This research will present a design study describing a kind of climing robot that continuously climes a cylinder with wheels and DC motors.. The robot is designed with two independent s[r]
Trang 1-
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành : 60520114
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành : 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 Năm 2015
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Thanh Phương
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP HCM ngày 16 tháng 08 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
3 TS Nguyễn Duy Anh Phản biện 2
5 PGS.TS.Ngô Cao Cường Ùy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV
Trang 4TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP HCM, ngày … tháng… năm 20 …
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23 / 11 /1977 Nơi sinh: Phú Thọ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840020 I- Tên đề tài:
II- Nhiệm vụ và nội dung:
III- Ngày giao nhiệm vụ: ………
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ, Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Thành Trung
Trang 6
LỜI CÁM ƠN
Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để các sinh viên vận dụng những kiến thức mà mình đã tích lũy được trong suốt quá trình học và quan sát thực tế Tuy nhiên, cũng còn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế cũng như thời gian nên mặc dù rất nỗ lực, cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi sai sót, và chưa bám sát vào thực tiễn
Trong luận văn này em rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý từ các thầy cô
và các bạn Để hoàn thành được luận văn này em xin kính gửi đến thầy TS Nguyễn Thanh Phương lòng biết ơn sâu sắc, thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy trong khoa Cơ - Điện - Điện Tử đã hết lòng truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này
Trang 7TÓM TẮT LUẬN VĂN
Việc ứng dụng các loại robot khác nhau nhằm phục vụ con người trong sản xuất và sinh hoạt đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới Trong đề tài này sẽ trình bày nghiên cứu thiết kế robot leo trụ với dạng leo liên tục bằng bánh xe với các động cơ DC
Robot được thiết kế bằng 2 hệ thống độc lập Một hệ thống tạo lực nén với nhiệm vụ giữ robot di chuyển trên trụ và một hệ thống truyền động bằng bánh xe để robot di chuyển trên trụ Cơ cấu cơ khí được thiết kế bằng 1 khung với ba bộ nén đặt lệch nhau một góc 1200, tạo ra một mặt phằng vuông góc với trụ và việc phân tích tính toán lực sẽ đơn giản hơn Bộ điều khiển PID thứ 1 sẽ được xây dựng để điều khiển lực nén bằng cách điều khiển khoảng cách x của lò xo, giúp ổn định lực nén và giữ robot ổn định trên trụ Bộ điều khiển PID thứ 2 sẽ điều khiển, ổn định tốc độ robot di chuyển trên trụ
Các kết quả thực nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo cơ khí và mạch điều khiển của robot đã cho thấy robot leo được trên các trụ tròn, trụ côn
Trang 8ABSTRACT
The application of different types of robots to serve people in production and daily life is increasingly attracting the attention of researchers around the world This research will present a design study describing a kind of climing robot that continuously climes a cylinder with wheels and DC motors
The robot is designed with two independent systems A system will generate compressing force to keep the robot moving on the cylinder while another system is a wheel drive system that makes the robot move on the cylinder The gas distribution mechanism is designed on a frame containing three compressors put in a distance of 120 degree, creates a plane perpendicular to the cylinder This helps analyse the compressing force simpler The first PID controler is set up to control the compressing force by adjusting the distance ‘x’ of springs This will control the speed of the robot movement on the cylinder
The experimental results of designing, mechenical manufacturing as well
as controling board the in the research show that the robot can move on the cylinder and cone
Trang 9MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH SÁCH HÌNH ẢNH x
CHƯƠNG I: 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO 1
1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo 1
1.2 Phân loại các loại robot leo trụ 1
1.2.1 Phân loại theo kết cấu: 1
1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo 2
1.2.2.1 Robot dạng rời rạc 2
1.2.2.2 Robot dạng liên tục 3
1.2.2.3 Robot dạng rắn 4
1.3 Đặt vấn đề 4
1.4 Phương pháp nghiên cứu 5
CHƯƠNG 2: 6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1 Cơ sở thuật toán PID: 6
2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID 6
2.1.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 7
2.1.2.1 Khâu tỉ lệ 7
2.1.2.2 Khâu tích phân 7
2.1.2.3 Khâu vi phân 8
2.2 Vi điều khiển ATmega32 9
Trang 102.2.1 Giới thiệu ATmega32 9
2.2.2 Các đặc tính của ATmega32: 10
2.2.3 Sơ đồ chân của ATmega32 11
2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) 12
2.4 Encoder : 13
2.4.1 Cấu tạo chính của Encoder: 13
2.4.2 Nguyên lý cơ bản: 15
2.5 Động cơ DC 16
2.5.1 Giới Thiệu 16
2.5.2 Cấu tạo: 16
2.5.3 Nguyên lý hoạt động: 18
2.5.4 Điều khiển tốc độ động cơ DC: 18
CHƯƠNG 3 20
THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 20
3.1 Yêu cầu và chức năng robot 20
3.2 Phân tích thiết kê robot 20
3.2.1 Tính toán lực 20
3.2.2 Thiết kế bộ tạo lực nén 22
3.2.3 Tính toán hệ thống chuyển động robot 24
3.3 Điều khiển robot 25
3.3.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển 25
3.3.2 Xác định bộ điều khiển hệ thống lực nén 26
3.3.2.1 Xác định hàm truyền 26
3.3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển 28
3.3.3 Xác định bộ điều khiển hệ thống di chuyển 30
3.3.3.1 Xác định hàm truyền 30
3.3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển 32
CHƯƠNG 4: 35
CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 35
Trang 114.1 Chế tạo cơ khí 35
4.1.1 Bảng vẽ thiết kế 35
4.1.2 Hình ảnh sau khi chế tạo 35
4.2 Thiết kế mạch điện 36
4.2.1 Yêu cầu 36
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn linh kiện 37
4.2.2.1 Bo mạch vi điều khiển : 37
4.2.2.2 Board mạch Arduino 38
4.2.2.3 Khối công suất : 41
4.2.2.3.1 Optocoupler-NPN 41
4.2.2.2 Rờ le 42
4.2.2.3 IC L298 43
4.2.3 Lưu đồ điều khiển robot 44
4.2.4 Robot sau khi chế tạo 45
4.2.5 Kết quả thực nghiệm 46
Đánh giá kết quả thực nghiệm 46
TỔNG KẾT 47
5.1 Kết quả đạt được 47
5.2 Kết quả chưa đạt được 47
5.3 Hướng phát triển 47
TÀI LIỆU KHAM KHẢO 48
Trang 12DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PID Proportional Integral Derivative GND Ground
LED Light Emitting Diode MCU Microprocessor Control Unit PWM Pulse Width Modulation USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver VCC Voltage Common Collector
ADC Analog to Digital Converter BJT Bipolar Junction Transistor MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor VDC Volts Direct Current
Trang 13DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập……….9 Bảng 2 : Thông số động cơ DC cho bộ nén 28 Bảng 3 : Thông số của động cơ DC cho hệ thống di chuyển 31
Trang 14DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering
Advancementsm2014
2
Hình 1.2 Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa
Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2)
3
Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping
principle ( Cengiz Yilmaz)
3
Hình 1.4 Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon 4 Hình 2.2 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID 6 Hình 2.3 Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID 7 Hình 2.4 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID 7
Hình 2.11 Cấu tạo đĩa quay trong encoder 14
Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC 17
Trang 15Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chuyển động 23
Hình 3.7 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống nén 26
Hình 3.9 Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống nén 29 Hình 3.10 Đáp ứng điều khiển của hệ thống nén 29 Hình 3.11 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống leo 32
Hình 3.13 Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống leo 33 Hình 3.14 Đáp ứng điều khiển của hệ thống leo 34 Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí 35
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC 42 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC dùng L298 43
Trang 16CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO
1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo
Robot di động là loại robot có thể di chuyển để thực hiện các chức năng đề
ra Thông thường để thực hiện các di chuyển, người ta hay sử dụng các cơ cấu dạng bánh, dạng xích, dạng chân, Robot di động hoạt động trong các phân xưởng, trong nhà, trong các khu vực che kín, Nhìn chung được gọi là robot di động trong nhà (Indoor Mobile Robot)
Trong những thập niên cuối thế kỉ XIX người ta quan tâm nhiều đến khả năng leo trèo của các robot, phát sinh từ những yêu cầu làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm hay những nơi khó tiếp cận để bảo vệ sức khỏe của con người trong các nhiệm vụ mạo hiểm Robot leo có khả năng thực hiện các nhiệm vụ trên các cây, cột thẳng đứng, đáp ứng các yêu cầu trong công nghiệp hay quốc phòng để thi hành các nhiệm vụ nguy hiểm như chặt cây, phun sơn cột, thực hiện các công việc trên cao … Như vậy với khả năng của robot leo sẽ không chỉ cho phép chúng làm việc ở những nơi nguy hiểm với người công nhân mà còn loại bỏ được những tốn kém do giàn giáo, phương tiện cơ giới
1.2 Phân loại các loại robot leo trụ
1.2.1 Phân loại theo kết cấu:
Một trong những chức năng của kết cấu cơ robot leo là kết hợp được lực bám dính để gắn robot vào trụ chắc chắn và di chuyển linh hoạt Theo nghiên cứu thì hiện có 3 dạng robot leo
- Robot leo di chuyển dạng rời rạc
- Robot leo di chuyển dạng liên tục
- Robot leo di chuyển dạng rắn
Trang 171.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo
1.2.2.1 Robot dạng rời rạc
Robot được thiết kế trên ý tưởng giống như một người lên cột, phần tay bám vào cột, phần thân sẽ di chuyển chân lên và phần chân bám vào cột và phần thân đưa tay lên … và cứ liên tục như vậy mà leo lên cột
Robot thường được thiết kế thành 2 khung cánh tay kẹp (1 trên + 1 dưới) được liên kết bằng hệ thống thanh trượt Các tay kẹp được giữ trên cột bằng các hệ thống động cơ DC hoặc khí nén Khi robot di chuyển một khung kẹp được điều khiển để bám giữ robot trên trụ, khung kẹp còn lại sẽ được hệ thống truyền động khác nâng di chuyển trên trụ Cứ như thế Robot sẽ được di chuyển trên trụ một cách rời rạc
Ưu khuyết điểm :
- Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác nhau trên trụ, leo được trên trụ, trên cây…
- Robot có khả năng vận chuyển được khối lượng lớn
- Tốc độ chậm và tiêu hao nhiều năng lượng
- Kết cấu cơ khí và điều khiển phức tạp
Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering Advancements 2014
Trang 181.2.2.2 Robot dạng liên tục
Robot được thiết kế leo liên tục trên trụ bằng các bánh xe Các bánh xe được bám vào trụ nhờ kết cấu bao xung quanh trụ và ép các bánh xe vào trụ, bánh xe sẽ làm 2 nhiệm vụ là vừa giữ robot trên trụ và vừa di chuyển robot trên trụ
Ưu khuyết điểm :
- Thiết hợp cho các trụ tròn, cây …
- Có thể leo nhanh và có khả năng leo cao
- Kết cấu cơ khí đơn giản
- Không thích hợp với các bề mặt cột thường xuyên thay đổi
- Hạn chế về khối lượng trên robot
Hình 1.2: Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa
Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2, and Satoshi Ueki )
Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping
principle ( Cengiz Yilmaz)
Trang 191.2.2.3 Robot dạng rắn
Robot thiết kế với dạng như rắn, nó được kết cấu bằng các khớp nối di chuyển không có bánh xe có gắn các camera và sensor điện tử, được kiểm soát bằng một cần điều khiển, nó sẽ uốn éo với sự trợ giúp của các động cơ DC
Ưu khuyêt điểm:
- Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác nhau trên cột, leo được trên cột, trên cây, di chuyển qua các cành cây, linh hoạt trong các môi trường leo thích hợp
- Tốc độ leo chậm, khó điều khiển được tốc độ
- Không mang được khối lượng lượng, thường chỉ để thực hiện các công việc quan sát
Hình 1.4 Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon 1.3 Đặt vấn đề
Với mục tiêu thiết kế robot leo trụ tròn, trụ côn và với các phân tích các dạng Robot leo trên, việc chế tạo một robot leo trụ có tính linh hoạt, di chuyển nhanh, chính xác và tin cậy, không gây tốn nhiều năng lượng, không đòi hỏi sự phức tạp khi lập trình và thiết kế mạch điều khiển Tôi chọn phương án leo liên tục để chế tạo robot leo trụ
Với lựa chọn thiết kế robot leo liên tục trên trụ, mục tiêu đặt ra là phải điều khiển được Robot giữ liên tục trên trụ và điều khiển được tốc độ di chuyển ổn định
Trang 20trên trụ Do đó robot sẽ được thiết kế trên hai hệ thống độc lập, một hệ thống tạo ra lực nén và được điều khiển để luôn luôn tạo ra 1 lực F đủ lớn để giữ robot đứng yên trên trụ và một hệ thống các bánh xe chuyển động được điều khiển đồng tốc để đưa robot di chuyển đều trên trụ
Mục tiêu của đề tài là thiết kế robot bằng 2 hệ thống độc lập Điều khiển lực nén và điều khiển tốc độ Cụ thể:
- Thiết kế hệ thống cơ khí robot, tính toán các lực cần thiết để nén và di chuyển robot
- Xây dựng các hàm truyền động học cho hệ thống
- Xây dựng, lập trình thuật toán PID để điều khiển động cơ DC, điều khiển hệ thống
- Tìm hiểu cách kết nối, điều khiển của các cảm biến vị trí, encoder, các động cơ DC …
- Thiết kế lựa chọn mạch vi xử lý, các mạch điều khiển công suất của động cơ
- Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mô hình thực để kiểm nghiệm
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Tiếp cận, xây dựng mô hình lý thuyết gồm có
o Tiếp cận các mô hình cơ khí để lựa chọn thiết kế tối ưu
o Tiếp cận lý thuyết điều khiển
o Tiếp cận các lý thuyết mạch vi xử lý, cảm biến vị trí, encoder, động
cơ DC
- Tiếp cận, xây dựng mô hình thực:
o Thiết kế mô hình cơ khí
o Phân tích và thiết lập hàm truyền
o Mô phỏng hàm truyền bằng Matlab
o Thiết kế mạch điều khiển
o Chạy mô hình thực để kiểm nghiệm