CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH BA BÁNH 1.1 Giới thiệu chung về robot tự hành Thuật ngữ “robot” xuất phát từ tiếng Czech “robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rosum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo robot đã luôn thôi thúc con người và trở thành một ngành khoa học robotics.
Ngày nay ngành khoa học robotics đã đạt được nhiều thành tựu trong ngành công nhiệp sản xuất. Những cánh tay robot hoạt động với độ chính xác, tốc độ cao không ngừng nghỉ dần thay thế con người giúp năng suất làm việc tăng nhiều lần. Chúng có thể hoạt động ở môi trường điều kiện khó khăn trong nhà máy hay lắp ráp các linh kiện điện tử đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác cao. Tuy nhiện phạm vi ứng dụng của loại cánh tay robot này hạn chế bởi không gian làm việc.
Không gian làm việc này được giới hạn bởi số bậc tự do của cánh tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại loại robot tự hành lại có khả năng hoạt động linh hoạt trong những môi trường khác nhau. Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ (có thể lập trình lại được) mà không cần sự can thiệp của con người. Thuật ngữ xe tự hành là chỉ riêng robot tự hành chuyển động bằng bánh xe.
Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người. Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng 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. Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành là hết sức rộng lớn.
Có thể kể đến như: xe vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay, robot phục vụ quét rác đường phố, robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm, robot canh gác, robot do thám, robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh, robot hàn, robot sơn trong nhà máy, robot xe lăn phục vụ người khuyết tật, robot phục vụ sinh hoạt gia đình… 1 Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu. Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra. Nhiệm vụ đầu tiên là di chuyển, robot tự hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển thế nào là tốt nhất. Bài toán điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo robot tự hành, được chia làm 2 loại: bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local).
Ở bài toán toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn toàn xác định, đường đi và vật cản biết trước. Ở bài toán cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần. Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vị trí vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi đến mục tiêu. Để có thể điều hướng cho robot tự hành, quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến.
Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau: khả năng di chuyển ở mức cơ bản ví dụ như hoạt động tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng theo các sự kiện thới gian thực, ví dụ như khả năng xuất hiện vật cản; khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường.1 Phân loại robot tự hành Robot tự hành được chia làm hai loại chính là loại robot tự hành chuyển động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh. Ngoài ra một số loại robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng a. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot) Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu.
Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp. Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên 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 vững của robot. Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao.
2 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 chân như trong Hình 1.4, loại 4 chân như trong Hình 1.2, loại 6 chân như trong Hình 1.3 và có thể nhiều hơn, nhưng thông thường số chân là chẵn để thuận tiện cho việc lấy cân bằng trọng lực của robot. Dưới đây là một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân.1: Robot hai chân của Boston Dynamics [1] Hình 1.2: Laikago – Chó Robot 3 Hình 1.3: Robot 6 chân có khả năng di chuyển như con kiến sa mạc b. Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Mobile Robot) Robot tự hành di chuyển bằng bánh hay còn gọi là xe tự hành. Di chuyển bằng bánh xe là phương pháp di chuyển phổ biến nhất của một robot, được sử dụng cho nhiều robot có kích thước và nền tảng khác nhau.
Kích thước của bánh xe dao động khá rộng, từ nhỏ cỡ vài chục cm đến hàng m. Thông thường, xu hướng phát triển tập trung vào các bánh xe cỡ nhỏ (cỡ 5cm trở lại) với 3 bánh xe/robot (một bánh lái và hai bánh di chuyển) như trong Hình 1. Loại phức tạp hơn thì có thể sử dụng con quay hồi chuyển. Một số loại Robot di chuyển bằng bánh (xe tự hành) Hình 1.4: Robot hút bụi lau nhà 4 Hình 1.5: Robot thông minh di chuyển bằng bánh [1] Hình 1.6: Robot 6 bánh dùng để giao hàng Về vật liệu, vật liệu làm bánh xe không có yêu cầu đặc biệt, nhưng một số trường hợp cụ thể có yêu cầu khá chặt.
Ví dụ bánh xe robot quân sự cần có khả năng chống trượt. Điều này cũng có thể đạt được thông qua cấu trúc bánh xe, một robot với 4 bánh hoặc 6 bánh (như trong Hình 1.6) sẽ có ưu thế chống trượt tốt hơn trường hợp 2 bánh. Ngoài ra, cơ cấu bánh xe cũng cần được chú ý khi thiết kế chuyển động cho robot. Bánh xe là cơ cấu làm cho xe tự hành di chuyển, thông thường có ba loại bánh xe: - Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc (Hình 1.
- Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái (Hình 1.7 b) 5 - Bánh Swedisk: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời sung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc (Hình 1.7: Các loại bánh xe cơ bản dùng cho xe tự hành Hình 1.8: Hình ảnh các loại bánh xe a) Bánh xe tiêu chuẩn. b) Bánh Swedisk Cấu trúc sơ đồ ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiêu kết cấu hai bánh cũng có thể cân bằng được. Khi xe có số bánh nhiều hơn ba 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.1: Kí hiệu các loại bánh xe Kí hiệu các loại bánh xe Bánh đa hướng không truyền động. Bánh truyền động Swedisk (đa hướng).
Bánh quay tự do tiêu chuẩn. Bánh truyền động tiêu chuẩn. Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái. Bánh lái tiêu chuẩn.
Các bánh xe được nối với nhau. Dưới đây là một số sơ đồ bố trí bánh xe điển hình của xe tự hành Hình 1.9: Cấu hình một bánh lái phía trước và một bánh truyền động phía sau 7 Hình 1.10: Cấu hình hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dưới trục bánh xe Hình 1.11: Cấu hình hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc Hình 1.12: Cấu hình hai bánh truyền động độc lập ở phía sau và một bánh lái ở phía trước 8 Hình 1.13: Cấu hình hai bánh quay tự do ở phía sau và bánh trước vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái Hình 1.14: Cấu hình ba bánh đa hướng Hình 1.15: Cấu hình bốn bánh đa hướng Xe tự hành trong luận văn sử dụng cơ cấu chuyển động là hệ 3 bánh xe, 1 bánh lái tự do phía trước và 2 bánh điều hướng đồng trục. Không có cấu hình “lý tưởng” cho sơ đồ bố trí bánh xe ở robot di động bằng bánh. Mỗi ứng dụng của nó sẽ bị ràng buộc về các vấn đề về thiết kế robot và nhiệm vụ của người thiết kế là lựa chọn một sơ đồ bánh xe phù hợp nhất.
9 Vấn dề di chuyển là vấn đề trọng tâm của xe. Để di chuyển được, xe phải thực hiện một loạt các tác vụ, mỗi tác vụ gắn với một bài toán nhỏ trong bài toán di chuyển. Sự di chuyển của xe tự hành cơ bản theo hai hướng sau: + Di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm mục tiêu (Hình 1.16 a) + Di chuyển theo một quỹ đạo được đặt trước (Hình 1.16: Sự di chuyển cơ bản của xe tự hành a) Di chuyển từ điểm bắt đầu đến mục tiêu. b) Di chuyển theo quỹ đạo định trước 1.2 Các phương pháp điều hướng cho robot Kỹ thuật điều hướng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong robot tự hành có thể được chia thành 2 loại chính, đó là điều hướng có tính toán và điều hướng theo phản ứng.
Đúng như tên gọi, điều hướng có tính toán là phương pháp điều hướng có kế hoạch còn điều hướng theo phản ứng là điều hướng tức thời, là quá trình tự động thực hiện các phản ứng theo môi trường xung quanh.