Chương 1: Giới thiệu. - Chương 2: Tổng quan đề tài - Chương 3: Cơ sở lí thuyết. - Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí - Chương 5: Tính toán thiết kế hệ thống điện - Chương 6: Xây dựng thuật toán và giải thuật - Chương 7: Kết luận và hướng phát triển - Tài liệu tham khảo -3- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2. Tổng quan về Mobile Robot 2.
Mobile Robot là gì? Mobile Robot hay Robot tự hành được định nghĩa là loại robot dạng phương tiện xe có khả năng di chuyển một cách tự động trong môi trường thực tế, thường được sử dụng để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau. Các loại mobile robot có thể được phân loại dựa trên nhiều yếu tố như môi trường làm việc, mục tiêu nhiệm vụ và cách chúng di chuyển.1: Hình minh họa Mobile Robot. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển Lịch sử của Mobile Robot bắt đầu từ những năm đầu của thế kỷ 20 và đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển quan trọng từ những ý tưởng sơ khai đến những công nghệ hiện đại ngày nay: - Thời kỳ sơ khai (Trước năm 1950): Các ý tưởng đầu tiên về Robot di động xuất hiện từ cuối thế kỉ 15, và các thiết bị điều khiển từ xa đơn giản vào đầu thế kỉ 20. - Thời kỳ phát triển ban đầu (1950-1980): Năm 1966, SHAKEY tại Viện nghiên cứu Stanford là robot di động đầu tiên có khả năng đưa ra quyết định dựa trên cảm biến.
Năm 1961, Robotic Cart được phát triển với khả năng điều hướng tự động. - Thời kỳ phát triển hiện đại (1980-2000): Rodney Brooks tại MIT phát triển các robot với phương pháp điều khiển phân tán. AGV Robot được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy. -4- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy - Thời kỳ công nghệ tiên tiến (2000-nay): Roomba (2002) của iRobot đánh dấu sự phổ biến của robot di động trong gia đình.
Xe tự lái của các tập đoàn Google, Tesla hay Uber đã đưa công nghệ Mobile Robot vào giao thông. Phân loại Phân loại theo môi tường hoạt động: Indoor Robot (Robot hoạt động trong nhà): được thiết kế để hoạt động trong các không gian kín như nhà ở, văn phòng, bệnh viện. Ví dụ: Robot hút bụi, Robot hỗ trợ y tế… Hình 2.2: Robot hút bụi hoạt động trong nhà. (Nguồn: Thanhnien) Outdoor Robot (Robot hoạt động ngoài trời): được thiết kế để hoạt động trong các môi trường ngoài trời, có khả năng chịu được các điều kiện thời tiết và địa hình phúc tạp.
Ví dụ: xe tự hành của Tesla, robot giao hàng… Hình 2.3: Xe tự hành của Tesla. (Nguồn: Tuoitrethudo) Underwater Robot (Robot dưới nước): được thiết kế để hoạt động dưới nước, thường được sử dụng trong nghiên cứu đại dương, thăm dò dầu khí và cứu hộ. Ví dụ: ROV (Remotely Operated Vehicle), AUV (Autonomous Underwater Vehicle)… Phân loại theo mức độ tự động hóa Hình 2. (Nguồn: Linkedin) -5- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy Teleoperated Robots (Robot điều khiển từ xa): được điều khiển trực tiếp từ xa bởi con người.
Ví dụ: drone điều khiển từ xa… Hình 2.5: Drone Hìnhđiều Dronetừđiều 2.5: khiển khiển từ xa xa. (Nguồn: Tokyocamera) Autonomous Robots (Robot tự hành): có khả năng tự di chuyển và đưa ra quyết định dựa trên cảm biến và lập trình có sẵn. Ví dụ: xe tự lái, robot hút bụi… Hình 2.6:Hình Autonomous Robot.6: Autonomous Robot Scribd) Phân loại theo cơ chế di chuyển Wheeled Robots (Robot có bánh): di chuyển bằng bánh xe, phù hợp với các bề mặt phẳng và cứng. Đây là loại phổ biến nhất do có tính đơn giản và hiệu quả.
Ví dụ: Robot giao hàng, xe tự hành… Hình 2.7: Robot giao hàng có bánh. (Nguồn: Vtv) -6- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy Legged Robots (Robot có chân): di chuyển bằng chân, có khả năng vượt qua các địa hình phức tạp hơn so với Robot có bánh. Ví dụ: robot Boston Dynamics Spot, ASIMO của Honda… Hình 2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2.
Nước ngoài Asimo Robot của Honda Asimo (Advanced Step in Innovative Mobility) là một robot hình người do Honda nghiên cứu và phát triển, nổi tiếng với khả năng di chuyển linh hoạt và thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau. Được giới thiệu lần đầu vào năm 2000 và đã trở thành một biểu tượng cho sự tiến bộ của công nghệ robot. Asimo có khả năng điều chỉnh bước và tốc độ di chuyển tùy theo địa hình và điều kiện môi trường. Asimo có khả năng hiểu, phản hồi lại các lệnh bằng giọng nói, cử chỉ tay và ngôn ngữ cơ thể.
(Vnanet) -7- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy AGV Robot của Amazon Được thiết kế nhỏ gọn, giống như những chiếc hộp di động với bánh xe để có thể di chuyển dưới các kệ hàng. AGV của Amazon sử dụng các cảm biến và công nghệ Lidar để điều hướng tự động trong các nhà kho, tránh va chạm và di chuyển chính xác đến vị trí cần thiết. Có thể giao tiếp với nhau qua hệ thống quản lí kho để tối ưu hóa qui trình vận chuyển hàng hóa. Có thể tự di chuyển đến các trạm sạc khi pin yếu, đảm bảo được tính liên tục mà không cần sự can thiệp của con người.10: AGVcủa Robot Robot của Amazon Amazon.
Trong nước - Hiện tại, các trường đại học trong nước luôn có nhiều dự án dành để nghiên cứu và phát triển cho Mobile Robot như: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh… - Các dạng của Mobile Robot được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, y tế, dịch vụ… mang lại giá trị cao cho hiệu quả cũng như chi phí nhân công. -8- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3. Mô hình hóa thân Robot Với mô hình Mobile Robot có 2 bánh xe chủ động, tâm quay tại C, vận tốc góc tại 2 bánh xe lần lượt là 𝜔𝑟 và 𝜔𝑙 .1: Mô hình tính toán động học Mobile Robot Trong đó: − 𝑉𝑙 , 𝑉𝑟 là vận tốc dài tức thời tại bánh trái và bánh phải. − 𝜔𝑙 , 𝜔𝑟 là vận tốc góc của bánh trái và bánh phải − 𝑟 là bán kính của bánh xe − 𝑉𝑐 là vận tốc dài của robot − 𝑊 là vận tốc góc của robot − 𝐶 là tọa độ trung tâm của Robot − 𝐿 là khoảng cách giữa 2 bánh xe − 𝜃 là góc quay của Robot tại thời điểm t 3.
Quan hệ giữa vận tốc bánh xe với vận tốc của robot Vì hai bánh xe có cùng bán kính nên, nên ta có công thức tính vận tốc dài tại tâm bánh xe theo mô hình bánh xe (3. 𝜔𝑙 -9- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy Trường hợp khi hai bánh xe quay cùng vận tốc góc 𝜔𝑙 = 𝜔𝑟 khi đó 𝑉𝑟 = 𝑉𝑙 vì có bán kính bằng nhau. Khi đó robot sẽ chuyển động thẳng tịnh tiến và không có chuyển động quay nên vận tốc góc của robot W = 0. Mặt khác vì chỉ chuyển động tịnh tiến nên 𝑉𝑐 = 𝑉𝑟 = 𝑉𝑙 .2: Mô hình Mobile Robot khi di chuyển thẳng tịnh tiến Từ đó ta suy được: 𝑉𝑐 𝜔𝑙 = 𝜔𝑟 = (3.1) 𝑟 Trường hợp khi hai bánh xe quay khác tốc độ 𝜔𝑟 ≠ 𝜔𝑙.
Khi đó robot sẽ di chuyển theo một quỹ đạo tròn với bán kính R tâm I. Tâm I được gọi là tâm vận tốc góc tức thời Instantaneous Center of Curvature (ICC).3: Mô hình Mobile Robot khi di chuyển quay Khi đó ta tìm được bán kính R dựa trên tính chất tỉ lệ trong tam giác vuông ta có như sau: - 10 - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy 𝑙 𝑉𝑙 𝑅 − 2 = (3.2) 𝑉𝑟 𝑅 + 𝑙 2 Từ đó ta suy được bán kính R là: 𝑙. (𝑉𝑟 − 𝑉𝑙 ) Dựa vào tính chất trung bình ta tính được vận tốc dài của mobile robot như sau: 𝑉𝑙 + 𝑉𝑟 𝑉𝑐 = (3.4) 2 Vì W≠ 0 nên ta có được vận tốc dài của robot 𝑉𝑐 sẽ bằng tích của vận tóc góc W và 𝑉 cánh tay đòn R. Từ đó ta suy ngược ra 𝑊 = 𝑐 .4) ta suy ra: 𝑟 𝑉𝑐 = (𝜔 + 𝜔𝑟 ) (3.5) ta suy ra: 𝑟 𝑊= (𝜔 − 𝜔𝑙 ) (3.7) ta thu được: 𝑉𝑐 𝐿 𝑊 𝜔𝑙 = −.
Bài toán động học thuận Khi xét bài toán đặt robot vào hệ trục tọa độ mặt phẳng Oxy, phương trình động học của mobile robot được mô tả trong hệ quy chiếu quán tính {𝑋, 𝑌, 𝜃} được biểu diễn bởi hệ phương trình như sau: 𝑋̇ = cos(𝜃) .10) 𝜃̇ = 𝑊 - 11 - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy Trong đó 𝑋̇ và 𝑌̇ lần lượt là vận tốc tuyến tính theo phương 𝑋, 𝑌 trong hệ trục tọa độ Oxy. Góc 𝜃 là góc quay hay góc lệch của robot so với hệ quy chiếu của robot. Từ hệ phương trình (3.10) ta giả sử robot bắt đầu từ vị trí (𝑋0 , 𝑌0 ) với góc hướng 𝜃0 và sau một khoảng thời gian ∆𝑡 ta có được vị trí mới của robot (𝑋, 𝑌) và góc hướng 𝜃 có thể tính được như sau: 𝑋 = 𝑋0 + 𝑉𝑐. ∆𝑡 Nhờ vào phương trình động học thuận ta có thể tính toán được tọa độ hiện tại của robot và từ đó so sánh với tọa độ mục tiêu hướng đến để tìm ra sai lệch giữa chúng tạo ra vòng điều khiển kín để điều khiển mobile robot di chuyển chính xác hơn vòng điều khiển hở.
Vì vậy ta cần bài toán động học nghịch đề điều khiển robot với hai tham số đầu ra là vận tốc dài 𝑉𝑐 và vận tốc góc 𝑊 để điều khiển robot. Bài toán động học nghịch Để thuận tiện cho việc xây dựng luật điều khiển V và W ta sẽ chuyển đổi từ hệ tọa độ Cartesian sang hệ tọa độ cực với các thông số 𝜌, 𝛼, 𝛽 chuyển đổi được quy định ở hình dưới đây.4: Mô hình động học Mobile Robot và các thông số điều khiển Từ hình 3.4 ta có được cách tính toán thông số 𝜌, 𝛼, 𝛽 được định nghĩa như sau: 𝜌 = √∆𝑥 2 + ∆𝑦 2 (3.13) ∆𝑥 - 12 - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa cơ khí chế tạo máy 𝛽 = −𝜃 − 𝛼 (3.14) Từ hệ phương trình (3.10) và các phương trình (3.14) ta thu được hệ phương trình sau: 𝜌̇ = − cos(𝛼) .