Tải bản đầy đủ

NGHIÊN cứu THIẾT kế, điều KHIỂN ROBOT rắn

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong thế giới động vật đa dạng về loài và chủng loại, trải qua quá trình phát triển,
mỗi loài được tiến hóa theo một hướng nhất định để thích nghi với điều kiện sống, nổi
bật trong đó là loài rắn, một loài bò sát không chân, có thể dựa vào sự thay đổi hình dạng
của cơ thể để di chuyển một cách dễ dàng và đáng kinh ngạc trên nhiều địa hình khác
nhau, như là đất, đá, cát, cỏ, nước, cây… Di chuyển không dựa trên sử dụng chân như
nhiều loài khác nên loài rắn chịu ảnh hưởng rất nhiều của môi trường, yêu cầu phải phát
triển để có thể thích ứng trên nhiều loài địa hình khác nhau như gồ ghề, những lối hẹp,
vách đá dựng đứng, ao hồ, đầm lầy, cũng như là sa mạc và rừng rậm. Với đặc điểm trọng
lượng phân bố đều trên toàn bộ cơ thể, loài rắn dễ dàng di chuyển trong môi trường cát
và bùn lầy. Vì vậy từ thập niên 90 của thế kỷ trước, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã
nghiên cứu về loại robot mô phỏng chuyển động của loài rắn.
Sau thảm họa kép động đất sóng thần ở Nhật Bản năm 2011, nhiều tòa nhà bị sụp
đổ, rất nhiều người bị kẹt trong đống đổ nát cần được cứu. Đội cứu hộ quốc tế quyết tâm
tìm kiếm sự sống nhưng không ai chắc rằng họ thành công, mặc dù nổ lực song số người
sống sót vẫn rất khiêm tốn so với phần còn lại. Đặt ra một vấn đề phải chế tạo thiết bị
có thể len lỏi vào trong những đống đổ nát để tìm kiếm sự sống. Người ta thấy rằng
những loại robot có bánh xe khó có thể di chuyển trên những địa hình phức tạp chưa xác
định trước như vậy mà loại robot mô phỏng loài rắn dễ dàng hoàn thành nhiệm vụ.
Lấy cảm hứng từ sự ổn định và chắc chắn trong kết cấu xương của loài rắn và nhu
cầu do thám ở những môi trường không ổn định và không xác định trước, robot được

chế tạo trên cơ sở kết nối nhiều khâu với nhau khiến nó có thể uốn cong theo nhiều góc
độ. Luận văn này tập trung nghiên cứu vấn đề điều khiển robot rắn có trang bị bánh xe
bị động di chuyển theo đường thẳng hoặc đường tròn. Dựa trên việc áp dụng phương
pháp phân tích động lực học như cánh tay máy và thuật toán điều khiển hồi tiếp tuyến
tính hóa áp dụng cho hệ phi tuyến. Việc này đem đến nhiều ứng dụng trong giám sát
trong môi trường công nghiệp và vẽ lại bản đồ với môi trường không xác định trước.

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ I
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ II
MỤC LỤC ............................................................................................................... III
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. VII
DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................... X
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1. Cảm hứng của việc thiết kế Robot Rắn ............................................................. 1
Snake Robot Anna Konda. ......................................................................... 1
Snake Robot ACR R3 ................................................................................ 1
1.2. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trên thế giới................................................... 2
Những nghiên cứu về mô hình hóa và phân tích động lực học của Robot Rắn
............................................................................................................................ 2
Những nghiên cứu về thiết kế của Robot Rắn ............................................ 4
Những nghiên cứu về hệ thống điều khiển của Robot Rắn ......................... 7
1.3. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trong nước .................................................... 8
Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS. Bùi
Thanh Vinh năm 2012 ......................................................................................... 9
Robot Rắn Q2C của KS. Trương Thường Quân ......................................... 9
Robot Rắn Q2C của KS. Vũ Trần Thành Công năm 2014........................ 10
1.4. Đặc điểm di chuyển của Rắn sinh học ............................................................. 10
1.5. Nội dung luận văn ........................................................................................... 12
1.6. Nhiệm vụ luận văn .......................................................................................... 12
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .......................................... 14
2.1. Tiêu chí thiết kế .............................................................................................. 14
2.2. Lựa chọn phương án ....................................................................................... 14
Cơ cấu truyền động .................................................................................. 14
Cơ cấu chống trượt cho Robot ................................................................. 16
Cơ cấu hồi tiếp giá trị góc tại mỗi thời điểm ............................................ 18
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA ................................................................................ 20
3.1. Các thông số Robot Rắn.................................................................................. 20
iii


3.2. Phân tích động học.......................................................................................... 22
3.3. Phân tích động lực học .................................................................................... 24
Ràng buộc Pfaffian .................................................................................. 24
Phân tích lực tác động.............................................................................. 25
Phương trình động lực học ....................................................................... 26
Rút gọn phương trình vi phân .................................................................. 27
Kiểm tra tính khả thi của phương trình động lực học ............................... 27
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ ................................................. 32
4.1. Mục tiêu của thiết kế cơ khí ............................................................................ 32
4.2. Chọn động cơ.................................................................................................. 32
Mục tiêu .................................................................................................. 32
Thông số động cơ Tsukasa ....................................................................... 32
4.3. Thiết kế cơ cấu chống trượt ngang sử dụng bánh xe bị động ........................... 33
Mục tiêu .................................................................................................. 33
Tính toán ................................................................................................. 34
Thông số của bánh xe được chọn ............................................................. 34
4.4. Thiết kế khớp nối ............................................................................................ 35
Mục tiêu .................................................................................................. 35
Kết cấu .................................................................................................... 35
Kiểm bền ................................................................................................. 35
4.5. Thiết kế nối trục.............................................................................................. 36
Mục tiêu .................................................................................................. 36
Tính toán ................................................................................................. 36
Thông số nối trục ..................................................................................... 36
4.6. Kết cấu phần lắp ráp ....................................................................................... 37
Kết cấu xương sống Robot ....................................................................... 37
Cụm bánh xe............................................................................................ 38
Cụm gá động cơ ....................................................................................... 38
Kết cấu liên kết giữa các khâu ................................................................. 39
4.7. Mô hình 3D .................................................................................................... 40
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ................................... 41
iv


5.1. Sơ đồ điện....................................................................................................... 41
5.2. Camera Logitech C170 ................................................................................... 42
Thông số camera ...................................................................................... 42
Calip camera ............................................................................................ 42
Giải thuật xử lý ảnh ................................................................................. 44
5.3. Mạch điều khiển Tiva C123 ............................................................................ 46
Đặc điểm nổi bật TM4C123GH6PM MCU [21] ...................................... 47
Module đọc ADC..................................................................................... 47
Module giao tiếp CAN ............................................................................. 48
5.4. Mạch giao tiếp RS485 ..................................................................................... 48
Mạch chuyển từ USB sang RS485 ........................................................... 48
Mạch chuyển từ RS485 sang UART ........................................................ 49
5.5. Mạch điều khiển dòng..................................................................................... 50
Lý thuyết về điều khiển dòng ................................................................... 50
Mạch điều khiển dòng Cube-DC2402-DII ............................................... 50
5.6. Mạch giao tiếp CAN ....................................................................................... 52
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.......................................................... 54
6.1. Mục tiêu của việc xây dựng bộ điều khiển ...................................................... 54
6.2. Phương trình không gian trạng thái ................................................................. 54
6.3. Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa ............................................................... 55
6.4. Lưu đồ giải thuật ............................................................................................. 58
6.5. Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 59
6.6. Kết luận .......................................................................................................... 64
CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM .............................................................................. 65
7.1. Mục đích thực nghiệm .................................................................................... 65
7.2. Đo dòng điện trong động cơ bằng cảm biến đo dòng ACS72 .......................... 65
7.3. Thực nghiệm xử lý ảnh ................................................................................... 67
7.4. Thực hiện gia tiếp thông qua chuẩn truyền RS485 .......................................... 68
7.5. Áp dụng phương trình động học điều khiển Robot Rắn bám quỹ đạo .............. 69
7.6. Kết luận: ......................................................................................................... 74
CHƯƠNG 8: TỔNG KẾT ....................................................................................... 76
v


8.1. Kết quả đạt được ............................................................................................. 76
8.2. Kết quả chưa đạt được .................................................................................... 76
8.3. Hướng phát triển ............................................................................................. 77
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 100

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Anna Konda [7] ............................................................................... 1
Hình 1.2 ACM R3 [7] ..................................................................................... 2
Hình 1.3 ACM III, Robot Rắn đầu tiên trên thế giới 1972 [7] ......................... 5
Hình 1.4 ACM R3 được phát triển tại Tokyo Institute of Technology [7] ....... 6
Hình 1.5 S5 được phát triển bởi Dr. Gavin Miller [7] ..................................... 6
Hình 1.6 OmniTread được phát triền bởi University of Michigan [7].............. 7
Hình 1.7 Robot Rắn được phát triển bởi Carnegie Mellon University [7] ........ 7
Hình 1.8 Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS.
Bùi Thanh Vinh 2012 ...................................................................................... 9
Hình 1.9 Robot Rắn Q2C ................................................................................ 9
Hình 1.10 Robot Rắn Q2C_V2 ..................................................................... 10
Hình 1.11 Kiểu di chuyển Lateral Undulation [7] ......................................... 10
Hình 1.12 Kiểu di chuyển Concertina Locomotion [7] .................................. 11
Hình 1.13 Kiểu di chuyển Rectilinear Crawling [7] ...................................... 11
Hình 1.14 Kiểu di chuyển Sidewinding [7] ................................................... 11
Hình 3.1 Mô hình 7 khâu 8 khớp của robot ................................................... 21
Hình 3.2 Biểu đồ phân tích lực của mỗi khâu................................................ 25
Hình 3.3 Thông số đầu vào và ra của hệ thống .............................................. 28
Hình 3.4 Quỹ đạo của đỉnh đầu robot và trọng tâm của 2 khâu ..................... 29
Hình 3.5 Hình vẽ góc của các khớp

, = 1~7........................................... 29

Hình 3.6 Vận tốc của khâu đầu theo phương x và phương y ......................... 30
Hình 4.1 Đặc điểm mối quan hệ giữa các thông số động cơ [17].................. 32
Hình 4.2 Đặc điểm thông số động tùy thuộc vào nguồn cung cấp [17] .......... 33
Hình 4.3 Cấu trúc bộ truyền bên trong động cơ [17] ..................................... 33
Hình 4.4 Bánh xe bị động [18] ...................................................................... 34
Hình 4.5 Kết cấu của khớp nối...................................................................... 35
Hình 4.6 Phân tích lực bằng phần mềm Inventor .......................................... 36
Hình 4.7 Kết cấu xương sống Robot ............................................................. 37
Hình 4.8 Kết cấu cụm lắp bánh xe ................................................................ 38
Hình 4.9 Kết cấu cụm gá động cơ ................................................................. 38
vii


Hình 4.10 Kết cấu gá động cơ ....................................................................... 39
Hình 4.11 Kết cấu liên kết giữa các khâu ...................................................... 39
Hình 4.12 Thiết kế 3D của phần thân 3 khâu ................................................ 40
Hình 5.1 Sơ đồ điện Robot Rắn .................................................................... 41
Hình 5.2 Camera Logitech C170 .................................................................. 42
Hình 5.3 Calip camera .................................................................................. 43
Hình 5.4 Tương quan giữa hệ trục camera và mặt phẳng di chuyển .............. 44
Hình 5.5 Giải thuật xác định tọa độ trọng tâm ảnh ........................................ 45
Hình 5.6 Kết quả trả về của giải thuật xác định trọng tâm ảnh đỏ.................. 46
Hình 5.7 Kit Tiva C TM4C123G [21] ........................................................... 46
Hình 5.8 Mạch chuyển từ USB sang RS485 [22] .......................................... 48
Hình 5.9 Mạch chuyển từ RS485 sang UART [23] ....................................... 49
Hình 5.10 Bộ điều khiển dòng [25] ............................................................... 50
Hình 5.11 Một ví dụ về mạng CAN trong thực tế [27] .................................. 52
Hình 5.12 Một nút (node) mạng CAN [27] ................................................... 53
Hình 5.13 Một CAN node TM4C123GXL.................................................... 53
Hình 6.1 Mô hình điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa .................................... 56
Hình 6.3 Lưu đồ giải thuật để điều khiển hệ thống ........................................ 59
Hình 6.4 Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham
chiếu xd = −0.02t và yd = 0.45 .................................................................. 60
Hình 6.5 Moment của mỗi khớp ................................................................... 61
Hình 6.6 Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham
chiếu

= −0.02 và

= 0.02 . ............................................................. 62

Hình 6.7 Moment của mỗi khớp ................................................................... 62
Hình 6.8 Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham
chiếu là đường tròn phương trình

+ 4.52 + 2 = 4.52, 1 = 2 = 0.5 và

1 = 2 = 0.5 ............................................................................................ 63
Hình 7.1 Cảm biến đo dòng ACS72 [30] ...................................................... 65
Hình 7.2 Kết quả thí nghiệm đo dòng bằng ACS72 ...................................... 66
Hình 7.3 Kết quả thực nghiệm xử lý ảnh....................................................... 67
Hình 7.4 Giao diện trên matlab ..................................................................... 68
viii


Hình 7.5 Mô hình thực tế .............................................................................. 69
Hình 7.6 Mô hình thực tế uốn cong............................................................... 69
Hình 7.7 Kết quả thực nghiệm bám đường thẳng y = 350 pixel..................... 70
Hình 7.8 Kết quả thực nghiệm không có bộ điều khiển ................................. 71
Hình 7.9 Kết quả thực nghiệm với tốc độ chậm bám theo đường thẳng ........ 72
Hình 7.10 Vị trí Robot Rắn khi bắt đầu......................................................... 72
Hình 7.11 Vị trí Robot Rắn giây thứ 5. ......................................................... 73
Hình 7.12 Vị trí Robot Rắn giây thứ 10. ....................................................... 73
Hình 7.13 Vị trí Robot Rắn giây thứ 15. ....................................................... 74
Hình 7.14 Vị trí Robot Rắn giây thứ 20. ....................................................... 74

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Phương án về cơ cấu truyền động. ............................................. 14
Bảng 2.2 Cơ cấu chống trượt cho Robot ................................................... 16
Bảng 2.3 Cơ cấu hồi tiếp giá trị góc của khớp tại mỗi thời điểm. .............. 18
Bảng 3.1 Kí hiệu toán học được sử dụng: ................................................. 22
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật bánh xe bị động [18] ..................................... 34
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của nối trục [20]............................................ 37
Bảng 5.1 Sơ đồ chân ngõ vào tương ứng cách kênh ADC [21].................. 47
Bảng 5.3 Sơ đồ chân tương ứng các kênh CAN [21] ................................. 48
Bảng 5.4 Sơ đồ chân Cube-DC2402-DII phần giao tiếp và cấp nguồn [26]
.................................................................................................................. 51
Bảng 5.5 Sơ đồ chân Cube-DC2402-DII phần động lực [26] .................... 51

x


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong phần này, em muốn đưa ra cái nhìn tổng quan sự phát triển của thế giới và
trong nước về việc thiết kế và điều khiển Robot Rắn cũng như đưa ra hướng luận văn
cần giải quyết.
1.1. Cảm hứng của việc thiết kế Robot Rắn
Snake Robot Anna Konda.
Nghiên cứu về Robot Rắn tại trường Đại học Norwegian University of Science and
Technology. Dự án bắt đầu từ năm 2003 sau nhiều vụ cháy lớn tại Trondhiem, nhiều
nhà khoa học muốn tạo ra một thiết bị vòi phun tự hành hỗ trợ các nhân viên cứu hỏa.
Thiết bị này được trang bị chất làm mát và chất dập đám cháy, chúng sẽ bắn hợp chất
này vào trong đám cháy với áp suất cao. Để tránh nhiệt độ cao nó sẽ di chuyển mô phỏng
loài rắn. Khi thực hiện dự án, có nhiều vấn đề gặp phải nhưng khó nhất là dạng chuyển
động của robot có nhiều mặt phức tạp và thú vị nên nhóm nghiên cứu chuyển sang hướng
phát triển cho nhiều ứng dụng do thám và tìm kiếm cứu nạn. [7]

Hình 1.1 Anna Konda [7]
Snake Robot ACR R3
Một trong những người tiên phong trong việc nghiên cứu trong lĩnh vực này là
Giáo Sư Hirose ở Tokyo Institute of Technology năm 1972. Các robot được trang bị
bánh xe bị động được gắn tiếp tuyến dọc theo thân cơ thể như hình 1.2. Các bánh xe
được chuyển động về phía trước trên mặt phẳng nhờ việc kích các động cơ ở các khớp
theo dạng sóng mô phỏng rắn sinh học. Trong những thập kỷ tiếp theo, cùng với các
1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
nghiên cứu tiên phong của Giáo sư Hirose, nhiều Robot Rắn nhanh nhẹn và đầy ấn tượng
đã được phát triển bởi cộng đồng nghiên cứu trên toàn thế giới trong nỗ lực để bắt chước
khả năng chuyển động của các đối tác sinh học của họ. Tuy nhiên, khả năng di chuyển
phần đầu của Robot Rắn hiện nay vẫn còn hạn chế môi trường phòng thí nghiệm khá
đơn giản, khó kiểm soát và chưa thể nhìn thấy các ứng dụng thực tế của con rắn vận
động.

Hình 1.2 ACM R3 [7]
1.2. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trên thế giới
Những nghiên cứu về mô hình hóa và phân tích động lực học của
Robot Rắn
 Nghiên cứu về đặc điểm mô phỏng sinh học của Robot Rắn [7]
 Mặt phẳng 2D: Gray (1946), Moon and Gans (1998), Ma (1999)
 Không gian 3D: Hirose (1993), Hu et al. (2009)
 Phân tích chuyển động trên mặt phẳng có ràng buộc chống trượt
ngang[7]
 Mặt phẳng 2D: Hirose (1993), Krishnaprasad and Tsakiris (1994), Kelly
and Murray (1995),Ostrowski (1996), Ostrowski and Burdick (1998),
Ishikawa (2009), Hatton andChoset (2009a), Prautsch and Mita (1999),
Ute and Ono (2002), Matsuno and Mogi (2000), Matsuno and Sato (2005)

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Không gian 3D: Ma et al. (2003), Tanaka and Matsuno (2008b), Date and
Takita (2005)
 Phân tích chuyển động trên mặt phẳng không ràng buộc chống trượt
ngang [7]
 Mặt phẳng 2D: Ma (2001), Ma and Tadokoro (2006), Saito et al. (2002),
Li and Shan (2008),Kane and Lecison (2000), Grabec (2002), Hicks
(2003), Mehta et al. (2008), Chernousko (2005), Nilsson (2004), Hu et al.
(2009)
 Không gian 3D: Shapiro et al. (2007), Ma et al. (2004), Transeth et al.
(2008a)
 Phân tích robot giống cá và lươn [7]
 Mặt phẳng 2D: McIsaac and Ostrowski (2003a), Kanso et al. (2005)
 Không gian 3D: Boyer et al. (2006), Zuo et al. (2008), Morgansen et al.
(2001,2002,2007), Vela et al. (2002a)
 Phân tích chuyển động có vật cản [7]
 Mặt phẳng 2D: Shan and Koren (1993), Bayraktaroglu and Blazevic
(2005), Date and Takita(2007)
 Không gian 3D: Chirikjian (1992), Chirikjian and Burdick (1995),
Yamada and Hirose (2006a), Shan and Koren (1995), Tanev et al. (2005),
Transeth et al. (2008b)
Một trong những kết luận Grey là chuyển động về phía trước của một con rắn
phẳng đòi hỏi sự tồn tại của các tác động bên ngoài theo hướng vuông góc với cơ thể
con rắn.
Một nghiên cứu gần đây của Hu et al. (2009) đưa ra các đặc tính ma sát của da rắn
trong cả toán học và thực nghiệm. Đặc biệt, nghiên cứu cho thấy rằng hệ số ma sát của
một con rắn theo phương pháp tuyến của cơ thể là lớn hơn nhiều so với hệ số ma sát
theo hướng tiếp tuyến. Đây là đặc điểm quan trọng trong quá trình chuyển tiếp và phối
hợp chuyển động giữa các khâu và khớp. Nghiên cứu cũng cho thấy sự phân bố trọng
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
lượng của một con rắn trên đường gợn sóng khi di chuyển không đồng đều, thay vì phân
phối trọng lượng theo các đỉnh của sóng cơ thể, rắn tạo đường cong hơi nâng lên từ mặt
đất một chút. Điều này thường được gọi là xoay nâng hạ. Sự phối hợp giữa chuyển động
của các khâu khớp cùng sự nâng lên hạ xuống của thân cơ thể khiến rắn giảm thiểu sự
ảnh hưởng của ma sát bất lợi lên da, khiến nó có thể di chuyển nhanh và hiệu quả hơn.
Trong ví dụ của Gray (1946), mỗi phần của một con rắn sinh học di chuyển theo
gợn sóng bám theo con đường di chuyển của phần đầu. Hiện tượng này là một phần giải
thích bởi tính không đẳng hướng của ma sát da rắn được nghiên cứu trong ví dụ của Hu
et al. (2009) nhưng cũng là do bất thường trên bề mặt và cách các khớp con rắn phối
hợp để lượn về phía trước mà không bị trượt ngang. Để bắt chước chuyển động này,
nhiều mô hình của Robot Rắn đã được phát triển theo giả định rõ ràng rằng cơ thể không
thể bị di chuyển ngang. Trong thực tế, điều kiện như vậy thường được thực hiện bằng
cách gắn thêm bánh xe bị động dọc cơ thể của Robot Rắn. Một mô hình động lực học
trên 2D của một Robot Rắn bánh được phát triển bởi Prautsch và Mita (1999) phân tích
dựa trên phương trình Lagrange về chuyển động.
Ngoài những mô hình Robot Rắn với ràng buộc chống trượt ngang, cũng có nhiều
mô hình mà không áp dụng những ràng buộc như vậy, thay vào đó là giả định lực ma
sát đối với mặt đất là bất đẳng hướng tương tự như loài rắn sinh học. Với đặc tính ma
sát mặt đối với mặt đất bất đẳng hướng, hệ số ma sát trong lực ma sát theo hướng tiếp
tuyến và pháp tuyến tại mỗi khâu tương ứng là khác nhau. Mô hình dựa trên các đặc tính
ma sát mặt đất như vậy nói chung là phức tạp hơn để phân tích so với các mô hình dựa
trên các ràng buộc chống trợt ngang vì không trực tiếp kết nối giữa những thay đổi hình
dáng cơ thể và chuyển động của robot.
Những nghiên cứu về thiết kế của Robot Rắn
 Robot Rắn không có cảm biến tương tác lực
 Với bánh xe bị động: Endo et al. (1999), Togawa et al. (2000), Ma et al.
(2001), Wiriyacharoensunthorn and Laowattana (2002), Mori and Hirose
(2002), Miller (2002), Ye et al. (2004b,2007), Yamada et al. (2005), Crespi
and Ijspeert (2008), Yu et al. (2008,2009), Kamegawa et al. (2009)

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Với bánh xe bị động: Yim (1994), Yim et al. (2002), Worst and Linnemann
(1996), Dowling (1997,1999), Nilsson (1998), Ohno and Hirose (2001),
Saito et al. (2002), Brunete et al. (2006), Chen et al. (2007), Wright et al.
(2007), Kuwada et al. (2008), Yamada and Hirose (2008,2009), Ohashi and
Hirose (2010)
 Với cơ chế đẩy thân về phía trước: Kimura and Hirose (2002), Yamada and
Hirose (2006b), Taal et al.(2009), Fjerdingen et al. (2009), Kamegawa et al.
(2004), Masayukiet al. (2004), Granosik et al. (2006), Gao et al. (2008),
McKenna et al. (2008), Ijspeert et al. (2007), Hara et al. (2007)
 Robot Rắn có cảm biến tương tác lực
 Với bánh xe bị động: Hirose (1993), Chen et al. (2008)
 Với bánh xe bị động: Bayraktaroglu (2008), Andruska and Peterson (2010),
Liljebäck et al. (2006), Fjerdingen et al. (2008)
 Với cơ chế đẩy thân về phía trước: Taal et al. (2009)
Hirose là người đầu tiên tạo ra Robot Rắn vào đầu năm 1972 (Hirose 1993). Robot
được thể hiện trong hình 1.3, được trang bị bánh xe bị động để tránh sự bất đẳng hướng
của ma sát trên mặt đất, khi đó ma sát theo phương pháp tuyến rất lớn và theo ma sát
phương tiếp tuyến rất nhỏ.

Hình 1.3 ACM III, Robot Rắn đầu tiên trên thế giới 1972 [7]

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.4 ACM R3 được phát triển tại Tokyo Institute of Technology [7]

Hình 1.5 S5 được phát triển bởi Dr. Gavin Miller [7]
Đặc điểm chung của các mô hình này là sử dụng bánh xe bị động để di chuyển trên
mặt phẳng, nó giúp ích cho việc khảo sát chuyển động nhưng điều này khiến cho nó khó
ứng dụng trong môi trường thực tế.
Robot Rắn có bánh xe được phát triển bởi Hirose đã có trong năm 1972 (Hirose
1993) được trang bị thiết bị phát hiện sự tương tác với mặt đất giám sát lực tác động của
địa hình lên robot. Robot Rắn dạng hình trụ được bao phủ bằng cảm biến lực được đề
xuất bởi Fjerdingen et al. (2008), Liljebäck et al. (2006). Hệ thống cảm biến lực trong
những phiên bản này có thể phát hiện và đánh giá độ lớn của các yếu tố bên ngoài tác
động lên mỗi module. Giá trị của những tác động này sẽ được làm cơ sở để thiết kế bộ
điều khiển.
6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.6 OmniTread được phát triền bởi University of Michigan [7]

Hình 1.7 Robot Rắn được phát triển bởi Carnegie Mellon University [7]
Những nghiên cứu về hệ thống điều khiển của Robot Rắn
 Chuyển động trên mặt phẳng có ràng buộc chống trượt ngang
 Không điều khiển vị trí hoặc không điều khiển phần đầu:
Shan and Koren (1993), Kelly and Murray (1995), Ostrowski and Burdick
(1998), Date and Takita (2005), Tanaka and Matsuno (2009), Ute and Ono
(2002), Sato et al. (2010), Wang et al. (2010)
 Điều khiển vị trí và/hoặc điều khiển phần đầu:
Prautsch et al. (2000), Date et al. (2000,2001a,2001b), Yamakita et al.
(2003), Matsuno and Mogi (2000), Ma et al. (2003), Matsuno and Suenaga
(2003), Ye et al. (2004a), Matsuno and Sato (2005), Tanaka and Matsuno

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
(2008a,2008b), Wiriyacharoensunthorn and Laowattana (2002), Watanabe et al.
(2008), Ishikawa (2009), Ishikawa et al. (2010), Paap et al. (1999), Linnemann
et al. (1999), Murugendran et al. (2009)
 Chuyển động trên mặt phẳng không ràng buộc chống trượt ngang
 Không điều khiển vị trí hoặc không điều khiển phần đầu:
Dowling (1997,1999), Ma (2001), Ma et al. (2004), Saito et al. (2002),
Chernousko (2003, 2005), Transeth et al. (2007b), Burdick et al. (1995),
Gonzalez-Gomez et al. (2007), Yu et al. (2008), Chirikjian and Burdick (1995),
Poi et al. (1998), Yim (1994), Yim et al. (2002), Ohno and Hirose (2001), Rincon
and Sotelo (2003), Hatton and Choset (2010), Yamada and Hirose (2010), Mori
and Hirose (2002), Chen et al. (2004), Ohashi and Hirose (2010)
 Điều khiển vị trí và/hoặc điều khiển phần đầu:
Hicks (2003), Hicks and Ito (2005)
Một bộ điều khiển vị trí và bám quỹ đạo cho một robot rắn bánh được đề xuất trong
Prautsch et al. (2000), nơi sử dụng phân tích Lyapunov để phân tích bộ điều khiển và
cách tránh các điểm kì dị trong quá trình chuyển động của robot. Các công trình của
Date et al. (2000, 2001a, 2001b) đề xuất điều khiển bám quỹ đạo sao cho giảm sự tác
động của đến bánh xe trong quá trình chuyển động lượn sóng. Các bộ điều khiển này
dựa trên sự phân tích động lực học và lực tác động của môi trường lên robot để tạo lực
đẩy về phái trước. Takita (2005) dùng cách tương tự và giải quyết tối ưu hóa để giảm
thiểu moment xoắn cần cấp ở mỗi động cơ.
Những đề tài khác khi nghiên cứu về Robot Rắn không có gắn bánh xe bị động cố
gắng tối ưu dáng đi của Robot để đạt được hiệu quả trong di chuyển. Bên cạnh đó nhiều
đề tài nghiên cứu cách loại bỏ ma sát bất đẳng hướng tác động tiêu cực vào thân của
Robot. Những hướng nghiên cứu này mới dừng lại ở dạng mô phỏng chưa có thể áp
dụng vào thực tế vì ma sát ở thực tế có tính chất phức tạp hơn.
1.3. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trong nước
Lấy cảm hứng từ ứng dụng nhân đạo mà Robot Rắn mang lại trong những dự án
trên thế giới, khoảng 3 năm gần đây, nhóm sinh viên của Trường Đại học Bách Khoa
8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Tp. Hồ Chí Minh đã phát triển một số phiên bản khác nhau và đạt những kết quả nhất
định.
Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS.
Bùi Thanh Vinh năm 2012

Hình 1.8 Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS. Bùi
Thanh Vinh 2012
Là những mô hình đi đầu, là nền tảng của phân tích động lực học và ý tưởng thiết
kế cho các phiên bản sau. Chuyển động tương quan giữa các khớp gần giống rắn thật.
Thiết kế còn sơ sài, độ cứng vững thấp nên khó di chuyển trên mặt phẳng trong thời gian
dài. Độ ổn định kém, dễ bị xoay quanh trục của robot.
Robot Rắn Q2C của KS. Trương Thường Quân

Hình 1.9 Robot Rắn Q2C
Robot trang bị bánh xe bị động và tại các khớp trang bị động cơ RC-servo, robot
đã di chuyển được kiểu lượn sóng trên nền phẳng, chuyển hướng một cách linh hoạt, là
bước tiến về phân tích động lực học, là nền tảng tốt cho việc nghiên cứu tiếp theo. Kết
cấu cơ khí còn yếu khi gặp những bề mặt không phẳng hoặc nhấc robot lên, cần cải tiến
thêm nhiều kiểu di chuyển.
9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Robot Rắn Q2C của KS. Vũ Trần Thành Công năm 2014
Robot không trang bị bánh xe bị động và vật liệu giúp mô phỏng tính chất ma sát
của da rắn sinh học nên mô hình không di chuyển một các hiệu quả mặc dù thiết kế robot
có 2 trục vuông góc nhau, theo lý thuyết có thể di chuyển 3D. Xây dựng phương trình
động lực học và lý thuyết điều khiển PID điều khiển moment tại mỗi khớp nhưng lại sử
dụng động cơ RC servo nên lý thuyết này khó áp dụng.

Hình 1.10 Robot Rắn Q2C_V2
1.4. Đặc điểm di chuyển của Rắn sinh học
Lateral Undulation là chuyển động theo biên dạng sóng ngang. Loại chuyển động
này là kiểu nhanh nhất và phổ biến nhất của loài rắn. Các khớp chuyển động lần lượt
theo nhau theo một biên độ nhất định. Chuyển động này dựa vào phần tiếp xúc giữa lớp
vảy của da rắn và địa hình. Chính nhờ điểm đặc biệt của lớp vảy này mà rắn không bị
trượt khỏi phương chuyển động.

Hình 1.11 Kiểu di chuyển Lateral Undulation [7]
Concertina Locomotion là dạng chuyển động dựa vào 2 phần chính: phần cố định
và chuyển động. Với dạng chuyển động này, cơ thể rắn xếp và giãn để di chuyển lên
phía trước. Phần xếp lại sẽ cố định và làm bàn đạp để phần kia di chuyển.

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.12 Kiểu di chuyển Concertina Locomotion [7]
Rectilinear Crawling sử dụng trong bò thẳng, một phần cơ thể dùng trong việc dãn
dài và một phần dùng trong việc định vị trên mặt đất. Thân rắn tạo thành nhiều đoạn
giãn và định vị giúp cho việc di chuyển lên phía trước của nó.

Hình 1.13 Kiểu di chuyển Rectilinear Crawling [7]
Sidewinding là chuyển động này giúp rắn có thể di chuyển trên sa mạc khi mà cát
bị trượt và lún bằng việc nhấc người lên và uốn cơ thể tạo biên dạng sóng làm rắn tiến
lên phía trước.

Hình 1.14 Kiểu di chuyển Sidewinding [7]

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.5. Nội dung luận văn
Từ việc tìm hiểu tổng quan về đặc điểm chuyển động của robot rắn ở trên, cũng
như kết hợp những đặc điểm phù hợp của các mô hình trên thế giới với những kết quả
đạt được trong nước ta thấy rằng kiểu Lateral Undulation là kiểu di chuyển phù hợp nhất
đối với robot và để khử tính chất phức tạp ma sát bất đẳng hướng chúng ta gắn thêm
bánh xe bị động trong mô hình. Đề tài có những đặc điểm mới sau:
 Xây dựng phương trình động lực học có xét đến ràng buộc chống trượt ngang và
lực ràng buộc.
 Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa để điều khiển robot bám quỹ đạo
thẳng và đường tròn.
1.6. Nhiệm vụ luận văn
 Tìm hiểu tổng quan về Robot Rắn.
 Nghiên cứu phân tích động học hoặc động lực học của robot rắn 7 khớp di
chuyển trên mặt phẳng.
 Thiết kế bộ điều khiển hướng/ bộ điều khiển bám quỹ đạo cho trước của Robot
Rắn.
 Mô phỏng chuyển động của robot.

12


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1. Tiêu chí thiết kế
 Robot Rắn có khả năng di chuyển trên mặt phẳng giống rắn thật.
 Xác định chính xác giá trị góc của mỗi khớp hiện tại.
 Chống trượt khi di chuyển.
 Tại mỗi khớp có thể điều khiển moment.
2.2. Lựa chọn phương án
Cơ cấu truyền động
Bảng 2.1 Phương án về cơ cấu truyền động.
Phương
án

Hình minh họa

Tính phù hợp

Tính không phù
hợp

- Xoay được nhiều
vòng.
- Tốc độ đa dạng,
phân bố từ cao đến
thấp.

Động cơ

- Phải kết hợp thêm
encoder hoặc biến
trở để có thể điều

DC

- Moment cao do
[8]

qua hộp giảm tốc.

khiển đúng góc quay
mong muốn.

- Đa dạng chủng loại
với nhiều công suất
khác nhau.
- Có thể bị trượt
- Biết được góc xoay
hiện tại bằng cách

Động cơ

xung gây sai số giá
trị góc hiện tại.

điều khiển xung cấp

bước

vào động cơ phù
hợp.

- Muốn điều khiển
moment phải trang
bị driver.

[9]
14


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
- Tốc độ của động
cơ có thể kiểm soát
dễ dàng mà không
cần mạch hồi tiếp.
- Giá thành cao.
- Công suất lớn.

- Kích thước lớn và
thiết kế phức tạp.

Xy lanh

- Khớp xoay linh
hoạt.

- Khó điều khiển
chính xác góc mong

[10]

muốn.

- Góc quay giới hạn.
RC

- Cho góc quay

- Không điều khiển

chính xác.

được dòng cấp cho

- Dễ điều khiển.

động cơ.

servo

[11]
Kết luận: Chọn phương án dùng động cơ DC vì:
 Giá thành phù hợp hơn so với dùng xy lanh.
 Với giải thuật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa thì thông số điều khiển là giá
trị moment tại mỗi động cơ nên nếu sử dụng động cơ RC servo hay xy lanh thì
khó có thể điều khiển những thông số này.
 Động cơ DC kết hợp encoder hoặc biến trở có thể biết chính xác vị trí hiện tại
và vận tốc.

15


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Cơ cấu chống trượt cho Robot
Bảng 2.2 Cơ cấu chống trượt cho Robot
Phương
án

Hình minh họa

Tính phù hợp

Tính không phù
hợp

- Cấu trúc đơn
giản.
- Biết được hệ số
ma sát giữa vật liệu
làm bánh xe và vật
Sử dụng

liệu mặt phẳng.

bánh xe

- Giúp chống trượt

bị động

tốt và hiệu quả nhất
[7]

được chứng thực
thông qua nhiều đề

- Chọn vật liệu
phù hợp để
chống trượt phải
qua phương pháp
thử sai.
- Dễ mòn khi di
chuyển thời gian
dài.

tài của các nhà
khoa học trên thế
giới.
- Di chuyển linh
hoạt theo nhiều
hướng nhờ da có
khả năng tạo lực

Da rắn có
thể tạo

đẩy.

lực đẩy

- Tránh trượt ngang
do cơ chế di

[12]

chuyển không
giống như loài rắn.

16

- Cấu tạo của da
rất phức tạp.
- Cảm biến đọc
tín hiệu tác động
từ môi trường giá
thành cao.


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

- Công suất lớn
- Khớp xoay linh
Gắn bánh

hoạt.

xe chủ

- Là biến thể từ

động

- Sử dụng rất
nhiều động cơ.

Mobile Robot nên
mang nhiều ưu

[7]

điểm của loại này.
- Sử dụng ma sát
bất đẳng hướng
Không
gắn bánh

- Hình dáng giống

nên khó khăn

rắn thật.

trong việc điều

xe bị

- Kết cấu cơ khí

động

đơn giản.

khiển.
- Chọn vật liệu
vỏ phù hợp.

[11]
Kết luận: Chọn bánh xe bị động vì:
 Nhiều đề tài trên thế giới thành công với giải pháp này và người ta chứng minh
được rằng phương pháp này là đơn giản và hiệu quả nhất.
 Kết cấu cơ khí đơn giản hơn chế tạo loại vỏ ma sát hay loại vỏ có khả năng di
chuyển được.
 Ma sát khi sử dụng cách này là đẳng hướng nên dễ dàng xây dựng mô hình
toán phù hợp với mô hình.

17


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×