CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Nhận dữ liệu từ máy tính, thực hiện di chuyển. - Gửi về máy tính những thông số về trạng thái của robot. f) Thực nghiệm và đánh giá kết quả - Tiến hành thực nghiệm. - Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những hạn chế của giải thuật và mô hình.
Giới hạn và phạm vi luận văn Robot tự hành trong điều kiện địa hình bằng phẳng, với các thông số sau: - Khối lượng robot ước tính: 50 (kg). - Khối lượng vận chuyển: tối đa 50 (kg). - Vận tốc di chuyển tối đa: 0,5 (m/s). - Thời gian làm việc ước tính: 8 (giờ).
Tổ chức luận văn - Chương 2: lựa chọn phương án thiết kế cơ khí cho robot bao gồm cơ cấu lái, bộ truyền, lựa chọn phương án điện – điện tử cho robot bao gồm động cơ, cảm biến dẫn đường, bộ điều khiển. - Chương 3: phân tích phương trình động học, các biểu thức về vận tốc của robot, tiến hành tính toán và thiết kế cơ khí gồm: tính toán công suất cần thiết cho động cơ, tính toán các trục chịu tải của robot. - Chương 4: xây dựng hệ thống điện bao gồm: lập sơ đồ kết nối các mô đun trong hệ thống điện, sử dụng và điều khiển các thiết bị trên robot. - Chương 5: thiết kế giải thuật chương trình tìm đường trên máy tính, chương trình điều khiển trên robot.
- Chương 6: thực nghiệm và đánh giá kết quả. - Chương 7: tổng kết và nêu phương hướng phát triển đề tài. 9 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT Chương này trình bày các phân tích, lựa chọn phương án thiết kế, bao gồm: phương án cơ khí, phương án điện, phương án điều khiển. Mục đích của chương này là đưa ra lựa chọn phù hợp để xây dựng mô hình robot thực nghiệm.
Phương án cơ khí 2. Lựa chọn cơ cấu lái Để có phương án di chuyển phù hợp, ta cần phân tích các dạng cơ cấu lái thường được sử dụng cho robot trong nhà xưởng như sau: Cơ cấu lái vi sai (differential drive) Cơ cấu này điều khiển với hai bánh dẫn động phía sau để đạt được vận tốc và góc xoay mong muốn. Xe cần có bánh tự lựa để giữ cân bằng.1: Robot Pioneer 3DX [3]. + Ưu điểm: - Đơn giản về cơ khí và dễ dàng áp dụng.
- Không cần cơ cấu bẻ lái. - Bán kính quay xe bằng không. - Điều khiển đồng thời vận tốc và hướng của xe bằng hai động cơ. 10 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ + Nhược điểm: - Khó điều khiển chạy thẳng do hai động cơ độc lập.
- Dễ lật đối với xe chỉ có một bánh tự lựa trên địa hình gồ ghề. Cơ cấu lái xe ba bánh (tricycle) Cơ cấu này sử dụng một động cơ dẫn động cho hai bánh sau (có bộ vi sai) và một động cơ lái bánh trước hoặc bánh trước vừa dẫn động vừa lái. + Ưu điểm: - Điều khiển dẫn động và bẻ lái độc lập. - Di chuyển qua đoạn đường cong ổn định.
+ Nhược điểm: - Dẫn động bánh sau cần có bộ vi sai (nếu không có sẽ bị trượt bánh lái). - Dễ lật trên địa hình gồ ghề.2: Robot Athena sử dụng cơ cấu lái xe 3 bánh [7]. 11 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Cơ cấu lái đồng bộ (Synchronous drive, swerve drive) Tất cả các bánh xe đều gắn động cơ dẫn động và bẻ lái.3: DEWBOT XIII sử dụng cơ cấu lái đồng bộ 4 bánh [8]. + Ưu điểm: - Bán kính quay xe bằng không.
- Di chuyển tốt trên địa hình gồ ghề (đối với xe bốn bánh trở lên). - Di chuyển về mọi hướng mà không cần quay xe. + Nhược điểm: - Hệ thống cơ khí phức tạp vì mỗi bánh phải có động cơ dẫn động và bẻ lái. - Điều khiển phức tạp do có nhiều động cơ.
Mô hình robot cần một cơ cấu lái đơn giản, linh hoạt khi xoay trở trong kho hàng, do vậy bán kính góc quay xe bằng không là ưu điểm rất lớn. Điều kiện di chuyển trong nhà xưởng là bằng phẳng, do đó phương án cơ cấu lái vi sai là phù hợp cho mô hình robot. Chọn cơ cấu lái vi sai đơn giản gồm hai bánh dẫn động phía sau và một bánh tự lựa phía trước. 12 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.
Lựa chọn bộ truyền Bộ truyền đai Bộ truyền đai gồm bánh dẫn lắp trên trục động cơ, bánh bị dẫn lắp trên tải. Momen truyền đi nhờ vào lực ma sát sinh ra giữa dây đai và các bánh đai.4: Bộ truyền đai. + Ưu điểm: - Không gây ồn ào, làm việc êm. - Khi động cơ bị quá tải sẽ không gây thiệt hại do sự trượt của đai.
- Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau. + Nhược điểm: - Tỷ số truyển khi làm việc thay đổi do đai bị trượt. - Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh. - Tuổi thọ thấp.
Bộ truyền đai răng Bộ truyền đai răng có cơ cấu tương tự bộ truyền đai nhưng momen truyền đi nhờ ăn khớp giữa dây đai và các bánh đai. 13 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Hình 2.5: Bộ truyền đai răng. + Ưu điểm: - Kích thước bánh đai nhỏ. - Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai.
- Hiệu suất cao. + Nhược điểm: - Kích thước bộ truyền, cơ cấu căng đai lớn, cồng kềnh. - Tuổi thọ thấp. Bộ truyền xích Bộ truyền xích bao gồm xích và các đĩa xích dẫn, bị dẫn.
Xích truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn động sang trục bị dẫn nhờ vào sự ăn khớp giữa các mắt xích với răng của đĩa xích.6: Bộ truyền xích. 14 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ + Ưu điểm: - Không có hiện tượng trượt. - Lực tác dụng lên trục nhỏ hơn bộ truyền đai. - Có thể truyền động giữa các trục cách xa nhau.
+ Nhược điểm: - Kích thước bộ truyền lớn, cồng kềnh, tốc độ chậm. - Gây ra tiếng ồn, không thích hợp khi làm việc ở vận tốc cao. - Dễ bị ăn mòn, biến dạng xích, phải thường xuyên thay thế. Bộ truyền bánh răng Bộ truyền bánh răng truyền chuyển động và momen nhờ sự ăn khớp giữa các bánh răng.
Trục dẫn động và bị dẫn của bộ truyền có thể song song, giao nhau, chéo nhau hoặc biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.7: Bộ truyền bánh răng. + Ưu điểm: - Kích thước bộ truyền nhỏ, khả năng tải lớn. - Tỷ số truyền không đổi, hiệu suất cao. - Vận tốc làm việc và tỉ số truyền lớn nhờ lắp nhiều bánh răng ăn khớp.
- Tuổi thọ và độ bền cao. 15 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ + Nhược điểm: - Chế tạo tương đối phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao. - Khi làm việc ở vận tốc lớn gây ra tiếng ồn. Đối với đề tài này, robot chế tạo có kích thước và khối lượng không quá lớn.
Như vậy, phương án sử dụng bộ truyền đai và bộ truyền xích được bỏ qua. Kích thước bộ truyền đai răng nhỏ hơn so với bộ truyền đai thường. Nhưng đai răng có độ bền và tuổi thọ không bằng các bánh răng, hơn nữa bộ truyền bánh răng có các ưu điểm đáp ứng yêu cầu làm việc của robot như hiệu suất, khả năng tải, kích thước. Vì vậy, bộ truyền bánh răng được lựa chọn là phương án cho đề tài này.
Phương án điện – điện tử 2. Lựa chọn động cơ Robot tự hành di động nên thông thường sử dụng động cơ dùng dòng điện DC. Một số loại động cơ dùng dòng điện DC như: động cơ bước, động cơ DC, động cơ DC servo. Robot tự hành cần điều khiển vận tốc nên động cơ DC phải có hồi tiếp vận tốc (mặc dù một số động cơ DC điều khiển được chính xác vận tốc, không cần hồi tiếp nhưng giá sẽ rất cao).
Do đó chọn động cơ bước hoặc động cơ DC servo là phương án khả thi. Sau đây là những phân tích về ưu, nhược điểm của hai loại động cơ này, từ đó có thể xác định được loại động cơ cần dùng để phù hợp với yêu cầu đặt ra. Động cơ bước Động cơ bước thông thường là loại động cơ điều khiển vòng hở, biến đổi các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển động quay của rotor. Giá trị góc quay phụ thuộc và số xung điện cấp vào động cơ.
Mỗi vòng quay có số bước cố định, thay đổi tốc độ quay bằng cách thay đổi tốc độ tín hiệu điện cấp cho động cơ. 16 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Hình 2. + Ưu điểm: - Không cần hồi tiếp tín hiệu. - Điều khiển chính xác, không có vọt lố và có momen giữ tại một vị trí.
+ Nhược điểm: - Dễ bị trượt bước khi mang tải lớn. - Tốc độ của động cơ không cao, tối đa từ 1000 ÷ 2000 (rpm). - Gây rung động. Động cơ DC servo Động cơ DC servo là động cơ DC có thêm bộ phận đo thông số đầu ra của động cơ thông thường là góc quay, vận tốc quay.
Từ các sai số góc quay, vận tốc quay thì bộ điều khiển sẽ tăng hay giảm dòng cấp cho động cơ để đạt góc quay, vận tốc mong muốn. 17 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Hình 2.9: Động cơ DC servo. + Ưu điểm: - Momen khởi động và vận tốc lớn. - Động cơ chạy êm khi đạt vận tốc cố định.
- Có tín hiệu hồi tiếp nên có thể điều khiển được góc quay và vận tốc. + Nhược điểm: - Khi dừng lại, tùy theo chất lượng của bộ điều khiển ảnh hưởng đến đáp ứng nên có thể gây dao động, rung lắc. - Tín hiệu hồi tiếp có thể bị nhiễu. Dưới đây là bảng tổng kết các đặc điểm của hai loại động cơ đã được phân tích.1: So sánh động cơ bước và động cơ DC servo.
Đặc điểm Điều khiển góc Loại Tốc độ tối đa Hồi tiếp quay, vận tốc động cơ Động cơ bước Có Thấp Không Động cơ DC servo Có Cao Có 18 6 0 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Dựa vào phân tích và điều kiện hoạt động của robot, động cơ DC servo sẽ là phương án được lựa chọn để thiết kế robot. Từ những so sánh trên, lựa chọn phương án sử dụng động cơ DC servo và bộ truyền bánh răng. Kết hợp với những yêu cầu thiết kế robot như linh hoạt, nhỏ gọn nên chọn loại động cơ DC servo có tích hợp sẵn hộp giảm tốc.