ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài ROBOT rắn

● Kỹ năng chuyển tiếp: áp dụng kiến thức được trang bị ở môn này để tiếp cận các hệ thống tự động trong các lĩnh vực khác nhau.. PHÂN TÍCH ĐỀ TÀIVới sự phát triển nhanh chóng của các ngà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: ROBOT RẮN

GVHD :SVTH :

TP HỒ CHÍ MINH, 202

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: ROBOT RẮN

GVHD :SVTH :

TP HỒ CHÍ MINH, 202

Nhóm 5 lớp A03 xin chân thành cảm ơn!

Tập thể nhóm thực hiện

Các hiểu biết, các kỹ năng cần đạt được sau khi học môn học:

● Kiến thức: Nắm vững các thuật ngữ, khái niệm, nguyên lý, các yếu tố hình thành

hệ thống Cơ điện tử Tiệm cận một phương pháp thiết kế “phương pháp thiết kế hệ thống

cơ điện tử”

● Kỹ năng nhận thức: Nhận biết được mối liên kết giữa các thành phần trong hệ thống cơ điện tử;

● Kỹ năng chuyên môn: kỹ năng phân tích, thiết kế sản phẩm cơ điện tử

● Kỹ năng chuyển tiếp: áp dụng kiến thức được trang bị ở môn này để tiếp cận các

hệ thống tự động trong các lĩnh vực khác nhau

Thuật ngữ “Cơ điện tử” được nhắc tới lần đầu tiên bởi một kỹ sư người Nhật Bản, ôngTetsuro Mori, vào năm 1969 Tuy nhiên, nó chỉ bắt đầu được sử dụng rộng rãi sau khi tậpđoàn Yaskawa Electric từ bỏ quyền sở hữu trí tuệ đối với thuật ngữ này Theo tiêu chuẩn

NF E 01-010 của Pháp, “Cơ điện tử” được định nghĩa một cách khái quát là: “mộtphương pháp tiếp cận nhằm mục đích tích hợp cùng lúc kỹ thuật cơ khí, điện tử, lý thuyếtđiều khiển và khoa học máy tính trong thiết kế và sản xuất sản phẩm, để cải thiện và/hoặctối ưu hóa chức năng của nó.”

3

Hình 1: Chân dung ông Tetsuro Mori

Trong thiết kế hệ thống cơ điện tử, kỹ thuật đồng thời sẽ được sử dụng thay cho kỹthuật trình tự như trong thiết kế các hệ thống cơ khí hay cơ điện khác Sử dụng quan niệmthiết kế của brun, công việc của nhóm được chia thành 5 công đoạn chính:

● Xây dựng bài toán

● Đặt ra các tiêu chuẩn

● Tìm kiếm giải pháp

● Đánh giá và lựa chọn giải pháp

● Thực thi

Từ đó công việc được chia nhỏ và phân công cho các thành viên của nhóm như sau:

Nguyễn Hữu Chí 1811618 Mô phỏng, mô hình hóa 100%Nguyễn Tiến Chương 1811633 Cơ khí, mô phỏng 100%

II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI

Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học kỹ thuật và đặc thù là ngành côngnghệ Robot, Mobile Robot hiện nay thu hút rất nhiều chú ý và đầu tư nghiên cứu với khảnăng di chuyển linh hoạt và vùng hoạt động rộng của mình Hầu hết các cơ chế MobileRobot hiện nay có các bánh xe được điều khiển bằng động cơ, những cơ cấu như vậy tươngđối hiệu quả, dễ dàng vận hành và điều khiển tốc độ cao trên các địa hình bằng phẳng Tuynhiên, chúng có hiệu quả tương đối thấp khi hoạt động trong các môi trường gồ ghề và lầylội Do vậy, hiện nay các loại Mobile Robot “không bánh xe” đang được tích cực nghiên cứu,điển hình là Robot sử dụng chân hay các Robot trườn, bò như Robot hình rắn

Robot hình rắn đầu tiên được thiết kế bởi Shigeo Hirose cùng các cộng sự vào năm

1972 và được biết đến là Active Cord Mechanism (ACM) Sau đó, các Robot hình rắncũng lần lượt được thiết kế và ra mắt, tiêu biểu là Robot rắn loại lớn của việc công nghệcalifornia (1992), Robot rắn của Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực NASA (1994) vànhiều đề tài khác Gần đây, ngoài khả năng di chuyển trong địa hình hai chiều, các Robothình rắn còn được phát triển có khả năng trèo lên cây hay bơi lội cùng khả năng thích ứngmôi trường cao

5

Hình 2: Ông Shigeo Hirose cùng Robot rắn đầu tiên

Với khả năng nằm trong môn học, mục tiêu của đề tài này là có thể tạo ra Robot hìnhrắn có khả năng di chuyển linh hoạt cũng như tích hợp các tính năng khác của MobileRobot trong không gian hai chiều

Robot hình rắn thuộc họ Mobile Robot nên có những ứng dụng thực tiễn tương đối quen thuộc và có thể ứng dụng vào cả quân sự và dân dụng

● Trong lĩnh vực quân sự: sử dụng Robot này để do thám, thám hiểm, thâm nhập công sự địch hay phá hoại…

● Trong lĩnh vực dân sự: có thể sử dụng Robot này để kiểm tra, nạo vét đường ống,nội soi trong y tế, cứu hộ, cứu nạn khẩn cấp hay nghiên cứu trong các môi trường độchại…

Chuyển động concertina: bao gồm việc neo đầu, kéo cơ thể lên thành cuộn tròn, neođuôi và đẩy đầu và thân trước về phía trước Mặc dù chậm, chuyển động của concertinacho phép con rắn leo lên mọi thứ hoặc di chuyển trong không gian chật hẹp một cáchhiệu quả

Chuyển động Serpentine (nhấp nhô bên): là hành động 'trườn' và là một trong nhữngphong cách được sử dụng phổ biến nhất Nó liên quan đến việc co các cơ từ đầu đến đuôi

và cơ thể lắc lư từ bên này sang bên kia tạo ra chuyển động hình chữ s cong mà người taliên tưởng đến loài rắn Phương pháp này hoạt động tốt ở những địa hình gồ ghề, nhấpnhô cho phép con rắn bám vào và đẩy ra mọi thứ tạo ra lực đẩy về phía trước nhưngkhông thành công trên bề mặt nhẵn Sự di chuyển của Serpentine cũng hoạt động hiệuquả trong nước và được sử dụng bởi cả rắn biển và rắn sống dưới nước, bao gồm nhiềuloại rắn mà trên cạn hiếm khi sử dụng nó

Hình 3: Các cách chuyển động của loài rắn

7

Chuyển động slidewinding: bao gồm việc neo đầu và đuôi vào chất nền và 'ném' phầnthân giữa về phía trước và sau (theo kiểu súng cao su) bằng đầu và đuôi Con rắn đang sửdụng các phần cơ thể được neo để cho phép phần giữa cơ thể có một nền tảng để đẩy ra.Sidewinding có hiệu quả trên các bề mặt nhẵn hoặc trơn và được một số loài sống trên samạc sử dụng để di chuyển qua cát và qua các đụn cát.

Hoạt động của Robot: Robot được điều khiển bằng tay qua bluetooth thông quamodule bluetooth Robot sẽ sử dụng arduino làm mạch điều khiển chính với các khớpchuyển động sử động cơ RC Servo

Khả năng di chuyển của Robot: Robot có khả năng di chuyển mô và mô phỏng mộthoặc nhiều dạng chuyển động của loài rắn, nhận biết, phân tích và né tránh các vật cảndựa trên cảm biến siêu âm Do đó, tốc độ sự kiến sẽ giới hạn tối đa 0,1 m/s

III PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA

Robot mô phỏng chuyển động concertina

‐ Đặc điểm: Các khớp liên kết với nhau bằng khớp bản lề, Robot tiếp xúc với sàn thông qua bánh xe

‐ Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, có thể di chuyển linh hoạt Ngoài chuyển động trườn trên mặt phẳng, Robot còn có thể uốn mình theo phương đứng

‐ Nhược điểm: Không mô phỏng được những chuyển động phức tạp của rắn, cần

khoảng không gian nhất định thể thực hiện di chuyển

Robot mô phỏng chuyển động Serpentine

‐ Đặc điểm: Các khớp liên kết với nhau bằng khớp bản lề, Robot tiếp xúc với sàn thông qua bánh xe

‐ Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, có thể di linh hoạt trong không gian hẹp Mô phỏng chuyển động trườn cơ bản của rắn

‐ Nhược điểm: Không mô phỏng được những chuyển động phức tạp của rắn

Robot mô phỏng chuyển động Slidewinding

‐ Đặc điểm: Liên kết các khúc bẳng 2 khớp bản lề vuông góc nhau, dạng chữ CU

‐ Ưu điểm: Di chuyển dễ dàng trên các địa hình mềm, nhẹ như cát

‐ Nhược điểm: Tốn nhiều động cơ, điều khiển phức tạp

Robot mô phỏng chuyển động sâu đo

‐ Đặc điểm: Liên kết các khúc bẳng 2 khớp bản lề vuông góc nhau, dạng chữ CU

‐ Ưu điểm: Lập trình và điều khiển không quá phức tạp Ngoài chuyển động trườn trên mặt phẳng, Robot còn có thể uốn mình theo phương đứng

‐ Nhược điểm: Tốn nhiều động cơ, cần nhiều không gian để thực hiện di chuyển Với mong muốn Robot di chuyển linh hoạt và có khả năng mô phỏng lại chuyển độngcủa loài rắn một cách thực tế nhất, vì vậy nhóm quyết định chọn Robot rắn có thể mô phỏng

9

chuyển động Serpentine đồng thời đánh giá lại những mục tiêu của dề tài sao cho phù hợp với khả năng của nhóm:

● Robot có thể mô phỏng chuyển động serpentine của loài rắn

● Robot sẽ có 6 khớp chính, gồm 1 khớp đầu, 1 khớp đuôi và 4 khớp thân

● Robot được điều khiển bằng tay qua bluetooth thông qua module bluetooth, sử dụngarduino làm mạch điều khiển chính với các khớp chuyển động sử động cơ RC Servo

● Địa hình hoạt động: bề mặt bằng phẳng, có ma sát

● Tốc độ di chuyển tối đa: 0,1 m/s

2.1 Mô hình động học Robot rắn

Hình 4: Hệ tọa độ dẫn đường của Robot rắn

Hình 5: Đường cong Serpenoid

● γ được gọi là hệ số điều chỉnh hướng.

● θ h là góc giữa đầu và hướng chuyển động

● ϕ i là góc giữa khớp i và hướng chuyển động.

11

2.2 Phân tích các đặc điểm hạn chế chuyển động của Robot rắn

Giả định rằng môi trường mục tiêu của rô bốt là tĩnh và tọa độ mục tiêu đã biết Trongmôi trường, Robot rắn bị ảnh hưởng bởi lực đẩy của chướng ngại vật và lực hút của mụctiêu Ta chỉ xem xét ảnh hưởng của lực hấp dẫn và giả định rằng:

Trong đó F (t) là lực hấp dẫn, và p là hằng số liên quan đến Robot

Trong hình 4, khi Robot rắn đang ở trên S’ , nó chịu tác dụng của lực hấp dẫn từ mục tiêu

và quay một góc γ Vận tốc của đầu Robot rắn là v 0 , góc từ trục x là θ h , lực hút từ mục

tiêu đến Robot trên S ′ là F , góc từ trục x là α , và β là góc giữa lực hấp dẫn F và vận tốc

v0

Hình 7: Liên hệ giữa quãng đường và lực hút

Khi không có lực hấp dẫn, vận tốc chuyển động của Robot trong thời gian ngắn dt làv0 Dưới một lực hấp dẫn, vận tốc sẽ trở thành và vận tốc tương ứng v 0 sẽ thay đổi góc γ

để di chuyển về phía mục tiêu Để tính toán góc thay đổi γ , mối quan hệ giữa lực và vậntốc được biểu diễn trong Hình 5:

12

Hình 8: Mối quan hệ giữa lực và vận tốc

Mối quan hệ giữa các chức năng điều chỉnh hướng của Robot rắn và lực lượng tiềm

Bằng cách điều chỉnh γ , Robot có thể được điều khiển để tránh va chạm Các

thông số điều chỉnh chuyển động đầu của Robot rắn được thể hiện

theo hướng chính xác bằng cách điều chỉnh lực lái F k để mô phỏng lực hấp dẫn từ trườngthế năng.

3 Mô hình hóa

Khớp của Robot sẽ được in 3D do đó nhóm sẽ vật liệu là nhựa ABS Các khớp củaRobot được nối với nhau bằng đinh vít trên đầu động cơ servo và vòng ổ lăn dưới đáymỗi khớp

Hình 9: Kết cấu tổng quan của Robot

14

Hình 10: Phần đầu Robot

Hình 11: Phần thân Robot

Hình 12: Khớp nối Robot

Hình 13: Phần đuôi Robot

16

Hình 14: Khớp quay của Robot

Hình 15: Khớp quay của Robot (nhìn từ trên)

Hình 16: Khớp quay của Robot (nhìn từ dưới)

Lệnh cơ bản để điều khiển servo cho chuyển động về phía trước:

RobotServos[i].write(forwardAngles[i] + currentTurnAngle +

amplitude*sin(waveValue + (i*lag)));

Trong đó:

nhiêu)

Mỗi động cơ servo được điều khiển bởi một lệnh thuộc dạng này và tất cả năm trong sốcác lệnh này được đưa vào một vòng lặp for trong đó bộ đếm biến chạy từ 0 đến 360 độ Conrắn thực hiện một lần nhấp nhô về phía trước và kết thúc khi con rắn trở lại vị trí ban đầu.Trong vòng lặp cũng có một độ trễ lệnh (delayTime) Vì các servo không phản hồi tức thời,nên phải delay để cho các servo có thời gian di chuyển Các động cơ servo nhận lệnh đặt góccủa chúng Nếu tất cả các động cơ được đặt ở 90 độ, thì vị trí của con rắn là một đườngthẳng Nếu được đặt ở góc nhỏ hơn hoặc lớn hơn 90, servo sẽ uốn các khúc cong sang tráihoặc phải Điều này được kiểm soát bởi các biến leftOffset và rightOffset

18

5 Lưu đồ giải thuật điều khiển

START

Khởi tạo UART

Nhận kí tự thông qua bluetooth

Hình 17: Lưu đồ giải thuật Robot Rắn

IV THIẾT KẾ CHI TIẾT

Ổ lăn dưới đoạn nối mỗi khớp được nhóm chọn như sau:

● Trọng lượng: 9g.

Với arduino, nhóm sẽ tận dụng nguồn lực hiện có sẵn là Arduino MEGA 2560

Hình 20: Arduino MEGA 2560

Thông số kỹ thuật:

● Vi điều khiển chính: ATmega2560

● IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

● Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC

● Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)

● Số chân Analog Input: 16

● Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA

● Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA

● Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader

● SRAM: 8 KB

● EEPROM: 4 KB

● Clock Speed: 16 MHz

● Chip điều khiển chính: ATmega328P

● Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

● Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC

● Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM)

● Số chân PWM Digital I/O: 6

● Số chân Analog Input: 6

● Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA

● Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA

● Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader

● SRAM: 2 KB (ATmega328P)

● EEPROM: 1 KB (ATmega328P)

22

● Clock Speed: 16 MHz

● LED_BUILTIN: 13

● Kích thước: 68.6 x 53.4 mm

Về giao tiếp bluetooth, nhóm sử dụng module thu phát Bluetooth HC-06

Hình 22: Module thu phát Bluetooth HC-06

Thông số kỹ thuật:

● Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC

● Điện áp giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC và 5VDC

● Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600,

115200

● Dải tần sóng hoạt động: Bluetooth 2.4GHz

● Sử dụng CSR mainstream bluetooth chip, bluetooth V2.0 protocol standards

● Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA

● Kích thước của module chính: 28 mm x 15 mm x 2.35 mm

Hình 23: Pin cell

Ngoài ra còn có các bộ phận khác:

24

Hình 26: Bánh xe Hình 27: Trục bánh xe

2.1 Bản vẽ lắp

2.2 Bản vẽ chi tiết

3 Sơ đồ nguyên lí

30

V TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM Mô hình hoàn chỉnh

Hình 28: Mô hình Robot Rắn

Đánh giá kết quả thực nghiệm

- Mô hình chạy được tuy nhiên chưa được như mong muốn do chưa tối ưu phần điều khiển

- Chưa thể thu nhận thông tin như mục tiêu đề ra

KẾT LUẬN

Sau một học kì tìm hiểu và thực hiện, môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử đã giúpnhóm có một cái nhìn tổng quan hơn, sâu sắc hơn về ngành học của mình Qua đó giúpnhóm hiểu rõ về cơ chế vận hành, quá trình thiết kế và cách thức điều khiển của một

hệ thống cơ điện tử

Mặc dù kết quả không như mong đợi, song với đề tài “ROBOT RẮN”, nhóm đã

tích lũy thêm được rất nhiều kiến thức, đúc kết kinh nghiệm từ các hoạt động thực tiễn, phương pháp làm việc nhóm và tác phong chuyên nghiệp của một người kỹ sư

32

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] M SAITO, M FUKAYA AND T IWASAKI (2002), Serpentine locomotion with

robotic snake, IEEE Control Systems Magazine, vol.22, No.1, pp.64-81.

[2] P PRAUTSCH, T MITA, AND T IWASAKI (2000), Analysis and control of a gait

of snake robot, Transactions of IEEJ, Industry Applications Society, vol.120-D, No.3,

pp.372-381

[3] Y SHAN AND Y KOREN (1993), Design and motion planning of a mechanical

snake, IEEE Trans Sys Man Cyb., vol.23, no.4, pp.1091–1100.

[4] M NILSSON (1998), Snake robot free climbing, IEEE Control Systems Magazine,

vol.18, no.1, pp.21–26

[5] Lacy Perry, How snakes work, How stuff works.