Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thông minh cho rô bốt SHRIMP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________

PHÙNG ĐÔN VƯƠNG

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều
khiển thông minh cho rô bốt
Shrimp

LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN TRỌNG DOANH

HÀ NỘI - 2010


LỜI NÓI ĐẦU
Rô bốt đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Rô bốt đầu tiên được
ứng dụng trong công nghiệp từ những năm 60 để thay thế con người làm các công
việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần sử dụng ngày
càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên rô bốt công nghiệp cần có
những khả năng thích ứng linh họat và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng
sơ khai ban đầu của rô bốt trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế,
chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia
đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các rô bốt địa hình và rô bốt
dịch vụ phát triển.
Trên thế giới đã có nhiều mẫu robot tự hành được thiết kế. chế tạo và đưa vào thử
nghiệm thực trong những nhiệm vụ đặc biệt. Mỗi loại robot tự hành lại có một ưu
điểm và tính năng riêng nhưng những robot tự hành có khả năng di chuyển trên địa

hình không bằng phẳng, vượt được vật cản có thành thẳng đứng thì số lượng là
không nhiều. Và trong số ít đó mẫu robot tự hành Shrimp của hãng Bluebotics Thụy
Sỹ có những tính năng nổi bật nhất.
Tổng hợp trong nó là cả khoa học và công nghệ. Để thiết kế và chế tạo được rô bốt,
ta cần có các tri thức của toán học, cơ học, vật lý, điện tử, lý thuyết điều khiển, khoa
học tính toán và nhiều tri thức khác. Để có thể ứng dụng được rô bốt, ta cần biết rõ
về đối tượng ứng dụng. Rô bốt là sản phẩm tích hợp cả khoa học và công nghệ với
độ phức tạp cao.
Được sự đồng ý của Viện cơ khí, Viện đào tạo sau đại học. Với những hướng dẫn
và chỉ đạo tận tình của Ts. Nguyễn Trọng Doanh tôi đã có nhiều thuận lợi khi thực
hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thông minh cho rô bốt
Shrimp”

1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................................4
MỞ ĐẦU..................................................................................................................................6
1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................................6
2. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................................6
3. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ........................................................................6
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả.........................................................7
5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................................7
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ KẾT CẤU CỦA RÔ BỐT SHRIMP............................8
1.1 Một số mẫu robot tự hành nổi tiếng trên thế giới.........................................................8
1.1.1 Rô bốt tự hành smartROD........................................................................................8
1.1.2 Mantis Rô bốt ............................................................................................................8
1.1.3 Rô bốt thám hiểm của NASA....................................................................................9

1.1.4 Rô bốt RODHAZ-DT3 ..............................................................................................9
1.1.5 Rô bốt Shrimp III....................................................................................................10
1.2 Thiết lập phương trình truyền động giữa động cơ và robot .......................................10
1.3 Xây dựng hàm truyền giữa động cơ và bánh dẫn động rô bốt..................................12
1.4 Các thành phần trong kết cấu cơ khí của rô bốt Shrimp...........................................15
1.4.1 Cơ cấu hình bình hành (4 bánh giữa) ................................................................15
1.4.2 Chân trước của rô bốt............................................................................................17
1.4.3 Chân sau (chân cố định với thân rô bốt) ...............................................................20
1.5 Tính toán chiều cao vật cản tối đa rô bốt có thể vượt qua được ................................21
1.5.1 Chiều cao lớn nhất của vật cản mà chân trước rô bốt có thể vượt qua ...............21
1.5.2 Chiều cao lớn nhất của vật cản mà 2 bánh giữa (cơ cấu hbh) có thể vượt qua .23
1.6 Phân tích động học và động lực học trong di chuyển của rô bốt...............................25
1.6.1 Rô bốt di chuyển trên địa hình coi như phẳng....................................................25
1.6.2 Giai đoạn từ khi bánh chân trước tiếp xúc vật cản đến khi vượt qua.................27
1.6.3 Hai bánh thân (21 và 22) tiếp xúc vật cản............................................................29
1.6.4 Hai bánh thân (31 và 32) vượt vật cản .................................................................29
1.6.5 Bánh sau cùng vượt vật cản .................................................................................30
1.6.6 Trường hợp vật cản nhỏ nằm lệch một phía ........................................................31
1.6.7 Robot quay vòng và chuyển hướng khi di chuyển trên nền phẳng ....................32
1.7 Kích thước thiết kế và chế tạo mô hình rô bốt Shrimp ..............................................33
1.7.1 Chân trước (chân linh hoạt) .................................................................................33
1.7.2 Chân sau (chân cố định với thân).........................................................................34
1.7.3 Chân bên ( kết cấu khung linh hoạt hình bình hành) .........................................35
1.7.4 Thân robot...............................................................................................................36
1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...............................................................................................39
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CAMERA QUAN
SÁT CHO RÔ BỐT TỰ HÀNH ..........................................................................................40
2.1 Giới thiệu .........................................................................................................................40
2.2 Tìm hiểu một số bộ cảm biến thường sử dụng trong robot tự hành ..........................40
2.2.1 Cảm biến lực ...........................................................................................................40

2.2.2 Cảm biến vận tốc.....................................................................................................41

2


2.2.3 Cảm biến gia tốc......................................................................................................42
2.2.4 Cảm biến áp suất vi cơ điện tử ...............................................................................43
2.2.5 Cảm biến vị trí.........................................................................................................43
2.2.6 Cảm biến phát hiện vật ...........................................................................................45
2.3 Cảm biến dùng cho mô hình robot Shrimp..................................................................45
2.3.1 Bố trí các cảm biến và công tắc hành trình...........................................................46
2.3.2 Các trường hợp phát hiện vật của bộ cảm biến.....................................................46
2.4 Camera quan sát và kỹ thuật xử lý ảnh.....................................................................49
2.4.1 Camera quan sát .....................................................................................................49
2.4.2 Cơ sở lý thuyết công nghệ xử lý ảnh.....................................................................50
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..............................................................................................57
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU
KHIỂN THỒNG MINH CHO RÔ BỐT SHRIMP ...........................................................58
3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển robot tự hành Shrimp.....................................................58
3.2 Thuật toán điều khiển robot Shrimp ...........................................................................59
3.3 Sơ lược về vi điều khiển AVR .......................................................................................60
3.3.1. Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR. ........................................................60
3.3.2 Kiến trúc AVR .........................................................................................................61
3.4 Thiết kế mạch điều khiển ..............................................................................................63
3.4.1. Nhiệm vụ thiết kế ...................................................................................................63
3.4.2 Mạch nguyên lý......................................................................................................63
3.4.3 Các khối chức năng của mạch...............................................................................64
3.5 Các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển..............................................................69
3.5.1 IC LM7805 .............................................................................................................70
3.5.2 Vi điều khiển ATMEGA 128L...............................................................................70

3.5.4 Khoang cách ly (optoisolator) ...............................................................................73
3.5.5 Transistor trường IRF540 .....................................................................................74
3.5.7 Trans C828 ..............................................................................................................75
3.7 Giới thiệu các phần mềm................................................................................................75
3.7.1 Lập trình cho AVR ATmega128L bằng ngôn ngữ C, với trình biên dịch là
CodeVisionAVR ...............................................................................................................75
3.7.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển : CODEVISION AVR.............................84
3.7.3 Điều khiển tự động robot tự hành ứng dụng công nghệ xử lý ảnh .....................84
3.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...............................................................................................88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................................89
1 Kết luận...............................................................................................................................89
2 Kiến nghị.............................................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................90
PHỤ LỤC 1............................................................................................................................91
PHỤ LỤC 2............................................................................................................................98
PHỤ LỤC 3..........................................................................................................................103

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Robot tự hành SmatROD
Hình 1.2. Mantis Robot
Hình 1.3. Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA
Hình 1.4 Robot ROBHAZ_DT3 của Viện KH và CN Hàn Quốc KIST
Hình 1.5 Robot tự hành Shrimp III của công ty Bluebotics
Hình 1.6 Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi động cơ
Hình 1.7 Sơ đồ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Hình 1.8 Sơ đồ động cơ điện kết nối với bánh robot qua hộp giảm tốc
Hình 1.9 Sơ đồ khối hàm truyền đạt giữa động cơ và bánh dẫn động robot

Hình 1.10 Cơ cấu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân rô bốt
Hình 1.11 Khả năng linh hoạt vượt địa hình của cặp bánh bên thân robot
Hình 1.12 So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu
Hình 1.13 Kết cấu chân trước rô bốt
Hình 1.14 Nguyên lý dịch chuyển của chân trước robot
Hình 1.15 Thông số kỹ thuật của chân trước robot
Hình 1.16 Chân trước với các thông số kích thước chiều dài.
Hình 1.17 Kết cấu chân sau (chân cố định với thân robot)
Hình 1.18 Sơ đồ tính độ nâng lên của bánh trước khi leo qua vật cản
Hình 1.19 Kết cấu hình bình hành trên nền phẳng và khi vượt vật cản
Hình 1.20 Rô bốt di chuyển trên nền phẳng
Hình 1.21 Quy đổi lực tác dụng về tính trên mỗi hệ động cơ – bánh dẫn.
Hình 1.22 Bánh chân trước tiếp xúc và vượt qua vật cản
Hình 1.23 Bánh 21 và 22 vượt vật cản
Hình 1.24 Trạng thái cặp bánh 31 và 32 vượt vật cản
Hình 1.25 Trạng thái bánh cuối (bánh 4) vượt thành đứng bậc thang
Hình 1.26 Robot vượt vật cản lệch một phía
Hình 1.27 Trạng thái khi quay vòng hoặc chuyển hướng của rô bốt
Hình 1.29 Bản vẽ kích thước chân trước
Hình 1.30 Bản vẽ kích thước thiết kế và chế tạo chân sau
Hình 1.31 Bản vẽ kích thước toàn bộ kết cấu hình bình hành (chân bên)
Hình 1.32 Kết cấu bánh với các khâu liên kết kiểu hình bình hành
Hình 1.33 Bản vẽ kích thước phần thân robot
Hình 1.34 Toàn cảnh robot Shrimp
Hình 2.1 Cấu trúc cảm biến áp suất
Hình 2.2 Hình dạng cảm biến quang dùng cho mô hình robot Shrimp
Hình 2.3 Sơ đồ bố trí cảm biến, công tắc hành trình
Hình 2.4 Không gian làm việc của robot trong mặt phẳng 2-D
Hình 2.5 Các trường hợp cảm biến phát hiện vật cản
Hình 2.6 Camera quan sát trên robot

Hình 2.7 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý ảnh

4

8
8
9
9
10
10
12
13
15
16
16
17
17
18
19
19
20
22
24
25
26
27
29
30
31
32

33
34
35
35
36
37
38
43
46
46
47
48
49
53


Hình 2.8 Trộn màu cơ bản
Hình 2.9 Biểu đồ màu RGB và đặc tuyến toạ độ màu trong hệ hệ toạ đọ RGB
Hình 3.1 Sơ đồ khối xử lý điều khiển robot tự hành MeShrimpVn
Hình 3.2 Sơ đồ giải thuật điều khiển
Hình 3.3 Sơ đồ các khối mạch điều khiển
Hình 3.4 Mạch cấp nguồn cho hệ thống
Hình 3.5 Mạch giao tiếp máy tính và vi điều khiển
Hình 3.6 Vi điều khiển AVR
Hình 3.7 Khối hiển thị
Hình 3.8 Các phần tử kết trong khối cách ly quang
Hình 3.9 Mạch công suất điều khiển động cơ
Hình 3.10 Bảng danh mục các thiết bị
Hình 3.11 IC LM7805
Hình 3.12 Hình dạng và sơ đồ mạch nối mạch tạo nguồn

Hình 3.13 Hình dạng vi điều khiển Atmega128L
Hình 3.14 Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega
Hình 3.15 Cấu trúc của Vi điều khiển AVR
Hình 3.16 Phần mạch khoang cách ly quang
Hình 3.17 Hình dạng Opto PC817
Hình 3.18 Hình dạng và ký hiệu transistor trường (FET) IRF540
Hình 3.19 Ký hiệu và hình nguyên lý role đóng ngắt
Hình 3.20 Hình dạng và ký hiệu transistor (npn) C828
Hình 3.21 Sơ đồ khối xử lý ảnh
Hình 3.22 Thuật toán điều khiển tự động robốt

5

54
55
58
59
64
64
65
66
67
67
68
69
70
70
71
72
73

73
74
74
75
75
85
85


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Theo dự báo trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một rô bốt cá
nhân như cần một máy tính PC hiện nay và Rô bốt sẽ là tâm điểm của một cuộc
cách mạng công nghệ lớn sau Internet. Với xu thế này, cùng với các ứng dụng
truyền thống khác của rô bốt trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và
đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường rô bốt và các dịch vụ kèm theo rô
bốt sẽ vô cùng lớn.
Là sinh viên của một trong những trường hàng đầu về khoa học công nghệ, từ lâu
tôi đã có sự quan tâm và niềm đam mê về rô bốt. Vì vậy, sau khi xem xét các đề tài
tôi đã quyết định làm luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống
điều khiển thông minh cho rô bốt Shrimp”
2. Tính cấp thiết của đề tài
Rô bốt tự hành đã không còn xa lạ với các nước phát triển trên thế giới và đang là
tâm điểm của thời đại ngày nay. Tuy nhiên ở Việt Nam cả kiến thức lẫn công nghệ
về rô bốt tự hành còn khá mới mẻ. Vì vậy, đề tài có ý định nghiên cứu các mẫu
robot tự hành đã có để phát huy các ưu điểm và xây dựng mô hình rô bốt tự hành
ngày càng hoàn thiện hơn. Phục vụ cho việc phát triển công nghệ cao, một lĩnh vực
mà nước ta còn thua kém các nước phát triển rất nhiều.
3. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích

Tìm hiểu nâng cao các kiến thức về công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa ứng
dụng cho rô bốt cũng như trong cơ khí chế tạo máy. Vì xu thế thời đại các lĩnh vực
trên ngày càng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, nên đòi hỏi người thiết kế cần có
các kiến thức tổng hợp để tạo ra các sản phẩm hoàn thiện hơn.
Đối tượng
Rô bốt tự hành MeShrimpVn, một đề tài nghiên cứu khoa học của nhóm sinh viên
lớp cơ điện tử 3 – K49 ĐH Bách khoa hà nội. Được nghiên cứu và phát triển từ mô
hình rô bốt Shrimp III của công ty Bluebotics – Thụy Sỹ.

6


Phạm vi nghiên cứu
Tác giả tập trung nghiên cứu về kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển thông minh
của rô bốt Shrimp
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Các luận điểm cơ bản
Rô bốt Shrimp có một kết cấu đặc biệt cho phép nó có thể di chuyển trên địa hình
không bằng phẳng.
Có thể vượt qua vật cản mà có bề mặt với độ dốc lớn, thậm chí là bề mặt thẳng
đứng trong giới hạn chiều cao vật cản nhất định.
Di chuyển nhờ sáu bánh xe, mỗi bánh được dẫn động bởi một động cơ điện một
chiều, có tốc độ được điều chỉnh sao cho phù hợp với tải trọng thực tế tác động lên
mỗi trục động cơ.
Các đóng góp mới
Tác giả đã nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển mới cho rô bốt với việc trang
bị hệ thống cảm biến thông minh, có thể phát hiện vật thể phía trước và hai bên từ
đó đưa ra các phương án xử lý phù hợp.
5. Phương pháp nghiên cứu
Tác giả đã tìm hiểu các thế hệ rô bốt tự hành trước đó và sử dụng phương pháp kết

hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cũng như chế tạo theo mô hình rô bốt
Shrimp

7


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ KẾT CẤU CỦA RÔ BỐT SHRIMP
1.1 Một số mẫu robot tự hành nổi tiếng trên thế giới
Rô bốt tự hành đang ngày càng phát triển với các tính năng hoàn thiện hơn, dưới
đây là một số mẫu rô bốt tự hành.
1.1.1 Rô bốt tự hành smartROD

Hình 1.1. Robot tự hành SmatROD
Đặc tính có thể mang trọng tải và di chuyển tự động trên nền phẳng. Về kết cấu
mẫu robot tự hành này tương tự một hệ thống nâng chuyển được điều khiển hoàn
toàn tự động.
1.1.2 Mantis Rô bốt

Hình 1.2. Mantis Robot
Đặc điểm của Robot mantis là khả năng leo địa hình đặc biệt là cầu thang. Tuy
nhiên về kết cấu phần cơ khí của hệ thống thì còn nhiều yếu tố chưa hoàn hảo khi

8


chuyển động. Hinh dạng bánh không cân xứng dẫn tới mất cân bằng và phân bố lực
không đều khi chuyển động
1.1.3 Rô bốt thám hiểm của NASA

Hình 1.3. Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA

Đặc điểm của các mẫu robốt tự hành này là tính ổn định và bền vững trước những
yễu tố tác động của môi trường. Được trang bị những hệ thống cảm biến hiện đại và
hệ thống điều khiển tối ưu. Năng lượng cấp cho toàn hệ thống được chuyển đổi trực
tiếp từ năng lượng tự nhiên (năng lượng từ mặt trời) thông qua hệ thống pin quang
học.
1.1.4 Rô bốt RODHAZ-DT3

Hình 1.4 Robot ROBHAZ_DT3 của Viện KH và CN Hàn Quốc KIST
Robot chạy bằng xích có khả năng vượt chướng ngại vật tốt nhờ sự vững chắc và hệ
số ma sát động cao . Tuy nhiên do ma sát lớn nên robot gặp khó khăn trong việc

9


xoay chuyển và nếu một động cơ của cơ cấu bánh xích bị hỏng sẽ làm robot mất
hoàn toàn tính linh hoạt
1.1.5 Rô bốt Shrimp III

Hình 1.5 Robot tự hành Shrimp III của công ty Bluebotics
Đây là một mẫu robot tự hành có kết cấu ấn tượng và tính năng vượt trội với những
địa hình có chiều cao trung bình và phức tạp
1.2 Thiết lập phương trình truyền động giữa động cơ và robot
B¸nh di chuyÓn
Tdc
ω

Fngoµi
Fb

Mc¶n

Fms

Hình 1.6 Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi động cơ
Nhận thấy rằng ở mỗi trạng thái dịch chuyển của rô bốt trên các địa hình khác nhau
thì vận tốc và điều kiện làm việc của mỗi động cơ trong 6 động cơ dẫn động có thể
giống nhau hoặc khác nhau. Do đó ta quy đổi thành phần tải trọng và lực cả cố định
lẫn ngẫu nhiên tác động lên mỗi trục động cơ chịu tải của mỗi bánh dẫn động.

10


Gọi:
W là năng lượng đưa vào mỗi động cơ điện
Wt là năng lượng tiêu thụ của robot quy đổi về mỗi động cơ.
∆ W là mức chênh năng lượng giữa năng lượng đưa vào và năng lượng tiêu

thụ.
Từ đó ta có phương trình cân bằng năng lượng:
W = Wt + ∆ W

(2.1)

Mặt khắc độ chênh lệch năng lượng tạo ra động năng duy trì chuyển động của hệ
∆ W = 1 Jω 2
2

(2.2)

Trong đó: J là mômen quán tính của tải và của động cơ quy đổi về trục động cơ
Từ (2.1) và (2.2) ta có:

W = Wt +

1 2
Jω .
2

(2.3)

Đào hàm 2 vế phương trình (2.3), và chia cho ω ta được.
1 dW 1 dWt 1 d ⎛ 1 2 ⎞
=
+
⎜ Jω ⎟
ω dt ω dt ω dt ⎝ 2
⎠

Ta đã biết rằng:

(2.4)

1 dW
= Tdc Chính là mômen của động cơ
ω dt
1 dWt
= M can là mômen cản của hệ quy về trục mỗi động cơ
ω dt

1 d ⎛1 2⎞
⎜ Jω ⎟ đây là mômen động lượng của robot trên mỗi trục

ω dt ⎝ 2
⎠

động cơ
Nên ta có phương trình động lực học của hệ truyền động tổng quát của mỗi động cơ
ở mỗi bánh:
Tdc = J

dω ⎛ 1 dJ ⎞
+ ⎜ ω ⎟ + M can
dt ⎝ 2 dt ⎠

(2.5)

Do Mômen quán tính thường là hằng số theo thời gian hoặc có thay đổi thì giá trị
thay đổi không đáng kể nên

dJ
ta coi như = 0 trong tính toán.
dt

Vậy phương trình động lực học rút gọn lại sẽ là:

11


Tdc = J

dω
+ M can hay

dt

Tdc – Mcan = J

dω
dt

(2.6)

Từ đó ta thấy:
Tdc > Mcan thì

dω
> 0 tốc độ động cơ tăng dần, rô bốt đang tăng tốc.
dt

Tdc < Mcan thì

dω
< 0 tốc độ động cơ giảm dần, rô bốt đang hãm.
dt

Tdc = Mcan thì

dω
= 0 động cơ quay ổn định hay robot di chuyển với tốc độ hằng.
dt

1.3 Xây dựng hàm truyền giữa động cơ và bánh dẫn động rô bốt
Phương pháp điều khiển sử dụng động cơ 1 chiều kích từ độc lập. Tín hiệu vào là

ϕdc của trục động cơ, từ đó ta

điện áp Uư đặt vào phần ứng, tín hiệu ra là góc quay
tính được góc quay

ϕb của mỗi bánh dẫn động. Xét trường hợp truyền động giữa

động cơ và bánh chỉ có 1 bậc tự do.
Ru

Ru

Iu (t)

U kt

Lu

+

L kt

-

+
Uu (t)

Eu (t)

Mdc

-

ϕdc

Jdc

Hình 1.7 Sơ đồ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Trong truyền động robot, động cơ truyền chuyển động quay tới bánh dẫn động qua
hộp giảm tốc với tỷ sỗ truyền (n) nhằm mục đích giảm tốc độ và bảo vệ động cơ
tránh chịu ảnh hưởng trực tiếp và tức thời của hiện tượng quá tải khi robot di
chuyển.

12


Z2

ϕB

Jdc

Z
1

Mdc

MB

fb

ϕdc = ϕB
f dc

Hình 1.8 Sơ đồ động cơ điện kết nối với bánh robot qua hộp giảm tốc
Jdc, JB – mômen quán tính của động cơ và của bánh rô bôt.
fdc - Hệ số ma sát giữa roto và Stato động cơ.
fb - Hệ số ma sát giữa bánh rô bôt và bề mặt địa hình.
Mdc, MB – Mômen của động cơ và bánh.
Z1, Z2 - Số răng trên bánh dẫn và bị dẫn của hộp giảm tốc.
n=

Gọi

Z1
là tỉ số truyền của hộp giảm tốc giữa roto động cơ và bánh robot
Z2

ϕb là góc quay của trục ra nối cứng với bánh dẫn động cho rôbôt, ϕdc là góc

quay của roto động cơ, ta có:

⎧ ϕ B (t ) = nϕ dc (t )
⎪
⎨ ϕ B ' (t ) = nϕ dc ' (t )
⎪ϕ " (t ) = nϕ ' ' (t )
dc
⎩ B

(2.7)

Mômen trên mỗi trục động cơ bằng tổng mômen nội cần để động cơ quay cộng với
mômen tải tĩnh và động quy về trục động cơ đó.

M ∑ (t ) = M dc (t ) + M B* (t )
Trong đó:

M dc (t ) = J dcϕ dc'' (t ) + f dcϕ dc' (t )
M B (t ) = J Bϕ B'' (t ) + f bϕ B' (t )

(2.8)
(2.9)
(2.10)

Theo định luật bảo toàn năng lượng, công do tải sinh ra tính trên trục bánh rôbôt là

M Bϕ B phải bằng công quy về trục roto động cơ M B*ϕ dc . Dó đó ta có:

13


M B* (t ) =

M B (t )ϕ B (t )
= n.M B (t )
ϕ dc (t )

(2.11)

Thế (2.7) và (2.10) vào phương trình (2.11) ta được.

[

"
M B* (t ) = n 2 J Bϕ dc
(t) + f bϕ dc' (t)

]

(2.12)

Thế phương trình (2.9) và (2.12) vào phương trình (2.8) ta được.

M ∑ (t ) = ( J dc + n 2 J B )ϕ dc'' (t ) + ( f dc + n 2 f b )ϕ dc' (t )
Đặt:

(2.13)

J = J dc + n 2 J B - Mômen quán tính tổng hiệu dụng

f = f dc + n 2 f b - Hệ số cản tổng hiệu dụng
Nên phương trình (2.13) rút gọn thành:

M ∑ (t ) = J .ϕ dc'' (t ) + f .ϕ dc' (t )

(2.14)

Mặt khác trong động cơ điện 1 chiều mômen trên trục động cơ tỉ lệ tuyến tính với
cường độ dòng điện phần ứng và không phục thuộc vào góc quay hay vận tốc góc.

M ∑ (t ) = K m .iu (t )

(2.15)

Trong đó: Km - Hệ số tỉ lệ mômen, iu - cường độ dòng điện mạch phần ứng.
Đối với mạch phần ứng ta có phương trình cân bằng điện áp:

U u (t ) = Ru iu (t ) + Lu
Trong đó:

diu (t )
+ eu (t )
dt

(2.16)

Ru, Lu - Điện trở và điện cảm phần ứng.
eu - Sức phản điện động của động cơ

eu (t ) = K eϕ dc' (t )

(2.17)

Ke - Hệ số tỷ lệ với sức phản điện động.
Thế phương trình (2.17) vào pt (2.16) và biến đổi Laplace pt (2.16) ta được

U u ( s) = Ru I u ( s) + sLu I u ( s) + sK eϕdc ( s)

(2.18)

Chuyển vế ta rút ra được:

I u ( s) =

U u ( s) − sK eϕ dc ( s)
Ru + sLu

(2.19)

14


Biến đổi Laplace phương trình (2.14) ta được:

M ∑ ( s) = s 2 J .ϕ dc ( s) + sf .ϕ dc ( s)

(2.20)

Biến đổi Laplace phương trinh (2.15):

M ∑ ( s) = K m .I u ( s)

(2.21)

Từ 3 phương trình (2.19), (2.20), (2.21) ta rút ra:

ϕ dc ( s)
U u ( s)

=

Km
s s 2 JLu + ( Lu f + Ru J ) s + Ru f + K m K e

[

]

(2.22)

Từ đó kết hợp pt (2.22) và (2.7) quy đổi ta được hàm truyền giữa góc quay của bánh
robot và điện áp cấp cho phần ứng động cơ.

ϕ B ( s)
U u (s)

=

nK m
s{(sL u + R u )(sJ + f) + K m K e }

(2.23)

Hàm truyền (2.23) là cơ sở để điều khiển tốc độ dịch chuyển của robot bằng cách
thay đổi điện áp đầu vào cấp cho phần ứng động cơ.

Hình 1.9 Sơ đồ khối hàm truyền đạt giữa động cơ và bánh dẫn động robot
1.4 Các thành phần trong kết cấu cơ khí của rô bốt Shrimp
1.4.1 Cơ cấu hình bình hành (4 bánh giữa)

15


Hình 1.10 Cơ cấu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân rô bốt
Có thể đưa ra một nhận xét rằng. Trong một tổng thể hoàn hảo về kết cấu của rô bốt
thì phương án kết cấu hình bình hành cho cặp bánh bên thân là kết cấu ấn tượng và
hoàn hảo nhất. Xét về cơ học thì ta nhận thấy ngay kết cấu có chứa những ràng
buộc thừa không cần thiết. Nhưng đối với Shrimp thì đó lại cần thiết để tăng thêm
độ cững vững cho cả hệ thống khi dịch chuyển.
Điểm đáng chú ý của kết cấu hình bình hành là tính linh hoạt khi dịch chuyển trên
địa hình không bằng phẳng.

Hình 1.11 Khả năng linh hoạt vượt địa hình của cặp bánh bên thân robot
Với kết cấu hình bình hành cho cặp bánh thân bên rô bốt có thể vượt địa hình phức
tạp một cách đơn giản và nhẹ nhàng ( hình 1.11a), trong khi đó với kết cấu cẩu
thẳng theo kiểu cổ điển (hình 1.11b) cho thấy sự khó khăn khi di chuyển trên địa
hình của bộ giá phẳng

16


Truc quay

a)

b)

Tâm quay thuc

Tâm quay a'o

Hình 1.12 So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu
a) Cơ cấu: bánh với khâu hình bình hành
b) Có cấu: bánh với khâu thẳng trực tiếp
1.4.2 Chân trước của rô bốt

Hình 1.13 Kết cấu chân trước rô bốt
Cũng giống như chân giữa, chân trước cũng là một kết cấu có chuyển động linh
hoạt so với thân rô bốt qua 2 khớp trụ nối với thân. Kết cấu này làm tăng khả năng
di chuyển khi vượt qua địa hình gồ ghề của rô bốt. Khi nó vượt chướng ngại vật thì
không phải cả hệ thống cùng ảnh hưởng một lúc mà sẽ ảnh hưởng theo từng phần
một. Như vậy trọng lực sẽ được chia ra và sức cản di chuyển sẽ nhỏ đi làm cho
robot di chuyển dễ dàng hơn. Điều này kiểm chứng đơn giản, khi chân trước tiếp

17


xúc vật cản, lực đẩy của robot làm cho chân trước quay quanh 2 khớp trụ và đẩy
bánh từ từ vượt qua vật cản trong khi toàn thân robot hầu như vẫn ở trạng thái nằm
ngang. Lúc này chân trước chỉ chịu tác dụng của trọng lực khối lượng của chính
thân gây ra (thành phần này nhỏ hơn trọng lượng của toàn bộ robot rất nhiều) cộng
với thành phần Flx theo phương thẳng đứng làm cản trở chuyển động nữa mà thôi.
Trong khi tổng lực tích cực giúp chân trước và robot tiến lên là tổng nội lực của 6
động cơ đẫn động bánh và lực tích luỹ trong lò xo theo phương ngang (Flxx ). Với
điều kiện bình thường lò xo đã bị nén một giá trị (

0)

ban đầu. do đó bánh trước

luôn chịu tối thiểu một lực đàn hồi Flx0
Nguyên lý nâng bánh trước:
Huong chuyen dich

Fn
Ftotal

Gct
Fd

Tâm quay a'o

Flx
Pct
Vb

Tdc

Ftác dung

Hình 1.14 Nguyên lý dịch chuyển của chân trước robot
Trong đó: Ftotal là tổng lực đẩy của 5 động cơ phía sau.
Ftác dụng là phản lực tác dụng của vật cản vào bánh trước tại điểm tiếp xúc.
r
r
r
Flx = Fn + Fd là lực đàn hồi của lò xo theo 2 phương ngang và đứng.
Pct : Trọng lượng của chân trước đặt tại trọng tâm Gct.
Thông số kỹ thuật:

18


Y
e

b

γ
φ

d

a

ψ
β

α

c

ξ

∆

X
h

Tb(x,y)

Hình 1.15 Thông số kỹ thuật của chân trước robot
1
e

1
d

1
Khâu co dinh
b

c

X
1
h

Bánh chân truoc

Tb(x,y)

Hình 1.16 Chân trước với các thông số kích thước chiều dài.
Giai đoạn từ khi bánh chân trước rô bốt tiếp xúc vật cản đến trước khi bánh chân
trước lên tới điểm cao nhất đạt được thì toàn thân nó coi như vẫn nằm theo phương
ngang.

19

Ta hoàn toàn có thể thiết lập được mối liên quan hàm sỗ giữa α, ψ và ξ là hàm số
của góc dưới ∆: (∆ là góc lệch của khâu dưới chân trước so với phương ngang)

π

Ë

α (∆) =

Ë

ψ (∆) = a. cos ⎢

Ë

ξ(∆) = ∆ - ψ(∆)

2

(2.24)

− ∆ +φ
⎡

c − b cos{α (∆)}

⎢⎣ b 2 + c 2 − 2.b.c. cos{α (∆)}

+

b 2 + c 2 − 2.b.c. cos{α (∆)} + d 2 + e 2 ⎤ (2.25)
⎥
2.d . b 2 + c 2 − 2.b.c. cos{α (∆)} ⎥⎦

(2.26)
Từ các phương trình (2.24, 2.25 và 2.26) ta xác định được qũy đạo chuyển động của
tâm bánh trước robot là một hàm của góc dưới (∆) và các thông số kích thước dài
lựa chọn cố định trước:
Ë

⎡ x(∆) ⎤ ⎡1 0⎤ ⎡c. cos(∆ ) + h. cos{ξ (∆)}⎤
Tb (∆ ) = ⎢
⎥=⎢
⎥.⎢
⎥
⎣ y (∆)⎦ ⎣0 1⎦ ⎣ c. sin(∆ ) + h. sin{ξ (∆)} ⎦

(2.27)

Như vậy từ các phương trinh (2.27), (2.26), (2.25) và (2.24) ta nhận thấy rằng khi
thay đổi các thông số kích thước chân trước thì mỗi bộ kích thước khác nhau sẽ cho
ta một quỹ đạo chuyển động khác nhau của tâm bánh trước robot khi bánh trước
vượt chướng ngại vật..
1.4.3 Chân sau (chân cố định với thân rô bốt)

Hình 1.17 Kết cấu chân sau (chân cố định với thân robot)
Kết cấu chân sau được thiết kế cố định với thân với các mục đích sau:

20

- Chân sau giúp cho rô bốt cứng vững và cân bằng tốt hơn trong khi di chuyển trên
địa hình vì trọng lượng cố định và tải được chia đều cho cả sáu bánh dẫn động
- Với kết cấu chân sau có bánh gắn động cơ dẫn động, điều này làm giảm khả năng
tải tác dụng lên các bánh còn lại và tăng động lực đẩy hệ thống khi robot vượt qua
chướng ngại vật.
- Khi robot thực hiện chuyển động xoay tròn và rẽ, kết hợp với chân trước tạo thành
thế cân bằng nhất giúp robot quay vòng nhẹ nhàng và nhanh chóng vì tải được chia
đều.
1.5 Tính toán chiều cao vật cản tối đa rô bốt có thể vượt qua được
Ta nhận thấy rằng chiều cao của vật cản mà rô bốt có thê vượt qua được phải thoả
mãn hệ thức:
Hcản ≤ min [Max(H ct ), max(H hbh )]

(2.28)

Trong đó:
Hcản

: Chiều cao vật cản robot cần vượt qua

Hct

: Chiều cao vật cản chân trước có thể vượt qua

Hhbh

: Chiều cao vật cản chân bên ( cơ cấu hình bình hành) có thể vượt qua.

Từ bất phương trình (2.28) ta rút ra. Robot có thể vượt qua vật cản có chiều cao tối
đa:
Hcản max = min [Max(H ct ), max(H hbh )]

(2.29)
1.5.1 Chiều cao lớn nhất của vật cản mà chân trước rô bốt có thể vượt qua

Ta thấy rằng độ cao mà bánh trước có thể nâng lên được phụ thuộc vào giá trị
chiềucao cố định ban đầu của rô bốt và giá trị góc ∆. Như vậy do khi thiết kế và chế
tạo thì chiều cao từ mặt đất tới khớp quay dưới của chân trước với thân là hoàn toàn
cố định. Do đó chiều cao tối đa của vật cản mà chân trước có thể vượt qua hay
khoảng cách nâng lên của chân trước phụ thuộc vào giá trị ∆.

21


ξmin

H2

h
H1

c
Th©n r« bèt

∆max

c
ξmax

∆min

X

H0

h
B¸nh ch©n tr−íc

R

Hình 1.18 Sơ đồ tính độ nâng lên của bánh trước khi leo qua vật cản
Khi bánh trước rô bốt vượt qua vật cản thì giá trị góc ∆ thay đổi từ (∆min tới ∆max )
ngược lại giá trị ξ(∆) lại thay đổi từ (ξmax tới ξmin)
Chiều cao điểm dưới cùng bánh trước vượt qua được tính bằng công thức sau:
Hct = H0 + H1 - H2

(2.30)

Trong đó:
Hct

: là giá trị cần xác định

H0

: là giá trị đã biết phụ thuộc vào kích thước thiết kế ban đầu của robot

H1 = c.sin(∆) với ∆ = [∆min, ∆max ]

(2.31)

-> H1max = c.sin(∆max)
H2 = h.sin(ξ) + R với ξ = [ξmax, ξmin]
-> H2min = h.sin(ξmin) + R

(2.32)

Với R: bán kính bánh chân trước.
Kết hợp các công thức (2.30), (2.31), (2.32) với các công thức (2.24), (2.25), (2.26)
ở phần trên ta xác định được chính xác chiều cao tối đa vật cản mà bánh trước có
thể vượt qua được là:
Hctmax = H0 + c.sin(∆max) - h.sin(ξmin) – R
với

ξ(∆) = ∆ - ψ(∆)

22


Do đó:
H ct max = H 0 + c. sin( ∆ max ) − h sin ....
⎧⎪
⎡
c − b cos{α (∆ max )}
b 2 + c 2 − 2.b.c. cos{α (∆ max )} + d 2 + e 2 ⎤ ⎫⎪
⎥⎬ − R
...⎨∆ max − a. cos ⎢
+
2.d . b 2 + c 2 − 2.b.c. cos{α (∆ max )} ⎥⎦ ⎪

⎢⎣ b 2 + c 2 − 2.b.c. cos{α (∆ max )
⎪⎩
⎭

Với giá trị chế tạo thực tế của robot có:
Góc ∆ thay đổi từ 300 Æ 700, góc φ = 00.
Kích thước dài các khâu thuộc chân trước Robot (Đơn vị đo [mm]):
e = 190; c = 210; b = 65; d = 80; h = 355; R = 50; H0 = 150.
Thay các giá trị kích thước dài và góc vào phương trình (2.33) ta đươc chiều cao
tối đa mà chân trước có thể leo qua là:

(2.34)

H ct max ≈ 19,5 (mm)

Theo (2.34) thì giá trị lớn nhất chiều cao vật cản theo tính toán bánh chân trước có
thể vượt qua là 19,8. Tuy nhiên trên thực tế nếu động cơ có công suất đủ lớn thì
bánh trước hoàn toàn có thể vượt qua chiều cao vật cản một khoảng ≤ R .
Tức là

Hct max lý tưởng = H ct max + R − δ

(2.34b)

Như vậy giá trị Hct max lý tưởng ≈ 24 (mm).
Tại vì: Nếu điểm cao nhất của vật cản tiếp xúc với bánh trước robot tại điểm thấp
hơn tâm bánh một khoảng (δ) (đủ lớn) thì dưới tác dụng của quán tính và mômen
động cơ sinh ra kết hợp với lực đẩy của 5 động cơ dẫn động bánh phía sau hoàn
toàn có thể đẩy cả bánh chân trước vượt qua vật cản.
1.5.2 Chiều cao lớn nhất của vật cản mà 2 bánh giữa (cơ cấu hbh) có thể vượt

qua

23


m

p

Hn

n

θ

R

Hhbh

H

µ

Hình 1.19 Kết cấu hình bình hành trên nền phẳng và khi vượt vật cản
Công thức tính chiều cao vật vản mà cơ cấu chân bánh hình bình hành vượt qua là:

π

H hbh = H − P − R = m[cosφ + sin( µ − )] = 2.m. cosφ
2

(2.35)

Do : φ + µ = 180 0
Với kích thước thiết kế: m = 150 mm; n = 80 mm; p = 150 mm; R = 50 mm; φ ≈ 30 0
Góc φ bé nhất cơ cấu hình bình hành nhấc lên mà các khớp vẫn không bị kẹt
Thay các giá trị vào công thức (2.35) ta rút ra giá trị chiều cao vật cản lớn nhất cơ
cấu bánh hình bình hành vượt qua được.
HhbhMax = 2.150.cos(300) ≈ 26 (mm)

(2.36)

Giải thích tương tự (2.34b) thì trong trường hợp lý tưởng cơ cấu bánh hình bình
hành có thể vượt qua vật cản có chiều cao:
HhbhMax lý tưởng ≈ 31 (mm)

(2.36b)

Trở lại công thức (2.29)
Hcản max = min [Max(H ct ), max(H hbh ]
Do đó kêt hợp công thức (2.29) và các giá trị tính dược tại (2.34) và (2.36) trong
điều kiện bình thường:
Hcản max = min(18; 23) = 18 (mm)
Vậy trong điều kiện bình hiện Robot Shrimp có thể dễ dàng vượt qua vật cản thẳng
đứng (bậc cầu thang) có chiều chiều cao tối đa là 18 mm

24