Luận văn Nghiên cứu, thiết kế robot leo trụ

g leo 34 Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí 35 Hình 4.2 Robot leo trụ 35 Hình 4.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển và kết nối 36 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nén 37 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống leo 38 Hình 4.6 Bo mạch Arduino UNO 41 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý Opto 42 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý của Rờ le 42 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC 42 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC dùng L298 43 Hình 4.11 Lưu đồ điều khiển Robot 44 Hình 4.12 Robot leo trụ 45 Hình 4.13 Điều khiển nén của robot 45 Hình 4.14 Điều khiển leo của robot 45 Hình 4.15 Robot thực hiện leo trụ 46 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO 1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo Robot di động là loại robot có thể di chuyển để thực hiện các chức năng đề ra. Thông thường để thực hiện các di chuyển, người ta hay sử dụng các cơ cấu dạng bánh, dạng xích, dạng chân,... . Robot di động hoạt động trong các phân xưởng, trong nhà, trong các khu vực che kín,... .Nhìn chung được gọi là robot di động trong nhà (Indoor Mobile Robot). Trong những thập niên cuối thế kỉ XIX người ta quan tâm nhiều đến khả năng leo trèo của các robot, phát sinh từ những yêu cầu làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm hay những nơi khó tiếp cận để bảo vệ sức khỏe của con người trong các nhiệm vụ mạo hiểm. Robot leo có khả năng thực hiện các nhiệm vụ trên các cây, cột thẳng đứng, đáp ứng các yêu cầu trong công nghiệp hay quốc phòng để thi hành các nhiệm vụ nguy hiểm như chặt cây, phun sơn cột, thực hiện các công việc trên cao . Như vậy với khả năng của robot leo sẽ không chỉ cho phép chúng làm việc ở những nơi nguy hiểm với người công nhân mà còn loại bỏ được những tốn kém do giàn giáo, phương tiện cơ giới. 1.2 Phân loại các loại robot leo trụ 1.2.1 Phân loại theo kết cấu: Một trong những chức năng của kết cấu cơ robot leo là kết hợp được lực bám dính để gắn robot vào trụ chắc chắn và di chuyển linh hoạt. Theo nghiên cứu thì hiện có 3 dạng robot leo - Robot leo di chuyển dạng rời rạc. - Robot leo di chuyển dạng liên tục - Robot leo di chuyển dạng rắn 2 1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo. 1.2.2.1 Robot dạng rời rạc Robot được thiết kế trên ý tưởng giống như một người lên cột, phần tay bám vào cột, phần thân sẽ di chuyển chân lên và phần chân bám vào cột và phần thân đưa tay lên và cứ liên tục như vậy mà leo lên cột. Robot thường được thiết kế thành 2 khung cánh tay kẹp (1 trên + 1 dưới) được liên kết bằng hệ thống thanh trượt. Các tay kẹp được giữ trên cột bằng các hệ thống động cơ DC hoặc khí nén. Khi robot di chuyển một khung kẹp được điều khiển để bám giữ robot trên trụ, khung kẹp còn lại sẽ được hệ thống truyền động khác nâng di chuyển trên trụ. Cứ như thế Robot sẽ được di chuyển trên trụ một cách rời rạc Ưu khuyết điểm : - Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác nhau trên trụ, leo được trên trụ, trên cây - Robot có khả năng vận chuyển được khối lượng lớn. - Tốc độ chậm và tiêu hao nhiều năng lượng. - Kết cấu cơ khí và điều khiển phức tạp. Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering Advancements 2014 3 1.2.2.2 Robot dạng liên tục Robot được thiết kế leo liên tục trên trụ bằng các bánh xe. Các bánh xe được bám vào trụ nhờ kết cấu bao xung quanh trụ và ép các bánh xe vào trụ, bánh xe sẽ làm 2 nhiệm vụ là vừa giữ robot trên trụ và vừa di chuyển robot trên trụ. Ưu khuyết điểm : - Thiết hợp cho các trụ tròn, cây - Có thể leo nhanh và có khả năng leo cao. - Kết cấu cơ khí đơn giản. - Không thích hợp với các bề mặt cột thường xuyên thay đổi. - Hạn chế về khối lượng trên robot. Hình 1.2: Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2, and Satoshi Ueki ) Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping principle ( Cengiz Yilmaz) 4 1.2.2.3 Robot dạng rắn Robot thiết kế với dạng như rắn, nó được kết cấu bằng các khớp nối di chuyển không có bánh xe có gắn các camera và sensor điện tử, được kiểm soát bằng một cần điều khiển, nó sẽ uốn éo với sự trợ giúp của các động cơ DC. Ưu khuyêt điểm: - Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác nhau trên cột, leo được trên cột, trên cây, di chuyển qua các cành cây, linh hoạt trong các môi trường leo thích hợp. - Tốc độ leo chậm, khó điều khiển được tốc độ. - Không mang được khối lượng lượng, thường chỉ để thực hiện các công việc quan sát. Hình 1.4 Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon 1.3 Đặt vấn đề Với mục tiêu thiết kế robot leo trụ tròn, trụ côn và với các phân tích các dạng Robot leo trên, việc chế tạo một robot leo trụ có tính linh hoạt, di chuyển nhanh, chính xác và tin cậy, không gây tốn nhiều năng lượng, không đòi hỏi sự phức tạp khi lập trình và thiết kế mạch điều khiển....Tôi chọn phương án leo liên tục để chế tạo robot leo trụ. Với lựa chọn thiết kế robot leo liên tục trên trụ, mục tiêu đặt ra là phải điều khiển được Robot giữ liên tục trên trụ và điều khiển được tốc độ di chuyển ổn định 5 trên trụ. Do đó robot sẽ được thiết kế trên hai hệ thống độc lập, một hệ thống tạo ra lực nén và được điều khiển để luôn luôn tạo ra 1 lực F đủ lớn để giữ robot đứng yên trên trụ và một hệ thống các bánh xe chuyển động được điều khiển đồng tốc để đưa robot di chuyển đều trên trụ. Mục tiêu của đề tài là thiết kế robot bằng 2 hệ thống độc lập. Điều khiển lực nén và điều khiển tốc độ. Cụ thể: - Thiết kế hệ thống cơ khí robot, tính toán các lực cần thiết để nén và di chuyển robot. - Xây dựng các hàm truyền động học cho hệ thống. - Xây dựng, lập trình thuật toán PID để điều khiển động cơ DC, điều khiển hệ thống. - Tìm hiểu cách kết nối, điều khiển của các cảm biến vị trí, encoder, các động cơ DC - Thiết kế lựa chọn mạch vi xử lý, các mạch điều khiển công suất của động cơ. - Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mô hình thực để kiểm nghiệm. 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Tiếp cận, xây dựng mô hình lý thuyết gồm có. o Tiếp cận các mô hình cơ khí để lựa chọn thiết kế tối ưu. o Tiếp cận lý thuyết điều khiển. o Tiếp cận các lý thuyết mạch vi xử lý, cảm biến vị trí, encoder, động cơ DC. - Tiếp cận, xây dựng mô hình thực: o Thiết kế mô hình cơ khí. o Phân tích và thiết lập hàm truyền. o Mô phỏng hàm truyền bằng Matlab. o Thiết kế mạch điều khiển. o Chạy mô hình thực để kiểm nghiệm. 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở thuật toán PID: 2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại, tín hiệu u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh. - Nếu thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh. Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra: u(t) = kp ( e(t) + ଵ ୘୧ ׬ ݁ሺ߬ሻ݀߬ ௧ ଴ + Td ௗ௘ሺ௧ሻ ௗ௧ Ti ଵ ୘୧ Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID R(S) = Kp ( 1 + ଵ ୘୧ୗ TDS ) Hình 2.1 Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID 7 2.1.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 2.1.2.1 Khâu tỉ lệ Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống. Hình 2.2 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID 2.1.2.2 Khâu tích phân Hình 2.3 Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID 8 Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân. Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định. 2.1.2.3 Khâu vi phân. Hình 2.4 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu 9 trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập Thông số Thời gian khởi động ( Rise time) Quá độ ( Oversho ot) Thời gian xác lập ( Setling time) sai số ổn định Độ ổn định Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp Kd Giảm ít Giảm ít Giảm Về lý thuyết không tác động Cải thiện nếu Kd nhỏ 2.2 Vi điều khiển ATmega32 2.2.1 Giới thiệu ATmega32 ATmega32 là vi điều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiết kiệm năng lượng, được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer), đây là cấu trúc có tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với cấu trúc CISC (Complex Instruction Set Computer). Tần số hoạt động của vi điều khiển AVR bằng với tần số của thạch anh, trong khi với họ vi điều khiển theo cấu trúc CISC như họ 8051 thì tần số hoạt động bằng tần số thạch anh chia cho 12. Hầu hết các lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung nhịp, do đó ATmega32 có thể đạt được tốc độ xử lý đến một triệu lệnh mỗi giây (với tần số 1MHz). Đặc điểm này cho phép người thiết kế có thể tiết kiệm tối đa mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý. 10 2.2.2 Các đặc tính của ATmega32: - Hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng. - Kiến trúc RISC: o 131 lệnh – hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ máy. o 32 thanh ghi 8 bit đa năng. o Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây (tần số 16MHz). - Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu: o 32Kbyte bộ nhớ Flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống. - Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi xóa. o Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa độc lập. o Lập trình trong hệ thống bởi chương trình on-chip boot. o Thao tác đọc ghi trong khi nghỉ. o 1024 Byte EEPROM. - Ghép nối ngoại vi: o 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số độc lập và chế độ so sánh. o 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, chế độ so sánh và chế độ bắt mẫu (Capture). o Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động độc lập. o Bốn kênh PWM. o Bộ ADC 8 kênh 10 bit. o Bộ truyền dữ liệu đồng bộ/bất đồng bộ USART. o Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI. o Watchdog timer khả trình với bộ dao động nội riêng biệt. o Bộ so sánh Analog. - Các đặc điểm khác: o Power-on Reset và phát hiện Brown-out khả trình. o Bộ tạo dao động nội. o Nguồn ngắt nội và ngoại. 11 o 6 chế độ ngủ: Idle, ADC noise reduction, Power-save, Power-down, Standby và Extended Standby. - Ngõ vào/ra: có 32 ngõ vào ra. - Điện áp hoạt động: o 2.7V – 5.5V đối với ATmega32L. o 4.5V – 5.5V đối với ATmega32. - Tần số hoạt động: o 0 – 8MHz đối với ATmega32L. o 0 – 16MHz đối với ATmega32. 2.2.3 Sơ đồ chân của ATmega32 Hình 2.6 Sơ đồ chân của ATmega32 - GND: chân nối mass. - VCC: điện áp nguồn. - Port A (PA0PA7): ngõ vào/ra Port A. - Port B (PB0PB7): ngõ vào/ra Port B. - Port C (PC0PC7): ngõ vào/ra Port C. - Port D (PD0PD7): ngõ vào/ra Port D. 12 - Reset: Chân ngõ vào. Khi đặt vào chân này điện áp mức thấp trong thời gian xác định (xem trong datasheet) thì sẽ reset chương trình. Nếu thời gian ngắn hơn thì việc reset không thành công. - XTAL1: ngõ vào khuếch đại dao động đảo và cũng là ngõ vào mạch tạo xung nội. - XTAL2: ngõ ra của mạch khuếch đại dao động đảo. - AVCC: là chân nguồn cấp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D. Nên nối chân này với chân VCC ngay cả khi không sử dụng ADC. Nếu dùng ADC thì nên nối chân này với chân VCC qua 1 tụ lọc thông thấp. - AREF: chân tham chiếu điện áp analog của bộ chuyển đổi A/D. 2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit). Mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng. Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H. Trong hình 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động cơ DC cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động. 13 Thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). 2.4 Encoder : 2.4.1 Cấu tạo chính của Encoder: Encoder mục đích dùng để xác định vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ và chiều quay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Dựa trên nguyên tắc cảm biến ánh sáng với một đĩa có khắc vạch sáng tối quay giữa nguồn sáng và phototransistor (đối với encoder quang) hoặc là hiện tượng cảm ứng điện từ (đối với encoder từ). Ở đây ta chỉ đề cập tới encoder quang. Encoder được chia làm 2 loại, là encoder tuyệt đối và encoder gia tăng. Hình 2.8 Một số loại encoder trên thị trường Ở đây ta chỉ nghiên cứu về loại gia tăng. Gồm 1 bộ phát ánh sáng (thường là LED), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát ( thường là photodiotde hoặc phototransistor), 1 đĩa quang được khoét lỗ gắn trên trục quay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ hay vị trí. đĩ Một e - D - D - D l - D l A x l Ngoà a encoder ncoder thư ây cấp ng ây nối đấ ây pha A ên đến vài ây pha B ên đến vài 90o. Thư ác định ch ùi. i ra một số quay 1 vòn Hình ờng có cá uồn (+5V t (GND). – tín hiệu nghìn xun – tín hiệu nghìn xun ờng tuỳ th iều quay c Hình 2.10 encoder c g. A B Z 14 2.9 Cấu t c dây sau: ) cho enco ra theo độ g tuỳ theo ra theo độ g tuỳ theo eo trạng th ủa đối tượ Dạng són òn có dây 3 ạo thực tế der. phân giải độ phân g phân giải độ phân g ái pha nh ng, để từ đ g ngõ ra c pha z, ta t 600 của encod (1 vòng/N iải)). (1 vòng/N iải)), pha anh hay ch ấy bộ đếm ủa LED th hu được m er xung (N t xung (N t B chậm ph ậm của 2 đếm tiến u. ột xung từ ừ vài chục ừ vài chục a hơn pha pha này ta hoặc đếm pha z khi (r lỗ xu tín ch đo bạ củ bạ th nh 2.4.2 Ng Enco ãnh). Ngườ (rãnh), đè yên qua. K hiệu có, iếu qua lỗ đếm lên n có 1 lỗ a bạn kho n đếm số ời gian (h iều càng c H uyên lý cơ der thực c i ta dùng n led khô hi đó, ph hoặc khôn hay không 1. Số lỗ trê tức là khi ét N lỗ có xung trong oặc bạn có hính xác ình 2.11 C bản: hất là một một đèn le ng chiếu x ía mặt bên g có ánh s . Cứ mỗi n đĩa sẽ qu bạn quay đ nghĩa 1 v 1 đơn vị thể đo ch Hình 2 15 ấu tạo đĩa đĩa tròn x d để chiếu uyên qua kia của đĩ áng chiếu lần đi qua yết định đ ược 1 vòn òng bạn t thời gian, t u kì xung) .12 Quá quay tron oay, quay lên mặt đ được, chỗ a, người t qua, ngườ một lỗ, ch ộ chính xá g thì bộ th hu được N ừ đó bạn t . Nếu đo t trình đọc E g encoder quanh trụ ĩa. Khi đĩa có lỗ (rãn a đặt một c i ta ghi n úng ta phả c của thiết u sẽ thu đ xung. Nh ính được s ốc độ cao ncoder. c. Trên đĩa quay, chỗ h), đèn le on mắt th hận được đ i lập trình bị đo. Ví ược 1 xun ư vậy khi ố vòng trê thì số lỗ k có các lỗ không có d sẽ chiếu u. Với các èn led có để thiết bị dụ đĩa của g, nếu đĩa đo tốc độ n 1 đơn vị hoét càng 16 2.5 Động cơ DC 2.5.1 Giới Thiệu Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống . Hình 2.13 Một số loại động cơ trên thực tế. 2.5.2 Cấu tạo: Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:  Phần ứng hay Rotor (Armature).  Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet).  Cổ góp (Commutat).  Chổi than (Brushes).  Trục motor (Axle). 17  Bộ phận cung cấp dòng điện DC. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích). Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Hình 2.14 Cấu tạo động cơ điện một chiều. Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực từ âm, một nửa có cực từ dương). Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều: E = K Φ. W (1) V = E + Ru.Iu (2) M = K Φ Iu (3) Với:  E: sức điện động cảm ứng (V).  Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb).  Iu: dòng điện phần ứng (A).  V : Điện áp phần ứng (V). 18  Ru: Điện trở phần ứng (Ohm).  W : tốc độ động cơ (rad/s).  M : moment động cơ (Nm).  K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ. 2.5.3 Nguyên lý hoạt động: Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành momen điện từ. Do đó phần ứng sẽ được quay quanh trục. Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC. 2.5.4 Điều khiển tốc độ động cơ DC: Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Có nhiều phương pháp để thay đổi tốc độ động cơ DC, ở đây ta sử dụng phương pháp điều khiển thông dụng nhất là 19 kiểu điều biến độ rộng xung (PWM), có nghĩa là ta cấp áp cho động cơ dưới dạng xung với tần số không đổi mà chỉ thay đổi Ton và Toff. Từ (1),(2). (3) suy ra: W = V/(K.Φ) – Ru.Iu/(K.Φ) (4) Theo (4) : khi Iu không đổi (tức Moment không đổi) và Φ không đổi thì W thay đổi "tuyến tính" theo V (thực tế thì không hoàn toàn tuyến tính theo đường thẳng được). Hình 2.16: Điều khiển động cơ bằng PWM. Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình (VAV). Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V. VAV thay đổi từ VL đến VH tùy theo các độ rộng Ton và Toff Như vậy, tốc độ động cơ sẽ thay đổi "tuyến tính" theo % độ rộng xung. 20 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3.1 Yêu cầu và chức năng robot Robot thực hiện chức năng di chuyển thẳng đứng trên trụ tròn, trụ côn. Phải tạo ra lực để giữ robot ổn định trên trụ và một hệ thống truyền động để robot di chuyển trên trụ. Do đó robot phải có hệ thống với chức năng riêng biệt và có tính độc lập. Một hệ thống tạo ra lực nén F với chức năng giữ Robot thăng bằng trên trụ và một hệ thống truyền động để di chuyển robot trên trụ. Mục tiêu của thiết kế là di chuyển ổn định trên trụ tròn côn, cơ cấu cơ khí đơn giản, nhẹ, các bánh xe dẫn động có ma sát tốt và tiêu hao ít năng lượng. 3.2 Phân tích thiết kê robot 3.2.1 Tính toán lực Khung robot được thiết kế bằng hình lục giác, ba hệ thống có chức năng tạo lực nén và chuyển động trên trụ được đặt cố định chắc chắn trên khung và được bố trí đều lệch nhau 1 góc 1200 . Khi nén và leo trụ Robot sẽ tạo một mặt phẳng vuông góc với trụ leo. Hình 3.1 Phân bố lực của Robot 21 Để Robot được giữ thăng bằng trên trụ ∑ F = 0 -(N1+N2+ N3) + F1 + F2 + F3 = 0 ( F1 = F2 = F3  N1 =N2 =N3 ) Chiếu lên mặt phẳng (x y) - N1 + N2.cos∝ + N3.cos∝ = 0 ↔ N1 = ( N2 + N3) cos ∝ Xét theo chiều z ∑ Fz = ma ↔ ma = - P + Fms1 + Fms2 + Fms3 ( Do robot đi lên với vận tốc đầu nên a =0) ↔ P = Fms1 + Fms2 + Fms3 Phân tán lực trên mỗi bánh xe bằng nhau, do đó Fms1 = ௉ଷ ↔ N1.K ൌ ௉ଷ ↔ N1 ൌ ௉ଷ௄ Khối lượng robot m = 15kg, chọn hệ số ma sát tỉnh K = 0.4 N1 ൌ ଵଶ଴ଷ∗଴.ସ = 125 N ↔ N1 = N2 = N3 ൌ 125 N ↔ F1 = F2 = F3 ൒ 125 N Chọn hệ số an toàn K=1.5, Lực nén cần tạo ra cho mỗi bộ nén Fn ൌ 188 N 22 3.2.2 Thiết kế bộ tạo lực nén Hình 3.2 : Bộ tạo lực nén Thành phần chính của bộ nén gồm : khung trượt, vít me đai ốc và lò xò nén. Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến dọc theo trục của vít-me. Tính toán vít me có khả năng ép lực Fn= 188 N Vật liệu bằng thép không tôi, đai ốc bằng gang chống ma sát nên áp suất cho phép chọn P = 5Mpa Ren hình răng cưa, do đó hệ số h = 0.5 Chọn đai ốc nguyên nên H = 1.2 Xác định đường kính vít D2 = ට ୊୬஠.ѱୌ.ѱ୦ = ට ଵ଼଼ ଷ,ଵସ.ଵ,ଶ.ହ.଴,ହ = 4,5 mm Chọn đường kính trung bình d2 = 10mm, đường kính ngoài d = 9mm, đường kính trong d1= 7.5mm , bước ren ps = 2mm Góc nâng ren ߛ = acrtg ( ௉௦గ.ௗଶ) = arctg( ଶ ଷ.ଵସ.ଵ଴) = arctg(0.063) = 4 0 Bước ren phụ hợp với điều kiện tự hãm ߛ < p’ . Đối với vít được bôi trươn f´= 0.1 p = acrtgf = arctg (0.1) = 5.70 Moment xoắn trục vít T = Fn.ௗଶଶ . tgሺp ൅ ߛሻ = 188.5.tg(9.7) = 160 N.mm Công suất động cơ yêu cầu : Pdc = T. ߱ = T.ଶగ.௩୮ୱ = 160 ଶగ.௩ ଶ.ଵ = ଵ଺଴∗ଶ∗ଷ.ଵସ∗ହ ଶ∗ଵ = 2.5W 23 (v = 5mm/s) Chọn động cơ P = 10W, có tốc độ 3000 vòng/ phút Số vòng quay vít : n = ଺଴.୴୮ୱ = ଺଴.ହ ଶ = 150 vòng/ phút Tỉ số truyền : u = ௡௩௜௧௡ௗ௖ = ଵହ଴ ଷ଴଴଴ = 0.05 Các tham số kỹ thuật của lò xo nén Hình 3.3 Lò xo nén  d (đường kính dây) : tham số này cho biết đường kính của dây kim loại được dùng để làm lò xo  S(trục) tham số này tương ứng với đường kính tối đa của trục có thể được đưa vào trong lò xo. Dung sai của tham số này là +/- 2% (chỉ định)  Di (Đường kính trong) : đường kính trong của một lò xo được tính bằng cách lấy đường kính ngoài của nó trừ đi hai lần đường kính dây. Dung sai khoảng +/-2% (chỉ định)  De (Đường kính ngoài) : đường kính ngoài của một lò xo bằng đường kính trong cộng với hai lần đường kính dây. Dung sai khoảng +/- 2%  H (khoảng không) : đây là đường kính tối thiểu của khoảng không gian trong đó lò xo có thể hoạt động được. Dung sai đối với tham số này là +/- 2 % (chỉ định).  P (bước) : khoảng cách trung bình giữa hai vòng xoắn hoạt động liên tiếp của một lò xo. 24  Lc (chiều dài khi bị nén tối đa) : chiều dài tối đa của lò xo sau khi bị nén hoàn toàn. Tham số này nằm ở bên phải trên hiình vẽ. Dung sai của tham số này là +/- 15 % (chỉ định).  Ln