CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3. Khái quát luận văn : Mô hình thi công hoàn chỉnh của luận văn có hình dạng như sau: Hình 1.11- Thiết kế hoàn chỉnh của mô hình Trang 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.12: Những góc nhìn khác về mô hình biped robot Trang 13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Luận văn thực hiện bao gồm những vấn đề sau: Phân tích : các khái niệm và kiến thức cơ bản ban đầu về biped robot được đưa ra trong chương 2.Chương 3 phân tích dáng đi của người, đó chính là những thông số mấu chốt trong vận động người. Thiết kế mô hình phần cứng: thông qua 3 chương. Chương 4 trình bày về thiết kế cơ khí cho robot, chương 5 nói về thiết kế các mạch điện điều khiển.
Mô phỏng và điều khiển đối tượng: chương 6 trình bày giao diện và giải thuật điều khiển và các thao tác trình diễn của biped robot. Chương 7 và 8 giới thiệu về đối tượng biped 5 thanh liên kết bao gồm các thông số mô hình, phương trình động học-động lực học, trình bày về xây dựng mô hình Simulink và thuật toán điều. Kết luận: chương 8 đánh giá về các kết quả đạt được, cũng như trình bày về hướng phát triển đề tài. Trang 14 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM Nội dung chương 2.1 Mô tả các hệ trục 16 2.2 Sự di chuyển của biped robot 17 2.3 Tính ổn định 18 2.1 Điểm cân bằng momen 19 2.2 Điểm cân bằng momen giả định 21 Chương này mô tả qui ước các hệ trục cho Robot, các khái niệm di chuyển như: sự bước đi, dáng đi và các giai đoạn của một bước, tiếp theo các phân tích về tính ổn định.
Trang 15 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM 2.1 Mô tả các hệ trục: Vị trí của robot được xác định dựa vào trục tọa độ xyz, gốc tọa độ được đặt ở bàn chân phải của robot theo như hình vẽ 2. Trong đó, trục x là trục hướng đến phía trước của robot, trục y là trục hướng bên trái, còn trục z là trục hướng lên phía trên. Theo như trục tọa độ này thì trục x là trục di chuyển của robot.1:Hệ tham chiếu Trang 16 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM 2.2 Sự di chuyển của biped robot: Các khái niệm cơ bản: Sự bước đi: Đối với biped robot, bước đi được định nghĩa như sau: Là quá trình chuyển động, trong đó có sự di chuyển của một chân lên phía trước và không để 2 chân nhấc khỏi mặt đất cùng một lúc. Dáng đi: hai khái niệm bước đi và dáng đi không giống nhau.
Dáng đi là cách thức để bước đi. Vì thế, mỗi người có một cách đi hay dáng đi khác nhau. Bước: Bước được định nghĩa: Khi di chuyển theo một hướng nào đó, thì vị trí đầu và vị trí tiếp sau đó của chân khi chạm đất, hai vị trí này được trải rộng ra trên mặt đất, đồng thời hướng di chuyển là hướng đến phía trước, chu trình được lặp lại thì đó chính là bước. Các giai đoạn hỗ trợ: Một bước đi có thể được chia thành nhiều giai đoạn nhưng chủ yếu người ta chia ra thành 2 giai đoạn chính sau: Giai đoạn một chân chạm đất (SSP).
Giai đoạn hai chân chạm đất (DSP): Trong đó, giai đoạn hỗ trợ đơn (SSP) lại được chia thành 2 loại nhỏ: o Giai đoạn một chân chạm đất, chân chạm đất là chân trái (SSP-L). o Giai đoạn một chân chạm đất, chân chạm đất là chân phải (SSP-R). SSP-L và SSP-R còn được chia thành giai đoạn nhấc lên và giai đoạn tiếp xúc. Giai đoạn tiếp xúc bắt đầu khi gót chân nhấc khỏi đất và kết thúc khi ngón chân rời đất.
Dáng đi tuần hoàn: Dáng đi là tuần hoàn nếu như bước đi được lặp đi lặp lại theo chu kỳ, như vậy ta có t t T , trong đó T là chu kì của một bước. Dáng đi đối xứng: Dáng đi là đối xứng nếu như bước đi có thể được chia thành hai giai đoạn giống nhau: giai đoạn của chân trái và giai đoạn của chân phải. Như vậy, ta có: right t left t T / 2 , trong đó, right là góc hợp thành bởi chân phải và left là góc hợp thành bởi chân trái. Trang 17 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM 2.3 Tính ổn định: Trong lĩnh vực biped robot, có nhiều quan điểm khác nhau về ổn định, nhưng tất cả đều thuộc hai phạm trù sau đây: Dáng đi ổn định tĩnh: là khả năng duy trì ổn định trong mọi trường hợp khi bước đi với điều kiện là robot di chuyển với tốc độ rất chậm nên vấn đề động học được bỏ qua.
Điều này còn có nghĩa là một khi dáng đi là ổn định tĩnh thì trong quá trình di chuyển, robot hoàn toàn có thể tự ngắt hoạt động (interrupt) và giữ nguyên trạng thái cho đến khi quá trình ngắt kết thúc. Một nhược điểm của bước đi kiểu này là robot di chuyển với tốc độ rất chậm nên mới có thể bỏ qua vấn đề động học. Hơn nữa, trọng tâm của robot (CoM) luôn phải được duy trì nằm trong vùng hỗ trợ và phụ thuộc vào kích thước bàn chân nên diện tích hỗ trợ tương đối nhỏ. Trong khi cố gắng giữ thăng bằng với một diện tích tiếp xúc nhỏ của bàn chân thì dễ gây ra hiện tượng bước đi trông giống bước chân vịt và không được mềm dẻo.
Vì vậy, nhược điểm là ở chỗ robot có bước đi không giống với người thật, không thỏa yêu cầu di chuyển và vấn đề năng lượng. Dáng đi ổn định động: liên quan đến vấn đề giữ cân bằng cho hệ động. Đối với robot thì rất khó để định nghĩa ổn định động và ta cũng không thể định nghĩa theo ý nghĩa của một hệ ổn định động thông thường. Trong [Vukobratovic et al., 2006], vấn đề cân bằng động của biped robot được định nghĩa như sau: nếu như không có sự xoay của bất cứ một chân hỗ trợ nào quanh đường mép của nó trong suốt quá trình robot bước đi.
Thường thì trong lĩnh vực robot, người ta hay đề cập đến vấn đề này bằng lý thuyết ZMP. Lý thuyết ZMP đã được trình bày trong [Vukobratovic and Jurieic,1969]. ZMP thực chất là một điểm trên mặt đất, nơi mà momen xung quanh một trục nào đó, đi qua điểm này và tiếp xúc với mặt đất đạt giá trị bằng 0. Ta có công thức: M 0 và M 0 x y (2.1) Trong đó, Mx và My lần lượt là các momen theo trục x và theo trục y.
Nếu như điểm này được giữ nằm trên đường bao nối các điểm tiếp xúc giữa robot và mặt đất thì hệ Trang 18 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM ổn định động. Đường bao nối các điểm tiếp xúc là đa giác hỗ trợ PoS, được biểu diễn trên hình 2.2 (a) là PoS của SSP, hình 2.2 (b) biểu diễn PoS của DSP. (a) Giai đoạn hỗ trợ đơn (b) Giai đoạn hỗ trợ kép Hình 2.2: PoS là đa giác lồi của tất cả các điểm liên kết. Nếu ZMP nằm trong PoS, sự ổn định động được chắc chắn.
Vùng màu xám biểu diễn lòng bàn chân.1 Điểm cân bằng momen : Điểm cân bằng momen được đề cập trong [Vukobratovic and Jurieic, 1969] và từ đó được sử dụng rộng rãi để đánh giá sự cân bằng của robot. Điểm cân bằng momen ZMP nằm trong mặt phẳng ngang và là điểm mà tất cả momen ở đó bằng không. [Bachar, 2004] đưa ra công thức: n m r p r g I I M i 1 i i i i i i i i (2.3) Trong đó, n : số kiên kết mi : mass của liên kết thứ i T ri xi yi zi : tọa độ của điểm trọng tâm CoM của liên kết i T p xZMP yZMP z ZMP : tọa độ của điểm ZMP T g g x gy g z : gia tốc trọng trường I i diag I ix , I iy ., I iz : quán tính cơ của liên kết i T i ix iy iz : vận tốc góc của liên kết i Trang 19 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM T M M x My M z : moment quanh điểm ZMP Trong [Bachar,2004], hai công thức (2.3) có thể kết hợp lại thành: n T m r p r I I m r p g 0 0 0 i 1 i r i i i i i i i i (2.4) Trong [Huang et al.,2001] và trong [Peng et al.,2005], điểm ZMP được xác định như sau: n m x z g x z I i i i z i i iy iy xZMP i 1 n (2.5) m z g i 1 i i z n m y z g y z I i 1 i i i z i i ix ix yZMP n (2.6) m z g i 1 i i z Trong đó, chiều cao của mặt đất xem như bằng 0. Trong [Erbatur et al.,2002] và [Bachar, 2004] có đưa ra công thức đơn giản hơn để xác định ZMP; theo đó thì mass của liên kết thứ i là đồng đều quanh điểm mass trung tâm, có thể bỏ qua quán tính, từ đó ta có công thức có thể cập nhật online: n m x z g x z i 1 i i i z i i xZMP n (2.8) m z g i 1 i i z Từ công thức (2.8) ta có thể xem mặt đất là một mặt phẳng ngang, với T g 0 0 g z .
Trong [Vukobratovic and Jurieic, 1969] nhấn mạnh rằng ZMP chỉ được xác định nếu đã biết được PoS và có thể chỉ nằm trong giới hạn của cạnh bàn chân. Nếu Trang 20 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM như ZMP thuộc cạnh của bàn chân thì robot sẽ có khuynh hướng bị lật, vì thế, nếu như một khi bàn chân chưa chạm đất thì cũng chưa thể xác định được ZMP. Tuy nhiên, các công thức (2.6), và công thức tương đương (2.8) có thể dùng để xác định ZMP mà không phải xác định PoS.2 Điểm cân bằng momen giả định : Khi điểm cân bằng momen ZMP không thuộc vào đa giác hỗ trợ PoS thì được gọi là điểm cân bằng momen giả định FZMP. Điểm FZMP trước tiên phải thỏa ZMP theo công thức (2.