NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MOBILE MANIPULATOR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình, những lời động viên quý báu.

Với tất cả sự kính trọng và biết ơn, nhóm chúng em xin gửi gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy đặc biệt là thầy Trần Minh Thiên, giảng viên hướng dẫn đề tài đã định hướng và trao đổi những kinh nghiệm quý báu và giúp chúng em thực hiện hoàn thành Đồ Án Cơ Điện Tử.

Do kiến thức và thời gian còn hạn chế, đồ án không tránh khỏi những khiếm khuyết, sai sót Nhóm chúng em mong nhận được những ý kiến góp ý của quý thầy cô để hoàn thiện hơn.

Một lần nữa, nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Minh Thiên đã hướng dẫn và giúp chúng em hoàn thành Đồ Án Cơ Điện Tử

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện Lê Văn Mạnh Quỳnh

Đỗ Sĩ Hoài Phạm Quang Huy

TÓM TẮT

Mobile robot là robot có khả năng tự di chuyển Mobile robot di chuyển trong môi trường của chúng, không cố định vào một vị trí thực Robot di động có thể là "tự trị" (robot di động tự động) có nghĩa là chúng có khả năng điều hướng một môi trường không kiểm soát được mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện Ngoài ra, robot di động có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển tuyến đường định hướng được xác định trước trong không gian tương đối được kiểm soát (robot tự điều khiển) Nó khác với robot công nghiệp thường đặt gần cố định và hoạt động bằng các cánh tay.

Manipulator có thành phần chính là cánh tay robot (Arm robot) là một loại cánh tay cơ học, thường được lập trình, có chức năng tương tự như cánh tay người; cánh tay có thể là tổng của cơ chế hoặc có thể là một phần của robot phức tạp hơn Các liên kết của một bộ điều khiển như vậy được kết nối bởi các khớp cho phép chuyển động quay hoặc dịch chuyển tịnh tiến Được sử dụng trong quy trình sản xuất công nghiệp được vận hành bởi con người Ưu điểm nổi bật nhất của nó là thiết kế linh hoạt, thao tác nhanh nhẹn, tỉ mỉ và có khả năng hoàn thiện cả những phần chi tiết sản phẩm nhỏ nhất.

Trong đề tài này, nhóm chúng em sẽ nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Mobile Manipulator là sự kết hợp của mobile robot và cánh tay robot để tạo thành một robot có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống hiện nay và phát triển trong tương lai Tính toán, lựa chọn các cơ cấu phù hợp và chế tạo mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống Cùng với đó là viết chương trình điều khiển robot và mô phỏng hoạt động của

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHƯƠNG 4.PHẦN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHẢT TRIỂN

MỤC LỤ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

I.Giới thiệu 1

1.Tổng quan 1

2.Lịch sử phát triển 3

II Lý do chọn đề tài 6

III.Tính cấp thiết của đề tài 6

IV.Mục tiêu đề tài 6

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG 8

I.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO PHẦN CÁNH TAY 8

2.Thiết kế kích thước thân xe 32

3.Tính toán lựa chọn động cơ 33

4.Chế tạo mô hình 35

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHO MOBILE MANIPULATOR 36

I.Xây dựng mô hình động học và động lực học cho mobile robot 36

1.Tổng quan 36

2 Xây dựng phương trình động học 38

3 Xây dựng phương trình động lực học 42

II Tính toán động học, động lực học cho cánh tay robot: 48

II Thiết kế hệ thống điều khiển 54

1.Sơ đồ điều khiển tổng quát của hệ thống 54

2.Thiết kế mô hình điều khiển cho mobile robot 54

3.Thiết kế mô hình điều khiển cho cánh tay robot 54

III.Xây dựng hệ thống điện 55

1.Sơ đồ mạch điện tổng quan của hệ thống 55

2.Thông số kỹ thuật của các thiết bị điện 55

CHƯƠNG V: CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM 55

I.Lập trình giao diện giao tiếp với hệ thống 55

II Thuật toán điều khiển 55

1.Điều khiển động cơ DC Motor 55

2.Điều khiển RC Servo 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC BẢNG BIỂ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀII.Giới thiệu

1 Tổng quan

Mobile manipulator là một loại robot kết hợp cả khả năng di chuyển và khả năng thao tác, tạo nên một hệ thống đa nhiệm có khả năng di chuyển tự động trong môi trường và đồng thời có khả năng tương tác với các đối tượng xung quanh bằng cách sử dụng cánh tay robot hoặc các công cụ thao tác Điều này tăng cường tính linh hoạt và ứng dụng của robot, cho phép chúng thực hiện nhiều loại công việc trong môi trường động và đa dạng.

Một số đặc điểm chính của Mobile Manipulator:

- Khả năng di chuyển: Mobile manipulator được trang bị khả năng di chuyển, thường thông qua bánh xe, dây đeo hoặc chân robot, giúp chúng tự do di chuyển trong môi trường.

- Cánh tay robot hoặc công cụ thao tác: Mobile manipulator thường có một hoặc nhiều cánh tay robot hoặc công cụ thao tác mà chúng có thể sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ thao tác như nâng, di chuyển, hoặc đặt các đối tượng.

- Cảm biến: Để thu thập thông tin về môi trường xung quanh và thực hiện các chức năng tự động, mobile manipulator thường được trang bị nhiều loại cảm biến như camera, LiDAR, radar, và cảm biến độ sâu.

- Điều khiển tự động: Mobile manipulator thường có khả năng điều khiển tự động, cho phép chúng lập kế hoạch cho đường đi, tránh vật cản, và thực hiện các nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp liên tục của con người.

- Ứng dụng đa dạng: Mobile manipulator có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như logistics, sản xuất, y tế, dịch vụ và nghiên cứu Chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ như tự động hóa quá trình giao hàng, lắp ráp tự động, hoặc thậm chí làm nhiệm vụ cứu thương.

- Hợp tác con người-robot: Với sự phát triển của công nghệ an toàn, mobile manipulators có thể làm việc cùng con người trong môi trường làm việc chung, thúc đẩy sự hợp tác và tăng cường hiệu suất làm việc.

Mobile manipulator đại diện cho sự kết hợp động giữa di chuyển và thao tác trong một hệ thống robot linh hoạt Điều này mở ra nhiều tiềm năng trong việc giải quyết các vấn đề trong thực tế và tạo ra những giải pháp tự động hóa đa dạng.

Hình 1.1 Một số mẫu Mobile Mnipulator trên thế giới.Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển robot ở châu Âu có niên đại từ thế kỷ XVIII đến thế kỷ XIX, còn ở Nhật Bản, các con búp bê karakuri (cơ khí), được chế tác trong thời đại Edo (1603-1868) Sau thế kỷ XX, vào năm 1954, một robot có khả năng nhấc lên và đặt xuống các vật thể được cấp bằng sáng chế tại Hoa Kỳ Khái niệm về robot công nghiệp được khai sinh Trong Chiến tranh thế giới thứ II, công nghệ điều khiển được phát triển, bao gồm cả điều khiển phản hồi, điều này cho phép chuyển động chính xác hơn.

Hình 1.2 Hình ảnh robot hình người trên thế giới

Năm 1973, WABOT-1, robot hình người đầu tiên trên thế giới, được phát triển tại Đại học Waseda Năm 1969, Kawasaki Heavy Industries, Ltd ra mắt Kawasaki-Unimate 2000, robot công nghiệp đầu tiên Robot công nghiệp trở nên phổ biến trong những năm 1980 Ngoài ra, cùng với sự phát triển của robot công nghiệp, ứng dụng thực tế của robot đã trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, robot có thể trợ giúp con người trong công việc tại các địa điểm thiên tai khó tiếp cận và robot có thể thay thế cho các chức năng vật lý bị mất (ví dụ: chân, tay giả ).

Năm 1999, robot AIBO được chế tạo giống chú chó nhỏ, được phát hành bởi Tập đoàn Sony AIBO đã được tích hợp chương trình để học một cách máy móc từ trải nghiệm của chính nó và từ cách dạy của chủ nhân AIBO có thể nũng nịu chủ nhân và chủ nhân có thể cảm nhận được “suy nghĩ” của robot Năm 2000, robot ASIMO có thể bước đi thành thục bằng hai chân được Honda Motor Co cho ra mắt, ASIMO được trang bị công nghệ đi bộ linh hoạt thời gian thực thông minh, công nghệ này giúp cho ASIMO có thể thay đổi trọng tâm theo thời gian thực để phù hợp với các tính toán của những chuyển động tiếp theo Nó di chuyển trơn tru bằng cách kiểm soát “thời điểm 0 -thời điểm cân bằng” ASIMO sau đó có thể chạy vào năm 2004, và nhiều ASIMO đã

có thể đồng bộ hóa hiệu quả các chuyển động của chúng qua một mạng liên kết vào năm 2007.

Trong những năm gần đây, nhu cầu về chăm sóc điều dưỡng đã tăng lên bởi sự già hóa dân số Theo nhu cầu này, một bộ khung robot HAL (Hybrid Assistive Limb) được phát triển bởi GS Yoshiyuki Sankai tại Đại học Tsukuba, đã được đưa vào sử dụng tại các cơ sở y tế và xã hội để cải thiện, hỗ trợ và mở rộng hoạt động thể chất của người Ngoài ra, robot đã được sử dụng để giám sát bên trong lò phản ứng, hoặc để dọn dẹp đống đổ nát hay những công việc tương tự trongmôi trường có mức bức xạ và rác thải phóng xạ cao.

Ngoài ra, đối với robot công nghiệp, liên kết nhiều robot tạo ra khả năng làm việc với người đã được đưa vào sử dụng thực tế Ví dụ, CR-35iA, một robot hợp tác được sản xuất bởi FANUC Corp vào năm 2015 và Coro Co-robot do Life Robotics Inc sản xuất vào năm 2015, có thể làm việc với người mà không cần hàng rào an toàn Ngoài ra, NEXTAGE, được sản xuất bởi Kawada Robotics Corp vào năm 2011, có cấu trúc bắt chước phần thân trên của con người và robot có thể thực hiện các nhiệm vụ mà trước đây cần được thực hiện bởi công nhân.

Hơn nữa, việc sử dụng robot đã trở nên phổ biến ngay cả trong cuộc sống hàng ngày Ví dụ, máy giặt hoàn toàn tự động, máy rửa chén, máy kiểm tra vé tự động và hệ thống vận chuyển hoàn toàn tự động Yurikamome có thể được cho là robot theo nghĩa rộng Năm 2010, Tập đoàn iRobot của Mỹ đã phát hành Roomba, một loại robot hút bụi, các nhà sản xuất Nhật Bản cũng đã cho ra đời robot làm sạch Ngoài ra, trong năm 2015, Soft Bank Corp ra mắt robot cá nhân Pepper có thể biết được cảm xúc của con người Nghiên cứu đã được tiến hành trên mối quan hệ giữa robot và con người Các định nghĩa thông thường về rô bốt công nghiệp - chẳng hạn như các tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản - mô tả chúng là các máy móc có cảm biến, hệ thống điều khiển thông minh và hệ thống truyền động Tuy nhiên, theo Chiến lược Robot của Nhật

Bản năm 2015, robot sẽ phát triển một cách sáng tạo hơn trong tương lai, bởi vậy các định nghĩa thông thường không thể bao quát được tình hình hiện tại của robot.

I.Lý do chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và nhu cầu của con người trong đời sống ngày càng được nâng lên Việc thiết kế ra những sản phẩm mang lại tiện ích cho con người cần phải đáp ứng được các nhu cầu đó Việc xây dựng một Mobile Manipulator có thể thay thế con người thực hiện các công việc nặng nhọc thường ngày trong nhà máy hoặc trong các môi trường độc hại hay đơn giản trong cuộc sống hằng ngày là một vẫn đề vô cùng cấp thiết Vấn đề đặt ra là thiết kế, chế tạo Mobile Manipulator nhằm đáp ứng nhu cầu gắp vật và di chuyển từ xa một cách linh

hoạt Vì vậy trong vấn đề này, nhóm đã chọn đề tài: “Nghiên cứu và chế tạo MobileManipulator”.

II.Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và nhu cầu của con người trong đời sống ngày càng được nâng lên, những ứng dụng của công nghệ và cuộc sống ngày càng thông minh và khả năng tự động cao hơn Việc thiết kế ra Mobile Manipulator mang lại tiện ích cho con người thực hiện các công việc nặng nhọc thường ngày trong nhà máy hoặc trong các môi trường độc hại như hóa chất, nhiệt độ cao,… hay đơn giản trong cuộc sống hằng ngày để thay thế con người là một vấn đề vô cùng cấp thiết Do đó nghiên cứu và chế tạo Mobile Manipulator là vô cùng cần thiết

V.Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của nhóm trong đề tài này là nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và mô phỏng hệ thống Mobile robot với khả năng di chuyển linh hoạt bám quỹ đạo yêu cầu và cánh tay robot có khả năng gắp vật trong phạm vi cho phép của robot theo yêu cầu của đề tài

V.Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, phương pháp sử dụng cho nghiên cứu này chủ yếu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Về lý thuyết, nhóm đã tham khảo các kho tài liệu về cơ khí, điện-điện tử, các tài liệu nghiên cứu trong vè ngoài nước Về thực nghiệm, nhóm tiến hành thiết kế, lắp ráp mô hình mobile robot và cánh tay robot, sau khi hoàn thành thiết kế, nhóm đã cho robot hoạt động thử để đánh giá những gì đã đạt và chưa đạt được so với mục tiêu đã đặt ra ban đầu Ngoài ra, nhóm cũng kết hợp với các kiến thức chuyên ngành cơ điện tử, kiến thức đa ngành, sử dụng các phần mềm tính toán, thiết kế, mô phỏng, xây dựng mô hình thực nghiệm, qua đó có thể đáp ứng các đặc điểm của Mobile Manipulator.

-CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNGI.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO PHẦN CÁNH TAY

1 Đặt vấn đề

Bộ phận Manipulator là một phần của hệ thống Mobile Manipulator được dùng để di chuyển đồ vật, gắp vật …, có thể hoạt động trong những môi trường và điều kiện làm việc khác nhau các yêu cầu kỹ thuật cụ thể như sau:

1.1 Sức nâng của tay máy

Sức nâng của tay máy được tính là phần trọng lượng (Newton) lớn nhất mà robot manipulator có thể nâng được (không tính phần trọng lượng của các khớp và cánh tay) trong một điều kiện cụ thể, như là: khi tốc độ của toàn bộ Mobile Manipulator là cao nhất hoặc khi khoảng cách giữa khâu cuối của cánh tay khâu đầu tiên là xa nhất (cánh tay nằm ngang) Thông số này rất quan trọng đối với các robot vận chuyển, lắp ráp, vì nó quyết định đến mội trường và điều kiện làm việc cụ thể của robot.

Ngoài sức nâng của robot, chúng ta cần quan tâm đến lực và moomen lớn nhất mà cánh tay có thể sinh ra.

Mobile Manipulator được thảo luận trong đề tài này được thiết kế để làm việc trong phòng thí nghiệm, hoặc nơi công sở Vì vậy tay máy được thiết kế để nâng các vật có khối lượng vừa phải với kích thước nhỏ gọn

Với những điều kiện đã được đề cập, ta chọn sức nâng tối đa của tay máy là 5 (N), tương ứng với khối lượng của vật là 0.5 (Kg).

1.1 Số bật tự do của tay máy (DOF: Degrees Of Freedom)

Số bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến) Để dịch chuyển một vật trong không gian , cơ cấu chấp hành của cánh tay robot phải đạt được một số bậc tự do nhất định.

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến thì số bậc tự do bằng với số khâu động.

Để định vị và định hướng khâu cuối của cánh tay robot một cách tùy ý trong không gian 3 chiều, robot cần có ít nhất 3 bậc tự do, trong đó 2 bậc tự do để định vị và 1 bậc tự do để định hướng.

Giả sử bài toán đặt ra là: có một vật nằm trên mặt phẳng nằm ngang , nhiệm vụ của Mobile Manipulator là định vị và di chuyển vật đến một vị trí đã được định trước Phần mobile robot sẽ di chuyển đến gần vật chỉ định và định hướng nhằm đưa vật vào không gian làm việc của cánh tay sau đó đó cánh tay robot sẽ định vị vật trong không gian 2 chiều.

Việc gặp vật yêu cầu độ chính xác cao, trong một số trường hợp còn yêu cầu về tốc độ xử lý nhanh và độ linh hoạt của cánh tay nên với yêu cầu trên số bậc của cánh tay robot phải đủ lớn để có thể đáp ứng việc xử lý Tuy nhiên số bậc tự do càng cao thì độ phức tạp trong quá trình thiết kế cũng như chi phí sẽ tăng lên Trong phạm vi đề tài, mô hình nhỏ gọn và để định vị vật trong mặt phẳng 2D chỉ cần cánh tay 2 bậc.

Với các giả định được nêu trên số bậc của cánh tay robot được chọn là 2 bậc: + Khớp cơ sở

+ Khớp vai.

Hình 2.1 Sơ đồ của cánh tay 2 bậc tự do (2 DOF)

1.2 Tốc độ di chuyển và gia tốc của các khớp

Xé về năng suất làm việc, người ta mong muốn tốc độ di chuyển của từng khâu càng nhanh càng tốt Tuy nhiên, xét về mặt cơ học ,tốc độ cao sẽ dẫn đến các vấn đề như : giảm tính ổn định , lực quán tính lớn , tuổi thọ của động cơ và các bộ phận cơ cấu giảm…

Xét về điều khiển, tốc độ cao có thể gây nên độ vọt lố cho điều khiển vị trí , với độ phân giải nhất định của bộ điều khiển ,việc tăng tốc độ của động cơ có thể làm

Có nhiều kiểu cơ cấu được trang bị cho khâu cuối của cánh tay robot để gắp vật, phổ biến nhất là hai kiểu cơ cấu : cơ cấu sử dụng giác hút chân không và cơ cấu dạng tay kẹp

Với yêu cầu bài toán đặt ra cần có một tay gắp có thể thực hiện được các nhiệm vụ gắp vật mềm mà làm biến dạng, hư hỏng vật , có khả năng linh hoạt, tiếp cận được vật một cách tối ưu nhất Vì vậy ta chọn cơ cấu gắp vật bằng tay kẹp:

Hình 2.2 Tay gắp robot cho Servo Bảng 2.1 thông số kỹ thuật của tay gắp

1.4.Lựa chọn vật liệu

Trong phạm vị của đề tài cần ưu tiên những vật liệu nhẹ vì robot được thiết kế để hoạt động trong điều kiện không quá khắc nhiệt, robot có cấu trúc phức tạp nên yêu cầu vật liệu về tính linh hoạt cũng như dễ tạo hình, gia công, vật liệu cũng loại dễ tiếp cận , có sẵn để giảm thời gian công sức khi thiết kế.

Với những yêu cầu được nêu trên, ta chọn nhôm để chế tạo , gia công các thành

phần cơ khí cho robot:

Bảng 2.2 Bảng thống kê thiết bị và thông số thiết bị

2 Tính toán lựa chọn động cơ

Ta lựa chọn thiết kế khớp cơ sơ là thiết kế điển hình vì khi cánh tay hoạt động bộ truyền và động cơ tại khớp 1 chịu tải lớn nhất.

Chọn vị trí nguy hiểm nhất khi các khâu duỗi thẳng ở vị trí nằm ngang và gắp vật có khối lượng 0.5 (kg), lúc này momen cản là lớn nhất.

Đơn giản cho việc tính toán mô men (nếu cần thiết) ta xem kích thước của các khớp đúng bằng với động cơ Servo: là hình hộp chữ nhật 40x20, vật nâng là chất điểm.

Hình 2.3 Sơ đồ cánh tay ở trạng thái nguy hiểm nhất Khối lượng tại khớp O2: m2 = 55 + 16 + 22 + 7 + 9 = 109 (g)

Khối lượng tại khâu cuối O3: m3 = 68 + 55 * 2 + 16 + 22 + 7 + 9 * 2 = 241 (g) Khối lượng tối đa của vật nâng: m = 500 (g)

Chiều dài khâu 1: l1 = 150 (mm) Chiều dài khâu 2: l2 = 150 (mm)

Ngoài mô men của trọng lượng tác động, khi làm việc từ vị trí đứng yên, lực quán tính sinh ra từ các khớp và vật nâng sẽ tạo ra lực cản lên khớp 1.

Mô men quán tính của khớp O2 của tác động lên khớp O1, áp dụng định lý

Suy ra mô men yêu trên trục ra của động cơ : Mdc ≥ Mc = 2.455 (Nm)

Chọn đông cơ: Servo Kỹ Thuật Số Spt535Lv-180

Hình 2.4 Động cơ Servo Kỹ Thuật Số Spt535Lv-180

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của động cơ servo

Khâu 1 được gắn trực tiếp lên thân xe bằng liên kết bulong đồng thời nhận chuyển động và quay trong mặt phẳng vuông góc với thân xe , có phương đi qua tâm thân xe.

Hình 2.5 Khâu 1

Khâu 2 là khâu kết hợp với khâu 1 giúp mô hình đạt được khoảng cách yêu cầu , là khâu có chuyển động quay trong mặt phẳng trùng với mặt phẳng làm việc của khâu 1

Hình 2.6 Khâu 2

3.3.Mô hình thiết kế tổng thể

Hình 2.7 Mô hình hoàn chỉnh của phần cánh tay

II.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ PHẬN MOBILE ROBOT1 Đặt vấn đề

Bộ phận Mobile Robot giúp robot di chuyển, định hướng và đưa vật cần nâng vào không gian làm việc của cánh tay Đồng thời phần mobile robot còn chịu thêm tải trọng của cánh tay và vật nâng nhưng cũng phải đảm bảo được hiệu suất vận hành và độ chính xác, nên thiết kế và cấu trúc cơ khí của mobile robot cần được tuân thủ chặt chẽ theo một số yêu cầu kỹ thuật sau đây:

1.1 Lựa chọn bánh xe

Mỗi loại mobile robot được thiết kế cho một nhiệm vụ riêng biệt, cấu trúc của robot tùy thuộc vào công việc và mội trường làm việc cụ thể Mobile robot có thể được xây dựng theo ràng buộc holonomic hoặc non-holonomic Thành phần quyết định đến kiểu cấu trúc của hệ thống là bánh xe.

- Những loại bánh xe thông dụng cho mobile robot

chuyển theo hướng tiến hoặc lùi Tâm của bánh xe được cố định vào khung của robot Góc giữa khung của robot và mặt phẳng của bánh xe là không đổi Bánh xe cố định thường được sử dụng phổ biến trong hầu hết các hệ thống robot di động có bánh xe (WMR)

Caster Wheel Caster Wheel là bánh xe bi này chứa một quả bóng kim loại hoặc nylon hình cầu được đặt trong một giá đỡ Quả bóng có góc tự do 360° và thường được sử dụng để giữ thăng bằng cho robot.

Universal Omni Wheel

Omni Wheel là bánh xe có con lăn thụ động được gắn xung quanh bánh xe trung tâm Bánh xe Omni có thể di chuyển theo bất kỳ hướng nào và có lực cản thấp Các con lăn được gắn sao cho trục của nó là trực giao với trục chính của bánh xe lớn , giúp bánh xe có thể di chuyển song song với trục của chính nó.

Mecanum Wheel

Mecanum Wheel tương tự như cấu trúc bánh xe Omni Wheel ngoại trừ các con lăn được lắp với trục của chúng một góc 45 độ so với trục của đế bánh xe chủ động Mobile robot sử dụng bánh xe Mecanum có thể di chuyển đa hướng: cho phép di chuyển theo đường chéo, tiến , lùi hoặc chuyển động quay quanh trục

của robot

- Cấu hình của bánh xe trên mobile robot

Bảng 2.5 Bảng kiểu cấu hình bánh xe thông dụng

Kiểu cấu hìnhMinh họaCấu trúc được khả năng di chuyển đa hướng

- Một trong những cấu hình phổ biến để sử dụng các bánh xe như vậy là robot sử dụng 2 bánh xe; 2 bánh Conventional Wheel được sử dụng làm bánh xe chủ động và bánh xe caster là bánh xe bị động.

Steering Wheel - Cơ chế bánh lái, hoạt động thông qua một hệ thống truyền động của robot Một động cơ lái điều khiển hướng lái (qua trái hoặc qua phải) của bánh xe và từ đó quyết định hướng di chuyển, trong khi một động cơ truyền động truyền mô-men xoắn đến bánh xe để cung cấp chuyển động thuận và lùi - Bánh xe lái thường được sử dụng trong các cấu hình có bốn bánh ba bánh và cấu hình hai bánh (ví dụ: xe đạp)

Universal Omni Wheel

- Cấu hình của Omni Wheel có thể được tối ưu hóa bằng cách sử dụng ba hoặc bốn bánh:

- Ba bánh xe có thể được gắn trên một nền tảng hình tam giác với trục của chúng được nghiêng 120 độ so với nhau.

- Bánh xe được đặt đối xứng trên hai bên của nền tảng di động hình vuông với góc theo hình chữ nhật hoặc hình vuông và các bánh xe được đặt theo kiểu xe ô tô và được lắp xen kẽ với nhau theo hàng ngang.

- So sánh khả năng vận hành dựa trên môi trường làm việc

Bảng 2.6 So sánh khả năng vận hành giữa các loại bánh

Loại bánh xe Độ nhạy cảm trên bề mặt

- So sánh cấu hình và khả năng chuyển động

Bảng 2.7 So sáng cấu hình và khả năng chuyển động

Bảng 2.8 So sánh thông số kỹ thuật giữa các bánh

Loại bánh xe Đường kính tối thiểu

Trong phạm vi nghiêng cứu của đề tài:

- Mobile Manipulator được thiết kế để hoạt động trong môi trong phòng, nơi có bề mặt nhẵng

- Vật được nâng có khối lượng không quá lớn và robot cũng được thiết kế nhỏ gọn suy ra tải trọng cho bánh xe cũng không quá lớn

- Môi trường làm việc trong phòng thường bị giới hạn, không gian chật hẹp và thường có chướng ngại vật, hoặc có vùng cấm nên diện tích

chiến dụng của mobile robot cũng bị hạn chế, suy ra cần ưu tiên robot có cấu trúc đa hướng

Từ những thông tin về bánh xe, cấu hình bánh xe trên mobile robot kết hợp với

những điều kiện được đề ra, ta chọn mobile robot sử dụng bánh xe mecanum:

Bảng 2.9 Thông số kỹ thuật của bánh xe mecanum

Loại bánhxe

– Vật liệu thân: nhựa ABS – Vật liệu con lăn: cao su mềm – Khớp nối: chưa kèm theo

1.2 Sơ đồ của bánh xe trên mobile robot

- Điều kiện đa hướng của Mobile Robot

Để giảm độ khó của mô hình động học và động lực học của robot , một số giả định được đưa ra để robot hoạt động trong điều kiện lý tưởng :

- Giả sử rằng robot di động, đặc biệt là bánh xe, nó sẽ không bị biến dạng cơ học lúc vận hành

- Toàn bộ mặt phẳng chuyển động được giới hạn trong một mặt phẳng 2D, bỏ qua tác động của mặt đất

- Con lăn có đủ ma sát với mặt đất, bánh xe sẽ không bị trượt

- Giả sử rằng điểm tiếp xúc giữa con lăn và mặt đất nằm ngay dưới tâm bánh xe

Hình 2.8 Sơ đồ của một bánh xe Mecanum Phương trình động học của một bánh xe Mecanum:

[cos(αi+βi+γi) sin(αi+βi+γi) lisin(βi+γi)][´x

´θ]+R ´φisin γi=0

Ma trận Jacobian vận tốc nghịch đảo của một hệ thống di động bao gồm n bánh xe Mecanum (n ≥ 3) là Jn×3 Theo nguyên lý động học của robot, nếu ma trận Jacobian là ma trận hạng cột đầy đủ, nghĩa là bậc (Jn ×3) = 3, hệ thống robot sẽ có ba bậc tự do trong mặt phẳng Ma trận Jacobian Jn ×3 được viết thành dạng ma trận

khối, được biểu thị dưới dạng:

Jn ×3=( J3 × 3

J(n−3)×3)

Trong hệ thống mobile robot bao gồm n bánh xe Mecanum, hệ thống có thể đạt

được chuyển động đa hướng, miễn là ma trận Jacobian nghịch đảo của ba bánh xe bất kỳ là một ma trận hạng cột đầy đủ: Rank (J) = 3.

- Mối quan hệ giữa số điểm giao nhau của trục lăn trên ba bánh Mecanum và

bậc của ma trận Jacobian

Trong một mặt phẳng, số giao điểm của ba trục lăn trên ba bánh xe Mecanum là 0, 1, 2, 3 và vô hạn Ta nhận thấy, mối quan hệ giữa số lượng giao điểm và bậc của ma trận Jacobian là mối quan hệ giữa cấu hình bánh xe Mecanum và khả năng chuyển động của hệ thống robot:

Trường hợp 1 : Trục con lăn của ba bánh xe bất kỳ không giao nhau

Hình 2.9 Cấu hình của mobile robot sử dụng ba bánh mecanum mà trục con lăn không giao nhau

Trong đó:

XiOiYi: Hệ tọa độ gắn với bánh xe

XOY: Hệ tọa độ của mobile robot

γi: Góc nghiêng của trục con lăn trên mỗi bánh xei: Góc nghiêng của trục con lăn trên mỗi bánh xe

αi, βi, i, βi, i, li: Trạng thái vị trí của mỗi bánh xe so với hệ tọa độ XOY

Mối quan hệ giữa các góc trên mỗi bánh xe:

Bảng 2.10 Mối quan hệ giữa góc trên bánh xe

Gốc O của hệ tọa độ XOY nằm trên trục con lăn của bánh xe O1

Vì trục con lăn của hai bánh bất kỳ luôn song song với nhau, nên ta suy ra mối quan hệ của các góc như sau :

sin γ3),M=[cosα1 sin α1 l1sin(β1+γ1)

cosα1 sin α1 l2sin(β2+γ2)

cosα1 sin α1 l3sin(β3+γ3)]

Bậc Ma trận Jacobian J nghịch đảo phụ thuộc vào ma trận M, nghĩa là :

Rank (J) = Rank (SM) = Rank (M)

Từ những phân tích trên, ta suy ra:

det ( M )=0, Rank (M )≠ 3

Theo định lý nhân của đa thức, ta thu được:

det (J )=0, Rank (J )≠ 3

Từ phân tích trên, trong một hệ thống mobile robot bao gồm ba bánh xe Mecanum, nếu các trục của con lăn song song với nhau và số điểm giao nhau là 0, thì ma trận Jacobian nghịch đảo của hệ thống không phải là ma trận hạng cột đầy đủ cột (bậc khác ba), vì vậy hệ thống mobile robot không thể đạt được chuyển động đa hướng.

Trường hợp 2: Trục con lăn của ba bánh xe bất kỳ giao nhau tại hai điểm

Hình 2.10 Cấu hình mobile robot sử dụng ba bánh xe Mecanum mà trục con lăn cắt nhau tại hai điểm

Trong đó:

XiOiYi: Hệ tọa độ gắn với bánh xe

XOY: Hệ tọa độ của mobile robot

γi: Góc nghiêng của trục con lăn trên mỗi bánh xei: Góc nghiêng của trục con lăn trên mỗi bánh xe

αi, βi, i, βi, i, li: Trạng thái vị trí của mỗi bánh xe so với hệ tọa độ XOY

Mối quan hệ của các góc trên mỗi bánh xe:

Bảng 2.11 Mối quan hệ của các góc trên mỗi bánh xe

Hệ gốc O của hệ tọa độ XOY là giao điểm của trục lăn của bánh xe O1 và bánh

xe O2, ta có thể thu được:

αi+βi+γi=ci(ci=00hoặc ± 1800;i=1,2), sin(βi+γi)=0

Trục của con lăn của bánh xe O1 và O3 song song với nhau nên ta suy ra được:

Do đó, ma trận M có thể thu được là:

M=[cosα1 sin α1 l1sin(c1)

¿ cosα1 ¿ l3sin(β3+γ3)¿]=[cos α1 sin α1 0

¿ cos α1 ¿l3sin(β3+γ3)¿]

Định thức của ma trận M: |M|=l3sin(β3+γ3)¿

Trục lăn của bánh xe O3 không trùng với đường thẳng I3, vì vậy:

β3+γ3≠ 0 hoặc ± 1800 suy ra sin(β3+γ3)≠0

Bởi vì trục lăn của bánh xe O1 và O2 giao nhau tại một điểm:

α1+α2≠ 0 hoặc ± 1800 suy ra sin(α¿¿2+c2−α1)≠ 0¿

Khi đó:

det ( M )≠ 0, Bậc M =3

det (J )≠ 0, Bậc J =3

Trong hệ thống mobile robot bao gồm ba bánh xe Mecanum, nếu trục của ba con lăn giao nhau tại hai điểm và ma trận Jacobian nghịch đảo là một ma trận hạng cột đầy đủ Hệ thống robot có thể chuyển động đa hướng.

- Cấu hình bánh xe bốn bánh của Mobile robot

Cấu hình có thể có của Mobile robot sử dụng bốn bánh xe Mecanum:

Hình 2.11 Các cấu hình có thể có của mobile robot bốn bánh xe Các đặc điểm của cấu hình bánh xe Mecanum được tóm tắt:

Bảng 2.12 Đặc điểm cấu hình của bánh xe Mecanum

Trong đó:

Y: Ma trận Jacobian là một ma trận xếp hạng cột đầy đủ

N: Ma trận Jacobian không phải là một ma trận xếp hạng cột đầy đủ n: Hệ thống mobile robot không có khả năng di chuyển đa hướng B: Khả năng chuyển động đa hướng không tốt;

G: Khả năng chuyển động đa hướng tốt tốt.

Trong Hình trên, đường nghiêng trên bánh xe trong hình thể hiện hướng trục của con lăn tiếp xúc với mặt đất Hình a-j cho thấy 10 cấu hình hình chữ nhật của bốn bánh xe được sắp xếp ở góc và có trục song song với đường tâm của robot Hình k–n cho thấy bốn cấu hình hướng tâm có thể có của bốn bánh xe Hình o cho thấy cấu hình mảng tròn hướng tâm của bốn bánh xe

Trong các cấu hình (a), (f) và (k), ba trục lăn bất kỳ đều song song với nhau hoặc trùng với nhau Số điểm giao nhau của ba trục lăn là 0 hoặc 1 Thứ hạng cột của ma trận Jacobian của các cấu hình này là 2 Như đã phân tích ở trên, những cấu hình này không thể đạt được chuyển động đa hướng

Trong các cấu hình bánh xe (b)–(e), (g)–(j) và (l)–(n), trục của các con lăn của ba bánh xe giao nhau tại hai điểm, do đó ma trận Jacobian của các cấu hình này là ma trận cấp bậc đầy cột Về lý thuyết, các cấu hình này có thể đạt được chuyển động đa hướng trong mặt phẳng.

Trong các ứng dụng thực tế, bên cạnh việc đáp ứng các điều kiện của bạc cột đầy đủ của ma trận Jacobian, cấu hình cũng cần khả năng hoạt động và hiệu suất lái xe tốt Cấu hình bánh xe (b), (c), (d), (g), (h), (i), (l) và (m) có thể đáp ứng các điều kiện chuyển động đa hướng, nhưng tính đối xứng và hiệu suất lái xe của hệ thống di động kém Xem xét ảnh hưởng của các yếu tố động, chẳng hạn như ma sát và mômen quán tính, trong hoạt động thực tế, sẽ có một độ lệch lớn trong chuyển động Do đó, các cấu hình này thường không được sử dụng