Đang tải... (xem toàn văn)
Humanoid robot còn được gọi là robot dạng người. Trong các phim khoa họcviễn tưởng, các loại robot đều có hình dạng giống người, do đó cứ nhắc đến“robot” thì hầu hết mọi người đều nghĩ đến humanoid robot. Tuy nhiên, khôngphải robot nào cũng có hình dạng giống người, tùy theo chức năng mà có hìnhdạng thích hợp. Các đặc tính của humanoid robot có thể tổng kết như sau:(1) Có thể hoạt động trong môi trường của con người.(2) Có thể sử dụng công cụ của con người.(3) Có hình dạng giống con người.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược Humanoid robot: Humanoid robot gọi robot dạng người Trong phim khoa học viễn tưởng, loại robot có hình dạng giống người, nhắc đến “robot” hầu hết người nghĩ đến humanoid robot Tuy nhiên, robot có hình dạng giống người, tùy theo chức mà có hình dạng thích hợp Các đặc tính humanoid robot tổng kết sau: (1) Có thể hoạt động môi trường người (2) Có thể sử dụng công cụ người (3) Có hình dạng giống người Môi trường sống thiết kế cho người, tất vật dụng, điều kiện sống phục vụ cho người Các công cụ thiết kế cho phù hợp với vóc dáng người Một robot có hình dạng khác phù hợp Tuy nhiên, để phát triển loại robot thích nghi với môi trường mang tính kinh tế cao việc thay đổi toàn môi trường Đặc tính liên quan đến cảm xúc người Robot giống người nhân cách hóa Ví dụ: Một robot dạng người nhảy múa hấp dẫn Robot có hình dạng giống người tạo cảm giác thân thiện, gần gũi với người Đặc tính nguyên nhân khiến phim khoa học viễn tưởng thiết kế robot dạng người.Việc sử dụng humanoid robot hiệu tiết kiệm nhiều so với robot dạng khác Do đó, việc nghiên cứu phát triển humanoid robot điều cần thiết CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Cũng giống nhu người, humanoid robot ghép lại nhiều phận: đầu, mình, chân, tay Ở mức độ luận văn tập trung nghiên cứu phát triển động tác mà tay người có khả thực thông qua việc phân tích khớp vai khớp khuỷu tay Mục tiêu sau: Thực theo động tác tay mà người thực có khả ghi nhớ động tác Ứng dụng robot mong muốn thay người thao tác môi trường nguy hiểm, trợ giúp người giảng dạy từ xa, đại diện cho cá nhân, tập thể họ có mặt tương tác trực tiếp với môi trường xung quanh Để làm điều này, ta cần làm việc sau: Tìm hiểu đặc điểm cấu tạo khớp vai, khớp khuỷu tay, biểu diễn khớp sinh học dạng khâu khớp khí Tìm hiểu động tác người mà robot có khả thực được, thông qua đưa phương án thiết kế phù hợp 1.2 Chuyển động khớp vai, khớp khuỷu tay người: Cấu tạo khớp vai người: Hình 1.1: Tổng quan khớp vai CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ba xương tạo lên khớp vai bao gồm: - Xương đòn - Xương vai - Xương cánh tay Hình 1.2: Xương đòn Hình 1.3: Xương vai CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.4: Xương cánh tay Vai có hai khớp hoạt động đồng thời để tạo chuyển động là: - Khớp vai - đòn (AC) khớp trượt hình thành xương đòn mỏm vai, mỏm vai phần lồi xương vai Khớp vai đòn cho phép nâng cánh tay lên đầu (1DOF) Hình 1.5: Khớp vai - đòn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Khớp ổ chảo – cánh tay hay gọi khớp vai khớp chỏm cầu, phần cầu phần chỏm hình tròn xương cánh tay phần tiếp khớp phần hình bát lõm xuống xương vai gọi ổ chảo Nơi tiếp xúc cho phép cánh tay xoay tròn đưa xa, gần thể (2DOF) Hình 1.6: Khớp ổ chảo – cánh tay Chuyển động khớp vai: Với cấu tạo phân tích gồm khớp tịnh tiến khớp cầu nên khớp vai bao gồm ba bậc tự Chuyển động khớp vai biểu diễn sau: Hình 1.7: Chuyển động khớp vai sinh học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Cấu tạo khớp khuỷu người: Hình 1.8: Tổng quan khớp khuỷu Ba xương tạo lên khớp khuỷu bao gồm: - Xương cánh tay - Xương trụ - Xương quay Hình 1.9: Xương cánh tay CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.10: Xương trụ Hình 1.11: Xương quay Khuỷu bao gồm hai khớp: - Phần tiếp xúc lồi cầu xương cánh tay đầu xương quay - Phần tiếp xúc xương trụ lồi cầu xương cánh tay CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.12: Khớp xương cánh tay xương quay Hình 1.13: Khớp xương trụ xương cánh tay CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chuyển động khuỷu tay hình thành nhờ vào hoạt động đồng thời hai khớp cho phép chúng đưa bàn tay lên vai qua ngực (2DOF) Chuyển động khớp khuỷu: Với cấu tạo phân tích gồm khớp cầu khớp quay nên khớp khuỷu bao gồm hai bậc tự Chuyển động khớp khuỷu biểu diễn sau: Hình 1.14: Chuyển động khớp khuỷu sinh học 1.3 Giới hạn đề tài: Đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng số nhiều lợi ích robot dạng người nhằm giúp đỡ người Mục tiêu đề tài thiết kế, khiển cánh tay robot dạng người mô số động tác thể dục Luận văn qua chương sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Chương 1: Giới thiệu tổng quan robot dạng người Phân tích cấu tạo, chuyển động khớp vai khớp khuỷu tay người Giới hạn đề tài - Chương 2: Phân tích, lựa chọn số bậc tự cho co cấu cánh tay robot Đưa phương án thiết kế, điều khiển, thiết bị thực lựa chọn phương án phù hợp - Chương 3: Giải toán động học vị trí cho cấu cánh tay robot - Chương 4: Tính toán thiết kế khí cho khớp vai robot - Chương 5: Thiết kế hệ thống điện cho phần điều khiển phần động lực - Chương 6: Mô cấu cánh tay robot dựa phần mềm Matlab Simulink để kiểm tra kết toán động học tính toán chương - Chương 7: Đưa phương pháp điều khiển Thiết kế giải thuật điều khiển để cánh tay robot thực nhiệm vụ - Chương 8: Thực nghiệm thiết bị, mô hình thực tế để kiểm tra giải thuật thiết kế chương so sánh độ xác mô hình toán học xây dựng chương mô hình thực tế - Chương 9: Tổng kết, đánh giá kết thu qua đề tài Hướng phát triển đề tài 10 CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 97 CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Lưu đồ giải thuật vi điều khiển: - Chương trình chính: 98 CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN - Chương trình ngắt UART0: 99 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM CHƯƠNG THỰC NGHIỆM Chương tiến hành thực nghiệm thiết bị thực tế để kiểm chứng giải thuật điều khiển đưa chương Đồng thời đánh giá, nhận xét kết luận tính khả thi, xác phương pháp điều khiển 8.1 Mô hình thực nghiệm: Hình 8.1: Mô hình robot 100 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM Hình 8.2: Cảm biến Kinect Hình 8.3: Nguồn 12V – 10A 101 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM Tổng quan hệ thống điện giao tiếp thiết bị: Bộ phận cấp nguồn: Bộ phận cấp nguồn có nhiệm vụ cấp nguồn cho toàn hệ thống, bao gồm: o Cấp nguồn VDC cho động RC servo khớp cánh tay robot o Cấp nguồn 220 VAC cho cảm biến Kinect o Cấp nguồn VDC cho mạch điều khiển Bộ phận nguồn chia làm nhánh sau: o Nguồn VDC cấp cho động RC servo MG996R, động RC servo FR–1501MG Mỗi động MG996R có dòng điện cực đại 2,5A (6V) Động FR-1501MG có dòng điện cực đại 2,5A (6V) Các động hoạt động đồng thời Suy ra, dòng điện tổng là: = 2,5 = 10 Sử dụng mạch giảm áp LM 2596 – ADJ có đầu 6V, dòng điện tối đa 3A.Một mạch giảm áp cấp nguồn cho RC servo FR–1501MG, mạch gảm áp lại cấp cho động RC servo MG996R Đầu vào mạch giảm áp 12 VDC từ nguồn tổ ong 12V – 10A 102 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM Số hiệu LM2596 – ADJ Điện áp ngõ 1,25 – 30 VDC Dòng điện tối đa 3A Bảng 8.1: Thông số mạch LM2596 – ADJ o Nguồn 5V cấp cho vi điều khiển lấy từ cổng giao tiếp USB – UART máy vi tính vi điều khiển o Nguồn cấp cho cảm biến 220 VAC, cấp trực tiếp từ mạng điện xoay chiều Hình 8.4: Sơ đồ kết nối vi điều khiển với động Hình 8.5: Sơ đồ kết nối máy vi tính với vi điều khiển cảm biến 103 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM 8.2 Giao diện quản lý máy tính: Hình 8.6: Giao diện tương tác với người điều khiển máy vi tính Giao diện bao gồm: Các viewbox hiển thị giá trị góc xuất từ cảm biến kinect Các viewbox hiển thị tọa độ khớp cổ tay Các viewbox hiển thị tọa độ khớp khuỷu tay Checkbox: “Connect Tiva”, chọn để kết nối với vi điều khiển Tiva Viewbox: “Status”, hiển thị trạng thái thực 104 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM Khối nút điều khiển: Dùng để lệnh điều khiển Cụ thể sau: - Mode 1: Kiểm tra kết nối với vi điều khiển, gửi liệu xuống vi điều khiển để robot thực nhiệm vụ - Mode 2: Tạo file Notepad lưu giá trị tọa độ, góc vào file - Stop: Trạng thái chờ lệnh Thanh Status hiển thị: “Stopped” Bản đồ khung xương: Hình dáng khung xương mà cảm biến kinect bắt đối tượng đứng trước cảm biến 8.3 Thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm việc đưa hai mươi vị trí khác với thời gian lấy mẫu 0,1s Kết biến góc tính toán dựa mô hình toán học giá trị biến góc mà ta mong muốn đạt so sánh với kết biến góc tính toán dựa cảm biến kinect giá trị biến góc thực tế truyền đến robot để thực thi động tác Bảng 8.2 bao gồm cột: Cột thứ số thứ tự hai mươi vị trí lấy mẫu Cột thứ hai kết biến góc tính toán dựa mô hình toán học Cột thứ ba kết biến góc tính toán dựa thiết bị thực tế Cột thứ phần trăm sai số kết xác định công thức: % = (∆ ) + (∆ ) + (∆ ) + (∆ ) 105 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM Vị trí Giá trị góc mong muốn [ , , , Giá trị góc thực tế Sai số ] [ , , , ] [−105, 44, −20, −75] [−102, 38, −23, −62] 14,93 % [−98, 39, −10, −53] [−97, 33, −12, −46] 9,49 % [−94, 37, −10, −46] [−93, 31, −12, −43] 7,07 % [−92, 36, −12, −49] [−92, 30, −15, −46] 7,35 % [−97, 28, −21, −43] [−97, 23, −24, −47] 7,07 % [−98, 28, −25, −47] [−97, 24, −28, −52] 7,14 % [−101, 28, −37, −54] [−100, 24, −39, −63] 10,10 % [−101, 28, −41, −60] [−101, 24, −43, −67] 8,31 % [−98, 23, −44, −59] [−98, 19, −46, −66] 8,31 % 10 [−97, 18, −52, −60] [−97, 15, −56, −71] 12,08 % 11 [−99, 19, −56, −66] [−99, 17, −59, −76] 10,63 % 12 [−99, 20, −59, −70] [−99, 17, −62, −79] 9,95 % 13 [−100, 11, −67, −71] [−101, 10, −71, −80] 9,95 % 14 [−100, 12, −68, −74] [−101, 11, −70, −81] 7,42 % 106 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM 15 [−102, 20, −71, −85] [−102, 18, −73, −91] 6,63 % 16 [−101, 13, −78, −86] [−101, 12, −81, −93] 7,68 % 17 [−101, 19, −76, −89] [−101, 17, −78, −95] 6,63 % 18 [−102, 17, −84, −98] [−102, 16, −86, −102] 4,58 % 19 [−102, 19, −84, −99] [−102, 17, −85, −102] 3,74 % 20 [−102, 23, −85, −105] [−102, 22, −86, −108] 3,32 % Bảng 8.2: Kết sai số thực nghiệm tính toán -90 -92 0.5 1.5 2.5 -94 -96 Theta1 thực tế -98 Theta1 mong muốn -100 -102 -104 -106 Hình 8.7: Đồ thị góc 107 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM 50 45 40 35 30 25 Theta2 thực tế 20 Theta2 mong muốn 15 10 0 0.5 1.5 Hình 8.8: Đồ thị góc 2.5 -10 0.5 1.5 2.5 -20 -30 -40 Theta3 thực tế -50 Theta3 mong muốn -60 -70 -80 -90 -100 Hình 8.9: Đồ thị góc 108 CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM 0 0.5 1.5 2.5 -20 -40 Theta4 thực tế -60 Theta4 mong muốn -80 -100 -120 Hình 8.10: Đồ thị góc 109 CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN CHƯƠNG KẾT LUẬN 9.1 Kết đạt Robot có khả năng mô phỏng hình dáng vài động tác thể dục đơn giản Chứng minh phương pháp điều khiển đưa ra là có thể thực hiện được Thiết kế mô hình cơ khí, mạch điện, xử lý cảm biến Kinect NET 9.2 Hạn chế Sai số lớn chưa áp dụng lọc để lọc nhiễu Phương thức truyền, nhận liệu chưa tối ưu nên đường truyền liệu chậm Đường truyền liệu không ổn định ảnh hưởng robot hoạt động gây rung Chưa thực động tác phức tạp 9.3 Hướng phát triển Thay đổi cấu vận hành động điều khiển moment để chủ động điều khiển Tìm lọc tín hiệu cho cảm biến kinect ví dụ lọc góc Kalman Cải thiện mô hình khí để hệ thống làm việc ổn định 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]: Tiva™ C Series TM4C123GH6PM Microcontroller Datasheet [2]: Tiva™ C Series TM4C123GH6PM Microcontroller User’s Guide [3]: Tiva™ C Series TM4C123GH6PM Microcontroller Workshop [4]: TS.Nguyễn Hữu Lộc, CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP.HCM [5]: Trịnh chất, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ TẬP [6]: Catalog: Misumi [7]: MG996R Tower-Pro Datasheet [8]: LM2596 Data sheet [9]: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến, Nguyễn Trí Dũng; Luận văn tốt nghiệp: “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN BÀN TAY ROBOT NGƯỜI” [10]:Theory of Applied_Robotics_Kinematics_Dynamics_and_Control_2ED 111 [...]... của khớp A3 Để thực hiện các động tác thể dục đơn giản, cánh tay robot cần ít nhất 4 bậc tự do A1, A2, A3, A4 Hinh 2.7: Mô hình vật lý cánh tay robot được đề xuất 13 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.2 Phương án điều khiển: Có nhiều phương pháp để cánh tay robot thực hiện nhiệm vụ, các phương pháp có thể thực hiện được trình bày dưới đây: Phương pháp 1: Ý tưởng: Robot thực hiện động tác bằng cách trực... CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Nhiệm vụ của robot là mô phỏng lại các động tác thể dục của con người như những động tác sau: Hình 2.3: Động tác 1 Hình 2.4: Động tác 2 Hình 2.5: Động tác 3 12 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Hình 2.6: Động tác 4 - Động tác 1 là chuyển động của khớp A2 - Động tác 2 là kết hợp giữa chuyển động của khớp A1 và A4 - Động tác 3 là chuyển động của khớp A1 - Động tác 4 là chuyển động... góc và truyền đến bộ điều khiển để ra lệnh cho cánh tay robot làm theo 14 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Hình 2.8: Cảm biến MPU6050 Hình trên là cảm biến góc được sử dụng phổ biến MPU6050 - Ưu điểm: Điều khiển đơn giản, thiết bị rẻ tiền - Khuyết điểm: Phải gá đặt cảm biến lên cánh tay người, giao tiếp giữa người và robot là giao tiếp có dây Phương pháp 3: Ý tưởng: Sử dụng camera chụp ảnh tư thế tay. .. ÁN THIẾT KẾ 2.5 Phương án truyền dữ liệu: Robot hoạt động trực tiếp với tương tác của con người Đòi hỏi đường truyền dữ liệu phải ổn định và hoạt động liên tục Vì là giao tiếp giữa hai thiết bị khác nhau cụ thể là máy vi tính và vi điều khiển, nên chuẩn truyền phải là giao tiếp không đồng bộ Truyền dữ liệu gồm hai phương pháp là truyền song song và truyền nối tiếp Hình 2.19: Sơ đồ truyền song song và. ..CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHƯƠNG 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Chương 2 tập trung vào việc lựa chọn phương án thiết kế cho robot Việc lựa chọn dựa vào nhiệm vụ và phạm vi giới hạn của luận văn 2.1 Chọn bậc tự do: Ở chương 1, ta đã phân tích khớp sinh học ở vai và khuỷu tay của người bao gồm 5 bậc tự do (khớp vai 3 bậc tự do, khớp khuỷu 2 bậc tự do)... lớn và sẽ khó đáp ứng được yêu cầu thiết kế tay máy robot với thông số kích thước giống với tay người thật - Bộ truyền Harmonic: Hiệu suất cao, tỉ số truyền lớn, triệt tiêu được khoảng cách trục, giá thành cao - Lựa chọn: Bộ truyền Harmonic 24 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.4 Hệ thống điện: Hệ thống điện của Robot gồm những bộ phận sau: Hệ thống nguồn Hệ thống điều khiển Hệ thống vận hành và cảm... tiếp cầm cánh tay robot và ghi nhớ những vị trí mà điểm cuối của cánh tay đi qua, hoặc ghi nhớ sự thay đổi về góc quay ở mỗi khớp - Ưu điểm: Đơn giản, không cần dùng nhiều thiết bị, dễ dàng thực hiện - Nhược điểm: Các cơ cấu vận hành có thể chuyển động cưỡng bức, phải trực tiếp tiếp xúc với robot, không thể điều khiển từ xa Phương pháp 2: Ý tưởng: Sử dụng cảm biến góc gắn lên khớp của cánh tay người,... sẽ chụp một ảnh màu (RGB) và thực hiện một phép đo chiều sâu (D) Với kích thước ảnh là 1280x960 pixel thì tốc độ 12 khung hình trên giây Tốc độ sẽ cao hơn, 30 khung hình trên giây đối với ảnh có kích cỡ 640x480 pixel Khi chụp kết hợp với camera đo độ sâu để tạo ra được ảnh thể hiện độ sâu thông qua màu sắc Hình 2.14: Ảnh thể hiện độ sâu từ Kinect 19 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Các tín hiệu thu thập... 22 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Thông qua bộ truyền: Hình 2.17: Truyền chuyển động quay qua bộ truyền - Ưu điểm: Có nhiều không gian để bố trí cơ cấu vận hành Vì vậy, không bị giới hạn về kích thước, dễ dàng lựa chọn - Nhược điểm: Cơ cấu truyền động phức tạp, hiệu suất giảm Phải có biện pháp khử rơ khi điều khiển cần độ chính xác cao Với mục tiêu thiết kế tay máy giống với tay người thật Vì vậy truyền... Được sản xuất dưới dạng thiết bị tích hợp nhiều chức năng, có nhiều sự hỗ trợ từ nhà sản xuất khi giao tiếp với cảm biến - Khuyết điểm: Giá thành cao, phụ thuộc vào thông số mặc định của camera tích hợp trên cảm biến, kích thước cồng kềnh Hệ thống không cần phải gá thiết bị lên robot và chủ yếu là dễ dàng kết nối với máy vi tính nên chọn cảm biến Kinect 21 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.3 Phương án truyền