Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu tổng quan về các kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt động và cách thức điều khiển Robot và các mô hình robot; Tìm hiểu các tài liệu và thiết bị liên quan; Phân tích và thiết kế mô hình robot điều khiển từ xa bằng sóng điện từ. Xây dựng mạch điều khiển robot, thiết kế cơ khí cho robot và thực hiện điều khiển robot thông qua mô đun truyền thông bằng sóng điện từ. Xây dựng chương trình điều khiển robot trên máy tính và lưu lại quá trình hoạt động của robot, mô phỏng trạng thái hoạt động của robot trên máy tính.
Trang 1MÔ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG MÁY TÍNH
THÔNG QUA SÓNG RADIO
Lê Hùng Linh * , Dương Chính Cương, Ngô Hữu Huy
Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Hiện nay, các robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các quá trình công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày Việc ứng dụng các loại robot vào trong công nghiệp sẽ giúp cho quá trình sản xuất được nhanh chóng và đảm bảo độ chính xác cao Nhưng hiện nay ở Việt Nam, robot hầu như chưa được sử dụng rộng rãi, khái niệm robot đang được phổ biến trong mấy năm gần đây
Do vậy, lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo robot phục vụ cho sản xuất cũng như các mục đích dân dụng vẫn còn khá mới mẻ Robot có rất nhiều loại như là robot sử dụng trong các dây chuyền sản xuất, robot dò đường, robot lau chùi cửa kính cho các toà nhà cao tầng, robot chống khủng bố
Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu tổng quan về các kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt động và cách thức điều khiển Robot và các mô hình robot; Tìm hiểu các tài liệu và thiết bị liên quan; Phân tích và thiết kế mô hình robot điều khiển từ xa bằng sóng điện từ Xây dựng mạch điều khiển robot, thiết kế cơ khí cho robot và thực hiện điều khiển robot thông qua mô đun truyền thông bằng sóng điện từ Xây dựng chương trình điều khiển robot trên máy tính và lưu lại quá trình hoạt động của robot, mô phỏng trạng thái hoạt động của robot trên máy tính
Từ khóa: Mô phỏng, trạng thái, sóng điện từ, mô hình, chương trình điều khiển
TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH ROBOT
Định nghĩa[4]: “Một kiểu mô hình là một
triết lý hoặc một tập hợp những công nhận và
kỹ thuật, mô tả đặc điểm cách tiếp cận một
lớp các vấn đề Nó vừa là cách xem xét thế
giới, vừa là một tập hợp các công cụ giải
quyết vấn đề.” Lịch sử phát triển robot đã trải
qua 3 kiểu mô hình, đó là kiểu thứ bậc, kiểu
phản hồi và kiểu tổng hợp Trong một hệ
thống robot, luôn luôn tồn tại ba nhóm chức
năng cơ bản đó là Cảm nhận, Hành động và
Lập kế hoạch Các kiểu mô hình robot được
xác định dựa trên mối quan hệ của 3 nhóm
chức năng cơ bản đó
Kiểu mô hình thứ bậc:
Đây là kiểu mô hình xuất hiện đầu tiên, trong
đó robot cố bắt chước cách con người suy
nghĩ: sau khi cảm nhận được về thế giới xung
quanh, người ta sẽ suy nghĩ để lập kế hoạch,
và hành động đáp ứng
Với cách này, dữ liệu cảm nhận thường phải
đầy đủ để có một đánh giá bao quát về môi
trường xung quanh, sau đó luôn qua xử lý ở
bước lập kế hoạch
Tel: 0929077888
Hình 1 Kiểu mô hình thứ bậc
Như vậy, kiểu này không cho phép dữ liệu truyền thẳng đến hành động như kiểu một phản xạ vô điều kiện, điều này làm cho robot trở nên thiếu nhanh nhẹn Kiểu mô hình này
đã không còn được sử dụng từ hơn 20 năm qua
Kiểu mô hình phản hồi:
Kiểu phản xạ gần như ngược lại với kiểu thứ bậc, kiểu này không giữ lại phần lập kế hoạch, các cảm nhận của robot sẽ được truyền trực tiếp sang hành động
Hình 2 Kiểu mô hình phản hồi
Theo kiểu này, robot chứa sẵn nhiều cặp tương ứng Cảm nhận – Hành động, được gọi
là các bộ hành vi Các hành vi xảy ra có tính đồng thời, do được xử lý riêng rẽ Và vì robot
có thể thực hiện nhiều hành vi một lúc, không lập kế hoạch nên nó tiết kiệm được rất nhiều thời gian Kiểu mô hình này đã mang đến nhiều thành tựu to lớn, nhưng rõ ràng nó không thích hợp với các loại robot nhiều chức năng Kiểu này giống như kiểu người ta dạy các con vật mà không làm cho con vật đó
Trang 2suy nghĩ thông minh hơn Kiểu mô hình này
đòi hỏi sự hiểu biết về không gian hoạt động
toàn cục trước khi lập trình để tìm ra tất cả
các hành vi có thể có của robot Các nhà
nghiên cứu thực hiện mô hình này để giảm
thiểu giá thành phần cứng của sản phẩm bằng
cách tăng mức độ tính toán ban đầu khi tạo ra
các hành vi của robot
Kiểu mô hình tổng hợp:
Kiểu tổng hợp là sự kết hợp 2 kiểu mô hình
trên, làm cho robot suy nghĩ uyển chuyển
giống người hơn, và hiện nay hầu hết các
nghiên cứu đi theo hướng này Kiểu này tách
việc lập kế hoạch ra khỏi các hành vi của
robot
Hình 3 Kiểu mô hình tổng hợp
Lập kế hoạch tương tác với các bộ hành vi
bằng một phương thức mà người ta gọi là
“nghe lén” “Nghe lén” là một phương thức
lấy thông tin từ bộ phận Cảm nhận để điều
chỉnh lại các thông tin toàn cục, tác động trở
lại các hành vi của robot
Với kiểu mô hình này, các robot thông minh
hơn và cũng không tốn nhiều thời gian cho
việc lập kế hoạch như ở mô hình thứ bậc, và
lại cho phép robot thực hiện nhiều chức năng
hơn so với mô hình phản hồi
Kiểu mô hình xác suất:
Kiểu mô hình này là một kiểu mô hình mới
sử dụng tất cả các kiểu mô hình trên, nhưng
thay vì tính toán với các thông số cụ thể, tất
cả các dữ liệu và trạng thái của robot đều ở
dưới dạng xác suất và thống kê Kiểu mô
hình này cho phép robot giảm thiểu các tính
toán, tăng khả năng hoạt động trong các môi
trường thiếu thông tin, với các cảm biến có
sai số lớn, và khả năng điều khiển bền vững
ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ROBOT
ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
Lựa chọn được mô hình phù hợp nhất sẽ giúp
cho việc giải quyết vấn đề dễ dàng hơn Vì
vậy, việc biết các kiểu mô hình của công
nghệ robot là một chìa khoá để có thể thành
công trong việc thiết kế cho mỗi ứng dụng
Mô hình điều khiển robot từ xa bằng máy tính thông qua sóng điện từ được xây dựng theo kiểu mô hình tổng hợp
(Hình 3) Điều khiển robot từ xa cần có tín
hiệu trạng thái phản hồi từ robot để biết được trạng thái của robot tại từng thời điểm, giúp cho việc điều khiển dễ dàng và chính xác Robot được điều khiển từ xa bằng máy tính, việc lập kế hoạch, lưu trữ thông tin do máy tính thực hiện rồi gửi yêu cầu cần thực hiện cho robot Robot trong hệ thống tiếp nhận thông in chủ yếu từ máy tính truyền qua bộ thu/phát sóng RF Do đó việc lựa chọn mô hình theo mô hình tổng hợp đã đáp ứng đủ theo yêu cầu của hệ thống
Xây dựng mô hình
Hệ thống Robot điều khiển từ xa bằng máy tính bao gồm hai chương trình trên máy tính
và trên Robot Máy tính và Robot liên lạc với nhau bằng sóng điện từ Hệ thống được mô tả như trong hình vẽ
Trong hệ thống, Máy tính và Robot có thể liên lạc với nhau với một khoảng cách xa bằng sóng điện từ Khoảng cách giữa Máy tính và Robot có khoảng cách tối đa là 900
m (không dùng ăng ten) và 63 km (khi dùng ăng ten)
Trong đó Máy tính sẽ thực hiện điều khiển Robot, đồng thời nó cũng lưu lại lịch trình hoạt động cũng như trạng thái của Robot Robot sẽ thực hiện việc di chuyển và làm việc theo sự điều khiển của máy tính
Mô hình robot được tiến hành xây dựng gồm các thành phần sau:
1 Hệ thống phát động và chấp hành
2 Hệ thống cảm biến
3 Bộ điều khiển, gồm cả phần mềm và phần cứng hệ thống
4 Chương trình điều khiển
Hình 4 Mô hình tổng quan hệ thống
Robo t
Trang 3Hệ thống phát động và chấp hành:
Chuyển động của robot được thực hiện bởi hệ
thống này Hệ thống bao gồm:
– Nguồn cung cấp điện
– Khuyếch đại công suất
– Động cơ
– Truyền động cơ khí
Hình 5 là sơ đồ ghép nối hệ thống phát động
và chấp hành, trong đó thể hiện sự chuyển
đổi năng lượng
Hình 5 Sơ đồ hệ thống phát động và chấp hành
Để thể hiện quan hệ chung, Pc thể hiện tín
hiệu điều khiển, Pu là công suất cơ học cần
thiết để làm robot chuyển động Các đại
lượng trung gian, công suất điện cung cấp
cho động cơ Pa, công suất nguồn Pp, công
suất cơ học do động cơ phát ra Pm Ngoài ra
còn có các loại công suất tổn hao trong các
khâu trung gian: khuyếch đại công suất Pda,
động cơ Pds, truyền dẫn Pdt
Hệ thống cảm biến:
Hệ thống nhận ngõ vào là các dữ liệu cảm
biến, dựa vào các thuật toán biến đổi và các
phương pháp điều khiển để biến đổi nó thành
thông tin cảm biến, kèm theo tất cả các phần
cứng liên quan
Bộ điều khiển:
Sử dụng chip Atmega16 làm bộ điều khiển
cho robot Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu
điều khiển từ máy tính, xử lý rồi điều khiển
hoạt động của robot và gửi tín hiệu trạng thái
tới máy tính
Chương trình điều khiển:
Chương trình điều khiển trên máy tính được
viết bằng ngôn ngữ Microsoft Visual Basic
6.0; Chương trình sẽ cung cấp một giao diện
đơn giản, dễ sử dụng cho việc điều khiển
như: điều khiển robot tiến, lùi, quay trái,
quay phải, nâng/hạ cánh tay, gắp/nhả vật,
quay trục, hiển thị những thông tin hiện thời
của robot, lưu lại lịch trình hoạt động cũng như trạng thái của Robot
Chương trình điều khiển trên chip Atmega16 được viết bằng ngôn ngữ C Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển từ máy tính, chương trình điều khiển sẽ xác định công việc phải làm và khối lượng công việc cần làm cho robot một cách chính xác như xác định tiến, lùi bao nhiêu; quay trái, quay phải bao nhiêu
độ, quay trục hay quay xe, gắp hay nhả vật, nâng hay hạ cánh tay và gửi tín hiệu phản hồi cho máy tính
Phương trình toán học sử dụng trong robot Robot có thể thao tác các công việc theo đúng yêu cầu, với chương trình điều khiển trên CPU của robot được lập trình chính xác Một số phương trình, công thức sử dụng trong chương trình như: phương trình tính quãng đường di chuyển, tính góc quay xe, tính góc quay trục Sau khi nhận được quãng đường cần di chuyển, góc cần quay gửi từ máy tính, robot dựa vào phương trình để tính
ra số xung điều khiển
Phương trình quy đổi quãng đường di chuyển của robot sang xung điều khiển của CPU sử dụng trong robot:
Do việc lựa chọn động cơ và bánh xe nên ta có:
Cứ chip xuất 1T (1 xung ) thì động cơ bước quay 1 bước = 7.2o
Vây số xung để động cơ bước quay 1 vòng = 360o
là:
Số xung để động cơ bước quay 14 vòng 14*50 700
y T; (1)
Một vòng bánh xe có độ dài là 310 mm (chu
vi bánh xe) Vậy: 3 vòng bánh xe nên độ dài
là d = 3*310 = 930 mm (2)
Do thiết kế cơ khí của hệ thống nên ta có:
Cứ động cơ bước quay 14 vòng thì bánh xe quay 3 vòng; Hay chip xuất 700T xe đi được quãng đường là 930mm (theo 1 và 2) Vậy số xung để đi được quãng đường d (mm) là T
Phương trình quy đổi góc quay robot sang Xung điều khiển của CPU trong robot
T
2 7
360
) 3 ( 93
70
* 930
700
d
x
Trang 4Theo công thức tính độ dài của cung tròn:
l=R* Với tính bằng radian, mà chip nhận
được giá trị góc từ máy tính gửi là tính bằng
độ, nên chuyển đơn vị góc từ độ sang radian
Cứ 180o
tương ứng với radian
Hay 45o tương ứng với arctan(1) radian
Vậy để quay Ao
thì ta có
(không tính vì số không được
chương trình máy tính định nghĩa sẵn, còn
hàm arctan(1) có sẵn trong chương trình máy
tính)
Theo thiết kế robot, hai bánh trước là bánh đa
hướng giúp cho robot di chuyển dễ dàng, hai
bánh sau là phát động, khoảng cách giữa hai
bánh là 380 mm và có thể chuyển động độc
lập nhau Vậy khi quay robot, hai bánh sẽ
quay ngược chiều nhau và tâm quay nằm ở
giữa trục hai bánh, nên bán kính của cung
tròn là R=380/2=190 mm
Do đó, độ dài cung tròn hay chính là quãng
đường cần di chuyển ứng với góc quay Ao
là:
Theo phương trình 2.3: số xung để quay được
A0 là
hay
Phương trình quy đổi góc quay robot sang
xung điều khiển của CPU trong robot
Do thiết kế cơ khí của hệ thống nên ta có: Cứ
động cơ bước quay 14 vòng thì trục cánh tay
quay 5 vòng; Hay chip xuất 700T trục cánh
tay quay 5*360o = 1800o (theo 1)
Vậy số xung để trục cánh tay quay góc Go
là:
PHẦN CỨNG
Modul về cơ khí
Hình 6 Thiết kế hệ thống cơ khí Modul về mạch
Modul về mạch gồm 2 modul nhỏ là: modul mạch điều khiển và modul mạch công suất
- Sơ đồ khối hệ thống robot:
- Modul điều khiển:
radian A
45
) 1 arctan(
*
180
*
A
45
190
* ) 1 arctan(
*
) 45
) 1 arctan(
* (
* 190
*
s A
A R
l
T A
l
x
93
* 45
70
* 190
* ) 1 arctan(
* 93
70
) 4 ( 837
2660
* ) 1 arctan(
* 93
70
*
T A
l
x
) 5 ( 18
7
* 1800
700
*
T G G
Phối hợp công suất
Hình 7 Sơ đồ khối hệ thống robot
Khối chấp hành CPU
Mô đun truyền thông
Trang 5Hình 8 Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch chip
- Modul công suất:
Hình 9 Sơ đồ mạch nguyên lý
của mạch công suất
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRÊN PC
Khung truyền dữ liệu từ máy tính tới CPU của
robot
- Khung truyền dữ liệu dạng tổng quát:
Để các modul trong hệ thống có thể giao tiếp
với nhau, hiểu nhau và làm việc được với
nhau thì cần quy định khung truyền dữ liệu,
cụ thể khung truyền gồm 3 phần như: Start,
Data, Stop
- Khung truyền dữ liệu dạng chi tiết:
Khung truyền có 12 byte:
Start: Đây là phần đầu của khung truyền tin,
sử dụng 2 byte start với key word là: ** Nếu
sai giá trị thì sẽ gây ra lỗi khung truyền
Data: Sau 2 byte start là 9 byte data
Stop: Đây là byte kết thúc quá trình truyền 1
gói tin, sử dụng 1 byte stop với key word là:
# Nếu sai giá trị thì sẽ gây ra lỗi khung
truyền
Trong đó:
Obj: chỉ đối tượng được điều khiển
1: Obj = thân robot
P3 = 2: Obj = phần trục
3: Obj = bàn tay
Khung truyền điều khiển thân robot:
(Thân)
1 (Trái) G
1
G
2
G
3
1
1
D
2
D
3
#
2 (Phải)
2 (Lùi)
0 (Khôn g làm)
0 0 0
0 (Không làm)
0 0 0
G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ) D1, D2, D3: Quãng đương (đơn vị: cm) Các hoạt động của phần thân robot sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ robot như: tiến, lùi sẽ làm thay đổi tọa độ robot; quay trái, quay phải sẽ làm thay đổi hướng của robot (hướng robot là
so với trục OX của sân)
Khung truyền điều khiển phần trục:
Các hoạt động của phần trục như: nâng, hạ, quay trục trái, quay trục phải (hướng của cánh tay robot là so với thân robot) Các hoạt động này không ảnh hưởng đến tọa độ và hướng của robot
G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ)
Khung truyền điều khiển bàn tay : Các hoạt động của bàn tay như: gắp, nhả Các hoạt động này không ảnh hưởng đến tọa độ, hướng của robot và hướng của cánh tay
3 (Tay)
1 (Gắp)
2 (Nhả)
0 (Không làm)
Thuật toán điều khiển trên máy tính
Para 1 Para n Key word
Key word
Start
Key word
Stop Data
…
Trang 6Trong quỏ trỡnh thực hiện theo lệnh điều
khiển của mỏy tớnh thỡ CPU của robot luụn
gửi tớn hiệu phản hồi về mỏy tớnh, để biết
được trạng thỏi hiện tại của robot
Cỏc tớn hiệu phản hồi:
“OK”: tớn hiệu thụng bỏo robot sẵn sàng hoạt
động Tớn hiệu này được gửi khi bắt đầu quỏ
trỡnh hoạt động của robot và khi robot thực
hiện xong một lệnh điều khiển của mỏy tớnh
“D”: tớn hiệu thụng bỏo robot đang di chuyển
tịnh tiến Tớn hiệu được gửi sau khi robot di
chuyển được 5cm
“K”: tớn hiệu được gửi và thụng bỏo kết thỳc
quỏ trỡnh robot di chuyển tịnh tiến
“Q”: tớn hiệu thụng bỏo thõn robot đang quay
Tớn hiệu được gửi sau khi thõn robot quay
được 5o
“H”: tớn hiệu được gừi và thụng bỏo kết thỳc
quỏ trỡnh thõn robot quay
“T”: tớn hiệu thụng bỏo cỏnh tay robot đang
quay Tớn hiệu được gửi sau khi cỏnh tay
robot quay được 5o
“C”: tớn hiệu được gửi và thụng bỏo kết thỳc
quỏ trỡnh cỏnh tay robot quay
Nhờ cú cỏc tớn hiệu phản hồi này mà mỏy
tớnh cú thể biết được trạng thỏi của robot hiện
tại và dễ dàng hiển thị thụng tin trờn giao
diện chương trỡnh điều khiển của mỏy tớnh
Thuật toỏn điều khiển trờn CPU của Robot
MỘT SỐ HèNH ẢNH KẾT QUẢ
Hỡnh ảnh robot:
Hỡnh ảnh giao diện trờn mỏy tớnh khi chạy chương trỡnh:
Begin
Khởi tạo:
- Thiết lập cổng USART
- Dạng khung truyền
- Tốc độ truyền
- Gửi tín hiệu sẵn sàng
Chờ nhận tín hiệu điều khiển
Kiểm tra dữ liệu nhận
Có lỗi ? No Yes
- Phân tích dữ liệu nhận đ-ợc
- Thực hiện theo lệnh điều khiển
- Gửi tín hiệu phản hồi cho máy tính
- Gửi thông báo hoàn thành cho máy tính Gửi thông báo lỗi
cho máy tính
Trang 7KẾT LUẬN
Đề tài tập trung vào nghiên cứu tổng quan về
các kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt
động và cách thức điều khiển robot và xây
dựng mạch điều khiển robot Ứng dụng bộ
truyền thông bằng sóng điện từ (RF) thực
hiện điều khiển trên bộ truyền thông Xây
dựng một mô hình robot có thể điều khiển từ
xa kết nối với máy tính Kết quả đạt được của
đề tài như sau: Xây dựng được mô hình robot
có thể kết nối với máy vi tính bằng sóng điện
từ Robot có thể hoạt động được các tính năng
cơ bản như: đi tiến, lùi, quay trái phải với các
góc khác nhau; cánh tay robot có thể gắp vật,
nâng lên hạn xuống và quay quanh trục
Xây dựng chương trình điều khiển trên máy tính mô phỏng hoạt động của robot Chương trình có các nút điều khiển và bản đổ hiển thị
vị trí của robot
Hướng phát triển: Dựa trên các kết quả đạt được của đề tài sẽ phát triển mô hình robot có nhiều tính năng hơn như: sử dụng các camera
để quan sát và nhận dạng đường đi, sử dụng các động cơ bước có độ chính xác cao và công suất lớn để xác định vị trí chính xác; thực hiện điều khiển với khoảng cách xa sử dụng các loại ăng ten khác nhau
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS.TS Đào Văn Hiệp (2003), Kỹ thuật
robot, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
Hà Nội
[2] Ngô Diên Tập (2003), Kỹ thuật vi điều
khiển với AVR, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội
[3] Trung tâm nghiên cứu, Đào tạo và Phát
triển Công nghệ điện tử, Vi điều khiển AVR,
Xuất bản năm 2009
[4] ROBIN R MURPHY, “Introduction to
AI Robotics”, Massachusetts Institute of Technology, 2000
SUMMARY
MODEL ROBOT CONTROLED BY COMPUTER THROUGH RADIO WAVES
Le Hung Linh, Duong Chinh Cuong, Ngo Huu Huy
Faculty of Information Technology- TNU
Robot is used more and more popular all over the world not only in the industry but also the domestic life However, there are not much the applications of robot in Vietnam Therefore, it is necessary to research and apply in the industrial manufacturing and the daily life
In this paper, we research generally the control method and the operator of the robots via the reference documents Then we analysis and design the control model of the robot remotely by the radio wave Simultaneously, we build a mechanic system, a control panel and test the communication system between the robot and the computer Finally, we design a software that manages the operator history of the whole system and simulate the status of the robot
Keywords: Simulation, radio wave, the control model, the control program