robot phun dung dịch tự động

điều khiển robot bằng cử chỉ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT PHUN DUNG DỊCH TỰ ĐỘNG Nội dung chương I :

- Giới thiệu chung về robot phun dung dịch tự động

- Phân loại robot phun dung dịch tự động

- Các phương pháp điều hướng cho robot phun dung dịch tự động

1.1.Giới thiệu chung

Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công

nghiệp Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và

vị trí gắn chúng Ngược lại, các Robot phun dung dịch tự động lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau.

Robot phun dung dịch tự động là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh Robot phun dung dịch tự động ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robot học, robot phun dung dịch tự động ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot phun dung dịch tự động tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.

Vấn đề của robot phun dung dịch tự động là làm thế nào để robot phun dung dịch

tự động có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra

Vấn đề đầu tiên là di chuyển, Robot phun dung dịch tự động nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo Robot phun dung dịch tự động Trong hiệp hội nghiên cứu về Robot phun dung dịch tự động có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:

- Hướng thứ nhất là nghiên cứu về Robot phun dung dịch tự động có khả năng điều hướng ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot

có khả năng hoạt động ở mối trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài Loại robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp.

- Loại thứ 2 : nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot phun dung dịch tự động chỉ dùng để hoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot phun dung dịch tự động này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản.

Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn

cục(global) và bài toán cục bộ(local) Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn toàn xác định,đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước Ở bài toán cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi tới được mục tiêu

Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot phun dung dịch tự động

thường không giống như các loại robot khác Để có thể điều hướng cho Robot phun dung dịch tự động , quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến.Robot phun dung dịch tự động phải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định.

Điều hướng cho robot phun dung dịch tự động là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm : khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện

theo thời gian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động

1.2.Phân loại robot phun dung dịch tự động

Robot phun dung dịch tự động được chia làm 2 loại chính đó là loại robot phun dung dịch tự động chuyển động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh.Ngoài ra một số loại robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng.

1.2.1.Robot phun dung dịch tự động di chuyển bằng chân(Legged Robot)

Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là

nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao.

Robot phun dung dịch tự động di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn Dưới đây là một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân.

robot 4 chân.

1.2.2.Robot phun dung dịch tự động di chuyển bằng bánh(Wheel Robot phun dung dịch tự động )

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot phun dung dịch tự động Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú

ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi robot có

số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì

sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động.v.v Hình 1.2 dưới đây giới thiệu 4 loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot phun dung dịch tự động : a/ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc.

b/ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.

c/ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc.

Sơ đồ bánh xe của robot phun dung dịch tự động 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh được liệt kê trong bảng dưới đây:

Bảng 1.1.Sơ đồ bánh xe của robot phun dung dịch tự động

Số

Hình 1.2 Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot

3 bánh Swedisk được đặt ở các đỉnh của một tam giác đều, kết cấu này cho phép robot di chuyển theo đa hướng.

Hai bánh truyền động độc lập ở phía trước/sau, 2 bánh lái đa hướng ở phía sau/trước.

Bánh đa hướng không truyền động.

Bánh truyền động Swedish(đa hướng).

Bánh quay tự do tiêu chuẩn.

Bánh truyền động tiêu chuẩn.

Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái.

Bánh lái tiêu chuẩn.

Các bánh xe được nối với nhau.

Một số loại robot chuyển động bằng bánh:

Hình 1.3 Robot Sojourner được

sử dụng thám hiểm sao Hỏa năm 1997 Hầu hết các hoạt động được điều khiển ở trái đất Tuy vậy nó vẫn phải sử dụng các cảm biến để phát hiện vật cản.

Hình1.4 Robot AIRDUCT với kết cấu nhỏ gọn, nó được gắn camera để thu hình ảnh, có thể nhìn nghiêng, đi dọc theo tường, tránh vật cản.

Hình 1.6 Robot Mbari’s Altex Auv (Autonomous Underware Vehicle) được sử dụng để hoạt động dưới đáy biển sâu ở Bắc Cực

Hình 1.8 Robot Khepera dùng

để nghiên cứu và học tập Nó có đường kính 60mm, được tích hợp nhiều modun khác nhau như camera, tay kẹp

Hình 1.7 Robot dẫn đường AGU (Autonomous Guided Vehicle) được sử dụng trong các bệnh viện

1.3.Phương pháp điều hướng cho robot phun dung dịch tự động

Kỹ thuật điều hướng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong robot phun dung dịch

tự động có thể được chia thành 2 loại chính, đó là điều hướng có tính toán và điều hướng theo phản ứng Đúng như tên gọi, điều hướng có tính toán là phương pháp điều hướng có kế hoạch còn điều hướng theo phản ứng là điều hướng tức thời, là quá trình tự động thực hiện các phản ứng theo môi trường xung quanh Ngoài ra còn có phương pháp điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp cả hai phương pháp có tính toán và điều hướng theo phản ứng để xây dựng một bộ điều khiển thông minh hơn.

1.3.1.Phương pháp điều hướng có tính toán

Phương pháp điều hướng có tính toán là phương pháp thực hiện theo trình tự: quan sát – lập kế hoạch – hành động Thông thường một hệ thống có tính toán bao gồm

5 khâu: nhận thức(perception), mô hình thế giới(word modelling), lập kế

hoạch(planning), thực hiện công việc(task excution) và điều khiển động cơ(motor control).

Các khâu trên có thể được coi như là một chuỗi các “lát mỏng theo phương thẳng đứng” với các đầu vào là tín hiệu nhận được từ cảm biến ở phía bên trái và đầu ra tới các khâu chấp hành ở phía bên phải.

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển có tính toán

- Khâu nhận thức có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị cảm ứng, các thiết bị này được nối với robot sẽ cho các thông tin về môi trường quan sát được.

- Khâu mô hình thế giới: chuyển các tín hiệu từ cảm biển thành mổ tả mối liên quan giữa robot với mô hình bên trong môi trường.

- Khâu lập kế hoạch: cố gắng xây dựng kế hoạch thực hiện của robot sao cho đạt được mục tiêu phù hợp với tình trạng thế giới hiện thời.

- Khâu thực hiện công việc: chia kế hoạch vừa được xây dựng thành các lệnh điều khiển chuyển động chi tiết

- Khâu điều khiển động cơ: dùng để thực hiện các lệnh này.

từ cảm biến

Mỗi một hệ thống con như là một khâu tương đối phức tạp và tất cả phải hoạt động một cách đồng bộ với hoạt động của robot tại mọi thời điểm Phương pháp này đòi hỏi phải trang bị các cảm biến, các thiết bị đo để nhận biết thông tin từ môi trường hoặc dạng thông tin dự đoán trước từ bản đồ toàn cục Thông tin đó sẽ được tham chiếu với một bản đồ môi trường nếu có thể, và sử dụng thuật toán lập kế hoạch để tạo ra quỹ đạo chuyển động giúp robot tránh vật cản và tăng xác suất tới mục tiêu đến tối đa Do sự phức tạp của môi trường làm tăng thời gian để nhận biết , xây dựng mô hình và lập kế hoạch về thế giới cũng tăng theo hàm mũ Đây cũng chính

là bất lợi của phương pháp này Phương pháp này tỏ ra rất hữu hiệu cho các tình huống mà trong đó môi trường làm việc là tương đối tĩnh (môi trường trong đó có thể bao gồm vật cản, tường chắn, hành lang, điểm đích, v.v là các đối tượng có vị trí không thay đổi trong bản đồ toàn cục)

Trong phương pháp điều hướng có tính toán, khâu lập kế hoạch đường đi cho robot

là cực kì quan trọng Việc lập kế hoạch đường đi cho mobile robot thường có hai giai đoạn đó là lập kế hoạch toàn cục và lập kế hoạch cục bộ Lập kế hoạch toàn cục có thể được hiểu như là cách di chuyển robot qua một môi trường tùy ý và môi trường này là tương đối lớn Còn lập kế hoạch cục bộ sẽ đưa ra quyết định khi robot đối mặt với môi trường tĩnh, ví dụ như khi robot gặp phải vật cản, hành lang… Kế hoạch cục bộ đưa ra phương pháp để đi tới đích ngắn nhất, an toàn nhất Chính vì thế khi gặp phải các vật cản, kế hoạch cục bộ sẽ giúp cho robot tránh không va chạm rồi mới tiếp tục thực hiện kế hoạch toàn cục để tới đích

1.3.2.Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng

Như phân tích ở phần trên, phương pháp điều hướng có tính toán có nhiều ưu điểm đối với quá trình điều hướng cho mobile robot Tuy nhiên, điều hướng có tính toán thường yêu cầu khối lượng tính toán tương đối lớn và phương pháp này tỏ ra

không tối ưu khi môi trường hoạt động của robot thay đổi

- Phương pháp điều hướng theo phản ứng ra đời nhằm giải quyết các vấn đề có liên quan tới môi trường không biết trước hoặc môi trường thường xuyên thay đổi Điều hướng theo phản ứng khắc phục được những hạn chế của phương pháp điều hướng tính toán, giúp giảm khối lượng tính toán, tăng tốc độ xử lý trong môi

trường phức tạp Điều hướng theo phản ứng là phương pháp kết hợp các phản ứng

thực hiện một cách tự động với các kích thích từ cảm biến để điều khiển robot sao cho an toàn và đạt hiệu suất cao nhất Phương pháp này đặc biệt phù hợp đối với những ứng dụng nơi mà môi trường là hoàn toàn động hoặc không biết trước, ví dụ như trong không gian hoặc dưới nước Trong thực tế, các thiết bị vệ tinh thám hiểm kiểu robot đã sử dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng, lí do là phương pháp điều hướng theo tính toán đòi hỏi việc lập kế hoạch phức tạp có quá nhiều phép tính toán bị giới hạn bởi khả năng của bộ nhớ và tốc độ tính toán Điều hướng theo phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời của robot và đòi hỏi rất ít các phép tính toán để tác động lại môi trường hoạt động

- Tuy nhiên, phương pháp điều hướng theo phản ứng cũng có nhiều mặt hạn chế, việc không có kế hoạch toàn cục có thể khiến cho quá trình điều khiển gặp phải những khó khăn Các hoạt động tối ưu cục bộ chủ yếu thu được nhờ điều khiển theo phản ứng, chính vì thế mà có thể gây ra hiện tượng lệch hướng toàn cục Trong phương pháp điều hướng theo tính toán, hệ thống không bao giờ mất tầm quan sát đích trong khi các hệ thống điều hướng theo phản ứng cần phải giữ các đích tức thời để độ lệch hướng so với đích toàn cục là không quá lớn

- Một thuận lợi ở điều hướng theo phản ứng so với các phương pháp tính toán đó là khả năng mở rộng bộ điều khiển để thêm vào các thành phần phản ứng khác mà không cần phải điều chỉnh lại toàn bộ phần mềm điều khiển Chính vì thế, ta có thể

dễ dàng bổ xung thêm tính năng cho robot bằng cách thêm vào các hoạt động mới

mà không làm thay đổi những hoạt động đã có trước Ví dụ, để robot phản ứng với một kích thích thu được từ một cảm biến mới, ta chỉ cần thêm một thành phần khác vào bộ điều khiển để nó phản ứng với kích thích thu được từ cảm biến đó Còn ở các phương pháp tính toán, bạn cần phải xây dựng một thuật toán hoàn toàn mới để

sử dụng dữ liệu thu được từ cảm biến mới được thêm vào này.

-Trong thời kỳ đầu, các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống điều hướng thuần tuý phản ứng bằng cách dựa vào hoạt động của côn trùng để áp dụng vào kỹ thuật robot Nhiều nghiên cứu về hệ thống sinh học đã được ứng dụng cho quá trình điều khiển mobile robot Chuyển động của một số loại côn trùng trong thế giới sinh học

có thể được sử dụng để xây dựng thành công các thuật toán điều khiển hoạt động cho robot Ví dụ, khi nghiên cứu về hành vi của một con gián, các nhà khoa học

nhận ra một con gián chỉ có một vài hoạt động riêng biệt Các hoạt động này có thể bao gồm hoạt động tìm thức ăn, hoạt động tránh ánh sáng và hoạt động sinh sản Dựa vào những gì mà cảm nhận được, con gián sẽ quyết định thực hiện một trong

số những hoạt động trên Nếu con gián cảm thấy đói, nó sẽ lục lọi để tìm thức ăn Tuy nhiên, nếu một bóng đèn chợt bật sáng, con gián đó sẽ từ bỏ việc tìm kiếm thức ăn và chui ngay vào gầm tủ lạnh chẳng hạn Đây là một ví dụ về điều khiển theo phản ứng Dựa vào những kích thích hiện thời, con gián sẽ chọn một hoạt động thích hợp mà không cần phải lập kế hoạch hay tính toán gì cả Vậy thì tại sao những hoạt động như thế lại không thể được dịch thành những thuật toán điều khiển đơn giản cho robot Đây chính là những lý thuyết cơ bản của kỹ thuật điều khiển dựa hành vi (behavior-base control) cho mobile robot.

1.3.3.Phương pháp điều khiển lai ghép

Điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp các ưu điểm của phương pháp điều hướng theo tính toán truyền thống với các hệ thống điều hướng dựa phản ứng Mỗi phương pháp đều có những nhược điểm mà phương pháp kia có thể khắc phục được Phương pháp điều hướng theo tính toán gặp phải khó khăn khi hoạt động trong các môi trường động, là nơi yêu cầu khả năng tính toán nhanh cũng như các

kỹ năng tránh vật cản Nếu phương pháp điều hướng theo phản ứng không kết hợp với bất cứ quá trình lập kế hoạch chuyển động nào thì có thể sẽ không đưa robot theo quỹ đạo tối ưu Phương pháp điều khiển lai ra đời nhằm kết hợp các hoạt động có tính toán bậc cao với các hoạt động phản ứng bậc thấp Các hoạt động

phản ứng giúp robot an toàn và xử lý các tình trạng khẩn cấp trong khi phần điều khiển có tính toán sẽ giúp robot đạt được mục đích cuối cùng Phương pháp điều khiển lai ghép có thể cho ta kết quả kha quan hơn khi chỉ sử dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng hoặc điều hướng theo tính toán.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Cài đặt chương trình Arduino IDE

Các bạn truy cập vào trang web http://arduino.cc/en/Main/Software và tải vềchương trình Arduino IDE phù hợp với hệ điều hành của máy mình bao gồm Windown,Mac OS hay Linux Đối với Windown có bản cài đặt (.exe) và bản Zip, đối với Zip thìchỉ cần giải nén và chạy chương trình không cần cài đặt

Sau khi cài đặt xong thì giao diện chương trình như sau:

Hình 2.2: Driver Software Installation.

Bây giờ bạn click vào Start Menu chọn Control Panel kế đến chúng ta chọn

System and Security, click System và sau đó chọn Device Manager.

Hình 2.5: Click chọn “Browse my computer for driver software”Chọn đường dẫn tới folder “driver” nơi mà phần mềm Arduino được lưu trữ

Hình 2.6: DriverClick “Next” Windown tự động cài đặt driver, qua trình cài đặt driver hoàn tất

2.3.Arduino IDE

Arduino IDE là nơi để soạn thảo code, kiểm tra lỗi và upload code cho arduino

Hình 2.6: Arduino IDE.

Hình 2.7: Arduino Toolbar

lên máy tính

Hình 2.8: IDE Menu

File menu:

Hình 2.9: File menu

Trong file menu chúng ta quan tâm tới mục Examples đây là nơi chứa code mẫu ví dụ như: cách sử dụng các chân digital, analog, sensor …

 Tool memu:

Hình 2.13: Tool menu

Trong Tool menu ta quan tâm các mục Board và Serial Port

Mục Board : các bạn cần phải lựa chọn bo mạch cho phù hợp với loại bo mà bạn

sử dụng nếu là Arduino Uno thì phải chọn như hình:

Hình 2.14: Chọn BoardNếu các bạn sử dụng loại bo khác thì phải chọn đúng loại bo mà mình đang cónếu sai thì code Upload vào chip sẽ bị lỗi

Serial Port: đây là nơi lựa chọn cổng Com của Arduino Khi chúng ta cài đặtdriver thì máy tính sẽ hiện thông báo tên cổng Com của Arduino là bao nhiêu, ta chỉviệc vào Serial Port chọn đúng cổng Com để nạp code, nếu chọn sai thì không thể nạpcode cho Arduino được.

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 3.1 Lựa chọn thiết bị

3.1.1 Điện trở

a) Khái niệm.

Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điện tử, chúng

có tác dụng cản trở dòng điện , tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng theo ý muốn

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu , tiết diện và độ dài của dây dẫn được tínhtheo công thức:

R =

Trong đó: R là điện trở Đơn vị là Ω

ρ là điện trở suất

l là chiều dài dây dẫn

S là tiết diện của dây

b) Điện trở trong thực tế và trong các mạch điện tử.

* Hình dáng và ký hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tử không

phân cực, nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử, chúng được làm từ hợp chất của cacbon và kim loại và được pha theo tỷ lệ mà tạo ra các con điện trở có trị số khác nhau

Hình 3.1.Hình dạng điện trởHình dạng điện trở trong các sơ đồ mạch điện tử

Biến trở là dạng đặc biệt của điện trở có công dụng tương tự như điện trở thong

thường Nhưng nó có thể thay đổi được gía trị điện trở, qua đó thay đổi điện áp hoặc dòng điện ra trên biến trở