Tính linh hoạt và tốc độ di chuyển nhanh của Mobie Robot đã được ứng dụng rộng rãi ở các quốc gia để thay thế con người làm việc trong môi trường nguy hiểm hoặc làm việc thay thế cho con
Giới hạn của đề tài
Dựa trên hình ảnh của một chú chó, nhóm “DOG ROBOT” lấy cảm hứng để thiết kế và mô phỏng khả năng di chuyển của chú chó thật Chó robot không thể leo tường hay bay, nhưng điểm nổi bật chính là khả năng vượt qua các địa hình phức tạp Nhóm hướng tới việc phát triển chó robot có thể thay thế con người trong các môi trường nguy hiểm, vùng nhiễm phóng xạ hoặc những nơi chật hẹp Với thiết kế tối ưu, chó robot này có khả năng di chuyển linh hoạt trong các địa hình khó khăn, đáp ứng nhu cầu của con người trong tương lai.
Lợi ích và hướng phát triển đề tài
Con người đã sáng tạo ra các kính thiên văn để quan sát vũ trụ rộng lớn, giúp nhìn xa hàng ngàn năm ánh sáng, hoặc đầu tư hàng nghìn tỷ đô vào tàu vũ trụ để khám phá ngoài ngân hà hoặc hệ mặt trời của chính chúng ta Những nỗ lực này nhằm mục đích mở rộng kiến thức về vũ trụ, đồng thời mang lại những tiện ích và điều thú vị cho cuộc sống Chính từ những đam mê và lý do này, con người đã phát triển nhiều công nghệ mới như chú chó robot, nhằm đem lại tiện lợi và nâng cao chất lượng cuộc sống.
Hình 2 Dog Robot hỗ trợ cho NYPD
Chú chó robot mang vẻ ngoài gần gũi, thân thiện kết hợp với công nghệ hiện đại nhờ các dòng code lập trình thông minh Nó mang lại cảm giác an toàn hơn cho người dùng so với các loại robot công nghiệp truyền thống Tuy nhiên, dù có nhiều ưu điểm, chú chó robot vẫn bị hạn chế về tính tiện dụng và đa dạng trong các ứng dụng, limiting its overall versatility.
Hình 3 Dog Robot ứng dụng trong các ngành xây dựng
Chó robot có thể giúp con người tránh xa những nơi nguy hiểm, phức tạp hoặc hạn chế, ứng dụng rộng rãi không giới hạn trong một ngành nghề cụ thể Nó hỗ trợ quan sát và khám phá các địa điểm khó tiếp cận trong lĩnh vực du lịch, hiểm họa, và thậm chí đóng vai trò như một đôi mắt cho kỹ sư trong việc xây dựng cầu cống, đường bộ, giúp kiểm tra các vị trí chật hẹp như cống hay các khoảng nhỏ mà con người khó quan sát Ngoài ra, chó robot còn có khả năng phát triển thành một người bạn trung thành không biết mệt mỏi, đặc biệt hữu ích cho người già, giúp họ theo dõi các dấu hiệu bất ổn thông qua các cảm biến tích hợp, nâng cao an toàn và chăm sóc sức khỏe.
Hình 4 Dog Robot trong quân sự
Chó Robot hay còn gọi là Robot Chó đang trở thành một chủ đề hấp dẫn với nhiều tiềm năng phát triển vượt trội Sản phẩm này hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích thiết thực, từ sự tiện dụng cho người dùng đến khả năng ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực Với khả năng cải thiện cuộc sống hàng ngày và mở ra nhiều hướng sáng tạo mới, Chú Chó Robot đang trở thành xu hướng công nghệ đáng chú ý trong tương lai gần.
Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về Robot Chương này, nhóm trình bày tổng quan về
Robot, hay cụ thể là Mobile Robot mà nhóm đang hướng đến.
Chương 2: Thiết kế Robot Ở chương này, nhóm trình bày cụ thể bản vẽ chi tiết về đề tài của nhóm là Dog Robot.
Chương 3 giới thiệu về tính toán động học của Robot, bao gồm các cơ sở lý thuyết quan trọng về động lực học của Robot di động Nội dung tập trung vào việc xây dựng nền tảng kiến thức giúp hiểu rõ các nguyên lý vận hành và khả năng di chuyển của Robot Bên cạnh đó, chương còn hướng dẫn thực hành tính toán động lực học để cụ thể hóa quá trình hoàn thiện và nâng cao hiệu suất của Robot Những kiến thức này đóng vai trò then chốt trong việc thiết kế, điều khiển và tối ưu hóa Robot di động trong các ứng dụng thực tế.
Chương 4 tập trung vào thiết kế bộ điều khiển, trong đó nhóm sẽ phân tích các yếu tố về cơ khí và động cơ để xác định các yêu cầu kỹ thuật chính Tiếp theo, nhóm sẽ đưa ra các lựa chọn phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng các tiêu chí của đề tài Việc lựa chọn bộ điều khiển phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của hệ thống, góp phần nâng cao hiệu quả tổng thể của dự án.
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
Giới thiệu về Mobile Robot
Trước khi khám phá về Mobile Robot, chúng ta cần hiểu rõ khái niệm robot là gì, nguồn gốc và lịch sử phát triển của nó ra sao Bên cạnh đó, việc nắm bắt cách hoạt động của robot giúp ta hiểu tại sao chúng ta lại cần tạo ra và ứng dụng robot trong cuộc sống hàng ngày và các ngành công nghiệp Tìm hiểu về nguồn gốc và chức năng của robot sẽ cung cấp nền tảng vững chắc để hiểu rõ hơn về Mobile Robot trong tương lai.
Vậy thì, Robot hoặc Rô bốt hay Rô bô (Tiếng Anh có nghĩa là người máy).
Máy móc tự động là loại thiết bị có khả năng thực hiện các công việc và thao tác một cách tự động Chúng hoạt động dựa trên sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử đã được lập trình sẵn Nhờ vào công nghệ tự động hóa, các loại máy móc này giúp nâng cao hiệu suất lao động và giảm thiểu sai sót trong quá trình làm việc.
Robot là một tác nhân gồm cơ khí, nhân tảo ảo, và thường là một hệ thống cơ khí – điện tử.
Hình 1.1 Cánh tay Robot trong sản xuất
Thuật ngữ "Robot" thường được hiểu là các thiết bị cơ khí và phần mềm tự động hóa Tuy nhiên, do mức độ tự động hóa của các hệ thống cơ điện tử ngày càng đa dạng, nên ranh giới phân biệt giữa Robot và các thiết bị khác trở nên không rõ ràng.
Thuật ngữ "Robot" bắt nguồn từ tiếng Séc “Robota”, có nghĩa là “lao động cưỡng bức”, phản ánh ý nghĩa ban đầu về công việc gò bó Thuật ngữ này lần đầu tiên được sử dụng để chỉ một nhân vật hư cấu trong vở kịch “Các Robot toàn năng của Rossum”, mở đầu cho sự phát triển của các thiết bị tự động hiện đại.
Robot có những đặc điểm sau:
+ Không phải là tự nhiên, do con người sáng tạo ra.
+ Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh.
+ Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường.
Trí thông minh nhân tạo là do con người phát triển, có khả năng đưa ra quyết định dựa trên phân tích môi trường và hoạt động tự động theo các trình tự đã được lập trình sẵn Công nghệ này giúp tự động hóa các hoạt động, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu sai sót trong nhiều lĩnh vực AI mang lại lợi ích lớn trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, dịch vụ khách hàng và phân tích dữ liệu phức tạp Việc phát triển trí thông minh nhân tạo là bước tiến quan trọng trong cách mạng công nghiệp 4.0, góp phần thúc đẩy sự đổi mới và cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.
+ Có thể di chuyển, xoay, hoặc tịnh tiến theo một hoặc nhiều chiều.
Các thiết bị hoặc hệ thống có khả năng thay đổi và điều khiển theo yêu cầu của người sử dụng dựa trên các lệnh đã được lập trình sẵn, đảm bảo tính linh hoạt và tùy chỉnh cao Ngoài ra, chúng còn thể hiện sự khéo léo trong vận động, giúp thực hiện các nhiệm vụ phức tạp một cách chính xác và hiệu quả.
“Mobile Robot” là loại robot có khả năng di chuyển linh hoạt và không bị cố định tại một chỗ, khác với các loại robot cố định Nó có thể tự xử lý theo lập trình sẵn hoặc theo sự điều khiển từ máy tính, mang lại tính linh hoạt cao trong các ứng dụng.
Hình 1.2 Robot Vector (Mobile Robot)
Mobile Robot là một công nghệ phổ biến được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong ngành công nghiệp mà còn trong nông nghiệp, quân đội với các robot dò mìn và trong cuộc sống hàng ngày như robot hút bụi trong gia đình Nhờ vào khả năng tự động hóa và linh hoạt, Mobile Robot giúp con người giải quyết các công việc từ nhỏ đến lớn, nâng cao hiệu quả và giảm bớt gánh nặng công việc Với sự phát triển không ngừng, Mobile Robot đang trở thành một phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực, mang lại tiện ích và sự tiện lợi cho cuộc sống hàng ngày.
Hình 1.3 Robot hút bụi (Mobile Robot)
Ưu điểm và nhược điểm
Robot di động là loại robot có khả năng thực hiện các tác vụ tại nhiều địa điểm khác nhau nhờ vào đặc tính linh hoạt của nó Đặc điểm nổi bật của robot di động là sử dụng các bộ phận chuyển động như bánh xe, chân, tay hoặc cánh quạt để di chuyển linh hoạt trong môi trường đa dạng Để hoạt động hiệu quả, robot di động cần phải định vị chính xác và thu nhận đầy đủ thông tin về môi trường xung quanh, từ đó đưa ra quyết định hành động phù hợp Thiết kế linh hoạt và khả năng cảm biến môi trường giúp robot di động trở thành công cụ hữu ích trong nhiều ứng dụng công nghiệp, dịch vụ và tự động hóa.
Mobile robot thường được tích hợp các cảm biến để nhận biết môi trường và hoạt động chính xác hơn Chúng còn có thể kết nối với hệ thống máy tính điều khiển và nguồn cung cấp năng lượng để thực hiện các chuyển động cùng các cảm biến cần thiết Tùy thuộc vào nhiệm vụ, robot di động có thể mang theo nguồn điện, camera, micro, cảm biến và bộ xử lý, nhưng cần tính toán trọng lượng các thành phần này phù hợp để tránh quá tải Một đặc điểm quan trọng của robot di động là yêu cầu tính tự động cao, nghĩa là chúng phải có khả năng thực hiện các hành động một cách độc lập mà không cần sự can thiệp của con người.
Robot di động có yêu cầu cao hơn so với robot cố định, đòi hỏi đầu tư nhiều hơn để phù hợp với các nhiệm vụ phức tạp trong không gian mở Trong khi robot cố định vận hành đơn giản, chỉ cần không gian cố định để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, thì hệ thống robot di động hoạt động liên tục trong môi trường biến đổi, đòi hỏi công nghệ và thiết kế phức tạp hơn để đảm bảo hiệu quả và linh hoạt.
Cấu tạo của Mobile Robot
Để đảm bảo hoạt động ổn định của mobile robot, phần khung và vỏ đóng vai trò rất quan trọng, giúp kết nối, cố định và sắp xếp hợp lý các bộ phận như bánh xe, linh kiện, bảng mạch và pin Các thành phần này góp phần tăng tính ổn định và vững chắc khi robot vận hành Ngoài ra, khung vỏ còn nâng cao tính cá nhân hóa và thẩm mỹ cho robot Hiện nay, phần khung vỏ của robot thường được thiết kế và chế tạo bằng công nghệ in 3D FDM để đảm bảo tính chính xác, tối ưu hóa cấu trúc và tiết kiệm chi phí.
Hình 1.4 Mobile Robot cho quân sự
Robot được chế tạo khung vỏ bằng công nghệ in 3D sẽ đảm bảo được các yêu cầu cần thiết
Sắp xếp hợp lý các bộ phận.
Tiện lợi trong quá trình sử dụng.
Có giá thành rẻ hơn so với chế tạo khung vỏ hoàn toàn bằng kim loại.
Môi trường hoạt động
Hệ thống truyền động của Mobile Robot phải phù hợp với môi trường sử dụng để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu Đối với loại Robot mà nhóm hướng tới, hoạt động trong các địa hình hiểm trở, khó khăn, nhỏ hẹp, và nguy hiểm cho con người, môi trường này ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống truyền động của Robot Bài báo cáo tập trung vào việc sử dụng chân thay vì bánh xe truyền thống để phù hợp với các điều kiện địa hình phức tạp này.
THIẾT KẾ ROBOT
Hình ảnh 3D – Tổng quát của đề tài
Hình 2.1 Hình 3D – Tổng quát về Robot
2.2 Bản vẽ thiết kế Robot
Hình 2.2 Bản vẽ thiết kế thân của Robot
Hình 2.3 Bản vẽ thiết kế thân trên của Robot
2.2.1.2 Tấm chắn hông của Robot
Tấm chắn hông (bên phải)
Hình 2.4 Bản vẽ thiết kế tấm chắn hông (bên phải) của Robot
Tấm chắn hông (bên trái)
Hình 2.4.2 Bản vẽ thiết kế tấm chắn hông (bên trái) của Robot
2.2.2 Cụm vai và chân của Robot
Hình 2.5 Bản vẽ thiết kế cụm vai và chân
Hình 2.6 Bản vẽ thiết kế vai của Robot thứ 1
Hình 2.7 Bản vẽ thiết kế vai của Robot thứ 2
Hình 2.8 Bản vẽ thiết kế vai của Robot thứ 3
Hình 2.9 Bản vẽ thiết kế vai của Robot thứ 4
Khớp truyền động của Robot
Hình 2.10 Bản vẽ thiết kế khớp truyền động của Robot
Hình 2.11 Bản vẽ thiết kế khớp đùi của Robot
Khớp chân (bên phải) của Robot
Hình 2.12 Bản vẽ thiết kế khớp chân (bên phải) của Robot
Hình 2.13 Bản vẽ thiết kế đệm chân của Robot
2.2.2.3 Bản vẽ lắp của Robot
Hình 2.14 Bản vẽ lắp của Robot
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT
Cơ sở lý thuyết
3.1.1 Động học của Mobile Robot Để khảo sát bài toán động học, nhóm đã sử dụng phương pháp D-H hay còn gọi là phương pháp Denavit – Hartenberg Phương pháp này mang lại nhiều hiệu quả cũng như ưu điểm nổi bật hơn so với các phương pháp khác trong quá trình tính toán bài toán động học, và như đã nói, ta có thể áp dụng hiệu quả các kết quả mà phương pháp D-H mang lại cho chúng ta vào các bài toán động lực học, phân tích lực, tính toán vận tốc hay bài toán Jacobi. Để tiếp cận một cách đơn giản và hiệu quả, điều đầu tiên cần lưu ý đó chính là các thông số trong Phương Pháp Denavit – Hartenberg hay còn gọi là Phương pháp DH.
Hình 3.1 Hệ trục phương pháp D - H
Các khâu đánh số từ 0 tới n với n là số khâu của robnot Bệ robot sẽ được đánh số 0
Mỗi hệ trục gắn ở mỗi khâu phải luôn tuân theo quy tắc bàn tay phải hay quy tắt tam diện thuận
Hình 3.2 Quy tắc bàn tay phải
Hệ trục toạ độ gắn trên khâu của Robot được gắn tại khớp xa hơn so với bệ của mỗi khâu
Gốc của hệ trục toạ độ thường được đặt tại giao điểm của đường vuông góc chung hoặc nơi các trục khớp với nhau Trong trường hợp các trục khớp song song, gốc tọa độ được chọn sao cho khoảng cách giữa các khâu là bằng 0 hoặc nhỏ nhất nếu có dịch chuyển Khi các trục khớp giao nhau, gốc toạ độ sẽ được đặt chính xác tại điểm giao nhau của các trục để đảm bảo tính chính xác trong mô hình không gian.
Trục z trùng với trục khớp:
Trong kỹ thuật cơ khí, khi nói về khớp tịnh tiến, hướng trục z chính là hướng di chuyển ra xa, thể hiện rõ quá trình dịch chuyển tuyến tính theo trục này Đối với khớp trụ, hướng trục z được xác định là hướng dương theo chiều quay của trục hoặc theo lựa chọn sao cho góc xoắn nhỏ nhất, giúp tối ưu hóa quá trình truyền năng lượng hoặc mô-men xoắn.
Trục x sẽ song song với đường vuông góc chung giữa các trục khớp của các khâu, đảm bảo tính chính xác trong chuyển động cơ khí Nếu các trục giao nhau không có đường vuông góc chung, trục x sẽ được xác định là tích vector của hai vector zn-1 và zn, tạo ra hướng phù hợp cho cơ cấu Trong nhiều trường hợp, trục x sẽ có hướng tương tự như trục x của khâu trước đó, giúp duy trì tính liên tục và ổn định trong cấu trúc cơ khí.
Sau khi đã áp dụng và đặt các trục vào các khớp của Robot theo các quy tắc đã đề cập, bước tiếp theo là lập bảng D – H để ghi lại các thông số quan trọng Bảng này bao gồm các biến như i, θ_i, a_i, d_i và α_i, giúp xác định chính xác vị trí và đặc điểm của từng trục trong hệ thống robot Việc lập bảng thông số này là bước cần thiết để đảm bảo quá trình lập trình và điều khiển robot diễn ra chính xác và hiệu quả.
Trong đó các thông số được quy ước như sau:
θ i : là góc quay trục x i - 1 trùng với trục x i quanh trục z i – 1
a i : là khoảng cách giữa trục z i-1 và trục z i
d i : là khoảng cách trục x i – 1 và trục x i
α i : là góc quay trục z i – 1 trùng với trục z i quanh trục x i
Sau khi gắn hệ trục lên robot và lập bảng D – H, chúng ta có thể xác định vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành bằng cách giải các bài toán động học thuận và nghịch Áp dụng ma trận này để tính toán hướng và vị trí của các khâu: i-1 A i = [ cos sin 0 0 θ θ i i −sin cos sin θ θ 0 i i sin cos α i α α i i −sin sin cos θ α i 0 sin i α cos i α θ i i a a i i cos sin d 1 i θ θ i i ].
Sau đó ta có thể xác định mối liên hệ từ khâu 0 cho đến khâu n của Robot
Từ đây ta có thể chỉ ra được như:
Ma trận vị trí của cơ cấu chấp hành cuối cùng là Pi = [ P P P x y z ]
Ma trận định hướng của cơ cấu chấp hành cuối R i = [ a a a 11 21 31 a a a 12 22 32 a a a 13 23 33 ]
Kết luận về động học thuận:
Bài toán động học thuận là phương pháp giúp xác định vị trí, hướng và chiều của cơ cấu chấp hành cuối cùng của robot so với hệ trục đã xác định từ ban đầu Phương pháp này cho phép chúng ta tính toán chính xác các bước di chuyển của robot, từ đó tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo tính chính xác trong quá trình vận hành Việc nắm vững bài toán động học thuận là bước quan trọng trong việc phát triển và điều khiển robot, nhằm đạt hiệu suất làm việc cao nhất.
Để xác định chính xác vị trí và hướng làm việc của cơ cấu chấp hành cuối cùng, cần áp dụng các quy tắc và quy ước về hệ trục tham chiếu ban đầu, đồng thời thực hiện các thao tác đối với các trục, khâu và khớp theo đúng chuẩn.
Bài toán động học nghịch yêu cầu tìm tập nghiệm của các khớp khi đã biết vị trí và hướng của đầu công tác, trái ngược với bài toán động học thuận Nó đóng vai trò quan trọng trong điều khiển robot, giúp xác định các giá trị cần thiết để đạt được vị trí mong muốn của đầu công tác Độ phức tạp của quá trình giải bài toán này phụ thuộc vào cấu trúc của robot, khiến việc triển khai giải pháp trở nên đa dạng và phức tạp hơn Quá trình giải bài toán động học nghịch thường bao gồm các bước xác định khớp và tính toán các nghiệm phù hợp để điều khiển robot một cách chính xác.
+ Giải bài toán động học thuận liên hệ với vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối giả sử như đã biết các biến khớp
Lập các phương trình động học thuận từ bài toán để xác định các đại lượng cần tính toán Tiếp theo, xem xét để xác định xem có biến nào có thể xác định dựa trên các phương trình này hay không Tùy thuộc vào độ khó của phương trình, có thể chọn giải bằng phương pháp số hoặc phương pháp giải tích để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình phân tích động học.
3.1.2 Động lực học của Mobile Robot Đối với yêu cầu của một robot thì ngoài việc cần phải điều khiển được hướng và vị trí của nó thì vận tốc cũng là một yếu tố quan trọng trong sự điều khiển trên quỹ đạo di chuyển của Robot. Động lực học của robot nghiên cứu chuyển động của robot dưới tác dụng của lực / momen điều khiển để thực hiện thao tác theo mục đích công nghiệp hay phục vụ đời sống con người. Động lực học thuận (direct dynamics): chính là khảo sát, tính toán các đại lượng đặc trưng cho sự chuyển động của Robot dưới các lực đã được xác định. Động lực học nghịch (inverse dynamics): là khảo sát, tính toán các lực dẫn động để Robot có thể thực hiện được các chuyển động theo các quy luật hay quỹ đạo đã được xác định.
Trong bài toán động lực học, việc nghiên cứu không chỉ về di chuyển vi phân của robot mà còn về động lực học liên quan đến gia tốc, tải trọng, khối lượng và quán tính; mục đích là lập phương trình động lực học để tính công suất cần thiết của cơ cấu chấp hành nhằm đáp ứng yêu cầu về tải trọng và vận tốc Ma trận Jacobi đóng vai trò quan trọng trong động học vận tốc của robot, là công cụ toán học cần thiết để phân tích và điều khiển tay máy hiệu quả.
Ma trận Jacobi mô tả hình học của các phần tử trong cơ cấu trong một đơn vị thời gian, giúp xác định chuyển động vi phân hoặc vận tốc của từng khâu hoặc điểm quan tâm Đây là sự liên hệ theo thời gian phản ánh sự biến đổi của các biến khớp, cho phép phân tích chuyển động của cơ cấu một cách chính xác Để tìm ma trận Jacobi, ta lấy đạo hàm của phương trình vị trí theo tất cả các biến, từ đó có thể xác định nhanh chóng các vận tốc và sự biến đổi của hệ thống trong quá trình vận hành.
Giả sử chúng ta có các phương trình Yi theo các biến xi là:
Y i = f i ( x 1 , x 2 , x 3 , … , x j ) Đạo hàm theo các biến xi
Phương trình có thể được viết dưới dạng ma trận để thể hiện mối liên hệ vi phân giữa các biến và các hàm riêng biệt Ma trận này, còn gọi là ma trận Jacobian, đóng vai trò quan trọng trong phân tích hệ thống phương trình vi phân và xử lý các bài toán liên quan đến biến đổi đa biến Việc sử dụng ma trận Jacobian giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc của hệ thống và hỗ trợ trong quá trình giải quyết các bài toán kỹ thuật và toán học phức tạp.
Mối liên hệ giữa ma trận Jacobi và vận tốc dài, vận tốc góc của cơ cấu chấp hành cuối là:
Mối quan hệ giữa vận tốc dài và vận tốc góc qua ma trận Jacobian là mối quan hệ tuyến tính giúp đơn giản hóa quá trình tính toán vận tốc của robot Phương pháp Jacobian dựa trên cơ sở của phương pháp Denavit-Hartenberg (DH), được đánh giá là phương pháp đơn giản nhất để xác định khung giữa của robot Nhờ vào đặc điểm tuyến tính này, việc chuyển đổi giữa vận tốc dài và vận tốc góc trở nên nhanh chóng và chính xác, hỗ trợ tối ưu trong điều khiển và lập trình robot tự động.
Thực hành tính toán động học robot
3.2.1 Bài toán động học thuận nghịch
3.2.1.1 Bài toán động học thuận
Hình 3.3 Góc quay của các động cơ
Hình 3.4 Vị trí trục tọa độ chân của Robot Bước 1: Lập bảng D – H cho chân của Robot (Tương tự cho các chân còn lại) i θ i a i d i α i
Bảng 3.1 Bảng D – H cho chân của Robot Bước 2: Tính toán động học. Áp dụng Matlap, ta có hệ chuyển động của các khâu:
[cos( thetha 2) , ¿ −sin ( thetha 2) , ¿ 0 , ¿ L 2 ∗cos( thetha 2) ]
[ sin( thetha 2) ,¿cos ( thetha 2) , ¿ 0 , ¿ L 2 ∗sin( thetha 2) ]
[ cos( thetha 3) , ¿ −sin( thetha 3) , ¿ 0 , ¿ L 3 ∗cos( thetha 3) ]
[ sin( thetha 3) ,¿cos ( thetha 3) , ¿0 , ¿ L 3 ∗sin( thetha 3) ]
Qua đây, ta tính được vị trí đầu công tác:
P z = L 1 − L 3 ∗sin( thetha 2 + thetha 3 ) −L 2 ∗sin( thetha 2)
>> m 1 m 1 = L 3 ∗cos( thetha 2 +thetha 3 ) + L 2 ∗cos( thetha 2)
>> m 2 m 2 = L 3 ∗sin( thetha 2 + thetha 3 ) + L 2 ∗sin( thetha 2)
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KIỂN
Sơ đồ khối
Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng thể Robot
Từ giao diện điều khiển, người điều khiển có thể điều khiển vật theo chức năng tự động hoặc tự điều khiển.
Trong khi điều khiển, các tín hiệu và dữ liệu điều khiển được đưa lên database
Sau đó database sẽ đưa kết quả nhận được cho bộ điều khiển
Bộ điều khiển truyền tín hiệu cho Robot thực hiện các động tác tương ứng.
Thiết kế hệ thống điều khiển
Hình 4.2 Sơ đồ khối tổng thể Robot
Khi có tín hiệu điều khiển, tín hiệu trả về sẽ được đưa lên database.
Sau đó, tín hiệu được lấy từ database sẽ được truyền cho chương trình điều khiển để xử lý.
Bảng điều khiển sẽ kiểm tra góc giới hạn và thông báo tín hiệu lỗi cho người điều khiển nếu góc vượt quá giới hạn, giúp xác định vị trí lỗi để điều chỉnh góc phù hợp Nếu góc nằm trong phạm vi cho phép, hệ thống sẽ gửi tín hiệu đến module điều khiển để điều chỉnh động cơ theo góc đã định, đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn của hệ thống điều khiển.
Cảm biến góc nghiêng gửi tín hiệu về cơ sở dữ liệu, thông báo về góc nghiêng của robot khi đang di chuyển Thông tin này giúp người điều khiển xác định chính xác hướng đi tiếp theo của robot, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình vận hành.
Tín hiệu lại được gửi lên database, bắt đầu một tín hiệu điều khiển mới.
Nguồn pin 4 cell, mỗi cell 3,7V, được cấp qua mạch hạ áp để cung cấp điện cho Raspberry Pi Hệ thống hiển thị mức pin giúp người dùng dễ dàng theo dõi năng lượng còn lại Raspberry Pi nhận tín hiệu điều khiển từ cảm biến và người điều khiển, sau đó phát tín hiệu cho module PCA9685 để điều khiển động cơ theo ý muốn của người dùng.
Hình 4.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển Robot
4.2.3 Danh sách các thành phần điều khiển
4.2.3.1 Board điều khiển Raspberry Pi Zero 2 W
The Raspberry Pi Zero 2 W features a powerful Cortex-A53 quad-core CPU running at 1 GHz, ensuring great performance for various projects It is built around the Raspberry Pi RP3A0 System-in-Package (SiP), which integrates the Broadcom BCM2710A1 processor and 512MB of LPDDR2 SDRAM This compact yet efficient design makes the Raspberry Pi Zero 2 W an excellent choice for lightweight computing and IoT applications.
Bluetooth trên bo mạch đã được nâng cấp lên phiên bản 4.2, cải thiện khả năng kết nối không dây Thiết bị vẫn hỗ trợ kết nối WiFi chuẩn IEEE 802.11 b/g/n và BLE, đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu nhanh và ổn định Đặc biệt, khu vực chứa chip WiFi và Bluetooth được trang bị khung bảo vệ bằng nhôm, tăng cường độ bền và bảo vệ thiết bị khỏi tác động bên ngoài.
Raspberry Pi Zero 2 W được trang bị CPU lõi tứ 64-bit, giúp nâng cao hiệu suất tổng thể lên đến 5.2 lần so với phiên bản cũ Sản phẩm này cho phép khởi động Raspberry Pi OS nhanh chóng và ổn định khi sử dụng thẻ nhớ microSD 32GB MakerDisk Với sức mạnh xử lý vượt trội, Raspberry Pi Zero 2 W phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu năng cao, đáp ứng nhu cầu của người dùng công nghệ.
W chỉ mất khoảng 20 giây, trong khi Raspberry Pi Zero W cần tới 70 giây Khi so sánh tốc độ đơn nhân, Pi Zero 2 W cũng nhanh hơn đến tận 40%.
Vậy nên Raspberry Pi Zero 2 W cực kỳ phù hợp cho việc điều khiển động cơ và xử lý tín hiệu nhanh.
Hình 4.5 Thông số kỹ thuật của Raspberry Pi Zero 2 W
4.2.3.2 Module 16 kênh PWM 12 bit điều khiển servo PCA9685
Mạch điều khiển 16 Chanel PWM PCA9685 cho phép xuất đồng thời 16 xung PWM qua 16 cổng khác nhau nhờ giao tiếp I2C, phù hợp để điều khiển các thiết bị như RC Servo hoặc dimmer cho nhiều thiết bị cùng lúc Với cấu trúc phần cứng đơn giản và thư viện có sẵn trên Arduino, mạch rất dễ sử dụng và kết nối, phù hợp cho các dự án đòi hỏi kiểm soát nhiều xung PWM như robot cánh tay máy hoặc robot nhện Chất lượng phần cứng của mạch gia công tốt, độ bền cao, đáp ứng tốt các nhu cầu điều khiển phức tạp trong các ứng dụng tự động hóa.
Mạch điều khiển 16 Chanel PWM PCA9685
Điện áp sử dụng: 2.3 ~ 5.5VDC.
Số kênh PWM: 16 kênh, tần số: 40~1000Hz
Độ phân giải PWM: 12bit.
Giao tiếp: I2C (chấp nhận mức Logic TTL 3 ~ 5VDC)
Kích thước: 62.5mm x 25.4mm x 3mm
4.2.3.3 Module cảm biến gia tốc MPU6050
Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 đo được 6 thông số gồm 3 trục góc quay và 3 trục gia tốc hướng, là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất trên thị trường hiện nay Với nhiều ví dụ và code hỗ trợ, MPU6050 tương thích với hầu hết các loại vi điều khiển, trở thành sự lựa chọn tối ưu cho các dự án như mô hình con lắc động, xe tự cân bằng hoặc máy bay điều khiển từ xa.
Điện áp sử dụng: 3~5VDC
Điện áp giao tiếp: 3~5VDC
Giá trị Gyroscopes trong khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec
Giá trị Acceleration trong khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g
Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động bằng máy chất lượng tốt nhất.
Mạch Hạ Áp USB 5V-6A 30W - M249 là thiết bị chuyển đổi điện áp với chức năng hạ áp an toàn và hiệu quả Nó có khả năng điều chỉnh điện áp đầu vào từ 9V đến 36V DC, phù hợp với nhiều nguồn cấp khác nhau Với điện áp ra cố định 5V và dòng tải tối đa lên đến 6A, mạch giúp cung cấp nguồn ổn định cho các thiết bị USB của bạn Sản phẩm lý tưởng cho các ứng dụng cần cấp nguồn USB 5V với công suất cao và độ bền cao.
Điện áp ngõ vào: 9 - 36VDC
Giao diện ngõ vào: Jack DC - Domino 2 pin
Giao diện ngõ ra: Cổng USB - Domino 2 pin
4.2.3.5 Động cơ RC Servo MG996R Động Cơ RC Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn, đây là bản nâng cấp từ Động cơ RC servo MG995 về tốc độ, lực kéo và độ chính xác Lực kéo ở 6V: 11kg Phù hợp với máy bay cánh quạt loại 50 – 90 methanol và máy bay cánh cố định xăng 26cc-50cc So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhưng hơi nhỏ hơn
Hình 4.9 Động cơ RC Servo MG996R
Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn
Đây là bản nâng cấp từ servo MG995 về tốc độ, lực kéo và độ chính xác
Phù hợp với máy bay cánh quạt loại 50 -90 methanol và máy bay cánh cố định xăng 26cc-50cc
So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhưng hơi nhỏ hơn.
Kích thước sản phẩm: 40.7 * 19.7 * 42.9mm
Lực kéo: 9.4kg / cm (4.8V), 11kg / cm (6V)
Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v)
Vật liệu bánh răng: Kim loại
4.2.3.6 Mạch Đèn Báo Dung Lượng Pin 4S Được sử dụng để đo dung lượng của Pin 3.7V, tùy vào nhu cầu sử dụng bao nhiêu Pin thì ta chỉ cần hàn vào số chân tương ứng trên mạch Các vạch LED hiển thị tương ứng với dung lượng pin còn lại của Pin Mạch được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, rất dễ dàng lắp đặt và sử dụng.
Hình 4.11 Mạch hiển thị mức năng lượng pin 1S 4.2V
Pin 18650 là một loại pin lithium-ion có thể sạc lại
Khối pin 18650 1 cell là loại pin có một hoặc nhiều viên pin mắc song song, tạo ra điện áp từ 3.7 đến 4.2V Đây là loại pin phổ biến được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử nhờ vào hiệu suất ổn định và dung lượng cao Hiểu rõ về cấu tạo và đặc điểm của khối pin 18650 giúpคุณ lựa chọn sản phẩm phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng.
2 cell có điện áp từ 7.4 – 8.4V Khối pin 3 cell có điện áp từ 11.7-12.6V…
Pin sạc 18650 mang lại hiệu suất tối ưu hơn so với các loại pin sạc khác trên thị trường hiện nay Chúng có khả năng chống hư hỏng do sạc trước khi xả hoàn toàn, khác biệt so với pin cadmium-niken dễ bị tổn thương khi sạc không đúng cách Tuy nhiên, pin 18650 vẫn sẽ dần xuống cấp theo thời gian, tương tự như pin điện thoại thông minh thông thường.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả thực nghiệm
Sau thời gian dài làm đồ án, nhóm chúng em đã thu về được những kết quả sau quá trình nghiên cứu thiết kế Dog Robot:
Chế tạo được mô hình Dog Robot.
Thiết lập được hệ thống điều khiển Dog Robot.
Điều khiển Robot di chuyển thành công trong hạn mức đề ra.
Đánh giá
Phân tích và lựa chọn được hình dáng, thiết kế hợp lý.
Xây dựng được mô hình động học cho Robot.
Xây dựng mô hình điều khiển Robot bằng máy tính.
Vấn đề chưa giải quyết:
Kết cấu Robot còn chưa hoàn thiện, thiếu nhiều thành phần.
Điều khiển Robot chưa chính xác.
Chưa xây dựng thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết động lực học.
Chưa xây dựng được phần mềm điều khiển từ xa.
Robot chưa truyền được hình ảnh về để thuận lợi cho việc điều khiển.