Xây dựng mô hình dao động hoàn chỉnh cho robot 6 chân dạng RHex có cột sống đàn hồi.

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT RHEX V2

11

Hình 1.1 Sprawl hexapods [1]

11

Hình 1.2 Lobster robot [1]

12

Hình 1.3 Entomopter robot [1]

12

Hình 1.4 Robot RHex Platform

13

Hình 1.5 Robot Shelly

14

Hình 1.6 Rugged-Rhex [4][5]

15

Hình 1.7 AQUA [4][5][6]

15

Hình 1.8 X-RHex

16

Hình 1.9 XRL robot

17

Hình 1.10 Edu robot

17

Hình 1.11 xJus robot

18

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CHO CÁC THÂN CỦA
ROBOT RHEX V2
23
Hình 2.1 Mô hình tại thời điểm sáu chân RHex V2 chạm đất

23

Hình 2.2 Mô hình hóa tại thời điểm ba chân RHex V2 chạm đất

24

Hình 2.3 Mô hình hóa cột sống robot Rhex V2

25

Hình 2.4 Mô hình hóa chân robot Rhex V2

26

Hình 2.5 Mô hình hóa các lực tác dụng lên chân

27

Hình 2.7 Mô hình hóa robot thành hệ nhiều vật

29

Hình 2.8 Mô hình hóa dao động của vật

31

Hình 2.9 Mô hình hóa dao động của vật

32

Hình 2.10 Mô hình hóa dao động của vật

35

Hình 2.11 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độ của thân M1 theo thời gian

53

Hình 2.12 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M1 theo thời gian

54

Hình 2.13 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M1 theo thời gian

54

Hình 2.14 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M1theo thời gian

54

Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M1 theo thời gian

55

Hình 2.16 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M1 theo thời gian

55

Hình 2.17 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M2 theo thời gian
1

56


Hình 2.18 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M2 theo thời gian

56

Hình 2.19 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M2 theo thời gian

57

Hình 2.20 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M2 theo thời gian

57

Hình 2.21 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M2 theo thời gian

57

Hình 2.22 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M2 theo thời gian

58

Hình 2.23 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M2 theo thời gian

58

Hình 2.24 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M2 theo thời gian

59

Hình 2.25 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M2 theo thời gian

59

Hình 2.26 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M2 theo thời gian

60

Hình 2.27 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M2 theo thời gian

60

Hình 2.28 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M2 theo thời gian

61

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠOROBOT RHEX V2

62

Hình 3.1 Quy trình thiết kế và chế tạo

62

Hình 3.2 Robot xJus [12]

63

Hình 3.3 Mô hình thiết kế Robot Rhex V2

64

Hình 3.4 Cụm chi tiết chân

64

Hình 3.5 Chân chữ C

65

Hình 3.6 Bản vẽ chân chữ C

66

Hình 3.7 Vấu trục

66

Hình 3.8 Bản vẽ vấu trục

67

Hình 3.9 Quy trình lốc ống

67

Hình 3.10 Cụm chân sau khi gia công xong

68

Hình 3.11 Cụm thân

68

Hình 3.12 Thân bên Robot

69

Hình 3.13 Bản vẽ thân bên

70

Hình 3.14 Thân giữa Robot

70

Hình 3.15 Bản vẽ thân giữa

71

Hình 3.16 Cụm thân robot sau khi gia công

72

Hình 3.17 Cụm chi tiết xương sống

73

Hình 3.18 Cột sống

74
2


Hình 3.19 Bản vẽ cột sống

74

Hình 3.20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

77

Hình 3.21 Board Arduion Mega 2560 R3[18]

79

Hình 3.22 Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega [19]

80

Hình 3.23 Sơ đồ các chân board Arduino Mega[20]

80

Hình 3.24 Mạch PID Driver for DC motor [21]

81

Hình 3.25 Động cơ planet [22]

82

Hình 3.26 Module RF CC1101 UART [23]

85

Hình 3.27 Tay PS2 [24]

87

Hình 3.28 Camera SJCAM 1000 Wi-Fi. [24]

91

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

93

Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ đo

93

Hình 4.2 Bộ đo dao động trên thân robot

96

Hình

4.3

Bộ

thu

dữ

liệu

kết

nối

máy

tính
96

Hình 4.4 Giao diện phầm mềm chuyển tín hiệu vào Excel

98

Hình 4.5 Giao diện của Matlab khi nhận file Excel

99

Hình 4.6 Bộ đo được đặt ở thân giữa của robot

100

Hình 4.7 Bộ đo dao động đặt ở thân sau robot

100

Hình 4.8 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 1 ứng với độ cứng lớn nhất của robot. . .101
Hình 4.9 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 1 ứng với độ cứng nhỏ nhất của robot..101

Hình 4.10 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 2 ứng với độ cứng lớn nhất của robot. 102
Hình 4.11 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 2 ứng với độ cứng nhỏ nhất của robot.102
Hình 4.12 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 3 ứng với độ cứng lớn nhất của robot. 103
Hình 4.13 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 3 ứng với độ cứng nhỏ nhất của robot 103
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN

105

TÀI LIỆU THAM KHẢO

107

PHỤ LỤC 1

108

PHỤ LỤC 2

154

PHỤ LỤC 3

155

PHỤ LỤC 4

156
3

4


Bảng danh sách kí hiệu
STT

TÊN

KÍ HIỆU

ĐƠN VỊ

1

Khối lượng của thân 1

M1

kg

2

Khối lượng của chân 2

M2

kg

3

Khối lượng của chân 3

M3

kg

4

Momen quán tính của chân 1

J b1

kg.m 2

5

Momen quán tính của chân 4

Jb4

kg.m 2

6

Momen quán tính của chân 5

J b5

kg.m 2

7

Momen động cơ 1

M dc1

N.m

8

Momen động cơ 2

M dc 4

N.m

9

Momen động cơ 2

M dc 5

N.m

10

Đường kính của chân 1

rb1

m

11

Đường kính của chân 2

rb 2

m

12

Đường kính của chân 2

rb 3

m

13

Lực tác dụng lên chân 1

Ft1

N

14

Lực tác dụng lên chân 2

Ft 2

N

15

Lực tác dụng lên chân 3

Ft 3

N

φi

Độ
N

16

Góc tại điểm tiếp xúc của bánh
hợp với phương thẳng đứng

17

Độ cứng của các chân thứ i

ki

18

Momen xoắn của động cơ

τ φi

N.m

19

Tọa độ suy rộng khâu 1

y1

rad

20

Tọa độ suy rộng khâu 2

y2

rad

21

Tọa độ suy rộng khâu 3

y3

rad

22

Độ cứng đàn hồi của chân 1

c1

N

23

Độ cứng đàn hồi của chân 2

c2

N

5

m

m
m


24
25
26

Độ cứng đàn hồi của chân 3
Độ cứng đàn hồi của cột sống

đàn hồi 1
Độ cứng đàn hồi của cột sống
đàn hồi 2

6

c3

N

c4

N

c5

N

m
m

m


Danh mục hình ảnh

7


Danh mục bảng biểu

Bảng 1. Các chi tiết gia công khác

76

Bảng 2. Các thiết bị của bộ đo dao động

95

8


Lời nói đầu
Song song với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, các ngành khoa học
về nghiên cứu robot phỏng sinh cũng ngày càng phát triển. Sự đa dạng trong cách
thức di chuyển của các loài sinh vật trong tự nhiên là một nguồn cảm hứng vô tận cho
các nhà khoa học phát triển nhiều robot có khả năng di chuyển phỏng theo hoạt động
của chúng. Nhóm cũng phát triển ý tưởng về robot phỏng sinh bắt nguồn từ việc yêu
thiên nhiên, đặc biệt rất thích thú với sự vận động linh hoạt của các loài sinh vật trong
tự nhiên. Chúng có khả năng di chuyển rất linh hoạt mà không cần tốn nhiều năng
lượng của cơ thể. Nhóm rất ấn tượng với cách thức di chuyển của loài côn trùng 6
chân mà đặc biệt là loài gián. Loài này có thể di chuyển với tốc độ gấp 50 lần chiều
dài của cơ thể mà chỉ tiêu tốn phần nhỏ năng lượng. Vì vậy, nhóm quyết định nghiên
cứu về hoạt động của loài gián để áp dụng vào việcnghiên cứu thiết kế, chế tạo một
robot có khả năng bắt chước hoạt động của loài côn trùng này. Đề tài mà nhóm lựa
chọn chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot dạng 6 chân có
khả năng vượt nhiều loại địa hình một cách dễ dàng bằng việc thay đổi độ cứng vững
của thân. Đây là đề tài khá mới, đóng góp thêm một hướng đi mới trong việc phát
triển robot dạng 6 chân có khả năng thích nghi với từng loại địa hình.
Lời cuối, nhóm sinh viên xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại học
Công Nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để nhóm có thể hoàn thành đề tài nghiên

cứu này. Nhóm xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS.Khổng Minh là giáo viên
trực tiếp hướng dẫn đề tài của nhóm, các thầy cô giáo trong bộ môn cơ điện tử và các
thầy cô giáo trong bộ môn sức bền vật liệu đã nhiệt tình giúp đỡ nhóm sinh viên hoàn
thành đề tài nghiên cứu này. Ngoài ra, nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến công ty Cổ
phần công nghiệp phụ trợ FV đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất, máy móc, trang
thiết bị hiện đại đề nhóm nghiên cứu hoàn thành tốt đề tài này.
Hà Nội, ngày 24 tháng 4 năm
2016
Nhóm sinh viên thực hiện
Định Thị Điệp
Phạm Văn Hậu
9


Phần mở đầu
Trong đề tài này, nhóm trình bày về việc tập trung xây dựng mô hình dao động toán
học cho các thân của robot 6 chân dạng RHex có cột sống đàn hồi. Nhóm quyết định
đi sâu vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một robot có khả năng vượt địa hình
một cách dễ dàng bằng việc thay đổi độ cứng vững của thân. Bài viết này, nhóm đã
xây dựng được mô hình dao động toán học cho 6 chân dạng RHex có cột sống đàn hồi
và đã mô phỏng được các dao động đó bằng phần mềm Matlab. Ngoài ra, nhóm đã
thiết kế và chế tạo một mô hình robot thực tế có các thân dao động với việc tham khảo
hình dạng và kích thước của robot xJus[12] để thực nghiệm, đo đạc và đánh giá về sự
dao động của các thân trong các địa hình khác nhau. Trong bài viết này nhóm cũng
trình bày việc thiết kế và chế tạo thành công bộ đo dao động có kích thước nhỏ gọn,
được kết nối với nhau bằng sóng RF để đo dao động trên các thân của robot và hiển thị
trên máy tính.Cuối cùng, nhóm cũng đã đưa ra được một số đánh giá về sự ảnh hưởng
của độ cứng vững của các thân robot so với khả năng vượt địa hình và tính ổn định của
robot dạng này. Bài viết này được chia thành 5 chương với các nội dung cụ thể như
sau: Chương 1 trình bày về robot phỏng sinh và quá trình lịch sử phát triển của robot

RHex, đồng thời trình bày tóm tắt các nội dung mà nhóm nghiên cứu. Chương 2,
nhóm tập trung xây dựng mô hình dao động toán học cho robot RHex V2 và mô phỏng
các dao động đó bằng phần mềm Matlab. Chương 3, trình bày quá trình thiết kế và
chế tạo robot RHex V2. Chương 4, trình bày việc chế tạo bộ đo dao động và thực hiện
đo dao động trên các thân của robot, đồng thời đưa ra các đánh giá về hoạt động của
robot trong các địa hình khác nhau. Chương 5, nhóm đưa ra các kết luận về quá trình
hoạt động của robot, ưu nhược điểm và hướng phát triển của đề tài trong tương lai.

10


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT RHEX V2
1.1 Tổng quan về robot phỏng sinh
Trong quá trình khảo sát về robot phỏng sinh, một số khái niệm được nhóm tìm hiểu
và tóm tắt lại như sau:
Mô phỏng sinh học là những mô tả chung về mặt kỹ thuật của một quá trình hoặc hệ
thống bắt chước sinh vật. Thuật ngữ này bắt nguồn từ hóa sinh học và áp dụng cho
một phạm vi vô hạn của các hiện tượng cơ học của sinh vật trong tự nhiên, từ việc
nghiên cứu quá trình hoạt động của một phần cơ thể hay toàn bộ sinh vật .
Robot phỏng sinh là robot được lấy cảm hứng từ sinh học như việc bắt chước hoạt
động, dáng dấp và các đặc điểm của sinh vật . Nó là sự kết hợp giữa việc nghiên cứu
các hoạt động của sinh vật và áp dụng chúng vào quá trình thiết kế, điều khiển robot.
Robot phỏng sinh rất đa dạng về số lượng, kích thước và chức năng. Nó được ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như khám phá sao hỏa, tìm kiếm người bị
nạn, vận chuyển, mang vác vật nặng… Dưới đây là một số loại robot phỏng sinh được
phỏng theo các hoạt động của các loài sinh vật trong tư nhiên.
Sprawl hexapods – Robot Sprawl dạng 6 chân

Hình 1.1 Sprawl hexapods [1]
Đây là dạng robot phỏng theo hoạt động của loài côn trùng 6 chân mà chủ yếu là loài

gián. Nó được phát triển bởi nhóm sinh viên trường đại học Stanford vào năm 2009.
11


Robot hoạt động dựa trên sự cộng hưởng của một hệ thống thủy khí. Robot này có thể
di chuyển với tốc độ cao, khoảng 2.3 m/s [1].
Robotic lobsters – Robot tôm

Hình 1.2 Lobster robot [1]
Robot Lobster hoạt động phỏng theo cách di chuyển của loài tôm hùm trong các môi
trường nước. Robot này được phát triển theo dự án nghiên cứu robot phỏng sinh dưới
nước của trường đại học Northeastern vào năm 2009. Robot loại có thể di chuyển dưới
dáy của hồ nước hoặc biển, nơi có nhiều sỏi đá và san hô [1].
Robot Entomopter

Hình 1.3 Entomopter robot [1]
Robot Entomopter được phát triển bởi các nhà nghiên cứu thuộc đại học Georgia
Institute of Technology nhằm bắt chước hoạt động của loài bướm. Nó được sử dụng
như một thiết bị giám sát và có thể bay cả trong nhà lẫn ngoài trời. Entomopter được
12


thiết kế để hoạt động ở 2 bầu khí quyển: một phiên bản trên mặt đất có trọng lượng 50
gram và một phiên bản được thiết kế để sử dụng trong vũ trụ. Robot Entomoper cũng
được phục vụ trong quá trình khá phá sao hỏa và nhiều lĩnh vực khác [1].
1.2 Lịch sử phát triển của robot RHex
RHex có tên đầy đủ là “ Robot Hexapod ’’, là một robot dạng 6 chân bắt chước hoạt
động của loài côn trùng 6 chân đặc biệt là loài gián .
RHex được nghiên cứu vào năm 1998 do DARPA(Defense Advanced Research
Projects Agency) tài trợ. Nguyên mẫu đầu tiên được xây dựng vào năm 1999 tại Đại

học Michigan. Robot RHex đã được nghiên cứu rộng rãi tại một số trường đại học
trong nhiều thập kỷ qua, trong đó có nhiều trường đại học nổi tiếng trên thế giới như
Đại học McGill, Đại học Carnegie Mellon, Đại học Pennsylvania và một biến thể của
RHex được thương mại hóa bởi Boston Dynamics là Rugged RHex. Trong quá trình
phát triển, RHex đã liên tục cải thiện qua các phiên bản khác nhau nhằm phát triển các
kĩ năng vượt địa hình cũng như khả năng chịu đựng của robot.
Sơ lược về lịch sử phát trển của robot Rhex tham khảo trong các tài liệu [4,5] được
trình bày như sau:
1.2.1 RHex Platform

Hình 1.4 Robot RHex Platform
RHex Platform được phát triển từ 1999 - 2004 trong một sự hợp tác giữa các trường
đại học liên McGill và một số trường đại học Mỹ, với sự tài trợ từ DARPA. RHex đã
liên tục được cải thiện trong nhiều năm qua. RHex là một robot nhỏ gọn và nhanh
nhẹn. Robot này có thể đi bộ và chạy với tốc độ lên đến 2,7 m/s trên địa hình phẳng, di
13


chuyển ngoài trời rất đa dạng. Ngoài ra, RHex có thể leo dốc trên 40 độ, vượt qua các
thanh ray của đường sắt và đi qua các địa hình gồ ghề, bụi gai [4]. RHex Platform tạo
ra một thiết kế đầu tiên về robot dạng 6 chân với khả năng vượt địa hình tốt, là tiền đề
cho các nghiên cứu tiếp theo về robot dạng này. Tuy nhiên, đây là sản phẩm nền tảng
nên thiết kế còn khá đơn giản và chưa phát triển được nhiều kĩ năng vượt địa hình như
leo cầu thang, bơi, lặn.
1.2.2 Shelly RHex

Hình 1.5 Robot Shelly
Trong năm 2001, Shelly RHex đã được chạy và trình diễn lần đầu tiên với khả năng lội
nước. Robot này có thể đi trên bãi biển và nổi trên bề mặt hồ. Nó bơi bằng 6 chân trên
bề mặt nước và bước trở ra trên đất qua những tảng đá. Để bảo vệ các thiết bị điện tử

từ tác động bên ngoài, bụi bẩn và độ ẩm, một dự án đã được thực hiện để thay thế vỏ
bằng composite. Shelley-RHex là một robot lưỡng cư được phát triển dựa trên nền
tảng robot Rhex Platform nhằm cải thiện khả năng vượt địa hình và có thể bơi được
trên mặt nước. Tuy nhiên, Shelly RHex còn gặp phải một số nhược điểm như vật liệu
làm thân khá giòn và thiết kế khó, đòi hỏi độ chính xác cao, chi phí tốn kém.

14


1.2.3 Rugged-RHex

Hình 1.6 Rugged-Rhex [4][5]
Robot Rugged RHex được thiết kế dựa trên sự kế thừa các tính năng của robot Shelly
và được sản xuất để phục vụ trong lĩnh vực thương mại. Điều này tạo nên sự quan tâm
từ các nhà tài trợ sau khi họ quan sát các về khả năng hoạt động của phiên bản trước là
robot Shelly RHex. Rugged RHex được thiết kế với khả năng mang thêm vật nặng có
tải trọng 2kg với khoảng cách đi lại là 2 km, thời gian hoạt động lên đến 6h và có khả
năng chống nước mưa [4]. Rugged RHex có là một robot lưỡng cư có khả năng vượt
địa hình rất tốt, được cải thiện kết cấu từ robot Shelly RHex. Robot này được module
hóa từng bộ phận nên dễ tháo lắp, thay thế. Tuy nhiên, Rugged RHex đã được thương
mại hóa nên giá thành cao.
1.2.4 AQUA

Hình 1.7 AQUA [4][5][6]
Robot AQUA được phát triển dựa trên nền tảng Rugged Rhex. Đây là dự án được
nghiên cứu tại Đại học McGill và trường Đại học York với sự tài trợ của
IRIS/PRECARN(Institute for Robotics and Intelligent Systems/Precarn Associates
15

Inc) và NSERC(Natural Sciecces and Engineering Research Council). Mục tiêu của dự
án là phát triển một robot có khả năng hoạt động dưới nước. Robot AQUA có thể lặn
sâu được 10m, hệ thống quan sát có khả năng tạo ra các bản đồ ba chiều của các rạn
san hô dưới biển . AQUA là một thiết kế đặc thù để lặn dưới nước. Việc thay thế các
chân thành các mái chèo giúp AQUA di chuyển tốt dưới nước. Tuy nhiên, việc chế tạo
robot AQUA là khó khăn vì các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và không thấm nước.
Ngoài ra, việc hoạt động trong môi trường nước yêu cầu vật liệu phải bền và không bị
ăn mòn bởi nước muối. Do vậy, việc chọn lựa vật liệu cũng gặp nhiều khó khăn.
1.2.5 X-RHex

Hình 1.8 X-RHex
X-RHex là phiên bản nâng cấp của Rhex được nghiên cứu tại trường Đại học
Pennsylvania vào năm 2013 với các cải tiến đáng kể về mặt kết cấu khi có thêm hệ
thống tải trọng trên thân robot cùng khả năng di chuyển linh hoạt. X-RHex được trang
bị nhiều kĩ năng như leo cầu thang, bật nhảy, lộn, leo đốc và khả năng nhận dạng mô
hình 3D của môi trường xung quanh. Trọng lượng của robot được giảm đáng kể, công
suất động cơ được cải thiện khi X-RHex được trang bị động cơ DC không chổi than
với độ bền cao và tiết kiệm năng lượng . Tuy nhiên, robot X-RHex vẫn còn tồn tại
một số nhược điểm như chế tạo phức tạp và giá thành cao.

16


1.2.6 XRL

Hình 1.9 XRL robot
X-RHex Lite (XRL) là robot được phát triển dựa trên nền tảng robot X-RHex với việc
nâng cao các kĩ năng và giảm thiểu kích thước. Robot XRL được thiết kế với kích
thước không gian gần giống như robot Rhex Platform, phía trên robot có thiết kế tay
cầm tiện lợi cho việc di chuyển, xung quanh khung của robot là một lớp vỏ hoàn toàn

bằng sợi carbon(tương tự như robot "Shelly-RHex") để làm vỏ bảo vệ robot và đặc
biệt là để làm cho thân robot cứng hơn khi gắn kết chân . So với X-RHex, robot XRL
có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như khả năng mang tải lớn hơn, chế tạo đơn giản hơn
và trọng tải cũng được giảm thiểu đáng kể. Tuy nhiên, cũng giống với robot
RHex, robot X-RHex Lite vẫn chưa tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng.
1.2.7 Edu robot

Hình 1.10 Edu robot

17

X-


Robot Edu được phát triển dựa trên robot Rhex platform được nghiên cứu bởi
IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) năm 2013.Robot Edu được
phát triển theo hướng nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ cứng chân so với khả năng di
chuyển của robot trên các dạng địa hình khác nhau. Sự khác biệt này tạo ra một tiền đề
cho sự phát triển một dòng robot Rhex có thể thay đổi độ cứng vững của chân thích
ứng với từng dạng địa hình khác nhau. Tuy nhiên, robot Edu vẫn còn tồn tại một số
nhược điểm như chưa giải quyết được mẫu thẫn lực nội bộ dẫn đến sự hao tổn về năng
lượng. Ngoài ra, việc chế tạo robot Edu cũng khá phức tạp.
1.2.8 xJus robot

Hình 1.11 xJus robot
Robot xJus được nghiên cứu bởi nhóm sinh viên trường Đại học Princeton năm 2013.
Nó là robot 6 chân dạng RHex đầu tiên được thiết kế với mô hình có thể điều chỉnh độ
cứng cột sống thụ động của thân nhằm lưu trữ năng lượng cơ thể và giảm hao tổn năng
lượng. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc điều chỉnh cột sống thụ động dẫn đến giảm
thiểu mô men động cơ khi đi trên địa hình bằng phẳng, cũng như cải thiện khả năng để

vượt qua những trở ngại lớn. Robot xJus được thiết kế theo hướng lưu trữ năng lượng
cơ thể và giảm thiểu hao tổn năng lượng do giảm thiểu được lực mâu thuẫn nội bộ .
Việc nghiên cứu và phát triển robot xJus tạo ra một hướng nghiên cứu mới đối với
robot Rhex dạng 6 chân, tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về sự ảnh hưởng của
độ cứng thân so với khả năng vượt địa hình và giảm thiểu năng lượng trong khi di
chuyển của robot.
18


1.2.9 Kết luận
Như vậy, trong suốt chiều dài của quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát triển
robot RHex Platform theo nhiều hướng khác nhau.
Các nghiên cứu của trường đại học liên McGill và một số trường đại học Mỹ với sự tài
trợ từ DARPA đã phát triển RHex từ năm 1999 - 2013 với việc phát triển nhiều hơn
các kĩ năng của robot qua từng phiên bản khác nhau như RHex Platform, Shelly RHex,
Rugged RHex, AQUA.
Trong cùng thời gian đó, các nhóm nghiên cứu của trường Đại học Pennsylvania cũng
phát triển Rhex Platform theo hướng trang bị thêm nhiều kĩ năng của robot với sự ra
đời của X-RHex và X-RHex Lites.
Một hướng nghiên cứu mới về sự ảnh hưởng của độ cứng chân so với khả năng vượt
các loại địa hình khác nhau được thực hiện bởi IEEE với sự ra đời của dòng robot Edu.
Năm 2013, các nghiên cứu trường Đại học Princeton đã đưa ra một thiết kế mới mẻ
đối với mô hình robot RHex Platform khi thêm vào robot một cột sống thụ động.
Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế một robot có khả năng tự
thích nghi với nhiều dạng địa hình thông qua viêc điều chỉnh độ cứng vững của thân.
Tóm lại, việc nghiên cứu RHex theo hướng phát triển thêm nhiều kĩ năng đã có nền
tảng từ trước. Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn chưa giải quyết được sự mâu thuẫn
nội lực bên trong robot. Nghiên cứu mới mẻ về việc thêm cột sống thụ động vào robot
là hướng nghiên cứu có rất nhiều tiềm năng và tạo ấn tượng mạnh mẽ đến nhóm sinh
viên. Tuy nhiên, các nghiên cứu của nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Princeton

mới chỉ dừng lại ở mức thực nghiệm, đo đạc trên robot xJus rồi đưa ra kết luận mà
chưa có một mô hình toán học hay mô hình dao động nào rõ ràng. Vì vậy, nhóm sinh
viên quyết định đi sâu vào việc giải quyết các bài toán về mô hình dao động toán học
của robot nhằm đưa ra các mối quan hệ về độ cứng vững thân so với khả năng vượt địa
hình, giảm thiểu mâu thuẫn nội lực và tối ưu hóa năng lượng. Đồng thời, nhóm nghiên
cứu cũng xây dựng mô hình thực nghiệm để đo đạc, so sánh nhằm đưa ra kết luận cụ
thể về sự ảnh hưởng của độ cứng thân so với khả năng vượt địa hình của robot, hướng
tới phát triển một robot có khả năng thích nghi với từng dạng địa hình bằng cách thay
đổi độ cứng vững của thân.
19


1.3 Tóm tắt nội dung đề tài
1.3.1 Lí do chọn đề tài
Trong quá trình học tập và nghiên cứu, nhóm rất thích thú khi quan sát cách di chuyển
của các loài sinh vật trong tự nhiên. Nhóm có ấn tượng đặc biệt với cách di chuyển của
loài côn trùng 6 chân mà chủ yếu là loài gián. Loài này có thể di chuyển rất nhanh mà
không tiêu tốn nhiều năng lượng. Vì vậy, nhóm đã quyết định nghiên cứu sâu vào sự
vận động của loài côn trùng này để áp dụng thiết kế, chế tạo một mobile robot có thể
bắt chước hoạt động của loài này. Ngoài ra, giáo viên hướng dẫn của nhóm cũng có
sở thích chung và có kiến thức nhất định về đề tài nghiên cứu này.
Trong quá trình khảo sát về dạng robot 6 chân vượt địa hình, nhóm thấy các nhà
nghiên cứu rất thành công trong việc phát triển các kĩ năng của robot RHex, việc điều
chỉnh độ cứng chân phù hợp với từng dạng địa hình của Edu robot. Tuy nhiên, trong
phạm vi khảo sát của nhóm, việc đưa ra một nghiên cứu cụ thể và đầy đủ về mối quan
hệ giữa độ cứng vững của thân so với khả năng vượt địa hình và giảm thiểu năng
lượng tiêu thụ thì chưa được trình bày một cách cụ thể và rõ ràng. Vì vậy nhóm đã
quyết định nghiên cứu sâu vào việc xây dựng mô hình toán học cho loại robot này
nhằm tìm được các mối quan hệ giữa độ cứng vững của thân so với khả năng vượt địa
hình và sự giảm thiểu năng lượng.

Trong phạm vi khảo sát của nhóm, các đề tài nghiên cứu về dạng robot 6 chân vượt địa
hình mà nhóm đã tìm hiểu từ trước đó chưa tổng hợp một cách đầy đủ về các mối
quan hệ giữa độ cứng vững của thân, chân so với khả năng vượt địa hình của robot 6
chân dạng RHex.
Việc tạo ra một robot có khả năng tự động thích nghi với từng dạng địa hình là một đề
tài rất thú vị và được nhiều nhà khoa học quan tâm.
1.3.2 Mục tiêu đề tài
Xây dựng mô hình dao động hoàn chỉnh cho robot 6 chân dạng RHex có cột sống đàn
hồi.
Thiết kế, chế tạo mô hình để thử nghiệm mô hình toán học đã được xây dựng từ trước
nhằm khảo sát mối quan hệ giữa kích thước của cột sống đàn hồi với dao động của
thân và chân robot.
20


1.3.3 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu mô hình dao động của hệ nhiều vật dao động.
Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa, mô phỏng hệ dao động của robot.
Nghiên cứu các phương pháp lập trình và điều khiển cho các động cơ điện một chiều.
Nghiên cứu các phương pháp về truyền thông không dây, các chuẩn truyền thông giao
tiếp và lập trình vi điều khiển.
Nghiên cứu các phương pháp xây dựng mô hình thực nghiệm cho robot.
1.3.4 Phương pháp nghiên cứu
a, Nghiên cứu các lí thuyết
Lí thuyết dao động để giải quyết các bài toán của hệ dao động nhiều vật
Nghiên cứu lí thuyết truyền thông không dây và các phương pháp điều khiển để xây
dựng hệ thống điều khiển.
Nghiên cứu mô phỏng mô hình dao động bằng phần mềm Matlap nhằm đưa ra các mối
quan hệ giữa độ cứng vững của cột sống đàn hồi so với sự dao động của các thân robot
khi di chuyển.

b, Nghiên cứu bằng thực nghiệm
Thực nghiệm đo đạc độ cứng của một số kết cấu trên robot như cột sống đàn hồi, chân.
Đo đạc dao dộng để đánh giá mối quan hệ giữa độ cứng của cột sống đàn hồi với các
phần dao động trên thân.
1.3.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a, Ý nghĩa khoa học
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng được mô hình dao động toán học cho robot RHex V2
nhằm đánh giá ảnh hưởng của kích thước cột sống đàn hồi với mức độ vượt địa hình
của robot RHex V2.
Tìm ra được mối quan hệ giữa sự dao động của các phần trên thân với kích thước của
cột sống đàn hồi.

21


b, Ý nghĩa thực tiễn
Tạo ra cơ sở nền tảng về mặt lí thuyết và thực nghiêm cho các nghiên cứu tiếp theo về
mô hình robot dạng này.
Đề ra một phương pháp mới trong việc điều chỉnh tính ổn định của robot dạng 6 chân
phù hợp từng loại địa hình, hướng tới phát triển một mobile robot có thể tự thích nghi
với các dạng địa hình khác nhau.

22


CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CHO CÁC THÂN CỦA
ROBOT RHEX V2
2.1 Mô hình hóa toán học dao động cho các thân của robot RHex V2
Robot RHex là một dạng robot phỏng sinh có sáu chân, quá trình chuyển động phức
tạp dưới nhiều lực tác dụng theo nhiều hướng khác nhau. Việc xây dựng mô hình để

mô tả các mối quan hệ của các phần robot trong dao động rất khó khăn. Tuy nhiên việc
mô hình hóa là rất cần thiết trong nghiên cứu dao động cũng như thiết kế, chế tạo và
điều khiển để hiểu rõ hơn hoạt động của robot vì vậy cần phải mô hình hóa.
Hiện tại, có rất nhiều công trình, bài báo nghiên cứu RHex theo nhiều hướng khác
nhau và nhiều mô hình đã được xây dựng. Nhưng chủ yếu là chỉ mô hình hóa từng
phần của robot. Ví dụ như dự án mô hình hóa

có đề cập tới mô hình hóa cột sống

robot , dự án nghiên cứu ảnh hưởng của chân tới chuyển động của Edu robot . Tuy
nhiên trong phạm vi nghiên cứu của nhóm chưa thấy bài báo khoa học nào nghiên cứu
dao động thân robot một cách rõ ràng. Do đó nhóm thực hiện quá trình mô hình hóa
dao động tổng thể robot.
Mô tả hoạt động của robot được chia thành các giai đoạn như sau:
- Giai đoạn 1: Giai đoạn xuất phát, sáu chân của robot tiếp xúc với mặt đất.

Hình 2.1 Mô hình tại thời điểm sáu chân RHex V2 chạm đất
23


-Giai đoạn 2: Chân 1, 3, 5 chạm đất và chân 2, 4, 6 quay trên không.

Hình 2.2 Mô hình hóa tại thời điểm ba chân RHex V2 chạm đất
- Giai đoạn 3: Chân 2, 4, 6 chạm đất và chân 1, 3, 5 vẫn chưa quay.
- Giai đoạn 4: Chân 1, 3, 5 quay và chân 2, 4, 6 làm trụ.
- Quá trình hoạt động của robot được lặp đi lặp lại theo các giai đoạn trên.
Trong đó: Giai đoạn 2 và 3 là hai giai đoạn đặc trưng. Ở trạng thái ba chân tiếp xúc với
mặt đường và ba chân không tiếp xúc, các chân đập xuống đất chịu tác dụng của mặt
đường cũng như sự điều khiển của động cơ. Vậy mô hình hóa dao động của robot
Rhex được xây dựng vào thời điểm đó.

24


2.2 Xây dựng phương trình vi phân dao động
2.2.1 Mô hình hóa cột sống
Cột sống được chế tạo dạng thanh với độ cứng vững cao khả năng đàn hồi chịu kéo,
nén tốt. Đảm bảo khả năng chịu tải trọng cao, khả năng làm việc linh hoạt.
Ta có công thức tính độ biến dạng của thanh dầm: s =

F
c

Trong đó:
s: Là độ biến dạng của dầm (m)
c: Là độ cứng của thanh dầm (N/m)
Lại có công thức tính độ biến dạng của lo xo: ∆l =

F
K

Trong đó :
K: Là độ cứng của lò xo (N/m)
F: Là lực tác dụng vào lò xo (N)
Từ đó ta có công thức tính độ biến dạng của thanh dầm tương đương với công thức
tính độ biến dạng của lò xo. Do vậy, có thể mô hình hóa thanh dầm như một lò xo.

Hình 2.3 Mô hình hóa cột sống robot Rhex V2
25