Đồ án Robot 4 chân (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Robot 4 chân (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ROBOT 4 CHÂN GVHD: TH.S NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: VÕ VĂN TRIỀU MSSV: 10101172 SKL003039 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: ROBOT 4 CHÂN GVHD: Ths. Nguyễn Văn Đông Hải SVTH: Võ Văn Triều MSSV: 10101172 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2014
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: ROBOT 4 CHÂN GVHD: Ths. Nguyễn Văn Đông Hải SVTH: Võ Văn Triều Lớp: 101011B, Hệ chính qui MSSV: 10101142 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2014
4. PHẦN I
5. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 27 tháng 6 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Võ Văn Triều MSSV: 10101142 Hồ Quốc Tuấn MSSV: 10101152 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2010 Lớp: 101011 I. TÊN ĐỀ TÀI: ROBOT 4 CHÂN II. NHIỆM VỤ 1. Các yêu cầu thực hiện của đề tài: - Xây dựng mô hình robot 4 chân. - Ứng dụng vi điều khiển Arduino - Điều khiển từ xa bằng sóng RF. 2. Kết quả đạt đƣợc của ĐATN sau khi thực hiện: - Xây dựng thành công bộ điều khiển robot 4 chân hoạt động ổn định. - Chương trình ứng dụng điều khiển từ xa thông qua sóng RF III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 27/02/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/07/2014 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths. Nguyễn Văn Đông Hải CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Ths. Nguyễn Văn Đông Hải TS. NGUYỄN THANH HẢI ii
6. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: VÕ VĂN TRIỀU Lớp:101011 MSSV:10101142 Họ tên sinh viên 2:HỒ QUỐC TUẤN Lớp:101011 MSSV:10101152 Tên đề tài: ROBOT 4 CHÂN Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tìm hiểu hoạt động robot. Lập bản đề xuất 1-2 (27/02 –13/03) đề tài. 3 (14/03 – 21/03) Đưa ra các ý tưởng thiết kế. 4 (22/03 – 29/03) Thực hiện thiết kế cơ khí. 5-6 (30/03 – 13/04) Thiết kế phần mạch điều khiển. Chờ đặt mạch in, gia công các chi tiết cơ 7-8 (14/04 – 28/04) khí. Nghiên cứu giải thuật điều khiển. 9 (29/04 – 6/05) Lắp ráp, kiểm tra và hiệu chỉnh robot. 10 –trở đi Lập trình cho robot. Viết báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) Ths. Nguyễn Văn Đông Hải iii
7. LỜI MỞ ĐẦU Con người với trí tưởng tượng và ước mơ về cỗ máy hoạt động giống người (hay còn gọi là robot) đã xuất hiện khá lâu. Các mốc thời gian đánh dấu con đường phát triển của ngành khoa học robot này là khoảng thế kỹ thứ III trước công nguyên một “kỹ sư cơ khí” tên là Yan Shi đã đưa ra một công trình cơ khí có hình dạng giống người. Và tiếp theo sau đó là một loạt các ý tưởng robot khác như robot chim làm bằng gỗ được phóng đi dựa vào hơi nước. Đến những năm 1930, một robot có tên là Elextro có hình dạng giống người được triễn lãm tại hội chợ thế giới. Vào năm 1975 một “cánh tay robot vạn năng có thể lập trình được” có tên gọi là PUMA của hãng Unimation nhà phát minh Victor Scheinman đánh dấu bước phát triển của các thế hệ robot thông minh sau này. Ngày nay nền khoa học phát triển mạnh mẽ với các ngành ngành khoa học kỹ thuật như điện-điện tử, tự động, cơ khí, khoa học máy tính, .Con người chế tạo được các robot không chỉ tốt về mặt cấu tạo không chỉ hoạt động theo các điều kiện phản xạ hay các quỹ đạo định trước mà còn có thể phản ứng lại một cách linh hoạt để trả lời điều kiện đó. Sự phát triển này nhờ vào khoa học máy tính, con người đang hướng tới xây dựng một “trí tuệ nhân tạo” cho robot. Gần đây nhất, một robot tên gọi kirobo có thể nhận diện khuôn mặt giọng nói cảm xúc của người trò chuyện và đối thoại khá linh hoạt. Trong nền sản xuất hiện đại, nhu cầu sử dụng các loại hàng hóa của con người ngày càng cao, để tạo ra số lượng lớn các sản phẩm có giả cả hợp lý, chất lượng tốt và đồng điều. Do đó mà robot được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy dây chuyền sản xuất tự động. Ngoài ra robot đảm nhiệm các công việc nặn nhọc nguy hiểm ngoài khả năng chịu đựng của con người như thám hiểm ngoài không gian hay lặn sâu vào trong lòng đại dương. Và phải kể đến các robot thân thiện với con người như robot hút bụi, giám sát an ninh, giúp đỡ các người khuyết tật hay hỗ trợ phục hồi chức năng cho các người bị tai nạn và còn rất nhiều các ứng dụng khác nữa. Viêc chế tạo các robot giống người về mặt cấu tạo và có khả năng suy nghĩ luôn là ước mơ và cũng là thử thách đối với các nhà khoa học trên toàn thế giới, được các công ty như Nhật, Châu Âu, Mỹ đầu tư nghiên cứu và phát triển. “Ở Việt Nam, nghiên cứu robot vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và các bạn cần kiên nhẫn. Điều quan trọng là phát triển cơ sở hạ tầng, kỹ năng, để theo đuổi những nghiên cứu tốt trong một số lĩnh vực trọng điểm về robot. Điều này sẽ góp phần tạo ra một thế hệ mới các nhà nghiên cứu có khả năng mang lại những kết quả nghiên cứu thành công.” Trích dẫn trả lời phỏng vấn của GS. Oussama Khatib là chuyên gia hàng đầu thế giới về robot khi tới Việt Nam. Người thực hiện đề tài Võ Văn Triều iv
8. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm trong quá trình học tập tại trường. Em trân trọng gởi lời cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Điện - Điện tử đã truyền đạt cho em kiến thức vô cùng quý báu, cũng như tạo điều kiện cho em trao dồi kiến tại trường. Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Đông Hải đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức kinh nghiệm thực tế để em có thể hoàn thành đề tài này. Con xin cảm ơn ba mẹ, gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất, động viên con trong suốt thời gian dài, giúp con vượt qua những khó khăn, biến cố để con an tâm học tập. Lời cảm ơn cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả các bạn đã cùng tôi gắn bó giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Người thực hiện đề tài Võ Văn Triều v
9. MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG PHẦN A: GIỚI THIỆU Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lời mở đầu iii Lời cảm ơn iv Mục lục v Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng x PHẦN B: NỘI DUNG CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1 1.1. Lý do chọn đề tài 1 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. 1 1.3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.5. Tình hình nghiên cứu 2 1.6. Phương pháp nghiên cứu 3 CHƢƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG 4 2.1 Tổng quan về robot 4 2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển: 4 2.1.2 Các thế hệ Robot 6 2.1.3Robot di động 7 2.1.4 Những xu hướng phát triển của robot hiện đại 9 2.1.5 Robot 4 chân 9 vi
10. 2.2Cấu tạo và lý thuyết điều khiển động cơ RC Servo 10 2.2.1 Giới thiệu 10 2.2.2Cấu tạo RC Servo 11 2.2.3Lý thuyết điều khiển RC Servo 12 2.3Lý thuyết về vi điều khiển ARDUINO MEGA 2560 13 2.3.1Giới thiệu ARDUINO 13 2.3.1.1Tổng quan 13 2.3.1.2Sức mạnh xử lý 14 2.3.1.3Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào 14 2.3.1.4Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra 15 2.3.1.5Chuẩn giao tiếp 15 2.3.2Môi trường lập trình bo mạch ARDUINO 16 2.3.3 Ngắt ngoài trong Arduino 17 2.4Lý thuyết thu phát RF 18 2.4.1Sơ lược về hệ thống thu phát vô tuyến 18 2.4.2Khái niệm hệ thống điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến 18 CHƢƠNG III: Thiết Kế và Thi Công Robot. 21 3.1 Giới thiệu 21 3.2 Thiết kế cơ khí 21 3.2.1 Yêu cầu 21 3.2.2 Thiết kế các bộ phận cơ khí 21 3.3 Thiết kế mạch điện 24 3.3.1 Mạch nguồn 25 3.3.1.1 Yêu cầu 25 3.3.1.2 Phân tích 25 3.3.1.3 Sơ đồ mạch nguồn 26 3.3.2 Mạch điều khiển ATMEGA 2560 27 3.3.3 Mạch thu phát RF 29 3.3.3.1 Module thu phát RF 29 3.3.3.2 Mô tả chân 29 3.3.3.3 Nguyên lý khối phát 31 3.3.3.4 Nguyên lý khối thu 32 3.3.4 Thiết kế hoàn chỉnh 33 vii
11. CHƢƠNG IV: Lập Trình Điều Khiển Robot 34 4.1. Mô hình hóa Robot 34 4.2. Lý thuyết động học ngƣợc 35 4.3Lƣu đồ giải thuật 39 4.3.1Chương trình chính 39 4.3.2Một số chương trình con 40 4.4Chƣơng trình chính 45 CHƢƠNG V: KIỂM TRA VÀ CHẠY THỬ. 53 5.1 Thông số kỹ thuật. 53 5.1.1 Kích thước robot 53 5.1.2 Thông số hoạt động 53 5.1.2.1 Thời gian hoạt động 53 5.1.2.2 Khả năng di chuyển 54 5.2 Chạy thử . 54 CHƢƠNG VI: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 55 6.1 Các kết quả đạt đƣợc của đề tài . 55 6.2 Hƣớng phát triển của đề tài . 56 PHẦN C: PHỤ LỤC . 57 viii
12. Liệt Kê Hình Vẽ Hình 2.1 Một số hình ảnh về robot di động 9,10 Hình 2.2 Một sô dạng robot 4 chân 11 Hình 2.3 Một động cơ RC servo 12 Hình 2.4 Bên trong của một RC servo 13 Hình 2.5 Cách điều khiển góc quay của RC servo 14 Hình 2.6 Bo mạch Arduino 15 Hình 2.7 Giao diện IDE của Arduino 17 Hình 2.8 Sơ đồ khối máy phát 18 Hình 2.9 Sơ đồ khối máy thu 19 Hình 3.1 Chi tiết thân robot 22 Hình 3.2 Các chi tiết phần chân robot 24 Hình 3.3 Sơ đồ khối toàn mạch 25 Hình 3.4 Mạch nguyên lý nguồn 27 Hình 3.5 Bo mạch arduimo 2560 28 Hình 3.6 Module thu phát RF 30 Hình 3.7 Sơ đồ mạch khối phát 31 Hình 3.8 Sơ đồ mạch nguyên lý khối thu 32 Hình 3.9 Mặt trước robot 33 Hình 3.10 Mặt trên robot 33 Hình 4.1 Mô hình hóa robot 34 Hình 4.2 Một chân nhìn từ trên cao xuống 35 Hình 4.3 Một chân nhìn từ trên mặt bên 36 Hình 4.4 Các giá trị trung gian để tìm góc alpha 37 Hình 4.5 Lưu đồ chính 39 Hình 4.6 Nâng một chân lên 40 Hình 4.7 Hạ một chân xuống 40 Hình 4.8 Bước một chân tới 41 Hình 4.9 Bước một chân lui 41 Hình 4.10Đi tới 42 Hình 4.11Đi lui 43 Hình 4.12Xoay tròn 44 Hình 5.1 Thông số kỹ thuật robot 49 ix
13. Liệt Kê Bảng Bảng 2.1. Thứ tự ngắt và thứ tự chân tương ứng trên board Arduino mega 2560 17 Bảng 3.1. Dòng trung bình của servo 25 Bảng 3.2. Chức năng các khối chân bo mạch Arduino 2560 29 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật bo Arduino 2560 29 x
14. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 Chương 1 DẪN NHẬP 1.1. Lý do chọn đề tài: Trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã ứng dụng Robot để phục vụ trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, quân sự Trong tương lai Robot sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho con người, giúp con người vươn lên những tầm cao mới. Trước tình hình đó, khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là những thách thức được đặt ra cho giới tri thức Việt Nam trong việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Robot vào thực tiễn. Việc nghiên cứu và chế tạo Robot nhằm đáp ứng nhu cầu thực thế của các dây chuyền sản xuất là hết sức cần thiết. Robot được sử dụng trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt như: áp suất, nhiệt độ cao; từ trường mạnh hay chỉ đơn thuần là tiết kiệm sức lao động con người. Từ thực tế trên nhóm chúng em đã thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN.” 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu: Mục tiêu: Thiết kế và thi công Robot 4 chân trên cơ sở sử dụng VĐK ARDUINO MEGA 2560. Nội dung của đề tài:  Tính toán, thiết kế và thi công Robot 4 chân, mỗi chân có 3 khớp, 3 động cơ Servo mô phỏng theo cách đi của động vật 4 chân: chân trái trước chân phải sau chân phải trước chân trái sau.  Robot hoạt động theo chế độ điều khiển bằng tay : Người điều khiển có thể điều khiển Robot di chuyển theo ý muốn: đi tới, đi lùi, chuyển hường bằng cách xoay tròn tại chỗ đến góc mong muốn rồi tiếp tục di chuyển bằng cách đi tới hoặc đi lùi. DẪN NHẬP 1
15. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 1.3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu:  Vi điều khiểnARDUINO MEGA 2560  Động cơ RC Servo.  Ngôn ngữ lập trình C.  Thu phát tín hiệu RF. Phạm vi nghiên cứu của đề tài:  Thiết kế và thi công Robot 4 chân sử dụng ARDUINO MEGA 2560 hoạt động theo chế độ điều khiển từ xa bằng sóng RF. 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Mô hình Robot 4 chân khi hoàn thành góp phần vào sự phát triển của ngành tự động hóa nói chung cũng như phát triển công nghệ Robot ở Việt Nam nói riêng. Và từ mô hình nghiên cứu đó mà có thể phát triển thành mô hình thực tế để ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp, quân sự, thám hiểm, 1.5. Tình hình nghiên cứu:  Hiện nay trên thế giới các sản phẩm Robot mang tính kỹ thuật cao đã ra đời như: Người máy Asimo của Nhật có hình dáng và nhiều khả năng giống con người, Robot Big Dog của Mỹ có thể di chuyển trên mọi địa hình, thậm chí có thể tự cân bằng khi bị xô đẩy hay trên đường trơn trượt băng tuyết, robot tự hành Opportunity của NASA đã thám hiểm sao hỏa  Hiện nay trên các diễn đàn điện tử rất sôi động thảo luận về công nghệ chế tạo Robot. Thông qua các diễn đàn này nhóm thực hiện đề tài nhận thấy có rất nhiều thành viên đã thực hiện thiết kế được nhiều mô hình Robot từ đơn giản đến phức tạp. DẪN NHẬP 2
16. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 1.6. Phương pháp nghiên cứu: Do đây là một đề tài khá mới mẻ nên trong thời gian thực hiện đồ án nhóm thực hiện đề tài gặp nhiều khó khăn ở nguồn tài liệu. Nhóm thực hiện đề tài sử dụng các phương pháp chủ yếu:  Nhờ giáo viên hướng dẫn.  Tìm kiếm tài liệu trên mạng internet.  Tham khảo tài liệu nghiên cứu của các anh chị năm trước làm đồ án để lại.  Phương pháp thực nghiệm. DẪN NHẬP 3
17. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 Chương 2 GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.Tổng quan về robot: Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu tự động hóa trong sản xuất, trong đời sống, trong y tế, trong nghiên cứu khoa học, trong tìm kiếm cứu nạn, trong trang bị của các lực lượng vũ trang ngày một nâng cao. Xu hướng tạo ra những dây chuyền, thiết bị tự động, những robot có tính linh hoạt cao đã hình thành và không ngừng phát triển mạnh mẽ Và vì thế nhu cầu ứng dụng robot tự động linh hoạt để phục vụ các lĩnh vực nêu trên ngày càng tăng nhanh. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để quan sát, do thám, thu thập thông tin hay để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ, các vật phẩm thông qua các truyền động được lập trình trước hoặc được điều khiển từ xa. Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh Thường robot được sử dụng để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, rẻ hơn nếu được thực hiện bởi con người. Các robot đã được sử dụng để phục vụ cho các máy móc công nghiệp ngay từ khi kỹ thuật này ra đời. Mô hình robot đầu tiên ra đời vào năm 1960, năm 1961 robot công nghiệp (Industrial Robot: IR) ra đời. Càng ngày ngành robot càng phát triển, nó đem lại những thay đổi quan trọng trong sản xuất, trong đời sống và trong an ninh quốc phòng. Giá thành của robot đang giảm đi trong khi tính năng, sự đa dạng của nó được gia tăng và công nghệ ngày càng dễ sử dụng. 2.1.1.Lịch sử ra đời và phát triển: Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác phẩm Rossum’s Universal Robot của nhà soạn kịch Karel Capek mang ý nghĩa người làm tạp dịch. Kể từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi. GIỚI THIỆU CHUNG 4
18. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người máy trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát triển các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Các cánh tay này được thiết kết mô phỏng một cách chính xác sự chuyển động của bàn tay và cánh tay con người. Giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó đã xuất hiện các cánh tay thuỷ lực và điện từ. Cũng trong những năm này, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyển có khớp nối được lập trình (programmed artculated transfer device). Đây là một cánh tay máy mà hoạt động của nó có thể được lập trình để thực hiện một chuỗi các bước chuyển động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình. Phát triển xa hơn ý tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation. Thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động. Khi robot được lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sức mạnh trong sản xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot được nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó H.A.Ernst đã công bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng với môi trường. Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng đồng nghiệp đã công bố sự phát triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone. Năm 1968 Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điều khiển robot bằng máy tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học và giới hạn điều khiển tay máy. Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh hoạt cho robot. Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại robot có các sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm hai mươi cụm chi tiết. Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành, robot di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật. GIỚI THIỆU CHUNG 5
19. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 Trong những thập kỷ 80 – 90, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Ngày nay, chuyên ngành khoa học robot (robotics) đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động 2.1.2.Các thế hệ robot: Kể từ khi khái niệm Robot ra đời, việc thiết kế và chế tạo Robot đã trải qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau. Có năm thế hệ Robot ra đời kể từ năm 1960. Thế hệ thứ nhất: Bao gồm các loại Robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi. Chương trình điều khiển có hai dạng: - Chương trình “cứng”, nghĩa là không thay đổi hoặc không sửa được trừ khi thay đổi phần cứng. - Chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển hoặc thông qua máy tính. Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng hở (open-loop nonservo controlled system ). Đây là hệ thống không sử dụng thông tin phản hồi từ môi trường về để điều khiển Robot. Thế hệ thứ hai: Robot được trang bị các sensor cho phép Robot giao tiếp với môi trường bên ngoài. Các thiết bị này thực chất là các bộ biến đổi năng lượng. Nó chuyển các đại lượng không điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ điều khiển Robot có thể biết được trạng thái của môi trường xung quanh nó. Nhờ các sensor này Robot có thể chọn các phương án khác nhau một cách linh hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên ngoài. Dạng Robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là Robot điều khiển thích nghi cấp thấp. Đây gọi là cơ cấu điều khiển servo vòng kín (closed-loop servo controller system). Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được sử dụng trong Robot với nhiều chức năng chuyên biệt. GIỚI THIỆU CHUNG 6
20. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 Thế hệ thứ bốn: khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng, thế hệ Robot này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như Basic, C, C++ , để tạo ra nhiều ứng dụng CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến. Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của Robot sử dụng trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence). Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo) để xử lý, ra những quyết định hợp lý. Ngoài ra Robot được trang bị mạng Neuron giúp nó có khả năng tự học, tự xây dựng kiến thức. 2.1.3.Robot di động: Robot di động (robot di động, thường được gọi tắt là mobots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng dịch chuyển, vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động hoặc điều khiển xa để thực hiện những công việc được giao. Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot di động có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia robot di động làm hai lớp: chuyển động bằng chân (legged) và bằng bánh (wheeled). Trong lớp đầu tiên, chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động của con người và động vật (hình 2.1a,b,c). Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm, phức tạp. Tuy nhiên, cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế là công việc cực kỳ khó khăn. Lớp còn lại (di chuyển bằng bánh) tỏ ra thực tế hơn, chúng có thể làm việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra. Điều khiển robot di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định cho robot. Lớp này có thể chia làm ba loại robot: Loại chuyển động bằng bánh xe (phổ biến - hình 2.1d,e), loại chuyển động bằng xích (khi cần mô men phát động lớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy, cát, băng tuyết hoặc địa hình phức tạp khác - hình2.1f,g), và loại dùng hỗn hợp bánh xe và xích (ít gặp - hình 2.1h). Trong việc sử dụng cơ cấu chuyển động, bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì GIỚI THIỆU CHUNG 7
21. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT 4 CHÂN 2014 cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu hai bánh cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh nhiều hơn ba thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động Tiềm năng ứng dụng của Robot di động hết sức rộng lớn. Có thể kể đến robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không; robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm; robot canh gác, do thám; robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh; robot hàn, sơn trong nhà máy; robot xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ sinh hoạt trong gia đình Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của robot di động, như chi phí chế tạo cao, đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi. Một nhược điểm khác của robot di động phải kể đến là còn thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau. a) b) c) d) e) GIỚI THIỆU CHUNG 8