Luận văn thạc sĩ: Khảo sát động học và cân bằng của robot hai chân

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khảo sát động học và cân bằng của robot hai chân, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Quang Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Văn Đông
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Học Kỹ Thuật
• Đề tài: Khảo sát Động học và Cân bằng của Robot Hai Chân
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Robot Hai Chân

Robot hai chân là một lĩnh vực nghiên cứu tiên tiến trong công nghệ robotics hiện đại. Sự phát triển của robot dạng người xuất phát từ nhu cầu tạo ra những máy móc có khả năng hoạt động trong môi trường sống của con người. Khác với robot công nghiệp truyền thống, robot hai chân cần phải đối phó với các thách thức về cân bằng động và điều khiển chuyển động. Những robot này kết hợp nhiều lĩnh vực kiến thức: cơ học, công nghệ cơ khí, điều khiển tự động, xử lý hình ảnh và trí tuệ nhân tạo. Các dự án tiêu biểu như ASIMO của Honda và QRIO của Sony đã chứng minh khả năng thực tế của công nghệ này.

1.1. Lịch Sử Ra Đời của Robot Đi Bộ

Sự ra đời của robot biết đi gắn liền với sự phát triển của khoa học công nghệ. Ban đầu, robot công nghiệp chỉ phục vụ công việc sản xuất, nhưng nhu cầu xã hội thúc đẩy con người tạo ra những robot dạng người thân thiện. Những robot này không chỉ thực hiện công việc đòi hỏi độ chính xác cao như trong y học, phẫu thuật, mà còn phục vụ cho các công việc giúp việc nhà, giải trí và giao tiếp với con người. Ước mơ tạo ra những con vật robot thông minh có khả năng tư duy đã trở thành hiện thực.

1.2. Nhu Cầu Phát Triển Robot Dạng Người

Robot dạng người cần thiết vì robot công nghiệp truyền thống thiếu linh hoạt trong môi trường không được chuẩn bị sẵn. Robot hai chân có khả năng giao tiếp trực giác, thích ứng với nhiều tình huống bất ngờ, và có thể được lập trình thông qua mô phỏng hành động con người. Chúng giúp đỡ con người trong các môi trường làm việc phức tạp, thực hiện các công việc dịch vụ, và tương tác một cách tự nhiên với con người.

II. Động Học của Robot Hai Chân

Khảo sát động học robot hai chân là nền tảng để hiểu rõ cách thức chuyển động của các hệ thống này. Động học nghiên cứu mối quan hệ giữa các chuyển động của từng bộ phận robot mà không xét đến lực tác dụng. Robot hai chân phải giải quyết bài toán động học thuận (tính vị trí, vận tốc của chi cuối) và động học nghịch (xác định góc quay của các khớp). Sự phức tạp nằm ở việc robot phải duy trì cân bằng động trong quá trình di chuyển. Các chân của robot có nhiều bậc tự do, tương tự như chân con người, yêu cầu các thuật toán điều khiển tinh sophisticated để đảm bảo ổn định.

2.1. Các Phương Pháp Phân Tích Động Học

Phân tích động học robot hai chân sử dụng các phương pháp toán học như ma trận Denavit-Hartenberg và phương pháp Lagrange. Những phương pháp này giúp xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của từng khớp. Kinh học thuận cho phép tính toán vị trí cuối cùng dựa trên các góc khớp, trong khi động học nghịch xác định các góc cần thiết để đạt được vị trí mục tiêu.

2.2. Ứng Dụng Động Học trong Điều Khiển Chuyển Động

Hiểu biết về động học cho phép các kỹ sư lập trình các chuyển động phức tạp cho robot hai chân như đi bộ, chạy, leo cầu thang. Động học cung cấp cơ sở toán học để các hệ thống điều khiển có thể tạo ra các quỹ đạo mượt mà và hiệu quả, đảm bảo robot di chuyển một cách tự nhiên và ổn định.

III. Cân Bằng của Robot Hai Chân

Cân bằng robot hai chân là thách thức lớn nhất trong thiết kế và điều khiển những hệ thống này. Khác với robot có bánh xe hoặc bánh xích, robot hai chân phải duy trì cân bằng động liên tục để tránh ngã. Cân bằng tĩnh đơn giản chỉ đòi hỏi trọng tâm nằm trong đa giác hỗ trợ, nhưng cân bằng động phức tạp hơn nhiều khi robot đang chuyển động. Các thuật toán như ZMP (Zero Moment Point) được sử dụng để đảm bảo ổn định. Robot hai chân cần cảm biến để phát hiện độ nghiêng, gia tốc và lực tác dụng, từ đó điều chỉnh động tác để duy trì cân bằng. ASIMO và QRIO là những ví dụ xuất sắc về cân bằng robot được thực hiện thành công.

3.1. Khái Niệm Zero Moment Point ZMP

Zero Moment Point (ZMP) là điểm trên mặt đất nơi moment quay tổng bằng không. Đây là tiêu chí quan trọng để đảm bảo cân bằng robot hai chân. ZMP phải luôn nằm trong vùng tiếp xúc của chân với mặt đất để robot không bị lật. Bằng cách điều khiển vị trí ZMP, các kỹ sư có thể đảm bảo robot di chuyển một cách ổn định và an toàn.

3.2. Các Cảm Biến và Hệ Thống Điều Khiển Cân Bằng

Robot hai chân được trang bị các cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit), cảm biến lực trong chân để phát hiện sự thay đổi và điều chỉnh cân bằng. Hệ thống điều khiển sử dụng feedback từ các cảm biến này để điều chỉnh góc khớp liên tục, đảm bảo robot duy trì cân bằng động và có khả năng phản ứng với các nhiễu loạn.

IV. Ứng Dụng và Tương Lai của Robot Hai Chân

Robot hai chân đang mở ra những khả năng ứng dụng rộng rãi trong xã hội hiện đại. Từ các robot nổi tiếng như ASIMO của Honda với khả năng đi bộ, chạy bộ, leo cầu thang cho đến QRIO của Sony với 22 bậc tự do cho phép chơi các trò chơi con người. Robot dạng người có tiềm năng phục vụ trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, công việc nhà, giải trí, và giao tiếp con người. Sự kết hợp động học và cân bằng tốt cho phép robot hai chân hoạt động an toàn trong môi trường con người. Những dự án quốc tế như Robot Johnnie, ARMA, Mexi tiếp tục đẩy giới hạn của công nghệ này, hứa hẹn một tương lai nơi robot hai chân thông minh sẽ trở thành phần không thể thiếu của xã hội.

4.1. Các Ứng Dụng Hiện Tại của Robot Hai Chân

Robot hai chân hiện đang được ứng dụng trong các lĩnh vực như hướng dẫn viên tại các sự kiện, robot phục vụ, giải trí, và nghiên cứu. ASIMO có khả năng giao tiếp, nhận dạng, tiếp khách, di chuyển đồ vật. QRIO có thể chơi bóng đá, ném bóng, múa với con người. Những ứng dụng này chứng tỏ tiềm năng của robot dạng người trong tương tác xã hội.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Tương lai của robot hai chân nằm trong việc cải thiện trí tuệ nhân tạo, tăng cường khả năng tự lập, và mở rộng ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, công việc nguy hiểm. Sự phát triển của động học và cân bằng sẽ cho phép robot hai chân thích ứng tốt hơn với các môi trường phức tạp, cuối cùng tạo ra những trợ lý thông minh có thể cộng tác hiệu quả với con người.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAL HOC BACH KHOA HA NOL LUAN VAN THAC Si KHOA HOC KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ CÂN BẰNG CỦA ROEUT HAI CHÂN NGÀNH : CƠ HỌC KỸ THUẬT MÃ SỐ : NGUYÊN QUANG HUY Người hướng dẫn khoa học: PGS. PHAN VĂN ĐỒNG HÀ NỘI - 2006 CHUONG I: TONG QUAN VE ROBOT HAI CHAN 1. Sự ra đời của Robot biết đi: Theo déng 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 va tập chung cao như là các robot dùng trong phẫu thuật, y học, ngoài ra do xã hội cảng van minh thi con người muốn tạo ra những con vật thân thiện de giúp con người giải khuây đỡ buôn. Và ước mơ cao nhất của con người là muốn tạo ra các oe robot giống với con người, có khả năng tư duy, suy nghĩ như con người, Hình 1.1: Minh họa về sự phát triển của robot.

Sự cân thiết của Robot dạng người - Robot công nghiệp không đủ độ linh hoạt trong những môi trường không bị biên đồi. ~ Chưa thân thiên với con người. ~ Cần các công việc mới: Phục vụ, giúp việc nhả cửa, giải trí, ~ Sự tương tác thân thiên với con người. - Giúp đỡ con người trong các môi trường làm việc của con người - Giao tiếp bằng trực giác với nhiều tỉnh huồng bất ngờ.

- Có khả năng lập trình bằng việc thao tác mẫu, - Có khả năng tư duy tết Robot gidng con người là một lĩnh vục rất rộng, tống hợp rất nhiều kiên thức: Cũ cơ họo, công nghệ cơ khí, công nghệ thông lầu, điện, điện Ur, tri tuệ nhận lao, Điều khiển nhiều Xử lý tiếng nói, tric Servo hình ảnh Ủng dụng vi xử Humanoid lý Robot Cơ học, công nghệ cơ khí Kết hợp và xử ly các sensor Hình 1.2: Robot dạng nguời va các Ïĩnh vực liên quan. Cũng với sự phát triển của các nghành khoa học liên quan đã làm thúc đây sự phat triển về robot dang con người, ngày nay đã xuất H cae robot dang ngutst Tit lĩnh hoạt và thông mình như: ASIMo, QRIO,. Một số luai Robot hai chân trên thể giới: } Mét vai Robot dang con người trên thể giới: Univ.5ns 20 ‘Saya in front of rubber skin Kbot Kismet Mexi Hình 1.4: Hình ảnh về một số loại robot đùng trong giao tiép. Các Robot thao tác bằng tay: DLR Hand It FZK-Hand Hình 1.5: Một số robot có hai tay để thao tác.

> Cae du an về Robot dạng người trên thẻ giới ¥ Robot Johnnie ctia truéng Dai hoe TU Munchen. y¥ ARMA ctia SFB 588 Karlsruhe. Y Mexi ciia C-Lab Paderborn. v Trong những năm gan day, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều hãng, tập đoản tung ra các loại robot biết đi, trong đó có một vải loại rất đảng chú ý, như: # ASIMO của HONDA: Đây cỏ lẽ lả loại robot 2 chân phô biển nhất hiện nay, cỏ cỏ khả nãnh 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 (buôn, vui, .), di chuyên đồ vật, tiếp khách, nhận dạng, nghe nhac,.

ASIMO ƒ __Ð 1 Ễ ASIMO Hình 1.4SIMO của HONDA. % Robot QRIO ciia SONY: Đây là loạt robot dạng con người, có 22 bậc tự do, do vay rat linh hoạt, cỏ khã năng chơi các trỏ chơi của con người nhu: Da bong, ném bong, mua quọat,.5ns 20 ‘Saya in front of rubber skin Kbot Kismet Mexi Hình 1.4: Hình ảnh về một số loại robot đùng trong giao tiép. Các Robot thao tác bằng tay: DLR Hand It FZK-Hand Hình 1.5: Một số robot có hai tay để thao tác. > Cae du an về Robot dạng người trên thẻ giới ¥ Robot Johnnie ctia truéng Dai hoe TU Munchen.

y¥ ARMA ctia SFB 588 Karlsruhe. Y Mexi ciia C-Lab Paderborn. v Trong những năm gan day, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều hãng, tập đoản tung ra các loại robot biết đi, trong đó có một vải loại rất đảng chú ý, như: # ASIMO của HONDA: Đây cỏ lẽ lả loại robot 2 chân phô biển nhất hiện nay, cỏ cỏ khả nãnh 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 (buôn, vui, .), di chuyên đồ vật, tiếp khách, nhận dạng, nghe nhac,. ASIMO ƒ __Ð 1 Ễ ASIMO Hình 1.4SIMO của HONDA.

% Robot QRIO ciia SONY: Đây là loạt robot dạng con người, có 22 bậc tự do, do vay rat linh hoạt, cỏ khã năng chơi các trỏ chơi của con người nhu: Da bong, ném bong, mua quọat,. ¥ Robot Johnnie ctia truéng Dai hoe TU Munchen. y¥ ARMA ctia SFB 588 Karlsruhe. Y Mexi ciia C-Lab Paderborn.

v Trong những năm gan day, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều hãng, tập đoản tung ra các loại robot biết đi, trong đó có một vải loại rất đảng chú ý, như: # ASIMO của HONDA: Đây cỏ lẽ lả loại robot 2 chân phô biển nhất hiện nay, cỏ cỏ khả nãnh 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 (buôn, vui, .), di chuyên đồ vật, tiếp khách, nhận dạng, nghe nhac,. ASIMO ƒ __Ð 1 Ễ ASIMO Hình 1.4SIMO của HONDA. % Robot QRIO ciia SONY: Đây là loạt robot dạng con người, có 22 bậc tự do, do vay rat linh hoạt, cỏ khã năng chơi các trỏ chơi của con người nhu: Da bong, ném bong, mua quọat,. ¥ Robot Johnnie ctia truéng Dai hoe TU Munchen.

y¥ ARMA ctia SFB 588 Karlsruhe. Y Mexi ciia C-Lab Paderborn. v Trong những năm gan day, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều hãng, tập đoản tung ra các loại robot biết đi, trong đó có một vải loại rất đảng chú ý, như: # ASIMO của HONDA: Đây cỏ lẽ lả loại robot 2 chân phô biển nhất hiện nay, cỏ cỏ khả nãnh 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 (buôn, vui, .), di chuyên đồ vật, tiếp khách, nhận dạng, nghe nhac,. ASIMO ƒ __Ð 1 Ễ ASIMO Hình 1.4SIMO của HONDA.

% Robot QRIO ciia SONY: Đây là loạt robot dạng con người, có 22 bậc tự do, do vay rat linh hoạt, cỏ khã năng chơi các trỏ chơi của con người nhu: Da bong, ném bong, mua quọat,.5ns 20 ‘Saya in front of rubber skin Kbot Kismet Mexi Hình 1.4: Hình ảnh về một số loại robot đùng trong giao tiép. Các Robot thao tác bằng tay: DLR Hand It FZK-Hand Hình 1.5: Một số robot có hai tay để thao tác. > Cae du an về Robot dạng người trên thẻ giới Hinh 1.11: ORIO - Co kha nang mia quoat.5ns 20 ‘Saya in front of rubber skin Kbot Kismet Mexi Hình 1.4: Hình ảnh về một số loại robot đùng trong giao tiép. Các Robot thao tác bằng tay: DLR Hand It FZK-Hand Hình 1.5: Một số robot có hai tay để thao tác.

> Cae du an về Robot dạng người trên thẻ giới Joint Limits fradf | | Min. Torso Torso pitch -1.5 +85 Lett Leg leR hịp 1 Left hip yaw (6 DOFa) left _hip 2 Left hip pitch left_hip4 Teft hip roll left_knee Left knee pitch left_ankle_1 Left ankle pitch loft_ankla 2 Tott ankle roll Right Teg night hip1 Right hip yaw (6 DOFs) Tight hip2 Right hip pitch Tight hip 3 Right hip roll vight_knee Right knee pitch Tight ankle 1 Right ankle pitch right_ankle_2 Right ankle roll Left Arm Teft_shoulder_1 Left shoulder pitch (3 DOFs) left shoulder 2 Left shoulder roll clbowr Teft clhew pitch Right Arm [night shoulder_1 | Right shoulder pitch @DOIS) | nghị shoukler 2 | Right shoulder roll elbow Right elbow pitch Head Neck yaw @DOFs) [neck ti Neck pitch.2: Các thông số chuyên động của QRIO Joint Limits fradf | | Min. Torso Torso pitch -1.5 +85 Lett Leg leR hịp 1 Left hip yaw (6 DOFa) left _hip 2 Left hip pitch left_hip4 Teft hip roll left_knee Left knee pitch left_ankle_1 Left ankle pitch loft_ankla 2 Tott ankle roll Right Teg night hip1 Right hip yaw (6 DOFs) Tight hip2 Right hip pitch Tight hip 3 Right hip roll vight_knee Right knee pitch Tight ankle 1 Right ankle pitch right_ankle_2 Right ankle roll Left Arm Teft_shoulder_1 Left shoulder pitch (3 DOFs) left shoulder 2 Left shoulder roll clbowr Teft clhew pitch Right Arm [night shoulder_1 | Right shoulder pitch @DOIS) | nghị shoukler 2 | Right shoulder roll elbow Right elbow pitch Head Neck yaw @DOFs) [neck ti Neck pitch.2: Các thông số chuyên động của QRIO Univ.5ns 20 ‘Saya in front of rubber skin Kbot Kismet Mexi Hình 1.4: Hình ảnh về một số loại robot đùng trong giao tiép. Các Robot thao tác bằng tay: DLR Hand It FZK-Hand Hình 1.5: Một số robot có hai tay để thao tác.

> Cae du an về Robot dạng người trên thẻ giới © Dai hoe Wesada cỏ các dự án: Wabot-] (từ năm 1973), WE-4, Wendy. Cac Robot WABOT-2, WE-4, Wendy ø_ Honda: Với dự an Robot ASIMO tir nim 1986, đã đầu tư hơn 100 triệu USD. © SONY véi du án Robot QIRO, gân tiến tới chẻ tạo hàng loạt, được dùng trong giải trí o_ TOYOTA: Đá giới thiệu Robot thôi kẻn tại hoi tro Expo 2005 xf Toyota Hình 1.7: Robot thôi kèn của Toyota. o Nhật Bản: Có dự án Atom, với thời gian là 30 năm © MY: Cé cae Robot: Cog, Kismet, Leo, NurseBot.

o Đức: g je x HEADZ z Fight_shoulder_2 right_shoulder_t HEADY ARM2 right_elbow, ARMA Les? right hip 3 ight hip_2 Fight_ankle_1 Fight_ankie_2 Hinh 1.13: M6 hinh edu trite ctia QRIO % IOHNNE: 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), Hinh 1.11: ORIO - Co kha nang mia quoat.11: ORIO - Co kha nang mia quoat.12: Co kha nding déng dién va hinh anh ORIO sodt vé xe. ao Link [Length] Link [Length 71 mm Waist ARMI | 0.105 | LEGI | 0948 Hip ARM2 | 0.082 | LEG? | 0024 Thigh ARM3 | 0.013 Shank ARM4 | 0142 |IEG4 | 0116 Foot BACKI | 0.048 Tower Arm | 0, 2) |[BODY2 0315 | wAlsTi | 0.032 Head HEADI | 0033 | WAIST2 0.1: Các thông số về cân nặng, cấu trúc của QRIO.11: ORIO - Co kha nang mia quoat. Joint Limits fradf | | Min. Torso Torso pitch -1.