Tìm hiểu về mô hình robot người

GIỚI THIỆU: Robot di chuyển bằng bánh xe được nghiên cứu và chế tạo nhiều nhưng loại robot này gặp nhiều khó khăn trong khi di chuyển trên những địa hình có bề mặt phức tạp.. Trong khi đ

1 GIỚI THIỆU:

Robot di chuyển bằng bánh xe được nghiên cứu và chế tạo nhiều nhưng loại robot này gặp nhiều khó khăn trong khi di chuyển trên những địa hình có bề mặt phức tạp Trong khi đó, robot di chuyển bằng hai chân di chuyển trên những địa hình có bề mặt phức tạp rất dễ dàng nhưng loại robot này rất phức tạp trong kết cấu và cả vấn đề điều khiển để giữ thăng bằng

Có nhiều cấu tạo humanoid robot nhưng robot di chuyển tương đối linh hoạt nhất trong số đó là robot HRP-1S của hãng Honda Vì vậy, trong tiểu luận này chỉ chú trọng đến cấu tạo của kiểu robot này

Chuyển động của Humanoid Robot bao gồm của cả tay và chân Tiểu luận này chỉ nghiên cứu phần di chuyển của Robot, có nghĩa là từ phần hông trở xuống dưới

Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu loại robot có hai tay và hai chân vào năm 1986 Và loại Robot này có tên là P2 Robot P2 có kết cấu tương đối hoàn chỉnh về cơ khí, nhưng với tiến bộ kĩ thuật ở thời điểm này thì vẩn chưa đáp ứng hoàn thiện về mặt điều khiển Tiếp theo đó, hãng Honda cũng cho ra đời những kiểu robot khác có cải tiến về mặt điều khiển như P3, HRP-1S

2 CẤU TẠO CỦA HUMANOID ROBOT:

2.1 Những chuyển động của con người:

Để hiểu rõ về cấu tạo của Humanoid Robot, chúng ta bắt đầu nghiên cứu về những cử động của con người Bởi vì Humanoid Robot là một cái máy có những chuyển động di chuyển như con người Ở hình 2.1 thể hiện kết cấu bộ xương của con người

Với kết cấu này, ta thấy con người có những cử động ở chân như sau :

Hình 2.2 Chuyển động nâng đùi lên và hạ đùi xuống

Hình 2.3 Chuyển động xoay đùi sang trái và sang phải

Hình 2.4 Chuyển động co vào và duỗi ra của cẳng chân

Hình 2.5 Chuyển động của bàn chân

o 3 bậc tự do khớp hông (hip)

Cuối cùng, Robot có 2 bậc tự do cho khớp cổ

Hình 2.6 Cấu tạo của robot HRP-1S

Hình 2.7 Cấu tạo của Humanoid Robot

3 ĐỘNG HỌC:

Ở humanoid robot, ta lấy hệ tọa độ góc ở một chân chạm đất (nếu có hai chân chạm chất thì có thể lấy bất kì chân nào cũng được) Từ hệ tọa độ góc này ta có những hệ tọa độ khác tương ứng với những khớp tiếp theo như hình 3.1 và 3.3

Hình 3.1 Các hệ tọa độ của Humanoid robot ở trên

Từ hệ tọa độ quy ước như trên ta có công thức tính động học như sau:

Thực tế khi di chuyển các khớp không hoàn toàn quay xung

góc bị giới hạn :

Hình 3.2 Mô hình một bên chân của Humanoid robot

Hình 3.3 Các hệ tọa độ của mô hình Humanoid robot trên

Với mô hình trên, ta có bảng thông số DH tương ứng :

Hình 3.4 Các hệ tọa độ của khớp cổ chân mô hình Humanoid robot

trên

Hình 3.5 Các hệ tọa độ của khớp gối mô hình Humanoid robot trên

Hình 3.6 Các hệ tọa độ của khớp hông mô hình Humanoid robot trên

Sau đó, ta thế các thông số của ma trận DH vào ta sẽ có được

ma trận DH chuyển đổi tổng thể theo phương trình sau :

4 NGUYÊN LÝ GIỮ THĂNG BẰNG:

4.1 Khái niệm:

Bình thường khi đứng bằng hai chân thì khối tâm của robot rơi vào vùng ở giữa hai chân, vì vậy robot có thể giữ thăng bằng Vấn

) 10 ( 109 ).

9 ( 98 ).

8 ( 87 ).

7 ( 76 ) 6 ( 65

).

5 ( 54 ).

4 ( 43 ).

3 ( 32 ).

2 ( 21 ).

1 ( 10 )

(

q A

q A

q A

q A

q A

q A

q A

q A

q A q A q

TN

r

=

Hình 4.1 Sự dịch chuyển khối tâm ở trạng thái tĩnh

Vấn đề cân bằng xem như được giải quyết nhưng sự di chuyển là liên tục vì vậy để cho robot di chuyển linh hoạt thì quĩ đạo di

chuyển của khối tâm được thể hiện ở hình 4.2

4.2 Phân loại :

Nhìn chung thì để giữ thăng bằng thì robot phải nghiêng người qua để dịch chuyển khối tâm Với kết cấu cơ khí như trên thì để thực hiện được chuyển động này cần sự phối hợp của khớp ở hán và khớp

ở cổ chân Và, có hai cách được thể hiện:

Hình 4.3 Cách giữ thăng bằng cách khép chân vào trong

Hình 4.4 Cách giữ thăng bằng bằng cách đưa chân ra ngoài

4.3 Các thông số cần thiết để tính giữ thăng bằng:

Để tính toán giữ thăng bằng cho robot chúng ta cần xác định rõ kết cấu của robot như :

5 NGUYÊN LÝ DI CHUYỂN:

Có hai nguyên lý di chuyển Nguyên lý di chuyển

Hitachi/Waseda và nguyên lý AIST

- Nguyên lý di chuyển Hitachi/Waseda : sự di chuyển của toàn thân robot có thể tính toán những moment tác dụng lên tất cả trục trước khi robot bắt đầu đi Điều này có nghĩa là phải tạo ra được một thư viện chương trình để robot có thể di chuyển phức tạp

Ưu điểm của nguyên lý này là bộ điều khiển đơn giản Nhưng robot chỉ di chuyển trên một mặt phẳng tuyệt đối còn với mặt phẳng lồi lõm thì robot không thể giữ thăng bằng được

- Nguyên lý của di chuyển AIST : nguyên lý dựa trên phương pháp động học mới là dạng cân bằng ổn định của con lắc ngược trong không gian 3 chiều (Three-dimensional Linear Inverted

Pendulum Mode) gọi tắt là 3D-LIPM

Hầu hết các loại robot điều sử dụng nguyên lý theo dạng ổn định của con lắc ngược trong không gian 3 chiều Vì nó có thể di chuyển trong những mặt phẳng phức tạp Nhưng nhược điểm của nó là bộ điều khiển đòi hỏi phải sử dụng những cảm biến phức tạp và bộ xử lý phải đáp ứng nhanh Vì vậy, chúng ta chỉ tìm hiểu về nguyên lý thứ hai

5.1 Con lắc ngược 3 chiều:

Hình 5.1 Con lắc ngược 3 chiều

Với mô hình con lắc ở trên ta có phương trình mặt phẳng cắt qua trục z tại điểm C là :

trình sau :

Trong đó :

- m : khối lượng con lắc

- g : gia tốc trọng trường

τx + τy = 0 Với robot di bằng hai chân thì kx = ky = 0, vì vậy:

Phương trình 3D-LIPM là :

5.2 Điểm không :

Ta thấy rằng robot đứng trên mặt đất giống như mô hình con lắc ngược Với con lắc ngược thì rỏ rằng để giữ được cân bằng quả là điều rất khó Bởi vì trọng tâm của con lắc rất dể bị rơi ra ngoài chân đế và làm mất thăng bằng

Chỉ duy nhất có một điểm mà tổng các moment tác dụng lên con lắc là bằng không Ta gọi điểm đó là điểm không ( Zero Moment Point-ZMP)

Từ phương trình trên ta suy ra phương trình điểm không mà tại đó tổng các moment là bằng không :

Với trường hợp tổng quát ta có công thức tính điểm không nhu sau :

Trong đó :

- m : khối lượng của khâu thứ i

- g : gia tốc trọng trường

-

Ω ix,

5.3 Vùng đỡ :

Trên thực tế trong kết cấu cơ khí còn tồn tại lực ma sát ở

không bị mất thăng bằng Vùng này được gọi là vùng đỡ ( supporting area )

Hình 5.3 Vùng đỡ 5.4 Chu kỳ bước :

Robot di chuyển có 3 trạng thái :

Hình 5.5 Chu kỳ bước của con người Biểu diễn lại chu kỳ bước của con người theo sơ đồ hình 5.6 như sau :

Hình 5.6 Sơ đồ biểu diễn chu kỳ bước Theo sơ đồ trên thì chu kỳ bước bao gồm 2 pha:

mặt đất ( hình 5.7 )

còn một chân thì di chuyển để bước tới ( Hình 5.8 )

Hình 5.7 Pha đôi

Hình 5.8 Pha đơn 5.5 Các thông số khi di chuyển:

- Chiều dài bước : ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển trung bình của robot Đối với robot HRP-1S bước di chuyển là 200 (mm)

- Thời gian bước : ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển trung bình Và đồng thời cũng ảnh hưởng đến phản lực của mặt đất tác dụng lên robot Thời gian tối ưu cho di chuyển là 0.8 giây

- Chiều cao bước : 20 (mm) hay có thể nhỏ hơn 5%

- Tọa độ của hông (hip)

- Tọa độ của cổ chân (ankle)

- Góc nghiêng của thân

- Góc nghiêng của bàn chân

Hình 5.9 Biểu diễn các thông số

Hình 5.10 Biểu diễn các thông số 5.6 Nguyên lý di chuyển:

Nếu khối tâm của robot không dời về phía trước thì robot không thể di chuyển Vì vậy, trong lúc di chuyển không những phải giữ thăng bằng mà phải di chuyển khối tâm ra khỏi vùng đỡ để có thể di chuyển được Sau khi di chuyển khối tâm ra vùng đỡ sẽ phải

Hình 5.11 Sự dịch chuyển khối tâm khỏi vùng đỡ

Hình 5.12 Sự dịch chuyển của khối tâm khi di chuyển thẳng

Hình 5.13 Sự dịch chuyển khối tâm khi đi vòng

Quá trình điều khiển giữ thăng bằng khi di chuyển được thể hiện ở hình 5.13

Hình 5.13 Quá trình điểu khiển để giữ thăng bằng

Khi robot bước đi thì quan trọng nhất là các tín hiệu cảm biến để giữ thân thẳng đứng cũng như cảm biến để biết được những phản lực của mặt đất tác động lên thân robot

vận tốc góc

Hình 5.14 Cảm biếnphản lực đặt ở bàn chân 5.7 Hệ thống điều khiển :

Hệ thống điều khiển bao gồm những thành phần sau :

Hình 5.15 Các thành phần điều khiển robot

Hình 5.16 Các thành phần điều khiển robot

Hình 5.17 Các thành phần điều khiển robot

6 GIỚI THIỆU MỘT SỐ KIỂU HUMANOID ROBOT:

Hình 6.1 Humanoid Robot INRIA

Hình 6.2 Humanoid Robot KHR-1

Hình 6.3 Humanoid Robot SAPIEN

Hình 6.4 Humanoid Robot HRP-2L

Hình 6.5 Humanoid Robot HRP-2P

Hình 6.6 Các khả năng của Humanoid Robot HRP-2P

Hình 6.7 Humanoid Robot SHADOW

Hình 6.8 Humanoid Robot WABIAN

End

Trương Trọng Toại