Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt ( đính kèm full tệp)

v


























BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG
ĐA HƯỚNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HÙNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013

vi




vii


viii

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM



Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN HÙNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm ……

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

1. ……………………………………………………………
2. ……………………………………………………………
3. ……………………………………………………………
4. ……………………………………………………………
5. ……………………………………………………………

ix

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

x

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày … tháng … năm …….
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 19/4/1977 Nơi sinh: TP.HCM
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ điện tử MSHV: 1241840020
I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƯỚNG
DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ của đề tài:
- Xây dựng mô hình động học và mô hình động lực học của robot di động đa
hướng ba bánh (OMR).
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt tích phân cho Robot di động đa
hướng ba bánh (OMR).
- Tìm hiểu xử lý ảnh OpenCV, kít nhúng Raspberry Pi và lập trình xử lý Pic.
- Mô phỏng Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu bộ điều khiển sử dụng
Matlab M-file cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR).
2. Nội dung của đề tài:
xi

Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Mô hình toán
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân
Chương 5: Mô phỏng và thực nghiệm
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/6/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2013
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HÙNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
xii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tôi 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
(Ký và ghi rõ họ tên)



Nguyễn Thành Trung

xiii




LỜI CÁM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài
tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, tôi đã nhận được rất
nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ Thầy, Cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.
Tôi chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Cơ - Điện - Điện Tử, quý Thầy, Cô
Phòng Quản Lý Khoa Học – Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Công Nghệ
TP.HCM đã hướng dẫn giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS.
Nguyễn Hùng, người đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện
luận văn.
Cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài
nghiên cứu, gia đình và người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian
thực hiện nghiên cứu này.
Trân trọng.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng … năm ……
Người thực hiện luận văn


xiv

Nguyễn Thành Trung
xv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC CÁC HÌNH . ix
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1
1 Đặt vấn đề 1
2 Tính cấp thiết của tài 1
3 Phạm vi nghiêng cứu 2
4 Phương pháp nghiên cứu 2
5 Nội dung nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 3
1.1 Tổng quan 4
1.2 Sơ lược quá trình phát triển 4
1.3 Phân loại Robot tự hành 8
1.4 Tóm tắt các công trình nghiên cứu liên quan 11
1.5 Nhận xét chung và hướng tiếp cận 27
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28
2.1 Giới thiệu phương pháp Lyapunov 28
2.2 Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov 28
2.3 Lý thuyết điều khiển trượt 30

2.3.1 Giới thiệu chung 30
2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt 32
2.4 Cơ bản về xử lý ảnh số 34
2.4.1 Giới thiệu về hệ thống xử lý ảnh 34
2.4.2 Các khái niệm cơ bản xử lý ảnh 36
2.5 Nhận dạng khuôn mặt với thuật toán ADABOOST 40
2.5.1 Ảnh tích phân ( Integral Image) 41
2.5.2 Các hàm học phân loại 42
2.5.3 Chuỗi phân loại tập trung (Attentional Cascade) 44
xvi

2.5.4 Huấn luyện một chuỗi phát hiện .45
2.6 Thư viện xử lý ảnh OpenCV của Intel 45
2.6.1 Giới thiệu 45
2.6.2 Các thành phần chức năng của OpenCv 46
2.6.3 Cấu trúc ảnh IplImage 46
2.6.4 Các hàm dùng trong luận văn 48
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN 51
3.1 Cấu trúc hình học của Robot di động đa hướng 51
3.2 Mô hình toán Robot di động đa hướng (OMR) 52
3.2.1 Mô hình động học 52
3.2.2 Mô hình động lực học 53
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TÍCH PHÂN 56
4.1 Dẫn nhập 56
4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân (ISMC) cho OMR 56
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG & THỰC NGHIỆM 60
5.1 Kết quả mô phỏng 60
5.2 Kết luận 66
5.3 Mô hình thực nghiệm 66
5.3.1 Kít nhúng Pi 66

5.3.2 Mục tiêu xử lý ảnh bằng OpenCV 67
5.3.3 Giải thuật về xử lý ảnh sử dụng kít nhúng Raspberry Pi 68
5.3.4 Sơ đồ khối phần cứng 68
5.3.5 Lưu đồ giải thuật kit nhúng Raspberry Pi và board điều khiển Pic 69
5.3.6 Mô hình thực nghiệm 69
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 75
6.1 Những kết quả đạt được 75
6.2 Hướng phát triển của đề tài 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
PHỤ LỤC 78



vii



DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

OMR : Robot di động đa hướng (omnidirectional mobile robot)
ISMC : Điều khiển trượt tích phân ( Integral Sliding Mode Control)
OMS-SOW : Robot di động đa hướng có bánh xe đa hướng (Omnidirectional
Mobile Robot - Steerable Omnidirectional Wheels)
4WD : Bốn bánh xe có lái (Four Wheet Drive)
BELBIC : Bộ điều khiển thông minh dựa trên khả năng tư duy cảm xúc (Brain
Emotional Learning Bared Intelligent Controller)
DOF : Bậc tự do (degree of freedom)
KC : Điều khiển động học (kinematic controller)
SMC : Điều khiển kiểu trượt (sliding mode control).

viii



DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot. 5
Bảng 1.2: Ký hiệu của các loại bánh xe . 9
Bảng 1.3: Các cách bố trí bánh xe của Robot . 9
Bảng 5.1: Giá trị các thông số mô hình của OMR. 60
Bảng 5.2: Các giá trị thông số mô phỏng ban đầu. 61


9



DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Robot di động đa hướng 11
Hình 1.2: Các hệ tọa độ và thông số cho bánh xe đa hướng . 12
Hình 1.3: Cấu trúc của OmniKity . 12
Hình 1.4: OmniKity II . 13
Hình 1.5: Thuật toán xác định vị trí cho Robot . 13
Hình 1.6: Kết quả thực nghiệm ngõ ra hệ mờ của Robot. 13
Hình 1.7: Kết quả điều khiển bám theo hướng banh của Robot . 13
Hình 1.8: Mô tả hình học cho OMR-SOW. 14
Hình 1.9: Kết quả thực nghiệm bám theo đường tròn. 14
Hình 1.10: Tọa độ tuyến tính 15
Hình 1.11: Định nghĩa vận tốc cho khối lượng . 15
Hình 1.12: Góc nghiên 15

Hình 1.13: Vận tốc theo phương x. 16
Hình 1.14: Góc nghiên . 16
Hình 1.15: Góc nghiên . 16
Hình 1.16: Các sai số khi rô bốt bám đường thẳng . 17
Hình 1.17: Robot đa hướng 4 bánh . 18
Hình 1.18: Bánh xe vô hướng . 19
Hình 1.19: Phân tích lực tác động lên Robot. 19
Hình 1.20: Truyền động cho 4WD. 20
Hình 1.21: Di chuyển đa hướng lực và cơ chế 4WD 20
Hình 1.22: Mô hình 3D nhìn từ bên dưới 20
Hình 1.23: Robot khi leo mặt phẳng nghiêng. 21
Hình 1.24: Robot đa hướng 3 bánh dùng để chơi đá banh 21
Hình 1.25: Hệ thống điều khiển cho Robot 22
Hình 1.26: Mô hình hình học của Robot 22
Hình 1.27: Sơ đồ điều khiển 22
Hình 1.28: Chuyển động của Robot theo đường công kín 23
Hình 1.29: Tốc độ của động cơ khi không có BELBIC và có BELBIC 23
Hình 1.30: Robot bám theo đường thẳng 24
Hình 1.31: Robot bám theo đường cong 24
10



Hình 1.32: Cấu hình cho mô hình hình học của các OMP 25
Hình 1.33: Vector sai số vị trí tại thời điểm ban đầu 25
Hình 1.34: Vector sai số vị trí toàn thời gian 26
Hình 1.35: Vận tốc tuyến tính của OMP 26
Hình 1.36: Sự di chuyển của OMP lúc ban đầu 26
Hình 2.1: Minh họa hàm Lyapunov 29
Hình 2.2: Ví dụ minh họa định lý Lyapunov 29

Hình 2.3: Các hệ thống có điều khiển trượt 31
Hình 2.4: Hình chiếu quỹ đạo pha 31
Hình 2.5: Biểu diễn hình chiếu của quỹ đạo pha 33
Hình 2.6: Hiện tượng dao động (Charttering) 34
Hình 2.7: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 34
Hình 2.8: Biểu diễn ảnh bằng pixel trong ảnh đơn sắc 36
Hình 2.9: Thang màu xám 37
Hình 2.10: Chia ảnh màu RBG thành các kênh màu và ảnh xám 38
Hình 2.11: Một số mẫu dương dùng trong việc phát hiện khuôn mặt 38
Hình 2.12: Một số mẫu âm dùng trong việc phát hiện khuôn mặt 38
Hình 2.13: Ảnh trước và sau khi cân bằng histogram 39
Hình 2.14: Dạng thuộc tính Haar-like 40
Hình 2.15: Thuật toán tính ảnh tích phân 41
Hình 2.16: Hai thuộc tính đầu tiên được lựa chọn trong thuật toán AdaBoost 43
Hình 2.17: Sơ đồ của chuỗi phát hiện 44
Hình 2.18: Một phần tập mẫu các khuôn mặt 45
Hình 3.1: Cấu trúc hình học của OMR 51
Hình 4.1: Mô tả hình học Vector sai số e
p
.

56
Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật điều khiển trượt tích phân ISMC 59
Hình 5.1: Quỹ đạo tham chiếu là đường cong 61
Hình 5.2: Quỹ đạo chuyển động của robot


62
Hình.5.3: Vector sai số vị trí ep tại thời điểm ban đầu

62
Hình.5.4: Vector sai số vị trí ep toàn thời gian

63
Hình 5.5: Vector sai số vận tốc ev ban đầu 63
Hình 5.6: Vector sai số vận tốc ev toàn thời gian 64
11



Hình 5.7: Vận tốc gốc của OMR 64
Hình 5.8: Vector mặt trượt ban đầu 65
Hình 5.9 : Vector mặt trượt toàn thời gian 65
Hình 5.10 : Kít nhúng raspberry Pi 66
Hình 5.11 : Bảng thông số kít nhúng 67
Hình 5.12 : Xác định vùng ảnh cần xử lý 67
Hình 5.13 : Giải thuật xử lý ảnh 68
Hình 5.14 : Sơ đồ khối phần cứng 68
Hình 5.15 : Lưu đồ giải thuật điều khiển Robot 69
Hình 5.16 : Mô hình Robot đa hướng 69
Hình 5.17 : Mạch giao tiếp RS232 70
Hình 5.18 : Sơ đồ chân chuẩn RS-232 là DB-9 70
Hình 5.19 : Sơ đồ chân Pic 18F4331 71
Hình 5.20 : Cấu trúc bên trong của PIC 18F4431 72
Hình 5.21 : Sơ đồ mạch điều khiển Pic 73
Hình 5.22 : Mạch công suất điều khiển động cơ 74
12

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1 Đặt vấn đề
Khoa học và công nghệ có vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất
nước, là thước đo và là động lực phát triển của mỗi quốc gia.
Ngày nay khoa học kỹ thuật và công nghệ đang phát triển với tốc độ khá nhanh chóng, mang lại
những lợi ích to lớn cho con người về tất cả mọi phương diện, tinh thần vật chất, đồng thời đưa máy móc
vào thay thế cho lao động tay chân.
Trên con đường tiến tới công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì vấn đề phát triển khoa học kỹ
thuật cao là mấu chốt hàng đầu với công nghệ CNC (Computer Numerical Control), thủy lực, cơ điện tử, cơ
khí…
Với xu hướng giảm tối thiểu sức người và tăng năng suất lao động đòi hỏi phải có nhiều trang thiết
bị, nhiều dây chuyền tự động hóa, dùng sức máy móc thay thế sức người…
Để đáp ứng nhu cầu này, chắc chắn cần phải nghiên cứu phát triển các thiết bị tự động để phục vụ
cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp… Trong đó Robot là một lĩnh vực mới mà ở nước ta
đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất
lao động. Việc nghiên cứu và chế tạo Robot nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế của các dây chuyền sản
xuất là rất cần thiết .
Việc xây dựng các chương trình hoạt động cho các Robot là điều thiết yếu đặc biệt đối với các
Robot di động. Bài toán Robot di động bằng bánh xe (Ominidirectional Mobile Robot – OMR) được sự
quan tâm lớn của nhiều người trong những năm gần đây, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
khác nhau như công nghiệp, nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ … do khả năng di chuyển linh hoạt.
2 Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ Robot là một ngành khoa học tổng hợp đòi hỏi nhiều kiến thức của nhiều ngành khác
liên quan như : Toán học, Cơ khí, Điều khiển tự động, Tin học, trong đó lĩnh vực Cơ điện tử là một trong
những ngành học đóng vai trò quan trọng, là động lực thúc đẩy sự phát triển về Robot.
Khác với loại Robot di động sử dụng bánh truyền thống, Robot di động sử dụng bánh đa hướng (gọi
tắt là Robot di động đa hướng) có những ưu điểm vượt trội như : khả năng thay đổi vị trí và định hướng
linh hoạt, độ chính xác cao , bởi vì chúng có khả năng dịch chuyển và quay đồng thời hoặc độc lập, vì vậy
Robot di động đa hướng đã thu hút được nhiều sự chú ý hơn.
Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động của OMR, vấn đề bám quỹ đạo và tác động nhanh là rất cần

thiết. Có nhiều phương pháp điều khiển Robot như phương pháp điều khiển trượt (SMC: Sliding Mode
Control), phương pháp này có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng xảy ra hiện tượng rung (chattering) do
tín hiệu điều khiển không liên tục, sự rung này làm tổn thất nhiệt trong các thiết bị điện, gây dao động cho
thiết bị cơ học và làm hỏng chúng.
Trong những năm gần đây một ngành khoa học mới đã được hình thành và phát triển mạnh mẽ đó
là điều khiển logic mờ mà công cụ toán học của nó chính là lý thuyết tập mờ của Jadeh. Ưu điểm của điều
khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không
13



cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác. Điều này thực sự hữu dụng cho các đối tượng
phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền. Với bộ điều khiển trượt, hiện tượng chattering được hạn chế tối
đa.
Vì các lý do trên, tôi đã chọn đề tài “Điều khiển bám cho Robot di động đa hướng dùng bộ điều
khiển trượt ” để làm đề tài nghiên cứu và ứng dụng Matlab để kiểm chứng giải thuật điều khiển đưa ra.
3. Phạm vi nghiêng cứu :
-Ứng dụng lý thuyết về động học và động lực học, phương pháp điều khiển trượt, xử lý ảnh
OpenCV.
- Lập trình nhúng trên kít Raspberry Pi kết hợp với lập trình xử lý Pic điều khiển Robot đa hướng
theo quỹ đạo tham số cho trước.
4. Phương pháp nghiên cứu :
-Nghiên cứu lý thuyết về động học và động lực học, phương pháp điều khiển trượt, xử lý ảnh
OpenCV, kít nhúng Raspberry Pi và lập trình xử lý Pic.
-Xây dựng giải thuật điều khiển như nhận dạng đối tượng, xác định vị trí đối tượng, bám đối tượng.
-Kiểm chứng thực nghiệm bằng việc xây dựng mô hình mobile robot với 01 camera trên kít nhúng
Raspberry Pi và điều khiển xử lý Pic.
5. Nội dung nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình động học và mô hình động lực học của Robot di động đa hướng ba bánh
(OMR).

- Nghiên cứu thiết kế phương pháp điều khiển trượt tích phân cho Robot di động đa hướng ba
bánh (OMR), bám theo quỹ đạo.
- Mô phỏng Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu bộ điều khiển sử dụng Matlab M-file cho Robot di
động đa hướng ba bánh (OMR).
- Thực hiện mô hình thực nghiệm Robot đa hướng 3 bánh để kiểm chứng giải thuật điều khiển.





CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Tổng quan
Ngày nay, công nghệ Robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công nghiệp.
Những cánh tay Robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng suất lao động
14



tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt
nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính
xác cao. Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc. Không
gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại, các Robot tự
hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt hơn.
Robot tự hành là loại Robot di động có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần
sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung
quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng
dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người. Với sự phát triển của ngành Robot học, Robot tự hành
ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có
nhiều loại khác nhau như Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ, Robot thám hiểm đại dương, Robot làm

việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục đưa ra những
thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.
1.2 Sơ lược quá trình phát triển
Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những
Robot xuất hiện lần đầu tiên trên sân khấu ở NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal
Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ Robot là cách gọi tắt của từ
Robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Những Robot thực sự có ích được nghiên cứu để
đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy.
Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa
đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là
những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay
máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả
đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển.
Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot:
Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ chế tạo Robot và
những tác động của khoa học cũng như xã hội đối với từng thời kỳ
Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot
Mốc thời
gian
Nghiên cứu và
phát triển
Ứng dụng trong công
nghiệp
Kỹ thuật hỗ trợ
Các yếu tố ảnh
hưởng
1920
Khái niệm Robot xuất
hiện trong tiểu thuyết

1940
Phát minh ra cánh tay



15



máy
1950
Phát sinh khái niệm
Robot thông minh

Giới thiệu về bộ nhớ
vòng

1960
Giới thiệu Robot điều
khiển bằng máy tính.
Hoạt động nghiên cứu
được tăng cường.
Phát triển Robot
trong công nghiệp.
Ứng dụng Robot ở
NASA và NAVY.
Máy tính dùng
transitor.

Giới thiệu vi xử lý.

1970
Robot có trí thông
minh nhân tạo.
Sự bùng nổ lần đầu
tiên của Robot
Phát triển vi xử lý
Sự hạn chế của
nền kinh tế.
1980
Chế tạo ra Robot để
dùng trong những việc
nguy hiểm (1983)
Robot công nghiệp
được ứng dụng rộng
rãi
Kỹ thuật số và kỹ
thuật quang phát
triển.
Nhu cầu tăng
cường lao động.
1990

Giới thiệu về Robot
thông minh trong sản
xuất.
Điều khiển logic.
Nghiên cứu về Robot
trí thông minh nhân

tạo.
Robot gây nên
thất nghiệp.

2000

Robot giống con
người
Các tiến bộ về cơ khí

2001
Bắt đầu dự án Swarm-
bots. Swram-bots gồm
nhiều Robot nhỏ hợp
lại để thực hiện một
nhiệm vụ chung.



2002
Xuất hiện Robot tự dò
đường Roomba.
Phục vụ cho việc lau
chùi nhà cửa.


2003
Robot quét dọn tại các
bệnh viện, cao ốc và
các trung tâm thương

mại phát triển mạnh.

Robot hoạt động
hoàn toàn tự chủ, xử
dụng một hệ thống
cảm biến để tránh
chướng ngại vật.
Công ty Axxon
Robotics mua
lại Intellibot
2004
Robot đồ chơi
Robosapien được
Mark Tilden thiết kế và
bán ra thị trường.
Trong “Dự án
Centibots” 100 Robot
độc lập làm việc với
nhau để thực hiện
một bản đồ của một
môi trường không rõ
và tìm kiếm các đối
tượng trong môi


16



trường đó.

2005
Boston Dynamics tạo
ra một Robot thú bốn
chân.
Robot di chuyển bằng
chân được ứng dụng
để mang vật nặng
trên địa hình xe cộ di
chuyển khó khăn.


2006
Talon-Sword, các
Robot thương mại đầu
tiên với súng phóng
lựu và các tùy chọn vũ
khí tích hợp khác được
phát hành.
Robot Honda Asimo có
khả năng học chạy và
leo lên cầu thang.
Ứng dụng Robot
trong lĩnh vực quân
sự được phát triển
mạnh.


2007
Hàng loạt Robot được
chế tạo ra để ứng

dụng trong sinh hoạt,
bệnh viện và quân sự
Ví dụ : Kiva, Speci-
Minder , Tug



2008
Boston Dynamics phát
hành đoạn phim video
của một thế hệ mới
BigDog
BigDog có thể đi trên
địa hình băng giá và
phục hồi sự cân bằng
của nó trên mặt nước
đá.


2010
Nhật Bản chế tạo
Robot cứu hộ QUINCE.
Quince có thể tìm
kiếm người sống sót
trong đống đổ nát và
cung cấp nước, thực
phẩm hoặc điện thoại
di động vào khu vực
xảy ra thiên tai.

Tình hình thiên
tai, động đất
xảy ra thường
xuyên tại Nhật.
1.3 Phân loại Robot tự hành
Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là :
* Loại Robot tự hành chuyển động bằng chân
17



* Loại Robot tự hành chuyển động bằng bánh.
Ngoài ra một số loại Robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên
không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng.
Robot tự hành di chuyển bằng chân ( Legged rô bốt ): Ưu điểm lớn nhất của loại Robot này là có
thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như
hố, vết nứt sâu. Nhược điểm của Robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp. Chân Robot là kết cấu
nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của Robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển.
Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của Robot. Robot loại
này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao. Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo
các loài động vật vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn.
Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot) bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng
rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý
nhiều trong Robot di chuyển bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên
kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được. Khi Robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta
phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Vấn đề của robot loại
này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động gồm có các loại bánh xe cơ bản được sử
dụng trong Robot tự hành:
* Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc.
* Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.

* Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm
tiếp xúc.
Bảng 1.2 Ký hiệu của các loại bánh xe
Ký hiệu các loại bánh xe




Bánh đa hướng không truyền động.



Bánh truyền động Swedish (đa hướng).



Bánh quay tự do tiêu chuẩn.



Bánh truyền động tiêu chuẩn.



Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái.

18

Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành hai bánh, ba bánh, bốn bánh và sáu bánh được liệt kê trong
bảng 1.3
Bảng 1.3 Các cách bố trí bánh xe của Robot
Số bánh
Sắp xếp
Miêu
tả


2



Một bánh lái phía trước, một bánh phía sau.







Hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dưới trục
bánh xe.






3

3














Hai bánh truyền động ở giữa và có điểm thứ ba tiếp xúc.


Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau và một bánh
lái ở phía trước.


Hai bánh truyền động được nối với trục ở phía sau, một
bánh lái ở phía trước.


Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trước vừa là bánh
truyền động vừa là bánh lái.

Ba bánh Swedish được đặt ở các đỉnh của một tam giác
đều, kết cấu này cho phép Robot di chuyển theo đa
hướng.
19











4

4

Hai bánh chủ động ở phía sau, hai bánh lái ở phía trước.


Hai bánh phía trước vừa là bánh lái vừa là bánh chủ
động.


Cả bốn bánh đều là bánh truyền động và lái.


Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau, hai bánh lái đa
hướng ở phía trước.


Bốn bánh đa hướng.


Hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc.


Bốn bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái.

Hai bánh truyền động ở giữa, thêm bốn bánh đa hướng
ở xung quanh.