CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA ROBOT RẮN Robot rắn là loại Robot phỏng sinh học, nó được xây dựng bằng phương trình toán học nhằm bắt chước theo hành vi của con rắn trong tự nhiên. Nhìn chung cấu trúc vật lý của Robot rắn bao gồm nhiều modul kết nối liên tiếp nhau. Robot rắn là hệ thống underactuated, nó có ít biến ngõ vào điều khiển hơn bậc tự do của nó và Robot rắn là hệ hyper redundant vì nó có nhiều bậc tự do. Ngoài ra Robot rắn còn có dáng di chuyển phức tạp nhờ vào cấu trúc cơ thể kì lạ của nó, qua đó Robot rắn có thể di chuyển trong nhiều địa hình phức tạp khác nhau những nơi mà con người không thể tiếp cận được.
Robot rắn có thể di chuyển linh hoạt trong môi trường phức tạp và có khả năng vượt qua các địa hình hẹp nhờ vào biến dạng cơ thể, ngoài ra sự vắng mặt của các cơ quan chuyển động chuyên dụng như chân và cánh, là những đặc điểm thú vị của Robot rắn. Lấy cảm hứng từ những đặc tính này, trong nhiều năm qua, rất nhiều nhà nghiên cứu Robot đã cố gắng xây dựng các mô hình toán học khác nhau để có thể mô phỏng các đặc tính của Rắn sinh học. Do sự phức tạp trong cấu trúc cơ học và hành vi động học của Robot rắn, điều khiển vận hành các Robot này vẫn là một lĩnh vực mở. Hơn nữa, tính phức tạp trong hành vi chuyển động của các hệ thống này đã cho phép Robot rắn được dùng như một ví dụ chuẩn mực có giá trị để xác nhận tính hiệu quả của nhiều phương pháp điều khiển phi tuyến.
Những đặc tính khác thường về hình dạng chuyển động và cấu trúc vật lý của Robot rắn sẽ đặt ra những thách thức về điều khiển, và đó sẽ là niềm cảm hứng để tìm ra phương pháp điều khiển Robot rắn trong luận văn này.1 Robot rắn ACM III là Robot rắn đầu tiên trên thế giới [73] 1|Page mechatronics engineering Học viên: Nguyễn Đức Tuấn (MSHV: 1570354) 1.2 LƯỢC SỬ VỀ ROBOT RẮN Những nghiên cứu về mô hình toán về Robot rắn trên thế giới đã có từ rất sớm, [1] Gray tác giả của bài báo đã mô tả toán học các lực tác động lên Robot rắn, qua đó lực này đẩy Robot rắn di chuyển về phía trước. Một trong những dáng đi cơ bản để Robot rắn để di chuyển về phía trước gọi là lateral undulation [2], trong suốt quá trình uốn lượn theo dạng sóng ngang Robot rắn thay đổi hình dáng định kì giống như một làn sóng lan truyền ngược từ đầu đến đuôi. Theo kết quả của chuyển động này, hình dáng Robot rắn sẽ tạo ra một đường cong định kì trên mặt phẳng, mà tác giả Hirose [2] thể hiện bằng mô tả toán học như một đường cong serpenoid. Tương tự như vậy cách tạo lực đẩy bằng cách uốn cong cơ thể theo hình dạng serpenoid được trình bày trong các bài báo [3]-[5].
Ngoài ra phân tích chuyển động cho Robot rắn còn có tính đến phương pháp ràng buộc chống trượt ngang, các bài báo [6]- [8] tác giả trình bày phương pháp hạn chế thân Robot rắn chuyển động ngang, qua đó quan sát mối quan hệ giữa khả năng thay đổi hình dáng theo chu kì với tốc độ di chuyển thân. Phương pháp này nhằm giảm lực ma sát tác động lên thân Robot rắn sau đó tính toán lực đẩy cho Robot rắn. Trong [9], [10] tác giả cho thấy ngoài khả năng di chuyển uốn lượn cơ thể như lateral undulation, Robot rắn còn có thể nâng cơ thể lên để vượt chướng ngại vật nhờ vào khả năng phân bố lực giúp cho Robot rắn trườn về phía trước. Phân tích chuyển động của Robot rắn trên mặt phẳng không có ràng buộc chống trượt ngang là một hướng đi khác, các tác giả muốn phân tích ảnh hưởng giữa sự thay đổi hình dáng Robot rắn khi chuyển động và lực ma sát.2 Robot rắn ACR 3 có gắn bánh xe dọc thân mỗi đoạn [73] 2|Page mechatronics engineering Học viên: Nguyễn Đức Tuấn (MSHV: 1570354) Qua các bài báo [11]-[13] tác giả phân tích khả năng điều khiển biến khớp khi di chuyển, qua đó chỉ ra rằng vận tốc trung bình của Robot rắn tỷ lệ thuận với biên độ bình phương chuyển động hình sin của mỗi khớp Robot, tỷ lệ với tần số góc của chuyển động hình sin của mỗi khớp, tỷ lệ với sự dịch chuyển pha liên tục giữa các khớp.
Trong [14]-[16] tác giả phân tích khả năng Robot rắn vượt qua các chướng ngại vật như mô đất hay hố trũng, ngoài phân tích ảnh hưởng giữa sự thay đổi hình dáng Robot rắn khi chuyển động và lực ma sát. Tác giả còn phân tích lực ma sát giúp cho Robot rắn không bị trượt, duy trì cân bằng, ổn định khi đang chuyển động. Lực ma sát nhớt và ma sát Coulomb được trình bày trong các bài báo này. Trong các bài báo [17]-[20] mô hình toán Robot rắn có thể được áp dụng chuyển động dưới nước theo phương pháp serpenoid.
Mô hình này bị tác động bởi lực nâng và lực kéo trong nước, qua đó phân tích khả năng điều khiển Robot dưới nước. Phương pháp dựa vào lực tiếp xúc để đo khả năng va chạm sau đó tính toán lực đẩy giúp cho Robot rắn vượt qua chướng ngại vật, được trình bày trong [21]-[27] tác giả mô tả Robot rắn có thể đi qua môi trường lộn xộn và bất thường bằng cách sử dụng khả năng linh hoạt cơ thể của nó như các điểm đẩy để hỗ trợ lực đẩy. Tác giả trình bày hai loại hình dạng chuyển động dựa trên sóng tĩnh và sóng di chuyển của sự biến dạng cơ thể, hình dạng này thể hiện khả năng di chuyển linh hoạt của Robot nhằm tránh vật cản trên đường đi. Robot rắn có khả năng chuyển động trong môi trường phức tạp không định trước, cho nên Robot rắn cần có thiết kế linh hoạt và uyển chuyển để có thể thích nghi với môi trường xung quanh.
Thiết kế Robot rắn có gắn bánh xe được trình bày trong [28]-[30], Robot rắn có khả năng di chuyển trên môi trường cơ bản như mặt phẳng 2D, nó có thể chuyển động theo chiều ngang hay chiều dọc. Tuy nhiên với cơ cấu này Robot rắn gặp rất nhiều khó khăn khi di chuyển trên bề mặt gồ ghề phức tạp, cho nên phương pháp này thường được dùng trong phòng thí nghiệm. Để khắc phục hạn chế trên các bài báo [31]-[33] trình bày mô hình Robot rắn không có gắn bánh xe, nghĩa là Robot rắn được thiết kế bao gồm các đoạn liên kết trực tiếp kết nối với nhau bằng các khớp nối có gắn động cơ. Mặc dù không có bánh xe nhưng Robot rắn có thể chuyển động về phía trước qua lực ma sát bất đẳng hướng, phương pháp di chuyển này dựa vào khả năng uốn lượn thân bằng cách xoay và nâng cơ thể lên qua đó Robot rắn dễ dàng trườn đi.
Để cho chuyển động điều hòa cần có một phần mềm điều khiển, quản lý sự chuyển động hài hòa cho Robot rắn. 3|Page mechatronics engineering Học viên: Nguyễn Đức Tuấn (MSHV: 1570354) Hình 1.3 Robot rắn S5 có gắn bánh xe dưới thân mỗi đoạn [73] Để tạo sự linh hoạt cao hơn trong di chuyển bài báo [34] trình bày một trong những loại Robot giống rắn có tên là 'Genbu' bao gồm các bánh xe chủ động và nhiều khớp bị động. Mặc dù Genbu không thể vượt qua khoảng cách rộng, nhưng chúng có độ bền cao vì các khớp nối của chúng không được điều khiển bằng động cơ có gắn bánh răng. Vì vậy, Genbu có tính di động cao trên địa hình gồ ghề ở tốc độ cao.
Hơn nữa cấu trúc khớp nối dài thích hợp để leo qua những vật cản. Trong [36] tác giả sử dụng cơ chế lái ổ bi và thiết kế một hệ thống điều khiển để tăng khả năng cho Robot rắn leo bậc thang. Nghiên cứu trước đây về khả năng cảm ứng với môi trường bên ngoài của Robot rắn còn hạn chế, để tăng khả năng thích nghi với môi trường bên ngoài trong thiết kế cơ cấu thường lắp đặt thêm cảm biến lực.4 Robot rắn ACR 5 có gắn bánh xe dọc thân và có khả năng bơi dưới nước [73] 4|Page mechatronics engineering Học viên: Nguyễn Đức Tuấn (MSHV: 1570354) Trong [37] Robot rắn được thiết kế gắn cảm biến tương tác lực vào mỗi bánh xe, sau đó sử dụng dữ liệu thu thập được bởi các cảm biến, bộ điều khiển được thiết kế để tối ưu hóa chuyển động trên bề mặt với các hệ số ma sát khác nhau. Trong [38]-[40] tác giả trình bày cơ cấu Robot rắn không có gắn bánh xe, thiết kế này có thể gắn cảm biến dọc thân Robot rắn qua đó thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh về bộ xử lý trung tâm như vậy Robot rắn sẽ thích nghi với môi trường bên ngoài bằng cách thay đổi hình dáng cho phù hợp.
Với cơ chế đẩy thân về phía trước [35] Robot rắn này có cơ cấu hình trụ và hệ thống cảm biến lực 3 trục được gắn với bánh xe bố trí dọc thân Robot rắn có khả năng cảm nhận môi trường xung quanh của nó. Ngoài khả năng di chuyển trên mặt phẳng Robot rắn này còn có thể trườn đi trong môi trường phức tạp nhờ vào cơ cấu đẩy. Điều khiển Robot rắn chuyển động theo hình dáng kiểu lateral undulation là phổ biến nhất và nhanh nhất, có rất nhiều bài báo sử dụng phương pháp này vì nó đơn giản và dễ sử dụng. Điều khiển Robot rắn chuyển động trên mặt phẳng có ràng buộc chống trượt ngang cũng là một cách thông dụng, trong [41] tác giả mô tả Robot rắn di chuyển trên mặt đất có gắn bánh xe, mỗi khớp được gắn động cơ để điều khiển chuyển động.
Để tạo chuyển động cho Robot rắn di chuyển về trước mỗi khớp chuyển động theo chu kỳ và có độ lệch pha giữa các động cơ điều khiển khớp. Tương tự như mô hình Robot rắn có gắn bánh xe như trên trong [42] tác giả dùng phương pháp năng lượng để điều khiển Robot rắn, đầu tiên tác giả mô tả tương tác giữa Robot rắn và môi trường bên ngoài bằng lực ma sát Coulomb, kế đó tác giả cho thấy sự chuyển đổi động năng sẽ ảnh hưởng đến khả năng chuyển động của Robot rắn, sau cùng ảnh hưởng của động năng sẽ giúp điều khiển biến khớp giúp Robot rắn trườn đi. Trong [43] mô hình Robot rắn có gắn bánh xe, tác giả đề xuất một chiến lược điều khiển dựa trên lực ma sát giữa cơ thể Robot và mặt đất. Qua đó hàm ràng buộc biến khớp là hàm chi phí dạng toàn phương.