Đề tài Thiết kế và chế tạo robot thông minh cảnh báo ở công trường xây dựng (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Thiết kế và chế tạo robot thông minh cảnh báo ở công trường xây dựng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG MÃ SỐ: B2010 - 22 - 52 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Th.S TƯỞNG PHƯỚC THỌ S K C 0 0 3 2 1 8 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07/2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG Mã số: B2010-22-55 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Tưởng Phước Thọ TP.HCM, 7/2011
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG Mã số: B2010-22-55 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) TP.HCM, 7/2011
4. DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THÔNG MINH CẢNH BÁO Ở CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG Cá nhân phối hợp thực hiện Họ và tên Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ thể lĩnh vực chuyên môn được giao TS. Nguyễn Trƣờng ĐH SPKT – BM CĐT Thiết kế bộ phận điều khiển máy Thịnh TS. Nguyễn Ngọc ĐH SPKT – BM CĐT Thiết kế bộ phận cảm biến Phƣơng ThS. Phan Thị Thu ĐH SPKT – BM CĐT Thiết kế phần mềm Thủy CN. Đƣờng Minh Hiếu ĐH SPKT – P QLKH Thƣ ký đề tài Ths.Trần Thị Thúy Nga CĐ Cao Thắng Nghiên cứu và thiết kế máy Thời gian thực hiện: 3/2010 – 8/2011
5. MỤC LỤC Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài i Danh mục bảng vẽ vi Danh mục bảng biểu x Danh mục các chữ viết tắt xi Thông tin kết quả nghiên cứu xii PHẦN I: MỞ ĐẦU 1 I. Tổng quan tình hình giao thông ở Việt Nam 1 II. Tính cấp thiết của đề tài 5 III. Mục tiêu của đề tài 5 IV. Phƣơng pháp nghiên cứu và cách tiếp cận 5 V. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 5 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 7 Chƣơng 1: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ CỦA ROBOT 7 1.1 Thiết kế sơ bộ và mô hình hóa robot 7 1.2 Thiết kế cơ khí 9 1.2.1 Yêu cầu của phần cơ khí Robot 9 1.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động 10 1.2.3 Các bộ phận của Robot 12 1.2.3.1 Cánh tay 12 1.2.3.2 Thân robot 14 1.2.3.3 Chân robot 15 1.2.3.4 Hộp đế 16 1.3 Tính toán và thiết kế cơ cấu truyền động 16 1.3.1 Tính toán bộ truyền bánh răng cho robot [7] 16 1.3.1.1 Xác định mođun bánh răng 17 1.3.1.2 Xác định số răng, góc nghiên β và hệ số dịch chỉnh x 17 1.3.2 Chọn công suất động cơ cho các khâu [8] 18
6. 1.3.3 Mô phỏng Động học và Động lực học 19 Chương 2 : PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ ROBOT 22 2.1 Bài toán động học vị trí của Robot 23 2.2 Bài toán động học thuận của Robot 25 2.3 Bài toán động học nghịch của Robot 26 2.4 Bài toán động học vận tốc của Robot 27 2.5 Động lực học – Phân tích lực cánh tay robot 29 2.6 Tạo quỹ đaọ và điều khiển chuyển đôṇ g cánh tay robot 32 2.6.1 Lâp̣ đƣờng đi thông qua quỹ đaọ 32 2.6.2 Các phƣơng pháp tạo quỹ đaọ chuyển đôṇ g của cánh tay robot 33 2.6.3 Lâp̣ quỹ đaọ không gian khớp 36 2.6.3.1 Lâp̣ quỹ đaọ là đa thƣ́ c bâc̣ 3 37 2.6.3.2 Lâp̣ quỹ đaọ đa thƣ́ c bâc̣ 5 38 2.6.3.3 Các đoaṇ thẳng với các đoaṇ cong daṇ g Parabol 38 Chương 3: HỆ THỐNG CẢM BIẾN CỦA ROBOT 41 3.1 Hệ thống cảm biến 41 3.1.1 Khái quát về Camera 41 3.1.2 Yêu cầu đặc tính của Camera 42 3.1.3 Card thu hình 43 3.2 Xử lý ảnh 44 3.2.1 Giới thiệu về hệ thống xử lý ảnh 44 3.2.2 Phân tích giải thuật 44 3.2.2.1 Tổng quan 44 3.2.2.2 Phân tích giải thuật 45 3.2.3 Lắp đặt hệ thống camera 50 3.2.3 Giao diện Matlab 54
7. 3.2.5 Kết quả 55 3.3 Encoder số 56 Chương 4: HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA ROBOT 57 4.1 Các khái niệm cơ bản 57 4.1.1 Sơ lƣợc về họ vi điều khiển PIC 57 4.1.2 Chuẩn RS232 58 4.1.3 Chuẩn I2C 58 4.1.4 Thuật điều khiển PID và việc rời rạc hóa: 60 4.1.5 Giải thuật lập trình 61 4.2 Cách điều chỉnh các hệ số: 63 4.2.1 Động cơ điện một chiều DC 64 4.2.2 Điều biến độ rộng xung 64 4.2.3 Động cơ servo và động cơ servo R/C 64 4.3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển 67 4.4 Cấu trúc của bộ điều khiển chuyển động của khớp 68 4.5 Thiết kế hê ̣thống điều khiển cho robot 69 4.5.1 Bộ điều khiển chính 69 4.5.2 Drive điều khiển động cơ 70 4.5.3 Mạch điều khiển động cơ RC_SERVO 70 4.5.4 Nguồn cung cấp năng lƣơṇ g 70 4.6 Lập trình điều khiển 72 4.6.1 Ngôn ngữ lập trình CCS 72 4.6.2 Giải thuật điều khiển 72 4.6.3 Giải thuật giao diện gƣời dung 74 Chương 5: BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 75 5.1 Khái niệm về logic mờ 75 5.2 Ứng dụng logic mờ trong việc xác định động tác robot 75
8. 5.2.1 Mờ hoá giá trị vào (input) 76 5.2.2 Mờ hoá giá trị ra (output) 77 5.2.3 Quy luật điều khiển mờ 77 5.2.4 Lập trình mờ trong phần mềm Matlab 82 5.2.5 Kết quả sử dụng bộ điều khiển mờ trong xác định động tác 82 Chương 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 84 6.1 Phần mềm phát hiện, đếm đối tƣợng tham gia giao thông 84 6.2 Thiết kế robot phần cơ khí 85 6.3 Thiết kế phần điện của robot 85 6.4 Kết quả thực nghiệm 86 PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 III.1 KẾT LUẬN: 90 III.2 ĐỀ NGHỊ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN: 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 94 I. Phục lục Hiệu lệnh điều khiển giao thông II. Phụ lục các sơ đồ mạch in của mạch điều khiển III. Các bài báo IV. Minh chứng đào tạo V. Bản sao thuyết minh đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ
9. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Trình trạng giao thông phức tạp ở các đô thị lớn 1 Hình 1.2 Các công trường xây dựng gần đường đi 2 Hình 1.3 Robot cảnh báo giao thông ở Hàn Quốc 4 Hinh 1.4 Robot cảnh báo giao thông ở Nhật bản 4 Hình 1.5 Phần mềm đếm xe sử dụng công nghệ xử lý ảnh 4 Hình 2.1.1 Cấu hình của robot mô phỏng một số động tác cánh tay của người 7 Hình 2.1.2 Sơ đồ truyền động các khớp quay của robot TR1 8 Hình 2.1.3 Bánh răng trụ răng thẳng 11 Hình 2.1.4 Nguyên lý ăn khớp trong bộ truyền bánh răng 11 Hình 2.1.5 Lực trong bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng 11 Hình 2.1.6 Lực tác dụng lên mặt Bánh răng trụ răng thẳng 11 Hình 2.1.7 Răng bánh răng 12 Hình 2.1.8 Kết cấu bánh răng trụ răng thẳng 12 Hình 2.1.9 Cánh tay hoàn chỉnh 13 Hình 2.1.10 Khớp vai 13 Hình 2.1.11 Miếng ngoài 14 Hình 2.1.12 Miếng trong 14 Hình 2.1.13 Bắp tay 14 Hình 2.1.14 Cẳng tay 14 Hình 2.1.15 Thân Robot 15 Hình 2.1.16 Chân robot 16 Hình 2.1.17 Hộp đế 16 Hình 2.1.18 Bánh răng dẫn 18 Hình 2.1.19 Bánh bị dẫn 18 Hình 2.1.20 Trọng tâm các khâu và cánh tay đòn so với các khớp 18 Hình 2.1.21: Môi trường mô phỏng trên phần mềm Pro/ENGINEER 20 Hình 2.1.22 Hình dáng Robot thực 21 Hình 2.1.23 Hình mô phỏng tổng thể cơ cấu cơ khí của Robot 21
10. Hình 2.2.1 Sơ đồ truyền động các khớp quay của robot 22 Hình 2.2.2 Sơ đồ các hệ trục đặt tại các khớp quay theo quy tắc D-H 23 Hình 2.2.3 Hệ thống động lực của robot. 30 Hình 2.2.4 Di chuyển của Robot theo đường thẳng 33 Hình 2.2.5 Di chuyển của cánh tay không bình thường trong không gian khớp 33 Hình 2.2.6 Di chuyển của cánh tay bình thườ ng trong không gian khớ p 34 Hình 2.2.7 Sư ̣ di chuyển trong không gian Decard của cánh tay Robot 34 Hình 2.2.8 Lâp̣ quỹ đaọ vớ i cá c đoaṇ tăng tốc và giảm tốc 35 Hình 2.2.9 Làm cong các phần chuyển động trên đường đi 36 Hình 2.3.1 Hệ thống cảm biến 41 Hình 2.3.2 Sơ đồ khối Camera 41 Hình 2.3.3 Nguyên lý làm việc của thiết bị tạo ảnh số 42 Hình 2.3.4 Cảm biến hình ảnh 42 Hình 2.3.5 Góc mở ngang của camera 42 Hình 2.3.6 Lắp đặt camera 43 Hình 2.3.7: Camera CPT-IRC72 43 Hình 2.3.8 PICO200 CARD ghi hình 4 kênh 44 Hình 2.3.9 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 44 Hình 2.3.10 Lưu đồ tiền xử lý 45 Hình 2.3.11 Phát hiện đối tượng 47 Hình 2.3.12 Lưu đồ phát hiện đối tượng 47 Hình 2.3.13 Bắt đối tượng 48 Hình 2.3.14 Lưu đồ bắt đối tượng 48 Hình 2.3.15 Đếm đối tượng 49 Hình 2.3.16 Lưu đồ đếm đối tượng 49 Hình 2.3.17 Lưu đồ đưa hình ảnh lên giao diện 50 Hình 2.3.18 Lắp đặt hệ thống camera trên cổng công trường 51
11. Hình 2.3.19 Lưu đồ giải thuật cho một camera 52 Hình 2.3.20 Lưu đồ giải thuật cho hệ thống camera 53 Hình 2.3.21 Giao diện Matlab khi chạy chương trình 54 Hình 2.3.22 Hình ảnh xử lý Matlab từ 4 camera 55 Hình 2.3.23 Một số loại encoder thường dung 56 Hình 2.4.1 Sơ đồ các thiết bị trên bus I2C 58 Hình 2.4.2 Sơ đồ khối master truyền(a) và nhận(b) dữ liệu 59 Hình 2.4.3 Sơ đồ điện trở kéo lên trong bus I2C 59 Hình 2.4.4 Sơ đồ rời rạc hóa 60 Hình 2.4.5 Lưu đồ giải thuật 63 Hình 2.4.6 Động cơ điện 1 chiều DC 64 Hình 2.4.7: Sơ đồ điện áp khi thay đổi tốc độ động cơ 65 Hình 2.4.8 Sơ đồ điều chế độ rộng xung 66 Hình 2.4.9 Hình cấu tạo bên trong của động cơ RC servo 67 Hình 2.4.10 Sơ đồ chu kỳ xung của động cơ servo RC 67 Hình 2.4.11 Cấu hình tổng quát của hệ thống điều khiển robot 68 Hình 2.4.12 Sơ đồ điều khiển khớp robot 68 Hình 2.4.13 Sơ đồ khối mạch điều khiển các động cơ robot 69 Hình 2.4.14 Sơ đồ khối tổng quát bộ nguồn 71 Hình 2.4.15 Bộ nguồn HWS300-24/ME 71 Hình 2.4.16 Giao diện cài đặt động tác robot 72 Hình 2.4.17 Giải thuật điều khiển 73 Hình 2.4.18 Giải thuật giao diên người dùng 74 Hình 2.5.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển mờ động tác robot 75 Hình 2.5.2 Cấu hình của bộ điều khiển mờ điều khiển động tác robot 76 Hình 2.5.3 Mờ hoá giá trị trên 4 biến vào với 3 hàm phụ thuộc tam giác 76 Hình 2.5.4 Mờ hoá giá trị biến ra với 8 hàm phụ thuộc dạng xung vuông 77
12. Hình 2.5.5 Động tác thực hiện trên robot 78 Hình 2.5.6: Xác định động tác robot 83 Hình 2.6.1 Giao diện chương trình Matlab 84 Hình 2.6.2 Giao diện chương trình phát hiện và cảnh báo đối tượng vào khu vực nguy hiểm và động tác cảnh báo tương ứng của robot 85 Hình 2.6.3 Mạch điện điều khiển của robot 86 Hình 2.6.4 Giao diện cài đặt động tác robot 86 Hình 2.6.5 So sánh giữa động tác mô phỏng và hoạt động thực tế của robot 87 Hình 2.6.6 So sánh số liệu giữa thực tế đếm được và phần mềm 88
13. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1.1: Phân bố các bậc tự do trên các khớp 8 Bảng 2.1.2 Các thông số kỹ thật của robot 9 Bảng 2.1.3 Thông số kỹ thuật của các khớp 9 Bảng 2.2.1 Các thông số D-H 23 Bảng 2.4.1: Đặc tính của PIC18F4431 57 Bảng 2.5.1 Quy luật điều khiển cho robot. 79 Bảng 2.5.2 Bảng trạng thái camera và động tác 81 Bảng 2.5.3 Cấu hình của bộ điều khiển mờ xác định động tác robot 82