Với mục đích đi sâu nghiên cứu về lĩnh vực mobile robot còn mới mẻ này, luận văn trình bày phương pháp tính toán động học và thiết lập phương trình chuyển động của robot di động bằng bán
Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học ngành : học kỹ thuật Nghiên cứu động học động lực học mobile robot bánh lăn nguyễn hải sơn Hà NộI - 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131504721000000 MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời nói đầu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 1.1 Giới thiệu 1.2 Một số ứng dụng mobile robot 1.3 Các loại chuyển động mobile robot 12 1.3.1 Robot di động chân (legged mobile robot) 14 1.3.2 Robot di chuyển xích (tracked mobile robot) 15 1.3.3 Robot di chuyển bánh lăn (wheeled mobile robot) 16 1.3.4 Các loại bánh lăn dùng cho mobile robot 16 1.3.4.1 Bánh lăn kiểu bình thường (conventional wheel) 16 1.3.4.2 Bánh lăn kiểu Thụy Điển (Swedish wheel) 18 CHƯƠNG CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VẬT RẮN 2.1 Vị trí hướng vật rắn không gian 20 2.1.1 Hệ tọa độ vật 20 2.1.2 Ma trận côsin hướng 21 2.1.3 Ý nghĩa ma trận côsin hướng 23 2.2 Mô tả tối thiểu hướng 24 2.2.1 Góc Euler 25 2.2.2 Góc YPR 26 2.4 Tọa độ ma trận biến đổi tọa độ 28 2.4.1 Tọa độ 28 2.4.2 Ma trận biến đổi tọa độ 29 2.4.3 Ma trận Denavit-Hartenberg 31 2.5 Vận tốc điểm hệ tọa độ động 34 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC MOBILE ROBOT DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG 3.1 Mở đầu 35 3.2 Các giả thiết 35 3.3 Vị trí mobile robot 36 3.4 Liên kết động học bánh lăn 37 3.4.1 Bánh lăn cố định 38 3.4.2 Bánh lái tâm 40 3.4.3 Bánh lái lệch tâm 42 3.4.4 Bánh lăn kiểu Thụy Điển 42 3.5 Phương trình ràng buộc phân loại động học mobile robot 44 3.6 Bậc di động bậc lái 48 3.7 Bậc di chuyển (degree of maneuverability) 51 3.8 Bậc tự (degree of freedom) 52 3.9 Các ví dụ 53 3.10 Phương trình động học mobile robot 58 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC MOBILE ROBOT DI CHUYỂN TRÊN BỀ MẶT PHỨC TẠP 4.1 Mở đầu 59 4.2 Phương pháp truy hồi 60 4.3 Động học bánh lăn có tính đến tượng trượt 61 4.4 Ví dụ phân tích động học robot JPL Sample Return 63 4.5 Các dạng động học mobile robot 68 4.5.1 Động học định vị (navigation kinematics) 69 4.5.2 Động học trượt (slip kinematics) 71 4.6 Bài tốn mơ robot địa hình phức tạp 72 CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC MOBILE ROBOT DI CHUYỂN TRÊN MẶT PHẲNG 5.1 Giới thiệu 73 5.2 Phương trình Lagrange dạng nhân tử 73 5.3 Phương trình chuyển động mobile robot phẳng 74 5.4 Ví dụ 76 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TCP/IP VÀ WIFI 6.1 Mở đầu 78 6.2 Tổng quan giao thức TCP/IP 78 6.2.1 TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) 79 6.2.2 UDP (User Datagram Protocol) 79 6.2.3 Internet Addressing 80 6.2.4 Các kiểu kết nối 80 6.3 Tổng quan WiFi 82 6.3.1 Sự khởi đầu 83 6.3.2 Hợp tiêu chí 83 6.3.3 Tìm tên gọi phù hợp 85 6.3.4 Đi vào sống 85 6.3.5 Con đường phía trước 86 6.4 Tổng quan WiMax 87 CHƯƠNG THIẾT KẾ MOBILE ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG CƠNG NGHỆ WIFI 7.1 Mơ hình mobile robot 88 7.2 Nguyên tắc hoạt động 88 7.3 Sơ đồ mạch điều khiển động từ cổng LPT 89 KẾT LUẬN 92 Tài liệu tham khảo 93 LỜI MỞ ĐẦU Một cách tổng quát phân chia robot làm hai loại mobile robot (robot di động) manipulator (tay máy) Thông thường tay máy cố định dây chuyền sản xuất Ngược lại, mobile robot có khả di chuyển, khơng cố định vị trí định Nhờ mà không gian hoạt động mobile robot lớn Nếu tay máy nghiên cứu ứng dụng cách nhiều thập kỷ robot di động thực phát triển mạnh khoảng thập kỷ gần Các nghiên cứu đại thể chia làm hai lĩnh vực tìm đường điều khiển chuyển động Với mục đích sâu nghiên cứu lĩnh vực mobile robot mẻ này, luận văn trình bày phương pháp tính tốn động học thiết lập phương trình chuyển động robot di động bánh lăn Những kết cần thiết để giải vấn đề định vị điểu khiển Đồng thời, luận văn đưa phương pháp điều khiển robot từ xa dùng công nghệ không dây WiFi thông qua việc thiết kế, chế tạo mobile robot cụ thể Hai hướng tiếp cận để phân tích động học mobile robot phương pháp hình học phương pháp biến đổi tọa độ Phương pháp hình học [13] trực quan bị giới hạn vào cấu hình robot Muir Newman [11] sử dụng quy tắc đặt tọa độ Sheth-Uicker phép biến đổi ma trận để tính tốn động học cho mobile robot di chuyển mặt phẳng Tarokh McDermott [9] dùng ma trận Denavit-Hartenberg giải toán động học mobile robot di chuyển bề mặt phức tạp Các phương pháp có điểm chung phải dùng phép toán đạo hàm ma trận cân hệ số, tính tốn phức tạp Luận văn trình bày phương pháp truy hồi [10], dùng ma trận quay để tính tốn Phương pháp khơng sử dụng phép đạo hàm ma trận, dễ thực phương pháp Với mục đích trình bày trên, luận văn có hai phần Phần đầu luận văn, tác giả trình bày phương pháp phân tích động học động lực học mobile robot di chuyển bánh xe Phần bao gồm chương 1, 2, 3, Chương giới thiệu chung loại mobile robot Chương trình bày sở lý thuyết động học vật rắn Chương nêu lên phương pháp phân tích động học phân loại mobile robot phẳng dựa hai khái niệm bậc di động bậc lái [6] Chương đề cập tới phương pháp truy hồi tính tốn động học mobile robot di chuyển bề mặt phức tạp Chương thiết lập phương trình chuyển động dựa phương trình Lagrange Phần thứ hai luận văn gồm chương giới thiệu mạng TCP/IP việc điều khiển robot Chương mô tả chi tiết việc áp dụng công nghệ WiFi để điều khiển từ xa mobile robot Chương thiết kế, chế tạo mobile robot điều khiển từ xa, có khả truyền hình ảnh CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 1.1 Giới thiệu Hình 1.1 Robot hàn KUKA robot song song SIG Demaurex Ngày nay, robot đạt thành tựu to lớn sản xuất công nghiệp Tay máy (manipulator) ngành công nghiệp trị giá tỷ USD [1] ngày phát triển mạnh Tay máy di chuyển với tốc độ độ xác cao để thực động tác lặp lặp lại hàn hay sơn (hình 1.1) Trong công nghiệp điện tử, tay máy đặt linh kiện với độ siêu xác, tạo nên thiết bị tinh vi điện thoại di động hay máy tính Tuy nhiên, với thành cơng đó, tay máy thương mại có chung nhược điểm thiếu di động Các tay máy cố định hoạt động không gian bị giới hạn quanh vị trí Ngược lại, mobile robot di chuyển, tạo nên khơng gian hoạt động lớn Chương giới thiệu số ứng dụng mobile robot loại chuyển động mobile robot 1.2 Một số ứng dụng mobile robot Các nơi người khơng có khả đến Hỏa, người ta phải dùng robot tự hành với cấu trúc đặc biệt robot Sojourner (hình 1.2) sử dụng nhiệm vụ tìm kiếm sống Hỏa năm 1997 Robot hoàn toàn điều khiển từ xa từ trái đất Tuy nhiên, robot có số sensor trang bị giúp di chuyển cách độc lập Hình 1.2 Mobile Robot Sojourner © NASA/JPL Trong mơi trường nguy hiểm mơi trường khó tới chí trái đất, mobile robot nghiên cứu sử dụng để thay người ví dụ hình 1.3 robot Pioneer, thiết kế để dị tìm kiểm tra nồng độ phóng xạ thảm họa Chernobyl Hình 1.4 robot MBARI’s ALTEX AUV hoạt động đáy biển Hình 1.3 Robot Pioneer © Wide World Photos Hình 1.4 Robot MBARI’s ALTEX AUV Todd Walsh © 2001 MBARI 10 Trong số trường hợp, phức tạp cấu tạo robot thường khiến người điều khiển robot trực tiếp hoạt động Con người đưa dẫn vị trí hoạt động cần thiết, robot tự điều chỉnh hoạt động dựa điều khiển người để di chuyển hoạt động xác Ví dụ robot Plustech (hình 1.5) thiết kế để di chuyển thành gỗ sau khai thác khỏi rừng Robot tự điều chỉnh tọa độ hoạt động chân robot người điều khiển phải đưa hướng cho robot Hình 1.5 Robot Plustech (http://www.plustech.fi) © Plustech