Với mục đớch đi sõu nghiờn cứu về lĩnh vực mobile robot cũn mới mẻ này, luận văn trỡnh bày phương phỏp tớnh toỏn đ ng học và thiết lập ộphương trỡnh chuyển đ ng củộ a robot di động bằng
NGuyễn Tiến Dũng Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội - Họ tên tỏc gi lun NGUYN TIN DNG công nghệ khí TÊN Đề TàI LUậN VĂN NGHIấN CU BI TON ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHNG Luận văn thạc sĩ khoa học Ngành: Công nghệ khí MÃ số: 2007 - 2009 Hà nội 2009 Hµ néi 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113893321000000 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội - Họ tên tác giả luận văn NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH DI CHUYỂN TRÊN MT PHNG Luận văn thạc sĩ khoa học Ngành: Công nghƯ c¬ khÝ Ngun TiÕn Dịng Ngêi híng dÉn khoa häc: TS ngun Träng doanh Hµ néi 2009 Ln văn thạc sỹ Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng, số liệu kết thực nghiệm đợc nghiên cứu luận văn hoàn toàn thực tế khách quan Những kết tơng tự cha đợc sử dụng để bảo vệ học vị Tác giả luận văn Nguyễn Tiến Dũng Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ LI CM N Tụi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Trọng Doanh tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Những lời hướng dẫn, bảo tận tình thầy giúp tơi nhiều q trình làm luận văn Xin cảm ơn tồn thể thầy Bộ mơn Cơng nghệ chế tạo máy đóng góp ý tạo điều kiện thuận lợi để tơi hoàn thành luận văn Cuối xin cảm ơn thầy, bạn đồng nghiệp khoa Cơ khí trường Cao đẳng Công nghiệp Sao Đỏ cổ vũ động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình thực luận văn Hà Nội, tháng 11 năm 2009 Tác giả Nguyễn Tiến Dũng Häc viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ MC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THESIS SUMMARY 10 LỜI MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 13 1.1 Giới thiệu 13 1.2 Một số ứng dụng mobile robot 14 1.3 Các loại chuyển động mobile robot 18 1.3.1 Robot di động chân (legged mobile robot) 18 1.3.2 Robot di chuyển xích (tracked mobile robot) 21 1.3.3 Robot di chuyển bánh lăn (wheeled mobile robot) 22 1.3.4 Các loại bánh lăn dùng cho mobile robot 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VẬT RẮN 27 2.1 Vị trí hướng vật rắn không gian 27 2.1.1 Hệ tọa độ vật 27 2.1.2 Ma trận côsin hướng 28 2.1.3 Ý nghĩa ma trận côsin hướng 30 2.2 Mô tả tối thiểu hướng 31 2.2.1 Góc Euler 32 2.2.2 Góc YPR 34 2.4 Tọa độ ma trận biến đổi tọa độ 36 2.4.1 Tọa độ 36 2.4.2 Ma trận biến đổi tọa độ 37 Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng Luận văn thạc sỹ 2.4.3 Ma trn Denavit-Hartenberg 39 2.5 Vận tốc điểm hệ tọa độ động 41 CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC MOBILE ROBOT DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG 43 3.1 Mở đầu 43 3.2 Các giả thiết 43 3.3 Vị trí mobile robot 44 3.4 Liên kết động học bánh lăn 45 3.4.1 Bánh lăn cố định 46 3.4.2 Bánh lái tâm 49 3.4.3 Bánh lái lệch tâm 49 3.4.4 Bánh lăn kiểu Thụy Điển 51 3.5 Phương trình ràng buộc phân loại động học mobile robot 52 3.6 Bậc di động bậc lái 57 3.7 Bậc di chuyển (degree of maneuverability) 60 3.8 Bậc tự (degree of freedom) 61 3.9 Các ví dụ 62 3.10 Phương trình động học mobile robot 67 CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG 68 4.1 Giới thiệu 68 4.2 Phương trình Lagrange dạng nhân tử 68 4.3 Phương trình chuyển động mobile robot phẳng 69 Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn th¹c sü 4.4 Ví dụ 71 CHƯƠNG 5: GIẢI BÀI TOÁN CỤC BỘ TRÁNH VẬT CẢN CHO MOBILE ROBOT 73 5.1 Giới thiệu 73 5.2 Vị trí robot mặt phẳng 74 5.2.1 Mơ hình kết cấu 74 5.2.2 Vị trị robot mặt phẳng 75 5.3 Giải tốn tìm đường cục cho mobile robot 76 5.3.1 Bài tốn tìm đường cục cho robot 76 5.3.2 Phương pháp dẫn hướng thích nghi 77 5.4 Chương trình điều khiển 80 CHƯƠNG 6: PHẦN CỨNG ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH MOBILE ROBOT 82 6.1 Sơ đồ điều khiển mobile robot 82 6.2 Các sensor sử dụng robot 83 6.2.1 Sensor hồng ngoại 83 6.2.2 Sensor siêu âm 84 6.2.3 Sensor la bàn 87 6.3 Phần cứng điều khiển robot 89 6.3.1 Mạch điều khiển trung tâm 89 6.3.2 Mạch công suất điều khiển động DC 91 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC 96 Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng Luận văn thạc sỹ DANH MC CC HèNH V Hỡnh 1.1 Robot hàn KUKA robot song song SIG Demaurex 13 Hình 1.2 Mobile Robot Sojourner © NASA/JPL 14 Hình 1.3 Robot Pioneer © Wide World Photos 15 Hình 1.4 Robot MBARI’s ALTEX AUV Todd Walsh © 2001 MBARI 15 Hình 1.5 Robot Plustech (http://www.plustech.fi) © Plustech 16 Hình 1.6 Robot SWISSLOG ©Swisslog 17 Hình 1.7 Robot Roboxe hãng EPFL Thụy Sĩ sản xuất 18 Hình 1.8 Robot lau nhà RC 3000 18 Hình 1.9 Robot Raiberd hopper 19 Hình 1.10 Robot Sony SDR-4X II 20 Hình 1.11 Chú chó thơng minh AIBO hãng Sony 20 Hình 1.12 Robot Lauron II trường đại học Karlsruhe, Đức 21 Hình 1.13 Robot Nanokhod robot Lunokhod 21 Hình 1.14 Robot khơng gian Rocky (hình a) robot phẳng (hình b) 22 Hình 1.15 Bánh lăn kiểu bình thường (conventional wheel) 23 Hình 1.16 Bánh lăn cố định (fixed standard wheel) 23 Hình 1.17 Bánh lái tâm (centered orientable wheel) 24 Hình 1.18 Bánh lái lệch tâm (off-centered orientable wheel) 24 Hình 1.19 Bánh lăn kiểu Thụy Điển 25 Hình 1.20 Bánh lăn Thụy Điển 90o 45o 25 Hình 1.21 Robot Uranus 26 Hình 2.1 Vị trí vật rắn khơng gian 27 Hình 2.2 Quy ước chiều quay 29 Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sü Hình 2.3 Phép quay quanh trục y z0 29 Hình 2.4 Biểu diễn điểm P hai hệ toạ độ 30 Hình 2.5 Sự hình thành góc quay Euler 32 Hình 2.6 Phép quay RPY 34 Hình 2.7 Biểu diễn điểm P hệ toạ độ 36 Hình 2.8 Khảo sát chuyển động điểm P 37 Hình 2.9 Biểu diễn thơng số động học theo quy tắc Denavit-Hartenberg 39 Hình 2.10 Biểu diễn vận tốc điểm Q hệ toạ độ 41 Hình 3.1 Bánh lăn chuyển động mặt phẳng 44 Hình 3.2 Vị trí robot mặt phẳng 44 Hình 3.3 Bánh xe lăn mặt phẳng 46 Hình 3.4 Bánh lăn cố định thơng số hình học 46 Hình 3.5 Bánh lái tâm thơng số hình học 49 Hình 3.6 Bánh lái lệch tâm thơng số hình học 50 Hình 3.7 Bánh lăn kiểu Thụy Điển thơng số hình học 51 Hình 3.8 Cấu tạo bánh lăn kiểu Thụy Điển 51 Hình 3.9 Vận tốc điểm tiếp xúc bánh lăn kiểu Thụy Điển 52 Hình 3.10 Xe Ackerman xe đạp 56 Hình 3.11 Pygmalion robot Piaggio minitransporter 56 Hình 3.12 Robot bị suy biến 57 Hình 3.13 Robot có bánh lăn kiểu Thụy Điển 59 Hình 3.14 Năm kiểu xe bánh 61 Hình 4.1 Các thơng số hình học mobile robot 71 Hình 5.1 Mơ hình kết cấu robot 74 Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Luận văn thạc sỹ Hình 5.2 Vị trí robot mặt phẳng 75 Hình 5.3 Khơng gian làm việc robot tự hành 77 Hình 5.4 Các tình phát vật cản 78 Hình 5.5 Lưu đồ thuật tốn robot 800 Hình 6.1 Sơ đồ khối điều khiển mobile robot 82 Hình 6.2 Photo sensor E3F2-DS30B4 83 Hình 6.3 Sơ đồ mạch E3F2-DS30B4 84 Hình 6.4 Sensor siêu âm Devantech SRF04 85 Hình 6.5 Giản đồ xung thu phát siêu âm SRF04 87 Hình 6.6 Sensor la bàn 87 Hình 6.7 Khối nguồn dung ICLm2576 90 Hinh 6.8 Sơ đồ mạch nạp cho chip AVR qua công LPT 90 Hình 6.9 Sơ đồ mạch trung tâm 91 Hình 6.10 Sơ đồ khối IC MC33887 92 Hình 6.11 Mạch điều khiển động dùng IC MC33887 92 Häc viªn: Ngun TiÕn Dịng