Che Tao Va Dieu Khien Robot Dang Nguoi
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.75 MB, 109 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
____________________
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
“CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
DẠNG NGƯỜI”
Giảng viên hướng dẫn:
TS. NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH
Giảng viên phản biện:
ThS. PHẠM BẠCH DƯƠNG
Sinh viên thực hiện:
LÊ QUANG THÀNH
MSSV:
08111120
Lớp:
081112A
Khóa:
2008-2012
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2012
i
Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Bộ Giáo dục và Đào tạo
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---o0o---
---o0o--Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
Bộ môn: Cơ Điện Tử
Số: TN2012.02.02.01
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin người thực hiện:
Họ và tên sinh viên: Lê Quang Thành
MSSV: 08111120
Ngành: Cơ Điện Tử
Lớp: 081112A
Điện thoại: 0933455448
Email:
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Trường Thịnh
Đơn vị: 1098
2. Tên đồ án: Chế tạo và điều khiển robot dạng người
Implementation and control of a humanoid robot
Nhiệm vụ đồ án:
-
Thiết kế, chế tạo Robot dạng người 10 bậc tự do sử dụng động cơ RC-Servo:
(Khung cơ khí và mạch điện điều khiển)
-
Mô hình hóa động học robot và mô phỏng chuyển động.
-
Ứng dụng nhân trắc học để xây dựng quỹ đạo robot.
-
Lập trình robot bước đi giống người.
3. Thời gian thực hiện:
Ngày giao nhiệm vụ: 04.03.2012, ngày hoàn thành 16.06.2012
Nội dung nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đã được thông qua Bộ môn.
Ngày
tháng
năm
Ngày
Bộ môn cơ điện tử
tháng
năm
Người hướng dẫn
i
LỜI CAM KẾT
-
Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển robot dạng người.
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Trường Thịnh
Giảng viên phản biện: ThS. Phạm Bạch Dương
Họ tên sinh viên: Lê Quang Thành
MSSV: 08111120
Lớp: 081112
Địa chỉ liên lạc: Số 36, đường Đỗ Xuân Hợp, Quận 9, TP. HCM
Số điện thoại liên lạc: 0933455448
Email:
Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp: 7/7/2012
Lời cam kết: “Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình
do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ bài
viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ
một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm”.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày……tháng 7 năm 2012
Ký tên
Lê Quang Thành
ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Tp.Hồ Chí Minh, Ngày
tháng
năm 2012
TS. Nguyễn Trường Thịnh
iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Tp.Hồ Chí Minh, Ngày
tháng
năm 2012
ThS. Phạm Bạch Dương
iv
LỜI CẢM ƠN
Đề tài này được phát triển lên từ một đồ án môn học, được sự ủng hộ của thầy
cô và bạn bè, nhóm chúng mình đã phát triển từ một phiên bản khác, tuy không thành
công nhưng qua đó mình và các bạn cũng đã có những giây phút cố gắng và nỗ lực
bên nhau. Mình xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn Tín, Hải, Khoa, Quyền,
Huy, mình tin rằng tuy không đạt được mục đích cuối cùng nhưng nhóm chúng ta
thực sự đã đã thành công.
Em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Thịnh, người trực tiếp hướng dẫn em
thực hiện đề tài này, em xin cảm ơn đến những giúp đỡ, động viên của thầy và đặc
biệt là những kiến thức cơ sở để em có thể thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Bạch Dương đã có những đóng góp để em
có thể hoàn thiện hơn đồ án của mình, thầy luôn là tấm gương mẫu mực để các thế hệ
sinh viên chúng em noi theo.
Cảm ơn tập thể lớp 08112, cảm ơn những khích lệ của các bạn mà mình tự tin hơn
khi thực hiện đề tại, cảm ơn các bạn tại phòng thí nghiệm Open Lab đã giúp đỡ mình
trong quá trình thực hiện mô hình.
Con cũng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh đã động viên, tạo điều kiện trong quá
trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng em xin gửi lời cám ơn đến toàn thể thầy cô trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và thầy cô bộ môn Cơ Điện tử đã ủng hộ, giúp đỡ em
trong quá trình thực hiện.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2012.
Sinh viên thực hiện
Lê Quang Thành
v
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................................................I
LỜI CAM KẾT ................................................................................................................................................ II
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................................................................... III
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ................................................................................................IV
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................... V
MỤC LỤC........................................................................................................................................................VI
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................................................IX
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................................................... XII
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................................................... XIII
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ......................................................................................................................................XIV
ABSTRACT ................................................................................................................................................... XV
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ................................................................................................ 1
1.1.
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT NGƯỜI. ......................................................................................... 1
1.2.
CÁC ỨNG DỤNG CỦA ROBOT ............................................................................................................. 2
1.3.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT NGƯỜI ........................................................................................... 5
1.4.
NỘI DUNG THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................................... 6
1.5.
GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: NHÂN TRẮC HỌC NGƯỜI VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI ......... 7
2.1.
NHÂN TRẮC HỌC NGƯỜI ................................................................................................................... 7
2.1.1.
Các khớp của chi trên ................................................................................................................ 7
2.1.2.
Các khớp của chi dưới ............................................................................................................... 7
2.2.
CÁC ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI ........................................................................................... 8
2.2.1.
Mô tả các khớp ........................................................................................................................... 8
2.2.2.
Mô tả về dáng đi ......................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA ROBOT ...................................................................................................... 13
3.1.
CÁC THÔNG SỐ, ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT .................................................................................. 13
3.2.
MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ROBOT ........................................................................................................ 14
3.3.
MA TRẬN BIỂU DIỄN ....................................................................................................................... 14
3.4.
CÁC PHÉP CHUYỂN VỊ MA TRẬN...................................................................................................... 16
3.4.1.
Phép biến đổi tịnh tiến ............................................................................................................. 16
3.4.2.
Phép biến đổi quay quanh các trục tọa độ .............................................................................. 17
3.5.
MÔ HÌNH HÓA CÁC KHỚP TRONG ROBOT ........................................................................................ 17
3.6.
ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT.............................................................................................................. 21
vi
3.6.1.
Phép quay Euler ....................................................................................................................... 22
3.6.2.
Phép quay RPY (Roll –Pitch- Yaw).......................................................................................... 22
3.7.
ĐỘNG HỌC NGHỊCH ROBOT ............................................................................................................. 23
3.7.1.
Sử dụng mạng Neural nhân tạo để giải động học nghịch robot ............................................. 23
3.7.2.
Khái niệm về ma trận Jacobi ................................................................................................... 24
3.7.3.
Giải thuật Levenberg – Marquardt .......................................................................................... 26
3.8.
THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO ROBOT ............................................................................................................. 27
3.8.1.
Phương trình mô tả quỹ đạo ................................................................................................... 28
3.8.2.
Quỹ đạo điểm bàn chân ............................................................................................................ 28
3.8.3.
Quỹ đạo điểm hông................................................................................................................... 30
3.9.
VẬN HÀNH TỪ VỊ TRÍ BAN ĐẦU VÀ TRỞ VỀ VỊ TRÍ BAN ĐẦU ........................................................... 33
3.10.
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG KẾT HỢP TRÊN BA TRỤC TỌA ĐỘ .................................. 34
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG ......................................................................... 36
4.1.
MÔ HÌNH TỔNG QUÁT ..................................................................................................................... 36
4.2.
THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ ................................................................................................................... 37
4.1.1.
Động cơ sử dụng....................................................................................................................... 37
4.1.2.
Thiết kế khớp............................................................................................................................. 38
4.1.3.
Thiết kế chân robot ................................................................................................................... 39
4.1.4.
Thiết kế tay................................................................................................................................ 39
4.1.5.
Mô hình tổng thể....................................................................................................................... 40
4.3.
THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN....................................................................................................................... 40
4.4.
PHẦN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ........................................................................................................ 41
CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ................................................................................. 43
5.1.
TÍNH TOÁN TRỰC TIẾP TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN ................................................................................... 43
5.2.
TÍNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC THÔNG QUA MÁY TÍNH ............................................................................ 44
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ......................................................................................................... 47
6.1.
PHẦN CƠ KHÍ................................................................................................................................... 47
6.2.
PHẦN ĐIỆN ...................................................................................................................................... 47
6.3.
PHẦN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ........................................................................................................ 48
6.4.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................................................................. 55
6.5.
ĐÁNH GIÁ ....................................................................................................................................... 62
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN .............................................................................................................................. 64
7.1.
KẾT QUẢ TRỰC TIẾP CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................................... 64
7.2.
QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU KÈM THEO ............................................................................................... 64
7.3.
NHỮNG KHÓ KHĂN KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 64
7.4.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................................................ 64
PHỤ LỤC ............................................................................................................................................................I
vii
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................................XXVIII
viii
DANH MỤC HÌNH
Hình1.1: Robot đánh chữ dạng người ................................................................... 1
Hình1.2: Robot Electro .......................................................................................... 1
Hình1.3: Robot Hubot của trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh ................... 2
Hình1.4: Robot làm hướng dẫn viên, dẫn chương trình ........................................ 3
Hình1.5: Robot cứu hộ người ................................................................................ 3
Hình1.6: Robot dùng trong lĩnh vực giải trí .......................................................... 4
Hình1.7: Robot phục vụ......................................................................................... 4
Hình1.8: Robot phục vụ......................................................................................... 5
Hình1.9: Hướng phát triển của robot người. ......................................................... 5
Hình1.10: Các khớp của chi trên ............................................................................. 7
Hình2.1: Các khớp của chi dưới ............................................................................ 7
Hình2.2: Mô tả các khớp trong cơ thể người......................................................... 8
Hình2.3: Thời gian các pha trong một chu kỳ ....................................................... 9
Hình2.4: Động tác thứ nhất của chân trụ ............................................................... 9
Hình2.5: Động tác thứ hai của chân trụ ................................................................. 9
Hình2.6: Động tác thứ ba của chân trụ ................................................................ 10
Hình2.7: Động tác thứ tư của chân trụ ................................................................ 10
Hình2.8: Động tác thứ năm của chân trụ ............................................................. 11
Hình2.9: Động tác thứ nhất của chân lắc............................................................. 11
Hình2.10: Động tác thứ hai của chân lắc ............................................................... 11
Hình2.11: Động tác thứ ba của chân lắc. ............................................................... 12
Hình 3.1: Các mặt phẳng ...................................................................................... 13
Hình 3.2: Diện tích chân trụ.................................................................................. 13
Hình 3.3: Mô hình toán học của robot .................................................................. 14
Hình 3.4: Biểu diễn một điểm trong hệ tọa độ...................................................... 15
Hình 3.5: Biểu diễn một hệ tọa độ trong một hệ tọa độ........................................ 15
Hình 3.6: Mô tả phép biến đổi tịnh tiến ................................................................ 16
Hình 3.7: Mô hình hóa robot................................................................................. 18
Hình 3.8: Sự định hướng của khâu chấp hành cuối .............................................. 21
Hình 3.9: Giải động học nghịch bằng mạng fuzzy ............................................... 24
ix
Hình 3.10: Cơ cấu robot hai khâu hai khớp............................................................ 24
Hình 3.11: Giải thuật Levenberg – Marquardt ....................................................... 26
Hình 3.12: Thiết kế quỹ đạo bước trên trục X, Y ................................................... 27
Hình 3.13: Quỹ đạo theo trục Z .............................................................................. 27
Hình 3.14: Đồ thị điểm chân theo phương X ......................................................... 29
Hình 3.15: Đồ thị điểm chân theo phương Y ......................................................... 30
Hình 3.16: Đồ thị điểm chân theo phương Z .......................................................... 30
Hình 3.17: Đồ thị điểm hông theo phương X ......................................................... 31
Hình 3.18: Đồ thị điểm hông theo phương Y ......................................................... 32
Hình 3.19: Đồ thị điểm hông theo phương Z. ........................................................ 33
Hình 3.20: Quỹ đạo vận hành từ vị trí đứng yên .................................................... 33
Hình 3.21: Chuyển hệ tọa độ .................................................................................. 34
Hình 3.22: Quỹ đạo trong mặt phẳng thứ nhất ....................................................... 35
Hình 3.23: Quỹ đạo trong mặt phẳng thứ hai ......................................................... 35
Hình 3.24: Quỹ đạo bước trong mặt phẳng thứ 3 ................................................... 35
Hình 4.1: Mô hình tổng quát hệ thống.................................................................. 36
Hình 4.2: Lực tác dụng lên robot .......................................................................... 37
Hình 4.3: Động cơ servo SG90............................................................................. 37
Hình 4.4: Thiết kế khớp ........................................................................................ 38
Hình 4.5: Thiết kế chân robot ............................................................................... 39
Hình 4.6: Thiết kế tay ........................................................................................... 39
Hình 4.7: Mô hình tổng thể Humanoid Robot ...................................................... 40
Hình 4.8: Thiết kế phần cứng điện ....................................................................... 41
Hình 4.9: Mô hình phần công nghệ thông tin ....................................................... 41
Hình 5.1: Toolbox Target for Microchip(TM) dsPIC .......................................... 44
Hình 5.2: Mô hình hệ thống điều khiển ................................................................ 44
Hình 5.3: Thuật toán tính động học nghịch .......................................................... 45
Hình 5.4: Mô hình tính quỹ đạo robot .................................................................. 45
Hình 6.1: Mô hình robot ....................................................................................... 47
Hình 6.2: Phần điện điều khiển ............................................................................ 48
Hình 6.3: Chương trình hỗ trợ tính các ma trận chuyển vị................................... 48
x
Hình 6.4: Sơ đồ khối phần công nghệ thông tin ................................................... 49
Hình 6.5: Giao diện chính chương trình điều khiển ............................................. 49
Hình 6.6: Chương trình con hỗ trợ thiết lập truyền thông. ................................... 50
Hình 6.7: Chương trình quản lý tham số động cơ ................................................ 51
Hình 6.8: Chương trình khảo soát hoạt động từng động cơ ................................. 51
Hình 6.9: Chương trình hiệu chỉnh chiều dài các khâu. ....................................... 52
Hình 6.10: Chương trình mô phỏng quỹ đạo 2D .................................................... 53
Hình 6.11: Chương trình mô phỏng động học nghịch. ........................................... 53
Hình 6.12: Chương trình thiết kế quỹ đạo bước. .................................................... 54
Hình 6.13: Mô phỏng quỹ đạo bước. ...................................................................... 54
Hình 6.14: Khảo sát chuyển động tay..................................................................... 55
Hình 6.15: Chương trình hỗ trợ điều khiển ............................................................ 55
Hình 6.16: Tổng sai số vị trí của chân trái.............................................................. 56
Hình 6.17: Tổng sai số góc định hướng của chân trái ............................................ 56
Hình 6.18: Tổng sai số vị trí chân phải................................................................... 57
Hình 6.19: Tổng sai số góc định hướng chân phải ................................................. 57
Hình 6.20: Tổng sai số vị trí chân trái .................................................................... 58
Hình 6.21: Tổng sai số vị trí chân phải................................................................... 58
Hình 6.22: Tổng sai số góc định hướng chân trái................................................... 59
Hình 6.23: Tổng sai số góc định hướng chân phải ................................................. 59
Hình 6.24: Quỹ đạo robot theo chiều thứ nhất ....................................................... 60
Hình 6.25: Quỹ đạo robot theo chiều thứ hai ......................................................... 60
Hình 6.26: Quỹ đạo robot theo chiều thứ ba .......................................................... 60
Hình 6.27: Hàm truyền động cơ ............................................................................. 61
Hình 6.28: Đáp ứng của động cơ so với hàm truyền .............................................. 61
Hình 6.29: Mô hình kiểm bền động cơ ................................................................... 61
Hình 6.30: Kết quả thực nghiệm robot bước đi ...................................................... 62
xi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Bảng D-H cho chân trái: ......................................................................... 19
Bảng 3.2. Bảng thông số D-H chân phải................................................................. 20
Bảng 4.1. Thông số động cơ ................................................................................... 38
Bảng 4.2. Thông số robot ........................................................................................ 40
xii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ĐATN
Đồ án tốt nghiệp
SA
Suport Area
SP
Single Phase
DP
Double Phase
D-H
Denavit- Hartenberg
COM
Center of Mass
GCOM
Ground projections of Center Of Mass
ZMP
Zero Moment Point
GUI
Graphic User Interface
RC
Radio Control
CAN
Controller Area Network
xiii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Khi nền khoa học công nghệ phát triển thì máy móc ngày càng ra đời từ đơn
giản đến phức tạp nhằm thay thế sức lao động cho con người. Chúng làm những
công việc nguy hiểm, độc hại, những công việc lặp đi lặp lại thường gây nhàm
chán và dễ gây tai nạn cho con người. Có thể thấy lịch sử phát triển vượt bậc
của robot trong các lĩnh vực sản xuất, và hầu như ngày nay các robot trong công
nghiệp đã bão hòa. Các nhà nghiên cứu đang dần chuyển sang hướng nghiên
cứu mới là robot dạng người. Hiện nay các ứng dụng của một robot dạng người
là không giới hạn, và chất xám cho một robot người cũng không có biên giới.
Để một robot có thể thông minh và linh hoạt như con người thì lượng khoa học
dành cho nó là không ít, chúng cần phải có những hoạt động giống như người,
giao tiếp với môi trường ngoài và có trí thông minh như chúng ta.
Trong quá trình phát triển đó thì khả năng di chuyển giống người là một yêu
cầu mà Humanoid robot cần phải có. Đối với con người thì việc chúng ta đi lại
hàng ngày là một điều vô cùng dễ dàng. Hãy hình dung một ngày nào đó chúng
ta không có khái niệm thế nào là bước đi, vậy chúng ta sẽ bước đi như thế nào?
Đề tài “Chế tạo và điều khiển robot dạng người” sẽ giải quyết bài toán làm
thế nào để một robot có thể bước đi như con người.
xiv
ABSTRACT
As the development of science and technology, machinery are increasing from
simple to complex to replace human labor. They do dangerous work, hazardous work
is often repetitive and gets boring, which make accidents for human. We can see the
history of the robot boom in the manufacturing sector, and today most industrial
robots saturated. The researchers were moving to new research that form the robot.
We can see the application of a robot human form is not limited, and gray matter for a
robot who has no borders. To an intelligent robot can flexibly as humans for the
science of it is not simple, they need to be active and like humans, communicate with
the external environment and have the intelligence as we do.
In the development process that is able to move like a human is a requirement that
Humanoid robot should have. For our , the daily travel is an extremely easy. Imagine
that one day we have no concept of what is walking , so we will walk like?
Project "Implementation and control of humanoid robot" will solve the problem
how a robot can walk like a human.
xv
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển của robot người.
Robot có hình dạng người đã xuất hiện từ lâu, trong thế kỷ 19 các robot có hình
dạng giống người đã được chế tạo từ Châu Âu.
Hình1.1: Robot đánh chữ dạng người
Đến thế kỷ 20 robot bắt đầu phát triển mạnh, vào năm 1939, Electro là một robot
dạng người có thể đi được và một con chó máy Sparko được ra mắt trong hội chợ triển
lãm tại Mỹ.
Hình1.2: Robot Electro
Robot người được nghiên cứu và chế tạo đầu tiên ở các nước có nền khoa học kỹ
thuật phát triển như Nhật, Mỹ…Và ngày nay hầu hết các nước đều đã và đang nghiên
cứu về robot dạng người, và có những công bố về robot hết sức thú vị.
1
Gần đây trường đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã nghiên cứu và chế tạo một
số phiên bản robot dạng người có tên HUBOT [1]với ưu điểm sử dụng hộp số giảm
tốc Harmonic có tỉ số truyền lớn, giảm sai số ở đầu ra và giảm ma sát ở đầu vào. Sử
dụng động cơ DC-Servo, có encoder hồi tiếp, mỗi động cơ được điều khiển bằng một
vi điều khiển, các vi điều khiển này giao tiếp với nhau bằng mạng CAN. Nhược điểm
của robot này là khối lượng lớn, di chuyển chậm, và quá trình di chuyển có sự hỗ trợ
từ bên ngoài.
Hình1.3: Robot Hubot của trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh
1.2. Các ứng dụng của robot
Robot hai chân ngày càng thể hiện điểm mạnh của mình so với robot có bánh xe,
trong tương lai khi kỹ thuật điều khiển robot trở nên hoàn thiện thì robot người có thể
sẽ trở nên phổ biến như máy tính của chúng ta hiện nay, chúng có thể chia sẽ những
hoạt động hàng ngày với con người, phục vụ các công việc hàng ngày ở nhà, quầy
quán, làm hướng dẫn viên, dẫn chương trình…Một robot dạng người có hai chân thể
hiện được điểm mạnh của nó, hãy tưởng tượng bạn có một ngôi nhà hiện đại, và bạn
2
muốn có một robot hàng ngày phục vụ những công việc như lau chùi, kiểm tra, chuẩn
bị thức ăn…Một robot dạng người sẽ dễ dàng hơn cho bạn rất nhiều nếu bạn không
muốn phải thiết kế lại ngôi nhà để cho một robot di chuyển bằng bánh xe hoạt động.
Hình 1.4 giới thiệu một robot dạng người của Nhật, robot này có sử dụng trí thông
minh nhân tạo để có thể giao tiếp với bên ngoài một cách thông minh, robot có thể
biểu hiện cảm xúc qua khuôn mặt.
Hình1.4: Robot làm hướng dẫn viên, dẫn chương trình
Robot dạng người còn được ứng dụng trong cứu hộ người, với khả năng tự cân
bằng trên địa hình rung động, gồ ghề, nó hữu ích trong trường hợp cứu hộ khi xảy ra
động đất…
Hình1.5: Robot cứu hộ người
3
Robot người còn xuất hiện trong lĩnh vực giải trí, hiện tại Nhật đang dẫn đầu
doanh thu về các thiết bị giải trí về robot dạng người. Các robot dạng người trong lĩnh
vực này như: robot chơi nhạc, robot múa, robot đánh nhau, robot chơi thể thao…
Hình1.6: Robot dùng trong lĩnh vực giải trí
Hãng Honda sau khi công bố dòng robot người đầu tiên Asimo với khả năng giao
tiếp với con người, chơi thể thao, hát…Hãng này ngày càng phát triển các thế hệ robot
khác: robot đạp xe, robot bán hàng, với lượng chất xám đầu tư vào càng nhiều, sự
phức tạp trong điều khiển ngày càng tăng và sự thông minh của robot ngày càng cải
thiện
Hình1.7: Robot phục vụ
4
Hình1.8: Robot phục vụ
1.3. Hướng phát triển của robot người
Robot người đang ngày càng xâm nhập vào nhiều lĩnh vực trong đời sống và sản
xuất. Trong tương lai khi mọi thứ cuộc sống đều đã được công nghệ hóa, những công
việc hàng ngày, công việc nguy hiểm… robot sẽ thay thế con người. Việc điều khiển
một robot có thể bước đi linh hoạt và thích ứng tốt với môi trường bên ngoài chỉ là
bước cơ bản, là sự khởi đầu bắt buộc. Công việc khó khăn và đòi hỏi thời gian cũng
như chất lượng của việc nghiên cứu chính là áp dụng trí tuệ nhân tạo cho robot, để
robot người thực sự trở thành một robot thông minh, chúng có thể sẽ hiện diện đông
đảo như con người hiện nay.
Hình1.9: Hướng phát triển của robot người.
Hình 1.9 đề cập đến các lĩnh vực mà robot người đang tiếp cận. Có thể thấy robot
dạng người xuất hiện hầu như trong tất cả các lĩnh vực trong đời sống con người. Để
5
robot người có thể xâm nhập hiệu quả vào các hoạt động đó, đòi hỏi những kỹ thuật
hết sức hiện đại và phức tạp của nhiều ngành khoa học, robot người hứa hẹn là một
sản phẩm mang lại nhiều lợi ích trên nhiều mặt. Một đặc điểm cơ bản mà bất cứ robot
người nào cũng phải có là khả năng di chuyển giống người. Chuyển động bước đi của
con người là một hành động vô cùng phức tạp, nó đòi hỏi sự phối hợp chuyển động
của nhiều cơ quan trong cơ thể con người. Đề tài này sẽ tập trung giải quyết vấn đề
điều khiển một robot dạng người bước đi.
1.4. Nội dung thực hiện của đề tài
-
Thiết kế, chế tạo Robot dạng người 10 bậc tự do sử dụng động cơ RCServo gồm khung cơ khí và mạch điện điều khiển.
Mô hình hóa động học robot và mô phỏng chuyển động.
Ứng dụng nhân trắc học để xây dựng quỹ đạo robot.
Lập trình robot bước đi giống người.
1.5. Giới hạn của đề tài
-
Tốc độ bước đi của robot 90-150 mm/phút
Robot chỉ bước đi trên mặt phẳng
Bước đi có sự hỗ trợ từ bên ngoài
6
CHƯƠNG 2: NHÂN TRẮC HỌC NGƯỜI VÀ CÁC ĐỊNH
NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI
2.1. Nhân trắc học người
Con người có thể chuyển động một cách linh hoạt là do sự phối hợp chuyển động
của các khớp. Hành động bước đi là một hành động tưởng chừng như đơn giản nhưng
không hề dễ dàng chút nào, một đứa trẻ mất khá nhiều thời gian để tập đi, các du hành
gia vũ trụ sau một khoảng thời gian dài ngoài không gian khi trở lại trái đất họ đã rất
khó khăn để có thể bước đi một cách bình thường trên mặt đất. Vậy khó khăn đó là do
đâu? Đó là khó khăn trong việc điều khiển trọng tâm.
2.1.1. Các khớp của chi trên
Khớp vai
Khớp khủy
Khớp cổ tay
Hình1.10: Các khớp của chi trên
2.1.2. Các khớp của chi dưới
Khớp hông
Khớp gối
Khớp cổ chân
Hình2.1: Các khớp của chi dưới
7
Khớp gối là khớp xoay, khớp cổ chân và khớp hông là các khớp cầu, ngoài ra còn
có các khớp ở các đốt chân, trong giới hạn đề tài robot sẽ mô tả 10 khớp gồm khớp
cầu ở hông khớp xoay ở gối và khớp cầu ở cổ chân.
2.2. Các định nghĩa trong robot người
2.2.1. Mô tả các khớp
Robot mô phỏng người bằng cách tái hiện các khớp của cơ thể người. Các khớp
trong cơ thể người là các khớp quay.
Khớp cổ
Khớp vai
Khớp khủy tay
Khớp cổ tay
Khớp hông
Khớp gối
Khớp cổ chân
Hình2.2: Mô tả các khớp trong cơ thể người.
2.2.2. Mô tả về dáng đi
Ta có các thuật ngữ cơ bản về dáng đi.
Bước đi (Walk): là sự dịch chuyển luân phiên, có chu kỳ của hai chân, trong đó
không có trường hợp hai chân nhấc khỏi mặt đất đồng thời.[1]
Dáng đi (Gait): trong mỗi bước đi đặc trưng bởi một cách thức khác nhau tạo
thành dáng đi. [1]
Bước (Step): xảy ra khi chân sau di chuyển về phía trước hết mức và trở thành
chân trước.[1]
Pha đơn(Single Phase): là khoảng thời gian chân lắc rời khỏi mặt đất trong một
chu kỳ bước.[2]
8
x(mm)
Tpha đôi
Tpha đơn
t(s)
T
Hình2.3: Thời gian các pha trong một chu kỳ
Pha đôi (Double Phase): là khoảng thời gian chân lắc tiếp xúc mặt đất trong chu
kỳ bước, gồm đầu và cuối chu kỳ bước.[2]
Khi bước đi chân có bàn chân tiếp xúc với mặt đất là chân trụ, chân còn lại gọi là
chân lắc. Dáng đi của con người gồm có 5 động tác của chân trụ và 3 động tác của
chân lắc.[1]
2.2.2.1 Động tác của chân trụ:
- Giai đoạn gót chân trụ vừa chạm đất: đây là giai đoạn bắt đầu của chu trình
bước đi[1], trọng tâm sẽ ở vị trị thấp nhất trong giai đoạn này (hình 2.4).
Chân trụ
Hình2.4: Động tác thứ nhất của chân trụ
Chân trụ
Hình2.5: Động tác thứ hai của chân trụ
9
