MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG ROBOCAR

1

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG
ROBOCAR

Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Lê Hoàng Giang
Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN

Tóm tắt
Trong bài này giới thiệu một số kết quả nghiên
cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng Robocar của Trung tâm
NCKT tự động hoá, ĐHBK - HN. Trình bày các phương
pháp tính toán động học và xây dựng các thuật toán điều
khiển chuyển động của Robocar khi yêu cầu bám theo
đường dẫn và tránh được chướng ngại v.v. Đồng thời
giới thiệu một số ứng dụng thực tế.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Robocar là loại robot di động trên xe (a car-like
mobile robot). Hệ thống thiết bị chấp hành gồm 2 phần:
tay máy và xe, nhưng có chung hệ thống điều khiển.
Robocar chủ yếu hoạt động trong các phân xưởng, bến
bãi, với địa hình không quá phức tạp nên kết cấu xe
cũng rất đơn giản.
2. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC
Trước hết đối với tay máy của robocar thì về
nguyên tắc có thể dùng nhiều loại cơ cấu khác nhau. Ở
đây chọn loại cơ cấu Robot RP thuộc nhóm robot phỏng
sinh trục ngang (bắt chước cơ cấu tay người). Sự khác
biệt của robot này so với các kiểu robot phỏng sinh khác

là ở đây dùng cơ cấu Pantograph với 2 con trượt dẫn
động làm môđun chủ yếu của cơ cấu tay máy. Cũng vì
thế robot này được ký hiệu vắn tắt là robot RP.
Với những quan hệ thông số hợp lý, loại cơ cấu
tay máy này có các ưu điểm sau: 1) Có thể bố trí nguồn
động lực gần với thân nhưng vẫn đảm bảo chuyển động
độc lập của các khâu chấp hành; 2) Đảm bảo đơn giản
về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích
thước; 3) Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau
và tiêu hao ít năng lượng; 4) Dễ điều khiển do có thể
thực hiện các chuyển dịch của bàn kẹp theo các trục toạ
độ bằng cách di chuyển con trượt riêng rẽ và các bài
toán trong mọi cấu hình đều có thể đưa về bài toán
phẳng.
Đối với cơ cấu xe di chuyển đã tiến hành tính
toán với các phương án khác nhau: 3 bánh xe hoặc 4
bánh xe, 1 bánh chủ động hoặc 2 bánh chủ động, bánh
trước chủ động hoặc bánh sau chủ động, bánh lái đặt
trước hoặc đặt sau v.v.

Hình 1
Trên hình 1 là trường hợp 3 bánh, 2 bánh
sau chủ động và là các bánh lái. Cho hệ toạ độ x
d
y
d

z
d
gắn liền với xe di động, có gốc tại điểm D trung
tâm xe. Ở vị trí xuất phát điểm D trùng với điểm C
(p
x
y
y
0) trong không gian cố định x, y, z. Điểm C
nằm trên trục bánh xe sau và cách đều chúng một
khoảng b, còn D nằm giữa 2 trục bánh xe trước và
sau với khoảng cách 2a.
Gọi V là vận tốc di chuyển và ω là vận tốc
góc của xe, tương ứng với góc lái α. Theo các quan
hệ vận tốc, dễ dàng có các biểu thức sau:
V =
2
tp
VV
+

, (1)

a
Vtg
2
α
ω =
, (2)

pp
RV ω=

V
t
= V
p

,
.2
2
α
α
tgba
btga
+
−
(3)
).(),(2[2
tptp
VVbVVaarctg

+
−
=
α
(4)
Với R và ω
p
- bán kính và vận tốc góc của
bánh phải,
V
p
và V
t
- vận tốc trên bánh phải và bánh
trái.
Khi cần xét chuyển động của điểm T trên
xe, gắn liền với dụng cụ thao tác (ví dụ, đầu dò, đầu
cắt, đầu hàn v.v.) ta gắn hệ toạ độ x
t
, y
t
, z
t
tại điểm O
t

của xe có toạ độ (m, n, h) trong hệ toạ độ x
d
y
d

z
d
.
x

C

D

b

a

a

ϕ
ϕ
t

x

y

y

x

O

t

t

y

d

c

O

t

T

m

n

P

P

y

x
c
, x
d

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

2

Điểm T cách 0
t
đoạn L được mô tả trong hệ x
t
y
t
z
t
bằng
các biểu thức sau:

T
ttttt
LLr )0,sin,cos( ϕϕ=
(5)
Trong hệ toạ độ cố định x, y, z điểm T được
xác định bởi:
tot
rMr .=
(6)
Thiết lập ma trận chuyển hệ toạ độ M
ot
theo
phương pháp dùng ma trận đồng nhất [1]:
M
ot

= M
oc
.M
cd
.M
dt
(7)
Trong đó:
M
0c
=












−
1000
0100
0cossin
0sincos
y
x

p
p
ϕϕ
ϕϕ
, (8)
M
cd
=












1000
0100
0010
001 a
, (9)
M
dt
=













−
1000
100
0cossin
0sincos
h
n
m
θθ
θθ
(10)
Bài toán sẽ tổng quát hơn nếu hệ thống tay
máy của robocar được đặt tại điểm O
t
nói trên và kết nối
hệ toạ độ x
t
, y
t
, z

t
với hệ toạ độ động đầu tiên của cơ cấu
tay máy thì ta hoàn toàn có thể xác định về định vị và
định hướng của điểm tác động cuối E (End - effector)
của robocar trong không gian làm việc.
Bài toán động học ngược của robocar có thể
đặt ra như sau: Cho điểm T gắn với dụng cụ thao tác di
chuyển theo một quỹ đạo với vận tốc V không đổi, cần
xác định các giá trị tức thời của ω
p
và α để điều khiển
cho điểm T của xe bám theo quỹ đạo đó. Hoặc tổng quát
hơn, bài toán động học ngược của robocar được mô tả
như sau: Để đảm bảo cho điểm tác động cuối E của
robocar bám theo một quỹ đạo cho trước trong không
gian làm việc, cần xác định bộ thông số theo thời gian
của vận tốc góc bánh xe chủ động ω
p
, góc lái α và các
biến khớp q
i
của cơ cấu tay máy.
3. ROBOCAR RP
Robocar RP (hình 2) là sản phẩm của Trung
tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN thiết kế, chế tạo
nhằm phục vụ cho các công việc như công gắp, sắp xếp,
vận chuyển phối liệu hoặc sản phẩm trong phân
xưởng của các xí nghiệp công nghiệp.
Hình 2
Phần trên của Robocar RP là một tay máy 4

bậc tự do, thực hiện bởi 3 động cơ một chiều điện áp
24V và một động cơ bước, ngoài ra còn một động cơ
bước cho bàn kẹp.
Phần dưới của Robocar RP là một xe 3
bánh. Bánh trước đóng vai trò vừa là bánh lái vừa là
bánh truyền động, đều dùng động cơ 1 chiều.
Robocar RP làm việc theo chế độ tự hành
nên được trang bị một hệ thống quan sát có thể nhận
biết môi trường xung quanh. Hệ thống quan sát là các
sensor quang học gắn trên khung xe nhằm phát hiện
các chướng ngại trên đường đi. Khi phát hiện chướng
ngại, Robocar dừng lại và báo hiệu.

Hình 3
S7-200

PLC
M
ạch role
đi
ều khiển
DC
DC1

DC2

DC3

Tải 1

Tải

2

Tải

3

Các bộ
đếm xung

Các bộ m

ã
vị trí
Nguồn
cung c
ấp
12 V
Driver
cho đ
ộng
cơ bước

Step2

Step 1

Tải 4

Tải 5


M
ạch role
đi
ều khiển
DC
DC4

DC5

Tải 6

Tải 7

Các cảm
biến vị trí

Bộ thu tín hiệu từ xa

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

3

4. ROBOCAR CH THP
Robocar ch thp (hỡnh 4) l mt robot t
hnh phc v trong cụng tỏc y t nhm giỳp cỏc cụng
vic cho cỏc y tỏ, h lý trong cỏc bnh vin. c bit
trong cỏc cụng vic phũng chng dch bnh. Robocar
ch thp c thit k mt cỏch gn gng v linh
hot. Nú gm mt xe 3 bỏnh v mt robot 2 bc t do
cng l loi robot RP n gin. u cỏnh tay robot cú
gn mt vũi phun hoỏ cht phc v cụng tỏc phũng dch.
Hỡnh 4
H iu khin ca Robocar ch thp s
dng on_chớp 89 C52 vi chng trỡnh c np trong
b nh ni v mch ngoi vi theo s hỡnh 5.

Hỡnh 5


Khi bt in cho Robocar chng trỡnh
c khi ng t u. Nú thc hin khi to cho b
xi x lý 89C52 a bỏnh lỏi v v trớ u vi gúc lỏi
bng 0
0
thng
vi hng tin ca xe, vũi phun c a v v trớ
ban u.
Khi n nỳt START ng c chuyn ng v
ng c lỏi c ni in xe tin v phớa trc, cỏc
cm bin xa, gn c ni in v dựng iu
khin ng c lỏi xe. ng c bm nc c khi
ng to ỏp sut cho vũi phun nc.
Cỏc cm bin o khong cỏch c b trớ
theo sn trỏi ca xe o khong cỏch ti vỏch ta.
Cỏc cm bin c iu chnh nh sau: Cm bin o
c ly gn c iu chnh thay i trng thỏi khi
cỏch vỏch ta 500mm, cm bin o c ly xa c

iu chnh thay i trng thỏi khi cỏch vỏch ta
700mm. Nu xe chuyn ng cỏch vỏch ta trong
khong 500 ữ 700mm thỡ bỏnh lỏi c gi v trớ
thng (gúc lỏi bng 0). Nu xe chuyn ng cỏch
vỏch di 500mm thỡ bỏnh lỏi c iu khin quay
v phi trong thi gian T l chu trỡnh lỏi c xỏc
nh bng thc nghim, sau ú li tr v v trớ thng
a xe v vi khong cỏch 500 ữ 700mm so vi
vỏch. Nu xe chuyn ng cỏch vỏch ta hn 700mm
thỡ bỏnh lỏi c iu khin quay v trỏi a xe v
gn vỏch ta, trong thi gian T v li c tr v v
trớ thng a xe tr v trong hnh lang 500 ữ
700mm. C nh vy xe c iu khin chuyn
ng cỏch vỏch ta mt khong nh sn, khong
cỏch ny cú th t trc theo ý mun.
Khi xe gp chng ngi vt phớa trc,
cm bin bỏo vt cn c kớch hot iu khin xe
dng li v i hng i hoc lỳc ú s iu khin
bm hoỏ cht hot ng phũng dch tu chuyn
mch chn ch lm vic c chn trc.
Cỏc hot ng ca xe c iu khin bi
chng trỡnh cha trong EEPROM ca b vi iu
khin 89C52 cú th b sung, sa i v thay th d
dng, cỏc ng dng ca xe vỡ th cú th thay i mt
cỏch d dng theo nhng ng dng m cho phộp tu
theo nhng nhim v m ngi s dng cú th la
chn.
Chng trỡnh c vit bng hp ng ca
h vi x lý 8051 v c kim tra chy th trờn
Emulator cho h 8051. Chng trỡnh c dch bi

b dch chộo cho h vi x lý 8051 v c np bng
b np chuyờn dng.
5. KT LUN
Trờn õy ó trỡnh by phng phỏp tớnh toỏn
ng hc v xõy dng cỏc thut toỏn iu khin
chuyn ng ca robocar trong hp chung nht,
khụng xem xột tỏch bit phn xe riờng, phn robot
1

8

32

29

89C52

9

B KTT

17

10


m
vo
ra
A1013

24C
02

P1

P0

P2

P3

P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
B nh

V trớ cui di

V trớ cui ngoi

D
tr

Ra

1
Ra
2
Ra 4

Ra 3

P3.7
P3.6
P3.5
P3.4
P3.3
P3.2
P3.1
P3.
0
CB góc lái
sau
CB vật cản
CB góc lái tr<ớc
CB xa
CB gần
Chọn chế độ
20

P0.5
P0.4
P0.3
P0.2
P0.1

P0.0
Động cơ lùi
Động cơ tiến
Động cơ lái trái
Động cơ lái phải
Động cơ còi
Động cơ bơm
Động cơ xả
n<ớc
Động cơ vào
Động cơ ra
Động cơ xuống
Động cơ lên
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.7
P2.6
Dự trữ
19

18

XTAL

12M
hz

31

5
v
40

5
v
Vcc

START
5
v
Reset


m
vo
v
ra
Ra

m
ra
ULN
2803

m
ra
ULN

2803
28

21

KD
Cụng
sut
2383

KD
cụng
sut
2383

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version

4

riêng và số bậc tự do của robot không hạn chế. Bộ phận
sensor được trang bị như những môđun độc lập nhưng
cùng trong một hệ thống điều khiển và ngày càng phong
phú dần. Các kết quả nghiên cứu ngày càng mở rộng
phạm vi ứng dụng, rất có hiệu quả.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Thiện Phúc - Robot công nghiệp - NXB khoa
học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002.

SOME RESULTS OF DESIGNING,
MANUFACTURING
AND APPLICATION OF THE ROBOCAR

Nguyen Thien Phuc, Tran Minh Nghia, Le Hoang Giang
Research Centre of Automation, Hanoi University of
Technology

In this paper are introduced some results of
studying and applying of the Robocar produced at the
RCA of Hanoi University of Technology. The paper
presents a method of kinematic calculation and
establishment of algorithm calculation for motion
control along a described trajectory and for a way
avoided obstacles v.v In this paper are also introduced
some application of robocar





PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version