MỞ ĐẦU 1. Tổng quan Robot đƣợc nghiên cứu bắt đầu từ thế kỉ hai mƣơi và kết quả đạt đƣợc là rất nhiều loại robot đã ra đời, và phần lớn trong số chúng xuất hiện trong các ngành công nghiệp hiện đại. Các robot thực hiện các công việc đòi hỏi về mặt thể chất, tính đơn điệu hoặc thậm chí là tính nguy hiểm cho con ngƣời. Ngoài ra chúng còn làm tăng hiệu quả công việc và chất lƣợng sản phẩm ở những nơi mà đòi hỏi các yếu tố về tốc độ và độ chính xác.
Ngày nay robot đƣợc tìm thấy ở hầu hết các dây chuyền sản xuất hiện đại. Thông thƣờng thì các robot này đƣợc cài đặt phạm vi di chuyển rất nhỏ, nó bị hạn chế về mức độ tƣơng tác với môi trƣờng xung quanh. Và việc nghiên cứu các robot liên quan đến khả năng hoạt động trong môi trƣờng xung quanh con ngƣời và khả năng tƣơng tác với con ngƣời vẫn còn đang rất mới và thu hút nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Và một trong số chúng đó là nghiên cứu về robot hai chân là robot sử dụng khả năng di chuyển bằng hai chân.
Ngày nay, robot hai chân dạng ngƣời đã thu hút đƣợc nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới và vấn đề xây dựng một quỹ đạo ổn định nhất cho robot đang là vấn đề đƣợc tập trung nghiên cứu nhiều nhất [2]. Hiện tại thì có khá nhiều robot mô phỏng ngƣời có thể bƣớc đi ổn định, tuy nhiên xét về dáng đi thì chúng còn khá khác so với dáng đi của con ngƣời. Nhiều loại robot có thể bƣớc về phía trƣớc, bƣớc lùi lại phía sau, đổi hƣớng di chuyển, bƣớc lên cầu thang, nhảy múa.tuy nhiên chúng còn khá chậm và thiếu ổn định. Nhƣ Asimo có thể đạt tốc độ trung bình xấp xỉ 0.3m/s so với tốc độ trung bình con ngƣời là 1.
1 Luan van Robot hai chân dạng ngƣời là loại robot đƣợc xây dựng dựa trên cấu tạo tổng thể của cơ thể con ngƣời.Nghiên cứu về sự di chuyển hai chân của các robot dạng ngƣời đã có đƣợc nhiều sự quan tâm từ những thập kỉ qua [2]. Sự quan tâm này bắt nguồn từ khả năng di chuyển tinh vi của nó và tính ổn định, số bậc tự do cao cho phép robot có thể di chuyển với những địa hình phức tạp. Và mong muốn của việc nghiên cứu này đó là hoàn thiện robot hơn là thay đổi điều kiện môi trƣờng đối với robot. Do đó việc xác định quỹ đạo cho robot có thể di chuyển ổn định vẫn còn là vấn đề đang đƣợc quan tâm của các nhà nghiên cứu hiện nay.
Khi robot hai chân đƣợc xem nhƣ là một kết cấu động học tổng quát thì tồn tại một số vấn đề nhƣ tƣơng tác giữa bàn chân và bề mặt tiếp xúc, các thay đổi về động lực học cái mà làm ảnh hƣởng đến quá trình điều khiển cũng nhƣ hoạch định quỹ đạo cho chúng. Hoạch định quỹ đạo di chuyển là một nhiệm vụ khó khăn nhất. Bằng cách phân tích quá trình di chuyển của con ngƣời Rostami [4] đã đƣa ra ý tƣởng bằng cách sử dụng lực hấp dẫn nhƣ là nguồn chính để tạo ra di chuyển tự nhiên cho robot trong mặt phẳng dọc và Roussel [5] đã phát triển quá trình di chuyển trong mặt phẳng ngang. Huang [7] đã hoạch định quỹ đạo đi bộ cho robot hai chân bằng cách nội suy spline bậc ba tại một số vị trí quan trọng trong chu kì chuyển động.
Trên thế giới, Asimo đƣợc phát triển bởi công ty Honda Nhật Bản với vốn đầu tƣ đến 300 triệu USD vào công nghệ robot và miệt mài suốt gần 2 thập niên mới cho ra lò ngƣời máy tiên tiến nhất thế giới Asimo nhƣ hình 1. Asimo là robot dạng ngƣời khá nổi tiếng với rất nhiều các ƣu điểm nổi bật nhƣ có khả năng chạy thẳng tốc độ 1.6m/s,chạy cung tròn tốc độ 1. Hơn nữa robot này hoàn toàn tự động, có thể quay khi đi và có thể đi lên cầu thang. Robot này gần giống với con ngƣời vì ngoài việc đi và chạy thì nó còn hiểu đƣợc các lệnh bằng giọng nói và nhận dạng khuôn mặt.
Asimo sử dụng các cảm biến góc và cảm biến gia tốc gắn trên thân, sử dụng camera để quan sát bên ngoài và cảm biến lực gắn trên hai bàn chân và sử dụng động cơ DC và bộ giảm tốc Hamonic để truyền động. 2 Luan van Hình 1. ASIMO Nếu nhƣ ngƣời Nhật từ lâu tự hào về Asimo thì KHR là niềm hãnh diện của Hàn quốc nói riêng và ngành công nghiệp robot châu Á nói chung. Hubo - robot mang hình dáng con ngƣời - cao 1,2 m và nặng 55 kg và với 41 bậc tự do có thể diễn tả nhiều cảm xúc, mô phỏng cử động của hơn 48 cơ mặt chính yếu nhƣ hình 1.
Hệ thống camera trong mắt và phần mềm trí tuệ nhân tạo cho phép KHR nhìn và nhận dạng mặt, theo dõi cử động, đàm thoại với ngƣời đối diện bên cạnh khả năng tự xoay một góc 45 độ, và thực hiện nhiều cử động thân thể. Hiện tại KHR có thể đi nhƣ ngƣời với vận tốc 0.35m/s và có thể bƣớc lên xuống các bậc thang, chức năng mà đến nay chỉ có hai ngƣời máy của Nhật thực hiện đƣợc. Các robot hình ngƣời KHR-2 và KHR-3/HUBO 3 Luan van Thành tựu Robot ngƣời trong nƣớc, trƣờng đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu và chế tạo một số phiên bản Robot dạng ngƣời có tên HUBOT [1] nhƣ hình 1.3 với ƣu điểm sử dụng hộp số giảm tốc Harmonic có tỉ số truyền rất lớn, giảm sai số đầu ra và giảm ma sát đầu vào. Sử dụng động cơ DC- Servo, có encoder hồi tiếp, mỗi động cơ đƣợc điều khiển bằng một chip, các chip này giao tiếp với nhau bằng mạng CAN.
Nhƣợc điểm của Robot này là khối lƣợng khá lớn, di chuyển chậm chạp và di chuyển không ổn định. Robot hai chân HUBOT Thông qua những phân tích về các thành tựu trong và ngoài nƣơc về robot hai chân đặc biệt là về vấn đề xây dựng một quỹ đạo cân bằng cho robot thì tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài về xây dựng quỹ đạo di chuyển cho robot hai chân làm đề tài nghiên cứu trong luận văn này. Trong nghiên cứu này thì phƣơng pháp xây dựng quỹ đạo di chuyển dựa vào nôi suy đa thức bậc ba của Huang [10] đồng thời kết hợp với quá trình phân tích động học và động lực học để tạo nên một quỹ đạo ổn định cho robot hai chân. Lí do chọn đề tài Hiện nay, xu thế chung của thế giới là nghiên cứu đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa ƣu tiên áp dụng các tiến bộ của khoa học kỉ thuật vào sản xuất cũng 4 Luan van nhƣ vào đời sống của con ngƣời giúp giảm bớt sức lao động của con ngƣời, phục vụ giải trí cho con ngƣời, thay thế cho con ngƣời làm việc ở những nơi nguy hiểm,… Hình dáng ngƣời là một hệ thống động học vô cùng phức tạp cho thấy rằng không có bất cứ một giải pháp cố định nào để điều khiển chúng.
Và để đảm bảo cho robot hai chân có khả năng di chuyển với tính ổn định và cân bằng đòi hỏi phải xây dựng đƣợc một quỹ đạo cho các khớp phải thật thích hợp. Hiện nay tình hình nghiên cứu về robot hai chân trên thế giới cũng khá phát triển nhƣng ở Việt Nam thì lĩnh vực nghiên cứu này chƣa đƣợc nhiều sự quan tâm và đầu tƣ nghiên cứu, đặc biệt là nghiên cứu về về quá trình cân bằng cho robot. Hiện nay hầu hết các trƣờng đại học chỉ dừng lại ở phạm vi là chế tạo các robot dancing có thể nhảy theo điệu nhạc, hay một số robot có thể bƣớc đi nhƣng chỉ tập trung vào điều khiển bằng phƣơng pháp thử và sai mà chƣa có xây dựng các tính toán cân bằng cho robot. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn này đó là robot hai chân dạng ngƣời với số bậc tự do rất lớn gồm mƣời bậc tự do, do đó việc xây dựng tính toán là rất phức tạp.
nội dung nghiên cứu của luận văn là xác định quỹ đạo di chuyển của các khớp của hai chân robot dựa vào phân tích động học và động lực học để đảm bảo cho robot có thể di chuyển ổn định và cân bằng trong quá trình bƣớc đi của robot. Đề tài này đƣợc phát triển nhằm mục đích là xây dựng quỹ đạo di chuyển cho robot hai chân dựa vào các phân tích động học và động lực học để đảm bảo cho robot có khả năng di chuyển với độ ổn định và cân bằng cao nhất. Và các quỹ đạo này sẽ đƣợc kiểm tra bằng các mô phỏng và thực nghiệm. Và đề tài này sẽ là cơ sở dữ liệu làm tiền đề cho các nghiên cứu phát triển robot hai chân tiếp theo.
Cấu trúc của đề tài Cấu trúc của đề tài bao gồm có 6 chƣơng: 5 Luan van Chƣơng 1 : “Mở đầu”. Trong chƣơng này tổng quan về vấn đề nghiên cứu đó là xây dựng một quỹ đạo ổn định cho robot đƣợc trình bày, cụ thể là những nghiên cứu trong và ngoài nƣớc hiện nay. Chƣơng 2 : “ Các khái niệm về phương thức di chuyển của robot hai chân”. Trong chƣơng này một số các khái niệm và thuật ngữ cơ bản đƣợc sử dụng trong lĩnh vực robot hai chân đƣợc định nghĩa.
Đầu tiên một số khái niệm gắn liền với sự di chuyển của robot ngƣời đƣợc định nghĩa, sau đó là các khái niệm liên quan đến sự ổn định của robot. Chƣơng 3 : “Mô hình hóa robot hai chân ”. Trong chƣơng này một mô hình toán của robot hai chân dạng ngƣời đƣợc phát triển. Mô hình này bao gồm mô hình động học và động lực học.
Mô hình động học của robot đƣợc phát triển một cách chặt chẽ bao gồm một mô hình để xác định CoM của robot. Từ mô hình động học này dẫn đến mô hình động lực học đƣợc phát triển. Mô hình đƣợc sử dụng cho tính toán vị trí cân bằng cần thiết cho việc thiết kế điều khiển robot. Chƣơng 4 : “Hoạch định quỹ đạo di chuyển và điều khiển robot hai chân”.
Nội dung chủ yếu của chƣơng này là mô tả việc xác định các quỹ đạo ổn định nhất cho roobot hai chân bằng phƣơng pháp nội suy spline bậc ba kết hợp với kết quả phân tích động học và động lực học ở chƣơng 3. Thêm vào đó một số phƣơng pháp điều khiển cho robot cũng đƣợc xây dựng để đảm bảo robot có thể di chuyển ổn định. Chƣơng 5 : “Kết quả và thảo luận”.