Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex

Bài viết trình bày quá trình phân tích, tính toán và thiết kế mạch drive cho robot Rhex, các kết quả thử nghiệm, so sánh cho thấy mạch drive mới đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra trong thực tế di chuyển của robot Rhex.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot RhexKỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH DRIVE DÙNG CHO ROBOT RHEX Vũ Văn Tâm* Tóm tắt: Lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot theo phương pháp mô phỏng hoạt động của các loài động vật đang được nhiều quốc gia và các nhà khoa học quan tâm; Hiện nay, mẫu robot Rhex đang được hãng Boston và trường đại học Pennsylvania - USA [5,6] nghiên cứu thử nghiệm cho kết quả tương đối khả quan. Tuy nhiên, việc điều khiển motor của các chân robot Rhex là tương đối phức tạp do các motor này có momen xoắn lớn, đòi hỏi sự đồng bộ cao về tốc độ, vị trí và quỹ đạo di chuyển; Các mạch drive hiện nay thường không đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, vì vậy, cần phải có mạch drive chuyên dùng cho robot Rhex. Trong bài báo này chúng tôi trình bày quá trình phân tích, tính toán và thiết kế mạch drive cho robot Rhex; các kết quả thử nghiệm, so sánh cho thấy mạch drive mới đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra trong thực tế di chuyển của robot Rhex.Từ khóa: Robot, Rhex, Drive, L298, Motor, LMD12800. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Rhex là loại robot đối xứng mặt trên với mặt dưới và phần đầu với phần đuôi; Với 6chân chữ C (hình 1) [5,6], Rhex có khả năng di chuyển linh hoạt để vượt qua nhiều loạiđịa hình phức tạp; đặt biệt có thể leo dốc, leo cầu thang, leo bậc cao, lội nước; đồng thời,do tính chất đối xứng nên Rhex có khả năng tiếp tục di chuyển khi bị ngã, lật, đổ [1,4,5]. Hình 1. Tính đối xứng. Hình 2. Motor của Rhex. Hình 3. Rhex di chuyển. Mỗi chân của Rhex được nối tới 1 motor, để Rhex đứng vững thì các motor này cầnphải có momen xoắn lớn ( M ≥ 95Kgf.cm) [2,4,6]; Trong thực tế thường sử dụng motorDC (hình 2) có công suất ( P = 20 .. 60 wats ), tốc độ quay (V1 = 900 .. 22000vòng/phút); bộ giảm tốc có tỷ số truyền ( K = 100 .. 200 ) [4], nên tốc độ quay của chânrobot (V2 ) được tính công thức V1 V2  [vòng/phút] (1) K Từ (1) cho thấy, do K thường lớn nên để có V2 lớn (robot di chuyển nhanh) thì V1 cầnphải lớn, vì vậy, mạch drive phải có công suất cao; đồng thời để cho Rhex di chuyển đượctiến, lùi, đứng, nằm thì mạch drive cần phải có các chức năng điều khiển motor quay xuôi,ngược chiều kim đồng hồ, phanh và chống quá tải (khi chân robot bị kẹt). Tại mỗi thời điểm phải có  3 chân của robot chạm đất (hình 3) [2, 5], do đó, cầnphải kiểm soát vị trí các chân của robot (sử dụng encoder tuyệt đối). Ngoài ra, để đồngtốc giữa các chân của robot cần phải kiểm soát số vòng quay của các motor (sử dụngencoder tương đối).100 Vũ Văn Tâm, “Nghiên cứu thiết kế mạch drive dùng cho robot Rhex.”Nghiên cứu khoa học công nghệ Các mạch drive có sẵn không đáp ứng được các yêu cầu trên bởi vì: i) Không có chứcnăng kiểm soát tốc độ và vị trí góc của motor (không xử lý tín hiệu từ các encoder, hình 4). a) Mạch drive sử dụng mosfet. b) Mạch drive dùng LMD12800. Hình 4. Một số mạch drive thông dụng.ii) Dòng cấp cho motor không đủ lớn (hình 4b, với I  6A ); một số mạch drive có Maxdòng lớn cần có tản nhiệt bằng nhôm, quạt hoặc nước (hình 4a, với I Max  10A ), tuynhiên do Rhex có hộp đựng bo mạch nhỏ, hẹp, kín nước nên không thể dùng tản nhiệt. iii)Không có chức năng chống quá tải, nên khi chân Rhex bị kẹt (do vướng vật cản) thì có thểcháy motor hoặc mạch drive. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT2.1. Xây dựng sơ đồ khối mạch drive Từ các nội dung nêu trên, sơ đồ khối của mạch drive mới được thiết kế như sau (hình 5): Hình 5. Sơ đồ khối mạch drive mới của robot Rhex. Với Data là tín hiệu điều khiển (tiến, lùi, sang phải, sang trái...) từ người sử dụng;ABS1..6 là các tín hiệu từ 6 bộ encoder tuyệt đối [6, 7] (2), ABS1 6   1  chân robot  A (2) 0  chân robot  A Với A là vị trí đặt encoder tuyệt đối. EncoA1..6 , EncoB1..6 là tín hiệu kênh A, kênh B từ 6 encoder tương đối; với X 1[xung]/1 vòng motor, thì số xung khi chân robot quay được 1 vòng ( X 2 ) sẽ là X 2  X 1  K [xung] (3) PWM 1 , PWM 2 ,.., PWM 6 là tín hiệu điều chế độ rộng xung [2,3] để điều khiển tốcđộ quay của motor 1, motor 2,.. motor 6; DRV1 , DRV2 ,..DRV6 , là tín hiệu điều khiểnchiều quay của motor 1, motor2,.. motor6 (4), DRV1..6  0 => motor1..6 quay xuôi chiều kim đồng hồ, ...