Proceedings VCM 2012 15 thiết kế bộ điều khiển xe ghế đa hướng linh hoạt

96 Đặng Văn Nghìn, Phạm Thành Kha, Phan Huỳnh Lâm, Trương Thế Dũng

VCM2012
Thiết kế bộ điều khiển xe ghế đa hướng linh hoạt
Design the controller of omnidirectional wheelchair
PGS.TS Đặng Văn Nghìn
1
, Phạm Thành Kha
1
, Phan Huỳnh Lâm
2
, Trương Thế Dũng
1

1
Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng Tp.HCM
e-Mail:


2
Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống
e-Mail:

Tóm tắt
Xe ghế đa hướng mà bài báo đang giới thiệu là loại xe sử dụng bốn bánh xe mecanum được bố trí
vuông góc với nhau và có hệ thống giảm sốc, do đó xe có khả năng di chuyển rất linh hoạt trong không
gian hẹp và kết cấu đặc biệt nên xe ghế không chỉ có thể hoạt động trên địa hình bằng phẳng mà còn thể
hoạt động trên các địa hình gồ ghề. Ngoài ra, hệ thống điều khiển được trang bị thuật toán Fuzzy-PID
thích hợp cho việc điều khiển dạng xe có hệ thống giảm sốc.
Abstract
Omni - Direction Wheelchair is kind of the vehicle using four Mecanum wheels which are arranged

perpendicular to each other. That Vehicle uses the Mecanum wheel, so it has ability to move flexible in
narrow spaces. With suspension system, this Vehicle is not only moving on flat terrain, but also it moves
on rough terrain. Additionally, the control system is equipped with the Fuzzy-PID algorithm, control
feedback, simple user interface (using joystick) and in accordance with kind of users.
Keywords: Omni-directional wheelchair, mecanum wheel.

1. Giới thiệu
Ngày nay, không chỉ ở nước ta mà còn ở nhiều
nước trên thế giới, tỷ lệ người già yếu và người tàn
tật đang chiếm tỷ lệ cao. Theo thông kê cho thấy
người tàn tật cơ quan vận động chiếm tỉ lệ cao
nhất: 35,46%. Đây là nhóm đối tượng mà ta quan
tâm trong việc thiết kế xe ghế. Ngoài nhóm đối
tượng này, nhóm đối tượng khác đó là những
người già, giảm khả năng vận động.

Việt Nam Thế giới
% số người tàn tật 7% 7,5%
% số người trên 65
tuổi
7,2% 8,0%
% tổng 14,2% 15,5%
B.1: Tổng kết số người tàn tật và già yếu.
Hiện nay có rất nhiều dạng xe lăn như xe lăn tay,
xe lăn điện, xe lăn hỗ trợ leo cầu thang Hầu hết
các xe lăn này sử dụng các bánh xe thông thường,
hai bánh sau có chức năng dẫn hướng giúp cho xe
di chuyển; hai bánh chạy tự do. Tuy nhiên những
loại xe trên còn có nhiều điểm hạn chế. Đối với xe
lăn tay việc dụng sức người để di chuyển không

phù hợp với người già yếu hay những đối tượng
không có khả năng sử dụng tay, đối với xe điện,
nhiều xe hiện tại vẫn còn cồng kềnh, gây khó khăn
cho người sử dụng. Ngoài ra nhưng xe lăn này
không đáp ứng được nhu cầu di chuyển ở những
nơi chật hẹp, việc quay đầu, rẽ, đòi hỏi nhiều diện
tích…trong khi không gian sinh hoạt đang ngày
càng bị thu hẹp bởi sự phát triển dân số.
Để giải quyết các vấn đề này chúng tôi đưa ra giải
pháp thiết kế xe lăn sử dụng các bánh xe
Mecanum. Nhờ kết cấu đặc biệt của bánh xe
Mecanum có thể tạo ra nhiều chuyển động phức
hợp theo phương pháp cộng vector. Bằng cách kết
hợp các chuyển động của từng bánh xe, xe có thể
thực hiện các chuyển động cơ bản tiến-lùi, chuyển
động theo phương ngang hay chéo, chuyển động
xoay tròn một cách dễ dàng trong một không gian
chật hẹp mà không cần thay đổi trục bánh
xe.Thêm vào, việc xe ghế có khả năng di chuyển
trên địa hình không bằng phẳng một cách dễ dàng
nhờ vào hệ thống giảm sốc của xe.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 97

Mã bài: 26
Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày thiết kế,
chế tạo xe ghế và bộ điều khiển của xe.
2. Thiết kế bộ điều khiển
Để thực hiện được các yêu cầu di chuyển linh
hoạt trong không gian hẹp và gồ ghề, xe ghế đa
hướng cần có kết cấu cơ khí đặc biệt và cách điều

khiển riêng. Với việc thiết kế bộ điều khiển cho xe
thì cần phải đảm bảo các yêu cầu:
 Phải điều khiển được moment và đảm bảo đủ
moment để xe không bị trượt.
 Kết cấu xe phải đảm bảo các bánh phải tiếp xúc
mặt đường.
 Hệ thống phải ổn định và an toàn.
2.1 Phân tích động học
Bánh xe dùng cho xe ghế đa hướng là loại bánh
Mecanum có 3 bậc tự do bao gồm chiều quay bánh
xe, chiều di chuyển của con lăn, và quay trượt qua
trục thẳng đứng thông qua tiếp xúc điểm. Bánh xe
mecanum có các con lăn được bố trí dọc theo chu
vi của bánh xe, trục quay của mỗi con lăn được đặt
chéo góc so với trục quay của bánh xe (thường đặt
chéo góc 45
o
so với trục bánh xe).

H.1: Bánh xe macanum (hướng nhìn thẳng)

Phương trình động học của xe sử dụng bốn bánh
mecanum:

H.2 : Sơ đồ vận tốc của xe
 Phân tích vận tốc của xe thành các thành phần
chính sau:


: là vận tốc quay của xe.

t
v

: là vận tốc tịnh tiến của xe.
tx
v

: vận tốc tịnh tiến theo phương x.
ty
v

: vận tốc tịnh tiến theo phương y.
 Xác định vectơ vận tốc ở mỗi bánh

H.3: Sơ đồ tịnh tiến các lực về bánh xe
 Xác định vectơ vận tốc ở mỗi bánh


H.4: Sơ đồ phân tích vận tốc tổng quát
 Xác định vectơ vận tốc trên con lăn:


H.5: Sơ đồ phân tích vận tốc trên con lăn
Vận tốc
v

của con lăn gồm 2 thành phần:
98 Đặng Văn Nghìn, Phạm Thành Kha, Phan Huỳnh Lâm, Trương Thế Dũng

VCM2012

//
v : thành phần song song với trục con lăn

v
: thành phần vuông góc với trục con lăn
u

: là vectơ đơn vị có hướng song song với
trục con lăn
 Trường hợp tổng quát
)(
yxtxty
rrvvv






(1)


Dấu “ + ” hay “ - ” phụ thuộc vào mỗi bánh xe.
Sau khi thực hiện tính toán ba bước trên ta sẽ tìm
ra được phương trình động học cho xe ghế sử dụng
bốn bánh mecanum.
Phương trình động học nghịch :
















































tx
ty
yx
yx
yx
yx
v
v
rr
rr
rr
rr
v
v
v
v
.

)(
)(
)(
)(
1
1
1
1
1
1
1
1
4
3
2
1
(2)

Phương trình động học thuận :

































yxyxyxyx
ty
tx
rrrrrrrr
v
v
1
1
1

1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1

(3)


H.6: Các chuyển động cơ bản của xe ghế
2.2 Mạch điện và điều khiển
Để điều khiển xe, ta sử dụng Joystick. Tín hiệu
Joystick là tín hiệu tương tự analog cho 2 trục X-
Y. Hai giá trị analog được đưa tới vi điều khiển
thông qua bộ đọc ADC. Với những tín hiệu ở các
kênh ADC khác nhau thì bộ điều khiển xuất tín
hiệu để điều khiển bốn động cơ thông qua mạch
công suất.

Ngoài ra, xe ghế đa hướng còn được trang bị các
khối cảm biến như : cảm biến encoder, cảm biến
siêu âm, cảm biến dòng điện. Với bộ điều khiển
vòng kín (Fuzzy-PID) sẽ làm cho xe ghế di chuyển
chính xác và giảm sai số thấp nhất có thể. Mọi

trạng thái hoạt động của xe ghế và mức năng
lượng của acquy sẽ được hiển thị trên một LCD
giúp cho người điều khiển nắm rõ được tình trạng
của xe ghế.


H.7: Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống
Đối tượng quan trọng nhất trong thiết kế điều
khiển là điều khiển moment. Để thực hiện được
vấn đề này thì cần phải dựa vào động lực học.
Trong đề tài này chúng tôi sử dụng cảm biến
encoder để đo vận tốc, xác định vị trí của bánh xe
và cảm biến dòng để hồi tiếp dòng tải động cơ.

Ngoài ra, khi xe hoạt động trong gian hẹp hay di
chuyển lùi thì cần phải có cảm biến phát hiện vật
cản tránh trường hợp va chạm giữa xe và vật xung
quanh gây ảnh hưởng đến người sử dụng. Cảm
biến siêu âm Devantech SRF04 được sử dụng để
thu các thông tin về khoảng cách một cách chính
xác trong dải từ 3cm đến 3m.

H.8: Cảm biến siêu âm Devantech SRF04
Việc truyền và nhận dữ liệu của dsPIC được thực
hiện truyền thông CAN. Vì mỗi con dsPIC33 chỉ
có 2 bộ đọc encoder chuyên dụng (QEI) mà ở đây
ta cần đọc bốn kênh tín hiệu encoder. Vì vậy ta
phải giao tiếp giữa 2 dsPIC33 với nhau. PIC
Master sẽ điều khiển hai động cơ, đọc hai kênh
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 99

Mã bài: 26
encoder và ra lệnh cho PIC Slave điều khiển 2
động cơ còn lại.
Khi người sử dụng gửi một tín hiệu điều khiển xe
thông qua joystick chuyển động theo một hướng
nào đó. Khi nhận được tín hiệu, bộ xử lý trung tâm
sẽ điều chỉnh PWM thông qua board công suất để
điều khiển động cơ sao cho xe di chuyển theo
hướng cần điều khiển.
Trong quá trình xe ghế hoạt động sẽ bị ảnh hưởng
của nhiều yếu tố khác nhau như : sai số trong quá
trình thiết kế cơ khí, ảnh hưởng của bộ truyền đai,
đia hình hoạt động các yếu tố này làm cho quá
trình chuyển động của xe ghế bị sai lệnh về vận
tốc và hướng di chuyển. Sử dụng thuật toán điều
khiển vòng kín Fuzzy-PID sẽ làm cho xe di
chuyển chính xác phù hợp với Joystick.

H.9: Bộ điều khiển
Các tín hiệu đọc được từ các cảm biến sẽ được hai
con vi điều khiển truyền thông qua lại với nhau và
tín toán các thông số Fuzzy-PID và xuất ra tìn hiệu
điều khiển phù hợp
Thuật toán đề xuất của chúng tôi như sau, board
chủ sẽ đọc dữ liệu Encoder từ 4 bánh và dòng điện
qua động cơ, sau đó sẽ dùng thuật toán Fuzzy –
PID để chọn thông số thích hợp điều khiển.

H.10: Mạch driver động cơ

Lưu đồ giải thuật:


Tín hiệu được áp dụng mô hình động học nghịch
để suy ra moment cần đặt vào 4 bánh. Khi đã có
moment 4 bánh cần đặt, ta đọc tín hiệu cảm biến
dòng và encoder 4 bánh. Dựa vào tín hiệu cảm
biến ta có bảng mờ hóa thông số PID để phù hợp
điều khiển.

3. KẾT QUẢ
Qua quá trình thực hiện, kết quả quan trọng nhất
của đề tài là chế tạo và điều khiển được mô hình
robot vượt địa hình làm nền tảng cho các nghiên
cứu phát triển tiếp theo của đề tài khi tích hợp
thêm các module chức năng khác.
Xe ghế đa hướng sau khi chế tạo đã thực hiện
được những chức năng như:
 Xe có thể di chuyển ổn định và êm ái trong
điều kiện nền bằng phẳng trong nhà xưởng,
bệnh viện, văn phòng…với tốc độ 6km/h.
 Hệ thống điều khiển đơn giản thân thiện bằng
joystick với 6 hướng cơ bản dễ sử dụng.
 Hệ thống giảm sốc hoạt động hiệu quả giúp xe
không những di chuyển tốt trên địa hình bằng
phẳng mà còn di chuyển được trên những địa
hình gồ ghề
 Ắc quy dung lượng cao giúp thời gian vận hành
liên tục lên đến 8 giờ.

100 Đặng Văn Nghìn, Phạm Thành Kha, Phan Huỳnh Lâm, Trương Thế Dũng

VCM2012

H.11: Xe ghế đa hướng hoàn chỉnh

B.2: Thông số xe ghế

Lời cảm ơn
Chúng tôi cám ơn sự giúp đỡ của Phòng thí
nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số và
Kỹ thuật Hệ thống (DCSELAB) đã hỗ trợ kinh phí
đễ thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo mô hình xe
ghế (WheelChair) đa hướng linh hoạt”, mã số
B2012-20b-01.

Tài liệu tham khảo
[1] Benjamin Woods, “Omni-directional
Wheelchair”, the university of Western
Australia, 10/2006
[2] Quang. Ng.Ph.; Dittrich, J A.: Praxis der
feldorientierten Drehstromantriebs-regelungen.
2. Aufl., Expert-Verlag, 1999
[3] Yeh-Liang Hsu, Po-Er Hsu, Chau-Heng Tu,
Chia-Hung Lu, Yan-Wei Chen, Yeh-Liang Hsu,
“Platform Design For The Intelligent Robotic
Wheelchair”, the 25
th
World Electric Vehicle
Symposium and Exposition (EVS 25),

Shenzhen, China.
[4] R.P.A van Haendel, “Design of an
Omnidirectional universal mobile platform”,
National University of Singapore
[5] L.Gracia and J.Tornero, “Kinematic Control Of
Wheeled Mobile Robots”, Deparment of
Systems Engineering and Controll (DISA),
Polytechnic University of Valencia (UPV),
Camino de Vera s/n, E-46022 Valencia, Spain,
2008
[6] Nkgatho Tlale, Mark de Villiers, “Kinematics
and Dynamics Modelling of a Mecanum
Wheeled Mobile Platform”, Council for
Scientific and Industrial Research Pretoria,
RSA
[7] Ryan Thomas, “Omni-directional Mobile
Platform for the Transportation of Heavy
Objects”, Massey University, New Zealend,
2011
[8] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển, “Tính toán thiết kế
hệ dẫn động cơ khí, Tập 1-2”, NXB Giáo Dục
Việt Nam, 3/ 2010
[9] Nguyễn Trọng Hiệp. “Chi tiết máy,Tập1-2”,
NXB Giáo Dục Việt Nam, 4 /2009