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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.82 MB, 102 trang )

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.

Trích đoạn

Dáng di chuyển không liên tục

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

Trích đoạn

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về