CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DI ĐỘNG 1.1 Tổng quan về Robot di động 1.1 Khái niệm chung về Robot Robot hoặc Rô-bô (tiếng Anh: robot) là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thống cơ khí- điện tử Thuật ngữ "robot" xuất phát từ tiếng Séc robota, có nghĩa là "lao động cưỡng bức", và từ 'robot' lần đầu tiên được sử dụng để biểu thị một nhân vật hư cấu trong vở kịch "Các Robot Toàn năng của Rossum" (tiếng Séc: Rossumovi Univerzální Roboti) năm 1920 của nhà văn Séc Karel Čapek (tuy nhiên người phát minh thực sự của từ lại là người anh trai Josef Čapek). Sự phát triển của công nghiệp điện tử dẫn đến sự ra đời của robot tự động điện tử đầu tiên, được tạo ra bởi William Grey Walter ở Bristol, Anh năm 1948, cũng như các công cụ máy tính điều khiển số cuối những năm 1940 bởi John T. Parsons và Frank L.
Robot đầu tiên, kỹ thuật số và lập trình được xây dựng bởi George Devol năm 1954 và được đặt tên là Unimate [1]. Robot tay máy (robot manipulator) là thiết bị mô phỏng chuyển động và chức năng của cánh tay người, gồm nhiều khớp nối và các đoạn cánh tay, cho phép thao tác linh hoạt và chính xác trong không gian ba chiều, từ các nhiệm vụ lắp ráp, hàn đến vận chuyển vật thể. Với khả năng thực hiện các công việc lặp đi lặp lại một cách chính xác và liên tục, tay máy không chỉ tăng năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Ngành này đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất ô tô, điện tử, đến nông nghiệp và y tế… Tuy nhiên, tay máy không thể di chuyển trong không gian mà được gắn cố định, để khắc phục nhược điểm này thì robot di động đã xuất hiện với khả năng di chuyển mà vẫn giữ được công dụng của tay máy Robot di động là máy tự động có khả năng di chuyển, không cố định ở một vị trí.
Loại robot này có thể tự động điều hướng trong môi trường không được kiểm soát hoặc dựa vào thiết bị dẫn hướng để di chuyển theo lộ trình đã xác định trong không gian kiểm soát. Trên thế giới, robot xuất hiện với nhiều loại hình và chức năng khác nhau, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau trong các lĩnh vực từ công nghiệp đến đời sống. Mỗi loại robot có thiết kế và hình dáng riêng biệt, được phát triển để đáp ứng các yêu cầu và môi trường sử dụng khác nhau. Sự đa dạng này chủ yếu đến từ mức độ tự động hóa của hệ thống cơ khí – điện tử bên trong chúng.
Một số robot chỉ thực hiện những nhiệm vụ đơn giản với sự can thiệp của con người, trong khi những robot khác lại có khả năng tự động hoàn toàn, có thể tự học và tự thích nghi với môi trường làm việc, từ đó nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động độc lập.1: Cánh tay robot Hình 1.2 Khái niệm và lịch sử phát triển của robot di động A. Khái niệm robot di dộng Robot tự hành hay robot di động là những robot có thể tự động di chuyển tới các vị trí khác nhau mà không cần đến sự hỗ trợ từ bên ngoài của con người. Khác với phần lớn các loại robot công nghiệp chỉ có thể di chuyển trong một không gian nhất định, robot di động có những tính năng đặc biệt về di chuyển để có thể di chuyển tự do trong một không gian được thiết lập trước để đi đến các vị trí mong muốn. Khả năng di chuyển này giúp robot di động có nhiều ứng dụng trong môi trường làm việc có trật tự hoặc không có trật tự, Robot di động di chuyển trong môi trường của chúng, không cố định vào một vị trí thực.
Robot di động có thể là “tự trị” có nghĩa là chúng có khả năng điều hướng một môi trường không kiểm soát được mà không cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện. Ngoài ra, robot di động có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển tuyến đường định hướng được xác định trước trong không gian tương đối được kiểm soát (robot tự điều khiển). Nó khác với robot công nghiệp thường đặt vị trí cố định và hoạt động bằng các cánh tay. Robot hoạt động trên mặt đất (Ground Mobile Robot WMRs) có thể phân loại gồm: robot di chuyển bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot) và robot di chuyển bằng chân (Legged Mobile Robot LMRs).
Robot di động còn bao gồm các loại phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicles) và phương tiện dưới nước tự trị (Autonomous Underwater Vehicles). Robot di động di chuyển bằng bánh xe được sử dụng rộng rãi vì chúng phù hợp với các ứng dụng đặc trưng, có kết cấu cơ khí đơn giản và tiêu thụ ít năng lượng. Các loại robot di chuyển bằng chân phù hợp với các địa hình phức tạp, phi tiêu chuẩn. Robot di động còn có thể kể đến các loại tay máy di động (Mobile Manipulator), robot di động có thể di chuyển bằng bánh xe hoặc chân được trang bị một hoặc nhiều tay máy hạng nhẹ để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.
Lịch sử phát triển robot di động [2] - Từ 1939 đến 1945: Trong Thế chiến II, những robot di động đầu tiên xuất hiện do những tiến bộ kỹ thuật trong một số lĩnh vực nghiên cứu tương đối mới như khoa học máy tính và điều khiển học. Chúng chủ yếu là bom bay. Ví dụ là bom thông minh chỉ phát nổ trong phạm vi nhất định của mục tiêu, sử dụng hệ thống dẫn đường và điều khiển radar. Tên lửa V1 và V2 có 'hệ thống lái tự động' thô sơ và hệ thống kích nổ tự động.
Chúng là tiền thân của tên lửa hành trình hiện đại. Grey Walter chế tạo Elmer và Elsie, hai robot tự động được gọi là Machina Speculatrix vì những robot này thích khám phá môi trường của chúng. Elmer và Elsie đều được trang bị một cảm biến ánh sáng. Nếu chúng tìm thấy nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía nguồn sáng đó, tránh hoặc di chuyển các chướng ngại vật trên đường đi.
Những robot này chứng minh rằng hành vi phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản. Elmer và Elsie chỉ có tương đương với hai tế bào thần kinh.3: Robot Elmer - Từ 1961 đến 1963: Đại học Johns Hopkins phát triển 'Beast'. Beast sử dụng sonar để di chuyển. Khi pin yếu, nó sẽ tìm ổ cắm điện và tự cắm vào.
- Từ 1969 đến 1970 : Mowbot là robot đầu tiên có khả năng tự động cắt cỏ. Stanford Cart line follower là một robot di động có thể theo một vạch trắng, sử dụng camera để quan sát. Nó được kết nối vô tuyến với một máy chủ lớn thực hiện các phép tính. Vào khoảng thời gian đó (1966–1972), Viện nghiên cứu Stanford đang chế tạo và nghiên cứu về Shakey the Robot, một robot được đặt tên theo chuyển động giật cục của nó.
Shakey có một camera, một máy đo khoảng cách, các cảm biến va chạm và một liên kết vô tuyến. Shakey là robot đầu tiên có thể lý luận về các hành động của mình. Điều này có nghĩa là Shakey có thể được đưa ra các lệnh rất chung chung và robot sẽ tìm ra các bước cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ được giao. Liên Xô khám phá bề mặt Mặt Trăng bằng Lunokhod 1, một xe tự hành trên Mặt Trăng.4: Robot Shakey của Standford - Năm 1976: Trong chương trình Viking, NASA gửi hai tàu vũ trụ không người lái tới sao Hỏa.
- Năm 1980: Sự quan tâm của công chúng đối với robot tăng lên, dẫn đến việc có thể mua robot để sử dụng tại nhà. Những robot này phục vụ mục đích giải trí hoặc giáo dục. Ví dụ bao gồm RB5X (hình 1.5), vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay và dòng HERO. Xe đẩy Stanford hiện có thể di chuyển qua các chướng ngại vật và lập bản đồ môi trường xung quanh.5: Robot RB5X - Năm 1990: Joseph Engelberger, cha đẻ của cánh tay robot công nghiệp, làm việc với các đồng nghiệp để thiết kế robot bệnh viện di động tự động đầu tiên có sẵn trên thị trường, được bán bởi Helpmate.
Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ tài trợ cho dự án MDARS-I, dựa trên robot an ninh trong nhà Cybermotion. - Từ 1993-1994: Dante I và Dante II được phát triển bởi Đại học Carnegie Mellon như hình 1. Cả hai đều là robot biết đi được sử dụng để khám phá núi lửa đang hoạt động.6: Robot Dante II - Năm 1995: Robot di động lập trình Pioneer như hình 1.7 được bán trên thị trường với mức giá phải chăng, cho phép tăng cường nghiên cứu về robot và đào tạo tại trường đại học trong thập kỷ tiếp theo khi robot di động trở thành một phần tiêu chuẩn của chương trình giảng dạy tại trường đại học.7: Robot Pioneer - Từ 1996-1997: NASA gửi Mars Pathfinder cùng với xe tự hành Sojourner lên sao Hỏa. Xe tự hành khám phá bề mặt, được chỉ huy từ Trái Đất.
Sojourner được trang bị hệ thống tránh nguy hiểm. Hệ thống này cho phép Sojourner tự động tìm đường qua địa hình sao Hỏa chưa biết.8: Robot Sojourner - Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một chú chó robot có khả năng nhìn, đi bộ và tương tác với môi trường xung quanh. Robot di động quân sự điều khiển từ xa PackBot được giới thiệu như hình 1.9: Robot Aibo Hình 1.10: Robot Packbot - Năm 2001: Bắt đầu dự án Swarm-bots. Swarm bot giống như các đàn côn trùng.
Thông thường chúng bao gồm một số lượng lớn các robot đơn giản riêng lẻ, có thể tương tác với nhau và cùng nhau thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. - Năm 2002: Roomba xuất hiện, một robot di động tự động trong nhà có khả năng lau sàn.11: Robot Roomba - Năm 2004: Robosapien, một robot đồ chơi sinh học do Mark Tilden thiết kế đã có mặt trên thị trường. Trong 'Dự án Centibots', 100 robot tự động làm việc cùng nhau để lập bản đồ về một môi trường chưa biết và tìm kiếm các vật thể trong môi trường đó. Trong cuộc thi DARPA Grand Challenge đầu tiên, các phương tiện hoàn toàn tự động cạnh tranh với nhau trên một đường đua sa mạc.12: Robot Robosapien - Năm 2007: Trong DARPA Urban Grand Challenge, sáu phương tiện tự động hoàn thành một chặng đường phức tạp liên quan đến xe có người lái và chướng ngại vật.
Robot Kiva Systems phát triển mạnh trong các hoạt động phân phối; các đơn vị kệ tự động này tự phân loại theo mức độ phổ biến của nội dung bên trong.