Chương 1: Tổng Quan Về Đề Tài Chương này trình bày về tính cấp thiết của đề tài trong thực tế, đưa ra mục tiêu, giới hạn và nội dung nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Giới thiệu về cơ sở lý thuyết cơ bản của đề tài: Lý thuyết về robot và phương pháp tính động học Cảm biến đo lường quán tính IMU Các giao thức truyền thông • Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán Giới thiệu tổng quan, nguyên lý hoạt động của hệ thống Tính toán thiết kế khung robot Tính toán thiết kế giải thuật động học Tính toán thiết kế giải thuật tính cho hệ cảm biến IMU • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Trang | 2 do an Giới thiệu sơ lược về quá trình thi công, mô hình mô phỏng robot và hệ IMU Giới thiệu phần cứng và giải thuật điều khiển Giới thiệu các phần mềm sử dụng trong quá trình thi công • Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá Chương này trình bày các kết quả đã đạt được và nhận xét, đánh giá các kết quả so với yêu cầu đặt ra • Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tổng kết những kết luận đạt được từ đề tài và đưa ra những đề xuất, hướng phát triển cho đề tài trong tương lai. Trang | 3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng Quan Về Thực Tế Ảo 2.
Khái Niệm Thực tế ảo nói đến những mô phỏng do máy tính tạo ra, trong đó một người có thể tương tác trong môi trường 3 chiều bằng các thiết bị điện tử đặc biệt, chẳng hạn như kính mắt đặc biệt có màn hình hoặc găng tay có gắn cảm biến. Trong môi trường nhân tạo mô phỏng, người dùng có thể trải nghiệm các tạo tác và các hành động khác nhau như trong thế giới thực. Chúng ta cảm nhận thế giới xung quanh thông qua các giác quan và cơ chế nhận thức của cơ thể. Các giác quan bao gồm vị giác, xúc giác, khứu giác, thị giác và thính giác, các yếu tố đầu vào được thu thập bởi các giác quan đó, rồi được xử lí bởi bộ não để đưa ra những diễn giải.
Thực tế ảo cố gắng tạo ra một môi trường ảo tưởng có thể biểu thị cho các giác quan của chúng ta bằng thông tin nhân tạo, khiến cho chúng ta tin tằng nó (gần như) là thực. Ứng Dụng Của Thực Tế Ảo Một ví dụ đơn giản về thực tế ảo là phim 3D. Bằng cách sử dụng kính 3D đặc biệt, người ta sẽ có được trải nghiệm tuyệt vời khi cảm nhận chính mình trở thành một phần của bộ phim. Chiếc lá rơi từ trên cây dường như lơ lửng ngay trước mắt người xem, hoặc tiếng một chiếc ô tô chạy quá tốc độ vượt qua một vách đá khiến người xem cảm nhận được độ sâu của vực thẳm hay mang lại trải nghiệm thời gian thực về mùa thu.
Về cơ bản, hiệu ứng ánh sáng và âm thanh của một bộ phim 3D khiến cho thị giác và thính giác của chúng ta tin rằng tất cả đều diễn ra ngay trước mắt chúng ta, mặc dù không có gì tồn tại trong thực tế vật chất. Những tiến bộ công nghệ đã giúp cải tiến hơn nữa so với kính 3D tiêu chuẩn. Giờ đây, người ta có thể biết đến tai nghe VR, một thiết bị nhìn như mũ bảo hiểm, giúp con người khám phá nhiều hơn. Trong luận văn này, ý tưởng của nhóm là sử dụng một màn hình bao gồm loa có chức năng tương tự như kính VR giúp người dùng có thể cảm nhận đơn giản về vị trí, không gian làm việc của robot mà không cần nhìn trực tiếp vào robot.
Từ đó cho con người có cảm giác như có thể điều khiển robot hoạt động tương tự như cánh tay thực của con người. Trang | 4 do an 2. Tổng Quan Về Robot 2. Lịch Sử Phát Triển Robot Ngược dòng thời gian nhìn về quá khứ, ta có thể thấy con người luôn khao khát tạo ra những nhân bản giống con người để phục tùng cho bản thân mình.
Mãi đến năm 1921, cụm từ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện trong vở kịch có tựa đề “Rossum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Séc, Karel Capek. Vở kịch nói về sự bùng nổ nổi loạn của những cỗ máy phục dịch. Cụm từ “Robot” ở đây có thể hiểu là những cỗ máy kim loại nhưng biết làm việc và hoạt động như một con người. Đó cũng là một trong những tia lửa nhen nhóm đầu tiên về một giấc mơ chế tạo những cỗ máy có thể mô phỏng được những thao tác lao động của con người.
Đến những năm 40, Robot được Issac Asimov, nhà văn viễn tưởng người Nga, mô tả là một cỗ máy tự động mang hình dáng của một con người, mọi cử chỉ hoạt động do chính con người lập trình. Chính ông là người đã đặt cái tên Robotics cho ngành khoa học nghiên cứu này. Chuỗi sách về robot của Issac Asimov Đến cuối những năm 50, trong giới kỹ thuật bắt đầu xuất hiện những cánh tay máy ghép ứng dụng thủy lực và điện tử, điển hình như tay máy Minitaur 1 và Handyman của General Electric. Năm 1954, một thiết bị mang tên “Cơ cấu bản lề” dùng để vận chuyển hàng hóa theo chương trình do George C.Devol thiết kế được ra đời.
Đến năm 1959, con Robot công nghiệp đầu tiên được tạo ra ở công ty Unimation bởi Devol cùng với Goseph F.Engebler, một kỹ sư trẻ của nền công nghiệp hàng không. Năm 1961, con Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên tại một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jeysey Hoa Kỳ. Trang | 5 do an Hình 2. Cánh tay robot được chế tạo bởi George Devol và Joseph Engelberger 1956 Từ sau những năm 70, con người đã chú trọng hơn vào việc nghiên cứu nâng cao tính năng của Robot bằng cách cho Robot nhận diện môi trường làm việc xung quanh thông qua hàng loạt cảm biến ngoại tín hiệu.
Trong giai đoạn này, hàng loạt các công trình nghiên cứu về Robot nổ ra ở nhiều nước, tạo ra các sản phẩm Robot điều khiển thông qua máy tính, các bộ thiết bị giao tiếp giữa người và máy. Robot tự hành là một trong những lĩnh vực mà nhiều phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu và chế tạo. Các công trình nghiên cứu chế tạo ra Robot tự hành theo hướng mô phỏng lại hoạt động cử chỉ của con người và súc vật. Thời điểm đó, các loại Robot này còn chưa được ứng dụng nhiều trong công nghiệp tuy nhiên các loại Robocar (xe robot) lại được nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các dây chuyền hệ thống sản xuất tự động.
Ngày nay, ngành khoa học “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực lớn trong nền khoa học, bao hàm nhiều vấn đề nghiên cứu phát triển như cấu trúc động học, lập trình thuật toán quy hoạch quỹ đạo, điều khiển chuyển động, thu thập tín hiệu cảm biến,…Robot được đưa vào làm việc hỗ trợ con người trong nhiều lĩnh vực như công-nông nghiệp, giáo dục, y tế,. Các Khái Niệm Về Robot 2. Khái Niệm Theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais: Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động, có khả năng định vị , định hướng, được dùng để vận chuyển nguyên vật liệu hoặc hỗ trợ con người trong các công việc đặc biệt, thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau thông qua các chương trình được lập trình sẵn. Theo chuẩn VDI 2806/BRD: Robot là một thiết bị nhiều trục, hoạt động một cách tự động có thể lập trình.
Robot được điều khiển bởi các bộ điều khiển ghép nối với nhau, có khả năng học và ghi nhớ các chương trình. Chúng được trang bị đa công nghệ để có thể thực hiện các nhiệm vụ sản xuất gián tiếp và trực tiếp. Trang | 6 do an Theo IOTC-1980: Robot là một cỗ máy tự động được liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình, chúng thực hiện chu trình công nghệ một cách chủ động thông qua bộ điều khiển và có thể mô phỏng theo các chức năng tương tự con người. Bậc tự do của Robot Bậc tự do là số khả năng chuyển động quay hoặc tịnh tiến của một cơ cấu.
Để Robot chuyển động được trong không gian, cơ cấu chấp hành của Robot phải có một số bậc tự do. Số bậc tự do của Robot được xác định bằng công thức: Trong không gian (3D) 𝑀𝑀 = 6(𝑛𝑛 − 1) − ∑𝑚𝑚 𝑗𝑗=1(6 − 𝑓𝑓𝑗𝑗 ) (2.1) Trong mặt phẳng (2D) 𝑀𝑀 = 3(𝑛𝑛 − 1) − ∑𝑚𝑚 𝑗𝑗=1(3 − 𝑓𝑓𝑗𝑗 ) (2.2) Trong đó: M là số bậc tự do của Robot n là số thanh liên kết (bao gồm mặt đất) m là số lượng khớp nối f là số bậc tự do của khớp nối Để có thể định vị và định hướng phần công tác trong không gian ba chiều theo ý muốn thì Robot cần có 6 bậc tự do (3 bậc định vị và 3 bậc định hướng). Càng nhiều bậc tự do Robot càng linh hoạt, khéo léo và quỹ đạo di chuyển càng được tối ưu. Hệ tọa độ Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) được liên kết qua các khớp nối (joints) tạo thành một chuỗi mắt xích động học xuất phát từ khâu cơ bản (base) đứng yên.
Hệ trục tọa độ gắn với khâu cơ bản được gọi là hệ trục tọa độ chuẩn. Các hệ trục ở các khâu còn lại gọi là hệ trục suy rộng. Trong khi hoạt động cấu hình của robot được xác định bằng các dịch chuyển theo đường hoặc góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các tọa độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.3 Các tọa độ suy rộng của Robot Trang | 7 do an Các hệ trục tọa độ gắn trên các biến khớp được tuân theo quy tắc bàn tay phải: nắm hai ngón áp út và ngón út của tay phải vào lòng bàn tay, ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa duỗi ra theo phương vuông góc với nhau.
Ngón cái sẽ chỉ phương và chiều của trục Z, ngón trỏ chỉ phương và chiều của trục x, và ngón giữa sẽ chỉ phương và chiều của trục y.4 Quy tắc bàn tay phải 2. Vùng Làm Việc Của Robot Vùng làm việc của Robot là toàn bộ thể tích được quét bởi phần công tác khi Robot thức hiện tất cả chuyển động có thể. Vùng làm việc của Robot bị ràng buộc bởi các thống số hình học của Robot hoặc cơ cấu cơ khí của Robot. Vùng làm việc của Robot thường được biểu thị trực quan qua hai hình chiều bằng và hình chiếu đứng.5 Vùng công tác của robot Trang | 8 do an 2.
Cấu tạo của Robot 2. Cấu tạo chung Hình 2.