Mô hình robot điều khiển từ xa bằng máy tính thông qua sóng radio

Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 71 MÔ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG MÁY TÍNH THÔNG QUA SÓNG RADIO Lê Hùng Linh *, Dương Chính Cương, Ngô Hữu Huy Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Hiện nay, các robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các quá trình công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày. Việc ứng dụng các loại robot vào trong công nghiệp sẽ giúp cho quá trình sản xuất được nhanh chóng và đảm bảo độ chính xác cao. Nhưng hiện nay ở Việt Nam, robot hầu như chưa được sử dụng rộng rãi, khái niệm robot đang được phổ biến trong mấy năm gần đây. Do vậy, lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo robot phục vụ cho sản xuất cũng như các mục đích dân dụng vẫn còn khá mới mẻ. Robot có rất nhiều loại như là robot sử dụng trong các dây chuyền sản xuất, robot dò đường, robot lau chùi cửa kính cho các toà nhà cao tầng, robot chống khủng bố. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu tổng quan về các kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt động và cách thức điều khiển Robot và các mô hình robot; Tìm hiểu các tài liệu và thiết bị liên quan; Phân tích và thiết kế mô hình robot điều khiển từ xa bằng sóng điện từ. Xây dựng mạch điều khiển robot, thiết kế cơ khí cho robot và thực hiện điều khiển robot thông qua mô đun truyền thông bằng sóng điện từ. Xây dựng chương trình điều khiển robot trên máy tính và lưu lại quá trình hoạt động của robot, mô phỏng trạng thái hoạt động của robot trên máy tính. Từ khóa: Mô phỏng, trạng thái, sóng điện từ, mô hình, chương trình điều khiển. TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH ROBOT Định nghĩa[4]: “Một kiểu mô hình là một triết lý hoặc một tập hợp những công nhận và kỹ thuật, mô tả đặc điểm cách tiếp cận một lớp các vấn đề. Nó vừa là cách xem xét thế giới, vừa là một tập hợp các công cụ giải quyết vấn đề.” Lịch sử phát triển robot đã trải qua 3 kiểu mô hình, đó là kiểu thứ bậc, kiểu phản hồi và kiểu tổng hợp. Trong một hệ thống robot, luôn luôn tồn tại ba nhóm chức năng cơ bản đó là Cảm nhận, Hành động và Lập kế hoạch. Các kiểu mô hình robot được xác định dựa trên mối quan hệ của 3 nhóm chức năng cơ bản đó. Kiểu mô hình thứ bậc: Đây là kiểu mô hình xuất hiện đầu tiên, trong đó robot cố bắt chước cách con người suy nghĩ: sau khi cảm nhận được về thế giới xung quanh, người ta sẽ suy nghĩ để lập kế hoạch, và hành động đáp ứng. Với cách này, dữ liệu cảm nhận thường phải đầy đủ để có một đánh giá bao quát về môi trường xung quanh, sau đó luôn qua xử lý ở bước lập kế hoạch.  Tel: 0929077888 Hình 1. Kiểu mô hình thứ bậc Như vậy, kiểu này không cho phép dữ liệu truyền thẳng đến hành động như kiểu một phản xạ vô điều kiện, điều này làm cho robot trở nên thiếu nhanh nhẹn. Kiểu mô hình này đã không còn được sử dụng từ hơn 20 năm qua. Kiểu mô hình phản hồi: Kiểu phản xạ gần như ngược lại với kiểu thứ bậc, kiểu này không giữ lại phần lập kế hoạch, các cảm nhận của robot sẽ được truyền trực tiếp sang hành động. Hình 2. Kiểu mô hình phản hồi Theo kiểu này, robot chứa sẵn nhiều cặp tương ứng Cảm nhận – Hành động, được gọi là các bộ hành vi. Các hành vi xảy ra có tính đồng thời, do được xử lý riêng rẽ. Và vì robot có thể thực hiện nhiều hành vi một lúc, không lập kế hoạch nên nó tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Kiểu mô hình này đã mang đến nhiều thành tựu to lớn, nhưng rõ ràng nó không thích hợp với các loại robot nhiều chức năng. Kiểu này giống như kiểu người ta dạy các con vật mà không làm cho con vật đó Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 72 suy nghĩ thông minh hơn. Kiểu mô hình này đòi hỏi sự hiểu biết về không gian hoạt động toàn cục trước khi lập trình để tìm ra tất cả các hành vi có thể có của robot. Các nhà nghiên cứu thực hiện mô hình này để giảm thiểu giá thành phần cứng của sản phẩm bằng cách tăng mức độ tính toán ban đầu khi tạo ra các hành vi của robot. Kiểu mô hình tổng hợp: Kiểu tổng hợp là sự kết hợp 2 kiểu mô hình trên, làm cho robot suy nghĩ uyển chuyển giống người hơn, và hiện nay hầu hết các nghiên cứu đi theo hướng này. Kiểu này tách việc lập kế hoạch ra khỏi các hành vi của robot. Hình 3. Kiểu mô hình tổng hợp Lập kế hoạch tương tác với các bộ hành vi bằng một phương thức mà người ta gọi là “nghe lén”. “Nghe lén” là một phương thức lấy thông tin từ bộ phận Cảm nhận để điều chỉnh lại các thông tin toàn cục, tác động trở lại các hành vi của robot. Với kiểu mô hình này, các robot thông minh hơn và cũng không tốn nhiều thời gian cho việc lập kế hoạch như ở mô hình thứ bậc, và lại cho phép robot thực hiện nhiều chức năng hơn so với mô hình phản hồi. Kiểu mô hình xác suất: Kiểu mô hình này là một kiểu mô hình mới sử dụng tất cả các kiểu mô hình trên, nhưng thay vì tính toán với các thông số cụ thể, tất cả các dữ liệu và trạng thái của robot đều ở dưới dạng xác suất và thống kê. Kiểu mô hình này cho phép robot giảm thiểu các tính toán, tăng khả năng hoạt động trong các môi trường thiếu thông tin, với các cảm biến có sai số lớn, và khả năng điều khiển bền vững. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Lựa chọn được mô hình phù hợp nhất sẽ giúp cho việc giải quyết vấn đề dễ dàng hơn. Vì vậy, việc biết các kiểu mô hình của công nghệ robot là một chìa khoá để có thể thành công trong việc thiết kế cho mỗi ứng dụng. Mô hình điều khiển robot từ xa bằng máy tính thông qua sóng điện từ được xây dựng theo kiểu mô hình tổng hợp (Hình 3). Điều khiển robot từ xa cần có tín hiệu trạng thái phản hồi từ robot để biết được trạng thái của robot tại từng thời điểm, giúp cho việc điều khiển dễ dàng và chính xác. Robot được điều khiển từ xa bằng máy tính, việc lập kế hoạch, lưu trữ thông tin do máy tính thực hiện rồi gửi yêu cầu cần thực hiện cho robot. Robot trong hệ thống tiếp nhận thông in chủ yếu từ máy tính truyền qua bộ thu/phát sóng RF. Do đó việc lựa chọn mô hình theo mô hình tổng hợp đã đáp ứng đủ theo yêu cầu của hệ thống. Xây dựng mô hình Hệ thống Robot điều khiển từ xa bằng máy tính bao gồm hai chương trình trên máy tính và trên Robot. Máy tính và Robot liên lạc với nhau bằng sóng điện từ. Hệ thống được mô tả như trong hình vẽ. Trong hệ thống, Máy tính và Robot có thể liên lạc với nhau với một khoảng cách xa bằng sóng điện từ. Khoảng cách giữa Máy tính và Robot có khoảng cách tối đa là 900 m (không dùng ăng ten) và 63 km (khi dùng ăng ten). Trong đó Máy tính sẽ thực hiện điều khiển Robot, đồng thời nó cũng lưu lại lịch trình hoạt động cũng như trạng thái của Robot. Robot sẽ thực hiện việc di chuyển và làm việc theo sự điều khiển của máy tính. Mô hình robot được tiến hành xây dựng gồm các thành phần sau: 1. Hệ thống phát động và chấp hành. 2. Hệ thống cảm biến. 3. Bộ điều khiển, gồm cả phần mềm và phần cứng hệ thống. 4. Chương trình điều khiển. Hình 4. Mô hình tổng quan hệ thống Robo t Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 73 Hệ thống phát động và chấp hành: Chuyển động của robot được thực hiện bởi hệ thống này. Hệ thống bao gồm: – Nguồn cung cấp điện – Khuyếch đại công suất – Động cơ – Truyền động cơ khí Hình 5 là sơ đồ ghép nối hệ thống phát động và chấp hành, trong đó thể hiện sự chuyển đổi năng lượng. Hình 5. Sơ đồ hệ thống phát động và chấp hành Để thể hiện quan hệ chung, Pc thể hiện tín hiệu điều khiển, Pu là công suất cơ học cần thiết để làm robot chuyển động. Các đại lượng trung gian, công suất điện cung cấp cho động cơ Pa, công suất nguồn Pp, công suất cơ học do động cơ phát ra Pm. Ngoài ra còn có các loại công suất tổn hao trong các khâu trung gian: khuyếch đại công suất Pda, động cơ Pds, truyền dẫn Pdt. Hệ thống cảm biến: Hệ thống nhận ngõ vào là các dữ liệu cảm biến, dựa vào các thuật toán biến đổi và các phương pháp điều khiển để biến đổi nó thành thông tin cảm biến, kèm theo tất cả các phần cứng liên quan. Bộ điều khiển: Sử dụng chip Atmega16 làm bộ điều khiển cho robot. Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, xử lý rồi điều khiển hoạt động của robot và gửi tín hiệu trạng thái tới máy tính. Chương trình điều khiển: Chương trình điều khiển trên máy tính được viết bằng ngôn ngữ Microsoft Visual Basic 6.0; Chương trình sẽ cung cấp một giao diện đơn giản, dễ sử dụng cho việc điều khiển như: điều khiển robot tiến, lùi, quay trái, quay phải, nâng/hạ cánh tay, gắp/nhả vật, quay trục, hiển thị những thông tin hiện thời của robot, lưu lại lịch trình hoạt động cũng như trạng thái của Robot. Chương trình điều khiển trên chip Atmega16 được viết bằng ngôn ngữ C. Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển từ máy tính, chương trình điều khiển sẽ xác định công việc phải làm và khối lượng công việc cần làm cho robot một cách chính xác như xác định tiến, lùi bao nhiêu; quay trái, quay phải bao nhiêu độ, quay trục hay quay xe, gắp hay nhả vật, nâng hay hạ cánh tay... và gửi tín hiệu phản hồi cho máy tính. Phương trình toán học sử dụng trong robot Robot có thể thao tác các công việc theo đúng yêu cầu, với chương trình điều khiển trên CPU của robot được lập trình chính xác. Một số phương trình, công thức sử dụng trong chương trình như: phương trình tính quãng đường di chuyển, tính góc quay xe, tính góc quay trục. Sau khi nhận được quãng đường cần di chuyển, góc cần quay gửi từ máy tính, robot dựa vào phương trình để tính ra số xung điều khiển. Phương trình quy đổi quãng đường di chuyển của robot sang xung điều khiển của CPU sử dụng trong robot: Do việc lựa chọn động cơ và bánh xe nên ta có: Cứ chip xuất 1T (1 xung ) thì động cơ bước quay 1 bước = 7.2o. Vây số xung để động cơ bước quay 1 vòng = 360o là: Số xung để động cơ bước quay 14 vòng 14*50 700y   T; (1) Một vòng bánh xe có độ dài là 310 mm (chu vi bánh xe). Vậy: 3 vòng bánh xe nên độ dài là d = 3*310 = 930 mm (2) Do thiết kế cơ khí của hệ thống nên ta có: Cứ động cơ bước quay 14 vòng thì bánh xe quay 3 vòng; Hay chip xuất 700T xe đi được quãng đường là 930mm (theo 1 và 2). Vậy số xung để đi được quãng đường d (mm) là T Phương trình quy đổi góc quay robot sang Xung điều khiển của CPU trong robot Tx 50 2.7 360  )3( 93 70* 930 700* dd x  Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 74 Theo công thức tính độ dài của cung tròn: l=R*. Với  tính bằng radian, mà chip nhận được giá trị góc từ máy tính gửi là tính bằng độ, nên chuyển đơn vị góc từ độ sang radian. Cứ 180o tương ứng với  radian Hay 45 o tương ứng với arctan(1) radian Vậy để quay Ao thì ta có (không tính vì số  không được chương trình máy tính định nghĩa sẵn, còn hàm arctan(1) có sẵn trong chương trình máy tính). Theo thiết kế robot, hai bánh trước là bánh đa hướng giúp cho robot di chuyển dễ dàng, hai bánh sau là phát động, khoảng cách giữa hai bánh là 380 mm và có thể chuyển động độc lập nhau. Vậy khi quay robot, hai bánh sẽ quay ngược chiều nhau và tâm quay nằm ở giữa trục hai bánh, nên bán kính của cung tròn là R=380/2=190 mm. Do đó, độ dài cung tròn hay chính là quãng đường cần di chuyển ứng với góc quay Ao là: Theo phương trình 2.3: số xung để quay được A 0 là hay Phương trình quy đổi góc quay robot sang xung điều khiển của CPU trong robot Do thiết kế cơ khí của hệ thống nên ta có: Cứ động cơ bước quay 14 vòng thì trục cánh tay quay 5 vòng; Hay chip xuất 700T trục cánh tay quay 5*360 o = 1800 o (theo 1). Vậy số xung để trục cánh tay quay góc Go là: PHẦN CỨNG Modul về cơ khí Hình 6. Thiết kế hệ thống cơ khí Modul về mạch Modul về mạch gồm 2 modul nhỏ là: modul mạch điều khiển và modul mạch công suất. - Sơ đồ khối hệ thống robot: - Modul điều khiển: radian A 45 )1arctan(*  180 *  A  45 190 *)1arctan(* ) 45 )1arctan(* (*190* sA A Rl    TA l x 93*45 70*190 *)1arctan(* 93 70*  )4( 837 2660 *)1arctan(* 93 70* TA l x  )5( 18 7* 1800 700* T GG x  Phối hợp công suất Hình 7. Sơ đồ khối hệ thống robot Khối chấp hành CPU Mô đun truyền thông Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 75 Hình 8. Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch chip - Modul công suất: Hình 9. Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch công suất THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRÊN PC Khung truyền dữ liệu từ máy tính tới CPU của robot - Khung truyền dữ liệu dạng tổng quát: Để các modul trong hệ thống có thể giao tiếp với nhau, hiểu nhau và làm việc được với nhau thì cần quy định khung truyền dữ liệu, cụ thể khung truyền gồm 3 phần như: Start, Data, Stop. - Khung truyền dữ liệu dạng chi tiết: Khung truyền có 12 byte: Start: Đây là phần đầu của khung truyền tin, sử dụng 2 byte start với key word là: **. Nếu sai giá trị thì sẽ gây ra lỗi khung truyền. Data: Sau 2 byte start là 9 byte data. Stop: Đây là byte kết thúc quá trình truyền 1 gói tin, sử dụng 1 byte stop với key word là: #. Nếu sai giá trị thì sẽ gây ra lỗi khung truyền. Trong đó: Obj: chỉ đối tượng được điều khiển 1: Obj = thân robot P3 = 2: Obj = phần trục 3: Obj = bàn tay  Khung truyền điều khiển thân robot: * * 1 (Thân) 1 (Trái) G 1 G 2 G 3 1 (Tiến) D 1 D 2 D 3 # 2 (Phải) 2 (Lùi) 0 (Khôn g làm) 0 0 0 0 (Không làm) 0 0 0 G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ) D1, D2, D3: Quãng đương (đơn vị: cm) Các hoạt động của phần thân robot sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ robot như: tiến, lùi sẽ làm thay đổi tọa độ robot; quay trái, quay phải sẽ làm thay đổi hướng của robot (hướng robot là so với trục OX của sân).  Khung truyền điều khiển phần trục: Các hoạt động của phần trục như: nâng, hạ, quay trục trái, quay trục phải (hướng của cánh tay robot là so với thân robot). Các hoạt động này không ảnh hưởng đến tọa độ và hướng của robot. G1, G2, G3: Giá trị góc (đơn vị: độ)  Khung truyền điều khiển bàn tay : Các hoạt động của bàn tay như: gắp, nhả. Các hoạt động này không ảnh hưởng đến tọa độ, hướng của robot và hướng của cánh tay. * * 3 (Tay) 1 (Gắp) 0 0 0 0 0 0 0 # 2 (Nhả) 0 (Không làm) Thuật toán điều khiển trên máy tính Para 1 Para n Key word Key word Start Key word Stop Data Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 76 Trong quá trình thực hiện theo lệnh điều khiển của máy tính thì CPU của robot luôn gửi tín hiệu phản hồi về máy tính, để biết được trạng thái hiện tại của robot. Các tín hiệu phản hồi: “OK”: tín hiệu thông báo robot sẵn sàng hoạt động. Tín hiệu này được gửi khi bắt đầu quá trình hoạt động của robot và khi robot thực hiện xong một lệnh điều khiển của máy tính. “D”: tín hiệu thông báo robot đang di chuyển tịnh tiến. Tín hiệu được gửi sau khi robot di chuyển được 5cm. “K”: tín hiệu được gửi và thông báo kết thúc quá trình robot di chuyển tịnh tiến. “Q”: tín hiệu thông báo thân robot đang quay. Tín hiệu được gửi sau khi thân robot quay được 5o. “H”: tín hiệu được gừi và thông báo kết thúc quá trình thân robot quay. “T”: tín hiệu thông báo cánh tay robot đang quay. Tín hiệu được gửi sau khi cánh tay robot quay được 5o. “C”: tín hiệu được gửi và thông báo kết thúc quá trình cánh tay robot quay. Nhờ có các tín hiệu phản hồi này mà máy tính có thể biết được trạng thái của robot hiện tại và dễ dàng hiển thị thông tin trên giao diện chương trình điều khiển của máy tính. Thuật toán điều khiển trên CPU của Robot MỘT SỐ HÌNH ẢNH KẾT QUẢ  Hình ảnh robot:  Hình ảnh giao diện trên máy tính khi chạy chương trình: Begin Khëi t¹o: - ThiÕt lËp cæng USART - D¹ng khung truyÒn - Tèc ®é truyÒn - Göi tÝn hiÖu s½n sµng Chê nhËn tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn KiÓm tra d÷ liÖu nhËn Cã lçi ? No Yes - Ph©n tÝch d÷ liÖu nhËn ®-îc - Thùc hiÖn theo lÖnh ®iÒu khiÓn - Göi tÝn hiÖu ph¶n håi cho m¸y tÝnh - Göi th«ng b¸o hoµn thµnh cho m¸y tÝnh Göi th«ng b¸o lçi cho m¸y tÝnh Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 77 KẾT LUẬN Đề tài tập trung vào nghiên cứu tổng quan về các kiến thức liên quan đến nguyên lý hoạt động và cách thức điều khiển robot và xây dựng mạch điều khiển robot. Ứng dụng bộ truyền thông bằng sóng điện từ (RF) thực hiện điều khiển trên bộ truyền thông. Xây dựng một mô hình robot có thể điều khiển từ xa kết nối với máy tính. Kết quả đạt được của đề tài như sau: Xây dựng được mô hình robot có thể kết nối với máy vi tính bằng sóng điện từ. Robot có thể hoạt động được các tính năng cơ bản như: đi tiến, lùi, quay trái phải với các góc khác nhau; cánh tay robot có thể gắp vật, nâng lên hạn xuống và quay quanh trục. Xây dựng chương trình điều khiển trên máy tính mô phỏng hoạt động của robot. Chương trình có các nút điều khiển và bản đổ hiển thị vị trí của robot. Hướng phát triển: Dựa trên các kết quả đạt được của đề tài sẽ phát triển mô hình robot có nhiều tính năng hơn như: sử dụng các camera để quan sát và nhận dạng đường đi, sử dụng các động cơ bước có độ chính xác cao và công suất lớn để xác định vị trí chính xác; thực hiện điều khiển với khoảng cách xa sử dụng các loại ăng ten khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS.TS. Đào Văn Hiệp (2003), Kỹ thuật robot, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. [2]. Ngô Diên Tập (2003), Kỹ thuật vi điều khiển với AVR, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Trung tâm nghiên cứu, Đào tạo và Phát triển Công nghệ điện tử, Vi điều khiển AVR, Xuất bản năm 2009. [4]. ROBIN R. MURPHY, “Introduction to AI Robotics”, Massachusetts Institute of Technology, 2000. SUMMARY MODEL ROBOT CONTROLED BY COMPUTER THROUGH RADIO WAVES Le Hung Linh, Duong Chinh Cuong, Ngo Huu Huy Faculty of Information Technology- TNU Robot is used more and more popular all over the world not only in the industry but also the domestic life. However, there are not much the applications of robot in Vietnam. Therefore, it is necessary to research and apply in the industrial manufacturing and the daily life. In this paper, we research generally the control method and the operator of the robots via the reference documents. Then we analysis and design the control model of the robot remotely by the radio wave. Simultaneously, we build a mechanic system, a control panel and test the communication system between the robot and the computer. Finally, we design a software that manages the operator history of the whole system and simulate the status of the robot. Keywords: Simulation, radio wave, the control model, the control program Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 78 Lê Hùng Linh và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73(11): 71 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 79