Đồ án Tracked Mobile Robot

MỤC LỤC

MỤC LỤC . 1

MỤC LỤC HÌNH VẼ . 4

LỜI NÓI ĐẦU . 4

TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP . 5

CHƯƠNG I . 6

TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT . 6

1.1. Giới thiệu . 6

1.2. Lịch sử phát triển của mobile robot . 7

1.3. Phân loại mobile robot . 9

1.4. Một số dạng điều khiển mobile robot . 10

1.4.1. Điều khiển từ xa bằng tay . 10

1.4.2. Rôbốt điều khiển từ xa tự bảo vệ . 10

1.4.3. Rôbốt theo lộ trình . 10

1.4.4. Rôbốt ngẫu nhiên hoạt động độc lập . 10

1.5. Ứng dụng của mobile robot . 10

1.6. Các loại chuyển động của Mobile robot . 14

1.6.1. Chuyển động bằng chân(legged mobile robot) . 14

1.6.2. Chuyển động bằng xích (tracked mobile robot) . 15

1.6.3. Di chuyển bằng bánh xe. (wheeled mobile robot) . 16

CHƯƠNG II . 18

VẤN ĐỀ CỨU HỘ VÀ MOBLE ROBOT DÙNG XÍCH . 18

2.1. Vấn đề cứu hộ và hướng tiếp cận bằng robot . 18

2.2. Ưu nhược điểm của Mobile robot dùng xích . 18

2.2.1. Về cấu tạo . 18

2.2.2. Về điều khiển . 19

2.2.3. Về khả năng linh động . 19

2.3. Yêu cầu,nhiệm vụ nghiên cứu . 19

2.3.1. Yêu cầu . 19

2.3.2. Phạm vi nghiên cứu . 20

CHƯƠNG III . 21

ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC . 21

3.1. Giới thiệu chung . 21

3.2. Mô hình động học . 21

3.3. Động lực học . 25

CHƯƠNG IV . 27

KẾT CẤU ROBOT . 27

4.1 Giới thiệu . 27

4.2 Vấn đề điều khiền phương tiện sử dụng xích . 29

4.3 Các kết cấu mắt xích . 29

4.4 Cách bố trí xích . 32

4.5 Hệ thống căng xích . 36

4.6 Các kết cấu của hệ thống xích . 40

4.6.2 Bộ truyền động điều khiển 2 xích . 41

4.6.3 Bộ truyền động 2 xích với các hệ thống thiết bị lái riêng rẽ . 42

4.6.4 Các bộ truyền động có 4 nhánh xích điều khiển. . 43

4.6.5 Các bộ truyền động có 6 bánh xích. . 45

4.7 Phương án thiết kế . 46

4.7.1 Ý tưởng chung . 46

4.7.2 Kích thước và hình dáng tổng thể của robot. . 46

4.7.3 Kết cấu đai được lựa chọn . 48

4.7.4 Kết cấu nhánh chính . 50

4.7.4.1 Nhiệm vụ . 50

4.7.4.2 Bánh đai dẫn động . 50

4.7.4.3 Trục trước . 53

4.7.4.4 Bánh đai theo. . 53

4.7.4.5 Khung . 54

4.7.4.6 Thanh tăng cứng cho khung . 54

4.7.4.7 Bánh căng đai dưới . 55

4.7.4.8 Bánh căng đai trên. . 55

4.7.5 Kết cấu nhánh tay quay . 56

4.7.5.1 Nhiệm vụ . 56

4.7.5.2 Bánh đai lớn . 56

4.7.5.3 Bánh đai nhỏ . 56

4.7.5.4 Tấm tay đỡ . 57

4.7.5.5 Cấu tạo cụm chi tiết . 57

4.8 Tính chọn động cơ . 59

4.8.1 Động cơ phía sau . 59

4.8.2 Động cơ phía trước . 60

4.9 Khả năng hoạt động của robot . 60

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU

KHIỂN ROBOT . 62

5.1 Cơ cấu chấp hành . 62

5.2 Giới thiệu về bộ vi điều khiển 8 bit . 62

5.2.1 Khái niệm về bộ vi điều khiển . 63

5.2.2 Các yêu cầu để lựa chọn một bộ vi điều khiển . 63

5.2.3 Các tiêu chuẩn lựa chọn một bộ vi điều khiển . 63

5.3 Bộ vi điều khiển 8bit PIC16F876A . 64

5.3.1 Các đặc tính nổi bật của bộ vi điều khiển . 64

5.3.2 So sánh với bộ vi điều khiển 8051 . 66

5.3.3 Giới thiệu các module được ứng dụng vào dự án . 68

5.3.3.1 Giới thiệu về các cổng vào/ra (I/O ports) . 68

5.3.3.2 Truyền nhận dữ liệu đồng bộ và không đồng bộ . 75

5.3.3.3 Chuẩn giao tiếp nối tiếp hai dây (I2C Mode) . 87

5.3.3.4 Module điều xung (PWM Module) . 97

5.4 Ứng dụng IC điều khiển động cơ L298 . 100

5.4.1 Giới thiệu . 100

5.4.2 Ứng dụng IC L298 vào dự án . 102

5.5 Thiết kế mạch điều khiển Robot . 103

5.5.1 Nhiệm vụ thiết kế . 103

5.5.2 Các module cơ bản . 104

5.5.2.1 Module truyền/nhận hình ảnh từ robot . 104

5.5.2.2 Module truyền/nhận tín hiệu điều khiển tới robot . 105

5.5.2.3 Module điều khiển và công suất cho động cơ . 107

5.6 Thiết kế phần mềm điều khiển Robot . 114

CHƯƠNG VI . 118

KẾT LUẬN . 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 119

PHỤ LỤC BẢN VẼ CÁC CHI TIẾT . 121

pdf121 trang | Chia sẻ: maiphuongdc | Ngày: 17/12/2013 | Lượt xem: 3859 | Lượt tải: 31download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Tracked Mobile Robot, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
rõ rệt, nhưng dốc thoai thoải ở sau có thể hỗ trợ khả năng di động khi chạy trong các không gian chật mà yêu cầu lùi trèo lên trên chướng ngại vật. Hình 4.5 a 33 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 5 b. Hình4. 5 c. Hình4. 5 d. 34 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 5 Các hình dạng xích thay đổi để cải thiện tính linh động và tính cứng vững. Nhiều công ty đã thiết kế và xây dựng các hệ thống xích mà có thể thay đổi hình dạng. Hệ thống xích có thể thay đổi hình dạng sử dụng một dạng xích linh động hơn hầu hết các loại khác. Kết cấu này cho phép xích uốn xung quanh các bánh xích nhỏ hơn và các bánh đệm, có thể xoay theo hầu hết các hướng. Các bánh đệm thường được nâng hạ trực tiếp trong gầm xích thông qua một vài hệ thống căng xích, bánh chạy không được nâng trên một cánh tay mà có thể di chuyển theo một cung mà làm thay đổi hình dạng của góc dốc trước. Một bánh chạy không lực tạo lực căng thứ 2 có thể được bổ xung cho hệ thống xích để duy trì độ căng đối với tất cả vị trí của xích. Hình4.6a 35 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình4.6 b Hình 4. 6 Hệ thống xích có thể thay đổi được Khi chịu cả áp lực trong xích và mô men quay điều khiển, bánh xích điều khiển (và các kết cấu điều khiển liên kết) là một phần dễ tổn hại nhất của một hệ thống xích. Chúng có thể có vị trí hoặc ở phía trước hoặc ở phía sau của xích, tuy vậy chúng thường được sử dụng trong bộ phận đằng sau để giữ chúng rời xa khỏi các va chạm không thể tránh được ở phía trước khi xe di động. một giải pháp tốt là nâng bánh xích dẫn động lên khỏi mặt đất di tránh cho bánh xích va chạm chướng ngại trên mặt đường. Kết cấu này mang lại một hình dạng xích phổ biến, như chỉ trong hình 4.5 c. Có một cách đơn giản để mở rộng khả năng di động là ráp thêm một nhánh nối có độ dốc với khung gầm hoặc thân phương tiện. Nhánh này dốc, không chuyển động và mở rộng phía trước và phía trên các xích và trượt trên các chướng ngại vật cao hơn xích. Điều này truyền cho xe có khả năng vượt qua các chướng ngại vật mà cao hơn hệ thống xích vốn có. Như vậy ta có thể dùng cách đó như một mẹo hay để tăng khả năng hoạt động, nghĩa là gắn thêm các phần cố định , có độ dốc cho xe. 4.5 Hệ thống căng xích Không gian giữa bánh xích điều khiển và bánh quay theo cần phải được tiếp xúc đều nhau với mặt đất để đạt được hiệu quả cao nhất của xích. Điều này được thực hiện bằng một vài cách.Các điểm khác nhau giữa các phương pháp này là hiệu quả điều khiển, tính phức tạp, và dựa theo đặc tính địa hình. Đặc biệt là đối với các xích dài, nửa trên cũng cần được hỗ trợ căng xích, thường dùng ở đây là một bánh lăn thụ động 36 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot đơn giản hoặc là một dãy phân bố đều giữa bánh xích điều khiển và bánh xích quay không. Các phương pháp chính để căng xích là :  Các cánh dẫn hướng.  Các bánh con cố định tạo biên dạng.  Các cặp bánh con cân bằng tạo biên dạng.  Các bánh con tạo biên dạng được đỡ trên các trục lò xo… Các cánh dẫn hướng là các bánh ray đơn giản mà thường được thiết kế chạy trong các rãnh dẫn hình chữ V dọc theo chiều dài xích. Chúng có thể được kéo dài từ đầu này đến đầu kia xích, hiệu quả nhất là dọc toàn bộ chiều dài của xích. Tuy vậy, chúng cũng gặp vấn đề khi có bề mặt dễ trượt dài mà trong thực tế không thể được bôi trơn. Một bước cải tiến là thay đổi từ các cánh dẫn hướng đến các bánh con cố định tạo biên dạng thể hiện ở hình 4.7. Đây là các bánh lăn trên chốt trụ ngắn định vị trên khung phương tiện. Các bánh này có thể tương đối nhỏ so với bánh xích, khi lăn lên chướng ngại vật chúng vẫn giữ được biên dạng cho xích . Chúng tạo diện tích tiếp xúc với đất như cánh dẫn hướng nhưng có hiệu quả nhiều hơn nhiều. Các bánh lăn cố định là một sự lựa chọn tốt đối với hệ thống xích. Hình 4. 7 Các bánh lăn. Địa hình mấp mô làm giảm hiệu quả của xích, bởi vì khung gầm phương tiện bị trèo lên hoặc trèo xuống va chạm với địa hình gồ ghề. Chuyển động này đặc biệt cần loại bỏ ở tốc độ cao. Cách bố hệ thống cần lắc cân bằng được sử dụng trên các xe có bánh thì hầu như hiệu quả trên các xích trong trường hợp này. Các bánh lăn được đỡ từng cặp trên cần lắc cân bằng bố trí giữa bánh đĩa điều khiển và bánh quay theo. Các cần lắc cân bằng (hình 4.8) cho phép xích biến đổi không đáng kể khi đi ngang qua 37 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot địa hình gồ ghề, nó làm giảm chuyển động theo phương thẳng đứng của khung. Các bánh lăn sẽ tạo áp lực căng xích. Hình 4. 8 Căng xích dùng cần lắc cân bằng. Phương án tương tự nhưng phức tạp nhất, và cũng hiệu quả và chuyển động êm nhất là gắn lên các bánh lăn các trục có lò xo, có 3 loại chính của các hệ thống căng đai thường được sử dụng.  Tay kéo trên lò xo xoắn.  Tay kéo với lò xo cuộn.  Lò xo lá cân bằng. Tay kéo trên lò xo xoắn được vẽ trong hình 4.9. Nó là một thiết bị đơn giản dựa vào sự xoắn của lò xo, nó quay xung quanh tâm lò xo xoắn gắn trên khung.Bánh lăn gắn ở đầu còn lại của tay kéo và tạo ra lực luôn tì lên xích. Ta cũng có thể hỗ trợ phần cuối của tay kéo với một lò xo (hình 4.10). Ưu điểm của lò xo cuộn trên hệ thống căng xích dùng lò xo xoắn là vật nặng được hỗ trợ bởi lò xo rất gần với điểm trọng tải, làm giảm các lực và các mômen cho tay kéo. Điều này có thể làm giảm tải cho hệ thốngcăng xích. Hệ thống đặt ở bên trong không gian xích tốt hơn là bên trong khung gầm phương tiện. 38 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 9 Căng đai dùng lò xo xoắn Hình 4. 10 Căng đai dùng các lò xo cuộn. 39 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Một sự thay đổi đơn giản của hệ thống cần lắc cân bằng là dùng các lò xo lá (hình 4.11). Điều này làm giảm chấn động va chạm tới cần lắc cân bằng và là một cách đơn giản hơn. Các cần lắc cân bằng thường rất cứng lên vẫn cho phép các bánh lăn tạo ra các sự di chuyển lớn. Hệ thống này có thể dùng bổ xung nếu xích không đủ độ êm và lướt đi yêu cầu. Hình 4.11 dùng các bánh con lăn kép. Hình 4. 11 Căng đai dùng lò xo lá 4.6 Các kết cấu của hệ thống xích 4.6.1 Bộ truyền động điều khiển một xích Kết cấu bố trí xích đơn giản nhất là bố trí mà chỉ sử dụng một xích. Bố trí này, trên thực tế còn tồn tại ít nhất một dạng, và tính di động khá tốt. Dạng thường gặp là của xe một xích chạy trên tuyết và băng. Mặc dù các xe này được thiết kế dành riêng cho sử dụng trên tuyết, các bánh xe thay thế ván trượt, chúng cũng có thể được sử dụng trên các mặt phẳng cứng. Áp lực lên xích trên tuyết nhỏ hơn nhiều so với trên mặt đất. Khả năng di động được quyết định bởi 2 điểm : các bánh cần được đẩy vượt lên trên các chướng ngại vật và sự dẫn hướng được thực hiện bởi hệ thống Ackerman, nó sẽ ngăn chặn việc quay trong không gian. Hình 4.12 là kết cấu dùng xích dốc thoải phía trước phổ biến trên các xe chạy bằng máy trên tuyết 40 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 12 Một xích, 2 bánh trước điều khiển: hệ thống lái Ackerman 4.6.2 Bộ truyền động điều khiển 2 xích Kết cấu dùng 2 xích thì phổ biến hơn rất nhiều. Dạng cơ bản của nó đơn giản, dễ hiểu, và tương đối dễ để xây dựng. Hai xích được gắn vào 2 bên, và mỗi bánh dẫn động được cấp nguồn bởi mỗi động cơ riêng. Các thiết kế cứng vững thực chất có động cơ được đỡ bên trong khung và được gắn trực tiếp vào bánh xích điều khiển. Khi bánh xích điều khiển cần rẽ thì điều khiển tốc độ 2 động cơ lệch nhau, hầu như luôn có một phương án giảm tốc động cơ phục vụ cho bộ truyền động. Hình 4.13 cho thấy một bố trí 2 xích, với các động cơ điều khiển, các hộp số, các thanh dẫn hướng cố định của xích, và các xích không dốc thoải. Kết cấu này đại diện cho bố trí đơn giản nhất của một xe có bánh xích. 41 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 13 Bố trí 2 xích cơ bản. 4.6.3 Bộ truyền động 2 xích với các hệ thống thiết bị lái riêng rẽ Một kết cấu phức tạp hơn, nhưng kém hiệu quả hơn là kết cấu 2 xích được điều khiển thông qua bộ truyền động vi sai, và robot được lái bởi một tập các bánh xe được gắn trên xích. Bố trí này sử dụng khi các toa xe lớn không có đủ ma sát trên các con đường không chuẩn bị trước,thay thế các bánh xe phía sau bằng thành cách hệ thống xích mang xấp xỉ khối lượng như nhau. Kết cấu này (hình 4.14) được gọi các xích một nửa. Sự thay đổi đáng chú ý của bố trí 2 xích là đặt 2 xích nội tuyến (inline), một xích ở đằng trước một xích khác (hình 4.14). Trạng thái ổn định được duy trì bằng cách tạo các xích đủ rộng, và thiết bị lái được hoàn thành với một khớp nối giữa 2 xích. Các xích buộc phải được hỗ trợ từ các mặt phẳng (side), giống như trên một xe chạy bằng máy trên tuyết. Năng lượng của thiết bị lái đựơc truyền thông qua một hoặc hai cơ cấu truyền động tuyến tính hoặc quay là bộ phận của chỗ nối có khớp nối. Khi các xích chắc chắn thẳng dọc theo nhau, hình dạng cung trên mỗi xích không tạo ra bất kì sự lắc lư nào. Hệ thống này có tính di động lớn, nhưng xích một nửa không thể quay trong không gian. Nó sẽ có khả năng làm việc rất tốt đối với các xe sử dụng trên tuyết hoặc trên cát. 2 xích có thể hoặc mang các khung của chúng hoặc gắn trên một khung đơn có gắn vào trục nối vạn năng. 42 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 14 Xích 2 bánh rộng, fore-and-aft 4.6.4 Các bộ truyền động có 4 nhánh xích điều khiển. Việc thêm vào nhiều hơn các xích sẽ làm tăng tính di động của xe. Có một vài vấn đề với cách tiếp cần này. Thêm vào nhiều hơn các xích có nghĩa là tất yếu có nhiều phần chuyển động hơn, nhưng nó cũng thường có nghĩa là tạo ra xe dài hơn. Kết cấu tốt nhất là bố trí mà thêm nhiều hơn các xích với số lượng ít nhất của các phần chuyển động thêm vào, và giữ xe có chiều dài cần thiết. Tiêu chí cuối dành cho một kết cấu có khả năng thay đổi cấu hình, kết cấu cần chiều dài dài hơn khi cần thiết. Kết cấu này được triển khai trong 2 cách khác nhau. Hình 4.15 cho thấy kết cấu chung của Urbie telerobotic iRobot. Bố trí này sử dụng cơ cấu truyền động thứ 3 để điều khiển một cặp xích tay trèo quay xung quanh các bánh quay theo ở trước. Chúng được vận hành bởi các động cơ giống nhau và luôn luôn quay cùng động cơ. Bố trí này biểu diễn hình dạng đơn giản nhất của xe 4 nhánh xích, và có khả năng di chuyển rất cao. 43 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 15 IRobot’s Urbie, a four-tracked teleoperated robot layout Trọng tâm của Urbie được đặt ở phía trên đầu của xe, với các chân trèo được kéo dài, Urbie có thể trèo qua khe nứt mà rộng hơn một nửa chiều dài của xe cơ bản. Vị trí trọng tâm này cũng làm cho các chân chèo có khả năng lật robot lên trên nếu nó bị đảo ngược. Khi các chân trèo quay, chúng tạo độ dốc lớn, Urbie có thể trèo qua các chướng ngại vật mà cao hơn chiều cao toàn bộ của xích cơ bản. Ở đây cũng có các chức năng khác, chân trèo có thể thực hiện không liên quan tới tính di động, giống như khả năng đứng. Điều này làm cho robot cao hơn và cho phép một camera được đặt vi trí chiến lược để nhìn khắp vùng địa hình. 44 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4.16a. Hình 4.16b. Hình 4. 16 Các chân trèo chiều dài như nhau, trục xe giữa dùng chung. Một kết cấu gần với bố trí của Urbie (hình 4.17 a-b) là kết cấu mà ở đó các cặp xích có kích thước giống nhau, được gắn lên cùng trục giữa. Có 2 loại cơ cấu truyền động khác nhau để cung cấp lực một cách độc lập cho 4 nhánh xích và một cơ cấu truyền động thứ 5 để cung cấp lực cho trục giữa nâng lên hạ xuống. Thủ thuật này làm nâng toàn bộ khung, nhưng nó cũng làm tăng khả năng lăn khi ma sát là không cần lớn. Bố trí có thể cấu hình lại này bao gồm tính di động cao. 4.6.5 Các bộ truyền động có 6 bánh xích. Đây là một bố trí xích cuối cùng (hình 4.17) .Nó là một sự mở rộng của thiết kế Urbie, nhưng trên thực tế được sáng chế trước kết cấu Urbie. Bố trí tăng lên 2 nhánh xích.Các chân trèo cả đằng trước và đằng sau, được điều khiển độc lập.Bố trí này cho phép xe đứng lên gần giống trong hình 4.16. Chân trèo kép kéo dài chiều dài phương tiện, làm dễ dàng vượt qua các kẽ nứt rộng và trèo lên các bặc thang, song vẫn chưa cho phép để quay trong không gian một lối hẹp. 45 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 17 2 bánh xích, chân chèo kép. 4.7 Phương án thiết kế 4.7.1 Ý tưởng chung Trước khi bước vào thiết kế, ta sẽ điểm qua về chức năng và giới hạn của robot theo yêu cầu đã đặt ra. Ta cần chế tạo một mobile robot di chuyển dùng xích có thể thực hiện được nhiều nhiệm vụ trong nhà cũng như ngoài trời. Robot có thể vượt qua địa hình gập nghềnh,mấp mô bất kì, có thể leo cầu thang thông thường, có thể nhận biết (theo màu, hình dạng…) của một vật và tự di chuyển theo vật đó. Cùng với những hiều biết ở chương trước, ta sẽ đi thiết kế một mobile robot mới phù hợp với những yêu cầu đặt ra. Yêu cầu nhiệm vụ cụ thể địa hình cần vượt qua của robot phục vụ cho thiết kế cơ khí là:  Chiều cao của địa hình có thể vượt qua: 100 mm  Chiều dài địa hình không liên tục có thể vượt qua: 200 mm  Góc nghiêng địa hình có thể đi ổn định: 300 4.7.2 Kích thước và hình dáng tổng thể của robot. Từ những phân tích về kết cấu, ta quyết định lựa chọn phương án kết cấu robot gồm 2 cặp đai. Trong đó thân chính của robot gồm có 1cặp đai đối xứng 2 bên, nhánh trên của robot là 2 tay gạt chuyển động nhờ đai . Với kết cấu này robot có khả năng vượt những chướng ngại vật cao không quá 2/3 chiều dài lớn nhất của nó một cách dễ dàng 46 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 18 Bản vẽ thiết kế của robot Hình 4. 19 Robot sau khi chế tạo 47 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Kích thước chính của robot  Kích thước dài nhất:Lmax=490 mm  Kích thước rộng nhất:Wmax= 380 mm  Kích thước cao nhất:Hmax= 124 mm 4.7.3 Kết cấu đai được lựa chọn Trong pham vi đồ án này, chúng tôi sử dụng đai thay thế cho hệ thống xích bởi những lí do sau:  Do kích thước của robot là tương đối nhỏ nên việc dùng xích là khó khăn vì khối lượng xích rất nặng nề.  Việc chế tạo xích đạt yêu cầu là cả một công việc phức tạp tốn nhiều công sức, trong khi đó việc dùng đai tỏ ra ưu việt hơn. Vật liệu là đai vốn mềm và có khả năng ma xát tốt, việc tạo đai theo yêu cầu bám đường thực hiện đơn giản hơn rất nhiều so với chế tạo xích. Kết cấu robot sẽ đơn giả hơn mà vẫn có hiệu quả cao. Khối lượng robot theo đó cũng sẽ giảm đáng kể, động cơ và nguồn cung cấp cũng sẽ có nhiều sự lựa chon hợp lý hơn…  Tuy nhiên việc lựa chọn đai cũng cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:  Đai có khả năng chuyền chuyển động tốt, hiệu quả, không xảy ra hiện tượng trượt đai,dão đai trong quá trình hoạt động.  Hệ thống đai phải có mặt ngoài ma sát tương đối tôt, đảm bảo cho robot luôn bám địa hình, đặc biệt trong địa hình gồ ghề đai phải tạo ma sát đủ lớn để robot có thể vượt qua.  Với những yêu cầu trên đai có hình dáng thiết và thông số như sau:  Hình dáng tổng thể: • Đai dùng cho nhánh chính: 48 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 20 Đai dùng cho nhánh chí • Đai dùng cho nhánh tay: Hình 4. 21 Đai dùng cho nhánh tay  Cấu tạo, kích thước chính: • Đai 1 mặt (mặt trong)  Nhánh chínhcó chu vi:C1=804 mm,nhánh tay:C2=562 mm.  Môđun: m= 3  Bề rộng Wđai=25 mm • Miếng tạo ma sát cho mặt ngoài đai(cao su), được dán mặt ngoài của đai kích thước: LxWx H =24x7x4. 49 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot 4.7.4 Kết cấu nhánh chính 4.7.4.1 Nhiệm vụ Nhánh chính có những nhiệm vụ sau:  Tạo chuyển động chính cho cả robot di chuyển đồng thời là bộ phận dẫn hướng chính trong khi chuyển động.  Chứa động cơ và nguồn cấp năng lượng(acquy), mạch điều khiển và thiết bị giao tiếp, trao đổi tín hiệu(camera).  Cấu tạo gồm những bộ phận chính sau: - Cụm bánh đai dẫn động(số lượng 2). - Cụm bánh đai theo (số lượng 2). - Trục trước(số lượng 2). - Khung(số lượng 1). 4.7.4.2 Bánh đai dẫn động Chức năng, cấu tạo:được lắp trực tiếp trên trục động cơ dẫn động và được truyền chuyển động nhờ chốt chuyền, được cố định đầu trục nhờ 2 vít M3 tì lên đệm đàn hồi và chốt chuyền(đệm đàn hồi lắp ở đầu trục động cơ). Bánh truyền chuyển động sang đai và có 2 tấm hãm 2 bên (được bắt vào bánh nhờ 4 vít M3 mỗi bên) giữ đai không tuột khi chuyển động. Hình dạng:  Bánh đai dẫn động: • Hình dạng: Hình 4. 22 Bánh đai dẫn động • Kích thước chính:  Đường kính ngoài Ø102  Môđun m =3  Số răng :n=34 50 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot  Bề dày: Wbánhđai= 25 mm  Chốt truyền: • Hình dạng Hình 4. 23 Chốt truyền • Kích thước: Ø2, dài lct=12 mm  Vòng chặn đai Hình 4. 24 Vòng chặn đai  Vòng đàn hồi 51 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 25 Vòng đàn hồi  Cụm chi tiết bánh đai dẫn động: Hình 4. 26 Lắp ghép của cụm chi tiết bánh đai dẫn động 52 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot 4.7.4.3 Trục trước Nhiệm vụ:  Truyền mômen động cơ để quay nhánh tay của robot.  Đóng vai trò là trục quay của bánh đai theo và bánh lớn của nhánh tay gạt , những bánh này lắp với trục thông qua ổ bi. Cấu tạo:  Hình dạng: Hình 4. 27 Trục trước 4.7.4.4 Bánh đai theo. Nhiệm vụ:  Tạo với cụm bánh đai dẫn động thành khối chuyển động chính của robot.  Truyền chuyển động cho đai của nhánh tay gạt.  Cấu tạo  Hình dáng: 53 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 28 Bánh đai theo  Kích thước chính: • Đường kính ngoài Ø102 • Môđun m =3 • Số răng :n=34 • Bề dày: Wbánhđai= 25 mm 4.7.4.5 Khung Nhiệm vụ: là nơi gá đỡ của trục, động cơ, mạch điều khiển, nguồn cấp, webcam… Cấu tạo:  Hình dạng: Hình 4. 29 Khung dưới 4.7.4.6 Thanh tăng cứng cho khung Nhiệm vụ :tạo độ song song giữa 2 mặt bên của khung. Cấu tạo: 54 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 30 Thanh tăng cứng cho khung 4.7.4.7 Bánh căng đai dưới Cấu tạo: Hình 4. 31 Bánh căng đai dưới 4.7.4.8 Bánh căng đai trên. Cấu tạo: 55 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Hình 4. 32 Bánh căng đai trên 4.7.5 Kết cấu nhánh tay quay 4.7.5.1 Nhiệm vụ Liên kết với nhánh chính tạo ra khối chuyển động trong khi di chuyển trên địa hình không quá gồ ghề. Có nhiệm vụ nâng robot, bám địa hình khi gặp những chướng ngai vật lớn. Một nhiệm vụ quan trọng nữa là để dồn trọng tâm robot về phía trước hạn chế cho robot không bị lật ngửa khi đi trên địa hình dốc. 4.7.5.2 Bánh đai lớn Cấu tạo: Giống bánh theo của nhánh chính 4.7.5.3 Bánh đai nhỏ Cấu tạo: Hình 4. 33 Bánh đai nhỏ Kích thước chính:  Đường kính ngoài: Ø101,8 56 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot  Môđun: m=3  Số răng: n= 16  Bước răng: 9,42 4.7.5.4 Tấm tay đỡ Cấu tạo: Hình 4. 34 Tấm tay đỡ 4.7.5.5 Cấu tạo cụm chi tiết Bánh đai lớn được bắt với bánh theo bởi 4 Bulông M5, nhằm chuyền moment quay từ bánh theo sang bánh lớn. Cả 2 bánh được lắp trên trục thông qua những ổ bi, được cố định nhờ ghờ trục và hệ thống các bạc lót. Nhờ vậy bánh theo và bánh lớn có thể quay lồng không với trục. Vì trục nối với động cơ trục vít nên sẽ có tính tự hãm, khi 2 bánh quay nhánh tay quay sẽ chỉ có chuyển động của đai đồng bộ với đai của nhánh chính. Hình 4. 35 Lắp ghép và cố định 2 bánh 57 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Tấm tay quay được gắn cứng với bạc xẻ rãnh, bạc nàylắp trên trục và được truyền moment quay thông qua chốt. Đầu trục được cố định bởi đai ốc 6 rãnh. Tấm tay quay làm nhiệm vụ nâng robot khi cần, đổng thời góp phần chống trượt cho đai. Hình 4. 36 Lắp ghép cho tấm tay quay Trên tấm tay quay có gắn 2 miếng nhôm chữ L để tăng cứng, đầu trên tấm tay quay bắt bulông qua có tác dụng như trục quay cho bánh nhỏ , một đầu cố định bằng đai ốc và đệm vênh. Hình 4. 37 Lắp ghép cho bánh nhỏ 58 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot 4.8 Tính chọn động cơ Robot hoạt động nhờ 4 động cơ , 2 động cơ đối xứng phía sau làm nhiệm vụ tạo moment chuyển động chính của robot, 2 động cơ đối xứng phía trước có nhiệm vụ tạo chuyển động quay của cánh tay robot. 4.8.1 Động cơ phía sau Hình 4. 38 Sơ đồ đặt lực robot Theo hình 6.20, có:  θ : góc ngiêng của nền  r: bán kính bánh  v: vận tốc robot  FN : Áp lực lên nền,FN= m.g.cosθ  Fw :Lực cản do trọng lượng robot, Fw = m.g.sinθ (4.8.1)  Ff : Lực ma sát , Ff = μ.m.g.cosθ – với μ là hệ số ma sát phụ thuộc tính chất nền và đai  Fapp :Lực kéo của động cơ Để robot có thể chuyển động thì: Fapp= Ff + Fw (4.8.2) Fapp= m.g.sinθ + μ.m.g.cosθ Fapp= m.g.(sinθ + μ.cosθ) (4.8.3) Công suất cần thiết của động cơ : P = 1/2.Fapp.v (4.8.4) P =1/2. m.g.(sinθ + μ.cosθ).v (4.8.5) Moment khởi động cần thiết: T = P/ω = P.r/v (4.8.6) Kết quả thực tế robot có khối lượng : m = 15 kg , góc nghiêng địa hình yêu cầu θ=300 , vận tốc yêu cầu của robot :v = 0,15 m/s, lấy μ=0,3, r = 56 mm =0,056 m 59 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot Vậy P = 1/2. 15.9,8.(sin 300 + 0,015.cos300) = 37,7 W T =37,7.0,056/0,15=14 Nm Động cơ lựa chọn : GMN6MP026A Matsushita Geared dual shaft servo motor Nguồn cấp: 22V Tốc độ :110 rpm (11,5 rad/s) Do điều kiện động cơ mua không rõ thông số nên khả năng của động cơ được xác định qua thực nghiệm. Động cơ trên thỏa mãn những tính toán đã nêu. 4.8.2 Động cơ phía trước Động cơ phía trước chỉ có nhiệm vụ nâng cánh tay nên tải trọng là không đáng kể, tuy nhiên cần có khả năng tự hãm để đảm bảo góc nghiêng ổn định khi robot di chuyển cũng như va chạm. Vì thế động cơ lựa chọn là động cơ có bộ truyền trục vít – bánh vít. 4.9 Khả năng hoạt động của robot Robot với 2 nhánh đai lên rất linh hoạt trong khi di chuyển. Bình thường, robot dùng chủ yếu 2 dãy đai của nhánh chính để phục vụ di chuyển bằng phẳng. Nhờ có ma sát lớn giữa đai và bề mặt địa hình, robot di chuyển dễ dàng qua địa hình thấp có chiều cao không lớn hơn gầm robot hoặc có thể cao hơn một chút. Khi gặp địa hình có chướng ngại cao hơn gầm robot, 2 tay phía trước của robot sẽ được khởi động ấn xuống nâng gầm robot cao hơn chướng ngại. Lực ma sát của đai và địa hình tại những điểm tiếp xúc giữ cho robot bám bề mặt không bị trượt . Lúc này phản lực từ địa hình lên robot cũng giảm đáng kể động cơ dẫn động phía sau sẽ cung cấp moment cho bánh đai cả 2 nhánh cùng lăn, đẩy robot tiến lên phía trước.Điểm thú vị ở đây là cả 2 nhánh đai luôn cùng chuyển động, các bánh đai luôn quay lên tổng lực đẩy robot về phía trước là khá lớn. Nhánh tay ở những vị trí thích hợp sẽ có thể tạo lực đẩy lớn hơn cho robot, hạn chế bớt phản lực từ bề mặt địa hình Ở hình a ta thấy lực ma sát lên bề mặt chướng ngại vật là nhỏ do bề mặt diện tích tiếp xúc nhỏ, trong khi đó phản lực về robot từ bề mặt đó tăng khi lực phát động tăng. Đai có xu hướng trượt trên bền mặt địa hình. Robot sẽ không vượt qua được chướng ngại vật Để robot vượt qua chướng ngại vật, tay phía trước được nâng lên như hình b. Lúc này lực ma sát trên bề mặt đai ngoài nhánh tay lớn, đai sẽ không bị trượt, đồng thời phản lực từ bề mặt địa hinh nhỏ hơn rất nhiều, lúc này lực phát động chỉ cần chống lại thành phần lực của trọng lượng robot gây ra và các lực ma sát giữa các bộ phận trong robot. Với một động cơ khỏe robot sẽ được đẩy lên phía trước 60 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot a, Fms Fpl Fms Fpd b, a Fms G F1 Fms G.sina F2 c, Fms Fms F1 F2 G.sina a d, e, Hình 4. 39 Minh họa robot vượt qua chướng ngại vật 61 Đồ Án Tốt Nghiệp Tracked Mobile Robot CHƯƠNG V THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ROBOT 5.1 Cơ cấu chấp hành Như chúng ta đã biết, để thực hiện một chuyển động tịnh tiến hay một chuyển động quay thi phải cần đến một cơ cấu chấp hành, đó có thể là hệ thống truyền động thủy lực cũng có thể là hệ thống truyền động thủy khí hay là hệ thống truyền động điện. Mỗi một hệ thống đều có mặt mạnh và nặt yếu của nó, ví như hệ thống truyền động thủy lực và hệ thống truyền động thủy khí thì chịu tải lớn nhưng cấu tạo phức tạp và cồng kềnh còn hệ thống truyền động điện chịu tải nhỏ hơn nhưng nhỏ gọn và thông dụng. Với những phân tích trên đây, đối với đề tài tốt nghiệp này yêu cầu nhỏ gọn và đơn giản thì phương án được chọn ở đây là sử dụng hệ thống truyền động điện. Để nâng cao khả năng chịu tải của hệ thống truyền động điện thì lắp thêm các hộp giảm tốc(cũng có tác dụng tăng khả năng chịu tải) ở đầu ra của hệ thống. Cả module nói trên được đóng gói thành sản phẩm có bán trên thị trường đó là động cơ điện có gắn hộp giảm tốc ở đầu ra. Để truyền động cho dây đai(hệ thống tạo chuyển động của robot) thì chúng ta dùng hai động cơ điện một chiều(DC-24V) có gắn hộp giảm tốc khai triển hai cấp ở đầu ra. Để truyền động cho hai cánh tay phía trước(nhằm tạo góc nâng cho robot vượt chưởng ngại vật) thì chúng ta dùng hai động cơ điện một chiều (DC-12V) có gắn hộp giảm tốc trục vít-bánh vít ở đầu ra. Ở đây chúng ta dùng động cơ có gằn hộp giảm tốc trục vít-bánh vít ở đầu ra là vì loại hộp giảm tốc này có khả năng tự hãm(không cho chuyển động theo chiều ngược lại khi có tải nếu không được cấp điện), khả năng tự

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfTH103.pdf