ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu Tính linh hoạt trong vận hành, hoạt động tinh vi, nhanh và chuNn xác; có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại hay không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp. Trong nhiều lĩnh vực, robot được sử dụng để thay thế con người làm việc trong điều kiện nặng nhọc, dễ gây tai nạn, môi trường độc hại, khói bụi và nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Đối với Việt Nam, song song với việc đầu tư và ứng dụng thành quả robot công nghiệp trên thế giới thì nghiên cứu chế tạo những robot thông minh “made in VietNam” là thật sự cần thiết. Ứng dụng robot công nghiệp vào quá trình sản xuất kinh doanh tại Việt Nam sẽ làm thay đổi cục diện tại các công xưởng, nhà máy, xí nghiệp.
Trong môi trường lao động công nghiệp, đặc biệt trong các xưởng sản xuất, việc di chuyển hàng hóa thành phNm, bán thành phNm và nguyên liệu. Công nhân làm việc với cường độ cao, năng suất lao động thấp, chi phí cao. Đặc biệt, trong các phòng nguyên liệu độc hại không những tổn hao về chi phí mà còn tổn hao sức khỏe. Xuất phát từ thực tế trên, việc nghiên cứu thiết kế robot dùng để chuyên chở, hay vệ sinh nhà xưởng, làm việc ở những môi trường độc hại với nhiều địa hình di chuyển phức tạp như: mặt dốc, nghiêng, gồ ghề hay chướng ngại vật, cầu thang đã và đang được quan tâm.
Đây cũng chính hướng nghiên cứu của đề tài “Thiết kế và thi công các bước cơ bản robot đa địa hình”.Trịnh Hoàng Hơn HVTH: Trần Hoài Tâm Luận văn thạc sĩ 2 Thiết kế và thi công các bước cơ bản Robot đa địa hình 1.2 Căn cứ khoa học và thực tiễn 1. Căn cứ khoa học Đề tài nghiên cứu dựa trên kiến thức căn bản từ các môn học ở bậc Đại học và kiến thức nâng cao từ các môn học chuyên ngành trong chương trình đào tạo ở bậc Cao học. Đặc biệt là lý thuyết và thực hành ứng dụng của các môn học như: Lý thuyết điều khiển hệ thống, Kỹ thuật vi điều khiển, Công nghệ tính toán mềm, Xử lý ảnh và thị giác máy tính, Phương pháp nghiên cứu khoa học… 1. Căn cứ thực tiễn Hiện nay, ứng dụng robot đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế con người.
Trong một số điều kiện làm việc, robot hoàn toàn vượt qua khả năng của con người; do đó robot là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người trong những công việc năng nhọc và độc hại. Việc nghiên cứu và thiết kế robot đa địa hình trong điều kiện về khoa học công nghệ tại Việt Nam hiện nay là hướng tiếp cận còn mới mẻ và tiềm Nn không ít những khó khăn. Tuy nhiên, thành công của kết quả nghiên cứu sẽ làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo trong tương lai cũng như đóng góp một phần nhỏ vào sự phát triển về khoa học kỹ thuật của đất nước. Kết quả nghiên cứu của đề tài là tiêu chuNn để đánh giá kiến thức được tích lũy trong suốt thời gian học tập, rèn luyện tại giảng đường trường Đại học Bách Khoa TP.
Xuất phát từ những lý do trên, đề tài “Thiết kế và thi công các bước cơ bản robot đa địa hình” được thực hiện.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề tài tiến hành thiết kế và thi công các bước cơ bản robot đa địa hình có thể hoạt động ở hai địa hình làm việc đặc trưng: trên mặt phẳng và leo thang. Trong đó, mô hình robot đa địa hình sử dụng kết cấu dẫn động Star-Wheel nhằm phát huy sự đa dạng với các điều kiện làm việc khác nhau. Ứng với hai địa hình làm việc của GVHD: TS.Trịnh Hoàng Hơn HVTH: Trần Hoài Tâm Luận văn thạc sĩ 3 Thiết kế và thi công các bước cơ bản Robot đa địa hình robot đa địa hình sẽ lập trình hai chế độ điều khiển số độc lập nhằm nâng cao khả năng tự động hóa của mô hình. Điều khiển hoạt động của robot dựa vào mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển AVR-ATmega128; kết hợp cùng với mạch điều khiển động cơ DC, encoder đo tốc độ động cơ, các cảm biến siêu âm và hồng ngoại đo khoảng cách, cùng các thiết bị giao tiếp khác: text LCD, remote.
Đề tài còn lập trình ứng dụng “thị giác máy tính” để phát hiện, phân biệt hành lang và cầu thang từ một bức ảnh duy nhất. Kết quả đạt được, trong thời gian tới có thể phát triển và ứng dụng cho robot đa địa hình khả năng nhận dạng và phân biệt các môi trường làm việc khác nhau để đưa ra quyết định điều khiển thích hợp. Nội dung của đề tài tập trung vào những mục tiêu cụ thể sau: Thiết kế mô hình cơ khí robot đa địa hình Giải thuật điều khiển robot đa địa hình trong chế độ làm việc leo thang Giải thuật điều khiển robot đa địa hình trong chế độ làm việc mặt phẳng Ứng dụng “thị giác máy tính” để nhận dạng và phát hiện cầu thang Thiết kế mạch điều khiển và lập trình hoạt động của robot đa địa hình.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Do giới hạn về kinh phí, thời gian nghiên cứu nên đề tài chỉ giải quyết các vấn đề quan trọng cơ bản trong việc thiết kế và thi công một robot đa địa hình có thể hoạt động trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau. Kết quả đạt được của đề tài là cơ sở thực tiễn thuyết phục, tạo tiền đề cho việc thiết kế hoàn chỉnh một robot đa địa hình được phát triển trong tương lai.4 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Một số robot có khả năng làm việc đa địa hình Đã có một số đề tài nghiên cứu và thiết kế robot đa địa hình với nhiều dạng kết cấu truyền động khác nhau cho cùng một số nhiệm vụ nhất định kể trên.
Mỗi dạng robot có những đặc tính thiết kế riêng biệt; vì vậy chúng có những ưu GVHD: TS.Trịnh Hoàng Hơn HVTH: Trần Hoài Tâm Luận văn thạc sĩ 4 Thiết kế và thi công các bước cơ bản Robot đa địa hình điểm về kết cấu động học cho từng công việc, nhiệm vụ đặc thù. Song song đó, vẫn tồn tại một số hạn chế nhất định tương ứng với mỗi dạng kết cấu. MSRox MSRox được thiết kế cơ cấu hình sao (Star-Wheel) vừa có thể xoay và tịnh tiến. MSRox có 12 bánh xe được thiết kế để có thể chuyển động được trên bề mặt phẳng hoặc có độ dốc.
Ngoài ra, bốn cơ cấu Star-Wheel được thiết kế để vượt qua cầu thang và trở ngại. [1] Ưu điểm: Có thể làm việc trên nhiều địa hình khác nhau như: mặt phẳng, mặt nghiêng có độ dốc, các vật cản có chiều cao tương đối, vượt các bậc thang với tốc độ cao. Đặc tính nổi bật nhất của MSRox chính là khả năng tự động thay đổi chế độ làm việc trong những điều kiện làm việc khác nhau bằng cách thay đổi trạng thái của cơ cấu Star-Wheel (xoay hoặc tịnh tiến). Nhược điểm: Kết cấu Star-Wheel của robot bao gồm bảy bánh răng và ba bánh xe.
Do đó, MSRox đòi hỏi nhiều chi tiết gia công, lắp ghép phải chính xác và đồng bộ. Trong quá trình hoạt động, có ít nhất bốn bánh xe của MSRox tiếp xúc với mặt phẳng làm việc nên robot khó có thể thay đổi hướng làm việc.1: MSRox Robot Silver Là loại robot di động dạng bánh xích được thiết kế vào năm 2004 bởi nhóm Resquake Robotics-Đại học công nghệ K. Robot này có bốn cần điều chỉnh độc lập nhằm xác định góc nghiêng của đối tượng cần vượt qua. Bánh xích và các cần được điều kiển bởi các động cơ điện DC giúp nó có thể vượt chướng ngại vật cao đến 40cm.Trịnh Hoàng Hơn HVTH: Trần Hoài Tâm Luận văn thạc sĩ 5 Thiết kế và thi công các bước cơ bản Robot đa địa hình Ưu điểm: Hoạt động trên các địa hình đa dạng khác nhau.
Đặc tính nổi bật nhất của robot dạng bánh xích như robot Sliver chính là khả năng cơ động và hoạt động ổn định trong môi trường quân sự: bùn lầy, băng tuyết… Nhược điểm: Kết cấu của robot Silver đòi hỏi sáu động cơ DC hoạt động độc lập. Với thiết kế có bốn cần điều chỉnh, robot sẽ mất nhiều thời gian trong quá trình làm việc. Đặc biệt trong hoạt động leo thang, bao gồm các giai đoạn được thực hiện tuần tự: điều chỉnh hai cần phía trước, tịnh tiến, điều chỉnh hai cần phía sau, tiếp tục tịnh tiến.2: Robot Silver Rhex Một số robot leo thang có chân được nghiên cứu trước đây đã rất thành công, điển hình như robot của Honda gần đây có thể leo các bậc thang ở trạng thái tĩnh. Một vài robot đã thành công trong việc leo các cầu thang ở trạng thái động nhưng sự ổn định của các loại robot này vẫn còn rất hạn chế.
Để cải thiện sự ổn định, RHex có một cơ thể rộng và tư thế sải dài. RHex là một loại robot song song có sáu chân với sáu bậc tự do. Nó có khả năng đi qua địa hình cao, gồ ghề và không ổn định. [3] Ưu điểm: Do hoạt động tương đối giống với hoạt động của con người nên Rhex có khả năng làm việc mềm mại.
Robot RHex có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu.Trịnh Hoàng Hơn HVTH: Trần Hoài Tâm Luận văn thạc sĩ 6 Thiết kế và thi công các bước cơ bản Robot đa địa hình Nhược điểm: Nhược điểm chính của robot loại này là việc chế tạo phức tạp, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển. Tại một thời điểm bất kỳ, chỉ duy nhất một chân chủ động, nên đòi hỏi công suất hoạt động của mỗi động cơ lớn. Robot bị hạn chế về tải trọng và chi phí chế tạo cao.3: RHex MACbot Kết hợp cơ cấu leo thang dạng bốn chân và bánh xích, MACbot là loại robot là kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ.
MACbot gồm bốn bánh xích có hai chức năng kép là đi trên mặt của bậc thang và đi lên các rãnh bậc thang. Các khớp cơ cho phép truyền năng lượng để liên kết hai chức năng nói trên. [4] Ưu điểm: Ngoài chế độ làm việc đi bằng bốn chân, leo thang, MACbot còn có khả năng phục hồi trạng thái khi đổ ngã. Kết hợp được ưu điểm về tính cân bằng, ổn định của robot bốn chân và tính cơ động của robot bánh xích.
