Báo cáo NCKH: Phát triển bộ điều khiển robot bốn chân linh hoạt (ĐH SPKT TPHCM)

Báo cáo đề tài NCKH nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển robot bốn chân, giúp robot di chuyển linh hoạt và ứng dụng trên địa hình phức tạp.

• Tác giả: Bùi Mạnh Huy
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển bộ điều khiển robot bốn chân có khả năng di chuyển linh hoạt
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Điều Khiển Robot Bốn Chân Di Chuyển Linh Hoạt

Robot bốn chân di chuyển linh hoạt là một lĩnh vực nghiên cứu khoa học hiện đại, tập trung vào phát triển các hệ thống điều khiển tối ưu cho robot tự hành. Đề tài nghiên cứu này nhằm mục đích tạo ra một bộ điều khiển robot bốn chân có khả năng hoạt động trên địa hình phức tạp, đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong các ứng dụng tự động hóa. Sự kết hợp giữa thiết kế cơ khí tiên tiến và thuật toán điều khiển thông minh tạo nên một giải pháp toàn diện cho di chuyển robot linh hoạt. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Xuân Ba, với đội ngũ gồm 4 sinh viên từ khoa Điện-Điện Tử.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài Nghiên Cứu

Sự phát triển của robot bốn chân đang trở thành xu hướng trong các công ty công nghệ hàng đầu như MIT, Boston Dynamics. Việc nghiên cứu điều khiển robot linh hoạt giúp giải quyết thách thức di chuyển trên địa hình không bằng phẳng, cầu thang, và môi trường phức tạp. Bộ điều khiển tối ưu được phát triển sẽ cải thiện độ chính xác và ổn định của robot, mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong quân sự, cứu hộ, và khám phá môi trường.

1.2. Mục Tiêu và Phạm Vi Nghiên Cứu

Mục tiêu chính là phát triển bộ điều khiển robot thông minh có khả năng tối ưu hóa di chuyển bốn chân với sai số tối thiểu. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, mô hình hóa toán học, và thực nghiệm thực tế. Kết quả mong đạt là một robot bốn chân có thể di chuyển theo quỹ đạo xác định với độ chính xác cao, phục vụ các ứng dụng tự hành trên địa hình đa dạng.

II. Cơ Sở Lý Thuyết và Phương Pháp Thiết Kế

Các phương pháp thiết kế robot bốn chân di chuyển linh hoạt dựa trên nền tảng lý thuyết vững chắc. Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế 3D chi tiết, phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng và kiểm chứng thuật toán. Bảng Denavit-Hartenberg (DH) được áp dụng để phân tích động học vị trí của từng chân robot. Lý thuyết điều khiển tự động, đặc biệt là bộ điều khiển PID, là nền tảng cho phát triển bộ điều khiển thông minh. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, từ mô phỏng số đến chế tạo mô hình thực tế.

2.1. Thiết Kế và Mô Phỏng Bằng Phần Mềm

Solidworks là công cụ chính để thiết kế 3D robot bốn chân, hỗ trợ xuất file cho gia công CNC và in 3D. MATLAB được dùng để phân tích động học và mô phỏng thuật toán điều khiển robot. Mô phỏng Simulink giúp kiểm chứng hiệu suất bộ điều khiển trước khi áp dụng thực tế, giảm chi phí phát triển và tăng độ tin cậy của hệ thống.

2.2. Phân Tích Động Học và Động Lực Học

Động học vị trí của robot bốn chân được tính toán dựa trên bảng DH, xác định vị trí đầu cuối dựa trên góc các khớp. Động học nghịch cho phép tính toán góc khớp cần thiết để đạt quỹ đạo mong muốn. Phương trình động lực học mô tả mối quan hệ giữa lực, mô men và gia tốc, cơ sở cho phát triển bộ điều khiển tối ưu.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Thông Minh Robot

Bộ điều khiển robot bốn chân được thiết kế dựa trên nền tảng lý thuyết PID nhưng được tối ưu hóa thành một bộ điều khiển thông minh mới. Bộ điều khiển này có khả năng tự điều chỉnh các tham số để đạt hiệu suất tốt nhất trong các điều kiện làm việc khác nhau. Thuật toán điều khiển được phát triển sẽ giúp robot di chuyển linh hoạt hơn, giảm sai số và tăng tốc độ đáp ứng. Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số phương X, Y, Z đều trong giới hạn chấp nhận được, chứng minh hiệu quả của bộ điều khiển tối ưu đối với các chuyển động khác nhau.

3.1. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động

Bộ điều khiển robot bao gồm các khối xử lý tín hiệu từ cảm biến, tính toán sai số, và phát lệnh điều khiển tới các động cơ. Thuật toán điều khiển thông minh sử dụng tham số K1, K2, α, β được tối ưu hóa cho từng khớp. Hệ thống có khả năng xử lý phản hồi từ robot bốn chân để liên tục cải thiện chuyển động, đạt mục tiêu di chuyển linh hoạt và chính xác.

3.2. Kết Quả Thử Nghiệm và Hiệu Suất

Bộ điều khiển tối ưu đã được thử nghiệm trên mô hình robot một chân và robot bốn chân squad với các quỹ đạo khác nhau. Sai số trung bình phương X, Y, Z được kiểm soát dưới 5%, chứng minh hiệu suất cao. Robot di chuyển linh hoạt theo các lệnh điều khiển, phản ứng nhanh chóng với thay đổi địa hình, đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế.

IV. Ứng Dụng và Triển Vọng Phát Triển

Robot bốn chân di chuyển linh hoạt có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các mô hình như Cheetal của MIT và Spot của Boston Dynamics là minh chứng cho tính khả thi của công nghệ này. Bộ điều khiển robot được phát triển có thể được tích hợp vào các hệ thống tự hành để hoạt động trên địa hình phức tạp, cầu thang, hay môi trường nguy hiểm. Tính sáng tạo của đề tài nằm ở bộ điều khiển tối ưu mới, được các nhóm sinh viên tự nghiên cứu, cho phép di chuyển robot linh hoạt hơn và đáp ứng nhiều yêu cầu thực tế hơn so với các phương pháp truyền thống.

4.1. Ứng Dụng Thực Tiễn

Robot bốn chân với bộ điều khiển thông minh có thể ứng dụng trong cứu hộ, khám phá môi trường độc hại, quân sự, và công nghiệp. Di chuyển linh hoạt trên đa dạng địa hình cho phép robot hoạt động nơi con người không thể tiếp cận. Bộ điều khiển tối ưu giúp robot tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian hoạt động, tăng hiệu quả công việc.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo vào bộ điều khiển robot để tăng khả năng tự chủ, phát triển hệ thống cảm biến tiên tiến cho di chuyển robot an toàn hơn. Nghiên cứu về tối ưu hóa năng lượng, điều khiển đa robot, và thích ứng với môi trường động sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới cho robot bốn chân di chuyển linh hoạt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Một số phần mềm sử dụng hổ trợ thiết kế, gia công robot 1.1 Sơ lược về Solidworks Solidworks là giải pháp phần mềm thiết kế CAD 3D mạnh mẽ và đang được lựa chọn sử dụng phổ biến trong các ngành cơ khí, chế tạo, sản xuất công nghiệp phụ trợ ở Việt Nam hiện nay. Solidworks cung cấp những công cụ thiết kế mạnh mẽ cùng với giao diện người dùng thân thiện giúp đẩy nhanh quá trình thiết kế, nhanh chóng đưa sản phẩm vào sản xuất. Phần mềm Solidworks gồm 3 cấp độ từ thấp đến cao Solidworks Standard, Professional, Premium. Cấp độ của phần mềm Solidworks a.

Xuất bản vẽ 3D cắt CNC kim loại Toàn bộ mô hình của nhóm được gia công hầu như từ kim loại nhôm, do đó nhóm thiết kế các chi tiết 3D trên Solidworks sau đó xuất bản file STEP để chạy CNC: Bước 1: Hoàn thành bản vẽ 3D chi tiết cần gia công 5 Hình 2. Chi tiết được thiết kế 3D trên Solidworks Bước 2: Lưu file với tên mong muốn và định dạng STEP Hình 3. Lưu file dưới định dạng STEP Vậy là đã xong việc xuất file chạy CNC, ta làm tương tự với các chi tiết khác. Xuất file in 3D cho các chi tiết Bên cạnh việc sử dụng kim loại để thiết kế các chi tiết, nhóm cũng sử dụng đến công nghệ in 3D để hoàn thành mô hình.

Một số chi tiết phức tạp để đáp ứng các đặc điểm riêng của mô hình nên nhóm sử dụng Solidworks để thiết kế chi tiết đó. Sau đó xuất file để in 3D theo các bước sau: Bước 1: Thiết kế 3D cho chi tiết với số liệu thật cần cho hệ thống Hình 4. Thiết kế 3D chi tiết cần in Bước 2: Lưu chi tiết lại thành file với tên mong muốn và dưới định dạng STL 7 Hình 5. Lưu chi tiết với định dạng STL Bước 3: Xác nhận lại một số thông tin và địa chỉ file STL của chi tiết Hình 6.

Xuất file 2D cho chi tiết để gia công tôn 8 Muốn gia công tôn thì ta sẽ xuất file DXF để máy cắt có thể chạy được. Sau đó là công đoạn dập chi tiết theo các cạnh mong muốn để tạo thành sản phẩm. Bước 1: Thiết kế 3D cho chi tiết cần trong hệ thống: Hình 7. Thiết kế 3D chi tiết cần cắt laze Bước 2: Trải ngang chi tiết để cắt laze: Hình 8.

Chi tiết trải ngang Bước 3: Lưu chi tiết lại thành file với tên mong muốn và dưới định dạng DXF 9 Hình 9. Chi tiết lưu ở định dạng DXF 1.2 Giới thiệu về MATLAB Matlab là viết tắt của Matrix Laboratory, là một bộ phần mềm toán học của hãng Mathworks để lập trình, tính toán số và có tính trực quan rất cao. Matlab làm việc chủ yếu với ma trận. Ma trận cỡ MxN là bảng chữ nhật gồm MxN số được sắp xếp thành M hàng và N cột.

Matlab có thể làm việc với nhiều kiểu dữ liệu khác nhau. Với chuỗi kí tự Matlab cũng xem là một dãy các kí tự hay là dãy mã số của các ký tự. Matlab dùng để giải quyết các bài toán về giải tích số, xử lý tín hiệu số, xử lý đồ họa,… mà không phải lập trình cổ điển. Hiện nay, Matlab có đến hàng ngàn lệnh và hàm tiện ích.

Ngoài các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ, Matlab còn có các lệnh và hàm ứng dụng chuyên biệt trong các toolbox, để mở rộng môi trường Matlab nhằm giải quyết các bài toán thuộc các phạm trù riêng. Các toolbox khá quan trọng và tiện ích cho người dùng như toán sơ cấp, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh, xử lý âm thanh, ma trận thưa, logic mờ… 10 Chương trình Matlab là một chương trình viết cho máy tính nhằm hỗ trợ tính toán cho khoa học, kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do nhà phát triển MATHWORKS viết ra. Icon phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink Phần mềm Matlab có rất nhiều ứng dụng như tính toán vẽ đồ thị mô phỏng. Giao diện của chức năng mô phỏng Matlab/Simulink a.

Tổng quan cấu trúc dữ liệu và các ứng dụng của MATLAB  Dữ liệu của Matlab thể hiện dưới dạng ma trận (hoặc mảng - tổng quát), và có các kiểu dữ liệu được liệt kê sau đây:  Kiểu đơn single, kiểu này có lợi về bộ nhớ dữ liệu vì nó đòi hỏi ít byte nhớ hơn, kiểu dữ liệu này không được sử dụng trong các phép tính toán học, độ chính xác kém hơn. 11  Kiểu double kiểu này là kiểu thông dụng nhất của các biến trong Matlab. Trong Matlab kiểu dữ liệu double là kiểu mặc định sử dụng trong các phép tính số học.  Kiểu uint8, uint8, uint16, uint64.

 Kiểu char  Kiểu cell.  Ứng dụng của MATLAB tạo điều kiện thuận lợi cho:  Các khoá học về toán học.  Các kỹ sư, các nhà nghiên cứu khoa học.  Dùng MATLAB để tính toán, nghiên cứu tạo ra các sản phẩm tốt nhất trong sản xuất.

 Toolbox là một công cụ quan trọng trong MATLAB, công cụ này được MATLAB cung cấp cho phép bạn ứng dụng các kỹ thuật để phân tích, thiết kế, mô phỏng các mô hình. Ta có thể tìm thấy toolbox ở trong môi trường làm việc của:  Mạng nơ-ron. Hệ thống Matlab Hệ thống giao diện của Matlab được chia thành 5 phần:  Môi trường phát triển: là nơi đặt các thanh công cụ, các phương tiện giúp chúng ta sử dụng các lệnh và các file, ta có thể liệt kê một số như sau:  Desktop.  Browsers for viewinghelp.

 Thư viện hàm toán học bao gồm các cấu trúc như: tính tổng, sin, cosin, atan, atan2,. các phép tính đơn giản đến các phép tính phức tạp như tính ma trận nghịch đảo, trị riêng, biến đổi laplace, symbolic library,.  Ngôn ngữ Matlab: là các ngôn ngữ cao về ma trận và mảng, với các dòng lệnh, các hàm, cấu trúc dữ liệu vào, có thể lập trình hướng đối tượng.  Đồ hoạ trong Matlab bao gồm các câu lệnh thể hiện đồ họa trong môi trường 2D và 3D, tạo các hình ảnh chuyển động, cung cấp các giao diện tương tác giữa người sử dụng và máy tính.

 Giao tiếp với các ngôn ngữ khác cho phép Matlab tương tác với các ngôn ngữ khác như C, Fortran … 1.2 Thuật toán điều khiển Trong quá trình nghiên cứu đồ án về thuật toán điều khiển cân bằng cho mô hình, nhóm chúng em đã vận dụng những kiến thức nền tảng của lí thuyết điều khiển tự động. Bên cạnh đó, nhóm cũng sử dụng phầm mềm Matlab để mô phỏng, thiết kế bộ điều khiển và giám sát cho mô hình.1 Sơ lược lí thuyết điều khiển tự động a. Các khái niệm cơ bản Điều khiển: Tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước. Điều khiển học: Một bộ môn khoa học nghiên cứu nguyên tắc xây dựng các hệ điều khiển.

Điều khiển tự động: Quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con người. Hệ thống điều khiển: Tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện. 13 Hệ thống điều khiển tự động (điều chỉnh tự động): Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật, đảm bảo điều khiển hoặc điều chỉnh tự động một quá trình nào đó (đôi khi gọi tắt là hệ thống tự động – HTTĐ). Ý nghĩa của điều khiển tự động:  Đáp ứng của hệ thống không thõa mãn yêu cầu công nghệ  Tăng độ chính xác  Tăng năng suất  Tăng hiệu quả kinh tế b.

Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động Sơ đồ tổng quát của một hệ thống điều khiển tự động: Hình 12. Sơ đồ tồng quát hệ thống điều khiển tự động Trong đó:  O: đối tượng điều khiển  C: bộ điều khiển, hiệu chỉnh  M: cơ câu đo lường và hồi tiếp Các loại tín hiệu có trong hệ thống trên:  u: tín hiệu chủ đạo (còn gọi là tín hiệu vào, tín hiệu điều khiển)  y: tín hiệu ra  f: các tác động bên ngoài  z: tín hiệu phản hồi 14  e: sai số tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp 1.2 Phân loại hệ thống điều khiển tự động  Phân loại theo nhiệm vụ: Hệ điều khiển giữ ổn định: là hệ khi lượng vào là giá trị đặt trước thì lượng ra biến đổi xung quanh giá trị yêu cầu với sai lệch nào đó. Hệ điều khiển theo chương trình: là hệ thống khi lượng vào biến đổi theo quy luật nào đó thì lượng ra cũng biến đổi theo qui luật ấy. Qui luật vào được gọi là chương trình điều khiển, nó có thể là qui luật theo không gian hoặc thời gian, có thể là liên tục hoặc rời rạc theo thời gian.

Hiện nay qui luật được tạo nên do phần mềm điều khiển. Hệ điều khiển tuỳ động: Là lượng ra biến đổi theo đúng qui luật của lượng vào nhưng lượng vào là hàm bất kỳ của không gian và thời gian hoàn toàn không biết trước, để tạo ra hệ này phải gồm hai phần:  Hệ điều khiển theo chương trình.  Thiết bị đo các đại lượng vật lý thực tế và gia công tạo chương trình điều khiển đầu vào.  Phân loại theo phương pháp tác động: Hệ điều khiển trực tiếp: là hệ chỉ có thiết bị đo lường và cơ cấu điều khiển, với ưu điểm là đơn giản nhưng nhược điểm là sai số điều khiển lớn nên nó phù hợp với thiết bị gia đình như bàn là, nồi cơm điện, tủ lạnh.

Hệ điều khiển không trực tiếp: là hệ ngoài thiết bị đo lường và cơ cấu điều khiển còn có khâu khuyếch đại trung gian (khuếch đại sai lệch) có ưu điểm là độ chính xác cao nên thường là các hệ điều khiển dùng trong công nghiệp.  Phân loại theo nguyên tắc tác động: Hệ điều khiển liên tục: là hệ mà tín hiệu được xử lý trong hệ là tín hiệu liên tục theo thời gian, thiết bị sử dụng trong hệ là thiết bị tương tự và tính toán theo hệ thập phân. Hệ điều khiển rời rạc (hệ điều khiển xung-số): là hệ chỉ cần có một tín hiệu trong hệ là hàm rời rạc theo thời gian. Thiết bị được sử dụng trong hệ có thiết bị số và tính toán theo hệ nhị phân.

15 Hệ điều khiển rơle: là hệ mà trong nó tồn tại phần tử làm việc theo đặc tính rơle.  Theo mô tả toán học: Hệ tuyến tính: là hệ trong quá trình làm việc thông số của các phần tử không thay đổi hay là hệ thống có các phần tử được mô tả bởi phương trình vi phân tuyến tính.