Nghiên cứu, thiết kế hệ bộ điều khiển cho robot cá 4 khâu 3 khớp dạng carangiform

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. VÕ TƯỜNG QUÂN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP. HCM ngày 10 tháng 5 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến ………………..Chủ tịch
2. TS. Nguyễn Thanh Phương ………………..Phản biện 1
3. TS. Nguyễn Hùng ………………………... Phản biện 2
4. TS. Võ Hoàng Duy…………………………Ủy viên
5. TS. Võ Đình Tùng…………………………. Ủy viên – thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá sau khi Luận văn đã được
sửa chữa .
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Nguyễn Tấn Tiến


TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 29 tháng 3 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHAN VĂN Y

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/12/1972

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

MSHV: 1241840023

I- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÁ 4 KHÂU
3 KHÓP DẠNG CARANGIFORM
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu các loại robot cá dạng Carangiform hiện nay trên Việt Nam và trên thế
giới
- Nghiên cứu mơ hình động lực học của robot cá.
- Xác định phương án di chuyển của robot cá trong mặt phẳng 2D.
- Tìm hiểu các loại cảm biển dùng cho robot.
- Nghiên cứu tính tốn thiết kế bộ điều khiển cho robot trong mặt phẳng 2D.
- Mô phỏng thông qua công cụ Matlab
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2014
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VÕ TƯỜNG QUÂN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TS. VÕ TƯỜNG QUÂN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Phan Văn Y


ii

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện Luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự
hướng dẫn tận tình của TS. Võ Tường Qn, tơi đã hồn thành luận văn đúng thời gian
quy định. Để hoàn thành cuốn luận văn này, tơi xin bày tỏa lịng biết ơn sâu sắc đối với
TS. Võ Tường Quân, thầy là người tận tâm hết lịng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình

và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận văn.
Xin chân thành cám ơn tập thể Thầy Cô Giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng
Nghệ TP. Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập
và nghiện cứu trong quá trình học cao học tại trường.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại
học trường đại học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP. Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ cho tơi trong
q trình thực hiện luận văn.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2013
Người Thực hiện

Phan Văn Y


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Robot cá (Fish robot) là một dạng robot phỏng sinh học (Biomimetic robot)
được quan tâm ngày càng nhiều trong những năm gần đây. Với ưu điểm vượt trội so
với phương tiện di chuyển dưới nước truyền thống là dùng động cơ đẩy (thruster)
như ROVs (Remotely Operated Vehicles) hay AUVs (Autonomous Underwater
Vehicles), robot cá sử dụng sự chuyển động của thân và đuôi một cách linh hoạt để
tạo ra chuyển động và việc tiêu tốn năng lượng sẽ ít hơn so với việc sử dụng động
cơ đẩy. Luận văn của em sẽ nghiên cứu phương pháp điều khiển trên mơ hình robot
cá dạng Carangiform 4 khâu, 3 khớp. Các thành phần lực đẩy, lực cản của nước tác
động lên robot, các quy luật biến đổi góc của các khâu được tính tốn và mơ phỏng
bằng phần mềm Matlab.

Trên cơ sở phương pháp Lagrange, phương trình động động lực học của robot
cá được thiết lập. Sau đó, bộ điều khiển chuyển động theo hướng của robot được
thiết kế dựa trên bộ điều khiển PID. bộ điều khiển này được áp dụng để có thể thay
đổi hay ổn định hướng cho robot khi di chuyển. Nghiên cứu này cũng xem xét ảnh
hưởng của nhiễu do sóng nước tác động vào robot để kiểm nghiệm độ bền vững của
các bộ điều khiển.


iv

ABSTRACT

The research in my composition will be based on the method of control on the
model of FISH ROBOT in the form of Carangiform with 4 links and 3 joints.
Components of propulsive force, barring force of water impacting the robot, as well
as rules of changing angles of phases will be calculated and reproduced by Matlab.
Based on the Method of Lagrange, the movement equation of the robot has been
established. After that, the control set of movement in the direction of the robot has
been designed based on the control set of PID. These control sets have been applied
in order to be able to change or stabilize the direction of the moving robot.

This research also carries out the influence of interference from water waves
impacting the robot in order to test the durability of control sets.


v

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................ ................................ ........ i

LỜI CÁM ƠN ................................................................ ............ ii
TÓM T ẮT LUẬN VĂN ................................ .............................. iii
ABSTRACT ................................ ................................ ............. iv
MỤC LỤC ................................ ................................ ................. v
DANH MỤC CÁC B ẢNG BI ỂU ................................................. vii
DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH................................ .. viii
CHƯƠNG 1 . MỞ ĐẦU ................................ ............................... 1
1.1 Đặt vấn đề ................................ ................................ ........... 1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ................................ ........................ 1
1.3 Mục tiêu của luận văn ................................ ........................... 2
1.4 Nội dung nghiên cứu ................................ ............................. 2
1.5 Phương pháp luận ................................ ................................ . 2
1.6 Nội dung luận văn ................................ ................................ 3
CHƯƠNG 2 . TỔNG QUAN ................................ ......................... 4
2.1 Tổng qu an về nghiên cứu Robot dưới nước .............................. 4
2.2 Tổng qu an tình hình nghiên cứu ................................ ............. 5
2.2.1 Tình hình ngh iên cứu trong nước ................................ ......... 5
2.2.2 Tình hình ngh iên cứu trên thế giới ................................ ....... 6
CHƯƠNG 3 . PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC ROB OT CÁ .............11
3.1 Mơ hình hó a ................................ ................................ ........11


vi

3.2 Tính tốn động lực học cho Robot cá ................................ .....13
CHƯƠNG 4 . THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ................................ ..18
4.1 Sơ đồ kh ối đ iều khiển PID ................................ ....................18
4.2 Lưu đồ giải thuật P ID ................................ ..........................21
CHƯƠNG 5 . KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ................................ ..........22
5.1 Kết q uả mơ phỏng độn g lực học robot ................................ ....22

5.2 Kết q uả mô phỏng bộ điều kh iển PID ................................ .....23
KẾT LUẬN ................................ ................................ ..............24
Kết lu ận ................................ ................................ ...................24
Hướ ng phát triển ................................ ................................ .......24
TÀI LIỆU TH AM KH ẢO ................................ ........................... 25


vii

DANH M ỤC CÁC BẢNG B IỂU
Trang
Bảng 3.1: Các thông số sử dụng ........................................................... 13


viii

DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH
Trang
Hình 2.1: Robot cá của Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật [4] ............................ 5
Hình 2.2: Một số nghiên cứu về robot cá dạng BCF [5] ............................ 6
Hình2.3: Robot cá của National Maritimes Research Institute [6] ............. 7
Hình 2.4: Robot Tuna I – EMIT USA [7] ................................................. 7
Hình 2.5: Robot Tuna II - MIT U.S.A [7].................................................. 8
Hình 2.6: Robot cá của Đại học Essex nước Anh (G8) [8 .......................... 8
Hình 2.7: Robot dạng mực của đại học Osaka [9]...................................... 9
Hình 2.8: Robot dạng knifefish [10] .......................................................... 9
Hình 3.1: Sơ đồ động các khâu của Robot ................................................ 13
Hình 3.2: các lực tác dụng khi robot cá di chuyển ..................................... 14
Hình 3.3: Sơ đồ lực đẩy robot ................................................................. 18
Hình 3.4: Sơ đồ lực qn tính của chất lỏng và lực đẩy tác dụng

lên khâu 3 ................................................................................................. 19
Hình 4.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID .................................................... 22
Hình 4.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID cho robot cá ................................ 22
Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật ...................................................................... 25
Hình 5.1: Sự biến thiên của góc và vận tốc góc các khâu của Robot theo thời
gian. với A1=2.78, A2=0.94, f=0.08, β=0.05*180/pi ................................. 26
Hình 5.2 Đồ thị hướng di chuyển của robot ............................................. 27
Hình 5.3 Đồ thị sai số .............................................................................. 27


1

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, việc xây dựng các mơ hình robot mơ phỏng theo các loại động vật khơng
cịn trở là điều gì xa lạ. Các loại động vật qua q trình tiến hóa có được sự thích
nghi với mơi trường, đặc biệt là ở chức năng vận động. Ở các loài cá cũng vậy. Nhờ
sự chọn lọc thích nghi của mơi trường, khả năng vận động của các lồi cá đạt được
mức tối ưu hóa cao về dáng điệu chuyển động cũng như năng lượng tiêu tốn.
Robot cá có nhiều ưu điểm hơn so với các loại robot hoạt động trong môi trường
nước khác. Cơ chế tạo ra lực đẩy của cá làm tiêu tốn ít năng lượng, ít tạo ra gợn
sóng cho mơi trường xung quanh. Robot cá có thể đạt được vận tốc cũng như gia
tốc lớn. Ngoài ra, phạm vi ứng dụng của robot cá là rất lớn. Ví dụ, chúng ta có thể
sử dụng robot cá trong việc phát hiện rị rỉ hóa chất, dầu, nước…, phát hiện các hư
hỏng trong đường ống ngầm trong môi trường chất lỏng, phát hiện việc xả chất thải
độc hại ra môi trường, không bị hạn chế tầm hoạt động do rác, rong rêu,
bèo…Ngoài ra, chúng ta cịn có thể sử dụng robot cá trong các lĩnh vực thám hiểm
đại dương, lập bản đồ đáy biển, tìm kiếm tài ngun dưới lịng biển, cũng như các
hoạt động đánh bắt cá…Robot cá cịn có thể ứng dụng trong quân sự, cũng như giải
trí.

1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Trong tự nhiên, lồi cá đã có hàng ngàn năm phát triển khả năng bơi uyển chuyển
của chúng. Ví dụ như lồi cá ngừ có khả năng bơi ở tốc độ và hiệu suất cao; cá chó
có thể tăng tốc cực nhanh bằng tốc độ đèn flash và lươn có thể bơi khéo léo trong
phạm vi hẹp. Khả năng bơi đáng kinh ngạc này của loài cá truyền cảm hứng cho các
nhà nghiên cứu khoa học cải thiện hiệu suất của những hệ thống robot do con người
tạo ra và được gọi là robot cá. Môi trường nước luôn là một ẩn số với con người, và
nhu cầu khám phá, thám hiểm nó là vơ cùng quan trọng. Hiểu rõ về môi trường
nước giúp con người trong rất nhiều lĩnh vực như: khai thác dầu mỏ, khai thác thủy


2

hải sản, bảo vệ môi trường biển, quân sự, Việc có một dụng cụ, thiết bị phù hợp để
đáp ứng nhu cầu đó là rất cần thiết, do đó có rất nhiều nghiên cứu chế tạo ra các
thiết bị dưới nước được áp dụng vào thực tế.
1.3 Mục tiêu của luận văn
Phân tích, tính tốn động lực học của robot cá dạng Carangiform có 4 khâu 3 khớp.
Robot cá có phần đầu cố định là 1 khâu còn 2 khớp động được dẫn động bằng động
cơ RC servo và một khớp tĩnh được liên kết với khâu phía trước bằng 2 lị xo xoắn.
Mục đích của việc liên kết bằng 2 lị xo xoắn của khớp tĩnh nhằm mục đích tăng
tính linh hoạt cho khâu đi (tail fin) của robot cá và giúp robot cá có chuyển động
đi nhẹ nhàng tương tự như cá thật trong tự nhiên. Chọn 4 khâu 3 khớp để tạo tạo
ra lực đẩy mạnh và khi bơi sẽ linh hoạt hơn
Tìm hiểu và thiết kế các bộ điều khiển như PID ứng dụng trong điều khiển chuyển
động thẳng và chuyển động thay đổi hướng cho robot cá. Việc điều khiển chuyển
động của robot cá được thực hiện trên mặt phẳng 2D.
1.4 Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu các loại robot cá dạng Carangiform như cá heo, cá ngừ, cá kiếm hiện nay
trên Việt Nam và trên thế giới.

- Tìm hiểu tính tốn phân tích mơ hình động lực học của robot cá.
- Xác định phương án di chuyển của robot cá trong mặt phẳng 2D.
- Tìm hiểu các loại cảm biển dùng cho robot.
- Nghiên cứu tính tốn thiết kế bộ điều khiển cho robot trong mặt phẳng 2D. Thiết
kế 1 số bộ điều khiển cho robot sử dụng 1 số điều khiển như PID để điều khiển
chuyển động cho robot. Viết phương trình Matlab mô phỏng hoạt động cho robot.
1.5 Phương pháp luận
Khi đặt robot cá vào môi trường thực tế và xác định hướng chuyển động đến 1 vị trí
đích bất kỳ nào đó có thể xảy ra trường hợp góc lệch giữa hướng chuyển động của


3

robot và hướng đích đến lệch rất nhiều. Khi đó cần xây dựng các thuật toán cho
robot như: quẹo 1 góc 85o, 75o, 30o, trước khi bắt đầu chuyển động đến đích, điều
đó sẽ giúp cho việc chuyển động theo 1 hướng bất kỳ được tốt hơn.
Trong việc điều khiển này, đề tài sẽ quan tâm đến chuyển động của bộ phận đầu của
robot. Đây chính là bộ phận chính làm thay đổi hướng di chuyển của robot. Tuy
nhiên, để việc thiết kế các bộ điều khiển cho robot cá được tốt, phần nội dung này
sẽ tập trung nghiên cứu phân tích động lực học cho robot cá.
1.6 Nội dung luận văn
Chương 1: Mở đầu
Chương 2 : Tổng quan về robot cá
Chương 3: Phân tích động học cho robot cá
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển
Chương 5: Mô phỏng
Kết luận
Tài liệu tham khảo

4

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về nghiên cứu Robot dưới nước
Những năm gần đây, các nghiên cứu ứng dụng của phương tiện tự hành dưới nước
AUVs (Autonomous Underwater Vehicles), phương tiện không người lái UUVs
(Unmanned Undersea Vehicles) hay phương tiện bán tự động dưới nước ROVs
(Remotely Operated Vehicles) có bước phát triển vượt bậc. Lịch sử phát triển của
các phương tiện này gắn liện với các nghiên cứu về cơ chể phát sinh lực đẩy trong
môi trường nước.Cánh quạt (propeller) hay áp lực khí được sử dụng cho AUVs đầu
tiên và được ứng dụng trong quân sự. Stan Murphy, Bob Francois và sau đó là
Terry Ewart ở phịng thí nghiệm vật lý ứng dụng (Applied Physics Laboratory) của
đại học Washington bắt đầu phát triển AUVs thực sự đầu tiên vào cuối những năm
1950. Thiết bị này còn được gọi là SPURV (The Self Propelled Underwater
Research Vehicle). SPURV I hoạt động được vào những năm đầu 1960 và tham gia
các hoạt động nghiên cứu vào giữa thập niên 70. Thiết bị này nặng 480kg, đạt tốc
độ 2.2m/s và có thể làm việc 5.5 giờ ở độ sâu 3km. Naval Ocean System Center,
nay là SPAWAR bắt đầu phát triển AUSS (Advanced Unmanned Search System)
trong năm 1973 và đến năm 1983 phương tiện này được trình diễn, AUSS nặng 907
kg, mang theo 2kwh điện bằng pin silver zinc [1]. Trong các năm 90, các nghiên
cứu về AUVs lại được nhen nhóm trở lại. Học viện công nghệ MIT đã phát triển 6
phương tiện Odyssey. Với khối lượng 160kg, nó có thể đạt vận tốc 1.5m/s thời gian
hoạt động 6 giờ. Nó hoạt động dưới băng trong năm 1994 và cũng được sử dụng để
hỗ trợ các hoạt động thực nghiệm trong thời gian nay [2]. Các nghiên cứu về
phương tiện tự hành được phát triển mạnh trong quân sự. Công ty công nghệ tầu
ngầm quốc gia đã phát triển Theseus – phương tiện cho bộ quốc phòng của Mỹ và
Canada. Theseus nặng 8600kg, đạt tốc độ 2m/s, thời gian hoạt động 100 giờ ở 1km
độ sâu [3]. Các thiết bị tự hành dưới nước (AUVs) đẩy nhờ cánh quát có một số
nhược điểm là độ linh hoạt của robot không cao, tiêu tốn nhiều năng lượng. Một

5

hướng nghiên cứu khác tạo ra lực đẩy dựa vào cơ chể đẩy của các lồi cá, đó là các
nghiên cứu phỏng sinh học. Như chúng ta biết, các loài cá sử dụng sử biến đổi uyển
chuyển thân, các vây, đuôi để để di chuyển cơ thể một cách linh hoạt. Dựa vào các
đặc điểm này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các robot “bắt chước” theo các loài
cá thật trong tự nhiên. Các robot này còn được gọi là các robot phỏng sinh học.Các
loài cá trải qua quá trình tiến hóa, chức năng vận động cũng hồn thiện hơn, thích
nghi với điều kiện của mơi trường sống.
2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu
2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ngày 16/12/2009, Sở Khoa học - Công nghệ TPHCM đã nghiệm thu đề tài “Nghiên
cứu, thiết kế, hiện thực robot cá trong hồ bơi điều khiển bằng sóng vơ tuyến” của kỹ
sư Phạm Tiến Trung, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, và các cộng sự. Đây
được xem là rôbôt cá đầu tiên ở Việt Nam.

Hình 2.1: Robot cá của Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật [4]
Robot cá có kích thước khoảng 35 cm x 70 cm x 110 cm, nặng 600 g, được điều
khiển từ xa bằng sóng vơ tuyến. Nó có thể bơi trong hồ bơi (mơi trường nước trong
và tĩnh) gần giống với cá thật, với tốc độ bơi khoảng 0,6 m mỗi giây, ở độ sâu tối đa
khoảng 2 m, đồng thời thực hiện các động tác bơi lên, lặn xuống, chuyển hướng
một cách nhịp nhàng.


6

Tuy nhiên, robot cá vẫn còn một số nhược điểm như: các khớp nối chưa thật tối ưu,
làm hạn chế khả năng bơi uyển chuyển, bơi lên và bơi xuống chưa nhanh. Khả năng
bơi xuống độ sâu còn hạn chế do sóng vơ tuyến chưa đủ đáp ứng. Khi cá bơi xuống

sâu, camera khơng thể truyền tín hiệu được.
2.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Ở nước ngồi, việc nghiên cứu và ứng dụng robôt mô phỏng sinh học, đặc biệt là
robơt cá bắt đầu từ rất lâu và có những bước tiến mạnh mẽ. Có thể phân loại các
loại cá theo cơ chế đẩy: Loại một dựa trên sự thay đổi hình dạng của phần thân và
đi để tạo ra lực đẩy (BCF - body and/or caudal fin). Loại thứ hai là dạng mở rộng
của cánh đẩy dựa trên cơ sở sự tạo các dải gợn song của vây lưng và/ hoặc vây hông
(MPF- median and/or paired fin). Ta hãy điểm qua một số mẫu rôbôt cá tiêu biểu
sau:
Theo dạng BCF:

Hình 2.2: Một số nghiên cứu về robot cá dạng BCF [5]


7

Robot cá của National Maritimes Research Institute (PPF-09)

Hình 2.3: Robot cá của National Maritimes Research Institute [6]
Các thông số kỹ thuật:
+ Robot có 2 khớp điều khiển chuyển động bơi và có thể bơi lên, lặn xuống.
+ Được điều khiển bởi bộ điều khiển Fubuta 4 kênh.
+ Robot được làm bằng gỗ.
+ Tốc độ bơi tối đa 0.9m/s, lặn được tối đa 1m, bán kính quẹo 0.4m.Robot cá PPF09 chỉ có thể hoạt động điều khiển bằng tay, khơng tích hợp bất kỳ cảm biến nào.
Hoạt động của robot không uyển chuyển do chỉ có 2 khớp tạo chuyển động bơi.
 Robot Tuna I là dự án của học viện công nghệ Massachusetts [6], được bắt đầu
năm 1993. Mục tiêu của dự án nhằm phát triển cơ chế đẩy của phương tiện tự hành
dưới nước. Tốc độ đạt được của robot có thể đạt được là 74km/h.

Hình 2.4: Robot Tuna I – EMIT USA [7]

8

Hình 2.5: Robot Tuna II - MIT U.S.A [7]
Sau Tuna I, MIT phát triển tiếp phiên bản thứ 2. Robot Tuna II có 8 đốt sống, sử
dụng hệ thống các gân và cơ để tạo ta dáng điệu của phần đi, nhờ vậy nó đó được
sự linh hoạt và mền mại trong di chuyển.
 Robot cá của Đại học Essex nước Anh (G8):

Hình 2.6: Robot cá của Đại học Essex nước Anh (G8) [8]
Các thông số kỹ thuật:
+ Đây là robot phiên bản thứ 8 của Đại học Essen, từ G1 – 2005 đến G8,G9 năm
2005.
+ Robot có 3 khớp điều khiển chuyển động bơi. Có thể bơi lên lặn xuống.
+ Là robot tự hành trong nước.
+Chiều dài thân cá 50cm, trọng lượng 3 kg.
+ Có thể nói đây là 1 trong các mẫu robot cá thành công trên thế giới. Tuy nhiên giá
thành robot quá cao và vẫn còn mang tính nghiên cứu là chủ yếu.


9

Theo dạng MPF:
Y. Yoda - đại học Osaka – Nhật Bản [9] đã phát triển robot mực ống, di chuyển nhờ
hai dải vây hai bên.

Hình 2.7: Robot dạng mực của đại học Osaka [9]
Low và Willy [10] của đại học Naynang – Sigapore [NTU] đã phát triển robot dao
“knifefish”.

Hình 2.8: Robot dạng knifefish [10]


10

Bộ điều khiển: Có nhiều phương pháp điều khiển được áp dụng để điều khiển hoạt
động của robot cá từ đơn giản đến phức tạp như:
+ Điều khiển từ xa thơng qua sóng vơ tuyến
+ Robot cá tự hành, được gắn thêm hệ thống cảm biến để tránh vật cản.
+ Robot cá tự hành được gắn thêm la bàn, cảm biến định vị để xác định vị trí
Trong thời gian gần, một phương pháp mơ hình hóa bài tốn động lực học khác
được thực hiện dựa trên phương trình Lagrange bởi Motomu Nakashima [11].
Trong đó, các thành phần lực đẩy, lực cản nước được xây dựng tường minh.
Phương trình mơ tả động lực học của robot cá hai khớp được thiết lập, đây là một
nghiên cứu riêng về cơ chể tạo lực đẩy bằng điều khiển tự kích thích. Dựa trên cơ
sở phương pháp mơ hình hóa động lực học của Motomu, nhiều nghiên cứu cũng
được mở rộng. Tiến sĩ Võ Tường Qn và cộng sự phát triển mơ hình robot dạng
Carangiform 3 khớp. SMC và FSMC được áp dụng để tracking và thay đổi hướng
của robot [12]. Dựa trên cơ sở chuyển động của cá thật, Koichi Hirata đã đưa ra các
mode để robot có thể thay đổi hướng, các mode này được chứng minh bằng kết quả
thực nghiệm [13]. Đây cũng là cơ sở cho các nghiên cứu sau này phát triển bằng cơ
chế thay đổi hướng trên robot.
Luận văn này tôi chỉ nghiên cứu các nội dung: mơ hình tốn robot cá 4 khâu, 3
khớp, đề xuất bộ điều khiển cho robot cá bơi theo hướng định trước và kiểm tra bộ
điều khiển thông qua công cụ mô phỏng matlab.


11

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT CÁ
3.1 Mô hình hóa
Các giả thuyết về mơ hình Robot cá
-

Robot cá có hai phần: phần đầu và phần thân.

-

Phần thân gồm 4 khâu, 3 khớp.

-

Các khâu, đầu cá cứng hoàn toàn.

-

Các động cơ RC được gắn ở các khớp trừ khớp cuối cùng liên kết với đi được
gắn lị xo.
Y

Khâu 2

Khâu 3
l3

Khâu 1

Khâu 0

l2
l1

m 2(x2, y2)

3

l0

τ1
m0(x0, y0)

m3(x3, y3) l

1 m (x y )
1 1, 1

0
0

2

τ2
l
l

Hình 3.1: Sơ đồ động các khâu của robot cá

X

12

Hình 3.2: Các lực tác dụng khi robot cá di chuyển
Bảng 3.1: Các thông số sử dụng
Các ký hiệu được sử dụng

Chú thích

k1, k2, k3, c1, c2

Độ cứng tương đương của lò xo và độ
giảm chấn ở các khớp

θ0 , θ1 , θ2 , θ3

Góc tuyệt đối của các khâu

T1 , T 2

Momen động cơ RC đặt vào các khớp 1, 2

m 0, m1, m2, m 3, I0, I1, I2, I3

Lần lượt là khối lượng và momen quán
tính tại trọng tâm các khâu

l0, l1, l2, l3

Chiều dài các khâu

a0, a1, a2, a3

Khoảng cách từ khớp thứ i đến trọng tâm
khâu i

2C, L

Chiều dài, cao của vây đi.

S

Diện tích phần thân – vng góc với dịng
chảy


13

ρ

Tỷ trọng của nước

u

Vận tốc tương đối so với m0 theo phương
y

U

Vận tốc tuyệt đối của trọng tâm của đuôi

Um

Vận tốc dòng chảy

xG, vG

Quãng đường và vận tốc Robot theo
phương trục x
Hệ số phụ thuộc vào hình dạng Robot

CD

3.2 Tính toán động lực học cho Robot cá
Thế năng: K0, K1, K2, K3 = 0
Động năng của các khâu: P0, P1, P2, P3
Khâu 0

 x0  l0 sin  0
 x0  l0 cos  0




 y0  l0 sin  0
 y0  l0 0 cos  0

P0 

1

1
1
1
2
m0 v0  i0 w2  m0 l02 02  i0 02
2
2
2
2

(3.1)

Khâu 1:
 x1  l0 cos 0  l1 cos( 0  1 )

 y1  l0 sin  0  l1 sin( 0  1 )
P
1

 
 x1  l00 sin  0 - l1 ( 0  1 ) sin( 0  1 )



 y1  l0 0 cos  0 + l1 ( 0  1 ) cos( 0  1 )


1
1
2

2
m1  l0 0   l12  0  1   2l0l1 0  0  1  cos 1  i112
2
2

(3.2)


14

Khâu 2:
 x2  l0 cos 0  l1 cos( 0  1 )  l2 cos( 0  1   2 )

 y2  l0 sin  0  l1 sin( 0  1 )  l2 sin( 0  1   2 )


 x2  l0 0 sin  0 - l1 (0  1 ) sin( 0  1 )  l2 ( 0  1  2 ) sin( 0  1   2 )




 
 y2  l0  0 cos  0 + l1 (0  1 ) cos( 0  1 )  l 2 (0  1   0  2 ) cos( 0  1   2 )


 l  2 2  l 2    2  l      2 



  

1
0
1
2
0
1
2
 0 0

 2l  l    cos   2l 2    x


 
 1  1 0 1
 0 01 0 1
 1i 2

p2 
 l      cos   2l  l      x  2 2 2



 2 0 0 2 0 1 2 
2 0 1 2


 
 cos  0   2


































(3.3)



Khâu 3:
 x3  l0 cos 0  l1 cos( 0  1 )  l2 cos( 0  1   2 )  l3 cos( 0  1   2   3 )

 y3  l0 sin  0  l1 sin( 0  1 )  l 2 sin( 0  1   2 )  l3 sin( 0  1   2  3 )



 x3  l0 0 sin  0 - l1 ( 0  1 ) sin( 0  1 )  l2 (0  1  2 ) sin( 0  1   2 )


   
 l3 ( 0  1   2   3 ) sin( 0  1   2   3 )



 

 y3  l0  0 cos  0 + l1 (0  1 ) cos( 0  1 )  l 2 (0  1   2 ) cos( 0  1   2 )
 l (       ) cos(       )
  
0
1
2
3
 3 0 1 2 3

  l  2 2  l 2    2  l 2      2 

 
  
1
0
1
2
0
1
2
 0 0

 2     2

2 
 
 l3  0  1   2  3  2l0  0l1  0  1 cos 1  

 2

  

1  2l0  0l2  0  1   2 cos  1   2   2l1 0  1 x
 1
p3  m3 
  2 i33
2 
2

  
   
l2  0  1   2 cos  2   2l0  0l3  0  1   2   3 x





  
 cos 1   2   3   2l1 0  1 l3 0  1   2  3 x




 
   
 cos  2   3  2l2  0  1 l3  0  1   2   3 cos  3  



























 

 













(3.4)


15

2
1
1
2
m 1  l 0 0   l12 0  1  2 l 0 l1 0 0  1 cos  1  i1 12 
2
2
2
2
2
 l  2  l 2     l     


1
0
1
2
0
1
2
 0 0

 2 l  l    cos   2 l 2    x

 1 1 0 1

1
 0 01 0
  1 i  2
m2
2 2


l 2 0  1  2 cos  2   2 l 00 l 2 0  1  2 x  2



 cos  0  2



2
2
2
 l  2  l 2     l 2     


1
0
1
2
0
1
2
 0 0


2
 2 

2 





 l 3  0   1   2   3  2 l 0  0 l1  0   1 cos  1  

 2

 2 l 0  0 l 2 0  1  2 co s    1   2   2 l1 0  1 x
 1
m3 
  2 i3 3
2
 l 2 0  1  2 cos  2   2 l 0 0 l 3 0  1  2  3 x



 cos  1   2   3   2 l1 0  1 l 3 0  1  2  3 x



 cos   2  3  2 l 2 0  1 l3 0  1  2  3 cos  3  





L





1
2







































1
2




































 
 








 Ứng dụng phương trình lagrange
d L L



dt  

 : Lực bao gồm momen của các động cơ và momen gây ra bởi các thanh phần
lực đẩy FF và FC
 Phân tích chuyển động của đi robot

Hình 3.5: Sơ đồ lực đẩy tác dụng lên khâu 3

[11]