Khảo sát động học và cân bằng của robot hai chân

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sĩ khoa học
khảo sát động học và cân bằng
của robot hai chân

ngành : cơ học kỹ tht
m· sè :
ngun quang huy

Ng­êi h­íng dÉn khoa häc: PGS.TS. phan văn đồng

Hà Nội - 2006


1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI CHÂN
I.1. Sự ra đời của Robot biết đi:
Theo dòng thời gian, cùng với sự phát triển của khoa học cơng nghệ thì con
người không những là muốn tạo ra các robot công nghiệp phục vụ cho công việc
sản xuất, tạo ra những robot phục vụ cho các cơng việc địi hỏi sự chính xác cao và
tập chung cao như là các robot dùng trong phẫu thuật, y học, ngoài ra do xã hội
càng văn minh thì con người muốn tạo ra những con vật thân thiện để giúp con
người giải khuây đỡ buồn. Và ước mơ cao nhất của con người là muốn tạo ra các
robot giống với con người, có khả năng tư duy, suy nghĩ như con nguời, ...

Hình 1.1: Minh họa về sự phát triển của robot.
Sự cần thiết của Robot dạng người:
- Robot công nghiệp không đủ độ linh hoạt trong những môi trường

không bị biến đổi.
- Chưa thân thiện với con người.
- Cần các công việc mới: Phục vụ, giúp việc nhà cửa, giải trí, ...
- Sự tương tác thân thiện với con người.
- Giúp đỡ con người trong các môi trường làm việc của con người.


2

- Giao tiếp bằng trực giác với nhiều tình huống bất ngờ.
- Có khả năng lập trình bằng việc thao tác mẫu, ...
- Có khả năng tư duy tốt.
Robot giống con người là một lĩnh vực rất rộng, tổng hợp rất nhiều kiến thức:
Cả cơ học, cơng nghệ cơ khí, cơng nghệ thơng tin, điện, điện tử, trí tuệ nhân tạo, ...

Xử lý tiếng nói,
hình ảnh

Điều khiển nhiều
trục Servo

Ứng dụng vi xử
lý

Humanoid
Robot

Cơ học, cơng
nghệ cơ khí

Trí tuệ nhân tạo

Kết hợp và xử
lý các sensor

Hình 1.2: Robot dạng người và các lĩnh vực liên quan.
Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học liên quan đã làm thúc đẩy sự
phat triển về robot dạng con người, ngày nay đã xuất hiện các robot dạng người rất
linh hoạt và thông minh như: ASIMo, QRIO, ..

I.2. Một số loại Robot hai chân trên thế giới:
 Một vài Robot dạng con người trên thế giới:


3

Hình 1.3: Một số loại robot phổ biến trên thế giới và các hơng số của chúng.
Các Robot giao tiếp:

Hình 1.4: Hình ảnh về một số loại robot dùng trong giao tiếp.
Các Robot thao tác bằng tay:

Hình 1.5: Một số robot có hai tay để thao tác.
 Các dự án về Robot dạng người trên thế giới:


4

o Đại học Wesada có các dự án: Wabot-1 (từ năm 1973), WE-4,
Wendy.

Hình 1.6. Các Robot WABOT-2, WE-4, Wendy
o Honda: Với dự án Robot ASIMO từ năm 1986, đã đầu tư hơn 100
triệu USD.
o SONY với dự án Robot QIRO, gần tiến tới chế tạo hàng loạt, được
dùng trong giải trí.
o TOYOTA: Đã giới thiệu Robot thổi kèn tại hội trợ Expo 2005.

Hình 1.7: Robot thổi kèn của Toyota.
o Nhật Bản: Có dự án Atom, với thời gian là 30 năm.
o Mỹ: Có các Robot: Cog, Kismet, Leo, NurseBot.
o Đức:


5

 Robot Johnnie của trường Đại học TU Munchen.
 ARMA của SFB 588 Karlsruhe.
 Mexi của C-Lab Paderborn.
 ...
Trong những năm gần đây, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều hãng, tập đoàn
tung ra các loại robot biết đi, trong đó có một vài loại rất đáng chú ý, như:
 ASIMO của HONDA:
Đây có lẽ là loại robot 2 chân phổ biến nhất hiện nay, có có khả nănh đi bộ,
chạy bộ với vận tốc khá cao, có khả năng leo cầu thang, khả năng giao tiếp với con
người, biểu thị trạng thái (buồn, vui, ...), di chuyển đồ vật, tiếp khách, nhận dạng,
nghe nhạc, ...

Hình 1.8: Robot ASIMO của HONDA.
 Robot QRIO của SONY:

Đây là loạt robot dạng con người, có 22 bậc tự do, do vậy rất lịnh hoạt, có khả
năng chơi các trị chơi của con người như: Đá bóng, ném bóng, múa quọat, ....


6

Hình 1.9: QRIO - Có khả năng chơi chóng.

Hình 1.10: QRIO - Có khả năng nhảy theo nhịp điệu âm nhạc.

Hình 1.11: QRIO - Có khả năng múa quọat.


7

Hình 1.12: Có khả năng đồng diễn và hình ảnh QRIO sốt vé xe.

Bảng 1.1: Các thơng số về cân nặng, cấu trúc của QRIO.


8

Bảng 1.2: Các thông số chuyển động của QRIO


9

Hình 1.13: Mơ hình cấu trúc của QRIO
 JOHNNIE:
Đây là sản phẩm của viện cơ học ứng dụng thuộc trường đại học kỹ thuật

Munich (được tách ra từ viện cơ học B từ năm 2001).


10

Hình 1.14: Robot Johnnie.
Đây là loại Robot bước đi hai chân, có 17 bậc tự do chủ động; nặng 49 Kg;
cao 1.8 m; mỗi chân được điều khiển bởi sáu khớp và ba trong sáu khớp này nằm ở
hông robot, một khớp ở đầu gối, hai khớp ở cổ chân. Hai cánh tay, mỗi cách tây có
hai bậc tự do. Các khớp được điều khiển bởi các động cơ DC, có tích hợp hộp số.
Có hai cảm biến lực theo 6 hướng đặt tại hai bàn chân dùng để đo phản lực từ nền
tác dụng lên bàn chân. Một cảm biến gia tốc qn tính theo ba hướng. Có 3 sensor
Gyroscop dùng để xác định hướng của thân robot. Có sử dụng một main P4 của
máy tính với đầy đủ các giao tiếp với các sensor và động cơ. Các giải thuật chạy
trên PC được viết trên nền LINUX.
 Robot KHR2:


11

Hình 1.15: Robot KHR-2
Đây là loại Robot được phát triển bởi phỏng thí nghiệm điều khiển cơ khọc
thuộc khoa cơ khí, viện khoa học và cơng nghệ cao Taejon, Hàn Quốc từ những
năm 2000:
Năm 2000: với phiên bản robot có 4 bậc tự do:

Hình 1.16: Robot KHR, phiên bản năm 2000 với 4 DOF.
Năm 2001 với phiên bản robot KHR-0 có 12 bậc tự do:

12

Hình 1.17: KHR-0 với 12 bậc tự do.
Năm 2003 với phiên bản robot KHR-2 có 21 bậc tự do:

Hình 1.18: KHR-2 phiên bản 2003 với 21 bậc tự do.


13

Mục đích của dự án này là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra loại robot có đặc
điểm: Giống người và có thể giao tiếp với xã hội, và có thể giúp con người trong
cơng việc xã hội.

Hình 1.18: Hình ảnh robot biết đi trong cuộc sống.

Chiều cao

120cm

Cân năng

56Kg

Tốc độ bước đi

0-1.0Km/h

Chu kỳ bước

0.9-1.0/s

Lực kẹp

0.5Kg/1 ngón tay

Cơ cấu chấp hành

Động cơ DC Servo, các bộ truyền
bánh răng
Môdul điều khiển quá trình bước

Mơdul điều khiển

Mơdul điều khiển động cơ
Mơdul truyền nhận dữ liệu
3 cảm biến lực/moment(khớp cở tay

Sensor

và chân)
Cảm biến tốc độ/ gia tốc góc
Gyroscope(ở thân)


14

CCD camera(Hai mắt của Robot)
Nguồn

Pin

Ni-MH(24V/8AH, 12V/12Ah)

Nguồn bên ngoài

12V, 24V

Thiết bị điều khiển

Bàn phím, chuột, Notebook có hỗ
trợ giao tiếp khơng dây.
Bảng 1.3. Các hơng số của KHR-2.

KHR-2 có cấu trúc: Gồm 41 bậc tự do.

Hình 1.19: Cấu trúc của KHR-2.
Mơ hình hệ thống điều khiển của KHR-2:


15

Wireless LAN
Notebook PC
Main Computer

CCD Camera

Chụp hình
CAN Module

F/T Sensor #0
CAN Module
CAN Module
CAN Module

F/T Sensor #0
CAN Module
CAN Module
CAN Module

CAN Module

Hình 1.20: Sơ đồ hệ thống điều khiển của KHR-2.
Thuật giải điều khiển bước đi của Robot KHR-2:

Hình 1.21. Sơ đồ thuật giải điều khiển bước đi của KHR-2.

I.3. Lịch sử phát triển của robot ASIMO của Honda:


16

Từ những năm 1986, hãng Honda đã đầu tư vào các dự án phát triển robot
dạng con người.

I.3.1. Năm 1986 với mơ hình Robot E0:

Hình 1.22: Robot E0 của Honda.
Tại phiên bản này đã ví dụ về các nguyên tắc cơ bản của chuyển động bằng

hai chân.

Hình 1.2:. Sơ đồ bước chân trong trường hợp bước nhanh và chậm.

I.3.2. Từ các năm 1987-1991:


17

Honda đã cho ra đời các laọi robot E1, E2, E3:

Hình 1.2: Robot E1, E2, E3 của Honda.
Thực hiện việc bước đi nhanh hơn, để đạt được điều này, honda đã tiến hành
khảo sát bước đi cụ thể của con người rồi từ đó rút ra dáng đi cho robot.

a. Mơ hình thí nghiệm thứ nhất E1:

Hình 1.25: Robot E1.
Bắt đầu một dạng của bước đi tĩnh với tốc độ là 0.25Km/h.

b. Mơ hình E2:


18

Hình 1.26: Robot E2.
Lần đầu tiên bước đi động với vận tốc 1.2 Km/h, và bắt trước bước đi của con
người.

c. Mơ hình E3:

Hình 1.27: Robot E3.
Có thể bước đi với tốc độ 3Km/h.
Trong giai đoạn này có thể nói là đã nghiên cứu và phân tích rất kỹ lưỡng về
bước đi của con người, ngồi ra một vài tình huống, dạng bước đi khác cũng được
nghiên cứu, đồng thời cũng nghiên cứu các chuyển động cần thiết của các khớp để
tạo nên sự vận động giống con người. Dữ liệu cơ bản để tạo nên chuyển động của
con robot chính là dạng bước đi của con người. Một chương trình về bước đi nhanh
đã được tạo ra và đã được đem vào thử nghiêm trong robot dạng người.
Các bước tiếp theo cần giải quyết là tăng tốc và ổn định bước đi trong môi
trường sống của con người, đặc biệt là trong bề mặt không bằng phẳng, dốc và bậc
thang và khơng có hố.

I.3.3. Giai đoạn từ 1991-1993:
Đã cho ra đời các mơ hình robot: E4, E5, E6:


19

Hình 1.28: Robot E4, E5, E6 của Honda.
Trong giai đoạn này hồn thiện các chương trình cơ bản về bước đi hai chân,
thiết lập công nghệ cho ổn định bước đi.

a. Mơ hình Robot E4:

Hình 1.29: Robot E4.
Chiều dài của ống chân được kéo dài tới 40 cm để có thể mô tả được bước đi
của con người với tốc độ 4.7 Km/h.

b. Mơ hình Robot E5:

20

Hình 1.30: Robot E5.
Lần đầu tiên mơ hình chuyển động với một cái đầu với cái vỏ lớn.

c. Mơ hình E6:

Hình 1.31: Robot E6.
Tự điều khiển cân bằng khi bước đi lên hoặc xuống cầu thang, trên địa hình
dốc, hoặc bước qua chướng ngại vật.
Tóm lại là trong gia đoạn này thì Honda đã khám phá và kiểm tra các công
nghệ về ổn định bước đi, và phát triển ba cơng nghệ điều khiển:

Hình 1.32: Ba điều khiển dáng điệu cần thiết cho sự ổn định của bước đi.
Floor Reaction Control: Điều khiển phản lực từ nền tác dụng lên chân
Robot.


21

Target ZMP Control: Điều khiển ZMP.
Foot Planting Location Control: Điều khiển dáng đứng của chân.
Cơ học bước đi cũng đã được thiết lập với Robot E5. Robot E5 của Honda đã
chính thức đạt được bước đi hai chân trên địa hình dốc hoặc mặt bậc thang.
Trong phần nghiên cứu tiếp theo sẽ gắn các chân Robot vào một thân robot
để tạo nên Robot dạng người.

I.3.4. Giai đoạn 1993-1997:

Với các thế hệ Robot P1, P2, P3:

Hình 1.33: Robot P1, P2, P3 của Honda.
Nghiên cứu về hoàn thiện một Robot dạng người. Đây là vấn đề nâng cao
trong Robot dạng người.

a. Thế hệ robot P1:

Hình 1.34: Robot P1.


22

Đây là phiên bản robot đầu tiên giống như con người, với phần trên là thân
robot (trông khá to).
Với các thông số: Chiều cao: 1915 mm, cân nặng: 175 Kg.
Robot có khả năng bật cơng tắc điện bên ngồi và bật tắt máy tính và mở cửa,
có thể giữ và mang vác một vài thứ gì đó. Ở giai đaọn này cũng đã nghiên cứu về
thao tác mang vác các đồ vật với tư thế nằm ở bên ngoài hệ toạ độ giữa tay và chân.

b. Thế hệ Robot P2:

Hình 1.35: Robot P2.
Đây là phiên bản đầu tiên và khá là hấp dẫn với các chuyển động rất giống
với thực tế.
Có khả năng tự điều chỉnh bước đi giữa hai chân của Robot.
Các thông số: Cao: 1820mm, cân nặng: 210Kg, Có sử dụng cơng nghệ khơng
dây, trong thân Robot có chứa một máy tính, các bộ điều khiển motor, nguồn năng
lượng, thiết bị khơng dây phát ra sóng radio, và các thiết bị cần thiết khác. Tất cả
chúng đều được đưa vào trong thân robot. Có khả năng bước đi độc lập, bước đi lên,

xuống cầu thang, đẩy xe hàng và một số thao tác khác trong điều kiện không dây và
cho phép các thao tác độc lập với nhau.

c. Thế hệ Robot P3:


23

Hình 1.35: Robot P3.
Sự phát triển về kích thước vầ cân nặng đã tạo nên một robot rất thú vị.
Một phiên bản hoàn thiện độc lập vào tháng 9 năm 1997.
Các thơng số: Chiều cao: 1600mm, cân nặng 130Kg. Kích thước và chiều cao
đã giảm do thay đổi các thành phần vật liệu và phân tán hệ thống điều khiển. Kích
thước càng nhỏ thì càng phù hợp cho việc sử dụng trong môi trường con người.

I.3.5. Giai đoạn từ năm 2000 đến nay:
Honda tập chung phát triển thế hệ robot ASIMO:


24

Hình 1.36: Robot ASIMO phiên bản năm 2000.
hơn.

Thân thiện và bóng bẩy hơn. Các cơng nghệ mới đã làm cho dự án hoàn thiện

Giai đoạn này chủ yếu kết hợp sự phát triển của kích thước, cân nặng và cơng
nghệ bước đi.
Các đặc tính nổi bật nhất của Robot ASIMO:







Cơ đọng về cân nặng.
Công nghệ bước đi phức tạp.
Số bậc tự do của phần chuyển động phía trên nhiều hơn.
Dễ dàng thao tác.
Thiết kế thân thiện với con người hơn.

I.3.6. Sự phát triển của công nghệ bước đi của HONDA:
a. Các nghiên cứu về bước đi của con người, gồm các q trình:
Bố trí các khớp chân.