Đặt vấn đề: Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local). Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn toàn xác định, đường đi và vật cản là hoàn toàn 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 vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi tới được mục tiêu.
SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS. Trần Ngô Quốc Huy 4 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành thường không giống như các loại robot khác. 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, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến. Robot tự hành phải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định.
Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm: khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của 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 hoạt động 1.4 Giới hạn đề tài: - Sự hoạt động của robot trong đề tài với các điều kiện về cơ sở hạ tầng, cường độ ánh tăng, màu sắc, tốc độ và một số yếu tố khác. - Điều khiển thông qua bộ điều khiển trung tâm nên chỉ có thể điều khiển ở một phạm vi nhất định nếu vượt quá thì sẽ không hoạt động được. - Nguồn hoạt động chính của mạch là pin nên do đó có hạn chế về thời gian sử dụng.5 Một số loại robot tự hành: Hình 1.1 Robot Sojourner [1] SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS. Trần Ngô Quốc Huy 5 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH Được sử dụng thám hiểm sao Hỏa năm 1997.
Hầu hết các hoạt động được điều khiển ở trái đất. Tuy vậy nó vẫn phải sử dụng các cảm biến để phát hiện vật cản.2 Robot Airduct [2] Kết cấu nhỏ gọn, nó được gắn camera để thu hình ảnh, có thể nhìn nghiêng, đi dọc theo tường, tránh vật cản.3 Robot Mbari’s Altex Auv (Autonomous Underware Vehicle) [3] Được sử dụng để hoạt động dưới đáy biển sâu ở Bắc Cực Hình 1.4 Robot Khepera [4] SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS. Trần Ngô Quốc Huy 6 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH Dùng để nghiên cứu và học tập. Nó có đường kính 60mm, được tích hợp nhiều modun khác nhau như camera, tay kẹp Hình 1.5 Robot dẫn đường AGU (Autonomous Guided Vehicle) [5] Được sử dụng trong các bệnh viện Hình 1.6 Robot Starship [6] Có thể vận chuyển cùng lúc tối đa 3 túi hàng.
Tại cửa hàng Broad Branch, ngoại ô thủ đô Washington của Mỹ, đảm nhiệm trọng trách giao 50% trong số từ 60 - 70 đơn hàng mỗi ngày. SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS. Trần Ngô Quốc Huy 7 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Lựa chọn phương án cơ khí: 2.1 Lựa chọn phương pháp di chuyển của robot: Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot) 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. Nhưng robot loại này có là chế tạo quá phức tạp. Chân robot có kết cấu nhiều bậc tự do, 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 tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật có thể di chuyển bằng loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn. Dưới đây là một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân.1 Một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân [7] - Ưu điểm: Một ưu điểm lớn nhất của Robot di chuyển bằng chân này là: với khả năng nâng lên hạ xuống, bước rộng lớn, Robot có thể dễ dàng và linh hoạt hoạt động ở những bề mặt gồ ghề, xấu và nhiều chướng ngại vật lớn. - Nhược điểm: Bởi vì Robot di chuyển bằng chân cần trình độ kỹ thuật cao. Do đó, cơ cấu cơ khí và hệ thống cơ điện tử của nó cực kỳ phức tạp.
Bên cạnh sự phức tạp SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS. Trần Ngô Quốc Huy 8 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH đó, Robot di chuyển bằng chân này cũng tốn rất nhiều năng lượng và yêu cầu phải có nguồn năng lượng cao để có thể cung cấp đủ cho Robot hoạt động. Robot di chuyển bằng xích Hình 2.2 Robot di chuyển bằng xích [8] Ưu điểm o Khả năng bám bề mặt tốt, ít xảy ra sự trơn trượt. o Khả năng tiếp xúc và xử lý linh hoạt và dễ dàng nhiều bề mặt, địa hình khó, gồ ghề.
o Di chuyển bằng bánh xích giúp Robot tăng không gian làm việc của robot. Nhược điểm o Vì sự phân bổ trọng lượng đều và bề mặt xích gồ ghề nên chắc chắn những chú Robot di chuyển theo cách này sẽ làm tổn hại bề mặt trong quá trình chúng di chuyển. o Số lượng động cơ sử dụng bị hạn chế. o Thiết kế và cơ cấu cơ khí của Robot này rất phức tạp vì nó yêu cầu nhiều khớp nối, liên kết, lực… Robot tự hành di chuyển bằng bánh xe (Wheel Robot) Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành.
Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động.
a/ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc. SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS. Trần Ngô Quốc Huy 9 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH b/ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái. c/ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc.3 Robot di chuyển bằng bánh xe [9] - Ưu điểm: • Chi phí trung bình thấp hơn so với các loại Robot truyền thống.
• Thiết kế và cơ cấu đơn giản. • Dễ dàng cải tiến, nâng cấp, phát triển và mở rộng. • Phù hợp với những người bắt đầu tân chế Robot. - Nhược điểm: • Vì bánh xe có kích thước cố định nhưng không linh hoạt nên diện tích Robot tiếp xúc thường nhỏ và bị giới hạn.
• Khả năng kéo và di chuyển yếu. Từ các phân tích trên nhóm em quyết định chọn phương pháp robot di chuyển bằng bánh xe. SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS. Trần Ngô Quốc Huy 10 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH 2.2 Lựa chọn kết cấu của robot di chuyển bằng bánh: Đối với kết cấu xe 2 bánh: Hình 2.4 Kết cấu xe 2 bánh - Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau, xoay chuyển một cách linh hoạt.
- Nhược điểm: Gặp khó khăn trong vấn đề bám line và giải quyết vấn đề tự cân bằng của xứng của xe, khó phân bố đều tải trọng, robot di chuyển với tốc độ thấp. Đối với kết cấu xe ba bánh: (2 bánh chủ động và 1 bánh đa hướng) Hình 2.5 Kết cấu xe ba bánh - Ưu điểm: Di chuyển ổn định trên nhiểu địa hình, luôn đảm cảo các điểm tiếp xúc trên đường, linh hoạt xoay chuyển kết cấu đơn giản. - Nhược điểm: Độ ổn định kém do diện tích tiếp xúc mặt chân đế nhỏ. SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS.
Trần Ngô Quốc Huy 11 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH Đối với kết cấu xe 4 bánh: Đối với 4 bánh điều khiển riêng biệt Hình 2.6 Kết cấu xe 4 bánh điều khiển riêng biệt - Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, chịu tải trọng tốt. - Nhược điểm: Điều khiển 4 động cơ phức tạp, qua cua khó khăn do không tạo được trọng tâm tức thời bởi có 4 động cơ. Đối với 4 bánh có 2 bánh chủ động và 2 bánh bị động Hình 2.7 Kết cấu xe 4 bánh có 2 bánh chủ động và 2 bánh bị động - Ưu điểm: Kết cấu tăng độ độ cứng vững, phân bố tải trọng đều, giảm đi hiện tượng trượt, bám line với độ ổn định cao do diện tích tiếp xúc mặt chân đế lớn. SVTH: Đào Ngọc Vỹ GVHD:TS.
Trần Ngô Quốc Huy 12 Trần Ngọc Tứ Đặng Thanh Minh CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH - Nhược điểm: Vận tốc hạn chế, quán tính khi qua cua lớn. Từ yêu cầu đề tài và các phân tích trên nhóm em quyết định chọn thiết kế loại xe 3 bánh có 2 bánh chủ động và 1 bánh bị động vì di chuyển ổn định trên nhiều địa hình. Từ yêu cầu đề tài và các phân tích trên nhóm quyết định chọn thiết kế loại xe 3 bánh có 2 bánh chủ động và 1 bánh bị động vì di chuyển ổn định trên nhiều địa hình.2 Lựa chọn phương án điều khiển: 2.1 Phương pháp điều hướng cho robot tự hành:[18] 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.