Đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng - Nhóm sản phẩm Robot RP

hối mạch điều khiển động cơ điện 1 chiều (DM) Hình 1.1.31 a - Sơ đồ mạch logic và điều khiển động cơ DM1 Hình 1.1.31 b Sơ đồ mạch logic và điều khiển động cơ DM 2 Lệnh quay Mạch logic điều khiển động cơ Chiều quay Khuếch đại công suất DM1 Tải 1 (quay thân RB) Bộ mã vị trí Tạo xung đếm Xung đếm vị trí Lệnh quay Mạch logic điều khiển động cơ Chiều quay Khuếch đại công suất DM2 Tải 2 (quay thân RB) Bộ mã vị trí Tạo xung đếm Xung đếm vị trí 59 Hình 1.1.31 c Sơ đồ mạch logic và điều khiển động cơ DM 3 3. Mạch logic và điều khiển động cơ b−ớc. Trên hình 1.1.32 là các sơ đồ khối mạch logic và điều khiển động cơ b−ớc (SM) Hình 1.1.32 a – Sơ đồ khối mạch logic và điều khiển động cơ SM 4 Lệnh quay Mạch logic điều khiển động cơ Chiều quay Khuếch đại công suất DM3 Tải 3 (quay thân RB) Bộ mã vị trí Tạo xung đếm Xung đếm vị trí Lệnh quay Mạch logic điều khiển động cơ Chiều quay Bộ tạo xung Khuếch đại công suất Động cơ b−ớc SM4 Tải 4 (quay tay RB) Tạo xung đếm Xung đếm vị trí 60 Hình 1.1.32 b – Sơ đồ mạch logic và điều khiển động cơ b−ớc SM 5 Hình 1.1.32 c – Sơ đồ mạch logic và điều khiển động cơ SM 6 và SM 7 4. Mạch các bộ đếm xung Trên hình 1.1.33 là sơ đồi khối mạch các bộ đếm xung Lệnh quay Mạch logic điều khiển động cơ Chiều quay Bộ tạo xung Khuếch đại công suất Động cơ b−ớc SM5 Tải 5 (quay tay RB) Tạo xung đếm Xung đếm vị trí Lệnh quay Mạch logic điều khiển động cơ Chiều quay Bộ tạo xung Khuếch đại công suất Động cơ b−ớc SM6 và SM7 Tải 6 và 7 (quay tay đóng mở bàn kẹp) Tạo xung đếm Xung đếm vị trí 61 Hình 1.1.33 a Sơ đồ khối mạch các bộ đếm xung 1, 2, 3 Hình 1.1.33 – b Sơ đồ khối mạch các bộ đếm xung 4, 5, 6 Xung đếm 1 Bộ đếm 1 (16 bits) Bộ đếm 2 (16 bits) Xung đếm 3 Bộ đếm 3 (16 bits) Xung đếm 2 Lệnh xoá Bộ đếm vào Bộ đếm vào Bộ đếm vào Gọi địa chỉ Xung đếm 1 Bộ đếm 4 (16 bits) Bộ đếm 5 (16 bits) Bộ đếm 6 (16 bits) Lệnh xoá Bộ đếm vào Bộ đếm vào Bộ đếm vào Gọi địa chỉ Xung đếm 3 Xung đếm 2 62 6.2.4 Thiết kế chi tiết 1. Bộ giao tiếp điều khiển Hệ thống điều khiển Robot đ−ợc kết nối với máy tính PC thông qua cổng điều khiển máy in cho phép xuất nhập dữ liệu điều khiển 7 động cơ quay theo các chiều khác nhau để thực hiện đ−a tay RP-02 đi theo những hành trình đ−ợc xác định tr−ớc nhờ các ch−ơng trình điều khiển khác nhau đ−ợc nhập vào máy tính. Trên hình 1.1.34 là Sơ đồ nguyên lý bộ giao tiếp điều khiển 1 IC: 74245 Bộ đếm dữ liệu ra 1 IC: 74373 Bộ chốt địa chỉ 1 IC: 74373 Khoá đóng mở dữ liệu ra 1 IC: 74373 Bộ đệm dữ liệu ra 1 IC: 7400 Bộ tạo xung vào ra 1 IC: 7400 1 IC: 74257 Bộ đệm dữ liệu vào 2 IC: 74138 2 IC: 7432 Bộ giải mã địa chỉ cổng 2 IC: 7404 1 IC: 74373 Bộ đệm dữ liệu vào Các đ−ờng dữ liệu ra từ máy tính qua cổng máy in vừa đ−ợc sử dụng để tạo địa chỉ cho các khớp quay vừa để tạo ra các lệnh quay và chiều quay phù hợp với ch−ơng trình điều khiển. 63 2. Cảm biến tạo xung vị trí Cảm biến là một đĩa mà trên có đục các lỗ mà ánh sáng có thể đi qua, hai bên có gắn các bộ thu phát tia hồng ngoại xuyên qua các lỗ đục Hình 1.1.35. Sơ đồ cảm biến tạo xung Trên hình 1.1.35 là bộ thu phát quang dùng diode hồng ngoại và phototranzitor tín hiệu đ−ợc khuếch đại nhờ một bộ khuyết đại thuật toán sử dụng IC LM 358. Khi đĩa quay theo động cơ nó sẽ làm thay đổi ánh sáng của diode chiếu lên transitor tín hiệu đó đ−ợc khuếch đại lên thành các xung vuông đ−a về đầu vào mạch đếm. 3. Các bộ đếm. Khi động cơ quay sẽ tạo ra các xung cảm biến nhờ các bộ cảm biến các xung này đ−ợc đ−a tới các bộ đếm t−ơng ứng với các động cơ quay của các khớp t−ơng ứng. Hình 1.1.36 là sơ đồ bộ đếm 65 Sử dụng các bộ đếm CMOS: 4040 tạo thành bộ đếm 16 bits Các bộ đếm dữ liệu vào 74373 Bộ đếm đ−ợc điều khiển bởi các xung xoá và các xung gọi địa chỉ đọc dữ liệu vào từ bộ giao tiếp điều khiển. Dữ liệu của bộ đếm 16 bits đ−ợc đọc vào từng 8 bits một qua bus dữ liệu của bộ giao tiếp điều khiển và đ−a vào máy tính PC. 4. Mạch logic và công suất điều khiển động cơ 1 chiều Các khớp quay của RP - 02 có 3 động cơ 1 chiều đ−ợc điều khiển quay theo chiều đã định nhờ mạch logic và điều khiển. Mạch logic sử dụng IC 7400 tạo chiều quay và lệnh quay cho động cơ nhờ vào các lệnh điều khiển và quay từ bộ giao tiếp điều khiển đ−a tới. Mạch công suất sử dụng cầu gồm 4 transitor công suất lớn. Trong đó còn có mạch hạn chế phạm vi hoạt động của các khớp quay thiết kế trên các IC: 7400; 7432, 7408, 4066 tạo ra các lệnh dừng động cơ khi tới các giới hạn quay của các khớp. 5. Mạch logic và điều khiển động cơ b−ớc Các khớp quay của RP-02 đ−ợc thực hiện trên 3 động cơ b−ớc cùng với tay gắp cũng trên 1 động cơ b−ớc. Mạch logic và điều khiển động cơ b−ớc thiết kế trên các IC: 4093, 7474, 74257, 7406, 4066 và các transitor công suất lớn cho phép tạo ra các xung điều khiển làm quay động cơ b−ớc theo các chiều xác định nhờ ch−ơng trình điều khiển. Sơ đồ mạch điều khiển của 1 động cơ b−ớc cho trên hình 1.1.37 67 6.3. Điều khiển Robocar RP-01 bằng PLC 1. Mục đích yêu cầu Robocar RP-01 là robot tự hành phục vụ cho các công việc trong phân x−ởng. Nó có thể tự di chuyển đến nơi cần làm việc bằng một khung xe 3 bánh. Tay máy đặt trên xe là tay máy đ−ợc cải tiến từ Robot RP. Hệ điều khiển của Robcar RP-01 sử dụng PLC S7-200 của hãng Siemens. Về phần mềm đ−ợc viết bằng ph−ơng pháp hình thang Ladder trên môi tr−ờng S7-200. Ch−ơng trình phải điều khiển đ−ợc các động cơ một chiều cũng nh− các động cơ b−ớc, đồng thời phải xử lý các tín hiệu từ các sensor gửi về. Về phần cứng sử dụng bộ đếm xung để xác định vị trí của robot RP, các mạch công suất cho động cơ 1 chiều và động cơ b−ớc, các cảm biến vị trí dùng công tác hành trình để giới hạn chuyển động của tay máy. Do Robocar là tay máy tự hành nên nguồn nuôi của hệ điều khiển sẽ sử dụng ắcquy điện áp 24V. Bỏ qua biến áp điện xoay chiều nh−ng vẫn giữ bộ nguồn 5V cho bảng mạch điều khiển. 2. Thiết kế chung 2.1. Sơ đồ khối 68 Hình 1.1.38. Sơ đồ khối hệ điều khiển S7 – 200 PLC Bộ nguồn cung cấp Mạch logic và điều khiển động cơ 1 chiều Đ/C 1 Đ/C 2 Đ/C 3 Đ/C X1 Đ/C X2 Tải 1 Tải 2 Tải 3 Tải X1 Tải X2 Các bộ đếm xung Các bộ mã vị trí Các cảm biến vị trí Các bộ đếm xung Mạch logic và điều khiển động cơ b−ớc Đ/C 4 Đ/C 5 Tải 4 Tải 5 69 Do các tín hiệu vào ra của PLC là các tín hiệu điện 5V nên có thể giao tiếp trực tiếp với các bảng mạch điện tử. 2.2. Các bảng mạch điều khiển * Mạch điều khiển động cơ một chiều * Mạch điều khiển động cơ b−ớc Hình 1.1.39 Lệnh quay Chiều quay Mạch logic điều khiển động cơ Mạch khuyết đại công suất DC Các tải (quay, lên, xuống, ngang) Xung đếm vị trí Tạo xung đếm Bộ mã vị trí Lệnh quay Chiều quay Mạch logic điều khiển động cơ Bộ tạo xung Khuyếch đại công suất SM Xung đếm vị trí Tạo xung đếm Tải 70 3. Tính toán các cổng vào/ ra: Thiết bị lập trình ở đây sử dụng PLC S7 – 200, CPU 214, có rất nhiều các hàm và tính năng khác nhau nh−ng ta quan tâm đến các tính năng sau: - Có 14 cổng vào và 10 cổng ra logic - Có 7 modul để mở rộng cổng vào/ra - Tổng số cổng vào/ ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra - 128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi - 3 bộ đếm tốc độ cao với xung nhịp 2KHz và 7 KHz - Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi. Để ghép nối với S7-200 với máy tính PLC qua cổng RS-232 cần có cáp nối với PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485. 3.1. Các cổng điều khiển Đối với một bảng mạch điều khiển động cơ một chiều nh− trên ta cần 2 đầu ra từ PLC để ra lệnh đảo chiều quay và lệnh quay, 1 đầu vào bộ đếm PLC để đếm xung. Đồng thời khi điều khiển DC motor cần xác định điểm đầu cuối nên cần 2 đầu vào PLC từ các công tắc hành trình. Nh− vậy với 5 động cơ một chiều ta cần 10 đầu ra từ PLC và 15 vào PLC. Riêng với động cơ một chiều quay thân robot có 3 công tắc hành trình, nên cần thêm 1 đầu vào. Đối với bảng mạch điều khiển động cơ b−ớc cũng cần 2 đầu ra từ PLC và 2 đầu vào, 1 đầu vào bộ đếm để đếm xung và một từ công tắc hành trình để xác định vị trí đầu. Tóm lại để điều khiển tay máy Robocar RP-01 cải tiến cần 12 đầu ra và 18 đầu vào của PLC. 3.2. Các cổng điều khiển hệ thống sensor và cơ cấu lái xe: 71 Để điều khiển xe tự hành cần một động cơ một chiều X1 để điều khiển h−ớng và một động cơ 1 chiều X2 để điều khiển bánh xe. Ngoài ra còn có các hệ thống sensor nh− sensor dẫn đ−ờng, sensor phát hiện vật... Các tín hiệu của các sensor này sẽ quyết định việc đóng điện cho động cơ bánh xe và điều khiển động cơ điều khiển h−ớng. 6.4. Hệ điều khiển Robocar RP-02 6.4.1. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển * Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển (hình 1.1.40) 72 Hình 1.1.40. Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển Trên Robocar RP Camera vô tuyến Đầu thu tín hiệu từ camera Biến đổi AD Bộ ĐK góc nhìn Máy tính PC - Xử lý tạo ảnh - Tạo lệnh ĐK Robot Ăngten phát Ăngten thu Bộ thu phát vô tuyến Cxite 9600 Ăngten thu Bộ thu phát vô tuyến Cxite 9600 Ăngten thu phát Bộ mã hóa lệnh Điều khiển Trung tâm điều khiển Nhận và giải mã lệnh ĐK Các cảm biến điều khiển và bảo vệ Tạo lệnh ĐK Robot Khối các bộ ĐK công suất Động cơ lái Các động cơ ĐK tay máy Động cơ di chuyển 73 6.4.2. Hoạt động của Robocar RP Robocar RP đ−ợc thiết kế để hoạt động trong một vùng làm việc đã đ−ợc định tr−ớc với một tay máy có 3 bậc tự do đặt trên xe để nhặt và đặt các vật có kích th−ớc đã đ−ợc tính toán tr−ớc. Robocar RP đ−ợc điều khiển từ xa bởi một trung tâm điềukhiển có máy tính PC là thiết bị xử lý và tạo lệnh điều khiển cùng các thiết bị thu phát sóng vô tuyến để mã hóa và bởi ng−ời điều khiển hoặc theo những ch−ơng trình đ−ợc lập sẵn trong PC. Trong quá trình hoạt động mọi thông tin về trạng thái của Robocar đều đ−ợc truyền về máy tính, đồng thời một camera đặt trên xe cũng truyền tín hiệu hình ảnh thu nhận đ−ợc từ đó cho máy tính giúp cho ng−ời điều khiển hoặc ch−ơng trình ra các quyết định điều khiển hoạt động của nó. Hai bộ thu phát và truyền đặt ở Trung tâm Điều khiển và trên Robocar cho phép thành lập một đ−ờng truyền không dây giữa 2 thiết bị. Đây là đ−ờng truyền song công cho phép trao đổi thông tin diễn ra đồng thời theo cả hai chiều từ Trung tâm điều khiển tới Robocar và ng−ợc lại. Các lệnh điều khiển đ−ợc mã hóa và truyền từ Trung tâm điều khiển tới Robocar theo đ−ờng truyền vô tuyến, Robocar thu nhận đ−ợc các tín hiệu lệnh d−ới dạng sóng cao tần và thực hiện giải điều chế, giải mã các lệnh nhận đ−ợc để thực hiện. Các thông tin trạng thái của Robocar cũng đ−ợc bộ điều khiển của nó thu nhận rồi mã hóa và điều chế để gửi về trung tâm ĐK. Số lệnh điều khiển cơ bản của Robocar là 60 lệnh và số thông tin trạng thái truyền về trung tâm điều khiển cũng t−ơng ứng nh− vậy. Ngoài việc thực hiện các lệnh điều khiển từ trung tâm ĐK, trên Robocar còn có trang bị các cảm biến điều khiển và bảo vệ nh− bộ đo cự ly từ xe đến vật cản, bộ cảm biến màu sắc v.v. giúp cho Robocar tự quyết định hoạt động của nó khi cần thiết, nhờ đó mà các hoạt động đ−ợc linh hoạt và hòan thiện hơn. 74 6.4.3. Bộ điều khiển hoạt động của Robocar 6.4.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện điều khiển trên Robocar Đèn đỏ Đèn xi nhan T/P Đèn sau Chốt đệm ra 2 Chốt đệm ra 3 Động cơ buớc 1 Động cơ buớc 2 Động cơ buớc 3 Chốt đệm ra 1 Quay Camera Còi chíp Bus lệnh nối tiếp Chọn Chọn Bộ đệm vào 1 Bộ đệm vào 2 Bộ điều khiển động cơ lái Bộ điều khiển động cơ lái Bộ điều khiển động cơ lái Bộ điều khiển động cơ lái 8 đuờng vào 2 8 đuờng vào 2 Các cảm biến vị trí khớp của tay máy Các cảm biến siêu âm , hồng ngoại P1 P0 Chốt Chốt Chốt P3 18,432 MHz Xung vào 1 Xung vào 2 Xung vào 3 Bộ điều khiển thu Phát Xcite An ten XTAL1 XTAL2 Bảng điều khiển bằng tay Bus SS +5V Reset B ộ V X L A T 89 C 52 Hình 1.1.41. Nguyên lý hệ thống điện điều khiển Robocar 75 6.4.3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển chính Bộ điều khiển chính của Robocar RP đ−ợc thiết kế trên bộ vi xử lý 89C52 là bộ vi xử lý one-chip theo chuẩn công nghiệp MCS-51 nh−ng tính năng cao hơn vì có chứa bộ nhớ ch−ơng trình bên trong lên tới 8Kbyte. Bảng mạch này có thiết kế bao gồm 2 cổng vào số và 4 cổng ra số, các cổng vào ra đ−ợc điều khiển bởi các chíp đệm cổng song song, mỗi cổng vào ra có 8 đ−ờng dẫn số. Vi mạch đệm của các cổng vào ra là IC 74HC với BHS dữ liệu đ−ợc nối với cổng PO của bộ vi xử lý và các chân điều khiển đ−ợc nối với cổng PC của vi xử lý. Các cổng vào của bảng mạch đ−ợc quét liên tục với tần số quét là 50Hz, tín hiệu vào lấy từ các bộ cảm biến hạn chế hành trình của tay máy và các sensor siêu âm, sensor hồng ngoại đặt trên xe. Các cổng ra số của bảng mạch điều khiển các bộ drive của các động cơ b−ớc và các mạch khuyếch đại công suất để điều khiển các thiết bị trên xe nh− đèn, còi, xinhan v.v. Ngoài các cổng ra số theo chuẩn song song nói trên, bảng mạch còn có 2 cổng vào ra theo chuẩn nối tiếp. Một cổng vào ra số đ−ợc nối với bộ điều khiển thu phát vô tuyến dùng để nhận lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển từ xa truyền tín hiệu và trả lời các thông tin trạng thái về cho trung tâm. Một cổng vào ra số thứ 2 đ−ợc dùng để điều khiển các bảng mạch là các Driver của các động cơ 1 chiều, cổng này đ−ợc thiết kế theo nguyên lý điều khiển BUS nên có thể gọi là BUS nối tiếp, nó có thể điều khiển đ−ợc tới hàng chục thiết bị đ−ợc kết nối vào BUS. Tín hiệu theo 2 chiều đi về đ−ợc truyền đồng thời trên 2 đ−ờng dẫn của BUS là các tín hiệu nối tiếp nhau theo chuẩn truyền của cổng nối tiếp RS 232. Các lệnh điều khiển động cơ đ−ợc bộ vi xử lý mã hóa định địa chỉ rồi gửi ra trên BUS nối tiếp, các thiết bị trên BUS đọc địa chỉ và khi đúng với địa chỉ đ−ợc đặt tr−ớc thì nó sẽ nhận các lệnh rồi giải mã và thực hiện, đồng thời gửi trả thông tin trạng thái của nó về cho bộ điều khiển chính. 76 Bộ điều khiển chính ngoài nhận lệnh điều khiển từ xa còn có một cổng điều khiển song song nhận các lệnh từ bảng điều khiển bằng tay trên xe phục vụ cho các công việc tại chỗ mà không cần trung tâm điều khiển từ xa. 6.4.3.3. Nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển động cơ 1 chiều (Driver) Trên Robocar có 4 động cơ 1 chiều đ−ợc điều khiển bởi 4 bộ Drive độc lập nhau. Các Drive này đ−ợc kết nối vào BUS nối tiếp của bảng mạch chính để nhận các lệnh điều khiển và trả lời các thông tin trạng thái của chúng cho bảng mạch chính. Cả 4 Driver đ−ợc thiết kế t−ơng tự nhau về phần cứng vì có sơ đồ nguyên lý nh− trên hình 3. Bộ vi xử lý 89C 2051 đ−ợc dùng làm bộ điều khiển cho các Driver, các driver này đ−ợc đặt địa chỉ nhờ các chân chọn địa chỉ, mỗi Driver có một địa chỉ duy nhất, số địa chỉ này đ−ợc dùng để cho bảng mạch chính gọi đến các Driver khác nhau và không bị lẫn. Khi nhận đ−ợc tín hiệu gửi từ bảng mạch cính, bộ vi xử lý so sánh địa chỉ của nó với địa chỉ lệnh, nếu 2 địa chỉ này trùng nhau thì lệnh kèm theo sẽ đ−ợc nó nhận vào và giải mã để thực hiện, nếu 2 địa chỉ không trùng nhau thì nó sẽ không nhận tiếp lệnh kèm theo nữa, nhờ vậy mà tất cả các đ−ờng lệnh của các Driver có thể kết nối với đ−ờng truyền duy nhất. Lệnh quay động cơ đ−ợc vi xử lý phát ra đ−a tới bộ điều khiển công suất là mạch cầu dùng để đảo chiều quay của động cơ, tốc độ của động cơ có thể đ−ợc thay đổi nhờ bộ điều chế độ rộng xung (PWM) đ−ợc thiết kế trong bộ vi xử lý. Các cảm biến đầu cuối hành trình và encoder đo góc đ−a tín hiệu về các bộ khuyếch đại đệm rồi vào vi xử lý, giúp cho vi xử lý có thể điều khiển chính xác hành trình của cơ cấu và kiểm soát đ−ợc tốc độ động cơ. Mạch phải hồi dòng từ bộ cầu H đ−ợc đ−a vào vi xử lý giúp cho vi xử lý có thể quản lý tình 77 trạng làm việc của mạch công suất điều khiển động cơ tránh cho nó không bị quá tải. 6.4.4.4. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển động cơ di chuyển. Động cơ di chuyển của Robocar là loại động cơ một chiều không có chổi than. Khuếch đại dệm 11,0592 MHz P3.7 P1.0 P3.3 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 Bộ khuếch đại công suất cầu H Quay trái Quay phải Chọn địa chỉ Sun Cảm biến vị trí đầu cuôi Encoder do góc +5V Phản hồi dòng +5V Reset Bộ V X L A T 89C 2052 P3.0 P3.1 XTAL1 XTAL2 P3.2 P3.4 P3.5 Bus lệnh nối tiếp Lệnh Reset Hình 1.1.42. Sơ đồ nguyên lý các bộ điều khiển động cơ điện 1 chiều 78 P3.0 P3.1 XTAL1 XTAL2 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P3.4 P3.5 P3.2 P3.3 Lệnh Reset Bus lệnh nối tếp +5V 11,0592 MHz Reset +5V Biến đổi D/A (Điều khiển tốc độ) Bộ công suất điều khiển động cơ Cảm biến xung B ộ V X L A T 89C 2052 Hình 1.1.43 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển động cơ di chuyển 79 Phần Ii Báo cáo các kết quả nghiên cứu theo nhiệm vụ 1 của đề tài kc. 03.08 Các sản phẩm robocar ứng dụng I. Giới thiệu chung Sau khi hoàn thành phiên bản 01 Robocar RP, từ đây sẽ gọi tắt là Robocar RP-01, Đề tài đã triển khai giai đoạn khảo nghiệm. Qua đó đã đi đến những nhận định sau: - Trong thực tế ở các phân x−ởng công nghiệp thông th−ờng mà Đề tài có thể tiếp cận đ−ợc hầu nh− không có nhu cầu dùng robot “thông minh hóa”. Vì vậy, cần thay đổi định h−ớng “phục vụ công nghiệp” mà Đề tài tự đặt ra khi triển khai công việc thiết kế Robocar RP-01. Phạm vi mà Đề tài nhằm ứng dụng là phục vụ công tác phòng dịch bệnh và phục vụ ng−ời già yếu tàng tật. Sự chuyển h−ớng đó có thể là do nhận thức đ−ợc các nhu cầu thực tế trong t−ơng lai gần, nh−ng cũng có thể do tác động của xu thế của thế giới chuyển từ “robot công nghiệp” sang đầu t− cho “robot dịch vụ”. Sự chuyển h−ớng đó tỏ ra là đúng đắn bởi vì sau khi “tiếp thị” những sản phẩm mới Đề tài đã nhận đ−ợc một vài nơi “đặt hàng”. - Việc triển khai ý t−ởng “thông minh hóa” cho robot không thể chung chung đ−ợc mà phải nhằm thực hiện một loại việc cụ thể nào đó. Vì vậy theo con đ−ờng tiếp tục ph−ơng pháp ghép nối những kết quả đã đ−ợc nghiên cứu môđun hóa trong phòng thí nghiệm thành những sản phẩm theo nhu cầu ứng dụng, Đề tài đã thiết kế chế tạo ra một robocar cỡ nhỏ, gọi tên là Robocar FI, để có thể chạy trong phòng thí nghiệm quá chập hẹp với mục đích thử nghiệm với các môđun điều khiển dùng các loại sensor khác nhau. 80 Theo sự chuyển h−ớng mới về phạm vi ứng dụng và cách tiếp cận vấn đề “thông minh hóa” nh− đã trình bày ở trên Đề tài đã hòan thành một số kết quả nh− Robocar “Chữ thập đỏ”, xe lăn điện chạy tự động, xe ghế điện tự động và một vài loại thiết bị nh− Robocar PHC, Robocar BB đang triển khai để dùng 2 bệnh viện ở Hà Nội. II. Robocar TN trong phòng thí nghiệm 2.1. Giới thiệu chung Để có điều kiện tiếp tục các nội dung nghiên cứu vận hành khi đ−ợc trang bị những loại sensor để thao tác những công việc khác nhau, Đề tài đã thiết kế, chế tạo ra một Robocar kích cỡ nhỏ để thử nghiệm trong phòng, gọi tên là Robocar TN. Robocar TN gồm một môđun xe di chuyển cỡ nhỏ, trên đó có thể gá lắp nhiều loại sensor khác nhau tùy theo công việc thử nghiệm. Phần robot đặt trên xe là Robot SCA có 4 bậc tự do thực hiện đ−ợc các thao tác công gắp. Bản thân Robocar TN đồng thời cũng là một sản phẩm độc lập. Nó đ−ợc thiết kế làm bộ phận chủ yếu cho những thiết bị phục vụ ng−ời tàn tật, già yếu, nên thoạt đầu còn đặt tên là Robocar FI (Robocar For Invalid). Tuy không thành sản phẩm độc lập nh− tên gọi, nh−ng đã đ−ợc dùng rất hiệu quả để thử nghiệm các môđun ghép nối với sensor các loại, dùng cho các sản phẩm xe lăn điện, xe ghế chạy tự động sau này. 2.2. Thiết kế chế tạo Robocar TN - Các hình 1.2.1. từ trang 82 đến trang 85 là một số bản vẽ chủ yếu (đã ghi chú tên gọi trên bản vẽ) thiết kế cho bộ phận di động của Robocar FI. - Hình 1.2.4 trên từ trang 86 là ảnh chụp các bộ phận cấu thành Robocar TN 81 - Hình 1.2.5 trang 87 là ảnh chụp bộ phận cảm biến tín hiệu dẫn đ−ờng dùng các sensor nhận biết mầu. - Hình 1.2.6 trang 88 là ảnh chụp sensor hồng ngoại dùng cho Robocar TN - Hình 1.2.7 trang 89 là ảnh chụp sensor siêu âm dùng cho Robocar FI. 85 Bộ phận cấu thành Robocar TN Hình 1.2.4. Robot TN trong phòng thí nghiệm 86 Hình 1.2.5. Bộ phận cảm biến tín hiệu dẫn đ−ờng dùng các sensor nhận biết màu 87 Sensor hồng ngoại dùng cho Robocar TN Hình 1.2.6 .Các sensor hồng ngoại dùng cho Robocar TN 88 Hình 1.2.7. Sensor siêu âm dùng cho Robocar TN 89 2.3. Các sensor đ−ợc sử dụng 2.3.1. Môđun cảm biến siêu âm phát hiện ch−ớng ngại vật Khỏi niệm về cảm biến: Cỏc thiết bị cảm biến (sensors) trang bị cho robot để thực hiện việc nhận biết và biến đổi thụng tin về hoạt động của bản thõn robot và loại cảm biến dựng trong kỹ thuật robot, cú thể phõn ra 2 loại: - Cảm biến nội tớn hiệu (internal sensors) đảm bảo thụng tin về vị trớ, về vận tốc, về lực tỏc động trong cỏc bộ phận quan trọng của robot. Cỏc thụng tin này là những tớn hiệu phản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động cỏc hoạt động của robot. - Cảm biến ngoại tớn hiệu (external sensors) cung cấp thụng tin về đối tỏc và mụi trường làm việc, phục vụ cho việc nhận dạng cỏc vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc thao tỏc trong khụng gian làm việc. Để làm được việc đú, cần cú cỏc loại cảm biến tớn hiệu xa, cảm biến tớn hiệu gần, cảm biến “xỳc giỏc” và cảm biến “thị giỏc” v.v. Để thực hiện nhiệm vụ của cỏc loại cảm biến nội tớn hiệu và ngoại tớn hiệu núi trờn cú thể dựng nhiều kiểu cảm biến thụng dụng hoặc chuyờn dụng. Cỏc cảm biến thụng dụng khụng chỉ dựng cho kỹ thuật robot mà cũn dựng nhiều trong cỏc thiết bị kỹ thuật khỏc. Cú nhiều tài liệu kỹ thuật về cỏc kiểu cảm biến này. Tuỳ theo cỏc dạng tớn hiệu cần nhận biết mà phõn thành cỏc kiểu cảm biến khỏc nhau: cảm biến lực, vận tốc, gia tốc, vị trớ, ỏp suất, lưu lượng, nhiệt độ v.v. Tuỳ theo cỏch thức nhận tớn hiệu lại phõn ra cỏc kiểu khỏc nhau. Vớ dụ, cũng là cảm biến vị trớ nhưng cú kiểu cảm ứng, kiểu điện dụng, kiểu điện trở, kiểu điện quang v.v. 90 Nguyờn lý cơ bản của cảm biến siờu õm: Cảm biến siờu õm phỏt hiện mục tiờu bằng chựm súng õm mà nú phỏt ra (hỡnh 1.2.8) Cảm biến phỏt ra một chựm súng õm ngắn cường độ cao từ một bộ phận chuyển đối ỏp điện. Chựm súng này khi gặp vật sẽ bị dội ngược lại. Cảm biến xỏc định được khoảng cỏch bằng phộp đo thời gian từ lỳc phỏt đi chựm súng tới lỳc nhận được tớn hiệu trở lại. Phương phỏp cảm nhận này cú độ tin cậy cao mà khụng phụ thuộc vào màu sắc, chất liệu của vật đối tượng. Hỡnh 1.2.8 Trờn hỡnh 1.2.9. mụ tả cấu tạo một loại cảm biến siờu õm dựng trong kỹ thuật robot để nhận biết tớn hiệu gần. Phần chủ yếu là bộ biến õm dựng chất gốm điện (1) được bảo vệ bằng chất nhựa tổng hợp (2). Tiếp theo là phần giảm õm (3), cỏp điện (4), vỏ kim loại (5) và vỏ bọc (6) Hỡnh 1.2.9. Để tỡm hiểu hoạt động của cảm biến siờu õm, cần phõn tớch cỏc tớn hiệu khi nhận cũng như khi truyền õm lượng. Dạng điển hỡnh của cỏc tớn hiệu này cho trờn hỡnh 1.2.10 A là tớn hiệu mang, B là cỏc tớn hiệu phỏt ra (1) và tớn 91 hiệu phản lại (2). Cỏc xung C tỏch biệt tớn hiệu truyền và tớn hiệu nhận. Để phõn biệt sự khỏc nhau giữa cỏc xung, tương ứng với tớn hiệu mang và tớn hiệu phản lại, tạo ra tớn hiệu D. ∆t là khoảng thời gian đo nhỏ nhất, cũn t1 + t2 là khoảng đo lớn nhất. Cỏc khoảng thời gian này tương ứng với khoảng truyền súng trong mụi trường khi nhận được tớn hiệu phản lại (lỳc đú tớn hiệu D cú giỏ trị lớn nhất) sẽ hỡnh thành tớn hiệu E và sẽ cú giỏ trị bằng khụng khớ kết thỳc xung tớn hiệu A. Cuối cựng tớn hiệu F sẽ hỡnh thành khi xuất hiện xung tớn hiệu E và sẽ là tớn hiệu ra của cảm biến siờu õm hoạt động theo chế độ nhị phõn. Hỡnh 1.2.10 3.2. Mụ tả cỏc loại cảm biến siờu õm Caỷm bieỏn sieõu aõm laứ giaỷi phaựp lyự tửụỷng ủeồ ủo vũ trớ vaứ khoaỷng caựch khoõng tieỏp xuực trong taỏt caỷ caực laừnh vửùc coõng nghieọp, ủaởc bieọt trong moõi trửụứng nhieàu buùi, khoựi hoaởc hụi nửụực coự khaỷ naờng aỷnh hửụỷng xaỏu ủeỏn caỷm bieỏn. Coự theồ doứ caực chaỏt raộn, chaỏt loỷng trong phaùm vi xa vụựi ủoọ chớnh xaực cao. Caỷm bieỏn phaựt tớn hieọu tửụng tửù hoaởc tớn hieọu soỏ taùi coồng ra. 92 Hỡnh 1.2.11 ẹaởc trửng : - Hieọu chổnh nhieọ