Phan Bùi Khôi Viện: Viện Cơ khí HÀ NỘI, 10/2020 Trang 3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Khảo sát động lực học robot đi bộ hai chânChuyên ngành: Cơ Điện tử Giáo viên hướ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Khảo sát động lực học robot hai chân Trương Tuấn Anh ttanh@sti.vast.vn Ngành Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phan Bùi Khôi Viện: Viện Cơ khí HÀ NỘI, 10/2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132227981000000 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Khảo sát động lực học robot hai chân Trương Tuấn Anh ttanh@sti.vast.vn Ngành Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phan Bùi Khơi Viện: Viện Cơ khí HÀ NỘI, 10/2020 Chữ ký GVHD TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Khảo sát động lực học robot hai chân Chuyên ngành: Cơ Điện tử Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên PGS TS Phan Bùi Khôi GÁY: 2017B – CƠ ĐIỆN TỬ - TRƯƠNG TUẤN ANH – CB2170072 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : TRƯƠNG TUẤN ANH Đề tài luận văn: Khảo sát động lực học robot hai chân Chuyên ngành: Cơ – điện tử Mã số SV: CB170072 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 31/10/2020 với nội dung sau: - Bổ sung mục 4.4: “Trạng thái cân bước robot” - Lựa chọn tham số bước phù hợp mơ hình robot thiết kế để dùng tính tốn mơ Thực tính tốn mơ lại với tham số cập nhật kết mô vào luận văn - Sửa chữa số lỗi tả, lỗi trình bày, dàn trang - Bổ sung số thích đồ thị, bảng thiếu Ngày 27 tháng 11 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS TS Phan Bùi Khôi Trương Tuấn Anh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS TS Đỗ Sanh Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn nhận giúp đỡ bảo tận tình kiến thức phương pháp nghiên cứu thầy viện Cơ khí môn ứng dụng Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất quý thầy cô, đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Phan Bùi Khôi trực tiếp hướng dẫn định hướng cho thực luận văn Trong trình thực luận văn, hạn chế mặt thời gian thực nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi kính mong nhận góp ý, sửa chữa định hướng phát triển hướng nghiên cứu cho luận văn quý thầy Tơi xin chân thành cảm ơn Tóm tắt nội dung luận văn Luận văn xây dựng mơ hình robot hai chân với 10 bậc tự Từ đó, giải tốn khảo sát động học, rút phương trình động học robot kết hợp với yêu cầu vị trí, vận tốc, gia tốc để thiết kế quỹ đạo động học cho robot Dựa quỹ đạo thiết lập, luận văn tiến hành khảo sát động lực học robot giải toán động lực học ngược Cuối cùng, luận văn sử dụng phần mềm tính tốn mơ động học cho mơ hình robot Chương 1: Giới thiệu tổng quan robot hai chân Trình bày cấu trúc robot hai chân lựa chọn mơ hình khảo sát động học robot Mô tả khái quát bước tĩnh robot hai chân Chương 2: Trình bày sở lí thuyết khảo sát động học robot hai chân Khảo sát động học mơ hình robot hai chân đưa thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot hai chân Chương 3: Khảo sát toán vận tốc, gia tốc robot hai chân Chương 4: Khảo sát thông số động lực học robot, xây dựng phương trình vi phân chuyển động giải toán động lực học ngược robot Thực mơ tính tốn MATLAB/Simulink Học viên Trương Tuấn Anh MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI CHUYỂN BẰNG HAI CHÂN 10 1.1 Các khái niệm robot robot di chuyển hai chân 10 1.2 Lịch sử hình thành phát triển robot di chuyển hai chân 11 1.3 Cấu trúc robot di chuyển hai chân 13 1.4 Mô tả cấu trúc robot khảo sát luận văn 15 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT ĐI BỘ HAI CHÂN 18 2.1 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot 18 2.1.1 Phương pháp ma trận biến đổi 18 2.1.2 Phương pháp Denavit – Hartenberg 26 2.2 Mơ hình robot hai chân 30 2.2.1 Thiết lập hệ tọa độ 32 2.2.2 Thiết lập ma trận biến đổi 36 2.2.3 Phương trình động học robot 41 2.3 Thiết kế quỹ đạo bước robot 43 2.3.1 Mô tả chuyển động robot 43 2.3.2 Xây dựng điểm nút 45 2.3.3 Tính tốn quỹ đạo chuyển động robot đường cong đa thức bậc 50 2.4 Bài toán động học thuận động học ngược robot 60 2.4.1 Bài toán động học thuận 60 2.4.2 Bài toán động học ngược 61 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VI PHÂN ROBOT 63 3.1 Cơ sở lý thuyết động học vi phân robot 63 3.1.1 Đạo hàm ma trận quay 63 3.1.2 Vận tốc khâu robot 65 3.1.3 Ma trận Jacobi 67 3.2 Bài toán vận tốc gia tốc 68 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT DI CHUYỂN BẰNG HAI CHÂN 74 4.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot 74 4.1.1 Các hệ tọa độ khảo sát động lực học 74 4.1.2 Các thông số động lực học 77 4.1.3 Tính ma trận Jacobi khối tâm khâu 81 4.1.4 Ma trận khối lượng suy rộng robot 93 4.1.5 Thế robot lực 94 4.1.6 Lực quán tính ly tâm lực quán tính Coriolis 95 4.2 Giải toán động lực học cho pha đơn 96 4.3 Giải toán động lực học cho pha kép 97 4.4 Trạng thái cân bước robot 99 4.5 Mơ số kết tính toán 100 KẾT LUẬN……………………………………………………………………….110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 - Minh họa số cấu hình robot di chuyển chân 11 Hình 1.2 -Các hệ ASIMO 12 Hình 1.3 -Các hệ robot HRP: Honda P3 (1997), HRP-1 (1997), HRP-2 (1998), HRP-4 (2010) 13 Hình 1.4 - Robot ASIMO 2011 14 Hình 1.5 - Robot Atlas 15 Hình 1.6 - Mơ hình động học robot khảo sát 16 Hình 1.7 - Sơ đồ pha bước 17 Hình 2.1 - Minh họa vật rắn khơng gian 18 Hình 2.2 -Hệ tọa độ mô tả ma trận cosin hướng 19 Hình 2.3 -Biểu diễn phép quay hệ tọa độ quanh trục z 20 Hình 2.4 -Biểu diễn vector 24 Hình 2.5 -Quy ước hệ tọa độ theo Denavit – Hartenberg 27 Hình 2.6 -Mơ hình robot nối tiếp n khâu 29 Hình 2.7 – Mơ hình 3D robot 30 Hình 2.8 – Mơ hình phân rã robot 31 Hình 2.9 - Minh họa sơ đồ động học đơn giản robot 32 Hình 2.10 - Minh họa hệ tọa độ gắn với robot 34 Hình 2.11 -Biểu diễn thân hai bàn chân robot hệ tọa độ sở 39 Hình 2.12– Sơ đồ động học rút gọn robot 43 Hình 2.13 – Minh họa bước robot 44 Hình 2.14 – (a) Thời điểm bắt đầu: pha kép; (b) Thời điểm 2: pha giải phóng; (c) Thời điểm 3: pha đơn; (d) Thời điểm 4: pha chạm đất; (e) Thời điểm kết thúc: Pha kép 45 Hình 2.15 – Tư robot thời điểm thứ 47 Hình 2.16 - Tư robot thời điểm thứ hai 47 Hình 2.17 - Tư robot thời điểm thứ ba 48 Hình 2.18 - Tư robot thời điểm thứ tư 49 Hình 2.19 - Tư robot thời điểm thứ năm 49 Hình 2.20 – Quỹ đạo chuyển động hông bàn chân phải robot 56 Hình 2.21 – Quỹ đạo bàn chân phải trục Y theo thời gian 57 Hình 2.22 – Quỹ đạo bàn chân phải trục Z theo thời gian 57 Hình 2.23 – Góc quay bàn chân phải theo thời gian 57 Hình 2.24 – Quỹ đạo bàn chân trái trục Y theo thời gian 58 Hình 2.25 – Quỹ đạo bàn chân trái trục Z theo thời gian 58 Hình 2.26 – Góc quay bàn chân trái theo thời gian 58 Hình 2.27 – Quỹ đạo hơng trục Y theo thời gian 59 Hình 2.28 – Quỹ đạo hông trục Z theo thời gian 59 Hình 2.29 - Mô chuyển động robot MATLAB/Simulink 59 Hình 3.1 - Biểu diễn hệ tọa độ khảo sát vận tốc góc khâu robot 65 Hình 4.1 – Minh họa hệ tọa độ khối tâm khâu bàn chân robot 78 Hình 4.2 - Minh họa hệ tọa độ khối tâm khâu cẳng chân 79 Hình 4.3 – Minh họa hệ tọa độ khối tâm khâu đùi robot 79 Hình 4.4 - Minh họa hệ tọa độ khối tâm thân robot 80 Hình 4.5 – Minh họa hệ tọa độ tự nhiên đặt chân trụ 97 Hình 4.6 – Minh họa trạng thái cân robot bước tĩnh 100 Hình 4.7 – Qũy đạo bàn chân phải pha đơn 100 Hình 4.8 – Sơ đồ khối mơ hình Simulink 102 Hình 4.9 – Góc lịng bàn chân trụ mặt đất 102 Hình 4.10 - Tọa độ khớp cổ chân chân trụ 103 Hình 4.11 - Tọa độ khớp đầu gối chân trụ 103 Hình 4.12 - Tọa độ khớp hơng chân trụ 103 Hình 4.13 - Tọa độ khớp hông chân bước 103 Hình 4.14 - Tọa độ khớp đầu gối chân bước 104 Hình 4.15 - Tọa độ khớp cổ chân bước 104 Hình 4.16 - Vận tốc góc bàn chân trụ so với mặt đất 104 Hình 4.17 - Vận tốc khớp cổ chân chân trụ 104 Hình 4.18 - Vận tốc khớp đầu gối chân trụ 105 Hình 4.19 - Vận tốc khớp hông chân trụ 105 Hình 4.20 - Vận tốc khớp hông chân bước 105 Hình 4.21 - Vận tốc khớp đầu gối chân bước 105 Hình 4.22 – Vận tốc khớp cổ chân bước 106 Hình 4.23 - Gia tốc góc bàn chân trụ so với mặt đất 106