Đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo Hexapod Robot (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo Hexapod Robot (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HEXAPOD ROBOT S K C 0 0 0 2 8 1 MÃ SỐ: SV 2010 - 72 S K C 0 0 2 7 7 5 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM  ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HEXAPOD ROBOT MÃ SỐ: SV 2010-72 THUỘC NHĨM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ : TRẦN MINH HÙNG NGƯỜI THAM GIA : TRẦN MINH HÙNG LÊ HỒNG DUY NGUYỄN MẠNH HIỂN ĐƠN VỊ : TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HCM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ─ 8/2010
3. TĨM TẮT ĐỀ TÀI Robot cĩ chân (Walking Robot) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, trong cơng tác kiểm tra, kiểm định, trong cơng nghiệp vũ trụ lẫn trong các ứng dụng phục vụ đời sống con người.Trong đĩ việc nghiên cứu Walking Robot cĩ một lợi thế đáng kể so với robot cĩ bánh ở chỗ chúng cĩ thể điều hướng qua nhiều địa hình khĩ khăn khác nhau và điều chỉnh sự ổn định để thích nghi với địa hình khác nhau. Hexapod Robot là một trong những loại Walking Robot, do đĩ nĩ cũng cĩ những đặc điểm của Walking Robot. Đề tài này hướng tới việc thiết kế một Hexapod robot cĩ thể di chuyển linh hoạt trên địa hình phức tạp.Với kết cấu mỗi chân robot 3 bậc tự do cĩ thể giúp robot chuyển động uyển chuyển, đầu robot cĩ gắn camera để xử lý và lưu lại hình ảnh những nơi robot đi qua đồng thời điều khiển để robot chọn được hướng đi thích hợp. ii
4. MỤC LỤC Trang bìa i Tĩm tắt đề tài ii Mục lục iii Danh mục hình vẽ iv Danh mục các bảng biểu v PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1 I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1 II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1 III. NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI 1 PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2 I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 2 II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 III. NỘI DUNG 2 1. Tổng quan 2 2. Thiết kế cơ khí 9 3. Thiết kế phần điện 13 4. Phân tích động học 15 5. Giải thuật và điều khiển chuyển động 18 IV. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 27 1. Tính khoa học 27 2. Khả năng ứng dụng vào thực tế 28 3. Hiệu quả kinh tế – xã hội 29 PHẦN 3: KẾT LUẬN 30 I. KẾT LUẬN 30 II. ĐỀ NGHỊ 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 iii
5. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Độ dự trữ ổn định 5 Hình 2 Robot Zephrus I nhìn từ phía trên xuống 6 Hình 3 Robot Genghis 7 Hình 4 Robot 6 chân điều khiển lực và cảm biến thành phần lực 8 Hình 5 Khớp ngồi 9 Hình 6 Khớp trong 9 Hình 7 Thân 10 Hình 8 Hình ảnh Robot vẽ mơ phỏng trên Autocad 10 Hình 9 RC servo ES08A 11 Hình 10 Phân tích động học Robot 15 Hình 11 Phân tích động học chân robot 15 Hình 12 Chuyển động tam giác thay đổi giữa các chân tạo nên cách di chuyển thẳng 19 Hình 13 Thân được đẩy lên phía trước khi Robot chuyển động trên đường thẳng 21 Hình 14 Cách sắp xếp các chân sao cho động năng và thế năng là hằng số 22 Hình 15 Chuyển động xoay của Robot 23 Hình 16 Sơ đồ bố trí các động cơ 25 Hình 17 Trạng thái nâng thân của Robot 25 Hình 18 Hexapod Robot sau khi hồn thành và nguồn Pin 28 Hình 19 Hexapod Robot sau khi hồn thành và mạch điều khiển 28 iv
6. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bảng DENAVIT-HARTENBERG 16 v
7. PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế chế tạo robot 6 chân với mỗi chân 3 bậc tự do để robot cĩ thể di chuyển linh hoạt trên mọi địa hình khác nhau. II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC Ở nước ta nghiên cứu robot ngày càng tạo được tiếng vang lớn trên thế giới. Trong vài năm đầu việc chế tạo robot chỉ dừng lại ở mức độ đồ chơi do những hạn chế về khoa học cơng nghệ và kinh tế. Thực ra khả năng sáng tạo robot của người Việt đâu chỉ dừng ở mức đĩ, tiềm năng mà đã thành cơng nghệ sản xuất những thiết bị tự động, thực hiện những thao tác, quy trình được lập trình. Nhưng việc sản xuất theo cơng nghệ cao mới chỉ được thực hiện ở nước ngồi, chẳng hạn như cơ sở Electroselvo của Đỗ Hải Dương, nằm tại Cơng viên Trillium Business, bang Ontario, Canada. Năm 2007, TOPIO phiên bản 1 đã xuất hiện tại IREX 2007 (triển lãm về robot tại Tokyo, Nhật Bản). Đây là lần đầu tiên Việt Nam cĩ robot dáng người tham dự cuộc triển lãm robot cĩ quy mơ lớn nhất thế giới và gây được sự chú ý của cộng đồng thế giới. Năm 2009, một lần nữa, TOPIO, robot đánh bĩng bàn mang hình dáng người đầu tiên và duy nhất trên thế giới do Cơng ty cổ phần Robot TOSY của Việt Nam nghiên cứu và chế tạo tiếp tục gây được sự chú ý khi tham dự các triển lãm quốc tế về robot. Trên thế giới người ta khơng chỉ nghiên cứu Robot cho việc phục vụ các mục đích nghiên cứu vũ trụ mà cịn phục vụ cho các yêu cầu thực tiễn của các quá trình cơng nghiệp. Ở Đại học Tokyo Nhật bản người ta sử dụng để dị tìm mối nứt trên đường hàn, trên bề mặt của bồn chứa các chất hĩa học, khí hĩa lỏng LPG dạng hình cầu. Ngày nay các tịa nhà cao tầng ngày càng nhiều, con người làm các cơng việc như hàn, sơn, lau kiếng khá nguy hiểm cịn đối với Robot thì việc này khá đơn giản, chúng sẽ được lập trình từ trước và sau đĩ chúng sẽ thực hiện theo yêu cầu đề ra. Ngồi ra người ta cịn địi hỏi Robot phải di chuyển độc lập trong những khơng gian rộng rãi như trong các bồn hĩa dầu, nhà máy năng lượng hoặc trên bờ tường của các nhà cao tầng. III. NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI Hexapod Robot là Robot cĩ các chân và di chuyển được nhờ các chân. Một số lĩnh vực cĩ thể ứng dụng được Robot cĩ bánh, tuy nhiên, cĩ nhiều mơi trường và vùng hoạt động mà chỉ cĩ Robot cĩ chân mới di chuyển trên đĩ được như: mơi trường đất đá, đồi núi, vùng lầy lội mà khơng thích hợp cho Robot cĩ bánh. Vì vậy, việc thiết kế Hexapod robot cần phải đảm bảo độ cứng vững cao và điều khiển chính xác.Do hạn chế về kinh tế, nên robot trong đề tài được gắn mỗi chân 3 động cơ RC servo với moment nhỏ (1.5/1.8 kg.cm) nên khĩ cứng vững.Ngồi ra để robot hoạt động liên tục cần cĩ nguồn nuơi lâu dài và địi hỏi dịng lớn, nhưng hiên tại nguồn nuơi cho robot sử dụng Pin Sony Ni-MH dịng 4.6A, do đĩ robot khơng hoạt động trong thời gian dài. 1
8. PHẦN 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích của đề tài Hexapod robot là: Thiết kế và xây dựng một Hexapod robot nguyên mẫu. Phân tích chuyển động của robot. Xác định các thuật tốn chuyển động về trước và quay trái (phải). Kiểm tra và thực hiện robot nguyên mẫu. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng phương pháp thực nghiệm. III. NỘI DUNG 1. TỔNG QUAN 1- Cách đi sử dụng trong Hexapod robot Cách đi lặp đi lặp lại của vị trí đặt chân khi robot đi được gọi là cách đi tuần hồn. Và cách đi khơng tuần hồn thì được sử dụng để giải quyết các vấn đề cụ thể ví dụ chân bỏ qua các gĩc kín. Một cách đi cĩ thể biểu hiện trong dạng chu kỳ. Bắt đầu với n chân nền, khối lượng của thân được thay đổi đặt trên các chân chạm đất, các chân khơng chạm đất được nâng lên và di chuyển. Các chân được đặt trên nền chúng sẽ là các chân nâng, cịn khối lượng của thân được chuyển tới chúng trong chu kỳ tiếp theo. Ở trạng thái cân bằng tĩnh định luơn luơn đảm bảo cĩ 3 chân tiếp xúc với nền và giữ trọng tâm nằm trong tam giác tạo bởi các điểm tiếp xúc với nền của chân. Cịn cách đi cân bằng động học luơn cĩ ít nhất 3 chân tiếp xúc với nền ở một vài thời điểm trong chu kỳ, và nĩ cĩ thể cĩ trạng thái tất cả các chân rời khỏi mặt đất trong khoảng thời gian ngắn. Một phần quan trọng trong nghiên cứu robot là phân loại các cách đi . Chúng ta thường bắt đầu việc nghiên cứu cách đi của robot là từ việc nghiên cứu chuyển động trên đường thẳng. Từ việc nghiên cứu cách đi của robot ta cĩ thể phân tích sự ổn định, thay đổi vị trí đặt chân và sự thay đổi vị trí đặt chân theo yêu cầu cho phép xác định đường cong quỹ đạo của thân. Để điểu khiển robot cĩ chân điều quan trọng là các chân robot khơng được chạm nhau, vì vậy lựa chọn cách đi là chúng ta phải tránh các chân vướng nhau trong khi chuyển động bảo đảm yêu cầu giữa tốc độ và sự ổn định. Trong phân loại cách đi điều chia các chân ở 2 trạng thái: trạng thái thứ nhất chân cách nền hoặc trạng thái thứ hai là các chân tiếp xúc giữa chân và nền. Cách đi chúng ta cĩ thể viết là một hàm theo khoảng cách và thời gian. Cách đi thường chúng ta viết dưới dạng biểu đồ. Phân tích cách đi phức tạp yêu cầu mơ tả về cách thức tiến hành cách đi. Một chu kỳ cơ bản của cách đi ta gọi là bước (stride). Trong kỹ thuật một bước là một chu kỳ của sự di chuyển của chân được hồn thành và nĩ được lặp đi lặp lại. Ví dụ trong cách đi tam giác, một bước bắt đầu khi nhĩm chân thứ nhất rời khỏi nền và kết thúc nhĩm chân thứ hai rời mặt đất một lần nữa. V=l.f (1.1) 2
9. Với V: vận tốc trung bình của robot L: chiều dài đi được của một bước F: tần số của một bước Hệ số cơng suất () của chân là tỷ số giữa thời gian của chân tiếp xúc với nền. Trong cách đi cân bằng tỉnh định của robot 6 chân là số chân nhỏ nhất để tiếp xúc với nền để cân bằng chia cho tổng số chân robot, vậy ta cĩ cách đi tam giac thay đổi thì ()= 0.5. Trong khi robot chuyển động, 1 chân đẩy thân trong khi các phần khác bước và nĩ sẽ lấy lại thăng bằng trong quá trình nghĩ khơng bước vì thế nĩ cĩ thể đẩy thân một lần nữa trong các bước sau. Một phần của quá trình bước trong khi nĩ đẩy thân tiến tới gọi là bước đẩy tới. Trong bước đẩy tới thì các chân đẩy thân tiến lên đều ở trạng thái tiếp xúc với nền. T = tpro + trec = .T + (1 - ).T (1.2) Với T: là chu kỳ của một bước. tpro : thời gian của giai đoạn đẩy tới. trec : thời gian cùa giai đoạn lấy lại thăng bằng. Vậy ta cĩ: s s 1  v t t  pro rec (1.3) Với s là chiều dài đi được của giai đoạn bước. Chúng ta xét tới tốc độ trung bình bởi vì trong tất cả các robot cĩ giới hạn chính của tốc độ là thời gian để di chuyển chân chuyển động trong khơng khí tới vị trí bắt đầu mới ( trong giai đoạn lấy lại thăng bằng). Như vậy tốc độ lớn nhất của robot xác định thời gian hồi phục là nhỏ nhất. Theo phần thiết kế cơ khí, tốc độ của robot cĩ thể tăng bằng cách tăng số chân ( v = 0,333.s/trec cho Robot cĩ 4 chân, 1,0.s/ trec cho Robot cĩ 6 chân và 1,67.s/ trec cho Robot cĩ 8 chân). Ta thấy rằng khi tăng số lượng chân của robot lên ta cĩ thể cải thiện tốc độ cũng như độ ổn định, nhưng khi ta tăng số lượng chân lên thì chi phí cho việc thiết kế cơ khí và các hệ thống điều khiển cũng tăng lên và khĩ điều khiển hơn. Cĩ 3 cách đi mà robot 6 chân cĩ thể thực hiện được là cách đi tam giác thay đổi, cách đi gợn sĩng, và cách đi cuối cùng là cách đi sĩng. Mỗi cách đi này thích hợp với mỗi địa hình khác nhau, với mỗi loại địa hình chỉ cĩ một cách di chuyển nhất định mà thơi. Cách đi tam giác thay đổi: Được sử dụng cho Robot di chuyển trên mặt phẳng với tốc độ di chuyển nhanh. Cách đi này các chân Robot được chia ra làm 2 pha, Robot luơn luơn được cân bằng vì lúc nào Robot cũng cĩ ít nhất 3 chân liên hệ với nền. Cách đi này tạo bởi 2 pha, nâng lên bởi 3 chân sau đĩ chúng được hạ xuống để nâng 3 chân khác. Khi 3 chân nâng lên được đẩy về sau và thân di chuyển về phía trước và cứ như vậy các chu kỳ sau tiếp tục. 3