ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG cơ điện tử đề tài ROBOT rắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ
---------------o0o---------------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: ROBOT RẮN

GVHD :
SVTH

:

TP. HỒ CHÍ MINH, 202


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ
---------------o0o---------------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: ROBOT RẮN

GVHD :
SVTH

:

TP. HỒ CHÍ MINH, 202


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
I.

3

1. Mục tiêu môn học
2. Lý thuyết thiết kế
AI. 5

1. Khái quát Robot rắn
2. Ứng dụng của đề tài vào thực tế
3. Cách thức chuyển động
4. Mục tiêu của đề tài
BI. 9

1. Đề xuất phương án
2. Phân tích chuyển động
3. Mơ hình hóa
4. Giải thuật điều khiển
5. Lưu đồ giải thuật điều khiển
IV. 19
1. Lựa chọn thiết bị cho Robot
2. Bản vẽ cơ khí
3. Sơ đồ nguyên lí

4. Code điều khiển của Robot
V.
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

31


LỜI CẢM ƠN
Nhóm 5 lớp A03 xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Minh Tuấn, giảng
viên trường ĐH Bách Khoa TP.HCM đã tận tình hướng dẫn, góp ý để báo cáo của nhóm
có hướng đi đúng đắn, giúp nhóm nhận ra những điều cịn thiếu sót và hồn thiện nội
dung lẫn hình thức của đề tài này.
Cảm ơn đến các tác giả bài viết, các trang mạng … góp phần cho nhóm hiểu và
có nhiều thơng tin, dữ liệu cần thiết để hoàn thiện đề tài.
Qua dự án này, nhóm đã nhận được rất nhiều thơng tin hữu ích cũng như kiến thức
cịn thiếu, đồng thời cũng nhận ra những thiếu sót để trở thành những người kỹ sư. Mặc
dù nhóm đã cố gắng nhưng chắc chắn vẫn cịn nhiều sai sót chưa khắc phục được, vì
vậy kính mong thầy cùng các nhóm khác đóng góp ý kiến, cho lời khuyên để nhóm có
thêm kinh nghiệm cho những dự án sắp tới.
Nhóm 5 lớp A03 xin chân thành cảm ơn!

Tập thể nhóm thực hiện

2


NỘI DUNG
I. TỔNG QUAN MƠN HỌC
1. Mục tiêu mơn học

Mơn học giới thiệu các thành phần cơ bản hình thành nên hệ thống Cơ điện tử,
phương pháp thiết kế hệ thống cơ điện tử đối tượng cụ thể, những ứng dụng cụ thể của
các hệ thống và sản phẩm cơ điện tử.
Các hiểu biết, các kỹ năng cần đạt được sau khi học môn học:
●

Kiến thức: Nắm vững các thuật ngữ, khái niệm, nguyên lý, các yếu tố hình thành
hệ thống Cơ điện tử. Tiệm cận một phương pháp thiết kế “phương pháp thiết kế hệ
thống cơ điện tử”.

●

Kỹ năng nhận thức: Nhận biết được mối liên kết giữa các thành phần trong hệ
thống cơ điện tử;

●

Kỹ năng chuyên môn: kỹ năng phân tích, thiết kế sản phẩm cơ điện tử.

●

Kỹ năng chuyển tiếp: áp dụng kiến thức được trang bị ở môn này để tiếp cận các
hệ thống tự động trong các lĩnh vực khác nhau.

2. Lý thuyết thiết kế

Thuật ngữ “Cơ điện tử” được nhắc tới lần đầu tiên bởi một kỹ sư người Nhật Bản, ông
Tetsuro Mori, vào năm 1969. Tuy nhiên, nó chỉ bắt đầu được sử dụng rộng rãi sau khi tập
đoàn Yaskawa Electric từ bỏ quyền sở hữu trí tuệ đối với thuật ngữ này. Theo tiêu chuẩn

NF E 01-010 của Pháp, “Cơ điện tử” được định nghĩa một cách khái quát là: “một
phương pháp tiếp cận nhằm mục đích tích hợp cùng lúc kỹ thuật cơ khí, điện tử, lý thuyết
điều khiển và khoa học máy tính trong thiết kế và sản xuất sản phẩm, để cải thiện và/hoặc
tối ưu hóa chức năng của nó.”

3


Hình 1: Chân dung ơng Tetsuro Mori
Trong thiết kế hệ thống cơ điện tử, kỹ thuật đồng thời sẽ được sử dụng thay cho kỹ
thuật trình tự như trong thiết kế các hệ thống cơ khí hay cơ điện khác. Sử dụng quan niệm
thiết kế của brun, công việc của nhóm được chia thành 5 cơng đoạn chính:
●

Xây dựng bài tốn

●

Đặt ra các tiêu chuẩn

●

Tìm kiếm giải pháp

●

Đánh giá và lựa chọn giải pháp

●

Thực thi

Từ đó cơng việc được chia nhỏ và phân cơng cho các thành viên của nhóm như sau:
HỌ & TÊN
Nguyễn Hữu Chí
Nguyễn Tiến Chương
Nguyễn Hồng Long
Mai Tiến Mạnh

4


AI. PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI
1. Khái quát Robot rắn

Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học kỹ thuật và đặc thù là ngành công
nghệ Robot, Mobile Robot hiện nay thu hút rất nhiều chú ý và đầu tư nghiên cứu với khả
năng di chuyển linh hoạt và vùng hoạt động rộng của mình. Hầu hết các cơ chế Mobile
Robot hiện nay có các bánh xe được điều khiển bằng động cơ, những cơ cấu như vậy tương
đối hiệu quả, dễ dàng vận hành và điều khiển tốc độ cao trên các địa hình bằng phẳng. Tuy
nhiên, chúng có hiệu quả tương đối thấp khi hoạt động trong các môi trường gồ ghề và lầy
lội. Do vậy, hiện nay các loại Mobile Robot “không bánh xe” đang được tích cực nghiên cứu,
điển hình là Robot sử dụng chân hay các Robot trườn, bị như Robot hình rắn.

Robot hình rắn đầu tiên được thiết kế bởi Shigeo Hirose cùng các cộng sự vào năm
1972 và được biết đến là Active Cord Mechanism (ACM). Sau đó, các Robot hình rắn
cũng lần lượt được thiết kế và ra mắt, tiêu biểu là Robot rắn loại lớn của việc công nghệ
california (1992), Robot rắn của Phịng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực NASA (1994) và
nhiều đề tài khác. Gần đây, ngoài khả năng di chuyển trong địa hình hai chiều, các Robot
hình rắn cịn được phát triển có khả năng trèo lên cây hay bơi lội cùng khả năng thích ứng

mơi trường cao.

5


Hình 2: Ơng Shigeo Hirose cùng Robot rắn đầu tiên
Với khả năng nằm trong môn học, mục tiêu của đề tài này là có thể tạo ra Robot hình
rắn có khả năng di chuyển linh hoạt cũng như tích hợp các tính năng khác của Mobile
Robot trong khơng gian hai chiều.
2. Ứng dụng của đề tài vào thực tế

Robot hình rắn thuộc họ Mobile Robot nên có những ứng dụng thực tiễn tương đối
quen thuộc và có thể ứng dụng vào cả quân sự và dân dụng.
●

Trong lĩnh vực quân sự: sử dụng Robot này để do thám, thám hiểm, thâm nhập
công sự địch hay phá hoại…

6


●

Trong lĩnh vực dân sự: có thể sử dụng Robot này để kiểm tra, nạo vét đường ống,
nội soi trong y tế, cứu hộ, cứu nạn khẩn cấp hay nghiên cứu trong các môi trường
độc hại…

3. Cách thức chuyển động

Chuyển động concertina: bao gồm việc neo đầu, kéo cơ thể lên thành cuộn trịn, neo

đi và đẩy đầu và thân trước về phía trước. Mặc dù chậm, chuyển động của concertina
cho phép con rắn leo lên mọi thứ hoặc di chuyển trong không gian chật hẹp một cách
hiệu quả.
Chuyển động Serpentine (nhấp nhô bên): là hành động 'trườn' và là một trong những
phong cách được sử dụng phổ biến nhất. Nó liên quan đến việc co các cơ từ đầu đến đuôi
và cơ thể lắc lư từ bên này sang bên kia tạo ra chuyển động hình chữ s cong mà người ta
liên tưởng đến loài rắn. Phương pháp này hoạt động tốt ở những địa hình gồ ghề, nhấp
nhơ cho phép con rắn bám vào và đẩy ra mọi thứ tạo ra lực đẩy về phía trước nhưng
khơng thành công trên bề mặt nhẵn. Sự di chuyển của Serpentine cũng hoạt động hiệu
quả trong nước và được sử dụng bởi cả rắn biển và rắn sống dưới nước, bao gồm nhiều
loại rắn mà trên cạn hiếm khi sử dụng nó.

Hình 3: Các cách chuyển động của lồi rắn

7


Chuyển động slidewinding: bao gồm việc neo đầu và đuôi vào chất nền và 'ném' phần
thân giữa về phía trước và sau (theo kiểu súng cao su) bằng đầu và đuôi. Con rắn đang sử
dụng các phần cơ thể được neo để cho phép phần giữa cơ thể có một nền tảng để đẩy ra.
Sidewinding có hiệu quả trên các bề mặt nhẵn hoặc trơn và được một số loài sống trên sa
mạc sử dụng để di chuyển qua cát và qua các đụn cát.
a. Mục tiêu của đề tài

Hoạt động của Robot: Robot được điều khiển bằng tay qua bluetooth thông qua
module bluetooth. Robot sẽ sử dụng arduino làm mạch điều khiển chính với các khớp
chuyển động sử động cơ RC Servo.
Khả năng di chuyển của Robot: Robot có khả năng di chuyển mô và mô phỏng một
hoặc nhiều dạng chuyển động của lồi rắn, nhận biết, phân tích và né tránh các vật cản
dựa trên cảm biến siêu âm. Do đó, tốc độ sự kiến sẽ giới hạn tối đa 0,1 m/s.

8


PHÂN TÍCH VÀ MƠ HÌNH HĨA

BI.

1. Đề xuất phương án

Robot mô phỏng chuyển động concertina
‐

Đặc điểm: Các khớp liên kết với nhau bằng khớp bản lề, Robot tiếp xúc với sàn
thơng qua bánh xe.

‐

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, có thể di chuyển linh hoạt. Ngoài chuyển động trườn
trên mặt phẳng, Robot cịn có thể uốn mình theo phương đứng.

‐

Nhược điểm: Không mô phỏng được những chuyển động phức tạp của rắn, cần
khoảng không gian nhất định thể thực hiện di chuyển.

Robot mô phỏng chuyển động Serpentine
‐

Đặc điểm: Các khớp liên kết với nhau bằng khớp bản lề, Robot tiếp xúc với sàn

thông qua bánh xe.

‐

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, có thể di linh hoạt trong khơng gian hẹp. Mô phỏng
chuyển động trườn cơ bản của rắn.

‐

Nhược điểm: Không mô phỏng được những chuyển động phức tạp của rắn.

Robot mô phỏng chuyển động Slidewinding
‐

Đặc điểm: Liên kết các khúc bẳng 2 khớp bản lề vng góc nhau, dạng chữ CU.

‐

Ưu điểm: Di chuyển dễ dàng trên các địa hình mềm, nhẹ như cát

‐

Nhược điểm: Tốn nhiều động cơ, điều khiển phức tạp.

Robot mô phỏng chuyển động sâu đo
‐

Đặc điểm: Liên kết các khúc bẳng 2 khớp bản lề vuông góc nhau, dạng chữ CU

‐

Ưu điểm: Lập trình và điều khiển khơng q phức tạp. Ngồi chuyển động trườn
trên mặt phẳng, Robot cịn có thể uốn mình theo phương đứng.

‐

Nhược điểm: Tốn nhiều động cơ, cần nhiều không gian để thực hiện di chuyển

Với mong muốn Robot di chuyển linh hoạt và có khả năng mơ phỏng lại chuyển động
của lồi rắn một cách thực tế nhất, vì vậy nhóm quyết định chọn Robot rắn có thể mơ phỏng

9


chuyển động Serpentine đồng thời đánh giá lại những mục tiêu của dề tài sao cho phù
hợp với khả năng của nhóm:
●

Robot có thể mơ phỏng chuyển động serpentine của lồi rắn.

●

Robot sẽ có 6 khớp chính, gồm 1 khớp đầu, 1 khớp đuôi và 4 khớp thân.

●

Robot được điều khiển bằng tay qua bluetooth thông qua module bluetooth, sử dụng
arduino làm mạch điều khiển chính với các khớp chuyển động sử động cơ RC Servo.

●

Địa hình hoạt động: bề mặt bằng phẳng, có ma sát.

●

Tốc độ di chuyển tối đa: 0,1 m/s

2. Phân tích chuyển động

2.1. Mơ hình động học Robot rắn

Hình 4: Hệ tọa độ dẫn đường của Robot rắn

Hình 5: Đường cong Serpenoid
10


Hình 6: Góc khớp tương đối
Xét một đường cong trên mặt phẳng Oxy đi qua gốc tọa độ. Nó được gọi là đường cong
Serpenoid. Biểu thức quan hệ hình học trực tiếp của mỗi vị trí khớp được biểu thị như sau:
−1

−1

Những thay đổi về góc giữa các khớp liền kề thúc đẩy chuyển động ngoằn ngoèo của
Robot rắn. Phương pháp thay đổi hàm góc để điều khiển đường chuyển động của Robot
rắn được gọi là phương pháp điều chỉnh tâm. Biểu thức tốn học là:
ℎ=

( −0.5 )+

ℎ

=( +(−1))+

Trong đó:
●

ω là vận tốc góc

●

ϑ là pha

●

i = 1: N và N là tổng số khớp.

●

γ được gọi là hệ số điều chỉnh hướng.

●

θ h là góc giữa đầu và hướng chuyển động

●

ϕ i là góc giữa khớp i và hướng chuyển động.
11

2.2. Phân tích các đặc điểm hạn chế chuyển động của Robot rắn
Giả định rằng môi trường mục tiêu của rô bốt là tĩnh và tọa độ mục tiêu đã biết. Trong
môi trường, Robot rắn bị ảnh hưởng bởi lực đẩy của chướng ngại vật và lực hút của mục
tiêu. Ta chỉ xem xét ảnh hưởng của lực hấp dẫn và giả định rằng:
( )=

×

( )

Trong đó F (t) là lực hấp dẫn, và p là hằng số liên quan đến Robot
Trong hình 4, khi Robot rắn đang ở trên S’ , nó chịu tác dụng của lực hấp dẫn từ mục tiêu
và quay một góc γ . Vận tốc của đầu Robot rắn là v 0 , góc từ trục x là θ h , lực hút từ mục
′

tiêu đến Robot trên S là F , góc từ trục x là α , và β là góc giữa lực hấp dẫn F và vận tốc
v0 .

Hình 7: Liên hệ giữa qng đường và lực hút
Khi khơng có lực hấp dẫn, vận tốc chuyển động của Robot trong thời gian ngắn dt là
v0. Dưới một lực hấp dẫn, vận tốc sẽ trở thành và vận tốc tương ứng v 0 sẽ thay đổi góc γ
để di chuyển về phía mục tiêu. Để tính tốn góc thay đổi γ , mối quan hệ giữa lực và vận
tốc được biểu diễn trong Hình 5:

12


Hình 8: Mối quan hệ giữa lực và vận tốc

Mối quan hệ giữa các chức năng điều chỉnh hướng của Robot rắn và lực lượng tiềm
năng F.

=

√

=

2
ℎ

2
0

+ (∑

((

=1

)2 + 2

=1

ℎ 0

∑

=1

0 ℎ

+∑

()

)/ ∑

( )

)

=1

()
ℎ

Bằng cách điều chỉnh γ , Robot có thể được điều khiển để tránh va chạm. Các
thơng số điều chỉnh chuyển động đầu của Robot rắn được thể hiện
(0ℎ+
ℎ(

)=

(

− 0.5 ) +

(

()

)
)

Lực hấp dẫn trường thế năng của mục tiêu F có thể thay đổi hướng chuyển động của đầu
Robot rắn θ h ( t ) và tốc độ di chuyển. Trong thực tế, Robot rắn sẽ tính tốn hướng đến mục
tiêu theo thơng tin về tốc độ, tư thế và vị trí của nó. Nó được điều khiển để di chuyển

13


theo hướng chính xác bằng cách điều chỉnh lực lái Fk để mô phỏng lực hấp dẫn từ trường
thế năng.
3. Mơ hình hóa
Khớp của Robot sẽ được in 3D do đó nhóm sẽ vật liệu là nhựa ABS. Các khớp của
Robot được nối với nhau bằng đinh vít trên đầu động cơ servo và vịng ổ lăn dưới đáy
mỗi khớp.

Hình 9: Kết cấu tổng quan của Robot

14


Hình 10: Phần đầu Robot

Hình 11: Phần thân Robot

15

Hình 12: Khớp nối Robot

Hình 13: Phần đi Robot

16


Hình 14: Khớp quay của Robot

Hình 15: Khớp quay của Robot (nhìn từ trên)

17


Hình 16: Khớp quay của Robot (nhìn từ dưới)
4. Giải thuật điều khiển

Lệnh cơ bản để điều khiển servo cho chuyển động về phía trước:
RobotServos[i].write(forwardAngles[i] + currentTurnAngle +
amplitude*sin(waveValue + (i*lag)));

Trong đó:
●

i là thứ tự của động cơ servo hiện tại và lấy các giá trị từ 1 đến 5.

●

amplitude xác định độ rộng của sóng (nghĩa là hình dạng "S" được uốn cong bao
nhiêu).

●

frequency (dọc theo độ trễ biến đổi) xác định tốc độ của Robot.

●

counter là biến vòng lặp.

●

lag là góc lệch tương giữa các khớp.

Mỗi động cơ servo được điều khiển bởi một lệnh thuộc dạng này và tất cả năm trong số
các lệnh này được đưa vào một vịng lặp for trong đó bộ đếm biến chạy từ 0 đến 360 độ. Con
rắn thực hiện một lần nhấp nhơ về phía trước và kết thúc khi con rắn trở lại vị trí ban đầu.
Trong vịng lặp cũng có một độ trễ lệnh (delayTime). Vì các servo khơng phản hồi tức thời,
nên phải delay để cho các servo có thời gian di chuyển. Các động cơ servo nhận lệnh đặt góc
của chúng. Nếu tất cả các động cơ được đặt ở 90 độ, thì vị trí của con rắn là một đường
thẳng. Nếu được đặt ở góc nhỏ hơn hoặc lớn hơn 90, servo sẽ uốn các khúc cong sang trái
hoặc phải. Điều này được kiểm soát bởi các biến leftOffset và rightOffset.

18


5. Lưu đồ giải thuật điều khiển

START

Khởi tạo
UART
Nhận kí tự
thơng qua
bluetooth
Sai
Đúng

Đi thẳng

F
Sai
Đúng

Đi lùi

R
Sai
Đúng

Rẻ trái

L
Sai
Đúng

R

Rẻ phải

STOP
END
Hình 17: Lưu đồ giải thuật Robot Rắn
IV. THIẾT KẾ CHI TIẾT
1. Lựa chọn thiết bị cho Robot

Ổ lăn dưới đoạn nối mỗi khớp được nhóm chọn như sau:

19


Hình 18: Ổ lăn
Thơng số kỹ thuật:
● Chất liệu: Hợp kim chống rỉ
● Kích thước: D = 10 mm, d = 3 mm, B = 4 mm

Nhóm chọn motor servo SG90s do kích thước nhỏ gọn, động cơ có tốc độ phản ứng
nhanh, được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay
bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM.

Hình 19: Động cơ servo SG90
Thơng số kỹ thuật:
●

Điện áp hoạt động: 4.8 – 5 VDC

●

Tốc độ: 0.12 sec/ 60 degrees (4.8VDC)

●

Lực kéo: 1.6KG.CM

●

Kích thước: 21x12x22mm
20


●

Trọng lượng: 9g.

Với arduino, nhóm sẽ tận dụng nguồn lực hiện có sẵn là Arduino MEGA 2560.

Hình 20: Arduino MEGA 2560
Thơng số kỹ thuật:
●

Vi điều khiển chính: ATmega2560

●

IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

●

Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm từ giắc trịn DC

●

Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)

●

Số chân Analog Input: 16

●

Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA

●

Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA

●

Flash Memory: 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader.

●

SRAM: 8 KB

●

EEPROM: 4 KB

●

Clock Speed: 16 MHz
21


●

LED_BUILTIN: 13

●

Kích thước: 101.52 x 53.3 mm

Và Arduino UNO R3 là phương án dự phịng

Hình 21: Arduino UNO R3
Thơng số kỹ thuật:
●

Chip điều khiển chính: ATmega328P

●

Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

●

Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm từ giắc trịn DC

●

Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM).

●

Số chân PWM Digital I/O: 6

●

Số chân Analog Input: 6

●

Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA

●

Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA

●

Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader.

●

SRAM: 2 KB (ATmega328P)

●

EEPROM: 1 KB (ATmega328P)
22

●

Clock Speed: 16 MHz

●

LED_BUILTIN: 13

●

Kích thước: 68.6 x 53.4 mm

Về giao tiếp bluetooth, nhóm sử dụng module thu phát Bluetooth HC-06

Hình 22: Module thu phát Bluetooth HC-06
Thơng số kỹ thuật:
●

Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC.

●

Điện áp giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC và 5VDC.

●

Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600,
115200

●

Dải tần sóng hoạt động: Bluetooth 2.4GHz

●

Sử dụng CSR mainstream bluetooth chip, bluetooth V2.0 protocol standards.

●

Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền
nhận bình thường 8 mA

●

Kích thước của module chính: 28 mm x 15 mm x 2.35 mm

Về nguồn cấp cho Robot, nhóm sử dụng 2 pin cell 4.2 V và 4200 mAh
23