Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot tự hành

Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp hay robot công nghiệpcho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điềukhiển tự động để thực hiện một số tha

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Khái quát chung về robot

1.1.1 Khái niệm và quá trình phát triển của robot

*Sơ lược quá trình phát triển của robot

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công

việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm

1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếcmáy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầucho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động

cơ bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and FoundryCompany) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy côngnghiệp” (Industrial Robot)

Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp)cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điềukhiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hailĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators)

và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool).Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trongchiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thaotác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửaquan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xathay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) vàhai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằngmột cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp

Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứngyêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiênthực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khảnăng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máycông nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robotVersatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiệnloại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, cácnước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -

1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp -1972; ở Ý-1973.Tính nănglàm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý.Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạtđộng theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vịtrí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robotđược điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool : Công cụcủa tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 Kg

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điềukhiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiểntheo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lậptrình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robotkhông ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau

để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnhvực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt Sốlượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot côngnghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước côngnghiệp phát triển như sau:

Bảng 1 1 Số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển.

Robot rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các cách sau

- Phân loại theo kết cấu: Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểutoạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu

Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mụcđích nghiên cứu.

1.3 Robot tự hành

Robot tự hành hay robot di động (mobile robot) được định nghĩa là một loại

xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sựđiều khiển tự động và có khả năng hoàn thành công việc được giao Môi trườnghoạt động của robot có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay tổ hợpgiữa chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặcthay đổi, lồi lõm

Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia robot tự hành làm 2 lớp:chuyển động bằng chân (legged) và bằng bánh (wheeled) Trong lớp đầu tiên,chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động của con người

và động vật Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm,phức tạp Tuy nhiên, cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế làmcông việc cực kỳ khó khăn Lớp còn lại (di chuyển bằng bánh) tỏ ra thực tế hơn,chúng có thể làm việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra Điều khiểnrobot di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều đảm bảo tính ổn định chorobot Lớp này cụ thể chia làm 3 loại robot: Loại chuyển động bằng bánh xe (phổbiến) (hình 1.3a, c, f), loại chuyển động bằng vũng xích (khi cần mômen phát độnglớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy, cát và băng tuyết) ( Hình 1.3 b, g, h,

I, k), và loại hỗn hợp bánh xe và xích (ít gặp)

Hình 1 3 Một số hình ảnh về robot tự hành

* Ứng dụng robot trong sản xuất

Từ khi mới ra đời robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc

độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năngsuất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Mục tiêu ứng dụng robot nhằm góp phần nâng cao năng suất dâychuyền công nghệ, giảm gía thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh củasản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờvào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàngchuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việcđộc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện cáccông việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn

Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng lớn Có thể kểđến robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sânbay và thư viện, robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không, robotkiểm tra trong môi trường nguy hiểm, robot canh gác, do thám, robot khám phákhông gian, di chuyển trên hành tinh, robot hàn, sơn trong nhà máy, robot xe lănphục vụ người khuyết tật,robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v

Ví dụ một số mô hình robot tiêu biểu ứng dụng trong sản xuất như sau:

Hình 1 4 Mô hình robot phung thuốc sinh học

Hình 1 5 Robot khám bệnh Hình 1 6 Robot nhặt chất hữu cơ làm nhiên liệu

Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyếtđược của robot tự hành, như chi phí chế tạo cao, đó không cho phép chúng được

sử dụng rộng rãi Một nhược điểm khác của robot tự hành phải kể đến là còn thiếutính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau Bài toán tìmđường (navigation problem) của robot tự hành cũng không phải là loại bài toánđơn giản như nhiều người nghĩ lúc ban đầu

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

CHO ROBOT TỰ HÀNH 2.1 Sơ đồ khối Robot tự hành

ra lệnh cho các khối chấp hành để điều khiển động cơ.

- Khối mạch dò đường: bao gồm 8 bộ thu phát dùng làm đầu vào cho bộ vi xử lý đểđiều khiển robot đi đúng đường

- Khối công tắc hành trình (CTHT): dùng để giới hạn việc đi chuyển của động cơgắp vật và động cơ nâng vật

- Khối nút bấm: bao gồm 3 nút bấm dùng để khởi động, lựa chọn các chiến thuậtcho Robot

- Khối hiển thị dùng LCD: hiển thị trạng thái dò đường của Robot và hiển thị cácthông tin cần thiết của chương trình để việc giám sát chương trình được dễ dànghơn

- Khối mạch giao tiếp: dùng để giao tiếp và cách ly giữa mạch điều khiển và mạchcông suất tránh nhiễu từ mạch công suất về mạch điều khiển

- Khối mạch công suất: nhận tín hiệu từ vi điều khiển qua mạch giao tiếp để điều khiển động cơ 2 động cơ chính và 2 động cơ nâng, gắp

2.2 Thiết kế các khối trong mạch điều khiển Robot

2.2.1 Modul dò đường

Sơ đồ nguyên lý modul dò đường

Việc so sánh ngưỡng ADC sẽ quyết định xem đâu là vạch trắng đâu là nền sân, từ

đó quyết định đâu là mức 1 đâu là mức 0 Giá trị ADC để so sánh chỉ cần lấy lần

đầu tiên khi thử sân Lấy mẫu ADC sân thi đấu là một phương án rất hiệu quảtrong dò đường, lấy mẫu ADC giúp tiết kiệm thời gian lấy mẫu sân so với phươngpháp dùng mạch so sánh ngày xưa Ngoài ra lấy mẫu ADC còn rất chính xác, cóthể thích hợp với mọi loại sân thi đấu mà không sợ trường hợp ở nhà robot chạy 1kiểu lên sân thi đấu robot lại chạy kiểu khác.

Hình ảnh Modul dò đường trong robot thực tế

2.2.2 Thiết kế khối mạch giao tiếp và mạch công suất

Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điều khiển 2 động cơ chính

Mạch giao tiếp dùng opto PC817 để khuếch đại tín hiệu điều khiển và cách

ly giữa nguồn mạch điều khiển và mạch công suất Mạch công suất điều khiển 2 động cơ chính dùng Fet và Relay vừa tận dụng được hiệu quả của FET, vừa đơn giản vì có relay Mạch dùng IRF540 cho dòng tải lên đến 33A sẽ cho phép chạy nhiều loại động cơ với công suất khác nhau, trong quá trình thi đấu có thể thay đổiđộng co mà không cần phải thay đổi mạch công suất

Do yêu cầu của mạch điều khiển 2 động cơ nâng vật và gắp vật chỉ cần đảo chiều quay và hãm tốt nên mạch điều khiển 2 động cơ nâng vật và gắp vật có sơ

đồ nguyên lý như sau

Mạch chỉ sử dụng 2 relay để đảo chiều quay và hãm có sự đơn giản và mang lại hiệu quả tối ưu nhất so với yêu cầu điều khiển đặt ra

Hình ảnh mạch công suất thực tế

2.3 Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của robot

Một vài hình ảnh về robot sau khi hoàn thiện

2.4 Chương trình điều khiển Robot

// Ten chuong trinh : dieu khien ROBOT gap vat DHSPKT Nam Dinh

// Nguoi thuc hien : vietlamddt

// Ngay thuc hien : 21/11

// Phien ban :

// Mo ta phan cung :

// Dung PIC16F877A - thach anh 20MHz

// Cam bien do duong noi voi Port A va E,cam bien tich cuc muc 0

// Cac CTHT noi voi port B, CTHT tich cuc muc 0

// + Cam bien phat hien vat noi voi pin_B0

// + CTHT nang tay gap noi voi pin_B5

// + CTHT ha tay gap noi voi pin_B4

// + CTHT gioi han mo tay gap vat noi voi pin_B2

// + CTHT gioi han dong gap vat noi voi pin_B3

// Su dung LCD 16x2 de hien thi, che do 4 bit

// + RS noi voi pin_D1

// + R/W noi voi pin_D2

// + EN noi voi pin_D0

// + D4 noi voi pin_D4

// + D5 noi voi pin_D5

// + D6 noi voi pin_D6

// + D7 noi voi pin_D7

// Port C dieu khien dong co

// + dao chieu dc phai noi voi pin_C0

// + PWM dc phai noi voi pin_C1

// + dao chieu dc trai noi voi pin_C2

// + PWM dc trai noi voi pin_C3

// + dao chieu dc nang, ha noi voi pin_C4, pin_C5

// + dao chieu dc gap vat noi voi pin_C6, pin_C7

// -// Ngay hoan thanh :

// Ngay kiem tra :

// Nguoi kiem tra :

#fuses HS,NOPUT,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP// thach anh tan so cao,

#include <lcd.c>// khai bao thu vien lcd 4bit

#use fast_io(b)

#use fast_io(a)

#use fast_io(e)

#use fast_io(c)

// -// KHAI BAO CAM BIEN, CTHT

#define e3s rb0 //cam bien phat hien vat E3S-DS30E4

#define ht_tha rb4 //ctht mo tay gap khi khong gap vat

#define ht_nang80 rb5 //ctht nang tay gap 80cm

#define ht_ha rb7 //ctht ha vat

#define ht_nang rb6 //bo thu phat quang de ha tay9, nang 20cm, 40cm

#define start rb3 //nut an start

#define chon_san rb1 //nut an chon san trai, phai

#define cam_bien rb2 //nut an chon san trai, phai

void speed(signed int b0,signed int b1);

void right_motor_foward(int val);

void left_motor_foward(int val);

void left_motor_reverse(int val);

void right_motor_reverse(int val);

void speed(signed int b0,signed int b1);

tha_qua=1;gap_qua=0; //tha qua

while(ht_tha==1) //kiem tra ctht tha vat

ha_qua=1;nang_qua=1; // dung nang qua

setup_adc(adc_clock_internal);// thoi gian lay mau 2-6us setup_adc_ports(all_analog); // chon tat ca cac dau vao tu 0-7 quaytrai1();// quay dau xe

{

setup_adc(adc_clock_internal);// thoi gian lay mau 2-6us

setup_adc_ports(all_analog); // chon tat ca cac dau vao tu 0-7 test_adc();

while(bit_test(line,2)==1) //kiem tra led so 5 de dung quay {

test_adc();

setup_adc(adc_clock_internal); // thoi gian lay mau 2-6us setup_adc_ports(all_analog); // chon tat ca cac dau vao tu 0-7 speed(-85,60);

tha_qua=1;gap_qua=0; //tha qua

while(ht_tha==1) //kiem tra ctht tha vat

setup_adc(adc_clock_internal); // thoi gian lay mau 2-6us setup_adc_ports(all_analog); // chon tat ca cac dau vao tu 0-7 }

c=85; // gia tri so sanh

cambien=0; // so cam bien trong vach

for(i=0;i<=7;i++) // 8 cam bien

{

set_adc_channel(i); // doc gia tri cam bien kenh 0-7

delay_us(100); // tao tre adc

a=read_adc(); // doc gia tri adc tung kenh

if(a>=c) // so sanh gia tri dau vao voi

printf(lcd_putc,"%u",hienthi[i]);// hien thi muc cam bien

delay_us(100); // tao tre cho lcd

void left_motor_reverse(int val)

// -{

rc3=0;

setup_timer_2(T2_div_by_4,249,1);setup_ccp1(ccp_pwm);

set_pwm1_duty(val);

}

void right_motor_reverse(int val){

// -rc0=0;

setup_timer_2(T2_div_by_4,249,1);setup_ccp2(ccp_pwm);

set_pwm2_duty(val);

}

void left_motor_stop()

trisd=0; // dieu khien lcd

portc=0xff;

disable_interrupts(global);

setup_adc(adc_clock_internal); // thoi gian lay mau 2-6ussetup_adc_ports(all_analog); // chon tat ca cac dau vao tu 0-7lcd_init();// khoi tao lcd

SET_TRIS_b(0b11111111);// dau vao cam bien

setup_adc(adc_clock_internal);// thoi gian lay mau 2-6us setup_adc_ports(all_analog);// chon tat ca cac dau vao tu 0-7 kiemtra();