Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt (2)

Với sự phát triển của ngành Robot học, Robot tự hành ngàycàng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực ápdụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như Robot sơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Tổng quan

Ngày nay, công nghệ Robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sảnxuất công nghiệp Những cánh tay Robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chínhxác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần Chúng có thể làm việc trongcác môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp cáclinh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính…một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chínhxác cao Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về khônggian làm việc Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy

và vị trí gắn chúng Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cáchlinh hoạt hơn

Robot tự hành là loại Robot di động có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm

vụ mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khảnăng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩatrong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụđời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robot học, Robot tự hành ngàycàng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực ápdụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ,Robot thám hiểm đại dương, Robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triểncủa yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới chocác nhà nghiên cứu

1.2 Sơ lược quá trình phát triển

Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phânxưởng sản xuất Những Robot xuất hiện lần đầu tiên trên sân khấu ở NewYork vàongày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch ngườiTiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ Robot là cách gọi tắt của từ Robota - theotiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Những Robot thực sự có ích được nghiêncứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy

Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máyđôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máygần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử

hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụngđộng cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng những thànhquả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong côngviệc khảo sát đáy biển.

Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot:

Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của công nghệchế tạo Robot và những tác động của khoa học cũng như xã hội đối với từng thời kỳ

Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot

Các yếu tố ảnh hưởng

1920

Khái niệm Robot

xuất hiện trong tiểu

thuyết

1940 Phát minh ra cánh

tay máy

1950 Phát sinh khái niệm

Robot thông minh

Giới thiệu về bộnhớ vòng

Ứng dụng Robot ởNASA và NAVY

Máy tính dùngtransitor

Giới thiệu vi xửlý

1970 Robot có trí thông

minh nhân tạo

Sự bùng nổ lầnđầu tiên của Robot Phát triển vi xử lý

Sự hạn chếcủa nền kinhtế

Kỹ thuật số và

kỹ thuật quangphát triển

Nhu cầutăng cườnglao động

Robot gây

nghiệp

minh nhân tạo.

người

Các tiến bộ về cơkhí

xử dụng một hệthống cảm biến đểtránh chướng ngạivật

AxxonRobotics mualại Intellibot

đồ của một môitrường không rõ

và tìm kiếm cácđối tượng trongmôi trường đó

di chuyển khókhăn

Talon-Sword, các

Robot thương mại

đầu tiên với súng

Tình hìnhthiên tai,động đất xảy

ra thườngxuyên tạiNhật

1.3 Phân loại Robot tự hành

Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là :

* Loại Robot tự hành chuyển động bằng chân

* Loại Robot tự hành chuyển động bằng bánh

Ngoài ra một số loại Robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dướinước hay trên không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng

Robot tự hành di chuyển bằng chân ( Legged rô bốt ): Ưu điểm lớn nhất củaloại Robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữachúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu Nhược điểm của Robotloại này chính là chế tạo quá phức tạp Chân Robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây lànguyên nhân làm tăng trọng lượng của Robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các

kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vữngcủa Robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao Robot tự hành

di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế mà chúng có loại

1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn

Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot) bánh xe là cơ cấu chuyểnđộng được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành Vấn đề cân bằngthường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong Robot di chuyển bằng bánh Babánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng cóthể cân bằng được Khi Robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người taphải 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 này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyểnđộng gồm có các loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành:

* Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểmtiếp 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

Bảng 1.2 Ký hiệu của các loại bánh xe

Ký hiệu các loại bánh xeBánh đa hướng không truyền động

Bánh truyền động Swedish (đa hướng)

Bánh quay tự do tiêu chuẩn.

Bánh truyền động tiêu chuẩn

Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái

Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành hai bánh, ba bánh, bốn bánh và sáu bánhđược liệt kê trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Các cách bố trí bánh xe của Robot

2

Một bánh lái phía trước, một bánh phía sau

Hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dướitrục bánh xe

Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trước vừa

là bánh truyền động vừa là bánh lái

Ba bánh Swedish được đặt ở các đỉnh của mộttam giác đều, kết cấu này cho phép Robot dichuyển theo đa hướng

Cả bốn bánh đều là bánh truyền động và lái.

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

Bốn bánh đa hướng

Hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểmtiếp xúc

Bốn bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái

Hai bánh truyền động ở giữa, thêm bốn bánh đahướng ở xung quanh

ngày càng được sự quan tâm của xã hội Vì vậy Robot tự hành tiếp tục đưa ra nhữngthách thức mới cho các nhà nghiên cứu.

1.4 Tóm tắt các công trình nghiên cứu liên quan

[1] Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with SteerableOmnidirectional Wheels, Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun**, *Korea University,

** Mokpo National University Republic of Korea[1]

Trong nghiên cứu này tác giả đề xuất một cơ cấu mới, có thể sử dụng làm cơcấu kéo vi sai cũng như di động đa hướng Cơ cấu này còn có tên gọi là “theo dấuchân biến đổi” (VFM) Vì mối quan hệ giữa vận tốc Robot và vận tốc bánh xe sẽ tùythuộc vào cách sắp xếp bánh xe, nên khi có thay đổi cách sắp xếp hệ thống bánh xe

sẽ có chức năng truyền động

Hình 1.1 Robot di động đa hướngNhưng OMR-SOW cũng có một số hạn chế nhất định Khi không cần đến khảnăng đa hướng, đặc biệt trong trường hợp có lực kéo theo đường thẳng thôngthường, Cơ cấu đa hướng có xu hướng ngăn trở Robot vận hành hiệu quả Trongtrường hợp này sẽ cần đến sự sắp xếp các bánh xe như trong ô tô (cụ thể, 4 bánh xesắp song song) để vận hành cơ cấu đa hướng Hơn nữa, chiều cao tối đa của bơm lắpđặt trên OMR rất hạn chế do bán kính của trục bánh xe đa hướng nhỏ hơn nhiều sovới bán kính của bánh xe của Robot di động thông thường Để khắc phục các hạnchế này, Robot chỉ có thể vận hành y như Robot di động thông thường nếu khôngcần đến chức năng di động đa hướng

Hình 1.2 Các hệ tọa độ và thông số cho bánh xe đa hướng[2] Omni-directional Mobile Base OK-I1; Myung-Jin Jung, Heung-Soo Kim, SinnKim and Jong-Hwan Kim; Dept of Electrical Engineering, KAIST, Taejon-shi, 305-

701, Republic of Korea { mjjung, hskim, skim and j ohkim} Qvivaldi kaist ac Krhttp://vivaldi kaist ac kr/-iclab [9]

Trong bài viết này tác giả trình bày đặt tính di động cơ bản được phát triểntrong robot di dộng đa hướng, các thiết bị truyền động, quan sát và cảm biến hồngngoại được mô tả Ứng dụng được chứng minh trong robot bong đá Tác giả sử dụnglogic mờ để điều khiển, kiểm soát sự chuyển động của robot bóng đá Tính di động

đa hướng làm cho điều khiển chuyển động robot dễ dàng hơn như được hiển thịtrong các kết quả thí nghiệm

Hình 1.3: Cấu trúc của OmniKityCấu trúc của OK-II bao gồm 03 động cơ ĐC, 3 bánh xe di động, hai hệ điềukhiển cơ bản, 01 điều khiển chuyển động tịnh tiến và một điều khiển góc chuyểnđộng của thân OK-II Nó có dạng hình trụ với đường kính 15 cm chiều ngang và 17

cm chiều cao (bao gồm cả camera)

Trong bài viết này tác giả sẽ trình bày phiên bản thứ hai của Robot di động đahướng có bánh xe đa hướng (OMR-SOW) Robot này có thể hoạt động đa hướnghoặc theo chế độ di chuyển vi sai tùy vào điều kiện chuyển động Theo chế độ diđộng đa hướng, sẽ có 3 DOF cùng chuyển động và 1 DOF giữ chức năng điều khiểnhoạt động theo kiểu truyền động biến đổi liên tục (CVT) Có thể sử dụng chức năngCVT để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng khi Robot hoạt động bằng cách tăng

tỷ suất vận tốc = vận tốc của Robot / vận tốc bánh xe Kế đến là phần khảo sát động

năng và cơ năng của rô bốt Trong phần đề xuất thuật toán điều khiển, Góc điềukhiển được điều khiển sao cho các motor có thể vận hành trong khu vực có tốc độcao và lực xoắn thấp, nhờ đó sẽ tạo ra hiệu quả sử dụng năng lượng tối đa Các phépthử khác nhau sẽ cho thấy điều khiển chuyển động của OMR-SOW rất hoàn hảo ,thuật toán điều khiển cho CVT đem lại hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn thuậttoán sử dụng góc điều khiển cố định Ngoài ra, qua đó cũng sẽ cho thấy chế độ dichuyển vi sai có khả năng tạo ra lực kéo đa hướng và hiệu quả sử dụng năng lượngtốt hơn

Hình 1.8 Mô tả hình học cho OMR-SOW

Hình 1.9 Kết quả thực nghiệm bám theo đường tròn[4] A sliding mode controlled tilting threewheeled narrow vehicle, NestorRoqueiro*, Enric Fossas Colet†, Marcelo Gaudenzi de Faria‡, *Departamento deAutomacao e Sistemas;Universidade Federal de Santa Catarina Florianopolis, BrasilEmails: nestor@das.ufsc.br, enric.fossas@upc.edu, fara@das.ufsc.br [10]

Bài báo này báo cáo chế độ điều khiển trượt kiểm soát ba bánh của xe cỡ nhỏcho hai hành khách Toàn bộ hệ thống gồm hai ngõ vào, hai ngõ ra, mười tám hệthống tự động Trong thiết kế đầu tiên và đơn giản, một tập hợp các thông số đạtđược một hiệu suất theo chế độ nhiễu đã được lựa chọn

Kết quả đã được xác nhận bằng mô phỏng :

Hình 1.12 Góc nghiêngHình 1.10: Tọa độ tuyến tính Hình 1.11: Định nghĩa vận tốc cho khối lượng

Hình 1.13 Vận tốc theo phương X

Hình 1.14: Góc Nghiêng

Hình 1.15: Góc nghiêng

Hình 3 và 4 cho ta thấy cả hai hệ thống điều khiển góc nghiêng và tốc độ đều

có hiệu suất tốt

Hình 5: Cho thấy hiệu suất của hệ thống điều khiển góc nghiêng Đó là giá trịnhận xét rằng hệ thống điều khiển vận tốc không bị ảnh hưởng bởi nhiễu gây ra Hình 6: Cho thấy hiệu suất của hệ thống điều khiển góc nghiêng Đó là giá trịnhận xét rằng hệ thống điều khiển vận tốc không bị ảnh hưởng bởi không có tín hiệunhiễu

[5] “Sliding Mode Control for Trajectory Tracking of Nonholonomic WheeledMobile Robots”, Jung-Min Yang and Jong-Hwan Kim, IEEE transactions onRobotics and automation, vol 15, no 3, june 1999 [11]

Trong bài báo này tác giả sử dụng kỹ thuật điều khiển kiểu trượt và bộ điềukhiển động lực học có nhiễu ngoài bị chặn, đã được sử dụng để giải quyết bài toánđiều khiển bám cho WMR Robot sử dụng trong thực nghiệm có tên là MICRO vàkết quả mô phỏng khi Robot bám đường thẳng như hình 1.12

Hình 1.16 Các sai số khi Robot bám đường thẳng

Kết quả mô phỏng cho thấy Robot có thể bám theo đường cong tham chiếu,nhưng vẫn còn hiện tượng dao động lớn như sai số thể hiện ở hình 1.12.

[6] A Motion Planning Method for Omnidirectional Mobile Robot Based on theAnisotropic Characteristics ,Chuntao Leng1, Qixin Cao2 and Yanwen Huang1

1 Research Institute of Robotics, Shanghai Jiaotong University, 800 DongchuanRoad, Shanghai, P R China, 200240

2 State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai JiaotongUniversity, 800 Dongchuan Road, Shanghai, P R China, 200240ctleng@sjtu.edu.cn [4]

Trong bài viết này tác giả đề xuất phương pháp quy hoạch chuyển động thíchhợp hơn cho Robot di động đa hướng (OMR), phương pháp APF cải tiến (iAPF),bằng cách đưa yếu tố quay vòng vào nhân tố tiềm năng (APF) Theo đó, hướngchuyển động xuất phát từ nhân tố tiềm năng truyền thống (tAPF) sẽ được điều tiết

Kế đó là phần phân tích tốc độ tối đa, gia tốc tối đa và mức tiêu thụ năng lượng củaOMR vận hành theo các hướng khác nhau, dựa trên các hạn chế động lực và độngnăng của OMR, và cũng trong bài viết này, tác giả sẽ trình bày tính chất phi đẳnghướng của OMR Kế đó là phần đề xuất khái niệm mới về chức năng phi đẳnghướng của chuyển động theo nhiều hướng khác nhau, để tạo ra sự kết hợp giữa tối

ưu về thời gian, ổn định và hiệu quả tối ưu Để có được chuyển động tối ưu, Robot

sẽ đi theo lộ trình tránh vật cản an toàn và từ đó sẽ suy ra lộ trình ngắn nhất đếnđược mục tiêu Sau cùng, là phần thực hiện mô phỏng và thực nghiệm để chứngminh chuyển động phát sinh từ iAPF có tốc độ, ổn định và hiệu quả cao so với tAPF

Hình 1.17: Robot đa hướng bốn bánh (OMR)

Hình 1.18 Bánh xe vô hướng

Unitary forces diagram (b) Forces of driving wheel (c) Forces of passive wheel

Hình.1.19 Phân tích lực tác động lên Robot[7] A 4WD Omnidirectional Wheelchair with a Chair Tilting Mechanism forEnhancing Step Climbing Capability Masayoshi Wada, Dept of Human-Robotics,Saitama Institute of Technology, JAPAN, E-mail: mwada@ieee.org [5]

Bài báo trình bày sự phát triển xe lăn đa hướng cơ học 4WD có khả năng làmnghiêng xe lăn và chứng minh thực nghiệm bằng cách sử dụng mẫu hình xe lăn Đểtăng cường khả năng di động của xe lăn tiêu chuẩn, thể loại mới Robot di động đahướng có cơ chế kéo bốn bánh xe 4WD được đưa vào sử dụng Robot di động baogồm cặp bánh xe thường ở phía sau và cặp bánh xe đa năng ở mặt trước Bánh xethường phía sau và bánh xe đa năng mặt trước, được gắn cùng một phía trên Robot,

và được nối kết với nhau bằng xích hay băng truyền động để tạo chuyển động quaytròn đồng thời với mô tơ kéo, cụ thể là tryền lực kéo đồng bộ Để xoay xe lăn tại tâmcủa rô bốt di động quanh trục đứng, cần lắp thêm mô tơ thứ ba lên Robot Mẫu xelăn lắp hệ thống 4WD theo đề xuất có khả năng leo lên bậc thang cao 9cm

Hình 1.20 Truyền động cho 4WD

Hình.1.21 Di chuyển đa hướng lực và cơ chế 4WD

Hình.1.22: Mô hình 3D nhìn từ bên dưới

Hình.1.23: Robot khi leo mặt phẳng nghiêng[8] Motion Control of Omni-Directional Three-Wheel Robots by Brain-Emotional-Learning-Based Intelligent Controller ,Maziar A Sharbafi, Caro Lucas, andRoozbeh Daneshvar, IEEE transactions on systems, man, and cybernetics-art c:applications and reviews, vol 40, no 6, november 2010 [6]

Trong bài viết này, tác giả ứng dụng bộ điều khiển thông minh để điều khiểnchuyển động của Robot đa hướng Bộ điều khiển dựa trên thuật toán học tập cảmxúc trí tuệ, xuất phát từ mô hình tính toán của hệ thống phản ứng trong não của độngvật có vú Bộ điều khiển thông minh dựa trên khả năng học tập tư duy tình cảm(BELBIC) có đáp ứng bậc hai, tương thích với bộ điều khiển tuyến tính (LQR),được sử dụng trong Robot đa hướng Qua thực hiện mô phỏng thực nghiệm, Tác giảchứng minh BELBIC cải thiện được hiệu năng của hệ thống điều khiển Các kết quảcho thấy có thể sử dụng phương pháp này để giải quyết vấn đề thực tế hiệu quả hơn.Tối ưu hóa chức năng điều khiển hay ứng dụng cho các mục tiêu khác chẳng hạnnhư giảm thiểu năng lượng sử dụng, cũng chính là mối quan tâm hàng đầu nhằm tạođược ưu thế sử dụng thông qua phương pháp đề xuất

Hình 1.24 Robot đa hướng 3 bánh dung để chơi đá banh