hình 4).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Mạch drive sử dụng mosfet. b) Mạch drive dùng LMD12800.<br /> Hình 4. Một số mạch drive thông dụng.<br /> ii) Dòng cấp cho motor không đủ lớn (hình 4b, với I  6A ); một số mạch drive có<br /> Max<br /> <br /> dòng lớn cần có tản nhiệt bằng nhôm, quạt hoặc nước (hình 4a, với I Max  10A ), tuy<br /> nhiên do Rhex có hộp đựng bo mạch nhỏ, hẹp, kín nước nên không thể dùng tản nhiệt. iii)<br /> Không có chức năng chống quá tải, nên khi chân Rhex bị kẹt (do vướng vật cản) thì có thể<br /> cháy motor hoặc mạch drive.<br /> 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT<br /> 2.1. Xây dựng sơ đồ khối mạch drive<br /> Từ các nội dung nêu trên, sơ đồ khối của mạch drive mới được thiết kế như sau (hình 5):<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ khối mạch drive mới của robot Rhex.<br /> Với Data là tín hiệu điều khiển (tiến, lùi, sang phải, sang trái...) từ người sử dụng;<br /> ABS1..6 là các tín hiệu từ 6 bộ encoder tuyệt đối [6, 7] (2),<br /> ABS1 6   1  chân robot  A (2)<br /> 0  chân robot  A<br /> Với A là vị trí đặt encoder tuyệt đối.<br /> EncoA1..6 , EncoB1..6 là tín hiệu kênh A, kênh B từ 6 encoder tương đối; với X 1<br /> [xung]/1 vòng motor, thì số xung khi chân robot quay được 1 vòng ( X 2 ) sẽ là<br /> X 2  X 1  K [xung] (3)<br /> PWM 1 , PWM 2 ,.., PWM 6 là tín hiệu điều chế độ rộng xung [2,3] để điều khiển tốc<br /> độ quay của motor 1, motor 2,.. motor 6; DRV1 , DRV2 ,..DRV6 , là tín hiệu điều khiển<br /> chiều quay của motor 1, motor2,.. motor6 (4),<br /> DRV1..6  0 => motor1..6 quay xuôi chiều kim đồng hồ,<br /> (4)<br /> DRV1..6  1 => motor1..6 quay ngược chiều kim đồng hồ.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 101<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Chíp điều khiển trung tâm sẽ căn cứ tín hiệu Data, ABS1..6 , EncoA1..6 , EncoB1..6 để<br /> tạo ra các tín hiệu PWM 1 , PWM 2 ,… PWM 6 và DRV1 , DRV2 ,..DRV6 . Các<br /> PWM , DRV được đưa vào khối chống trùng dẫn (để bảo vệ các mosfet); khối cách ly<br /> (để chống nhiễu, do xung phản hồi từ các motor); khối điều khiển mosfet (để tạo ra tín<br /> hiệu đóng/mở mosfet tương ứng); khối các mosfet (để đóng/mở cung cấp nguồn cho<br /> motor).<br /> 2.2. Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch drive<br /> Sơ đồ nguyên lý của mạch drive điều khiển motor 1 (mạch điều khiển motor 2, ...<br /> motor 6 có sơ đồ tương tự).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ nguyên lý mạch drive của robot Rhex.<br /> Trong đó PC817, 6N137 dùng để ghép cách ly tín hiệu DRV1 , PWM 1 ; IC 4001 có tác<br /> dụng chống trùng dẫn cho các mosfet; IR2184 điều khiển đóng/mở các mosfet; các<br /> IRF3205 làm nhiệm vụ đóng/mở để cấp nguồn cho motor 1.<br /> <br /> 3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ<br /> 3.1. Kịch bản thử nghiệm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Mạch drive mới. b) Thử nghiệm mạch drive mới cho robot Rhex.<br /> Hình 7. Mạch drive mới và quá trình thử nghiệm với robot Rhex.<br /> Để minh chứng cho tính ưu việt của mạch drive mới, tác giả đã tiến hành gia công bo<br /> mạch (hình 7.a) và lắp ráp vào robot Rhex để thử nghiệm. Kịch bản thử nghiệm với motor<br /> <br /> <br /> 102 Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> có P  60 wats , V1  900 vòng/phút, K  139 , X 1  13 xung; PWM 1 = 10kHz, duty =<br /> 50%; robot Rhex thực hiện các thao tác di chuyển trên đường bằng, leo dốc 45 độ, leo bậc<br /> cao 40 cm, leo cầu thang với bậc cao 40 cm, lội nước sâu 20 cm (hình 7b). Kết quả thử<br /> nghiệm được so sánh với mạch drive sử dụng mosfet, IC chuyên dụng LMD12800 (hình 4).<br /> 3.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá<br /> Kết quả thử nghiệm được thống kê trong bảng 1 như sau:<br /> Bảng 1. Kết quả thử nghiệm.<br /> Kết quả<br /> Số<br /> Tham số mạch drive mạch drive Mạch drive<br /> TT<br /> mosfet LMD12800 mới<br /> I. Thử nghiệm riêng mạch drive<br /> V2 (không có tải, với<br /> 1 42 vòng/phút 30 vòng/phút 55 vòng/phút<br /> PWM =10 kHz, duty = 50%.<br /> 2 Imax 10A 6A 110A<br /> 3 Nguồn cung cấp 9 đến 55 V 9 đến 24 V 9 đến 55 V<br /> 4 Motor quay xuôi Có Có Có<br /> 5 Motor quay ngược Có Có Có<br /> 6 Chức năng phanh Không Có Có<br /> 7 Ghép cách ly Có Không Có<br /> 8 Chống trùng dẫn Không Không Có<br /> 9 Tản nhiệt Có Có Không<br /> 10 Chịu quá tải Không Không Có<br /> II. Lắp mạch drive vào robot Rhex và thử nghiệm:<br /> Tốc độ di chuyển cực đại 70 mét/phút 30 mét/phút 150 mét/phút<br /> 1<br /> (trên đường bằng)<br /> 2 Leo bậc cao 40 cm Có và chậm Không Có<br /> Leo cầu thang có bậc cao 40 Chỉ leo được 2 Không Có (liên tục<br /> 3<br /> cm bậc nhiều bậc)<br /> 4 Leo dốc 45 độ Không Không Có<br /> 5 Lội nước sâu 20 cm Có Có Có<br /> Từ bảng 1 cho thấy: Mạch drive mới có các ưu điểm: i) tốc độ vòng quay của của<br /> motor cao hơn mạch drive sử dụng mosfet và LMD12800, có được điều này là do mạch<br /> drive mới sử dụng các IRF3205 và IC lái mosfet IR2184 chuyên dụng nên khả năng<br /> đóng/mở và thông dẫn tốt hơn; ưu điểm này cho phép robot di chuyển nhanh và tăng/giảm<br /> tốc tức thời khi cần thiết. ii) Mạch drive mới sử dụng các IRF3205 có công suất cao làm<br /> cầu H nên khả năng chịu dòng và áp cũng được cải thiện, điều này cho phép robot sử dụng<br /> được các motor có công suất lớn giúp cho robot vận hành mạnh mẽ hơn. iii) Mạch drive<br /> mới còn có chức năng phanh motor, điều này có ý nghĩa quan trọng bởi vì cho phép khóa<br /> cố định chân robot tại vị trí đã dừng để robot không bị ngã; có được chức năng này là do<br /> mạch drive mới sử dụng IR2184 có chức năng điều khiển cầu H chập hai đầu dây motor<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 103<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> lại với nhau để phanh motor. vi) Khả năng chịu quá tải (đặc biệt là khi giữ chặt không cho<br /> quay trục motor) của mạch drive mới là một đặc điểm nổi bật; Bởi vì trong thực tế di<br /> chuyển chân robot có thể bị mắc kẹt, khi đó, dòng cấp cho motor sẽ tăng đột biến. Có được<br /> ưu điểm này là do IR2184 nhận tín hiệu phản hồi từ cầu H để kịp thời điều khiển các<br /> IRF3205 phù hợp không làm cho các IRF3205 nóng hoặc cháy. v) Mạch drive mới còn có<br /> thêm các chức năng cách ly để chống nhiễu và bảo vệ vi điều khiển trung tâm; chống trùng<br /> dẫn, để bảo vệ các IRF3205; Đặc biệt là không cần phải sử dụng thêm tản nhiệt do vậy sẽ<br /> giảm được trọng lượng và kích thước của robot. Chính vì các ưu điểm nêu trên, nên robot<br /> Rhex có khả năng di chuyển, leo, trèo tốt khi thử nghiệm với bo mạch drive mới.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Rhex là mẫu robot có khả năng di chuyển linh hoạt, đáp ứng được nhiều mục đích sử<br /> dụng khác nhau; tuy nhiên việc thiết kế và gia công phần cứng và phần mềm cho robot này<br /> là tương đối phức tạp. Nhằm góp phần giải quyết một phần các khó khăn nêu trên, trong<br /> bài báo này tác giả đã phân tích các yêu cầu đối với mạch drive chuyên dùng cho robot<br /> Rhex, từ đó đã xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và thử nghiệm mạch drive mới cho<br /> robot Rhex. Từ kết quả thử nghiệm, so sánh, đánh giá cho thấy mạch drive mới có nhiều<br /> ưu điểm vượt trội (so với mạch drive sử dụng mosfet, LMD12800 hiện nay); đặc biệt là<br /> các ưu điểm về dòng điện, điện áp, phanh motor, khả năng chịu quá tải.<br /> Mạch drive mới hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu di chuyển của robot Rhex trong<br /> thực tế; ngoài ra có thể ứng dụng cho các mẫu robot khác có sử dụng động cơ DC công<br /> suất lớn (từ 20 đến 200 wats) hoặc có momen xoắn cao.<br /> Tuy nhiên, mạch drive mới có sử dụng ghép quang cách ly nên robot phải sử dụng 2<br /> nguồn độc lập; đồng thời hiệu suất của mạch drive mới chưa được thử nghiệm và đánh giá<br /> chi tiết.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. C. Ordonez et al, “Power modeling of the xrl hexapedal robot and its application to<br /> energy efficient motion planning,” Clawar 2012-proceedings to the fifteenth<br /> international conference on climbing and walking robots and the support technologies<br /> for mobile machines, Baltimore, MD, USA, (2012), pp. 689-696.<br /> [2]. E. Ali et al, “Improvements to Rhex Robot Development;Towards a Low cost<br /> Rhex Robot,” IEEE Transactions on Mechatronics, (2016), pp. 1-7.<br /> [3]. K. C. Galloway et al, “X-Rhex: A Highly Mobile Hexapedal Robot for Sensorimotor<br /> Tasks,” Department of Electrical & Systems Engineering of University of<br /> Pennsylvania, (2010).<br /> [4]. P. C. Lin et al, “Toward a 6 DOF Body State Estimator for a Hexapod Robot with<br /> Dynamical Gaits,” Proc. of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots<br /> and Systems, Sendai, Japan, (2004), pp. 2265-2270.<br /> [5]. J. D. Weingaten et al, “Automated Gait Adaptation for Legged Robots,” Proc. of<br /> IEEE International Conference on Robotics & Automation, LA-USA, (2004), pp.<br /> 2153-2158.<br /> [6]. U. Saranli et al, “Back Flips with a Hexapedal Robot,” Proc. of IEEE International<br /> Conference on Robotics & Automation, Washington DC, (2002), pp. 2209-2215.<br /> [7]. S. N. Cubero, “Design concepts for a hybrid swimming and walking vehicle,”<br /> International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors Procedia Engineering<br /> 41, (2012), pp. 1211-1220.<br /> <br /> <br /> <br /> 104 Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> ABSTRACT<br /> RESEARCHING AND DESIGNING DRIVE CIRCUIT<br /> USED FOR RHEX ROBOT<br /> <br /> Field of study, design and manufacture of robots according to the method of<br /> simulating the activities of animals is concerned by many countries as well as<br /> scientists all over the world. Currently, Rhex robot is being researched and<br /> tested by Boston and Pennsylvania University- USA [5, 6] with satisfactory<br /> results. However, the control of the motors of robot's legs is relatively complex<br /> due to the large torque of these motors, which require a high synchronization of<br /> speed, position and orbital movement. Also, common drive circuits often do not<br /> meet the above requirements, so there must be a dedicated drive circuit for Rhex<br /> robot. In this article, we will present the process of analysing, calculating and<br /> designing drive circuits for Rhex robot. The test results show that the new drive<br /> circuit satisfies the requirements appear in the reality Rhex robot movement.<br /> <br /> Keywords: Robot, Rhex, Drive, L298, Motor, LMD12800.<br /> <br /> Nhận bài ngày 11 tháng 01 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 02 tháng 4 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018<br /> <br /> Địa chỉ: Trường Đại học Kỹ thuật – Hậu cần Công an nhân dân.<br /> *<br /> Email: tamt36bca@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 105<br />