Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot phục vụ trong phòng chờ

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

iv
HVTH: LÊ TRUNG H
U



TÓM TT LUNăVĔN

Lun văn nghiên cu thit k ch to robot phc v nc trong phòng ch.
Robot dùng trong quá trình phc v đc thit k nhằm thực thi công vic ca
ngi bi bàn, H thống chấp hành gm 2 phần: xe di chuyn bằng bánh và mt tay
máy có 3 bc tự do nhng có chung h thống điu khin. Robot ch yu hot đng
trong các phòng ch  nhà ga, bn xe… vi s đ mặt bằng, các bàn phc v và
đng vch đc sắp xp và bố trí theo s đ thit k. Phần xe di đng s di chuyn
bám theo đng vch màu trắng đã đc thit k và bố trí sẵn trên nn phòng ch,
nh vào các cm bin quang đc đặt phía trc ca xe. Trên phần đầu ca robot
đc đặt mt cm bin siêu âm nhằm phát hin vt cn trên đng di chuyn. Ngoài
ra có th dùng remote đ điu khin robot thông qua kt nối không dây bằng sóng
RF.
ng dng vi điu khin PIC 18F4431 làm b xử lý trung tơm đ điu khin
các hot đng ca robot. Lp trình điu khin robot bằng ngôn ngữ C vi trình biên
dịch PIC C Compiler. Kt qu thực nghim robot thực hin công vic đt đc các

yêu cầu đặt ra










NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

v
HVTH: LÊ TRUNG H
U



ABSTRACT

Dissertation research design and create robots to serve in the waiting room.
Robot used in the service is designed to carry out the work of the waiter, serving a

two-part system: move with wheels and a manipulator with 3 degrees of freedom
but share control system. Robot primarily operates in the waiting room at the
station, bus with the site plan, the table service and bar lines are sorted and
arranged according to the diagram designer. Mobile car will move followed the
white line layout has been designed and is available in the lounge, thanks to the
optical sensor is placed in front of the car. On the first part of the robot is placed an
ultrasonic sensor to detect obstacles on the move. You can also use the remote to
control the robot via wireless connection using RF waves.
PIC 18F4431 microcontroller applications central processor to control the
operation of the robot. Robot controller programming in C language with the PIC C
compiler. The experimental results robots do the work to achieve the requirements
set out











NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO

ÀNG

vi
HVTH: LÊ TRUNG H
U



MC LC

Trang tựa
TRANG
Quytăđịnhăgiaoăđ tài
Lý lịch cá nhân i
Li cam đoan ii
Li cm n iii
Tóm tắt lun văn iv
Mc lc vi
Danh sách các hình viii
Danh sách các bng x
Chng 1 TNG QUAN
1.1 Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong và
ngoƠi nc đã công bố. 1

1.1.1 Gii thiu chung v lĩnh vực nghiên cu 1
1.1.2 Phân loi robot 2
1.1.3 Mt số dng điu khin 6
1.1.4 Các kt qu nghiên cu trong vƠ ngoƠi nc đã công bố 7
1.2 Mc tiêu, khách th vƠ đối tng nghiên cu ca đ tài 10
1.3 Nhim v ca đ tài và phm vi nghiên cu 10

1.4 Phng pháp nghiên cu 11
Chng 2 C S LÝ THUYT
2.1 H tọa đ thuần nhất 12
2.2 Các phép bin đi tọa đ: 13
2.2.1 Phép bin đi tịnh tin: (Translation) 13
2.2.2 Phép quay (Rotation) quanh các trc tọa đ: 14
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

vii
HVTH: LÊ TRUNG H
U



2.3 Đng học ca robot di chuyn bằng bánh xe: 14
2.4 Vi điu khin: 22
2.4.1 Gii thiu Pic 18F4431: 22
2.4.2 Chc năng ca từng chân: 23
2.4.3 Ngắt (interrupts) 24
2.5 Lý thuyt v phần mm – chng trình điu khin Robot 25
2.5.1 Các khâu chính trong quá trình hot đng ca Robot 25
2.5.2 Lý thuyt v điu khin robot di chuyn theo đng vch (line): 26
2.5.3 Phng pháp

điu khin:
29
Chng 3 THIT K C KHệ VÀ B ĐIU KHIN CHO ROBOT
3.1 Thit k c khí 32
3.1.1 Đ di chuyn: 33
3.1.2 Phần cánh tay robot 33
3.2 Thit k b điu khin và lp trình cho robot. 39
3.2.1 Phần cng 40
3.2.2 Lp trình điu khin robot 44
Chng 4 KIM TRA, ĐÁNH GIÁ KT QU
4.1 Kt cấu c khí 48
4.1.1 Đ di đng 48
4.1.2 Cánh tay 49
4.1.3 C cấu gắp 49
4.2 Mch điu khin sử dng trong robot: 50
4.2.1 Mch điu khin robot 50
4.2.2 Khối cách ly vƠ đng lực 51
4.2.3 Mch dò đng 51
4.3 Các bc tin hành thực nghim 52
Chng 5 KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN
5.1 Kt Lun 56
η.2 Hng phát trin cho tng lai 57
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

viii
HVTH: LÊ TRUNG H
U



TÀI LIU THAM KHO 58
PH LC 59
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 1.1: Robot hình ngi và hình dáng đng vt 2
Hình 1.2: Robot trên không 2
Hình 1.3: Robot di nc 3
Hình 1.4: Robot ca NASA chuyn đng bánh xe 4
Hình 1.5: Ký hiu ca các loi bánh xe 4
Hình 1.6: Các cách bố trí bánh xe ca Robot 5
Hình 1.7: Robot di chuyn bằng bánh xích 6
Hình 1.8: Robot chữ thp đỏ, hng dn viên du lịch và
phc v bàn ca Vit Nam 7
Hình 1.9: Robot dùng trong phc v ăn uống 8
Hình 2.1: Phơn tích đng học ca robot di chuyn theo quỹ đo cho trc 15
Hình 2.2: Vn tốc bánh bên trái và bánh bên phi 16
Hình 2.3: S đ chc năng chơn ca PIC18F4431 21
Hình 2.4: S đ cấu trúc hot đng ca Robot 24
Hình 2.5: Các mc đ lch ra khỏi vch trắng ca robot 25
Hình 2.6: Cm bin quang đc bố trí trên khung đ robot 26
Hình 2.7: Các trng thái lch phi và lch trái ca robot
khi di chuyn trên sân 26
Hình 2.8: Điu ch chu kỳ xung PWM 27

Hình 2.9: Mô t mối quan h giữa vn tốc không ti ca đng c DC
và PWM cycle ca đng c DC Hitachi [θ] 28
Hình 3.1: S đ bố trí bàn và không gian làm vic ca robot 30
Hình 3.2: Đ di đng ca robot 31
Hình 3.3: C cấu cánh tay 32
Hình 3.4: C cấu nâng,h ca robot 33
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

ix
HVTH: LÊ TRUNG H
U



Hình 3.5: Mô hình thit k robot đã đc lắp rắp 36
Hình 3.6: S đ khối hot đng ca robot 37
Hình 3.7: S đ nguyên lý mch dò đng ca robot 38
Hình 3.8: S đ nguyên lý mch điu khin ca robot 38
Hình 3.9: S đ nguyên lý mch đng lực ca robot 39
Hình 3.10: Cm bin siêu âm HC-SR04 39
Hình 3.11: S đ nguyên lý mch thu RF 40
Hình 3.12: S đ nguyên lý mch phát RF 41
Hình 3.13: Lu đ gii thut ca chng trình chính 44

Hình 4.1: Phần đ di đng đã đc gia công lắp ráp 46
Hình 4.2: Cánh tay vƠ c cấu gắp khay 47
Hình 4.3: B phn truyn đng ca c cấu kẹp 48
Hình 4.4: Mch điu khin ca robot 48
Hình 4.5: Mch cm bin quang 49
Hình 4.6: Robot đc lắp ráp hoàn chỉnh 50
Hình 4.7: S đ bố trí mặt bằng và vị trí ca robot 51
Hình 4.8: Robot đang thực hin công vic phc v 53












NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

x

HVTH: LÊ TRUNG H
U





DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bng 2.1: Thông số điu khin số vòng quay ca bánh xe trái và phi … 18
Bng 2.2: Bng giá trị đ điu khin tốc đ đng c trái và đng c phi
tng ng vi
các
mc lch khỏi vch trắng ca robot…………… 29

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

xi
HVTH: LÊ TRUNG H
U




NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

1
HVTH: LÊ TRUNG H

U



Chngă1
TNG QUAN

1.1 Tngăquanăchung vălĩnhăvựcănghiên cu,ăcácăktăquănghiên cuătrongăvà
ngoƠiăncăđã công bố.ăă
1.1.1 Gii thiuăchung vălĩnhăvựcănghiên cuă
Robot đã có những bc tin đáng k hn nửa th kỷ qua. Robot đầu tiên
đc ng dng trong công nghip vào những năm θ0 đ thay th con ngi làm các
công vic nặng nhọc, nguy him trong môi trng đc hi. Do nhu cầu cần hòa
nhp ngày càng nhiu vi quá trình sn xuất phc tp nên robot cần có những kh
năng thích ng linh hot vƠ thông minh hn. NgƠy nay, ngoƠi ng dng trong ch
to máy thì các ng dng robot trong y t, chăm sóc sc khỏe, nông nghip, đóng
tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng lƠ đng lực
cho các robot địa hình và robot dịch v phát trin.
Hình dng robot đầu tiên xuất hin  Hoa Kỳ, là loi tay máy chép hình dùng
trong phòng thí nghim vt liu phóng x. Vào những năm η0 th kỷ trc, bên
cnh các tay máy chép hình c khí, các loi tay máy chép hình thuỷ lực đin từ đã
xuất hin. Tuy nhiên, các tay máy thng mi đu có chung nhc đim là thiu sự
di đng. Các tay máy cố định chỉ hot đng trong mt không gian bị gii hn quanh
vị trí ca nó. Ngc li, mobile robot là loi robot di đng có th di chuyn từ
không gian này ti không gian khác mt cách đc lp hay có điu khin từ xa, do đó
to nên không gian hot đng rất ln.
Mặc dù v cấu trúc ca các loi robot có khác nhau nhng các nghiên cu hin
nay đu hng v các ng dng dịch v và hot đng ca robot trong các môi
trng tự nhiên. Vi sự phát trin ca xã hi và quá trình hin đi hóa  các nc
phát trin thì nhiu dịch v mi đc hình thành làm thay đi quan đim v robot từ

robot phc v công nghip sang robot phc v cho các nhu cầu xã hi và nhu cầu cá
nhân ca con ngi.
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

2
HVTH: LÊ TRUNG H
U



1.1.2 Phân loiărobotă
Trong công nghip ngi ta sử dng những đặc đim khác nhau c bn nhất
ca robot đ giúp cho vic phân loi chúng đc d dàng. Có 4 yu tố chính đ
phân loi robot nh sau:
Theo dng hình học ca không gian hot đng, theo th h robot, theo b điu
khin, theo ngun dn đng. Tuy nhiên trong gii hn ca đ tài này chỉ đ cp đn
lĩnh vực nghiên cu lƠ robot di đng dùng trong phc v. Robot di đng là mt h
robot có kh năng thực hin các nhim v  nhiu vị trí khác nhau vi kh năng
dịch chuyn bằng bánh xe, xích hay bằng chân ph thuc vƠo địa hình. Đối vi
robot di chuyn di nc hay trên không, ta cần có đng c cánh qut, chân vịt
hay đng c phn lực đ to chuyn đng cho robot. Kh năng di đng làm robot có
nhiu ng dng vƠ đòi hỏi phi gii quyt nhiu vấn đ mi. Mt trong những vấn
đ chung cần nghiên cu  các loi robot di đng là kh năng xác định phng

hng (navigation) ca robot.
Robotădiăđng có th phân loi bằng các cách:
 Phân loi theo môi trng mà chúng di chuyn:
 Robot ngoài tri và robot trong nhƠ. Thông thng, chúng đc
lắp bánh xe, nhng cũng có loi robot có chân (gm 2 hoặc
nhiu chơn) nh robot hình ngi, robot hình dng đng vt
hoặc côn trùng.

Hình 1.1: Robot hình ngi và hình dáng đng vt
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

3
HVTH: LÊ TRUNG H
U



 Robot trên không thng dùng cho các phng tin trên không,
phng tin không ngi lái.

Hình 1.2: Robot trên không
 Robot di nc dùng cho các phng tin hot đng di
nc, chúng hot đng đc lp.

Hình 1.3: Robot di nc
[]
 Phân loi theo phng pháp di chuyn:
 Robot có chân, chân giống ngi hay chân giống đng vt.

u đim ln nhất ca loi Robot này là có th thích nghi và di chuyn trên các
địa hình g gh. Hn nữa chúng còn có th đi qua những vt cn nh hố, vt nt
sâu.
Nhc đim chính ca Robot loi này chính là ch to quá phc tp. Chân
Robot là kt cấu nhiu bc tự do, đơy lƠ nguyên nhơn lƠm tăng trọng lng ca
Robot đng thi gim tốc đ di chuyn. Các kỹ năng nh cầm, nắm hay nâng ti
cũng là nguyên nhân làm gim đ cng vững ca Robot. Robot loi này càng linh
hot thì chi phí ch to càng cao.
Robot tự hành di chuyn bằng chơn đc mô phỏng theo các loƠi đng vt vì
th mà chúng có loi chân, loi 2, 4, 6 chân và có th nhiu hn.
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

4
HVTH: LÊ TRUNG H
U

 Robot di chuyn bằng bánh xe. (wheeled mobile robot)

Hình 1.4: Robot ca NASA chuyn đng bánh xe
Bánh xe lƠ c cấu chuyn đng đc sử dng rng rãi nhất trong công ngh
Robot tự hành. Vấn đ cân bằng thng không phi là vấn đ đc chú ý nhiu
trong Robot di chuyn bằng bánh. Ba bánh là kt cấu có kh năng duy trì cân bằng
nhất, tuy nhiên kt cấu 2 bánh cũng có th cân bằng đc. Khi Robot có số bánh
nhiu hn 3 thì thông thng ngi ta phi thit k h thống treo đ duy trì sự tip
xúc ca tất c các bánh xe vi mặt đất. Vấn đ ca Robot loi này là v lực kéo, đ
n định và kh năng điu khin chuyn đng .v.v. Di đơy lƠ các loi bánh xe c
bn đc sử dng trong Robot tự hành:
+ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bc tự do, có th quay quanh trc bánh xe vƠ đim
tip xúc.
+ Bánh lái: 2 bc tự do, có th quay xung quanh khp lái.
+ Bánh Swedish: 3 bc tự do, có th quay đng thi xung quanh trc bánh
xe, trc lăn vƠ đim tip xúc.
Ký hiu các loi bánh xe


Bánh đa hng không truyn đng.


Bánh truyn đng Swedish (đa hng).


Bánh quay tự do tiêu chuẩn.


Bánh truyn đng tiêu chuẩn.

Bánh vừa truyn đng vừa là bánh lái.
Hình 1.5: Ký hiu ca các loi bánh xe
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

5
HVTH: LÊ TRUNG H
U




Hình 1.6: Các cách bố trí bánh xe ca Robot
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

6
HVTH: LÊ TRUNG H
U



 Robot di chuyn bằng bánh xích.

Hình 1.7: Robot di chuyn bằng bánh xích
Loi robot này chuyn đng bằng các bánh có lắp xích nh xe tăng, rất phù
hp khi di chuyn trên các địa hình phc tp. Đ đi hng, nó thay đi tốc đ quay
ca 2 bánh xích ch đng. Tuy nhiên do chuyn đng bằng xích khi đi hng s
xy ra hin tng trt, do đó khó điu khin chính xác. Mt vấn đ nữa là loi
robot này rất d làm hỏng b mặt ca nn, đặc bit là khi chuyn hng.
1.1.3 Mtăsốădngăđiuăkhin
Robot điu khin từ xa bằng tay vi các b phn có cần điu khin hoặc
những thit bị điu khin khác. Thit bị điu khin có th đc gắn trực tip vào
robot, ví d: mt cần gt không dây, hoặc mt ph kin ca mt máy tính không
dơy Robot điu khin từ xa giúp con ngi tránh khỏi những nguy him.
Robot điu khin từ xa tự bo v có kh năng phát hin và tránh những
chng ngi vt nhng điu khin cũng giống nh robot điu khin từ xa bằng tay.
Có rất ít con robot chỉ dùng đn lẻ b điu khin từ xa tự bo v.
Mt vài robot tự đng đầu tiên là những robot theo l trình. Chúng có th
theo những đng đc sn khắc trên sàn, trần nhà hay trên mt dơy đin trên sàn.
Đa số robot này hot đng theo mt thut toán đn gin là giữ l trình trong b xử
lý trung tâm, chúng không th đi vòng qua các chng ngi vt, chúng chỉ dừng li
khi có vt nƠo đó cn đng chúng. Rất nhiu mu ca loi robot này vn đc bày
bán bi FMC, Egemin, HK system và mt vài công ty khác.
Robot hot đng đc lp vi những chuyn đng ngu nhiên, v c bn đó lƠ
những chuyn đng nh nhy bt lên tng, những bc tng nƠy đc cm nhn

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

7
HVTH: LÊ TRUNG H
U



do sự cn tr v mặt vt lý nh máy hút bi Roomba, hoặc vi b cm bin đin tử
nh máy cắt cỏ Friendly Robotics.
1.1.4 Các ktăquănghiên cuătrongăvƠăngoƠiăncăđã công bốă
Trong đ tài chỉ tp trung nghiên cu robot phc v nên trong phần này chỉ gii
thiu các nghiên cu có liên quan đn robot phc v
Trongănc:
Từ những năm 1980, các nhƠ khoa học VN đã tip cn vi vic nghiên cu
ch to robot. Đn nay, nhiu đ tài nghiên cu đã đc thực hin thƠnh công nh
đ tài nghiên cu ng dng kỹ thut tay máy, ngi máy trong bo h lao đng,
ng dng ngi máy công nghip trong kỹ thut bốc xp vn chuyn  phơn xng
công nghip, nghiên cu ng dng robot trong công ngh b mặt, ch to robot
phc v gia công c khí, ch to robot gắp sn phẩm cho khuôn ép Mt số robot
ca Vit Nam đã ch to thƠnh công vƠ đc công bố nhiu trên các hi nghị và tp
chí trong, ngoƠi nc cũng nh phng tin truyn thông nh:

Hình 1.8: Robot chữ thp đỏ, hng dn viên du lịch và phc v bàn ca Vit Nam
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

8
HVTH: LÊ TRUNG H
U



NgoƠiănc:






(Nguồn VnExpress)
Hình 1.9: Robot dùng trong phc v ăn uống

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

9
HVTH: LÊ TRUNG H
U



 Tính cấp thit ca đ tài
NgƠy nay, robot đã đt đc những thành tựu to ln trong sn xuất công
nghip cũng nh trong đi sống xã hi, robot có th thay th sc lao đng ca con
ngi và thực hin những công vic lặp đi lặp li mà không bit mt mỏi, những
công vic có tính chất nguy him hoặc trong điu kin môi trng khắc nghit.
Chính vì những u đim trên mà vic ng dng robot vào vic phc v trong phòng
ch  nhà ga, bn xe, khách sn hoặc văn phòng là mt vic làm ht sc cần thit
trong giai đon hin nay.
Trong các họ robot, chúng ta không th không nhắc ti mobile robot vi
những đặc thù riêng mà các loi robot khác không có. Các tay máy cố định chỉ hot
đng trong mt không gian bị gii hn quanh vị trí ca nó. Ngc li, mobile robot
có th di chuyn, do đó to nên không gian hot đng rất ln vƠ cho đn nay nó đã
dần khẳng định vai trò quan trọng không th thiu trong nhiu lĩnh vực, thu hút
đc rất nhiu sự đầu t nghiên cu.
 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tin ca đ tài
Ý nghĩa khoa học: Đ có kh năng tip cn công ngh hin đi ca th gii,
từng bc có th tự thit k, ch to các thit bị, máy móc điu khin, vic nghiên

cu và ng dng tự đng hóa là mt bc đi rất quan trọng trong sự nghip công
nghip hóa và hin đi hóa đất nc, to ra những sn phẩm mi có tính cnh tranh
trên th gii, nc ta cũng không nằm ngoài quy lut này. Trong quá trình học tp 
nhƠ trng đ có th đáp ng đc nhu cầu ca xã hi, bn thân tôi đc sự định
hng giúp đỡ tn tình ca quý thầy trong khoa C Khí Ch To Máy đặc bit là
thầy TS. HuǶnh Nguyn Hoàng, tác gi đã chọn và thực hin đ tài “Nghiên cu
thit k, ch to mô hình robot phc v trong phòng ch“. Vấn đ này rất cần thit
và có ý nghĩa thực tin cao trong giai đon hin nay.
Ý nghĩa thực tin: Đ gii quyt nhu cầu thiu ht lao đng trong tng lai, 
lĩnh vực dịch v hoặc những công vic lặp đi lặp li d nhàm chán và có thu nhp
thấp, c th là công vic phc v trong phòng ch, vic thuê ngi đ phc v bàn
đôi khi gặp nhiu khó khăn do sự khác bit văn hoá, quan nim sống, cách ng xử
không khéo li d gơy xung đt, rất phc tp. Vì vy nu có robot thay th thì điu
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

10
HVTH: LÊ TRUNG H
U



này s không xy ra, vic sử dng robot đ thay th hoặc h tr con ngi trong
công vic này thì rất thích hp.

1.2 Mcătiêu, khách thăvƠăđốiătngănghiên cu caăđătài
Mc tiêu ca đ tài là thit k, ch to robot ng dng trong vic phc v
trong phòng ch có nhiu bàn.
Đối tng tp trung nghiên cu ca đ tài là đa ra gii pháp điu khin cho robot
di đng dùng trong phc v, di chuyn theo l trình đã đc vch trc.
1.3 Nhimăvăcaăđătài và phmăviănghiên cu
Nghiên cu thit k và ch to mô hình robot di đng phc v trong phòng
ch bao gm:
- Phần c khí gm có:
 Thit k, ch to phần đ di chuyn
 Thit k, ch to phần c cấu tay máy
 Thit k, ch to c cấu giữ khay cha thc uống.
- Phần điu khin gm có:
 Thit k mch điu khin cho robot
 Xây dựng lu đ gii thut cho robot di đng
 Lp trình đ robot thực hin công vic phc v bi bàn
Đ tài này gii hn trong bƠi toán cho Robot di đng bằng bánh kt hp vi c
cấu tay máy đ thực hin công vic phc v bàn (lấy khay từ bàn pha ch, đem đn
đặt lên bàn khách hàng). Phần đ di chuyn s chuyn đng bám theo l trình đã
đc chỉ định trc, nu gặp vt cn trên đng di chuyn s dừng li, khi không
còn vt cn s đi tip đ hoàn thành nhim v. Phần c cấu chấp hành là mt tay
máy có ba bc tự do vi không gian làm vic hình tr, gm có chuyn đng xoay
quanh trc Z, chuyn đng tịnh tin theo phng Z đ nâng, h và chuyn đng tịnh
tin theo phng X nhằm đặt khay cha thc uống lên bàn cùng vi mt c cấu
kẹp, nh khay cha thc uống. Trong quá trình di chuyn c cấu tay máy không
hot đng khi nƠo đn vị trí đã đc xác định phần đ dừng li thì c cấu tay máy
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012

GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

11
HVTH: LÊ TRUNG H
U



mi hot đng. Bàn, gh và khay cha thc uống đc trang bị theo qui cách có sẵn
trên thị trng vƠ đc bố trí theo s đ thit k.
1.4 Phngăphápănghiênăcu
Đ đáp ng đc các mc tiêu đã đ ra, phng pháp nghiên cu s tp trung gii
quyt các vấn đ nh sau:
- Xây dựng mô hình lý thuyt bao gm:
 Thu thp và nghiên cu các tài liu liên quan v các mô hình
 Tìm hiu, sử dng cm bin siêu ơm đ phát hin vt cn, mch thu
phát tín hiu RF dùng đ truyn tín hiu điu khin robot thực hin
công vic đã đc lp trình.
 Tìm hiu, ng dng PIC18F4431, làm b xử lý trung tâm cho robot
 Nghiên cu gii thut đ điu khin robot di chuyn bám theo đng
line (vch).
- Xây dựng mô hình thực nghim bao gm:
 Thit k, ch to mô hình phần đ di chuyn, c cấu tay máy vƠ c
cấu kẹp, nh khay.
 Thit k mch điu khin, ng dng cm bin siêu âm và mch thu
phát tín hiu RF, đ truyn tín hiu điu khin robot.
 Xây dựng lu đ gii thut và lp trình đ điu khin robot.

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

12
HVTH: LÊ TRUNG H
U



Chngă2
CăS LÝ THUYT

2.1 H tọaăđ thuần nhất
Đ biu din mt đim trong không gian ba chiu, ngi ta dùng vect đim
(point vector). Vect đim thng đc kí hiu bằng các chữ vit thng u, v, x
… đ mô t vị trí ca đim U, V, X …
Tùy thuc vào h quy chiu đã chọn, trong không gian ba chiu, mt vect V có
th đc biu din bằng nhiu vect đim khác nhau:

V
E
, V
F
lƠ 2 vect khác nhau mặc dù c 2 vect cùng mô t đim V. Nu i, j ,k là
các vect đn vị ca mt h tọa đ nƠo đó, chẳng hn trong E, ta có:
v
⃗
= aı⃗+ bȷ⃗+ ck

⃗

vi a, b, c là tọa đ vị trí ca đim V trong h đó.
Nu quan tơm đng thi định vị vƠ định hng, ta phi biu din vect V
trong không gian 4 chiu vi suất vect lƠ mt ma trn ct.
v =
[
xyzw
]


Trong đó: x w
⁄
= a

y w
⁄
= b
z w
⁄
= c
Vi w là mt hằng số thực nƠo đó.
w còn đc gọi là h số tỉ l, biu thị cho chiu th 4.
Nu w = 1 ta có:
x = a; y = b; z = c;
V
F

E
F
V
E

V

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

13

HVTH: LÊ TRUNG H
U



Trong trng hp này thì các tọa đ biu din bằng vi tọa đ vt lý ca đim
trong không gian 3 chiu, h tọa đ sử dng w = 1 đc gọi là h tọa đ thuần
nhất.
Vi w = 0 ta có:


=


=


= ∞
Gii hn ∞ th hin hng ca các trc tọa đ.
Nu w là mt hằng số nƠo đó ≠ 0 và 1 thì vic biu din đim trong không gian
tng ng vi h số tỉ l w.
2.2 Các phép binăđi tọaăđ:
Cho u lƠ vect đim biu din đim cần bin đi, h lƠ vect dn đc biu
din bằng mt ma trn H gọi là ma trn chuyn đi. Ta có:
v = H.u
v lƠ vect biu din đim sau khi đã bin đi.
2.2.1 Phép binăđiătịnhătin: (Translation)
Gi sử cần tịnh tin mt đim hoặc mt vt th theo vect dn

⃗

= ⃗+ ⃗+ 
⃗
. Trc ht ta có ma trn chuyn đi H:
H = 
1 0 0 a
0 1 0 b
0 0 1 c
0 0 0 1

Gọi u lƠ vect biu din đim cần tịnh tin:
u =
[
x y z w
]


Thì v là vect biu din đim đã bin đi tịnh tin đc xác định bi:
V = H.u =
1 0 0 a
0 1 0 b
0 0 1 c
0 0 0 1
×

x
y
z
w

= 

x + aw
y + bw
z + cw
w
= 
x/ w + a
y/ w + b
z/ w + c
1
w
Nh vy bn chất ca phép bin đi tịnh tin là phép cng vect giữa
vect biu din đim cần chuyn đi vƠ vect dn.




NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

14
HVTH: LÊ TRUNG H
U

2.2.2 Phép quay (Rotation) quanh các trcătọaăđ:
Gi sử ta cần quay mt đim hay mt vt th quanh mt trc to đ nào
đó vi góc quay θ

, ta có các ma trn chuyn đi nh sau.
0
1 0 0 0
0 cos sin 0
( , )
0 sin cos 0
0 0 0 1
R x



 
 
 

 

 
 
 

Tng ng cho trng hp quay quanh trc OY mt góc

:
0

cos 0 sin 0
0 1 0 0
( , )
sin 0 cos 0
0 0 0 1
R y

 
 
 
 
 

 

 
 

vƠ trng hp quay quanh trc OZ mt góc

:
0
cos sin 0 0
sin cos 0 0
( , )
0 0 1 0
0 0 0 1
R z
 





 
 
 

 
 
 

Ct th 4 ca các ma trn 4x4 trên có 3 phần tử đu bằng 0 vì  đơy không
có sự tịnh tin. Các ma trn nƠy đc gọi là các ma trn quay (rotation) c bn. Các
ma trn quay khác có th xây dựng từ các ma trn c bn này. [3]
2.3 Đng học ca robot di chuyn bằng bánh xe:
Đng học là nghiên cu c bn nhất đ tìm hiu quá trình hot đng ca h
thống c khí, trong lĩnh vực mobile robot, chúng ta cần tìm hiu đặc tính c ca
robot đ thit k sao cho phù hp vi các nhim v đặt ra, ngoài ra vic tìm hiu đặt
tính c ca robot còn giúp ta xác định đc phng pháp thit k phần mm điu
khin sao cho phù hp vi từng phần cng ca robot.
Mobile robot là mt thit bị tự đng đc lp, nó hoàn toàn có th tự do di
chuyn trong môi trng hot đng. Không có phng pháp nƠo có th giúp ta đo
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

15
HVTH: LÊ TRUNG H
U



vị trí tc thi ca mobile robot. Thông thng đ xác định vị trí ca mobile robot,
ngi ta phi tích hp chuyn đng ca robot theo thi gian. Ngoài ra, quá trình
trt ca bánh xe khi chuyn đng còn là nguyên nhân khin cho quá trình đánh
giá, c lng chuyn đng ca robot gim bt đ chính xác. Vì vy vic đo chính
xác vị trí ca mobile robot vn là lĩnh vực đầy thách thc.
Theo các yu tố trình bày  trên, mobile robot là lĩnh vực khá rng vƠ đa
dng. Tuy nhiên quá trình điu khin robot chính lƠ điu khin các đng c. Trong
lun văn nƠy s tp trung vào vic nghiên cu điu khin mô hình mobile robot kt
hp vi c cấu tay máy, trong đó mobile robot lƠ mt xe tự hành có 3 bánh, vi 2
bánh sau là 2 bánh ch đng vƠ đc điu khin bi 2 đng c đc lp, mt bánh lái
đa hng  phía trc. Coi bánh xe di chuyn trên mặt phẳng lƠ lăn không trt,
vn tốc ca robot là tốc đ ca trung đim khong cách giữa 2 bánh xe sau.

Hình 2.1: Phơn tích đng học ca robot di chuyn theo quỹ đo cho trc
Trc tiên đ xác định vị trí ca robot trong mặt phẳng di chuyn theo quỹ
đo cho trc, ta xây dựng mối quan h giữa tọa đ tham chiu toàn cc ca mặt
phẳng và h tọa đ tham chiu cc b ca robot nh hình 2.1. Các trc x, y xác định
tọa đ ca đim bất kỳ trong h tọa đ toàn cc có gốc O (Oxyz). Đim P là tâm
dịch chuyn ca robot, nó dùng đ xác định vị trí ca robot. H tọa đ Px
m
y
m
z

m
là
h tọa đ tham chiu cc b ca robot, gắn lin vi robot. Nh vy vị trí đim P
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

16
HVTH: LÊ TRUNG H
U



trong h tọa đ tham chiu toàn cc đc xác định bi tọa đ X, Y và góc lch θ
giữa hai h tọa đ toàn cc và cc b.
- Các thông số hình học ca robot bao gm:
V
p
: Vn tốc ca robot ti đim P
V
r
: Vn tốc ca bánh bên phi
V
l
: Vn tốc ca bánh bên trái

ω
r
: Vn tốc góc ca bánh bên phi
ω
l
: Vn tốc góc ca bánh bên trái
θ: Góc quay ca robot so vi h tọa đ toàn cc

̇
: Vn tốc góc ca robot trong mặt phẳng chuyn đng
r: Bán kính ca bánh xe ca robot
L: Khong cách giữa 2 bánh xe
R: bán kính cong quỹ đo cho trc ca robot ti tâm vn tốc tc thi
ICC: trc quay ca quỹ đo cho trc và là tâm vn tốc tc thi
R - L/2: Bán kính mô t quỹ đo chuyn đng cong ca bánh bên trái
R + L/2: Bán kính mô t quỹ đo chuyn đng cong ca bánh bên phi
 Đ điu khin phần đ di đng ca robot thực hin công vic phc v di
chuyn theo quỹ đo cho trc, ta có 2 loi chuyn đng:
- Chuyn đng thẳng
- Chuyn đng vòng theo quỹ đo vi bán kính cho trc.
 Chuyn đng quẹo trái
 Chuyn đng quẹo phi
Ta thit lp số vòng quay cho 2 bánh lái trong từng trng hp c th nh sau:
- Đối vi chuyn đng thẳng, ta điu chỉnh số vòng quay ca 2 đng c
bánh bên trái và bên phi bằng nhau.
- Đối vi chuyn đng vòng, theo quỹ đo vi bán kính cho trc ta có
mối quan h vn tốc ca 2 bánh trái và phi nh sau:


=



.
=θ
̇
R +


( 1)


=


.
= θ
̇
R −


(2)
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012


GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

17
HVTH: LÊ TRUNG H
U




Hình 2.2: Vn tốc bánh bên trái và bánh bên phi
Từ (1) và (2) ta có:




=




=
− 2
⁄

+  2
⁄
( 3)
Theo bn v thit k ta có kích thc phần đ ca robot:
L = 250 mm
r

= 50 mm

Gi định vi tình huống cho robot chuyn đng theo quỹ đo cho trc vi
bán kính cong R = 375 mm
Thay các giá trị kích thc vƠo (3) ta đc:
ω

ω

=
R
−L 2
⁄
R + L 2
⁄
=
375
−125
375 + 125
=
250
500
=
1
2
(4)
Mặc khác ta có công thc v mối quan h giữa vn tốc góc và số vòng quay
n

=
ω


2
π
=

̇
2π

R
r
+
L
2r
=
5

̇
π
vòng s
⁄

( 5)
n

=
ω

2
π
=


̇
2π

R
r
−
L
2r
=
2,5

̇
π
vòng/ s( 6)
Chọn cấp đ chuyn đng quay vòng cho robot

̇

=

15
rad/ s

̇
ì
=

10
rad/ s


̇

=

5
rad/ s