Tóm tắt Xe ghế đa hướng mà bài báo đang giới thiệu là loại xe sử dụng bốn bánh xe mecanum được bố trí vuông góc với nhau và có hệ thống giảm sốc, do đó xe có khả năng di chuyển rất linh hoạt trong không gian hẹp và kết cấu đặc biệt nên xe ghế không chỉ có thể hoạt động trên địa hình bằng phẳng mà còn thể hoạt động trên các địa hình gồ ghề. Ngoài ra, hệ thống điều khiển được trang bị thuật toán FuzzyPID thích hợp cho việc điều khiển dạng xe có hệ thống giảm sốc. Abstract Omni Direction Wheelchair is kind of the vehicle using four Mecanum wheels which are arranged perpendicular to each other. That Vehicle uses the Mecanum wheel, so it has ability to move flexiblein narrow spaces. With suspension system, this Vehicle is not only moving on flat terrain, but also it moves on rough terrain. Additionally, the control system is equipped with the FuzzyPID algorithm, control feedback, simple user interface (using joystick) and in accordance with kind of users. Keywords: Omnidirectional wheelchair, mecanum wheel.
Trang 1Thiết kế bộ điều khiển xe ghế đa hướng linh hoạt Design the controller of omnidirectional wheelchair
PGS.TS Đặng Văn Nghìn1, Phạm Thành Kha1, Phan Huỳnh Lâm2, Trương Thế Dũng1
1
Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng Tp.HCM
e-Mail: nghindv@yahoo.com mrphamcdt07@gmail.com hello020389@gmail.com
2
Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống
e-Mail: huynhlam3387@gmail.com
Tóm tắt
Xe ghế đa hướng mà bài báo đang giới thiệu là loại xe sử dụng bốn bánh xe mecanum được bố trí vuông góc với nhau và có hệ thống giảm sốc, do đó xe có khả năng di chuyển rất linh hoạt trong không gian hẹp và kết cấu đặc biệt nên xe ghế không chỉ có thể hoạt động trên địa hình bằng phẳng mà còn thể hoạt động trên các địa hình gồ ghề Ngoài ra, hệ thống điều khiển được trang bị thuật toán Fuzzy-PID thích hợp cho việc điều khiển dạng xe có hệ thống giảm sốc
Abstract
Omni - Direction Wheelchair is kind of the vehicle using four Mecanum wheels which are arranged perpendicular to each other That Vehicle uses the Mecanum wheel, so it has ability to move flexible in narrow spaces With suspension system, this Vehicle is not only moving on flat terrain, but also it moves
on rough terrain Additionally, the control system is equipped with the Fuzzy-PID algorithm, control feedback, simple user interface (using joystick) and in accordance with kind of users
Keywords: Omni-directional wheelchair, mecanum wheel
1 Giới thiệu
Ngày nay, không chỉ ở nước ta mà còn ở nhiều
nước trên thế giới, tỷ lệ người già yếu và người tàn
tật đang chiếm tỷ lệ cao Theo thông kê cho thấy
người tàn tật cơ quan vận động chiếm tỉ lệ cao
nhất: 35,46% Đây là nhóm đối tượng mà ta quan
tâm trong việc thiết kế xe ghế Ngoài nhóm đối
tượng này, nhóm đối tượng khác đó là những
người già, giảm khả năng vận động
Việt Nam Thế giới
% số người tàn tật 7% 7,5%
% số người trên 65
tuổi
7,2% 8,0%
% tổng 14,2% 15,5%
B.1: Tổng kết số người tàn tật và già yếu
Hiện nay có rất nhiều dạng xe lăn như xe lăn tay,
xe lăn điện, xe lăn hỗ trợ leo cầu thang Hầu hết
các xe lăn này sử dụng các bánh xe thông thường,
hai bánh sau có chức năng dẫn hướng giúp cho xe
di chuyển; hai bánh chạy tự do Tuy nhiên những
loại xe trên còn có nhiều điểm hạn chế Đối với xe lăn tay việc dụng sức người để di chuyển không phù hợp với người già yếu hay những đối tượng không có khả năng sử dụng tay, đối với xe điện, nhiều xe hiện tại vẫn còn cồng kềnh, gây khó khăn cho người sử dụng Ngoài ra nhưng xe lăn này không đáp ứng được nhu cầu di chuyển ở những nơi chật hẹp, việc quay đầu, rẽ, đòi hỏi nhiều diện tích…trong khi không gian sinh hoạt đang ngày càng bị thu hẹp bởi sự phát triển dân số
Để giải quyết các vấn đề này chúng tôi đưa ra giải pháp thiết kế xe lăn sử dụng các bánh xe Mecanum Nhờ kết cấu đặc biệt của bánh xe Mecanum có thể tạo ra nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector Bằng cách kết hợp các chuyển động của từng bánh xe, xe có thể thực hiện các chuyển động cơ bản tiến-lùi, chuyển động theo phương ngang hay chéo, chuyển động xoay tròn một cách dễ dàng trong một không gian chật hẹp mà không cần thay đổi trục bánh xe.Thêm vào, việc xe ghế có khả năng di chuyển trên địa hình không bằng phẳng một cách dễ dàng nhờ vào hệ thống giảm sốc của xe
Trang 2Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày thiết kế,
chế tạo xe ghế và bộ điều khiển của xe
2 Thiết kế bộ điều khiển
Để thực hiện được các yêu cầu di chuyển linh
hoạt trong không gian hẹp và gồ ghề, xe ghế đa
hướng cần có kết cấu cơ khí đặc biệt và cách điều
khiển riêng Với việc thiết kế bộ điều khiển cho xe
thì cần phải đảm bảo các yêu cầu:
Phải điều khiển được moment và đảm bảo đủ
moment để xe không bị trượt
Kết cấu xe phải đảm bảo các bánh phải tiếp xúc
mặt đường
Hệ thống phải ổn định và an toàn
2.1 Phân tích động học
Bánh xe dùng cho xe ghế đa hướng là loại bánh
Mecanum có 3 bậc tự do bao gồm chiều quay bánh
xe, chiều di chuyển của con lăn, và quay trượt qua
trục thẳng đứng thông qua tiếp xúc điểm Bánh xe
mecanum có các con lăn được bố trí dọc theo chu
vi của bánh xe, trục quay của mỗi con lăn được đặt
chéo góc so với trục quay của bánh xe (thường đặt
chéo góc 45o so với trục bánh xe)
H.1: Bánh xe macanum (hướng nhìn thẳng)
Phương trình động học của xe sử dụng bốn bánh
mecanum:
H.2 : Sơ đồ vận tốc của xe
Phân tích vận tốc của xe thành các thành phần chính sau:
: là vận tốc quay của xe
t
v
: là vận tốc tịnh tiến của xe
tx
v
: vận tốc tịnh tiến theo phương x
ty
v
: vận tốc tịnh tiến theo phương y
Xác định vectơ vận tốc ở mỗi bánh
H.3: Sơ đồ tịnh tiến các lực về bánh xe
Xác định vectơ vận tốc ở mỗi bánh
H.4: Sơ đồ phân tích vận tốc tổng quát
Xác định vectơ vận tốc trên con lăn:
H.5: Sơ đồ phân tích vận tốc trên con lăn
Vận tốc v
của con lăn gồm 2 thành phần:
Trang 3v : thành phần song song với trục con lăn
v : thành phần vuông góc với trục con lăn
u
: là vectơ đơn vị có hướng song song với
trục con lăn
Trường hợp tổng quát
) ( x y
tx
ty v r r v
Dấu “ + ” hay “ - ” phụ thuộc vào mỗi bánh xe
Sau khi thực hiện tính toán ba bước trên ta sẽ tìm
ra được phương trình động học cho xe ghế sử dụng
bốn bánh mecanum
Phương trình động học nghịch :
tx ty
y x
y x
y x
y x
v v
r r
r r
r r
r r
v
v
v
v
) (
) (
) (
) (
1 1 1 1
1
1
1
1
4
3
2
1
(2)
Phương trình động học thuận :
y x y x y x y x
ty
tx
r r r r r r r r
v
v
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1
1
4
1
(3)
H.6: Các chuyển động cơ bản của xe ghế
2.2 Mạch điện và điều khiển
Để điều khiển xe, ta sử dụng Joystick Tín hiệu
Joystick là tín hiệu tương tự analog cho 2 trục
X-Y Hai giá trị analog được đưa tới vi điều khiển
thông qua bộ đọc ADC Với những tín hiệu ở các
kênh ADC khác nhau thì bộ điều khiển xuất tín
hiệu để điều khiển bốn động cơ thông qua mạch
công suất
Ngoài ra, xe ghế đa hướng còn được trang bị các khối cảm biến như : cảm biến encoder, cảm biến siêu âm, cảm biến dòng điện Với bộ điều khiển vòng kín (Fuzzy-PID) sẽ làm cho xe ghế di chuyển chính xác và giảm sai số thấp nhất có thể Mọi trạng thái hoạt động của xe ghế và mức năng lượng của acquy sẽ được hiển thị trên một LCD giúp cho người điều khiển nắm rõ được tình trạng của xe ghế
H.7: Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống
Đối tượng quan trọng nhất trong thiết kế điều khiển là điều khiển moment Để thực hiện được vấn đề này thì cần phải dựa vào động lực học Trong đề tài này chúng tôi sử dụng cảm biến encoder để đo vận tốc, xác định vị trí của bánh xe
và cảm biến dòng để hồi tiếp dòng tải động cơ
Ngoài ra, khi xe hoạt động trong gian hẹp hay di chuyển lùi thì cần phải có cảm biến phát hiện vật cản tránh trường hợp va chạm giữa xe và vật xung quanh gây ảnh hưởng đến người sử dụng Cảm biến siêu âm Devantech SRF04 được sử dụng để thu các thông tin về khoảng cách một cách chính xác trong dải từ 3cm đến 3m
H.8: Cảm biến siêu âm Devantech SRF04
Việc truyền và nhận dữ liệu của dsPIC được thực hiện truyền thông CAN Vì mỗi con dsPIC33 chỉ
có 2 bộ đọc encoder chuyên dụng (QEI) mà ở đây
ta cần đọc bốn kênh tín hiệu encoder Vì vậy ta phải giao tiếp giữa 2 dsPIC33 với nhau PIC Master sẽ điều khiển hai động cơ, đọc hai kênh
Trang 4encoder và ra lệnh cho PIC Slave điều khiển 2
động cơ còn lại
Khi người sử dụng gửi một tín hiệu điều khiển xe
thông qua joystick chuyển động theo một hướng
nào đó Khi nhận được tín hiệu, bộ xử lý trung tâm
sẽ điều chỉnh PWM thông qua board công suất để
điều khiển động cơ sao cho xe di chuyển theo
hướng cần điều khiển
Trong quá trình xe ghế hoạt động sẽ bị ảnh hưởng
của nhiều yếu tố khác nhau như : sai số trong quá
trình thiết kế cơ khí, ảnh hưởng của bộ truyền đai,
đia hình hoạt động các yếu tố này làm cho quá
trình chuyển động của xe ghế bị sai lệnh về vận
tốc và hướng di chuyển Sử dụng thuật toán điều
khiển vòng kín Fuzzy-PID sẽ làm cho xe di
chuyển chính xác phù hợp với Joystick
H.9: Bộ điều khiển
Các tín hiệu đọc được từ các cảm biến sẽ được hai
con vi điều khiển truyền thông qua lại với nhau và
tín toán các thông số Fuzzy-PID và xuất ra tìn hiệu
điều khiển phù hợp
Thuật toán đề xuất của chúng tôi như sau, board
chủ sẽ đọc dữ liệu Encoder từ 4 bánh và dòng điện
qua động cơ, sau đó sẽ dùng thuật toán Fuzzy –
PID để chọn thông số thích hợp điều khiển
H.10: Mạch driver động cơ
Lưu đồ giải thuật:
Tín hiệu được áp dụng mô hình động học nghịch
để suy ra moment cần đặt vào 4 bánh Khi đã có moment 4 bánh cần đặt, ta đọc tín hiệu cảm biến dòng và encoder 4 bánh Dựa vào tín hiệu cảm biến ta có bảng mờ hóa thông số PID để phù hợp điều khiển
3 KẾT QUẢ
Qua quá trình thực hiện, kết quả quan trọng nhất của đề tài là chế tạo và điều khiển được mô hình robot vượt địa hình làm nền tảng cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài khi tích hợp thêm các module chức năng khác
Xe ghế đa hướng sau khi chế tạo đã thực hiện được những chức năng như:
Xe có thể di chuyển ổn định và êm ái trong điều kiện nền bằng phẳng trong nhà xưởng, bệnh viện, văn phòng…với tốc độ 6km/h
Hệ thống điều khiển đơn giản thân thiện bằng joystick với 6 hướng cơ bản dễ sử dụng
Hệ thống giảm sốc hoạt động hiệu quả giúp xe không những di chuyển tốt trên địa hình bằng phẳng mà còn di chuyển được trên những địa hình gồ ghề
Ắc quy dung lượng cao giúp thời gian vận hành liên tục lên đến 8 giờ
Trang 5H.11: Xe ghế đa hướng hoàn chỉnh
B.2: Thông số xe ghế
Lời cảm ơn
Chúng tôi cám ơn sự giúp đỡ của Phòng thí
nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số và
Kỹ thuật Hệ thống (DCSELAB) đã hỗ trợ kinh phí
đễ thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo mô hình xe
ghế (WheelChair) đa hướng linh hoạt”, mã số
B2012-20b-01
Tài liệu tham khảo
[1] Benjamin Woods, “Omni-directional Wheelchair”, the university of Western
Australia, 10/2006 [2] Quang Ng.Ph.; Dittrich, J.-A.: Praxis der
feldorientierten Drehstromantriebs-regelungen
2 Aufl., Expert-Verlag, 1999 [3] Yeh-Liang Hsu, Po-Er Hsu, Chau-Heng Tu, Chia-Hung Lu, Yan-Wei Chen, Yeh-Liang Hsu,
“Platform Design For The Intelligent Robotic
Wheelchair”, the 25th World Electric Vehicle Symposium and Exposition (EVS 25), Shenzhen, China
[4] R.P.A van Haendel, “Design of an Omnidirectional universal mobile platform”, National University of Singapore
[5] L.Gracia and J.Tornero, “Kinematic Control Of
Wheeled Mobile Robots”, Deparment of
Systems Engineering and Controll (DISA), Polytechnic University of Valencia (UPV), Camino de Vera s/n, E-46022 Valencia, Spain,
2008 [6] Nkgatho Tlale, Mark de Villiers, “Kinematics
and Dynamics Modelling of a Mecanum Wheeled Mobile Platform”, Council for
Scientific and Industrial Research Pretoria, RSA
[7] Ryan Thomas, “Omni-directional Mobile Platform for the Transportation of Heavy Objects”, Massey University, New Zealend,
2011 [8] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển, “Tính toán thiết kế
hệ dẫn động cơ khí, Tập 1-2”, NXB Giáo Dục
Việt Nam, 3/ 2010 [9] Nguyễn Trọng Hiệp “Chi tiết máy,Tập1-2”,
NXB Giáo Dục Việt Nam, 4 /2009
