silde báo cáo NGHIÊN cứu THIẾT kế, điều KHIỂN ROBOT rắn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa TPHCM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN

Sinh viên thực hiện: THÁI MAI THÀNH
Giáo viên hướng dẫn : TS. VÕ TƯỜNG QUÂN

8 tháng 1, 2016

1


Nội dung

1. Tổng quan

2. Lựa chọn phương án
3. Thiết kế cơ khí
4. Mô hình hóa
5. Thiết kế mạch điện
6. Thiết kế bộ điều khiển
7. Thực nghiệm
8. Kết luận
9. Tài liệu tham khảo


TỔNG QUAN

Hình 1. Anna Konda [1]

Hình 2. ACM R3 [1]

ROBOT RẮN

Hình 3. Robot Rắn Q2C

Hình 4. Robot Rắn Q2C_V2

3


MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

 Thiết kế robot rắn di chuyển bám quỹ đạo cho trước trên mặt phẳng.
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

 Tìm hiểu tổng quan về Robot Rắn.
 Nghiên cứu phân tích động học và động lực học của robot rắn 7 khớp di chuyển trên mặt phẳng.
 Thiết kế bộ điều khiển hướng/ bộ điều khiển bám quỹ đạo cho trước của Robot Rắn.
 Mô phỏng chuyển động của robot.

PHẠM VI ĐỀ TÀI

 Bỏ qua sai số do trượt của mô hình.
 Bỏ qua sai số kích thước của mô hình.
4


LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Tiêu chí thiết kế:






Robot Rắn có khả năng di chuyển trên mặt phẳng giống rắn thật.
Xác định chính xác giá trị góc của mỗi khớp hiện tại.
Chống trượt khi di chuyển.
Tại mỗi khớp có thể điều khiển moment.

Hình 5. Cơ cấu chấp hành [2]

Hình 6. Cơ cấu chống trượt [1]

Hình 7. Cơ cấu hồi tiếp giá trị góc của khớp tại mỗi thời
điểm [3]

5


TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Mục tiêu của thiết kế cơ khí



Thiết kế Robot Rắn gồm 8 khâu và 7 khớp dạng module giống nhau di chuyển trên
mặt phẳng.




Thiết kế cơ cấu chống trượt ngang cho thân robot.
Thiết kế cơ cấu truyền động cho mỗi khớp.

Hình 8. Tsukasa TG-47C-SG-300 [6]

Hình 10. Kết cấu của khớp nối

Hình 9. Bánh xe bị động Misumi [7]

6


PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC

 

(1)

 

Hình 11. Mô hình 8 khâu 7 khớp của robot

7


PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TỪNG KHÂU
Phương trình động lực học cân nhắc đến lực ràng buộc [4]:

 

Phương trình chuyển động được viết lại như
[4]:

 

 

(5)

8


KIỂM NGHIỆM TÍNH KHẢ THI

•
•
•

Đường màu xanh dương: Đỉnh đầu robot.
Đường màu xanh lục: Trọng tâm khâu 1.
Đường màu đỏ: Trọng tâm khâu 2.

Hình 12. Quỹ đạo của đỉnh đầu robot và trọng tâm của 2 khâu
 

Dạng moment để truyền vào mỗi khớp có dạng như sau: [5]
(6)

9


TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN

Mục tiêu thiết kế mạch điện:






Đọc tín hiệu tọa độ vị trí tức thời của robot bằng camera
Đọc giá trị góc tức thời của mỗi động cơ
Truyền giá trị moment để điều khiển 7 động cơ DC
Giao tiếp giữa máy tính thiết bị điều khiển cấp dưới.

10


BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA

Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển:




Áp dụng cho hệ phi tuyến.
Sai số vị trí sát lập dưới 10mm.

 

 

(7)

(8)

 

 

11


BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA

Đường 1: Đỉnh đầu robot.
Đường 2: Trọng tâm khâu 1.
Đường 3: Trọng tâm khâu 2.
Đường 4: Trọng tâm khâu 4.

 

Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu và

12


BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA

Đường 1: Đỉnh đầu robot.
Đường 2: Trọng tâm khâu 1.
Đường 3: Trọng tâm khâu 2.
Đường 4: Trọng tâm khâu 4.

 

Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu và .
13


BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA

 

Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu là đường tròn phương trình (x+4.5)^2 + y^2 = , = và =

14


ĐIỀU KHIỂN MOMENT Ở MỖI ĐỘNG CƠ

Hình 13. Bộ điều khiển moment dùng PWM

Hình 14. Kết quả thí nghiệm đo dòng bằng ACS72

15

ĐIỀU KHIỂN MOMENT Ở MỖI ĐỘNG CƠ

Hình 15. Mạch điều khiển dòng

16


THỰC NGHIỆM

Hình 16. Mô hình thực tế

17


KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Hình 17. Kết quả thực nghiệm bám đường thẳng y = 350 pixel

18


KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Hình 18. Kết quả thực nghiệm bám đường thẳng y = 350 pixel

19


THỰC NGHIỆM

Hình 19. Kết quả thực nghiệm chuyển hướng 20 độ

20


KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC










Nghiên cứu phân tích động học và động lực học của Robot Rắn 7 khớp di chuyển trên mặt phẳng có cân nhắc đến lực ràng buộc động học.
Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa cho hệ phi tuyến bám quỹ đạo cho trước của Robot Rắn.
Mô phỏng chuyển động của robot trên Matlab, đạt kết quả có thể di chuyển thẳng, chuyển hướng, đường cong và đường tròn với sai số dưới 10 mm.
Thiết kế và chế tạo mô hình Robot Rắn gồm 8 khâu, 7 khớp.
Xây dựng chương trình xử lý ảnh để xác định vị trí tọa độ đỉnh đầu robot.
Thực nghiệm điều khiển Robot Rắn bám quỹ đạo bằng phương trình động học.
Bài báo:
Mai Thanh Thai, Tuong Quan Vo, A New Approaches For Dynamic And Kinematic Modeling Of A Snake-like Robot, hội nghị Toàn Quốc Máy và Cơ Cấu NCOMM
2015, ngày 30/10/2015, Tp Hồ Chí Minh.



Mai Thanh Thai, Tuong Quan Vo, A Study On Trajectory Tracking Control Of A Snake-like Robot, hội nghị Toàn Quốc Máy và Cơ Cấu NCOMM 2015, ngày
30/10/2015, Tp Hồ Chí Minh.

21


HẠN CHẾ



Chưa có điều kiện thực nghiệm với mạch điều khiển moment động cơ DC.



Thực nghiệm bám quỹ đạo với đỉnh đầu robot chưa đạt sai số như mô phỏng.



Chưa thực hiện ứng dụng thời gian thực cho robot, giảm thời gian truyền nhận dữ liệu và xử lý thuật toán.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN



Xây dựng phương trình động học và động lực học cho Robot Rắn di chuyển trong không gian 3D.



Chế tạo mô hình Robot Rắn có thể vượt địa hình.



Tăng tốc độ xử lý camera để đáp ứng yêu cầu về tốc độ xử lý và giảm thời gian trễ.



Thực hiện ứng dụng thời gian thực để giảm thời gian trễ từ đầu ra bộ điều khiển đến tác động của động cơ bằng cách sử dụng các máy tính nhúng.

22


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Liljebäck, P., Pettersen, K.Y., Stavdahl, O., Gravdahl, J.T, “Snake Robots, Modelling, Mechatronics and Control”
[2] Ngày
truy cập: 10/11/2015
[3] Ngày
truy cập: 10/11/2015.
[4] R. Murray, Z. Li, and S. Sastry, A mathematical introduction to robotic manipulation. CRC, 1994.
[5] Tuong Quan Vo, Hyoung Seok Kim, Byung Ryong Lee (2009), Propulsive Velocity Optimization of 3-Joint Fish Robot Using Genetic-Hill
Climbing Algorithm, Journal of Bionic Engineering 6, pp.415-429.
[6] Tài liệu catalog động cơ của hãng Tsukasa.
[7] Ngày truy cập: 10/11/2015

23


CẢM ƠN SỰ LẮNG NGHE
CỦA QUÝ THẦY