Đặt vấn đề Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam”, cơ điện tử là một trong những hướng công nghệ trọng điểm phục vụ phát triển kinh tế, xã hội. Và khi nhắc đến cơ điện tử, robot chính là sản phẩm đặc trưng của ngành này. Chúng là những bộ máy hoạt động đồng nhất dựa trên những bộ phận được điều khiển một cách phức tạp thông qua những thuật toán được đem mã hoá vào những vi điều khiển. Có nhiều kiểu robot và chúng em chia chúng thành nhóm robot theo cách thức di chuyển: • Bằng cánh quạt như robot máy bay- Flycam • Robot đi bằng bánh xe • Robot có cánh như côn trùng hay chim • Robot không chân- di chuyển bằng cách trườn như giun, rắn • Robot đi bằng chân như động vật Tuy có thật nhiều loại Robot, nhưng để ứng dụng vào học tập thì những robot di chuyển bốn hay sáu chân vẫn còn nhiều thiếu sót, về bốn chân, gần đây ta có robot Vorbal, mỗi chân hai khớp, với mã nguồn mở, tuy nhiên vẫn chưa đủ phức tạp để có thể thử thách kiến thức về động học do khá đơn giản.
Khả năng ứng dụng Vì sự đòi hỏi cao về tri thức trong thiết kế và chế tạo, robot là một công cụ cực tốt để phục vụ trong việc học tập, nghiên cứu, tạo môi trường rộng rãi để áp dụng các kiến thức đã có, góp phần đưa hệ thống giáo dục bắt kịp với tiến độ phát triển công nghệ, đặc biệt là trong kỷ nguyên 4. Ngoài ra, tính ứng dụng của Hexapod trở nên độc đáo bởi chính sự linh hoạt trong hình thức di chuyển, có thể di chuyển trên địa hình đa kết cấu. Hexapod là một trong các phương tiện lớn trong do thám không gian. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Hình 1-1.
Robot Atlas Hình 1-2. Tripod Robot https://www.com/atl Evan Ackerman, “Martian-Inspired Tripod as Walking Robot Generates Its Own Gaits”, [ xem 10/07/2019] https://spectrum. Quadruple Robot Hình 1-4. Hexpod Robot https://www.com/atl https://www.com/phanto as mx-ax-hexapod-mk1.aspx [ xem 10/07/2019] 2 https://timtailieu.vn/ Các robot di chuyển bằng chân đã được nghiên cứu từ lâu, đều được lấy ý tưởng từ thực tế như dáng đi của con người, kiểu di chuyển của động vật bốn chân, đến kiểu di chuyển của động vật sáu, tám chân và tất cả đều có những thành công nhất định.
Robot Hexapod là một phương tiện cơ học đi trên sáu chân. Vì nó có thể ổn định tĩnh trên ba hoặc nhiều chân, một robot Hexapod có tính linh hoạt cao trong việc di chuyển. Nếu một chân bị vô hiệu hóa, robot vẫn có thể đi bộ. Hơn nữa, không phải tất cả chân của robot đều cần thiết cho sự ổn định, các chân khác được tự do tiếp cận các vị trí chân mới hoặc điều khiển tải trọng.
Nhiều Hexapod robot được lấy cảm hứng từ phân ngành động vật sáu chân. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển. Ở Việt Nam, robot di chuyển bằng chân cũng là đề tài được nhiều nhóm sinh viên thực hiện, là đề tài thích hợp phục vụ học tập. Ở Việt Nam, những Robot phục vụ học tập đã có mặt trong các trường học: Hình 1-5.
Robot Lego Hình 1-6. Robot Alpha 1E https://ubtrobot.com/pages/alpha [xem 10/07/2019] Robot Lego tại lớp học Mindstorm nâng cao của Câu lạc bộ Robotics (tạm dịch Ngành học về robot) - IoT của trường ĐH Khoa học tự nhiên TP.HCM, hay Robot Alpha 1E trong chương trình Trại hè Công nghệ 2019 tại Học viện Sáng tạo Công nghệ TEKY. Robot còn có mặt trong các Lab của các trường đại học như Robot Nao của trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên. Robot Nao 3 https://timtailieu.vn/ Khi gõ từ khóa “Hexapod ở Việt Nam” hoặc “robot 6 chân ở Việt Nam” trên trang tìm kiếm Google, có rất ít kết quả liên quan đến đề tài này, đề tài Hexapod ở Việt Nam, chủ yếu được các bạn sinh viên nghiên cứu cho việc làm các dự án nhỏ, đồ án môn học, đồ án tôt nghiệp hay những ngày hội khoa học sáng tạo như: Robot dò tìm bom mìn của nhóm sinh viên Trường Đại học (ĐH) Bách khoa Đà Nẵng, gồm: Ngô Diên Bảo Triết, Lê Tự Duy Hoàng và Trần Văn Chính.
Có vài kết quả về robot thương mại đơn giản phục vụ cho học tập nhưng là những mô hình đơn giản, hai DOF hoặc ba DOF lắp ghép bằng mica. Cũng có những cá nhân nghiên cứu, tìm hiểu về hexapod và đăng lên các diễn đàn hoặc đưa clip hoạt động lên Youtube. Lý do chọn đề tài. Mảng robot di chuyển bằng chân là niềm đam mê chung của các thành viên trong nhóm.
Là một dự án rất phù hợp với ngành cơ điện tử, sinh viên được áp dụng rất tốt các kiến thức chuyên ngành đã học được trên trường, đồng thời cũng cũng khá ít các dự án tương tự đã được thực hiện ở Việt Nam cho nên có rất ít tài liệu liên quan khiến dự án này vừa là niềm đam mê, vừa là thách thức mà chúng em muốn vượt qua. Hiện nay, nhu cầu học tập và tìm hiểu công nghệ của nước ta rất cao, rất nhiều lớp học về robot đã được mở ra để đáp ứng được nhu cầu này và phục vụ cho nhu cầu đó thì robot là một công cụ không thể thiếu. Nhóm chúng em nghiên cứu và chế tạo ra robot 6 chân này phục vụ cho nhu cầu học tập đó của các em, giúp các em có sự hứng thú và có nhiều sự lựa chọn hơn cho quá trình học tập, nghiên cứu robot của mình. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu.
Với dự án này chúng em nghiên cứu, mô phỏng trên Mathlab và tạo ra một robot Hexapod hoàn chỉnh có khả năng di chuyển, mô phỏng cách di chuyển của loài côn trùng chân khớp. Sử dụng các phương trình động học, truyền động để, thiết kế được bộ khung và chọn được động cơ phù hợp, ứng dụng công nghệ in 3D với vật liệu nhựa PLA trong việc chế tạo robot. Lập trình theo các giải thuật điều khiển đã tìm được. Điều khiển robot từ xa bằng các module điều khiển.
Robot có thể quét được không gian xung quanh, xác định vị trí trong không gian và vẽ nên bản đồ gửi lên Web, người dùng có thể giao tiếp trực tiếp trên chính bản đồ gửi về, trực tiếp chọn trên màn hình để robot tự động đi tới vị trí được chuyển, dựa vào tín hiệu digital từ công tắc hành trình dưới mỗi chân để xác định điểm đặt chân, hỗ trợ việc di chuyển trên địa hình đa kết cấu. Phương pháp nghiên cứu là tìm kiếm tài liệu trên các trang mạng trên Internet, nghiên cứu những thiết kế đã được các nhóm, các cá nhân phát triển trong và ngoài nước từ đó thiết kế ra một con robot cử động linh hoạt. Tập trung phân tích, tính toán, 4 https://timtailieu.vn/ chọn lựa và thực nghiệm các module và linh kiện dễ tìm thấy. Nghiên cứu và phát triển thuật toán trong code.
Nhóm đã thực hiện đề tài này trong hơn 10 tháng gồm bốn giai đoạn chính: Giai đoạn 1: • Tìm kiếm tài liệu Giai đoạn 2: • Nghiên cứu, lựa chọn và kiểm nghiệm các module, linh kiện phù hợp, xây dựng code điều khiển, lắp ráp một mô hình đơn giản. Mô phỏng trên Mathlab • Thiết kế phần khung xương cho robot đảm bảo các chức năng di chuyển cơ bản • Dựa trên các thuật toán điều khiển, động học, và code mẫu, điều khiển từng khớp, từng chân và kết hợp các chân Giai đoạn 3: • Đánh giá khả năng hoạt động, độ bền, của thiết kế cũ, thiết kế lại khung của robot bằng vật liệu nhựa • Tính toán, thiết kế khung bằng nhựa PLA, mua và gia công các chi tiết, lắp ráp thành một con robot hoàn chỉnh • Hiệu chỉnh code Giai đoạn 4: • Thiết kế lại toàn bộ phần khung, vỏ robot, đảm bảo sự linh hoạt cho robot, giảm khối lượng, đảm bảo tính thẩm mĩ. • Tính toán, chọn lại các module, nguồn phù hợp • Hiệu chỉnh code, cải thiện khả năng di chuyển linh hoạt và giống với tự nhiên hơn • Thiết kế app điều khiển • Tích hợp module LIDAR, camera 5 https://timtailieu.vn/ CHƯƠNG 2. Giới thiệu chung Để Hexapod có thể đi được, một số thuật toán cần phải làm việc cùng nhau để tạo thành bộ điều khiển hoàn chỉnh.
Kết quả cuối cùng ở mọi khoảng thời gian là vị trí set-point cho mỗi servo. Mô hình bước cần phải được chọn, các quỹ đạo đã được tính toán và các ràng buộc vị trí các chân được cập nhật liên tục. Tùy thuộc vào vận tốc, các kiểu dáng khác nhau được chọn bởi một bộ điều khiển. Để thực thi mỗi kiểu dáng sẽ có một giai đoạn đứng và một giai đoạn xoay chân.
Trong giai đoạn đứng là khi chân tiếp xúc mặt đất ở mọi thời điểm. Trong giai đoạn xoay chân quỹ đạo giữa hai vị trí đứng phải được tính toán đúng bởi bộ điều khiển. Do kích thước phần cứng như chiều dài chân, vị trí servo và chiều rộng cơ thể, một số ràng buộc nhất định sẽ hạn chế vị trí các chân. Các vị trí của mỗi chân cũng sẽ ảnh hưởng đến vị trí các chân còn lại trong không gian.
Do sự giống nhau giữa một robot Hexapod và côn trùng chân khớp, rất nhiều cảm hứng có thể được lấy từ nó và sinh trắc học của chúng. Chân loài chân khớp trong thực tế 2. Bài toán động học nghịch trong robot Động học nghịch là sử dụng các phương trình động học để xác định các tham số góc của mỗi khớp để có được vị trí mong muốn cho mỗi bộ phận của robot [4]. Tức là từ toạ độ P xác định trong không gian, với P là vị trí cuối cùng tại mỗi mũi chân của Hexapod, từ đó tính ra được các góc Coxa Femur và Tibia để điểu khiển Servo, rồi điều khiểu cả một hệ thống.
Các thông số cần tính được diễn tả như cấu trúc bên dưới, bao gồm: ba khâu, ba khớp. Hình biểu diễn các khâu và khớp trong không gian tọa độ XYZ. Các biến 𝛾, 𝛼, 𝛽 lần lượt là các Coxa, Femur và Tibia, là các góc hiện tại của mỗi Servo, mục tiêu chúng em hướng đến là xác định giá trị của các góc xoay Offset (tức là góc mà mỗi servo cần phải xoay thêm để đạt được góc xoay mong muốn) và code. Hình biểu diễn góc Coxa khi nhìn dọc theo phương Y từ trên xuống.vn/ • Góc Femur và Tibia Hình 2-4.
Hình biểu diễn góc Femur và Tibia khi nhìn dọc theo phương Z Gọi toạ độ của P là (𝑥, 𝑦, 𝑧) trong không gian, gọi tắt Coxa Length, Femur Length và Tabia Length là 𝐶𝐿, 𝐹𝐿, 𝑇𝐿.