thiết kế và chế tạo robot thông minh cảnh báo ở công trường xây dựng

Mục tiêu: Thiết kế chế tạo Robot dạng người thông minh, có khả năng thực hiện các động tác như người cảnh báo nguy hiểm ở các công trường xây dựng, thu nhận hình ảnh bằng camera hoặc cả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

MÃ SỐ: B2010 - 22 - 52

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011

S 0 9

S KC 0 0 3 2 1 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

Mã số: B2010-22-55

Chủ nhiệm đề tài: ThS Tưởng Phước Thọ

TP.HCM, 7/2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

Mã số: B2010-22-55

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)

TP.HCM, 7/2011

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH

CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

Cá nhân phối hợp thực hiện

Thời gian thực hiện: 3/2010 – 8/2011

Thƣ ký đề tài Nghiên cứu và thiết kế máy

I Tổng quan tình hình giao thông ở Việt Nam 1

II Tính cấp thiết của đề tài 5

IV Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận 5

V Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 5

Chương 1: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ CỦA ROBOT 7 1.1 Thiết kế sơ bộ và mô hình hóa robot 7

1.2.1 Yêu cầu của phần cơ khí Robot 9 1.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động 10 1.2.3 Các bộ phận của Robot 12

1.3.3 Mô phỏng Động học và Động lực học 19

2.1 Bài toán động học vị trí của Robot 23 2.2 Bài toán động học thuận của Robot 25 2.3 Bài toán động học nghịch của Robot 26 2.4 Bài toán động học vận tốc của Robot 27 2.5 Động lực học – Phân tích lực cánh tay robot 29 2.6 Tạo quỹ đa ̣o và điều khiển chuyển đô ̣ng cánh tay robot 32 2.6.1 Lập đường đi thông qua quỹ đa ̣o 32

2.6.2 Các phương pháp tạo quỹ đa ̣o chuyển đô ̣ng của cánh tay robot 33 2.6.3 Lập quỹ đa ̣o không gian khớp 36 2.6.3.1 Lập quỹ đa ̣o là đa thức bâ ̣c 3 37

2.6.3.2 Lập quỹ đa ̣o đa thức bâ ̣c 5 38 2.6.3.3 Các đoạn thẳng với các đoa ̣n cong da ̣ng Parabol 38

3.2.5 Kết quả 55

4.1.1 Sơ lược về họ vi điều khiển PIC 57

4.1.4 Thuật điều khiển PID và việc rời rạc hóa: 60 4.1.5 Giải thuật lập trình 61 4.2 Cách điều chỉnh các hệ số: 63 4.2.1 Động cơ điện một chiều DC 64 4.2.2 Điều biến độ rộng xung 64 4.2.3 Động cơ servo và động cơ servo R/C 64 4.3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển 67 4.4 Cấu trúc của bộ điều khiển chuyển động của khớp 68 4.5 Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot 69 4.5.1 Bộ điều khiển chính 69 4.5.2 Drive điều khiển động cơ 70 4.5.3 Mạch điều khiển động cơ RC_SERVO 70 4.5.4 Nguồn cung cấp năng lượng 70

4.6.1 Ngôn ngữ lập trình CCS 72 4.6.2 Giải thuật điều khiển 72 4.6.3 Giải thuật giao diện gười dung 74

5.2 Ứng dụng logic mờ trong việc xác định động tác robot 75

5.2.1 Mờ hoá giá trị vào (input) 76 5.2.2 Mờ hoá giá trị ra (output) 77 5.2.3 Quy luật điều khiển mờ 77 5.2.4 Lập trình mờ trong phần mềm Matlab 82 5.2.5 Kết quả sử dụng bộ điều khiển mờ trong xác định động tác 82

6.1 Phần mềm phát hiện, đếm đối tƣợng tham gia giao thông 84 6.2 Thiết kế robot phần cơ khí 85 6.3 Thiết kế phần điện của robot 85

I Phục lục Hiệu lệnh điều khiển giao thông

II Phụ lục các sơ đồ mạch in của mạch điều khiển

III Các bài báo

IV Minh chứng đào tạo

V Bản sao thuyết minh đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.2.1 Sơ đồ truyền động các khớp quay của robot 22

Hình 2.2.5 Di chuyển của cánh tay không bình thường trong không gian khớp 33 Hình 2.2.6 Di chuyển của cánh tay bình thường trong không gian khớp 34

Hình 2.3.19 Lưu đồ giải thuật cho một camera 52

Hình 2.5.5 Động tác thực hiện trên robot 78

Hình 2.6.2 Giao diện chương trình phát hiện và cảnh báo đối tượng vào

DANH MỤC BẢNG BIỂU

PWM Pulse Width Modulation

CAN Controller Area Network

MCU Micro Control Unit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO

Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

- Mã số: B2010-22-55

- Chủ nhiệm: ThS Tưởng Phước Thọ

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

- Thời gian thực hiện: từ 3/2010 đến 8/2011

2 Mục tiêu:

Thiết kế chế tạo Robot dạng người thông minh, có khả năng thực hiện các động tác như người cảnh báo nguy hiểm ở các công trường xây dựng, thu nhận hình ảnh bằng camera hoặc cảm biến, xử lý dữ liệu bằng phần mềm xử lý ảnh, từ đó đưa ra các cách giải quyết tình huống để hỗ trợ cảnh báo và chỉ dẫn hướng đi ở công trường xây dựng…

3 Tính mới và sáng tạo:

Ứng dụng Robot dạng người kết hợp với phần mềm xử lý ảnh vào công việc giám sát, cảnh báo, chỉ hướng đi ở khu vực nguy hiểm, công trường xây dựng

4 Kết quả nghiên cứu:

Chế tạo được robot có kích thước giống người thực tế cao 175 cm, và phần mềm

có khả năng nhận dạng, giám sát, cảnh báo và đếm số phương tiện đang di chuyển cũng như đứng yên trên đường Thực hiện được những động tác điều khiển giao thông

cơ bản

5 Sản phẩm:

- Robot dạng người 12 bậc tự do

- Phần mềm phát hiện và cảnh báo

- Phần mềm đếm và dự đoán số đối tượng tham gia giao thông trên giao lộ

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Khả năng áp dụng vào thực tiễn của đề tài rất cao, nhất là trong tình hình giao thông của nước ta hiện nay, giúp cảnh báo ở các công trường đang thi công trên đường phố hay trong khu dân cư

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: DESIGN AND DEVELOPMENT INTELLIGENT ROBOT TO ALERT IN THE CONSTRUCTION SITE

Code number: B2010-22-55

Coordinator: Tuong Phuoc Tho

Implementing institution: The University of Technical Education Ho Chi Minh City

Duration: from 3/2010 to 8/2011

2 Objective(s):

Design and development intelligent humanoid robot, able to perform the movements such as the workers who alerts dangerous area in the constructions, acquisition images with the camera or sensor, processing data by image processing software and configuring out how to solve the situation to support warning and guiding in construction

3 Creativeness and innovativeness:

Application the humanoid robot and the image processing software in identifying, monitoring, warning, and directing on dangerous and construction site

- Humanoid robot with 12 d.o.f

- The monitoring and warning software

- The counting and predicting objects in traffic on the intersection software

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The application field of the subject is very large, especially in the traffic situation in our country today, helping alert at the construction site

mở rộng, các công trình nâng cấp hệ thống cấp thoát nước đang thi công trên khắp thành phố,…

Sự tăng trưởng kinh tế, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng đã tăng sức ép rất lớn đến

cơ sở hạ tầng đô thị nói chung và hạ tầng giao thông vận tải nói riêng Sự mất cân đối

và thiếu tầm nhìn trong chiến lược qui hoạch đô thị đã để lại những hậu quả vô cùng nghiêm trọng: các khu công nghiệp lớn được đầu tư xây dựng cùng với các nhà máy

Hình 1.1 Trình trạng giao thông phức tạp ở các đô thị lớn (a) Cảnh sát giao thông đang điều khiển giao thông tại giao lộ, (b) Công nhân đang làm làm nhiệm vụ gác đường tại công trường, (c) Kẹt xe trên xa lộ Hà Nội, đoạn gần ngã ba Cát Lái, Q.2, TP.HCM (báo Tuổi Trẻ), (d) “Lô cốt” trên đường Hai Bà Trưng, Q.1, TP.HCM (báo Tuổi Trẻ)

sản xuất đã và đang hoạt động nằm ngay trong lòng thành phố, kéo theo một số lượng lớn lực lượng lao động tham gia giao thông trong thành phố mỗi ngày

Những nguyên nhân kể trên đã làm phát sinh nhiều vấn đề về an toàn giao thông trên các khu vực thi công có nhiều người qua lại, thí dụ như các lô cốt trên đường gây

ùn tắc tại các đô thị, mất an toàn giao thông đã và đang trở thành vấn đề nan giải Nạn kẹt xe, ách tắc giao thông không chỉ gây nhiều thiệt hại về mặt kinh tế, phản ảnh xấu thực trạng văn minh thành phố, đáng lo ngại hơn cả, đó là một trong những nguyên nhân làm tăng ô nhiễm môi trường trầm trọng với khí, bụi, tiếng ồn… ảnh và hưởng rất lớn đến sức khoẻ, đời sống của người dân Theo ông Trần Quang Phượng - giám đốc Sở Giao thông công chính Tp HCM: “Số thiệt hại ước tính được do kẹt xe mỗi năm ở TP là 14.000 tỉ đồng.” Tất cả những vấn nạn trên góp phần làm chậm sự phát triển kinh tế đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh [http://vietbao.vn ]

Hình 1.2 Các công trường xây dựng gần đường đi gây rất nhiều nguy hiểm cho người đi đường

Hơn nữa, đường xá ở Tp Hồ Chí Minh hiện nay thực sự là một đại công trường đang tiến hành thi công sửa chữa, nâng cấp, làm mới các công trình cấp thoát nước,

mở rộng đường giao thông… Ở mỗi công trường như vậy phải cử từ một đến hai công nhân làm nhiệm vụ cảnh báo giao thông, nếu đưa Robot làm nhiệm vụ cảnh báo ở

những địa điểm này thì sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí cho đơn vị thi công, mặc khác còn rất an toàn so với sử dụng con người với các thiết bị có thể gây nguy hiểm như cầu trục, giàn, vật rơi từ trên cao,…Nhất là ở các công trình xây dựng nhà cao tầng nằm ngay trên các con đường đông đúc

Hình 1.2 cho thấy một số hình ảnh về các công trường xây dựng gần đường đi với các thiết bị trên cao, như cần trục tháp, cần đổ bê tông, đặc biệt là các vật rơi rất nguy hiểm cho người không có nón bảo hộ đi ngang qua Có trường hợp cần trục tháp cao hơn 50 m bị đổ ra đường, gây thiệt hại lớn về vật chất và con người

Robot cảnh báo giao thông còn có thể sử dụng cảnh báo nguy hiểm ở các khu vực sản xuất có môi trường độc hại với con người, rất hạn chế người ra vào như khu vực có hơi hóa chất, phóng xạ,…

Từ thực tế trên, nhận thấy nhu cầu nhân lực cho việc cảnh báo an toàn gần khu vực đang thi công là rất lớn, đặc biệt ở thành phố Hồ Chí Minh, nơi có nhiều công trình xây dựng lớn như các cao ốc, các công trình công cộng,… từ đó đã thúc đẩy việc nghiên cứu và thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG” với mục đích đưa ra một giải pháp có thể hỗ trợ giải quyết, khắc phục và giảm nhẹ những thiệt hại của những vấn đề nêu trên

Ngoài ra, còn có thể ứng dụng robot này kết hợp với hệ thống camera vào việc chỉ hướng đi cho các phương tiện giao thông vào giờ cao điểm ở các khu vực hay xảy

ra ùn tắc giao thông Hay hỗ trợ cảnh sát giao thông trong việc điều phối giao thông

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Qua quá trình tìm hiểu, nhóm thực hiện đề tài nhận thấy trên thế giới chưa có Robot làm nhiệm vụ cảnh báo và điều phối giao thông Hiện tại mới chỉ có những Robot thực hiện những động tác tuần hoàn đơn giản để cảnh báo khu vực nguy hiểm đang được thi công giống như biển báo giao thông nhưng có tác động cao hơn đối với người đi đường như các Robot ở Nhật Bản, Hàn Quốc

Hình 1-3 là Robot điều khiển hướng đi tại một trạm thu phí ở Hàn Quốc, hai bàn tay được thay thế bằng gậy phản quang để có thể chỉ hướng được cả ngày lẫn đêm, robot này chỉ đứng cố định một vị trí và chỉ có hai cánh tay hoạt động một số động tác chỉ hướng

Hình 1.3 Robot cảnh báo giao thông ở Hàn Quốc

Hinh 1.4 Robot cảnh báo giao thông ở Nhật bản

Tình hình nghiên cứu trong nước

Hình 1.5 Phần mềm đếm xe sử dụng công nghệ xử lý ảnh của Đề tài cấp nhà nước Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Tự động hoá trong quản lý điều hành giao thông đô thị

Cho tới thời điểm hiện nay ở Việt Nam, mới chỉ có 2 đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ Xử Lý Ảnh vào quản lý điều hành giao thông: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Tự động hoá trong quản lý điều hành giao thông đô thị” do các giáo viên bộ môn Điều khiển học, Đại học GTVT thực hiện PGS Lê Hùng Lân chủ trì đề tài Và đề tài

“Hệ thống viễn thông cảnh báo ùn tắc giao thông” Đây là kết quả công trình nghiên cứu về hệ thống cảnh báo ùn tắc giao thông của nhóm các giảng viên ĐH Quốc tế -

ĐH Quốc gia TP.HCM trong suốt 7 năm qua Hệ thống gồm: các cảm biến, thiết bị truyền nhận thông tin đặt tại các điểm quan sát Khi có tình trạng tắc nghẽn, hệ thống

sẽ ghi nhận tình trạng và gửi về trung tâm điều khiển (có thể do tự động hoặc cảnh sát giao thông điều khiển thiết bị cảnh báo)

II Tính cấp thiết của đề tài

Qua các kết quả khảo sát, cho thấy các ứng dụng robot cảnh báo và điều phối giao thông chỉ dừng lại ở các cơ cấu đơn giản, chỉ thực hiện một động tác liên tục để cảnh báo, chưa có sự giám sát và xử lý tình huống tại hiện trường theo thời gian thực Các ứng dụng xử lý hình ảnh chỉ dừng lại ờ mức thông báo, chưa kết hợp với robot để đưa ra những động tác chỉ hướng như cảnh sát giao thông

Từ ý tưởng này, chúng tôi đã thiết kế và phát triển một robot dạng người thông minh có thể giám sát và cảnh báo ở công trường xây dựng, ngoài ra có thể phát triển

để tham gia điều phối và giám sát hệ thống giao thong

III Mục tiêu của đề tài

Thiết kế chế tạo Robot dạng người thông minh, có khả năng thực hiện các động tác như người cảnh báo nguy hiểm ở các công trường xây dựng, thu nhận hình ảnh bằng camera hoặc cảm biến, xử lý dữ liệu bằng phần mềm xử lý ảnh, từ đó đưa ra các cách giải quyết tình huống để hỗ trợ cảnh báo và chỉ dẫn hướng đi ở công trường xây dựng…

IV Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận

Đề tài này sử dụng phương pháp phân tích, khảo sát, phân tích thực nghiệm, mô phỏng, thử nghiệm và cũng như ứng dụng trực tiếp vào việc cảnh báo nguy hiểm ở các công trường xây dựng Mục đích chính của đề tài này nhằm nghiên cứu và phát triển robot dạng người trong việc cảnh báo ở các công trường xây dựng

V Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Thiết kế chế tạo một robot sử dụng trong giám sát và cảnh báo giao thông Robot

có tổng cộng 12 bậc tự do Mỗi cánh tay có năm bậc tự đo, một ở cổ, một ở chân Có

12 động cơ servo để tạo chuyển động cho các khớp Robot được trang bị camera và

bộ điều khiển, cho phép hoạt động từ vị trí ở xa Đầu tiên, một hệ thống cảm biến bao gồm các camera được đặt ở vị trí cần giám sát Bằng cách kết hợp tính hiệu cảm biến

và tư thế hiện tại của robot, của robot sẽ thực hiện động tác cảnh báo giao thông giống như một công nhân cảnh báo ở công trường trong thời gian thực

PHẦN 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Mô hình robot dạng người có kích thước tương ứng với người thật có chiều cao 1.75 m, có thể hoạt động 2 tay với nhiều yêu cầu khác nhau và xoay cổ để có khả năng tạo các động tác như người điều khiển các hoạt động giao thông hay cảnh báo sự

Hình 2.1.1 Cấu hình của robot mô phỏng một số động tác cánh tay của người

Robot này có 12 bậc tự do (d.o.f) phân bố như sau: 10 bậc tự do ở 2 tay, mỗi tay tương ứng có 5 bậc tự do, 1 bậc tự do ở cổ và 1 bậc tự do ở chân (bảng 2.1.1) Với 5 bậc tự do ở mỗi cánh tay [2], robot có thể tạo nên các chuyển động phù hợp với các yêu cầu đề ra là robot có thể bắt chước các động tác cảnh sát giao thông để cảnh báo

và chỉ hướng các phương tiện tham gia hoạt động giao thông (Tham khảo các Hiệu

lệnh điều khiển giao thông của cánh sát – Phục lục [I])

Gear box Motor Gear

Bảng 2.1.1 Phân bố các bậc tự do trên các khớp

Hình 2.1.2 Sơ đồ truyền động các khớp quay của robot TR1

Khớp Bậc tự do Đầu

Vai Cánh tay Cẳng tay Bàn tay Chân

Bảng 2.1.2 Các thông số kỹ thật của robot

Bảng 2.1.3 Thông số kỹ thuật của các khớp

Tỉ số truyền

Kiểu truyền Công

1.2.1 Yêu cầu của phần cơ khí Robot

Để điều khiển được phương tiện lưu thông Robot phải thực hiện được những động tác cơ bản, giống như hiệu lệnh điều khiển của cảnh sát giao thông Các động

Chiều dài cẳng tay

Chiều dài cánh tay

Chiều dài bàn tay

0.45 m 0.25 m 0.25 m 0.15 m

tác này rất phức tạp và phải phối hợp nhịp nhàng giữa 2 tay, nên Robot phải có khả năng co, duỗi, gập các khớp cổ tay, khuỷu tay, cánh tay và vai Vì vậy cánh tay robot phải có ít nhất 5 bậc tự do Khi thực hiện động tác, người điều khiển phải kèm theo hướng nhìn về phía đối tượng nhận lệnh nên Robot phải có khớp cổ xoay được quanh trục thẳng đứng [3][4]

Địa điểm đặt robot là các giao lộ Robot điều khiển cho cả 4 hướng lưu thông nên Robot phải có khả năng quay 360 độ quanh trục thẳng đứng Như vậy, tổng cộng Robot phải có ít nhất 12 bậc tự do để có thể thực hiện được các động tác hiệu lệnh điều khiển phương tiện của cảnh sát giao thông

Trước những yêu cầu trên, cùng với các thông số Nhân trắc học (Ergonomics)

của con người, Robot được thiết kế có hình dáng cân đối giống hình dáng con người, giữ được thăng bằng khi thực hiện động tác và tạo được thiện cảm với người đi đường Thông số của từng bộ phận cơ thể robot được chọn như sau:

 Chiều cao 1,75m

 Chiều rộng vai 0.45m

 Chiều dài cẳng tay 0.25m

 Chiều dài bắp tay 0.25m

 Chiều dài bàn tay 0.15m

1.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động

Có nhiều cơ cấu truyền động đáp ứng được yêu cầu của đề tài Nhưng với tiêu chí dễ dàng trong chế tạo, đơn giản trong lắp ráp và sửa chữa Mặt khác phải dựa trên điều kiện vật chất và trình độ gia công thực tế Do đó nhóm thực hiện đề tài đã chọn

cơ cấu truyền động bánh răng để truyền động cho các khớp robot Ngoài ra còn sử dụng lò xo làm đối trọng cho robot, giúp robot hoạt động nhẹ nhàng, giảm công suất

động cơ

Bộ truyền Bánh răng trụ [5]

Nguyên lý bộ truyền bánh răng trụ: thường dùng truyền chuyển động giữa hai trục song song hoặc chéo nhau

Bộ truyền bánh răng thường có hai phần chính (hình 1-3)

 Bánh răng dẫn 1 có đường kính d1, được lắp trên trục dẫn I , quay với số vòng quay n1, có công suất P1, mô men xoắn trên trục T1

 Bánh răng dẫn 1 có đường kính d2, được lắp trên trục dẫn I , quay với số vòng quay n2, có công suất P2, mô men xoắn trên trục T2

Trên bánh răng có các răng ,khi chuyển động các răng này ăn khớp với nhau tiếp xúc nhau và đẩy nhau trên đường ăn khớp (hình 1-4)

Nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng có thể tóm tắt như sau:

Trục I quay với số vòng quay n1, thông qua mối lắp làm cho bánh răng 1 quay Răng của bánh 1 ăn khớp với bánh 2, đẩy bánh răng 2 chuyển động làm bánh răng 2 quay với số vòng n2

Hình 2.1.4 Nguyên lý ăn khớp trong bộ

truyền bánh răng Hình 2.1.3 Bánh răng trụ răng thẳng

Hình 2.1.5 Lực trong bộ truyền bánh

răng trụ răng thẳng

Hình 2.1.6 Lực tác dụng lên mặt Bánh

răng trụ răng thẳng

Truyền chuyển động bằng ăn khớp nên bộ truyền bánh răng hầu như không có trượt (chỉ có trượt biên dạng ở phần đỉnh răng và chân răng) Vì vậy hiệu suất của bộ truyền là rất cao

Răng của bánh răng có biên dạng như hình 2.1.7 và 2.1.8

 Ưu điểm Bộ truyền bánh răng:

- Bộ truyền bánh răng có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành không cao Có kích thước nhỏ gọn, tiện sử dụng

- Bộ truyền có khả năng tải cao, độ tin cậy cao, ít gây tiếng ồn

- Truyền động chính xác

 Nhược điểm Bộ truyền bánh răng:

- Cần phải gia công chính xác biên dạng răng

- Gia công và lắp ráp 2 bánh răng phải chính xác thì mới ăn khớp được

- Mòn ren nhanh dẫn đến tuổi thọ không cao

- Cần phải bôi trơn thường xuyên

1.2.3 Các bộ phận của Robot

Để giảm trọng lượng các khâu cũng như để hạn chế moment tải cho các động cơ cánh tay và đảm bảo độ bền cho robot Thép mỏng (thép tấm) đã được chọn làm vật liệu chính để chế tạo các khâu trên cánh tay robot Thép mỏng nhẹ, dễ gia công, dễ hàn và uốn để tạo dáng

chỉnh tay robot có 5 bậc tự do gồm 2 bậc ở khớp vai, 1 bậc ở khớp cùi chỏ, 1 bậc xoay cẳng tay và 1 bậc ở cổ tay (hình 1-9)

Tay robot gồm các khâu: vai, bắp tay, cẳng tay, bàn tay được liên kết lại với nhau bằng các khớp như khớp cổ tay, khớp cùi chỏ, khớp quay cẳng tay và khớp vai

Khớp vai của robot có 2 bậc tự do (hình 2.1.10) :

 Chuyển động quay giữa trục của bánh răng 1 với lỗ (vòng trong bạc đạn) của thân robot

 Chuyển động quay quanh trục của bánh răng 2, khớp này tạo ra từ mối ghép của 2 chi tiết hình 2.1.11 và hình 2.1.12

Các chi tiết này đều được dập từ thép mỏng 1mm Để tăng độ cứng vững ta hàn thêm các gân chịu lực như hình vẽ

Hình 2.1.9 Cánh tay hoàn chỉnh

Hình 2.1.10 Khớp vai

Hình 2.1.14 Cẳng tay

Bắp tay là ống thép mỏng  80 dày 1mm, một đầu được hàn với miếng ngoài của khớp vai, đầu còn lại được hàn với mặt bích như hình 2.1.13 Trên mặt bích có khoét các lỗ để lắp trục quay và xẻ rãnh để gá đồ gá động cơ

Tấm thép A được uốn thành hình chữ U như hình vẽ và có nhiệm vụ để gá đồ gá động cơ cổ ở vị trí 1 Cánh tay được lắp ở vị trí 2 Các đồ gá động cơ sẽ được lắp và

có thể tịnh tiến trên rãnh 3

Tấm thép B có vai trò như xương sống con người, dùng để liên kết tấm A và C

Để tăng độ cứng vững ta nên hàn thêm các gân chịu lực trên tấm B

Tấm C liên kết với phần chân của robot Vì để cho dễ dàng tháo lắp nên ta thiết

kế mối lắp ở đây là bu lông và đai ốc ở vị trí 4

1.2.3.3 Chân robot

Vì trong điều khiển giao thông, robot chỉ cần đứng tại chỗ để thực hiện các động tác điều khiển, chính điều này mà chân robot chỉ có nhiệm vụ liên kết phần thân robot với đế

Để đảm bảo độ cứng vững, các tấm thép 3mm được dùng để làm chân robot

Hình 2.1.15 Thân Robot

lưng

Mặt khác, để tạo vẽ đẹp uyển chuyển cho robot, cũng như sự thân thiện đối với người đi đường Nhóm thực hiện đề tài đã dùng công cụ Sheet metal trong Pro E để thiết kế chân robot hoàn chỉnh Sau đó, bẻ ra dạng tấm phẳng, từ đó gia công các tấm này và cuối cùng là uốn và hàn chúng lại đúng như thiết kế (hình 2.1.16)

1.2.3.4 Hộp đế

Nhiệm vụ của hộp đế là:

 Làm bệ cố định cho robot đứng lên và chuyển động quay quanh nó

 Là nơi chứa các nguồn điện, mạch điện

Kích thước 500500200 (mm), được làm bằng vật liệu thép dày 3mm

(1) lỗ  20 gắn với trục bánh răng của chân

(2) Rãnh lắp đồ gá động cơ

(3) Không gian chứa nguồn điện và các bo mạch

(4) Lỗ đi dây điện

1.3 Tính toán và thiết kế cơ cấu truyền động

1.3.1 Tính toán bộ truyền bánh răng cho robot [7]

Vì nhóm thực hiện đề tài thiết kế theo dạng modul để dễ dàng trong việc gia công, thay thế, lắp lẫn nên sẽ tính toán trên yêu cầu chỉ số lớn nhất rồi áp dụng cho tất

Từ kết quả đạt được ở phần tính công suất động cơ ở phần dưới Ta chọn động

cơ DC công suất 25 W, 5000 vòng/phút, loại có encorder để hồi tiếp tín hiệu về Sau

đó động cơ này được gắn với bộ giảm tốc (hộp số)

50

1

, lúc này tốc độ tối đa là 100 vòng/phút

Hơn nữa, để giảm tốc và khuếch đại Mô men cho bộ truyền, bộ truyền bánh răng

đã được chọn Bánh răng dẫn (gắn với động cơ) có đường kính d1=18 mm, bánh răng

bị dẫn ở vai (chịu tải lớn nhất) có đường kính d2=162 mm, bánh răng bị dẫn ở các khớp khác có đường kính d3= 80 mm

Vậy tỷ số truyền của cơ cấu truyền động bánh răng sử dụng trong khớp vai là :

Tương tự ta tính chọn các cặp bánh răng ở các khớp còn lại

1.3.2 Chọn công suất động cơ cho các khâu [8]

Hình 2.1.20 Trọng tâm các khâu và cánh tay đòn của chúng so với các khớp

Để tạo 5 bậc tự do chuyển động độc lập nhau cho một cánh tay Robot chúng ta phải lắp trên một cánh tay là 5 động cơ Để điều khiển đơn giản và dễ chúng ta sử

dụng động cơ điện một chiều

Để chọn công suất cho các động cơ, chúng ta xét trường hợp tải trọng của các khâu tác dụng lên trục động cơ là lớn nhất Theo hình vẽ bên trên, rõ ràng tải trọng của các khâu tác dụng lên trục động cơ đặt tại điểm O là lớn nhất do cánh tay đòn của chúng tạo với điểm O là dài nhất (hình 1.1.20)

Trọng lượng của các khâu tác động lên các khớp :

Với m i là khối lượng tác động lên trục khớp thứ i

Momen của các khâu gây ra trên trục lần lượt là:

M i = P i li (1.11)

Chọn công suất động cơ cho các khớp

Động cơ dẫn động cho khớp truyền chuyển động từ trục động cơ qua khớp nối

có đường kính Ф qua bộ truyền bánh răng có tỉ số truyền i bánh răng bị dẫn của bộ

truyền bánh răng nối trực tiếp với khớp

Phản lực R i của trục động cơ để chống lại tải trọng P i

D n

 (m/s) (1.13)

trong đó D ilà đường kính khớp nối

Công suất động cơ :

kế cơ khí)

1.3.3 Mô phỏng Động học và Động lực học

Hầu hết các Robot đều có phần mềm mô phỏng của hệ thống cơ để giúp cho người điều khiển xem xét chuyển động của Robot mà không cần đưa Robot ra ngoài môi trường thực, không sợ hư hỏng, hay bị tác động của môi trường bên ngoài Phần mềm mô phỏng với mục đích là để có thể điều khiển mô phỏng tương tự như điều khiển ở môi trường thực [9]

Mô phỏng hệ thống cơ có thể xem xét các khả năng hoạt động của Robot Quá trình mô phỏng ở đây mới đưa ra quá trình mô phỏng xem xét cùng với sự ghép nối

hoạt động bên ngoài, khi Robot thực hiện chuyển động thì trên màn hình vi tính sẽ

mô phỏng lại chuyển động thực tế và tính toán xem xét các giá trị, thông tin và dữ liệu

mà Robot thực hiện được[10]

Quá trình mô phỏng gồm các bước sau :

 Mô phỏng động học

 Mô phỏng động lực học

Trong quá trình mô phỏng động học với các quỹ đạo chuyển động yêu cầu sẽ cho biết được số chu kỳ, các góc quay của các động cơ và vị trí của các điểm đặc biệt của Robot Với các thông số như quỹ đạo chuyển động của động cơ xoay chúng ta sẽ phỏng đoán thời gian đạt đến vị trí yêu cầu và vận tốc trung bình của Robot Với quá trình mô phỏng động học, sẽ tính toán được vị trí ở từng thời điểm, vận tốc thân và các góc quay tương ứng của mỗi động cơ xoay

Hình 2.1.21: Môi trường mô phỏng trên phần mềm Pro/ENGINEER

Trong đề tài này cũng đã mô phỏng, tính toán quỹ đạo chuyển động của các khâu của Robot với sự hổ trợ rất mạnh của phần mềm Pro wildfire 4.0

Ở đây nhóm thực hiện đề tài đã sử dụng môi trường ASEMBLY nâng cao, với công cụ Mechanism để lắp ráp các khâu đã được thiết kế bằng phần mềm PRO Engineer Từ đó mô phỏng và tính toán được quỹ đạo chuyển động, cũng như khả năng chuyển động của Robot

Các khâu lắp ráp mô phỏng trên phần mềm Pro wildfire 4.0 đa số được thiết kế trên phần mềm Autodesk Mechanical, đặc biệt là sử dụng thư viện cơ khí rất đa dạng

và đầy đủ của phần mềm, từ đó giúp cho quá trình thiết kế chính xác và có tính thực thi cao

Với cách thực hiện trên đã chế tạo được mô hình Robot thực tế

Hình 2.1.22 Hình dáng Robot thực

tế

Hình 2.1.23 Hình mô phỏng tổng thể cơ cấu cơ khí của Robot

Chương 2 :

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ ROBOT

Thực tế khơng Robot nào thâ ̣t sự sử du ̣ng các phương trình đơ ̣ng ho ̣c thuâ ̣n để giải ra các kết quả điều khiển Như vâ ̣y, người thiết kế Robot phải tính toán bài toán nghịch và xác định các phương trình và sẽ sử dụng chúng để điều khiển Robot [11]

Mất rất nhiều thời gian máy tính mới tính toán xong bài toán ngược của các phương trình của bài tốn động học thuận , hoặc phải sử du ̣ng phương pháp phỏng đoán

nghiê ̣m Gauss để tính toán các biến chưa biết

Hình 2.2.1 Sơ đồ truyền động các khớp quay của robot

Để Robot di chuyển theo mơ ̣t đường đã được lâ ̣p trình trước thì Robot cần phải tính tốn lại các biến giá trị nhiều lần trong một đơn vị thời gian Giả sử như Robot cần di chuyển theo mơ ̣t đường thẳng giữa 2 điểm A và B , khơng có hành đơ ̣ng nào khác cắt ngang và Robot di chuyển từ A đến B mà khơng cần chỉ hướng Tuy nhiên phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của mỗi khớp , cánh tay sẽ đi theo những đường bất kỳ giữa 2 điểm Để ta ̣o cho Robot di chuyển theo đường thẳng thì phả i chia đường thành những phần nhỏ và cho Robot di chuyển theo từng đoa ̣n giữa 2 điểm trong khoảng nhỏ mới chia Điều này có nghĩa là chúng ta phải tính cho mỡi đoa ̣n nhỏ Thườ ng Robot sẽ được tính từ 50 đến 200 trong mơ ̣t giây Điều này có nghĩa là nếu tính mơ ̣t

Hộp giảm tốc Động cơ Bánh răng

lời giải mất từ 5-20 ms, Robot sẽ mất đi đô ̣ chính xác và sẽ không theo quỹ đa ̣o chuyển đô ̣ng yêu cầu

2.1 Bài toán động học vị trí của Robot

Có nhiều phương pháp để tìm ra bài toán động học vị trí của cơ cấu chấp hành nối tiếp Trong đó phương pháp biểu diễn Denavit-Hartenberg cho kết quả bài toán đơn giản, rất hiệu quả khi kế thừa để phân tích bài toán động học vận tốc và bài toán động lực học robot Trong phần này tác giả sử dụng phương pháp biểu diễn Denavit -Hartenberg (D-H) để mô hình hoá và phân tích di chuyển của Robot [12]

Từ yêu cầu điều khiển robot thực hiện các động tác trong hỗ trợ điều phối giao thông Chúng ta nhận thấy hai cánh tay sẽ chuyển động riêng rẽ, cũng như chuyển động của khớp đầu và chân cũng được thực hiện độc lập Như vậy chúng ta thấy chỉ

có chuyển động của hai cánh tay là phức tạp đo mỗi cánh tay có 5 bậc tự đo