Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ robot tự hành vượt địa hình phức tạp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGÔ ANH TÚ

KS. Ngô Anh Tú

CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH
VƯỢT ĐỊA HÌNH PHỨC TẠP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ

CH2012B
Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------KS. Ngô Anh Tú

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH
VƯỢT ĐỊA HÌNH PHƯC TẠP

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS Phan Văn Đồng
2. TS. Nguyễn Hồng Thái

Hà Nội – 2014

i


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Ngô Anh Tú, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyên ngành
Cơ Điện Tử. Sau gần 2 năm học tập, nghiên cứu tại trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà
Nội, đƣợc sự giúp đỡ của các thày cô giáo, đặc biệt là PGS.TS Phan Văn Đồng và
TS. Nguyễn Hồng Thái, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.
Với đề tài luận văn là: "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa
hình phức tạp", tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới
dự hƣớng dẫn của PGS.TS Phan Văn Đồng và TS. Nguyễn Hồng Thái và chỉ tham
khảo các tài liệu đƣợc liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới
bất kỳ hình thức nào. Nếu có, tôi xin hoàn thành chịu trách nhiệm
Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014
Ngƣời cam đoan

Ngô Anh Tú

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự
hành vượt địa hình phức tạp", em đã đạt đƣợc một số kết quả nhất định: Tìm hiểu
đƣợc về cân bằng robot, tính toán động học robot, các phƣơng thức lập trình, điều

khiển hoạt động robot, cũng nhƣ hiểu thêm về cách thức trình bày bản vẽ, các kỹ
thuật liên quan về việc thiết kế mạch và công nghệ xử lý ảnh. Em xin trân trọng cảm
ơn sự giúp đỡ của PGS.TS Phan Văn Đồng, TS Nguyễn Hồng Thái và các thày
trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện để em
hoàn thành đề tài này. Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên luận văn
không thể tránh đƣợc những thiết sót và chƣa thể hoàn thiện một cách hoàn hảo nhƣ
mong đợi. Kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài đƣợc hoàn
thành tốt hơn.
Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014
HVTH

Ngô Anh Tú

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .............................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ......................................................... vii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. xii
Chƣơng 1 ................................................................................................................ - 1 TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT ................................................................... - 1 1.1 Giới thiệu ...................................................................................................... - 1 1.2 Lịch sử phát triển của mobile robot [8] ........................................................ - 2 1.4 Ứng dụng của mobile robot ...................................................................... - 11 1.5 Kết luận và định hƣớng nghiên cứu mobile robot ..................................... - 14 Chƣơng 2 .............................................................................................................. - 15 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT....................................................................... - 15 2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................... - 15 a) Mô hình động học robot .............................................................................. - 19 b) Mô hình động học mobile robot ................................................................... - 21 2.3 Phân tích và lựa chọn kết cấu ..................................................................... - 24 a) Yêu cầu chung .............................................................................................. - 24 b) Phƣơng án thiết kế........................................................................................ - 25 c) Khả năng hoạt động của robot...................................................................... - 27 2.4 Tính toán kích thƣớc robot ......................................................................... - 28 a) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng ngang ............................................. - 28 b) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng nghiêng đều ................................... - 33 c) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng lệch ................................................ - 34 2.5 Kết luận ..................................................................................................... - 39 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm ..................................................... - 40 Chƣơng 3 .............................................................................................................. - 41 CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH ............................................................... - 41 3.1 Khái niệm và quá trình xử lí ảnh ................................................................ - 41 a) Chụp ảnh ...................................................................................................... - 42 b) Quá trình tiền xử lí dữ liệu ảnh ................................................................... - 42 c) Phân tích hình ảnh (xác định đƣờng, góc, cạnh, khối, ...) ........................... - 42 d) Nhận dạng, phân mảnh ................................................................................ - 42 e) Xử lí mức cao .............................................................................................. - 42 3.2 Thƣ viện OpenCV ...................................................................................... - 43 a) Cấu tạo của thƣ viện OpenCV ..................................................................... - 43 b) Các chức năng của OpenCV........................................................................ - 43 3.3 Các cấu trúc dữ liệu cơ bản của OpenCV .................................................. - 45 3.4 Thao tác xử lí ảnh cơ bản với thƣ viện OpenCV ...................................... - 46 -

iv


Chƣơng 4 .............................................................................................................. - 54 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHẬN DẠNG THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG 54 4.1

Tính toán thiết kế mạch điện tử điều khiển ........................................... - 54 a) Sơ đồ khối mạch điều khiển cho Mobile Robot ........................................... - 54 b)
Thiết kế các Modul của mạch điều khiển .............................................. - 54 c)
Kết quả thiết kế, chế tạo mạch điều khiển............................................. - 61 4.2
Chƣơng trình điều khiển Mobile Robot ................................................ - 63 a)
Lập trình C cho vi điều khiển Atmega128 ............................................ - 63 b) Xây dựng chƣơng trình điều khiển cho Mobile Robot ................................ - 64 4.3 Thiết bị phần cứng và các công cụ lập trình............................................... - 68 a) Thiết bị phần cứng ........................................................................................ - 68 b) Công cụ lập trình .......................................................................................... - 68 c) Theo vết đối tƣợng dùng thuật toán Camshift ............................................. - 85 KẾT LUẬN .......................................................................................................... - 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... - 91 PHỤ LỤC ............................................................................................................. - 93 PHỤ LỤC A: Chƣơng trình xử lý ảnh bằng OpenCV ..................................... - 93 PHỤ LỤC B: Chƣơng trình điều khiển Mobile Robot..................................... - 95 PHỤ LỤC C: Bản thiết kế sơ bộ mobile robot............................................... - 105 -

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Nội dung, ý nghĩa

Oxy

Hệ tọa độ quy chiếu cố định

Pc xm ym

Hệ tọa độ quy chiếu gắn tại trọng tâm robot

vr  t 
vl t 

r  t 

l  t 

Vận tốc dài của bánh bên phải

Vận tốc dài của bánh bên trái
Vận tốc góc của bánh bên phải
Vận tốc góc của bánh bên trái

ICC

Tâm vận tốc tức thời của robot

R

Khoảng cách từ trọng tâm Pc đến ICC

2b

Khoảng cách 2 bánh

R

Bán kính bánh xe

l , r
Mx

Góc quay của động cơ trái, phải
Momen uốn trên trục xe



Ứng suất sinh ra trên trục xe

Fms

Lực ma sát của bánh xe với mặt đƣờng

k

Hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt đƣờng

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Nội dung

Trang

Bảng 2.1 Sơ đồ bánh xe mobile robot

26

Bảng 2.2 Ký hiệu các loại bánh xe sử dụng trong các mô hình

28

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Nội dung

Trang

Hình 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9]

3

Hình 1.2 Robot Shakey [11]

3

Hình 1.3 Robot RB5X [10]

4

Hình 1.4 Robot Dante II [10]

4

Hình 1.5 Robot Pioneer [9]

5

Hình 1.6 Robot The Rover và Sojourner [9]

5

Hình 1.7 Robot Abio [10]

5

Hình 1.8 Robot PackBot [10]

6

Hình 1.9 Robot Roomba [11]

6

Hình 1.10 Robot 2 chân, 4 chân , 6 chân [11]

7

Hình 1.11 Robot 2 nhánh xích, 4 nhánh xích [11]

8

Hình 1.12 Mobile robot Curiosity của NASA [9]

9

Hình 1.13 Robot thám hiểm sao Hỏa Opportunity và Spirit của NASA

11

Hình 1.14 Robot AQUA do Canada sản xuất có khả năng hoạt động dƣới
12

biển
Hình 1.15 Robot chuyển gỗ Plustech [10]

12

vii

Hình 1.16 Robot lau nhà RC 3000, Robot TALON small dung trong quân sự

13

Hình 1.17 Robot dạng ngƣời có khả năng nhận dạng khuôn mặt rồi vẽ lại

13

Hình 1.18 Mô hình robot Curiosity của NASA

14

Hình 2.1 Mobile robot Curiosity của NASA

15

Hình 2.2 Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành

16

Hình 2.3 Mô hình bánh xe đã đƣợc lý tƣởng hóa

20

Hình 2.4 Mô hình động học của robot tự hành

21

Hình 2.5 Vận tốc bánh xe bên phải khi chuyển động

22

Hình 2.6 Kết cấu tổng thể robot

25

Hình 2.7 Thân robot

25

Hình 2.8 Kết cấu càng trƣớc và sau

26

Hình 2.9 Trục chính

26

Hình 2.10 Thanh tự cân bằng

27

Hình 2.11 Biểu đồ nội lực tác dụng lên trục chính

28

Hình 2.12 Phân bố lực trên hai đầu trục

29

Hình 2.13 Phân bố lực trên càng trƣớc

30

Hình 2.14 Biểu đồ nội lực tác dụng lên trục phụ

30

Hình 2.15 Phân bố lực trên càng sau

31

Hình 2.16 Lực tác dụng lên bánh xe

32

Hình 2.17 Mô hình xe khi lên dốc cân bằng

33

Hình 2.18 Phân bố lực trên đầu trục chính

33

Hình 2.19 Mô hình xe khi lên dốc lệch hai bên

34

Hình 2.20 Biểu đồ nội lực tác dụng lên thanh

35

viii


Hình 2.21 Phân bố lực trên càng trƣớc

36

Hình 2.21 Biểu đồ nội lực trên trục phụ

37

Hình 2.22 Lực dọc tác dụng lên trục phụ

37

Hình 2.23 Lực phân bố trên càng sau

38

Hình 2.24 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm

38

Hình 2.25 Kiểm tra khả năng vƣợt địa hình của robot

40

Hình 3.1 Sơ đồ khối mô tả quá trình xử lý ảnh

41

Hình 3.2 Ảnh đƣợc xử lí làm trơn

47

Hình 3.3 Ảnh qua xử lí phân rã và ăn mòn

48

Hình 3.4 Ảnh đƣợc trích chọn

48

Hình 3.5 Làm nổi biên ảnh với phƣơng pháp Sobel

49

Hình 3.6 Dò biên theo phƣơng pháp Canny: đƣờng biên nổi lên rất rõ ràng

50

Hình 3.7 Bức ảnh đƣợc dùng để nhận dạng đƣờng tròn

50

Hình 3.8 Bức ảnh để nhận dạng đƣờng thẳng

51

Hình 3.9 Các biến đổi không gian

51

Hình 3.10 Dò biên với phƣơng pháp Contour

52

Hình 3.11 Dò biên với phƣơng pháp Contour

53

Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển

54

Hình 4.2 Sơ đồ khối mạch Main

55

Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch nguồn thiết kế trên Orcad

56

Hình 4.4 Vi điều khiển thiết kế trên phần mềm Orcad

57

Hình 4.5 Modul giao tiếp ngƣời điều khiển và robot

57

Hình 4.6 Mạch kết nối cổng Com

58

Hình 4.7 Sơ đồ khối mạch công suất

58

ix


Hình 4.8 IC công suất MC33886

59

Hình 4.9 Đơn giản hóa sơ đồ chức năng MC33886

59

Hình 4.10 Thiết kế MC33886 trên Orcad

60

Hình 4.11 Ảnh chụp mạch Main

61

Hình 4.12 Ảnh chụp mạch cầu H

62

Hình 4.13 Cửa sổ làm việc CodeVision AVR

63

Hình 4.14 Lƣu đồ điều khiển Mobile robot

64

Hình 4.15 Camera dùng trong robot

68

Hình 4.16 Tích hợp OpenCV vào Visual Studio

68

Hình 4.17 Chạy thử chƣơng trình bằng OpenCV

69

Hình 4.18 Tiến hành dò biên vật thể

71

Hình 4.19 Quá trình nhận dạng sử dụng Haar Classifer

72

Hình 4.20 Bốn đặc trƣng Haar-like cơ bản

73

Hình 4.21 Cách tính Integral Image của ảnh

74

Hình 4.22 Cách tính nhanh các giá trị mức xám của vùng D

74

Hình 4.23 Mô hình kết hợp các bộ phân loại yếu để xác định đối tƣợng

76

Hình 4.24 Kết hợp các bộ phân loại yếu thành bộ phân loại mạnh

77

Hình 4.25 Hệ thống xác định đối tƣợng

77

Hình 4.26 Các ảnh có chứa đối tƣợng

78

Hình 4.27 Các ảnh không chứa chứa đối tƣợng

79

Hình 4.28 Giao diện Console khi chạy Haar trainning

82

Hình 4.29 Chƣơng trình thử nghiệm đối tƣợng vừa học

84

x


Hình 4.30 Sơ đồ thuật toán Camshift

86

Hình 4.31 Mặt phẳng ảnh

88

Hình 4.32 Kết quả tính toán tâm đối tƣợng

88

xi

MỞ ĐẦU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Thế kỷ 20 sự phát triển vƣợt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh
tế. Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi ngƣời với những cái
tên nhƣ ASIMO, TIAN… Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học
kỹ thuật của nhân loại. Robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp,
y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời sống con ngƣời. Trong các họ robot,
chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các
loại robot khác không có. Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian
bị giới hạn quanh vị trí của nó. Ngƣợc lại, mobile robot có thể di chuyển, do đó tạo
nên không gian hoạt động rất lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan
trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực dân sự và quân sự, thu hút đƣợc rất nhiều
sự đầu tƣ nghiên cứu. Do đó học viên đã chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế
tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp”.
II. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN
- Tính toán thiết kế robot vƣợt địa hình phức tạp
- Chế tạo robot vƣợt địa hình phức tạp
- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển
- Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh viết phần mềm điều khiển robot
III. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu và chế tạo mô hình robot tự hành vƣợt địa hình phức tạp
trong lĩnh vực thám hiểm. Các kết quả nghiên cứu về động học mobile robot, công
nghệ xử lý ảnh, thuật toán điều khiển sẽ bổ sung vào một phần lý thuyết còn mới
mẻ về mobile robot, việc tính toán thiết kế và chế tạo ra mobile robot sẽ tạo tiền đề
cho việc nghiên cứu và chế tạo các mobile robot không chỉ phục vụ trong quân sự
và còn trong cả đời sống thƣờng ngày.
IV. Ý NGHĨA THỰC TIỄN

xii


Nội dung nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao đối với con ngƣời trong
xã hội hiện đại ngày nay. Trong lĩnh vực quân sự, các mobile robot ngày càng thể
hiện đƣợc tầm quan trọng trong việc do thám và thực hiện các nhiệm vụ mà không
gây nguy hiểm cho ngƣời điều khiển. Trong lĩnh vực thám hiểm, có rất nhiều môi
trƣờng độc hại, không có sự sống nhƣ Sao Hỏa hay vùng đất bị nhiễm phóng xạ,
việc đƣa mobile robot vào thực hiện việc thám hiểm và lƣu trữ lại thông tin thu thập
đƣợc là rất cần thiết. Công nghệ xử lý ảnh nhận dạng đối tƣợng đƣợc nghiên cứu
trong đề tài không chỉ ứng dụng trong mobile robot mà còn trong rất nhiều lĩnh vực
đời sống khác nhƣ nhận dạng biển số xe, các hệ thống giao thông thông minh hay
lĩnh vực phân loại sản phẩm...
V. NỘI DỤNG CỦA LUẬN VĂN
Luận văn đƣợc trình bày trong 101 trang A4 và 13 trang phụ lục, trình bày cụ
thể các vấn đề nhƣ sau:
Chương 1: Tổng quan về mobile robot
Sơ lƣợc về lịch sử phát triển của mobile robot, phân loại mobile robot theo từng
trƣờng hợp cụ thể và ứng dụng của mobile robot qua đó đƣa ra kết luận và định
hƣớng nghiên cứu mobile robot.
Chương 2: Tính toán thiết kế robot
Chỉ ra đƣợc mô hình mobile robot cần nghiên cứu của luận văn, các cơ sở lý
thuyết và mô hình động học của robot, đƣa ra đƣợc phƣơng án thiết kế robot, kiểm
tra các điều kiện hoạt động của robot trong các trƣờng hợp khác nhau.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh
Đƣa ra những lý thuyết căn bản nhất về xử lý ảnh số, các bƣớc thực hiện quá
trình xử lý ảnh có sử dụng thƣ viện OpenCV, làm tiền đề cho quá trình nhận dạng
ảnh và theo vết đối tƣợng của robot.
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển nhận dạng theo vết đối tƣợng
Chƣơng này trình bày nội dung về thiết kế hệ thống điều khiển cho robot bao

gồm thiết kế mạch điện tử, xây dựng chƣơng trình điều khiển robot, trình bày
phƣơng pháp nhận dang và theo vết đối tƣợng.
xiii


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT
1.1 Giới thiệu
Khái niệm chung về robot theo nghĩa chung thƣờng đƣợc hiểu đồng nghĩa với
khái niệm tự động hóa công nghiệp, điều này chỉ đúng một phần bởi robot chỉ là
một thành phần trong quá trình tự động hóa, hơn nữa việc trình bày , miêu tả robot
trong sinh hoạt xã hội ít nhiều phóng đại.
Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong
vở kịch “ Rossum‟s Univerersal Robot” của nhà soạn kịch ngƣời Tiệp Khắc là
Karen Chapek, còn từ robot là cách gọi khác của từ Robota theo tiếng Tiệp có nghĩa
là công việc lao dịch. Khi đó, Karen Chapek cho rằng robot là những ngƣời máy có
thể làm việc nhƣng không có khả năng suy nghĩ. Một loại máy có thể làm thay công
việc của con ngƣời tạo ra hiệu quả lao động rất cao và giảm rất nhiều chi phí không
cần thiết [7].
Trong công nghiệp ngày nay, tay máy (manipulator) là ngành công nghiệp
mang lại hàng tỷ USD, tay máy có thể làm việc với tốc độ và độ chính xác cao trong
những công việc đòi hỏi độ chính xác cao và thao tác nhanh nhƣ điện tử, chế tạo và
lắp ráp các thiết bị điện tử nhƣ điện thoại di động, máy tính… Tuy nhiên, tay máy
có một nhƣơc điểm là không thể di chuyển trong không gian mà đƣợc gắn cố định,
để khắc phục nhƣợc điểm lớn này mà không làm mất công dụng, hƣớng nghiên cứu
về loại robot có khả năng di chuyển đƣợc gọi là mobile robot (robot di động).
Mobile robot là một loại máy tự động mà có khả năng di chuyển trong một môi
trƣờng nhất định. Robot di động có khả năng di chuyển xung quanh môi trƣờng của
chúng và không cố định với một môi trƣờng vật lý nào. Robot di động tập trung với
số lƣợng lớn các nghiên cứu hiện nay và hầu hết các trƣờng đại học lớn đều có một

hoặc nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu các robot này. Robot tự hành cũng đƣợc
ứng dụng trong công nghiệp nhƣ các xe AVG, quân sự và an ninh quốc phòng.

-1-


Chúng cũng xuất hiện nhƣ những sản phẩm dành cho ngành giải trí hoặc thực hiện
những nhiệm vụ nhất định trong cuộc sống hàng ngày nhƣ hút bụi hay cắt cỏ…
1.2 Lịch sử phát triển của mobile robot [8]
Hình dạng robot đầu tiên xuất hiện ở Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dùng
trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 thế kỷ trƣớc, bên
cạnh các tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thuỷ lực điện từ đã
xuất hiện. Tuy nhiên, các tay máy thƣơng mại đều có chung nhƣợc điểm là thiếu sự
di động. Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh
vị trí của nó.
Ngƣợc lại, mobile robot là loại robot di động có thể di chuyển từ không gian
này tới không gian khác một cách độc lập hay có điều khiển từ xa, do đó tạo nên
không gian hoạt động rất lớn.
- Từ năm 1939 đến 1945 trong cuộc chiến tranh thế giới lần thứ II, những robot
di động đầu tiên đƣợc xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong
những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan nhƣ khoa học máy tính và điều khiển
học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ nhƣ những quả bom chỉ nổ trong
những dãy mục tiêu nhất định... sử dụng hệ thống hƣớng dẫn và rađa điều khiển.
Tên lửa V1 và V2 có “phi công tự động” và hệ thống phát nổ, chúng là tiền thân của
đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại.
- Từ năm 1948 đến 1949 W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai robot tự
động trông giống con đồi mồi. Về mặt hành chính , chúng đƣợc gọi là Machina
Speculatrix bởi vì những robot này hoạt động trong môi trƣờng nhƣ những chú
chim đồi mồi. Elmer và Elsie đƣợc trang bị một bộ cảm biến sang. Nếu chúng nhận
ra một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía đó. Chúng có thể tránh hoặc chuyển

những chƣớng ngại trên đƣờng di chuyển của chúng. Những robot này chứng minh
rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản. Elmer và Elsie
chỉ đƣợc thiết kế tƣơng đƣơng hai tế bào thần kinh.

-2-


- Từ năm 1961 đến 1963 trƣờng Đại học Johns Hopkins phát triển „Beast‟.
Beast sử dụng hệ thống định vị để chuyển động xung quanh. Khi pin yếu , nó sẽ tự
tìm ổ cắm điện và cắm vào
- Từ 1969 đến năm 1970 Mowbot là robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự
động. The Stanford Cart line follower là robot di động có thể di chuyển thông qua
nhận dạng đƣờng kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn. Nó bao gồm một cảm biến
gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính toán.Cùng thời điểm 1969-1972,
viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng và nghiên cứu ra Shakey. Shakey có một
camera, một dãy kính gắm, một bộ cảm biến và một bộ phận truyền thanh. Shakey
là robot đầu tiên có thể lý giải về những chuyển động của nó. Điều này có nghĩa là
Shakey có thể đƣa cho nhiều lệnh chung và robot này sẽ tính toán những bƣớc cần
thiết để hoàn thành nhiệm vụ đƣợc giao.

Hình 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9]

Hình 1.2 Robot Shakey [11]
-3-


-Năm 1977 bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả
R2D2 (một robot di động hoạt động độc lập) và C3P0 (một robot hình ngƣời). Họ
đã khiến công chúng biết đến những robot.
- Năm 1980 thị hiếu của ngƣời tiêu dùng về robot tăng, robot đƣợc bày bán để

sử dụng trong nhà. Ví dụ , RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loạt mẫu robot
HERO. Robot The Stanford Cart đƣợc phát triển mạnh, nó có thể lái tàu biển vƣợt
qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua.

Hình 1.3 Robot RB5X [10]

- Năm 1990 cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với
các đồng nghiệp và đã phát minh ra những robot tự động trong ngành y tế và đƣợc
bán bởi Helpmate. Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo
vệ trong nhà Cybermotion.
- Năm 1993-1994 Dante-I và Dante-II đƣợc phát triển bởi trƣờng đại học
Carnegie Mellon, cả hai là robot dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt động.

Hình 1.4 Robot Dante II [10]

-4-


- Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (ngƣời tiên phong) đƣợc
bán sẵn ở một mức giá chấp nhận đƣợc,điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về
nghiên cứu robot và các trƣờng đại học nghiên cứu về robot trong suốt các thập sau.
Robot di động trở thành một phần không thể thiếu trong chƣơng trình giảng dạy của
các trƣờng đại học.

Hình 1.5 Robot Pioneer [9]

-Năm 1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 robot Rover và
Sojourner lên sao Hoả.

Hình 1.6 Robot The Rover và Sojourner [9]

- Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một robot có khả năng đi lại, quan sát..
Robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBot cũng đƣợc giới thiệu.

Hình 1.7 Robot Abio [10]

-5-


Hình 1.8 Robot PackBot [10]

- Năm 2001:Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng đƣợc
khởi động. Chúng bao gồm một số lƣợng lớn các robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn
nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp.
- Năm 2002: Roomba, một robot di động dùng trong gia đình, thực hiện việc
lau nhà đƣợc xuất hiện.

Hình 1.9 Robot Roomba [11]

- Năm 2004: Robosapien, một robot đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden đƣợc bán
sẵn. Trong dự án “The Centibots Project” 100 robot cùng làm việc với nhau để tạo
lên một bản đồ cho một vùng không xác định và tìm những vật thể trong môi trƣờng
đó. Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge, các robot tự động đã cùng
nhau tranh tài cùng nhau trên sa mạc.

-6-


- Năm 2007: Hệ thống KiVa, robot thông minh tăng nhanh về số lƣợng trong
quy trình phân phối, những robot thông minh này đƣợc phân loại theo mức độ phổ

biến những nội dung của chúng. Robot Tug trở thành phƣơng tiện phổ biến trong
các bệnh viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác.
ARCSinside Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét
nghiệm. Seekur, robot dịch vụ dùng ngoài trời với mục đích phi quân sự có thể kéo
một xe qua một bãi đậu xe, lái một cách độc lập (tự động) vào trong nhà và bắt đầu
học cách lái ra ngoài. Trong khi đó, PatrolBot học cách theo sau con ngƣời và nếu
cửa mà mở thì đóng lại.
1.3 Phân loại mobile robot
Tùy từng trƣờng hợp cụ thể ta có thể phân loại mobile robot nhƣ sau:
a) Căn cứ theo dạng di chuyển
- Chuyển động bằng chân: ( Legged mobile robot )

Hình 1.10 Robot 2 chân, 4 chân , 6 chân [11]

-7-


Mobile robot chuyển động bằng chân là loại robot có những chuyển động hết
sức phức tạp bằng cách rời rạc hóa việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm, việc
chuyển động nhƣ vậy làm cho loại robot này có ƣu thế trên địa hình phức tạp, gồ
ghề và không kiên tục. Đồng thời, bằng cách thay đổi chiều dài các chân cho phù
hợp với môi trƣờng loại robot này di chuyển rất “êm”. Tùy thuộc vào số chân mà
ngƣời ta phân chia thành các loại robot một chân, hai chân ( biped), bốn chân (
quadruped), sáu chân ( hexpod). Tuy nhiên nhƣợc điểm của loại robot này là khó
chế tạo và điền khiển.
- Chuyển động bằng xích: ( Tracked mobile robot )
Loại robot này chuyển bằng các bánh có lắp các bánh xích nhƣ xe tăng, rất phù
hợp khi di chuyển trên các đia hình phức tạp. Để đổi hƣớng, nó thay đổi tốc độ quay
của hai bánh xích chủ động. Tuy nhiên do chuyển động bằng xích nên khi đổi
hƣớng sẽ xảy ra hiện tƣợng trƣợt do đó khó điều khiển di chuyển chính xác. Một

vấn đề nữa là loại robot này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt là khi đổi
hƣớng. Tùy theo số nhánh xích mà ngƣời ta phân loại thành robot 2 nhánh xích, 4
nhánh xích, 6 nhánh xích, 8 nhánh xích. Loại robot này rất phổ biến trong công tác
cứu hộ.

Hình 1.11 Robot 2 nhánh xích, 4 nhánh xích [11]

-8-


- Chuyển động bằng bánh xe: ( Wheels mobile robot)
Là loại robot dùng bánh xe để di chuyển. Phần lớn mobile robot dùng bánh xe
để di chuyển do bánh xe dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh hơn bánh
xích hay chân. Tuy nhiên mobile robot chuyển động bằng bánh chỉ phù hợp với địa
hình phẳng, nhẵn và cứng. Tùy theo số bánh ngƣời ta phân chia thành các loại robot
2 bánh, 3 bánh, 4 bánh, 6 bánh... Các loại robot này phù hợp với điều kiện nghiên
cứu chế tạo của nƣớc ta với chi phí chế tạo không quá cao.

Hình 1.12 Mobile robot Curiosity của NASA

Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì khả năng di chuyển ngày
càng phức tạp hơn. Các chuyển động không còn đơn giản là bánh xe, xích hay chân
nữa mà có những robot đƣợc phối hợp chuyển động của cả bánh xe , xích và chân.
Các robot loại này đƣợc điều khiển hết sức phức tạp, công nghệ chế tạo hết sức tinh
vi đòi hỏi sự chính xác cao, các chuyển động khớp cũng mền dẻo hơn. Các robot
loại này thƣờng đƣợc ứng dụng trong việc vƣợt các chƣớng ngại vật hay di chuyển
trong các địa hình hết sức phức tạp. Chúng đƣợc gắn các sensor tự hành nhằm tự xử
lý các sự cố xảy ra trên đƣờng đi.
b) Căn cứ theo môi trường hoạt động
- Robot mặt đất và robot trong nhà: thông thƣờng chúng đƣợc lắp bánh xe nhƣng

-9-


cũng có loại robot có chân nhƣ robot phỏng sinh dạng ngƣời, động vật, côn trùng.
- Robot trên không thƣờng dùng cho các phƣơng tiện trên không, phƣơng tiện
không ngƣời lái
- Robot dƣới nƣớc dùng cho các phƣơng tiện hoạt động dƣới nƣớc, chúng hoạt
động độc lập.
c) Theo dạng điều khiển mobile robot
- Điều khiển từ xa bằng tay
Một robot điều khiển từ xa bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển hoặc
những thiết bị điều khiển khác. Thiết bị điều khiển có thể đƣợc gắn trực tiếp vào
robot, ví dụ: một cần gạt không dây, hoặc một phụ kiện của một máy tính không
dây... Robot điều khiển từ xa giúp con ngƣời tránh khỏi những nguy hiểm. Ví dụ
robot điều khiển từ xa bằng tay gồm có: Foster-Miller‟s Talon và iRobot‟s PackBot.
- Điều khiển từ xa tự bảo vệ
Robot điều khiển từ xa tự bảo vệ có khả năng phát hiện và tránh những chƣớng
ngại vật nhƣng điều khiển cũng giống nhƣ robot điều khiển từ xa bằng tay. Có rất ít
robot chỉ dùng đơn lẻ bộ điều khiển từ xa tự bảo vệ.
- Robot theo lộ trình
Một vài robot tự động đầu tiên là những robot theo lộ trình. Chúng có thể theo
những đƣờng đƣợc sơn khắc trên sàn, trần nhà hay trên một dây điện trên sàn. Đa số
robot này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ cảm biển
trung tâm, chúng không thể đi vòng qua các chƣớng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi
có vật nào đó cản đƣờng chúng. Rất nhiều mẫu của loại robot này vẫn đƣợc bày bán
bởi FMC, Egemin, HK system và một vài công ty khác.
- Robot ngẫu nhiên hoạt động độc lập
Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là
những chuyển động nhƣ nhảy bật lên tƣờng, những bức tƣờng này đƣợc cảm nhận
do sự cản trở về mặt vật lý nhƣ máy hút bụi Roomba, hoặc với bộ cảm biến điện tử

nhƣ máy cắt cỏ Friendly Robotics.
- 10 -


- Robot chỉ dẫn độc lập
Một robot đƣợc chỉ dẫn độc lập biết ít nhất một vài thông tin về nơi nó đang
đứng và lập kế hoạch đƣờng đi của nó cho rất nhiều đích đến hoặc những điểm dọc
đƣờng. Nó có thể thu thập thông tin vào bộ cảm biến là thời gian và địa điểm đƣợc
ghi lại. Ví dụ robot thám hiểm hoặc cứu hộ nó có thể biết chính xác khi nào và ở
đâu mức độ phóng xạ vƣợt quá mức cho phép. Những robot này thƣờng là một phần
của mạng lƣới không dây, nối với những hệ thông cảm biến và điều khiển khác.
1.4 Ứng dụng của mobile robot
Mobile robot đƣợc dùng trong phổ biến trong những môi trƣờng độc hại, những
nơi mà con ngƣời không thể đi tới hay đi tới một cách rất khó khăn và nguy hiểm,
mobile robot cũng đƣợc dùng nhiều trong lĩnh vực giải trí và trong phục vụ đời
sống.
Những nơi con ngƣời không có khả năng đến đƣợc nhƣ sao Hỏa, đáy biển …
ngƣời ta phải dùng robot tự hành với cấu trúc đặc biệt. Robot Sojourner đƣợc sử
dụng trong nhiệm vụ tìm kiếm sự sống trên sao Hỏa năm 1997. Robot này hầu nhƣ
hoàn toàn đƣợc điều khiển từ xa từ trái đất.

Hình 1.13 Robot thám hiểm sao Hỏa Opportunity và Spirit của NASA [11]

- 11 -