Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG 1. Tổng quan về FWOMR Robot tự hành di chuyển đa hướng OMR (Omnidirectional Mobile Robot) có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần phải thay đổi vị trí và tư thế. Với cấu trúc bánh khác biệt và ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong địa hình di chuyển hẹp, khó thay đổi vị trí mà mẫu robot di động này đang được áp dụng một cách rộng rãi không chỉ trong nghiên cứu mà còn trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống. Các vấn đề về xây dựng hệ thống nhận thức cảm nhận môi trường, bản đồ hóa địa hình hoạt động, điều hướng thông minh và kiểm soát quỹ đạo, xử lý tác động nhiễu ngoại sinh, thay đổi của các thành phần bất định như khối lượng, momen, ma sát…đang là các nội dung được quan tâm trong lĩnh vực robot di động.
Robot tự hành có thể di chuyển đa hướng là loại robot có dạng ràng buộc holonom. Xét về mặt cơ học Lagrange, robot có dạng holonom khi tất cả ràng buộc mà robot phải chịu có thể tích hợp được thành dạng ràng buộc vị trí thoả mãn phương trình f (q1, q2 ,., qn , t ) 0 , với qi là các toạ độ hệ thống. Ngược lại, khi hệ thống tồn tại những ràng buộc không thể viết được dưới dạng phương trình trên thì nó được coi là dạng phi holonom. Tóm lại, hệ holonom là hệ không bị ràng buộc về tốc độ giữa các hướng với nhau, còn hệ phi holonom có xét thêm điều kiện ràng buộc về tốc độ.
Các hệ phi holonom thông thường là các hệ hụt cơ cấu chấp hành [82]. Đối với robot tự hành, chuyển động được đặt trên hệ toạ độ Đề-các Oxy, số bậc tự do tối đa là 3 bậc bao gồm di chuyển tịnh tiến theo phương dọc, phương ngang và theo góc quay của robot. Robot tự hành dạng phi holonom thông thường chỉ xét đến 2 bậc tự do điều khiển được là bậc tự do theo phương di chuyển tịnh tiến theo phương dọc và di chuyển theo góc. Ngược lại robot tự hành dạng holonom xét đến đầy đủ cả 3 phương di chuyển, do đó nó tăng tính linh hoạt trong chuyển động của robot.
Đặc biệt, robot có thể di chuyển tức thời theo bất cứ phương nào mà không phụ thuộc vào góc quay. Khác với các loại robot sử dụng bánh truyền thống (bánh tiêu chuẩn), robot tự hành sử dụng bánh đa hướng có thêm các ưu điểm vượt trội như: khả năng thay (LUAN.huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong 7 đổi vị trí và định hướng linh hoạt bởi chúng có khả năng tịnh tiến và quay đồng thời hoặc độc lập (Hình 1. Robot tự hành sử dụng bánh đa hướng Thông thường bánh xe được bố trí dọc theo trục của robot, nhưng đối với OMR các bánh xe được bố trí theo một đường tròn ngoại tiếp robot để tận dụng các bậc tự do của bánh đa hướng. Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động của OMR, vấn đề điều khiển bám quỹ đạo và tác động nhanh khi thay đổi tránh va chạm với vật cản là yêu cầu cần thiết.
Một số ứng dụng của robot tự hành dạng holonom Ngoài ra, do có khả năng chuyển động linh hoạt nên OMR có khả năng tiết kiệm năng lượng hơn so với robot sử dụng bánh xe thông thường. Nhờ những tính năng vượt trội như vậy, OMR được ứng dụng ngày càng nhiều nhằm thay thế các loại robot tự hành kiểu phi holonom truyền thống, nó được sử dụng nhiều trong các cần cẩu nâng hạ, vận chuyển trong các kho bãi, robot tích hợp tay máy di chuyển trong các nhà xưởng, robot thám hiểm, robot phục vụ lễ tân, robot y tế, robot quân sự … (LUAN.huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN. Mô hình hóa FWOMR Bánh xe Omni được bố trí vuông góc theo trục của động cơ, các bánh được đặt cách nhau một góc 900. Bánh xe được chế tạo bằng cách thêm các con lăn dọc theo chu vi của bánh chính, vì thế bánh xe Omni có thể trượt dọc theo trục của động cơ.
Bánh xe Omni được ứng dụng nhiều trong robot tự hành vì nó cho phép robot di chuyển ngay đến một vị trí trên mặt phẳng mà không phải quay trước. Hơn nữa, chuyển động tịnh tiến dọc theo một quỹ đạo thẳng có thể kết hợp với chuyển động quay làm cho robot di chuyển tới vị trí mong muốn với góc định hướng chính xác. Mô hình OMR có cấu trúc bánh xe Omni được mô tả như Hình 1. Cấu trúc bánh xe Omni (a) Cấu trúc n bánh xe; (b) Mô hình dạng n bán Như Hình 1.3, trục của động cơ lệch với Ox các góc lần lượt là 1.n ; hướng của bánh xe thứ i tương ứng là i / 2.
Khi động cơ hoạt động, giả sử robot nhận được n lực kéo f1, f 2 , f n. Xét các phương trình cân bằng lực : max f1 sin 1 f 2 sin 2 . f n sin n ma y f1 cos1 f 2 cos2 . f n Với ax và a y là gia tốc của robot theo hướng Ox và Oy, là vận tốc góc của robot được xác định theo phương trình: (LUAN.huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong 9 f ax sin 1 sin 2.
sin n 1 a 1 cos f2 m y 1 cos 2 .2) mr mr mr. f I I I n Với m là khối lượng của xe, I là momen quán tính và r là bán kính bánh xe. Đặt ma trận 3 n phía trên là N .,n là đôi một phân biệt, do đó hạng của ma trận N bằng ba, luôn có giá trị của f1 f n để có giá T f 2. trị ax theo ý muốn.
Vì vậy OMR luôn có khả năng di chuyển tới bất kỳ T ay vị trí, hướng và quỹ đạo đặt. Với những ưu điểm đó, OMR ngày càng được phát triển trong các nghiên cứu lý thuyết hay ứng dụng thực tế nhờ khả năng di chuyển linh hoạt này [9]. Bánh xe Omni (a) Mô hình thật; (b) Mô hình cấu trúc Trong phạm vi nghiên cứu, luận án đề xuất nghiên cứu về robot tự hành có dạng holonom được xây dựng dựa trên bốn bánh đa hướng. Với kết cấu bánh xe đa hướng giúp FWOMR có thể dễ dàng di chuyển tịnh tuyến và di chuyển theo phương ngang trong hệ tọa độ.
Hơn nữa, FWOMR có thể điều khiển chuyển động theo ba bậc tự do của robot do đó hệ thống này được xét là hệ robot thừa cơ cấu chấp hành. Việc lựa chọn hệ thống như vậy sẽ làm cho việc điều khiển phức tạp hơn. Tuy nhiên, robot có những ưu điểm vượt trội trong thực tế như khả năng chịu tải mà robot vẫn có thể hoạt động đảm bảo được chất lượng điều khiển, hay khả năng chịu lỗi hệ thống (Fault tolerance) cao hơn so với loại robot có kết cấu ba bánh xe [10], [45].huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong 10 Việc xây dựng mô hình đối tượng bao gồm mô hình động học và mô hình động lực học nhằm xác định được vị trí robot và mô men lực đặt vào các bánh xe để đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp cho robot di chuyển đúng theo quỹ đạo mong muốn đặt trước. Phương thức di chuyển của FWOMR được thể hiện trên hình 1.
Các hướng di chuyển của robot [1] Việc mô hình hóa robot tự hành di chuyển đa hướng có thể áp dụng các mô hình động học với các hệ trục tọa độ Đề-các Oxy, dựa trên các phương trình cân bằng lực theo các định luật Newton hoặc dựa trên phương trình động lực học Euler-Lagrange để xây dựng mô hình động lực học và các phương trình cân bằng lực động năng và thế năng của mỗi loại OMR [45], [43] và [82]. Thông thường, việc xây dựng mô hình động học thường dựa trên đặc điểm cấu trúc (Sự khác nhau ở kết cấu cơ khí, hệ truyền động của robot như sử dụng cấu trúc bánh xe, các loại động cơ truyền động, bánh răng, bánh xích .) cũng như sử dụng các phương pháp lý thuyết mô phỏng, thực nghiệm, hoặc mô phỏng kiểm chứng và thực nghiệm trên robot thực tế [65, 66] có thể kể đến mô hình động học được tính toán bằng phương pháp các ma trận chuyển hệ trục toạ độ của robot so với hệ trục tọa độ cố định [41], [54] và [84]. Giả thiết trọng tâm của FWOMR có tính chất điểm O ' , nên việc phân tích mô hình động lực học của FWOMR được xây dựng dựa trên tọa độ O ' x ' y ' (được gọi là tọa độ FWOMR) như hình 1.huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong 11 y v1 x y vy vx v4 O v2 d v3 O x Hình 1. Biểu diễn O ' x ' y ' trong hệ trục tọa độ Oxy Để thuận lợi cho việc mô tả toán học, các thông số của FWOMR được định nghĩa trong Bảng 1.
Bảng thông số của FWOMR Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị X Toạ độ robot theo phương x m Y Toạ độ robot theo phương y m Góc lệch của robot so với hệ tọa độ Oxy rad vi Vận tốc dài mỗi bánh trong hệ tọa độ O ' x ' y ' m/s ωi Vận tốc góc mỗi bánh trong hệ tọa độ O ' x ' y ' rad/s fi Lực kéo mỗi bánh N d (d=0,3) Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh m r (r=0,06) Bán kính bánh xe m Góc lệch của bánh xe với phương O ' x ' của robot rad 4 m(m= 20) Khối lượng của robot kg T là véc T q = x y là véc tơ vận tốc trong hệ tọa độ Oxy và v vx vy tơ vận tốc trong hệ trục tọa độ O ' x ' y ' của FWOMR, quan hệ giữa 2 véc tơ vận tốc (LUAN.huong an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.huong 12 được biểu diễn bởi phương trình sau [1] : cosθ -sinθ 0 q Hv sinθ cosθ 0 v (1.3) 0 0 1 cosθ -sinθ 0 Trong đó: H = sinθ cosθ 0 là ma trận chuyển hệ trục toạ độ.