Trong bài này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng Robocar của Trung tâm NCKT tự động hoá, ĐHBK - HN. Trình bày các phương pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động của Robocar khi yêu cầu bám theo đường dẫn và tránh được chướng ngại v.v. Đồng thời giới thiệu một số ứng dụng thực tế. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần: tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển. Robocar chủ yếu hoạt động trong các phân xưởng, bến bãi, với địa hình không quá phức tạp nên kết cấu xe cũng rất đơn giản.
Trang 1MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG
ROBOCAR
Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Lê Hoàng Giang Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN
Tóm tắt
Trong bài này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng Robocar của Trung tâm NCKT tự động hoá, ĐHBK - HN Trình bày các phương pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động của Robocar khi yêu cầu bám theo đường dẫn và tránh được chướng ngại v.v Đồng thời giới thiệu một số ứng dụng thực tế
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like mobile robot) Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần:
tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển
Robocar chủ yếu hoạt động trong các phân xưởng, bến bãi, với địa hình không quá phức tạp nên kết cấu xe cũng rất đơn giản
2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC
Trước hết đối với tay máy của robocar thì về nguyên tắc có thể dùng nhiều loại cơ cấu khác nhau Ở đây chọn loại cơ cấu Robot RP thuộc nhóm robot phỏng sinh trục ngang (bắt chước cơ cấu tay người) Sự khác biệt của robot này so với các kiểu robot phỏng sinh khác
là ở đây dùng cơ cấu Pantograph với 2 con trượt dẫn động làm môđun chủ yếu của cơ cấu tay máy Cũng vì thế robot này được ký hiệu vắn tắt là robot RP
Với những quan hệ thông số hợp lý, loại cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau: 1) Có thể bố trí nguồn động lực gần với thân nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu chấp hành; 2) Đảm bảo đơn giản
về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích thước; 3) Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau
và tiêu hao ít năng lượng; 4) Dễ điều khiển do có thể thực hiện các chuyển dịch của bàn kẹp theo các trục toạ
độ bằng cách di chuyển con trượt riêng rẽ và các bài toán trong mọi cấu hình đều có thể đưa về bài toán phẳng
Đối với cơ cấu xe di chuyển đã tiến hành tính toán với các phương án khác nhau: 3 bánh xe hoặc 4 bánh xe, 1 bánh chủ động hoặc 2 bánh chủ động, bánh trước chủ động hoặc bánh sau chủ động, bánh lái đặt trước hoặc đặt sau v.v
Hình 1
Trên hình 1 là trường hợp 3 bánh, 2 bánh sau chủ động và là các bánh lái Cho hệ toạ độ xd yd
zd gắn liền với xe di động, có gốc tại điểm D trung tâm xe Ở vị trí xuất phát điểm D trùng với điểm C (px yy 0) trong không gian cố định x, y, z Điểm C nằm trên trục bánh xe sau và cách đều chúng một khoảng b, còn D nằm giữa 2 trục bánh xe trước và sau với khoảng cách 2a
Gọi V là vận tốc di chuyển và ω là vận tốc góc của xe, tương ứng với góc lái α Theo các quan
hệ vận tốc, dễ dàng có các biểu thức sau:
V = 2
t
V +
a
Vtg
2
α
p
V = ω
2
2
α
α tg b a
btg a
+
).
( ), (
2 [
2 a Vp Vt b Vp Vt
=
Với R và ωp - bán kính và vận tốc góc của bánh phải,
Vp và Vt - vận tốc trên bánh phải và bánh trái
Khi cần xét chuyển động của điểm T trên
xe, gắn liền với dụng cụ thao tác (ví dụ, đầu dò, đầu cắt, đầu hàn v.v.) ta gắn hệ toạ độ xt, yt, zt tại điểm Ot của xe có toạ độ (m, n, h) trong hệ toạ độ xd yd zd
x
C D
b
a a
ϕ
ϕt
x
y
O
t t
c
Ot
T
P
P y
x c , x d
Trang 2Điểm T cách 0t đoạn L được mô tả trong hệ xt yt zt bằng các biểu thức sau:
T t t t t
r = ( cos ϕ , sin ϕ , 0 ) (5) Trong hệ toạ độ cố định x, y, z điểm T được xác định bởi:
t
ot r M
Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ Mot theo phương pháp dùng ma trận đồng nhất [1]:
Trong đó:
M0c =
1 0 0 0
0 1 0 0
0 cos sin
0 sin cos
y
x p
p ϕ
ϕ
ϕ ϕ
, (8)
Mcd =
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0
, (9)
Mdt =
1 0 0 0
1 0 0
0 cos sin
0 sin cos
h n
m θ
θ
θ θ
(10)
Bài toán sẽ tổng quát hơn nếu hệ thống tay máy của robocar được đặt tại điểm Ot nói trên và kết nối
hệ toạ độ xt, yt, zt với hệ toạ độ động đầu tiên của cơ cấu tay máy thì ta hoàn toàn có thể xác định về định vị và định hướng của điểm tác động cuối E (End - effector) của robocar trong không gian làm việc
Bài toán động học ngược của robocar có thể đặt ra như sau: Cho điểm T gắn với dụng cụ thao tác di chuyển theo một quỹ đạo với vận tốc V không đổi, cần xác định các giá trị tức thời của ωp và α để điều khiển cho điểm T của xe bám theo quỹ đạo đó Hoặc tổng quát hơn, bài toán động học ngược của robocar được mô tả như sau: Để đảm bảo cho điểm tác động cuối E của robocar bám theo một quỹ đạo cho trước trong không gian làm việc, cần xác định bộ thông số theo thời gian của vận tốc góc bánh xe chủ động ωp, góc lái α và các biến khớp qi của cơ cấu tay máy
3 ROBOCAR RP
Robocar RP (hình 2) là sản phẩm của Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN thiết kế, chế tạo nhằm phục vụ cho các công việc như công gắp, sắp xếp,
vận chuyển phối liệu hoặc sản phẩm trong phân xưởng của các xí nghiệp công nghiệp
Hình 2 Phần trên của Robocar RP là một tay máy 4 bậc tự do, thực hiện bởi 3 động cơ một chiều điện áp 24V và một động cơ bước, ngoài ra còn một động cơ bước cho bàn kẹp
Phần dưới của Robocar RP là một xe 3 bánh Bánh trước đóng vai trò vừa là bánh lái vừa là bánh truyền động, đều dùng động cơ 1 chiều
Robocar RP làm việc theo chế độ tự hành nên được trang bị một hệ thống quan sát có thể nhận biết môi trường xung quanh Hệ thống quan sát là các sensor quang học gắn trên khung xe nhằm phát hiện các chướng ngại trên đường đi Khi phát hiện chướng ngại, Robocar dừng lại và báo hiệu
Hình 3
S7-200 PLC
Mạch role điều khiển
DC
DC1 DC2 DC3
Tải 1 Tải 2 Tải 3
Các bộ đếm xung
Các bộ mã
vị trí Nguồn
cung cấp
12 V
Driver cho động
cơ bước Step2
Step 1 Tải 4
Tải 5
Mạch role điều khiển DC
DC4 DC5
Tải 6 Tải 7
Các cảm biến vị trí
Bộ thu tín hiệu từ xa
Trang 34 ROBOCAR “CHỮ THÂP ĐỎ”
Robocar “chữ thập đỏ” (hỡnh 4) là một robot tự hành phục vụ trong cụng tỏc y tế nhằm giỳp đỡ cỏc cụng việc cho cỏc y tỏ, hộ lý trong cỏc bệnh viện Đặc biệt trong cỏc cụng việc phũng chống dịch bệnh Robocar
“chữ thập đỏ” được thiết kế một cỏch gọn gàng và linh hoạt Nú gồm một xe 3 bỏnh và một robot 2 bậc tự do cũng là loại robot RP đơn giản Đầu cỏnh tay robot cú gắn một vũi phun hoỏ chất phục vụ cụng tỏc phũng dịch
Hỡnh 4
Hệ điều khiển của Robocar “chữ thập đỏ” sử dụng on_chớp 89 C52 với chương trỡnh được nạp trong
bộ nhớ nội và mạch ngoại vi theo sơ đồ hỡnh 5
Hỡnh 5
Khi bật điện cho Robocar chương trỡnh được khởi động từ đầu Nú thực hiện khởi tạo cho bộ
xi xử lý 89C52 đưa bỏnh lỏi về vị trớ đầu với gúc lỏi bằng 00 thẳng
với hướng tiến của xe, vũi phun được đưa về vị trớ ban đầu
Khi ấn nỳt START động cơ chuyển động và động cơ lỏi được nối điện xe tiến về phớa trước, cỏc cảm biến xa, gần được nối điện và dựng để điều khiển động cơ lỏi xe Động cơ bơm nước được khởi động để tạo ỏp suất cho vũi phun nước
Cỏc cảm biến đo khoảng cỏch được bố trớ theo sườn trỏi của xe để đo khoảng cỏch tới vỏch tựa Cỏc cảm biến được điều chỉnh như sau: Cảm biến đo
cự ly gần được điều chỉnh thay đổi trạng thỏi khi cỏch vỏch tựa 500mm, cảm biến đo cự ly xa được điều chỉnh thay đổi trạng thỏi khi cỏch vỏch tựa 700mm Nếu xe chuyển động cỏch vỏch tựa trong khoảng 500 ữ 700mm thỡ bỏnh lỏi được giữ ở vị trớ thẳng (gúc lỏi bằng 0) Nếu xe chuyển động cỏch vỏch dưới 500mm thỡ bỏnh lỏi được điều khiển quay
về phải trong thời gian T là chu trỡnh lỏi được xỏc định bằng thực nghiệm, sau đú lại trả về vị trớ thẳng
để đưa xe về với khoảng cỏch 500 ữ 700mm so với vỏch Nếu xe chuyển động cỏch vỏch tựa hơn 700mm thỡ bỏnh lỏi được điều khiển quay về trỏi để đưa xe về gần vỏch tựa, trong thời gian T và lại được trả về vị trớ thẳng để đưa xe trở về trong hành lang 500 ữ 700mm Cứ như vậy xe được điều khiển chuyển động cỏch vỏch tựa một khoảng định sẵn, khoảng cỏch này cú thể đặt trước theo ý muốn
Khi xe gặp chướng ngại vật ở phớa trước, cảm biến bỏo vật cản được kớch hoạt để điều khiển xe dừng lại và đổi hướng đi hoặc lỳc đú sẽ điều khiển bơm hoỏ chất hoạt động để phũng dịch tuỳ chuyển mạch chọn chế độ làm việc được chọn trước
Cỏc hoạt động của xe được điều khiển bởi chương trỡnh chứa trong EEPROM của bộ vi điều khiển 89C52 cú thể bổ sung, sửa đổi và thay thế dễ dàng, cỏc ứng dụng của xe vỡ thế cú thể thay đổi một cỏch dễ dàng theo những ứng dụng mở cho phộp tuỳ theo những nhiệm vụ mà người sử dụng cú thể lựa chọn
Chương trỡnh được viết bằng hợp ngữ của
họ vi xử lý 8051 và được kiểm tra chạy thử trờn Emulator cho họ 8051 Chương trỡnh được dịch bởi
bộ dịch chộo cho họ vi xử lý 8051 và được nạp bằng
bộ nạp chuyờn dụng
5 KẾT LUẬN
Trờn đõy đó trỡnh bày phương phỏp tớnh toỏn động học và xõy dựng cỏc thuật toỏn điều khiển chuyển động của robocar trong hợp chung nhất, khụng xem xột tỏch biệt phần xe riờng, phần robot
1
8 32
29 89C52
9
Bộ ĐKTT
17 10
Đệm vào
ra
A1013
24C 02
P2 P3
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
Bộ nhớ
Vị trớ cuối dưới
Vị trớ cuối ngoài
Dự trũ
Ra 1
Ra 2
Ra 4
Ra 3
P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1
P3.
0
CB góc lái sau
CB vật cản
CB góc lái trước
CB xa
CB gần Chọn chế độ 20
P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1
P0.0 Động cơ lùi
Động cơ tiến
Động cơ lái trái
Động cơ lái phải
Động cơ còi
Động cơ bơm
Động cơ xả
nước
Động cơ vào
Động cơ ra
Động cơ xuống
Động cơ lên P2.0
P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.7 P2.6 Dự trữ
19
18 XTAL 12Mhz
v
40
5 v
Vcc
START
5 v
Reset
Đệm vào
v à
ra
Ra
Đệm
ra ULN
2803
Đệm
ra ULN
2803
28
21
KD Cụng suất
2383
KD cụng suất
2383
Trang 4riêng và số bậc tự do của robot không hạn chế Bộ phận sensor được trang bị như những môđun độc lập nhưng cùng trong một hệ thống điều khiển và ngày càng phong phú dần Các kết quả nghiên cứu ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng, rất có hiệu quả
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Nguyễn Thiện Phúc - Robot công nghiệp - NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002
SOME RESULTS OF DESIGNING, MANUFACTURING AND APPLICATION OF THE ROBOCAR
Nguyen Thien Phuc, Tran Minh Nghia, Le Hoang Giang Research Centre of Automation, Hanoi University of
Technology
In this paper are introduced some results of studying and applying of the Robocar produced at the RCA of Hanoi University of Technology The paper presents a method of kinematic calculation and establishment of algorithm calculation for motion control along a described trajectory and for a way avoided obstacles v.v In this paper are also introduced some application of robocar