Mô hình hoá và điều khiển robot rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN PHƯỚC

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S K C0 0 3 5 9 7

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN PHƯỚC

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN PHƯỚC

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN MINH TÂM

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN VĂN PHƯỚC
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 12/06/1984
Nơi sinh: Quảng Ngãi
Quê quán: Tịnh Thọ - Sơn Tịnh – Quảng Ngãi
Dân tộc : Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 35 Hữu Nghị - Bình Thọ - Thủ Đức – Tp.HCM
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:0903.084.048
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Qui
Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 10/ 2010
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Luận văn: Nghiên Cứu Phần Mềm Revit Mep 2010 trong ngành điện
Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Ngày 10 tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
10/2010 – 8/2012
3/2011 - nay

Nơi công tác
Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao
Đẳng Công Thương Tp.HCM

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Công việc đảm nhiệm
Học viên
Giảng viên

i


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 9 tháng 09 năm 2012

Nguyễn Văn Phước

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý tận tình của quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và Ban Lãnh Đạo trường Cao Đẳng Công Thương
Thành Phố Hồ Chí Minh.

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là những thầy
cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Minh Tâm, thầy đã dành rất nhiều
thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn
thạc sĩ.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Cao Đẳng Công
Thương Thành Phố Hồ Chí Minh cùng quí thầy cô khoa Điện – Điện Tử đã tạo
nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khoá học.
Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện cho tôi về
kinh tế cũng như tinh thần trong suốt quá trình làm luận văn.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và
năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012
Học viên

Nguyễn Văn Phước

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

TÓM TẮT
Luận văn “Mô Hình Hoá Và Điều Khiển Robot Rắn” giới thiệu về việc xây

dựng phƣơng trình động lực học và mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phƣơng pháp
điều khiển chuyển động của robot rắn chuyển động theo đƣờng cong Serpenoid. Tối
ƣu các thông số của mô hình.
Điều khiển chuyển động của robot rắn bằng cách điều khiển: hƣớng, vận tốc
và góc phi. Thiết kế các bộ điều khiển PID để điều khiển chuyển động của robot rắn
và tối ƣu các thông số PID sử dụng giải thuật bầy đàn PSO. Xây dựng mô hình hoá
và mô phỏng sử dụng phần mềm matlab 7.6.
So sánh kết quả giữa 2 giải thuật tối ƣu các thông số PID sử dụng PSO và
giải thuật gen duy truyền GA. Đánh giá kết quả của 2 giải thuật.
Thi công mô hình thực nghiệm cho robot rắn, điều khiển từ máy tính thông
qua cổng USB

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƢƠC

iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

ABSTRACT
Thesis “Modelling and Controling of Snake Robot” presents the
establishment of the motivation equation and model for snake robot, studies some
methods of controlling snake robot's movements according to Serpenoid curve and
optimizes parameters of the model.
Some motion control of the snake robot is introduced such as direction,
speed and  angle. Also, the design of PID controller of operating the snake robot's
movements with parameters optimized by a particle swarm optimization approach
(PSO) is presented. Besides, a simulation for snake robot will be conducted on

Matlab 7.6.
The results between two algorithms optimized PID parameters using PSO
and genetic algorithm GA will be compared, and the results of the two algorithms
should be evaluated.
The experimental model for the snake robot is conducted by controlling from
a computer via the USB port.

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƢƠC

v


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

MỤC LỤC
TRANG TỰA

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ........................................................................................................ i
Lời cam đoan .......................................................................................................... ii
Lời cám ơn ............................................................................................................ iii
Tóm tắt ................................................................................................................... iv
Mục lục ................................................................................................................. vi
Danh sách các chữ viết tắt ..................................................................................... ix
Danh sách các hình ................................................................................................. x
Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về robot và các kết quả nghiên cứu đã công bố ............................ 1
1.1.1 Tổng quan về robot: ............................................................................... 1
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố ....................................................... 2
1.2 Mục đích của đề tài ....................................................................................... 3
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài ........................................................... 4
1.3.1 Nhiệm vụ ............................................................................................... 4
1.3.2 Giới hạn ................................................................................................. 4
1.4 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 4
Chƣơng 2. MÔ HÌNH HOÁ ROBOT RẮN
2.1 Lực ma sát nhớt của robot rắn ....................................................................... 6
2.2 Phương trình chuyển động ............................................................................. 9
2.3 Phân ly động lực học ................................................................................... 14
Chƣơng 3.PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
RẮN
3.1 Đường cong Serpenoid ................................................................................ 17
3.2 Sự di chuyển hình rắn .................................................................................. 21

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

3.3 Hiệu suất chuyển động ............................................................................... 24
Chƣơng 4. GIẢI THUẬT TỐI ƢU BẦY ĐÀN
4.1 Lịch sử phát triển ........................................................................................ 28
4.2 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn............................................. 31

4.3 Mô tả thuật toán .......................................................................................... 31
4.4 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO ............................ 34
4.4.1 Mã hóa cá thể ...................................................................................... 34
4.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu ................................................................... 36
4.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) ............................................................ 37
4.4.4 Hàm vận tốc v ...................................................................................... 37
4.4.5 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể ................................................ 38
4.5 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO ................................................... 40
4.5.1 Đặc điểm .............................................................................................. 40
4.5.2 Ứng dụng ............................................................................................ 41
4.6 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn................................. 41
Chƣơng 5. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN TRÊN
MATLAB
5.1 Thiết kế bộ điều khiển robot rắn ................................................................. 43
5.1.1 Bộ điều khiển địa phương..................................................................... 44
5.1.2 Bộ điều khiển vòng ngoài ..................................................................... 45
5.2 Xây dựng phương trình toán học trên Matlab ............................................. 45
5.3 Xây dựng mô hình cho bộ điều khiển địa phương ........................................ 56
5.4 Xây dựng mô hình cho bộ điều khiển vòng ngoài ........................................ 57
5.4.1 Bộ điều khiển vận tốc ........................................................................... 57
5.4.2 Bộ điều khiển hướng ............................................................................ 58
5.5 Xây dựng bộ điều khiển rắn trên matlab ..................................................... 58
5.6 Kết quả mô phỏng sử dụng giải thuật PSO .................................................. 59
5.7 Kết quả mô phỏng hệ thộng điều khiển robot rắn ......................................... 61

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

vii

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

Chƣơng 6.SO SÁNH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID DÙNG GIẢI
THUẬT PSO VÀ GIẢI THUẬT GA
6.1 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật GA ........................................ 67
6.1.1 Thiết kế bộ điều khiển địa phương ....................................................... 67
6.1.2 Thiết kế bộ điều khiển hướng và vận tốc ............................................. 68
6.2 Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 70
6.3 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO ....................................... 75
6.4 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải
thuật GA khi thay đổi vận tốc ........................................................................... 79
6.5 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải
thuật GA khi môi trường thay đổi ...................................................................... 84
6.6 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và
giải thuật GA khi các thông số thay đổi ............................................................. 85
6.7 Nhận xét kết quả.......................................................................................... 86
Chƣơng 7. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT RẮN
7.1 Chọn động cơ cho robot rắn......................................................................... 87
7.1.1 Giới thiệu về động cơ Dynamixel AX-12A .......................................... 87
7.1.2 Đặc tính kỹ thuật của động cơ Dynamixel AX-12A .............................. 88
7.2 Thiết kế cơ khí............................................................................................. 89
7.3 Thiết kế mạch giao tiếp giữa robot và máy tính ........................................... 93
Chƣơng 8. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
8.1 Những kết quả đạt được............................................................................... 95
8.2 Những mặt hạn chế:..................................................................................... 95
8.3 Hướng phát triển của đề tài.......................................................................... 95
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 97
Phụ lục 1 .............................................................................................................. 99

Phụ lục 2 ............................................................................................................ 100

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PID (Proportional–Integral–Derivative): Viết tắt của ba thành phần cơ bản
có trong bộ điều khiển (khuếch đại (P)), tích phân (I), và vi phân(D)
PSO (Particle swarm optimization): Tối ưu hoá bầy đàn
GA (Genetic Algorithms): Thuật toán di truyền

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Các robot rắn đã được công bố................................................................. 3
Hình 2.1: Robot rắn gồm n đoạn, (n – 1) khớp ......................................................... 5
Hình 2.2: Đoạn vi phân của khâu thứ i..................................................................... 6
Hình 2.3: Phân tích lực tác động lên đoạn thứ I của robot rắn .................................. 9
Hình 3.1a: Đường cong serpernoid với b = 2π và c = 0 .......................................... 18
𝜋

Hình 3.1b: Đường cong serpernoid với a = và c = 0 ............................................ 18
2

𝜋

Hình 3.1c: Đường cong serpernoid với a = và b = 10π ........................................ 19
2

Hình 3.2: Đường cong serpernoid được xấp xỉ bởi 4 đoạn thẳng............................ 20
Hình 3.3a: Chuyển động hình rắn (γ = 0) ............................................................... 22
Hình 3.3b: Chuyển động hình rắn (γ = 10 deg) ...................................................... 23
Hình 3.4: Đồ thị của tốc độ trung bình ave(v) theo ω và γ ..................................... 23
Hình 3.5: Đồ thị của tốc độ góc trung bình ave(ξ) theo ω và γ ............................... 24
Hình 3.6: Sự kết hợp tối ưu tốc độ và năng lượng .................................................. 26
Hình 3.7: Các thông số tối ưu (α, β, ω) .................................................................. 26
Hình 3.8: Quan hệ giữa đoạn β và số đoạn n của Robot rắn ................................... 27
Hình 3.9: Đồ thị α với tỉ số ct / cn .......................................................................... 27
Hình 4.1: Mô tả kiến tìm đường............................................................................. 29
Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO ..................................................... 33
Hình 4.3: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học................................................. 36
Hình 4.4: Chuyển động cá thể................................................................................ 38
Hình 4.5: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn ............................................ 41

Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID .............................. 42
Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển .................................................................. 44
Hình 5.2: Cấu trúc bộ điều khiển địa phương......................................................... 44
Hình 5.3: Sơ đồ khối tổng quát của Robot rắn ....................................................... 51

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

x


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

Hình 5.4: Sơ đồ chi tiết khối “Snake Robot” .......................................................... 52
Hình 5.5: Sơ đồ bộ điều khiển địa phương ............................................................. 56
Hình 5.6: Sơ đồ chi tiết bộ điều khiển CΦ .............................................................. 56
Hình 5.7: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( Cυ ) của Robot Rắn ................. 57
Hình 5.8: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( Csi ) của Robot Rắn ................. 58
Hình 5.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật PSO .. 58
Hình 5.10: Đồ thị hàm thích nghi của quá trình tối ưu ........................................... 60
Hình 5.11: Đồ thị hàm Kp1, Ki1 và Kd1 trong quá trình tối ưu ............................. 60
Hình 5.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) .................... 62
Hình 5.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) .................................. 62
𝜋

Hình 5.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad).................... 63
4

𝜋

Hình 5.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) .................................. 64
4

𝜋

Hình 5.16: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad).................... 65
2

𝜋

Hình 5.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) .................................. 66
2

Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển CΦ trên Matlab ..................................... 67
Hình 6.2: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Cυ trên Matlab ....................................... 69
Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Cξ trên Matlab ....................................... 69
Hình 6.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật GA.... 70
Hình 6.5: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad .............................. 71
Hình 6.6: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad............................................. 72
Hình 6.7: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad ........................... 73
Hình 6.8: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad.......................................... 73
Hình 6.9: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad ........................... 74
Hình 6.10: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad ........................................ 74
Hình 6.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng giải thuật PSO ..................... 75
Hình 6.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) .................... 76
Hình 6.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) .................................. 76
Hình 6.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

𝜋
4

(rad) ................... 77

xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

Hình 6.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=

𝜋
4

(rad).................................. 77

Hình 6.16: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=
Hình 6.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=

𝜋
2

𝜋
2

(rad) ................... 78

(rad).................................. 79

Hình 6.18: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= 0 (rad) ................ 80
𝜋

Hình 6.19: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= (rad)................. 80
4
𝜋

Hình 6.20: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= (rad)................. 80
2

*

*

Hình 6.21: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν =1 (m/s) và ξ =
Hình 6.22: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=

𝜋
2
𝜋
4

(rad) ................... 81
(rad) ................... 81

Hình 6.23: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) ................... 82
Hình 6.24: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= 0 (rad) ................ 82

𝜋

Hình 6.25: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= (rad)................. 83
4
𝜋

Hình 6.26: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= (rad)................. 83
2

*

*

Hình 6.27: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν =1 (m/s) và ξ = 0 (rad) ................... 84
Hình 6.28: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) ................... 84
Hình 6.29: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) ................... 85
Hình 6.30: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) ................... 85
Hình 7.1: Động cơ Dynamixel AX-12 ................................................................... 88
Hình 7.2: Mô hình tổng thể của robot rắn .............................................................. 89
Hình 7.3a: Khớp liên kết giữa hai động cơ............................................................. 90
Hình 7.3b: Sơ đồ lắp ráp hai đoạn của robot rắn .................................................... 90
Hình 7.4: Khớp nối trên của robot rắn ................................................................... 90
Hình 7.5: Khớp nối dưới của robot rắn .................................................................. 91
Hình 7.6: Sơ đồ chân của động cơ ......................................................................... 91
Hình 7.7: Sơ đồ liên kết giữa các động cơ.............................................................. 91
Hình 7.8: Mặt trên của robot rắn ............................................................................ 92
Hình 7.9: Mạch chuyển đổi tín hiệu sang giao tiếp bán song công ......................... 93
Hình 7.10: Sơ đồ nguyên lý mạch FT232 .............................................................. 94

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

xii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về robot và các kết quả nghiên cứu đã công bố.
1.1.1 Tổng quan về robot:
Trong quá trình phát triển của đất nước nói chung, sự nghiệp công nghiệp
hoá và hiện đại hoá nói riêng là rất quan trọng. Nước ta thuộc những nước kém phát
triển có nền công nghiệp sản xuất lạc hậu, do đó phương châm của chúng ta là đi tắt
đón đầu, ứng dụng thành tựu về khoa học công nghệ hiện đại của thế giới để đẩy
nhanh giai đoạn phát triển. Điều đó đòi hỏi mỗi chúng ta đều phải nỗ lực đóng góp
công sức của mình. Việc học tập, nghiên cứu lý thuyết phải gắn liền với thực tiễn
của cuộc sống và sự phát triển của khoa học.
Trên thế giới gần nửa thế kỉ trở lại đây Robot đã được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là tự động hoá sản xuất, với ưu thế đặc biệt
về tính công nghệ, năng xuất và hiệu quả sản xuất.
Với cách di chuyển nhẹ nhàng và đa dạng, rắn cho thấy khả năng di chuyển
hợp lý trên nhiều môi trường và địa hình khác nhau. Vì vậy những robot di chuyển
giống cách di chuyển của loài rắn trong tự nhiên đang được tích cực nghiên cứu,
chúng cho thấy tính thích nghi với điạ hình rất tốt. Với cách di chuyển giống như
loài rắn, robot này có thể luồn lách qua các khe hẹp, có thể di chuyển ở những địa
hình không bằng phẳng hay lầy lội, thậm chí có thể bơi hoặc trèo lên cây. Với
những khả năng đó, robot rắn ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh

vực như: kiểm tra, nạo vét các đường ống; tìm kiếm nạn nhân trong các vụ hỏa
hoạn, động đất; dò thám trong quân sự. Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “ Mô Hình Hoá
Và Điều Khiển Robot Rắn” để nghiên cứu.
 Khó khăn chủ yếu trong điều khiển robot rắn là:
- Xây dựng mô hình robot rắn (nhiều biến)
- Phương trình Robot rắn phi tuyến, phức tạp

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

- Xây dựng cơ chế chuyển động như rắn
- Các hệ số ma sát có thể thay đổi trong phạm vi rộng tuỳ thuộc vào địa hình.
- So với robot di chuyển trên bánh xe thì mô hình và cơ chế chuyển động của
robot rắn phức tạp hơn nhiều.
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước
 Các kết quả công bố ngoài nước:
- Năm 1996, hai nhà khoa học Jim Ostrowski thuộc trường đại học kỹ thuật và
ứng dụng Pensylvania, Philadelphia, Hoa kỳ và Joel Burdick thuộc học viện kỹ
thuật và ứng dụng California, Hoa kỳ, với đề tài nghiên cứu “Gait Kinematics for a
Serpentin Robot”, đề tài dựa trên những ràng buộc về động học để mô tả chuyển
động của robot rắn và trình bày kết quả mô phỏng chuyển động của robot này.
- Năm 2002, trường đại học kỹ thuật King Mongkut, Thái Lan, với đề tài nghiên
cứu “Analysis and Design of A Multi-Link Mobile Robot” đã đưa ra kết quả về sự
phân tích động lực học của robot rắn.

- Năm 2007, nhà khoa học Seif Dalilsafaei thuộc đại học Qazvin, Iran, với đề
tài “Dynamic Analyze of snake robot”, đã đưa ra các kết quả về phân tích động lực
học robot rắn và tính toán lực dọc và lực tiếp tuyến dọc theo thân của robot rắn.
- Năm 1975, viện kỹ thuật Tokyo đã nghiên cứu và chế tạo ra mô hình robot rắn
có chiều dài 2 m, được nối với nhau bởi 20 khớp chuyển động song song với mặt
đất và di chuyển với vận tốc 40cm/s, robot này được đặt tên là ACM – III. Từ khi ra
đời, robot ACM – III không ngừng được cải tiến để cho ra đời những phiên bản tiếp
theo. Phiên bản mới nhất là robot rắn ACM – R5 ra đời vào năm 2006, ngoài những
tính năng vượt trội các phiên bản robot rắn trước đây về kích thước, tốc độ, sự linh
hoạt … , robot này còn có khả năng bơi trong nước.

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

Một số kết quả đã nghiên cứu về lĩnh vực này được công bố các hình ảnh bên
dưới:

Hình 1.1. Các Robot rắn đã được công bố
 Các kết quả công bố trong nước:
Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và chế tạo các loại robot chuyển động
giống các loài vật trong tự nhiên cũng đã có sự bắt đầu, chẳng hạn như mô hình
robot cá của nhóm sinh viên đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Tuy
nhiên việc nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc thực hiện mô hình, chứ chưa có sự nghiên
cứu sâu về động lực học để xây dựng mô hình toán học và các phương pháp điều

khiển tối ưu.
1.2 Mục đích của đề tài.
- Xây dựng mô hình robot rắn.
- Nghiên cứu cơ chế điều khiển chuyển động của robot
- Xây dựng hệ thống điều khiển theo 2 cấp: Điều khiển địa phương và điều
khiển vòng ngoài.
- Tối ưu thông số các bộ điều khiển PID dùng giải thuật PSO
- Mô phỏng hệ thống điều khiển
- Thiết kế và thi công mô hình robot rắn
- So sánh kết quả tối ưu thông số PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài.
1.3.1 Nhiệm vụ:
Trong đề tài này sẽ xây dựng mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phương thức
điều khiển chuyển động của robot rắn, thiết kế hệ thống điều khiển robot rắn, mô
phỏng chuyển động của robot rắn trên phần mềm Matlab và thi công mô hình thực
nghiệm robot rắn .
1.3.2 Giới hạn:
Đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu sự di chuyển của robot rắn trong không gian
hai chiều, chỉ hoạt động trên địa hình bằng phẳng và không có chướng ngại vật.
1.4 Phương pháp nghiên cứu.

Nghiên cứu lý thuyết đồng thời mô phỏng chuyển động của robot rắn trên
Matlab và thi công mô hình thực nghiệm robot rắn.

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

Chương 2

MÔ HÌNH HOÁ ROBOT RẮN
Trong chương này, chúng ta sẽ xây dựng mô hình toán học của robot rắn. Xét
robot rắn gồm n đoạn kết nối với nhau qua (n-1) khớp. Giả thiết mỗi đoạn có khối
lượng phân bố đều. Ở mỗi khớp có một động cơ truyền động cho robot (hình 2.1).
Đề tài này chỉ xét robot rắn di chuyển trong mặt phẳng hai chiều. Trong trường hợp
này hệ thống có (n+2) bậc tự do ( (n-1) cho hình dạng, 2 cho vị trí và 1 cho hướng).
Chúng ta sẽ xây dựng phương trình động lực học của chuyển động với robot rắn
trong hai trường hợp ma sát nhớt và ma sát Coulomb.

Hình 2.1 Robot rắn gồm n đoạn, n-1 khớp
Robot gồm n đoạn, tọa độ trọng tâm của mỗi đoạn là  xi , yi  , góc hợp bởi mỗi
đoạn với phương ngang là  i , chiều dài của mỗi đoạn là 2li ,  x và  y lần lượt là
tọa độ của điểm trọng tâm theo phương x và phương y.

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM

2.1 Lực ma sát nhớt của robot rắn
Xét đoạn thứ i của robot rắn mô tả trong hình 2.2.

Hình 2.2 Đoạn vi phân của khâu thứ i.
Trong đó:
Chiều dài của đoạn thứ i là 2li .

xi , yi 

là tọa độ của trọng tâm của đoạn thứ i.

f i là lực ma sát giữa đoạn thứ i và mặt phẳng trượt.

p i là vectơ vận tốc của đoạn vi phân ds.

v~ti và v~ni lần lượt là vận tốc theo phương tiếp tuyến và phương pháp tuyến với
đoạn thứ i.
s là khoảng cách từ đoạn vi phân ds đến điểm trọng tâm của đoạn thứ i.

 i là góc hợp bởi đoạn thứ i với trục x.
Tọa độ của đoạn vi phân ds (hình 1.2) được cho bởi

 x  cosi 

pi   i   
s
y
sin

i
 i 

(2.1.1)

Lấy đạo hàm pi theo thời gian, ta được vectơ vận tốc trong hệ trục x-y:

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC

6


S

K

L

0

0

2

1

5

4