Tài liệu Silde báo cáo nghiên cứu thiết kế, điều khiển robot rắn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa TPHCM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN Sinh viên thực hiện: THÁI MAI THÀNH Giáo viên hướng dẫn : TS. VÕ TƯỜNG QUÂN 8 tháng 1, 2016 1 Nội dung 1. Tổng quan 2. Lựa chọn phương án 3. Thiết kế cơ khí 4. Mô hình hóa 5. Thiết kế mạch điện 6. Thiết kế bộ điều khiển 7. Thực nghiệm 8. Kết luận 9. Tài liệu tham khảo TỔNG QUAN Hình 1. Anna Konda [1] Hình 2. ACM R3 [1] ROBOT RẮN Hình 3. Robot Rắn Q2C Hình 4. Robot Rắn Q2C_V2 3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI  Thiết kế robot rắn di chuyển bám quỹ đạo cho trước trên mặt phẳng. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI  Tìm hiểu tổng quan về Robot Rắn.  Nghiên cứu phân tích động học và động lực học của robot rắn 7 khớp di chuyển trên mặt phẳng.  Thiết kế bộ điều khiển hướng/ bộ điều khiển bám quỹ đạo cho trước của Robot Rắn.  Mô phỏng chuyển động của robot. PHẠM VI ĐỀ TÀI  Bỏ qua sai số do trượt của mô hình.  Bỏ qua sai số kích thước của mô hình. 4 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Tiêu chí thiết kế:  Robot Rắn có khả năng di chuyển trên mặt phẳng giống rắn thật.  Xác định chính xác giá trị góc của mỗi khớp hiện tại.  Chống trượt khi di chuyển.  Tại mỗi khớp có thể điều khiển moment. Hình 5. Cơ cấu chấp hành [2] Hình 6. Cơ cấu chống trượt [1] Hình 7. Cơ cấu hồi tiếp giá trị góc của khớp tại mỗi thời điểm [3] 5 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ Mục tiêu của thiết kế cơ khí  Thiết kế Robot Rắn gồm 8 khâu và 7 khớp dạng module giống nhau di chuyển trên mặt phẳng.  Thiết kế cơ cấu chống trượt ngang cho thân robot.  Thiết kế cơ cấu truyền động cho mỗi khớp. Hình 8. Tsukasa TG-47C-SG-300 [6] Hình 10. Kết cấu của khớp nối Hình 9. Bánh xe bị động Misumi [7] 6 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC 𝑥𝑖 = 𝑥ℎ + 2𝑙 𝑦𝑖 = 𝑦ℎ + 2𝑙 𝑖−1 𝑗=1 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑗 + 𝑙𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 𝑖−1 𝑗=1 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑗 + 𝑙𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 𝑖 = 1, … , 8 (1) y O 𝜃 = 𝐹 𝑟 Với 𝐹 = 𝐹𝐴−1 𝐹𝐵 (2) x Hình 11. Mô hình 8 khâu 7 khớp của robot 7 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TỪNG KHÂU Phương trình động lực học cân nhắc đến lực ràng buộc [4]: 𝑑 𝜕𝐿 𝜕𝐿 − + 𝐴𝑇 𝑞 𝜆 − Υ = 0(3) 𝑑𝑡 𝜕𝑞 𝜕𝑞 Phương trình chuyển động được viết lại như [4]: 𝑀 𝜃 𝜃 + 𝐶 𝜃, 𝜃 𝑟 𝐸𝑢 𝐼 8 𝜃 +𝑁 𝜃 − 𝑇 𝜃 𝜆 − 0 = 𝑄 (4) −𝐹 𝑟 𝑟 0 𝑀′ 𝜃 𝑟 + 𝐶 ′ 𝜃, 𝜃 𝑟 + 𝑁 ′ 𝑟 − 𝐹 𝑇 𝐸𝑢 = 𝑄′ (5) 8 KIỂM NGHIỆM TÍNH KHẢ THI • Đường màu xanh dương: Đỉnh đầu robot. • Đường màu xanh lục: Trọng tâm khâu 1. • Đường màu đỏ: Trọng tâm khâu 2. Hình 12. Quỹ đạo của đỉnh đầu robot và trọng tâm của 2 khâu Dạng moment để truyền vào mỗi khớp có dạng như sau: [5] 𝑢𝑖 = 𝐴𝑖 sin(2𝜋𝑓𝑖 𝑡 − 𝛽𝑖 ) (6) 9 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN Mục tiêu thiết kế mạch điện:  Đọc tín hiệu tọa độ vị trí tức thời của robot bằng camera  Đọc giá trị góc tức thời của mỗi động cơ  Truyền giá trị moment để điều khiển 7 động cơ DC  Giao tiếp giữa máy tính thiết bị điều khiển cấp dưới. 10 BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển:  Áp dụng cho hệ phi tuyến.  Sai số vị trí sát lập dưới 10mm. 𝐿𝑓2 ℎ1 𝑢 = 𝐸(𝑥 )−1 𝑣 − 𝑣1 = 𝑥𝑑 − 𝑘1𝑥 (𝑥ℎ − 𝑥𝑑 ) − 𝑘2𝑥 (𝑥ℎ − 𝑥𝑑 ) (7) 𝑦 𝑦 𝑣2 = 𝑦𝑑 − 𝑘1 (𝑦ℎ − 𝑦𝑑 ) − 𝑘2 (𝑦ℎ − 𝑦𝑑 𝐿𝑓2 ℎ1 𝐿𝑓2 ℎ2 = 𝑀′ 𝜃 −1 𝐿𝑓2 ℎ2 ′ (8) 𝑄 − (𝐶 𝜃, 𝜃 + 𝐸 𝑥 = 𝑀′ 𝜃 𝑁′) 𝑥3 𝑥4 −1 𝐹 𝑇 𝐸 11 BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA Đường 1: Đỉnh đầu robot. Đường 2: Trọng tâm khâu 1. Đường 3: Trọng tâm khâu 2. Đường 4: Trọng tâm khâu 4. Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu xd = −0.02t và yd = 0.45 12 BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA Đường 1: Đỉnh đầu robot. Đường 2: Trọng tâm khâu 1. Đường 3: Trọng tâm khâu 2. Đường 4: Trọng tâm khâu 4. Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu 𝑥𝑑 = −0.02𝑡 và 𝑦𝑑 = 0.02𝑡. 13 BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu là 𝑦 𝑦 đường tròn phương trình (x+4.5)^2 + y^2 = 4.52, 𝑘1𝑥 =𝑘2𝑥 = 0.5 và 𝑘1 =𝑘2 = 0.5 14 ĐIỀU KHIỂN MOMENT Ở MỖI ĐỘNG CƠ Hình 13. Bộ điều khiển moment dùng PWM Hình 14. Kết quả thí nghiệm đo dòng bằng ACS72 15 ĐIỀU KHIỂN MOMENT Ở MỖI ĐỘNG CƠ Hình 15. Mạch điều khiển dòng 16 THỰC NGHIỆM Hình 16. Mô hình thực tế 17 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 17. Kết quả thực nghiệm bám đường thẳng y = 350 pixel 18 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 18. Kết quả thực nghiệm bám đường thẳng y = 350 pixel 19 THỰC NGHIỆM Hình 19. Kết quả thực nghiệm chuyển hướng 20 độ 20