Thiết kế chế tạo robot dạng người hỗ trợ điều khiển giao thông và cảnh báo ở công trường xây dựng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.97 MB, 107 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
……………………………..
TƯỞNG PHƯỚC THỌ
THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI HỖ
TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG VÀ CẢNH BÁO Ở
CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2010
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :……………………………………………….………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1:……………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2 :……………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày……tháng……năm……
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng :……………………………………………….
2. Thư ký :…………………………………………………………..
3. Ủy viên :………………………………………………………….
4. Ủy viên :………………………………………………………….
5. Ủy viên :………………………………………………………….
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Bộ mơn quản lý chuyên ngành
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2010.
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Tưởng Phước Thọ
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 02/07/1982
Nơi sinh: Bến Tre
Chun ngành: Cơng nghệ chế tạo máy
Khóa: 2008
I-TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIAO
THÔNG VÀ CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG
II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
¾ Thiết kế và chế tạo phần cơ khí
¾ Phân tích động học và động lực học robot
¾ Tạo quỹ đạo và điều khiển chuyển động cánh tay robot
¾ Thiết kế và thi cơng hệ thống cảm biến, camera của robot
¾ Thiết kế và thi cơng hệ thống điện của robot
¾ Xây dựng lưu đồ giải thuật và thuật toán xác định động tác robot và điều khiển.
III-NGÀY GIAO NHIỆM
VỤ:…………………………………………………….
IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM
VỤ:…………………………………………
V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. Nguyễn Ngọc Phương
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH
TS. Nguyễn Ngọc Phương
LỜI CÁM ƠN
Qua thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, Luận văn đã được hoàn
thành đúng thời hạn. Để có được thành quả đó, ngồi sự nỗ lực tìm tịi, nghiên cứu
của học viên thực hiện đề tài, cịn là sự giúp đỡ tận tình của q thầy cô, các anh
chị đi trước, các bạn cùng lớp và gia đình. Học viên thực hiện đề tài xin gửi lời tri
ân đến:
Thầy Nguyễn Ngọc Phương, giáo viên hướng dẫn, đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Thầy Nguyễn Trường Thịnh, Khoa Cơ Khí trường Đại học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP. Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, góp ý tận tình trong khi thực hiện đề tài.
Học viên thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn q thầy cơ Khoa Cơ Khí
trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp ý kiến q báu
cho luận văn được hồn tất đúng thời hạn.
Qua đây, học viên thực hiện đề tài xin gởi lời tri ân đến gia đình, q thầy
cơ đã giảng dạy trong suốt khóa học cao học chuyên ngành Cơng nghệ chế tạo
máy, các anh chị phịng đào tạo sau đại học, các bạn cũng lớp và bạn bè xa gần đã
quan tâm, chia sẻ và động viên.
Cuối cùng, trong quá trình thực hiện đề tài, học viên có tham khảo, sử dụng
tài liệu của các quý thầy cơ trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, truờng
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, và của các tác giả khác, qua đây học
viên thực hiện đề tài xin gửi lời tri ân sâu sắc.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày…….tháng……năm 2010
Học viên
Tưởng Phước Thọ
TĨM TẮT
Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu, thiết kế chế tạo Robot có thể cử
động và thực hiện động tác linh hoạt tương tự như con người. Robot có khả năng
thu nhận hình ảnh bằng Camera, xử lý, xuất tín hiệu điều khiển để hỗ trợ điều
khiển giao thông hay cảnh báo giao thông, phù hợp với sự kiện giao thông thực tại
với sự ứng dụng những thành tựu của công nghệ Xử lý ảnh. Luận văn bao gồm :
Chương 1:
Trình bày tổng quan về robot dạng người và tình hình giao thơng ở Việt
Nam, các giải pháp cải thiện vấn đề giao thơng.
Chương 2:
Trình bày về thiết kế và chế tạo phần cơ khí của robot.
Chương 3:
Trình bày về thuật tốn tạo quỹ đạo cánh tay robot.
Chương 4:
Trình bày phần cảm biến và phần mềm xử lý tính hiệu từ camera.
Chương 5:
Trình bày phần mạch điện điều khiển và giải thuật điều khiển robot.
Chương 6:
Ứng dụng logic mờ để xác định động tác robot .
Chương 7:
Trình bày phần kết quả đạt được, các mặc hạn chế và hướng phát triển của
đề tài.
MỤC LỤC
Chương I. TỔNG QUAN.............................................................................................. 1
1.1 Tổng quan về Robot dạng người và tình hình giao thơng ở Việt Nam ................. 1
1.1.1 Tình hình giao thơng tại thành phố Hồ chí Minh ........................................... 1
1.1.2 Các giải pháp cải thiện tình hình giao thơng................................................... 3
1.1.3 Tổng quan về robot và robot dạng người........................................................ 4
1.1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ................................................................... 8
1.1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................................... 9
Chương II. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ CỦA ROBOT................ 10
2.1 Thiết kế sơ bộ và mơ hình hóa robot ................................................................... 10
2.2 Thiết kế cơ khí ..................................................................................................... 12
2.2.1 Yêu cầu của phần cơ khí Robot.................................................................. 12
2.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động ................................................................... 13
2.2.3 Các bộ phận của Robot............................................................................. 15
2.2.3.1 Cánh tay .............................................................................................. 15
2.2.3.2 Thân robot .......................................................................................... 17
2.2.3.3 Chân robot........................................................................................... 17
2.2.3.4 Hộp đế ................................................................................................. 18
2.3 Tính tốn và thiết kế cơ cấu truyền động .......................................................... 19
2.3.1 Tính tốn bộ truyền bánh răng cho robot ................................................... 19
2.3.2 Chọn công suất động cơ cho các khâu......................................................... 20
2.3.3 Mô phỏng Động học và Động lực học ....................................................... 21
2.4 Phân tích động học vị trí robot ........................................................................... 23
2.4.1 Bài tốn động học vị trí của Robot .............................................................. 24
2.4.2 Bài toán động học thuận của Robot............................................................. 26
2.4.3 Bài toán động học nghịch của Robot........................................................... 27
2.5 Bài toán động học vận tốc của Robot .................................................................. 28
2.6 Động lực học – Phân tích lực cánh tay robot ...................................................... 30
Chương III. TẠO QUỸ ĐẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH
TAY ROBOT.............................................................................................................. 33
3.1 Lập đường đi thông qua quỹ đạo ........................................................................ 33
3.2 Các phương pháp tạo quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot ......................... 34
3.3 Lập quỹ đạo không gian khớp ............................................................................. 37
3.3.1 Lập quỹ đạo là đa thức bậc 3 ....................................................................... 37
3.3.2 Lập quỹ đạo đa thức bậc 5........................................................................... 38
3.3.3 Các đoạn thẳng với các đoạn cong dạng Parabol ........................................ 38
Chương IV. HỆ THỐNG CẢM BIẾN ...................................................................... 41
4.1 Hệ thống cảm biến .............................................................................................. 41
4.1.1 Khái quát về Camera .................................................................................. 41
4.1.2 Yêu cầu đặc tính của Camera ..................................................................... 42
4.1.3 Card thu hình .............................................................................................. 43
4.2 Xử lý ảnh với phần mềm Matlab ........................................................................ 44
4.2.1 Giới thiệu về hệ thống xứ lý ảnh ................................................................ 44
4.2.2 Cơng cụ thu thập hình ảnh (Image Acquisition Toolbox) .......................... 44
4.2.3 Image Processing Toolbox ......................................................................... 45
4.2.4 Phân tích giải thuật ..................................................................................... 45
4.2.4.1 Tổng quan ........................................................................................... 45
4.2.4.2 Phân tích giải thuật............................................................................. 46
4.2.4.3 Lắp đặt hệ thống camera trên đèn giao thông .................................... 51
4.2.4.4 Giao diện Matlab................................................................................. 54
4.2.4.5 Kết quả ............................................................................................... 55
4.3 Encoder số ........................................................................................................... 56
Chương V: HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA ROBOT......................................................... 57
5.1 Các khái niệm cơ bản ......................................................................................... 57
5.1.1 Sơ lược về họ vi điều khiển PIC ................................................................. 57
5.1.2 Chuẩn RS232 .............................................................................................. 58
5.1.3 Chuẩn I2C.................................................................................................... 58
5.1.4 Thuật điều khiển PID và việc rời rạc hóa ................................................... 59
5.1.5 Giải thuật lập trình ....................................................................................... 61
5.2 Cách điều chỉnh các hệ số................................................................................. 62
5.2.1 Động cơ điện một chiều DC ........................................................................ 63
5.2.2 Điều biến độ rộng xung – Pulse Width Modulation - PWM ...................... 64
5.2.3 Động cơ servo và động cơ servo R/C (radio controlled) ........................... 65
5.3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển ........................................................................ 66
5.4 Cấu trúc của bộ điều khiển chuyển động của khớp ............................................. 67
5.5 Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot ............................................................... 67
5.5.1 Bộ điều khiển chính ..................................................................................... 67
5.5.2 Drive điều khiển động cơ ........................................................................... 68
5.5.3 Mạch điều khiển động cơ RC_SERVO ....................................................... 69
5.5.4 Nguồn cung cấp năng lượng ....................................................................... 69
5.6 Lập trình điều khiển............................................................................................. 70
5.6.1 Ngơn ngữ lập trình CCS .............................................................................. 70
5.6.2 Giải thuật điều khiển.................................................................................... 70
5.6.3 Giải thuật giao diện gười dùng .................................................................... 72
Chương VI: BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ XÁC ĐỊNH ĐỘNG TÁC ROBOT VÀ
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ...................................................................................... 73
6.1 Khái niệm về logic mờ ........................................................................................ 73
6.2 Ứng dụng logic mờ trong việc xác định động tác robot...................................... 73
6.2.1 Mờ hoá giá trị vào (input)............................................................................ 74
6.2.2 Mờ hoá giá trị ra (output) ............................................................................ 75
6.2.3 Quy luật điều khiển mờ ............................................................................... 75
6.2.4 Lập trình mờ trong phần mềm Matlab......................................................... 79
6.2.5 Kết quả sử dụng bộ điều khiển mờ trong xác định động tác ....................... 79
Chương VII. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................... 81
7.1 Kết quả đạt được.................................................................................................. 81
7.2 Kết quả thực nghiệm............................................................................................ 81
7.2.1 Phát hiện, đếm đối tượng tham gia giao thơng và xuất tín hiểu điều
khiển robot sử dụng phần mềm Matlab ................................................................ 81
7.2.2 Thiết kế robot phần cơ khí.......................................................................... 81
7.2.3 Thiết kế phần điện của robot ...................................................................... 82
7.3 Nhận xét – Phân tích ........................................................................................... 83
7.3.1 Về chương trình Matlab............................................................................... 83
7.3.2 Về phần cơ khí của robot............................................................................. 83
7.3.3 Về phần điện của robot ................................................................................ 84
7.4 Kết luận................................................................................................................ 86
7.5 Hướng phát triển nghiên cứu ............................................................................... 86
Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... 87
PHỤ LỤC..................................................................................................................... 89
I. Phục lục Hiệu lệnh điều khiển giao thông ............................................................. 89
II. Phục lục phiếu điều tra xã hội .............................................................................. 90
2.1 Phiếu Thăm Dò Ý Kiến Người Tham Gia Giao Thông.................................. 90
2.2 Phiếu Thăm Dị Ý Kiến Cơng Ty Xây Dựng Cơng Trình Giao Thơng ......... 91
2.3 Phiếu Thăm Dị Ý Kiến Cơng Nhân Làm Nhiệm Vụ Gác Đường ................ 92
2.4 Phiếu Thăm Dò Ý Cảnh Sát Giao Thơng ...................................................... 93
2.5 Phiếu thăm dị ý kiến Người Đại Diện Sở Giao Thông................................. 93
III. Phụ lục các sơ đồ mạch in của mạch điều khiển ................................................. 94
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên:
Ngày sinh:
Địa chỉ liên lạc:
Điện thoại:
Email:
TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Phái: Nam
02/7/1982
Nơi sinh: Bến Tre
31/1, Đường 18, P. Long Thạnh Mỹ, Q.9, TP. HCM
0909160264
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
2001-2006: Sinh viên khoa cơ khí chế tạo máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
thành phố Hồ Chí Minh.
2008-2010: Học viên cao học chuyên ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy trường Đại
học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.
Q TRÌNH CƠNG TÁC
2006-2007: Công tác tại Công ty TNHH Mạnh Đức
2007-đến nay: Công tác tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí
Minh.
LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay, vấn đề giao thơng tại các thành phố lớn ở nước ta đang rất được
quan tâm, thiệt hại do ùn tắc giao thông gây ra là rất lớn. Sự tăng trưởng kinh tế,
tốc độ đô thị hóa nhanh chóng đã tăng sức ép rất lớn đến cơ sở hạ tầng đơ thị nói
chung và hạ tầng giao thơng vận tải nói riêng. Nạn kẹt xe, ách tắc giao thông
không chỉ gây nhiều thiệt hại về mặt kinh tế, phản ảnh xấu thực trạng văn minh
thành phố, mà còn là một trong những nguyên nhân làm tăng ô nhiễm môi trường
trầm trọng với khí, bụi, tiếng ồn… ảnh và hưởng rất lớn đến sức khoẻ, đời sống
của người dân. Thành phố hiện nay cũng đã đưa ra các giải pháp khắc phục tình
trạng kẹt xe như:
Giải pháp dài hạn: Mở rộng đường, xây cầu vượt, xây dựng hệ thống
Metro, bố trí các cụm cơng nghiệp, các cơ sở sản xuất ra ngoài trung tâm thành
phố…
Giải pháp ngắn hạn: Tăng cường phương tiện công cộng, thêm nhiều đèn
giao thông, camera, phân luồng, chia tuyến, hương án làm việc lệch giờ, lệch ca,
bố trí cảnh sát, dân quân tại các chốt giao thông.
Qua các giải pháp trên cho thấy, với tình hình giao thơng hiện nay ở TP
HCM nói riêng, chỉ có cảnh sát giao thơng và dân qn mới giải tỏa được tình
trạng kẹt xe, vì hiệu lệnh của cảnh sát giao thơng có tác động mạnh đến người
tham gia giao thơng hơn đèn tính hiệu hay bản chỉ dẫn. Nhưng do lực lượng cịn
thiếu và cơng việc rất cực nhọc, người điều phối giao thông phải luôn tiếp xúc với
khói bụi ơ nhiễm, mưa nắng,… từ đó ý tưởng có một robot hình dạng giống người
có thể thay thế hay hỗ trợ cảnh sát giao thôg, cũng như lực lượng dân quân để điều
phối giao thông, đã thúc đẩy sự ra đời của đề tài: “Thiết kế chế tạo Robot dạng
người thông minh hỗ trợ điều khiển giao thông ở giao lộ và cảnh báo giao thông ở
cơng trường xây dựng” với mục đích đưa ra một giải pháp có thể hỗ trợ giải quyết,
khắc phục và giảm nhẹ những thiệt hại của những vấn đề nêu trên.
Mặc dù tơi đã nỗ lực hết sức mình, cộng với sự nhiệt tình giúp đỡ của thầy
Nguyễn Ngọc Phương, song do hạn chế về kinh nghiệm cũng như về thời gian nên
luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Tơi ln mong nhận được những ý
kiến đóng góp tận tình của q thầy cơ và các bạn để phát triển hoàn thiện đề tài.
Luận văn cao học
Robot dạng người
THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI
HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG
VÀ CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG
Chương I:
TỔNG QUAN
]^
1.1 Tổng quan về Robot dạng người và tình hình giao thơng ở Việt Nam:
1.1.1 Tình hình giao thơng tại thành phố Hồ chí Minh
Trong xu thế đổi mới và hội nhập hiện nay, nền kinh tế nước ta đã khởi sắc và đang
phát triển nhanh chóng, nhiều đơ thị được mở rộng và đi vào chiều sâu, nhiều khu cơng
nghiệp được xây dựng.
(a)
(c)
(b)
(d)
Hình 1-1 : Tình trạng giao thơng phức tạp ở các đơ thị lớn (a) Cảnh sát giao thông đang
điều khiển giao thông tại giao lộ, (b) Công nhân đang làm làm nhiệm vụ gác đường tại
GVHD:
TS NGUYỄN
HVTH:
PHƯỚC
1 gần
xe trênPHƯƠNG
xa lộ Hà Nội, đoạn
ngã TƯỞNG
ba Cát Lái,
Q.2, THỌ
TP.HCM (báo
công trường,
(c) KẹtNGỌC
Tuổi Trẻ), (d) “Lô cốt” trên đường Hai Bà Trưng, Q.1, TP.HCM (báo Tuổi Trẻ)
Luận văn cao học
Robot dạng người
Sự tăng trưởng kinh tế, tốc độ đơ thị hóa nhanh chóng đã tăng sức ép rất lớn đến cơ sở
hạ tầng đơ thị nói chung và hạ tầng giao thơng vận tải nói riêng. Sự mất cân đối và thiếu tầm
nhìn trong chiến lược qui hoạch đô thị đã để lại những hậu quả vô cùng nghiêm trọng: các
khu công nghiệp lớn được đầu tư xây dựng cùng với các nhà máy sản xuất đã và đang hoạt
động nằm ngay trong lòng thành phố, kéo theo một số lượng lớn lực lượng lao động tham
gia giao thông trong thành phố mỗi ngày.
Những nguyên nhân kể trên đã làm phát sinh nhiều vấn đề về an tồn giao thơng, ùn tắc
tại các đơ thị, mất an tồn giao thơng đã và đang trở thành vấn đề nan giải. Nạn kẹt xe, ách
tắc giao thông không chỉ gây nhiều thiệt hại về mặt kinh tế, phản ảnh xấu thực trạng văn
minh thành phố, đáng lo ngại hơn cả, đó là một trong những nguyên nhân làm tăng ơ nhiễm
mơi trường trầm trọng với khí, bụi, tiếng ồn… ảnh và hưởng rất lớn đến sức khoẻ, đời sống
của người dân. Theo ông Trần Quang Phượng - giám đốc Sở Giao thơng cơng chính Tp.
HCM: “Số thiệt hại ước tính được do kẹt xe mỗi năm ở TP là 14.000 tỉ đồng.” Tất cả những
vấn nạn trên góp phần làm chậm sự phát triển kinh tế đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà
Nội, Tp. Hồ Chí Minh. [ ].
Hình 1-2 : Một người dân ra đường điều khiển giao thông khi không chịu nổi cảnh kẹt xe
trên đường Ba Tháng Hai, TP.HCM. Ảnh: HTD [].
Hơn nữa, đường xá ở Tp. Hồ Chí Minh hiện nay thực sự là một đại công trường đang
tiến hành thi công sửa chữa, nâng cấp, làm mới các cơng trình cấp thốt nước, mở rộng
đường giao thơng… Ở mỗi cơng trường như vậy phải cử từ một đến hai công nhân làm
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
2
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
nhiệm vụ cảnh báo giao thông, nếu đưa Robot làm nhiệm vụ cảnh báo ở những địa điểm này
thì sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí cho đơn vị thi cơng.
Theo Ban An tồn giao thơng TP.HCM, hiện tình trạng ùn tắc giao thơng hầu như chưa
cải thiện mà còn diễn ra càng trầm trọng hơn. Cụ thể, trong tháng 9 vừa qua đã xảy ra 11 vụ
kẹt xe kéo dài trên 30 phút, tăng ba vụ so với cùng kỳ 2008 và tăng ba vụ so với tháng 82009. Tổng hợp cả chín tháng đầu năm, TP đã xảy ra 50 vụ kẹt xe kéo dài trên 30 phút, tăng
16 vụ so với cùng kỳ 2008. Đặc biệt, các vụ ùn ứ xảy ra thường xun và trên diện rộng,
khơng cịn tập trung tại một số khu vực thuộc trung tâm TP. [www.phapluattp.vn]
1.1.2 Các giải pháp cải thiện tình hình giao thơng
Thành phố hiện nay cũng đã đưa ra các giải pháp khắc phục tình trạng kẹt xe bao
gồm hai giải pháp chính:
Giải pháp dài hạn
Mở rộng đường.
Xây cầu vượt.
Xây dựng hệ thống Metro.
Bố trí các cụm cơng nghiệp, các cơ sở sản xuất ra ngoài trung tâm thành phố.
…..
Giải pháp ngắn hạn:
Tăng cường phương tiện công cộng.
Thêm nhiều đèn giao thông ,camera.
Phân luồng ,chia tuyến.
Phương án làm việc lệch giờ, lệch ca.
Bố trí cảnh sát ,dân qn tại các chốt giao thơng.
Thực tế tại 1 số điểm nóng đã chứng minh chỉ có cảnh sát giao thơng mới giải quyết
được kẹt xe, nhưng vẫn cịn nhiều bất cập do:
Khơng túc trực được hết các khoảng thời xảy ra ách tắt.
Người điều phối giao thông không chịu được thời tiết nắng mưa.
Ơ nhiễm khơng khí, tiếng ồn... ảnh hưởng đến sức khỏe người điều phối giao thơng ...
Bí thư Thành ủy TPHCM Lê Thanh Hải nhận định giải pháp chống kẹt xe: Phương án
làm việc lệch giờ, lệch ca vẫn có khả năng thực hiện được.
Sắp tới, TPHCM khuyến khích và ưu tiên việc xây dựng trường học, bệnh viện ở các
vùng ven, đồng thời hạn chế tối đa xây dựng ở các quận trung tâm. Theo ý kiến của Giám
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
3
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Ông Lê Thanh Hải đưa ra lời giải đáp về kinh phí: Các nhà khoa học ước tính mỗi năm
TPHCM thiệt hại khoảng 14.000 tỷ đồng do kẹt xe, nay nếu tăng lực lượng giữ gìn trật tự
giao thơng lên để làm giảm kẹt xe mà tiêu tốn chưa tới 100 tỷ đồng (kinh phí TP tự lo, cịn
Trung ương chỉ cho biên chế) thì vẫn hiệu quả hơn rất nhiều.
Cùng với hàng loạt dự án như đại lộ Đông Tây, cầu và hầm Thủ Thiêm, cầu đường Phú
Mỹ, đường vành đai Tân Sơn Nhất-Bình Lợi, đồng chí Lê Thanh Hải tin tưởng các giải pháp
vừa tình thế vừa mang tính lâu dài sẽ giảm hẳn tình trạng kẹt xe ở TPHCM - một trong 40
TP được xếp loại đông dân nhất thế giới. Trước mắt trong năm 2008, TPHCM phấn đấu kéo
giảm tình trạng kẹt xe như ở thời điểm đầu năm 2007 và giảm 15%-20% các điểm ngập
nước. [Báo SGGP ngày 1/12]
Qua các giải pháp trên cho thấy, với tình hình giao thơng hiện nay ở TP HCM nói
riêng, chỉ có cảnh sát giao thơng và dân qn mới giải tỏa được tình trạng kẹt xe, vì hiệu
lệnh của cảnh sát giao thơng có tác động mạnh đến người tham gia giao thơng hơn đèn tính
hiệu hay bản chỉ dẫn. Nhưng do lực lượng cịn thiếu và cơng việc rất cực nhọc, người điều
phối giao thơng phải ln tiếp xúc với khói bụi ô nhiễm, mưa nắng,… từ đó ý tưởng có một
robot hình dạng giống người có thể thay thế hay hỗ trợ cảnh sát giao thông, cũng như lực
lượng dân quân để điều phối giao thông, đã thúc đẩy sự ra đời của đề tài: “Thiết kế chế tạo
Robot dạng người hỗ trợ điều khiển giao thông và cảnh báo giao ở cơng trường xây dựng”
với mục đích đưa ra một giải pháp có thể hỗ trợ giải quyết, khắc phục và giảm nhẹ những
thiệt hại của những vấn đề nêu trên.
1.1.3 Tổng quan về robot và robot dạng người
Khái niệm “robot” theo nghĩa chung thường được hiểu đồng nhất với khái niệm “tự
động hóa cơng nghiệp”. Điều này chỉ đúng một phần. Bởi vì, thứ nhất, robot chỉ là một
thành phần trong hệ thống tự động hóa; thứ hai, là tự thân việc trình bày, sự miêu tả robot
trong sinh hoạt xã hội ít nhiều được phóng đại (hình 1-3). Điều này cũng thật tự nhiên vì
thuật ngữ robot được sinh ra trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những
robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal
Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi
tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là cơng việc lao dịch.
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
4
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Hình 1-3: Robot R2D2 trong phim “Chiến tranh giữa các vì sao
Tuy nhiên, những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng
trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, tại Phịng Thí Nghiệm Quốc
Gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi (master-slave
manipulator) điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy
gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình.
Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có
thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng
General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển.
Người ta thường phân robot thành ba loại chính:
• Robot dạng người (Humanoid Robot) để chỉ những robot có hình dạng mơ phỏng
theo dáng người.
• Robot di động (Mobile robot) – là những robot có khả năng di chuyển được như
các loại xe tự hành, robot mô phỏng cơn trùng …
• Tay máy cơng nghiệp (Manipulator Robot): Là những robot được sử dụng rộng
rãi trong công nghiệp có dạng một cánh tay với một số bậc tự do để thực hiện
những tác vụ khác nhau.
Hiện nay trên thế giới, có nhiều nghiên cứu và chế tạo robot dạng người.
(TIMEasia.com) Một thế hệ robot mới ra đời ở Nhật Bản được gọi là kỹ thuật “i-Walk”
(hình 1-4). Những robot này thông minh hơn nhiều những robot thuộc thế hệ trước đó sử
dụng trong các nhà máy. Thế hệ robot thông minh này được thiết kế để sử dụng trong nhà và
trong văn phòng, và làm cho Nhật Bản chiếm lĩnh thị trường thế giới mặt hàng điện tử.
Robot mới nhất của hãng Honda Motor có thể đi bằng hai chân, vẫy tay, bật công tắc,
khiêu vũ, nướng bánh, và giúp tắm cho người lớn tuổi. Sản phẩm robot này tiêu biểu cho
một bước tiến lớn trong lĩnh vực robot, vì nó cho phép các nhà kỹ thuật có thể tạo ra những
di chuyển nhẹ nhàng, giống như người. Các nhà khoa học của hãng Honda cho biết trong
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
5
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Hình 1-4 – Robot dạng người ASIMO của Hãng Honda và Robot dạng người thể hiện
được cảm xúc trên khn mặt của phịng thí nghiệm Takanishi
Hình 1-5: Robot dạng người từ bản vẽ thiết kế ban đầu đến mẫu chế tạo của phịng thí
nghiệm robot – trường ĐH Carlos III Madrid – Tây Ban Nha.
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
6
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Hình 1-6: Robot trình diễn thời trang và robot tiếp tân
Hiện nay có nhiều nghiên cứu cho robot dạng người nhưng chủ yếu phục vụ giải trí,
giáo dục, quảng cáo,…như Asimo của Honda, Dualis của Nissan, robot trình diễn thời trang
và robot dạy học của Nhật,…
Hình 1-7: Robot Dualis của Nissan
1.1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
7
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Qua quá trình tìm hiểu, học viên thực hiện đề tài nhận thấy trên thế giới chưa có Robot
làm nhiệm vụ cảnh báo và điều khiển giao thơng. Hiện tại mới chỉ có những Robot thực hiện
những động tác tuần hoàn đơn giản để cảnh báo khu vực nguy hiểm đang được thi công
giống như biển báo giao thơng nhưng có tác động cao hơn đối với người đi đường như các
Robot ở Nhật Bản, Hàn Quốc.
Hình 1-8 là Robot điều khiển hướng đi tại một trạm thu phí ở Hàn Quốc, hai bàn tay
được thay thế bằng gậy phản quang để có thể chỉ hướng được cả ngày lẫn đêm, robot này chỉ
đứng cố định một vị trí và chỉ có hai cánh tay hoạt động một số động tác chỉ hướng.
Hình 1-8: Robot cảnh báo giao thông ở Hàn Quốc.
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
8
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Hinh 1-9 : Robot cảnh báo giao thơng ở Nhật bản
1.1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hình 1-10: Phần mềm đếm xe sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh của Đề tài cấp nhà nước Nghiên cứu
ứng dụng cơng nghệ Tự động hố trong quản lý điều hành giao thông đô thị.
Cho tới thời điểm hiện nay ở Việt Nam, mới chỉ có 2 đề tài nghiên cứu ứng dụng công
nghệ Xử Lý Ảnh vào quản lý điều hành giao thông: “Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ Tự
động hố trong quản lý điều hành giao thông đô thị” do các giáo viên bộ môn Điều khiển
học, Đại học GTVT thực hiện. PGS Lê Hùng Lân chủ trì đề tài. Và đề tài “Hệ thống viễn
thơng cảnh báo ùn tắc giao thông”. Đây là kết quả cơng trình nghiên cứu về hệ thống cảnh
báo ùn tắc giao thơng của nhóm các giảng viên ĐH Quốc tế - ĐH Quốc gia TP.HCM trong
suốt 7 năm qua. Hệ thống gồm: các cảm biến, thiết bị truyền nhận thông tin đặt tại các điểm
quan sát. Khi có tình trạng tắc nghẽn, hệ thống sẽ ghi nhận tình trạng và gửi về trung tâm
điều khiển (có thể do tự động hoặc cảnh sát giao thông điều khiển thiết bị cảnh báo).
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
9
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Chương 2:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ CỦA ROBOT
]^
2.1 Thiết kế sơ bộ và mơ hình hóa robot
Với mục tiêu thiết kế một robot có khả năng thay thế con người trong việc cảnh báo và
điều khiển giao thông, nên yêu cầu robot phải có hình dạng giống người để thực hiện các
động tác điều khiển, cảnh báo hướng đi,…
Mơ hình robot dạng người có kích thước tương ứng với người thật có chiều cao 1.75 m,
có thể hoạt động 2 tay với nhiều yêu cầu khác nhau và xoay cổ để có khả năng tạo các động
tác như người điều khiển các hoạt động giao thơng hay cảnh báo sự cố [1].
θ6
S
θ2
θ1
θ7
θ3
θ4
θ5
Hình 2-1: Cấu hình của robot mơ phỏng một số động tác cánh tay của người.
Bảng 2-1: Phân bố các bậc tự do trên các khớp
Khớp
Đầu
Vai
Cánh tay
Cẳng tay
Bàn tay
Chân
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
Bậc tự do
1
4
2
2
2
1
10
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Robot này có 12 bậc tự do (d.o.f) phân bố như sau: 10 bậc tự do ở 2 tay, mỗi tay tương
ứng có 5 bậc tự do, 1 bậc tự do ở cổ và 1 bậc tự do ở chân (bảng 2.1). Với 5 bậc tự do ở mỗi
cánh tay [2], robot có thể tạo nên các chuyển động phù hợp với các yêu cầu đề ra là robot có
thể bắt chước các động tác cảnh sát giao thông để cảnh báo và chỉ hướng các phương tiện
tham gia hoạt động giao thông. (Tham khảo các Hiệu lệnh điều khiển giao thông của cánh
sát – Phục lục [ I]).
Gear box
Gear box
Motor
Motor
Gear
Gear
Hình 2-2: Sơ đồ truyền động các khớp quay của robot TR1.
Bảng 2-2: Các thông số kỹ thật của robot
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
11
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Tổng Cao
quát Nặng
Số bậc tự do
Nguồn điện hoạt động
Tay Chiều rộng vai
Chiều dài cẳng tay
Chiều dài cánh tay
Chiều dài bàn tay
1.75 m
5 0 kg
12
220 V
0.45 m
0.25 m
0.25 m
0.15 m
Bảng 2- 3 Thông số kỹ thuật của các khớp
Biến Khớp
Góc quay
Vận tốc
Tỉ số truyền
khớp
giới hạn
( vịng/phút)
θ1
θ2
θ3
θ4
θ5
θ6
θ7
Vai
Cẳng tay
Xoay cẳng tay
Cánh tay
Bàn tay
Cổ
Xoay tồn thân
-35 ÷ 180
0÷150
0÷180
0÷150
-90÷90
-120÷120
-180÷180
12,5
10
10
10
10
10
10
1/120
1/120
1/120
1/120
1/120
1/100
1/100
Kiểu
truyền
Cơng suất
(W)
Bánh răng
Bánh răng
Bánh răng
Bánh răng
Bánh răng
Trực tiếp
Bánh răng
25
25
25
15
8
8
30
2.2 Thiết kế cơ khí
2.2.1 Yêu cầu của phần cơ khí Robot
Để điều khiển được phương tiện lưu thông Robot phải thực hiện được những động tác
cơ bản, giống như hiệu lệnh điều khiển của cảnh sát giao thông. Các động tác này rất phức
tạp và phải phối hợp nhịp nhàng giữa 2 tay, nên Robot phải có khả năng co, duỗi, gập các
khớp cổ tay, khuỷu tay, cánh tay và vai. Vì vậy cánh tay robot phải có ít nhất 5 bậc tự do.
Khi thực hiện động tác, người điều khiển phải kèm theo hướng nhìn về phía đối tượng nhận
lệnh nên Robot phải có khớp cổ xoay được quanh trục thẳng đứng [3][4].
Địa điểm đặt robot là các giao lộ Robot điều khiển cho cả 4 hướng lưu thơng nên Robot
phải có khả năng quay 360 độ quanh trục thẳng đứng. Như vậy, tổng cộng Robot phải có ít
nhất 12 bậc tự do để có thể thực hiện được các động tác hiệu lệnh điều khiển phương tiện
của cảnh sát giao thông.
Trước những yêu cầu trên, cùng với các thông số Nhân trắc học (Ergonomics) của con
người, Robot được thiết kế có hình dáng cân đối giống hình dáng con người, giữ được thăng
bằng khi thực hiện động tác và tạo được thiện cảm với người đi đường. Thông số của từng
bộ phận cơ thể robot được chọn như sau:
Chiều cao 1,75m
Chiều rộng vai 0.45m
Chiều dài cẳng tay 0.25m
Chiều dài bắp tay 0.25m.
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
12
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Chiều dài bàn tay 0.15m.
2.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động
Có nhiều cơ cấu truyền động đáp ứng được yêu cầu của đề tài. Nhưng với tiêu chí dễ
dàng trong chế tạo, đơn giản trong lắp ráp và sửa chữa. Mặt khác phải dựa trên điều kiện vật
chất và trình độ gia cơng thực tế. Do đó học viên thực hiện đề tài đã chọn cơ cấu truyền động
bánh răng để truyền động cho các khớp robot. Ngồi ra cịn sử dụng lị xo làm đối trọng cho
robot, giúp robot hoạt động nhẹ nhàng, giảm công suất động cơ.
Bộ truyền Bánh răng trụ [5]
Nguyên lý bộ truyền bánh răng trụ: thường dùng truyền chuyển động giữa hai trục
song song hoặc chéo nhau.
Bộ truyền bánh răng thường có hai phần chính (hình 2-3)
• Bánh răng dẫn 1 có đường kính d 1 , được lắp trên trục dẫn I , quay với số vòng quay
n 1 , có cơng suất P 1 , mơ men xoắn trên trục T 1 .
• Bánh răng dẫn 1 có đường kính d 2 , được lắp trên trục dẫn I , quay với số vòng quay
n 2 , có cơng suất P 2 , mơ men xoắn trên trục T 2 .
Trên bánh răng có các răng ,khi chuyển động các răng này ăn khớp với nhau tiếp xúc
nhau và đẩy nhau trên đường ăn khớp (hình 2-4)
Hình 2-3: Bánh răng trụ răng thẳng
Hình 2-4: Nguyên lý ăn khớp trong bộ
truyền bánh răng
Nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng có thể tóm tắt như sau:
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
13
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
Luận văn cao học
Robot dạng người
Trục I quay với số vịng quay n 1 , thơng qua mối lắp làm cho bánh răng 1 quay . Răng
của bánh 1 ăn khớp với bánh 2, đẩy bánh răng 2 chuyển động làm bánh răng 2 quay với số
vịng n 2 .
Hình 2-5: Lực trong bộ truyền bánh
răng trụ răng thẳng
Hình 2-6: Lực tác dụng lên mặt Bánh
răng trụ răng thẳng
Truyền chuyển động bằng ăn khớp nên bộ truyền bánh răng hầu như khơng có trượt
(chỉ có trượt biên dạng ở phần đỉnh răng và chân răng). Vì vậy hiệu suất của bộ truyền là rất
cao.
Răng của bánh răng có biên dạng như hình 2-7 và 2-8
Biên dạng
Hình 2-7: Răng bánh răng
Hình 2-8: Kết cấu bánh răng trụ răng thẳng
Ưu điểm Bộ truyền bánh răng:
- Bộ truyền bánh răng có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành không cao. Có kích
thước nhỏ gọn, tiện sử dụng.
- Bộ truyền có khả năng tải cao, độ tin cậy cao, ít gây tiếng ồn.
- Truyền động chính xác.
Nhược điểm Bộ truyền bánh răng:
- Cần phải gia cơng chính xác biên dạng răng.
- Gia công và lắp ráp 2 bánh răng phải chính xác thì mới ăn khớp được.
GVHD: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
14
HVTH: TƯỞNG PHƯỚC THỌ
