Tài liệu Cam bien trong robot (sensor Robot) pdf

Camera cận cảnh trên cổ tay robot ban đầu được điều khiển để nhìn đối tượng trong phạm vi hẹp.Bộ cảm nhận cuối được điều khiển để di chuyển tới vị trí bình thường gần đối tượng và trong

Cảm biến trong robot

1.Định nghĩa cảm biến

Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu Đây là thiết bị vô cùng quan trọng để robot có thể nhận biết được chính mình và thế giới bên

ngoài Chúng ta phải cần nghiên cứu rõ hơn về vấn đề này ,để giúp cho robot trở lên càng ngày thông minh hơn

Qua hai sơ đồ sau ta có thể hình dùng sơ lược về bộ cảm biến :

Cơ cấu chấp hành

Bộ cảm biến

Chương trình

Bộ vi xử lý

 Cảm biến nhìn toạ độ chuyển động robot sủ dụng công

Hệ thống nhìn của robot gồm có 5 camera: 3 camera cố định cung cấp góc nhìn của không gian làm việc và 2 camera lắp trên cổ tay để nhìn cận cảnh Hệ thống nhìn có khả năng nhận biết đối tượng cần nhìn và thao tác,phát dữ liệu toạ độ của đối tượng cảm nhận ở vị trí tầm nhìn

Phương pháp nhìn mới này có thể được thực hiện theo hai bước:

1 Camera cận cảnh trên cổ tay robot ban đầu được điều khiển để nhìn đối tượng trong phạm vi hẹp.Bộ cảm nhận cuối được điều khiển để

di chuyển tới vị trí bình thường gần đối tượng và trong thì

trường.Nói chung cơ cấu chấp hành dừng ở vị trí gần đó, vị trí này

do camera đo,sau đó sai số vị trí đo được sử dụng để tính đến sai số nhỏ về vị trí đo được và chuyển động tương đối nhỏ,có thể điều chỉnh một cách chính xác

2 Ánh xạ trực tiếp gần đúng giữa các toạ độ nhìn và toạ độ khớp nối

cơ cấu chấp hành có thể được thiết kế không qua chuyển đổi trung gian và từ các toạ độ tuyệt đối

Thực ra điều này có nghĩa là việc định chuẩn đòi hỏỉ ít điểm hơn việc định chuẩn thông thường trong toạ độ tương đối Việc định chuẩn được tiến hành bằng việc đo vị trí của đối tượng (trong toạ độ thị trường) khi đối tượng được giữ cứng bằng cơ cấu thao tác ở vị trí điều khiển (trong tọa độ khớp nối của cơ cấu thao tác) và khi các camera được đặt tại các

vị trí điều khiển khác nhau Tiếp theo sec nội suy và ngoại suy đến các

vị trí chuẩn được thực hiện bằng cách sử dụng các biến đôi động học phi tuyến

 Cảm biến cáp sợi quang đo vị trí và di chuyển

Đây là loại cảm biến rẻ tiền và được áp dụng vào những năm 60 để đo

vị trí ,khoảng cách và di chuyển

Cảm biến gồm khoảng 900 sợi quang ghép trong cùng một sợi cáp kèm theo một sợi kim loại ở giữa để đảm bảo độ cứng mong muốn

Phát hiện

Vật Cảm biến vị trí dùng 2 sợi quang

- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá

-Sử dụng máy đo góc tuyệt đối

-Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ

Hiện nay ta thường chúng ta thường sử dụng phương pháp dùng bộ cảm biến tốc độ với đĩa mã hoá và xác định gián tiếp

- Cân bằng một lực chưa biết với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng

và momen tổng cộng chúng bằng không

- Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định lực

- Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ

- Biến đổi lực thàp áp suất chất lỏng và đo áp suất này

- Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực

Trong đó để đo đươc lực ta thường dùng phương pháp gián tiếp

Ví dụ bộ cảm biến lực được chế tạo bằng cách phối hợp bộ cảm biến vị trí

và bộ cảm biến đổi lực thành di chuyển.Như Bộ cảm biến lực sử dụng cuộn dây ví sai,Bộ cảm biến lực thạch anh,Bộ cảm biến lực thành áp điện

Ở đây em xin giới thiệu các bước thiết kế sensor cho robot được download

từ trên mạng về với nguyên bản tiếng anh

Em xin dịch lại như sau:

bộ ,nhưng nó chỉ đơn thuần định hướng cho chúng ta

2.Sensor như máy biến đổi vạn năng

Chức năng cơ bản của Sensor là đo lường các nét đặc trưng của thế giới,như ánh sáng ,âm thanh,hoặc áp suất và chuyển đổi thành các tín hiệu điện

,thường là điện áp hoặc dòng điện.Những kiểu mà Sensor đáp ứng lại những kích thích thích là thay đổi điện trở của chúng (như Tế bào quang điện),thay đổi dòng điện (Cảm biến quang),hoặc thay đổi điện áp ra (Cảm biến hồng ngoại).Những nguồn điện ra của những Sensor có thể dễ dàng chuyển thành những điện khác đặc trưng

3.Sensor liên tục và số :

Có hai kiểu Sensor cơ bản :liên tục và số Hầu hết hai loại này khác nhau về chức năng,ứng dụng ,và cách sử dụng chúng vơi bo mạch của robot Tín hiệu của Sensor liên tục là một dãy số đo liên tục ở đầu ra.Ví dụ ,đặc thù của một tế bào quang điện là có một điện trở 1k ohm màu sáng ,và một điện trở 300k ohm màu đen Còn những giá trị nằm giữa hai khoảng đó thì phụ thuộc mức ánh sáng chiếu lên.Cảm biến số ,theo một hướng khác,nó chỉ có hai trạng thái,tắt và bật (“0” và “1”) Ví dụ đơn giản nhất về Sensor là một cái công tắc điện Đặc thù cái công tắc điện là mạch hở (điện trở là vô cùng lớn)khi công tắc không bật và mạch kín (điện trở bằng không) khi công tắc bật

Một vài Sensor tạo ra những tín hiệu số rất phức tạp.Những Sensor đó tạo ra những dãy xung chuyển tiếp giữa hai trạng thái điện áp

0V và 5V.Với loại cảm biến này ,tần sô riêng và hình thù của dãy xung sẽ mang thông tin từ cảm biến đo lường.Ví dụ cho loại cảm biến này như là máy dò đầu nhọn dùng điều biến hồng ngoại.Với những Sensor thì trên thực

tế những thành phần đo được là những tín hiệu liên tục nhưng khi tín hiệu đưa ra được xử lí thành những tín hiệu số

4.Cảm biến vào trên bo mạch chủ của robot

Bo mạch chủ của robot bao gồm các cổng vào cho cả cảm biến số và liên tục Các cổng này rất nhạy cảm với điện áp ,mỗi kiểu sẽ nhận được sự khác nhau từ điện áp vào và đưa thành dữ liệu để bộ vi xử lí sử lí.Cổng liên tục

đo điện áp và chuyển thành số từ 0 đến 255 ,tương ứng với mực điện áp 0V

và 5V Chuyển thành tỉ lệ là vạch thẳng,như điện áp 2.5V có thể tạo ra giá trị vào 127 hoặc 128 Với cổng số ,thì bằng cách nào đó nó chuyển đổi thành điện áp thành 2 giá trị ra là 0 và 1.Nếu điện áp trên cổng số có mức dưới2.5V thì lúc ra sẽ là 0,Còn nếu lớn 2.5V thì sẽ là 1.Như vậy sự chuyển đổi này không giống như một đường thẳng

5.Đọc tín hiệu vào từ cảm biến.

Trong thư viện hàm của C có hàm analog(-#) sử dụng để trả lại giá trị

riêng của cổng cảm biến liên tục.Cho ví dụ,về IC

Val=analog(27)

Đây là bộ giá trị của biến val ở đầu ra của cổng #27

Tại đầu vào số của bo mạch robot có một điện trở biến đổi để kéo mức điện

áp đầu vào lúc nào cũng bằng 5V khi không kết nối Khi đóng hoặc ấn công tắc kết nối với một cổng số có thể làm thay đổi điện áp về 0V do làm nối ngắn mạch về đất.Kết quả nhận được ở đầu ra là : mở =5V và đóng =0V,là logic ngược mà chúng thường xuyên muốn.Điều đó là ta thường ưa thích sử dụng cổng số mang giá trị 0 hoặc thường là sai và chuyển đổi về 1 hoặc đúng khi cái công tắc bật cái gì đó (giống như tường hoặc con robot khác )

và khi ấn công tắc.Thư viện hàm IC digital(port -#) sử dụng để đọc giá trị True-False kết hợp với cổng số nối với sensor để biến đổi ngược lại tín hiệu

đo lường nhận được trên một cổng số Nghĩa là từ đây khi ta ấn công tắc (tức

là 0V trên phần cứng )thì hàm digital() sẽ trả lại giá trị 1 hoặc giá trị True

Ví dụ:

6.Kết nối chốt chuẩn

Đặc điểm chung của cảm biến dây Hình trên là hình dạng cái giắc cắm để kết nối với cảm biến với bo mạch chủ của robot Ta thấy cái giắc này là không đối xứng (do một chốt đã tháo rời từ 4 chốt của phần đầu đực) Và là bởi vì nó phân cực.Cái giắc này chỉ được ở trong bo mạch robot và theo một hướng ,vì vậy dây nối phải nối đúng ,nó không thể nối đằng sau cổng nối sensor Cái giắc cắm rất dễ sử dụng đúng ,nhưng tất nhiên nếu nối sai dây thì bạn phải nối lại dây kể từ khi giắc không thể xoay vòng

Trên thực tế sensor được nối với 3 dây với giắc cắm Hai dây được nối với nguồn 5V với bo mạch chủ robot ,kí hiệu“+5và“Gnd”.Dây thứ 3 kí hiệu là

“signal” là điện áp ra của cảm biến.Nó là phần công việc của cảm biến có sử dụng điện áp của bo mạch chủ (nếu cần thiết ) và nó trả lại “answer”, bằng điện áp trên dây tín hiệu

7.Mạch cảm biến

Hình vẽ trên giới thiệu mạch kết nối với cảm biến

Hình trên mô tả mạch kết hợp với sensor Nó thuộc về bo mạch chủ của robot và đây là mô hình chung cho các kênh nối với sensor Ở đây ta cần chú

ý tới cái điện trở kéo nối từ sensor từ dây tín hiệu vào với nguồn 5V

Có hai lí do để ta sử dụng điện trở Thứ nhất ,nó tạo ra giá trị mặc định cho đầu vào của sensor - giá trị khi đầu vào không có sensor Một số ICs ,lắp trên bo mạch chủ của robot nó đọc và dịch từ điện áp vào của sensor ,nó không thực hiện tốt khi đầu vào ở phía bên trái không kết nối Với mạch trên thì khi không có kết nối thì điện trở kéo luôn nối với nguồn 5V nên đầu vào của sensor là đường thẳng Như vậy ,giá trị mặc định ở cổng liên tục là

255 ,Trong khi giá trị mặc định ở cổng số là 0 hoặc mức logic sai.(nhớ rằng 5V đầu vào )

Em xin giới thiệu một loại sensor bắt đường của robot ,thường dùng trong thực tế

Cảm biến hồng ngoại gồm :đèn led (phát )và transistor thu

Nguyên lí chung : cường độ phát càng lớn thì dòng điện trên transistor càng lớn Theo sơ đồ trên thì điện rơi trên điện R trên mạch thu càng lớn khi R tăng

Ta thấy rằng nếu màu sắc khác nhau thì độ phản xạ khác nhau dẫn đến dòng thu cũng khác nhau

R7 5.6k

R12 10k D1

1.661V

R42 1k

0

U10

555B 1

2 3 4 5 6 7 8

GND

TRIGGER OUTPUT RESET CONTROL THRESHOLD DISCHARGE VCC

C3 10n

R6 5.6k

R41

POT A

1.661V

C4 0.1uf

Mạch thu tín hiệu:

0

0

R26 1k

R23

1k

R27 10k

+5v

0

R30 1k

0

+5v

R28 10k

+5v

R29 1k

Q4 Q2SC829

D4 LED

4.7uf

U13A LM324

1k

Ví dụ về mạch thu tín hiệu dùng bóng thu chuyên dùng:

Ví dụ về cảm biến phản xạ:

Một số lưu ý khi chỉnh mạch :

-giá trị điện trở R phải phù hợp thường điện trở phát 1K,điện trở thu 100K

- Kiểm tra thử đối vật liệu mà cần do để tìm điện áp làm việc

- Kiểm tra với những ánh sáng khác nhau để thử độ nhậy

-Bọc kín các sensor để tránh nhiễu

Phương pháp bố trí cảm biến trong robot dò đường :

Bố trí cảm biến ít nhất hai cảm biến hai bên mép để robot đi theo đường thẳng

Ví dụ một số cảm biến màu như E3S-VS color mark sensor của hãng omron

Động cơ trong robot

I.Động cơ bước :

1.Mở đầu

Lợi ích của động cơ bước :

Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao

năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm

Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động

cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả

vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor

Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta

có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo)

Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng

tới chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi

momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được

góc quay

Phân loại động cơ :

Động cơ buớc với roto là nam châm vĩnh cửu

- nhận biết :

+ Khi mất nhãn mác, khi quay trục động cơ bước có rotor là nam châm vĩnh cửu ta sẽ thấy vướng theo chu kỳ răng cưa.Trong khi đó, nếu là động

cơ từ trở sẽ thấy trơn

+ Cũng có thể phân biệt bằng đồng hồ vạn năng Động cơ từ trở thường có 3-4 cuộn dây được đấu chung GND trong khi động cơ nam châm vĩnh cửu thì không

+)Động cơ loại đơn cực (Unipolar), thường có 6 đầu ra Đầu 1,2 thường

được nối với cực dương, hai đầu a và b có thể được nối xuống đất hoặc không sẽ quyết định chiều quay của động cơ

+)Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra Về cấu tạo đơn

giản hơn nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây a,b

Động cơ bước kiểu từ trở

Nguyên lí :

Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu Đầu chung được nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay rotor

Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực Mỗi cuộn dây sẽ được quấn trên hai cực đối nhau Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1 Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2 Cứ như vậy điều khiển quay rotor

Sơ đồ điều khiển cơ bản của động cơ từ trở :

Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ

trường làm quay rotor Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor công suất Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính

Vấn đề bảo vệ khóa điều khiển :

Do cuộn dây động cơ có tính chất cảm nên không thể đóng cắt dòng qua cuộn dây ngay lập tức Khi đóng, dòng trong cuộn dây tăng từ từ, trễ so với

áp Khi mở khoá, dòng này có thể gây lên một điện áp lớn đánh thủng tiếp điểm của khoá

Để tránh vấn đề này có hai phương cách giải quyết:

C1: Diode đảm bảo dẫn dòng qua trong một thời gian ngắn Nếu dùng diode thường, loại 1N400x cần mắc song song thêm một tụ nhỏ.

C2: Khi mở khoá, năng lượng trong cuộn dây sẽ được nạp vào tụ Điện áp trên bản cực tụ cao hơn điện áp nguồn và phải đảm bảo nhỏ hơn điện áp chịu đựng của khoá chuyển Từ đó có công thức tính tụ bảo vệ như trên Khi khoá đóng, áp từ tụ xả qua khoá và khoá cũng cần chịu được điện áp này

Điều khiển động cơ bước đơn cực :

2

2 _ ax

LI C

>

−

Mạch thực tế :

Khoá chuyển mạch dùng là transitor SK3180 với hệ số khuếch đại khoảng 1000 lần Với điện trở bazơ là 470 Ohm, dòng bazơ khoảng 10 mili Ampe, nghĩa là có thể cho dòng qua cuộn dây đạt vài Ampe

Có thể thay 74LS04 bằng một phần tử logic khác có cấu tạo collector

hở, chịu được dòng qua khoảng 10 mili Ampe Khi khoá chuyển có sự cố, dòng từ tải không “chảy” quay lại mạch điều khiển

+ MOSFET ( Metal Oxit Semiconductor Field Effect

Trên mạch còn một diode ổn áp 5.1 V, một điện trở 100 Ohm Trong trường hợp transitor bị hỏng, áp ngược không thể vượt quá cao làm hỏng các linh kiện TTL của mạch điều khiển

Với điều khiển động cơ chỉ cần dòng qua cuộn dây cỡ 500 mili Ampe,

+ DS2003 (National

Semiconductor), MC1413 ( Motorola)

Điều khiển động cơ lưỡng cực với cầu H:

Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây không có điểm giữa nên khi đảo chiều quay động cơ gặp khó khăn Để đảo được chiều từ trường sinh ra trong cuộn dây ( cũng có nghĩa đảo chiều dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi là cầu

Cặp khoá A,D đóng, cặp khoá B,C mở, dòng chảy qua

cuộn dây theo chiều mũi tên

Nếu mở nhanh hai khoá A,D dòng tiếp tục duy trì dòng

cũ và đi qua hai diode Với tác dụng của áp nguồn với

đất, dòng sẽ tắt rất nhanh, khi đó rotor vẫn quay

Nếu chỉ khoá khoá A còn vẫn để D như cũ, dòng điện vẫn

khép kín qua cuộn dây như hình vẽ Do điện trở nhỏ của

cuộn dây, dòng sẽ duy trì trong một thời gian giảm dần và

có tác dụng tạo nên một phanh hãm động, kéo rotor dừng

Sơ đồ có đầu vào TTL, có thể điều khiển bởi một đầu collector hở như đã trình bày.

Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai transitor chéo nhau sẽ đóng dẫn dòng qua cuộn dây Khi cả hai ở mức thấp, hai transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor phía dưới sẽ

mở và như vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh động

Hoặc với một mạch đơn giản (như hình vẽ)

Cũng có thể điều khiển động cơ bước lưỡng cực loại nhỏ bằng IC TTL ba trạng thái ( vẫn dùng điều khiển đường bus) như 74LS125 hay 74LS244Mạch hoạt động tốt với cuộn dây có điện trở khoảng 50 Ohm với điện áp sụt khoảng 4.5V ( nguồn nuôi 5V)

Cách mắc như trên cho phép dòng tăng lên gấp đôi (qua cuộn dây) so với dòng mà IC có thể dẫn