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

hành vượt địa hình phức tạp", em đã đạt được một số kết quả nhất định: Tìm hiểu được về cân bằng robot, tính toán động học robot, các phương thức lập trình, điều khiển hoạt động robot, c

Hà Nội – 2014

-

KS Ngô Anh Tú

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH

VƯỢT ĐỊA HÌNH PHƯC TẠP

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Phan Văn Đồng

2 TS Nguyễn Hồng Thái

Hà Nội – 2014

Cơ Điện Tử Sau gần 2 năm học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thày cô giáo, đặc biệt là PGS.TS Phan Văn Đồng và

TS Nguyễn Hồng Thái, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Với đề tài luận văn là: "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp", tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới

dự hướng dẫn của PGS.TS Phan Văn Đồng và TS Nguyễn Hồng Thái và chỉ tham khảo các tài liệu được liệt kê Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào Nếu có, tôi xin hoàn thành chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014

Người cam đoan

hành vượt địa hình phức tạp", em đã đạt được một số kết quả nhất định: Tìm hiểu

được về cân bằng robot, tính toán động học robot, các phương thức lập trình, điều khiển hoạt động robot, cũng như hiểu thêm về cách thức trình bày bản vẽ, các kỹ thuật liên quan về việc thiết kế mạch và công nghệ xử lý ảnh Em xin trân trọng cảm

ơn sự giúp đỡ của PGS.TS Phan Văn Đồng, TS Nguyễn Hồng Thái và các thày trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện để em hoàn thành đề tài này Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên luận văn không thể tránh được những thiết sót và chưa thể hoàn thiện một cách hoàn hảo như mong đợi Kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài được hoàn thành tốt hơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014

HVTH

Ngô Anh Tú

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU xii

Chương 1 - 1 -

TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT - 1 -

1.1 Giới thiệu - 1 -

1.2 Lịch sử phát triển của mobile robot [8] - 2 -

1.4 Ứng dụng của mobile robot - 11 -

1.5 Kết luận và định hướng nghiên cứu mobile robot - 14 -

Chương 2 - 15 -

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT - 15 -

2.1 Đặt vấn đề - 15 -

a) Mô hình động học robot - 19 -

b) Mô hình động học mobile robot - 21 -

2.3 Phân tích và lựa chọn kết cấu - 24 -

a) Yêu cầu chung - 24 -

b) Phương án thiết kế - 25 -

c) Khả năng hoạt động của robot - 27 -

2.4 Tính toán kích thước robot - 28 -

a) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng ngang - 28 -

b) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng nghiêng đều - 33 -

c) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng lệch - 34 -

2.5 Kết luận - 39 -

Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm - 40 -

Chương 3 - 41 -

CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH - 41 -

3.1 Khái niệm và quá trình xử lí ảnh - 41 -

a) Chụp ảnh - 42 -

b) Quá trình tiền xử lí dữ liệu ảnh - 42 -

c) Phân tích hình ảnh (xác định đường, góc, cạnh, khối, ) - 42 -

d) Nhận dạng, phân mảnh - 42 -

e) Xử lí mức cao - 42 -

3.2 Thư viện OpenCV - 43 -

a) Cấu tạo của thư viện OpenCV - 43 -

b) Các chức năng của OpenCV - 43 -

3.3 Các cấu trúc dữ liệu cơ bản của OpenCV - 45 -

3.4 Thao tác xử lí ảnh cơ bản với thư viện OpenCV - 46 -

4.1 Tính toán thiết kế mạch điện tử điều khiển - 54 -

a) Sơ đồ khối mạch điều khiển cho Mobile Robot - 54 -

b) Thiết kế các Modul của mạch điều khiển - 54 -

c) Kết quả thiết kế, chế tạo mạch điều khiển - 61 -

4.2 Chương trình điều khiển Mobile Robot - 63 -

a) Lập trình C cho vi điều khiển Atmega128 - 63 -

b) Xây dựng chương trình điều khiển cho Mobile Robot - 64 -

4.3 Thiết bị phần cứng và các công cụ lập trình - 68 -

a) Thiết bị phần cứng - 68 -

b) Công cụ lập trình - 68 -

c) Theo vết đối tượng dùng thuật toán Camshift - 85 -

KẾT LUẬN - 90 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 91 -

PHỤ LỤC - 93 -

PHỤ LỤC A: Chương trình xử lý ảnh bằng OpenCV - 93 -

PHỤ LỤC B: Chương trình điều khiển Mobile Robot - 95 -

PHỤ LỤC C: Bản thiết kế sơ bộ mobile robot - 105 -

Oxy Hệ tọa độ quy chiếu cố định

R Khoảng cách từ trọng tâm Pc đến ICC

ms

k Hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt đường

Bảng 2.1 Sơ đồ bánh xe mobile robot 26

Bảng 2.2 Ký hiệu các loại bánh xe sử dụng trong các mô hình 28

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9] 3

Hình 1.12 Mobile robot Curiosity của NASA [9] 9

Hình 1.13 Robot thám hiểm sao Hỏa Opportunity và Spirit của NASA 11 Hình 1.14 Robot AQUA do Canada sản xuất có khả năng hoạt động dưới

Hình 1.15 Robot chuyển gỗ Plustech [10] 12

Hình 1.18 Mô hình robot Curiosity của NASA 14

Hình 2.1 Mobile robot Curiosity của NASA 15

Hình 2.2 Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành 16

Hình 2.3 Mô hình bánh xe đã được lý tưởng hóa 20 Hình 2.4 Mô hình động học của robot tự hành 21 Hình 2.5 Vận tốc bánh xe bên phải khi chuyển động 22

Hình 2.14 Biểu đồ nội lực tác dụng lên trục phụ 30

Hình 2.15 Phân bố lực trên càng sau 31

Hình 2.16 Lực tác dụng lên bánh xe 32

Hình 2.17 Mô hình xe khi lên dốc cân bằng 33 Hình 2.18 Phân bố lực trên đầu trục chính 33 Hình 2.19 Mô hình xe khi lên dốc lệch hai bên 34 Hình 2.20 Biểu đồ nội lực tác dụng lên thanh 35

Hình 2.22 Lực dọc tác dụng lên trục phụ 37

Hình 2.23 Lực phân bố trên càng sau 38

Hình 2.24 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm 38

Hình 2.25 Kiểm tra khả năng vượt địa hình của robot 40

Hình 3.1 Sơ đồ khối mô tả quá trình xử lý ảnh 41

Hình 3.10 Dò biên với phương pháp Contour 52 Hình 3.11 Dò biên với phương pháp Contour 53 Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 54

Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch nguồn thiết kế trên Orcad 56

Hình 4.4 Vi điều khiển thiết kế trên phần mềm Orcad 57

Hình 4.5 Modul giao tiếp người điều khiển và robot 57

Hình 4.7 Sơ đồ khối mạch công suất 58

Hình 4.10 Thiết kế MC33886 trên Orcad 60

Hình 4.13 Cửa sổ làm việc CodeVision AVR 63

Hình 4.14 Lưu đồ điều khiển Mobile robot 64

Hình 4.16 Tích hợp OpenCV vào Visual Studio 68 Hình 4.17 Chạy thử chương trình bằng OpenCV 69 Hình 4.18 Tiến hành dò biên vật thể 71 Hình 4.19 Quá trình nhận dạng sử dụng Haar Classifer 72 Hình 4.20 Bốn đặc trưng Haar-like cơ bản 73 Hình 4.21 Cách tính Integral Image của ảnh 74 Hình 4.22 Cách tính nhanh các giá trị mức xám của vùng D 74

Hình 4.23 Mô hình kết hợp các bộ phân loại yếu để xác định đối tượng 76 Hình 4.24 Kết hợp các bộ phân loại yếu thành bộ phân loại mạnh 77 Hình 4.25 Hệ thống xác định đối tượng 77 Hình 4.26 Các ảnh có chứa đối tượng 78

Hình 4.27 Các ảnh không chứa chứa đối tượng 79

Hình 4.28 Giao diện Console khi chạy Haar trainning 82 Hình 4.29 Chương trình thử nghiệm đối tượng vừa học 84

Hình 4.32 Kết quả tính toán tâm đối tƣợng 88

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Thế kỷ 20 sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh

tế Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi người với những cái tên như ASIMO, TIAN… Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học

kỹ thuật của nhân loại Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp,

y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời sống con người Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian

bị giới hạn quanh vị trí của nó Ngược lại, mobile robot có thể di chuyển, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực dân sự và quân sự, thu hút được rất nhiều

sự đầu tư nghiên cứu Do đó học viên đã chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp”

II MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

- Tính toán thiết kế robot vượt địa hình phức tạp

- Chế tạo robot vượt địa hình phức tạp

- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển

- Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh viết phần mềm điều khiển robot

III Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu và chế tạo mô hình robot tự hành vượt địa hình phức tạp trong lĩnh vực thám hiểm Các kết quả nghiên cứu về động học mobile robot, công nghệ xử lý ảnh, thuật toán điều khiển sẽ bổ sung vào một phần lý thuyết còn mới

mẻ về mobile robot, việc tính toán thiết kế và chế tạo ra mobile robot sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu và chế tạo các mobile robot không chỉ phục vụ trong quân sự

và còn trong cả đời sống thường ngày

IV Ý NGHĨA THỰC TIỄN

hiện được tầm quan trọng trong việc do thám và thực hiện các nhiệm vụ mà không gây nguy hiểm cho người điều khiển Trong lĩnh vực thám hiểm, có rất nhiều môi trường độc hại, không có sự sống như Sao Hỏa hay vùng đất bị nhiễm phóng xạ, việc đưa mobile robot vào thực hiện việc thám hiểm và lưu trữ lại thông tin thu thập được là rất cần thiết Công nghệ xử lý ảnh nhận dạng đối tượng được nghiên cứu trong đề tài không chỉ ứng dụng trong mobile robot mà còn trong rất nhiều lĩnh vực đời sống khác như nhận dạng biển số xe, các hệ thống giao thông thông minh hay

lĩnh vực phân loại sản phẩm

V NỘI DỤNG CỦA LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 101 trang A4 và 13 trang phụ lục, trình bày cụ thể các vấn đề như sau:

Chương 1: Tổng quan về mobile robot

Sơ lược về lịch sử phát triển của mobile robot, phân loại mobile robot theo từng trường hợp cụ thể và ứng dụng của mobile robot qua đó đưa ra kết luận và định hướng nghiên cứu mobile robot

Chương 2: Tính toán thiết kế robot

Chỉ ra được mô hình mobile robot cần nghiên cứu của luận văn, các cơ sở lý thuyết và mô hình động học của robot, đưa ra được phương án thiết kế robot, kiểm tra các điều kiện hoạt động của robot trong các trường hợp khác nhau

Chương 3: Cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh

Đưa ra những lý thuyết căn bản nhất về xử lý ảnh số, các bước thực hiện quá trình xử lý ảnh có sử dụng thư viện OpenCV, làm tiền đề cho quá trình nhận dạng ảnh và theo vết đối tượng của robot

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển nhận dạng theo vết đối tượng

Chương này trình bày nội dung về thiết kế hệ thống điều khiển cho robot bao gồm thiết kế mạch điện tử, xây dựng chương trình điều khiển robot, trình bày phương pháp nhận dang và theo vết đối tượng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT

1.1 Giới thiệu

Khái niệm chung về robot theo nghĩa chung thường được hiểu đồng nghĩa với khái niệm tự động hóa công nghiệp, điều này chỉ đúng một phần bởi robot chỉ là một thành phần trong quá trình tự động hóa, hơn nữa việc trình bày , miêu tả robot trong sinh hoạt xã hội ít nhiều phóng đại

Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong

vở kịch “ Rossum‟s Univerersal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen Chapek, còn từ robot là cách gọi khác của từ Robota theo tiếng Tiệp có nghĩa

là công việc lao dịch Khi đó, Karen Chapek cho rằng robot là những người máy có thể làm việc nhưng không có khả năng suy nghĩ Một loại máy có thể làm thay công việc của con người tạo ra hiệu quả lao động rất cao và giảm rất nhiều chi phí không cần thiết [7]

Trong công nghiệp ngày nay, tay máy (manipulator) là ngành công nghiệp

mang lại hàng tỷ USD, tay máy có thể làm việc với tốc độ và độ chính xác cao trong những công việc đòi hỏi độ chính xác cao và thao tác nhanh như điện tử, chế tạo và lắp ráp các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính… Tuy nhiên, tay máy

có một nhươc điểm là không thể di chuyển trong không gian mà được gắn cố định,

để khắc phục nhược điểm lớn này mà không làm mất công dụng, hướng nghiên cứu

về loại robot có khả năng di chuyển được gọi là mobile robot (robot di động)

Mobile robot là một loại máy tự động mà có khả năng di chuyển trong một môi trường nhất định Robot di động có khả năng di chuyển xung quanh môi trường của chúng và không cố định với một môi trường vật lý nào Robot di động tập trung với

số lượng lớn các nghiên cứu hiện nay và hầu hết các trường đại học lớn đều có một hoặc nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu các robot này Robot tự hành cũng được ứng dụng trong công nghiệp như các xe AVG, quân sự và an ninh quốc phòng

Chúng cũng xuất hiện như những sản phẩm dành cho ngành giải trí hoặc thực hiện những nhiệm vụ nhất định trong cuộc sống hàng ngày như hút bụi hay cắt cỏ…

1.2 Lịch sử phát triển của mobile robot [8]

Hình dạng robot đầu tiên xuất hiện ở Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dùng trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 thế kỷ trước, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thuỷ lực điện từ đã xuất hiện Tuy nhiên, các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự

di động Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh

vị trí của nó

Ngược lại, mobile robot là loại robot di động có thể di chuyển từ không gian này tới không gian khác một cách độc lập hay có điều khiển từ xa, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn

- Từ năm 1939 đến 1945 trong cuộc chiến tranh thế giới lần thứ II, những robot

di động đầu tiên được xuất hiện Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và điều khiển học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định sử dụng hệ thống hướng dẫn và rađa điều khiển Tên lửa V1 và V2 có “phi công tự động” và hệ thống phát nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại

- Từ năm 1948 đến 1949 W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai robot tự động trông giống con đồi mồi Về mặt hành chính , chúng được gọi là Machina Speculatrix bởi vì những robot này hoạt động trong môi trường như những chú chim đồi mồi Elmer và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sang Nếu chúng nhận

ra một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía đó Chúng có thể tránh hoặc chuyển những chướng ngại trên đường di chuyển của chúng Những robot này chứng minh rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản Elmer và Elsie chỉ được thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh

- Từ năm 1961 đến 1963 trường Đại học Johns Hopkins phát triển „Beast‟ Beast sử dụng hệ thống định vị để chuyển động xung quanh Khi pin yếu , nó sẽ tự tìm ổ cắm điện và cắm vào

- Từ 1969 đến năm 1970 Mowbot là robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động The Stanford Cart line follower là robot di động có thể di chuyển thông qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn Nó bao gồm một cảm biến gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính toán.Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng và nghiên cứu ra Shakey Shakey có một camera, một dãy kính gắm, một bộ cảm biến và một bộ phận truyền thanh Shakey

là robot đầu tiên có thể lý giải về những chuyển động của nó Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa cho nhiều lệnh chung và robot này sẽ tính toán những bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ được giao

Hình 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9]

Hình 1.2 Robot Shakey [11]

-Năm 1977 bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả R2D2 (một robot di động hoạt động độc lập) và C3P0 (một robot hình người) Họ

đã khiến công chúng biết đến những robot

- Năm 1980 thị hiếu của người tiêu dùng về robot tăng, robot được bày bán để

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

Hình 1.3 Robot RB5X [10]

- Năm 1990 cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với các đồng nghiệp và đã phát minh ra những robot tự động trong ngành y tế và được bán bởi Helpmate Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo

vệ trong nhà Cybermotion

- Năm 1993-1994 Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học Carnegie Mellon, cả hai là robot dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt động

Hình 1.4 Robot Dante II [10]

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

Hình 1.5 Robot Pioneer [9]

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

Hình 1.6 Robot The Rover và Sojourner [9]

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

Hình 1.7 Robot Abio [10]

Hình 1.8 Robot PackBot [10]

- Năm 2001:Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng được khởi động Chúng bao gồm một số lượng lớn các robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp

- Năm 2002: Roomba, một robot di động dùng trong gia đình, thực hiện việc lau nhà được xuất hiện

Hình 1.9 Robot Roomba [11]

- Năm 2004: Robosapien, một robot đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden được bán sẵn Trong dự án “The Centibots Project” 100 robot cùng làm việc với nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng không xác định và tìm những vật thể trong môi trường

đó Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge, các robot tự động đã cùng nhau tranh tài cùng nhau trên sa mạc

- Năm 2007: Hệ thống KiVa, robot thông minh tăng nhanh về số lượng trong quy trình phân phối, những robot thông minh này được phân loại theo mức độ phổ biến những nội dung của chúng Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến trong các bệnh viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác ARCSinside Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm Seekur, robot dịch vụ dùng ngoài trời với mục đích phi quân sự có thể kéo một xe qua một bãi đậu xe, lái một cách độc lập (tự động) vào trong nhà và bắt đầu học cách lái ra ngoài Trong khi đó, PatrolBot học cách theo sau con người và nếu cửa mà mở thì đóng lại

1.3 Phân loại mobile robot

Tùy từng trường hợp cụ thể ta có thể phân loại mobile robot như sau:

a) Căn cứ theo dạng di chuyển

- Chuyển động bằng chân: ( Legged mobile robot )

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

Mobile robot chuyển động bằng chân là loại robot có những chuyển động hết sức phức tạp bằng cách rời rạc hóa việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm, việc chuyển động như vậy làm cho loại robot này có ưu thế trên địa hình phức tạp, gồ ghề và không kiên tục Đồng thời, bằng cách thay đổi chiều dài các chân cho phù hợp với môi trường loại robot này di chuyển rất “êm” Tùy thuộc vào số chân mà người ta phân chia thành các loại robot một chân, hai chân ( biped), bốn chân ( quadruped), sáu chân ( hexpod) Tuy nhiên nhược điểm của loại robot này là khó chế tạo và điền khiển

- Chuyển động bằng xích: ( Tracked mobile robot )

Loại robot này chuyển bằng các bánh có lắp các bánh xích như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển trên các đia hình phức tạp Để đổi hướng, nó thay đổi tốc độ quay của hai bánh xích chủ động Tuy nhiên do chuyển động bằng xích nên khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện tượng trượt do đó khó điều khiển di chuyển chính xác Một vấn đề nữa là loại robot này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt là khi đổi hướng Tùy theo số nhánh xích mà người ta phân loại thành robot 2 nhánh xích, 4 nhánh xích, 6 nhánh xích, 8 nhánh xích Loại robot này rất phổ biến trong công tác cứu hộ

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

- Chuyển động bằng bánh xe: ( Wheels mobile robot)

Là loại robot dùng bánh xe để di chuyển Phần lớn mobile robot dùng bánh xe

để di chuyển do bánh xe dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh hơn bánh xích hay chân Tuy nhiên mobile robot chuyển động bằng bánh chỉ phù hợp với địa hình phẳng, nhẵn và cứng Tùy theo số bánh người ta phân chia thành các loại robot

2 bánh, 3 bánh, 4 bánh, 6 bánh Các loại robot này phù hợp với điều kiện nghiên cứu chế tạo của nước ta với chi phí chế tạo không quá cao

Hình 1.12 Mobile robot Curiosity của NASA

Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì khả năng di chuyển ngày càng phức tạp hơn Các chuyển động không còn đơn giản là bánh xe, xích hay chân nữa mà có những robot được phối hợp chuyển động của cả bánh xe , xích và chân Các robot loại này được điều khiển hết sức phức tạp, công nghệ chế tạo hết sức tinh

vi đòi hỏi sự chính xác cao, các chuyển động khớp cũng mền dẻo hơn Các robot loại này thường được ứng dụng trong việc vượt các chướng ngại vật hay di chuyển trong các địa hình hết sức phức tạp Chúng được gắn các sensor tự hành nhằm tự xử

lý các sự cố xảy ra trên đường đi

b) Căn cứ theo môi trường hoạt động

- Robot mặt đất và robot trong nhà: thông thường chúng được lắp bánh xe nhưng

cũng có loại robot có chân như robot phỏng sinh dạng người, động vật, côn trùng

- Robot trên không thường dùng cho các phương tiện trên không, phương tiện không người lái

- Robot dưới nước dùng cho các phương tiện hoạt động dưới nước, chúng hoạt động độc lập

c) Theo dạng điều khiển mobile robot

- Điều khiển từ xa bằng tay

Một robot điều khiển từ xa bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển hoặc những thiết bị điều khiển khác Thiết bị điều khiển có thể được gắn trực tiếp vào robot, ví dụ: một cần gạt không dây, hoặc một phụ kiện của một máy tính không dây Robot điều khiển từ xa giúp con người tránh khỏi những nguy hiểm Ví dụ robot điều khiển từ xa bằng tay gồm có: Foster-Miller‟s Talon và iRobot‟s PackBot

- Điều khiển từ xa tự bảo vệ

Robot điều khiển từ xa tự bảo vệ có khả năng phát hiện và tránh những chướng ngại vật nhưng điều khiển cũng giống như robot điều khiển từ xa bằng tay Có rất ít robot chỉ dùng đơn lẻ bộ điều khiển từ xa tự bảo vệ

- Robot theo lộ trình

Một vài robot tự động đầu tiên là những robot theo lộ trình Chúng có thể theo những đường được sơn khắc trên sàn, trần nhà hay trên một dây điện trên sàn Đa số robot này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ cảm biển trung tâm, chúng không thể đi vòng qua các chướng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi

có vật nào đó cản đường chúng Rất nhiều mẫu của loại robot này vẫn được bày bán bởi FMC, Egemin, HK system và một vài công ty khác

- Robot ngẫu nhiên hoạt động độc lập

Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những chuyển động như nhảy bật lên tường, những bức tường này được cảm nhận

do sự cản trở về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba, hoặc với bộ cảm biến điện tử như máy cắt cỏ Friendly Robotics

- Robot chỉ dẫn độc lập

Một robot được chỉ dẫn độc lập biết ít nhất một vài thông tin về nơi nó đang đứng và lập kế hoạch đường đi của nó cho rất nhiều đích đến hoặc những điểm dọc đường Nó có thể thu thập thông tin vào bộ cảm biến là thời gian và địa điểm được ghi lại Ví dụ robot thám hiểm hoặc cứu hộ nó có thể biết chính xác khi nào và ở đâu mức độ phóng xạ vượt quá mức cho phép Những robot này thường là một phần của mạng lưới không dây, nối với những hệ thông cảm biến và điều khiển khác

1.4 Ứng dụng của mobile robot

Mobile robot được dùng trong phổ biến trong những môi trường độc hại, những nơi mà con người không thể đi tới hay đi tới một cách rất khó khăn và nguy hiểm, mobile robot cũng được dùng nhiều trong lĩnh vực giải trí và trong phục vụ đời sống

Những nơi con người không có khả năng đến được như sao Hỏa, đáy biển … người ta phải dùng robot tự hành với cấu trúc đặc biệt Robot Sojourner được sử dụng trong nhiệm vụ tìm kiếm sự sống trên sao Hỏa năm 1997 Robot này hầu như hoàn toàn được điều khiển từ xa từ trái đất

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

Trong môi trường nguy hiểm và các môi trường khó có thể tới được thậm chí

ở ngay cả trên trái đất, các mobile robot được nghiên cứu và sử dụng để thay thế con người Robot MBARI‟s ALTEX AUV hoạt động ở dưới đáy biển hay Robot đi

bộ Plustech để chuyển gỗ trong rừng

Hình 1.14 Robot AQUA do Canada sản xuất có khả năng hoạt động dưới biển [10]

Hình 1.15 Robot chuyển gỗ Plustech [10]

Trong công nghiệp, mobile robot được sử dụng chủ yếu để di chuyển các thiết bị, mang vác nguyên liệu và phụ kiện cần thiết Robot được dẫn hướng bởi các đường dây điện đặt ở dưới sàn, hay các robot này được lập trình theo một đường đi

và công việc nhất định Hiện nay, có hàng ngàn robot loại này đang phục vụ trong công nghiệp thậm chí trong cả bệnh viện

Mobile robot không chỉ được ứng dụng trong công nghiệp mà cả trong quân

sự và trong đời sống hàng ngày Robot lau nhà RC 3000 được phát triển và bán bởi Alfred Kärcher GmbH & Co., Germany Robot RC 3000 có khả năng tự nhận biết khu vực chưa được quét dọn dựa trên sensor trang bị trên nó Các sensor quang trang bị trên robot sẽ tự động đo độ bẩn của sàn nhà và đưa ra chế độ làm việc cho robot Robot TALON dùng trong quân sự được trang bị súng, rađa dò tìm, di chuyển linh hoạt trên các loại địa hình

Hình 1.16 Robot lau nhà RC 3000 và Robot TALON small dung trong quân sự [10]

Ngày nay, nhu cầu của con người ngày càng cao, đòi hỏi hưởng thụ và giải phóng sức lao động ngày càng nhiều, các loại robot phục vụ cho nhu cầu giải trí cũng xuất hiện với số lượng ngày càng đông đảo

Hình 1.17 Robot dạng người có khả năng nhận dạng khuôn mặt rồi vẽ lại [10]

1.5 Kết luận và định hướng nghiên cứu mobile robot

Như đã trình bày ở trên, chúng ta đã thấy được ứng dụng rộng rãi và sự phát triển của các loại mobile robot trong hơn nữa thế kỷ qua Có thể kể đến một số loại mobile robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles) Với phạm vi, mục tiêu của luận văn là nghiên cứu mẫu mobile robot có thể vượt địa hình phức tạp hoạt động trong vùng nguy hiểm đến con người như vùng dịch bệnh, vùng nhiễm phóng xạ… học viên đã phân tích, lựa chọn mẫu mobile robot Curiosity của NASA như hình 1.18 làm đối tượng nghiên cứu chính của luận văn

Hình 1.18 Mô hình robot Curiosity của NASA

Chương 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

2.1 Đặt vấn đề

Xã hội càng hiện đại con người càng muốn khai phá các vùng đất mới do đó mẫu robot tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles) càng được phát triển, ứng dụng của robot tự hành AGV không chỉ trong lĩnh vực thám hiểm

mà nó còn được sử dụng với nhiều mục đích khác trong quân sự Đối tượng nghiên cứu của luận văn là mẫu mobile robot Curiosity được NASA cho hạ cánh xuống Sao Hỏa vào tháng 8/2012 Với cấu trúc 6 bánh độc đáo mẫu mobile robot này có thể vượt qua được nhiều địa hình phức tạp

Hình 2.1 Mobile robot Curiosity của NASA [12]

nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề của robot loại di chuyển bằng bánh

là lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động, v.v

Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành

- Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc

- Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái

- Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc

Sơ đồ sắp xếp bánh xe của robot tự hành 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh được liệt kê trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1 Sơ đồ bánh xe của mobile robot

Một bánh lái phía trước, một bánh phía sau

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

Cả 4 bánh đều là bánh truyền động và lái

Hai bánh truyền động độc lập ở phía trước/sau, 2 bánh lái đa hướng ở phía sau/trước

Bánh quay tự do tiêu chuẩn.

Bánh truyền động tiêu chuẩn

Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái

Bánh lái tiêu chuẩn

b) Mô hình động học robot

Động học là nghiên cứu về chuyển động cơ học của một vật thể về mặt hình học, không quan tâm đến nguyên nhân xảy ra chuyển động cũng như nguyên nhân gây nên sự biến đổi chuyển động Trong lĩnh vực Mobile Robot, chúng ta cần phải tìm hiểu đặc tính cơ của robot để thiết kế sao cho phù hợp với các nhiệm vụ đặt ra, đồng thời việc tìm hiểu đặc tính cơ còn giúp ta xác định được phương pháp thiết kế phần mềm điều khiển phù hợp đối với từng phần cứng của robot

Giữa tay máy và Mobile Robot có khá nhiều điểm tương đồng Ví dụ, đối với tay máy, không gian làm việc cho phép xác định phạm vi các vị trí của tay máy Không gian làm việc của mobile robot cho phép xác định phạm vi các tư thế mà mobile robot có thể có trong môi trường hoạt động Tính dễ điều khiển của tay máy được định nghĩa là khả năng điều khiển các động cơ để tay máy có thể di chuyển từ

vị trí này đến vị trí kia trong không gian làm việc Tương tự, tính dễ điều khiển của mobile robot được định nghĩa là những quỹ đạo định trước hoặc không định trước

có thể đạt được trong không gian làm việc của nó Tuy nhiên, sự khác biệt chính giữa mobile robot và tay máy là thách thức đáng kể trong kỹ thuật ước lượng vị trí Tay máy thường có một đầu được gắn cố định, việc xác định vị trí của đầu hoạt động kia hoàn toàn đơn giản, vấn đề là ta phải hiểu được các nguyên lý động học của tay máy và xác định được vị trí của các khớp trung gian Chính vì thế, ta có thể xác định được vị trí của tay máy nhờ dữ liệu thu được từ cảm biến Trong khi đó, mobile robot lại là một thiết bị tự động độc lập, nó hoàn toàn có thể tự do di chuyển trong môi trường hoạt động Không có phương pháp nào có thể giúp ta đo trực tiếp

vị trí tức thời của mobile robot Thay vào đó, thông thường để xác định vị trí của mobile robot, người ta phải tích hợp chuyển động của robot theo thời gian Ngoài

ra, sự trượt của bánh xe còn là nguyên nhân khiến cho quá trình đánh giá, ước lượng chuyển động của robot giảm bớt độ chính xác Rõ ràng việc đo chính xác vị trí mobile robot vẫn là lĩnh vực đầy thách thức Trong giới hạn cảu đồ án chúng em chỉ xây dựng mô hình động học của robot trong trường hợp lý tưởng ( không xét đến sự trượt của bánh xe )

 Mô hình động học robot trong trường hợp lý tưởng (bánh lăn không trượt)

Mô hình bánh xe robot

Mô hình bánh xe robot được lý tưởng hóa như hình 2.1 Bánh xe quay quanh trục của nó (trục Y) Bánh xe chuyển động theo phương ngang (trục X) Khi chuyển động ở tốc độ thấp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe so với mặt đường

m

x

my

O

c) Mô hình động học mobile robot

Hình 2.4 Mô hình động học của robot tự hành

Để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng chuyển động, trước tiên ta đặt hệ quy chiếu cố định Oxy trong mặt phẳng Điểm PC là trọng tâm của robot (COM – center of mass), gắn vào robot hệ quy chiếu PCxmym Như vậy vị trí của robot trong

hệ tọa độ cố định được xác định bởi tọa độ x, y và góc lệch φ giữa hai hệ tọa độ động và hệ tọa độ cố định

Các thông số động học của robot bao gồm:

vr(t) : vận tốc dài của bánh phải

vl(t) : vận tốc dài của bánh trái

ωr(t) : vận tốc góc của bánh phải

ωl(t) : vận tốc góc của bánh trái

r : bán kính mỗi bánh robot

2b : khoảng cách 2 bánh

R : khoảng cách từ điểm P của robot tới tâm vận tốc tức thời

ICC : tâm vận tốc tức thời

θl , θr lần lƣợt là góc quay của động cơ trái và phải

Khi robot chuyển động trong hệ quy chiếu Oxy thì chuyển động đó có thể phân tích thành 2 thành phần tịnh tiến và quay với tâm quay là trọng tâm PC Do các bánh

xe đƣợc điều khiển đồng tốc nên vận tốc của mỗi bánh xe bên trái ( phải ) là nhƣ nhau

Hình 2.5 Vận tốc bánh xe bên phải khi chuyển động

Từ hình 2.4 ta thấy vận tốc dài của bánh xe sẽ bằng tổng vận tốc tịnh tiến của tâm với vận tốc dài của chuyển động quay của xe:

Pc trong hệ quy chiếu Oxy

Mặt khác ma trận r l 0Tlà ma trận biểu diễn 2 thông số điều khiển là

vận tốc của bánh phải và trái

Vậy ma trận Jacobi của mô hình động học mobile robot có dạng

2.3 Phân tích và lựa chọn kết cấu

a) Yêu cầu chung

Mẫu Mobile Robot được em nghiên cứu, chế tạo là mẫu robot phục vụ cho việc tham hiểm nên phải phù hợp với các yêu cầu:

 Yêu cầu về tính năng

- Robot có khả năng vượt chướng ngại vật, di chuyển dễ dàng trên những địa hình phức tạp, mấp mô không liên tục

- Robot có thể di chuyển theo nhiều cách, nhiều tư thế khác nhau

- Robot có khả năng quan sát, xác định vị trí, kích thước của một vật, truyền hình ảnh về máy tính

- Ngoài ra robot có thể điều khiển bằng tay, điều khiển từ xa hoặc robot có khả năng tự hành

 Yêu cầu về kích thước

Trong phạm vi luận văn là nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm mô hình robot nên kích thước robot phải nhỏ gọn và đảm bảo những yêu cầu đặt ra

 Điều kiện chế tạo thực tế

Những thiết bị, linh kiện để chế tạo linh kiện phải thông dụng, dễ kiếm; mọi quá trình chế tạo cần được đơn giản hóa tối đa Đây cũng có thể coi là tiêu chí quan trọng bậc nhất trong quá trình thiết kế cũng như chế tạo robot

Robot có 6 bánh đối xứng, 2 bánh trên 2 càng trước, 4 bánh trên 2 càng sau 2 càng trước và sau được nối với nhau bằng 1 trục phụ và có thể chuyển động tương đối với nhau

Hình 2.8 Kết cấu càng trước và sau

Càng được nối với thân xe thông qua 1 trục chính xuyên ngang thân xe:

Hình 2.9 Trục chính