Tài liệu Nghiên cứu thiết kế robot leo trụ

BỘ 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 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015 BỘ 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 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG 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: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS.Lê Hữu Sơn Chủ tịch 2 TS. Nguyễn Hùng Phản biện 1 3 TS. Nguyễn Duy Anh Phản biện 2 4 TS. Võ Hoàng Duy 5 PGS.TS.Ngô Cao Cường Ùy viên 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 TRƯỜNG 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 (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) i LỜI 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 ii 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. iii TÓM 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. iv ABSTRACT 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. v MỤC 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 vi 2.2.1 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 vii 4.1 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 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DC Direct Current 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 ix DANH 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 x DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering 2 Advancementsm2014 Hình 1.2 Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa 3 Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2) Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping 3 principle ( Cengiz Yilmaz) 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 2.6 Sơ đồ chân của ATmega32 8 Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H 11 Hình 2.8 Một số loại encoder trên thị trường 12 Hình 2.9 Cấu tạo thực tế của encoder 13 Hình 2.1 Dạng sóng ngõ ra của LED thu 14 Hình 2.11 Cấu tạo đĩa quay trong encoder 14 Hình 2.12 Quá trình đọc Encoder 15 Hình 2.13 Một số loại động cơ trên thực tế 15 Hình 2.14 Cấu tạo động cơ điện một chiều 16 Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC 17 Hình 2.16 Điều khiển động cơ bằng PWM 18 Hình 3.1 Phân bố lực của Robot 19 Hình 3.2 Bộ tạo lực nén 20 Hình 3.3 Lò xo nén 22 xi Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chuyển động 23 Hình 3.5 Bộ điều khiển lực nén 24 Hình 3.6 Bộ điều khiển tốc độ leo 26 Hình 3.7 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống nén 26 Hình 3.8 Đáp ứng G(s) của hệ thống nén 28 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 3.12 Đáp ứng G(s) của hệ thống leo 33 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 4.2 Robot leo trụ 35 Hình 4.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển và kết nối 36 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nén 37 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống leo 38 Hình 4.6 Bo mạch Arduino UNO 41 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý Opto 42 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý của Rờ le 42 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 Hình 4.11 Lưu đồ điều khiển Robot 44 Hình 4.12 Robot leo trụ 45 Hình 4.13 Điều khiển nén của robot 45 Hình 4.14 Điều khiển leo của robot 45 Hình 4.15 Robot thực hiện leo trụ 46 1 CHƯƠNG 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 2 1.2.2 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 3 1.2.2.2 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) 4 1.2.2.3 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 5 trên 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. 1.4 Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mô hình thực để kiểm nghiệm. 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.