Nghiên cứu phân tích động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot rắn báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t ck 2013 04

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
FOG 
 
 
 

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG
 

 
Tên đề tài:

Nghiên Cứu Phân Tích Động Lực Học và Thiết Kế Chế Tạo
Mơ Hình Robot Rắn
Mã số đề tài: T-CK-2013-04
Thời gian thực hiện: tháng 05 năm 2013 đến tháng 05 năm 2014
Chủ nhiệm đề tài: TS. Võ Tường Quân
Cán bộ tham gia đề tài: TS. Nguyễn Duy Anh
ThS. Trương Quốc Toàn  

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 04/2014


Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài
1.
2.
3.

TS. Võ Tường Quân - Bộ môn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Trường Đại

học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
TS. Nguyễn Duy Anh - Bộ mơn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Trường
Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
ThS. Trương Quốc Tồn - Bộ mơn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Trường
Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.

1


Mục lục
Trang
Chương 1: TỔNG QUAN
1. Tình hình nghiên cứu trong nước
2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước

3
5

Chương 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ HÌNH HĨA ROBOT RẮN
1. Tổng quan về cách di chuyển của rắn trong tự nhiên
8
1.1 Cấu tạo sinh học của rắn trong tự nhiên
8
1.2 Các dạng chuyển động của rắn trong tự nhiên
8
2. Phân tích, tính tốn động lực học cho robot rắn
11
2.1 Phân tích, tính tốn động lực học cho robot rắn
11
2.2 Các lực tác động lên robot rắn

14
Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT RẮN
1. Phương án thiết kế cơ khí robot rắn
2. Tính tốn kích thước mỗi khâu (module)

17
18

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN
1. Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot rắn
2. Thiết kế mạch điều khiển
2.1 Sơ đồ mạch tổng quát
2.2 Các module mạch
2.3 Sơ đồ mạch thiết kế

21
25
25
26
30

Chương 5: THỰC NGHIỆM
1. Robot thực tế sau khi gia công lắp ráp
2. Kết quả thực nghiệm

33
34

Chương 6: KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN
1. Kết luận

2. Hướng phát triển

38
38

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

39
40
41

2


Chương 1
TỔNG QUAN
Robot là một lĩnh vực nghiên cứu đã và đang được phát triển mạnh ở một số nước
trên thế giới cũng như ở nước ta trong những năm gần đây. Đối với lĩnh vực robot dạng
này, có rất nhiều nghiên cứu về khá nhiều chủng loại robot từ robot di chuyển bằng bánh
xe đến robo di chuyển bằng chân hoặc nếu chúng ta phân loại theo kiểu môi trường làm
việc thì có loại robot di chuyển trên mặt đất và robot hoạt động trong môi trường nước,
hoặc robot bay trên không,...
Trong những năm gần đây, một dạng robot mới đã ra đời và đang được triển khai
nghiên cứu trong những năm gần đây gọi là robot phỏng sinh học (Biomimetic robots).
Các loại robot phỏng sinh học nói chung sẽ tập trung nghiên cứu về phương pháp cũng
như cách thiết kế và điều khiển robot mô phỏng lại hoạt động của các động vật trong môi
trường tự nhiên. Robot phỏng sinh học được thiết kế mô phỏng theo hoạt động của một số
động vật điển hình như là cá hoặc rắn. Robot phỏng sinh học dạng rắn (robot rắn) có đặc

điểm cấu tạo tương đối nhỏ gọn, chuyển động linh hoạt và chúng ta có thể ứng dụng
chúng trong việc khảo sát mơi trường tự nhiên, thăm dị, khảo sát, đo đạc các thơng số của
mơi trường,… Ngồi ra, một ưu điểm nổi bật của robot phỏng sinh học là chúng ta có thể
sử dụng robot phỏng sinh học để thăm dò, khảo sát đời sống của loại sinh vật có hình
dạng tương tự như chúng. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng robot rắn để khảo sát đời sống
của một số lồi rắn trong mơi trường sống tự nhiên.
1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
Tại Việt Nam, robot luôn là đề tài thu hút sự đầu tư của các nhà khoa học. Tuy nhiên,
do điều kiện nghiên cứu có hạn nên số lượng robot rắn vẫn cịn hạn chế. Theo khảo sát
của chủ nhiệm đề tài và nhóm thực hiện thì hiện nay robot rắn chưa được nghiên cứu
nhiều ở nước ta. Có thể nói đề tài nghiên cứu về robot rắn này là một trong những đề tài
đầu tiên khởi đầu cho lĩnh vực nghiên cứu về robot rắn ở nước ta. Tại các trường đại học
như đại học Sư Phạm kỹ thuật, đại học Bách Khoa TPHCM,… cũng có nhiều bài luận
văn với đề tài robot rắn, nhưng hầu hết các mơ hình đều hoạt động chưa thật sự linh hoạt
nhưng đây sẽ là tiền đề để robot rắn dần trở nên hoàn thiện hơn trong tương lai. Ngoài ra,
các đề tài về robot rắn này chủ yếu tập trung vào tính tốn mơ phỏng là chính và chưa có
sản phẩm robot rắn tương đối hoàn thiện.
Chủ nhiệm đề tài cũng đã hướng dẫn khoảng 3 đề tài luận văn tốt nghiệp đại học cho
sinh viên về lĩnh vực robot rắn. Một số hình ảnh về robot rắn do chủ nhiệm đề tài hướng

3


dẫn thực hiện đã và đang được thực hiện tại Bộ mơn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Trường
Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh được giới thiệu trong các hình bên dưới.

Hình 1.1. Mơ hình robot rắn của KS.Trần Phước Báu năm 2010 [1]

Hình 1.2 Mơ hình robot rắn của KS.Bùi Thanh Vinh năm 2012 [2]

Hình 1.3 Mơ hình robot rắn của KS. Trương Thường Qn năm 2013 [3].
4


Chúng ta thấy hướng nghiên cứu về robot rắn là một hướng khá mới mẻ và có nhiều
ứng dụng thực tế rất lớn. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng robot rắn trong lĩnh vực khảo sát,
tham dò hoặc cứu hộ,… Ngồi ra, chúng ta cịn có thể phát triển robot rắn thành một dạng
robot di chuyển trong môi trường nước để phục vụ cho các lĩnh vực nghiên cứu về thủy
sinh động học.
Do đó, hướng nghiên cứu chính của đề tài là xây dựng được mơ hình động lưc học
của robot rắn có từ 7 đến 9 khớp. Số lượng khớp càng nhiều thì robot càng di chuyển linh
hoạt và càng giống với chuyển động của rắn trong tự nhiên. Trong đề tài này, chủ nhiệm
đề tài và nhóm thực hiện chọn số lượng khớp động của robot là 8 khớp. Ngoài ra, các
khớp của robot rắn được thiết kế, chế tạo theo dạng module nên việc thêm hoặc bớt số
lượng các khớp của robot có thể được thực hiện dễ dàng.
Về vấn đề điều khiển, đề tài này tập trung vào phương pháp ứng dụng bộ điều khiển
PID để điều khiển chuyển động cho robot rắn.
Do đó, với kết quả của đề tài nghiên cứu này, chúng ta có thể sử dụng làm tiền đề
cho sự nghiên cứu về các phương pháp khác để tiếp tục phát triển về hướng điều khiển
chuyển động của robot rắn.
2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC
Đối với nước ngồi, tình hình về nghiên cứu robot rắn đang được phát triển rất
mạnh. Một số nước có rất nhiều nghiên cứu về robot cá điển hình là Mỹ, Nhật, Hàn Quốc,
Trung Quốc,…
Hiện nay, trên thế giới đã có khá nhiều quốc gia đi đầu về công nghệ đã cho ra đời
nhiều robot rắn có cách di chuyển đa dạng như leo cây, bơi, lượn một bên, trườn thẳng,…
với các thiết kế dẫn động từ bánh xe, đai răng đến lớp vảy nhân tạo,... Một số hướng
nghiên cứu về robot rắn điển hình như sau: năm 2012, nhóm phát triển eatART đã trưng
bày sản phẩm robot rắn Titonoboa có chiều dài 15m. Robot này được thiết kế ra với mục
đích góp phần vào cuộc tranh luận về sự biến đổi khí hậu và đặc biệt là thể hiện các kĩ

năng về cơ học.

5


Hình 1.4 Robot rắn Titonoboa của nhóm eatART [4]

Hình 1.5 Hình 3D khớp robot Titonoboa [4]
Năm 2011, đại học Carnegie Mellon, Mỹ đã giới thiệu robot rắn có khả năng leo
cây. Các chuyên gia chế tạo máy Đại học Carnegie Mellon, Mỹ cho biết, robot vừa được
chế tạo với 16 khớp có thể bám chắc vào mọi vật liệu, di chuyển vào những khu vực nhỏ
hẹp mà các loại robot khác không thể tiếp cận. Đặc biệt, phần đầu robot được trang bị
đèn và máy quay phim độ nét cao, giúp người điều khiển dễ dàng quan sát khu vực trước
mặt robot.

6


Hình 1.6 Robot rắn leo cây của đại học Carnegie Mellon [5]

Hình 1.7 Robot rắn do thám [6]
Năm 2009, các nhà khoa học Israel (hình 1.4) đã chế tạo thành cơng robot rắn dị
thám có cách di chuyển phỏng theo sự di chuyển của rắn thật trong tự nhiên. Robot có
khả năng len lõi qua các vết nứt, các tịa nhà đổ nát hoặc trinh sát tại vùng nguy hiểm,
đồng thời truyền tín hiệu âm thanh và video thu được tại hiện trường về nơi điều khiển.
Ỵ Từ các phân tích ở trên, nhóm nghiên cứu xác định mục tiêu nghiên cứu chính của
đề tài như sau:
1. Nghiên cứu phương pháp phân tích, tính tốn cũng như mơ phỏng mơ hình động
lực học của robot rắn có 8 khớp.
2. Nghiên cứu phương án điều khiển chuyển động của robot rắn để robot có thể di

chuyển gần giống với rắn trong tự nhiên.
3. Mô phỏng chuyển động của robot rắn dựa trên phương trình động lực học của
robot và bộ điều khiển PID bằng phần mềm Matlab.
4. Thực nghiệm kiểm chứng kết quả.

7


Chương 2
PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ HÌNH HĨA
ROBOT RẮN
1. TỔNG QUAN VỀ CÁCH DI CHUYỂN CỦA RẮN TRONG TỰ NHIÊN
1.1 Cấu tạo sinh học của rắn trong tự nhiên
• Cấu tạo xương sống
Một bộ xương rắn thường có từ 100 - 400 đốt. Giữa hai đốt là khớp xương có thể
quay một góc nhỏ theo hai trục vng góc nhau. Nhờ vậy rắn có thể biểu diễn được nhiều
cách di chuyển khác nhau nhằm thích nghi với các địa hình phức tạp trong tự nhiên.
• Cấu tạo da rắn
Da rắn được phủ kín bởi lớp vảy sừng. Lớp vảy này có thể nhẵn nhụi, có gờ hoặc có
dạng hạt. Mục đích cơ bản lột da là để trưởng thành, lột da cũng khiến rắn loại bỏ ký sinh
trùng trong suốt quá trình di chuyển. Hầu hết rắn dựa vào lớp vảy ở phần bụng để di
chuyển. Cấu tạo và độ ma sát của lớp vảy này này của rắn đóng 1 vai trị quan trọng trong
giúp rắn di chuyển ở nhiều địa hình khác nhau.
• Cách di chuyển của rắn
Toàn thân rắn được bao bọc một lớp vảy. Những chiếc vảy này có độ cứng cao và
khơng lớn lên tương ứng theo sự trưởng thành của thân thể rắn. Vì vậy cứ 2-3 tháng rắn
phải thay da 1 lần. Những chiếc vảy này không chỉ giúp rắn bảo vệ mà cịn có chức năng
hạn chế sự trượt ngang của rắn khi trườn. Khi di chuyển, rắn thường kết hợp chuyển động
các khớp một cách linh hoạt để tạo ra nhiều biên dạng khác nhau nhằm thích nghi với địa
hình, đồng thời có thể giúp rắn thực hiện nhiều động tác như leo cây, bơi, lặn, ...

1.2 Các dạng chuyển động của rắn trong tự nhiên
• Di chuyển điều hòa theo kiểu đàn concertina
Với dạng chuyển động này, rắn xếp và giãn cơ thể để di chuyển tới. Phần xếp sẽ
giữ vị trí cố định và phần cịn lại sẽ được đẩy hoặc kéo tới. Sau đó, hai phần sẽ đổi vai trò
với nhau. Chuyển động dạng này đạt được khi lực đẩy cố định lớn hơn lực mà sát tác
dụng lên phần di chuyển. Chuyển động này được thực hiện khi di chuyển theo đường
hẹp, trong ống, trên cành cây. Đối với robot rắn, dạng chuyển động này sẽ giúp đầu robot
ln hướng thẳng về phía trước khi chuyển.

8


Hình 2.1 Chuyển động dạng đàn concertina của rắn [7]
• Di chuyển theo dạng sóng ngang
Đây là kiểu chuyển động liên tục của toàn bộ cơ thể rắn trên mặt phẳng. Chuyển
động được thực hiện nhờ việc tạo dạng sóng di chuyển từ trước ra sau và dựa vào độ
nhám của mặt đất. Mỗi phần của cơ thể sẽ đi qua vị trí của phần trước đó như dạng một
hình sin.

Hình 2.2 Chuyển động dạng sóng ngang của rắn [7]
Đặc điểm quan trọng của dạng chuyển động này là sự chênh lệch giữa lực ma sát
theo phương vng góc và phương tiếp tuyến với cơ thể. Để tạo ra sự chênh lệch đó,
phần tiếp xúc giữa cơ thể rắn và địa hình được cấu tạo dạng vảy, có đặc điểm hạn chế
trượt ngang và cho phép trượt theo phương tiếp tuyến dễ dàng. Nhờ lực ma sát theo
phương vng góc lớn hơn nhiều so với lực ma sát tiếp tuyến nên rắn có thể di chuyển
thẳng về phía trước. nhằm tránh sự trượt ngang.
Dạng chuyển động này khơng thích hợp với bề mặt nhẵn, ma sát thấp và trong
không gian hẹp. Nó cũng khơng thích hợp cho những lồi rắn quá ngắn hoặc quá nặng vì

9

chúng không thể đạt được biên dạng cần thiết để di chuyển hoặc hiệu suất chuyển động
giảm đáng kể do cơ thể q nặng.
•

Di chuyển theo dạng lượn một bên

Hình 2.3 Chuyển động lượn một bên [7]
Đây là dạng chuyển động được thu hút nhiều nhất của rắn và được sử dụng chủ yếu
bởi các loài rắn sống trên sa mạc. Sự phát triển dạng chuyển động này là do nhiệt độ
nóng và độ lún của cát tại sa mạc. Rắn nhấc và uốn cơ thể thành các vết ngắn, song song
trên mặt đất đồng thời di chuyển theo một góc nghiêng. Khác với dạng sóng ngang, dạng
này có một số đốt không tiếp xúc giữa cơ thể rắn và bề mặt địa hình.
• Các dạng chuyển động khác
Ngồi ra, rắn cịn có các dạng chuyển động hiếm gặp hơn tùy vào mơi trường sống.
Ví dụ như đào bới (burrowing), nhảy (jumping), dạng sin (sinus-lifting), trượt ngang
(skidding), leo và bơi, …

Hình 2.4 Một số kiểu di chuyển khác của robot rắn [8]

10


2. PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CHO ROBOT RẮN
Trong đề tài nghiên cứu này, phương pháp Larange được sử dụng để phân tích,
tính tốn phương trình động lực học của robot rắn. Robot rắn được thiết kế với nhiều
module giống nhau được ghép nối tiếp với nhau.
2.1 Phân tích, tính tốn động lực học cho robot rắn

Hinh 2.5 Robot rắn có n-khâu.
Robot rắn là một tập hợp bao gồm nhiều module giống nhau được ghép nối tiếp với
nhau. Mỗi module được thiết kế có hình dáng, kích thước, khối lượng như nhau. Nhờ đặc
điểm này mà người sử dụng có thể linh động thay đổi kích thước chung của robot nhằm
thỏa mãn mục đích sử dụng. Xét về tổng quát, chúng ta có robot gồm n khâu với n-1
khớp. Chiều dài khâu, khối lượng, momen quán tính được ký hiệu lần lượt là l, m và I.
Trên hình 2.5, ký hiệu x1, x2, y1, y2,… lần lượt là tọa độ của các khớp theo phương X và
Y; θi là góc hợp bởi khâu với trục Y; d1, d2,… dn lần lượt là khoảng cách trọng tâm của
mỗi module. Do mỗi khâu đều có kết cấu như nhau và có dạng hình trụ thẳng dài nên
momen qn tính tại các khâu là như nhau. Vì vậy chúng ta có:
1
Ii = mi li2
3

(2.1)

Chúng ta có phương trình Lagrange tổng qt nh sau:
ử ảL
dổ
ỗỗ ả Li ữ
i
ữ
= Qqi (1 i n)
ữ
ữ
q
dt ççè ¶ q&
¶
i
i ø

(2.2)

Trong đó:

11


•

L là phương trình năng lượng.

•

Q là lực suy rộng

Xét vế trái của phương trình 2.2, phương trình Larange L được xác định như sau:
Ta có: L = K – P
•

K là động năng

•

P là thế năng

(2.3)

Do mục tiêu đề tài chỉ di chuyển robot trên mặt phẳng 2D nên thế năng của robot coi như
bằng không.

Động năng mỗi khâu:
Ki =

1 &2 1
1
1
Iiθ i + mi vi2 = Iiθ&i2 + mi ( x&i2 + y&i2 )
2
2
2
2

(2.4)

Tọa độ trọng tâm của mỗi khâu:
i −1
⎧
=
x
l j cos θ j + di cos θi
∑
⎪ i
j =1
⎪
⎨
i −1
⎪ y = l sin θ + d sin θ
j
j
i

i
⎪⎩ i ∑
j =1

(2.5)

Vận tốc của mỗi khâu
i −1
⎧
&
=
−
x
l jθ&j sin θ j − diθ&i sin θi
∑
⎪ i
j =1
⎪
⎨
i −1
⎪ y& = l θ& cos θ + d θ& cos θ
j j
j
i i
i
⎪⎩ i ∑
j =1

(2.6)

Thay vào phương trình 2.4, chúng ta có:
2
2
⎞ ⎛ i −1 &
⎞ ⎞
1 &2 1
1 &2 1 ⎛ ⎛ i −1 &
2
&
&
Ki = Iiθ i + mi vi = Iiθ i + mi ⎜ ⎜ − ∑ l jθ j sin θ j − diθi sin θi ⎟ + ⎜ ∑ l jθ j cos θ j + diθi cos θi ⎟ ⎟
2
2
2
2 ⎜ ⎝ j =1
⎠ ⎝ j =1
⎠ ⎟⎠
⎝

(2.7)
Vì P=0, nên, phương trình Larange như sau:
2
2
⎞ ⎛ i −1 &
⎞ ⎞
1 &2 1 2 1 &2 1 ⎛ ⎛ i −1 &
&
&
Li = Ki = Iiθi + mi vi = Iiθi + mi ⎜ ⎜ −∑ l jθ j sin θ j − diθi sin θi ⎟ + ⎜ ∑ l jθ j cosθ j + diθi cosθi ⎟ ⎟
2

2
2
2 ⎜ ⎝ j =1
⎠ ⎝ j =1
⎠ ⎟⎠
⎝

(2.8)
12


Để giải phương trình Lagrange, chúng ta cần tính các thông số sau:
i −1
⎡ i −1
⎤
dLi
= Iiθ&i + mi di2θ&i + ⎢ ∑ l j diθ&j sin θ j sin θi + ∑ l j diθ&j cos θ j cos θi ⎥
dθi
j =1
⎣ j =1
⎦
i −1
⎡ i −1 &&
⎤
+
l
θ
sin
θ
sin

θ
l jθ&&j cos θ j cos θi
⎢∑ j j
∑
⎥
j
i
j =1
⎢ j =1
⎥
i −1
i −1
⎢
⎥
⎛
⎞
d dLi
2
2
2
⎜
⎟ = Iiθ&&i + mi di θ&&i + mi di ⎢ + ∑ l jθ&j cos θ j sin θi − ∑ l jθ&j sin θ j cos θi ⎥
dt ⎝ dθi ⎠
j =1
⎥
⎢ j =1
⎥
⎢ i −1
i −1
⎢ + ∑ l jθ&jθ&i sin θ j cos θi − ∑ l jθ&jθ&i cos θ j sin θi ⎥

⎥⎦
⎢⎣ j =1
j =1
i −1
⎡ i −1
⎤
∂Li
= mi di ⎢ ∑ l jθ&jθ&i sin θ j cos θi − ∑ l jθ&jθ&i cos θ j sin θi ⎥
∂θi
j =1
⎣ j =1
⎦

¶L ử
dổ
ữỗỗỗ i ữ
ữ
&
dt ốỗ ả qi ữ
ứ

(2.9)

(2.10)

(2.11)

i- 1
ội- 1
ự

&sin q sin q +
&
&cos q cos q ú
êå l j q&
q
l
å j j
j
i
j
i
ú
êj = 1 j
¶ Li
j= 1
2&
ê
ú
&
&
&
= I i qi + mi di qi + mi di ê i- 1
ú
i- 1
¶ qi
ê+
ú
2
2
&

&
ê å l j q j cos q j sin qi - å l j q j sin q j cos qi ú
êë j = 1
ú
j= 1
û

(2.12)
Xét vế phải phương trình 2.2, phương trình Q được xác định như sau:

Hinh 2.6 Ngoại lực và nội lực tác dụng lên các khâu của robot

13


2.2 Các lực tác động lên robot rắn

•

Lực ma sát
Dựa trên hình 2.6, chúng ta thấy có xuất hiện 2 lực ma sát vng góc nhau tại mỗi

khâu.
Theo phương tiếp tuyến
f

ti

= − µt mi gsign(vit )

(2.13)[9]

f

ti

= − µt mi gsign(θ&i )

(2.14)[9]

Theo phương pháp tuyến

f

ni

= − µn mi gsign(vit )

(2.15) [9]

fni = àn mi gsign(&i )

(2.16) [9]

Trong ú:
ã àt, àn : lần lượt là hệ số ma sát theo phương tiếp tuyến và pháp tuyến.
• fti, fni : lần lượt là lực ma sát theo phương tiếp tuyến và pháp tuyến.
Chiếu các lực ma sát lên hệ trục XY, chúng ta có:
fxi =ftisin(θi)- fnicos(θi)
(2.17) [9]

fyi =fticos(θi)+ fnisin(θi)

(2.18) [9]

• Lực liên kết
Bên cạnh các tác nhân ma sát, trong robot còn xuất hiện lực liên kết giữa các khâu.
Các khâu liên kết với nhau được thể hiện ở mơ hình dưới đây:
Theo định luật 2 Newton ta có: mx&& = ∑ F
Lực tác dụng lên module thứ i:
Fi (t ) + ki ( xi +1 − xi ) + ci ( x&i +1 − x&i ) − ki −1 ( xi − xi −1 ) − ci −1 ( x&i − x&i −1 ) = mi &&
xi

(2.19)

Từ phương trình trên, chúng ta có phương trình sau:
Fi (t ) + ki (θi +1 − θi ) + ci (θ&i +1 − θ&i ) − ki −1 (θi − θi −1 ) − ci −1 (θ&i − θ&i −1 ) = miθ&&i

(2.20)

Đặt FTi (t ) = Fi (t ) − miθ&&i

(2.21)

Ỉ FTi (t ) = −(ki (θi +1 − θi ) + ci (θ&i +1 − θ&i ) − ki −1 (θi − θi −1 ) − ci −1 (θ&i − θ&i −1 ))

(2.22)

• Lực suy rộng Q
Giá trị vế phải của phương trình Larange được tính theo cơng thức sau:
n

n
é
ù
Qqi = di ( f xi cos qi + f yi sin qi ) + l i êêcos qi å f xj + sin qi å f yj úú+ Ti- 1 - Ti + li FTi (t )
j= i+ 1
j= i+ 1
êë
úû

14

(2.23)


Trong đó:
• fxi, fyi : (1≤i≤n)
• Ti : (1≤i≤n-1)
• Momen xoắn tại các khâu
Từ phương trình (2.23), đặt:
n
n
é
ù
Ni = Ti- 1 - Ti = Qqi - di ( f xi cos qi + f yi sin qi ) - l i êêcos qi å f xj + sin qi å f yj úú- li FTi (t )
j= i+ 1
j= i+ 1
ëê
ûú

(2.24)

Từ cơng thức (2.2) và (2.24), chúng ta có giá trị momen xoắn tại mỗi khâu như sau:
Ni =

n
n
é
ù
ư ¶L
d ỗổả Li ữ
i
ờ
ỳ
ữ
ỗỗ
+
+
(
f
cos
q
f
sin
q
)
l
cos
q
f
sin
q

f
d
ữ
i
xi
i
yi
i
i ờ
i ồ
xj
i ồ
yj ỳ- li FTi (t )
ữ
ả qi
dt ỗố ả q&
j= i+ 1
j= i+ 1
ờở
ỳ
i ứ
ỷ

(2.25)
Trong đó: , ,

lần lượt là các giá trị góc, vận tốc góc và gia tốc góc của mỗi khâu. Vì

các góc dao động điều hịa nên được biểu diễn bằng phương trình sau:

θi (t ) = Ai sin(2π fi t − βi ) + γ i

(2.26)

θ&i (t ) = Ai 2π fi cos(2π fi t − βi )

(2.27)

θ&&i (t ) = − Ai (2π fi )2 sin(2π fi t − βi )

(2.28)

•

Lực tổng của robot

Xét vế phải của phương trình Lagrange, chỳng ta cú:
n

ồ

i= 1

n
n
ổ
ử
T
T
ữ

ỗ
Fi = ỗỗcos qi ồ f xj + sin qi å f yj + i- 1 - i + FTi (t )ữ
sin(qi )
ữ
ữ
ỗố
li- 1 li
ứ
j= 1
j= 1

(2.29)

Dựa theo định luật 2 Newton, chúng ta có:
n

∑ F = mx&&
i =1

(2.30)

i

Trong đó:
• m: tổng khối lượng robot
• &x& : gia tốc của robot

15

•

n

∑ F : tổng các lực tác dụng lên robot.
i =1

i

16


Chương 3
TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT RẮN
1. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT RẮN
Sau khi tiến hành, tham khảo và phân tích một số robot rắn của các nhà nghiên cứu
nước ngồi, nhóm nghiên cứu đã đưa ra phương án thực hiện robot rắn của đề tài như
sau:

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Phương án

Lựa chọn

Lý do
9 Phù hợp mục tiêu luận văn

Thiết kế cơ khí

Bánh xe bị động

9 Dễ chế tạo mơ hình
9 Là thiết kế được áp dụng phổ biến
cho dạng robot rắn trên thế giới.
9 Dễ sử dụng.

Thiết kế
khớp xoay

RC-Servo

9 Mạch điều khiển đơn giản.
9 Momen phù hợp.
9 Độ chính xác cao.

•

Lựa chọn cơng suất động cơ RC servo

Hình 4.1 Đồ thị momen tại khâu có momen lớn nhất.

17


Như chúng ta đã biết, việc di chuyển của robot rắn dựa và hiện tượng ma sát giữa
robot và môi trường do dó, động cơ dẫn động các khâu của robot phải được lựa chọn sao
cho có cơng suất đủ lớn để có khả năng dẫn động robot di chuyển. Do đó, việc tìm ra
momen xoắn hay nói cách khác là việc tính tốn chọn lựa cơng suất động cơ phù hợp
đóng vai trị quan trọng trong q trình thiết kế. Dựa vào sự di chuyển của robot rắn,
chúng ta thấy giá trị momen ở khâu 1 là lớn nhất nên chúng ta có thể căn cứ vào đó để

lựa chọn động cơ phù hợp.
Dựa vào kết quả từ hình 4.1, chúng ta thấy giá trị momen lớn nhất mà động cơ cần
là 0.73 Nm, vì vậy ta chọn động cơ Towerpro MG946R do có momen lớn hơn giá trị
momen cần thiết.
Bảng 4.1 Thông số động cơ RC Servo Towerpro MG946R [10]

Đường kính : 40.7*19.7*42.9mm
Moment xoắn : 10,5kg.cm ( 4.8V) =1.02 Nm,
13kg.cm(6V)
Vận tốc : 0.2 s/60degree(4.8V) , 0.17 s/60degree(6V)
Điện áp : 4.8 – 7.2V
Hộp số là bánh răng kim loại
Dãy chết: 5µs
2. TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC MỖI KHÂU (MODULE)
Rắn trong tự nhiên có kích thước đa dang nên việc lựa chọn số khâu của robot cũng
đa dạng. Để biểu diễn dáng di chuyển dạng sóng ngang, robot cần có ít nhất 3 khâu. Việc
lựa chọn số khâu và chiều dài khâu dựa trên một số tiêu chí sau:

• Mỗi khâu có thể chứa mạch, pin hoặc một số thiết bị khác.
• Khâu dễ tháo lắp.
• Chiều dài khâu đảm bảo cho 8 RC-Servo có thể kết nối với mạch.

18


Hình 3.1 Sơ đồ bố trí mạch điện trên robot rắn và khoảng cách giữa các khâu
Chiều dài dây của động cơ RC-Servo có kích thước là 300mm nên chúng ta đặt giới
hạn là D<250mm. Theo sơ đồ bố trí như trên, ta xác định được chiều dài mổi khâu
l<86mm. Vì vậy trong thiết kế này, chọn L=70mm để đảm bảo dây điện không bị ảnh
hưởng khi liên kết với nhau.

•

Thiết kế mơ hình 3D của một module robot rắn

Hình 3.2 Hình 3D module robot rắn hồn chỉnh.

Hình 3.3 Hình 3D Robot rắn hoàn chỉnh 8 khớp 9 khâu.
Dựa trên bản thiết kế này, nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành chế tạo robot rắn. Sản
phẩm robot rắn của đề tài được giới thiệu bởi một số hình bên dưới.

19


Hình 3.3 Sản phẩm robot rắn của đề tài.

Hình 3.4 Sản phẩm robot rắn của đề tài.

20


Chương 4
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN
3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT RẮN
Bộ điều khiển chuyển động của robot rắn được thiết kế nhằm các mục đích sau:
- Điều khiển robot di chuyển theo dạng hình sin, tương tự như chuyển động của
robot rắn trong tự nhiên.
- Điều khiển robot rắn di chuyển theo hướng và thay đổi hướng di chuyển theo
mong muốn.

•

Sơ lược điều khiển

Dựa vào hình dạng di chuyển của rắn sinh học, ta nhận thấy rắn có dạng hình sin
khi di chuyển. Dạng sóng sin lan truyền từ đầu cho đến đi rắn theo một thứ tự xác định
và đóng vai trị quan trọng trong việc hình thành các kiểu di chuyển khác nhau cho từng
loài rắn khác nhau.

Hinh 4.1 Nguyên lý hoạt động của robot rắn [11]
•

Bộ tạo biên dạng sóng sin (Sinusoidal generators)

21


Bộ tạo sóng cịn gọi là khớp của robot, nó kết nối hai module lại với nhau. Giá trị
của bộ tạo biên dạng sóng sin được biểu diễn bởi cơng thức sau:

ϕi (t ) = Ai sin(2π fit + βi ) + γ i i {2..n}

(4.1)

Bảng 4.1 Bảng chú thích ký hiệu

Ký

Giải thích

Giá trị

ϕi(t)

Góc của module thứ i

[-90;90] độ

Ai

Biên độ của bộ tạo biên dạng són [0;90] độ

fi

Tần số của bộ tạo biên dạng sóng Tùy chọn

βi

Pha ban đầu của bộ tạo biên dạng[-180;180] độ

hiệu

γi
n

Giá trị định hướng của bộ tạ
dạng sóng
Số module

[-90;90] độ
n>=2

Hình 4.2 Hình biểu diễn các thơng số của bộ tạo biên dạng sóng [11]
• Chế độ điều khiển
Có 2 chế độ định hướng được đề xuất và sử dụng để điều khiển robot rắn:
• Chế độ iu khin bng tay.
ã Ch t ng.
ắ Ch điều khiển bằng tay.
Chế độ này giúp người dùng điều khiển robot từ xa thơng qua bộ RF có phạm vi
bán kính 200m. Có 5 chế độ đi thẳng, rẽ trái, rẽ phải, lùi, đứng yên được lập trình cho

22


robot. Người dùng sẽ dễ dàng điều khiển robot với tay cầm điều khiển là gamepad
PlayStation2.
¾ Chế độ tự động
Trong q trình hoạt động, có nhiều yếu tố khách quan và chủ quan có thể tác động
lên robot gây sự lệch hướng như độ nghiêng, hệ số ma sát không đồng đều, địa hình, góc
tại khớp,… Dựa vào ngun nhân chủ quan, ta có thể để xuất phương án để chủ động
thay đổi trạng thái robot phù hợp. Vì vậy chế độ này giúp robot luôn giữ thẳng hướng di
chuyển mà khơng cần sự can thiệp của người sử dụng.
•

Ngun lý định hướng di chuyển của robot
Sự định hướng di chuyển đóng vai trị quan trọng trong việc điều khiển robot, giúp
robot tự hành theo đúng mục đích. Chúng ta xét lại công thức sau:

ϕi ,d = A sin(2π fi t + (i − 1) β ) + γ i (i=1:n)

(4.2)

Hình 4.3 Hình minh họa khả năng chuyển hướng của robot rắn
Hình 4.3 biểu diễn nguyên lý chuyển hướng của robot. Ở điều kiện bình thường (đi
thẳng), giá trị của góc tại khớp sẽ thay đổi từ [-ϕ;ϕ]. Lúc này ta có giá trị trung bình của 2
biên là 0, nghĩa là hướng robot khơng lệch. Dựa vào đó, ta có thể chủ động tạo ra hướng
đi cho robot bằng cách cộng hoặc trừ đi 1 giá trị cố định vào giá trị 2 biên, từ đó giá trị
trung bình sẽ thay đổi dẫn đến việc thay đổi hướng robot.
•

Bộ điều khiển PID
Chúng ta sử dụng giải thuật PID để khiển cho chế độ tự động có khả năng giữ cho
robot di chuyển theo 1 hướng mong muốn. Tín hiệu đưa vào là độ sai lệch giữa hướng di
chuyển của robot và hướng mong muốn tới mục tiêu. Để di chuyển, tín hiệu điều khiển

23


kích hoạt động cơ RC Servo được thực hiện lần lượt từ khớp thứ 1 đến khớp thứ n. Sau
khi các khớp đạt đến giá trị biên dương (hoặc âm), ta tiến hành kích hoạt lại để các khớp
lần lượt đạt giá trị biên âm (hoặc dương). Đồng thời, ta cần có 1 khoảng thời gian trì hỗn
ngắn để tạo sự trễ giữa mỗi lần kích động cơ. Do các khâu đều quay với giá trị góc như
nhau nên cảm biến có thể đặt tại bất cứ khâu nào trên thân robot.
Lưu đồ giải thuật điều khiển chuyển động của robot rắn ở chế độ tự động bám theo
hướng cho trước được thể hiện trên hình 4.4:

24