Nghiên Cứu Khoa Học: Phân Tích Động Lực Học Và Thiết Kế Mô Hình Robot Rắn

Nghiên cứu phân tích động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot rắn, đề tài khoa học cấp trường đột phá trong lĩnh vực công nghệ robot.

• Tác giả: Võ Tường Quân
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu phân tích động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot rắn
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot rắn và nghiên cứu liên quan

Robot rắn là một dạng robot phỏng sinh học mô phỏng chuyển động của rắn trong tự nhiên. Nghiên cứu này tập trung vào phân tích động lực học và thiết kế mô hình robot rắn với 8 khớp. Robot rắn có khả năng di chuyển linh hoạt, phù hợp cho các ứng dụng như khảo sát môi trường, cứu hộ và thăm dò. Tại Việt Nam, nghiên cứu về robot rắn còn hạn chế, nhưng đây là một hướng mới với tiềm năng ứng dụng lớn. Trên thế giới, các nghiên cứu về robot rắn đã phát triển mạnh, với nhiều mô hình đa dạng như robot leo cây, bơi và trườn.

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, robot rắn chưa được nghiên cứu nhiều. Các đề tài chủ yếu tập trung vào tính toán mô phỏng và chưa có sản phẩm hoàn thiện. Một số nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa TP.HCM đã bước đầu thiết kế mô hình robot rắn, nhưng hiệu quả chuyển động còn hạn chế. Đề tài này là một trong những nghiên cứu đầu tiên về robot rắn tại Việt Nam, hướng tới phát triển mô hình động lực học và điều khiển chuyển động.

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, robot rắn đã được nghiên cứu và phát triển mạnh. Các mô hình như robot leo cây của Đại học Carnegie Mellon (Mỹ) và robot do thám của Israel đã chứng minh tính ứng dụng cao. Các nghiên cứu này tập trung vào phân tích động lực học, thiết kế cơ khí và điều khiển robot. Những thành tựu này là cơ sở để nhóm nghiên cứu phát triển mô hình robot rắn với 8 khớp, hướng tới mục tiêu di chuyển linh hoạt và hiệu quả.

II. Phân tích động lực học và mô hình hóa robot rắn

Chương này tập trung vào phân tích động lực học và mô hình hóa robot rắn. Phương pháp Lagrange được sử dụng để tính toán các phương trình động lực học. Robot rắn được thiết kế với nhiều module ghép nối tiếp, mỗi module có kích thước và khối lượng đồng nhất. Các lực tác động lên robot bao gồm lực ma sát, lực liên kết và momen xoắn. Phương trình Lagrange được giải để xác định các thông số động lực học, từ đó thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot.

2.1 Tổng quan về cách di chuyển của rắn trong tự nhiên

Rắn di chuyển nhờ cấu tạo xương sống linh hoạt và lớp vảy bụng. Các dạng chuyển động chính bao gồm di chuyển điều hòa, sóng ngang và lượn một bên. Robot rắn được thiết kế mô phỏng các dạng chuyển động này, đặc biệt là dạng sóng ngang, giúp robot di chuyển hiệu quả trên các địa hình phức tạp. Cấu tạo sinh học của rắn là cơ sở để thiết kế mô hình robot rắn với các khớp linh hoạt và khả năng thích nghi cao.

2.2 Phân tích tính toán động lực học cho robot rắn

Phương trình Lagrange được sử dụng để phân tích động lực học robot rắn. Robot được mô hình hóa với n khâu và n-1 khớp. Các thông số như chiều dài khâu, khối lượng và momen quán tính được tính toán chi tiết. Phương trình Lagrange giúp xác định các lực tác động lên robot, bao gồm lực ma sát, lực liên kết và momen xoắn. Kết quả phân tích là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển chuyển động và tối ưu hóa hiệu suất di chuyển của robot.

III. Tính toán thiết kế cơ khí robot rắn

Chương này trình bày phương án thiết kế cơ khí robot rắn. Robot được thiết kế với các module ghép nối tiếp, mỗi module chứa động cơ RC-Servo và mạch điều khiển. Kích thước mỗi khâu được tính toán để đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt và dễ dàng tháo lắp. Động cơ RC-Servo được lựa chọn dựa trên momen xoắn cần thiết, đảm bảo robot có thể di chuyển hiệu quả trên các địa hình khác nhau.

3.1 Phương án thiết kế cơ khí robot rắn

Phương án thiết kế tập trung vào việc sử dụng động cơ RC-Servo và bánh xe bị động. Động cơ được lựa chọn dựa trên momen xoắn và khả năng điều khiển chính xác. Mô hình robot rắn được thiết kế với 8 khớp, mỗi khớp được điều khiển độc lập để tạo ra các dạng chuyển động linh hoạt. Thiết kế này đảm bảo robot có thể di chuyển trên các địa hình phức tạp và thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, thăm dò.

3.2 Tính toán kích thước mỗi khâu module

Kích thước mỗi khâu được tính toán dựa trên yêu cầu về khả năng di chuyển và lắp ráp. Chiều dài mỗi khâu được giới hạn để đảm bảo dây điện không bị ảnh hưởng khi liên kết. Mô hình robot rắn được thiết kế với chiều dài mỗi khâu là 70mm, đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt và dễ dàng tháo lắp. Thiết kế này cũng cho phép robot có thể mở rộng số lượng khâu trong tương lai.

IV. Thiết kế bộ điều khiển robot rắn

Chương này trình bày phương án thiết kế bộ điều khiển robot rắn. Bộ điều khiển sử dụng phương pháp PID để điều khiển chuyển động của robot. Mạch điều khiển được thiết kế đơn giản, đảm bảo khả năng điều khiển chính xác và ổn định. Robot rắn được điều khiển thông qua các tín hiệu từ bộ điều khiển, giúp robot di chuyển linh hoạt và thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, thăm dò.

4.1 Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot rắn

Bộ điều khiển sử dụng phương pháp PID để điều khiển chuyển động của robot rắn. Phương pháp này đảm bảo khả năng điều khiển chính xác và ổn định, giúp robot di chuyển linh hoạt trên các địa hình phức tạp. Các thông số PID được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất di chuyển cao nhất. Bộ điều khiển cũng được thiết kế để dễ dàng tích hợp với các hệ thống điều khiển khác trong tương lai.

4.2 Thiết kế mạch điều khiển

Mạch điều khiển được thiết kế đơn giản, đảm bảo khả năng điều khiển chính xác và ổn định. Robot rắn được điều khiển thông qua các tín hiệu từ bộ điều khiển, giúp robot di chuyển linh hoạt và thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, thăm dò. Mạch điều khiển cũng được thiết kế để dễ dàng tích hợp với các hệ thống điều khiển khác trong tương lai.

V. Thực nghiệm và kết quả

Chương này trình bày kết quả thực nghiệm của mô hình robot rắn. Robot được gia công và lắp ráp theo thiết kế, sau đó được thử nghiệm trên các địa hình khác nhau. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot rắn có khả năng di chuyển linh hoạt và thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, thăm dò. Các thông số động lực học và hiệu suất di chuyển được đánh giá, từ đó đề xuất các cải tiến trong tương lai.

5.1 Robot thực tế sau khi gia công lắp ráp

Robot rắn được gia công và lắp ráp theo thiết kế, đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt và thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, thăm dò. Các module được thiết kế dễ dàng tháo lắp, giúp robot có thể mở rộng số lượng khâu trong tương lai. Robot được thử nghiệm trên các địa hình khác nhau, cho thấy khả năng di chuyển hiệu quả và ổn định.

5.2 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy robot rắn có khả năng di chuyển linh hoạt và thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, thăm dò. Các thông số động lực học và hiệu suất di chuyển được đánh giá, từ đó đề xuất các cải tiến trong tương lai. Robot cũng được thử nghiệm trên các địa hình phức tạp, cho thấy khả năng thích nghi cao và hiệu suất di chuyển ổn định.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế mô hình robot rắn với 8 khớp, sử dụng phương pháp phân tích động lực học và điều khiển PID. Robot rắn có khả năng di chuyển linh hoạt, phù hợp cho các ứng dụng khảo sát, thăm dò và cứu hộ. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa thiết kế cơ khí, nâng cao hiệu suất điều khiển và mở rộng ứng dụng của robot rắn trong các lĩnh vực khác nhau.

6.1 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa thiết kế cơ khí, nâng cao hiệu suất điều khiển và mở rộng ứng dụng của robot rắn trong các lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu cũng hướng tới việc phát triển các mô hình robot rắn với số lượng khớp lớn hơn, giúp robot di chuyển linh hoạt hơn và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Robot là một lĩnh vực nghiên cứu đã và đang được phát triển mạnh ở một số nước trên thế giới cũng như ở nước ta trong những năm gần đây. Đối với lĩnh vực robot dạng này, có rất nhiều nghiên cứu về khá nhiều chủng loại robot từ robot di chuyển bằng bánh xe đến robo di chuyển bằng chân hoặc nếu chúng ta phân loại theo kiểu môi trường làm việc thì có loại robot di chuyển trên mặt đất và robot hoạt động trong môi trường nước, hoặc robot bay trên không,. Trong những năm gần đây, một dạng robot mới đã ra đời và đang được triển khai nghiên cứu trong những năm gần đây gọi là robot phỏng sinh học (Biomimetic robots). Các loại robot phỏng sinh học nói chung sẽ tập trung nghiên cứu về phương pháp cũng như cách thiết kế và điều khiển robot mô phỏng lại hoạt động của các động vật trong môi trường tự nhiên.

Robot phỏng sinh học được thiết kế mô phỏng theo hoạt động của một số động vật điển hình như là cá hoặc rắn. Robot phỏng sinh học dạng rắn (robot rắn) có đặc điểm cấu tạo tương đối nhỏ gọn, chuyển động linh hoạt và chúng ta có thể ứng dụng chúng trong việc khảo sát môi trường tự nhiên, thăm dò, khảo sát, đo đạc các thông số của môi trường,… Ngoài ra, một ưu điểm nổi bật của robot phỏng sinh học là chúng ta có thể sử dụng robot phỏng sinh học để thăm dò, khảo sát đời sống của loại sinh vật có hình dạng tương tự như chúng. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng robot rắn để khảo sát đời sống của một số loài rắn trong môi trường sống tự nhiên. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Tại Việt Nam, robot luôn là đề tài thu hút sự đầu tư của các nhà khoa học.

Tuy nhiên, do điều kiện nghiên cứu có hạn nên số lượng robot rắn vẫn còn hạn chế. Theo khảo sát của chủ nhiệm đề tài và nhóm thực hiện thì hiện nay robot rắn chưa được nghiên cứu nhiều ở nước ta. Có thể nói đề tài nghiên cứu về robot rắn này là một trong những đề tài đầu tiên khởi đầu cho lĩnh vực nghiên cứu về robot rắn ở nước ta. Tại các trường đại học như đại học Sư Phạm kỹ thuật, đại học Bách Khoa TPHCM,… cũng có nhiều bài luận văn với đề tài robot rắn, nhưng hầu hết các mô hình đều hoạt động chưa thật sự linh hoạt nhưng đây sẽ là tiền đề để robot rắn dần trở nên hoàn thiện hơn trong tương lai.

Ngoài ra, các đề tài về robot rắn này chủ yếu tập trung vào tính toán mô phỏng là chính và chưa có sản phẩm robot rắn tương đối hoàn thiện. Chủ nhiệm đề tài cũng đã hướng dẫn khoảng 3 đề tài luận văn tốt nghiệp đại học cho sinh viên về lĩnh vực robot rắn. Một số hình ảnh về robot rắn do chủ nhiệm đề tài hướng 3 dẫn thực hiện đã và đang được thực hiện tại Bộ môn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh được giới thiệu trong các hình bên dưới. Mô hình robot rắn của KS.Trần Phước Báu năm 2010 [1] Hình 1.2 Mô hình robot rắn của KS.Bùi Thanh Vinh năm 2012 [2] Hình 1.3 Mô hình robot rắn của KS.

Trương Thường Quân năm 2013 [3]. 4 Chúng ta thấy hướng nghiên cứu về robot rắn là một hướng khá mới mẻ và có nhiều ứng dụng thực tế rất lớn. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng robot rắn trong lĩnh vực khảo sát, tham dò hoặc cứu hộ,… Ngoài ra, chúng ta còn có thể phát triển robot rắn thành một dạng robot di chuyển trong môi trường nước để phục vụ cho các lĩnh vực nghiên cứu về thủy sinh động học. Do đó, hướng nghiên cứu chính của đề tài là xây dựng được mô hình động lưc học của robot rắn có từ 7 đến 9 khớp.

Số lượng khớp càng nhiều thì robot càng di chuyển linh hoạt và càng giống với chuyển động của rắn trong tự nhiên. Trong đề tài này, chủ nhiệm đề tài và nhóm thực hiện chọn số lượng khớp động của robot là 8 khớp. Ngoài ra, các khớp của robot rắn được thiết kế, chế tạo theo dạng module nên việc thêm hoặc bớt số lượng các khớp của robot có thể được thực hiện dễ dàng. Về vấn đề điều khiển, đề tài này tập trung vào phương pháp ứng dụng bộ điều khiển PID để điều khiển chuyển động cho robot rắn.

Do đó, với kết quả của đề tài nghiên cứu này, chúng ta có thể sử dụng làm tiền đề cho sự nghiên cứu về các phương pháp khác để tiếp tục phát triển về hướng điều khiển chuyển động của robot rắn. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Đối với nước ngoài, tình hình về nghiên cứu robot rắn đang được phát triển rất mạnh. Một số nước có rất nhiều nghiên cứu về robot cá điển hình là Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc,… Hiện nay, trên thế giới đã có khá nhiều quốc gia đi đầu về công nghệ đã cho ra đời nhiều robot rắn có cách di chuyển đa dạng như leo cây, bơi, lượn một bên, trườn thẳng,… với các thiết kế dẫn động từ bánh xe, đai răng đến lớp vảy nhân tạo,. Một số hướng nghiên cứu về robot rắn điển hình như sau: năm 2012, nhóm phát triển eatART đã trưng bày sản phẩm robot rắn Titonoboa có chiều dài 15m.

Robot này được thiết kế ra với mục đích góp phần vào cuộc tranh luận về sự biến đổi khí hậu và đặc biệt là thể hiện các kĩ năng về cơ học.4 Robot rắn Titonoboa của nhóm eatART [4] Hình 1.5 Hình 3D khớp robot Titonoboa [4] Năm 2011, đại học Carnegie Mellon, Mỹ đã giới thiệu robot rắn có khả năng leo cây. Các chuyên gia chế tạo máy Đại học Carnegie Mellon, Mỹ cho biết, robot vừa được chế tạo với 16 khớp có thể bám chắc vào mọi vật liệu, di chuyển vào những khu vực nhỏ hẹp mà các loại robot khác không thể tiếp cận. Đặc biệt, phần đầu robot được trang bị đèn và máy quay phim độ nét cao, giúp người điều khiển dễ dàng quan sát khu vực trước mặt robot.6 Robot rắn leo cây của đại học Carnegie Mellon [5] Hình 1.7 Robot rắn do thám [6] Năm 2009, các nhà khoa học Israel (hình 1.4) đã chế tạo thành công robot rắn dò thám có cách di chuyển phỏng theo sự di chuyển của rắn thật trong tự nhiên. Robot có khả năng len lõi qua các vết nứt, các tòa nhà đổ nát hoặc trinh sát tại vùng nguy hiểm, đồng thời truyền tín hiệu âm thanh và video thu được tại hiện trường về nơi điều khiển.

Î Từ các phân tích ở trên, nhóm nghiên cứu xác định mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài như sau: 1. Nghiên cứu phương pháp phân tích, tính toán cũng như mô phỏng mô hình động lực học của robot rắn có 8 khớp. Nghiên cứu phương án điều khiển chuyển động của robot rắn để robot có thể di chuyển gần giống với rắn trong tự nhiên. Mô phỏng chuyển động của robot rắn dựa trên phương trình động lực học của robot và bộ điều khiển PID bằng phần mềm Matlab.

Thực nghiệm kiểm chứng kết quả. 7 Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ HÌNH HÓA ROBOT RẮN 1. TỔNG QUAN VỀ CÁCH DI CHUYỂN CỦA RẮN TRONG TỰ NHIÊN 1.1 Cấu tạo sinh học của rắn trong tự nhiên • Cấu tạo xương sống Một bộ xương rắn thường có từ 100 - 400 đốt. Giữa hai đốt là khớp xương có thể quay một góc nhỏ theo hai trục vuông góc nhau.

Nhờ vậy rắn có thể biểu diễn được nhiều cách di chuyển khác nhau nhằm thích nghi với các địa hình phức tạp trong tự nhiên. • Cấu tạo da rắn Da rắn được phủ kín bởi lớp vảy sừng. Lớp vảy này có thể nhẵn nhụi, có gờ hoặc có dạng hạt. Mục đích cơ bản lột da là để trưởng thành, lột da cũng khiến rắn loại bỏ ký sinh trùng trong suốt quá trình di chuyển.

Hầu hết rắn dựa vào lớp vảy ở phần bụng để di chuyển. Cấu tạo và độ ma sát của lớp vảy này này của rắn đóng 1 vai trò quan trọng trong giúp rắn di chuyển ở nhiều địa hình khác nhau. • Cách di chuyển của rắn Toàn thân rắn được bao bọc một lớp vảy. Những chiếc vảy này có độ cứng cao và không lớn lên tương ứng theo sự trưởng thành của thân thể rắn.

Vì vậy cứ 2-3 tháng rắn phải thay da 1 lần. Những chiếc vảy này không chỉ giúp rắn bảo vệ mà còn có chức năng hạn chế sự trượt ngang của rắn khi trườn. Khi di chuyển, rắn thường kết hợp chuyển động các khớp một cách linh hoạt để tạo ra nhiều biên dạng khác nhau nhằm thích nghi với địa hình, đồng thời có thể giúp rắn thực hiện nhiều động tác như leo cây, bơi, lặn, .2 Các dạng chuyển động của rắn trong tự nhiên • Di chuyển điều hòa theo kiểu đàn concertina Với dạng chuyển động này, rắn xếp và giãn cơ thể để di chuyển tới. Phần xếp sẽ giữ vị trí cố định và phần còn lại sẽ được đẩy hoặc kéo tới.

Sau đó, hai phần sẽ đổi vai trò với nhau. Chuyển động dạng này đạt được khi lực đẩy cố định lớn hơn lực mà sát tác dụng lên phần di chuyển. Chuyển động này được thực hiện khi di chuyển theo đường hẹp, trong ống, trên cành cây. Đối với robot rắn, dạng chuyển động này sẽ giúp đầu robot luôn hướng thẳng về phía trước khi chuyển.1 Chuyển động dạng đàn concertina của rắn [7] • Di chuyển theo dạng sóng ngang Đây là kiểu chuyển động liên tục của toàn bộ cơ thể rắn trên mặt phẳng.

Chuyển động được thực hiện nhờ việc tạo dạng sóng di chuyển từ trước ra sau và dựa vào độ nhám của mặt đất. Mỗi phần của cơ thể sẽ đi qua vị trí của phần trước đó như dạng một hình sin.2 Chuyển động dạng sóng ngang của rắn [7] Đặc điểm quan trọng của dạng chuyển động này là sự chênh lệch giữa lực ma sát theo phương vuông góc và phương tiếp tuyến với cơ thể. Để tạo ra sự chênh lệch đó, phần tiếp xúc giữa cơ thể rắn và địa hình được cấu tạo dạng vảy, có đặc điểm hạn chế trượt ngang và cho phép trượt theo phương tiếp tuyến dễ dàng. Nhờ lực ma sát theo phương vuông góc lớn hơn nhiều so với lực ma sát tiếp tuyến nên rắn có thể di chuyển thẳng về phía trước.

nhằm tránh sự trượt ngang. Dạng chuyển động này không thích hợp với bề mặt nhẵn, ma sát thấp và trong không gian hẹp. Nó cũng không thích hợp cho những loài rắn quá ngắn hoặc quá nặng vì 9 chúng không thể đạt được biên dạng cần thiết để di chuyển hoặc hiệu suất chuyển động giảm đáng kể do cơ thể quá nặng.