MỞ ĐẦU 1. Tổng quan Theo dòng thởi gian, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì con ngƣời không những muốn tạo ra các robot công nghiệp phục vụ sản xuất, phục vụ các công việc đòi hỏi sự chính xác cao mà còn là những robot vậy nuôi thân thiện giúp đỡ con ngƣời giải trí. Và mong ƣớc cao nhất của con ngƣời là tạo ra các robot giống ngƣời, có khả năng thay thế con ngƣời trong nhiều môi trƣờng khác nhau, phục vụ con ngƣời từ nhu cầu căn bản đến phức tạp. Trong nhiều tập kỷ trở lại đây, robot giống ngƣời đã đƣợc quan tâm nghiên cứu sâu rộng và đã đạt đƣợc nhiều thành tựu quan trọng.
Ngoài tính năng hình thái giống con ngƣời, các tính năng hành vi giống ngƣời cũng đƣợc đào sâu, nhƣ khả năng duy chuyển, khả năng biểu lộ cảm xúc, khả năng giao tiếp, khả năng tƣ duy… Trong các phân nhánh đó thì phân nhánh duy chuyển đƣợc quan tâm hơn cả, vì để thâm nhập vào cuộc sống con ngƣời thì đầu tiên đòi hỏi robot cần có khả năng duy chuyển linh hoạt nhƣ con ngƣời. Nhiều năm trở lại đây, ở các trƣờng đại học cũng nhƣ môi trƣờng công nghiệp, các nghiên cứu về cách duy chuyển cho robot dạng ngƣời đều dựa theo cấu trúc sinh học của con ngƣời và phỏng theo dáng đi của con ngƣời. Mục đích của công việc nghiên cứu này nhằm cải thiện khả năng duy chuyển cho robot, làm cho robot duy chuyển nhanh hơn, mạnh hơn, ổn định hơn. Lý do chọn đề tài Hiện nay, xu thế chung của thế giới là nghiên cứu đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa ƣu tiên áp dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào sản xuất cũng nhƣ vào đời sống của con ngƣời giúp giảm bớt sức lao động của con ngƣời, phục vụ giải trí cho con ngƣời, thay thế cho con ngƣời làm việc ở những nơi nguy hiểm,… Sự cần thiết của robot dạng ngƣời: - Robot công nghiệp không đủ độ linh hoạt trong môi trƣờng thay đổi liên tục.
- Chƣa thân thiện với con ngƣời. - Cần các công việc mới. - Sự tƣơng tác thân thiện với con ngƣời. - Làm việc, thay thế con ngƣời trong các môi trƣờng làm viêc.
- Có khả năng tƣ duy. Robot dạng ngƣời là 1 lĩnh vực rất rộng, tổng hợp rất nhiều kiến thức: cả cơ học, công nghệ cơ khí, công nghệ thông tin, điện điện tử trí tuệ nhân tạo, … 1 do an 1. Đối tƣợng Đối tƣợng nghiên cứu là robot hai chân dạng ngƣời có 10 bậc tự do phỏng theo nhân trắc con ngƣời. Robot gồm 2 chân trái và phải, mỗi chân gồm 5 bậc tự do, trong đó, hai bậc cho khớp hông, hai bậc cho khớp cổ chân và 1 bậc cho khớp gối.
Nghiên cứu trong ngoài ngƣớc Cùng với sự phát triển của nghành khoa học liên quan đã làm thúc đẩy sự phát triển về robot dạng ngƣời, ngày nay đã xuất hiện các robot dạng ngƣời rất linh hoạt và thông minh nhƣ: ASIMO, QRIO, … Một vài Robot trên thế giới: Hình 1.1 Một số Robot trên thế giới. Asimo (viết tắt từ Advanced Step in InnovativeMObility) là một ngƣời máy có thể di chuyển bằng hai chân nhƣ ngƣời do Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Cơ bản Waco của tập đoàn Honda (Nhật Bản) chế tạo. Ngƣời máy này cao 130 cm, nặng 54 kg, có khả năng di chuyển nhanh đến 6 km/giờ.2 Asimo tại triển lãm năm 2005 tại Nhật. 2 do an Asimo đƣợc phát triển với vốn đầu tƣ đến 300 triệu USD vào công nghệ robot và miệt mài suốt gần 2 thập niên mới cho ra lò ngƣời máy tiên tiến nhất thế giới.
Robot này hoàn toàn tự động, có thể quay khi đi và có thể đi lên cầu thang. Robot này gần giống với con ngƣời vì ngoài việc đi và chạy thì nó còn hiểu đƣợc các lệnh bằng giọng nói và nhận dạng khuôn mặt. Asimo sử dụng các cảm biến góc và cảm biến gia tốc gắn trên thân, sử dụng camera để quan sát bên ngoài và cảm biến lực gắn trên hai bàn chân và sử dụng động cơ DC và bộ giảm tốc Hamonic để truyền động. QRIO: Nếu Asimo là robot đầu tiên trên thế giới giải quyết đƣợc vấn đề thăng bằng khi di chuyển thì Qrio đƣợc xem là robot đầu tiên biết chạy.
Năm 2004, khi Asimo tới VN, “cậu bé” ngƣời máy này (cao 1,2m, nặng 52kg) đƣợc rất nhiều bạn trẻ đón chào. Khác với Asimo, Qrio nhỏ hơn, chỉ cao 58cm. Các chuyên gia của Sony rất hài lòng với chú ngƣời máy này vì nó có khả năng chạy, tức là có thời điểm nhấc cả hai chân khỏi mặt đất, một trong những công nghệ rất khó trong việc chế tạo robot. Không những thế, Qrio từng chỉ huy một dàn nhạc biểu diễn trƣớc hàng chục nghìn trẻ em tại thủ đô Tokyo của Nhật.3 Robot QRIO của Nhật 3 do an HUBOT Robot.4 Robot hai chân HUBOT Trƣờng đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu và chế tạo một số phiên bản Robot dạng ngƣời có tên HUBOT nhƣ hình 1.
Robot sử dụng hộp số giảm tốc Harmonic có tỉ số truyền rất lớn, giảm sai số đầu ra và giảm ma sát đầu vào. Hệ thống truyền động dùng động cơ DC-Servo, có encoder hồi tiếp, mỗi động cơ đƣợc điều khiển bằng một chip, các chip này giao tiếp với nhau bằng mạng CAN. Nhƣợc điểm của Robot này là khối lƣợng khá lớn, di chuyển chậm chạp và di chuyển không ổn định. Phạm vi đề tài Hiện nay trên thế giới, các nghiên cứu về robot hai chân khá phát triển, tuy nhiên ở việt nam, lĩnh vực này vẫn chƣa đƣợc nhiều sự quan tâm, đầu tƣ và phát triển.
Ở các trƣờng đại học hầu hết chỉ tập trung vào chế tạo các loại robot dạng ngƣời nhảy theo nhạc, hay có thể bƣớc đi nhƣng dựa vào phƣơng pháp thử sai, chƣa xây dựng đƣợc đầy đủ giải thuật, các phƣơng trình tính toán cho cân bằng của robot. Đề tài này đƣợc phát triền nhằm hoạch định quỹ đạo duy chuyển cho robot hai chân dựa vào phƣơng pháp phân tích động học, động lực học robot. Đảm bảo robot duy chuyển ổn định. Bên cạnh đó, tác giả sẽ thể hiện kết quả mô phỏng và điều khiển thực nghiệm cho mô hình robot thật.
Làm cơ sở, tiền để dữ liệu cho các công trình nghiên cứu phát triển trong tƣơng lai. 4 do an Chƣơng 2 TỔNG QUAN ROBOT HAI CHÂN 2.1 Mô hình nhân trắc học và cấu trúc Robot Cơ thể con ngƣời có thể thực hiện đƣợc các động tác cực kỳ phức tạp và chính xác, có thể thực hiện các thao tác ở tƣ thế rất khó, … Để làm đƣợc các động tác này đòi hỏi con ngƣời phài có mô hình cơ sinh phức tạp. Thực tế thì đối với mỗi con ngƣời họ đều có một hệ thống co sinh vô cùng phúc tạp, hổ trợ cho việc rèn luyện các thao tác đòi hỏi độ khéo léo, chính xác và thao tác cực kỳ phức tạp, … Trong mô hình cơ sinh con ngƣời gồm rất nhiều khớp trong đó chỉ tồn tại hai loại khớp, đó là khớp quay quanh một trục(ví dụ khớp đầu gối, khớp khủy tay, khớp hông…) và khớp cầu (ví dụ nhƣ: Khớp cổ tay, cổ chân, khớp cổ).1 Mô hình cơ sinh con ngƣời Việc xây dựng cấu trúc robot biết đi thƣờng dựa trên mô hình cơ sinh của con ngƣời. Tuy nhiên do cấu trúc cơ sinh của con ngƣời quá phức tạp, nên trong các mô hình cấu trúc của robot dạng ngƣời sẽ lƣợt bỏ một số khớp không quan tâm.
Cấu hình robot dạng ngƣời dựa vào mô hình cấu trúc cơ sinh: 5 do an Hình 2.2 Mô hình cấu trúc cơ sinh đơn giản của con ngƣời. Trong đó, khớp cầu đƣợc thay thế bằng hai khớp quay, nhằm đơn giản hóa cho việc thiết kế robot. Robot càng nhiều bậc tự do càng linh hoạt, khả năng thao tác giống với con ngƣời càng lớn. Tuy nhiên, số bậc tự do lớn gây khó khăn cho việc thiết kế, bố trí các khớp, và cả việc điều khiển… Trong giới hạn phạm vi đề tài, chỉ khảo sát chuyển động của robot hai chân(dạng đơn giản - không kể đến đầu và hai tay) có 10 bậc tự do – là các khớp quay thuần túy.
Đây là yêu cầu cơ sở cho việc thiết kế mô hình robot. Do đó, cấu hình phỏng sinh cơ thể ngƣời đƣợc quan tâm trong đề tài: Hình 2.3 Cấu hình robot 6 do an 2.2 Khái niệm cơ bản về di chuyển Các khái niệm và thuật ngữ liên quan đến lĩnh vực robot đƣợc sử dụng trong tài liệu này dựa trên bài báo [Vukobratovic et al 2007], đƣợc liệt kê bên dƣới: Bƣớc đi (Walk) đƣợc hiểu là sự dịch chuyển bằng cách di chyển luân phiên hai chân, nghĩa là hai chân không đồng thới nhất khỏi mặt đất. Dáng đi (Gait) là cách mà một ngƣời bƣớc đi. Mỗi cá thể sở hữu các đặc điểm khác nhau khi bƣớc đi, đặc điểm này đƣợc gọi là dáng đi.
Bƣớc (Step) là quá trình xảy ra khi chân phía sau di chuyển ra phía trƣớc trở thành chân trƣớc. Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại trong bứơc đi. Một bƣớc bao gồm ít nhất 2 pha: Pha trụ đơn (a single support phase - SSP), khi chỉ có 1 chân tiếp xúc với đất, chân còn lại lắc duy chuyển tử sau ra trƣớc. và pha trụ đôi (double- supportphase - DSP), là pha mà cả hai chân cùng chạm mặt đất.4 Các mặt phẳng đƣợc sử dụng [Vaughan et al, 1992] Dáng đi con ngƣời, thông thƣờng, chu kỳ dáng đi con ngƣời chia ra làm tám giai đoạn, gồm 5 giai đoạn pha trụ và 3 giai đoạn pha lắc.
Tên của các giai đoạn này định nghĩa dựa vào chuyển động của các chân, đƣợc mô tả nhƣ hình dƣới: 7 do an Hình 2.5 Chu kỳ dáng đi con ngƣời [Vaughan et al, 1992] Pha chân trụ (Support Phase) : là giai đoạn có một hoặc hai chân tiếp xúc mặt đất, trong chu kỳ bƣớc. Pha trụ đơn (SSP): là pha mà robot chỉ có 1 chân tiếp xúc với đất. Pha trụ đơn có hai hai cấu hình nhƣ sau: - Pha trụ đơn cơ bản: (SSP–R/L) là pha mà robot đứng trên một chân mà bề mặt tiếp xúc là cả bàn chân.1) - Pha trụ đơn mũi bàn chân: (SSP–R/L-T) là pha robot trụ trên mũi bàn chân.6 Pha trụ đơn cơ bản và pha trụ đơn mũi bàn chân Pha trụ đôi (DSP): là pha có cả hai chân cùng tiếp xúc mặt đất. Pha trụ đôi có một số trƣờng hợp cơ bản nhƣ sau: - Pha trụ đôi cơ bản: (DSP-R/L), là trƣờng hợp cả hai chân cùng tiếp xúc với mặt đất.