Luận Văn Thạc Sĩ: Mô Hình và Điều Khiển Chuyển Động Robot Người trong Tự Động Hóa

Tổng hợp kiến thức Mô Hình và Điều Khiển Chuyển Động Robot Người trong Tự ..., tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong chuyên

• Tác giả: Bùi Ngọc Thắng
• Người hướng dẫn: PGS. Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Mô Hình và Điều Khiển Chuyển Động Robot Người trong Tự Động Hóa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Người

Trong bối cảnh phát triển công nghệ hiện đại, robot người đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Chuyển động robot không chỉ đơn thuần là việc di chuyển mà còn bao gồm khả năng tương tác với môi trường xung quanh. Tự động hóa trong lĩnh vực này giúp nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu rủi ro cho con người. Các mô hình robot hiện nay được thiết kế với nhiều bậc tự do, cho phép chúng thực hiện các hành động phức tạp như đi bộ, nhảy, và tương tác với con người. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ robot không chỉ dừng lại ở việc tạo ra những cỗ máy thông minh mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày.

1.1. Lịch sử phát triển Robot Người

Lịch sử phát triển robot người bắt đầu từ những năm 1950 với những cỗ máy đơn giản. Qua thời gian, các nghiên cứu đã dần dần chuyển sang việc phát triển robot tự hành với khả năng tương tác cao hơn. Các cảm biến robot ngày càng được cải tiến, giúp cho robot có thể nhận biết và phản ứng với môi trường xung quanh. Các dự án nghiên cứu như ASIMO của Honda hay iCub đã chứng minh rằng robot thông minh có thể học hỏi và phát triển kỹ năng tương tác giống như con người. Điều này không chỉ tạo ra những sản phẩm công nghệ cao mà còn mở ra hướng đi mới cho tự động hóa trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

II. Mô Hình Robot Người

Mô hình robot người được xây dựng dựa trên cấu trúc cơ thể con người, bao gồm các bộ phận như chân, tay, đầu và thân. Mỗi bộ phận đều có chức năng riêng và được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ đặc trưng. Các khớp nối trong mô hình này được mô phỏng theo các khớp của con người, như khớp cầu và khớp bản lề, nhằm tạo ra sự linh hoạt trong chuyển động. Việc sử dụng động cơ servo cho phép robot thực hiện các chuyển động một cách chính xác và mượt mà. Mô hình này không chỉ giúp cho robot có thể di chuyển mà còn có khả năng tương tác với con người một cách tự nhiên.

2.1. Thiết kế và Cấu trúc

Thiết kế của robot người bao gồm nhiều khớp nối và thanh nối, cho phép robot thực hiện các chuyển động phức tạp. Mỗi chân của robot có thể được trang bị từ 2 đến 6 động cơ, tùy thuộc vào mức độ phức tạp của chuyển động. Các khớp nối được thiết kế để mô phỏng các khớp của con người, giúp robot có thể giữ thăng bằng và di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau. Việc sử dụng cảm biến trong thiết kế giúp robot có thể nhận biết và phản ứng với môi trường xung quanh, từ đó nâng cao khả năng tương tác và tự động hóa trong các ứng dụng thực tế.

III. Điều Khiển Chuyển Động Robot

Điều khiển chuyển động của robot người là một trong những thách thức lớn nhất trong lĩnh vực tự động hóa. Các phương pháp điều khiển hiện nay bao gồm điều khiển theo mô hình và điều khiển theo phản hồi. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến giúp robot có thể thực hiện các hành động phức tạp như đi bộ, chạy, và tương tác với con người. Kỹ thuật điều khiển không chỉ giúp robot duy trì thăng bằng mà còn cho phép chúng thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường không xác định. Sự phát triển của trí tuệ nhân tạo cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng tự động hóa của robot.

3.1. Các Phương Pháp Điều Khiển

Các phương pháp điều khiển cho robot người bao gồm điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển thích nghi. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại chuyển động và môi trường hoạt động. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng hoạt động của robot. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh, giúp robot có thể tự học và cải thiện khả năng tương tác với con người và môi trường xung quanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA 1.Khái quát luận văn : Luận văn thực hiện bao gồm những vấn đề sau: ƒ Phân tích : Chương 2:Dựa vào giải phẫu học, mô hình cơ thể người thành những kiên kết cơ học. Phân tích chuyển động bước đi của con người, những yếu tố ảnh hưởng tới chuyển động này. Tìm hiểu những khái niệm cơ bản COM, ZMP….Chương 3: Xác định mô hình chủ đạo sử dụng trong việc điều khiển robot (trong phạm vi của đề tài). ƒ Xây dựng mô hình đối tượng: Chương 4: Dựa vào sự phân tích của chương 3 xây dựng mô hình đối tượng và mô hình điều khiển cho robot.

ƒ Mô phỏng đối tượng: chương 5: Trình bày phần mô phỏng matlab dựa trên mô hình ở chương 4. ƒ Thi công robot: Chương 6, Chương 7: Trình bày phần thiết kế cơ khí, thiết kế điện và lập trình điều khiển robot. ƒ Kết luận: chương 8 đánh giá về các kết quả đạt được, cũng như trình bày về hướng phát triển đề tài. HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 23 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI (HUMANOID ROBOT) 2.

MÔ TẢ KHỚP TRÊN CƠ THỂ NGƯỜI BẰNG KHỚP CƠ HỌC.Khớp trượt: Đây là những khớp trục. Do các khớp, xương có thể trượt trên nhau. Những khớp này cung cấp bẻ gập lại, gia hạn, độ lệch xuyên tâm, và độ lệch trụ. Những khớp xương được tìm thấy ở chân trong tarsals và ở bàn tay trong các carpals.1: Mô tả khớp trượt HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 15 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA 2.

Khớp yên ngựa. Những khớp này theo chức năng tương tự như những khớp hình elip trừ góc quay nhỏ. Ví dụ như khớp nối khớp cổ tay-ngón tay ngón tay cái.2: Mô tả khớp yên ngựa 2. Những khớp hình elip: Đây là những khớp nối hai trục với hai bậc tự do, chuyển động trong hai hình elip.

Uốn và mở rộng được trong một mặt phẳng. Các khớp nối cổ tay ở cổ tay là những khớp elip. HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 16 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 2.3: Mô tả khớp elip 2. Khớp bản lề: Đây là những khớp nối đơn trục với một bậc tự do.4: Mô tả khớp bản lề HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 17 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA 2.

Khớp cầu: Đây là các khớp linh hoạt nhất trong cơ thể con người với ba bậc tự do.Có thể chuyển động theo mọi hướng. Ví dụ khớp hông và khớp vai.5: Mô tả khớp cầu 2.Thiết kế Humanoid Robot: Đối với các thiết kế của một robot người, chỉ có các khớp nối trong đó cung cấp vận động cơ bản mới được xem xét. Khớp vai là khớp cầu. Khuỷu tay là một khớp bản lề.

Các cổ tay của con người với tất cả các khớp có ba bậc tự do, do đó nó xấp xỉ với một khớp cầu. Tất cả hơi di chuyển khớp của các đốt sống là xấp xỉ một bản lề. Cổ và xương chậu là xấp xỉ như khớp cầu. Với xấp xỉ này, cấu trúc này thiết lập các mối nối.

Dựa trên những giả định này, humanoid robot có 35 bậc tự do được đề xuất thiết kế .Các humanoid robot ba chiều được mô hình hóa trong Solid Edge, humanoid robot có thân và các đốt sống đơn giản hóa. Humanoid robot có đầu, cổ, hai chân và cánh tay. HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 2.6: Mô tả tổng thể robot Trong mô hình này, các khớp vai, khuỷu tay, cổ tay được nối với nhau. Hông đầu gối đến mắt cá chân cũng được coi là như khớp cầu, bản lề, và khớp cầu, cấu trúc trên được lặp lại 5 lần trên toàn bộ robot.

HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 19 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 2.7: Mô tả từng phần của robot Hình 2.8: Hình chiếu đứng và bằng mô tả các khớp HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 20 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA 2. MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI Mô hình robot người được xây dựng từ mô hình cơ thể con người bao gồm có, chân, tay, đầu, mình. Với mỗi bộ phần đều có chức năng riêng và làm nhiệm vụ đặc chưng. Với khớp cầu có thể thay thế bằng 2 khớp bản lề đặt vuông góc nhau.

Đây là thiết kế được sử dụng rất rộng dãi vì nó đơn giản và phù hợp.9: Mô hình hóa các khớp của robot 2. Mô hình chân robot người hoàn chỉnh được tạo bởi nhiều khớp nối và 4 thanh nối, bao gồi 2 thanh nối cẳng chân và 2 thanh nối đùi. Mô hình này sử dụng 12 động cơ sevor đề điều khiển mỗi chân có 6 động cơ. - Hai động cơ mắt cá chân, điều khiển bàn chân theo 2 hướng x,y giữ cân bằng khi di chuyển.

- Mộ động cơ đầu gối điếu khiển góc quay của cẳng chân khi nâng chân lên khỏi mặt đất. - Ba động cơ ở hông nâng chân lên khi di chuyển, thay đổi hướng di chuyển cho robot. Với những robot đơn giản hơn có thể chỉ gồm 2 động cơ trên mỗi chân, khi đó robot chỉ có thể di chuyển theo đường thẳng. HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 21 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 2.11: Hình ảnh của 1 robot hoàn chỉnh HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 22 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ROBOT NGƯỜI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA 2.

Mô hình cánh tay robot hoàn chỉnh cũng tạo nên bởi 6 motor sevor và cũng có khả năng hoạt động khá linh hoạt như cánh tay con người. - Vai: bao gồm 2 motor sevor điều khiển góc quay của cả cánh tay. - Khủy tay: bao gồm 1 motor sevor điều khiển góc qay của cẳng tay. - Cổ tay: Gồm 1 motor sevor điều khiển góc xoay của bàn tay.

- Bàn tay: gồm 1 motor sevor điều khiển lực kẹp của các ngón tay khi cần cầm nắm. Với những mô hình đơn giản hơn có thể chỉ gồm 5 motor sevor vì đã bỏ qua khả năng kẹp của bàn tay. Thân mình: Là trạm kết nối giữa các bộ phận khác như tay, chân, đầu. Là nơi đặt bộ vi sử lý trung tâm và nguồn năng lượng cấp cho robot.

Hấu hết các robot đều không được thiết kế phần bụng có khả năng gập xuống như con người. Đầu: Nơi đặt những cảm biến và camera sử lý ảnh của robot. Được điều khiển xoay để nhận biết môi trường. HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 23 CHƯƠNG 3: CÁCH THỨC BƯỚC ĐI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA CHƯƠNG 3 CÁCH THỨC BƯỚC ĐI CỦA ROBOT NGƯỜI Hành động bước đi của con người khá phức tạp và là sự kết hợp của cả cơ thể bao gồm chân, tay, đầu và thân mình.

Nhưng quan trọng nhất là ở đôi chân, trong giới hạn của đề tài này chỉ xét đến chuyển động của đôi chân trong hành động bước đi. CÁC KIỂU BƯỚC ĐI CỦA CON NGƯỜI. Bước từng chân (Kiểu 1): Với kiểu bước đi này lúc đầu hai chân ở vị trí song song với nhau, sau đó ta bước từng chân lên (chân phải hoặc trái) và sau khi chân được bước lên tiếp xúc với mặt đất thì ta tiếp tục bước chân còn lại lên vị trí song song với chân trước đó. Và tiếp tục lặp lại hành động như vậy trên quãng đường đi qua.

T RAI T RAI T RAI T RAI T RAI PHAI PHAI PHAI PHAI PHAI 1 2 3 4 5 Hình 3.1: Bước từng chân Bước từng chân so le nhau (Kiểu 2): Kiểu bước chân này cũng tương tự như kiểu trên nhưng có sự khác biệt là vị trí của hai chân không song song với nhau mà so le với nhau. Khi bước chân thứ hai lên vị trí của chân thứ hai khi tiếp xúc với mặt đất không song song với chân thứ nhất mà được đặt lên trước một khoảng cách. Ưu điểm của kiểu bước đi này là cho tốt độ bước đi nhanh hơn kiểu thứ nhất. HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 24 CHƯƠNG 3: CÁCH THỨC BƯỚC ĐI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA T RAI T RAI T RAI T RAI PHAI PHAI PHAI PHAI 1 2 3 4 Hình 3.2: Bước từng chân so le nhau Chạy (Kiểu 3): Là kiểu bước chân so le nhưng tốt tộ cao hơn rất nhiều.

T RAI T RAI T RAI T RAI PHAI PHAI PHAI PHAI 1 2 3 4 Hình 3.3: Chạy Bước thẳng và rẽ (Kiểu 4). Đây là kiểu bước đi nhằm thay đổi hướng di chuyển. Ở vị trí muốn rẽ chân tiếp xúc với mặt đất sẽ được xoay một góc theo hướng muốn rẽ. T RAI T RAI T RAI PHAI PHAI PHAI DIEM MUON RE 1 2 3 PHAI T RAI 4 5 Hình 3.4: Bước thẳng và rẽ HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 25 CHƯƠNG 3: CÁCH THỨC BƯỚC ĐI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Bước đi vòng tròn (Kiểu 5).

Nếu mỗi bước chân đều duy trì một góc rẽ như nhau thì ta có kiểu bước đi theo vòng tròn. T RAI T RAI T RAI PHAI PHAI PHAI T RAI T RAI PHAI Hình 3.5: Bước đi vòng tròn 3. PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC KHỚP KHI BƯỚC ĐI. Theo sự phân tích ở phần trên, ta chọn ra hai khiển bước đi tiêu biểu để phân tích đó là bước từng bước so le (Kiểu 2) và bước thẳng và rẽ (kiểu 4).

Kiểu 4 là kiểu 2 nhưng ở vị trí muốn rẽ chân tiếp xúc mặt đất được đặt lệch một góc theo hướng muốn rẽ. Trong hành động bước đi thẳng là sự phối hợp chuyển động của 6 khớp, khớp mắt cá chân (trái và phải), khớp gối (trái và phải) và khớp hông (trái và phải). Sự chuyển động của cả 6 khớp này tạo nên sự di chuyển của mặt bàn chân theo một quỹ đạo (giả xử quỹ đạo này là một cung tròn) từ điểm đầu là mặt đất và điểm cuối là một vị trí mới trên mặt đất. HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 26 CHƯƠNG 3: CÁCH THỨC BƯỚC ĐI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA PHAN TREN CUA CO THE HONG DAU GOI BAN CHAN Hình 3.6: Các khớp khi đứng thẳng 1 2 3 4 5 Hình 3.7: Các khớp chuyển động theo trục x 1 2 3 4 5 Hình 3.8: Các khớp chuyển động theo trục y HVTH: Bùi Ngọc Thắng Trang 27 CHƯƠNG 3: CÁCH THỨC BƯỚC ĐI GVHD: PGS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Tương tự ở Kiểu 4 khi bàn chân tiếp xúc với mặt đất được đặt lệch một góc so với hướng đi thẳng.

QÚA TRÌNH BƯỚC ĐI Quá trình bước đi được chia làm nhiều gia đoạn khác nhau với sự dịch chuyển của cả 2 chân. Bao gồm các giai đoạn SSP (Single Support Phase) chỉ có 1 chân chạm đất và DSP (Double Support Phase) cả 2 chân đều chạm đất. Với giai đoạn SSP chia làm 2 giai đoạn nhỏ hơn là SSP-R (cho chân phải) và SSP-L (cho chân trái).