Che Tao Va Dieu Khien Robot Dang Nguoi

Thiết cơ mô hình cơ khí robot dạng người. Mô hình hóa Robot. Giải Động học thuận Robot.G iải Động học ngược Robot. Thiết kế quỹ đạo để robot bước đi như người. Lập trình mô phỏng trên Matlab. Lập trình Vi điều khiển DSPIC30F6014A để điều khiển 17 động cơ RC servo.

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH

Giảng viên phản biện: ThS PHẠM BẠCH DƯƠNG

Sinh viên thực hiện: LÊ QUANG THÀNH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2012

i

Bộ Giáo dục và Đào tạo

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

-o0o - Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy

Bộ môn: Cơ Điện Tử

1 Thông tin người thực hiện:

Họ và tên sinh viên: Lê Quang Thành

Ngành: Cơ Điện Tử

Điện thoại: 0933455448

MSSV: 08111120 Lớp: 081112A Email:

08111120@student.hcmute.edu.vnGiáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Trường Thịnh Đơn vị: 1098

2 Tên đồ án: Chế tạo và điều khiển robot dạng người

Implementation and control of a humanoid robot

Nhiệm vụ đồ án:

- Thiết kế, chế tạo Robot dạng người 10 bậc tự do sử dụng động cơ RC-Servo: (Khung cơ khí và mạch điện điều khiển)

- Mô hình hóa động học robot và mô phỏng chuyển động

- Ứng dụng nhân trắc học để xây dựng quỹ đạo robot

- Lập trình robot bước đi giống người

3 Thời gian thực hiện:

Ngày giao nhiệm vụ: 04.03.2012, ngày hoàn thành 16.06.2012

Nội dung nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đã được thông qua Bộ môn

Ngày tháng năm Ngày tháng năm

Bộ môn cơ điện tử Người hướng dẫn

ii

LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài: Chế tạo và điều khiển robot dạng người

- Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Trường Thịnh

- Giảng viên phản biện: ThS Phạm Bạch Dương

- Họ tên sinh viên: Lê Quang Thành

- MSSV: 08111120 Lớp: 081112

- Địa chỉ liên lạc: Số 36, đường Đỗ Xuân Hợp, Quận 9, TP HCM

- Số điện thoại liên lạc: 0933455448

- Email: lequangthanh010290@hotmail.com

- Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp: 7/7/2012

- Lời cam kết: “Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình

do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm”

Tp.Hồ Chí Minh, ngày……tháng 7 năm 2012

iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2012

TS Nguyễn Trường Thịnh

iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2012

ThS Phạm Bạch Dương

v

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này được phát triển lên từ một đồ án môn học, được sự ủng hộ của thầy

cô và bạn bè, nhóm chúng mình đã phát triển từ một phiên bản khác, tuy không thành công nhưng qua đó mình và các bạn cũng đã có những giây phút cố gắng và nỗ lực bên nhau Mình xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn Tín, Hải, Khoa, Quyền, Huy, mình tin rằng tuy không đạt được mục đích cuối cùng nhưng nhóm chúng ta thực sự đã đã thành công

Em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Thịnh, người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài này, em xin cảm ơn đến những giúp đỡ, động viên của thầy và đặc biệt là những kiến thức cơ sở để em có thể thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Bạch Dương đã có những đóng góp để em

có thể hoàn thiện hơn đồ án của mình, thầy luôn là tấm gương mẫu mực để các thế hệ sinh viên chúng em noi theo

Cảm ơn tập thể lớp 08112, cảm ơn những khích lệ của các bạn mà mình tự tin hơn khi thực hiện đề tại, cảm ơn các bạn tại phòng thí nghiệm Open Lab đã giúp đỡ mình trong quá trình thực hiện mô hình

Con cũng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh đã động viên, tạo điều kiện trong quá trình thực hiện đề tài

Cuối cùng em xin gửi lời cám ơn đến toàn thể thầy cô trường Đại Học Sư Phạm

Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và thầy cô bộ môn Cơ Điện tử đã ủng hộ, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2012

Lê Quang Thành

vi

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I LỜI CAM KẾT II NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN III NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN IV LỜI CẢM ƠN V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG XII DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XIII TÓM TẮT ĐỀ TÀI XIV ABSTRACT XV

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1

1.1 L ỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT NGƯỜI 1

1.2 C ÁC ỨNG DỤNG CỦA ROBOT 2

1.3 H ƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT NGƯỜI 5

1.4 N ỘI DUNG THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 6

1.5 G IỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 2: NHÂN TRẮC HỌC NGƯỜI VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI 7

2.1 N HÂN TRẮC HỌC NGƯỜI 7

2.1.1 Các khớp của chi trên 7

2.1.2 Các khớp của chi dưới 7

2.2 C ÁC ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI 8

2.2.1 Mô tả các khớp 8

2.2.2 Mô tả về dáng đi 8

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA ROBOT 13

3.1 C ÁC THÔNG SỐ , ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT 13

3.2 M Ô TẢ TOÁN HỌC CỦA ROBOT 14

3.3 M A TRẬN BIỂU DIỄN 14

3.4 C ÁC PHÉP CHUYỂN VỊ MA TRẬN 16

3.4.1 Phép biến đổi tịnh tiến 16

3.4.2 Phép biến đổi quay quanh các trục tọa độ 17

3.5 M Ô HÌNH HÓA CÁC KHỚP TRONG ROBOT 17

3.6 Đ ỘNG HỌC THUẬN R OBOT 21

vii

3.6.1 Phép quay Euler 22

3.6.2 Phép quay RPY (Roll –Pitch- Yaw) 22

3.7 Đ ỘNG HỌC NGHỊCH ROBOT 23

3.7.1 Sử dụng mạng Neural nhân tạo để giải động học nghịch robot 23

3.7.2 Khái niệm về ma trận Jacobi 24

3.7.3 Giải thuật Levenberg – Marquardt 26

3.8 T HIẾT KẾ QUỸ ĐẠO R OBOT 27

3.8.1 Phương trình mô tả quỹ đạo 28

3.8.2 Quỹ đạo điểm bàn chân 28

3.8.3 Quỹ đạo điểm hông 30

3.9 V ẬN HÀNH TỪ VỊ TRÍ BAN ĐẦU VÀ TRỞ VỀ VỊ TRÍ BAN ĐẦU 33

3.10 T ÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG KẾT HỢP TRÊN BA TRỤC TỌA ĐỘ 34

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 36

4.1 M Ô HÌNH TỔNG QUÁT 36

4.2 T HIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 37

4.1.1 Động cơ sử dụng 37

4.1.2 Thiết kế khớp 38

4.1.3 Thiết kế chân robot 39

4.1.4 Thiết kế tay 39

4.1.5 Mô hình tổng thể 40

4.3 T HIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 40

4.4 P HẦN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 41

CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 43

5.1 T ÍNH TOÁN TRỰC TIẾP TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN 43

5.2 T ÍNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC THÔNG QUA MÁY TÍNH 44

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 47

6.1 P HẦN CƠ KHÍ 47

6.2 P HẦN ĐIỆN 47

6.3 P HẦN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 48

6.4 K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 55

6.5 Đ ÁNH GIÁ 62

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 64

7.1 K ẾT QUẢ TRỰC TIẾP CỦA ĐỀ TÀI 64

7.2 Q UÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU KÈM THEO 64

7.3 N HỮNG KHÓ KHĂN KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 64

7.4 H ƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

PHỤ LỤC I

viii

TÀI LIỆU THAM KHẢO XXVIII

ix

DANH MỤC HÌNH

Hình1.1:  Robot đánh chữ dạng người 1 

Hình1.2:  Robot Electro 1 

Hình1.3:  Robot Hubot của trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh 2 

Hình1.4:  Robot làm hướng dẫn viên, dẫn chương trình 3 

Hình1.5:  Robot cứu hộ người 3 

Hình1.6:  Robot dùng trong lĩnh vực giải trí 4 

Hình1.7:  Robot phục vụ 4 

Hình1.8:  Robot phục vụ 5 

Hình1.9:  Hướng phát triển của robot người 5 

Hình1.10:   Các khớp của chi trên 7 

Hình2.1:  Các khớp của chi dưới 7 

Hình2.2:  Mô tả các khớp trong cơ thể người 8 

Hình2.3:  Thời gian các pha trong một chu kỳ 9 

Hình2.4:  Động tác thứ nhất của chân trụ 9 

Hình2.5:  Động tác thứ hai của chân trụ 9 

Hình2.6:  Động tác thứ ba của chân trụ 10 

Hình2.7:  Động tác thứ tư của chân trụ 10 

Hình2.8:  Động tác thứ năm của chân trụ 11 

Hình2.9:  Động tác thứ nhất của chân lắc 11 

Hình2.10:   Động tác thứ hai của chân lắc 11 

Hình2.11:   Động tác thứ ba của chân lắc 12 

Hình 3.1:    Các mặt phẳng 13 

Hình 3.2:    Diện tích chân trụ 13 

Hình 3.3:    Mô hình toán học của robot 14 

Hình 3.4:    Biểu diễn một điểm trong hệ tọa độ 15 

Hình 3.5:    Biểu diễn một hệ tọa độ trong một hệ tọa độ 15 

Hình 3.6:    Mô tả phép biến đổi tịnh tiến 16 

Hình 3.7:    Mô hình hóa robot 18 

Hình 3.8:    Sự định hướng của khâu chấp hành cuối 21 

Hình 3.9:    Giải động học nghịch bằng mạng fuzzy 24 

x

Hình 3.10: Cơ cấu robot hai khâu hai khớp 24 

Hình 3.11: Giải thuật Levenberg – Marquardt 26 

Hình 3.12: Thiết kế quỹ đạo bước trên trục X, Y 27 

Hình 3.13: Quỹ đạo theo trục Z 27 

Hình 3.14: Đồ thị điểm chân theo phương X 29 

Hình 3.15: Đồ thị điểm chân theo phương Y 30 

Hình 3.16: Đồ thị điểm chân theo phương Z 30 

Hình 3.17: Đồ thị điểm hông theo phương X 31 

Hình 3.18: Đồ thị điểm hông theo phương Y 32 

Hình 3.19: Đồ thị điểm hông theo phương Z 33 

Hình 3.20: Quỹ đạo vận hành từ vị trí đứng yên 33 

Hình 3.21: Chuyển hệ tọa độ 34 

Hình 3.22: Quỹ đạo trong mặt phẳng thứ nhất 35 

Hình 3.23: Quỹ đạo trong mặt phẳng thứ hai 35 

Hình 3.24: Quỹ đạo bước trong mặt phẳng thứ 3 35 

Hình 4.1:  Mô hình tổng quát hệ thống 36 

Hình 4.2:  Lực tác dụng lên robot 37 

Hình 4.3:  Động cơ servo SG90 37 

Hình 4.4:  Thiết kế khớp 38 

Hình 4.5:  Thiết kế chân robot 39 

Hình 4.6:  Thiết kế tay 39 

Hình 4.7:  Mô hình tổng thể Humanoid Robot 40 

Hình 4.8:  Thiết kế phần cứng điện 41 

Hình 4.9:  Mô hình phần công nghệ thông tin 41 

Hình 5.1:  Toolbox Target for Microchip(TM) dsPIC 44 

Hình 5.2:  Mô hình hệ thống điều khiển 44 

Hình 5.3:  Thuật toán tính động học nghịch 45 

Hình 5.4:  Mô hình tính quỹ đạo robot 45 

Hình 6.1:  Mô hình robot 47 

Hình 6.2:  Phần điện điều khiển 48 

Hình 6.3:  Chương trình hỗ trợ tính các ma trận chuyển vị 48 

xi

Hình 6.4:  Sơ đồ khối phần công nghệ thông tin 49 

Hình 6.5:  Giao diện chính chương trình điều khiển 49 

Hình 6.6:  Chương trình con hỗ trợ thiết lập truyền thông 50 

Hình 6.7:  Chương trình quản lý tham số động cơ 51 

Hình 6.8:  Chương trình khảo soát hoạt động từng động cơ 51 

Hình 6.9:  Chương trình hiệu chỉnh chiều dài các khâu 52 

Hình 6.10: Chương trình mô phỏng quỹ đạo 2D 53 

Hình 6.11: Chương trình mô phỏng động học nghịch 53 

Hình 6.12: Chương trình thiết kế quỹ đạo bước 54 

Hình 6.13: Mô phỏng quỹ đạo bước 54 

Hình 6.14: Khảo sát chuyển động tay 55 

Hình 6.15: Chương trình hỗ trợ điều khiển 55 

Hình 6.16: Tổng sai số vị trí của chân trái 56 

Hình 6.17: Tổng sai số góc định hướng của chân trái 56 

Hình 6.18: Tổng sai số vị trí chân phải 57 

Hình 6.19: Tổng sai số góc định hướng chân phải 57 

Hình 6.20: Tổng sai số vị trí chân trái 58 

Hình 6.21: Tổng sai số vị trí chân phải 58 

Hình 6.22: Tổng sai số góc định hướng chân trái 59 

Hình 6.23: Tổng sai số góc định hướng chân phải 59 

Hình 6.24: Quỹ đạo robot theo chiều thứ nhất 60 

Hình 6.25: Quỹ đạo robot theo chiều thứ hai 60 

Hình 6.26: Quỹ đạo robot theo chiều thứ ba 60 

Hình 6.27: Hàm truyền động cơ 61 

Hình 6.28: Đáp ứng của động cơ so với hàm truyền 61 

Hình 6.29: Mô hình kiểm bền động cơ 61 

Hình 6.30: Kết quả thực nghiệm robot bước đi 62 

xii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1.Bảng D-H cho chân trái: 19

Bảng 3.2.Bảng thông số D-H chân phải 20

Bảng 4.1.Thông số động cơ 38

Bảng 4.2.Thông số robot 40

COM Center of Mass

GCOM Ground projections of Center Of Mass ZMP Zero Moment Point

GUI Graphic User Interface

RC Radio Control

CAN Controller Area Network

xiv

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Khi nền khoa học công nghệ phát triển thì máy móc ngày càng ra đời từ đơn

giản đến phức tạp nhằm thay thế sức lao động cho con người Chúng làm những

công việc nguy hiểm, độc hại, những công việc lặp đi lặp lại thường gây nhàm

chán và dễ gây tai nạn cho con người Có thể thấy lịch sử phát triển vượt bậc

của robot trong các lĩnh vực sản xuất, và hầu như ngày nay các robot trong công

nghiệp đã bão hòa Các nhà nghiên cứu đang dần chuyển sang hướng nghiên

cứu mới là robot dạng người Hiện nay các ứng dụng của một robot dạng người

là không giới hạn, và chất xám cho một robot người cũng không có biên giới

Để một robot có thể thông minh và linh hoạt như con người thì lượng khoa học

dành cho nó là không ít, chúng cần phải có những hoạt động giống như người,

giao tiếp với môi trường ngoài và có trí thông minh như chúng ta

Trong quá trình phát triển đó thì khả năng di chuyển giống người là một yêu

cầu mà Humanoid robot cần phải có Đối với con người thì việc chúng ta đi lại

hàng ngày là một điều vô cùng dễ dàng Hãy hình dung một ngày nào đó chúng

ta không có khái niệm thế nào là bước đi, vậy chúng ta sẽ bước đi như thế nào?

Đề tài “Chế tạo và điều khiển robot dạng người” sẽ giải quyết bài toán làm

thế nào để một robot có thể bước đi như con người

We can see the application of a robot human form is not limited, and gray matter for a robot who has no borders To an intelligent robot can flexibly as humans for the science of it is not simple, they need to be active and like humans, communicate with

the external environment and have the intelligence as we do

In the development process that is able to move like a human is a requirement that Humanoid robot should have For our , the daily travel is an extremely easy Imagine

that one day we have no concept of what is walking , so we will walk like?

Project "Implementation and control of humanoid robot" will solve the problem how a robot can walk like a human

Hình1.2: Robot Electro

Robot người được nghiên cứu và chế tạo đầu tiên ở các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển như Nhật, Mỹ…Và ngày nay hầu hết các nước đều đã và đang nghiên cứu về robot dạng người, và có những công bố về robot hết sức thú vị

2

Gần đây trường đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã nghiên cứu và chế tạo một

số phiên bản robot dạng người có tên HUBOT [1]với ưu điểm sử dụng hộp số giảm tốc Harmonic có tỉ số truyền lớn, giảm sai số ở đầu ra và giảm ma sát ở đầu vào Sử dụng động cơ DC-Servo, có encoder hồi tiếp, mỗi động cơ được điều khiển bằng một

vi điều khiển, các vi điều khiển này giao tiếp với nhau bằng mạng CAN Nhược điểm của robot này là khối lượng lớn, di chuyển chậm, và quá trình di chuyển có sự hỗ trợ

3

muốn có một robot hàng ngày phục vụ những công việc như lau chùi, kiểm tra, chuẩn

bị thức ăn…Một robot dạng người sẽ dễ dàng hơn cho bạn rất nhiều nếu bạn không muốn phải thiết kế lại ngôi nhà để cho một robot di chuyển bằng bánh xe hoạt động Hình 1.4 giới thiệu một robot dạng người của Nhật, robot này có sử dụng trí thông minh nhân tạo để có thể giao tiếp với bên ngoài một cách thông minh, robot có thể biểu hiện cảm xúc qua khuôn mặt

Hình1.4: Robot làm hướng dẫn viên, dẫn chương trình

Robot dạng người còn được ứng dụng trong cứu hộ người, với khả năng tự cân bằng trên địa hình rung động, gồ ghề, nó hữu ích trong trường hợp cứu hộ khi xảy ra động đất…

Hình1.5: Robot cứu hộ người

4

Robot người còn xuất hiện trong lĩnh vực giải trí, hiện tại Nhật đang dẫn đầu doanh thu về các thiết bị giải trí về robot dạng người Các robot dạng người trong lĩnh vực này như: robot chơi nhạc, robot múa, robot đánh nhau, robot chơi thể thao…

Hình1.6: Robot dùng trong lĩnh vực giải trí

Hãng Honda sau khi công bố dòng robot người đầu tiên Asimo với khả năng giao tiếp với con người, chơi thể thao, hát…Hãng này ngày càng phát triển các thế hệ robot khác: robot đạp xe, robot bán hàng, với lượng chất xám đầu tư vào càng nhiều, sự phức tạp trong điều khiển ngày càng tăng và sự thông minh của robot ngày càng cải thiện

Hình1.7: Robot phục vụ

5

Hình1.8: Robot phục vụ

1.3 Hướng phát triển của robot người

Robot người đang ngày càng xâm nhập vào nhiều lĩnh vực trong đời sống và sản xuất Trong tương lai khi mọi thứ cuộc sống đều đã được công nghệ hóa, những công việc hàng ngày, công việc nguy hiểm… robot sẽ thay thế con người Việc điều khiển một robot có thể bước đi linh hoạt và thích ứng tốt với môi trường bên ngoài chỉ là bước cơ bản, là sự khởi đầu bắt buộc Công việc khó khăn và đòi hỏi thời gian cũng như chất lượng của việc nghiên cứu chính là áp dụng trí tuệ nhân tạo cho robot, để robot người thực sự trở thành một robot thông minh, chúng có thể sẽ hiện diện đông đảo như con người hiện nay

Hình1.9: Hướng phát triển của robot người

Hình 1.9 đề cập đến các lĩnh vực mà robot người đang tiếp cận Có thể thấy robot dạng người xuất hiện hầu như trong tất cả các lĩnh vực trong đời sống con người Để

6

robot người có thể xâm nhập hiệu quả vào các hoạt động đó, đòi hỏi những kỹ thuật hết sức hiện đại và phức tạp của nhiều ngành khoa học, robot người hứa hẹn là một sản phẩm mang lại nhiều lợi ích trên nhiều mặt Một đặc điểm cơ bản mà bất cứ robot người nào cũng phải có là khả năng di chuyển giống người Chuyển động bước đi của con người là một hành động vô cùng phức tạp, nó đòi hỏi sự phối hợp chuyển động của nhiều cơ quan trong cơ thể con người Đề tài này sẽ tập trung giải quyết vấn đề điều khiển một robot dạng người bước đi

1.4 Nội dung thực hiện của đề tài

- Thiết kế, chế tạo Robot dạng người 10 bậc tự do sử dụng động cơ Servo gồm khung cơ khí và mạch điện điều khiển

RC Mô hình hóa động học robot và mô phỏng chuyển động

- Ứng dụng nhân trắc học để xây dựng quỹ đạo robot

- Lập trình robot bước đi giống người

1.5 Giới hạn của đề tài

- Tốc độ bước đi của robot 90-150 mm/phút

- Robot chỉ bước đi trên mặt phẳng

- Bước đi có sự hỗ trợ từ bên ngoài

7

CHƯƠNG 2: NHÂN TRẮC HỌC NGƯỜI VÀ CÁC ĐỊNH

NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI 2.1 Nhân trắc học người

Con người có thể chuyển động một cách linh hoạt là do sự phối hợp chuyển động của các khớp Hành động bước đi là một hành động tưởng chừng như đơn giản nhưng không hề dễ dàng chút nào, một đứa trẻ mất khá nhiều thời gian để tập đi, các du hành gia vũ trụ sau một khoảng thời gian dài ngoài không gian khi trở lại trái đất họ đã rất khó khăn để có thể bước đi một cách bình thường trên mặt đất Vậy khó khăn đó là do đâu? Đó là khó khăn trong việc điều khiển trọng tâm

2.1.1 Các khớp của chi trên

Hình1.10: Các khớp của chi trên

2.1.2 Các khớp của chi dưới

Hình2.1: Các khớp của chi dưới

8

Khớp gối là khớp xoay, khớp cổ chân và khớp hông là các khớp cầu, ngoài ra còn

có các khớp ở các đốt chân, trong giới hạn đề tài robot sẽ mô tả 10 khớp gồm khớp cầu ở hông khớp xoay ở gối và khớp cầu ở cổ chân

2.2 Các định nghĩa trong robot người

Ta có các thuật ngữ cơ bản về dáng đi

Bước đi (Walk): là sự dịch chuyển luân phiên, có chu kỳ của hai chân, trong đó

không có trường hợp hai chân nhấc khỏi mặt đất đồng thời.[1]

Dáng đi (Gait): trong mỗi bước đi đặc trưng bởi một cách thức khác nhau tạo

Khớp khủy tay Khớp cổ tay

Khớp cổ chân Khớp gối Khớp hông

9

Hình2.3: Thời gian các pha trong một chu kỳ

Pha đôi (Double Phase): là khoảng thời gian chân lắc tiếp xúc mặt đất trong chu

kỳ bước, gồm đầu và cuối chu kỳ bước.[2]

Khi bước đi chân có bàn chân tiếp xúc với mặt đất là chân trụ, chân còn lại gọi là chân lắc Dáng đi của con người gồm có 5 động tác của chân trụ và 3 động tác của chân lắc.[1]

2.2.2.1 Động tác của chân trụ:

- Giai đoạn gót chân trụ vừa chạm đất: đây là giai đoạn bắt đầu của chu trình

bước đi[1], trọng tâm sẽ ở vị trị thấp nhất trong giai đoạn này (hình 2.4)

t(s)

- Giai đoạn mũi chân trụ rời khỏi mặt đất: xảy ra khi mũi chân trụ rời khỏi mặt đất, đây là động tác kết thúc các giai đoạn của chân trụ (hình 2.8)

Chân trụ

Chân trụ

11

Hình2.8: Động tác thứ năm của chân trụ

2.2.2.2 Các động tác của chân lắc: gồm 3 giai đoạn

- Giai đoạn tăng tốc: bắt đầu khi chân lắc rời khỏi đất và đưa về phía trước (hình 2.9)

12

- Giai đoạn trung gian: xảy ra khi chân lắc vừa đi qua chân trụ (hình 2.10)

- Giai đoạn giảm tốc: làm chậm dần chân lắc để chuẩn bị gót chạm đất làm

chân trụ để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo (hình 2.11)

Hình2.11: Động tác thứ ba của chân lắc

Động tác của chân trong một chu kỳ bước đi của cơ thể con người bao gồm 8 động tác như trên, trong đó có xét đến mũi và gót bàn chân Trong giới hạn đề tài sẽ điều khiển robot không tính đến vị trí của mũi và gót bàn chân, nghĩa là hai điểm này sẽ luôn song song với mặt đất

Chân lắc

Các định nghĩa trong robot:

- SA(Support Area): vùng diện tích trên mặt đất, tùy thuộc vào trạng thái bước

của robot, nếu robot đứng trên một chân thì SA là vùng diện tích tạo bởi chân đó, nếu

robot đứng trên 2 chân thì vùng SA tạo bởi hai chân như hình 3.2 [2]:

Hình 3.2: Diện tích chân trụ

- COM (center of mass): là một điểm bên trong robot, điểm đó được coi là điểm tập trung khối lượng.[2]

- GCOM (Ground projections of center of mass - point projection enter of mass):

là hình chiếu của COM lên mặt đất GCOM xác định sự cân bằng của robot ở trạng thái tĩnh, nếu GCOM nằm trong vùng diện tích SA thì robot cân bằng.[2]

Bàn chân trái

Bàn chân phải

Vùng diện tích tạo bởi 2 chân

14

- ZMP (Zero Moment Point - Point of zero times): là điểm nằm bên trong bề mặt

tiếp xúc giữa robot và mặt đất, tại đó momen phản lực quanh bất kỳ trục nào đều bằng không.[2]

3.2 Mô tả toán học của robot

Mô hình toán học của robot là mô hình con lắc ngược 3D[2]

Hình 3.3: Mô hình toán học của robot

Ta có công thức tính tọa độ COM

i

i i

m x x

m y y

m z z

15

- Với Oxyz là hệ tọa độ Decac ta có biểu diễn của điểm A:

A A A

Hình 3.4: Biểu diễn một điểm trong hệ tọa độ

- Ma trận biểu diễn của điểm A như sau:

x y F

Hình 3.5: Biểu diễn một hệ tọa độ trong một hệ tọa độ

- Ma trận biểu diễn của hệ tọa độ Aoan trong hệ tọa độ Oxyz:

(3.5)

(3.6)

“điểm”

Tổng quát: v=f.u

3.4.1 Phép biến đổi tịnh tiến

- Với phép biến đổi tịnh tiến ta có:

d d

- Mô tả của phép biến đổi trên như sau:

Hình 3.6: Mô tả phép biến đổi tịnh tiến

- u là hệ tọa độ noa, v là hệ tọa độ xyz, với f ở trên ta có phép biến đổi như sau:

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Euler (Φ, Ɵ, Ψ) = Rot (z, Φ) Rot(y, Ɵ) Rot(x, Ψ)

- Phép quay Roll- Pitch-Yaw:

RPY (Φa, Φo, Φn) = Rot (a, Φa) Rot (o, Φo) Rot (n, Φn)

3.5 Mô hình hóa các khớp trong robot

Mô hình hóa bằng phương pháp Denavit- Hartenberg (D-H) là phương pháp được

sử dụng phổ biến nhất hiện nay bởi cách biểu diễn đơn giản các khâu và các khớp

0 0

0 0( , )

(3.10)

18

trong robot nhưng có thể biểu diễn bất kỳ mô hình robot nào ở bất kỳ hệ tọa độ nào

Ta có thể áp dụng phương pháp sử dụng các ma trận chuyển vị để mô hình hóa, tuy nhiên người ta vẫn luôn sử dụng phương pháp D-H, bởi nó còn ứng dụng để giải ma trận Jacobi, phân tích lực, chuyển động của các khâu (hình 3.7)

Hình 3.7: Mô hình hóa robot

Ý tưởng của phương pháp này là gắn các hệ tọa độ tham chiếu tại tất cả các góc khớp của robot, sau đó bằng cách chuyển vị hệ tọa độ từ hệ tọa độ thứ nhất, đến hệ tọa

độ thứ hai và đến hệ tọa độ cuối cùng, cuối cùng ta sẽ có ma trận chuyển vị từ hệ tọa

độ tham chiếu tổng quát đến hệ tọa độ đích

Ma trận chuyển vị từ hệ tọa độ n tới hệ tọa độ n+1(công thức 3.15)

n n n n n n n n n

n n n n n n n n n n

Các thông số của phương pháp D-H:

- di: khoảng cách từ gốc tọa độ thứ i-1 tới giao điểm của trục zi-1 và xi dọc theo

trục zi-1

- li: khoảng cách giữa giao điểm của trục zi-1 và xi với gốc tọa độ hệ trục thứ nhất

dọc theo trục xi

- αi : là góc quay trục zi-1 tới trục zi xung quanh trục xi

- Ɵi: là góc quay trục xi-1 thành trục xi

Dựa vào các quy tắc trên ta lập được bảng thông số D-H cho chân trái, từ hệ tọa độ

tham chiếu tổng quát đến điểm bàn chân trái (bảng 3.1)

Bảng 3.1 Bảng D-H cho chân trái:

L S L C C C L C C

L S L L S C L S C P

Ta lập bảng thông số D-H cho chân phải tương tự chân trái (bảng 3.2)

Bảng 3.2 Bảng thông số D-H chân phải

21

12 10_11 11_12 11 12_13 11 12 13_14 11 12 1112 15_15 11 15 15_16 121314 11 15 14_15 11 121314

11_12 11 2_10 12_13 11 12 13_14 11 1213 14_15 11 121314 15_16 11 121314 15

1

S

x y z

L L L C L C C L C C C

L S L C C C L C C

L S L L S C L S C P

L S C L S C C P

Trong ma trận chuyển vị T thì cột cuối cùng của ma trận chính là vị trí của điểm cần khảo sát, và sự định hướng được mô tả như sau:

Xét điểm A trong hai trường hợp

Hình 3.8: Sự định hướng của khâu chấp hành cuối

Trong hai hình trên điểm A có cùng vị trí nhưng hướng của khâu chấp hành cuối trong hai trường hợp là khác nhau, dựa vào ma trận chuyển vị T ta có thể tính được sự định hướng của khâu chấp hành cuối bằng các phép quay

(3.20)

3.6.2 Phép quay RPY (Roll –Pitch- Yaw)

RPY (Φa, Φo, Φn) = Rot (a, Φa) Rot (o,Φo) Rot (n,Φn)

(3.27)

(3.28)

(3.29) (3.30) (3.31)

23

3.7 Động học nghịch robot

Nếu như động học thuận giúp ta trong quá trình tính toán mô phỏng hệ thống, thì động học nghịch giúp ta về phần điều khiển, từ vị trí và sự định hướng mong muốn ta cần tìm ra các góc khớp Phương pháp đang sử dụng cơ bản hiện nay là giải hệ phương trình từ các phương trình động học thuận Tuy nhiên phương pháp này không phải là phương pháp tối ưu, vì một số nhược điểm: chỉ có 3 phương trình động học thuận nhưng số biến khớp tùy vào hệ thống có thể thay đổi nên không có cách tính tổng quát, khó giới hạn được số nghiệm tìm được, phức tạp trong tính toán…

3.7.1 Sử dụng mạng Neural nhân tạo để giải động học nghịch robot

Ý tưởng của phương pháp này là dùng một mạng Fuzzy để tìm động học ngược Đặc điểm của mạng fuzzy là nó có khả năng học và suy đoán[3] Từ các phương trình động học thuận, ta tạo một bộ dữ liệu thứ nhất là các giá trị có thể có của các góc khớp, sử dụng các phương trình động học thuận ta tính được các tọa độ tương ứng với các góc khớp đó và lập thành một bộ dữ liệu thứ hai Ta đưa hai bộ dữ liệu này để huấn luyện mạng, với yêu cầu bộ dữ liệu vị trí là đầu vào, bộ dữ liệu các góc khớp là đầu ra Quá trình huấn luyện sẽ giúp mạng fuzzy tìm được các đặc điểm liên quan giữa vị trí và các góc khớp

Về mặt thuật toán, quá trình tìm hàm ngược của mạng fuzzy như sau: giả sử ta có

bộ thông số vị trí và góc khớp gồm có n bộ : [x1,y1,z1],[x2,y2,z2],…[xn,yn,zn] : bộ thông số vị trí

Ɵ1,Ɵ2,…,Ɵn: bộ thông số góc khớp Sau khi huấn luyện mạng, mạng fuzzy nhận dạng một vị trí chưa được học bằng cách tìm các lân cận của vị trí yêu cầu mà đã được huấn luyện để tính trung bình các lân cận đó Dựa vào đặc điểm này mà ta nói mạng fuzzy có khả năng suy đoán Ưu điểm của phương pháp tìm động học ngược này là: đơn giản trong tính toán, tốc độ nhanh Tuy nhiên nhược điểm của nó là khá nhiều: ứng với mỗi góc khớp ta phải có một mạng riêng, độ chính xác của mạng phụ thuộc vào bộ dữ liệu đầu vào, không kiểm soát được sai lệch, điều này gây cản trở khi cấu hình trên vi điều khiển có cấu hình bộ nhớ không cao Và một đặc điểm quan trọng là mạng này chỉ dựa vào vị trí chứ không có yếu tố định hướng, để thêm sự định hướng thì bộ dữ liệu học sẽ tăng lên rất nhiều Phương pháp này không thực sự hữu hiệu trong trường hợp robot có nhiều bậc tự do và có yêu cầu về sự định hướng ở khâu chấp hành cuối

24

Hình 3.9: Giải động học nghịch bằng mạng fuzzy

Hình 3.9 mô tả một hệ hai khâu, hai khớp tính động học ngược bằng mạng fuzzy, với đáp ứng về vị trí khá tốt

Dưới đây ta sẽ áp dụng một phương pháp khác để tính động học ngược robot

3.7.2 Khái niệm về ma trận Jacobi

Sau đây ta sẽ sử dụng kỹ thuật sử dụng các ma trận giả đảo để giải động học nghịch robot

Xét cơ cấu hai khâu hai khớp như sau:

θ1

θ2B

x

y

L2L1

Hình 3.10: Cơ cấu robot hai khâu hai khớp

x y