Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot dạng người ứng dụng được cho dịch vụ chào hàng

SỞ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Tên đề tài NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI ỨNG DỤNG ĐƯỢC CHO DỊCH VỤ CHÀO HÀNG Cơ quan chủ trì: Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị Cơng nghệ Cơ khí Bách khoa Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN Tp HCM, tháng 02-2018 MỤC LỤC I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI II NỘI DUNG KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đà ĐĂNG KÝ VÀ THỰC HIỆN III SẢN PHẨM ĐĂNG KÝ Đà THỰC HIỆN IV TÌNH HÌNH KINH PHÍ V BÁO CÁO CÁC PHẦN ĐĂNG KÝ Đà THỰC HIỆN Nội dung 1: Xây dựng mơ hình yêu cầu cho robot dịch vụ thiết kế, chế tạo Nội dung 2: Nghiên cứu khảo sát phần khí robot mẫu dạng người UXA90-Light (23 bậc tự do) xây dựng hệ điều khiển cho robot mẫu Nội dung 3: 57 Phân tích, đề xuất phương án khả thi cho thiết kế chế tạo phần khí điều khiển robot dạng người đề tài 101 Nội dung 4: Thiết kế chi tiết khí cho robot dạng người có 31 bậc tự 108 Nội dung 5: Chế tạo phần khí robot dạng người 108 Nội dung 6: Tích hợp phần khí robot dạng người 108 Nội dung 7: Thiết kế hệ thống điều khiển robot dạng người 112 Nội dung 8: Thiết kế phần mềm điều khiển robot dạng người 123 Nội dung 9: Chế tạo hệ thống điều khiển robot dạng người 134 Nội dung 10: Thực nghiệm điều khiển robot dạng người 144 Nội dung 11: Hoàn chỉnh thiết kế phần cứng, phần mềm 160 Nội dung 12: Ứng dụng thử nghiệm trường 169 Nội dung 13: Xây dựng quy trình cơng nghệ cho sản xuất – chuyển giao công nghệ robot dạng người 177 VI NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN ĐỌNG CẦN GIẢI QUYẾT 188 VII KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 189 Tài liệu tham khảo 190 I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI Tên đề tài: Mã số: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DẠNG NGƯỜI ỨNG DỤNG ĐƯỢC CHO DỊCH VỤ CHÀO HÀNG Dạng đề tài Nghiên cứu Thời gian thực hiện: Nghiên cứu ứng dụng 24 tháng Cấp quản lý: (Từ tháng 3/2016 đến tháng 3/2018) Thành phố Hồ Chí Minh Tổng kinh phí 3.120 triệu đồng, Nguồn Tổng số (triệu đồng) - Từ ngân sách khoa học thành phố 2.800 - Từ nguồn khác (ghi rõ nguồn cấp) 320 Thuộc chương trình: CHẾ TẠO ROBOT CƠNG NGHIỆP Tự đề xuất Đặt hàng (từ doanh nghiệp) Chủ nhiệm đề tài Họ tên: Nguyễn Tấn Tiến Năm sinh: 29/06/1968 Học vị: Tiến sỹ Chuyên ngành: Cơ điện tử; Năm đạt học vị: 2001 Học hàm: PGS Chuyên ngành: Cơ khí – Động lực; Năm phong: 2007 Chức vụ: Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị Công nghệ Cơ khí Bách khoa Nam/Nữ: Nam CQ cơng tác: Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Địa CQ: 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại CQ: 08-38.653.818 Fax: Địa nhà: 387 Hàn Hải Nguyên, P.2, Q.11, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại nhà: 8-9691111 ĐT di động: 0918255355 Email: nttien@hcmut.edu.vn Thư ký đề tài Họ tên: Nguyễn Trí Dũng Năm sinh: 1992 Nam/Nữ: Nam Học vị: Kỹ sư Chuyên ngành: Cơ điện tử Học hàm: Chức vụ: CQ công tác: Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Địa CQ: 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại CQ: 8-8652442 Fax: 8-8653823 Địa nhà: 74B ấp Bình Thành, xã Bình Phú, Tp Bến Tre, tỉnh Bến Tre Điện thoại nhà: ĐT di động: 0979620801 Email: nguyentridung_92@yahoo.com.vn Cơ quan chủ trì quản lý đề tài: 8.1 Tên quan chủ trì đề tài: Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị Công nghệ Cơ khí Bách khoa Đại diện Ơng: Nguyễn Tấn Tiến Chức vụ: Giám đốc Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại 08-38.653.818 Số tài khoản: 3713.0.9081515.00000 Kho bạc nhà nước Q.10, Tp Hồ Chí Minh Mã quan hệ ngân sách: 9081515 8.2 Tên quan quản lý đề tài: Sở Khoa học Cơng nghệ Tp Hồ Chí Minh II NỘI DUNG KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đà ĐĂNG KÝ VÀ THỰC HIỆN TT Các nội dung, công việc chủ yếu cần thực (các mốc đánh giá chủ yếu) Kết phải đạt Xây dựng mơ hình yêu cầu cho robot Báo cáo chuyên đề dịch vụ thiết kế, chế tạo Thời gian Tiến độ thực 04/16–06/16 Đã xong Nghiên cứu khảo sát phần khí robot mẫu Báo cáo chuyên đề, 04/16–08/16 Đã xong dạng người UXA90-Light (23 bậc tự do) vẽ thiết kế ĐK, Điều xây dựng hệ điều khiển cho robot mẫu khiển UAX90light Phân tích, đề xuất phương án khả thi cho Báo cáo chuyên đề thiết kế chế tạo phần khí điều khiển robot dạng người đề tài 05/16–07/16 Đã xong Thiết kế chi tiết khí cho robot dạng người Báo cáo chuyên đề, 07/16–10/16 Đã xong (31 bậc tự do) vẽ thiết kế khí Chế tạo phần khí robot dạng người Báo cáo chuyên đề, sản 11/16–02/17 Đã xong phẩm chi tiết khí Tích hợp phần khí robot dạng người Báo cáo chuyên đề, sản phẩm chi tiết khí 02/17 Đã xong Báo cáo giám định 03/17 Đã xong BÁO CÁO GIÁM ĐỊNH (1 năm) Thiết kế hệ thống điều khiển robot dạng Báo cáo chuyên đề, sản 04/17–05/17 Đã xong người phẩm chi tiết khí Thiết kế phần mềm điều khiển robot dạng Báo cáo chuyên đề, 05/17–10/17 Đã xong người phần nềm Chế tạo hệ thống điều khiển robot dạng Báo cáo chuyên đề, sản 06/17–08/17 Đã xong người phẩm điều khiển 10 Thực nghiệm điều khiển robot dạng người Báo cáo chuyên đề, kết 09/17–11/17 Đã xong thực nghiệm 11 Hoàn chỉnh thiết kế phần cứng, phần mềm Báo cáo chuyên đề, Bản thiết kế cuối 12/17 Đã xong 12 Ứng dụng thử nghiệm trường Báo cáo chuyên đề, kết thực nghiệm 01/18 Đã xong 13 Xây dựng quy trình cơng nghệ cho sản xuất Báo cáo chuyên đề, Bản – chuyển giao công nghệ robot dạng người thiết kế cuối 01/18 Đã xong 03/18 Đã xong BÁO CÁO TỔNG KẾT Bộ hồ sơ tổng kết đề tài III SẢN PHẨM ĐĂNG KÝ Đà THỰC HIỆN Dạng sản phẩm I Robot dạng người cho dịch vụ chào hàng: 01 hệ thống TT Tên sản phẩm Yêu cầu KH dự kiến đạt (tiêu chuẩn chất lượng) Robot dạng người hệ thống cho dịch vụ chào hàng Chức Thực hệ thống Thực động tác: đứng, đi, Thực động tác: đứng, đi, ngồi, cúi chào, bắt tay, ngồi, cúi chào, bắt tay, Phát âm từ đơn giản: chào Phát âm từ đơn giản: chào mừng, cảm ơn, … mừng, cảm ơn, … Có khả tránh vật cản, Có khả tránh vật cản, Có khả điều khiển từ máy Có khả điều khiển từ máy tính bảng, tính bảng, Trọng lượng 10𝑘𝑔 10,5𝑘𝑔 Chiều cao 100𝑐𝑚 100,5𝑐𝑚 Bề rộng thân 35𝑐𝑚 30𝑐𝑚 Tốc độ 20𝑐𝑚/𝑠 10𝑐𝑚/𝑠 Số bậc tự 23 bậc tự cho robot 23 bậc tự cho robot - 12 bậc chân, - 12 bậc chân, - bậc cho tay, - bậc cho tay, - bậc cho lưng, - bậc cho lưng, - bậc cho đầu, - bậc cho đầu, bàn tay phải thực tác vụ bàn tay phải thực tác vụ bắt tay bắt tay Một số cảm biến, pin bao gồm: - Cảm tính biến quán IMU (2𝑔, ±1800 ) (Roll/Yaw) IMU (2𝑔, ±1800 ) (Roll/Yaw) 900 (Pitch) 900 (Pitch) - Vision camera 01 Pixy CMUcam module - Cảm biến siêu âm 01 SRF04105 + module điều khiển - Loa 01 tích hợp - Microphone Tích hợp vision camera Tích hợp - Pin Pin: - Lithium-Polymer 18,5𝑉 - Dung lượng 3000𝑚𝐴 - Thời gian hoạt động 20 phút Pin: - Lithium-Polymer 18,5𝑉 - Dung lượng 3000𝑚𝐴 - Thời gian hoạt động 20 phút Dạng sản phẩm II TT Tên sản phẩm Bản vẽ thiết kế Yêu cầu đăng ký Ghi TCVN Triển khai Đã xong Dạng sản phẩm III TT Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học Dự kiến nơi công bố Báo cáo khoa học HN CĐT toàn quốc VCM2016 Ghi Việt nam Bài báo khoa học TC chuyên ngành TC Phát triển KH&CN ĐHQG-HCM Sở hữu trí tuệ Cục SHTT Giải pháp hữu ích Triển khai Đã xong Đã xong Đang triển khai - Bài báo scopus: báo khoa học Nhat Dang Khoa Nguyen, Ba Long Chu, Thanh Phuong Nguyen, Hoang Long Phan, and Tan Tien Nguyen, Optimal Control Method for Stable Walking Gait of a UXA-90 Light Robot, Springer - Lecture Note in Electrical Engineering, Vol.415, pp 664-674, December 08-09, 2016 (ISSN 1876-1119) Tri Dung Nguyen, Ba Long Chu, Thien Phuc Tran, Tan Tien Nguyen, and Sang Bong Kim, Stable Walking Gait Planning for 3D Biped Robot with Feet Applied for UXA90-Light, Springer - Lecture Note in Electrical Engineering, Vol 415, pp 676-685, December 08-09, 2016 (ISSN 1876-1119) - Hội nghị Quốc tế: báo cáo khoa học Anh Nguyen Van Tien, Hoai Quoc Le, Thien Phuc Tran, and Tan Tien Nguyen, Design of Biped Walking Gait on Biped Robot, Proceeding of The 14th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), pp 303-306, June 28 - July 1, 2017, Maison Glad Jeju, Jeju, Korea Nguyen Duc Chinh, Pham Nhat Tan, Chu Ba Long and Nguyen Tan Tien, Design of Force Support Device for Human Ankle Joint, Proceeding of The 14th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), pp 274-279, June 28 - July 1, 2017, Maison Glad Jeju, Jeju, Korea Nhat Dang Khoa Nguyen, Ba Long Chu, Van Tien Anh Nguyen, Van Hien Nguyen and Tan Tien Nguyen, Optimal Control for Stable Walking Gait of a Biped Robot, Proceeding of The 14th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), pp 309313, June 28 - July 1, 2017, Maison Glad Jeju, Jeju, Korea Nhat Dang Khoa Nguyen, Ba Long Chu, Thanh Phuong Nguyen, Hoang Long Phan, and Tan Tien Nguyen, Optimal Control Method for Stable Walking Gait of a UXA-90 Light Robot, Springer - Lecture Note in Electrical Engineering, Vol 415, pp 664-674, December 08-09, 2016 (ISSN 1876-1119) Tri Dung Nguyen, Ba Long Chu, Thien Phuc Tran, Tan Tien Nguyen, and Sang Bong Kim, Stable Walking Gait Planning for 3D Biped Robot with Feet Applied for UXA90-Light, Springer - Lecture Note in Electrical Engineering, Vol 415, pp 676-685, December 08-09, 2016 (ISSN 1876-1119) Vo Van Tan Nhat, Pham Uyen Phuong and Nguyen Tan Tien, Study on Motion Generation for a Dancing Humanoid Robot using Kinect, Proceeeding of The 11th SEATUC Symposium (SETUC2017), pp 1-6, March 13-14, 2017, Vietnam (ISSN 1882-5796) - Hội nghị nước: báo cáo khoa học Trần Thiện Chí, Huỳnh Thanh Tâm, Phan Hoàng Long Nguyễn Tấn Tiến, Nghiên cứu thiết kế bàn tay robot thực tác vụ bắt tay, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ (VCM2016), trang 313-321, ngày 25 - 26/11/2016, Cần Thơ Tống Nhựt Phương, Chu Bá Long, Phan Tấn Tùng Nguyễn Tấn Tiến, Thiết kế khí cho robot dạng người, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ (VCM2016), trang 685690, ngày 25 - 26/11/2016, Cần Thơ Phạm Nhật Tân, Chu Bá Long, Trương Nguyên Vũ Nguyễn Tấn Tiến, Nghiên cứu thiết kế cấu dẫn động đàn hồi nối tiếp ứng dụng cho khớp cổ chân humanoid UXA-90, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ (VCM2016), trang 28-34, ngày 25 - 26/11/2016, Cần Thơ Nguyễn Nhật Đăng Khoa, Chu Bá Long, Nguyễn Thanh Phương, Nguyễn Tấn Tiến, Thiết kế điều khiển tối ưu cho humanoid robot UXA 90-Light, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ (VCM2016), trang 43-49, ngày 25 - 26/11/2016, Cần Thơ Nguyễn Trí Dũng, Chu Bá Long, Lê Hồi Quốc, Nguyễn Tấn Tiến, Hoạch định dáng cho robot dạng người cho humanoid UXA90-Light, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ (VCM2016), trang 299-306, ngày 25 - 26/11/2016, Cần Thơ Nguyễn Văn Tiến Anh, Trần Thiên Phúc, Nguyễn Tấn Tiến, Nghiên cứu điều khiển bước robot UXA-90 Light, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ (VCM2016), trang 35-42, ngày 25 - 26/11/2016, Cần Thơ Dạng sản phẩm IV TT Tên sản phẩm Số lượng Chuyên ngành đào tạo Ghi Kỹ sư Kỹ thuật Cơ điện tử Đã thực hiện: Thạc sỹ Kỹ thuật Cơ điện tử Đã thực hiện: 3 Tiến sỹ (chuyên đề) Kỹ thuật Cơ điện tử Đang thực hiện: - Kỹ sư Phạm Nhật Tân Trần Thiện Chí Nguyễn Đức Chính - Thạc sỹ Nguyễn Nhật Đăng Khoa Nguyễn Trí Dũng Nguyễn Văn Tiến Anh - Tiến sỹ Nguyễn Văn Hiền Nguyễn Xuân Tiên IV TÌNH HÌNH KINH PHÍ - Đã tốn kinh phí V BÁO CÁO CÁC PHÀN ĐĂNG KÝ Đà THỰC HIỆN KỲ Nội dung 1: Xây dựng mơ hình u cầu cho robot dịch vụ thiết kế, chế tạo Nghiên cứu cấu tr�c tổng quát cho robot dịch vụ dạng người 1.1 Nghiên cứu xác định tính cho robot dịch vụ dạng người (đứng ngồi, chuy� n động, …) v�sự phối hợp chuy� n động phần th� Hiện nghiên cứu humanoid robot trở nên không c�n lạ với nước giới Nhiều ph�ng nghiên cứu thành lập, nhiều thi dành riêng cho humanoid robot tổ chức, mã nguồn, trang web mô ph�ng, lập trình mở rộng chia s� Ban đầu humanoid robot tạo với mục đích thực nhiệm vụ mà người không muốn làm trở thành người bạn c�thể giao tiếp với ch�ng ta Ngày nay, humanoid c�sự phát triển vượt bậc, ngày c�thêm nhiều chức hoạt động môi trường ngày rộng, chí vượt kh�ibề m� t Trái Đất Để đạt thành tựu hơm ch�ng ta nên nhớ tới nhà tiên phong l� nh vực Humanoid robot công nhận giới WABOT-1 Ichiro Kato cộng đại học Waseda phát triển vào năm 1973 WABOT-1 c�khả nhận diện vật thể, hiểu, n�i ngôn ngữ, điều khiển vật thể b� ng hai tay b� ng hai chân địa hình b� ng ph� ng lý tưởng Nh�m Waseda phát triển WABOT-2 với khả chơi piano vào năm 1984 [1] H� nh 1.1 Humanoid robot c�a đại h�c Waseda K�nguyên humanoid robot thực mở tập đoàn lớn bắt đầu thấy hứng th� với xu hướng nghiên cứu Điển hình cơng ty HONDA với humanoid robot tiếng ASIMO M� c dù Waseda cộng tạo humanoid robot giới c�thể n�ingười đ� t m�ng cho tất nghiên cứu sau humanoid robot lại tập đồn HONDA Muốn tìm hiểu q trình hình thành phát triển cơng nghệ humanoid hiểu r�về đời ASIMO điều cần thiết Ngoài ra, với n� t tương đồng văn h�a Việt Nam Nhật Bản ta bắt g� p nhiều điểm giống yêu cầu người tiêu dùng, cách đ� t vấn đề cho ASIMO Hướng suy ngh�của Honda ngày đầu tạo humanoid robot c�thể tồn cộng tác với người C�thể làm việc mà người làm tạo thêm nhiều giá trị cho xã hội Cụ thể phát triển robot đáp ứng yêu cầu người tiêu dùng khơng bị giới hạn mục đích cụ thể [4] H� nh 1.2 Hướng phát triển c�a HONDA Humanoid robot Honda c�tên E0 đời vào năm 1986 với mục đích nghiên cứu nghiên lý di chuyển cho chân robot Nguyên lý robot đ� t chân trước chân c� n lại tốc độ di chuyển chậm đường th� ng (slow walking), tốn 5𝑠 cho m�i bước chân [3] H� nh 1.3 Slow walking Fast walking Để tăng tốc độ bước đi, đạt “fast walking”, nhà nghiên cứu tìm hiểu cách mà người bước Thêm vào đ�, cách thức động vật dạng khác nghiên cứu Để từ năm 1987 tới năm 1991, ba hệ humanoid robot đời c�tên gọi: E1, E2, E3 (E: Experiment), với hệ E2 đạt tốc độ di chuyển 1,2𝑘𝑚/ℎ Bước HONDA đạt bước nhanh ổn định cho robot môi trường sinh sống người, đ� c biệt bề m� t không b� ng ph� ng, dốc, bậc thang mà không ngã Và từ năm 1991 tới năm 1993, họ làm điều với hệ robot: E4, E5, E6 b� ng cách áp dụng điều khiển dáng đi: “Target ZMP control, Floor Reaction Control, Floor Planning Location Control” Tới thời điểm này, hệ robot c�2 chân, HONDA phát triển thêm thân robot tạo humanoid robot c�cấu tr�c hoàn chỉnh Năm 1993- 1997: nhà nghiên cứu tiếp tục hồn thiện tính độc lập cho humanoid robot Thế hệ P1 (P: Prototype): c�thể phối hợp hoạt động tay chân l�c thực thi nhiệm vụ Thế hệ P2: humanoid robot tự điều chỉnh (self-regulating) giới Sử dụng cơng nghệ khơng dây, thân mang máy tính, drive động cơ, pin, radio không dây thiết bị cần thiết khác Tất chi tiết thiết kế tích hợp bên Robot c�thể đi, lên xuống cầu thang, đẩy xe hàng hoạt động khác mà không cần dây k� o theo Thế hệ P3: humanoid robot độc lập (independent) hoàn tồn Kích thước khối lượng giảm b� ng cách thay vật liệu thành phần phân tán hệ thống điều khiển Kích thước nh�phù hợp để sử dụng môi trường sống người H� nh 1.4 Humanoid robot c�a HONDA qua thời k�[2] Công nghệ di chuyển b� ng chân phát triển Honda thời cách tiếp cận độc tới thách thức tự vận động Sử dụng bí đạt từ những mẫu thử nghiệm, nhà nghiên cứu bắt đầu áp dụng công nghệ cho thực tế Vào ngày 20 tháng 11 năm 2000, humanoid robot ASIMO: đại diện cho thành qua nhiều năm theo đuổi HONDA đời Chiều cao 1200𝑚𝑚 Chiều rộng 450𝑚𝑚 Chiều dày 440𝑚𝑚 N� ng 43𝑘𝑔 Tốc độ bước tối đa 1,6𝑘𝑚/ℎ Lực nắm bàn tay 0,5𝑘𝑔/bàn tay (5 ng�n) Cơ cấu chấp hành Động servo + truyền harmonic + truyền khác Cảm biến Chân: cảm biến lực trục Thân: quay hồi chuyển, cảm biến gia tốc Nguồn 38𝑉/10𝐴𝐻 (Ni-MH) H� nh 1.5 Humanoid robot ASIMO Môi trường hoạt động ASIMO chủ yếu nhà (cơ quan ho� c nhà ở), thiết kế robot hướng tới thân thiện với người Cụ thể vào năm 2000, nhiệm vụ ASIMO l�c làm tiếp tân Các ngón tay thực chuyển động co dãn (tương ứng với chuyển động flexion/extension bàn tay thực) ❖ Kiểu co – dãn - nghiêng Hình 13.5 Nguyên lý kiểu co – dãn – nghiêng Ngoài chuyển động co giãn, kiểu cho phép ngón tay thực chuyển động nghiêng sang hai bên (ứng với chuyển động adduction/abduction khớp metacarpalphalagieal) Đây nguyên lý mô ph�ng chuyển động gần giống với bàn tay sinh học người Kết hợp việc phân tích tác vụ bắt tay cần thực hiện, ta nhận thấy r� ng cụm ngón cịn lại khơng khơng sử dụng đến chuyển động nghiêng (abduction/adduction) Do ��= vi ệc sử dụng khớp quay loại nh� m thực chuyển động nghiêng không cần thiết mục tiêu đ� t Với nhận x� t ��= đ ề xuất phương án thiết kế ngón tay với bậc tự (hình 6a) Ngón tay đề xuất sử dụng nguyên lý kiểu mở rộng (hình 6b) Đề xuất thiết kế cổ tay với bậc tự - loại b�chuyển động abduction/adduction, sơ đồ nguyên lý cổ tay trình bày hình 6c Bàn tay (a) Other fingers (b) Thumb (c) Cổ tay Hình 13.6 Sơ đồ nguyên lý ngón tay cổ tay đề xuất 178 Hình 13.7 Sơ đồ ngun �����ó robot đ ề xuất 1.2 Đề xuất phương án truyền động Việc lựa chọn phương thức truyền động cho bàn tay dựa vào yếu tố sau: - Khối lượng cấu, khối lượng cấu lớn đồng ng�� với việc ��h�iacctuator cung cấp moment lớn để dẫn động cho cấu - Độ xác truyền, khả bố trí vào mơ hình - Kích thước truyền có phù hợp bố trí với kích thước bàn tay robot thu nh�(1:1,6) Actuator M Actuator Actuator M (a) Direct – drive actuation M Transmission elements (b) Link – hosted actuation Transmission system (b) Remote actuation Hình 13.8 Phương án truyền động Theo Bruno Siciliano et al [5], có hai cách thơng dụng để truyền động cho robot là: in – site actuation remote actuation Trong ��= in – site actuation bao gồm direct – drive actuation link – hosted actuation 179 • In – site actuation hiểu bố trí actuator gần khớp có thể, trực tiếp ngón tay ho� c đơi khớp - Direct – drive actuation: actuator kết nối trực tiếp với khớp cần truyền động mà khơng thơng qua cấu truyền động (hình 8a) - link – hosted actuation: actuator truyền động đến khớp thơng qua truyền (hình 8b) • Remote actuation phương án thay cho in – site actuation, actuator bố trí xa ��Ư bàn tay ho � c c� ng tay, truyền động thực thông qua hệ thống đơn giản ho� c phức tạp, hệ thống ��= h �iphải xuyên qua không gian động khớp cần truyền động bàn tay (hình 8c) Có thể nhận thấy, với kích thước ngón tay thu nh�so với kích thước bàn tay người (1: 1,6), việc sử dụng phương án truyền động in – site actuation khó thực giới hạn kích thước động cơ, không gian nh�h� p ng�n tay �� g bàn tay Từ ��= phương án truyền động remote actuation c�= đư ợc tính khả thi trường hợp bàn tay robot Tuy nhiên, phương án truyền động in – site actuation xem x� t song song lựa chọn th� a mãn mục tiêu đ� t có kết tốt 1.3 Đề xuất động sử dụng Các tiêu chí đ� t • Kích thước nh�gọn, dễ dàng bố trí robot • Kết nối khí điện đơn giản • Điều khiển tương đối xác vị trí • Tỉ lệ moment / khối lượng lớn Các phương án đề xuất Phương án 1: Động step / RC Servo Có thể điều khiển tương đối xác vị trí (vịng hở), c�����ì ớc cơng suất phù hợp Tuy nhiên, hai loại động khơng c�phản hồi vị trí tải Riêng động RC servo khơng cầ���� �ibố trí thêm driver điều khiển động Phương án 2: Động DC Servo thông thường Bao gồm động DC, hộp giảm tốc encoder, điều khiển xác vị trí, vận tốc moment Tuy nhiên, loại động thường có hình dạng thon dài (như hình 2.10) nên �� bố trí vào bàn tay robot kích thước bị giới hạn Ngồi cịn có nhiều loại cấu chấp hành khác hệ thống thủy lực, khí �” n, nhân tạo… áp dụng vài humanoid robot c�lớn Tuy nhiên chúng không phù hợp với bàn tay cho humanoid robot kích thước nh�nên khơng xét Phương án lựa chọn động phụ thuộc vào phương án bố trí động vào bàn tay, nên kết hợp với phương án bố trí động mục 2.3.2 để lựa chọn 1.4 Đề xuất phương án bố trí động Phương án s�dụng động RC servo Với phương án sử dụng động RC serso, ta sử dụng động RC servo Emax 9051 thường dùng máy bay điều khiển từ xa để tiến hành bố trí vào mơ hình 3D xem tính khả thi phương án Với kích thước động RC servo không gian c�= th ể bố trí, bố trí tối đa động bên phần c� ng tay để điều khiển (tức m�iđộng điều khiển ngón tay cổ tay) Mơ hình u cầu bố trí động tương đối đơn giản, yêu cầu giải thuật điều khiển động RC servo khơng q phức tạp – vịng hở Tuy nhiện, Việc sử dụng động điều khiển bậc tự đ�� h�i khí bên ng�� tay phải đảm bảo mối quan hệ khớp quay nh� m đảm bảo khả điều khiển 180 Động RC servo Hình 13.9 Bố trí động Emax 9051 vào ph�n c�ng tay Phương án s�dụng động Step Kích thước động Step đa dạng có động step với kích thước nh�đủ khả bố trí vào động đốt ng�� tay để điều kiển độc lập khớp quay ngón tay – truyền động theo phương thức in – site actuation Còn với phương án sử dụng động Step lớn đ� t c� ng tay tương đối giống với RC servo, lại ��= h �i phải bố trí thêm driver khơng gian giới hạn bàn tay nên không xem x� t đến Việc điều khiển độc lập khớp làm cho bàn tay trở nên linh hoạt so với hai phương án cịn lại, khơng��� �iviệc đảm bảo mối quan hệ khớp thơng qua khí Tuy nhiên, mơ hình bố trí động step khớp ng�� tay ��= h �i việc dây điện động dọc ngón tay tương đối phức tạp; việc đường dây điện dọc ng�� tay ảnh hướng đến việc thực tác vụ bắt tay – có tương tác với người Động Step Hình 13.10 Bố trí động Step kích thước nhỏ vào đốt ngón tay Phương án bố trí s�dụng động DC servo Cũng động RC servo, kích thước động DC servo khơng thể bố trí để điều khiển độc lập khớp ngón tay, nên sử dụng phương án điều khiển phụ thuộc khớp quay 181 – tức sử dụng động DC servo đ� t khu� u tay Sử dụng động DC servo GA12 c�= kích thước nh�bố trí vào mơ hình 3D xem xét tính khả thi phương án Phương án c�= đ ầy đủ ưu, nhược điểm phương án bố trí động RC servo việc điều khiển động DC servo – ��Ư kín xác so v ới RC servo Hạn chế so với phương án sử dụng động RC servo ��= h �i bố trí driver – thấy hình khơng đủ khơng gian bố trí driver Động DC servo Hình 13.11 Bố trí động DC servo vào ph�n khu� u tay Với mô hình bố trí động khả thi, ta nhận thấy phương án sử dụng động RC servo đơn giản đảm bảo thực yêu cầu đ� t đầu ban đầu Từ �� lựa chọn phương án sử dụng động RC servo Với phương án sử dụng động RC servo đồng ng�ú a v ới việc ta lựa chọn phương án truyền động remote actuation Khi �� vấn đề lựa chọn truyền xuyên qua vùng không gian nh�h� p từ phẩn c� ng tay – bố trí động RC servo đến khớp ng� tay đư ợc xem xét; từ ��ộ truyền động sử dụng dây k� o lựa chọn sửa dụng 1.5 Đề xuất phương án kéo dây C�= hai phương án k� o dây đư ợc đưa xem x� t phương án �” o dây m ột chiều kéo dây theo hai chiều co/dãn ngón tay: • Phương án �” o dây m ột chiều (hình 12a): m�iđộng tác động lên khớp quay loại ng�� tay theo hướng co ho� c dãn, hướng chuyển động cịn lại thơng qua phần tử tích trữ lượng����� o Tuy nhiên, tính phi tuyến lò xo yếu tố cần xem xét • Phương án �” o dây hai chi ều (hình 12b): m�i động c�= th ể tác động lên khớp quay loại theo hai hướng chuyển động ứng với việc co dãn ngón tay Với phương án sử dụng động RC servo trình bày trước ��phương án sử dụng động RC servo để kéo dây theo chiều lựa chọn 182 Hình 13.12 Phương án kéo dây 1.6 Kết lu�n Với tình hiểu, phân tích; tiến hành đề xuất sản xuất thử nghiệm bàn tay robot thực tác vụ bắt tay • Kích thước tn theo tỉ lệ kích thước thể người • Số bậc tự do: Cổ tay bậc tự do, ngón tay 15 bậc tự • Phương án truyền động gián tiếp: remote actuation • Số lượng acctutor sử dụng: actuators • Bộ truyền sử dụng: Dây • Tác vụ thực hiện: Bắt tay Cable-driven linkage Hình 13.13 Sơ đồ nguyên lý tổng thể bàn tay cổ tay đề xuất Xây dựng quy trình thiết kế - chế tạo đ�sản xuất – chuy� n giao cho giai đoạn tri� n khai Quy trình chế tạo humanoid robot chia làm hai giai đoạn chính: • Bước 1: Chế tạo toàn chi tiết humanoid robot • Bước 2: Lắp ghép chi tiết chế tạo bước thành cụm kiểm tra cụm 183 • Bước 3: Lắp cụm với hoàn chỉnh thiết kế phần cứng Humanoid – kiểm tra tổng thể humanoid • Bước 4: Kiểm tra thơng qua thực nghiệm tác vụ: đi, đứng, ngồi, bắt tay, … Chế tạo chi tiết thiết kế Lắp chi tiết theo cụm Lắp cụm với Kiểm tra, thực nghiệm Humanoid Hình 13.14 Quy trình chế tạo humanoid robot H1 Cụ thể, bước chế tạo humanoid trình bày bên dưới: Bước 1: Chế tạo tồn chi tiết c�a humnaoid robot Quá trình chế tạo chi tiết theo bước trình tự sau Xuất vẽ khí Trải cắt laser chi tiết Chấn chi tiết cắt laser Kiểm tra yêu cầu kỹ thuật Hình 13.15 Quy trình chế tạo chi tiết humnoid robot Do số lượng chi tiết chế tạo nhiều nên trình bày quy trình chế tạo số chi tiết điển hình cụm chi tiết lớn humanoid robot: cụm đầu, cụm tay trái – phải, cụm chân trái – phải, cụm thân Bộ phận Tên chi tiết Cụm đầu Neek Chi tiết 3D Xuất vẽ Body_top _head Cụm thân Body_slide 184 Bản vẽ trải Ankel_pitch _bracket Cụm chân Fronthorn _knee Pipe Arm_sam _bracket Cụm tay Arm_sam _pitch Bước 2: Lắp ghép chi tiết Lắp ghép chi tiết chế tạo �bước thành cụm kiểm tra t�ng cụm Các cụm chi tiết humanoid bao gồm: cụm đầu, cụm tay tái – phải, cụm chân trái – phải, cụm thân; cum chi tiết lắp độc lập với theo cụm kiểm tra cụm chi tiết sau hoàn thành Các cụm chi tiết lắp theo thứ tự từ phần thân ra, cụ thể: • Cụm đầu: Cụm đầu lắp từ lên trên, �� lấy động khớp cổ làm chuẩn lắp lên, thứ tự trình bày hình 15 Hình 13.16 Trình tự lắp cụm đ�u 185 • Cụm tay: Cụm tay lắp theo thứ tự từ xuống – tức từ động khớp vai từ từ đến phần bàn tay humanoid robot, thứ tự lắp trình bày hình 16 10 11 12 Hình 13.17 Trình tự lắp cụm tay • Cụm thân: Cụm thân lắp từ động khớp hơng lấp dần lên phía trình bày hình 17 19 20 18 17 13 16 14 15 12 11 10 21 Hình 13.18 Trình tự lắp cụm thân • Cụm chân: Cụm chân lắp theo thứ tự từ xuống – tức từ động khớp hông từ từ đến phần bàn chân humanoid robot, thứ tự lắp trình bày hình 18 186 54 I II III Hình 13.19 Trình tự lắp cụm chân • Lắp cụm chi tiết với nhau: Các cụm chi tiết: đầu, tay trái – phải, chân trái – phải cụm thân sau lắp kiểm tra theo cụm riêng biệt lắp lại với nhau; trình tự lắp lấy cụm thân làm chuẩn lắp dần cụm phận theo thứ tự: Cụm thân – chuẩn lắp Cụm đầu Cụm tay phải Cụm tay trái Cụm chân phải Cụm chân trái • Hồn chỉnh Humanoid kiểm tra: Humanodi robot sau được lắp ghép hoàn chỉnh kiểm tra tổng thể dung sai lần cuối 187 VI NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN ĐỌNG CẦN GIẢI QUYẾT - Humanoid toán lớn, đ� c thù số bậc tự lớn yêu cầu độ xác cao nên với kinh phí thời gian khơng lớn, đề tài đạt kết khiêm tốn - Ba vấn đề g� p phải q trình nghiên cứu chế tạo humanoid thơng qua đề tài Độ cứng vững khung sườn humanoid Cấu ��cơ khí (các khâu) đư ợc chế tạo b� ng nhơm tấm, cắt laser chấn theo hình dạng yêu cầu nên độ cứng vững không cao so với khối lượng (Honda Asimo: khung sường chế tạo b� ng phương phá��” c kim loại đảm bảo nh�và độ cứng vững cao) Độ rơ hộp giảm tốc Hộp giảm tốc c�= đ ộ rơ lớn (Honda Asimo: sử dụng gảm tốc harmonic chế tạo riêng cho Asimo) Moment đáp ứng động Động mua từ RobotBuilder, Hàn quốc có moment/khối lượng đáp ứng khơng cao (Honda Asimo: có nhóm nghiên cứu chế tạo động riêng cho Asimo) Độ rơ giảm tốc làm cho dao động phần thân robot tăng theo tốc độ di chuyển Tốc độ cao, dao động lớn dẫn đến ổn định động lực học làm cho humanoid ngã nhào Đây vấn đề chưa giải nghiên cứu Với độ rơ robot thiết kế, tốc độ di chuyển humanoid thiết kế chưa đạt đăng ký (10𝑐𝑚/𝑠 so với 20𝑐𝑚/𝑠) Tuy nhiên, humanoid bước b� ng hai chân Theo thơng tin nhóm nghiên cứu, humanoid (cao 100𝑐𝑚) Việt nam - Để triển khai hiệu toán thiết kế điều khiển humanoid, cần tập trung giải triệt để vấn đề • Động cơ: moment lớn, đáp ứng nhanh, không c�� ộ rơ, nh�-gọn-nh� • Các khâu: độ cứng vững lớn, tỉ trọng nh� • Cơ cấu tác động xem x� t đến cấu tác động đàn hồi tuyến tính ho� c xoay - Do số hạn chế m� t kỹ thuật nên sản phẩm Humanoid đề tài chưa đạt mức độ biểu diễn mong muốn, việc thử nghiệm trường dừng mức giới thiệu kết nghiên cứu bước đầu humanoid hội nghị, hội thảo khoa học 188 VII KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Đề tài hoàn thành nội dung tiến độ thực Đề tài xây dựng đội ngũ khoa học tr�trong �ú nh v ực humanoid Kinh nghiệm đạt từ nghiên cứu tảng cho nghiên cứu tiếp tục �ú nh v ực humanoid Hiện nhóm nghiên cứu tiếp tục triển khai nghiên cứu để hoàn thiện robot nh� m ứng dụng vào thực tế đời sống bước Kính đề nghị Sở KHCN ủng hộ hướng nghiên cứu tiếp tục để hồn thiện sản phẩm, đưa vào ứng dụng thực tế - Kính đề nghị Hội đồng Giám định cho phép nghiệm thu đề tài Trân trọng cám ơn Hội đồng Chủ nhiệm đề tài (Họ tên, chữ ký) Cơ quan chủ trì (Họ tên, chữ ký) Nguyễn Tấn Tiến Lâm���nh Vũ Chủ tịch Hội đồng (Họ tên, chữ ký) Cơ quan chủ quản (Họ tên, chữ ký) 189 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] TÀI LIỆU THAM KHẢO Shuuji Kajita et.al, Introduction to Humanoid Robotics, Springer, 2013 Masato Hirose et.al, Honda humanoid robot development, Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol 365, Issue 1850, 15/1/2007 Honda Motor Co., Ltd, Asimo-Techical-Information.pdf, Public Relations Division, 9/2007 Yoshiaki Sakagami et.al, The intelligent ASIMO: System overview and integration, Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ, Intl Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 2478-2483, 10/2002 G Nelson, A Saunders, N Neville, B Swilling, J Bondaryk, D Billings, C Lee, R Playter, and M Raibert, “Petman: A humanoid robot for testing chemical protective clothing,” 日本ロ ボット学会誌, vol 30, no 4, pp 372–377, 2012 Scott Kuindersma et.al, Optimization-based Locomotion Planning, Estimation, and Control Design for the Atlas Humanoid Robot Ill-Woo Park et.al, Development of Humanoid Robot Platform KHR-2, International Journal of Humanoid Robotics, Vol 02, Issue 04, 12/2005 David Goiaillier et.al, The NAO humanoid: a combination of performance and affordability, 21/07/2008 Kenji KANEKO et.al, Humanoid Robot HRP-4 – Humanoid Robotics Platform with Lightweigh and Slim Body, Proceedings of the 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 4400-4407, 25/09/2011 Sebastian Lohmeier et.al, System Design and Control of Anthropomorphic Walking Robot LOLA, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol 14, No 6, pp 658-666, 12/2009 Ill-Woo Park et.al, Mechanical Design of Humanoid Robot Platform KHR-3 (KAIST Humanoid Robot - 3: HUBO), Proceedings of 2005 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp 321-326, 2005 H Ulbrich et.al, Development of the Humanoid Robot LOLA, Applied Mechanics and Materials, Vol 5-6, pp 529-540, 15/10/2006 N A Radford, P Strawser, K Hambuchen, J S Mehling, W K Verdeyen, A S Donnan, J Holley, J Sanchez, V Nguyen, L Bridgwater, and others, “Valkyrie: NASA’s First Bipedal Humanoid Robot,” J Field Robot., vol 32, no 3, pp 397–419, 2015 Nicholas Paine et.al, Actuator Control for the NASA-JSC Valkyrie Humanoid Robot: A Decoupled Dynamics Approach for Torque Control of Series Elastic Robots, 2015 Nicholas Paine et.al, Design and Control Considerations for High-Performance Series Elastic Actuators, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol 19, No 3, pp 1080-1091, 06/2014 Qiang Huang et.al, Planning Walking Patterns for a Biped Robot, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol 17, No 3, pp 280-289, 06/2001 Shuuji Kajita et.al, Biped Walking Pattern Generation by Using Preview Control of ZeroMoment Point, Proceedings of the 2003 IEEE, International Conference on Robotis & Automation, pp 1620-1626, 10/2003 Shuuji Kajita et.al, The 3D Linear Inveted Pendulum Mode: A simple modeling for a biped walking pattern generation, Proceedings of the 2001 IEEE/RSJ, International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 239-246, 29/10/2001 http://www.japantrendshop.com/robi-robot-p-1622.html Kenji KANEKO et.al, Hardware Improvement of Cybernetic Human HRP-4C for Entertainment Use, 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 4392-4399, 25/09/2011 190 [21] Matthias Nieuwenhuisen et.al, Human-like Interaction Skills for the Mobile Communication [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] Robot Robotinho, International Journal of Social Robotics (SORO), Special Issue on Emotional Expression and Its Applications, Springer, 2013 Nicola Doering et.al, User-Centered Design and Evaluation of a Mobile Shopping Robot, Int J Soc Robot, Springer, 21/09/2014 Ronny Stricker et.al, Konrad and Suse, Two Robots Guiding Visitors in a University Building, Proc Autonomous Mobile Systems (AMS 2012), Stuttgart, Germany, Informatik aktuell, pp 49-58, Springer Verlag 2012 Răzvan Gabriel Boboc et.al, An Educational Humanoid Laboratory Tour Guide Robot, Procedia – Social and Behavioral Sciences, 4th World Conference on Learning Teaching and Educational Leadership, Vol 141, pp 424-430, 25/08/2014 https://www.indiegogo.com/projects/alpha-2-the-first-humanoid-robot-for-the-family#/ https://www.aldebaran.com/en/cool-robots/romeo http://vn.tosy.com/ “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot dịch vụ dạng người”, 2013, Đề tài cấp ĐHQG TP.HCM, Chủ nhiệm đề tài: TS Hồ Phạm Huy Ánh, Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM DJTodd, Walking Machine: An Introduction to Legged Robots, Korean Page Ltd, 1985 http://www.physio-pedia.com/Gait_Cyclee Radavelli, L., Simoni, R., De Pieri, E., Martins, D.: A Comparative Study of the Kinematics of Robots Manipulators by Denavit-Hartenberg and Dual Quaternion Mecánica Comput MultiBody Syst 31, 2833–2848 (2012) Sahu, S., Biswall, B B., Subudhi, B.: A Novel Method for Representing Robot Kinematics using Quaternion Theory, In Proceedings of IEEE Sponsored Conference on Computational Intelligence, Control and Computer Vision in Robotics and Automation, 2008 pp 181–184 Özgür, E., Mezouar, Y.: Kinematic modeling and control of a robot arm using unit dual quaternions Robot Auton Syst 77, 66–73 (2016) Pham, H.-L., Perdereau, V., Adorno, B.V., Fraisse, P.: Position and orientation control of robot manipulators using dual quaternion feedback In: 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) pp 658–663 (2010) Yang, A.T., Freudenstein, F.: Application of Dual-Number Quaternion Algebra to the Analysis of Spatial Mechanisms J Appl Mech 31, 300–308 (1964) Dooley, J.R., McCarthy, J.M.: Spatial rigid body dynamics using dual quaternion components In: , 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1991 Proceedings pp 90–95 vol.1 (1991) Hamilton, W.R.: Elements of quaternions Longmans, Green, & Company (1866) Clifford: Preliminary Sketch of Biquaternions Proc Lond Math Soc s1-4, (1871) Sciavicco, L., Siciliano, B.: Modelling and control of robot manipulators Springer, London ; New York (2000) Adorno, B.V.: Two-arm manipulation: From manipulators to enhanced humanrobot collaboration, Diss Universit Pierre et Marie Curie, France, (2011) Goswami, A.: Postural Stability of Biped Robots and the Foot-Rotation Indicator (FRI) Point Int J Robot Res 18, 523–533 (1999) E R Westervelt, J W Grizzle, C Chevallereau, J Choi, and B Morris, Feedback Control of Dynamic Bipedal Robot Locomotion Taylor & Francis/CRC, 2007 191 [43] Bézier P 'Emploi des Machines a Commande Numérique' Masson & Cie, Paris (1970) [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] Translation into English by R Forrest: Numerical Control - Mathematics & Applications Wiley & Sons, London (1972) Bézier P 'Essai de Définition Numérique des Courbes et des Surfaces Expérimentales.' Dissertation, Paris (1977) H Poincar� , Sur les Proprietés des Functions Définies par les �quations aux Differences Partielles (Gauthier-Villars, Paris, 1879) H Poincar� , Les Méthodes Nouvelles de la Mécanique Céleste, vol (Gauthier Villars, Paris, 1892) (English translation by D.L Goroff, New Methods in Celestial Mechanics (American Institute of Physics, 1993)) Al-Shuka, H.F.N., Allmendinger, F., Corves, B., Zhu, W.-H.: Modeling, stability and walking pattern generators of biped robots: a review Robotica 32, 907–934 (2014) Rose, J., Gamble, J.G eds: Human walking Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia (2006) J Park, Y Youm: General ZMP Preview Control for Bipedal Walking, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics & Automation 2007 K Takaba, A tutorial on preview control systems, SICE Annual Conference in Fukui Japan, August 2003, pp 1561-1566 192