BÁO CÁO THỰC TẬP TRUNG TÂM ROBOTICA –ĐẠI HỌC DUY TÂN

Hình 2.7: Động cơ quay theo chiều kim đồng hồ.Xét hoạt động của DC motor: • Như hình trên ta thấy rằng khi cho dòng diện một chiều tuyệt đối ko dùngđiện xoay chiều đi qua motor sẽ khiến

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanh chóng vàcông nghiệp tự động đang được quan tâm rất lớn Ứng dụng robot vào phục vụđời sống ngày càng nhiều và đã trợ giúp đắc lực trong các lĩnh vực khác nhau.Robot dần thay thế cho con người để giảm thiếu sức lao động cũng như tăngchất lượng của công việc.Trong đó chế tạo robot hay được gọi là Robocon làmột phong trào đang được các bạn sinh viên và ngay cả các bạn học sinh rấtyêu thích Đến với chế tạo robot sẽ giúp cho chúng ta có thể biến những ýtưởng thành hiện thực Khơi dậy niềm đam mê sáng tạo, và từ đó có thể thiết

kế được những chú Robot phục vụ cho đời sống con người Công nghệ chếtạo robot không những áp dụng vào các cuộc thi sáng tao Robocon mà còn cónhiều ứng dụng thực tế Tuy nhiên, các tài liệu về Robot còn ít và chưa phổbiến, trong chương trình học không có môn nào học chuyên sâu về robot Bởi

vì chế tạo robot là công việc bao gồm nhiều lĩnh vực như lập trình, điện, cơkhí Sự kết hợp các lĩnh vực này lại với nhau mới có thể chế tạo được nhữngchú Robot phục vụ cho các công việc, các yêu cầu đặt ra

Trong thời gian thực tập tại Trung tâm Robotica em đã hiểu thêm nhiềuđiều về công việc chế tạo các Robot mà điển hình là mô hình Robocon để dựthi cuộc thi sáng tạo Robocon 2014 Chính vì thế trong báo cáo thực tập này

em xin trình bày về một số kiến thức cũng như thiết kế lập trình một robot tựđộng đơn giản

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM ROBOTICA –ĐẠI HỌC

DUY TÂN1.1 Chức năng

- Tham mưu cho Ban Giám hiệu và Hội đồng quản trị về những công việc liênquan đến lĩnh vực robotics trong Trường

- Nghiên cứu phát triển, sản xuất các sản phẩm và dịch vụ phục vụ nhiệm vụ đẩymạnh ứng dụng khoa học công nghệ trong hoạt động quản lý và đào tạo theotừng giai đoạn phát triển của nhà Trường

- Là nơi để sinh viên các khoa Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông, Đào tạoquốc tế thực hành các công việc liên quan đến việc chế tạo robot, hoạt độngđào tạo theo CDIO Là nơi để cán bộ, chuyên viên học tập, nghiên cứu các thiết

Kỹ thuật định vị cho Robot

- Sử dụng bộ lọc Extended Kamal Filter

Kỹ thuật định hướng và điều khiển Robot

- Bộ điều khiển PID

- Bộ điều khiển dựa trên trường nhân tạo (Artificial Potential Field Navigation)

- Bộ điều khiển dựa trên tọa độ hoặc bản đồ (map)

Kỹ thuật xử lý ảnh

- Nhận dạng đối tượng (Object Recognition)

- Edge Detection

- Camera Calibration

- Target Tracking using vision (camera)

Kỹ thuật thuật tích hợp cảm biến

- Tích hợp phần mềm dựa trên ROS, C++

1.2.3 Cơ cấu tổ chức

Trung tâm Robotica gồm có:

- Giám đốc trung tâm

- Nhóm lập trình VĐK và hệ thống nhúng (gồm có 4 thành viên)

- Nhóm cơ khí (gồm có 2 thành viên)

- Quản lý xưởng + văn thư (gồm có 1 thành viên)

- Nhóm cộng tác viên (gồm có 5 thành viên)

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ

ROBOT2.1 Hệ thống cảm biến

ra các phản ứng điều khiển robot để đối phó với các sự kiện bên ngoài ấy

- Ví dụ đơn giản nhất chính là con nguời của chúng ta Ta ví con mắt như là 1 bộcảm biến Khi chúng ta đang đi sắp đụng vào vách tường thì mắt sẽ như những cảmbiến truyền dữ liệu về cho bộ bộ não Tương tự như vậy, các cảm biến sẽ chuyền dữliệu về cho bộ vi xử lí Sau đó bộ não sẽ gửi trả thông thông phản ứng như là đihướng khác để tránh va đụng vào vách tường Vi xử lí của robot cũng thế, nó sẽ gửithông tin để cho robot đi đúng đường

2.1.2 Các loại cảm biến

Trong kĩ thuật robocon người ta sử dụng nhiều loại cảm biến như là:

- Led hồng ngoại (bộ phát thu hồng ngoại)

- Quang điện trở (PHOTORESISTANCE): cds hoặc cdse

- Tế bào quang điện

- Cảm biến công nghiệp

- Camera số trong công nghệ xử lí ảnh

Hình 2.1: Cảm biến quang và cảm biến vật thể

Các đặc tính của IR sensor

Trong con robot mẫu tự động này, chúng tôi sử dụng 2 linh kiện hồng ngoại (IR):Một linh kiện phát hồng ngoại (IR emitter) và một linh kiện nhận (IR receiver) tạothành 1 cặp cảm biến sensor Linh kiện phát sẽ tạo tia hồng ngoại và sau khi phản xạ sẽtruyền tới linh kiện nhận

Hình 2.2: IR Sensor.

Dòng điện đi qua linh kiện nhận sẽ tỉ lệ với cường độ năng lượng của tia hồng ngoại mà nó nhận được

Hình 2.3: Tỉ lệ dòng điện và cường độ năng lượng.

Trong robot mẫu, linh kiện phát và nhận được nối mạch theo sơ đồ hình 2.3 Khi

TX ở trạng thái thấp, dòng sẽ đi qua linh kiện phát và nó sẽ phát ra tia hồngngoại Nếu có 1 vật phản xạ mầu trắng thì năng lượng hồng ngoại sẽ phản hồi lại

và tạo một dòng cao hơn đi qua linh kiện nhận, do đó điện áp trên IRS0 sẽ hạxuống Nếu vật phản xạ có mầu đen, hoặc mầu sẫm hơn thì điện áp trên IRS0 sẽ

nâng lên.

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch phân biệt vạch dẫn đường.

IR Sensor điều biến

Độ chính xác của sensor hồng ngoại được miêu tả trên phần trước bị ảnh hưởngrất nhiều bởi ánh sáng môi trường Mức điện áp trên đầu ra của sensor IR không chỉphụ thuộc vào cường độ ánh sáng phản xạ mà còn bị thay đổi bởi điều kiện ánh sángmôi trường

Để giảm bớt sự ảnh hưởng của ánh sáng môi trường, ta dùng 1 sensor hồngngoại điều biến thay vì sensor IR thông thường

Trong hệ thống sensor IR điều biến, linh kiện phát được bật và tắt bởi 1 đồng

hồ Tín hiệu nhận được sau đó đi qua 1 mạch khuếch đại một chiều DC như trên hình

vẽ dưới đây Tụ C2 trong mạch sẽ chặn dòng DC ra khỏi tín hiệu đi qua bộ khuếch đạinày Chỉ có phần xoay chiều của tín hiệu thay đổi tương ứng với tia hồng ngoại phản

xạ phát ra từ bộ phát là được khuếch đại và tích hợp vào mức 1 chiều ở đầu ra củamạch Như vậy mức ra của mạch chỉ phụ thuộc vào tia hồng ngoại mà không phụthuộc vào ánh sáng môi trường

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch điều biến.

2.2 Hệ thống truyền động

2.2.1 Định nghĩa

Hệ thống truyền động được ví như là chân, tay của robot vậy Robot di chuyển,cầm, nắm, đuợc là do có hệ thống truyền động Hệ thống truyền động các bánh xe,động cơ bao gồm động cơ bước (Stepper Motor) động cơ 1 chiều (DC Motor) động cơtrợ động (Servo Motor)… ; dây truyền động: dây cuaroa, dây xích (xên nhông dĩa),dây kéo, ròng rọc và các vật dụng cơ khí khác

2.2.2 Các loại động cơ

Có 3 loại động cơ chính :

- Động cơ 1 chiều (DC Motor)

- Động cơ bước (Stepper Motor)

- Động cơ trợ động (Servo Motor)

 Động cơ 1 chiều (DC Motor)

Hình 2.6: Động cơ Planet

Động cơ một chiều có cấu tạo từ hai bộ phận: Bộ phận đứng yên cấu tạo từnam châm vĩnh viễn đuợc gọi là Stato và bộ phận quay được cấu tạo từ một nam châmnhận tạo có cấu tạo từ một cuộn dây đồng có lõi là một thanh kim loại đuợc gọi làRoto Động cơ có thể xoay theo chiều thuận hoặc chiều nghịch của kim đồng hồ Cógắn thêm Encoder để đếm số vong xoay của động cơ

Hình 2.7: Động cơ quay theo chiều kim đồng hồ.

Xét hoạt động của DC motor:

• Như hình trên ta thấy rằng khi cho dòng diện một chiều (tuyệt đối ko dùngđiện xoay chiều) đi qua motor sẽ khiến cho motor quay như trên hình

Hình 2.8: Động cơ quay theo chiều ngược kim đồng hồ.

Khi ta đảo hai cực của dòng điện thì ta sẽ sẽ đuợc hiện tượng như hình trên, đó là động

cơ sẽ quay theo chiều hoàn toàn ngược lại so với hình truớc đó Qua đó ta có thể rútđuợc kết luận như sau:

- Động cơ DC cho dòng diện một chiều chạy qua và làm quay phần Roto dẫn đếnmotor quay, nếu ta đổi chiều dòng điện thì motor sẽ quay theo chiều ngược lại Do đó

ta có thể điều chỉnh được hướng quay của DC Motor Đặc tính kĩ thuật của hầu hếtđộng cơ DC là tốc độ quay (vòng/phút) cao và moment ngẫu lực thấp Nhưng mà hầuhết robot cần tốc độ quay chậm và moment ngẩu lực cao Do đó một hộp số có thểđược lắp vào DC Motor nhằm giảm tốc độ quay và tăng moment ngẫu lực Trên hộp sốthường ghi rõ thì số truyền động giữa trước và sau hộp số, ví dụ tốc độ quay của một

DC Motor là 1000 vòng/phút đuợc gắn vào 1 hộp số 1000:1 Có nghĩa là tốc độ quay

của đầu ra hộp số đuợc 1/1000 của tốc độ DC Motor khi chưa gắn hộp số Vận tốc hộp

số = Vận tốc DC Motor/1000 = 8000/1000 = 8 vòng/phút

Chú ý: Điện áp V và dòng I không nên vượt quá giá trị được ghi trên motor, nếu

không motor sẽ bị hỏng Tuy nhiên nếu ta đặt một điện áp thấp hơn V hoặc một dòngđiện thấp hơn I, thì tốc độ và độ chịu tải của motor sẽ giảm theo

- Điều khiển chiều quay của DC Motor:

Trong phần này ta xét 2 cách điều khiển phổ biến nhất đa số đuợc các độiRobocon sử dụng

• Điều khiển chiều DC Motor bằng mạch cầu H: Mạch cầu H rất được nhiều đội

thi Robocon sử dụng bởi tỉnh đơn giản của nó, sở dĩ nó có tên mạch cầu H vì sơ

đồ của nó có hình chữ H:

Hình 2.9: Mạch cầu H.

Trước hết ta xét trường hợp xoay thuận của DC Motor, ta lấy một ví dụ: Trongđoạn mạch dưới đây, tưởng tượng rằng đoạn mạch là một chiếc cầu và hãy xem nhữngtransistor Q1, Q2, Q3, Q4 là những khúc cầu bị gãy, người ta bắt đầu đi từ nguồn điệnđến mass, một chiếc cầu nếu bị gãy thì người ta sẽ không thể qua đựơc do đó người ta

sẽ không thể đi qua các điển Q1, Q2, Q3, Q4 Khi mà nhà nước nghe tin cầu gẫy thì sẽcho kĩ sư sữa cầu đến sữa cầu bằng đường “thuận” và theo đường “thuận” chỉ sữa đượcnhững điểm Q1, Q4.Sau khi sữa xong thì cầu đã liền lại các điểm Q1,Q4 do đó người

ta có thể đi từ nguồn điện đến Mass bằng đường nguồn điện DC Motor Q1 Q4 Mass Bây giờ trở lại thực tế.Ta thay thế người điqua cầu bằng dòng điện, những đoạn cầugãy Q1, Q2, Q3, Q4 là những transistor và những kĩ sư sữa cầu là dòng điện 3V đượctruyền đến theo đường dây “thuận”, đường thuận là đuờng dây màu đen, như đã môphỏng như trên thì dòng điện sau khi đựơc khai thông sẽ chay qua motor làm motorquay:

Bây giờ, ta xét trường hợp xoay nghịch của DC Motor, cũng trong đoạn mạchtrên, tưởng tượng rằng đoạn mạch là một chiếc cầu và hãy xem những transistor Q1,Q2, Q3, Q4 là những khúc cầu bị gãy, người ta bắt đầu đi từ nguồn điện đến mass, mộtchiếc cầu nếu bị gãy thì người ta sẽ không thể qua đựơc do đó người ta sẽ không thể điqua các điểm Q1, Q2, Q3, Q4 Khi mà nhà nước nghe tin cầu gãy thì sẽ cho kĩ sư sữacầu đến sữa cầu bằng đường “nghịch” và theo đường “nghịch” chỉ sữa được nhữngđiểm Q2,Q3 Sau khi sữa xong thì cầu đã liền lại các điểm Q2, Q3 do đó người ta cóthể đi từ nguuồn điện đến Mass bằng đường nguồn điện DC Motor Q2 Q3 Mass Bâygiờ trở lại thực tế Ta thay thế người đi qua cầu bằng dòng điện, những đoạn cầu gãyQ1, Q2, Q3, Q4 là những transistor và những kĩ sư sữa cầu là dòng điện 3V đượctruyền đến theo đường dây “nghịch”, đường dây nghịch là những đường màu đỏ, như

đã mô phỏng như trên thì dòng điện sau khi đựơc khai thông sẽ chay qua motor làmmotor quay Đó là cách mà mạch cầu H – Brigh hoạt động

• Điều khiển DC Motor bằng Role (Relay):

Role (Relay) là một IC đựơc cấu tạo bởi 1 mạch điện có 1 đoạn mạch nối với 1 cái bản

lề đuợc mở hoặc đóng nhờ 1 một cuộn dây nam châm

Hình 2.10: Rơ le và sơ đồ nguyên lý.

Nguyên lí hoạt động là cuộn dây khi có dòng diện sẽ hút các thanh (mình nghĩ là sắtnên nó mới hút đựơc) kim loại về phía cuộn dây lập tức 2 thanh kim loại này sẽ rời bỏ

2 đầu dây cũ và tiếp xùi 2 đầu dây khác:

- Ta xét hình thứ 1:

Hình 2.11: Cuộn nam châm chưa có dòng điện đi qua.

Lúc này khi chưa có dòng điện đi qua cuộn dây nam châm (2 cực đều là x ), các thanhkim loại (thanh màu đen ấy ) đều nối đầu 1 đến đầu a , đầu 2 đến đầu c, do vậy dòngđiện chỉ đi từ đầu 1 đến đầu a và đầu 2 đến đầu c

- Ta xét hình thứ 2:

Hình 2.12: Cuộn nam châm có dòng điện đi qua.

Lúc này đã có dòng điện đi qua cuộn dây nam châm và cuộn dây sẽ hút các thanh kimloại về phía cuộn dây, do đó các thanh kim loại lúc này sẽ nối từ đầu 1 đến dầu b vàđầu 2 đến đầu c, do vậy dòng điện chỉ đi từ đầu 1 đến đầu b và đầu 2 đến đầu c

Qua nhưng gì bạn đã thấy ở trên thì chúng ta kết luận rằng: nguyên lý hoạt động củaRole là biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua quộn dây, từ trường lại tạo thànhlực cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đóng mở côngtắc, đóng mở các hành trình của một thiết bị tự động

Ứng dụng Role vào mạch điều khiển chiều quay cho DC Motor:

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý.

Ta xem đoạn mạch trên có 2 đoạn dây cần nối với nhau là dây ROLE1 nối vớidây ROLE1 và dây PWM1 nối với dây PWM1.dây role là dây điều khiển tín hiệuchiều của động cơ.Nếu dây ROLE1 chuyền đến tín hiệu 12V thì động cơ quay chiềuthuận.Nếu ROLE1 chuyền đến tín hiệu < 11 V thì Motor quay theo chiều nghịch,DâyPWM1 là chuyện tínhiệu xung để điều khiển vận tốc của động cơ, cái này thì mình sẽnói sau Ngoài ra trên mạch còncó IRF540 con FET này dùng để bảo vệ cho Role mổikhi xoay chiều (con này bắt buộc phải có) - Như vậy chúng ta đã được biết 2 cáchphổ biến nhất đến điều khiển chiều quay của động cơ rồi

 Động cơ bước (Stepper Motor)

Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệtgọi là động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụngkhác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động

cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kếtiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khảnăng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết

Như hình 2.14 minh họa: Bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếptheo cặp đối xứng qua tâm Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng Động cơ bướchoạt động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường: Các cực cùng dấu đẩy nhau và các cựckhác dấu hút nhau Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà từ trườngnày là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên Khi hướng của dòng thay đổi thìcực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảochiều)

Hình 2.14: Bên trong động cơ bước.

Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điềukhiển vào Stator theo một thứ tự nhất định và một tần số nhất định Tổng số góc quaycủa Rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay củaRotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dâyStator (phần ứng) của động cơ bước, thì Rotor (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi mộtgóc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Ở đây ta có thể định nghĩa về gócbước (Step Angle) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định

Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì Rotor

sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bước rời rạc)

Hình 2.16: Cấu tạo của động cơ bước.

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện hay thiết bị số(Digital Device) mà ở đó các thông tin được số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thànhchuyển động quay theo từng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã

số hóa mà máy tính yêu cầu

Hình 2.16: Một xung tương ứng với một bước của rôto (1 xung – 1 bước).

Hình 2.17: Mô tả tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động cơ bước.

Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước không có cuộndây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, Rotor của động cơbước có thể được kích thích (Rotor tích cực) hoặc không được kích thích (Rotor thụđộng)

Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực: