THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ĐÁNH BÓNG BÀN

Mục tiêu của đề tài sẽ thiết kế và điều khiển cánh tay robot đánh trả lại bóng. Cánh tay phải hoạt động êm ái, không bị rung lắc và đáp ứng kịp tốc độ của quả bóng.Các nhiệm vụ cần phải thực hiện của luận văn bao gồm: Tìm hiểu tổng quan về robot đánh bóng bàn. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế cánh tay robot. Thiết kế và hoàn thiện mô hình cánh tay robot. Phân tích động học cánh tay Xác định và dự đoán quỹ đạo của quả bóng. Thực hiện quá trình điều khiển realtime cho cánh tay đánh trả được quả bóng.Luận văn sẽ giới hạn trong việc xây dựng mô hình robot sáu bậc tự do có khả năng đánh trả lại bóng với tốc độ từ 35ms trong trường hợp bóng không xoáy.

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Khoa học kĩ thuật đã phát triển nhanh chóng trong hơn ba chục năm trở lại đây, đặc biệt là các ngành thị giác máy tính, trí tuệ nhân tạo, phần cứng robot và đã tạo sự phát triển vượt bậc trong ngành robotic Bây giờ, thuật ngữ “robot” không còn giới hạn

là các loại robot công nghiệp Các robot bây giờ có thể hoạt động rong các môi trường khác nhau, đáp ứng lại sự thay đổi liên tục của môi trường, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Các robot hoạt động trong môi trường thay đổi phải có khả năng nhận biết được môi trường,dự đoán các hoạt động sắp xảy ra và thực hiện các hành động để đáp ứng lại sự thay đổi đấy Robot đánh bàn bàn là một loại mô hình robot thực hiện các chức năng như trên Đề tài luận văn sẽ phát triển một mô hình cánh tay robot có khả năng đánh trả lại bóng

Nội dung đề tài bao gồm tính toán thiết kế cơ khí, phân tích bài toán động học, xây dựng các hệ thống thị giác để xác định tọa độ bóng từ đó dự đoán được quỹ đạo của bóng dựa trên các mô hình vật lí Sau cùng sẽ điều khiển cánh tay đánh trả lại bóng Do giới hạn về thời gian và kinh phí, đề tài chỉ giới hạn việc xây dựng các mô hình trong trường hợp bóng không xoáy và vận tốc của bóng từ 3 đến 5m/s Đề tài sử dụng hai camera do đó yêu cầu cần phải đảm bảo dữ liệu được đồng bộ và quá trình điều khiển robot đáp ứng được thời gian thực, do đó đề tài thực hiện việc lập trình song song sử dụng pthread trên hệ điều hình Linux giúp quản lí thời gian và đồng bộ dữ liệu dễ dàng hơn Các giải thật xử lí sẽ tập tung vào tính chính xác và thời gian xử lí nhanh để bắt kịp tốc độ di chuyển của bóng Quỹ đạo chuyển động của robot được thiết lập trong không gian các góc khớp và chia thành các giai đoạn khác nhau giúp robot di chuyển tốt hơn, tránh rung lắc

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

TÓM TẮT LUẬN VĂN i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG ix

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Cấu hình hệ thống robot đánh bóng bàn 2

1.2 Hệ thống thị giác 4

1.3 Hệ thồng điều khiển 7

1.3.1 Dự đoán quỹ đạo quả bóng đang tới 8

1.3.2 Xác định tư thế và vận tốc của vợt tại thời điểm chạm bóng 8

1.3.3 Lập kế hoạch chuyển động cho robot 9

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài 10

1.4.1 Mục tiêu 10

1.4.2 Nhiệm vụ 10

1.4.3 Phạm vi đề tài 10

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 11

2.1 Lựa chọn số bậc tự do 11

2.2 Chọn cơ cấu truyền động 11

2.2.1 Truyền động trực tiếp 11

2.2.2 Truyền động qua bộ truyền đai răng 12

2.2.3 Truyền dộ qua bộ truyền bánh răng 12

2.3.1 Phương án sử dụng động cơ bước 13

2.3.2 Phương án sử dụng động cơ DC- servo 13

2.3.3 Phương án sử dụng động cơ RC servo 14

2.3.4 Phương án sử dụng động cơ AC- servo 15

2.4 Chọn bộ điều khiển 15

2.5 Lựa chọn camera 17

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 18

3.1 Mục tiêu thiết kế cơ khí 19

3.2 Tính toán công suất động cơ 19

3.2.1 Tính momen động cơ RC servo 19

3.2.2 Tính momen động cơ step 20

3.3 Tính toán bộ truyền đai răng cho khớp hai và ba 21

3.3.1 Thông số thiết kế 21

3.3.2 Tính toán thiết kế 21

3.3.3 Tính toán kiểm nghiệm 22

3.4 Tính trục bộ truyền đai răng 23

3.4.1 Thông số thiết kế 23

3.4.2 Tính toán thiết kế 24

3.4.3 Tính toán kiểm nghiệm 25

3.5 Chọn ổ bi cho trục bánh đai 26

3.6 Thiết kế và kiểm tra bền các khâu của cánh tay robot 27

3.7 Thiết kế và kiểm bền các chi tiết gá đỡ cánh tay 32

3.8 Kết luận 34

CHƯƠNG 4 ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT 35

4.1 Đặt hệ tọa độ 35

4.2 Bảng thông số D-H 35

4.3 Bài toán động học thuận 36

4.4 Động học ngược cánh tay robot 38

4.5 Ma trận Jacobian 41

4.6 Không gian làm việc và điểm kì dị của robot 45

4.7 Kết luận 46

CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG ĐIỆN 47

5.1 Sơ đồ điện 47

5.2 Mạch điều khiển TivaC 48

5.2.1 Đặc điểm nổi bật TM4C123GH6PM MCU 48

5.2.2 Module Timer 49

5.3 Động cơ RC servo 50

5.4 Driver và động cơ bước 51

5.5 Khối nguồn 53

CHƯƠNG 6 HỆ THỐNG THỊ GIÁC 54

6.1 Xác định vị trí của quả bóng trong ảnh 55

6.1.1 Subtract Background 53

6.1.2 Lấy ngưỡng HSV 56

6.1.3 Ngưỡng sử dụng đặc điểm về hình dạng 57

6.1.4 Cửa sổ động 59

6.2 Lập trình và tính toán song song 59

6.3 Xác định tọa độ 3D 60

6.3.1 Hệ thống camera 60

6.3.2 Mô hình camera Pinhole 62

6.4 Kết quả thực nghiệm 65

6.4.1 Calib Camera 65

6.4.2 Kết quả tính tọa độ 3D 67

6.5 Kết luận 68

CHƯƠNG 7 MÔ HÌNH VẬT LÍ DỰ ĐOÁN QUỸ ĐẠO QUẢ BÓNG 69

7.1 Mô hình khí động lực học (ADM) 70

7.2 Mô hình va chạm 72

7.2.1 Va chạm với bàn 72

7.2.2 Va chạm với vợt (RRM) 76

7.3 Dự đoán quỹ đạo của bóng 77

7.4 Kết quả thực nghiệm 78

7.4.1 Xác định hệ số của mô hình ADM 78

7.4.2 Xác định các hệ số của mô hình va chạm 78

7.4.3 Quỹ đạo thực nghiệm 80

7.5 Kết luận 83

CHƯƠNG 8 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 85

8.1 Xác định trạng thái của vợt tại điểm va chạm 86

8.2 Lập quỹ đạo chuyển động cho robot 90

8.2.1 Quỹ đạo di chuyển robot từ vị trí chờ đến vị trí chạm bóng 91

8.2.2 Quỹ đạo di chuyển robot đến lúc vận tốc bằng không 92

8.2.3 Quỹ đạo di chuyển robot đến vị trí chờ 92

8.3 Kết quả thực nghiệm 93

8.4 Kết luận 97

PHỤ LỤC 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống robot chơi bóng bàn 2

Hình 1.2: 6 DOF Robot (Andersson, 1988) 3

Hình 1.3: 5 DOF Robot (Acosta, 2003) 3

Hình 1.4: 4 DOF Robot (Miyazaki, 2005) 3

Hình 1.5: Robot 4 bậc tự do (Liu et al in 2008) 4

Hình 1.6: 5 DOF Robot (Yang et al in China in 2010) 4

Hình 1.7: Nhiệm vụ hệ thống điều khiển 7

Hình 1.8: Mô tả quá trình điều khiển vợt 9

Hình 1.9: Kế hoạch chuyển động của robot 9

Hình 2.1: Cấu hình robot 11

Hình 2.2: Động cơ bước 13

Hình 2.3: Động cơ DC servo 13

Hình 2.4: RC servo 14

Hình 2.5: Động cơ AC servo 15

Hình 2.6: Vi điều khiển TM4C123GH6PM 16

Hình 2.7: Bộ xử lý ảnh công nghiệp của hãng Keyence 16

Hình 3.1: Sơ đồ truyền động của robot 18

Hình 3.2: Phân tích lực tác dụng 24

Hình 3.3: Biểu đồ momen 25

Hình 3.4: Đặc tính ổ bi 608zz 27

Hình 3.5: Thiết kế khâu 2 28

Hình 3.6: Thiết kế khâu 3 28

Hình 3.7: Ứng suất khâu 2 khi chịu nén 29

Hình 3.8: Chuyển vị khâu 2 khi chịu nén 29

Hình 3.9: Ứng suất khâu 2 khi chịu uốn 30

Hình 3.10: Chuyển vị khâu 2 khi chịu uốn 30

Hình 3.11: Ứng suất khâu hai khi xét thêm lực quán tính 30

Hình 3.12: Chuyển vị khâu hai khi xét thêm lực quán tính 31

Hình 3.13: Ứng suất khâu ba 31

Hình 3.14: Chuyển vị khâu ba 31

Hình 3.15: Cụm chi tiết gá động cơ và bánh đai 32

Hình 3.16: Kết cấu cụm gá bánh đai và động cơ 32

Hình 3.17: Chi tiết đế tròn 33

Hình 3.18: Phân tích ứng suất chi tiết gá động cơ 33

Hình 3.19: Phân tích ứng suất chi tiết đế tròn 34

Hình 3.20: Mô hình 3D hoàn chỉnh 34

Hình 4.1: Hệ tọa độ cánh tay robot 35

Hình 4.2: Không gian làm việc của robot 46

Hình 5.1: Sơ đồ điện của hệ thống 47

Hình 5.2: Vi điều khiển TivaC TM4C123GH6PM 48

Hình 5.3: Tên các Timer và các chân CCP tương ứng 49

Hình 5.4: Sơ đồ xung điều khiển động cơ RC servo 50

Hình 5.5: Sơ đồ khối Driver Leashine DM542-05 51

Hình 5.6: Sơ đồ kết nối driver với động cơ và điều khiển 52

Hình 6.1: Hoạt động của hệ thống thị giác 54

Hình 6.2: Quá trình xử lí ảnh 55

Hình 6.3: Hình ảnh trước khi xử lí 57

Hình 6.4: Hình ảnh sau khi áp dụng ngưỡng HSV và Subtract Background 57

Hình 6.5: Hình ảnh sau khi thực hiện lấy đường viền 58

Hình 6.6: Kết quả sau khi lấy ngưỡng về hình dáng 58

Hình 6.7: Xử lí song song 60

Hình 6.8: Hệ thống Camera 61

Hình 6.9: Phương pháp tam giác 61

Hình 6.10: Phần chung của 2 camera 62

Hình 6.11: Mô hình camera Pinhole 62

Hình 6.12: Bố trí camera thực tế 65

Hình 6.13: Hình ảnh calib camera 1 67

Hình 6.14: Hình ảnh calib camera 2 67

Hình 7.1: Quỹ đạo chuyển động của bóng 69

Hình 7.2: Hệ tọa độ của bàn, vợt và bóng 70

Hình 7.3: Lực tác dụng vào bóng 70

Hình 7.4: Vận tốc bóng trước và sau va chạm 72

Hình 7.5: Mô hình va chạm với vợt 76

Hình 7.6: Xác định hệ số et 79

Hình 7.7: Xác định hệ số kt 79

Hình 7.8: Xấp xỉ tọa độ quả bóng theo đường cong bậc hai 81

Hình 7.9: Quỹ đạo dự đoán của quả bóng 82

Hình 8.1: Các công việc cần xử lí của hệ thống robot đánh bóng bàn 85

Hình 8.2: Chuyển động va chạm của bóng 88

Hình 8.3: Kế hoạch chuyển động của robot 90

Hình 8.4: Đồ thị thể hiện vận tốc và góc xoay của các khớp 96

Hình 8.5: Một số tư thế của robot khi đánh trả 98

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Sự phát triển hệ thống thị giác cho robot đánh bóng bàn 5

Bảng 2.1: Bảng so sánh các bộ xử lý ảnh 16

Bảng 2.2: Bảng so sánh các loại camera 17

Bảng 3.1: Khối lượng các chi tiết của robot 19

Bảng 3.2: Đặc tính của hợp kim nhôm 1060 28

Bảng 4.1: Thông số D-H 35

Bảng 5.1: Thông số điện áp nguồn cấp cho hệ thống 53

Bảng 6.1: Một số kết quả xác định tọa độ 3D của bóng 68

Bảng 7.1: Tọa độ của bóng theo thời gian 80

Bảng 7.2: Kết quả thực nghiệm 83

Bảng 8.1: Giá trị thực nghiệm vận tốc của cánh tay 96

Bảng A.1: Số liệu quỹ đạo thực nghiệm của quả bóng 99

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Trong những thập niên trở lại đây, các robot hoạt động trong môi trường động (dynamic), không cấu trúc ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của giới khoa học Không giống như các loại robot sử dụng trong công nghiệp chỉ thực hiện một công việc

cố định, lặp đi lặp lại trong môi trường cấu trúc, các robot hoạt động trong môi trường động phải nhận thức được môi trường xung quanh bằng hệ thống cảm biến, dự đoán trước xu hướng của các đối tượng và lập kế hoạch đường đi để tương tác lại sự thay đổi của môi trường

Robot đánh bóng bàn là một trường hợp của robot hoạt động trong môi trường không cấu trúc Để có thể đánh trả lại bóng về phía đối thủ, robot phải xác định được qũy đạo chuyển động của quả bóng, lập kế hoạch chuyển động, điều khiển vận tốc và tư thế của vợt để có thể trả lại bóng với vận tốc và vị trí mong muốn bên phần sân đôi thủ Các nghiên cứu về robot đánh bóng bàn được bắt đầu quan tâm kể từ những năm

80 của thế kỉ trước khi mà Giáo sư John Billingsley ở đại học Portsmouth bắt đầu cuộc thi về robot chơi bóng bàn[1] Kể từ đó, các nghiên cứu về robot chơi bóng bàn đã trở thành một đề tài nóng bởi độ khó và các thách thức về vấn đề thị giác, real-time và điều khiển thông minh Robot chơi bóng bàn đầu tiên là do Andersson thuộc phòng thí nghiệm AT&T Bell phát triển năm 1988 [1] Sau đó đã có rất nhiều các robot được nghiên cứu và phát triển Cùng với sự phát triển của khoa học, kĩ thuật thì các robot ngày càng hoàn thiện và hoàn toàn có thể chơi cùng với con người Năm 2011, tại đại học Zhejiang đã phát triển một hệ thống humanoid robot có khả năng tự thi đấu bóng bàn với nhau và có thể chơi cùng với con người Đặc biệt vào năm 2013, hãng KUKA

đã công bố một video về một trận đấu thực thụ giữa robot với ngôi sao bóng bàn số một thế giới Timo Boll Ở Việt Nam công ty Tosy cũng đang phát triển một robot hình người chơi bóng bàn với tên gọi là TOPIO, robot này đã trải qua ba phiên bản và đang được cải thiện, hiện tại robot đã có thể chơi bóng ở mức độ cơ bản Một cái nhìn tổng thể về các loại robot chơi bóng được được tổng hợp tại [2]

Một hệ thống robot đánh bóng bàn sẽ gồm ba phần chính: Hệ thống thị giác để nhận biết vị trí bóng, hệ thống điều khiển thực hiện chức năng dự đoán quỹ đạo, tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu tác động để đánh trả lại bóng

1.1 Cấu hình hệ thống robot đánh bóng bàn

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống robot chơi bóng bàn

Kể tử năm 1983 đến nay đã có nhiều mô hình robot khác nhau dùng để đánh trả lại bóng về phía đối thủ Hầu hết các hệ thống đều là các cánh tay robot, với năm đến bảy bậc tự do dùng để điều khiển vị trí và hướng của vợt Số bậc tự do càng cao, tay máy càng linh hoạt, việc đánh trả lại bóng sẽ dễ dàng và mượt mà hơn Số lượng camera có thể là một, hai hay thậm chí bốn camera Tuy nhiên hầu hết các hệ thống sử dụng hai bóng camera để xác định vị trí quả Hình 1.2 là hệ thống của thập kỉ 80 của thế kỉ trước, được phát triển bởi Andersson Hệ thống là một cánh tay PUMA 260, 6 bậc tự do cùng với bốn camera để phát hiện quả bóng Đây là robot đầu tiên có khả năng chơi cùng với con người

Năm 2003, L Acosta [3] xây dựng robot với chi phí thấp sử dụng hai vợt như trên Hình 1.3 Robot có 5 bậc tự do, sử dụng 1 camera để xác định vị trí 3D của quả bóng dựa trên quan hệ hình học giữa trái banh và bóng của nó Thực tế, robot có thể đánh trả lại bóng bay với tốc độ nhỏ ( < 5m/s) Tuy nhiên kích thước của bàn chỉ một nữa so với thực tế

Hình được 1.4 là một hệ thống phát triển bởi Miyazaki, có 4 bậc tự do, trong đó 2 bậc dùng để di chuyển robot trong mặt phẳng ngang và hai bậc còn lại dùng để điều hướng cho robot Hệ thống sử dụng camera stereo để đo vị trí quả bỏng từ hình ảnh thu được Tần số của camera là 1/60s Hệ thống robot này có thể đánh trả lại bóng với vị trí

Hình 1.2: 6 DOF Robot (Andersson, 1988)

Hình 1.3: 5 DOF Robot (Acosta, 2003)

Hình 1.4: 4 DOF Robot (Miyazaki, 2005)

Hệ thống trong hình 1.5 dựa trên hệ thống SCARA robot, có bốn bậc tự do Trong

đó ba bậc dùng để di chuyển robot theo các phương x,y,z Bậc tự do còn lại dùng để điều khiển khớp cổ tay Hai camera với tần số 60fps được sử đụng để xác định quỹ đạo quả bóng và bo mạch Intel’s Integrated Performance Primitives được sủ dụng cho việc

xử lí hình ảnh

Hình 1.5: Robot 4 bậc tự do (Liu et al in 2008)

Hình 1.6: 5 DOF Robot (Yang et al in China in 2010)

Hình 1.6 thể hiện một mô hình năm bậc tự do phát triển bởi viện tự động hóa, Học viện khoa học Trung Quốc Robot có thể di chuyển vợt theo ba phương x,y,z như hình (a) và xoay vợt theo góc pitch và yaw như hình (b)

Thực tế, các robot cần 5 bậc tự do để có thể đánh lại quả bóng về phía đối thủ Trong đó 3 bậc tự do dùng để di chuyển vợt theo các phương x,y,z và 2 bậc cho hướng xoay của vợt (pitch và yaw) Tuy nhiên các robot với số bậc tự do lớn hơn giúp tăng sự linh hoạt cho chuyển động đánh trả bóng, tránh được điểm kì dị trong quá trình lập kế hoạch chuyển động

1.2 Hệ thống thị giác

Hệ thống thị giác giống như mắt người, được sử dụng để xác định vị trí 3D và vận tốc của quả bóng Từ đó tiên đoán được quỹ đạo của bóng, lập kế hoạch chuyển động cho robot để đánh lại bóng Do đó sự chính xác của hệ thống thị giác là hết sức quan

trọng vì nó sẽ quyết định trực tiếp đến sự chính xác của các giai đoạn dự đoán và điều khiển robot

Hệ thống thị giác bao gồm camera và phần cứng dùng để xử lí hình ảnh( PC hay một bộ xử lí đặc biệt) Bảng 1.1 liệt kê các hệ thống thị giác được phát triển từ năm

1988

Số lượng camera có thể là một, hai hay nhiều hơn Khi sử dụng một camera, chỉ

có một hình ảnh được gửi đến bộ xử lí, quá trình xử lí đơn giản mà chiếm ít chi phí Tuy nhiên cần có một số điều kiện khác về đèn chiếu sáng và bóng của quả banh do đó cần

có một yêu cầu nghiêm ngặc về điều kiện môi trường Sử dụng nhiều camera hơn sẽ giúp robot có thể hoạt động ở các điều kiện khác nhau và tăng độ chính xác, Bù lại công việc tính toán sẽ trở nên phức tạp, mất nhiều thời gian, đồi hỏi yêu cầu cao về bộ xử lí, đồng bộ dữ liệu, calib camera… Hầu hết các hệ thống hiện nay sử dụng hai camera

Bảng 1.1: Sự phát triển hệ thống thị giác cho robot đánh bóng bàn

2007 Quanta-View Inc 2 camera 60Hz, Intel Xeon processors

Trạng thái của quả bóng bao gồm ba thông số cơ bản: vị trí, vận tốc và vận tốc góc Trong đó vận tốc và vận tốc góc sẽ quyết định đến chiến thắng của người chơi Tuy nhiên, cho đến hiện tại, các hệ thống thị giác chỉ mới xác định tương đối chính xác vị trí

và vận tốc của quả bóng, việc xác định vận tốc góc vẫn còn là một công việc thách thức Zhang [3] trình bày một phương pháp theo dõi quả bóng trong đó vị trí của quả bóng được xác định thông qua sự khác nhau giữa hai khung hình liên tiếp Tuy nhiên phương pháp dựa trên giả định rằng vận tốc góc của quả bóng nhỏ, chỉ khoảng 0-20rad/s Nguyên nhân là bởi vì chưa có một hệ thống thị giác cùng với các giải thuật dùng để xác định chính xác vận tóc xoay của quả bóng ở tốc độ cao Trong các trận đâu bóng bàn, vận tốc của quả bóng là từ 4-30m/s Tuy nhiên đối với robot, vận tốc quả bóng thường nhỏ hơn 7m/s Bởi vì nếu vận tốc lớn hơn, thời gian còn lại cho robot đáp ứng để đánh trả bóng là ngắn Thực tế, nếu vận tốc của bóng là 5-7m/s, thời gian từ lúc phát hiện quả bóng tới lúc robot đánh trả lại là khoảng 400-600ms Robot cần khoảng 300-500s để di chuyển vớt đến vị trí chạm bóng Do đó công việc detect bóng phải được hoàn thành trong thời gian vài mili giây ( thời gian từ lúc camera thu hình ảnh đến lúc cho ra kết quả xử lí khoảng 80ms), đây là một vấn đề thách thức về phần cứng và giải thuật Trong thi đấu bóng bàn, vận tốc xoay của quả bóng sẽ tạo nên các kĩ thuật và các đường bóng có quỹ đạo thay đổi đột ngột giúp tạo nên chiến thắng cho người chơi Vì vậy robot khó có thể đấu với một tay chơi bóng chuyên nghiệp nếu không điều khiển được bóng xoáy Vận tốc góc của quả bóng ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo của quả bóng như thể hiện ở [4] dựa vào sử dụng mô hình khí động học và so sánh với số liệu thực tế

Do đó việc xác định ảnh hưởng của vận tốc góc là cần thiết Để có thể thực hiện một trận đấu thực thụ với con người, robot phải xác định được quả bóng xoáy và có khả năng đánh trả bóng xoáy

Có nhiều nghiên cứu về xác định vận tốc xoay của quả bóng xoáy Watanabe [5]

đề xuất một giải thuật dùng để phát hiện nhiều đặc điểm trên quả bóng với một chip xử

lí tốc độ cao Các kết quả thực nghiệm về xác định vận tốc xoay của quả bóng theo thời gian thực được trình bày Giải thuật dựa trên việc xác định các đặc điểm của quả bóng trong ảnh 2D và thực hiện kết nối các đặc điểm (feature matching) giữa hai khung ảnh liên tiếp Sau đó xác định tọa độ 3D của tâm mỗi đặc điểm mà dùng để ước lượng vận tốc xoay của quả bóng Kết quả thu được khá tốt; tuy nhiên kết quả thực nghiệm cho thấy vận tốc góc của quả banh nhỏ hơn 1200rpm Trong khi đó vận tốc thực tế trong các trận đấu trung bình khoảng 3000rpm (vận tốc của trái banh là khác nhau tùy vào từng

kỹ thuật (2400-5100, xoáy sau), (1800-4800, xoáy trước), (300-4500 top spin reserve), (5400-9600 high loop), (6000-9600 forward loop) [6]

Một số nghiên cứu khác sử dụng kết hợp các bộ lọc để ước lượng giá trị vận tốc xoay của trái bóng Hu Su [7] sử dụng bộ lọc Fuzzy để xác định chính xác tọa độ 3D của bóng, từ đỏ sử đụng mô hình khí động học để xác định vận tốc và vận tốc xoay của quả bóng Jared Glover [8] sử dụng bộ lọc Quaternion Bingham cùng với việc nhận biết nhãn hiệu có sẵn trên quả bóng để ước lượng vận tốc xoay của nó Yifeng Zhang [9] sử dụng một bộ lọc Extend Kalman filter Các camera được sử dụng thường là camera có tốc độ cao (900 fps [9]) và kết hợp với các đặc điểm có trên quả bóng như các nhãn hiệu hay các vệt được vẽ thêm

1.3 Hệ thồng điều khiển

Hệ thống điều khiển trong robot hoạt động động giống như não bộ con người khi thực hiện một trận đấu bóng Bộ não phải thực hiện phân tích quỹ đạo quả bóng tới, suy nghĩ chiến lược để đánh trả lại bóng Tương tự, “bộ não” của robot sẽ thực hiện các công việc sau:

• Dự đoán quỹ đạo quả bóng đang tới

• Xác định tư thế và vận tốc của vợt tại thời điểm chạm bóng

• Lập kế hoạch chuyển động cho robot để đánh trả lại bóng với vị trí mong muốn trên phần sân đối thủ

• Điều khiển robot theo kế hoạch chuyển động

Hình 1.7: Nhiệm vụ hệ thống điều khiển

1.3.1 Dự đoán quỹ đạo quả bóng đang tới

Sau khi thu thập thông tin về quả bóng từ hệ thống thị giác, bộ điều khiển bắt đầu

dự đoán quỹ đạo quả bóng Việc dự đoán gồm hai mục đích chính: 1) xác định vị trí và thời gian chạm bóng; 2)xác định các thông số trạng thái của quả bóng trước lúc chạm vợt Sau khi quả bóng đước đánh trả bởi đối thủ, nó sẽ bay trong không khí va chạm với bàn sau đó quay trở lại không khí Do đó để xác định quỹ đạo của quả bóng cần phải xây dựng được mô hình chuyển động của quả bóng trong không khí và khi va chạm với mặt bàn Trong các mô hình này, vận tốc xoáy của quảbóng có ảnh hưởng lớn đối với quỹ đạo và trạng thái của quả bóng, việc ước lượng chính xác vận tốc xoay sẽ quyết định đến độ chính xác của quỹ đạo Tuy nhiên một số mô hình đơn giản sẽ bỏ quả vận tốc này và đương nhiên sẽ không áp dụng được cho trường hợp bóng xoáy [3, 10]

1.3.2 Xác định tư thế và vận tốc của vợt tại thời điểm chạm bóng

Hãy xem xét một người chơi sẽ làm gì sau khi quyết định điểm đánh trả bóng Họ

sẽ nghĩ làm cách nào để sử dụng vợt đánh trả bóng tới một vị trí mong muốn bên phía đối thủ và cũng có thể mong muốn đạt được một vận tốc mong muốn ở vị trí đấy Tương

tự robot cũng cần phải xác định vận tốc và tư thế ( vị trí và hướng) tại thời điểm chạm bóng để có thể đưa quả bóng đến vị trí mong muốn

Có nhiều phương pháp khác nhau để giải quyết vấn đề Hình 1.8 mô tả phương pháp sử dụng các mô hình khí động lực học và mô hình va chạm với vợt để xác định vận tốc và điểm va chạm khi chạm bóng Chunfang LIU [11] sử dụng các giải thiết về bảo toàn động lượng, các tính chất đàn hồi của vợt để xác định vận tốc và tư thể của vợt thông qua phương pháp hai điều kiện biên Miyazaki [12] đề xuất phương pháp sử dụng

ba biểu đồ input-ouput tương ứng với mô hình khí động lực học và mô hình va chạm với vợt Biểu đồ được xây dựng dựa trên thực nghiệm chứ không phải dựa vào mô hình vật lí Yang [13] xác định vận tốc của vợt thông qua vận tốc của quả bóng trước khi va chạm và vận tốc mong muốn sau khi va chạm và xét đến năng lượng bị mất mát Để xác định tư thế của vợt, góc pitch được giữ cố định và xác định góc yaw của vợt thông qua góc tới của quả bóng cùng với quy luật phản xạ thông thường

Hình 1.8: Mô tả quá trình điều khiển vợt 1.3.3 Lập kế hoạch chuyển động cho robot

Công việc tiếp theo là lập kế hoạch chuyển động cho robot Việc lập kế hoạch chuyển động cho robot đánh bóng bàn khác với các robot công nghiệp dựa trên tối ưu hóa thời gian chuyển động Đối với robot chơi bóng bàn, để đánh trả lại quả bóng thành công với vận tốc và vị trí mong muốn, robot phải đạt được trạng thái yêu cầu ở thời điểm

va chạm Do đó yêu cầu đối với robot là tối ưu hóa chuyển động dưới ràng buột thời gian cho trước Trạng thái của robot khi va chạm bao gồm vị trí, vận tốc và góc nghiêng của vợt mà đã được xác định từ bước trước đó

Chuyển động của robot sẽ gồm bốn giai đoạn được lặp lại như sau: di chuyển robot

từ vị trí chờ đến vị trí chạm bóng, va chạm với bóng, di chuyển tới lúc vận tốc vợt bằng không, quay trở về vị trí chờ (Hình 1.9) Hầu hết các quỹ đạo của robot thường là các

đa thức bậc năm được biểu diễn từ thời điểm bắt đầu đến kết thúc

Hình 1.9: Kế hoạch chuyển động của robot

Tuy nhiên, phương pháp nội suy đa thức không tính đến khả năng của động cơ Để tăng khả năng sử dụng của động cơ, [14] đề xuất phương pháp tăng tốc trong một thời gian cố định bằng đa thức bậc ba và [10] sử dụng một poly line cho vận tốc

Ở [31, 32], học cách chuyển động của con người khi chơi robot và sau đó dạy cho robot bắt chước theo

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài

- Tìm hiểu tổng quan về robot đánh bóng bàn

- Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế cánh tay robot

- Thiết kế và hoàn thiện mô hình cánh tay robot

- Phân tích động học cánh tay

- Xác định và dự đoán quỹ đạo của quả bóng

- Thực hiện quá trình điều khiển real-time cho cánh tay đánh trả được quả bóng

1.4.3 Phạm vi đề tài

Với điều kiện hiện có, luận văn sẽ giới hạn trong việc xây dựng mô hình robot sáu bậc tự do có khả năng đánh trả lại bóng với tốc độ từ 3-5m/s trong trường hợp bóng không xoáy

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn số bậc tự do

Để có thể đánh trả lại bóng robot cần có ít nhất năm bậc tự do Trong đó ba bậc dùng để xác định vị trí và hai bậc còn lại dùng để xác định hướng của vợt Tuy nhiên số bậc tự do lớn hơn sẽ làm cho robot linh hoạt hơn, mở rộng không gian làm việc và tránh được điểm kì dị Tuy nhiên với số bậc tự do lớn hơn sáu, thì việc điều khiển sẽ khó khăn hơn do bị dư bậc tự do, phương trình động học ngược không có được lời giải cụ thể bằng phương pháp giải tích hay hình học Khi được đó bài toán động học ngược được giải thông qua các phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng Quá trình này tốn nhiều thời gian và do đó không thích hợp cho điều khiển real-time để đáp ứng thời gian đánh trả

Do đó đề tài sẽ lựa chọn phương án sử dụng sáu bậc tự do có cấu hình như Hình 2.1 Trong đó ba trục của khâu cuối sẽ giao nhau để có thể tìm được lời giải chính xác của bài toán động học ngược

Hình 2.1: Cấu hình robot 2.2 Chọn cơ cấu truyền động

Các cơ cấu truyền động có thể sử dụng bao gồm: truyền động trực tiếp, truyền động bằng đai răng, truyền động bằng bánh răng

2.2.1 Truyền động trực tiếp

Ưu điểm:

Kết cấu đơn giản, không cần thêm các chi tiết, tiết kiệm chi phí

Nhược điểm:

- Không thay đổi được tốc độ và momen của động cơ

- Rung động của động cơ ảnh hưởng đến các bộ phận khác

2.2.2 Truyền động qua bộ truyền đai răng

Ưu điểm:

- Truyền động được momen và tốc độ lớn

- Khoảng cách truyền lớn Hoạt dộng êm ái, ít gây ra rung động

- Hiệu suất truyền cao (0.97-0.99)

Nhược điểm:

- Kích thước bộ truyền lớn, không có bảo vệ quá tải

2.2.3 Truyền dộ qua bộ truyền bánh răng

Ưu điểm:

- Hiệu suất cao

- Truyền được tốc độ và momen lớn, tỉ số truyền cao

Nhược điểm:

- Kết cấu phức tạp, yêu cầu khoảng cách trục chính xác

- Khó gia công chế tạo Thường phải đặt mua với giá thành cao

Kết luận: Từ những phân tích trên, bộ truyền đai răng với tỉ số truyền u = 2 sẽ

được chọn cho truyền động khâu hai và ba do yêu cầu momen cao Động cơ khớp một

sẽ được nối trực tiếp vào khâu một

2.3.1 Phương án sử dụng động cơ bước

- Xảy ra hiện tượng trượt bước khi quá tải

- Momen giảm mạnh khi tăng tốc độ động cơ

- Gây ra tiếng ồn khi làm việc

2.3.2 Phương án sử dụng động cơ DC- servo

Hình 2.3: Động cơ DC servo

- Độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của bộ điều khiển

2.3.3 Phương án sử dụng động cơ RC servo

- Các hộp số động cơ thường bị rơ

- Không bền, dễ bị hư, cháy bộ điều khiển

Hình 2.4: RC servo

2.3.4 Phương án sử dụng động cơ AC- servo

Hình 2.5: Động cơ AC servo

Ưu điểm:

- Điều khiển chính xác vị trí, vận tốc và moment

- Thường tích hợp sẵn driver do nhà sản xuất cung cấp giúp điều khiển chính xác hơn

- Dãy tốc độ điều khiển rộng

Nhược điểm:

- Sử dụng nguồn điện AC lớn hơn 100V nên cần đảm bảo an toàn về điện

- Giá thành cao, kích thước lớn

Kết luận: Từ những phương án nêu trên, động cơ bước sẽ được lựa chọn cho ba khớp

đầu do cần momen lớn và động cơ RC sẽ được sử dụng để điều hướng của vợt do yêu cầu momen không cao

2.4 Chọn bộ điều khiển

Bộ điều khiển sẽ thực hiện nhiệm vụ thu thập và xử lí hình ảnh camera và điều khiển hoạt động của cánh tay robot

Việc sử dụng các bộ xử lí khác nhau để đảm nhiệm các nhiệm vụ khác nhau là tối

ưu, làm tăng tốc độ xử lí Tuy nhiên do hạn chế về tài chính nên đề tài sẽ sử dụng chung một bộ điều khiển cho cả hai công việc là thu thập và xử lí hình ảnh Cánh tay robot sẽ được điều khiển thông qua vi điều khiển ARM TivaC dòng TM4C123GH6PM

Hình 2.6: Vi điều khiển TM4C123GH6PM

Những bộ xử lý ảnh thường dùng là máy tính và bộ điều khiển chuyên dụng

Hình 2.7: Bộ xử lý ảnh công nghiệp của hãng Keyence

(Nguồn: Keyence Corp.)

Dùng camera USB, webcam

Sử dụng camera công nghiệp Tính chuyên

dụng, lập trình

Lập trình dễ dàng, kết nối vi điều khiển tốt

Lập trình dễ dàng, đa dạng phần mềm hỗ trợ, kết nối vi điều khiển tốt

Lập trình dễ dàng trên phần mềm có sẳn của nhà sản xuất

Luận văn sẽ sử dụng phương án sử dụng máy tính có sẳn để xử lý ảnh và giao tiếp với vi điều khiển thông qua giao tiếp RS-232

Giá thành cao, chỉ sử dụng được cho các bộ xử lý chuyên dụng

USB camera

Giá thành thấp Dễ dàng sử dụng, kết nối trực tiếp với máy tính, gắn được các ống kính hỗ trợ (lens)

Khó tìm được camera có tốc độ cao

Webcam

Giá thành thấp Dễ dàng sử dụng, kết nối trực tiếp với máy tính

Độ nét thấp, không hỗ trợ các ống kính (lens).Tốc độ chụp không cao

Do sử dụng máy vi tính làm bộ xử lý ảnh và yêu cầu về chất lượng ảnh chụp và tốc độ hình ảnh chụp đủ nhanh ta chọn phương án sử dụng board camera USB với tốc

độ khung hình 60fps

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 3.1: Sơ đồ truyền động của robot

Hình 3.1 thể hiện sơ đồ truyền động của robot Khớp 1 sẽ được nối trực tiếp với động cơ Hai khớp hai và ba sẽ được dẫn động thông qua bộ truyền đai Các động cơ cho các khớp 4,5 và 6 sẽ không được thể hiện trên hình Dựa trên chiều dài của cánh tay con người, kích thước các khâu robot được chọn như sau:

Khâu 1: l1 =100mm

Khâu 2: l2 =240mm

Khâu 3: l3 =240mm

Khâu 5: l4 =250mm

3.1 Mục tiêu thiết kế cơ khí

Thiết kế cánh tay robot sáu bậc tự do di chuyển chắc chắc, không rung lắc, hoạt động lâu bền

Tay máy hoạt động đủ nhanh, đáp ứng được tốc độ bóng

3.2 Tính toán công suất động cơ

Bảng 3.1 là khối lượng của các thành phần có trong cánh tay Các động cơ phải cung cấp đủ momen để thắng được momen gây ra bởi trọng lực của động cơ và lực quán tính gây ra do chuyển động của cánh tay

Bảng 3.1: Khối lượng các chi tiết của robot

3.2.1 Tính momen động cơ RC servo

Để cho đồng bộ, các động cơ RC servo sẽ được chọn cùng một loại do đó có cùng công suất Các động cơ khớp số 5 và 6 sẽ chịu tải không đáng kể ( ma sát ổ lăn, lực quán tính khi di chuyển) Động cơ 4 sẽ chịu tải nặng nhất do phải nâng vợt và các động cơ khớp 5 và 6 Do đó momen sẽ được tính cho cặp động cơ khớp 4

Momen lớn nhất cặp động cơ khớp 4 phải chịu:

4 4

Do đó động cơ RC servo MG996R vớ momen tối đa là 12kg.cm sẽ dược chọn

3.2.2 Tính momen động cơ step

Động cơ step cũng được lựa chọn cùng một loại Do đó chỉ cần tính toán cho động

cơ số 2 chịu momen lớn nhất

Momen do động cơ 2 tạo ra phải lớn hơn momen gây ra bởi trọng lực của các phần còn lại của cánh tay, bao gồm:

2

10.240.8,9.10.100.2

3 3

2

240240.9,8

M M

105,

6 1 3 3

Ta chọn m = 2 theo tiêu chuẩn

• Với m = 2 ta chọn số răng z1 =15răng

m

d1 = 1 =2.15=30

mm mz

d d d

d a

49.4

30602

603049

.24

22

2 2

1 2 2

96,243

L

z p

Ta chọn z p =40răng theo tiêu chuẩn

Chiều dài răng sẽ là L=z p p=251,33mm

• Ta tính lại khoảng cách trục a=52,85mm

• Vận tốc vòng bánh đai

s m n

d

60000

100.3060000

1 1

T

30

925,1.10001000

q=1.64,17/10+30.0,1572 =7,16 /

Ta thấy q  [q] bộ truyền không đảm bảo bền Do đó tăng chiều rộng của đai lên thành b = 20mm.Khi đấy

][/

94,3157,0.3020/17,64

F g = =9,21

• Chọn vật liệu trục là thép C435, chọn ứng suất uốn cho phép [σ] = 70MPa

• Vẽ biểu đồ momen xoắn và uốn như hình 3.3

Trong mặt phẳng zy, phương trình cân bằng momen

034.24

.21,917

F F

Hình 3.3: Biểu đồ momen

• Tiết diện nguy hiểm tại điểm C

Mômen tương đương tại C:

Nmm T

M M

3378]

[1,0

3

34,33132

34.331

Momen cản xoắn

3 3

T

81,568.662

,1081,5.367.1

• Chọn ổ bi đỡ vì không có lực dọc trục với đường kính vòng trong d = 8mm

• Tải trong hướng tâm tác dụng lên ổ tại A: R A =32N

Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ tại B: R B =35,79N

R

Q=(1 B +0).1.1= B =35,79

• Thời gian làm việc tính bằng triệu vòng quay

2410

50.8000.6010

Q

t = =35,793 24 =103,24

Chọn ổ bi NKS 608zz với tải trọng động C = 3279N Hình 3.4 trình bày các đặc điểm của ổ bi 608zz

• Tuổi thọ tính theo công thức

353067279

,35

6

10.769,1150

.60

3530672

1060

3.6 Thiết kế và kiểm tra bền các khâu của cánh tay robot

Quá trình thiết kế và kiểm tra được thực hiện trên phần mềm Autodesk Inventor Cánh tay chỉ mang tải là vợt có khối lượng nhẹ (100g) do đó để giảm thiểu khối lượng cho các bộ phận nâng đỡ và yêu cầu về công suất động cơ, vật liệu được chọn là hợp kim nhôm 1060 Đặc tính của nhôm 1060 được thể hiện trong Bảng 3.2 Trong đó thông

số cần quan tâm đến là ứng sứng chảy dẻo [σ] Khi kiểm bền, giá trị ứng suất tối đa không được vượt quá giá trị này

Bảng 3.2: Đặc tính của hợp kim nhôm 1060

Các cánh tay chủ yếu chịu lực theo phương thẳng đứng nên thiết kế sẽ có dạng tấm mỏng, giúp chịu lực theo phương thẳng đứng Hình 3.5 và 3.6 thể hiện thiết kế của các khâu hai và ba của cánh tay

Hình 3.5: Thiết kế khâu 2

Hình 3.6: Thiết kế khâu 3

Sử dụng model Stress Analysis trên phần mềm Autodesk Inventer để tiến hành kiểm tra bền các khâu đã thiết kế

• Kiểm bền khâu hai

Khâu hai sẽ có hai trường hợp chịu lực: Khi nó nằm ngang hoàn toàn sẽ chịu lực uốn, khi nằm thắng đứng sẽ chịu lực nén Ta xem xét cả hai trường hợp

Trong trường hợp chịu nén, tiến hành dời lực về mặng phẳng của khâu và thêm momen, do đó bây giờ khâu hai sẽ chịu tác dụng đồng thời của lực nén và momen uốn Ứng suất và chuyển vị của khâu trong trường hợp này được thể hiện trên Hình 3.7 và 3.8 Ứng suất tối đa mà khâu hai phải chịu trong trường hợp này là 0,323 MPa nhỏ hơn ứng suất cho phép nhiều lần, do đó khâu hai đảm bảo bền

Hình 3.7: Ứng suất khâu 2 khi chịu nén

Hình 3.8: Chuyển vị khâu 2 khi chịu nén

Trong trường hợp chịu lực uốn, các ứng suất và chuyển vị được thể hiện trên Hình 3.9 và 3.10 Trong trường hợp chịu uốn, ứng suất mà khâu phải chịu là lớn hơn so với trường hợp chịu nén, tuy nhiên vẫn còn nhỏ hơn ứng suất cho phép rất nhiều

Hình 3.9: Ứng suất khâu 2 khi chịu uốn

Hình 3.10: Chuyển vị khâu 2 khi chịu uốn

Nếu xét thêm lực quán tính do quá trình tăng tốc và giảm tốc của cánh tay thì khâu hai sẽ chịu một lực quán tính khoảng 7N và một momen khảng 3,36Nm Khi đó biểu đồ ứng suất sẽ như Hình 3.9 cho trường hợp chịu uốn Ta thấy chuyển vị và ứng suất của khâu hai vẫn nằm trong giới hạn cho phép

Hình 3.11: Ứng suất khâu hai khi xét thêm lực quán tính