Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế robot điều khiển theo quỹ đạo ứng dụng la bàn số và cảm biến khoảng cách

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ---------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO ỨNG DỤNG LA BÀN SỐ VÀ CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH Giáo viên hướng dẫn : Th.s Lê Ngọc Duy Nhóm sinh viên thực hiện: Lớp : Cơ điện tử 1 – K10 Hà Nội – 2019 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Giáo viên phản biện LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật robot là một lĩnh vực phát triển hết sức nhanh chóng, là một trong những công nghệ mũi nhọn của thế kỉ 21. Cùng với sự phát triển của xã hội, kỹ thuật robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống con người. Ngày nay, chúng ta có thể thấy robot đã làm thay con người rất nhiều công việc. Đó là những công việc mà con người cảm thấy nhàm chán, khó thực hiện, yêu cầu độ chính xác hoặc có mức độ nguy hiểm cao. Ví dụ như robot lau nhà, robot lắp ráp trong công nghiệp, robot trong ngành năng lượng hạt nhân, robot để thám hiểm vũ trụ…. Để góp phần giúp sinh viên hiểu hơn về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Mobile robot nhóm em đã chọn đề tài Mobile robot 3 bánh di chuyển theo quỹ đạo, ứng dụng la bàn số và cảm biến khoảng cách. Dựa trên các kiến thức đã tìm hiểu ở loại Mobile robot truyền thống, nhóm em ứng dụng thêm la bàn số để tăng tính chính xác và điều khiển tối ưu quỹ đạo của robot hơn. Em xin chân thành cám ơn thầy Lê Ngọc Duy đã hướng dẫn, nhiệt tình giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đồ án. Chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới nhà trường, đặc biệt là quý thầy cô trong bộ môn cơ khí, cơ điện tử, những người đã trang bị kiến thức nền tảng và giúp đỡ chúng em trong thời gian qua. Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều sai sót. Chúng em mong được sự giúp đỡ và đóng góp của các thầy và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện đồ án MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO............................................................................................................1 1.1. Lịch sử nghiên cứu.................................................................................1 1.1.1. Giới thiệu chung về Robot..............................................................1 1.1.2. Giới thiệu chung về robot omni......................................................3 1.2. Mục tiêu của đề tài.................................................................................7 1.3. Phương pháp thực hiện đề tài.................................................................8 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO................................................................................................9 2.1. Tính toán, lựa chọn phương pháp điều khiển.........................................9 2.2. Mô hình toán học hệ thống cơ khí..........................................................9 2.2.1. Mô hình hóa robot...........................................................................9 2.2.2. Tính toán động học, động lực học cho robot.................................10 2.2.3. Tính toán động học cho robot cho một số chuyển động cơ bản....13 2.3. Mô hình toán học hệ thống điều khiển.................................................15 2.3.1. Bộ điều khiển động cơ PID...........................................................15 2.3.2. Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều dưới dạng hàm truyền .................................................................................................................17 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO..........................................................................................................19 3.1. Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí........................................................19 3.1.1. Thiết kế phần đế và nắp robot omi................................................19 3.1.2. Thiết kế khớp nối U.......................................................................20 3.1.3. Lựa chọn bánh xe omni.................................................................21 3.1.4. Khớp nối bánh xe với động cơ......................................................22 3.1.5. Tính toán chọn động cơ.................................................................23 3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử.............................................26 3.2.1. Lựa chọn vi điều khiển trung tâm.................................................27 3.2.2. Vi điều khiển Arduino Nano.........................................................30 3.2.3. Lựa chọn module bluetooth...........................................................31 3.2.4. Lựa chọn driver.............................................................................33 3.2.5. Cảm biến gia tốc............................................................................35 3.2.6. La bàn số.......................................................................................36 3.2.7. Hệ thống nguồn.............................................................................38 3.2.8. Mạch giảm áp................................................................................39 3.2.9. Sơ đồ kết nối mạch điện................................................................40 3.3. Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển................................................40 3.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển Mobile Robot.................................40 3.3.2. Thiết kế giao diện điều khiển........................................................40 CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH..........44 4.1. Chế tạo hệ thống cơ khí........................................................................44 4.2. Hệ thống điện, điện tử..........................................................................45 4.3. Mô hình hoàn chỉnh..............................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................48 PHỤ LỤC...........................................................................................................49 Chương trình điều khiển trên Arduino:.......................................................49 Chương trình lập trình ứng dụng điều khiển trên điện thoại:......................57 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Robot vận chuyển hàng hóa tự động trong kho hàng Amazon ...........................................................................................................................2 Hình 1-2: Robot hút bụi Samsung POWERbot......................................3 Hình 1-3: Robot thám hiểm Sao Hỏa Curiosity của NASA...................3 Hình 1-4: Xe lăn alexis- 1982.................................................................4 Hình 1-5: Robot KUKA - omniMove.....................................................5 Hình 1-6: Robot Omni do Trường ĐHBK Đà Nẵng nghiên cứu............6 Hình 1-7: Robot Omni tránh vật cản sử dụng hồng ngoại......................7 Hình 2-1: Mô hình động học và động lực học cho Omni Robot............9 Hình 2-2: Quan hệ giữa hệ số ma sát khô và hệ số ma sát nhớt...........13 Hình 2-3: Chuyển động tịnh tiến...........................................................14 Hình 2-4: Chuyển động quay................................................................14 Hình 2-5 Mô hình bộ điều khiển PID...................................................16 Hình 2-6: Mô hình hóa động cơ DC.....................................................17 Hình 3-1: Hình ảnh thiết kế của đế và nắp...........................................20 Hình 3-2: Khớp nối U...........................................................................20 Hình 3-3: Ví dụ các loại bánh xe trên thực tế.......................................21 Hình 3-4: Bánh xe omni mô hình..........................................................22 Hình 3-5: Khớp nối trục động cơ và bánh............................................22 Hình 3-6: Các lực tác dụng lên bánh xe................................................23 Hình 3-7: Các chân kết nối của Encoder...............................................25 Hình 3-8: Hình ảnh mô hình của động cơ.............................................26 Hình 3-9: Mô hình thiết kế trên phần mềm Solidworks.......................26 Hình 3-10: Sơ đồ khối hệ thống............................................................27 Hình 3-11: Hình ảnh mô hình của Arduino..........................................29 Hình 3-12: Module bluetooth HC-06....................................................32 Hình 3-13: Hình ảnh thực tế của Driver L298......................................33 Hình 3-14: Vị trí các chân của driver L298..........................................34 Hình 3-15: Cảm biến gia tốc và la bàn số MPU-6050..........................35 Hình 3-16: Cảm biến la bàn số HMC5883L.........................................37 Hình 3-17: Sơ đồ nguyên lí la bàn số HC8553L...................................38 Hình 3-18: Hình ảnh thực tế của Pin 12V.............................................39 Hình 3-19: Mạch giảm áp.....................................................................39 Hình 3-20: Giao diện Project MIT App Inventor.................................42 Hình 3-21: Giao diện thiết kế ứng dụng...............................................42 Hình 3-22: Hình ảnh giao diện lập trình ứng dụng...............................43 Hình 3-23: Giao diện điều khiển bằng điện thoại.................................43 Hình 4-1: Khung máy sau khi được lắp ráp..........................................44 Hình 4-2: Bánh xe omni 58mm.............................................................44 Hình 4-3: khớp nối trục động cơ và bánh omni....................................45 Hình 4-4: Mô hình hoàn chỉnh..............................................................47 DANH MỤC BẢ Y Bảng 2-1: : Nhận xét về các thông số Kp, Ki, Kd.................................25 Bảng 3-1: Thông số yêu cầu robot........................................................28 Bảng 3-2: Thông số kỹ thuật động cơ...................................................33 Bảng 3-3: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560...............................38 Bảng 3-4: Bảng thông số của Arduino Nano........................................39 Bảng 3-5: Thông số kỹ thuật Driver L298............................................42 Bảng 3-6: Thông số kỹ thuật PIN 12V.................................................47 Bảng 4-1 :Các linh kiện điện, điện tử...................................................54 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO 1.1. Lịch sử nghiên cứu 1.1.1. Giới thiệu chung về Robot Robot là một từ chỉ người lao động trong hệ ngôn ngữ Sla-vơ. Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về robot. Những định nghĩa đó có nội dung tương tự như nhau. Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thống cơ khíđiện tử. Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó giác quan giống như con người. Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động. Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn đề: “Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot?” Một cách gần chính xác, robot phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây: - Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra. - Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh. - Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường. - Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước. - Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng. - Có thể quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều. - Có sự khéo léo trong vận động. Phân loại Mobile Robot: Có thể phân loại Mobile robot theo phương pháp di chuyển. - Robot có chân, di chuyển giống con người hay động vật. - Robot di chuyển bằng xích, đai. - Robot di chuyển bằng bánh xe. Các dạng điều khiển: - Robot điều khiển từ xa bằng tay qua sóng RF, wifi, hồng ngoại hay Bluetoot…Robot điều khiển từ xa giúp con người tránh khỏi nguy hiểm, không phải di chuyển theo robot. - Thực thi theo lộ trình: dạng robot thường thấy đó là robot dò line, phát hiện đường đi theo vạch chỉ sẵn; hay lập trình sẵn quỹ đạo và robot di chuyển theo quỹ đạo đó. - Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên: Về cơ bản đó là chuyển động nhảy bật lên tường, hay di chuyển trong khoảng không gian nhất định, có sử dụng cảm biến tránh vật cản như robot hút bụi, máy cắt cỏ… Ứng dụng của Mobile robot: Mobile robot được dùng trong các nhà máy vận chuyển hàng hóa. Hình 1-1: Robot vận chuyển hàng hóa tự động trong kho hàng Amazon Ứng dụng trong đời sống, hỗ trợ con người làm việc nhà như hút bụi, lau sạch bể bơi, giám sát an ninh, cắt cỏ, đồ chơi… Hình 1-2: Robot hút bụi Samsung POWERbot Ứng dụng trong những môi trường độc hại, những nơi con người không thể đi tới, hay đi tới một cách khó khăn, nguy hiểm như sao hỏa, đáy biển, núi lửa… Hình 1-3: Robot thám hiểm Sao Hỏa Curiosity của NASA 1.1.2. Giới thiệu chung về robot omni Robot Omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã được ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng. Đặc biệt là Omni có kết cấu lạ với 3 bánh xe, nhưng chính do sự phối hợp hoạt động của 3 bánh xe lại cho ta khả năng điều khiển tốt quỹ đạo của robot. Omni robot thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng và tự tránh được vật cản. Ứng dụng của nó là phục vụ trong công tác dịch vụ chăm sóc y tế, đặc biệt là trong điều kiện môi trường lây nhiễm cao hay môi trường có cường độ phóng xạ cao thay con người... Robot Omni có đặc điểm là kết cấu đơn giản, có quỹ đạo di chuyển khá linh hoạt nên được phát triển để thay thế cho các loại mobile robot truyền thống. Trên thế giới, Mobile robot đã được phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng do được tích hợp các công nghệ mới nhất. Một số mô hình Omni robot trong ứng dụng thực tế trên thế giới: - Alexis – xe lăn đa hướng bánh xe omni (năm 1982) Hình 1-4: Xe lăn alexis- 1982 Xe lăn Alexis sử dụng bánh xe omni được nghiên cứu và phát triển bởi nhóm nghiên cứu đại học Stanford (Hoa Kỳ) vào năm 1982. Vào thời gian đó, đây là một cuộc cách mạng về cách di chuyển mới của robot là sử dụng bánh xe omni-directional (gồm 1 bánh lớn và nhiều bánh nhỏ có trục vuông góc với bánh lớn). Alexis có thể di chuyển trực tiếp đến bất kỳ vị trí nào trên đường đi bằng thao tác của người lái thông qua một núm điều khiển nó sẽ gửi tín hiệu đến vi xử lý để điều tốc độ của ba bánh xe. Xe được tạo ra để phục vụ người tàn tật và các cựu chiến binh không có khả năng đi lại bình thường. Đặc điểm của xe lăn Alexis: - Hiệu quả cao. - Tốc độ cao. - Tải trọng lớn. - Thao tác đơn giản. - Khả năng cơ động cao. - Hoạt động ổn định. - Giá thành phù hợp. - Khả năng leo dốc kém. Thật không may, Alexis không bao giờ được sản xuất ra thị trường vì Jon King, giám đốc điều hành Intex đã tham ô hàng triệu đô la vốn đầu tư. Ông này sau đó đã bị kết án 10 năm tù giam trong nhà tù liên bang. Nhưng Alexis đã đi tiên phong trong công nghệ ứng dụng của loại xe sử dụng bánh xe Omni giúp đỡ người tàn tật. Hình 1-5: Robot KUKA - omniMove Robot KUKA omniMove của hãng sản xuất robot công nghiệp KUKA, Robot omniMove là sản phẩm điển hình cho giải pháp vận chuyển mới trong nhà máy. Điểm mạnh: - Có khả năng vận hành tự động hoặc điều khiển từ xa - Tính linh hoạt cao - Độ chính xác cực kì cao - Trọng tải siêu lớn - Có thể lắp ghép mô-đun. Các nghiên cứu trong nước - Omni Robot cân bằng trên quả cầu. Hình 1-6: Robot Omni do Trường ĐHBK Đà Nẵng nghiên cứu Robot cân bằng trên quả cầu (Ball Balancing Robot – BBR) lấy cảm hứng từ Rezero của đại học ETH Zurich (Anh), nguyên mẫu BBR được thiết kế và chế tạo tại khoa cơ khí, Trường đại học bách khoa Đà Nẵng gồm ba bánh xe đa hướng được truyền động bởi ba động cơ DC được bố trí lệch nhau 120 độ. Điểm đặc biệt là phần thân nguyên mẫu có hình lăng trụ lục giác đều, phù hợp cho việc chế tạo lớp vỏ bảo vệ. Nguyên mẫu BBR bao gồm 3 phần chính: phần thân, hệ thống động lực và quả cầu. Khối điều khiển trung tâm là một mạch Arduino Mega2560, nhận dữ liệu trạng thái từ IMU và tính toán, truyền đến khối điều khiển động cơ, các giá trị đặt cho mỗi động cơ. Mạch này cũng đảm bảo các kết nối không dây để điều khiển và thu thập dữ liệu BBR từ xa. Hệ thống động lực robot bao gồm ba động cơ DC dẫn động ba bánh xe đa hướng và các mạch driver tương ứng. Vị trí trục và dòng điện của các động cơ được đo bằng encoder và cảm biến dòng. Các thông tin này được khối điều khiển động cơ sử dụng để điều chỉnh tốc độ và momen xoắn của mỗi động cơ theo phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation). - Omni Robot tránh vật cản: Điều khiển phối hợp 3 động cơ RC Servo và sử dụng 3 cảm biến hồng ngoại đi theo những quy đạo đơn giản và tránh chướng ngại vật do nhóm sinh viên đại học bách khoa Hà Nội chế tạo. Hình 1-7: Robot Omni tránh vật cản sử dụng hồng ngoại 1.2. Mục tiêu của đề tài Về mặt thiết kế cơ khí: Mobile robot có thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, đảm bảo độ cứng vững và đủ không gian lắp ráp các linh kiện. Các bánh được lắp đặt theo góc đều nhau và đảm bảo trọng tâm của mô hình trong quá trình di chuyển. Hệ thống điều khiển: Sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến trên thị trường, dễ dàng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển, lập trình. Các linh kiện, đường đi dây được bố trí hợp lí, gọn gàng, không bị lỏng lẻo, ngắt kết nối trong quá trình hoạt động. Mục tiêu hoạt động của mô hình: Mobile robot có khả năng di chuyển đa hướng, di chuyển theo quỹ đạo đơn giản được thiết kế trên giao diện điện thoại. Mô hình có thể sử dụng chế độ điều khiển bằng tay và chế độ điều khiển tự động được kết nối thông qua modul bluetooth với độ chính xác trên 95%. 1.3. Phương pháp thực hiện đề tài - Tham khảo tài liệu và đánh giá: Đọc tài liệu về động lực học Robot, Robot đa hướng, tìm hiểu về nguyên lí điều khiển, các phương trình động lực học, bộ điều khiển PID vận dụng kiến thức các môn học đưa vào thực tế. Tìm hiểu tài liệu vi điều khiển, cụ thể là Arduino để tạo ra chương trình điều khiển cho Robot, các tài liệu về kĩ thuật điện tử, vi mạch, để hiểu hơn về nguyên lí các linh kiện. Sử dụng các phần mềm hỗ trợ thiết kế cơ khí như Solidworks để tạo ra các mẫu thử, btừ đó đánh giá mô hình thích hợp nhất. Phần mềm Proteus dùng để vẽ sơ đồ mạch điện, đường đi dây. Ngoài ra chúng em con tham khảo các tài liệu trên Internet cũng như các đồ án tương tự của khóa trước để hiểu rõ hơn về lĩnh vực Robot. - Quan sát: Hoạt động Robot đa hướng trong các video hay các cuộc thi Robocon xem khả năng hoạt động của Mobile robot và đưa ra các yêu cầu cho mô hình. - Thực nghiệm: Từ mục tiêu đề tài và đánh giá trên mô hình thiết kế trên phần mềm chúng em thiết kế, chế tạo thân robot, lắp ráp các Board mạch, cảm biến, kết nối với máy tính, viết chương trình chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh. CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN THEO QUỸ ĐẠO 2.1. Tính toán, lựa chọn phương pháp điều khiển Trong đồ án này, chúng em sẽ sử dụng Aduino mega 2560 và ứng dụng la bàn số để điều khiển phối hợp 3 động cơ 12V-DC Encoder cho robot di chuyển đa hướng. Sử dụng phương pháp điều khiển trên máy tính (thiết kế quỹ đạo) kết hợp với Board mạch điều khiển để điều khiển Robot di chuyển theo quỹ đạo có sẵn. Từ đó có thể ứng dụng trong công việc vận chuyển, giám sát, xác định được quỹ đạo tối ưu giúp Robot di chuyển một cách dễ dàng và linh hoạt. 2.2. Mô hình toán học hệ thống cơ khí 2.2.1. Mô hình hóa robot Chuyển động của robot là do chuyển động của các bánh xe. Các bánh xe chuyển động do động cơ lắp ở mỗi trục bánh quay và sinh ra lực kéo. Vậy ta xét đến mô hình robot, trong đó các lực kéo đặt ở các bánh xe. Vận tốc của robot được tính dựa vào vận tốc của các bánh xe. Từ đó ta có mô hình robot như sau: Hình 2-8: Mô hình động học và động lực học cho Omni Robot Robot gồm 3 bánh đặt lệch nhau 120 0, tiếp tuyến với một đường tròn đường kính 350mm. Gọi các bánh xe lần lượt là 1,2,3. Chọn 2 hệ trục tọa độ như sau: hệ trục tọa độ Oxy gắn cố định với mặt phẳng sàn, hệ trục tọa độ