Tóm tắt Bài báo giới thiệu tổng quan về các loại robot 6 bánh vượt địa hình trong việc chinh phục và khám phá các hành tinh. Nội dung chính của bài báo này là tính tổng thể về robot vượt địa hình có 6 bánh xe sử dụng ba cơ cấu bogie hình bình hành, một cơ cấu gắn ở phía sau và hai cơ cấu còn lại gắn hai bên. Robot được điều khiển qua sóng RF, có khả năng di chuyển trên các địa hình gồ ghề, phức tạp.
Trang 1Nghiên cứu thiết kế và điều khiển Robot 6 bánh vượt địa hình
Research Design and Control of a Six Wheels Terrain Robot
KS Phạm Thành Kha*, KS Gia Xuân Long**, KS Nguyễn Văn Hiển*, PGS.TS Đặng
Văn Nghìn**, KS Trương Thế Dũng, KS Nguyễn Thanh Hải*
* Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TpHCM
** Viện Cơ Học và Tin Học Ứng Dụng- Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam
e-Mail: mrphamcdt07@gmail.com
Tóm tắt
Bài báo giới thiệu tổng quan về các loại robot 6 bánh vượt địa hình trong việc chinh phục và khám phá các hành tinh Nội dung chính của bài báo này là tính tổng thể về robot vượt địa hình có 6 bánh xe sử dụng ba cơ cấu bogie hình bình hành, một cơ cấu gắn ở phía sau và hai cơ cấu còn lại gắn hai bên Robot được điều khiển qua sóng RF, có khả năng di chuyển trên các địa hình gồ ghề, phức tạp
Abstract
This paper presents an overview of the six-wheel robot over the terrain to conquer and explore the planets The main contents of this paper is the overall terrain robot over 6 wheel and uses three bogie mechanism, one bogie mechanism is placed behind robot and two bogie mechanism is placed two side Robot is controlled via
RF waves, able to travel on rough terrain, complex
Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
α tt , α tp ,
α st , α sp,
rad Góc xoay bánh trước
trái, trước phải, sau trái, sau phải
, tt,
tp, st,
sp
rad/s Vận tốc góc bánh xe
ảo, bánh trước trái, trước phải, sau trái, sau phải
n, n tt ,
n tp , n st ,
n sp
(vòng/phút) Tốc độ quaybánh xe,
tốc độ quay bánh trước trái, trước phải, sau trái, sau phải
V, V tt ,
V tp , V st ,
V sp
m/s Vận tốc dài, vận tốc
dài của một điểm trên bánh trước trái, trước phải, sau trái, sau phải
R mm Bán kính bánh xe
1 Tổng quan tình hình nghiên cứu
Robot địa hình đã trở thành phương tiện chính cho
nhiệm vụ khám phá thăm dò khoáng sản, tài
nguyên trên các hành tinh có địa hình phức tạp với
những điều kiện khắc nghiệt về thời tiết khí hậu
Ngoài ra robot vượt địa hình còn được nghiên cứu
nhằm thay thế con người làm việc trong môi
trường độc hại, nguy hiểm như rà phá bom mìn,
phát hiện khí độc, chống khủng bố, Đây là một
nhu cầu cấp bách đối với cả thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng
Robot vượt địa hình là các loại robot có khả năng
di chuyển trên các địa hình phức tạp không bằng phẳng, địa hình có tính chất chưa được biết trước
Để thực hiện được các di chuyển này, robot cần có kết cấu đặc trưng và phương án điều khiển riêng biệt, không giống với các loại robot bánh xe thông thường
Robot 6 bánh là một trong những loại robot vượt địa hình được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực chinh phục, thăm dò vũ trụ có các nghiên cứu sau đây:
a Rocker Bogie – Nasa/JPL (Mỹ)
H.1a Rocky 7, FIDO, Sojourner, MER, MSL
Robot Rocker bogie là loại robot được sử dụng trong công tác thám hiểm sao Hỏa Robot này sử dụng 2 cơ cấu Rocker Bogie 2 bên thân xe và dùng
cơ cấu vi sai để cân bằng Robot bẻ lái bằng cách điều khiển 4 hay 6 bánh xe
Trang 2b RCL-E – RCL (Thụy Sĩ)
H.1b Robot RCL – E
Robot RCL-E là một trong những thiết kế của
Exomars, sử dụng 3 cơ cấu Bogie hình bình hành
giúp cho robot giữ thăng bằng mà không cần dùng
đến cơ cấu vi sai Robot được bẻ lái bằng cách điều
khiển 4 bánh xe
c Shrimp/SOLERO – ASL, ETH Zurich (Thụy
Sĩ)
H.1c Robot SOLERO
Robot SOLERO được thiết kế và chế tạo bởi Viện
công nghệ liên bang Thụy Sĩ Robot sử dụng 6
bánh xe được bố trí trên 3 đường thẳng (mỗi đường
thẳng 2 bánh xe) Càng gắn bánh xe phía trước có
gắn lò xo, 2 bên thân xe dùng 2 cơ cấu Bogie hình
bình hành, bánh xe sau được gắn cứng vào thân
robot Chính vì vậy robot có thể giữ thăng bằng mà
không cần dùng cơ cấu vi sai Robot bẻ lái bằng
cách điều khiển 2 bánh xe trước và sau
d Nexus 6 (Nhật Bản)
H.1d Robot Nexus 6
Nexus được phát triển bởi phòng thí nghiệm Robot không gian trực thuộc đại học Tohoku Nhật Bản Robot sử dụng các cơ cấu Bogie hình bình hành
Cơ cấu bogie phía sau chỉ chuyển động khi di chuyển trên địa hình không đối xứng vì được nối vào cơ cấu vi sai Để giữ thăng bằng cho robot kh vượt địa hình Robot bẻ lái bằng cách điều khiển 4 bánh xe
2 Thiết kế
Mục đích nghiên cứu của chúng tôi là thiết kế
robot 6 bánh vượt địa hình để rà pha bom mìn cũng như phát hiện khí độc Qua việc phân tích đặc điểm, ưu nhược điểm của các loại robot kể trên chúng tôi đã chọn robot RCL-E – RCL của Thụy
Sĩ để thiết kế
a Cấu trúc của robot vượt địa hình
H.2 Cấu trúc robot vượt địa hình
Cấu trúc của robot bao gồm bốn cụm liên kết với nhau như hình 2, gồm thân, một cơ cấu bogie ở phía sau và hai cơ cấu bogie ở hai bên Cơ cấu bogie ở hai bên có một cơ cấu bẻ lái ở phía trước,
cơ cấu bogie phía sau có hai cơ cấu bẻ lái ở hai bên (hình 3) Cơ cấu bẻ lái gồm có hai phần (hình 3): phần cố định gắn trên cơ cấu bogie và phần xoay dùng để gắn bánh xe và bộ truyền động cho bánh
xe Robot có sáu chân, trên mỗi chân có gắn bánh
xe và động cơ, truyền động từ động cơ sang bánh
xe qua bộ giảm tốc bánh răng 3 cấp (hình 4)
H.3 Cơ cấu bẻ lái
Cơ cấu bogie sau
Cơ cấu bogie hai bên Thân
Cơ cấu bẻ
lái
Bộ giảm tốc
Trang 3Thông thường động cơ DC Servo không có hộp
giảm tốc đi kèm , vì vậy để truyền động cho các
bánh xe phải qua bộ giảm tốc Bộ giảm tốc cho 6
bánh xe sử dụng bộ truyền bánh răng 3 cấp, tỉ số số
truyền u = 50,4
H.4 Bộ giảm tốc
Trọng tâm của thân robot nằm tại điểm A Các cơ
cấu bogie phải bố trí thích hợp sao cho tải trọng
phân bố đều lên 6 bánh xe tại các vị trí 1, 2, 3, 4, 5,
6 (hình 5)
H.5 Sơ đồ tính toán vị trí gắn cơ cấu Bogie
Cơ cấu bogie gắn vào thân robot bởi các khớp nối
tại các vị trí B, C, D Giả sử có 3 bánh xe ảo đặt
tại các điểm B, C, D thay cho từng cặp bánh xe
1-2, 3-4, 5-6 Để tải trọng phân bố đều lên 3 bánh xe
ảo thì trọng tâm của thân (điểm A) phải trùng với
trọng tâm của tam giác BCD Suy ra AH = AB/2
(hình 5)
Cơ cấu bogie sử dụng trong đề tài là cơ cấu bogie
hình bình hành Để tải trọng tại mỗi bánh xe ảo
phân bố đều lên 2 bánh xe thật ở mỗi cơ cấu bogie
thì vị trí đặt bánh xe ảo (điểm B) là trung điểm
đoạn nối tâm 2 bánh xe thật( đoạn thẳng AB) Vì
vậy khớp nối trên cơ cấu bogie (điểm J, M) để gắn
vào thân robot phải đặt tại trung điểm của 2 thanh
ngang IK và LN (hình 6 )
H.6 Cơ cấu bogie hình bình hành
b Tính toán động học khi bẻ lái
Bẻ lái robot bằng cách điều khiển 2 bánh xe trước
và 2 bánh xe sau Robot chỉ bẻ lái được khi các bánh xe chuyển động phải vạch lên mặt phẳng chuyển động những đường tròn đồng tâm tại tâm xoay Vì 2 bánh xe giữa được gắn cố định vào thân robot nên không xoay được quanh trục vuông góc với mặt đất, nên tâm xoay phải nằm trên đường thẳng đi qua trục của 2 bánh xe giữa (điểm A trên hình 7) Để điều khiển robot ta quy về việc điều khiển bánh xe ảo (tại điểm J), từ đó tính ra góc xoay và vận tốc các bánh xe thật (tại điểm I, K, B,
D, M, N) theo bánh xe ảo (hình 7)
Giả sử ta điều khiển bánh xe ảo xoay trái một góc
, chuyển động với vận tốc dài là V Ta tính được góc xoay và vận tốc của các bánh xe thật như sau
H.7 Mô hình tính góc xoay khi rẽ trái
Góc xoay của các bánh xe khi robot rẽ trái
Bánh trước bên trái αtt:
) cot
(
a g b
b arctag
tt
Bánh trước bên phải αtp:
) cot
(
a g b
b arctag
tp
Bánh sau bên trái αst:
) cot
(
a g b
c arctag
st
Bánh sau bên phải αsp:
) cot
(
a g b
c arctag
sp
Trang 4H.8 Mô hình tính vận tốc khi rẽ trái
Vận tốc góc ω của bánh xe ảo xoay quanh tâm
xoay A là:
b
.sin
Suy ra ω cũng là vận tốc góc của các bánh xe thật
đặt tại I, K, B, D, M, N và của robot xoay quanh
tâm xoay A
Vận tốc dài của một điểm trên bánh xe thật
Vận tốc dài của một điểm trên bánh xe
Bánh xe trước bên trái
tt
V
V
sin sin
Bánh xe trước bên phải
tp
V
V
sin
sin
Bánh xe giữa bên trái
b
) a.sin -V(b.cos
gt
V
Bánh xe giữa bên phải
b
) a.sin V(b.cos
gp
V
Bánh xe sau bên trái
st
V b
c
V
sin sin
Bánh xe sau bên phải
sp
V b
c V
sin
sin
Vận tốc quay của các bánh xe thật quay quanh
trục của nó tại I, K, B, D, L, N là:
Gọi R là bán kính của bánh xe, ω là vận tốc góc và
n là tốc độ quay của bánh xe quanh trục của nó Ta
có quan hệ giữa ω và n là:
60
2 n
(rad/s)
Vận tốc góc và tốc độ quay n của các bánh xe (3.11)
Bánh xe trước bên trái
tt
tt tt
R
V R
V
sin
sin
(rad/s)
tt tt
R
V n
sin
sin 30
(vòng/phút)
Bánh xe trước bên phải
tp
tp tp
R
V R
V
sin
sin
(rad/s)
tp tp
R
V n
sin
sin 30
(vòng/phút)
Bánh xe giữa bên trái
b R
a b
V
gt
) sin cos
(rad/s)
b R
a b
V
n gt
) sin cos (
30
Vận tốc góc và tốc độ quay của bánh xe giữa bên phải quanh trục của nó
b R
a b
V
gp
) sin cos
(rad/s)
b R
a b
V
n gp
) sin cos (
30
Vận tốc góc và tốc độ quay của bánh xe sau bên trái quanh trục của nó
st
st st
R b V c R
V
sin sin
(rad/s)
st st
R b
V c n
sin
sin 30
(vòng/phút)
Vận tốc góc và tốc độ quay của bánh xe sau bên phải quanh trục của nó
sp
sp sp
R b V c R
V
sin sin
(rad/s)
sp sp
R b
V c n
sin
sin 30
(vòng/phút)
3 Thiết kế mạch điện và mạch điều khiển
Robot 6 bánh vượt địa hình là một loại mobile robot, các hoạt động của robot được người sử dụng điều khiển thông qua PC Tín hiệu từ người điều khiển sẽ được gửi đến mạch điều khiển thông qua mạch thu phát sóng RF
Mạch điều khiển sử dụng Vi điều khiển PIC16F887 gồm 1 mạch master và 10 mạch slave Mạch master nhận tín hiệu hoạt động từ bộ thu RF, xuất tín hiệu điều khiển đến các slave qua chuẩn truyền thông SPI Mạch slave nhận tín hiệu điều khiển từ master xuất tín hiệu điều khiển đến ngoại
vi theo yêu cầu master đưa ra
Trang 5H.9 Sơ đồ khối mạch điện
H.10 Lưu đồ giải thuật master giao tiếp slave
Mạch công suất cho động cơ sử dụng IC LMD18200 là một cầu H 55V-3A của hãng National, được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển vận tốc và vị trí, có thể dùng lái động cơ DC hoặc động cơ bước
H.11 Sơ đồ khối slave điều khiển động cơ gắn trên
bánh xe
Encoder hồi tiếp Servo
Motor
Trang 6H.12 Lưu đồ giải thuật slave điều khiển động cơ
gắn trên bánh xe
H.13 Sơ đồ khối slave điều khiển động cơ bẻ lái
H.14: Lưu đồ giải thuật slave điều khiển động cơ
bẻ lái
Sử dụng moudule thu phát RF chuyên dụng để điều khiển robot từ xa là việc đơn giản và phù hợp với robot hoat động trong khoảng 200m đến 300m Module thu phát sóng RF có 2 loại với tín hiệu đầu vào khác nhau Loai 1 là module HM-TR/TTL , với loại này thì tín hiệu đầu vào theo chuẩn TTL Còn loại thứ 2 là HM-TR/232 tín hiệu đầu vào của loại này thì theo chuẩn RS232
H.15 Module HM-TR/TTL
Để kết nối module HM-TR/TTL với máy tính thông qua cổng USB thì cần phải sử dụng mạch chuyển đổi từ chuẩn TTL sang chuẩn RS232 là module FT232RL USB Module FT232RL USB sử dụng IC FT232RL chuyển đổi từ chuẩn USB sang chuẩn UART và giao tiếp với PC thông qua cổng USB , đã tích hợp sẵn dao động và EEPROM Board rất phù hợp với việc giao tiếp với máy tính,
vì phần lớn các loại laptop đều không có tích hợp cổng Com
H.16 Kết nối module RF với PC
4 Kết quả
Kết quả của nghiên cứu là chúng tôi đã thiết kế và chế tạo robot 6 bánh vượt địa hình với kích thước 940x640x520 mm như hình 13
H.17 Mô hình robot thực tế
PC
HM-TR/TTL Module
FT232 RL USB
DC Motor
PWM
Biến trở
Điện áp
hồi tiếp
Trang 7Sau khi chế tạo xong robot được thử nghiệm trên
địa hình gồ ghề theo cả hai phương với độ cao
200mm như hình 18 và hình 19
H.18 Hình ảnh thử nghiệm thực tế 1
H.19 Hình ảnh thử nghiệm thực tế 2
Quá trình thử nghiệm cho thấy robot chạy khá ổn định vượt dốc một cách dễ dàng với tốc độ trung bình 12m/ph Ta có thể nhận thấy rõ qua đồ thị đáp ứng của các động cơ M1, M2, M5, M5 của robot khi chạy trên địa hình thử nghiệm trên hình 20, 21,
H.20 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ M1 trên địa hình thử nghiệm
H.21 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ M2 trên địa hình thử nghiệm
H.22 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ M5 trên địa hình thử nghiệm
Trang 8H.23 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ M6 trên địa hình thử nghiệm
Trong tương lai robot sẽ được tiếp tục hoàn thiện
phương pháp điều khiển giúp cho robot di chuyển
linh hoạt hơn
Tiến hành tích hợp với các loại cảm biến khác
nhau khi dùng trong những trường hợp cụ thể
Tài liệu tham khảo
[1] Thomas THÜER, Mobility evaluation of
wheeled all-terrain robots, Metrics and
application, October 28 1977
[2] Patents: United States Patens 4.840.394,
Jun.20 1989
[3] Embeded C Programming and the Microchip
PIC
[4] http://www.picvietnam.com
[5] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế
hệ dẫn động cơ khí, Tập 1-2, NXB Giáo Dục
Việt Nam, 3/ 2010
