Luận văn Thạc sĩ: Tính toán, phân tích và mô phỏng động học Robot ShrimpII

Tài liệu luận văn thạc sĩ robot ShrimpII, phân tích sâu về tính toán, mô phỏng động học và động lực học, cơ cấu chuyển động và vượt chướng ngại vật.

• Tác giả: Nguyễn Văn Dương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Doanh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Tính Toán, Phân Tích, Mô Phỏng Động Học Và Động Lực Học Robot Shrimpiil
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot ShrimpII và Tầm quan trọng của Phân tích Động học

Robot ShrimpII là một mẫu robot tự hành tiên tiến được phát triển bởi công ty Bluebotics, đại diện cho một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy. Luận văn của Nguyễn Văn Dương tập trung vào tính toán, phân tích, mô phỏng động học và động lực học của robot này. Việc nghiên cứu động học và động lực học robot không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động mà còn tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định khi di chuyển trên các địa hình phức tạp. Robot ShrimpII với 8 bánh độc lập có khả năng vượt qua các vật cản và bậc thang, đòi hỏi một phân tích chi tiết về các lực và mô-men tác động lên từng thành phần.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của Robot ShrimpII

Robot ShrimpII sở hữu kết cấu 8 bánh đặc biệt với hệ thống liên kết qua khớp trụ và khớp cầu. Mỗi bánh được trang bị động cơ dẫn động riêng, cho phép robot thực hiện các chuyển động linh hoạt và chính xác. Cấu trúc này giúp robot duy trì cân bằng và phân tán lực đều khi di chuyển trên các địa hình gồ ghề, làm cho ShrimpII trở thành một giải pháp tối ưu cho các ứng dụng thám hiểm và cứu hộ.

1.2. Mục đích của luận văn thạc sĩ

Luận văn do TS. Nguyễn Trọng Doanh hướng dẫn nhằm mục đích phân tích chi tiết động học và động lực học của robot ShrimpII. Thông qua tính toán toán học và mô phỏng máy tính, tác giả đã tìm ra các mối quan hệ giữa lực tác động, chuyển động của robot, từ đó đưa ra giải pháp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của robot trong các tình huống thực tế.

II. Phân tích Động học Robot ShrimpII

Động học robot là lĩnh vực nghiên cứu mối quan hệ giữa vị trí, vận tốc và gia tốc của các khâu robot mà không xem xét đến các lực gây ra chuyển động. Đối với robot ShrimpII, việc phân tích động học bao gồm việc xác định vị trí từng bánh, vận tốc tuyến tính và góc của khung robot khi nó di chuyển từ điểm P đến điểm G. Luận văn thể hiện mô hình động học robot qua các phương trình toán học, giúp dự đoán chính xác quỹ đạo chuyển động. Điều này đặc biệt quan trọng khi robot cần vượt bậc thang, quay vòng hay chuyên hướng trên các địa hình phức tạp. Phân tích động học cung cấp nền tảng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển hiệu quả.

2.1. Mô hình động học robot di chuyển trên nền phẳng

Khi robot ShrimpII di chuyển trên nền phẳng, các bánh tiếp xúc đều với mặt đất, cho phép sử dụng mô hình động học đơn giản. Thông qua phương trình vận tốc của từng bánh, ta có thể tính được vận tốc tổng hợp của khung robot. Phân tích này giúp tối ưu hóa tốc độ di chuyển và đảm bảo ổn định khi robot hoạt động trên các bề mặt bằng phẳng.

2.2. Động học khi vượt vật cản và bậc thang

Khi robot vượt bậc thang hay vật cản lệch, các bánh không còn tiếp xúc đều với mặt đất. Mô hình động học phức tạp hơn được áp dụng, tính đến việc một số bánh rời khỏi mặt đất. Luận văn chi tiết các trạng thái cặp bánh 31 và 32 vượt bậc thang, cùng với trạng thái bánh cuối vượt thành đứng. Phân tích này quan trọng để đảm bảo robot không bị lật và duy trì quán tính trong quá trình vượt chướng ngại vật.

III. Phân tích Động lực học Robot ShrimpII

Động lực học robot nghiên cứu mối quan hệ giữa các lực và chuyển động mà lực gây ra. Đối với robot ShrimpII, phân tích động lực học bao gồm việc tính toán lực ma sát, lực trọng trường, mô-men xoắn từ các động cơ, và phản lực từ mặt đất. Mục tiêu là xác định lực tối thiểu cần thiết cho động cơ để robot có thể di chuyển, vượt vật cản, và duy trì cân bằng. Luận văn sử dụng phương trình Newton và nguyên lý D'Alembert để thiết lập các phương trình động lực học. Phân tích này rất quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền động và lựa chọn động cơ phù hợp có đủ công suất và mô-men xoắn để robot hoạt động ổn định.

3.1. Tính toán lực và mô men xoắn trên các bánh

Mỗi bánh của robot ShrimpII được trang bị động cơ riêng phải cung cấp mô-men xoắn đủ để kéo khung robot. Luận văn tính toán lực ma sát giữa bánh và mặt đất, lực cản từ vật cản, và mô-men cần thiết cho từng bánh. Phân tích chi tiết này giúp chọn động cơ có công suất tối ưu, tránh tiêu tốn năng lượng quá mức hoặc động cơ không đủ sức.

3.2. Phân tích lực khi robot vượt bậc thang

Khi robot vượt bậc thang, các lực tác động không đối xứng lên các bánh. Bánh phía trước phải chịu lực nâng lớn hơn, trong khi bánh phía sau phải đẩy robot lên. Luận văn phân tích phân bố lực trên từng cặp bánh, từ đó tính lực cần thiết để robot không bị mắc kẹt hoặc lật. Kết quả này hướng dẫn thiết kế cơ cấu và chọn loại động cơ phù hợp.

IV. Ứng dụng và Kết luận của Luận văn Robot ShrimpII

Luận văn về robot ShrimpII không chỉ có giá trị học thuật mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Các kết quả phân tích động học và động lực học có thể được áp dụng để thiết kế và cải tiến các robot tự hành tương tự. Robot ShrimpII, với khả năng vượt địa hình phức tạp, có tiềm năng ứng dụng trong nhiệm vụ thám hiểm, cứu hộ sau thảm họa, kiểm tra cơ sở hạ tầng, và các môi trường nguy hiểm. Các kỹ thuật phân tích được trình bày trong luận văn có thể mở rộng cho các mẫu robot khác với cấu trúc bánh tương tự. Đóng góp của luận văn vào lĩnh vực công nghệ chế tạo máy giúp nâng cao trình độ kỹ thuật và khả năng cạnh tranh trong ngành công nghiệp robot Việt Nam.

4.1. Các ứng dụng thực tế của robot ShrimpII

Robot ShrimpII có thể áp dụng trong thám hiểm các vùng bị sự cố, kiểm tra đường ống ngầm, khảo sát địa hình núi non, và các nhiệm vụ cứu hộ. Khả năng vượt bậc thang và duy trì ổn định trên địa hình gồ ghề làm cho robot này vượt trội so với các mẫu khác. Các phân tích động học và động lực học giúp tối ưu hóa hiệu suất của robot trong những tình huống thực tế phức tạp.

4.2. Hướng phát triển và đóng góp của luận văn

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho các robot tự hành hiện đại. Các phương pháp tính toán và mô phỏng được trình bày có thể áp dụng cho thiết kế robot thế hệ tiếp theo. Đóng góp này nâng cao trình độ kỹ thuật trong lĩnh vực robôtics và automation ở Việt Nam, giúp tập đoàn công nghiệp phát triển các sản phẩm cạnh tranh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE ROBOT TU HANH.1 Một số mẫu robot tự hành nổi tiếng trên thế giới. Một số kết cầu bảnh dẫn động và điều khiển đặc biệt của robot tự hảnh. 13 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC RÔBOT SHRIMPII. Giới thiệu phương pháp 3D-Odometry.2 Phương pháp 3D-Odometry.1 Sự dịch chuyển của giá chuyển hướng.

DS dighieNibjllil3DDlsnasssesasseehaiBiaddinidRtisdtliEOEDSHHE01L00000/48A.20800 sazsan đối Vi KỆ HRẩucoaxccesusansoaoe gái 25) CHƯƠNG 3: MÔ PHÒNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TỰ HANH SHRIMPIII. Thiết lập phương trình truyền đông giữa động cơ vả robot.2 Phân tích các thảnh phần trong kết cầu của robot tư hành ShrimpHI.1Cơ cầu hình bình hành (chân giữa) Sun ãtg Hàn Hinh ghDc2606008 3806 s38) 3.2 Chân linh hoạt (chân trước) của Robot ShimpIIL.3 Chân sau (chân cổ định) ngảm cửng với thân robot. Tinh toan chiéu cao vat can tối đa robot ShrimpHII có thể vượt qua được.1 Chiêu cao lớn nhất của vật cản ma chan trước robot Shrimplll cé the vượt qua40 3.2 Chiều cao lớn nhất của vật cản mà 2 bảnh ở chân bên cỏ thể vượt qua 43 3.4 Đông học vả đông lực học trong di chuyên tự hành của robot ShrimpIII 45 3.1Rebot ShrimpIII di chuyên trên địa hình coi như phẳng, 46 3.2Giai đoạn từ khi bánh chân trước ShrimpIII tiếp xúc đến khi leo hết bậc thang, đầu tiền.3 Bảnh chân trước lên bám bẻ mặt bậc 2 trong khi các bánh còn lai van nam 6 be mặt bậc 1. _ ns ng 8 st s1 Học viên: Nguyễn Lăn Dương Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GIHD: TS Nguyễn Trọng Doanh —= ove Hình 2.

của robot Hình 2.2: Sự địch chuyển của B tại vị trí † và t+l Hình 2.3: Sw dich chuyên của giá chuyển hướng.4: 3D-Odometry và các biển Hình 2.5: Quỹ đạo của tâm trọng lực khi leo cầu thang 17em.1: Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi đông cơ dẫn động bánh Hình 3.2: Cơ cầu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân robot ShrimpIlI Hình 3.3: Đặc tính cơ học ( khỏp thắp) của cơ cầu Hình 3.4: Khả năng linh hoạt vượt địa hình eủa cặp bánh bên thân robot ShrimpHII Hình 3.5: So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu Hình 3.6: Kết cấu ebân trước robot ShrimpIIT Hình 3.7: Ä/guyên lý dịch chuyển của chân trước robot ShirmpllI Hình 3.8: Thông số kỹ thuật của chân trước robot ShrimpIlI Hình 3.9: Chân rước với các thông số kích thước chiều dài Hình 3.10: Biểu đồ mô phỏng qui dao chuyên động của tâm bảnh trước T,(x.y) khi thay đối thông số chiều dài khâu e và khâu d Hình 3.11: Kết cấu chân sau (chân cố định với thân robor) Hình 3.12: Sơ đồ tính độ nâng lên của bánh trước khi leo qua vật cảm Hình 3.13: Kết cấu hình bình hành ở trạng thái fĩnh trên nên phẳng Hình 3.14: Kết cấu chân (hbh) ở trạng thải vượt vật cản.15: Robot Shrimplll di chuyén trén nén phéng Hinh 3.16: Quy d6r hee tac dung về tính trên mỗi hệ động cơT— bánh dan.17: Đáp ứng tốc độ quay (n), dòng phần ứng (i,) khi có bước nhảy điên áp (w) Hình 3.18: Bánh chân trước ShrimplHI tiếp xúc và leo hết bậc câu thang Hình 3.19: Bánh chân trước nằm vượt qua bậc thang thứ ] Hình 3.20: Bánh 21 và 22 vượt mặt đứng bậc thang Hình 3.21: Trạng thái 3 bảnh trước vượt hết bậc trongkhi 3 bánh sau chưa vượt Học viên: Nguyễn Lăn Dương Trang 3 Luận văn tốt nghiệp ==————=——ễ—_-———.———GIHD: TS Nguyễn Trọng Doanh Hinh 1. Mantis Robot Đặc điểm của Robot Mantis la khả năng leo địa hình đặc biệt là cầu thang. Tuy nhiên về kết câu phân cơ khí của hệ thông thì còn nhiêu yếu tổ chưa hoàn hảo khi chuyển đông. Hình dạng bánh không cân xửng dẫn tới mắt cân bằng và phan bé lực không đều khi chuyên động.

Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA Đặc điểm của các mẫu robốt tự hành này là tính n định vả bên vững trước những yêu tô tác động của môi trường. Được trang bị những hệ thống cảm biên hiện đại và hệ thông điều khiển tôi ưu. Năng lượng cấp cho toản hệ thông được chuyên đối trực tiếp từ năng lượng tự nhiên (năng lượng từ mặt trời) thông qua hệ thống pin quang học. Học viên: Nguyễn Lăn Dương Trang 9 Luận văn tốt nghiệp GIHD: TS Nguyễn Trọng Doanh —= ove LOI NOI DAU Khi nhac toi “Robot te hanh” ta biét rang day 14 mot linh vie cong nghé cao có ứng dụng rộng lớn vả ngay cảng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội khi con người ngày cảng muôn trảnh tiếp xúc với môi trường, tác nhân gây hại cho cơ thể như làm việc trong các phỏng phản ứng hạt nhân, phòng phân tích hoả học độc hại, đỏ tìm bom mìn, chữa chảy tự động v.

Robot tư hành không. còn là lĩnh vực mới mẻ đổi với các nước có nên khoa học kỹ thuật phát triển. đổi với Việt Nam đây van còn là một lĩnh vực còn rắt mới cả vẻ kiên thức lẫn công nghệ. Để có thể giải được các bài toản đặt ra trong đi chuyên tự hành của robot là một vấn để rất khó khăn đỏi hỏi người thiết kế phải có kiến thức vẻ lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Trên thể giới hiện nay đã có nhiều mẫu robot tự hành được thiết kế, chế tạo vả đưa vào thử nghiệm thực trong những nhiệm vụ đặc biệt. Mỗi loại robot từ hành lại có một ưu điểm và tính năng riêng nhưng những robot tự hảnh cỏ khả năng vượt được vật cản có thành thẳng đứng thì số lượng lả không nhiều. Vả trong số ít đó mẫu robot tự hành Shrimp của hãng Bluebotics Thuy Sỹ có những tính năng. đặc biệt và ân tượng nhất.

khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: Thăm đò mủn, khảo sát địa hình nguy hiểm. Lâm việc trong phòng thí nghiêm hoa học hay phản ứng hạt nhân. Khi ShrimplII đủ độ cững vững và ôn định thì nó còn có một thể mang tải để thực hiện nhiệm vụ chữa chảy. Được sự đồng ý của bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy.

Sự hướng dẫn vả chỉ đạo tận tỉnh của TS. Nguyễn Trọng Doanh. Tôi đã có nhiều thuận lợi khi thực hiện để tải “TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, MÔ PHÒNG ĐỘNG HOC VA DONG LUC HOC ROBOT SHRIMPIII” Hoc vién: Nguyén Vin Duong Trang 5 Luận văn tốt nghiệp ==————=——ễ—_-———.———GIHD: TS Nguyễn Trọng Doanh Hinh 1. Mantis Robot Đặc điểm của Robot Mantis la khả năng leo địa hình đặc biệt là cầu thang.

Tuy nhiên về kết câu phân cơ khí của hệ thông thì còn nhiêu yếu tổ chưa hoàn hảo khi chuyển đông. Hình dạng bánh không cân xửng dẫn tới mắt cân bằng và phan bé lực không đều khi chuyên động. Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA Đặc điểm của các mẫu robốt tự hành này là tính n định vả bên vững trước những yêu tô tác động của môi trường. Được trang bị những hệ thống cảm biên hiện đại và hệ thông điều khiển tôi ưu.

Năng lượng cấp cho toản hệ thông được chuyên đối trực tiếp từ năng lượng tự nhiên (năng lượng từ mặt trời) thông qua hệ thống pin quang học. Học viên: Nguyễn Lăn Dương Trang 9 Luận văn tốt nghiệp GIHD: TS Nguyễn Trọng Doanh —= ove Hình 2. của robot Hình 2.2: Sự địch chuyển của B tại vị trí † và t+l Hình 2.3: Sw dich chuyên của giá chuyển hướng.4: 3D-Odometry và các biển Hình 2.5: Quỹ đạo của tâm trọng lực khi leo cầu thang 17em.1: Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi đông cơ dẫn động bánh Hình 3.2: Cơ cầu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân robot ShrimpIlI Hình 3.3: Đặc tính cơ học ( khỏp thắp) của cơ cầu Hình 3.4: Khả năng linh hoạt vượt địa hình eủa cặp bánh bên thân robot ShrimpHII Hình 3.5: So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu Hình 3.6: Kết cấu ebân trước robot ShrimpIIT Hình 3.7: Ä/guyên lý dịch chuyển của chân trước robot ShirmpllI Hình 3.8: Thông số kỹ thuật của chân trước robot ShrimpIlI Hình 3.9: Chân rước với các thông số kích thước chiều dài Hình 3.10: Biểu đồ mô phỏng qui dao chuyên động của tâm bảnh trước T,(x.y) khi thay đối thông số chiều dài khâu e và khâu d Hình 3.11: Kết cấu chân sau (chân cố định với thân robor) Hình 3.12: Sơ đồ tính độ nâng lên của bánh trước khi leo qua vật cảm Hình 3.13: Kết cấu hình bình hành ở trạng thái fĩnh trên nên phẳng Hình 3.14: Kết cấu chân (hbh) ở trạng thải vượt vật cản.15: Robot Shrimplll di chuyén trén nén phéng Hinh 3.16: Quy d6r hee tac dung về tính trên mỗi hệ động cơT— bánh dan.17: Đáp ứng tốc độ quay (n), dòng phần ứng (i,) khi có bước nhảy điên áp (w) Hình 3.18: Bánh chân trước ShrimplHI tiếp xúc và leo hết bậc câu thang Hình 3.19: Bánh chân trước nằm vượt qua bậc thang thứ ] Hình 3.20: Bánh 21 và 22 vượt mặt đứng bậc thang Hình 3.21: Trạng thái 3 bảnh trước vượt hết bậc trongkhi 3 bánh sau chưa vượt Học viên: Nguyễn Lăn Dương Trang 3 Luận văn tốt nghiệp GIHD: TS Nguyễn Trọng Doanh —= ove Hình 2. của robot Hình 2.2: Sự địch chuyển của B tại vị trí † và t+l Hình 2.3: Sw dich chuyên của giá chuyển hướng.4: 3D-Odometry và các biển Hình 2.5: Quỹ đạo của tâm trọng lực khi leo cầu thang 17em.1: Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi đông cơ dẫn động bánh Hình 3.2: Cơ cầu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân robot ShrimpIlI Hình 3.3: Đặc tính cơ học ( khỏp thắp) của cơ cầu Hình 3.4: Khả năng linh hoạt vượt địa hình eủa cặp bánh bên thân robot ShrimpHII Hình 3.5: So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu Hình 3.6: Kết cấu ebân trước robot ShrimpIIT Hình 3.7: Ä/guyên lý dịch chuyển của chân trước robot ShirmpllI Hình 3.8: Thông số kỹ thuật của chân trước robot ShrimpIlI Hình 3.9: Chân rước với các thông số kích thước chiều dài Hình 3.10: Biểu đồ mô phỏng qui dao chuyên động của tâm bảnh trước T,(x.y) khi thay đối thông số chiều dài khâu e và khâu d Hình 3.11: Kết cấu chân sau (chân cố định với thân robor) Hình 3.12: Sơ đồ tính độ nâng lên của bánh trước khi leo qua vật cảm Hình 3.13: Kết cấu hình bình hành ở trạng thái fĩnh trên nên phẳng Hình 3.14: Kết cấu chân (hbh) ở trạng thải vượt vật cản.15: Robot Shrimplll di chuyén trén nén phéng Hinh 3.16: Quy d6r hee tac dung về tính trên mỗi hệ động cơT— bánh dan.17: Đáp ứng tốc độ quay (n), dòng phần ứng (i,) khi có bước nhảy điên áp (w) Hình 3.18: Bánh chân trước ShrimplHI tiếp xúc và leo hết bậc câu thang Hình 3.19: Bánh chân trước nằm vượt qua bậc thang thứ ] Hình 3.20: Bánh 21 và 22 vượt mặt đứng bậc thang Hình 3.