Cho mô hình robot 2 bánh tự cân bằng như hình vẽ với các thông số kỹ thuật như sau: Vận tốc di chuyển mong muốn: 10mphút Tải trọng mang của xe: 3 kg. Kích thước hình học giới hạn các chiều (dài x rộng x cao): 300mm x 200mm x 600mm. Thời gian hoạt động sau 1 lần sạc pin: 15 phút. Hãy lên phương án thiết kế robot 2 bánh tự cân bằng với các yêu cầu kỹ thuật nêu trên theo đúng định hướng cơ điện tử.
Trang 11
BÀI TẬP MÔN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2020
Trang 2Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 2-
MỤC LỤC
I Đề bài và yêu cầu đặt ra: 3
II Giới thiệu tổng quan: 4
III Lựa chọn phương án kết cấu cơ khí (Mechanical modules): 11
IV Lựa chọn phương án module điều khiển (Controller): 17
V Lựa chọn phương án module điện – điện tử ( Electrical electronics modules): 22
Trang 3Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 3-
I Đề bài và yêu cầu đặt ra:
1 Đề bài:
Cho mô hình robot 2 bánh tự cân bằng như hình vẽ với các thông số kỹ thuật như sau:
- Vận tốc di chuyển mong muốn: 10m/phút
- Tải trọng mang của xe: 3 kg
- Kích thước hình học giới hạn các chiều (dài x rộng x cao): 300mm x 200mm
x 600mm
- Thời gian hoạt động sau 1 lần sạc pin: 15 phút
Hãy lên phương án thiết kế robot 2 bánh tự cân bằng với các yêu cầu kỹ thuật nêu trên theo đúng định hướng cơ điện tử
Hình 1: Mẫu robot hai bánh tự cân bằng
Trang 4Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 4-
2 Yêu cầu đặt ra:
- Có khả năng tự đạt được trạng thái cân bằng từ vị trí nghỉ (thân robot nằm gần song song với mặt đất.)
- Có khả năng duy trì trạng thái cân bằng dưới các tác động bên ngoài
- Có khả năng điều khiển được thông qua ứng dụng trên điện thoại
- Có khả năng hoạt động ổn định trên mặt đường bằng phẳng và hoạt động được trên các địa hình phức tạp hơn (bề mặt gồ ghề)
II Giới thiệu tổng quan:
1 Robot hai bánh tự cân bằng là gì?
1.1 Nguyên lí hoạt động của robot hai bánh tự cân bằng:
Hình 2: Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng
Khác với các xe ba hay bốn bánh được cân bằng nhờ trọng tâm xe nằm trong mặt phẳng được tạo ra từ các điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, xe hai bánh tự cân bằng như được mô tả ở hình trên đạt trạng thái ổn định khi và chỉ khi trọng tâm của xe (bao gồm cả xe và tải mang theo) được đặt ngay giữa các bánh xe
Về mặt vật lý, robot được đề cập đến trong đề tài này có nguyên tắc giống với con lắc ngược – một vấn đề kinh điển đã được đề cập trong môn học Động lực học và Điều khiển
Hình 3: Mô hình con lắc ngược trong
môn học Động lực học và điều khiển
Hình 4: Mô hình robot hai bánh tự cân
bằng
Trang 5Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 5-
Về mặt nguyên lý hoạt động, cả hai mô hình đều điều chỉnh góc nghiêng của con lắc theo mô hình Kerman về giữ thăng bằng ở người (nếu một người có xu hướng nghiêng về phía trước, não bộ sẽ ra lệnh cho một trong hai chân đưa về phía trước để giữ thăng bằng, tránh bị ngã) Vì vậy, khi con lắc (tải) có xu hướng nghiêng về một phía, bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho động cơ hoạt động và đưa cả hệ thống đi theo phía
có khả năng gây mất cân bằng Việc điều chỉnh này sẽ tạo nên gia tốc quán tính (đối với mô hình con lắc ngược) hoặc momen cản quay (đối với mô hình robot tự cân bằng) giúp giữ góc nghiêng của tải nằm trong phạm vi cho phép
Hình 5: Mô tả cách robot bắt đầu di chuyển
Tuy nhiên, điểm khác biệt quan trọng là ở mô hình robot trục động cơ cũng đồng thời đóng vai trò trục quay của con lắc (toàn bộ thân xe và tải mang theo) Bên cạnh
đó, góc nghiêng sẽ được đo bằng cảm biến chuyên dụng chứ không sử dụng encoder như mô hình con lắc ngược
1.2 Ưu điểm của robot hai bánh tự cân bằng:
- Nhỏ gọn hơn so với những robot dùng từ 3 bánh trở lên
- Linh hoạt khi di chuyển, có thể xoay và điều hướng tại chỗ nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp
- Xe được thiết kế với hai bánh xe đặt song song nhau giúp xe có thể dễ dàng di chuyển trong không gian hẹp mà không gặp nhiều trở ngại như các loại phương tiện khác
- Với khả năng tự cân bằng trên hai bánh, loại robot này đã và đang được chế tạo và cải tiến thành các phương tiện giao thông (như xe scooter tự cân bằng, …), phục vụ nhu cầu đi lại của con người
1.3 Nhược điểm của robot hai bánh tự cân bằng:
- Với những địa hình phức tạp thì robot khó có thể di chuyển Ví dụ như khi leo dốc, đối với những dốc có độ dốc cao thì robot khó có thể đạt được trạng thái cân bằng, hay không thể leo bậc thang có chiều cao quá nữa bán kính bánh xe…
Trang 6Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 6-
2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước:
Hiện nay, chưa có thông tin chính thức nào về việc chế tạo cũng như ứng dụng robot hai bánh tự cân bằng ở nước ta Tuy nhiên, trên thế giới, đây không phải là một vấn đề mới lạ Trên thực tế, mô hình robot hai bánh tự cân bằng trên đã được chế tạo đại trà thành một phương tiện vận chuyển cá nhân khá phổ biến với giá cả phải chăng Dưới đây, người viết sẽ trình bày một số công trình được thực hiện bởi các nghiên cứu sinh trên thế giới cũng như các sản phẩm đã được thương mại hóa rộng rãi
2.1 Equibot – Dan Piponi:
Hình 6: Equibot
Cảm biến sử dụng: Cảm biến hồng ngoại Sharp để đo khoảng cách với sàn và sử dụng thông tin đó để tính toán góc nghiêng Từ đó gửi tín hiệu về cho bộ xử lý để điều khiển robot chống lại sự mất cân bằng Cảm biến được đặt thấp để dữ liệu chuyển về được chính xác
Động cơ: Motor Servo Hitec HS – 311, nguồn điện nối vào động cơ thông qua bộ điều chế độ rộng xung PWM để kiểm soát tốc độ của chúng
Bộ điều khiển: dùng vi điều khiển ATMega32 RISC
Nguyên lí hoạt động: Một Motor sẽ được kết nối với bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái LQR Bộ điều khiển nhận tín hiệu vào là trạng thái của robot và tín hiệu mẫu được gửi về bởi cảm biến, sau đó tính toán và chuyển thành tín hiệu điều khiển cho robot Motor còn lại chỉ việc sao chép chuyển động của motor đầu
Robot thực hiện việc tự cân bằng hay cân bằng khi tác dụng một lực đẩy nên được ứng dụng cho mục đích học tập, nghiên cứu Cảm biến hồng ngoại được gắn lệch ra ngoài nên kích thước bao của robot là khá lớn và cồng kềnh Tuy nhiên, việc ứng dụng cảm biến hồng ngoại để đo góc nghiêng là điểm khá hay ở robot này
Trang 7Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 7-
2.2 nBot – David P.Anderson:
+ Encoder tích hợp trên bánh xe để xác định vị trí của robot
+ Thiết bị dò khoảng cách SHARP IR
+ Cảm biến PING điều hướng tránh vật cản
Động cơ: Sử dụng động cơ hộp số Pittman GM8712 DC được cấp nguồn 24V bởi pin AA 18 NiMH 1800mAh có thể sạc lại
Bộ điều khiển: Vi điều khiển và mạch cầu H để điều khiển chiều và tốc độ động cơ Robot không chỉ thực hiện việc cân bằng tại chỗ mà còn có thể di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau (sân bê tông, trên cỏ, trên cát, địa hình dốc …) và có thể điều khiển
để đi theo ý muốn Chính vì thế, robot được ứng dụng trong việc dò thám địa hình hoặc làm việc trong những môi trường nguy hiểm mà con người không thực thi được
Hình 8: nBot hoạt động trên một số địa hình
Nhìn chùng, nBot là một robot cân bằng khá toàn diện
Trang 8Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 8-
2.3 Baliot:
Là robot điển hình cho loại robot 2 bánh, có trọng tâm trọng lực nằm trên các bánh
xe Nếu không có hệ thống điều khiển thì robot sẽ lập tức đổ lật
Hình 9: Baliot
Nguyên lý hoạt động của loại robot này: Nếu tín hiệu của cảm biến robot bắt được hướng đang ngã của con lắc (ở đây là thân robot), bánh xe sẽ di chuyển về phía ngã để giữ thăng bằng cho robot để không bị lật – Nguyên lý tương tự như hầu hết các loại robot
Cảm biến sử dụng: Để đo được độ nghiêng của thân robot, Balibot sử dụng gia tốc
kế Motorola MMA2260 low G gia tốc này bao gồm một board mạch làm từ vật liệu polysilicon Nó có thể được mô tả như sau: Có 2 tấm đứng yên và 1 tấm di động ở giữa, khi thiết bị bị nghiêng thì tấm giữ sẽ di chuyển làm thay đổi khoảng cách giữa các tấm Đầu ra của cảm biến là điện áp (dạng tín hiệu tương tự) đã được khuếch đại
và điều hòa thêm bằng mạch nằm trên bảng điều khiển
Hình 10: Kết cấu robot Baliot
Vi điều khiển được sử dụng: Là dòng vi điều khiển PIC 16F876 từ Microchip Trong dòng vi điều khiển này được tích hợp bộ biến đổi ADC (Analog to Digital) để đọc giá trị trả về từ loại cảm biến đã được đề cập ở trên, có các cổng I/O (Input/Output) để điều khiển 2 động cơ servo để đáp ứng cho việc di chuyển liên tục Năng lượng được sử dụng ở đây là 4 pin “AA” và nguồn tuyến tính Low Dropout Linear Regilator (LDO) Điện áp được dùng là 6V và dùng chung với tụ 3300 , dùng
để ngăn chặn sự sụp nguồn đột ngột của vi điều khiển gây hỏng servo
Trang 9Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 9-
Bố trí: Các thiết bị điện tử được lắp trên bảng RS 276 – 150 và được gắn vào các tầng Pin được gắn ở tầng đỉnh và cũng xem như là một trong những khối lượng của robot
Vật liệu được sử dụng: Sử dụng khung nhôm
2.4 Balancing a Two-Wheeled: Rich Chi Ooi – Robot Chassis
Hình 11: Balancing a Two-Wheeled
Thiết kế khung dầm:
+ Thiết kế của loại robot này là chồng các tấm Perspex kích cỡ 130 mm x 130mm với các thành phần đặt giữa khoảng cách của mỗi tấm (tương tự các loại robot cân bằng khác) Thiết kế này đơn giản và cho phép việc lắp ráp nhanh chóng và chiều cao (khoảng cách giữa các tấm) có thể tăng lên hoặc hạ xuống theo ý muốn
+ Động cơ được lắp vào khung đỡ được làm từ nhôm, Nó giúp cho động cơ nằm chặt hơn là sử dụng 3 lỗ vít để bắt động cơ, dễ sai gây sai số cho động cơ Khung động
cơ được thiết kế với góc nghiêng lớn nhất là 30 độ khi bánh xe được gắn lên Lý do là
do sự giới hạn phạm vi đo của cảm biến
Trang 10Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 10-
Bộ điều khiển: Bộ điều khiển được sử dụng là Mark 4 Eyebot chạy trên Robios
version 5.2 được dùng như là bộ não của hệ thống robot tự thăng bằng Bộ điều khiển
bao gồm:
+ Một vi điều khiển 32 – Bit hoạt động ở tần số 33MHz, có 512k bộ nhớ ROM và
2048k bộ nhớ RAM Nó cho phép thực hiện các chương trình chuyên sâu lớn và việc
xử lý rất dễ dàng Ngồn ngữ lập trình được sử dụng cho bộ điều khiển này là C hoặc
Assembly
Bộ phận truyền động: Động cơ được sử dụng là 2 động cơ DC Faulhaber, được sản
xuất bởi công ty FaulHaber Gmbh Đức Mỗi động cơ có tỉ số truyền giảm tốc là 54,2 :
1 và hằng số moment xoắn là 6,9203 x 10-4 Kg – m/A
Cảm biến được sử dụng:
+ Loại cảm biến được sử dụng là cảm biến số (digital) HITEC GY – 130 (rate
gyroscope) và cảm biến số đo độ nghiêng a SEIKA N3 dùng cho hệ thống robot cân
bằng để đo góc nghiêng của robot cũng như là vận tốc góc
+ Cảm biến HITEC GY – 130 trả về giá trị của vận tốc góc tức thời thông qua bộ
TPU (Timing Processing Unit) channel Giá trị vận tốc góc tức thời thu được bởi việc
đo sự khác biệt giữa tín hiêu bị thay đổi và 50% tín hiệu điều khiển
+ Cảm biến đo độ nghiêng SEIKA N3 là một cảm biến điện dung: Cảm biến
dựa trên chất lỏng, đầu ra của cảm biến khá tuyến tính nhưng không may cảm biến này
có độ hiểu quả trong khoảng -30 đến 30 độ Do đó đã giải thích được giới hạn góc
quay của khung giá đỡ cảm biến
+ Ngoài 2 loại cảm biến trên thì robot cũng sử dụng thêm encoder tuyệt đối để trả
về thông tin chuyển động robot cũng như xác định vận tốc tại các điểm nó đi qua
Nhận xét:
- Ưu điểm:
+ Mô hình robot được thiết kế đơn giản Vi điều khiển sử dụng có bộ nhớ và tốc độ
xử lí cao
+ Vật liệu được sử dụng là: Tấm Perpes và khung động cơ bằng nhôm và các thanh
trụ nên tương đối nhẹ di động, ngoài ra còn có thể tăng giảm khoảng cách giữa các
tầng, linh động trong việc sử dụng
+ Việc sử dụng hai loại cảm biến trên: Cảm biến góc nghiêng và loại cảm biến đo
vận tốc góc tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển, với sự phản hồi hai loại dữ liệu
trên, đảm bảo cho quá trình xử lý liên tục của bộ điều khiển giúp robot dễ dàng duy trì
trạng thái cân bằng
- Khuyết điểm:
+ Vi điều khiển được sử dụng không có ứng dụng rộng rãi trên thị trường Việt Nam,
nên khó khăn trong việc tìm hiểu và sử dụng
+ Khoảng đo tuyến tính của cảm biến đo góc nghiêng chỉ trong khoảng từ -30 độ tới
30 độ Do đó việc di chuyển của robot cũng bị giới hạn tương đối lại
Trang 11Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 11-
III Lựa chọn phương án kết cấu cơ khí: (Mechanical modules):
• Trọng lượng phân bố tập trung hơn phương án sắp xếp dàn trải, dẫn đến
dễ dàng hơn trong việc điều khiển
• Giúp robot hoạt động được trong các vùng không gian hẹp, bán kính quay đầu cần thiết nhỏ hơn
- Nhược điểm:
• Các thành phần được xếp chồng lên nhau gây khó khăn trong việc điều chỉnh và sửa chữa
• Cần thiết phải có dây nối để liên kết các thành phần ở các tầng
• Khung xe sẽ bao gồm nhiều thành phần hơn phương án sắp xếp dàn trải Dạng dàn trải: thường gặp trong các sản phẩm thương mại do các bộ phận thường được đặt gọn dưới gầm xe
• Trọng lượng phân tán hơn phương án sắp xếp dạng tầng
Do robot được chế tạo với mục đích chính là nguyên mẫu để vận dụng các kiến thức
cơ khí, điện và điều khiển mà sinh viên đã học được cũng như cần một mô hình gọn nhẹ để dễ dàng mang đi thực nghiệm ở các địa hình khác nhau, người viết sẽ lựa chọn khung xe với kết cấu dạng tầng
2 Bố trí các thành phần:
Các thành phần cơ bản cấu tạo nên robot gồm:
- Mạch điều khiển, mạch công suất, các cảm biến cần thiết
- Tải mang theo
- Nguồn pin
Trang 12Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 12-
Để dễ dàng cho quá trình hoạt động, thay thế cũng như tăng tính ổn định cho robot, người viết đề xuất cách bố trí các thành phần của hệ thống như sau:
Hình 12: Cách sắp xếp các thành phần của hệ thống
Lí do lựa chọn cách sắp xếp nêu trên:
- Tải: đây là thành phần có khối lượng nặng nhất của cả hệ thống Nếu đặt ở các tầng trên thì khi robot bị nghiêng sẽ cần phải có momen lớn hơn trên trục công tác nhằm ngăn hệ thống mất cân bằng Muốn vậy, ta cần phải chọn động cơ có momen lớn hơn mới có thể hoạt động ổn định Tuy momen có thể được tăng nhờ sự dụng hộp giảm tốc nhưng ta vẫn cần đảm bảo tốc độ chạy của robot đạt với yêu cầu đề ra, điều này dẫn đến phải chọn động cơ có công suất lớn hơn Tóm lại, việc đặt tải ở tầng dưới cùng theo quan điểm người viết là hợp lý vì tăng được độ ổn định của cả hệ cũng như giảm chi phí khi lựa chọn động cơ
- Nguồn pin: do đây là thành phần cần phải thay thế thường xuyên (hoặc lấy ra để cắm sạc), việc đặt ở tầng trên cùng là hợp lý vì người dùng có thể dễ dàng thao tác, không ảnh hưởng đến phần dây kết nối bên dưới
- Mạch điều khiển, công suất và cảm biến: được đặt ở tầng còn lại của khung xe
3 Vật liệu chế tạo khung:
Một kết cấu cơ khí được thiết kế tốt thì không thể không chú ý đến vật liệu chế tạo Hiện nay, có rất nhiều loại vật liệu vừa đáp ứng được nhu cầu tạo mẫu nhanh, vừa có khối lượng nhẹ và độ bền cao Một số vật liệu có thể kể đến như:
- Kim loại (nhôm, thép, v.v):
• Ưu điểm: độ bền cao, có thể tái sử dụng, phổ biến
• Nhược điểm: giá thành cao, gia công tốn kém, không đảm bảo khả năng cách điện giữa các thành phần, giãn nở vì nhiệt gây biến dạng
Trang 13Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 13-
- Nhựa (PLA, ABS, v.v):
• Ưu điểm: độ bền chấp nhận được (flexural strength ≈ 74 MPa) , giá thành rẻ, tạo mẫu nhanh (in 3D), đảm bảo cách điện tốt, chịu nhiệt tốt
• Nhược điểm: không tái sử dụng được
- Mica:
• Ưu điểm: độ bền khá cao (flexural strength ≈ 262 MPa), giá thành trung bình, gia công dễ dàng, đảm bảo cách điện tốt, chịu nhiệt tốt
• Nhược điểm: không tái sử dụng được
Những yêu cầu về kết cấu khung:
• Nhẹ, độ bền cao
• Đảm bảo cách điện tốt giữa các thành phần được gắn trên khung
Dựa vào yêu cầu đặt ra cùng đặc điểm của các vật liệu nêu trên, chọn vật liệu mica làm khung đỡ cho toàn bộ hệ thống kết hợp với các cọc đồng (loại dùng để bắt mainboard, có thể mua với giá khá rẻ tại các cửa hàng bán linh kiện máy tính) để tạo khoảng cách giữa các tầng
4 Độ dày tấm mica:
Trong các thành phần của hệ thống, tải mang theo có khối lượng lớn nhất Vì vậy, ta chỉ cần tính toán và kiểm tra bền cho tấm mica dưới cùng đỡ tải Việc tính toán được thực hiện sử dụng kiến thức từ môn học Sức bền vật liệu với mô hình dầm hai đầu ngàm
Hình 13 Minh họa mô hình tính toán của tấm mica đỡ tải
Đối với các tấm mica còn lại của hệ thống, do khối lượng của pin cũng như mạch điều khiển, mạch công suất là không đáng kể so với tải nên ta có thể chọn theo kinh nghiệm Theo quan điểm của người viết, độ dày các tấm mica còn lại nên chọn nhỏ hơn tấm mica dưới cùng do tải trọng không lớn cũng như để giảm chi phí
Trang 14Bài tập Thiêt kế hệ thống cơ điện tử - 14-
5 Lựa chọn thông số động cơ:
• Gá đặt hai bánh xe phức tạp: do sử dụng động cơ hai đầu trục nên cần thiết phải
có trục nối dài cũng như cụm ổ đỡ cho hai bánh xe
• Điều khiển phức tạp hơn: cần quan tâm một số vấn đề sau
o Đồng bộ tốc độ hai động cơ để robot có thể đi thẳng
o Điều khiển chính xác vận tốc động cơ khi vào cua
• Cần kiểm tra nhiều sai số như:
o Độ đồng trục của hai bánh xe (hai động cơ)
o Điều kiện tiếp xúc hai bánh xe với mặt đường (có bị nghiêng hay