mô phỏng áp dụng thuật toán fuzzy vào mô hình thực tế để điều khiển định hướng cho robot rắn

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

LỜI CẢM ƠN
Đất nƣớc ta đang đà phát triển do đó khoa học kĩ thuật đóng một vai trò hết sức quan trọng đối
với đời sống con ngƣời.Việc áp dụng khoa học kỹ thuật chính là làm tăng năng suất lao động
đồng thời nó cũng góp phần không nhỏ trong việc thay thế sức lao động của ngƣời lao động một
cách có hiệu quả nhất, đảm bảo an toàn cho họ trong quá trình làm việc. Các robot chính là sự
thay thế tuyệt vời cho sức ngƣời trong các công việc nguy hiểm và các công việc ở các mô trƣờng
làm việc khắc nghiệt.
Luận văn tốt nghiệp là một môn học giúp cho sinh viên ngành Cơ Điện Tử ứng dụng các kiến
thức đã đƣợc học tại nhà trƣờng ứng dụng vào thực tế và kiểm tra những lý thuyết đã học so với
thực tế để có cái nhìn cụ thể hơn với các vấn đề đã học.Từ đó rút ra các kinh nghiệm để làm các
đề tài và các công việc trong nhà máy, xí nghiệp, công ty khi sinh viên ra trƣờng
Trong phạm vi đề, các kiến thức từ các môn cơ sở nhƣ Nguyên Lý Máy, Chi Tiết Máy, Thiết
Kế và Vẽ Bằng Máy Tính,Vi Xử Lý, Giao Tiếp Máy Tính, Kỹ Thuật Ngƣời Máy…đƣợc áp dụng.
Đây là các môn học mà bộ môn Cơ Điện Tử đã trang bị cho sinh viên trƣớc khi làm Luận Văn
Tốt Nghiệp.Đó thực sự quan trọng và cần thiết đối với sinh viên trong quá trình thực hiện đề tài
Em xin chân thành cảm ơn TS. Võ Tƣờng Quân tận tâm hƣớng dẫn em hoàn thành Luận Văn
Tốt Nghiệp. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô hƣớng dẫn trong học kì này vì những
buổi phản biện đã giúp em có thêm kiến thức, kinh nghiệm khi thực hiện bản vẽ. Đồng thời em
cũng xin cám ơn tập thể lớp CK07CD, các bạn đã ít nhiều giúp đỡ em hoàn thiện đồ án này.
Đây là Đề Tài Luận Văn Tốt Nghiệp đầu tiên nên sẽ không tránh đƣợc những thiếu sót và
thiếu kinh nghiệm trong việc tính toán, chọn lựa các chi tiết,trong mô hình và điều khiển.Em kính
mong đƣợc sự chỉ dẫn thêm của quý thầy cô để em đƣợc củng cố kiến thức và đúc kết thêm
những kinh nghiệm quý báu phục vụ cho công việc sau này.
HCM, Ngày ……Tháng……Năm 2011

Bùi Thanh Vinh

I


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Robot rắn là đề tài đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu và thu hút các nhà khoa học,các sinh viên.
Trong những năm gần đây ,những nghiên cứu trong lĩnh vực này đã có nhiều kết quả xuất sắc.
Luận văn này đƣợc thực hiện với mục tiêu nghiên cứu, mô phỏng chuyển động của robot rắn
trong môi trƣờng mặt phẳng ngang và các các phƣơng pháp điều khiển liên quan.
Đề tài có thể xem là tổng hợp kiến thức trong chƣơng trình Cơ điện tử bao gồm mô hình hóa,
mô phỏng, thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện, thiết kế các thuật toán điều khiển
Lý thuyết tính toán độnglực học đƣợc ứng dụng từ các nghiên cứu trên thế giới cho mô hình
robot rắn chuyển động trên mặt phẳng .
Quá trình tính toán, mô phỏng và áp dụng các luật điều khiển đƣợc thực hiện trên Matlab để
kiểm chứng các chuyển động của robot rắn. Trong giới hạn thời gian của luận văn, luận văn chỉ
mô phỏng áp dụng thuật toán Fuzzy vào mô hình thực tế để điều khiển định hƣớng cho robot rắn

II


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................. I
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................................. II

MỤC LỤC ................................................................................................................................ III
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................................... VI
CHƢƠNG I - TỔNG QUAN ............................................................................................ 1

1.
1.1

GIỚI THIỆU ................................................................................................................. 1

1.2

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC .................................... 1

1.2.1

Nƣớc Ngoài ............................................................................................................ 1

1.2.2

Trong nƣớc ............................................................................................................. 2

1.3

ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA RẮN............................................................................. 2

1.3.1

Cấu tạo của rắn ...................................................................................................... 2

1.3.2

Các dạng chuyển động của rắn : ............................................................................ 3

1.4

CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT RẮN ............................... 5

1.4.1

Phƣơng pháp quy ƣớc Denavit- Hartenberg .......................................................... 5

1.4.2

Các liên kết nonholonomic .................................................................................... 6

1.4.3

Các đƣờng xƣơng sống và các robot môi trƣờng liên tục ...................................... 7

1.5

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC .................................................................. 7

1.6

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................................ 8

1.7

TÓM TẮT NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI VÀ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ..................... 9

1.7.1

Nội dung thực hiện................................................................................................. 9

1.7.2

Các bƣớc thực hiện ................................................................................................ 9

CHƢƠNG II – TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC - ĐỘNG LỰC HỌC Robot........................ 10

2.
2.1

LỰA CHỌN MÔ HÌNH .............................................................................................. 10

2.2

ĐỊNH NGHĨA VÀ KÝ HIỆU ..................................................................................... 10
III


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

2.3

PHƢƠNG PHÁP SVD ................................................................................................ 12

2.4

DÙNG PHƢƠNG PHÁP LAGRANGE ĐỂ TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC robot ............ 12

2.4.1

Tính moment quán tính. ....................................................................................... 13

2.4.2

Tính lực liên kết giữa các khâu ............................................................................ 13

2.4.3

Tính vận tốc góc của từng đốt của robot.............................................................. 15

2.4.4

Tính vận tốc của robot rắn ................................................................................... 23

CHƢƠNG III – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ....................................................... 26

3.
3.1

GIỚI THIỆU VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ HỆ THỐNG CƠ KHÍ .............................. 26

3.1.1

Hình thức di chuyển nhờ ma sát .......................................................................... 26

3.1.2

Một hình thức chuyển động ma sát theo hai trục ................................................. 26

3.1.3

Mô hình chuyển động nhờ bánh xe...................................................................... 28

3.2

QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ CƠ KHÍ ............................................................................. 29

3.2.1

Đặt vấn đề : .......................................................................................................... 29

3.2.2

Giới thiệu động cơ RC servo ............................................................................... 29

3.2.3

Cấu tạo động cơ RC servo chuẩn ......................................................................... 29

3.2.4

Phân loại động cơ RC servo................................................................................. 30

3.2.5

Nguyên tắc hoạt động .......................................................................................... 31

3.2.6

Các thông số kỹ thuật của RC .............................................................................. 31

3.2.7

Tính toán moment xoắn động cơ ......................................................................... 32

3.2.8

Lựa chọn động cơ ................................................................................................ 32

3.2.9

Thiết kế hệ thống cơ khí : .................................................................................... 33

CHƢƠNG IV - ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ........................ 37

4.
4.1

ĐIỀU KHIỂN .............................................................................................................. 37

4.1.1

Phƣơng án điều khiển .......................................................................................... 37

4.1.2

Điều khiển động cơ RC servo .............................................................................. 39
IV


Luận Văn Tốt Nghiệp

4.2

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG ................................................................................... 41

4.2.1
4.3

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

Bộ điều khiển Fuzzy ............................................................................................ 41

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN CHO ROBOT RẮN .......................................................... 48

4.3.1

Mạch Nguồn cho vi điều khiển trên robot ........................................................... 48

4.3.2

Mạch cảm biến xác định hƣớng ........................................................................... 49

4.3.3

Mạch vi điều khiển .............................................................................................. 50

4.3.4

Moduel các động cơ và Led báo tín hiệu của động cơ......................................... 51

4.4

LƢU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN ...................................................................... 52
CHƢƠNG V : MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ....................................................... 54

5.
5.1

CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG ................................................................................. 54

5.2

MÔ PHỎNG VỚI SIM MECHANICS ....................................................................... 54

5.2.1

Xây dựng mô hình mô phỏng .............................................................................. 54

5.2.2

Xây dựng mô hình mục tiêu................................................................................. 55

5.2.3

Bộ điều khiển của robot ....................................................................................... 56

5.2.4

Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 58

5.3

THỰC NGHIỆM ......................................................................................................... 60

5.3.1

Xây dựng mô hình ............................................................................................... 60

5.3.2

Kết Quả ................................................................................................................ 63

CHƢƠNG VI : KẾT LUẬN ........................................................................................... 64

6.
6.1

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC .............................................................................................. 64

6.2

KẾT QUẢ CHƢA ĐẠT ĐƢỢC ................................................................................. 64

6.3

HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................................. 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 65
PHỤ LỤC A .............................................................................................................................A1
PHỤ LỤC B :............................................................................................................................ B1
V


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Robot rắn OmniTread(OT-8)
Hình 1.2 robot rắn ACM-R5
Hình 1.3 : Quá trình chuyển động của rắn
Hình 1.4 : Chuyển động sóng ngang
Hình 1.5 : Chuyển động lƣợn một bên
Hình 1.6 các bậc tự do của robot rắn
Hình 1.7: 3 khâu trong liên kết ACM III
Hình 2.1 : n - đốt của robot rắn
Hình 2.2 : Mô hình hóa các động cơ
Hình 2.3 : Mô hình lực và moment của robot rắn
Hình 2.4 : Đồ Thị góc và vận tốc góc của khâu 1 – 3
Hình 2.5 : Đồ Thị góc và vận tốc góc của khâu 4 – 6
Hình 2.6 : Đồ Thị góc và vận tốc góc của khâu 1 – 3
Hình 2.7 : Đồ Thị góc và vận tốc góc của khâu 4 – 6
Hình 2.8 : Khoảng cách di chuyển của robot theo thời gian

Hình 2.9 : Khoảng cách di chuyển của robot theo thời gian
Hình 2.10 : Vận tốc di chuyển của robot theo thời gian
Hình 2.11 : Vận tốc di chuyển của robot theo thời gian
Hình 3.1 : kết cấu robot rắn chuyển động nhở ma sát
Hình 3.2 : Cấu tạo khớp nối 1 bậc tự do
Hình 3.3 : mô hình chuyển động ma sát theo 2 trục
Hình 3.4 : ACM III của Tiến sĩ Shigeo Hirose Nhật Bản
Hình 3.5 : Robot ACM 5 chuyển động nhờ 6 bánh xe
VI


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

Hình 3.6: Cấu tạo động cơ RC servo
Hình 3.7 Ảnh động cơ thực tế dùng trong mô hình
Hình 3.8 : Mô hình 3D của RC servo
Hình 3.9 : Mô hình 3D của giá động cơ
Hình 3.10 : Mô hình 3D của ống làm 1 đốt của robot
Hình 3.11 : Mô hình 3D 1 đốt của robot
Hình 3.12 : Mô hình 3D ống nối các đốt
Hình 3.13 : Một đốt thực tế của robot rắn
Hình 3.14: Robot rắn 6 đốt
Hình 4.1 : P1 chuyển động theo khâu đầu , P2 là chuyển động hình sin
Hình 4.2 : Giản đồ xung điều khiển động cơ RC servo
Hình 4.3 : Lƣu đồ thuật toán tạo xung điều khiển động cơ
Hình 4.4 : Mô hình xác định hƣớng của robot
Hình 4.5 : Mạch quang điện trở
Hình 4.6 : Sự biến thiên của quang điện trở

Hình 4.7 : Bố trí cảm biến định hƣớng
Hình 4.8 : Sơ đồ bộ điều khiển Fuzzy
Hình 4.9 : Sơ đồ Membership Function input
Hình 4.10 : Sơ đồ Membership Function output
Hình 4.11: Phƣơng pháp giải mờ theo tọa độ trọng tâm
Hình 4.12 : Sơ đồ hệ luật của bộ Fuzzy
Hình 4.13 : Pin sài cho mô hình robot
Hình 4.14: Mạch nguồn cho vi điều khiển trên robot
Hình 4.15 : Sơ đồ mạch định hƣớng LDR
VII


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD : TS.Võ Tƣờng Quân

Hình 4.16 : Mạch vi điều khiển trên robot
Hình 4.17: Module nối tới các động cơ
Hình 4.18 : Các đèn Led báo tín hiệu điều khiển động cơ
Hình 4.19 : Lƣu đồ giải thuật điều khiển robot rắn
Hình 5.1 : Mô hình mô phỏng robot
Hình 5.2 : Mô hình lực ma sát
Hình 5.3 : Mô hình động cơ Servo
Hình 5.4 : Mô hình 2 mục tiêu
Hình 5.5 : Bộ điều khiển Fuzzy bám mục tiêu
Hình 5.6 : Membership Function input
Hình 5.7 : Membership Function output
Hình 5.8 : Bộ Điều khiển Fuzzy trung tâm và các tín hiệu điều khiển
Hình 5.9 : Đồ thị tọa độ trong tâm của robot
Hình 5.10 : Quá trình di chuyển qua 2 mục tiêu của robot

Hình 5.11 : Mô hình 3D di chuyển đến mục tiêu
Hình 5.12 : Mạch điều khiển robot
Hình 5.13 : Một đốt thực tế của robot rắn
Hình 5.14 : Mô hình thật tế của robot rắn
Hình 5.15 : Mô hình thực tế của robot rắn
Hình 5.16 : Mô hình thực tế của robot rắn
Hình 5.17 : Mô hình thực tế của robot rắn

VIII


Chƣơng I : Tổng Quan
1. CHƢƠNG I - TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
Trƣớc đây hầu hết các thiết bị có chuyển động đều dùng đến các loại bánh xe,những thiết bị
này có thể duy chuyển với tốc độ cao trên các bề mặt phẳng tuy nhiêu di chuyển trên các bền mặt
gồ ghề thì gặp nhiều khó khăn.Và vấn đề đƣợc đặc ra là tìm các dạng di chuyển khác hoạt động
dễ dàng trên những bề mặt gồ ghề,một trong số những loại di chuyển đƣợc tìm ra chính là di
chuyển của loài rắn.Chúng di chuyển nhờ sự ma sát giữa thân và bề mặt.Chính nhờ điều này mà
rắn di chuyển ở rất nhiều địa hình khác nhau,ngoài ra rắn còn có thể di chuyển dƣới nƣớc , leo
cây ….. Vì thế ứng dụng chuyển động của rắn lên robot đƣợc nhiều ngƣời quan tâm và nghiên
cứu.Và Nhiều robot rắn đã ra đời với nhiều ứng dụng khác nhau phục vụ cho công tác nghiên cứu
và cuộc sống
Chuyển động của robot rắn có độ ổn định , linh hoạt , ít hƣ hỏng về cơ cấu . Nhƣng lại mang
tải trọng kém . Hứa hẹn ứng dụng trong nhiều ngành nhƣ : giải phẩu , cứu hỏa , cứu hộ ngƣời
mắc kẹt , thám hiểm …..
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
1.2.1 Nƣớc Ngoài
Những nƣớc đi đầu về công nghệ đã nghiên cứu và chế tạo nhiều loại robot rắn khác nhau và
đã cho ra đời nhiều thế hệ robot rắn có khả năng linh hoạt rất cao nhƣ:

 Tại Đại học Michigan có robot rắn OmniTread(OT-8) có khả năng di chuyển trên nhiều
địa hình phức tạp, có khả năng di chuyển trong đƣờng ống và di chuyển qua các hang
nhỏ...

Hình 1.1 : Robot rắn OmniTread(OT-8) [3]
Trang 1


Chƣơng I : Tổng Quan
 Tại Nhật có robot rắn ACM-R5 của tiến sĩ Shigeo Hirose có khả năng di chuyển cả dƣới
nƣớc và trên cạn một cách linh hoạt

Hình 1.2 robot rắn ACM-R5 [9]
 Và tại nhiều trƣờng đại học lớn khác trên thế giới cũng đã có những sản phẩm là robot rắn
nhƣ CMU của đại học Carnegie Mellon,JL-I của đại học Hamburg...
1.2.2 Trong nƣớc
Tại Việt Nam đang bắt đầu nghiên cứu và chế tạo một số robot rắn nhƣng rất ít.Chủ yếu vẫn
dừng lại ở quá trình tính toán là chính.Và chƣa có sản phẩm robot rắn nào có khả năng di chuyển
linh hoạt đƣợc
 Tại các trƣờng đại học Bách Khoa TP HCM thì cũng đã có những đề tài luận văn tốt
nghiệp về robot rắn nhƣng những mô hình đã làm có kết cấu cơ khí không đáp ứng đủ để
có thể di chuyển linh hoạt đƣợc
1.3 ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA RẮN
1.3.1 Cấu tạo của rắn
 Cấu tạo xƣơng sống
Một bộ xƣơng rắn thƣờng có từ 100 ÷ 400 đốt. Khoảng chuyển động của mỗi khớp thƣờng từ
0

10 -200 để di chuyển qua lại, khoảng vài độ để di chuyển theo phƣơng lên xuống. Ngoài ra các
khớp xƣơng còn có thể quay một góc rất nhỏ dọc theo trục xƣơng sống để thuận lợi cho các dạng

chuyển động phức tạp.
 Cấu tạo da :
Trang 2


Chƣơng I : Tổng Quan
Da rắn đƣợc phủ kín vảy . Hầu hết rắn di chuyển dựa vào lớp vảy này . Da rắn khá nhẵn hoặc
có hạt . Mi mắt rắn trong suốt và thƣờng xuyên đóng kín , đƣợc gọi là vảy mắt . Mục đích cơ bản
lột da là để trƣởng thành , lột da cũng khiến rắn loại bỏ ký sinh trùng trong suốt quá trình di
chuyển . Da rắn đóng 1 vai trò quan trọng trong giúp rắn di chuyển nhanh ở nhiều địa hình khác
nhau .
 Di chuyển :
Toàn thân rắn đƣợc bao bọc một lớp vảy . Những chiếc vảy này vô cùng cứng rắn , không lớn
lên tƣơng ứng theo sự trƣởng thành của thân thể rắn . Vì vậy cứ 2-3 tháng rắn phải thay da 1 lần .
Nhũng chiếc vảy này không chỉ giúp rắn bảo vệ mà còn có chức năng nhƣ bàn chân để rắn trƣờng
bò. Khi di chuyển, thân dài và nhỏ nó uốn thành hình chữ S , phía dƣới thân thể theo sát bộ phận
phía trên để bò lên cùng vị trí ấy . Khi bò , các vảy trƣờn theo bộ phận lồi ra , rắn dùng đầu nhọn
của các chiếc vảy để trèo lên những đám cỏ hoặc đám đất gồ ghề .
1.3.2 Các dạng chuyển động của rắn :
1.3.2.1 Sự di chuyển điều hòa kiểu đàn concertina
Với dạng chuyển động này , rắn xếp và giãn cơ thể để di chuyển tới . Phần xếp sẽ giữ vị trí cố
định và phần còn lại sẽ đƣợc đẩy hoặc kéo tới .

Hình 1.3 : Quá trình chuyển động của rắn [7]
Sau đó , hai phần sẽ đổi vai trò với nhau . Chuyển động dạng này đạt đƣợc khi lực đẩy cố định
lớn hơn lực mà sát tác dụng lên phần di chuyển .

Trang 3

Chƣơng I : Tổng Quan
Chuyển động này đƣợc thực hiện khi di chuyển theo đƣờng hẹp , trong ống , trên cành cây .
1.3.2.2 Chuyển động theo sóng ngang
Đây là kiểu chuyển động liên tục của toàn bộ cơ thể rắn trên mặt phẳng. Chuyển động đƣợc
thực hiện nhờ truyền dạng sóng di chuyển từ trƣớc ra sau đồng thời dựa vào độ nhám của mặt
đất. Mỗi phần của cơ thể sẽ đi qua vị trí của phần trƣớc đó nhƣ dạng một hình sin.

Hình 1.4 : Chuyển động sóng ngang
Để tránh hiện tƣợng trƣợt sang hai bên khi đang di chuyển tới, rắn bám vào mặt đất nhờ các
vảy. Ngoài ra chúng có thể dựa vào dạng của bề mặt nhƣ tựa vào đá để tạo lực đẩy tới. Mọi điểm
tiếp xúc với mặt đất đều trở thành điểm tựa cho rắn. Một con rắn cần ít nhất 3 điểm tựa để tạo
chuyển động đi tới, hai điểm cần để sinh lực và điểm thứ 3 để cân bằng các lực để di chuyển.
Đặc điểm quan trọng của dạng chuyển động này là sự chênh lệch giữa các hệ số ma sát theo
phƣơng vuông góc và phƣơng tiếp tuyến với cơ thể. Lực ma sát theo phƣơng vuông góc phải lớn
hơn nhiều sao với lực ma sát tiếp tuyến, nhằm tránh sự trƣợt ngang.
Hiệu suất của dạng chuyển động này phụ thuộc vào 2 yếu tố chính: (1) Hình dạng của bề mặt.
Trên bề mặt gồ gề, có các cục đá làm điểm tựa thì sẽ tăng hiệu suất di chuyển. (2) Tỉ lệ giữa
chiều dài và chu vi. Những con rắn nhanh nhất có chiều dài không quá 10 - 13 lần chu vi của nó.
Tốc độ này có thể đạt tới 11km/h khi di chuyển trên bề mặt gồ gề.
Dạng chuyển động này không thích hợp với bề mặt nhẵn, ma sát thấp và trong các hành lang
hẹp. Nó cũng không thích hợp cho những con rắn quá ngắn hoặc quá nặng vì chúng không thể đạt
đƣợc biên dạng cần thiết để di chuyển hoặc hiệu suất chuyển động giảm đáng kể do cơ thể quá
nặng.

Trang 4


Chƣơng I : Tổng Quan
1.3.2.3 Chuyển động kiểu lƣợn một bên

Hình 1.5 : Chuyển động lƣợn một bên
Đây là dạng chuyển động đƣợc thu hút nhiều nhất của rắn và đƣợc sử dụng chủ yếu bởi các
loài rắn sống trên sa mạc . Rắn nhấc và uốn cơ thể thành các vết ngắn , song song trên mặt đất
đồng thời di chuyển theo một góc nghiên . Khác với dạng sóng ngang , dạng này có một đoạn
tiếp xúc ngắn giữa cơ thể rắn và bề mặt .
Sự phát triển dạng chuyển động này có lẽ là do nhu cầu về lực kéo trên các bề mặt trƣợt nhƣ
cát và sự cần thiết phải tránh nhiệt độ quá cao trên bề mặt sa mạc . Rắn có thể đạt vận tốc 3km/h
với dạng chuyển động này .
1.3.2.4 Các dạng chuyển động khác
Rắn còn có các dạng chuyển động hiếm gặp hơn tùy vào môi trƣờng sống. Ví dụ nhƣ bò theo
đƣờng thẳng (rectilinear crawling), đào bới (burrowing), nhảy (jumping), dạng sin (sinus-lifting),
trƣợt ngang (skidding), leo và bơi, …
1.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT RẮN
1.4.1 Phƣơng pháp quy ƣớc Denavit- Hartenberg
Phƣơng pháp D-H là một phƣơng pháp tốt đƣợc thiết lập để mô tả vị trí và sự định hƣớng của
mỗi khâu trong cánh tay robot đối với hệ tọa độ nền . Các nghiên cứu chia robot rắn thành các
module gồm các khớp đƣợc nối với nhau bởi các khâu có chiều dài bằng nhau . Hệ tọa độ nền
đƣợc đề nghị đặt vào khâu không chuyển động ( từng phần robot chuyển động đồng thời ) , hoặc
đặt trên các khớp ảo có khối lƣợng bằng không , sử dụng cấu trúc định hƣớng và định vị ảo .

Trang 5


Chƣơng I : Tổng Quan

Hình 1.6 các bậc tự do của robot rắn [6]
1.4.2 Các liên kết nonholonomic
Điểm cốt yếu trong chuyển động của robot rắn là thay đổi hình dạng robot liên tục bằng cách
quay hoặc giãn dài hình dạng của robot . Các nghiên cứu đƣa ra các mô hình động học sử dụng
các liên kết nonholonomic ( dẫn đến việc gắn bánh xe cho robot ) và các yếu tố hình học khác

nhƣ các khớp nối .

Hình 1.7: 3 khâu trong liên kết ACM III [9]
Các liên kết động học nonholonomic đƣợc thực hiện bằng cách gắn các bánh xe bị động vào
robot đƣợc thể hiện dƣới dạng :

Trang 6


Chƣơng I : Tổng Quan
.

.

x sin(i )  y cos(i )  0
.

Với

(1.1)

.

( x, y )

là các vận tốc khối tâm của khâu Øi là góc ở khớp . Bánh xe đƣợc giả sử không

trƣợt ngang và đạt tính chất ma sát lý tƣởng của da rắn . Kết hợp với các mô hình tả hình học tại
khớp nối , các nghiên cứu giải thích đƣợc làm thể nào từ việc thay đổi hình dạng có thể sinh ra sự
chuyển động . Các nghiên cứu minh họa robot ACM-III dùng 3 đoạn đầu tiên để xác định dạng

chuyển động của cả hệ , còn các đoạn còn lại sẽ bám theo dạng này nhờ vào các liên kết
nonholonomic của các bánh xe .
1.4.3 Các đƣờng xƣơng sống và các robot môi trƣờng liên tục
Thay vì bắt đầu tìm vị trí và hƣớng của mỗi khớp một cách trực tiếp bằng quy ƣớc D-H , các
nghiên cức khác tiếp cận với một đƣờng cong mô tả cả hình dạng của robot rắn . Cách tiếp cận
này có hạn chế là các hệ tọa độ gắn dọc đƣờng cong không đƣợc xác định cho các khâu thẳng và
các hàm vector mô tả đƣờng không gian đòi hỏi một phép giải số phức tạp . Dạng đƣờng xƣơng
sống đƣợc đƣa ra để khắc phục hạn chế này . Đƣờng xƣơng sống đƣợc định nghĩa là một đƣờng
liên tục từng khúc chạy qua các đoạn của robot rắn . Một tập hợp các hệ quy chiếu trực giao đặt
dọc đƣờng này tại các điểm thích hợp sẽ chỉ ra hình dạng thật sự của robot rắn .
Vấn đề xác định các góc ở khớp đối với cánh tay robot từ vị trí của khâu tác động cuối ( động
học ngƣợc ) tạo ra số lời giải vô hạn đối với các cánh tay có độ dƣ thừa cao. Thuật toán định vị
khâu tác động cuối tƣơng ứng với dạng đƣờng xƣơng sống sẽ giảm bớt hạn chế này .
Các robot liên tục là dạng đặc biệt của cánh tay robot không có các khâu cứng và chứa các
khớp quay không định nghĩa đƣợc ( nhƣ vòi voi , tay chân bạch tuột ) . Các nghiên cứu theo
hƣớng này gắn các khái niệm cánh tay robot có khâu cứng vào trong đƣờng xƣơng sống liên tục
và chuyển các tham số động học thành các tham số D-H . Từ đó , quy ƣớc D-H đƣợc dùng để xác
định vị trí và hƣớng của đầu robot .
1.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC
Với robot không bánh xe , lực ma sát đóng vai trò quan trọng trong chuyển động , việc mô
hình động lực học là cần thiết do chuyển động dạng sóng ngang . Với robot có bánh xe , bánh xe
sẽ giảm ma sát dọc trục và có thể chỉ dùng mô hình động học kèm điều kiện không trƣợt ngang

Trang 7


Chƣơng I : Tổng Quan
của bánh xe ( điều kiện này dẫn đến những khó khăn khi điều khiển moment tại khớp ). Ngoài ra,
các mô hình động lực học của robot không bánh xe có thể dùng để áp dụng cho robot có bánh xe
Các phƣơng pháp động lực học cho robot rắn đƣợc thiết lập từ nhiều kỹ thuật khác nhau nhƣ :

cách tiếp cận Newton - Euler , cách tiếp cận Lagrange , cơ học hình học
Cách tiếp cận mô hình đƣợc chia làm hai hƣớng :
 Cách tiếp cận Newton-Euler ( phân tích về lực ) :
Ở cách tiếp cận này , mỗi khâu đƣợc phân tích độc lập bằng cách mô tả chuyển động tuyến
tính và quay . Sau đó , các khâu cũng đƣợc nối với nhau bởi các khớp và các lực liên kết hai
chiều . Đây là phƣơng pháp thích hợp để tìm moment xoắn cần đặt vào khớp để đạt đƣợc chuyển
động mong muốn .
 Cách tiếp cận lagrange ( phân tích về năng lƣợng )
Cách tiếp cận Lagrange xem toàn bộ robot là một hệ ngay từ đầu và sử dụng hàm Lagrange
để phân tích dƣới dạng năng lƣợng . Cách này vƣợt trội khi dùng phân tích toàn bộ hệ theo thời
gian . Một số nghiên cứu đã kết hợp cách tiếp cận này với lý thuyết cơ hình học để điều khiển
moment xoắn của robot rắn . Tuy nhiên , điều này đòi hỏi có một nền tảng về cơ hình học
Các mô hình hóa toán học đƣợc nghiên cứu theo hai hƣớng :
 Điều khiển dựa theo hình dạng :
Hƣớng đi này đƣa ra mô hình dƣới dạng điều kiện biết trƣớc góc , vận tốc và gia tốc góc . Từ
những dữ liệu đã cho , ta xác định đƣợc gia tốc tịnh tiến và gia tốc . Hơn nữa , moment cần thiết
để robot di chuyển theo hình dạng đó cũng xác định đƣợc .
 Điều khiển dựa theo moment
Hƣớng tiếp cận này là hƣớng thông dụng nhất trong các mô hình robot rắn . Vấn đề đƣợc
nghiên cứu là robot rắn di chuyển thế nào với những moment ở khớp đƣợc cho . Từ các moment
này , ta tìm đƣợc gia tốc tịnh tiến và quay của khâu đầu và từ đó tìm ra vận tốc và vị trí .
1.6 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Tính toán động học của robot rắn theo phƣơng pháp Lagrangeđể ứng dụng vào điều khiển
Tìm giải thuật di chuyển hợp lý cho robot rắn
Mô phỏng quá trình di chuyển từ phƣơng trình động lực học và giải thuật di chuyển tìm đƣợc

Trang 8


Chƣơng I : Tổng Quan

Thiết kế thực tế robot rắn để áp dụng lý thuyết đã tính toán đƣợc
Từ những tính toán và mô phỏng sẽ tạo ra một robot rắn có khả năng di chuyển linh hoạt trên
cạn
1.7 TÓM TẮT NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI VÀ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN
1.7.1 Nội dung thực hiện
Tính toán động học của robot rắn
Tìm giải thuật di chuyển linh họat cho robot rắn
Mô phỏng quá trình di chuyển của robot rắn
Thiết kế mô hình robot rắn
1.7.2 Các bƣớc thực hiện
Bƣớc 1 : Thiết kế kết cấu cơ khí của robot rắn
Bƣớc 2 : Tính toán động học
Bƣớc 3 : Tính toán và tìm giải thụât di chuyển cho robot rắn
Bƣớc 4 : Mô phỏng quá trình di chuyển
Bƣớc 5 : Chế tạo mô hình robot rắn
Bƣớc 6 : Thiết kế mạch điều khiển
Bƣớc 7 : Thí nghiệm và điều khiển
Bƣớc 8 : Hoàn chỉnh và tối ƣu các phần trƣớc khi kết thúc

Trang 9


Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

2. CHƢƠNG II – TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC - ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT
2.1 LỰA CHỌN MÔ HÌNH
Mỗi phƣơng pháp nghiên cứu đã trình bày trong chƣơng 1 đều có ƣu nhƣợc điểm riêng. Trong
giới hạn của đề tài, em sử dụng mô hình động học, động lực học nhƣ hình dƣới với cách trình bày
đơn giản hơn. Mô hình này dựa trên cách tiếp cận Lagrange, sử dụng mô hình ma sát Coulomb.
Về mặt điều khiển chuyển động, em thực hiện theo hƣớng chủ yếu là tìm góc tham chiếu ở khớp

để tạo ra các dạng chuyển động khác nhau. Việc mô phỏng và thực hiện các thuật toán điều khiển
dựa trên Matlab/Simulink.
2.2 ĐỊNH NGHĨA VÀ KÝ HIỆU

Hình 2.1 : n - đốt của robot rắn
Một trong những ƣu điểm của robot rắn là các module đều giống nhau. Để mô hình hóa ta xem
xét robot rắn tổng quan gồm n khâu có cùng chiều dài l và khối lƣợng m và moment quán tính I

Trang 10


Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

đƣợc nối với nhau bằng n-1 khớp. Khối lƣợng của mỗi khâu đƣợc phân bố xem nhƣ đều sao cho
trọng tâm mỗi khâu nằm chính giữa khâu. Hệ tọa độ gốc của mỗi khâu đƣợc gắn cứng vào trọng
tâm và có các trục xi (dọc trục) và yi (vuông góc). Các trục này trùng với trục khi góc ở khâu là
0.
Robot rắn trong măt phẳng 2D nằm ngang có n+2 bậc tự do. Góc tuyệt đối  i của mỗi khâu
đƣợc so với trục x theo chiều lƣợng giác.
Đốt số 1

Moment quán tính
Khối lƣợng
Chiều dài
Khoảng cách đến trọng tâm
Độ cứng tƣơng đƣơng
Độ giảm chấn tƣơng đƣơng

Đốt số 2

Moment quán tính
Khối lƣợng
Chiều dài
Khoảng cách đến trọng tâm
Độ cứng tƣơng đƣơng
Độ giảm chấn tƣơng đƣơng

Đốt số 3

Moment quán tính
Khối lƣợng
Chiều dài
Khoảng cách đến trọng tâm
Độ cứng tƣơng đƣơng
Độ giảm chấn tƣơng đƣơng

Đốt số 4

Moment quán tính
Khối lƣợng
Chiều dài
Khoảng cách đến trọng tâm
Độ cứng tƣơng đƣơng
Độ giảm chấn tƣơng đƣơng

Đốt số 5

Moment quán tính
Khối lƣợng
Chiều dài

Khoảng cách đến trọng tâm
Độ cứng tƣơng đƣơng
Độ giảm chấn tƣơng đƣơng

mi li2
[kgm2]
Ii 
3
m1= 0.4[kg]
l1= 0,21[m]
d1=0,105[m]
k1=0,5 [Nm/rad]
c1= 10-3[Nms/rad]
m l2
I i  i i [kgm2]
3
m2=0,4 [kg]
l2= 0,24 [m]
d2=0,12 [m]
k2= 0,5 [Nm/rad]
c2= 10-3 [Nms/rad]
m l2
I i  i i [kgm2]
3
m3=0,4 [kg]
l3= 0,24[m]
d3= 0,12 [m]
k3= 0,5 [Nm/rad]
c3= 10-3 [Nms/rad]
m l2

I i  i i [kgm2]
3
m4=0,4 [kg]
l4=0,24 [m]
d4=0,12 [m]
k4= [Nm/rad]
c4= 10-3 [Nms/rad]
m l2
I i  i i [kgm2]
3
m5= 0,4[kg]
l5=0,24 [m]
d5=0,12 [m]

Trang 11


Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

Đốt số 6

k5= 0,5 [Nm/rad]
c5= 10-3 [Nms/rad]
Moment quán tính
mi li2
[kgm2]
I

i
Khối lƣợng

3
Chiều dài
m6=0,3 [kg]
Khoảng cách đến trọng tâm
l6= 0,18 [m]
d6=0,09 [m]
Bảng 2.1: Bảng thông số ban đầu của robot rắn

2.3 PHƢƠNG PHÁP SVD
Phƣơng pháp SVD (Singular value decomposition) đƣợc ứng dụng trong đề tài này là một
phƣơng pháp chéo hóa ma trận cho trƣớc để nhằm làm giảm số chiều của ma trận,dung để tính
toán giá trị ma trận ngƣợc đƣợc dễ dàng và thuận tiện hơn khi ma trận bị suy biến.
SVD đƣợc dựa trên một định lý của đại số tuyến tính, từ một ma trận A có thể đƣợc phân tích
thành tích của 3 ma trận: một ma trận trực giao U, một ma trận đƣờng chéo S, ma trận chuyển vị
của ma trận trực giao V. Nó có dạng nhƣ sau:
Amn  U mm .Smn .VnnT

(2.1)

2.4 DÙNG PHƢƠNG PHÁP LAGRANGE ĐỂ TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT
Để giải phƣơng trình dao động ta có rất nhiều phƣơng pháp để giải nhƣ: sử dụng định luật 2
Newton, định lý biến thiên động năng, định lý biến thiên động lƣợng, định lý biến thiên mômen
động lƣợng, nguyên lý D’Alamber, phƣơng trình Lagrange, nguyên lý công ảo, nguyên lý
Hamilton…Thông thƣờng:
Nếu cơ hệ là một vật rắn tuyệt đối thì có thể dùng định luật II Newton và các định lý chứng
minh từ định luật này.
Nếu hệ gồm nhiều vật rắn tuyệt đối tạo thành hệ một bậc tự do thì nên sử dụng định lý động
năng.
Nếu hệ gồm các vật rắn tuyệt đối có số bậc tự do hữu hạn ta nên sử dụng phƣơng trình
Lagrange.

Đối với các hệ số có số bậc tự do vô hạn thƣờng sử dụng nguyên lý Hamilton.

Trang 12


Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

Đối với mô hình robot rắn dạng này, gồm các vật rắn tuyệt đối gắn lại và số bậc tự do là hữu
hạn (6 bậc), do đó phƣơng pháp để giải đƣợc chọn là phƣơng pháp Lagrange.
2.4.1 Tính moment quán tính.
Xem các đốt giống nhau do đó ta có

I1  I 2  I3  I 4  ..............  I n với I i là moment quán tính của khâu i
Xem mỗi đốt nhƣ hình trụ thẳng có chiều dài li và khối lƣợng mi
Moment đƣợc tính theo công thức sau

1
I i  mi li2
3

(2.2)

2.4.2 Tính lực liên kết giữa các khâu
Các khâu liên kết với nhau có thể thể hiện nhƣ mô hình dƣới đây

Hình 2.2 : Mô hình hóa các động cơ
Theo định luật 2 Newton ta có: ma  F  mx   F

(2.3)

Xét khối m1

m1 x1  k1 ( x2  x1 )  c1 ( x2  x1 )  f1 (t ) (2.1)

(2.4)

 m1 x1  c1 x1  c1 x2  k1 ( x1  x2 )  f1 (t )
Xét khối m2 :

m2 x2  k2 ( x3  x2 )  c2 ( x3  x2 )  k1 ( x2  x1 )  c1 ( x2  x1 )  f 2 (t )
 m2 x2  c1 x1  (c1  c2 ) x2  c2 x3  (k1  k2 ) x2  k1 x1  k2 x3  f 2 (t )
Tƣơng tự với các khối khác ta có kết quả

Trang 13

(2.5)


Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

m1 x1  c1 x1  c1 x2  k1 ( x1  x2 )  f1 (t )
m x  c x  (c  c ) x  c x  (k  k ) x  k x  k x  f (t )
1
2
2
2 3
1
2
2
1 1

2 3
2
 2 2 1 1
m3 x3  c2 x2  (c2  c3 ) x3  c3 x4  (k2  k3 ) x3  k2 x2  k3 x4  f 3 (t )

m4 x4  c3 x3  (c3  c4 ) x4  c4 x5  (k3  k4 ) x4  k3 x3  k4 x5  f 4 (t )
m5 x5  c4 x4  (c4  c5 ) x5  c5 x6  (k4  k5 ) x5  k4 x4  k5 x6  f 5 (t )

m6 x6  c5 x5  c5 x6  k5 x6  k5 x5  f 6 (t )

Từ hệ phƣơng trình trên suy ra đƣợc hệ phƣơng trình nhƣ sau
m11  c11  c1 2  k1 (1   2 )  f1 (t )

m2 2  c11  (c1  c2 ) 2  c23  (k1  k2 ) 2  k11  k23  f 2 (t )

m33  c2 2  (c2  c3 )3  c3 4  (k2  k3 )3  k2 2  k3 4  f 3 (t )

m4 4  c33  (c3  c4 ) 4  c45  (k3  k4 ) 4  k33  k45  f 4 (t )
m   c   (c  c )  c   (k  k )  k   k   f (t )
4
5
5
5 6
4
5
5
4 4
5 6
5
 5 5 4 4

m   c   c   k   k   f (t )
6
 6 6 5 5 5 6 5 6 5 5

Đặt Ti (t )  li f1 (t )  li mii ta đƣợc
T1 (t )  l1[c11  c1 2  k1 (1   2 )]

T2 (t )  l2 [c11  (c1  c2 ) 2  c23  (k1  k2 ) 2  k11  k23 ]

T3 (t )  l3[c2 2  (c2  c3 )3  c3 4  (k2  k3 )3  k2 2  k3 4 ]

T4 (t )  l4 [c33  (c3  c4 ) 4  c45  (k3  k4 ) 4  k33  k45 ]
T (t )  l [c   (c  c )  c   (k  k )  k   k  ]
5 4 4
4
5
5
5 6
4
5
5
4 4
5 6
 5
T (t )  l [c   c   k   k  ]
6 5 5
5 6
5 6
5 5
 6

Trang 14


Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

2.4.3 Tính vận tốc góc của từng đốt của robot

Hình 2.2 : Mô hình hóa robot n khớp
Ta có phƣơng trình tổng quát của Lagrange

d
dt

 dLi  L
 Qi


 di  i

(2.6)

L K P

Trong đó :
K : Động năng của hệ thống
P : Thế năng của hệ thống
Qi : Lực tổng quát liên kết với các tọa độ  i
Tọa độ trong tâm của mỗi khâu dƣới dạng tổng quát
Trang 15

Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

i 1

xi   l j cos j  di cosi
j 1

(2.7)

i 1

yi   l j cos j  di sin i
j 1

Vận tốc của mỗi khâu theo phƣơng x và y
i 1

xi   l j j sin  j  di sin i
j 1

(2.8)

i 1

yi   l j j cos j  di cosi
j 1

i 1

xi   lii sin i dii sin i
j 1

i 1

yi   lii cosi dii cosi
j 1

Do đó ta có
vi2  x 2  y 2

(2.9)

Động năng của các mỗi khâu

Ki 

1 2 1
1
1
I ii  mi vi2  I ii2  mi ( xi2  yi2 )
2
2
2
2

(2.10)

Thế năng P =0 nên ta có

L=K – P = K – 0 = K
1 2 1
I ii  mi ( xi2  yi2 )
2
2
i 1

1
1  i 1
Li  I ii2  mi ( lii sin i dii sin i ) 2  ( lii cosi dii cosi ) 2 
2
2  j 1
j 1

Li 

(2.11)

Suy ra
i 1
 i 1

dLi
 I ii  mi di2i   l j di j sin  j sin i   l j di j cos j cosi 
di
j 1
 j 1


Trang 16

(2.12)


Chƣơng II : Tính Toán Động Lực Học Robot

i 1
 i 1

  l j j sin  j sin i   l j j cos j cosi

j 1
 j 1

i 1
i 1


d  dLi 
2
2

  I ii  mi di i  mi di    l j j cos j sin i   l j ji sin  j cosi 
dt  di 
j 1
 j 1

 i 1

i 1

  l j j2 sin  j cosi   l j ji cos j sin i 
 j 1

j 1

i 1
 i 1

Li
 mi di  l j ji sin  j cosi   l j ji cos j sin i 
i
j 1
 j 1

i 1
 i 1

l

sin

sin


l j j cos j cosi
 j j


j
i

j 1
 j 1

i 1
i 1




Li
d dLi
 I ii  mi di2i  mi di    l j j2cos j sin i   l j ji sin  j cosi 


dt  di  i
j 1
 j 1

 i 1

i 1
  l j j2 sin  j cosi   l j ji cos j sin i 
 j 1
j 1

i 1
 i 1

 mi di   l j ji sin  j cosi   l j ji cos j sin i 
j 1

 j 1


i 1
 i 1

l

sin

sin


l j j cos j cosi 

j
i
 j j
d  dLi  Li
j 1
j 1

 I ii  mi di2i  mi di  i 1


i 1


dt  di  i
2

2
   l j j cos j sin i   l j j sin  j cosi 
j 1
 j 1


Vế phải của phƣơng trình Lagrange ta có mô hình lực và moment nhƣ hình dƣới

Trang 17

(2.13)

(2.14)

(2.15)