Robot hàn tự động

BƠi toán di đ ng bám t ng wall-following problem lƠ m t trong các bƠi toán th ng gặp trong Robot di đ ng vƠ nó đƣ đ c giải theo nhiều cách khác nhau.. Luận văn đƣ thiết kế vƠ ki m ch ng

ii

L IăCAMăĐOAN

Tôi cam đoan đơy lƠ công trình nghiên c u c a tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn lƠ trung thực vƠ ch a từng đ c ai công bố trong bất kỳ công trình nƠo khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011

(Ký tên vƠ ghi rõ họ tên)

Phan Vân Hoàn

iii

L IăC MăT

Trong suôt qua trinh học tập va hoàn thành lụn văn này , tôi đã nhận được sự hương dẫn, gíp đ̃ qú báu c̉a các th̀y cô , các anh cḥ, các em và các ḅn Vơi long kinh trọng va biêt ơn sâu săc tôi xin được bay tỏ lơi cảm ơn chân thanh tơi:

Ban giam hiê ̣u, ph̀ng đào ṭo sau đ̣i ḥc, bộ môn điện- điện tử trường

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.MCM đã tạo mọi điêu kiện thuận lợi giup đỡ

tôi trong qua trinh học tập va hoan thanh luận văn

Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương, ngươi thây kinh mên đã hêt long giup

đỡ, ḍy b̉o, động viên va tạo mọi điêu kiện thuận lợi cho tôi trong suôt qua tr̀nh ḥc ṭp va hoan thanh luận văn tôt nghiê ̣p

Xin chân thanh cảm ơn cac thây cô trong hội đông châm luận văn đã cho t ôi những đong gop quy bau để hoan chỉnh luận văn nay

Xin gửi lời c̉m ơn t́i ḅn b̀ trong ĺp cao ḥc điện tử 2009B đã động viên va giup đỡ tôi trong những luc tôi gặp kho khăn

Xin chân thanh cảm ơn bô, ṃ và các chi ̣ đã luôn ở bên cạnh động viên

và gíp đ̃ tôi ḥc ṭp

Tp.HCM ngày 8,tháng 9,năm 2011

Phan Vân Hoàn

iv

TịMăT T

Theo đƠ phát tri n nhanh chóng c a khoa học, Robot ngƠy cƠng đ c sử

d ng phổ biến h n trong sản xuất cũng nh trong đ i sống c a con ng i Robot đƣ chiếm m t vị trí quan trọng khó có th thay thế đ c, nó giúp con ng i lƠm việc với năng suất cao vƠ trong các điều kiện khó khăn, nguy hi m… Lĩnh vực Robot di

đ ng đang ngƠy cƠng chiếm đ c nhiều sự quan tơm c a các nhƠ nghiên c u vƠ xƣ

h i Từ thực tế đó, việc xơy dựng các b điều khi n cho Robot di đ ng đƣ tr nên

m t yêu cầu thiết yếu BƠi toán di đ ng bám t ng( wall-following problem) lƠ m t trong các bƠi toán th ng gặp trong Robot di đ ng vƠ nó đƣ đ c giải theo nhiều

cách khác nhau Trong luận văn “Robot hƠnăt ăđ ng” đ c thực hiện từ 6/2010

đến tháng 9/2011 t i tr ng đ i học S Ph m Kỹ Thuật Tp.HCM, bài toán Robot di

đ ng bám t ng đ c giải quyết bằng môt b điều khi n phi tuyến dựa trên tiêu chuẩn ổn định c a Lyapunov Luận văn đƣ thiết kế vƠ ki m ch ng b điều khi n nƠy thông qua kết quả mô phỏng vƠ kết quả thực nghiệm trên Robot hƠn tự đ ng

ABSTRAC

Nowaday, Robot is widely used in industry and human life.It has taken an important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to work in dangerous or difficult conditions The field of Moving-Robot has attracteda lot of attention of researchers and society From the fact of that, designing the controllers of Moving-Robot has became an important problem Wall-following problem is one of the problems of Moving-Robot and it was solved by different ways In this thesis ắautomaticweldingă Robot”, which was done from 6/2010 to

9/2011 at technical education university, the Wall-following problem of Robot was solved by the nonlinear controller based on Lyapunov theorem This controller was designed and tested by simulation results and experimental result of real system called automaticwelding Robot

Moving-v

M CăL C

Quyết định giao đề tƠi

1.1.2 Các kết quả nghiên c u trong vƠ ngoƠi n ớc đƣ công bố 12

1.2ăM cătiêu,ăkháchăth ăvƠăđ iăt ngănghiênăc u 12 1.3ăNhi măv ăc aăđ ătƠiăvƠăph măviănghiênăc u 12 1.4ăPh ngăphápănghiênăc u 13

2.2.1Các khơu chính trong ho t đ ng c a Mobile Robot 19

2 3ăLýăthuy tăhƠnăt ăđ ng 22

Ch ngă3 THI TăK ăB ăĐI UăKHI N 25 3.1 Vấnăđ ăcầnăgi iăquy t 25

3 2ăPhơnătíchăđ aăraăgi iăpháp 25

4 2Môăph ngătheoăbẳngăs ăli uă4.1 36

4 3Môăph ngătheoăbẳngăs ăli uă4.2 37

4 4Môăph ngătheoăbẳngăs ăli uă4.3 38

4 5Môăph ngătheoăbẳngăs ăli uă4.4 38

4 6Môăph ngătheoăbẳngăs ăli uă4.5 39 4.7 Môăph ngătheoăbẳngăs ăli uă4.6 39

4 8Gi iăthíchăvƠănh năxétăk tăqu ămôăph ng 41

Ch ngă5 THI TăK ăROBOT 43 5.1 Thi tăk ăphầnăc ng 43

5.1 Thi tăk ăch ngătrìnhăchoăRobot 47

Ch ngă6 K TăQU ăTH CăNGHI M 49

6 2K tăqu ăth cănghi m 50

6.2.3 Thực nghiệm khả năng v t qua đi m kỳ dị trên quỹ đ odi chuy n 52

7.1 Nh ngăk tăqu ăđ tăđ c 53

7 2H năch ăc aăđ ătƠiă 53

7 3H ngăphátătri năc aăđ ătƠi 53

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Robot hƠn c a KUKA vƠ Robot song song Delta 1

Hình 1.2: Robot lau chùi BR 700 7

Hình 1.3: Robot ho t đ ng d ới n ớc ROV Tiburon 7

Hình 1.4: Robot ki m tra ống dẫn dầu 7

Hình 1.5: Robot tự hƠnh Sojourner 8

Hình 2.4: Cấu trúc Pic 16F877A 18

Hình 2.5: S đồcấutrúcho t đ ng c a Mobile Robot 20

Hình 2.6: Minh họa hàm Lyapunov 21

Hình 2.7: Ví d minh họa đinh lý Lyapunov 21

Hình 3.1: Mô hình Robot hàn 25

Hình 3.2: Mô hình bƠi toán di chuy n c a Robot hàn 26

Hình 3.3: Tìm quan hệ giữa ( − )và ( − ) với d và ∅ 28

viii

Hình 3.4: Tính toán sai số e = [e1, e2]Ttrên thực tế 31

Hình 4.1: Giao diện ch ng trình mô phỏng 32

Hình 4.2: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.1 với quỹ đ o đ ng thẳng 36

Hình 4.3: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.1 với quỹ đ o cung lồi 36

Hình 4.4: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.1 với quỹ đ o cung lõm 37

Hình 4.5: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.2 với quỹ đ o cung lồi 37

Hình 4.6: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.3 với quỹ đ o cung lồi 38

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.4 với quỹ đ o cung lồi 38

Hình 4.8: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.5 với quỹ đ o cung lồi 39

Hình 4.9: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.6 với quỹ đ o đ ng thẳng 39

Hình 4.10: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.6 với quỹ cung lồi 40

Hình 4.11: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.6 với quỹ cung lõm 40

Hình 4.12: Giải thích kết quả mô phỏng 41

Hình 5.1: S đồ khối Robot hƠn tự đ ng 43

Hình 5.2: Cảm biến đo góc 44

Hình 5.3: Cảm biến đo khoảng cách 44

Hình 5.4: S đồ nguyên lý c a m ch điều khi n 45

Hình 5.5: M ch công suất 46

Hình 5.6: Đế di chuy n 47

Hình 5.7: L u đồ giải thuật Robot hƠn tự đ ng 48

Hình 6.1: Thực nghiệm Robot di chuy n theo quỹ đ o tròn 50

Hình 6.2: Thực nghiệm Robot di chuy n theo quỹ đ o cong ngẫu nhiên 51

Hình 6.3: Thực nghiệm khả năng v t qua đi m kỳ dị trên quỹ đ odi chuy n 52

B ngă4.1: Số liệu mặc định c a Robot 34

B ngă4.2: Số liệu sau khi tăng vr 34

B ngă4.3: Số liệu sau khi tăng k 1 , k 2 m c đ trung bình 34

B ngă4.4: Số liệu sau khi tăng k 1 , k 2 m c đ cao nhất 35

B ngă4.5: Số liệu sau khi tăng dr 35

B ngă4.6: Số liệu sau khi thay đổi đi m đặt ban đầu c a tơm Robot 35

1.1.1ăT ngăquanăchungăv ăRobot, Mobile Robot

Khái niệm Robot theo nghĩa chung th ng đ c hi u đồng nghĩa với khái niệm

tự đ ng hoá công nghiệp, điều nay chỉ đúng m t phần b i vì: th nhất, Robot chỉ là

m t thành phần trong hệ thống tự đ ng hoá, th hai lƠ tự thơn việc trình bƠy, miêu

tả Robot trong sinh ho t xƣ h i ít nhiều phóng đ i

Những Robot xuất hiện lần đầu tiên NewYork vƠo ngày 9/10/1922 trong v kịch

“Rossum’s Universal Robot” c a nhƠ so n kịch ng i Tiệp Khắc lƠ Karen Chapek, và từ Robot lƠ m t cách gọi khác c a từ Robota-theo tiếng Tiệp có nghĩa

lƠ công việc lao dịch Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot lƠ những ng i máy

có khả năng lƠm việc nh ng không có khả năng suy nghĩ

Gần m t thế kỷ tiếp theo, khái niệm Robot đƣ liên t c đ c phát tri n, đóng góp thêm b i nhiều nhƠ nghiên c u, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực Robot

NgƠy nay, ngƠnh công nghiệp Robot đƣ đ t đ c những thƠnh tựu hết s c to lớn

Những cánh tay Robot (manipulator) chiếm giá trị khoảng 2 tỉ đô la c a ngƠnh công

nghiệp Những tay máy đ c đặt trên m t đế cố định, có th di chuy n với tốc đ nhanh vƠ chính xác đ thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp l i nh hƠn hoặc s n (hình 1.1) Trong ngƠnh công nghiệp điện tử, các cánh tay Robot có th

đ c sử d ng đ lắp ráp linh kiện cho điện tho i di đ ng vƠ máy tính xách tay với

đ chính xác c a m t siêu nhơn

Hình 1.1Robot hƠn c a KUKA vƠ Robot song song Delta of SIG Demaurex SA

Ch ngă1 T NGăQUAN

Tuy nhiên, dù đ t đ c nhiều thƠnh công nh ng những Robot công nghiệp trên vẫn còn m t nh c đi m c bản đó lƠ thiếu tính l u đ ng Những cánh tay Robot chỉ có

th chuy n đ ng trong m t khoảng không gian cố định ph thu c vƠo n i nó đ c

đặt Ng c l i, những Robot tự hƠnh (MobileRobot) có th di chuy n khắp n i, khả

năng ng d ng linh ho t lƠm cho nó có th đ c sử d ng bất c n i đơu

Robottựhànhlàlo iMobileRobotcókhảnăngtựho tđ ng, thựcthinhiệm

v mƠkhôngcầnsựcanthiệpc aconng i.Với

nhữngcảmbiến,chúngcókhảnăngnhậnbiếtvềmôitr ngxung

quanh.Robottựhànhngàycàngcónhiềuýnghĩatrong cácngành côngnghiệp, th ngm i, ytế,các ngd ngkhoahọcvàph cv

đ isốngc aconng i.Vớisựpháttri nc angànhRobothọc, Robottựhànhngày

tr ngkhácnhau,tùym ilĩnhvựcápd ngmàchúngcónhiều lo ikhácnhaunh Robots n,Robothàn,Robotcắtcỏ,Robotthám

tri nc ayêucầutrongthựctế,Robottựhànhtiếpt cđ aranhững

tháchth cmớichocácnhànghiênc u

Vấnđềc aRobottựhànhlàlàmthếnƠođ RobottựhƠnhcó

th ho tđ ng,nhậnbiếtmôitr ngvàthựcthicácnhiệmv đềra

nƠovƠc cấudichuy nnàolàsựlựachọntốtnhất.Điềuh ớng là vấnđềc bảntrongnghiên

c uvàchết oRobottựhành.Trong

hiệph inghiênc uvềRobottựhànhcó2h ớngnghiênc ukhác nhau:

H ớngth nhấtlƠnghiênc uvềRobottựhànhcókhảnăng điềuh ớng tốcđ caonh thôngtinthuđ ctừcảmbiến,đơylà lo iRobotcókhả

tr ngbênngoài.Lo iRobotnàyyêucầukhảnăngtính

Ch ngă1 T NGăQUAN

toánđồs vƠđ ctrangbịcảmbiếncóđ nh ycao,dảiđolớnđ

cóth điềukhi nRobotdichuy n tốcđ cao,trongnhữngmôi tr ngcóđịahìnhph ct p

H ớng th hai lƠnhằmgiảiquyếtcácvấnđềvềcáclo iRobottự

Robottựhànhnàycókếtcấuđ ngiảnh nlo itrên,thực hiện nhữngnhiệmv đ ngiản

Tómăt tăl chăs ăphátătri năc aăRobot

Bảng 1.1trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thƠnh vƠ phát tri n c a công nghệ chế t o Robot, và những tác đ ng c a khoa hoc cũng nh xƣ h i đối với từng th i

Cácăy uăt ă nhăh ởng

1920

Khái niện Robot

xuất hiện trong

ng d ng Robot NASA vƠ NAVY

Máy tính dùng transitor

Giới thiệu vi xử

lý

1970 Robot có trí thông Sự bùng nổ lần Phát tri n vi xử lý Sự h n chế

d ng r ng rƣi

Kỹ thuật số vƠ kỹ thuật quang phát tri n

Nhu cầu tăng

c ng lao

đ ng

1990

Giới thiệu về Robot thông minh trong sản xuất

Điều khi n logic

Nghiên c u về Robot trí thông minh nhơn t o

Robot gây nên thất nghiệp

2000 Robot giống con

xử d ng m t hệ thống cảm biến

đ tránh ch ớng

ng i vật

Công ty Axxon Robotics mua

l i Intellibot

2004 Robot đồ ch i Trong “Dự án

đồ c a m t môi

tr ng không rõ

vƠ tìm kiếm các đối t ng trong môi tr ng đó

ng d ng đ mang vật nặng trên địa hình xe

c di chuy n khó khăn

2007 HƠng lo t Robot

đ c chế t o ra đ

ra thiên tai

Tình hình thiên tai, đ ng đất xảy ra

th ng xuyên

t i Nhật

M tăs ăMobileăRobot n iăti ngătrênăth ăgi i:

Robot tự hƠnh có th lƠm việc đ c những môi tr ng nguy hi m vƠ không thuận

l i cho con ng i, thậm chí lƠ sao Hỏa; đ c sử d ng nhiều lĩnh vực khác nhau

nh nghiên c u, giáo d c, y tế, quơn sự…

Ch ngă1 T NGăQUAN

Hình 1.2Robot lau chùi BR 700 đ c công ty KarcherInc c a Đ c chế t o vƠ bán Robot nƠy di định h ớng đ c nh m t hệ thống định vị ph c t p vƠ la bƠn http://www.kaercher.de

Hình 1.3Robot ho t đ ng d ới n ớc ROV Tiburon, Robot nƠy đ c MBARI sử

d ng trong việc nghiên c u đáy bi n sơu vƠ nó có khả năng ho t đ ng đ c lập cao

Hình 1.4Robot ki m tra ống dẫn dầu, đi m đặc biệt c a Robot nƠy lƠ có m t camera với khả năng phóng lớn vƠ cảm biến tự đ ng điều chỉnh góc quan sát c a camera (http://asl.epfl.ch) © Sedirep / EPFL

Ch ngă1 T NGăQUAN

Hình 1.5Robot tự hƠnh Sojourner đ c sử d ng đ khám phá sao Hỏa mùa hè năm

1997 Nó đ c điều khi n hoƠn toƠn từ trái đất Tuy nhiên, các b cảm biến cho phép nó phát hiện ra các vật

Ch ngă1 T NGăQUAN

Hình 1.8 Xe tự hƠnh (autonomous guided vehicle – AGV) mới nhất c a SWISSLOG đ c sử d ng đ vận chuy n khối motor từ n i nƠy đến n i khác Nó

đ c dẫn đ ng b i các dơy điện đặt d ới sƠn nhƠ Đƣ có hƠng nghìn Robot AGV

đ c sản xuất đ ph c v trong công nghiệp, lƠm việc nhƠ vƠ thậm chí lƠ trong bệnh viện

Hình 1.9HELPMATE lƠ m t Robot lƠm công việc vận chuy n trong bệnh viện Nó

có nhiều b cảm biến đ tự tìm đ ng đi trong các hƠnh lang B cảm biến định vị chính lƠ m t camera gắn phía trên Robot Nó có th xem các đèn trên trần nhƠ nh

lƠ các tín hiệu h ớng dẫn hoặc các mốc định vị ( httt://www.pyxis.com )

Ch ngă1 T NGăQUAN

Hình 1.10KHEPERA là Robot tự hƠnh nhỏ dùng cho nghiên c u vƠ d y học

Đ ng kính c a nó chỉ khoảng 60mm Nó cho phép gắn thêm nhiều module khác vƠo nh camera, tay kẹp Đƣ có h n 700 Robot KHEPERA đ c bán ra từ cuối năm

1998 KHEPERA đ c sản xuất vƠ phơn phối b i K-Team SA, Th y Sĩ

Hình 1.11Robot đi b giống ng i c a hƣng Honda

Hình 1.12Robot SWORDS (Special Weapons Observation Reconnaissance

Detection System) đ c sử d ng trong quơn đ i

Ch ngă1 T NGăQUAN

Hình 1.13PIONEER lƠ m t Robot tự hƠnh thiết kế theo ki u module với nhiều sự lựa chọn nh m t tay kẹp hoặc m t camera Nó đ c trang bị m t th viện tìm

đ ng đi tinh vi c a SRI, Stanford, CA

Hình 1.14 B21 c a iRobot lƠ m t Robot tự hƠnh tinh vi với 3 b vi xử lý Intel Pentium on board Nó có tính năng tìm đ ng hiệu quả cao nh các b cảm biến đa

d ng (http://www.iRobot.com/rwi)

Hình 1.15 Alice lƠ m t trong những Robot tự hƠnh nhỏ nhất Với kích th ớc xấp xỉ 2x2x2 cm, nó có th ho t đ ng liên t c 8 gi vƠ sử d ng cảm biến khoảng cách hồng ngo i, các tua xúc giác hoặc lƠ m t camera nhỏ đ dò đ ng

Ch ngă1 T NGăQUAN

1.1.2ăCácăk tăqu ănghiênăc uătrongăvƠăngoƠiăn căđƣăcôngăb ăă

Do luận văn nƠy tập trung nghiên c u về Robot hƠn tự đ ng sử d ng thuật toán bám t ng đ định vị vƠ tìm đ ng đi nên trong phần nƠy tôi sẽ giới thiệu các kết quả nghiên c u đƣ công bố có liên quan đến thuật toán bám t ng nƠy:

-Turennout et al., 1992 [5]: dùng cảm biến siêu ơm đ ớc l ng khoảng cách

vƠ góc giữa Robot với t ng đ tính toán lập kế ho ch di chuy n

- Urzelai, J et al., 1997 [7]: dùng cảm biến siêu ơm đ định vị kết h p với b điều khi n m đ lập kế ho ch di chuy n

-Bemporad et al., 1997 [8]: định vị tọa đ c a Robot thông qua cảm biến siêu

ơm kết h p với cảm biến đo đ dịch chuy n đ tính toán lập kế ho ch di chuy n -Yata et al., 1998 [9]: đ a ra ph ng pháp bám t ng bằng cách đo góc lệch giữa Robot vƠ t ng thông qua cảm biến siêu ơm đ tính toán lập kế ho ch di chuy n

1.2 M cătiêu,ăkháchăth ăvƠăđ iăt ngănghiênăc u

M c tiêu c a luận văn lƠ thiết kế, ki m ch ng vƠ ng d ng đ c b điều khi n phi tuyến cho Robot hƠn tự đ ng, b điều khi n nƠy phải đảm bảo các tiêu chuẩn hƠn sau: khi đ ng cong cần hƠn thay đổi thì b điều khi n phải giữ sao cho mỏ hƠn luôn di chuy n với vận tốc không đổi đồng th i luôn vuông góc vƠ cách đều đ ng cong này

Đối t ng tập trung nghiên c u c a luận văn lƠ b điều khi n cho Robot hàn tự

đ ng theo thuật toán bám t ng

1.3ăNhi măv ăc aăđ ătƠiăvƠăph măviănghiênăc u

Đ ăth căhi năm cătiêuătrên,ălu năvĕnănƠyăt pătrungăvƠoăcácăvấnăđ ăsau:

- Nghiên c u b điều khi n Robot

- Mô phỏng đ ki m tra đ tin cậy c a b điều khi n

- Thiết kế vƠ chế t o đế di chuy n ( mobile platform )

- Thiết kế vƠ chế t o cảm biến tiếp xúc đ đo khoảng cách vƠ góc lệch giữa Robotvớimặt cong đ ng

Ch ngă1 T NGăQUAN

- Thiết kế vƠ thực hiện m ch điều khi n Robot

- Lập trình cho Robot theo thuật toán c a b điều khi n đƣ thiết kế

- Ki m tra l i kết quả đ t đ c qua ho t đ ng thực tế c a Robot

- Nhận xét kết quả vƠ kết luận

Gi iă h nă c aă đ ă tƠi:ă Robot chỉ đ c thiết kế đ hƠn đ ng tiếp xúc giữa 2 đối

t ng hƠn thỏa mƣn các điều kiện sau:

- Hai đối t ng nƠy phải đ c đặt vuông góc với nhau

- Đối t ng đặt theo ph ng đ ng phải có d ng mặt cong tr n vƠ có bán kính cong c a đo n bất kỳ không bé h n khoảng cách từ tâm Robot đến mặt cong này

- Đối t ng đặt theo ph ng ngang phải có d ng lƠ m t mặt phẳng

1 4Ph ngăpháp nghiênăc u

Sử d ng các kiến th c về hình học, l ng giáckết h p với định lý ổn định

th 2 c a Lyapunov đ tìm ra ph ng trình toán th hiện mối quan hệ giữa các yếu

tố sai số ngõ vƠo( sai số về khoảng cách vƠ sai số về góc lệch) với vận tốc 2 bánh xe ngõ ra nhằm điều khi n Robot di chuy n sao cho các sai số trên luôn h i t về 0

Sử d ng kết quả mô phỏng kết h p vớikết quả thực nghiệm trên Robot hàn

đ ki m ch ng đ tin cậy c a b điều khi n đ c thiết kế

CH NGă2 LụăTHUY T

Ch ngă2 LụăTHUY T

2.1 Lýăthuy tăv ăphầnăc ngăRobot

2.1.1 Cácălo iăđ ădiăchuy n:ăDựa vƠo cách th c di chuy n có th chia ra lƠm 2 lo i:

lo i di chuy n bằng chơn (leg) vƠ lo i di chuy n bằng bánh (wheeled) Lo i di chuy n bằng bánh có th lƠ bánh xe hoặc bánh xích

2.1.1.1 Robott hƠnhdichuy nbằngchơn(LeggedRobot)

uđi m lớnnhấtc alo iRobot này làcóth thíchnghi vàdi chuy n trêncácđịahìnhgồghề.H nnữachúngcòncóth điqua nhữngvậtcảnnh hố,vếtn tsơu

Nh cđi mchínhc aRobotlo inàychínhlàchết oquá

ph ct p.ChơnRobotlàkếtcấunhiềubậctựdo,đơylànguyên

chuy n.Cáckỹnăngnh cầm, nắmhaynơngtảicũnglànguyên nhânlàm giảm

đ c ngvữngc aRobot Robotlo inày cànglinh ho tthìchiphíchết ocƠngcao

loƠiđ ngvậtvìthếmàchúngcólo i1chơn,lo i2,4,6 chânvàcó th nhiềuh n.Ví d m t

số lo i Robot di chuy n bằng chơn( hình 2.1)

Hình 2.1Robot di chuy n bằng chơn

2.1.1.2 Robott hƠnhdichuy nbằngbánh (WheeledRobot)

CH NGă2 LụăTHUY T

BánhxelƠc cấuchuy nđ ngđ c sửd ngr ngrãinhất trongcôngnghệ

Babánhlàkếtcấucókhảnăngduytrìcânbằngnhất,tuynhiênkết

cấu2bánhcũngcóth cơnbằngđ c KhiRobotcósốbánhnhiều h n3thìthôngth ng

cảcácbánhxevớimặtđất.Vấnđềc aRobot lo inàylàvềlựckéo,đ ổnđịnh vàkhảnăngđiềukhi nchuy n đ ng.v.v D ới đơylƠ các lo ibánhxec bảnđ c

vớitr c phíasau,m t bánhlái phíatr ớc

Haibánhquay tựdo phíasau, bánhtr ớc vừalƠbánhtruyềnđ ng vừalàbánhlái

3bánhSwediskđ c đặt các đỉnhc am t

tamgiácđều,kếtcấu nàychophépRobotdichuy ntheođa h ớng

2bánhch đ ng phíasau,hai

bánhlái phíatr ớc

4bánhvừalƠtruyềnđ ngvừalƠ bánhlái

Hai bánh truyền đ ng giữa, thêm4bánhđah ớng xungquanh

6

Hai bánh truyền đ ng vi sai

giữa,bốnbánhđah ớng 4góc

- 8 K Flash ROM - Đ c chế t o bằng công nghệ CMOS

- 368 Bytes RAM - 35 tập lệnh có đ dƠi 14 bits

- 256 Bytes EEPROM - Tần số ho t đ ng tối đa 20MHz

- 5 ports (A, B, C, D, E) vƠo ra với tín hiệu điều khi n đ c lập

- 2 b định th i 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

- M t b định th i 16 bits (Timer 1) có th ho t đ ng trong chế đ tiết kiệm năng

l ng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoƠi

- 2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM)

- 1 b biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vƠo

- 2 b so sánh t ng tự (Compartor)

- 1 b định th i giám sát (WatchDog Timer)

- M t cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khi n

CH NGă2 LụăTHUY T

- M t cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt

- Có chế đ tiết kiệm năng l ng

- N p ch ng trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming)

2.2 Lýăthuy tăv ăphầnăm măậ ch ngătrìnhăđi uăkhi năRobot

2 2.1ăCácăkhơuăchínhătrongăquáătrìnhăho tăđ ngăc aăMobileăRobot

Thông th ng Robot ho t đ ng theo trình tự: quansát–lậpkếho ch–hƠnh đ ng Các công việc nƠy đ c thực hiện thông qua 5 khâu chính sau: nhận

th c(perception), mô hình thế giới(word modeling ), lập kếho ch(planning),thựchiệncôngviệc(taskexcution)vƠđiềukhi n

CH NGă2 LụăTHUY T

Hình2.5S đồcấutrúcho t đ ng c a Mobile Robot

+ Khâunhậnth c: cónhiệmv điềukhi ncácthiếtbịcảm ng, cácthiếtbịnƠyđ c nốivớiRobotsẽchocácthôngtinvềmôi tr ngquansátđ c

+ Khâumôhìnhthếgiới:chuy ncáctínhiệutừcảmbi nthành mổtảmốiliênquangiữaRobotvớimôhìnhbêntrongmôitr ng

Robotsaochođ tđ cm ctiêuphùh pvớitìnhtr ngthếgiới hiệnth i

+ Khâuthựchiệncôngviệc:chiakếho chvừađ cxơydựngthƠnhcáclệnhđiềukhi n chuy nđ ngchitiết

+ Khơuđiềukhi n đ ngc :dùngđ thựchiệncáclệnh này

2.2.2 Đ nhălýă năđ nhăth ă2ăc aăLyapunov: Sử dụng trong thiết kế bộ điều khiển

Định lý ổn định th hai c a Lyapunov ngƠy nay đ c sử d ng khá r ng rƣi trong lĩnh vực điều khi n tự đ ng

Định lý c a Lyapunov dựa vƠo năng l ng, nếu năng l ng hệ thống c tiêu tán mƣi thì sau m t th i gian hệ thống phải đ ng yên đi m cơn bằng → nh vậy khi khảo sát sự ổn định c a m t hệ thống ta đi tìm m t hƠm vô h ớng d ng bi u thị năng l ng vƠ xét xem hƠm nƠy tăng hay giảm theo th i gian

CH NGă2 LụăTHUY T

Phátăbi uăđ nhălý

Xét hệ thống được mô t̉ bởi phương tr̀nh tṛng thái:

= f(x 1 , x 2 ,…,x n )

Nếu t̀m được một hàm V(x) v́i ṃi biến tṛng thái x 1 , x 2 ,…,x n làm một hàm xác đ̣nh dương sao cho đ̣o hàm c̉a nó theo thời gian ( ) là một hàm xác đ̣nh âm th̀ hệ thống sẽ ổn đ̣nh Ĺc này V(x) được g̣i là hàm Lyapunov

2.3 Lýăthuy tăv ăhƠnăt ăđ ng

Gần 80% quá trình hƠn tự đ ng lƠ hƠn hồ quang khí tr Ph ng pháp hƠn nƠy có đặc đi m không cần lƠm s ch điện cực sau khi hƠn, thích h p với sản xuất

c ng đ cao

H ăth ngăhƠnăh ăquangăt ăđ ng: Thiết bị hƠn hồ quang tự đ ng đ c thiết kế khác

hẳn thiết bị hƠn tay HƠn hồ quang tự đ ng th ng có chu kỳ lƠm việc cao đ vƠ yêu cầu các thiết bị hƠn phải ho t đ ng d ới những điều kiện khắc nghiệt đó NgoƠi ra,

m i thƠnh phần c a hệ thống còn phải có đ tính năng về điều khi n đ giao tiếp với

hệ điều khi n trung tơm

M t hệ thống hƠn hồ quang tự đ ng gồm các thƠnh phần đi n hình:

- Robot hƠn hồ quang

-Nguồn điện

- Súng hƠn: đ truyền dòng điện hƠn từ cáp hƠn tới điện cực

-B lƠm s ch súng hƠn: đầu súng hƠn gần hồ quang vƠ dần dần dính vẩy

hƠn, cần phải lƠm s ch

- B cấp điện cực: đ bù l i dơy điện cực tự tiêu khi hƠn

Robot hƠnăh ăquang:

Các Robot hƠn ch yếu có d ng cánh tay có khớp hoặc xoay Lo i Robot tr c Đề-các chỉ đ c dùng cho các Robot rất lớn hoặc rất nhỏ Cánh tay Robot đ c sử

d ng nhiều do nó cho phép súng hƠn chuy n đ ng nh cách con ng i thao tác Góc

CH NGă2 LụăTHUY T

súng hƠn vƠ góc di chuy n có th thay đổi đ hƠn mọi vị trí, nhất lƠ những vị trí khó tiếp cận Cánh tay Robot cũng gọn nhẹ nhất vƠ có tầm với lớn nhất Th ng các Robot hàn có 5-6 tr c tự do, lập trình đ c

Bên c nh các cách tay Robot, ngƠy nay ng i ta còn phát tri n m t ph ng pháp hƠn tự đ ng khác lƠ sử d ng Mobile Robot nhằm tăng ph m vi và tính linh

Súng hƠn dùng đ đ a điện cực đến mối hƠn, truyền dòng điện hƠn vƠo điện cực vƠ

t o ra lớp cách ly quanh mối hƠn Có nhiều ki u súng hàn khác nhau, tùy theo quá trình hƠn, dòng hƠn, kích th ớc điện cực vƠ chất cách ly

Súng hƠn có th đ c lƠm ngu i bằng n ớc luơn chuy n hoặc không khí Qúa trình hƠn dùng điện cực tự tiêu nh hƠn hồ quang kim lo i khí hoặc hƠn hồ quang lõi thuốc có th dùng hoặc không dùng khí cách ly

Các súng hƠn có th d ng thẳng hoặc cong Súng hƠn cong đ tiếp cận mối hƠn d dƠng h n

Ch c năng chính c a súng hƠn lƠ truyền dòng điện tới điện cực Đối với quá trình hƠn dùng điện c c tự tiêu, dòng hƠn đ c truyền tới điện cực khi nó chuy n

đ c mắc trên Robot, đ c lập với nguồn hƠn Với hƠn tự đ ng, cần có m t giao diện

Ki u cấp dơy th hai gọi lƠ cấp dơy ngu i vƠ đ c dùng cho hƠn hồ quang tăng-xtan khí Điện cực không phải lƠ m t phần c a m ch hƠn, vƠ kim lo i điền đầy lấy từ vật hƠn

B ălƠmăs chăsúngăhƠn:

Đ lƠm việc chính xác vƠ tin cậy, súng hƠn hồ quang phải đ c lƠm s ch liên

t c Chu kỳ lƠm việc cao đ c a hƠn tự đ ng nên quá trình lƠm s ch súng hƠn cũng phải đ c tự đ ng hóa Chất tách vẩy hƠn đ c phun vƠo mũi súng hƠn NgoƠi ra,

b lƠm s ch còn có th trƠ sát mũi súng hƠn đ lo i bỏ vẩy hƠn bám vƠo vƠ cắt dơy hƠn Hệ thống lƠm s ch phải đ c tự đ ng kích ho t t i các th i đi m mƠ b điều khi n yêu cầu

CH NGă3 THI TăK ăB ăĐI UăKHI Nă

Ch ngă3 THI TăK ăB ăĐI UăKHI N

3.1 Vấnăđ ăcầnăgi iăquy t:

Thiết kế b điều khi n sao cho Robot luôn di chuy n song song và cách mặt cong

đ ng m t khoảng cách không đổi với m t vận tốc đều cho tr ớc

Cảm biến đo góc; Cánh tay hàn; , Mô t điều khi n hai bánh trái, phải

Đi m cần hàn; Cảm biến đo khoảng cách

Hình 3.1 Mô hình Robot hàn

3 2PhơnătíchăvƠăđ a raăgi iăpháp:

Trong các công trình nghiên c u về Robot bám t ng đƣ đ c công bố tr ớc đơy nhiều tác giả đƣ sử d ng logic m đ thiết kế b điều khi n Nh ta đƣ biết ph ng pháp điều khi n dùng logic m lƠ ph ng pháp luôn chiếm u thế trong các tr ng

H păđi uăkhi n Nhi ên

li uă hàn

CH NGă3 THI TăK ăB ăĐI UăKHI Nă

h p khó có th xác định đ c ph ng trình toán học giữa ngõ vƠo vƠ ngõ ra nh ng

ph ng pháp nƠy l i có yếu đi m lƠ nó đòi hỏi nhƠ thiết kế bỏ ra nhiều công s c đ thu thập dữ liệu, xơy dựng luật nền,…

Trên thực tế đối với bƠi toán bám t ng ta hoƠn toƠn có th xác định đ c ph ng trình toán học bi u di n quan hệ giữa ngõ vƠo vƠ ngõ ra Vì vậy đ đ n giản trong phần nƠy tôi sẽ thiết kế b điều khi n theo h ớng truyền thống( sử d ng ph ng trình toán)

3.3 Thi tăk ăb ăđi uăkhi n:

Hình 3.2 Mô hình bƠi toán di chuy n c a Robot hàn

Mặt cong đứng W(xw,yw)

CH NGă3 THI TăK ăB ăĐI UăKHI Nă

Trong đó:

 (x,y): hệ tr c tọa đ tuyệt đối [m,m]

 r : bán kính bánh xe c a Robot [m]

 b : khoảng cách từ tơm Robot đến bánh xe [m]

 ϕ : góc nghiêng c a Robot [rad]

 ϕw : góc nghiêng c a mặt cong đ ng [rad]

Ph ng trình đ ng thẳng ttiếp tuyến với mặt cong đ ng t i đi mW(xw ,y w )có d ng:

(x –x w)sinϕw– (y –yw)co�ϕw =0 (3)

Có đ c ph ng trình tiếp tuyến ttừ công th c (3) ta d dƠng tính đ c khoảng

cách từ tơm Robot đến đ ng thẳng nƠy:

d = (x –x w)sinϕw– (y –yw)co�ϕw (4)

CH NGă3 THI TăK ăB ăĐI UăKHI Nă

CH NGă3 THI TăK ăB ăĐI UăKHI Nă

sin � cos � − �

= � coscos � − � − �� sin� cossin � − � −� cos� sin(� − � )

= � cos� sin� − sin� cos�

cos � − � − sin(� − � )

= � sin � − �

cos � − � − sin(� − � )