CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI CHÂN I. Sự ra đời của Robot biết đi: Theo dòng thời gian, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì con người không những là muốn tạo ra các robot công nghiệp phục vụ cho công việc sản xuất, tạo ra những robot phục vụ cho các công việc đòi hỏi sự chính xác cao và tập chung cao như là các robot dùng trong phẫu thuật, y học, ngoài ra do xã hội càng văn minh thì con người muốn tạo ra những con vật thân thiện để giúp con người giải khuây đỡ buồn. Và ước mơ cao nhất của con người là muốn tạo ra các robot giống với con người, có khả năng tư duy, suy nghĩ như con nguời, .1: Minh họa về sự phát triển của robot. Sự cần thiết của Robot dạng người: - Robot công nghiệp không đủ độ linh hoạt trong những môi trường không bị biến đổi.
- Chưa thân thiện với con người. - Cần các công việc mới: Phục vụ, giúp việc nhà cửa, giải trí,. - Sự tương tác thân thiện với con người. - Giúp đỡ con người trong các môi trường làm việc của con người.
2 - Giao tiếp bằng trực giác với nhiều tình huống bất ngờ. - Có khả năng lập trình bằng việc thao tác mẫu,. - Có khả năng tư duy tốt. Robot giống con người là một lĩnh vực rất rộng, tổng hợp rất nhiều kiến thức: Cả cơ học, công nghệ cơ khí, công nghệ thông tin, điện, điện tử, trí tuệ nhân tạo,.
Điều khiển nhiều Xử lý tiếng nói, trục Servo hình ảnh Ứng dụng vi xử Humanoid Trí tuệ nhân tạo lý Robot Cơ học, công nghệ cơ khí Kết hợp và xử lý các sensor Hình 1.2: Robot dạng người và các lĩnh vực liên quan. Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học liên quan đã làm thúc đẩy sự phat triển về robot dạng con người, ngày nay đã xuất hiện các robot dạng người rất linh hoạt và thông minh như: ASIMo, QRIO,. Một số loại Robot hai chân trên thế giới: Một vài Robot dạng con người trên thế giới: 3 Hình 1.3: Một số loại robot phổ biến trên thế giới và các hông số của chúng. Các Robot giao tiếp: Hình 1.4: Hình ảnh về một số loại robot dùng trong giao tiếp.
Các Robot thao tác bằng tay: Hình 1.5: Một số robot có hai tay để thao tác. Các dự án về Robot dạng người trên thế giới: 4 o Đại học Wesada có các dự án: Wabot-1 (từ năm 1973), WE-4, Wendy. Các Robot WABOT-2, WE-4, Wendy o Honda: Với dự án Robot ASIMO từ năm 1986, đã đầu tư hơn 100 triệu USD. o SONY với dự án Robot QIRO, gần tiến tới chế tạo hàng loạt, được dùng trong giải trí.
o TOYOTA: Đã giới thiệu Robot thổi kèn tại hội trợ Expo 2005.7: Robot thổi kèn của Toyota. o Nhật Bản: Có dự án Atom, với thời gian là 30 năm. o Mỹ: Có các Robot: Cog, Kismet, Leo, NurseBot. o Đức: 5 Robot Johnnie của trường Đại học TU Munchen.
ARMA của SFB 588 Karlsruhe. Mexi của C-Lab Paderborn. Trong những năm gần đây, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều hãng, tập đoàn tung ra các loại robot biết đi, trong đó có một vài loại rất đáng chú ý, như: ASIMO của HONDA: Đây có lẽ là loại robot 2 chân phổ biến nhất hiện nay, có có khả nănh đi bộ, chạy bộ với vận tốc khá cao, có khả năng leo cầu thang, khả năng giao tiếp với con người, biểu thị trạng thái (buồn, vui, .), di chuyển đồ vật, tiếp khách, nhận dạng, nghe nhạc, .8: Robot ASIMO của HONDA. Robot QRIO của SONY: Đây là loạt robot dạng con người, có 22 bậc tự do, do vậy rất lịnh hoạt, có khả năng chơi các trò chơi của con người như: Đá bóng, ném bóng, múa quọat, .9: QRIO - Có khả năng chơi chóng.10: QRIO - Có khả năng nhảy theo nhịp điệu âm nhạc.11: QRIO - Có khả năng múa quọat.12: Có khả năng đồng diễn và hình ảnh QRIO soát vé xe.1: Các thông số về cân nặng, cấu trúc của QRIO.2: Các thông số chuyển động của QRIO 9 Hình 1.13: Mô hình cấu trúc của QRIO JOHNNIE: Đây là sản phẩm của viện cơ học ứng dụng thuộc trường đại học kỹ thuật Munich (được tách ra từ viện cơ học B từ năm 2001).
Đây là loại Robot bước đi hai chân, có 17 bậc tự do chủ động; nặng 49 Kg; cao 1.8 m; mỗi chân được điều khiển bởi sáu khớp và ba trong sáu khớp này nằm ở hông robot, một khớp ở đầu gối, hai khớp ở cổ chân. Hai cánh tay, mỗi cách tây có hai bậc tự do. Các khớp được điều khiển bởi các động cơ DC, có tích hợp hộp số. Có hai cảm biến lực theo 6 hướng đặt tại hai bàn chân dùng để đo phản lực từ nền tác dụng lên bàn chân.
Một cảm biến gia tốc quán tính theo ba hướng. Có 3 sensor Gyroscop dùng để xác định hướng của thân robot. Có sử dụng một main P4 của máy tính với đầy đủ các giao tiếp với các sensor và động cơ. Các giải thuật chạy trên PC được viết trên nền LINUX.
Robot KHR2: 11 Hình 1.15: Robot KHR-2 Đây là loại Robot được phát triển bởi phỏng thí nghiệm điều khiển cơ khọc thuộc khoa cơ khí, viện khoa học và công nghệ cao Taejon, Hàn Quốc từ những năm 2000: Năm 2000: với phiên bản robot có 4 bậc tự do: Hình 1.16: Robot KHR, phiên bản năm 2000 với 4 DOF. Năm 2001 với phiên bản robot KHR-0 có 12 bậc tự do: 12 Hình 1.17: KHR-0 với 12 bậc tự do. Năm 2003 với phiên bản robot KHR-2 có 21 bậc tự do: Hình 1.18: KHR-2 phiên bản 2003 với 21 bậc tự do. 13 Mục đích của dự án này là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra loại robot có đặc điểm: Giống người và có thể giao tiếp với xã hội, và có thể giúp con người trong công việc xã hội.18: Hình ảnh robot biết đi trong cuộc sống.
Chiều cao 120cm Cân năng 56Kg Tốc độ bước đi 0-1.0Km/h Chu kỳ bước 0.5Kg/1 ngón tay Động cơ DC Servo, các bộ truyền Cơ cấu chấp hành bánh răng Môdul điều khiển quá trình bước Môdul điều khiển Môdul điều khiển động cơ Môdul truyền nhận dữ liệu 3 cảm biến lực/moment(khớp cở tay và chân) Sensor Cảm biến tốc độ/ gia tốc góc Gyroscope(ở thân) 14 CCD camera(Hai mắt của Robot) Pin Ni-MH(24V/8AH, 12V/12Ah) Nguồn Nguồn bên ngoài 12V, 24V Bàn phím, chuột, Notebook có hỗ Thiết bị điều khiển trợ giao tiếp không dây. Các hông số của KHR-2. KHR-2 có cấu trúc: Gồm 41 bậc tự do.19: Cấu trúc của KHR-2. Mô hình hệ thống điều khiển của KHR-2: 15 Wireless LAN Notebook PC Main Computer F/T Sensor #0 CCD Camera Chụp hình CAN Module F/T Sensor #0 CAN Module Hình 1.20: Sơ đồ hệ thống điều khiển của KHR-2.
Thuật giải điều khiển bước đi của Robot KHR-2: Hình 1. Sơ đồ thuật giải điều khiển bước đi của KHR-2. Lịch sử phát triển của robot ASIMO của Honda: 16 Từ những năm 1986, hãng Honda đã đầu tư vào các dự án phát triển robot dạng con người. Năm 1986 với mô hình Robot E0: Hình 1.22: Robot E0 của Honda.
Tại phiên bản này đã ví dụ về các nguyên tắc cơ bản của chuyển động bằng hai chân. Sơ đồ bước chân trong trường hợp bước nhanh và chậm. Từ các năm 1987-1991: 17 Honda đã cho ra đời các laọi robot E1, E2, E3: Hình 1.2: Robot E1, E2, E3 của Honda. Thực hiện việc bước đi nhanh hơn, để đạt được điều này, honda đã tiến hành khảo sát bước đi cụ thể của con người rồi từ đó rút ra dáng đi cho robot.
Mô hình thí nghiệm thứ nhất E1: Hình 1. Bắt đầu một dạng của bước đi tĩnh với tốc độ là 0. Mô hình E2: 18 Hình 1. Lần đầu tiên bước đi động với vận tốc 1.2 Km/h, và bắt trước bước đi của con người.
Mô hình E3: Hình 1. Có thể bước đi với tốc độ 3Km/h. Trong giai đoạn này có thể nói là đã nghiên cứu và phân tích rất kỹ lưỡng về bước đi của con người, ngoài ra một vài tình huống, dạng bước đi khác cũng được nghiên cứu, đồng thời cũng nghiên cứu các chuyển động cần thiết của các khớp để tạo nên sự vận động giống con người. Dữ liệu cơ bản để tạo nên chuyển động của con robot chính là dạng bước đi của con người.
Một chương trình về bước đi nhanh đã được tạo ra và đã được đem vào thử nghiêm trong robot dạng người. Các bước tiếp theo cần giải quyết là tăng tốc và ổn định bước đi trong môi trường sống của con người, đặc biệt là trong bề mặt không bằng phẳng, dốc và bậc thang và không có hố. Giai đoạn từ 1991-1993: Đã cho ra đời các mô hình robot: E4, E5, E6: 19 Hình 1.28: Robot E4, E5, E6 của Honda. Trong giai đoạn này hoàn thiện các chương trình cơ bản về bước đi hai chân, thiết lập công nghệ cho ổn định bước đi.
Mô hình Robot E4: Hình 1. Chiều dài của ống chân được kéo dài tới 40 cm để có thể mô tả được bước đi của con người với tốc độ 4. Mô hình Robot E5: 20 Hình 1. Lần đầu tiên mô hình chuyển động với một cái đầu với cái vỏ lớn.
Mô hình E6: Hình 1. Tự điều khiển cân bằng khi bước đi lên hoặc xuống cầu thang, trên địa hình dốc, hoặc bước qua chướng ngại vật. Tóm lại là trong gia đoạn này thì Honda đã khám phá và kiểm tra các công nghệ về ổn định bước đi, và phát triển ba công nghệ điều khiển: Hình 1.32: Ba điều khiển dáng điệu cần thiết cho sự ổn định của bước đi. Floor Reaction Control: Điều khiển phản lực từ nền tác dụng lên chân Robot.
21 Target ZMP Control: Điều khiển ZMP. Foot Planting Location Control: Điều khiển dáng đứng của chân. Cơ học bước đi cũng đã được thiết lập với Robot E5. Robot E5 của Honda đã chính thức đạt được bước đi hai chân trên địa hình dốc hoặc mặt bậc thang.
Trong phần nghiên cứu tiếp theo sẽ gắn các chân Robot vào một thân robot để tạo nên Robot dạng người. Giai đoạn 1993-1997: Với các thế hệ Robot P1, P2, P3: Hình 1.33: Robot P1, P2, P3 của Honda. Nghiên cứu về hoàn thiện một Robot dạng người. Đây là vấn đề nâng cao trong Robot dạng người.
Thế hệ robot P1: Hình 1. 22 Đây là phiên bản robot đầu tiên giống như con người, với phần trên là thân robot (trông khá to). Với các thông số: Chiều cao: 1915 mm, cân nặng: 175 Kg. Robot có khả năng bật công tắc điện bên ngoài và bật tắt máy tính và mở cửa, có thể giữ và mang vác một vài thứ gì đó.