Chương 1: Tổng quan về tránh va chạm cho robot tự hành. Chương 2: Kĩ thuật tránh va chạm dựa trên cấu trúc cây phân lớp hệ bao BVH kết hợp với cải tiến thuật toán Elastic strips. Chương 3: Kĩ thuật tránh va chạm dựa trên tính toán và phân vùng đồng mức xác suất va chạm. Phần kết luận: nêu những đóng góp, hướng phát triển và những vấn đề quan tâm; danh mục các công trình đã được công bố của luận án; danh sách các tài liệu tham khảo được sử dụng trong luận án.
TỔNG QUAN VỀ TRÁNH VA CHẠM CHO ROBOT TỰ HÀNH 1. Robot tự hành và những thách thức Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư hay còn gọi là công nghiệp 4.0 với sự kết hợp của công nghệ như dữ liệu lớn, vạn vật kết nối, trí tuệ nhân tạo, tự động hóa quy trình robotic đã tác động sâu sắc đến đời sống kinh tế, chính trị, xã hội của thế giới.0 làm thay đổi nền tảng, thúc đẩy các nền kinh tế truyền thống chuyển đổi sang kinh tế tri thức và đổi mới sáng tạo, thúc đẩy sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, khoa học kĩ thuật trong đó có công nghệ robot. Công nghệ robot là một lĩnh vực khoa học, kĩ thuật chuyên nghiên cứu, thiết kế và phát triển robot có khả năng thực hiện các nhiệm vụ và tác động vào môi trường thông qua cảm biến, xử lí thông tin và hành động vật lí. Công nghệ robot ngày càng phát triển và các robot có khả năng hoạt động thông minh, linh hoạt và tương tác với con người nhờ sự kết hợp bởi các lĩnh vực khoa học kĩ thuật, các ngành công nghiệp cơ điện tử, điện tử, công nghệ thông tin, trí tuệ nhận tạo.
Thị trường công nghệ robot, 2022-2030 [70] Theo báo cáo "World Robotics" của Liên đoàn robot quốc tế (IFR) [70], thị trường công nghệ robot toàn cầu năm 2021 ước tính khoảng 79,5 tỷ USD, năm 2022 6 là 89,27 tỷ USD và dự kiến đến năm 2030 sẽ vượt 225,6 tỷ USD với tỉ lệ tăng trưởng hàng năm (từ năm 2022 đến 2030) CAGR): 12,29% (Hình 1. Kết quả đánh giá thị trường công nghệ robot theo khu vực năm 2021 (Hình 1.2) cho thấy, khu vực Châu Á- Thái Bình Dương dẫn đầu với các quốc gia như Trung Quốc, Hàn Quốc và Ấn Độ. Khu vực này đang gia tăng ứng dụng robot trong cả lĩnh vực công nghiệp và hộ gia đình. Khu vực Châu Âu đứng vị trí số 2, trong đó nước Anh với ưu thế chủ yếu là robot giáo dục, robot công nghiệp, robot giải trí tương tác và robot dịch vụ; Đan Mạch, Đức, Thụy Điển và Ý với các robot ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp.
Thị trường công nghệ robot theo khu vực [70] Công nghệ robot ngày càng được ứng dụng đa dạng, rộng rãi hơn trong các lĩnh vực của đời sống xã hội bởi những lợi ích to lớn mà chúng mang lại cho con người. Chúng giúp gia tăng năng suất, chất lượng và an toàn trong quá trình sản xuất; hỗ trợ và chăm sóc sức khỏe con người; hỗ trợ, tư vấn và chăm sóc khách hàng; thám hiểm và thu thập dữ liệu bên ngoài không gian; hỗ trợ đào tạo, giảng dạy và truyền cảm hứng cho học sinh, sinh viên; giám sát, xử lí và thực hiện các nhiệm vụ quốc phòng và an ninh,…(Hình 1. Sự phát triển của công nghệ robot, robot tự hành những năm gần đây đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu, phát triển của nhiều tổ chức và cá nhân bởi khả năng 7 thay thế con người thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, trong môi trường độc hại, nguy hiểm. Theo Allied Market Research [69], năm 2018 thị trường robot tự hành đạt 9.340 triệu đô la và dự kiến sẽ đạt 39.585 triệu đô la vào năm 2026, với tỷ suất tăng trưởng hàng năm từ năm 2019 đến năm 2026 (CAGR) là 21,5%.
Trong đó, thị trường Bắc Mỹ lớn nhất toàn cầu với 3.933,1 triệu đô la vào năm 2018 và dự kiến đạt 14.492,1 triệu đô la vào năm 2026. Ứng dụng của công nghệ robot Nghiên cứu, chế tạo robot tự hành được coi là một lĩnh vực khoa học, công nghệ để tạo ra các robot có thể tự động di chuyển và làm việc trong mọi môi trường mà không cần sự can thiệp của con người. Và các vấn đề nghiên cứu cơ bản của robot tự hành như chuyển động, cảm biến, điều hướng đang được quan tâm, tập trung nghiên cứu. Khái niệm về robot tự hành Robot tự hành là một loại robot có khả năng di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ độc lập, không cần sự can thiệp, điều khiển của con người.
Các robot tự hành được trang bị các công nghệ như máy tính, cảm biến, trí tuệ nhân tạo, học sâu, và lí thuyết điều khiển 8 tự động để có thể tự động hoá các tác vụ như di chuyển, phát hiện và nhận biết môi trường, thu thập thông tin, định vị, xử lí dữ liệu, và ra quyết định. Các ứng dụng của robot tự hành rất đa dạng, ngày càng hoàn thiện và được sử dụng thay thế con người trong nhiều môi trường làm việc khác nhau. Robot tự hành được áp dụng trong tự động hoá sản xuất, dịch vụ tư vấn, vận chuyển, dọn dẹp, y tế, nông nghiệp, khám phá không gian và các môi trường nguy hiểm. Chúng đang được phát triển nhanh chóng và được xem là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay.
Hiện nay, có 2 hướng nghiên cứu, chế tạo robot tự hành là: 1- nghiên cứu, chế tạo robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độ cao, hoạt động ở đa môi trường cả ở trong nhà và ngoài trời. Robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ, được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn giúp điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong môi trường có địa hình phức tạp; 2- giải quyết các vấn đề của robot tự hành hoạt động trong môi trường có không gian cố định, giới hạn. Robot này thường có kết cấu đơn giản, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản. Xuất phát từ hướng nghiên cứu chủ yếu ở trên, các nghiên cứu về giải quyết bài toán dẫn hướng cho robot tự hành cũng được hình thành và phân chia thành hai nhóm: 1- dẫn hướng toàn cục áp dụng cho môi trường làm việc xác định, đường đi và vật cản là có sẵn; 2- dẫn hướng cục bộ ứng với môi trường hoạt động của robot không biết trước hoặc chỉ biết một phần, cần có sự hỗ trợ thông tin về môi trường từ các cảm biến và thiết bị định vị giúp robot xác định được vật cản, vị trí và điểm mục tiêu.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động Robot tự hành có cấu trúc vật lí gồm các thành phần khác nhau, được trang bị các cơ cấu di động như bánh xe, đường ray hoặc chân, tùy thuộc vào thiết kế và ứng dụng của robot. Bộ phận khung, vỏ liên kết các bộ phận khác của robot, có tác dụng làm tăng độ cứng vững, bảo vệ robot khỏi các tác động từ bên ngoài. Bộ phận cảm biến giúp nhận biết môi trường hoạt động và hỗ trợ quá trình điều khiển robot. Hệ thống cảm biến như cảm biến hình ảnh, LiDAR, cảm biến siêu 9 âm, cảm biến hồng ngoại, cảm biến tiệm cận giúp thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh, cung cấp dữ liệu đầu vào cho robot xử lý, ra các quyết định và điều khiển cơ quan chấp hành.
Bộ phận mạch điều khiển điều khiển hoạt động của robot tự hành thông qua quá trình xử lí tín hiệu từ cảm biến, điều khiển động cơ và giao tiếp với máy tính. Bộ phận mạch điều khiển gồm hai thành phần chính là phần cứng bao gồm các mạch vi điều khiển, vi xử lý, bộ điều khiển động cơ và các thành phần điện tử khác và phần mềm là các thuật toán và các chương trình điều khiển của robot. Khi tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến, hệ thống điều khiển căn cứ yêu cầu và nhiệm vụ cụ thể sẽ thực hiện các chương trình, thuật toán để tính toán, xử lí dữ liệu và thực hiện chương trình điều khiển hệ thống động cơ, hệ thống chấp hành. Bộ phận truyền động giúp robot tự hành di chuyển, thao tác thông qua các mô đun và cơ cấu cơ khí bằng các bánh xe, dây dai, cánh, xích hay các khớp dịch chuyển.
Bộ phận công suất cung cấp năng lượng cho robot hoạt động bao gồm công suất động cơ, công suất mạch điện cho hệ thống cảm biến, hệ thống điều khiển… Các bộ phận hoạt động nhịp nhàng tạo thành thể thống nhất giúp robot tự hành hoạt động trơn tru theo yêu cầu và đảm bảo tính an toàn, hiệu quả. Phân loại robot tự hành Robot tự hành được chia thành hai loại chính là robot tự hành di chuyển bằng chân và robot tự hành di chuyển bằng bánh xe [30]. Bên cạnh đó, căn cứ nhu cầu thực tế về môi trường hoạt động, không gian công tác mà các nhà chế tạo sẽ thiết kế một số loại robot được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng [70]. Robot di chuyển bằng chân Robot tự hành di chuyển bằng chân gồm các loại có 1 chân, 2 chân, 4 chân,6 chân và nhiều hơn (Hình 1.
Ưu điểm của loại robot này là khả năng thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề, đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu. Tuy nhiên, việc chế tạo loại robot này khá bởi chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do và là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot, giảm tốc độ di chuyển. 10 a) Robot 1 chân Raibert b) Robot 6 chân c) Robot SDR-4X d) Robot chó Tian e) Robot ASIMO f) Robot 4 chân Hình 1. Robot tự hành di chuyển bằng chân [30] 11 1.
Robot di chuyển bằng bánh xe Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo robot tự hành. Thông thường, robot tự hành thường có kết cấu gồm 2 hoặc 3 bánh giúp robot cân bằng trong quá trình di chuyển. Trong trường hợp, nếu kết cấu của robot có số bánh nhiều hơn 3, các nhà thiết kế sẽ thiết kế hệ thống treo giúp duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất (Hình 1. a) Robot Sojourner được sử dụng thám b) Robot Khepera dùng để nghiên cứu hiểm sao Hỏa năm 1997 và học tập.
c) Robot Mbari’s Altex Auv hoạt động d) Robot dẫn đường được sử dụng dưới đáy biển sâu ở Bắc Cực trong các bệnh viện Hình 1.