BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KC.03 YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG” Mà SỐ: KC.03.08 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 1 - ĐỀ TÀI KC.03.08 NHÓM SẢN PHẨM ROBOT RP 6246-1 25/12/2006 HÀ NỘI - 2006 2 mục lục Mở đầu 4 Phần 1. Robocar RP 10 I. Giới thiệu chung 10 II. Cơ cấu chấp hành linh hoạt 13 2.1. Phân tích và chọn lựa cơ cấu tay máy phỏng sinh 13 2.2. Xây dựng các hệ hình động học và động lực 18 III. Hồ sơ thiết kế cải tiến Robot RP 27 3.1. Thiết kế tổng thể 27 3.2. Cụm chi tiết chủ yếu 31 IV. Động học xe Robocar 39 4.1. Động học xe 3 bánh 39 4.2. Động học xe 4 bánh 43 V. Môđun xe di chuyển 46 5.1. Những vấn đề chung 46 5.2. Môđun xe di chuyển cho RP-01 47 5.3. Môđun xe di chuyển cho RP-02 51 VI. Hệ thống thiết bị điều khiển 56 6.1. Giới thiệu chung 56 6.2. Hệ điều khiển Robot RP 56 6.3. Điều khiển Robocar RP-01 bằng PLC 68 6.4. Hệ điều khiển Robocar RP-02 72 Phần 2. các sản phẩm Robocar ứng dụng 80 I. Giới thiệu chung 80 II. Robocar TN trong phòng thí nghiệm 81 2.1. Giới thiệu chung 81 3 2.2. Thiết kế, chế tạo TN 81 2.3.Các sensors đợc sử dụng 90 2.4. Những nhận xét qua thử nghiệm 95 III. Robocar Chữ thập đỏ 97 3.1. Giới thiệu chung 97 3.2. Kết cấu các bộ phận chấp hành 97 3.2.1. Kết cấu xe di chuyển 97 3.2.2. Cơ cấu robot 100 3.2.3. Hệ thống bơm phun 102 3.3. Xây dựng mô hình động học Robocar Camera 103 3.3.1. Chọn các hệ tọa độ 103 3.3.2. Mô tả đối tợng quan sát trong hệ tọa độ 104 3.3.3. Xác định vị trí điểm quan sát trên màn hình camera 106 3.3.4. Khống chế vùng hiển thị trên màn hình 107 3.4. Vấn đề xử lý hình ảnh và các phơng pháp dẫn đờng cho robot 108 3.4.1. Vấn đề xử lý ảnh 108 3.4.2. Các phơng pháp dẫn đờng cho robot 111 3.5. Thiết lập hệ thống điều khiển tìm kiếm đối tợng theo màu sắc 112 3.5.1. Mô tả hoạt động của hệ thống 113 3.5.2. Chơng trình dẫn đờng tự động 114 3.5.3. Các bớc của chơng trình xử lý ảnh 115 3.6. Các ứng dụng thử nghiệm bớc đầu 116 IV. Xe lăn và xe ghế tự động 126 V. Kết luận 133 Tài liệu tham khảo 135 4 Báo cáo các kết quả Nghiên cứu theo nhiệm vụ 1 Của đề tài kc.03.08 Mở đầu Nhiệm vụ 1 của Đề tài KC.03.08 đợc đăng ký là nghiên cứu tạo ra nhóm sản phẩm Robot RP đợc nâng cấp và thông minh hóa. Phiên bản đầu tiên của Robot RP cũng do Trung tâm NCKT Tự động hóa, ĐHBK - HN. Đây là loại robot phỏng sinh (bắt chớc cơ cấu tay ngời). Sự khác biệt của robot này với các kiểu robot phỏng sinh khác là ở đây dùng cơ cấu pantograph với 2 con trợt dẫn động làm môđun chủ yếu của cơ cấu robot. Cũng vì thế robot này đợc ký hiệu vắn tắt là RP. Nếu so sánh với các loại cơ cấu dùng làm robot phỏng sinh khác thì cơ cấu robot RP có nhiều u điểm nh nhỏ gọn về kích thớc, linh hoạt và cấu trúc, dễ giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau mà không cần đến đối trọng. Tuy nhiên để hệ thống chấp hành có thể đáp ứng linh hoạt các yêu cầu về thông minh hóa, cần phải nghiên cứu cải tiến nâng cấp hệ thống chấp hành này. Với định hớng đó cần tạo thêm kh năng di động cho robot RP và thích hợp nhất là di động bằng xe. Robocar RP là phơng án cải tiến để robot RP di động bằng xe. Hệ thống gồm cơ cấu robot RP và cơ cấu xe di chuyển đợc điều khiển thống nhất. Trong hệ thống đó đợc trang bị thêm các bộ phận cảm biến, thiết bị xử lý và chơng trình phần mềm điều khiển. Với các nội dung chủ yếu đó Đề tài đã hòan thành nghiên cứu thiết kế, chế tạo và vận hành điều khiển Robocar RP, định hớng ứng dụng trong phân xởng công nghiệp. Chơng trình điều khiển Robocar RP phiên bản 01 (Hình 1) viết cho PLC - S7200 để làm phụ việc trong phân xởng chế tạo cơ khí cũng tơng đối đơn giản và chỉ lặp lại một vài thao tác định trớc. Thực ra, nếu chỉ đặt ra phạm vi phục vụ cho Robocar là phụ việc trong phân xởng công nghiệp thông thờng thì trong thực tế hầu nh không có nhu cầu phải thông minh hóa. 5 Vì thế Đề tài phải bắt đầu nghiên cứu giai đoạn 2 tạo ra Robocar RP - 02 (hình 2) với nhiều cải tiến về môđun di chuyển và sử dụng bộ vi điều khiển onchip 89C52. Đồng thời mở rộng định hớng ứng dụng. Hình 1. Robocar RP phiên bản 01 Hình 2. Robocar RP phiên bản 02 Xu thế chuyển từ Robocar công nghiệp sang Robocar dịch vụ cũng là theo xu thế chung hiện nay trên thế giới: tỷ lệ đầu t cho Robot công nghiệp (Industrial Robots) giảm đi nhiều so với Robot dịch vụ (Service 6 Robots). Theo số liệu của Hiệp hội quốc tế về robot thì năm 2000 đầu t cho robot công nghiệp giảm đi 32% tính chung cho các nớc, còn riêng Nhật Bản giảm tới 60%. Trong lúc các loại robot dịch vụ lại phát triển. Cuối năm 2001 có khoảng 13.000 robot dịch vụ. Từ năm 2002 đến 2005 có thêm gần 30.000 robot dịch vụ. Số lợng robot gia dụng và robot đồ chơi tăng gấp đôi trong vòng 4 năm. Xu thế chuyển dịch đó có thể giải thích nh sau: Một là, robot đợc dùng trong công nghiệp thờng là để thay thế những công việc đơn giản, đơn điệu và chủ yếu là chuyên dụng. Bởi thế việc đầu t cho công nghiệp những loại robot phức tạp, đa năng và thông minh là không phải lúc nào cũng cần thiết. Trái lại robot dịch vụ và giải trí lại rất đa dạng, tinh tế và đòi hỏi mức thông minh cao hơn. Hai là, chỉ đến những năm gần đây khi mà các thành tựu của các ngành công nghệ liên quan đủ để hiện thực hóa, ý tởng của những nhà thiết kế, luôn luôn bám sát các nhu cầu thực tế của cuộc sống phát triển đa dạng để tạo ra các kiểu robot dịch vụ và giải trí rất linh hoạt và thông minh. Các ngành công nghệ liên quan nói trên bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ không dây (wireless), công nghệ sensor trên cơ sở MEMS và NEMS, công nghệ VSS và thị giác máy (computer vision), công nghệ xử lý tiếng nói v.v. Đề tài KC.03.08 định hớng nghiên cứu tiếp cận những vấn đề về robot thông minh, phải cập nhật đợc những thông tin về xu thế nói trên và vì thế đã mở rộng đợc phạm vi ứng dụng kết quả nghiên cứu về robocar. Qua những lần Đề tài đi tiếp thị nhận thấy trong nhiều ngành công nghiệp Việt Nam đang còn có nhiều thói quen trì trệ bao cấp cha sẵn sàng tiếp thu những vấn đề khoa học kỹ thuật mới. Trong lúc robocar dịch vụ và giải trí có thể mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và đòi hỏi về mức độ thông minh hóa cao hơn. 7 Với cách tiếp cận theo xu thế hiện nay trên thế giới, Đề tài đã phát triển với các nhóm sản phẩm sau đây: 1. Robocar phục vụ phòng chống dịch bệnh 2. Robocar phục vụ ngời tàng tật, ốm đau. Ngoài ra còn bớc đầu nghiên cứu về Robocar địa hình, Robocar cảnh vệ, Robocar hớng dẫn viên v.v. Trên các hình 3 ữ 5 là ảnh chụp các phiên bản đầu tiên về các Robocar này do Trung tâm NCKT Tự động hóa, ĐHBK HN nghiên cứu thiết kế, chế tạo. Các nội dung phát triển nói trên là phần nghiên cứu thiết kế chế tạo các sản phẩm ứng dụng của Đề tài. Một vài sản phẩm nói trên đã đợc ứng dụng thử nghiệm, còn số khác cũng đợc nhiều cơ sở quan tâm đến, nhng để thành sản phẩm thơng mại thì còn cần có nhiều đầu t thích đáng. Tuy nhiên nếu có đợc những phiên bản đầu tiên ở PTN thì mới thu hút đợc sự quan tâm của cơ sở ứng dụng. Đó chính là mục tiêu Đề tài đặt ra. 8 H×nh 3. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar ®Þa h×nh ®ang leo thang H×nh 4. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar c¶nh vÖ víi sensor hång ngo¹i “nh×n” ®−îc trong ®ªm 9 Hình 5. Phiên bản chế thử Robocar Hớng dẫn viên điều khiển từ xa qua thị giác máy Với cách tiếp cận đó Đề tài đã nhận đợc các kết quả rất cơ bản và mở ra nhiều khả năng ứng dụng. Các kết quả cơ bản là nghiên cứu chuẩn hóa đợc các môđun hợp thành robocar thông minh. Đó là môđun di chuyển, môđun robot trên xe và môđun điều khiển xử lý tình huống. Với các môđun này khi ghép nối lại để đáp ứng một yêu cầu cụ thể là hòan toàn hiện thực. Đó là cách triển khai ứng dụng của Đề tài và việc biến những kết quả nghiên cứu nay thành những sản phẩm ứng dụng theo các nhu cầu khác nhau của cơ sở là hoàn toàn khả thi. Trong báo cáo này trình bày những kết quả nghiên cứu về các môđun nói trên qua một số sản phẩm đã tơng đối hoàn chỉnh. Cụ thể là Robocar RP- 01, Robocar RP-02, Robocar Chữ thập đỏ, Xe lăn và Xe ghế chạy điện tự động. Báo cáo này gồm 2 phần: Phần I về Robocar RP và phần II về các sản phẩm robocar ứng dụng. 10 Phần i Báo cáo các kết quả nghiên cứu theo nhiệm vụ 1 của đề tài kc. 03.08 robocar rp i. giới thiệu chung Nh đã trình bày ở phần mở đầu, Robocar RP là phơng án cải tiến để Robot RP đợc tăng cờng khả năng linh hoạt đáp ứng những yêu cầu về thông minh hóa. Phiên bản đầu tiên của Robocar RP đã hoàn thành từ năm 2002. Kết quả nghiên cứu này đã đợc giới thiệu trong sách giáo trình Robot công nghiệp và ảnh chụp Robocar RP với ghi chú là sản phẩm đề tài KC.03.08 đã dùng làm ảnh bìa sách (hình 1.1.1.). Giáo trình này đợc hầu hết các trờng Đại học và Cao đẳng kỹ thuật dùng làm sách giáo khoa. Sách đợc tái bản 2 năm một lần, đến nay đã là lần thứ 3, đó là cha kể khá nhiều sách đợc in không chính thức bán ngoài thị trờng. Sau nhiều lần khảo nghiệm qua việc ứng dụng thử nghiệm trong phân xởng chế tạo cơ khí. Đề tài đã nhiều lần cải tiến các bộ phận và luôn luôn đi sâu nghiên cứu để trả lời những câu hỏi sau: - Cơ cấu robot nên nh thế nào để nâng cao mức độ linh hoạt, mà giá thành chế tạo lại không quá cao? - Cơ cấu xe di chuyển nên nh thế nào để dễ điều khiển chính xác một khi mặt đờng di chuyển không đòi hỏi quá bằng phẳng và đồng đều? - Nên tạo ra các môđun điều khiển nh thế nào để thích hợp với những loại hình robocar khác nhau, ví dụ robocar phải thao tác ở những nơi không [...]... chuyển mạnh từ robot công nghiệp sang robot dịch vụ Bởi thế Đề tài đã nhanh chóng tạo ra nhiều loại sản phẩm từ những kết quả nghiên cứu khoa học tuy chỉ mới ở phạm vi phòng thí nghiệm nhng là kết quả rất cơ bản, vì từ đó mở ra một triển vọng ứng dụng rộng rãi, chứ không đặt mục tiêu là làm ra một sản phẩm và tìm mọi sách đem dùng sản phẩm đó mà thôi 11 Trong báo cáo này sẽ đi đến lời giải các câu hỏi... các câu hỏi nói trên nh những kết quả nghiên cứu khoa học qua việc trình bày các nội dung sau: 1) Nghiên cứu tạo dựng các cơ cấu chấp hành linh hoạt cho robot 2) Nghiên cứu tạo dựng môđun xe di động và cơ cấu lái robocar 3) Nghiên cứu thiết lập phần cứng và phần mềm điều khiển robocar Hình 1.1.2 Robocar trong phân xởng 12 II Cơ cấu chấp hành linh hoạt cho Robot 2.1 Phân tích và chọn lựa cơ cấu tay máy... m2 + 2m4 + 2m5 + 4m6] Lực R1 và R2 là lực cần thiết để tính toán kích thớc các hệ truyền dẫn động Trong thực tế ta phải cộng thêm các lực ma sát tại các khâu dẫn động (ổ trợt) và các tổn thất khác III Hồ sơ thiết kế cải tiến Robot RP 3.1 Thiết kế tổng thể 3.1.1 Các đặc tính thông số kỹ thuật 6 bậc tự do: 1 = 1500 S2 = 130mm S3 = 250mm 4 = 1500 5 = 1500 6 = 1500 Động lực: Đối với 1, S2, S3 dùng 3... 08 Đơn vị Tổng số Khối lợng 3.1.3 Bản vẽ lắp tổng thể 3.2 Các cụm chi tiết máy chủ yếu Đề tài đã hoàn thành một khối lợng thiết kế chế tạo lắp ráp toàn bộ các chi tiết máy cấu thành Robot RP Cụ thể bao gồm: - 120 bản vẽ thiết kế - 220 chi tiết máy thành 7 cụm chính: - 1 Cụm thân 31 chi tiết - 2 Cụm di động ngang 40 chi tiết - 3 Cụm di động ứng 47 chi tiết - 4 Cụm cánh tay cổ tay 70 chi tiết - 5 Cụm... 100 mm Độ chính xác: 1 mm Điều khiển theo vị trí bằng máy tính PC 3.1.2 Vùng làm việc của Robot RP Khi thay đổi các giá trị chuyển dịch ở S2 và S3 ở các khớp tịnh tiến A và B thì điểm C sẽ di chuyển theo một quỹ đạo nào đó trong mặt phẳng x, y (hình 2.5) Nừu không hạn chế các chuyển dịch này thì các vị trí ứng với tầm với xa nhất và gần nhất tầm cao cao nhất và thấp nhất xác định là miền làm việc... hạn hẹp v.v Hình1.1.1 Robocar RP trên bìa sách giáo trình Trớc những vấn đề đặt ra đó Đề tài đã chọn phơng pháp tiếp cận là đi sâu nghiên cứu cho từng vấn đề một và tạo ra những môđun thiết bị tơng đối độc lập, chúng có thể nối ghép với nhau theo nhiều phơng án để tạo ra nhiều loại robocar phù hợp với nhu cầu đa dạng của thực tế Đề tài cũng định hớng mở rộng phạm vi ứng dụng, cũng theo xu thế chung... thân và cơ cấu cổ tay bàn kẹp Tuy vậy khi thiết kế cũng phải giải quyết nhiều vấn đề, ví dụ: - Với quan hệ kích thớc nào thì không gian hoạt động của tay máy và vùng dễ thao tác là lớn nhất? - Loại hình động lực và truyền lực cho các khâu nên là và nên đặt trực tiếp ở các khâu đó hay là đặt trên phần cố định của thân? - Vấn đề đảm bảo cân bằng của các khâu ở các vị trí khác nhau? Ngoài ra còn có hàng... không gian là phải căn cứ vào các yêu cầu về định vị và định hớng của bàn kẹp tại các điểm liên tiếp trên quỹ đạo mà xác định các thông số điều khiển, ở đây là các giá trị tọa độ suy rộng của các khớp động Có thể biểu thị theo mô hình sau: Gọi x = (x1, xn)T là véctơ trạng thái điểm cuối của phần tử tác động gắn trên tay máy Gọi q = (q1, qn)T là véctơ tọa độ suy rộng của các khớp động tay máy 13 Thì... quay chung quanh trục thẳng ứng thì cơ cấu tay máy có thể thao tác trong không gian 3 chiều Đối với các loại cơ cấu này nhiều bài toán động học ngợc trở nên rất đơn giải và lúc này trở về bài toán phẳng Tùy theo quan hệ hình thức giữa các khâu và giá trị tọa độ suy rộng qimin, qimax của các khớp động mà không gian hoạt động của cơ cấu tay máy chiếm những vị trí to nhỏ khác nhau và chứa các vùng khó... hình 1.1.3 là sơ đồ động của cơ cấu tay máy 6 bậc tự do trong Robot Cincinnaty 3T của USA Từ 1 đến 6 là các khâu của cơ cấu tay máy Cụm 7 là cơ cấu cổ tay - bàn kẹp, 8 là thân Trên hình 1.1.4 mô tả sơ đồ các hệ thống động lực, các truyền lực bằng dây đai và các hệ cân bằng I, II, III Theo sự mô tả đó, có thể hình dung ra dự hoạt động của các hệ đó mà không cần phải giải thích thêm ở đây Điều khiển dịch . “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG” Mà SỐ: KC.03.08 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 1 - ĐỀ TÀI KC.03.08 NHÓM SẢN. nghiên cứu thiết kế chế tạo các sản phẩm ứng dụng của Đề tài. Một vài sản phẩm nói trên đã đợc ứng dụng thử nghiệm, còn số khác cũng đợc nhiều cơ sở quan tâm đến, nhng để thành sản phẩm thơng. kết quả Nghiên cứu theo nhiệm vụ 1 Của đề tài kc.03.08 Mở đầu Nhiệm vụ 1 của Đề tài KC.03.08 đợc đăng ký là nghiên cứu tạo ra nhóm sản phẩm Robot RP đợc nâng cấp và thông minh hóa. Phiên