Luận văn thạc sĩ về tự động hóa và điều khiển robot biped phi tuyến

Chuyên đề tự động hóa điều khiển robot biped phi tuyến, tiếp cận liên ngành, kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao trong chuyên ngành

• Tác giả: Nguyễn Đức Ngọc Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Phi Tuyến Biped Robot
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP.Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot biped

Robot biped, hay còn gọi là robot đi bằng hai chân, đang trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu nổi bật trong ngành tự động hóa. Tự động hóa trong điều khiển robot biped không chỉ giúp cải thiện tính linh hoạt và khả năng thực hiện các thao tác giống như con người, mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển robot biped giúp nâng cao khả năng tương tác giữa con người và máy móc, tạo ra những robot tự hành có khả năng hoạt động trong môi trường phức tạp. Theo một nghiên cứu gần đây, công nghệ robot đã cho thấy sự phát triển vượt bậc trong việc cải thiện khả năng di chuyển và tương tác của robot với môi trường xung quanh, từ đó tạo ra những ứng dụng hữu ích trong sản xuất và dịch vụ.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Tình hình nghiên cứu về robot biped cho thấy sự quan tâm lớn từ các trường đại học và tổ chức nghiên cứu trên toàn thế giới. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện khả năng di chuyển, tính ổn định và hiệu suất của robot biped. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các algorithms điều khiển phi tuyến có thể giúp cải thiện đáng kể khả năng giữ thăng bằng và di chuyển của robot. Việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật điều khiển cho robot biped không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong sản xuất mà còn mở rộng khả năng phục vụ trong các lĩnh vực như y tế, giáo dục và dịch vụ khách hàng.

II. Phân tích phương thức di chuyển

Phương thức di chuyển của robot biped là một trong những yếu tố quan trọng trong việc thiết kế và phát triển robot. Việc phân tích dáng đi của con người giúp tạo ra các mô hình di chuyển chính xác cho robot. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng dáng đi tự nhiên của con người có thể được mô phỏng bằng cách sử dụng các mô hình động học và động lực học. Điều này không chỉ giúp robot tự hành di chuyển một cách hiệu quả mà còn giúp cải thiện khả năng tương tác với môi trường. Trong quá trình thiết kế, việc chú ý đến các yếu tố như trọng tâm, lực tác động và cách thức di chuyển sẽ giúp robot duy trì sự ổn định trong suốt quá trình hoạt động.

2.1. Dáng đi của con người

Dáng đi của con người được chia thành nhiều giai đoạn khác nhau, bao gồm giai đoạn một chân chạm đất và giai đoạn hai chân chạm đất. Mỗi giai đoạn đều có những đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến cách thức di chuyển của robot biped. Việc hiểu rõ các giai đoạn này giúp các nhà nghiên cứu thiết kế các thuật toán điều khiển phù hợp, từ đó tối ưu hóa khả năng di chuyển của robot. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi áp dụng các giải thuật điều khiển, robot có thể thực hiện các thao tác phức tạp như đi bộ, nhảy qua chướng ngại vật và thay đổi hướng một cách linh hoạt.

III. Thiết kế cơ khí và mạch điện

Thiết kế cơ khí cho robot biped là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng hoạt động của robot. Các bộ phận cơ khí cần được thiết kế sao cho vừa đảm bảo tính linh hoạt, vừa có khả năng chịu lực tốt. Bên cạnh đó, việc thiết kế mạch điện điều khiển cũng cần được chú trọng để đảm bảo robot có thể hoạt động một cách hiệu quả. Sự kết hợp giữa thiết kế cơ khí và mạch điện sẽ tạo ra một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, giúp robot tự hành thực hiện các thao tác một cách chính xác và nhanh chóng.

3.1. Thiết kế phần cơ khí

Phần cơ khí của robot biped thường được thiết kế dựa trên cấu trúc của cơ thể người. Các khớp và bộ phận cần được bố trí sao cho có thể mô phỏng chính xác các chuyển động của con người. Việc sử dụng các vật liệu nhẹ nhưng chắc chắn sẽ giúp robot dễ dàng di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa thiết kế cơ khí không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn cải thiện khả năng hoạt động của robot trong các môi trường khác nhau.

IV. Giao diện và giải thuật điều khiển

Giao diện điều khiển cho robot biped đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác giữa con người và robot. Việc phát triển các giao diện thân thiện sẽ giúp người dùng dễ dàng điều khiển robot hơn. Bên cạnh đó, các giải thuật điều khiển cũng cần được tối ưu hóa để đảm bảo robot có thể thực hiện các thao tác phức tạp một cách chính xác. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các algorithms điều khiển phi tuyến có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của robot trong quá trình hoạt động.

4.1. Khái quát các ngôn ngữ lập trình

Việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp cho việc phát triển giao diện điều khiển là rất quan trọng. Các ngôn ngữ lập trình như C++, Python hay MATLAB thường được sử dụng để xây dựng các giao diện và giải thuật điều khiển cho robot biped. Sự linh hoạt trong việc lập trình giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng điều chỉnh và cải thiện các giải thuật điều khiển, từ đó nâng cao khả năng hoạt động của robot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.