Luận văn thạc sĩ: Động lực học và điều khiển robot đi hai chân

Luận văn thạc sĩ về động lực học và điều khiển robot hai chân. Phân tích chuyển động, bài toán động học ngược và các phương pháp mô phỏng số.

• Tác giả: Trịnh Quốc Trung
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Văn Khang
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Động Lực Học Và Điều Khiển Robot Đi Hai Chân
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA ROBOT HAI CHÂN
• 1.1. Giới thiệu về robot hai chân
• 1.2. Các khái niệm cơ bản của robot hai chân
• 1.2.1. Dáng đi ổn định
• 1.2.2. Điểm moment triệt tiêu ZMP
• 1.2.3. Điểm moment triệt tiêu FZMP
• 1.2.4. Các điểm ZMP, FZMP và CoP
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT HAI CHÂN
• 2.1. Phân tích các giai đoạn chuyển động
• 2.1.1. Giai đoạn khởi động
• 2.1.2. Giai đoạn chuyển động bước ổn định
• 2.1.3. Giai đoạn dừng
• 2.1.4. Tính chu kỳ của robot hai chân khi bước đi
• 2.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động
• 2.2.1. Pha một chân trụ
• 2.2.2. Pha hai chân trụ
• 2.2.3. Các quỹ đạo động học
• 2.2.4. Điều kiện bộ tham số đảm bảo bài toán động học ngược giải được
• 2.3. Bài toán động học ngược robot hai chân
• 2.3.1. Phát biểu bài toán
• 2.3.2. Phương pháp Newton – Raphson cải tiến giải bài toán động học ngược
• 2.3.3. Mô phỏng số động học ngược robot hai chân
• 2.3.4. Một phương pháp thiết kế quỹ đạo khớp của robot hai chân
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HAI CHÂN
• 3.1. Phương trình Lagrange loại 2 cho hệ nhiều vật
• 3.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot hai chân sử dụng các toạ độ khớp tuyệt đối
• 3.3. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot hai chân sử dụng các toạ độ khớp tương đối
• 3.4. Động lực học ngược robot hai chân
• 3.4.1. Robot hai chân ở pha một chân trụ
• 3.4.2. Robot hai chân ở pha hai chân trụ
• 3.5. Phương pháp số giải phương trình vi phân
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT HAI CHÂN TRONG PHA MỘT CHÂN TRỤ
• 4.1. Điều khiển PD
• 4.1.1. Điều khiển PD robot dạng chuỗi
• 4.1.2. Điều khiển PD cho robot hai chân
• 4.2. Điều khiển trượt
• 4.2.1. Điều khiển trượt robot dạng chuỗi
• 4.2.2. Điều khiển trượt cho robot
• 4.3. Điều khiển robot theo nguyên lý trượt sử dụng mạng nơ ron
• 4.3.1. Điều khiển robot dạng chuỗi theo nguyên lý trượt sử dụng mạng nơ ron
• 4.3.2. Điều khiển robot hai chân theo nguyên lý trượt sử dụng mạng nơ ron
• 4.4. Các kết quả mô phỏng số
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
• PHỤ LỤC 2: GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC
• PHỤ LỤC 3: MÔ HÌNH SIMULINK

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản về Robot Hai Chân

Robot hai chân là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong cơ điện tử hiện đại. Đây là các thiết bị tự động hóa được thiết kế để bước đi và di chuyển giống như con người. Việc nghiên cứu động lực học robot hai chân giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển động, cân bằng và điều khiển chuyển động của robot. Các khái niệm cơ bản bao gồm dáng đi, chu kỳ bước, cũng như các điểm đặc biệt như ZMP (Zero Moment Point) và CoP (Center of Pressure). Những kiến thức này là nền tảng cho việc thiết kế và điều khiển robot hai chân hoạt động hiệu quả trong thực tế.

1.1. Các Khái Niệm về Dáng Đi và Chu Kỳ Bước

Dáng đi (gait) là mô hình chuyển động của robot khi bước. Chu kỳ bước bao gồm các giai đoạn: giai đoạn khởi động, giai đoạn chuyển động ổn định, và giai đoạn dừng. Mỗi chu kỳ bước được chia thành pha một chân trụ (Single Support Phase - SSP) và pha hai chân trụ (Double Support Phase - DSP), đảm bảo tính ổn định của robot trong quá trình chuyển động.

1.2. Điểm ZMP và CoP trong Điều Khiển Cân Bằng

Điểm ZMP (Zero Moment Point) là điểm mà tại đó moment ngoại lực bằng không. FZMP là hình chiếu của ZMP lên mặt phẳng. Điểm CoP (Center of Pressure) đại diện cho tâm áp lực tác dụng lên chân. Duy trì ZMP trong vùng hỗ trợ là điều kiện cần thiết để đảm bảo robot không bị ngã, do đó các bộ điều khiển robot cần liên tục giám sát và điều chỉnh vị trí ZMP.

II. Động Lực Học Ngược của Robot Hai Chân

Động lực học ngược (Inverse Dynamics) là quá trình xác định các moment và lực cần thiết để tạo ra chuyển động mong muốn. Trong luận văn động lực học và điều khiển robot hai chân, việc phân tích các giai đoạn chuyển động rất quan trọng. Phương trình Lagrange loại 2 được sử dụng để thiết lập phương trình vi phân chuyển động. Bài toán động học ngược liên quan đến việc tính toán các góc khớp từ vị trí mong muốn của end-effector. Các kỹ thuật như phương pháp Newton-Raphson cải tiến được áp dụng để giải quyết bài toán này một cách hiệu quả và chính xác.

2.1. Các Giai Đoạn Chuyển Động của Robot

Giai đoạn khởi động là pha bắt đầu chuyển động từ trạng thái đứng yên. Giai đoạn chuyển động ổn định là lúc robot bước đi với nhịp điệu ổn định. Giai đoạn dừng là quá trình robot giảm tốc độ và quay trở về trạng thái đứng yên. Mỗi giai đoạn có các yêu cầu riêng về moment phát động và sai số góc khớp để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.2. Thiết Kế Quỹ Đạo và Phương Pháp Giải

Thiết kế quỹ đạo chuyển động xác định đường đi mong muốn cho các khớp. Phương pháp Newton-Raphson cải tiến được sử dụng để giải bài toán động học ngược robot hai chân. Các tham số của robot, bao gồm chiều dài các khâu và khối lượng, phải được xác định chính xác. Mô phỏng số giúp xác minh tính chính xác của quỹ đạo và kiểm tra hiệu suất trước khi triển khai thực tế.

III. Các Phương Pháp Điều Khiển Robot Hai Chân

Điều khiển robot hai chân đòi hỏi sự kết hợp của nhiều kỹ thuật khác nhau. Các bộ điều khiển PID, Sliding Mode (SM), và Newton-Raphson (NR) là những phương pháp phổ biến. Mỗi bộ điều khiển có ưu và nhược điểm riêng trong việc xử lý độ bất định trong hệ thống. Moment phát động phải được tính toán chính xác để tránh làm hư hại robot. Sai số góc khớp là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu suất bộ điều khiển. Các thử nghiệm mô phỏng với độ bất định 0% và 30% cho phép đánh giá khả năng thích ứng của bộ điều khiển trong các điều kiện thực tế khác nhau.

3.1. Bộ Điều Khiển PID và Hiệu Suất

Bộ điều khiển PID là phương pháp cổ điển, đơn giản nhưng hiệu quả. Nó giám sát sai số góc khớp và điều chỉnh moment phát động dựa trên ba thành phần: tỉ lệ, tích phân và vi phân. Thời gian mô phỏng cho bộ PID thường ổn định với độ bất định thấp nhưng có thể dao động khi độ bất định tăng lên 30%.

3.2. Bộ Điều Khiển Sliding Mode và Newton Raphson

Bộ điều khiển Sliding Mode (SM) cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn so với PID. Bộ điều khiển Newton-Raphson (NR) sử dụng mô hình toán học để dự đoán và điều chỉnh chuyển động. Cả hai phương pháp đều cho thấy moment phát động ổn định hơn và sai số góc khớp nhỏ hơn khi đối mặt với độ bất định 30%.

IV. Ứng Dụng và Kết Quả Nghiên Cứu

Luận văn động lực học và điều khiển robot hai chân cung cấp những kết quả nghiên cứu quan trọng cho lĩnh vực cơ điện tử. Các mô phỏng được thực hiện trên robot hai chân với kích thước nhỏ cho thấy tính khả thi của các phương pháp điều khiển khác nhau. Moment phát động, sai số góc khớp và thời gian mô phỏng được so sánh chi tiết với các độ bất định khác nhau. Kết quả cho thấy bộ điều khiển Newton-Raphson có hiệu suất tốt nhất trong các điều kiện bất ổn định. Những phát hiện này có thể được áp dụng để cải thiện thiết kế robot nhân tạo như WABOT, HRP series, Asimo và PETMAN, góp phần nâng cao khả năng tự động hóa và robot học trong tương lai.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng và So Sánh

Mô phỏng số bước đi ổn định cho thấy hiệu suất của các bộ điều khiển khác nhau. Moment phát động của bộ PID, SM và NR được vẽ biểu đồ để so sánh. Sai số góc khớp và thời gian mô phỏng cũng được ghi lại với độ bất định 0% và 30%. Bộ NR cho kết quả tối ưu nhất về độ chính xác và ổn định.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Các kết quả từ luận văn mở ra những hướng nghiên cứu mới trong điều khiển robot hai chân. Công nghệ này có thể được mở rộng đến robot có cấu trúc phức tạp hơn, robot lưỡng chân cao hơn, và các ứng dụng thực tế như robot chăm sóc, robot công nghiệp. Kết hợp với trí tuệ nhân tạo và machine learning, robot có thể học tập từ môi trường và cải thiện khả năng chuyển động của chúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CUA ROBOT HAI CHẲN. Giới thiệu về robot hai chân 1. Các khái niệm cơ bản của robot hai chân.

Dáng di dn din 1. Diểm moment triệt tiêu ZMP. Điểm moment triệt tiêu AMP. Các điểm ZMP, FZMP và CoP.

àcieirieeerree Chương2. DỘNG LIỌC NGƯỢC ROBOT IIAI CHÂN. Phân tích các giai đoạn chuyển động, 2. Giai đoạn khởi động 2.

Giai đoạn chuyển động bước én định. Giai đoạn đừng 2. Tỉnh chủ kỳ của robot hai chân khi bước đi. Thiết kế quỹ đạo chuyển động 3.

Pha một chân trụ. XU HH HH Hung reren 3. Pha hai chân trụ. Các kỹ đị động học.

Điều kiện bộ tham số đảm bảo bài toán động học ngược giải được 2. Hài toán động học ngược robot hai chân. Phát biểu bái toán. Các ký hiệu được sử dụng và miêu tả các kí hiệu.

Các tham số của robot hai chân lich thước nhỏ 26 Bang 3. Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 094. Moment phát động 3 bộ điều khiến với độ bất định 30% - -. Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0% - 111 Bang 6.

Sai số góc khớp của 3 bộ điểu khiển với độ bất định 30% -. Thời gian mỏ phủng của 3 bộ điều khiển với độ bắt Tiảng 8. Thời gian mỏ phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%. 115 Bang 9, Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 0.

Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%. Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0%. Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%. Thời gian mồ phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0%.

Thời gian mô phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%. Đỗ thị moment phát động 1 bước ôn định của bộ PID Hình 46. Đỗ thị sai số góc khớp 1 bước Ổn định của bộ PID. Đồ thị moment phát động 1 bước ổn định của bộ 8L Hinh 48.

Đề thị sai số góc khớp 1 bước Ổn định của bộ ST, Tình 49. Đề thị mơmenl phát động 1 bước ôn định của bộ NR. Đã thị sai số góc khớp 1 bước én định của bộ NR. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình [.

Robot WABTAN —2 của trường dai hoe Waseda. Các dòng sản phẩm robot dáng người PI, 2, 3, 4 và Asimo của Hunda 11 Hình 3. Các Robot HRP — 2, HRP —3. Rebet PETMAN của Boston Dvnamic.

Các mặt phẳng cơ sở để nghiên cứu robot dáng người Tĩnh 6. Tình biểu điển một chủ kỳ bước Tình 7. 1ình vẽ biểu diễn áp lực tầng hợp va vi tri cla CoP Ilinh 8. Luc va moment tac dung va ban chan Hình 9.

Quan hệ giita cdc diém ZMP, FZMP va CoP. Mé hinh robot hai chin có 5 khâu, llinh 11. “Tỉnh chủ kỳ của robot hai chân khi bước. Chuyển động bước của robot hai chân.

Chuyển động của robot hai chân ở pha hai chẳn trụ. Lưu đồ thuật toán của phương pháp Newton Raphson cảitiển. Đỗ thị của hỏng ở giai đoạn khởi động và một bước đi ổn định. Đồ thị chân bước ở giai doạn khởi động và một.

bước di ôn định. Đỗ thị các gỏc các khớp khả robot đi 3 bước. Đỗ thị vận tốc góc các khớp khi robot đi 3 bước. Đề thị gia tốc góc các khép khi robot đi 3 bước THìmh 20.

Mô phông bước di của robot hai chân Hình 21. Bước bắt đầu và đỗ thị các góc. Các ký hiệu được sử dụng và miêu tả các kí hiệu. Các tham số của robot hai chân lich thước nhỏ 26 Bang 3.

Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 094. Moment phát động 3 bộ điều khiến với độ bất định 30% - -. Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0% - 111 Bang 6. Sai số góc khớp của 3 bộ điểu khiển với độ bất định 30% -.

Thời gian mỏ phủng của 3 bộ điều khiển với độ bắt Tiảng 8. Thời gian mỏ phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%. 115 Bang 9, Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 0. Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%.

Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0%. Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%. Thời gian mồ phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0%. Thời gian mô phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%.116 DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHU VIET TAT SIT Ky higu Chủ giải 1 DS Hai chan ty 2 SP Mét chin ty 3 SP Da giac by ving 4 DSP Pha hai chan try 5 SSP Phamộtchãntrụ 6 CoM Khổilâm 7 FCoM_ Hình chiếu khối tâm lên mặt nhẳng nên 8 ZMP Điểm mô men triệt tiêu 9 CoP Tâmáplực 10 FZMP Diém mé men triét tiêu ào ° 3.

Phương pháp Newton — Raphson cải tiển giải bài toán động học ngược 42 3. Mô phỏng số động hục ngược robot hai chân. Một phương pháp thiết kế quỹ đạo khớp của robot hai chân. DỘNG LỰC HỌC ROBOT HIAI CHÂN.

Phương trình Lagrange loai 2 cho hé nhiều vật. Thiết lập phương trinh vị phân chuyển động cúa robot hai chân sử dụng các Loạ độ khớp tuyệt đối .3, Thiết lập phương trình vị phân chuyên động của robot hai chân sử dụng cáo tọa độ khớp tương đổi 73 3.4, Động lực học ngược robot hai chân. si nneerieerre wD 3. Robot hai chan & pha mgt chin tn.

Robot hai chân ở phá hai chân Irụ 84 3. Phương pháp số giái phương trình vĩ phên. ĐIỀU KHIÊN CHUYÊN DONG CUA ROBOT HALCHAN TRONG PIA MOT CIIAN TRI 87 41. Bidu khién PD - 2 88 4.

Điều khiển PD robot đạng chuỗ. Điền khiển PD cho robot hai chân - 90 4. Điều khiển trượt. TH HH HH1 eerre se.

Điều khiển trượt roboL dạng chuỗi. Didu khiéu trượt cho robot. Diều khiến robot theo nguyên lý trượt sử đụng mạng nơ rơn. Điều khiển robot dạng chuỗi theo nguyên lý trượt sử dụng, mạng, nơ ron98 4.2, Diều khiển robot hai chân theo nguyên lý trượt sử dụng mạng nơ ron.

Các kết quả mô phỏng sỐ. - - - 106 TÀI LIỆU THAM KHÁO. - - ~ 118 PHY LUC 1: TINH TOAN ĐỘNG LỰC HỌC. d 21 PHU LUC 2: GAT BAT TOAN BONG LUC HOCCNGƯỢC - -.128 PHỤ LỤC 3: MỎ HÌNH SIMULIRK.

Phương pháp Newton — Raphson cải tiển giải bài toán động học ngược 42 3. Mô phỏng số động hục ngược robot hai chân. Một phương pháp thiết kế quỹ đạo khớp của robot hai chân. DỘNG LỰC HỌC ROBOT HIAI CHÂN.

Phương trình Lagrange loai 2 cho hé nhiều vật. Thiết lập phương trinh vị phân chuyển động cúa robot hai chân sử dụng các Loạ độ khớp tuyệt đối .3, Thiết lập phương trình vị phân chuyên động của robot hai chân sử dụng cáo tọa độ khớp tương đổi 73 3.4, Động lực học ngược robot hai chân. si nneerieerre wD 3. Robot hai chan & pha mgt chin tn.

Robot hai chân ở phá hai chân Irụ 84 3. Phương pháp số giái phương trình vĩ phên. ĐIỀU KHIÊN CHUYÊN DONG CUA ROBOT HALCHAN TRONG PIA MOT CIIAN TRI 87 41. Bidu khién PD - 2 88 4.

Điều khiển PD robot đạng chuỗ. Điền khiển PD cho robot hai chân - 90 4. Điều khiển trượt. TH HH HH1 eerre se.

Điều khiển trượt roboL dạng chuỗi. Didu khiéu trượt cho robot. Diều khiến robot theo nguyên lý trượt sử đụng mạng nơ rơn. Điều khiển robot dạng chuỗi theo nguyên lý trượt sử dụng, mạng, nơ ron98 4.2, Diều khiển robot hai chân theo nguyên lý trượt sử dụng mạng nơ ron.

Các kết quả mô phỏng sỐ. - - - 106 TÀI LIỆU THAM KHÁO. - - ~ 118 PHY LUC 1: TINH TOAN ĐỘNG LỰC HỌC. d 21 PHU LUC 2: GAT BAT TOAN BONG LUC HOCCNGƯỢC - -.128 DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHU VIET TAT SIT Ky higu Chủ giải 1 DS Hai chan ty 2 SP Mét chin ty 3 SP Da giac by ving 4 DSP Pha hai chan try 5 SSP Phamộtchãntrụ 6 CoM Khổilâm 7 FCoM_ Hình chiếu khối tâm lên mặt nhẳng nên 8 ZMP Điểm mô men triệt tiêu 9 CoP Tâmáplực 10 FZMP Diém mé men triét tiêu ào ° Bang Ì.

Các ký hiệu được sử dụng và miêu tả các kí hiệu. Các tham số của robot hai chân lich thước nhỏ 26 Bang 3. Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 094. Moment phát động 3 bộ điều khiến với độ bất định 30% - -.

Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0% - 111 Bang 6. Sai số góc khớp của 3 bộ điểu khiển với độ bất định 30% -. Thời gian mỏ phủng của 3 bộ điều khiển với độ bắt Tiảng 8. Thời gian mỏ phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%.

115 Bang 9, Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 0. Moment phát động 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%. Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0%. Sai số góc khớp của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%.

Thời gian mồ phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 0%. Thời gian mô phỏng của 3 bộ điều khiển với độ bất định 30%.116 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình [. Robot WABTAN —2 của trường dai hoe Waseda. Các dòng sản phẩm robot dáng người PI, 2, 3, 4 và Asimo của Hunda 11 Hình 3.

Các Robot HRP — 2, HRP —3. Rebet PETMAN của Boston Dvnamic. Các mặt phẳng cơ sở để nghiên cứu robot dáng người Tĩnh 6. Tình biểu điển một chủ kỳ bước Tình 7.

1ình vẽ biểu diễn áp lực tầng hợp va vi tri cla CoP Ilinh 8. Luc va moment tac dung va ban chan Hình 9. Quan hệ giita cdc diém ZMP, FZMP va CoP. Mé hinh robot hai chin có 5 khâu, llinh 11.

“Tỉnh chủ kỳ của robot hai chân khi bước. Chuyển động bước của robot hai chân. Chuyển động của robot hai chân ở pha hai chẳn trụ. Lưu đồ thuật toán của phương pháp Newton Raphson cảitiển.

Đỗ thị của hỏng ở giai đoạn khởi động và một bước đi ổn định. Đồ thị chân bước ở giai doạn khởi động và một. bước di ôn định. Đỗ thị các gỏc các khớp khả robot đi 3 bước.

Đỗ thị vận tốc góc các khớp khi robot đi 3 bước. Đề thị gia tốc góc các khép khi robot đi 3 bước THìmh 20. Mô phông bước di của robot hai chân Hình 21. Bước bắt đầu và đỗ thị các góc.

PHỤ LỤC 3: MỎ HÌNH SIMULIRK. Bước đi ổn định và đồ thị cảc góc. Chuyển từ thiét ké qui dao theo ham bac nhat thanh ham sin.