Tài liệu Cam bien trong robot (sensor Robot) pdf

Lớp cơ điện tử 2-K47
Cảm biến trong robot
1.Định nghĩa cảm biến
Cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và
đáp ứng lại với những kích thích và các tín hiệu .Đây là thiết bị vô cùng
quan trọng để robot có thể nhận biết được chính mình và thế giới bên
ngoài .Chúng ta phải cần nghiên cứu rõ hơn về vấn đề này ,để giúp cho robot
trở lên càng ngày thông minh hơn.
Qua hai sơ đồ sau ta có thể hình dùng sơ lược về bộ cảm biến :
x y
kích thích đáp ứng
Mô hình mạch của bộ cảm biến
Hệ thống điều khiển tự động quá trình
2.Tìm hiểu một số bộ cảm biến thường sử dụng trong robot
Nhóm : NNT-DR
1
Bộ cảm biến
Quá trình
(các biến trạng thái)
Cơ cấu
chấp hành
Bộ cảm
biến
Chương trình
Bộ vi xử lý
Lớp cơ điện tử 2-K47
 Cảm biến nhìn toạ độ chuyển động robot sủ dụng công
nghệ nhận dạng ảnh.
Di Chuyển rất nhỏ của tay máy có thể được điều khiển bằng kỹ thuật
mới với hai mạch phản hồi dễ giảm độ lớn sai lệch vị trí.
Sai lệch cỡ centimet là hiệu số vị trí thực hiện trên một tay và vị trí đo và

tính trên tay khác .Sai số này tăng từ nguồn của bộ chấp hành và cảm
biến và mô hình động học sử dụng trong tính toán điều khiển.So với
phương pháp sản xuất hiện nay việc điều khiển chuyển động của robot
với phản hồi bằng mắt,phương pháp mới không đòi hỏi chỉnh định không
gian làm việc cũng không sử dụng toạ độ chuẩn tuyệt đối để tính toán
biến đổi giữa không gian làm việc và các toạ độ khớp nối robot.
Hệ thống nhìn của robot gồm có 5 camera: 3 camera cố định cung cấp
góc nhìn của không gian làm việc và 2 camera lắp trên cổ tay để nhìn cận
cảnh .Hệ thống nhìn có khả năng nhận biết đối tượng cần nhìn và thao
tác,phát dữ liệu toạ độ của đối tượng cảm nhận ở vị trí tầm nhìn.
Phương pháp nhìn mới này có thể được thực hiện theo hai bước:
1. Camera cận cảnh trên cổ tay robot ban đầu được điều khiển để nhìn
đối tượng trong phạm vi hẹp.Bộ cảm nhận cuối được điều khiển để
di chuyển tới vị trí bình thường gần đối tượng và trong thì
trường.Nói chung cơ cấu chấp hành dừng ở vị trí gần đó, vị trí này
do camera đo,sau đó sai số vị trí đo được sử dụng để tính đến sai số
nhỏ về vị trí đo được và chuyển động tương đối nhỏ,có thể điều
chỉnh một cách chính xác.
2. Ánh xạ trực tiếp gần đúng giữa các toạ độ nhìn và toạ độ khớp nối
cơ cấu chấp hành có thể được thiết kế không qua chuyển đổi trung
gian và từ các toạ độ tuyệt đối.
Thực ra điều này có nghĩa là việc định chuẩn đòi hỏỉ ít điểm hơn việc
định chuẩn thông thường trong toạ độ tương đối .Việc định chuẩn được
tiến hành bằng việc đo vị trí của đối tượng (trong toạ độ thị trường) khi
đối tượng được giữ cứng bằng cơ cấu thao tác ở vị trí điều khiển (trong
tọa độ khớp nối của cơ cấu thao tác) và khi các camera được đặt tại các
vị trí điều khiển khác nhau .Tiếp theo sec nội suy và ngoại suy đến các
vị trí chuẩn được thực hiện bằng cách sử dụng các biến đôi động học
phi tuyến
 Cảm biến cáp sợi quang đo vị trí và di chuyển

Đây là loại cảm biến rẻ tiền và được áp dụng vào những năm 60 để đo
vị trí ,khoảng cách và di chuyển .
Cảm biến gồm khoảng 900 sợi quang ghép trong cùng một sợi cáp kèm
theo một sợi kim loại ở giữa để đảm bảo độ cứng mong muốn
Nhóm : NNT-DR
2
Lớp cơ điện tử 2-K47
Nguồn
Phát hiện
Vật
Cảm biến vị trí dùng 2 sợi quang
Ánh sáng tới Ánh sáng trở về
Mục tiêu
 Cảm biến vận tốc và gia tốc
Để đo tốc độ động cơ ta sử dụng những phương pháp sau đây:
-Sử dụng máy phát tốc
- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá
-Sử dụng máy đo góc tuyệt đối
-Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà
không cần dùng bộ cảm biến tốc độ
Hiện nay ta thường chúng ta thường sử dụng phương pháp dùng bộ cảm biến
tốc độ với đĩa mã hoá và xác định gián tiếp
 Cảm biến lực
Các phương pháp cảm biến lực có thể thực hiện bằng cách:
Nhóm : NNT-DR
3
Lớp cơ điện tử 2-K47
- Cân bằng một lực chưa biết với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng
và momen tổng cộng chúng bằng không
- Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định lực

- Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ
- Biến đổi lực thàp áp suất chất lỏng và đo áp suất này
- Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực.
Trong đó để đo đươc lực ta thường dùng phương pháp gián tiếp.
Ví dụ bộ cảm biến lực được chế tạo bằng cách phối hợp bộ cảm biến vị trí
và bộ cảm biến đổi lực thành di chuyển.Như Bộ cảm biến lực sử dụng cuộn
dây ví sai,Bộ cảm biến lực thạch anh,Bộ cảm biến lực thành áp điện
Ở đây em xin giới thiệu các bước thiết kế sensor cho robot được download
từ trên mạng về với nguyên bản tiếng anh .
Em xin dịch lại như sau:
1.Thiết kế Sensor:
Robot nếu không cảm biến thì nó chỉ như chỉ là cái máy .Những robot cần
phải có Sensor để có thể giải quyết những chuyện xẩy ra thế giới bên ngoài
và phản hồi lại những thay đổi trạng thái .Trong chương này chúng tôi giới
thiệu nhiều loại cảm biến và giải thích những tính điện của chúng sử dụng và
thực hành ứng dụng chúng.Những Sensor xuất hiện ở đây không diễn tả toàn
bộ ,nhưng nó chỉ đơn thuần định hướng cho chúng ta .
2.Sensor như máy biến đổi vạn năng
Chức năng cơ bản của Sensor là đo lường các nét đặc trưng của thế giới,như
ánh sáng ,âm thanh,hoặc áp suất và chuyển đổi thành các tín hiệu điện
,thường là điện áp hoặc dòng điện.Những kiểu mà Sensor đáp ứng lại những
kích thích thích là thay đổi điện trở của chúng (như Tế bào quang điện),thay
đổi dòng điện (Cảm biến quang),hoặc thay đổi điện áp ra (Cảm biến hồng
ngoại).Những nguồn điện ra của những Sensor có thể dễ dàng chuyển thành
những điện khác đặc trưng .
3.Sensor liên tục và số :
Có hai kiểu Sensor cơ bản :liên tục và số .Hầu hết hai loại này khác nhau về
chức năng,ứng dụng ,và cách sử dụng chúng vơi bo mạch của robot .Tín
hiệu của Sensor liên tục là một dãy số đo liên tục ở đầu ra.Ví dụ ,đặc thù của
một tế bào quang điện là có một điện trở 1k ohm màu sáng ,và một điện trở

300k ohm màu đen .Còn những giá trị nằm giữa hai khoảng đó thì phụ thuộc
mức ánh sáng chiếu lên.Cảm biến số ,theo một hướng khác,nó chỉ có hai
trạng thái,tắt và bật (“0” và “1”) .Ví dụ đơn giản nhất về Sensor là một cái
công tắc điện .Đặc thù cái công tắc điện là mạch hở (điện trở là vô cùng
lớn)khi công tắc không bật và mạch kín (điện trở bằng không) khi công tắc
bật.
Nhóm : NNT-DR
4
Lớp cơ điện tử 2-K47
Một vài Sensor tạo ra những tín hiệu số rất phức tạp.Những Sensor đó tạo ra
những dãy xung chuyển tiếp giữa hai trạng thái điện áp
0V và 5V.Với loại cảm biến này ,tần sô riêng và hình thù của dãy xung sẽ
mang thông tin từ cảm biến đo lường.Ví dụ cho loại cảm biến này như là
máy dò đầu nhọn dùng điều biến hồng ngoại.Với những Sensor thì trên thực
tế những thành phần đo được là những tín hiệu liên tục nhưng khi tín hiệu
đưa ra được xử lí thành những tín hiệu số .
4.Cảm biến vào trên bo mạch chủ của robot
Bo mạch chủ của robot bao gồm các cổng vào cho cả cảm biến số và liên tục
.Các cổng này rất nhạy cảm với điện áp ,mỗi kiểu sẽ nhận được sự khác
nhau từ điện áp vào và đưa thành dữ liệu để bộ vi xử lí sử lí.Cổng liên tục
đo điện áp và chuyển thành số từ 0 đến 255 ,tương ứng với mực điện áp 0V
và 5V .Chuyển thành tỉ lệ là vạch thẳng,như điện áp 2.5V có thể tạo ra giá trị
vào 127 hoặc 128 .Với cổng số ,thì bằng cách nào đó nó chuyển đổi thành
điện áp thành 2 giá trị ra là 0 và 1.Nếu điện áp trên cổng số có mức dưới
2.5V thì lúc ra sẽ là 0,Còn nếu lớn 2.5V thì sẽ là 1.Như vậy sự chuyển đổi
này không giống như một đường thẳng.
5.Đọc tín hiệu vào từ cảm biến.
Trong thư viện hàm của C có hàm analog(-#) sử dụng để trả lại giá trị
riêng của cổng cảm biến liên tục.Cho ví dụ,về IC
Val=analog(27)

Đây là bộ giá trị của biến val ở đầu ra của cổng #27
Tại đầu vào số của bo mạch robot có một điện trở biến đổi để kéo mức điện
áp đầu vào lúc nào cũng bằng 5V khi không kết nối .Khi đóng hoặc ấn công
tắc kết nối với một cổng số có thể làm thay đổi điện áp về 0V do làm nối
ngắn mạch về đất.Kết quả nhận được ở đầu ra là : mở =5V và đóng =0V,là
logic ngược mà chúng thường xuyên muốn.Điều đó là ta thường ưa thích sử
dụng cổng số mang giá trị 0 hoặc thường là sai và chuyển đổi về 1 hoặc
đúng khi cái công tắc bật cái gì đó (giống như tường hoặc con robot khác )
và khi ấn công tắc.Thư viện hàm IC digital(port -#) sử dụng để đọc giá trị
True-False kết hợp với cổng số nối với sensor để biến đổi ngược lại tín hiệu
đo lường nhận được trên một cổng số .Nghĩa là từ đây khi ta ấn công tắc (tức
là 0V trên phần cứng )thì hàm digital() sẽ trả lại giá trị 1 hoặc giá trị True
Ví dụ:
If(digital(2)) do _it();
trả lại giá trị True (hoặc 1 ) và gọi hàm do_it() nếu tại cổng 2 có giá trị 0V
(biểu thị đang ấn khoá)
Nhóm : NNT-DR
5
Lớp cơ điện tử 2-K47
6.Kết nối chốt chuẩn

Đặc điểm chung của cảm biến dây
Hình trên là hình dạng cái giắc cắm để kết nối với cảm biến với bo mạch
chủ của robot .Ta thấy cái giắc này là không đối xứng (do một chốt đã tháo
rời từ 4 chốt của phần đầu đực) Và là bởi vì nó phân cực.Cái giắc này chỉ
được ở trong bo mạch robot và theo một hướng ,vì vậy dây nối phải nối
đúng ,nó không thể nối đằng sau cổng nối sensor .Cái giắc cắm rất dễ sử
dụng đúng ,nhưng tất nhiên nếu nối sai dây thì bạn phải nối lại dây kể từ khi
giắc không thể xoay vòng .
Trên thực tế sensor được nối với 3 dây với giắc cắm .Hai dây được nối với

nguồn 5V với bo mạch chủ robot ,kí hiệu“+5và“Gnd”.Dây thứ 3 kí hiệu là
“signal” là điện áp ra của cảm biến.Nó là phần công việc của cảm biến có sử
dụng điện áp của bo mạch chủ (nếu cần thiết ) và nó trả lại “answer”, bằng
điện áp trên dây tín hiệu .
7.Mạch cảm biến .
Hình vẽ trên giới thiệu mạch kết nối với cảm biến .
Nhóm : NNT-DR
6
Lớp cơ điện tử 2-K47
Hình trên mô tả mạch kết hợp với sensor .Nó thuộc về bo mạch chủ của
robot và đây là mô hình chung cho các kênh nối với sensor .Ở đây ta cần chú
ý tới cái điện trở kéo nối từ sensor từ dây tín hiệu vào với nguồn 5V
Có hai lí do để ta sử dụng điện trở .Thứ nhất ,nó tạo ra giá trị mặc định cho
đầu vào của sensor --- giá trị khi đầu vào không có sensor .Một số ICs ,lắp
trên bo mạch chủ của robot nó đọc và dịch từ điện áp vào của sensor ,nó
không thực hiện tốt khi đầu vào ở phía bên trái không kết nối .Với mạch
trên thì khi không có kết nối thì điện trở kéo luôn nối với nguồn 5V nên đầu
vào của sensor là đường thẳng .Như vậy ,giá trị mặc định ở cổng liên tục là
255 ,Trong khi giá trị mặc định ở cổng số là 0 hoặc mức logic sai.(nhớ rằng
5V đầu vào )
Nhóm : NNT-DR
7
Lớp cơ điện tử 2-K47
Em xin giới thiệu một loại sensor bắt đường của robot ,thường dùng trong
thực tế
Cảm biến hồng ngoại gồm :đèn led (phát )và transistor thu
Nguyên lí chung : cường độ phát càng lớn thì dòng điện trên transistor càng
lớn. Theo sơ đồ trên thì điện rơi trên điện R trên mạch thu càng lớn khi R
tăng.
Ta thấy rằng nếu màu sắc khác nhau thì độ phản xạ khác nhau dẫn đến dòng

thu cũng khác nhau.
Nhóm : NNT-DR
8
Lớp cơ điện tử 2-K47

Đây là mạch cơ bản nhưng trong thực tế không dùng vì nhạy cảm với
nhiễu (ánh sáng tự nhiên ,ánh sáng đèn).
Thực tế dùng :mạch phát

Nhóm : NNT-DR
+5v
677.8mV
Q1
D61 3
3 .3 3 2V
§ièt ph¸t hång
ngo¹i
R7
5 .6k
R1 2
1 0k
D1
12
1 .661 V
R42
1 k
0
U1 0
5 5 5 B
1

2
34
5
6
7
8
GND
TR IGGER
OUTPU TRE SE T
CONTROL
TH RE SHOL D
DISCHA RGE
V CC
C3
1 0n
R6
5 .6k
R41
POT A
1 .661 V
C4
0.1 uf
9
Lớp cơ điện tử 2-K47
Mạch thu tín hiệu:
0
0
R26
1 k
R23

1 k
R27
1 0k
+5 v
0
R3 0
1 k
0
+5 v
0
R25
1 0k
+5 v
C1 0
1 uf
U1 3 D
L M3 24
1 2
1 3
41 1
1 4
+
-
V+V-
OUT
R3 1
1 k
0
+5 v
R28

1 0k
+5 v
R29
1 k
Q4
Q2S C829
D4
L E D
0
C1 1
4.7uf
U1 3 A
L M3 24
3
2
41 1
1
+
-
V+V-
OUT
0
R24
1 k
Nhóm : NNT-DR
10