CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công nghiệp. Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng xuất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính….một công việc đòi hỏi sự tủ mỉ, chính xác cao.
Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bật tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau. Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người.
Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người. Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.
Vấn đề của robot tự hành là làm thế nào để robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra. Vấn đề đầu tiên là di chuyển, Robot tự hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất. Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo Robot tự hành có 2 hướng nghiên cứu khác nhau: - Hướng thứ nhất: là nghiên cứu về Robot tự hành có khả năng điều hướng ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động ở môi trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài. Loại robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạu cao, dải do lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao trong những môi trường có địa hình phức tạp.
- Hướng thứ hai: nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ dùng để hoạt động trong môi trường trong phòng. Loại robot tự hành này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản. 1 do an Bài toán điều hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local). Ở bài toán toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn toàn xác định, đuờng đi và vật cản là hoàn toàn biết trước.
Ở bài toán cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần. Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi tới được mục tiêu. Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho Robot tự hành thường không giống như các loại robot khác. Để có thể điều hướng cho Robot tự hành, quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua các cảm biến, hoặc ở trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến.
Robot tự hành phải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định. Điều hướng cho robot tự hành là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm: khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước; khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó; khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động. Việc điều hướng gặp nhiều khó khăn do nhiều vấn đề khá phức tạp. Vấn đề gây trở ngại chính là những hạn chế của việc ước tính năng lượng, những khó khăn trong việc phát hiện và nhận biết đối tượng, những khó khăn trong việc tránh xung đột với các đối tượng khác nhau, và những khó khăn liên quan tới việc sử dụng thông tin cung cấp từ môi trường.
Phân loại robot tự hành Robot tự hành được chia làm 2 loại chính đó là loại robot tự hành chuyển động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh. Ngoài ra một số loại robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng.1 Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot) Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu. Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp.
Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển. Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao. 2 do an Robot tự hành di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn.
Dưới đây là một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân. Robot SDR-4X, chế tạo năm 2003 của hãng Sony Hình 1. Robot 6 chân Hình 1. Mô hình robot 4 chân 1.
Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheel Robot) Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành[7]. Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng 3 do an nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được. Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất.
Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động.4 dưới đây giới thiệu 4 loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong Robot tự hành: a/ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc. b/ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái. c/ Bánh Swedish: 3 bậc tự do, có thể quay đông thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc. Các loại bánh xe dùng trong Robot tự hành [7] Sơ đồ bánh xe của robot tự hành 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh được liệt kê trong bảng dưới đây: 4 do an Bảng 1.1: Sơ đồ bánh xe của Robot tự hành [7] Số Sắp xếp Miêu tả bánh Một bánh lái phía trước, một bánh phía sau 2 Hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dưới trục bánh xe.
Hai bánh truyền động ở giữa và có điểm thứ 3 tiếp xúc 3 Hai bánh truyền động độc lập ở phía sau và một bánh lái ở phía trước. Hai bánh truyền động được nối với trục ở phía sau, một bánh lái ở phía trước. Hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trước vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái. 3 bánh Swedisk được đặt ở các đỉnh của một tam giác đều, kết cấu này cho phép robot di chuyển theo đa hướng.
5 do an 2 bánh chủ động ở phía sau, hai bánh lái ở phía trước. Hai bánh phía trước vừa là bánh lái vừa là bánh chủ động. Cả 4 bánh đều là bánh truyền động và lái. 4 Hai bánh truyền động độc lập ở phía trước/sau, 2 bánh lái đa hướng ở phía sau/trước.
Bốn bánh đa hướng. Hai bánh chuyển động vi sai và thêm 2 điểm tiếp xúc. 4 bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái. Hai bánh truyền động ở giữa, thêm 4 bánh đa hướng ở xung quanh.
6 Hai bánh truyền động vi sai ở giữa, bốn bánh đa hướng ở 4 góc. 6 do an Bảng 1. Kí hiệu các loại bánh xe [7]: Kí hiệu các loại bánh xe Bánh đa hướng không truyền động. Bánh truyền động Swedish(đa hướng).
Bánh quay tự do tiêu chuẩn. Bánh truyền động tiêu chuẩn. Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái. Bánh lái tiêu chuẩn.
Các bánh xe được nối với nhau. Một số loại robot chuyển động bằng bánh: Hình 1. Robot Sojourner được sử dụng thám hiểm sao Hỏa năm 1997. Hầu hết các hoạt động được điều khiển ở trái đất.
Tuy vậy nó vẫn phải sử dụng các cảm biến để phát hiện vật cản. Robot AIRDUCT với kết cấu nhỏ gọn, nó được gắn camera để thu hình ảnh, có thể nhìn nghiêng, đi dọc theo tường, tránh vật cản. 7 do an Hình 1. Robot Mbari’s Altex Auv (Autonomous Underware Vehicle) được sử dụng để hoạt động dưới đáy biển sâu ở Bắc Cực Hình 1.
Robot Khepera dùng để nghiên cứu và học tập. Nó có đường kính 60mm, được tích hợp nhiều modun khác nhau như camera, tay kẹp Hình 1. Robot dẫn đường AGU (Autonomous Guided Vehicle) được sử dụng trong các bệnh viện 8 do an 1. Phương pháp điều hướng cho robot tự hành Kỹ thuật điều hướng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong robot tự hành có thể được chia thành 2 loại chính, đó là điều hướng có tính toán và điều hướng theo phản ứng[10].
Đúng như tên gọi, điều hướng có tính toán là phương pháp điều hướng có kế hoạch còn điều hướng theo phản ứng là điều hướng tức thời, là quá trình tự động thực hiện các phản ứng theo môi trường xung quanh[11]. Ngoài ra còn có phương pháp điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp cả hai phương pháp có tính toán và điều hướng theo phản ứng để xây dựng một bộ điều khiển thông minh hơn.