NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

iv
HVTH: LÊ TRUNG H
U
TÓM TT LUNăVĔN

Lun văn nghiên cu thit k ch to robot phc v nc trong phòng ch.
Robot dùng trong quá trình phc v đc thit k nhằm thực thi công vic ca
ngi bi bàn, H thống chấp hành gm 2 phần: xe di chuyn bằng bánh và mt tay
máy có 3 bc tự do nhng có chung h thống điu khin. Robot ch yu hot đng
trong các phòng ch  nhà ga, bn xe… vi s đ mặt bằng, các bàn phc v và
đng vch đc sắp xp và bố trí theo s đ thit k. Phần xe di đng s di chuyn
bám theo đng vch màu trắng đã đc thit k và bố trí sẵn trên nn phòng ch,
nh vào các cm bin quang đc đặt phía trc ca xe. Trên phần đầu ca robot
đc đặt mt cm bin siêu âm nhằm phát hin vt cn trên đng di chuyn. Ngoài
ra có th dùng remote đ điu khin robot thông qua kt nối không dây bằng sóng
RF.
ng dng vi điu khin PIC 18F4431 làm b xử lý trung tơm đ điu khin
các hot đng ca robot. Lp trình điu khin robot bằng ngôn ngữ C vi trình biên
dịch PIC C Compiler. Kt qu thực nghim robot thực hin công vic đt đc các

two-part system: move with wheels and a manipulator with 3 degrees of freedom
but share control system. Robot primarily operates in the waiting room at the
station, bus with the site plan, the table service and bar lines are sorted and
arranged according to the diagram designer. Mobile car will move followed the
white line layout has been designed and is available in the lounge, thanks to the
optical sensor is placed in front of the car. On the first part of the robot is placed an
ultrasonic sensor to detect obstacles on the move. You can also use the remote to
control the robot via wireless connection using RF waves.
PIC 18F4431 microcontroller applications central processor to control the
operation of the robot. Robot controller programming in C language with the PIC C
compiler. The experimental results robots do the work to achieve the requirements
set out NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO

1.4 Phng pháp nghiên cu 11
Chng 2 C S LÝ THUYT
2.1 H tọa đ thuần nhất 12
2.2 Các phép bin đi tọa đ: 13
2.2.1 Phép bin đi tịnh tin: (Translation) 13
2.2.2 Phép quay (Rotation) quanh các trc tọa đ: 14
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

vii
HVTH: LÊ TRUNG H
U
2.3 Đng học ca robot di chuyn bằng bánh xe: 14
2.4 Vi điu khin: 22
2.4.1 Gii thiu Pic 18F4431: 22
2.4.2 Chc năng ca từng chân: 23
2.4.3 Ngắt (interrupts) 24
2.5 Lý thuyt v phần mm – chng trình điu khin Robot 25
2.5.1 Các khâu chính trong quá trình hot đng ca Robot 25
2.5.2 Lý thuyt v điu khin robot di chuyn theo đng vch (line): 26
2.5.3 Phng pháp


viii
HVTH: LÊ TRUNG H
U
TÀI LIU THAM KHO 58
PH LC 59
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 1.1: Robot hình ngi và hình dáng đng vt 2
Hình 1.2: Robot trên không 2
Hình 1.3: Robot di nc 3
Hình 1.4: Robot ca NASA chuyn đng bánh xe 4
Hình 1.5: Ký hiu ca các loi bánh xe 4
Hình 1.6: Các cách bố trí bánh xe ca Robot 5
Hình 1.7: Robot di chuyn bằng bánh xích 6
Hình 1.8: Robot chữ thp đỏ, hng dn viên du lịch và
phc v bàn ca Vit Nam 7
Hình 1.9: Robot dùng trong phc v ăn uống 8
Hình 2.1: Phơn tích đng học ca robot di chuyn theo quỹ đo cho trc 15
Hình 2.2: Vn tốc bánh bên trái và bánh bên phi 16
Hình 2.3: S đ chc năng chơn ca PIC18F4431 21
Hình 2.4: S đ cấu trúc hot đng ca Robot 24
Hình 2.5: Các mc đ lch ra khỏi vch trắng ca robot 25
Hình 2.6: Cm bin quang đc bố trí trên khung đ robot 26
Hình 2.7: Các trng thái lch phi và lch trái ca robot
khi di chuyn trên sân 26
Hình 2.8: Điu ch chu kỳ xung PWM 27

Hình 4.1: Phần đ di đng đã đc gia công lắp ráp 46
Hình 4.2: Cánh tay vƠ c cấu gắp khay 47
Hình 4.3: B phn truyn đng ca c cấu kẹp 48
Hình 4.4: Mch điu khin ca robot 48
Hình 4.5: Mch cm bin quang 49
Hình 4.6: Robot đc lắp ráp hoàn chỉnh 50
Hình 4.7: S đ bố trí mặt bằng và vị trí ca robot 51
Hình 4.8: Robot đang thực hin công vic phc v 53
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

x

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

xi
HVTH: LÊ TRUNG H
U

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

1
HVTH: LÊ TRUNG H

robot phc v công nghip sang robot phc v cho các nhu cầu xã hi và nhu cầu cá
nhân ca con ngi.
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

2
HVTH: LÊ TRUNG H
U
1.1.2 Phân loiărobotă
Trong công nghip ngi ta sử dng những đặc đim khác nhau c bn nhất
ca robot đ giúp cho vic phân loi chúng đc d dàng. Có 4 yu tố chính đ
phân loi robot nh sau:
Theo dng hình học ca không gian hot đng, theo th h robot, theo b điu
khin, theo ngun dn đng. Tuy nhiên trong gii hn ca đ tài này chỉ đ cp đn
lĩnh vực nghiên cu lƠ robot di đng dùng trong phc v. Robot di đng là mt h
robot có kh năng thực hin các nhim v  nhiu vị trí khác nhau vi kh năng
dịch chuyn bằng bánh xe, xích hay bằng chân ph thuc vƠo địa hình. Đối vi
robot di chuyn di nc hay trên không, ta cần có đng c cánh qut, chân vịt
hay đng c phn lực đ to chuyn đng cho robot. Kh năng di đng làm robot có
nhiu ng dng vƠ đòi hỏi phi gii quyt nhiu vấn đ mi. Mt trong những vấn
đ chung cần nghiên cu  các loi robot di đng là kh năng xác định phng


Hình 1.3: Robot di nc
[]
 Phân loi theo phng pháp di chuyn:
 Robot có chân, chân giống ngi hay chân giống đng vt.

u đim ln nhất ca loi Robot này là có th thích nghi và di chuyn trên các
địa hình g gh. Hn nữa chúng còn có th đi qua những vt cn nh hố, vt nt
sâu.
Nhc đim chính ca Robot loi này chính là ch to quá phc tp. Chân
Robot là kt cấu nhiu bc tự do, đơy lƠ nguyên nhơn lƠm tăng trọng lng ca
Robot đng thi gim tốc đ di chuyn. Các kỹ năng nh cầm, nắm hay nâng ti
cũng là nguyên nhân làm gim đ cng vững ca Robot. Robot loi này càng linh
hot thì chi phí ch to càng cao.
Robot tự hành di chuyn bằng chơn đc mô phỏng theo các loƠi đng vt vì
th mà chúng có loi chân, loi 2, 4, 6 chân và có th nhiu hn.
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

4
HVTH: LÊ TRUNG H
U Bánh vừa truyn đng vừa là bánh lái.
Hình 1.5: Ký hiu ca các loi bánh xe
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

5
HVTH: LÊ TRUNG H
U

Hình 1.6: Các cách bố trí bánh xe ca Robot
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG


NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

7
HVTH: LÊ TRUNG H
U
do sự cn tr v mặt vt lý nh máy hút bi Roomba, hoặc vi b cm bin đin tử
nh máy cắt cỏ Friendly Robotics.
1.1.4 Các ktăquănghiên cuătrongăvƠăngoƠiăncăđã công bốă
Trong đ tài chỉ tp trung nghiên cu robot phc v nên trong phần này chỉ gii
thiu các nghiên cu có liên quan đn robot phc v
Trongănc:
Từ những năm 1980, các nhƠ khoa học VN đã tip cn vi vic nghiên cu
ch to robot. Đn nay, nhiu đ tài nghiên cu đã đc thực hin thƠnh công nh
đ tài nghiên cu ng dng kỹ thut tay máy, ngi máy trong bo h lao đng,
ng dng ngi máy công nghip trong kỹ thut bốc xp vn chuyn  phơn xng
công nghip, nghiên cu ng dng robot trong công ngh b mặt, ch to robot
phc v gia công c khí, ch to robot gắp sn phẩm cho khuôn ép Mt số robot
ca Vit Nam đã ch to thƠnh công vƠ đc công bố nhiu trên các hi nghị và tp
chí trong, ngoƠi nc cũng nh phng tin truyn thông nh:


2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

9
HVTH: LÊ TRUNG H
U
 Tính cấp thit ca đ tài
NgƠy nay, robot đã đt đc những thành tựu to ln trong sn xuất công
nghip cũng nh trong đi sống xã hi, robot có th thay th sc lao đng ca con
ngi và thực hin những công vic lặp đi lặp li mà không bit mt mỏi, những
công vic có tính chất nguy him hoặc trong điu kin môi trng khắc nghit.
Chính vì những u đim trên mà vic ng dng robot vào vic phc v trong phòng
ch  nhà ga, bn xe, khách sn hoặc văn phòng là mt vic làm ht sc cần thit
trong giai đon hin nay.
Trong các họ robot, chúng ta không th không nhắc ti mobile robot vi
những đặc thù riêng mà các loi robot khác không có. Các tay máy cố định chỉ hot
đng trong mt không gian bị gii hn quanh vị trí ca nó. Ngc li, mobile robot
có th di chuyn, do đó to nên không gian hot đng rất ln vƠ cho đn nay nó đã
dần khẳng định vai trò quan trọng không th thiu trong nhiu lĩnh vực, thu hút
đc rất nhiu sự đầu t nghiên cu.
 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tin ca đ tài
Ý nghĩa khoa học: Đ có kh năng tip cn công ngh hin đi ca th gii,
từng bc có th tự thit k, ch to các thit bị, máy móc điu khin, vic nghiên

1.2 Mcătiêu, khách thăvƠăđốiătngănghiên cu caăđătài
Mc tiêu ca đ tài là thit k, ch to robot ng dng trong vic phc v
trong phòng ch có nhiu bàn.
Đối tng tp trung nghiên cu ca đ tài là đa ra gii pháp điu khin cho robot
di đng dùng trong phc v, di chuyn theo l trình đã đc vch trc.
1.3 Nhimăvăcaăđătài và phmăviănghiên cu
Nghiên cu thit k và ch to mô hình robot di đng phc v trong phòng
ch bao gm:
- Phần c khí gm có:
 Thit k, ch to phần đ di chuyn
 Thit k, ch to phần c cấu tay máy
 Thit k, ch to c cấu giữ khay cha thc uống.
- Phần điu khin gm có:
 Thit k mch điu khin cho robot
 Xây dựng lu đ gii thut cho robot di đng
 Lp trình đ robot thực hin công vic phc v bi bàn
Đ tài này gii hn trong bƠi toán cho Robot di đng bằng bánh kt hp vi c
cấu tay máy đ thực hin công vic phc v bàn (lấy khay từ bàn pha ch, đem đn
đặt lên bàn khách hàng). Phần đ di chuyn s chuyn đng bám theo l trình đã
đc chỉ định trc, nu gặp vt cn trên đng di chuyn s dừng li, khi không
còn vt cn s đi tip đ hoàn thành nhim v. Phần c cấu chấp hành là mt tay
máy có ba bc tự do vi không gian làm vic hình tr, gm có chuyn đng xoay
quanh trc Z, chuyn đng tịnh tin theo phng Z đ nâng, h và chuyn đng tịnh
tin theo phng X nhằm đặt khay cha thc uống lên bàn cùng vi mt c cấu
kẹp, nh khay cha thc uống. Trong quá trình di chuyn c cấu tay máy không
hot đng khi nƠo đn vị trí đã đc xác định phần đ dừng li thì c cấu tay máy
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

12
HVTH: LÊ TRUNG H
U
Chngă2
CăS LÝ THUYT

2.1 H tọaăđ thuần nhất
Đ biu din mt đim trong không gian ba chiu, ngi ta dùng vect đim
(point vector). Vect đim thng đc kí hiu bằng các chữ vit thng u, v, x
… đ mô t vị trí ca đim U, V, X …
Tùy thuc vào h quy chiu đã chọn, trong không gian ba chiu, mt vect V có
th đc biu din bằng nhiu vect đim khác nhau:


y w
⁄
= b
z w
⁄
= c
Vi w là mt hằng số thực nƠo đó.
w còn đc gọi là h số tỉ l, biu thị cho chiu th 4.
Nu w = 1 ta có:
x = a; y = b; z = c;
V
F

E
F
V
E

V

NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

13

= ⃗+ ⃗+ 
⃗
. Trc ht ta có ma trn chuyn đi H:
H = 
1 0 0 a
0 1 0 b
0 0 1 c
0 0 0 1

Gọi u lƠ vect biu din đim cần tịnh tin:
u =
[
x y z w
]


Thì v là vect biu din đim đã bin đi tịnh tin đc xác định bi:
V = H.u =
1 0 0 a
0 1 0 b
0 0 1 c
0 0 0 1
×

x
y
z
w

= 


2.2.2 Phép quay (Rotation) quanh các trcătọaăđ:
Gi sử ta cần quay mt đim hay mt vt th quanh mt trc to đ nào
đó vi góc quay θ

, ta có các ma trn chuyn đi nh sau.
0
1 0 0 0
0 cos sin 0
( , )
0 sin cos 0
0 0 0 1
R x



 
 
 

 

 
 
 

Tng ng cho trng hp quay quanh trc OY mt góc

:
0




 
 
 

 
 
 

Ct th 4 ca các ma trn 4x4 trên có 3 phần tử đu bằng 0 vì  đơy không
có sự tịnh tin. Các ma trn nƠy đc gọi là các ma trn quay (rotation) c bn. Các
ma trn quay khác có th xây dựng từ các ma trn c bn này. [3]
2.3 Đng học ca robot di chuyn bằng bánh xe:
Đng học là nghiên cu c bn nhất đ tìm hiu quá trình hot đng ca h
thống c khí, trong lĩnh vực mobile robot, chúng ta cần tìm hiu đặc tính c ca
robot đ thit k sao cho phù hp vi các nhim v đặt ra, ngoài ra vic tìm hiu đặt
tính c ca robot còn giúp ta xác định đc phng pháp thit k phần mm điu
khin sao cho phù hp vi từng phần cng ca robot.
Mobile robot là mt thit bị tự đng đc lp, nó hoàn toàn có th tự do di
chuyn trong môi trng hot đng. Không có phng pháp nƠo có th giúp ta đo
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

m
là
h tọa đ tham chiu cc b ca robot, gắn lin vi robot. Nh vy vị trí đim P
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG

16
HVTH: LÊ TRUNG H
U
trong h tọa đ tham chiu toàn cc đc xác định bi tọa đ X, Y và góc lch θ
giữa hai h tọa đ toàn cc và cc b.
- Các thông số hình học ca robot bao gm:
V
p
: Vn tốc ca robot ti đim P
V
r
: Vn tốc ca bánh bên phi
V
l
: Vn tốc ca bánh bên trái



.
=θ
̇
R +


( 1)


=


.
= θ
̇
R −


(2)
NGHIÊN CU THIT K, VÀ CH TO MÔ HÌNH ROBOT PHC V TRONG PHÒNG CH

2012 GVHD: TS. HU
ǵNHăNGUYNăHO
ÀNG


Gi định vi tình huống cho robot chuyn đng theo quỹ đo cho trc vi
bán kính cong R = 375 mm
Thay các giá trị kích thc vƠo (3) ta đc:
ω

ω

=
R
−L 2
⁄
R + L 2
⁄
=
375
−125
375 + 125
=
250
500
=
1
2
(4)
Mặc khác ta có công thc v mối quan h giữa vn tốc góc và số vòng quay
n

=
ω


̇
2π

R
r
−
L
2r
=
2,5

̇
π
vòng/ s( 6)
Chọn cấp đ chuyn đng quay vòng cho robot

̇

=

15
rad/ s

̇
ì
=

10
rad/ s
