Góp phần nghiên ứu động lự họ robots dáng người

VŨ ĐỨC PHÚC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ ĐỨC PHÚC CAO HỌC CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY GĨP PHẦN NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC ROBOTS DÁNG NGƯỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY KHỐ:2011-2013 Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131865161000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐỨC PHÚC GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC ROBOTS DÁNG NGƯỜI Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TSKH NGUYỄN VĂN KHANG Hà Nội – Năm 2013 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NĨI ĐẦU MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài II Lịch sử nghiên cứu III Mục đích nghiên cứu luận văn IV Đối tượng nghiên cứu V Phạm vi nghiên cứu VI Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả VII Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Thuật ngữ 1.1.1 Chuyển động ba chiều 1.1.2 Các định nghĩa dáng di 1.2 Phân tích q trình người 9 10 13 1.2.1 Sự di chuyển người 13 1.2.2 Quỹ đạo chuyển động chân người 15 1.3 Các dáng ổn định 1.3.1 Tiêu chuẩn ổn định 16 16 1.3.2 Sự phân loại dáng 21 CHƯƠNG II ĐIỂM MÔMEN TRIỆT TIÊU (ZMP) 22 2.1 Khái niệm điểm mômen triệt tiêu ZMP 22 2.2 Thiết lập phương trình xác định vị trí ZMP trạng thái tĩnh 23 2.3 Các khái niệm điểm mômen triệt tiêu (ZMP) điểm mômen triệt tiêu ảo (PZMP) tâm áp lực (CoP) 28 2.4 Thiết lập phương trình xác định ZMP trình robot hai chân chuyển động 29 2.5 Sự khác ZMP khối tâm (CoP) 37 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC ROBOT DÁNG NGƯỜI 43 3.1 Xác định vận tốc góc khâu robot 44 3.2 Xác định vị trí vận tốc trọng tâm khâu 49 3.3 Xác định gia tốc trọng tâm vật rắn 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 I Kết luận 56 II Kiến nghị 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SS, SSP (Single Support, Single Support Phase) : Trụ chân , pha trụ chân SP (Support Polygon) : Đa giác đế Pre SP (Pre-Swing Phase) : Pha khởi động PSP (Post-Swing Phase) : Pha hạ mũi bàn chân DS, DSP (Double Support, Double Support Phase) : Trụ hai chân, pha trụ hai chân CoM (Center of Mass) : Khối tâm CoP (Center of Pressure) : Tâm áp lực DoF (Degree of Freedom) : Bậc tự FCoM (Floor Projection of the Center of Mass) : Hình chiếu khối tâm xuống FZMP (Fictitious Zero-Moment Point) : Điểm mômen triệt tiêu ảo ZMP (Zero-Moment Point) : Điểm mômen triệt tiêu F, F: Véc tơ lực(dạng ma trận), thành phần véc tơ lực (N) g: Véc tơ gia tốc trọng trường [m s -2] L: Véc tơ mômen động lượng [N m s] I: Các thành phần tenxơ quán tính [kg m2 ] I: Tenxơ quán tính [kg m ] m: Khối lượng [kg] M, M: Véc tơ mômen, thành phần véc tơ mômen [N m] r, r: Véc tơ định vị, thành phần véc tơ định vị [m] P: Véc tơ động lượng [N s] A: ωω Ma trận xoay Véc tơ vận tốc góc vật thành phần [rad/s] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình robot dáng người dạng phẳng Hình 1.2 Vị trí giải phẫu robot dáng người, hệ trục sở mặt phẳng Hình 1.3 Dạng đa giác đế Hình 1.4 Các pha chu kỳ dáng Hình 1.5 Chu kỳ Hình 1.6 Chu kỳ tỷ lệ giai đoạn chu kỳ dáng Hình 1.7 Chân người di chuyển nhìn theo mặt phẳng đối xứng dọc Hình 1.8 Hình chiếu khối tâm CoM xuống sàn Hình 1.9 Mơ hình phản lực sàn lên bàn chân vị trí CoP Hình 2.1 Giai đoạn chân trụ Hình 2.2 Khớp quay khớp phức tạp Hình 2.3 Lực mơ men tác động lên lòng bàn chân lòng bàn chân tiếp xúc tồn với sàn Hình 2.4 Mối quan hệ ZMP, FZMP CoP Hình 2.5 Sơ đồ ba chiều robot hai chân điểm P Hình 2.6 Mối quan hệ ZMP, FZMP CoP khơng cân động lực Hình 2.7 Lực tác dụng phản lực tác dụng CoP ZMP Hình 2.8 Vị trí tương đối hợp lý ZMP CoP Hình 2.9 ZMP ảo (FZMP) tư khơng cân người Hình 3.1 Mơ hình động học robot dáng người Hình 3.2 Mơ hình động học robot dáng người giai đoạn trụ chân LỜI NÓI ĐẦU Một cách tổng quan chia robot thành loại robot sau: tay máy - robot nối tiếp, robot song song, robot di động robot dáng người Mức độ tinh vi phức tạp robot dạng người Gần đây, với phát triển khoa học kỹ thuật nhu cầu người robot dáng người phát triển nhanh Hiện nay, nghiên cứu robot dáng người chủ yếu tập trung vào việc hoàn thiện bước đi, nâng cao khả linh hoạt thông minh robot hoạt động Trong luận văn này, tác giả tập trung chủ yếu vào việc tính tốn đưa cơng thức xác định vị trí điểm mơmen triệt tiêu (ZMP) trạng thái tĩnh, động khảo sát động học robot dáng người Đối tượng khảo sát robot dáng người phẳng có bậc tự Toàn vấn đề luận văn diễn giải chương Chương 1: Tập trung vào việc đưa thuật ngữ khái niệm sử dụng phân tích động lực học robot dáng người Chương 2: Tập trung vào nghiên cứu, tính tốn đưa cơng thức xác định vị trí điểm mômen triệt tiêu (ZMP) trạng thái tĩnh robot di chuyển Chương 3: Tập trung vào việc khảo sát động học robot hai chân dạng phẳng phương pháp ma trận cosin hướng Cuối luận văn đưa kết luận đề xuất hướng nghiên cứu để hoàn thiện vấn đề Do thời gian có hạn hạn chế điều kiện vật chất điều kiện tiếp cận với kết mà giới đạt nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót định Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bổ ích từ người đọc luận văn quan tâm đến robot dáng người MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Robot ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp đời sống người Con người với đầy đủ giác quan thực thể linh động, nhạy bén, thực nhiệm vụ từ đơn giản đến phức tạp Sự phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp, giao thông, y tế, hóa học vv làm cho khối lượng công việc ngày tăng lên Mức độ nguy hiểm công việc ngày nhiều như: nhà máy điện hạt nhân, mơi trường có phóng xạ, độc hại, cơng việc nặng nhọc, nơi có khói bụi ảnh hưởng lớn tới sức khỏe người Ở nơi yêu cầu phải có robot thay với khả làm việc linh hoạt người Ngoài robot dùng y tế, robot phẫu thuật địi hỏi độ xác cao Những robot chăm sóc người già, người tàn tật xã hội cơng nghiệp hóa v.v Đó ngun nhân thúc đẩy phát triển robot dáng người Mục tiêu cần đạt đến robot hoạt động ngày linh hoạt thơng minh tương tự người, có khả thực công việc cách đa dạng người Trong trình hoạt động robot dáng người ổn định linh hoạt yêu cầu thiếu Để tạo ổn đinh linh hoạt robot hoạt động người ta kết hợp đa dạng ngành khoa học, kỹ thuật với như: kỹ thuật khí, điện tử tin học Nhiều nghiên cứu nhà khoa học giới vài trò tầm quan trọng điểm mômen triệt tiêu (ZMP) việc tạo ổn định robot chúng làm việc Việc nghiên cứu ZMP động học robot dáng người góp phần quan trọng để phát triển phương pháp tính tốn ổn định cho hệ robot khác nhau, làm sở vững cho tính toán, thiết kế chế tạo robot dáng người nước II Lịch sử nghiên cứu Khái niệm điểm mômen triệt tiêu (ZMP) đề xuất lần GS Vukobratovic năm 1972 Trên sở sử dụng phương pháp hình học GS Vukobratovic đưa cơng thức xác định vị trí điểm mơmen triệt tiêu đề xuất phương pháp lập trình quỹ đạo chuyển động cho robot hai chân Tiếp theo kết nghiên cứu đó, lập trình quỹ đạo chuyển động robot dựa tiêu chuẩn ZMP tiếp tục mở rộng (Arakawa Fukuda năm 1997, Huang năm 2001, Kagawi năm 2000, ) Tuy nhiên, tính phức tạp mặt động học robot dáng người với số bậc tự lớn nó, nghiên cứu ZMP quỹ đạo động lực khả thi đánh giá giống với bước thực tế bị ép buộc giữ nguyên vị trí bên đa giác trụ, có chút khác biệt so với ứng dụng ban đầu GS Vukobratovic Tuy nhiên, Yamaguchi (1993, 1998, 1999) lần giải vấn đề xác định quỹ đạo việc giải toán động học ngược có vài quỹ đạo ZMP Họ phát triển giải thuật thay đổi chuyển động ngoại tuyến (offline) việc tách rời chuyển động phần chân tần số cho phép sử dụng biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform - FFT) tính tốn chuyển động phần phía thân cho chúng bù mômen để đạt vị trí quỹ đạo ZMP mong muốn Phương pháp đặc biệt hữu hiệu trường hợp chuyển động có chu kỳ Sử dụng kết này, họ xây dựng lên hàng loạt seri Robot WABIAN Dasgupta Nakamura năm 1999 giới thiệu phương pháp lập trình quỹ đạo chuyển động khả thi Robot dáng người việc nhận dạng xử lý liệu thu từ chuyển động người (HUMAN MOTION CAPTURE DATA HMCD) để tạo quỹ đạo chuyển động ZMP mong muốn với mô hình hai bậc tự eo (hơng người) Do giả thiết chu kỳ hiệu chỉnh miêu tả thông qua chuỗi Fourier, họ đưa công thức cho vấn đề tối ưu theo đường dốc Bằng phương pháp này, họ xác định thành phần chưa biết chuỗi Fourier xem xét cách đầy đủ đến vấn đề động lực học phi tuyến Robot dạng người Nagasaka (1999) đề xuất phương pháp thiết kế chuyển động ngoại tuyến (offline) có cơng thức tốn tối ưu Họ giải phương pháp tối ưu gradient (Optimal Gradient Method - OGM), phương pháp thay đổi quỹ đạo vị trí thân người để thu quỹ đạo ZMP mong muốn, họ khẳng định phương pháp thuận tiện giải thuật phương pháp đơn giản có tính phổ biến cao Người thiết kế cần cung cấp quy định quỹ đạo trạng thái ban đầu khả thi quỹ đạo hàm mục tiêu thích hợp Tuy nhiên mặt hạn chế phương pháp thời gian tính tốn lâu, mà sau Nagasaka cải tiến cách đề xuất ý tưởng lọc động lực (Dynamic Filter), gồm nhiều lọc, lọc giải phần toán tối ưu Sau Kagami (2002) phát triển phương pháp phát sinh quỹ đạo nhanh dựa ý tưởng lọc động lực Họ sử dụng mơ hình robot đơn giản, mơ hình khối lượng tập trung, u cầu xác định phương trình động lực học đưa dạng tam thức Vì mà họ điều chỉnh thời gian tính tốn giảm nhiều Gần vài phương pháp phát sinh quỹ đạo ZMP chưa đề cập gây ý có ảnh hưởng lớn đến việc tạo chuyển động Robot, ví dụ Park (1998, 2003) đề xuất phương pháp thiết kế quỹ đạo ZMP sử dụng logic mờ, phương pháp điều khiển mà giám sát bù sai số ZMP mong muốn ZMP thực tế theo thời gian thực Ví dụ, Park Chung (1999) đề xuất cách bù ZMP trực tuyến (online) liên kết với điều khiển phản hồi (cụ thể điều khiển trở kháng ) Trong phương pháp này, ZMP thu từ thực tế chuyển đến miền biên ZMP định trước quỹ đạo cập nhật trực tuyến liên kết với cách theo trục thẳng đứng để bù sai số cho yêu cầu mômen để phục hồi trạng thái ổn