Kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot phục vụ trong phòng chờ

Nội dung text: Kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot phục vụ trong phòng chờ

1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ TRONG PHÒNG CHỜ Lê Trung Hậu 1, TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 2 1. Trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long 2. Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Tóm tắt: Trong bài báo này sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot và ứng dụng vào quá trình hỗ trợ phục vụ nước và bánh trong phòng chờ. Trình bày phương pháp tính toán động học và xây dựng mối quan hệ vận tốc của bánh xe bên phải và trái để điều khiển robot di chuyển bám theo đường dẫn và tránh va chạm chướng ngại vật. Abstract: In this paper will introduce some results of research design, manufacturing robots and applications to support service process and cakes in the lounge. Presented kinetic calculation method and build relationships velocity of the wheel right and left to control the robot move follows path and avoid collisions obstacles. . 1. GIỚI THIỆU CHUNG Tay máy robot di động là một hệ thống bao gồm một đế di động được trang bị tay máy đặt trên đế di động và có chung một hệ thống điều khiển. Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhưng trong giới hạn bài báo này sẽ trình bày thiết kế, chế tạo và ứng dụng trong lĩnh vực phục vụ 2. THIẾT KẾ ROBOT Để robot có thể thực hiện được công việc phục vụ nước, ta giả định rằng đã có sơ đồ mặt bằng thiết kế như trên hình 2.1, kích thước khoảng cách từ quỹ đạo di chuyển đến bàn phục vụ là 250mm, kích thước của bàn (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) 700 x 500 x 500 mm và khay dùng để mang nước có kích thước 270 x 230 x 20 mm, yêu cầu đăt ra là robot di chuyển đến vị trí yêu cầu và thực hiện công việc gắp, nâng khay chứa thức uống và bánh, sau đó di chuyển bám theo đường vạch màu trắng được bố trí trên nền sân màu sậm đến vị trí đã được lập trình trước, đặt khay xuống và trở về đúng vị trí ban đầu để thực hiện công việc tiếp theo khi có yêu cầu. Công việc này được thực hiện thông qua một remote điều khiển dùng sóng RF. 1
2. Hình 2.1: Sơ đồ bố trí bàn và không gian làm việc của robot Từ những ý phân tích ở trên tác giả đã thiết kế hình dáng và kết cấu của robot như hình 2.2 Hình 2.2: Kiểu dáng và kết cấu robot đã được lắp ráp 3. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC Cơ cấu tay máy có thể dùng nhiều kiểu khác nhau nhưng do yêu cầu của công việc ta chọn kiểu RPP, với cơ cấu này ta dễ dàng điều khiển để thực hiện công việc như đã nêu ở phần thiết kế. Loại cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau: - Có thể bố trí các động cơ gần với khớp nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu chấp hành. - Kết cấu đơn giản, linh hoạt và nhỏ gọn về kích thước. - Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau với các động cơ nhỏ gọn nên tiêu hao ít năng lượng - Dễ điều khiển do có thể thực hiện các chuyển dịch của các khớp theo các trục toạ độ một cách độc lập. 2
3. Hình 3.1: Mô hình phần đế (a), tay máy (b) của robot Trên hình 3.1 là mô hình tay máy robot di động. Phần đế có 3 bánh với 2 bánh sau chủ động, vừa là bánh lái với một bánh đa hướng phía trước. Coi bánh xe di chuyển trên mặt sân là lăn không trượt, vận tốc của robot là tốc độ của trung điểm khoảng cách giữa 2 bánh xe sau.  Để điều khiển phần đế di động của robot thực hiện công việc phục vụ, di chuyển theo quỹ đạo cho trước, ta phân ra làm 2 loại chuyển động: Chuyển động thẳng: Vận tốc của bánh xe bên trái và bánh xe bên phải bằng nhau Chuyển động vòng theo quỹ đạo với bán kính cho trước. Chuyển động quẹo trái Chuyển động quẹo phải Thiết lập mối quan hệ vận tốc của bánh xe bên trái và bên phải (hình 3.2). = . = θ̇ R + (1) = . = θ̇ R − (2) Từ (1) và (2) ta có: Hình 3.2: Vận tốc bánh bên trái và bánh bên phải − ⁄2 = = (3) + ⁄2 Mô hình robot có kích thước L = 250 mm, r = 50 mm. Giả định với tình huống cho robot chuyển động theo quỹ đạo cho trước với bán kính cong R = 375 mm. Mặc khác ta có công thức về mối quan hệ giữa vận tốc góc và số vòng quay ω θ̇ R L 5θ̇ n = = + = vòng⁄s (5) 2π 2π r 2r π ω θ̇ R L 2,5θ̇ n = = − = vòng/s (6) 2π 2π r 2r π 3
4. Chọn cấp độ chuyển động quay vòng cho robot π θ̇ = (rad/s) ậ 15 π θ̇ = (rad/s) ì 10 π θ̇ = (rad/s) 5 Bảng 3.1: Thông số điều khiển số vòng quay của bánh xe trái và phải Cấp độ θ̇ (rad/s) nr (v/p) nl (v/ph) Chậm π⁄15 20 10 Trung bình π⁄10 30 15 Nhanh π⁄5 60 30 Chọn cấp độ chuyển động ở khoảng trung bình, do đó: Chuyển động thẳng: = = 30 ò/ℎ Chuyển động đi vòng trái: = 15 ò/ℎú = 30 ò/ℎú Chuyển động đi vòng phải: = 30 ò/ℎú = 15 ò/ℎú  Xác định vị trí của robot trên sân và vị trí của điểm tác động cuối của cánh tay. Ta xây dựng mối quan hệ giữa tọa độ tham chiếu toàn cục trong mặt phẳng OXY và hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của robot oxpyp (hình 3.1). Từ (1) và (2) ta được: ( ) ̇ = (7) ( ) = (8) () Từ (7) và (8) vận tốc của robot tại điểm P là: ̇ = = ̇ ∗ = () (9) Do xe di chuyển theo phương x ̇ = 0 (10) Từ (7), (9), và (10) ta có hệ phương trình: 4
5. ̇ = () ̇ = 0 (11) ( − ) ̇ = Phương trình trên có thể viết lại dưới dạng ma trận: ̇ ⁄2 ⁄2 ̇ = 0 0 (12) ̇ ⁄ −⁄ Phương trình động học của robot trong hệ tọa độ toàn cục: ̇ ̇ = (, ) (13) ̇ ̇ ̇ cos cos ⟺ = (14) ̇ 2 sin sin Phương trình trên được dùng để mô tả vị trí của mobile robot trên sân thông qua phần mềm MATLAB/Simulink. Sau khi tìm được quy luật chuyển động của điểm P, dùng phép biến đổi tịnh tiến theo trục X sẽ được giá trị tại điểm F, là vị trí dùng để đặt cơ cấu tay máy. Từ đây ta có thể xác định được vị trí của điểm O4 bằng cách thiết lập ma trận chuyển hệ tọa độ theo phương pháp dùng ma trận chuyển. Các ma trận được xác định như sau: 1 T6 T6 * 1 T6 = ∗ ∗ ∗ ∗ Trong đó: 1 0 0 ⎡ ⎤ ⎢0 1 0 0⎥ = ( + )cosθ ( + )sinθ 0 1 ; = ; 2 2 ⎢ ⎥ ⎢0 0 1 0⎥ ⎣0 0 0 1⎦ cos − sin 0 0 1 0 0 0 ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢sin cos 0 0⎥ ⎢0 1 0 0 ⎥ = ⎢ ⎥; = ⎢ ⎥ ; ⎢ 0 0 1 0⎥ ⎢0 0 1 ⎥ ⎣ 0 0 0 1⎦ ⎣0 0 0 1 ⎦ 1 0 0 0 1 0 0 ∗ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢0 1 0 0 ⎥ ⎢0 1 0 0 ⎥ = ; = ; ⎢ ∗⎥ ⎢ ⎥ ⎢0 0 1 ⎥ ⎢0 0 1 0 ⎥ ⎣0 0 0 1 ⎦ ⎣0 0 0 1 ⎦ *: Các biến khớp Phần mô phỏng sẽ biểu diễn mối quan hệ động học giữa phần đế với vận tốc của 2 bánh xe và mô tả vị trí của khâu chấp hành cuối ở thời điểm 20s. 5
6. Thông số đầu vào để thực hiện mô phỏng như sau: Vận tốc ban đầu của bánh xe trái và phải là 0.25m/s, sau 1.5s vận tốc bánh xe trái là 0.1m/s, vận tốc bánh xe phải là 0.15m/s và không thay đổi, trong khi vận tốc bánh xe trái tăng lên 0.2m/s. Hình 3.2: Mô phỏng vị trí của robot Hình 3.3: Thiết đặt vận tốc bánh bên trái và bên phải của robot 6
7. Ta được các kết quả sau: Hình 3.4: Vị trí và góc định hướng Hình 3.5: Vị trí của điểm F trên đế di động của robot ở thời điểm 20s của robot ở thời điểm 20s Tại vị trí lắp tay máy ta có điểm O1 trùng với điểm F trên đế di động, dùng phép biến đổi quay quanh trục Z, và sau đó tịnh tiến theo phương Z một đoạn d1 đến vị trí trục giới hạn thấp nhất của khớp tịnh tiến. ta có Hình 3.7: Định vị và định hướng của điểm tác động cuối O4 của robot ở thời điểm 20s Hình 3.6: Mô phỏng vị trí điểm tác động cuối của cánh tay di động (O4) 4. CHẾ TẠO ROBOT Qua quá trình thiết kế và mô phỏng về kết cấu cơ khí và quỹ đạo chuyển động của robot, kết quả chế tạo mô hình như sau: 7
8. Hình 4.1: Hình dáng và kết cấu của robot Các hoạt động của robot được điều khiển bởi chương trình chứa trong EEPROM của vi điều khiển 18F4431 có thể sửa đổi và thay thế tùy theo những ứng dụng mà người sử dụng có thể lựa chọn. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và được biên dịch thông qua trình biên dịch PIC C Compiler, và được nạp vào vi điều khiển bằng bộ nạp chuyên dụng. 5. KẾT LUẬN Trên đây đã trình bày quá trình từ lúc thiết kế cho đến chế tạo mô hình robot phục vụ trong phòng chờ. Hướng ứng dụng có tính mở, còn rất nhiều vấn đề cần tiếp tục được triển khai nghiên cứu. Các bộ phận lắp trên robot được trang bị như những modun độc lập nhưng có cùng một hệ thống điều khiển, và có thể trang bị thêm các sensor cho robot, để công việc điều khiển phục vụ được chính xác hơn, nhằm hoàn thiện khả năng làm việc theo nhóm của robot, tạo ra thế mạnh nổi bật so với các loại robot khác. 8
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1. PGS. TS. Trịnh Chất - TS. Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1& 2, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2006 2. PGS. TS. Nguyễn Đắc Lộc - PGS. TS. Lê Văn Tiến - PGS. TS. Ninh Đức Tốn - PGS. TS. Trần Xuân Việt, Sổ Tay Công Nghệ Chế Tạo Máy tập 1 & 2, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2001. 3. Nguyễn Thiện Phúc. Robot công nghiệp. NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2002. 4. Kiều Xuân Thực – Vũ Thị Thu Hương – Vũ Trung Kiên, Vi điều khiển_Lập trình và ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo Dục Họ và tên: Lê Trung Hậu 73 Nguyễn Huệ phường 2 Tp Vĩnh Long tỉnh Vĩnh Long SĐT: 0939106663 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.