Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT RHEX 1. Giới thiệu chung về robot Rhex Rhex là một Robot có 6 chân với khả năng di chuyển linh hoạt và dễ dàng vượt qua được nhiều chướng ngại vật đa dạng như đường bằng, đường dốc, leo cầu thang, lội nước. Robot có khả năng tiếp cận vào các khu vực có địa hình phức tạp như hầm ngầm, gầm cầu, gầm cống; khu vực bị ô nhiễm, khu vực có tính rủi ro cao như: nơi có cháy nổ, nguy cơ sập, sạt nở…Đặc biệt là các địa hình có nhiều loại vật cản mà chúng ta không biết trước được. Robot Rhex Robot Rhex có camera đèn led phía trước cho phép điều khiển từ xa bằng sóng radio, thân của nó được đóng kín chuẩn kháng nước.
Robot Rhex đã được một số quốc gia chế tạo nhằm phục vụ những công việc chuyên biệt. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Robot Rhex trong đề tài này có kích thước (dài x rộng x cao): 57 x 31 x 14,5 cm, đường kính chân robot: 19 cm, bản rộng, dày của chân 3cm, trọng lượng robot xấp xỉ 13 kg. Trong suốt quá trình nghiên cứu, phát triển, Rhex đã tích hợp các tính năng kỹ thuật để thực hiện công việc của mình. Trên thực tế nó có khả năng thực hiện rất nhiều các công việc một cách độc lập, hiệu quả.
Lấy mô phỏng từ cách di chuyển các loại côn trùng Rhex sử dụng chân dạng móc chữ C thay vì bánh xe. Sự phát triển của Robot Rhex Năm 2001, robot Shelly Rhex đã được chạy và trình diễn lần đầu tiên với khả năng lội nước. Robot này có thể đi trên bãi biển và nổi trên mặt hồ. Nó bơi bằng 6 chân trên mặt nước và bước trên đất qua những tảng đá.
Để bảo vệ các thiết bị điện tử tác động bên ngoài, bụi bẩn và độ ẩm, một dự án đã được thực hiện để thay thế vỏ bằng vật liệu composite. Shelley - Rhex là một robot lưỡng cư được phát triển dựa trên nền tảng robot Platform nhằm cải thiện khả năng vượt địa hình và có thể bơi được trên mặt nước. Tuy nhiên, Shelly Rhex gặp phải một số nhược điểm như vật liệu làm thân khá giòn và thiết kế khó, đòi hỏi độ chính xác cao, chi phí tốn kém. Robot Rugged Rhex được thiết kế dựa trên sự kế thừa các tính năng của robot Shelly và được sản xuất để phục vụ trong lĩnh vực thương mại.
Điều này tạo sự quan tâm từ các nhà tài trợ sau khi họ quan sát về các khả năng hoạt động của phiên bản trước là robot Shelly Rhex. Rugged Rhex được thiết kế với khả năng mang thêm vật nặng có tải trọng là 2 kg với khoảng cách đi lại là 2 km, thời gian hoạt động lên đến 6h và có khả năng chống nước mưa. Rugged Rhex là một robot lưỡng cư có khả năng vượt địa hình rất tốt, được cải thiện kết cấu từ robot shelly rhex. Robot này được module hóa từng bộ phận nên dễ tháo lắp, thay thế.
Tuy nhiên, Rugged Rhex đã được thương mại hóa nên giá thành cao. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Tiếp đến là robot Aqua được phát triển dựa trên nền tảng Rugged Rhex. Đây là dự án được nghiên cứu tại đại học McGill và trường Đại học York với sự tài trợ của IRIS/ PRECARN và NSERC. Mục tiêu của dự án là phát triển một robot có khả năng hoạt động dưới nước.
Robot Aqua có thể lặn sâu được 10m, hệ thống quan sát có khả năng tạo ra các bản đồ ba chiều của các rạn san hô dưới biển. Aqua là một thiết kế đặc thù để lặn dưới nước. Việc thay thế các chân thành các mái chèo giúp Aqua di chuyển tốt dưới nước. Tuy nhiên, việc chế tạo robot Aqua là khó khăn vì các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và thấm nước.
Ngoài ra, việc hoạt động trong môi trường nước yêu cầu vật liệu phải bền vững và không bị ăn mòn bởi muối. Do vậy, việc chọn lựa vật liệu cũng gặp nhiều khó khăn. Robot Edu được phát triển dựa trên robot Rhex Platform được nghiên cứu bởi IEEE năm 2013. Robot edu được phát triển theo hướng nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ cứng chân so với khả năng di chuyển của robot trên các dạng địa hình khác nhau.
Sự khác biệt này tạo ra một tiền đề cho sự phát triển một dòng robot Rhex có thể thay đổi độ cứng vững của chân thích ứng với từng dạng địa hình khác nhau. Tuy nhiên, Edu vẫn tồn tại một số nhược điểm như chưa giải quyết được mâu thuẫn nội lực nội bộ dẫn đến sự tổn hao về năng lượng. Ngoài ra, việc chế tạo robot edu cũng khá phức tạp. Robot Xjus được nghiên cứu bởi nhóm sinh viên Đại học Princeton năm 2013.
Nó là robot 6 chân dạng Rhex đầu tiên được thiết kế với mô hình có thể điều chỉnh độ cứng cột sống thụ động của thân nhằm lưu trữ năng lượng cơ thể và giảm hao tổn năng lượng. [6] Như vậy, trong suốt chiều dài của quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát triển robot Rhex theo nhiều hướng khác nhau. Tuy nhiên việc nghiên cứu chủ yếu dựa vào thế hệ công nghệ cũ, chưa áp dụng những công nghệ mới. Vì vậy, đề tài quyết định đi sâu vào việc giải quyết bài toán về điều khiển động LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 cơ robot nhằm tối ưu hóa và phát huy sức mạnh khi di chuyển ở những địa hình khác nhau.
Một số phương pháp điều khiển động cơ robot Rhex 1. Khái niệm chung - Điều khiển động cơ robot một chiều ở đây thực hiện quá trình điều khiển tốc độ và chiều quay. Hầu hết các loại động cơ đòi hỏi nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hóa quá trình. Muốn có được các tốc độ khác nhau trên động cơ có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động.
- Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định gọi là tốc độ đặt. Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nguồn, mạch và tải, khi các thông số thay đổi thì tốc độ của động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không cho phép. Để khắc phục người ta dùng những phương pháp ổn định tốc độ.
- Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng đến dải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định càng cao thì dải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mô men quá tải càng lớn. - Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như: + Điều chỉnh tham số + Điều chỉnh điện áp nguồn + Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu tạo động cơ điện một chiều Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm stator, rotor và hệ thống chổi than, vành khuyên, cổ góp.
Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt. Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Rôtor (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 đặt vào phần ứng qua hệ thống chổi than – cổ góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tuỳ theo độ mòn của chổi than. Chức năng của chổi than - vành góp là để đặt điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm).
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông ø. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. Giá trị của mômen điện từ được tính như sau: 𝑝.𝑎 Trong đó: p: số đôi cặp cực của động cơ.
n: số thanh dẫn phần ứng duới một cực từ. a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 k: hệ số kết cấu của máy. Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục.
Phân loại động cơ một chiều Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra các loại như sau: - Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ. - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp với phần ứng. - Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích được mắc song song với phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng. Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của nó có thể thay đổi được để cung cấp cho phần ứng của động cơ. Các nguồn điện áp này thường được tạo ra bởi một bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (Thysistor) hoặc không có điều khiển (điôt). Điểu chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ điều chỉnh điện áp và bộ chỉnh lưu điôt.
Bộ điều Chỉnh lưu Chỉnh lưu chỉnh đi ốt đi ốt điện áp Hình 1. Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp Phương pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách có chu kỳ.