NGHIÊN cứu xây DỰNG PHưƠNG PHÁP điều KHIỂN ROBOT tự HÀNH DẠNG CHÂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------TRẦN HỮU PHƢỚC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DẠNG CHÂN Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015 Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khóa-ĐHQG-HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC....................................... (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: TS VÕ HOÀNG DUY........................................................... (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN ............................................ (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 07 tháng 07 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN 2. PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN 3. TS VÕ HOÀNG DUY 4. TS LÊ ĐỨC HẠNH 5. TS BÙI TRỌNG HIẾU Xác nhận của chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc chỉnh sửa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCMCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -------------------------- ------------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN HỮU PHƢỚC MSHV: Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1988 Chuyên ngành: 13041062 Nơi sinh: Đồng Nai Kỹ thuật Cơ Khí Mã số : 60520103 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DẠNG CHÂN I. TÊN ĐỀ TÀI: II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu các về dáng đi của robot 4 chân về sơ đồ bƣớc, vị trí đặt chân... - Nghiên cứu về động học và động lực học của robot - Lập trình, thực nghiệm với các dáng đi đã nghiên cứu, so sánh và nhận xét để tìm ra dáng đi phù hợp III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PSG. TS. TRẦN THIÊN PHÚC Tp. HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2015 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1 (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) PGS.TS. Trần Thiên Phúc TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Trần Thiên Phúc đã tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian học tại trƣờng Đại Học Bách Khoa mà đặc biệt là thời gian làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa cơ khí trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi và luôn sẳng sàng hƣớng dẫn tôi khi tôi có những thắc mắc liên quan đến luận văn. Xin cám ơn trƣờng Cao đẳng nghề Lilama2 nơi tôi công tác đã tạo điều kiện cho tôi đi học và cho tôi phòng Lab để thực nghiệm mô hình robot. Đồng thời cũng cám ơn các em sinh viên của trƣờng đã phụ giúp tôi trong phần thực nghiệm này. Xin cám ơn đến các đồng nghiệp và bạn trong lớp thạc sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí khóa 2- 3013 đã luôn bên tôi khi tôi có những khó khăn cần chia sẻ về đề tài. Xin cám ơn gia đình đã bên cạnh tôi. Tp. HCM ngày 25 tháng 05 năm 2015 Trần Hữu Phƣớc i TÓM TẮT Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu loại robot di chuyển bằng bốn chân về độ ổn định, kiểu dáng di chuyển, phƣơng pháp chuyển hƣớng, động học và động lực học của robot. Từ kết quả trên ngƣời nghiên cứu trên ta tiến hành thực nghiệm với các kiểu dáng di chuyển + Dáng di chuyển liên tục + Dáng di chuyển hai pha không liên tục + Dáng di chuyển bốn pha không liên tục Với mỗi kiểu dáng di chuyển trên ta tiến hành thực nghiệm. Robot sử dụng 12 động cơ Rc servo đƣợc điều khiển bởi vi điều khiển DS Pic 30F4011. Ta dùng webcam logitech C310 để nhận diện ảnh của robot từ đó xác định tâm hiện tại của nó. Webcam này giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm Matlap 2012. Tập hợp quỹ đạo của tâm robot ta vẽ lên đồ thị cho mỗi kiểu dáng di chuyển. Từ đó ta rút ra nhận xét kiểu di chuyển nào đạt độ ổn định cao nhất đối với mô hình robot hiện đang có. ii ABSTRACT The aim of this thesis is to study about the moving of Quadruped robot in relation with stability, gait, methods of navigation, kinematics and dynamics. From the above researching results, researcher practices with the differential moving such as: - Continuous moving - Moving two pha discontinuous - Moving four pha discontinuous Robot uses 12 Rc servo motor, controlled by microcontroller DC PIC30F4011. Using Webcam Logitech C310 to identify the image of robot, thereby determine its current center point. This Webcam communicates with Computer through Software Matlab 2012. Gather all of center trajectory of robot, we can build the graph for each moving method. With these Graph we can know which moving is the highest stability for this robot model. iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Trần Thiên Phúc Các kết quả trình bày là trung thực, các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. TP.HCM, Ngày 25 tháng 05 năm 2015 Trần Hữu Phƣớc iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i TÓM TẮT ................................................................................................................... ii LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iv MỤC LỤC .................................................................................................................. v DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xii CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ................................................................................... 1 1.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 1 1.2. Tình hình nghiên cứu thế giới ........................................................................... 2 1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ...................................................................... 5 1.4 Mục tiêu của luận văn......................................................................................... 7 1.5 Giới hạn đề tài nghiên cứu ................................................................................. 8 CHƢƠNG 2 : PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA ROBOT................................... 9 2.1 Các phƣơng pháp điều khiển robot...................................................................... 9 2.1.1 Phƣơng pháp điều hƣớng có tính toán .................................................... 9 2.1.2 Phƣơng pháp điều hƣớng theo phản ứng .............................................. 10 2.1.3 Phƣơng pháp điều hƣớng kết hợp ......................................................... 12 2.2 Một số định nghĩa trong quá trình phân tích dáng đi ....................................... 12 2.3 Độ ổn định của robot ........................................................................................ 14 2.4 Kết luận.............................................................................................................. 16 CHƢƠNG 3: HOẠCH ĐỊNH KIỂU DÁNG DI CHUYỂN ................................ 17 3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 18 3.2 Dáng di chuyển liên tục .................................................................................... 18 3.3 Dáng di chuyển không liên tục .......................................................................... 20 3.3.1 Dáng di chuyển 2 pha không liên tục ................................................... 20 3.3.2 Dáng di chuyển 4 pha không liên tục ................................................... 23 3.4 Phƣơng pháp chuyển hƣớng cho robot .............................................................. 26 3.4.1 Đi vòng tròn bán kính R ....................................................................... 26 3.4.2 Xoay tròn tại chỗ .................................................................................. 39 v 3.5 Kết luận............................................................................................................. 32 CHƢƠNG 4: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT .................... 33 4.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 33 4.2 Động học robot ................................................................................................. 33 4.2.1 Động học thuận của robot ..................................................................... 33 4.2.2 Động học nghịch của robot ................................................................... 36 4.3 Động lực học của robot .................................................................................... 37 4.4 Kết luận............................................................................................................. 39 CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ................................................... 40 5.1 Mô hình thực nghiệm ........................................................................................ 40 5.2 Điều khiển......................................................................................................... 40 5.3 Kết quả thực nghiệm của dáng di chuyển liên tục ........................................... 42 5.4 Kết quả thực nghiệm của dáng di chuyển không liên tục ................................ 49 5.4.1 Dáng di chuyển 2 pha không liên tục ................................................... 49 5.4.2 Dáng di chuyển 4 pha không liên tục ................................................... 56 5.5 Xoay tròn tại chỗ .............................................................................................. 63 5.6 Đánh giá kết quả ............................................................................................... 64 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 66 6.1 Kết luận............................................................................................................. 66 6.1.1 Những nội dung đạt đƣợc của luận văn ................................................ 66 6.1.2 Những hạn chế của luận văn................................................................. 66 6.2 Hƣớng phát triển của đề tàiơ ............................................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 67 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 67 1. Code xử lý ảnh trên Matlab ................................................................................. 70 2. Code tính động học thuận trên Matlab gui .......................................................... 71 3. Code tính động học nghịch trên Matlab gui ........................................................ 76 4. Code lập trình vi điều khiển ................................................................................ 77 4.1 Dáng di chuyển liên tục ........................................................................... 77 4.2 Dáng di chuyển hai pha không liên tục ................................................... 82 vi 4.3 Dáng di chuyển bốn pha không liên tục .................................................. 84 4.4 Xoay tròn tại chỗ ..................................................................................... 81 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1a : Nguyên lý robot di chuyển bằng chân của Chebyshev ...................... 2 Hình 1.1b : Mô hình robot di chuyển bằng chân của Chebyshev ......................... 2 Hình 1.2a :General electric quadruped của R.Mosher ........................................... 3 Hình 1.2b :Robot SCOUT-1 của Buehler ............................................................. 3 Hình 1.3 :Robot LS3 của quân đội Mỹ ................................................................ 3 Hình 1.4 :OSU Hexapod robot ............................................................................. 4 Hình 1.5 : TU MIT robot ..................................................................................... 5 Hình 1.6 : Mô hình robot sử dụng trong luận văn................................................ 8 Hình 1.12 :Khả năng chống trƣợt và chống kẹt của robot dạng chân.................... 9 Hình 2.1 :Sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp điều khiển có tính toán .................... 9 Hình 2.2 :Không gian làm việc của các chân robot ........................................... 12 Hình 2.3 :Biên độ ổn định của robot .................................................................. 15 Hình 3.1 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục..................................................... 19 Hình 3.2 :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển liên tục.................................... 19 Hình 3.3 :Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục ................................ 22 Hình 3.4a :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (pha 1) ....................................................................... 22 Hình 3.4b :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (pha 2) ....................................................................... 22 Hình 3.5 :Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục ................................ 24 Hình 3.6a :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 1) ....................................................................... 24 Hình 3.6b :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 2) ....................................................................... 25 Hình 3.6c :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 3) ....................................................................... 25 Hình 3.6d :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 4) ....................................................................... 25 Hình 3.7 :Quỹ đạo thân Robot khi rẽ ................................................................. 26 viii Hình 3.8 :Xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển liên tục .................................. 29 Hình 3.9 :Xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển hai pha không kliên tục ........ 30 Hình 3.10 :Xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển bốn pha không kliên tục ....... 31 Hình 4.1 :Thông số động học của robot 4 chân ................................................. 33 Hình 5.1 :Mô hình thực nghiệm robot ............................................................... 40 Hình 5.2 :Mô hình điều khiển robot ................................................................... 41 Hình 5.3 :Giải thuật điều khiển robot ................................................................ 41 Hình 5.4 :Trình tự đi thẳng của dáng đi liên tục ............................................... 42 Hình 5.5 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 5.760 lần 1) ......... 43 Hình 5.6 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 5.760 lần 2) ......... 43 Hình 5.7 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 11.520 lần 1) ....... 44 Hình 5.8 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 11.520 lần 2) ....... 44 Hình 5.9 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 23.040 lần 1) ....... 45 Hình 5.10 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 23.040 lần 2) ....... 45 Hình 5.11 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 46.080 lần 1) ....... 46 Hình 5.12 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 46.080 lần 2) ....... 46 Hình 5.13 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 92.160 lần 1) ....... 47 Hình 5.14 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 92.160 lần 2) ....... 47 Hình 5.15 :Trình tự đi thẳng của dáng di chuyển 2 pha không liên tục ............... 49 Hình 5.16: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760 lần 1) .................................................................................... 50 Hình 5.17: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760lần 2) ..................................................................................... 50 Hình 5.18: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 1) .................................................................................. 51 Hình 5.19: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 2) .................................................................................. 51 Hình 5.20: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 23.040 lần 1) .................................................................................. 52 Hình 5.21: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục ix (độ rộng bƣớc 23.040 lần 2) .................................................................................. 52 Hình 5.22: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 1) .................................................................................. 53 Hình 5.23: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 2) .................................................................................. 53 Hình 5.24: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 92.160 lần 1) .................................................................................. 54 Hình 5.25: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 92.160 lần 2) .................................................................................. 54 Hình 5.26 :Trình tự đi thẳng của dáng di chuyển 4 pha không liên tục ............... 56 Hình 5.27: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760lần 1) ..................................................................................... 57 Hình 5.28: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760lần 2) ..................................................................................... 57 Hình 5.29: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 1) .................................................................................. 58 Hình 5.30: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 2) .................................................................................. 58 Hình 5.31: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 23.040 lần 1) .................................................................................. 59 Hình 5.32: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 23.040 lần 2) .................................................................................. 59 Hình 5.33: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 1) .................................................................................. 60 Hình 5.34: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 2) .................................................................................. 60 Hình 5.35: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 92.160 lần 1) .................................................................................. 61 Hình 5.36: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục x (độ rộng bƣớc 92.160 lần 2) .................................................................................. 61 Hình 5.37 :Trình tự xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển liên tục ..................... 63 Hình 5.38 :Đồ thị của rẽ phải bằng cách xoay tròn tại chỗ .................................. 63 xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 :Sơ đồ vị trí đặt của chân robot của dáng di chuyển liên tục .............. 18 Bảng 3.2 :Sơ đồ vị trí đặt của chân robot của dáng di chuyển 2 pha không liên tục .................................................................................... 21 Bảng 3.3 :Sơ đồ vị trí đặt của chân robot của dáng di chuyển 4 pha không liên tục ..................................................................................... 24 Bảng 3.4 :Sơ đồ bƣớc chân Xoay tròn của dáng di chuyển liên tục ................ 29 Bảng 3.5 :Sơ đồ bƣớc chân xoay tròn của dáng di chuyển 2 pha không liên tục .................................................................................... 30 Bảng 3.6 :Sơ đồ bƣớc chân xoay tròn của dáng di chuyển 4 pha không liên tục .................................................................................... 31 Bảng 4.1 : Bảng thông số D-H của robot ........................................................... 34 Bảng 5.1 :Các góc độ di chuyển của chân trong thực nghiệm ........................... 42 Bảng 5.2 :Bảng thực nghiệm của dáng di chuyển liên tục ................................. 48 Bảng 5.3 :Bảng thực nghiệm của dáng di chuyển hai pha không liên tục ......... 55 Bảng 5.4 :Bảng thực nghiệm của dáng di chuyển bốn pha không liên tục ........ 62 Bảng 5.5 :So sánh kết quả của các dáng đi......................................................... 64 xii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Robot hiện nay đang rất phổ biến và đang dần đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Đây là một hệ thống mang tính chất rất rộng, nó bao gồm rất nhiều chủng loại với các mức độ khác nhau về kết cấu cơ khí, khả năng tự hành, độ thông minh và khả năng di chuyển. Tùy theo mức độ mà các robot này có thể thu thập dữ liệu, xử lý thông tin, thực hiện chuyển động và phản ứng lại với môi trƣờng xung quanh. Ngày nay hệ thống Robot đƣợc phân loại và tổng quát thành 2 nhóm chính: - Robot có gốc ở 1 vị trí cố định (Manipulation robotics). - Robot di động (Mobile robotics). Robot di động hay còn gọi là Robot tự hành. Chúng là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con ngƣời. Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trƣờng xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thƣơng mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con ngƣời. Với sự phát triển của ngành Robot học, Robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trƣờng khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau nhƣ Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ, Robot thám hiểm đại dƣơng, Robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục đƣa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu. Robot di động là robot có thể di chuyển xung quanh một môi trƣờng nhất định. Robot này không bị ràng buộc bởi một gốc tọa độ nhất định: Thực tế Robot dạng chân có nhiều loại nhƣ: Hệ thống robot 2 chân (Bipeds robot) giống nhƣ con ngƣời hoặc những con chim, Robot 4 chân (Quadrupeds Robot) nhƣ động vật có vú và bò sát, Robot 6 chân (Hexapod Robot) nhƣ côn trùng và Robot 10 chân (Octopods robot) nhƣ nhện. Bên cạnh đó vẫn có những mô hình Robot với một chân (Raibert hopper (1986). Thế nhƣng trong đề tài này chỉ nghiên cứu tập trung vào robot 4 chân (Quadrupeds Robot) về dáng các kiểu dáng đi, thứ tự bƣớc chân, vị trí đặt chân.... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu thế giới Các tài liệu đầu tiên đề cập đến hệ thông Robot di chuyển bằng bốn chân xuất hiện trong khoảng 1870, nó đƣợc dựa trên cơ cấu bốn thanh đƣợc phát minh bởi nhà toán học Nga PL Chebyshev nhƣ là một thử nghiệm đầu tiên để bắt chƣớc tự nhiên đi bộ của động vật bốn chân. Một số mô hình sau đó đƣợc phát triển để sử dụng để dạy học và khoảng năm 1893, bằng sáng chế đầu tiên cho các hệ thống di chuyển bằng chân đã đƣợc đăng ký với Cục sáng chế Mỹ (US Patent Office). Hình 1.1a: Nguyên lý robot di chuyển bằng chân của Chebyshev Hình 1.1b: Mô hình robot di chuyển bằng chân của Chebyshev Một vài thập kỷ sau đó, vào khoảng năm 1940, các nhà nghiên cứu bắt đầu xem xét khả năng sử dụng Robot có chân cho các ứng dụng thực tế. Nhƣ thƣờng lệ, quân sự là nơi các ứng dụng đến đầu tiên. Vƣơng quốc Anh và quân đội Mỹ tài trợ quan trọng dự án nghiên cứu ứng dụng Robot có chân phục vụ chiến tranh. Nhiều hoạt động sau đó đã đƣợc đƣa ra nhƣ các ứng dụng tiềm năng cho Robot có chân dựa trên tính khả thi về mặt lý thuyết. Việc tạo ra một mô hình Robot di chuyển bằng chân là rất hấp dẫn nhƣng lại rất phức tạp tại thời điểm đó. Vì khả năng ứng dụng máy tính vào điều khiển robot là chƣa nhiều.Tuy nhiên, một số mô hình thú vị đã đƣợc thiết kế và xây dựng trong thời gian này. Đến giữa những năm 1970 việc sử dụng máy tính để điều khiển Robot di chuyển bằng chân lần đầu tiên đã đƣợc thử nghiệm tại Đại học bang Ohio (OSU). Sau đó các trƣờng đại học và các trung tâm nghiên cứu Mỹ và Nhật Bản đã bắt đầu thực hiện một thỏa thuận lớn của các hoạt động trong lĩnh vực này, bao gồm cả phát triển xe đƣợc coi là Robot di chuyển bằng chân. Các Robot đi bộ đầu tiên đƣợc ghi nhận khoảng năm 1972 tại Đại học Rome ở Ý (Mocci et al, 1972). Một trong những phƣơng tiện đầu tiên đã có thể áp dụng các dáng đi khác nhau là “General Electric quadruped” (hình 2 1.2a), đƣợc phát triển bởi R. Mosher và hoàn thành vào năm 1968. Xe này với chiều cao 3,3m, dài 3m và trọng lƣợng 1400 kg, gồm có 4 chân, mỗi chân có 3 bậc tự do (một ở đầu gối và hai ở hông), mỗi khớp chuyển động thông qua một xi lanh thủy lực và đƣợc cung cấp năng lƣợng bởi một động cơ đốt trong công suất 68Kw. Hình 1.2b: Robot SCOUT-1 của Hình 1.2a: General electric Buehler quadruped của R.Mosher Sau đó Buehler đề xuất Robot SCOUT-1 có 4 chân (hình 1.3 b), mỗi chân chỉ có 1 DOF (đặt ở hông và khởi động bằng các động cơ servo), có nghĩa là có thể di chuyển thẳng hoặc đƣờng cong và leo lên xuống cầu thang và đƣợc kiểm soát bởi bộ điều khiển vòng mở. Trong thời gian gần đây, một phiên bản mới của Robot này là SCOUT-II đƣợc phát triển với mỗi chân 2 DOF. Bổ sung thêm khớp truợt và quay. Gần đây Cơ quan phụ trách nghiên cứu các dự án tƣơng lai (DARPA) thuộc Lầu Năm góc đã ký hợp đồng với hãng Boston Dynamics của Mỹ về việc chế tạo loại robot có khả năng vận tải hàng hóa trong điều kiện địa hình phức tạp và hiểm trở. Theo Industry Daily. Hình 1.3: Robot LS3 của quân đội Mỹ 3 Loại robot mới này sẽ mang tên LS3 và có vẻ ngoài giống con La.Dự kiến, trong thời gian tới, LS3 sẽ đƣợc quân đội Mỹ sử dụng tại Afghanistan. Tại đây, nhiệm vụ chính của loại robot này là vận chuyển khoảng 180 kg đi trên địa hình gồ ghề, nhiều đá tảng dài 32 km. Trọng lƣợng của LS3 không quá 570 kg. LS3 có đặc tính tự động và khả năng hoạt động trong 24 giờ. Theo thông tin của DARPA, loại robot 4 chân mới LS3 có thể di chuyển, chạy nƣớc kiệu, phi, nhảy qua chƣớng ngại vật và tự tạo đƣợc độ thăng bằng trong trƣờng hợp nếu nhƣ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài. LS3 sẽ đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở loại robot BigDog – một đơn đặt hàng khác của DARPA, do hãng Boston Dynamics chế tạo. BigDog ngoài khả năng di chuyển và tự cân bằng, nó còn có thể đứng vững trên các bề mặt trơn trƣợt. Robot 6 chân (Hexapods hoặc six-legged Robots), đƣợc lấy cảm hứng từ côn trùng nhƣ con gián. Nhiều chân có nghĩa là thêm nhiều phần cứng và làm cho các Robot 6 chân sẽ phức tạp và độ tin cậy thấp hơn các Robot 2 chân và 4 chân .Lợi ích lớn nhất của cấu trúc hexapod là độ ổn định cao hơn so với 2 chân và 4 chân. Nói chung, dáng đi sáu chân là một dáng đi kiền 3 chân. Lần lƣợt 3 chân chạm đất trong khi 3 chân kia nhấc lên và cứ thay đổi nhƣ vậy. Với dáng đi 6 chân thì Robot có cả ổn định tĩnh và động trong khi đó Robot 2 chân đứng 1 chân và Robot 4 chân đứng 2 chân chỉ có ổn định động. Hình 1. 4 :OSU Hexapod robot RB McGhee xây dựng OSU Hexapod (hình 1.4) vào năm 1977 . Hexapod này dài 1,3 m rộng 1,4 m. Tổng trọng lƣợng của nó là khoảng 100 kg. Mỗi chân có ba bậc tự do 4 sử dụng động cơ điện. Nó có thể di chuyển với tốc độ chậm (một vài inch mỗi giây).Robot này đã đƣợc sử dụng nhƣ là một thử nghiệm cho các mục đích khác nhau ví dụ nhƣ đi bộ với dáng đi khác nhau trên một bề mặt bằng phẳng, bƣớc lên cầu thang... Hình 1.15 cho thấy hexapod OSU với một hệ thống xử lý ảnh đƣợc thực hiện vào năm 1985 . Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển mọt loại robot lấy cảm hứng từ sinh học. Boadicea (hình 1.4) có những khía cạnh dựa trên con dán Discoidalis Blaberus và là một trong các nguyên mẫu đƣợc xây dựng. Hexapod này trình bày có 6 chân với 3 DOF ở 2 chân sau và 2 chân giữa, 2 DOF ở chân phía trƣớc. Cơ cấu chấp hành ở tất cả chân đƣợc truyền dẫn bằng 2 piston khí nén. Hình 1. 5 :TU MIT robot 1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam có những bƣớc tiến đáng kể trong 25 năm qua. Vào giai đoạn 1985-1990, chƣơng trình nghiên cứu quốc gia về tự động hóa đã có những đề tài nghiên cứu và chế tạo robot do Trung tâm Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì. Các robot đƣợc chế tạo thời gian này là một số loại tay máy đƣợc điều khiển bằng khí nén rất cồng kềnh và chƣa có phần điều khiển điện tử. Thiết kế robot nặng về 5 thiết kế cơ khí, chi tiết máy. Các chuyển động của các khớp chƣa có vòng điều khiển servo mà chủ yếu dùng các công tắc hành trình là chính. Tuy không có khả năng ứng dụng nhƣng các robot này đã dấy lên hƣớng đào tạo về robot ở Đại học Bách khoa Hà Nội trong khi ở các trƣờng đại học khác trên toàn quốc chƣa có khái niệm về môn học về robot cả ở các khoa cơ khí lẫn khoa điện. Các robot đƣợc thiết kế và chế tạo ở Việt Nam thực sự có nhiều khởi sắc từ khoảng 15 năm nay. Lúc này công nghệ vi xử lý, PLC, DSP, SOC đã thâm nhập sâu vào trong các trƣờng đại học và cộng đồng công nghệ Việt Nam nên nhiều ý tƣởng và đề tài nghiên cứu đã đƣợc đề xuất và triển khai. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot. Trung tâm Tự động hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp tục phát triển các robot điều khiển bằng máy PC và vi xử lý, cho ra đời robot SCA mini, là một loại robot lắp ráp, phục vụ tốt cho công tác đào tạo và một số robot di động đƣợc điều khiển từ xa bằng con ngƣời. Đại học Bách khoa Tp.HCM phát triển robot hàn, robot lấy sản phẩm phôi chai nhựa PET, robot phục vụ quay TV, và một số mẫu robot song song hexapode phục vụ cho đào tạo. Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự nghiên cứu chế tạo robot sơn xe quân giới, robot phục vụ chế tạo thuốc súng, robot di động gắp mìn điều khiển từ xa, máy bay không ngƣời lái… Học viện Kỹ thuật Quân sự thiết kế và chế tạo robot lặn dƣới nƣớc điều khiển từ xa qua dây dẫn phục vụ khảo sát các công trình dƣới nƣớc, robot exoskeleton trợ giúp mang vác cho con ngƣời. Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam thiết kế chế tạo robot Hexapode phục vụ gia công chính xác. Viện CNTT triển khai các nghiên cứu tích hợp hệ robot-camera phân loại sản phẩm, hệ robot 2 bậc tự do Pan-Tilt-Camera theo dõi bám mục tiêu di động, robot di động phục vụ tự động hóa kho hàng. Gần đây, trong chƣơng trình nghiên cứu cấp quốc gia về lĩnh vực TĐH giai đoạn 2006-2010 có nhiều đề tài sắp đƣợc nghiệm thu về thiết kế chế tạo robot, trong đó Đại học Bách khoa Hà Nội chế tạo robot hàn vỏ tàu thủy, Viện TĐH Viện Kỹ thuật Quân sự chế tạo robot phun hạt nix cọ rửa tàu, Tp. HCM chế tạo máy gia công 3D sử dụng robot song song Hexapode có độ chính xác cao và hệ thống tự động sắp xếp và cấp vật tƣ kho gồm 3 robot di động chạy trên ray. Đại học Quốc gia Hà Nội tiến hành các nghiên cứu phát triển các hệ điều khiển robot di động qua truyền thông không dây và Internet. Doanh nghiệp thiết kế và chế tạo robot ở Việt Nam có nhiều sản phẩm quảng cáo ấn tƣợng trên trƣờng quốc tế, trong đó phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY. TOSY đã gây thƣơng hiệu bằng robot dáng ngƣời đánh bóng bàn TOPIO Ping Pong đƣợc trình diễn tại Hội chợ quốc tế Robot IREX 2009 ở Nhật Bản năm 2009. Gần đây tại Hội chợ quốc tế về Tự động hoá 2010 ở Đức, TOSY đã giới thiệu robot dịch vụ 23 6 bậc tự do TOPIO Dio và 2 sản phẩm robot công nghiệp với giá thành chỉ bằng 1/5 các robot tƣơng đƣơng trên thế giới. Song song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về robot đƣợc công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát đƣợc các hƣớng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về robot ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot. Các nghiên cứu về động học và động lực học robot đƣợc các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trƣờng đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, quan tâm cả trong dân sự và quân sự. Ngoài việc tìm các phƣơng pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại robot nối tiếp, song song, di động, thì các chƣơng trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D đƣợc áp dụng và phát triển để minh họa cũng nhƣ phục vụ cho phân tích, thiết kế robot. Các công bố liên quan về cơ học robot thƣờng do Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Bách khoa Tp.HCM, các bộ môn robot và Cơ điện tử ở các trƣờng Đại học khác công bố. Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú từ các phƣơng pháp điều khiển truyền thống nhƣ PID, phƣơng pháp tính mô men, phƣơng pháp điều khiển trƣợt đến các phƣơng pháp điều khiển thông minh nhƣ điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phƣơng pháp điều khiển tự thích nghi, các phƣơng pháp học cho robot, các hệ visual servoing… Các công bố về điều khiển robot cho robot công nghiệp, hexapod, robot di động phải kể đến các công trình của Viện CNTT Viện KH&CN Việt Nam, Đại học Bách khoa Tp.HCM và Đại học Bách khoa Hà Nội. Năm 2012 trong đồ án tốt nghiệp của mình Thân Trọng Khánh Đạt học viên khoa cơ khí trƣờng Đại Học Bách Khoa TP.HCM do thầy PGS.TS Trần Thiên Phúc hƣớng dẫn có giới thiệu về robot 4 chân. Mô hình này đã đạt đƣợc những kết quả nhất định nhƣ hoạch định dáng di chuyển cho robot 4 chân, thực hiện chế tạo mô hình. Thế nhƣng vẫn cò một số các hạn chế nhƣ: Mô hình chỉ điều khiển mà không có hồi tiếp, không kiểm soát đƣợc hiện tƣợn trƣợt, độ ổn định mô hình còn thấp. 1.4 Mục tiêu của luận văn Qua phân tích, nghiên cứu về ƣu và nhƣợc điểm trên ta thấy rằng việc nghiên cứu, chế tạo robot bằng chân là hết sức cần thiết. Trong thời đại công nghiệp hóa hiện nay nói chung và lĩnh vực quân sự nói riêng có rất nhiều công việc độc hại và nguy hiểm cho con ngƣời. Vì thế robot đã và đang trở thành những vật thay thế cho con ngƣời. Để đạt đƣợc các yêu cầu đặt ra cho con ngƣời thì chúng ta phải nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện từng bƣớc. Vì vậy ngƣời 7 nghiên cứu chọn đề tài nghiên cứu xây dựng phƣơng pháp điều khiển robot tự hành dạng chân. Với đề tài này ngƣời nghiên cứu sẽ tìm hiểu robot 4 chân về:  Tổng quan về robot di chuyển bằng chân  Tính toán độ ổn định của robot  Nghiên cứu các dáng đi của robot, vị trí đặt chân, phƣơng pháp chuyển hƣớng  Nghiên cứu động học và động lực học của robot  Nghiên cứu Matlap để xử lý các bài toán động học thuận, nghịch  Nghiên cứu xử lý ảnh để lấy tọa độ tâm của robot thông qua phần mềm Matlab  Nghiên cứu Vi điều khiển để lập trình thực nghiệm với mỗi kiểu dáng đi. Với thời gian gần 6 tháng tôi huy vọng mình có thể làm đƣợc các nhiệm vụ trên để hoàn thành kịp tiến độ. 1.5 Giới hạn đề tài nghiên cứu Hình 1. 6 :Mô hình robot sử dụng trong luận văn Với luận văn ngày ngƣời nghiên cứu sử dụng mô hình có sẳn là robot 4 chân, mỗi chân gồm 12 động cơ RC servo. Vì động cơ này chỉ quay đƣợc góc 180 độ nên với phần cơ cấu cơ khí trên ta có một số giới hạn về hành trình. Vì vậy trong điều khiển robot này ta có những gới hạn nhất định  Góc xoay của chân có bị gới hạn nên ta chỉ xét các dáng đi mà robot bốn chân nhƣ hình có khả năng di chuyển đƣợc  Robot chỉ đi mà không quan tâm đến ràng buộc với mặt phẳng nằm ngang  Điều khiên robot theo vòng hở mà không điều khiển theo vòng kính 8 9 CHƢƠNG 2 : PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA ROBOT 2.1 Các phƣơng pháp điều khiển Robot Kỹ thuật điều hƣớng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong Robot tự hành có thể đƣợc chia thành 2 loại chính: Đó là điều hƣớng có tính toán và điều hƣớng theo phản ứng. Đúng nhƣ tên gọi, điều hƣớng có tính toán là phƣơng pháp điều hƣớng có kế hoạch còn điều hƣớng theo phản ứng là điều hƣớng tức thời, là quá trình tự động thực hiện các phản ứng theo môi trƣờng xung quanh. Ngoài ra còn có phƣơng pháp điều hƣớng lai ghép là phƣơng pháp kết hợp cả hai phƣơng pháp có tính toán và điều hƣớng theo phản ứng để xây dựng một bộ điều khiển thông minh hơn. 2.1.1 Phương pháp điều hướng có tính toán Phƣơng pháp điều hƣớng có tính toán là phƣơng pháp thực hiện theo trình tự: Quan sát – Lập kế hoạch – Hành động. Thông thƣờng một hệ thống có tính toán bao gồm 5 khâu: Nhận thức (Perception), Mô hình thế giới (Word modelling), Lập kế hoạch (Planning), Thực hiện công việc (Task excution) và Điều khiển động cơ (Motor control). Các khâu trên có thể đƣợc coi nhƣ là một chuỗi các “lát mỏng theo phƣơng Điều khiển động cơ Thực hiện công việc Lập kế hoạch Mô hình thế giới Các tín hiệu từ cảm biến Nhận thức thẳng đứng” với các đầu vào là tín hiệu nhận đƣợc từ cảm biến ở phía bên trái và đầu ra tới các khâu chấp hành ở phía bên phải. Các khâu Chấp hành Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển có tính toán - Khâu nhận thức có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị cảm ứng, các thiết bị này đƣợc nối với Robot sẽ cho các thông tin về môi trƣờng quan sát đƣợc. - Khâu mô hình thế giới: Chuyển các tín hiệu từ cảm biển thành mô tả mối liên quan giữa Robot với mô hình bên trong môi trƣờng. - Khâu lập kế hoạch: Cố gắng xây dựng kế hoạch thực hiện của Robot sao cho đạt đƣợc mục tiêu phù hợp với tình trạng thế giới hiện thời. 10 - Khâu thực hiện công việc: Chia kế hoạch vừa đƣợc xây dựng thành các lệnh điều khiển chuyển động chi tiết. - Khâu điều khiển động cơ: Dùng để thực hiện các lệnh này. Mỗi một hệ thống con nhƣ là một khâu tƣơng đối phức tạp và tất cả phải hoạt động một cách đồng bộ với hoạt động của Robot tại mọi thời điểm. Phƣơng pháp này đòi hỏi phải trang bị các cảm biến, các thiết bị đo để nhận biết thông tin từ môi trƣờng hoặc dạng thông tin dự đoán trƣớc từ bản đồ toàn cục. Thông tin đó sẽ đƣợc tham chiếu với một bản đồ môi trƣờng nếu có thể và sử dụng thuật toán lập kế hoạch để tạo ra quỹ đạo chuyển động giúp Robot tránh vật cản và tăng xác suất tới mục tiêu đến tối đa. Do sự phức tạp của môi trƣờng làm tăng thời gian để nhận biết, xây dựng mô hình và lập kế hoạch về thế giới cũng tăng theo hàm mũ. Đây cũng chính là bất lợi của phƣơng pháp này. Phƣơng pháp này tỏ ra rất hữu hiệu cho các tình huống mà trong đó môi trƣờng làm việc là tƣơng đối tĩnh (môi trƣờng trong đó có thể bao gồm vật cản, tƣờng chắn, hành lang, điểm đích, v.v... là các đối tƣợng có vị trí không thay đổi trong bản đồ toàn cục). Trong phƣơng pháp điều hƣớng có tính toán, khâu lập kế hoạch đƣờng đi cho Robot là cực kì quan trọng. Việc lập kế hoạch đƣờng đi cho Mobile robot thƣờng có hai giai đoạn đó là lập kế hoạch toàn cục và lập kế hoạch cục bộ. Lập kế hoạch toàn cục có thể đƣợc hiểu nhƣ là cách di chuyển robot qua một môi trƣờng tùy ý và môi trƣờng này là tƣơng đối lớn. Còn lập kế hoạch cục bộ sẽ đƣa ra quyết định khi Robot đối mặt với môi trƣờng tĩnh. Ví dụ: Khi Robot gặp phải vật cản, hành lang,... Kế hoạch cục bộ đƣa ra phƣơng pháp để đi tới đích ngắn nhất, an toàn nhất. Chính vì thế khi gặp phải các vật cản, kế hoạch cục bộ sẽ giúp cho Robot tránh không va chạm rồi mới tiếp tục thực hiện kế hoạch toàn cục để tới đích. 2.1.2 Phương pháp điều hướng Robot theo phản ứng Nhƣ phân tích ở phần trên, phƣơng pháp điều hƣớng có tính toán có nhiều ƣu điểm đối với quá trình điều hƣớng cho Mobile robot. Tuy nhiên, điều hƣớng có tính toán thƣờng yêu cầu khối lƣợng tính toán tƣơng đối lớn và phƣơng pháp này tỏ ra không tối ƣu khi môi trƣờng hoạt động của Robot thay đổi. Phƣơng pháp điều hƣớng theo phản ứng ra đời nhằm giải quyết các vấn đề có liên quan tới môi trƣờng không biết trƣớc hoặc môi trƣờng thƣờng xuyên thay đổi. Điều hƣớng theo phản ứng khắc phục đƣợc những hạn chế của phƣơng pháp điều hƣớng tính toán, giúp giảm khối lƣợng tính toán, tăng tốc độ xử lý trong môi trƣờng phức tạp. Điều hƣớng theo phản ứng là phƣơng pháp kết hợp các phản ứng thực hiện một cách tự động với các kích thích từ cảm biến để điều khiển Robot sao cho an toàn 11 và đạt hiệu suất cao nhất. Phƣơng pháp này đặc biệt phù hợp đối với những ứng dụng nơi mà môi trƣờng là hoàn toàn động hoặc không biết trƣớc. Ví dụ: Trong không gian hoặc dƣới nƣớc. Trong thực tế, các thiết bị vệ tinh thám hiểm kiểu Robot đã sử dụng phƣơng pháp điều hƣớng theo phản ứng, lí do là phƣơng pháp điều hƣớng theo tính toán đòi hỏi việc lập kế hoạch phức tạp có quá nhiều phép tính toán bị giới hạn bởi khả năng của bộ nhớ và tốc độ tính toán. Điều hƣớng theo phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời của Robot và đòi hỏi rất ít các phép tính toán để tác động lại môi trƣờng hoạt động. Tuy nhiên, phƣơng pháp điều hƣớng theo phản ứng cũng có nhiều mặt hạn chế, việc không có kế hoạch toàn cục có thể khiến cho quá trình điều khiển gặp phải những khó khăn. Các hoạt động tối ƣu cục bộ chủ yếu thu đƣợc nhờ điều khiển theo phản ứng, chính vì thế mà có thể gây ra hiện tƣợng lệch hƣớng toàn cục. Trong phƣơng pháp điều hƣớng theo tính toán, hệ thống không bao giờ mất tầm quan sát đích trong khi các hệ thống điều hƣớng theo phản ứng cần phải giữ các đích tức thời để độ lệch hƣớng so với đích toàn cục là không quá lớn. Một thuận lợi ở điều hƣớng theo phản ứng so với các phƣơng pháp tính toán đó là khả năng mở rộng bộ điều khiển để thêm vào các thành phần phản ứng khác mà không cần phải điều chỉnh lại toàn bộ phần mềm điều khiển. Chính vì thế, ta có thể dễ dàng bổ xung thêm tính năng cho Robot bằng cách thêm vào các hoạt động mới mà không làm thay đổi những hoạt động đã có trƣớc. Ví dụ: Để robot phản ứng với một kích thích thu đƣợc từ một cảm biến mới, ta chỉ cần thêm một thành phần khác vào bộ điều khiển để nó phản ứng với kích thích thu đƣợc từ cảm biến đó. Còn ở các phƣơng pháp tính toán, bạn cần phải xây dựng một thuật toán hoàn toàn mới để sử dụng dữ liệu thu đƣợc từ cảm biến mới đƣợc thêm vào này. Trong thời kỳ đầu, các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống điều hƣớng thuần tuý phản ứng bằng cách dựa vào hoạt động của côn trùng để áp dụng vào kỹ thuật Robot. Nhiều nghiên cứu về hệ thống sinh học đã đƣợc ứng dụng cho quá trình điều khiển Mobile robot. Chuyển động của một số loại côn trùng trong thế giới sinh học có thể đƣợc sử dụng để xây dựng thành công các thuật toán điều khiển hoạt động cho Robot. Ví dụ: Khi nghiên cứu về hành vi của côn trùng, các nhà khoa học nhận ra mỗi một con côn trùng chỉ có một vài hoạt động riêng biệt. Các hoạt động này có thể bao gồm hoạt động tìm thức ăn, hoạt động tránh ánh sáng và hoạt động sinh sản,.... Dựa vào những gì mà cảm nhận đƣợc, mỗi con côn trùng sẽ quyết định thực hiện một trong số những hoạt động trên. Nếu chúng cảm thấy đói, chúng sẽ lục lọi để tìm thức ăn. Tuy nhiên, nếu một bóng đèn chợt bật sáng, một số những con côn trùng đó sẽ từ bỏ việc tìm kiếm thức ăn và chui ngay vào nơi nào đó để ẩn náu. Đây là một ví dụ về điều 12 khiển theo phản ứng. Dựa vào những kích thích hiện thời, những con côn trùng sẽ chọn một hoạt động thích hợp mà không cần phải lập kế hoạch hay tính toán gì cả. Vậy thì tại sao những hoạt động nhƣ thế lại không thể đƣợc dịch thành những thuật toán điều khiển đơn giản cho Robot. Đây chính là những lý thuyết cơ bản của kỹ thuật điều khiển dựa hành vi (Behavior-base control) cho Mobile robot. 2.1.3 Phương pháp điều khiển kết hợp Điều hƣớng lai ghép là phƣơng pháp kết hợp các ƣu điểm của phƣơng pháp điều hƣớng theo tính toán truyền thống với các hệ thống điều hƣớng dựa phản ứng. Mỗi phƣơng pháp đều có những nhƣợc điểm mà phƣơng pháp kia có thể khắc phục đƣợc. Phƣơng pháp điều hƣớng theo tính toán gặp phải khó khăn khi hoạt động trong các môi trƣờng động, là nơi yêu cầu khả năng tính toán nhanh cũng nhƣ các kỹ năng tránh vật cản. Nếu phƣơng pháp điều hƣớng theo phản ứng không kết hợp với bất cứ quá trình lập kế hoạch chuyển động nào thì có thể sẽ không đƣa robot theo quỹ đạo tối ƣu. Phƣơng pháp điều khiển lai ra đời nhằm kết hợp các hoạt động có tính toán bậc cao với các hoạt động phản ứng bậc thấp. Các hoạt động phản ứng giúp Robot an toàn và xử lý các tình trạng khẩn cấp trong khi phần điều khiển có tính toán sẽ giúp Robot đạt đƣợc mục đích cuối cùng. Phƣơng pháp điều khiển lai ghép có thể cho ta kết quả khả quan hơn khi chỉ sử dụng phƣơng pháp điều hƣớng theo phản ứng hoặc điều hƣớng theo tính toán. 2.2 Một số định nghĩa trong quá trình phân tích dáng đi Năm 1968 ông McGhee và Frank lần đầu tiên xác định sự ổn định tĩnh của một robot có chân lý tƣởng. Hình 2.2: Không gian làm việc của các chân robot 13 Một robot đƣợc cho là ổn định tĩnh nếu hình chiếu trên mặt phẳng nằm ngang của trọng tâm (COG) nằm bên trong đa giác nối các chân tiếp xúc lên mặt đất. Các tiêu chí xác định độ ổn định của Robot 4 chân đƣợc đƣa ra dƣới các dạng và tên gọi khác nhau đều dựa trên 1 ý tƣởng: Trọng tâm của thân Robot lên mặt phẳng nằm ngang phải nằm trên đa giác nối các điểm dẫm xuống của chân (hình 2.2). Sau đây là một số khái niệm và định nghĩa thƣờng đƣợc dùng trong robot dạng chân: - Pha di chuyển của một chân (Swing pha of a leg): Là giai đoạn mà chân di chuyển trong không khí. Kí hiệu là trạng thái 1. - Pha tác động của một chân (Support pha of a leg): Là giai đoạn mà chân chống trên mặt đất. Kí hiệu là trạng thái 0. - Chu kì dáng đi T (Cycle time): Là khoảng thời gian hoàn thành một chu kì của chân đối với dáng đi có chu kỳ, bao gồm pha tác động và pha di chuyển. - Hệ số sử dụng β (Duty factor): Là tỉ số giữa thời gian chân chạm đất và chu kì dáng đi.  TSi Ti (2.1) Với TSi là pha tác động của chân i và Ti là chu kỳ hoạt động của chân i. - Pha của chân (Leg pha): Pha của chân thứ i (Φi) đó là thời gian mà vị trí của chân thứ i nằm trên mặt đất bị chậm hơn so với chân tham chiếu (thông thƣờng chân 1 đƣợc lấy làm chân tham chiếu). - Độ dài bƣớc tiến (Stride length): độ dài bƣớc tiến λ là khoảng cách thay đổi trọng tâm của thân robot trong 1 chu kỳ chuyển động. - Hành trình của chân (Leg stroke): hành trình của chân (R) là khoảng cách mà bàn chân đƣợc di chuyển tƣơng đối so với cơ thể trong pha tác động (support pha). R phải nằm trong không gian làm việc của chân và đƣợc xác định bởi Rx và Ry. - Hành trình bƣớc (Stroke pitch): Hành trình bƣớc (P) là khoảng cách giữa tâm hành trình của 2 chân liền kề. P đƣợc phân thành 2 thành phần Px và Py, đó các khoảng cách tƣơng ứng theo các phƣơng x và y. - Chiều dài hiệu dụng của thân (Effective body length): Chiều dài hiệu dụng của thân Robot 2n chân (Lb) là khoảng cách giữa tâm hành trình bƣớc của chân đầu tiên và chân cuối. Nếu hành trình bƣớc bằng nhau thì Lb  (n  1) / P 14 (2.2) - Đa giác tác động (support polygon): Là đa giác có các đỉnh đƣợc xây dựng trên mặt phẳng nằm ngang bằng cách dự đoán theo chiều dọc của các điểm tƣơng tác chân lên mặt đất của chân hỗ trợ. Một đa giác hỗ trợ là có thể chỉ nếu ít nhất hai chân ở một bên và một chân khác đang hỗ trợ. (Hình 2.2) - Biên ổn định phía trƣớc và sau (front and rear stability margins): Khoảng cách từ trọng tâm đến đa giác nối các vị trí tác động của chân lên mặt đất theo chiều dọc, nếu ở phía trƣớc đƣợc gọi là biên độ ổn định phía trƣớc, còn nếu phía sau là biên độ ổn định phía sau. - Dáng đi có trật tự (Orderly Gait): Một dáng di chuyển đƣợc gọi là có trật tự nếu mỗi bƣớc chân có một khoảng thời gian di chuyển riêng, không nhất thiết phải bằng với thời gian của bất kỳ chân khác. - Dáng đi có quy luật (Periodic Gait): Một dáng đi có trật tự đƣợc gọi là có chu kỳ nếu tất cả các chân có khoảng thời gian 1 bƣớc trong chu kỳ là giống nhau. Tất cả các chân đều có đi qua các trạng thái pha giống nhau trong 1 chu kỳ. - Dáng đi đối xứng (Symmetric Gait): Một dáng di chuyển đƣợc gọi là đối xứng nếu độ lệch pha giữa 2 chân trái và phải bằng ½. - Dáng đi đều (Regular Gait): Một dáng di chuyển đƣợc gọi là đều nếu tỷ số giữa thời gian chân dậm xuống và thời gian của chu kỳ bƣớc đi ở các chân bằng nhau. Và tỷ số đó gọi là βi hệ số sử dụng (Duty Factory). - Dáng đi tiêu chuẩn (Standard Gait): Dáng đi tiêu chuẩn là dáng đi đều, tuần hoàn và có gốc thay đổi pha là hằng số. 2.3 Độ ổn định của Robot Độ ổn định là sự cân bằng của Robot. Độ ổn định là nền tảng cho việc thực hiện chuyển động. Có 2 loại ổn định là ổn định tĩnh và ổn định động. Ổn định tĩnh là trạng thái cân bằng mà không cần ngoại lực tác dụng, ổn định tĩnh đạt đƣợc khi trọng tâm của Robot rơi vào hình đa giác tạo bởi các chân đang tiếp đất (hình 2.4). Ổn định động là trạng thái cân bằng của Robot đạt đƣợc khi có thêm ngoại lực tác dụng. 15 Hình 2.3: Biên độ ổn định của robot Trong phần này sẽ trình bày các định lý tổng quát về độ ổn định của dáng đi cho Robot nhiều chân. Các định lí này áp dụng cho Robot có 2n chân, đƣợc rút ra từ nghiên cứu của Song và Waldron.Trong suốt chƣơng ta giả sử rằng R [...]... vậy ngƣời 7 nghiên cứu chọn đề tài nghiên cứu xây dựng phƣơng pháp điều khiển robot tự hành dạng chân Với đề tài này ngƣời nghiên cứu sẽ tìm hiểu robot 4 chân về:  Tổng quan về robot di chuyển bằng chân  Tính toán độ ổn định của robot  Nghiên cứu các dáng đi của robot, vị trí đặt chân, phƣơng pháp chuyển hƣớng  Nghiên cứu động học và động lực học của robot  Nghiên cứu Matlap để... của chân nhỏ nên robot không đạt đƣợc độ ổn định cao Vì thân luôn chuyển động cùng với chân nên tâm của thân robot khó có thể đi trên quỹ đạo thẳng mặc dù các chân robot đã đi trên quỹ đạo thẳng Trình tự di chuyển của các chân: Chân 4→ Chân 3 → Chân 1→ Chân 2 Vị trí chân Pha 1 Pha 3 Pha 3 Pha 4 Chân 4 0 3 2 1 Chân 3 1 0 3 2 Chân 1 2 1 0 3 Chân 2 3 2 1 0 Bảng 3.1: Sơ đồ vị trí đặt của chân robot. .. ngang  Điều khiên robot theo vòng hở mà không điều khiển theo vòng kính 8 9 CHƢƠNG 2 : PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA ROBOT 2.1 Các phƣơng pháp điều khiển Robot Kỹ thuật điều hƣớng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong Robot tự hành có thể đƣợc chia thành 2 loại chính: Đó là điều hƣớng có tính toán và điều hƣớng theo phản ứng Đúng nhƣ tên gọi, điều hƣớng có tính toán là phƣơng pháp điều hƣớng... định Robot này không bị ràng buộc bởi một gốc tọa độ nhất định: Thực tế Robot dạng chân có nhiều loại nhƣ: Hệ thống robot 2 chân (Bipeds robot) giống nhƣ con ngƣời hoặc những con chim, Robot 4 chân (Quadrupeds Robot) nhƣ động vật có vú và bò sát, Robot 6 chân (Hexapod Robot) nhƣ côn trùng và Robot 10 chân (Octopods robot) nhƣ nhện Bên cạnh đó vẫn có những mô hình Robot với một chân. .. đƣợc xây dựng Hexapod này trình bày có 6 chân với 3 DOF ở 2 chân sau và 2 chân giữa, 2 DOF ở chân phía trƣớc Cơ cấu chấp hành ở tất cả chân đƣợc truyền dẫn bằng 2 piston khí nén Hình 1 5 :TU MIT robot 1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam có những bƣớc tiến đáng kể trong 25 năm qua Vào giai đoạn 1985-1990, chƣơng trình nghiên cứu quốc gia về tự động... tài nghiên cứu đã đƣợc đề xuất và triển khai Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot Trung tâm Tự động hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp tục phát triển các robot điều khiển bằng máy PC và vi xử lý, cho ra đời robot SCA mini, là một loại robot lắp ráp, phục vụ tốt cho công tác đào tạo và một số robot di động đƣợc điều khiển. .. ngành Robot học, Robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trƣờng khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau nhƣ Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ, Robot thám hiểm đại dƣơng, Robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục đƣa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu Robot di động là robot. .. các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống điều hƣớng thuần tuý phản ứng bằng cách dựa vào hoạt động của côn trùng để áp dụng vào kỹ thuật Robot Nhiều nghiên cứu về hệ thống sinh học đã đƣợc ứng dụng cho quá trình điều khiển Mobile robot Chuyển động của một số loại côn trùng trong thế giới sinh học có thể đƣợc sử dụng để xây dựng thành công các thuật toán điều khiển hoạt động cho Robot. .. thống Robot đƣợc phân loại và tổng quát thành 2 nhóm chính: - Robot có gốc ở 1 vị trí cố định (Manipulation robotics) - Robot di động (Mobile robotics) Robot di động hay còn gọi là Robot tự hành Chúng là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con ngƣời Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trƣờng xung quanh Robot tự hành. .. trong khi 3 chân kia nhấc lên và cứ thay đổi nhƣ vậy Với dáng đi 6 chân thì Robot có cả ổn định tĩnh và động trong khi đó Robot 2 chân đứng 1 chân và Robot 4 chân đứng 2 chân chỉ có ổn định động Hình 1 4 :OSU Hexapod robot RB McGhee xây dựng OSU Hexapod (hình 1.4) vào năm 1977 Hexapod này dài 1,3 m rộng 1,4 m Tổng trọng lƣợng của nó là khoảng 100 kg Mỗi chân có ba bậc tự do 4 sử ... 60520103 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DẠNG CHÂN I TÊN ĐỀ TÀI: II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu dáng của robot chân sơ đồ bƣớc, vị trí đặt chân - Nghiên cứu. .. khiển robot tự hành dạng chân Với đề tài này ngƣời nghiên cứu tìm hiểu robot chân về:  Tổng quan robot di chuyển chân  Tính toán độ ổn định của robot  Nghiên cứu các dáng của robot, ... nên tâm của thân robot khó quỹ đạo thẳng các chân robot đã quỹ đạo thẳng Trình tự di chuyển của chân: Chân 4→ Chân → Chân 1→ Chân Vị trí chân Pha Pha Pha Pha Chân Chân 3 Chân Chân Bảng 3.1:

NGHIÊN cứu xây DỰNG PHưƠNG PHÁP điều KHIỂN ROBOT tự HÀNH DẠNG CHÂN

Thông tin tài liệu

Từ khóa liên quan

Trích đoạn

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan