Luận văn thạc sĩ Tự động hóa: Điều khiển phi tuyến Biped Robot

Đã có rất nhiều các khái niệm, định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên, có một sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa về robot là ở đặc điểm điều khiển theo chương trình và có những đặc đi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐỨC NGỌC HOÀNG

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

BIPED ROBOT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Niên khóa: 2009

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Cán bộ chấm nhận xét 1:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Ngày ……tháng……năm…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC

- -

Tp HCM, ngày …… tháng …… năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I.TÊN ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BIPED ROBOT

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Khảo sát về phương thức di chuyển của biped robot - Tìm hiểu, thiết kế và thực hiện phần cơ khí và mạch điện điều khiển cho robot - Xây dựng mô hình động học, động lực học, và bộ điều khiển phi tuyến cho một mô hình Biped Robot 5 thanh liên kết di chuyển bằng 2 chân trong không gian 2D

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ……… V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL.CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày …… tháng …… năm 2011

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy PGS TS Dương Hoài Nghĩa trong quá trình nghiên cứu đề tài

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hóa đã giúp đỡ và hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình học tập và hoàn thành luận án Thạc sỹ

Xin chân thành cảm ơn các Anh, Chị trong lớp Tự động hóa 09 và các bạn khác đã hỗ trợ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2011

Học viên

Nguyễn Đức Ngọc Hoàng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Với trình độ khoa học ngày càng phát triển như ngày nay thì con người ngày càng có nhiều cơ hội để tiếp xúc, làm việc, và sử dụng các tiến bộ kỹ thuật mà khoa học mang lại Nền khoa học ngày càng phát triển thì các thế hệ robot ra đời ngày càng thông minh hơn hình thành thế hệ robot giống người (humanoid robot) có khả năng phục vụ tốt cho nhu cầu sản xuất trong công nghiệp, giải phóng con người khỏi những công việc khó khăn,cũng như trợ giúp con người trong cuộc sống thường ngày

Vì vậy, biped robot đang là đề tài nghiên cứu ứng dụng lớn đối với các nhà khoa học, các trường đại học và cũng là bước phát triển cao nhất của kỹ thuật robot hiện nay

Đề tài này gồm có các chương:

MỤC LỤC

1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.3 Khái quát luận văn CHƯƠNG 2 : KHÁI NIỆM

1 2 12 15 2.1 Mô tả các hệ trục

2.2 Vấn đề di chuyển của biped robot 2.3 Tính ổn định

CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN

16 17 18 22 3.1 Dáng đi của con người

3.2 Dáng người trong quá trình di chuyển thẳng 3.3 Di chuyển theo đường vòng

3.4 Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế robot CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ

23 26 27 29 30 4.1 Giới thiệu

4.2 Mô tả khái quát cơ thể người 4.3 Thiết kế phần cơ khí

CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN

31 31 34 41 5.1 Giới thiệu các mạch điện trên robot

5.2 Module đo lường quán tính IMU 5.3 Cơ cấu chấp hành

5.4 Board mạch chính 5.5 Chọn nguồn cho biped robot 5.6 Kết luận về phần mạch điện cho robot CHƯƠNG 6 : GIAO DIỆN VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

42 42 43 49 50 52 53 6.1 Khái quát các ngôn ngữ lập trình sử dụng trong biped robot 54

6.2 Giao diện điều khiển trên VB 6.3 Mô tả thao tác cho biped robot 6.4 Kết luận về các phần mềm xây dựng cho robot CHƯƠNG 7 : MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG BIPED 5 THANH

56 60 61 62 7.1 Giới thiệu đối tượng Biped Robot

7.2 Động học robot 7.3 Động lực học robot 7.4 Giải thuật điều khiển 7.5 Áp dụng giải thuật điều khiển vào biped robot 7.6 Tạo tín hiệu mẫu cho biped robot

CHƯƠNG 8 : XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI SIMULINK CHO MÔ HÌNH BIPED ROBOT

63 64 65 69 71

75

76 8.1 Mô phỏng Simulink mô biped 5 thanh bằng giải thuật trượt

8.2 Mô phỏng biped 5 thanh bằng giải thuật tuyến tính hóa vào/ra CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

77 94

99 9.1 Kết luận

9.2 Hướng phát triển đề tài

Hình 1.11 Thiết kế hoàn chỉnh của mô hình 12

Hình 1.12 Những góc nhìn khác về mô hình biped robot 13

Hình 2.1 Hệ tham chiếu 16

Hình 2.2 PoS là đa giác lồi của tất cả các điểm liên kết 19

Hình 3.1 Quá trình điều khiển vận động 23

Hình 3.2 Chu trình bước đi 24

Hình 3.3 Chu trình bước đi với hướng nhìn từ bên hông 27

Hình 3.4 Chu trình bước đi với hướng nhìn trực diện 27

Hình 3.5 Bước đi theo đường cong 28

Hình 4.1 Cơ thể người đề cập đến trong Leonardo da Vinci’s 31

Hình 4.2 Hình dạng thiết kế biped robot sau khi hoàn thành 34

Hình 4.3 Bàn chân biped robot 35

Hình 4.4 Các miếng nhôm đã được gia công thuận tiện cho việc lắp ráp 35

Hình 4.5 Miếng nhôm được gia công cho phần khớp gối và khớp đùi 36

Hình 4.6 Miếng nhôm sau khi đã lắp RC Servo vào 36

Hình 4.7 2 chân trái và phải sau khi hoàn thành 37

Hình 4.8 Miếng nhôm đã được gia công lắp ráp cho khớp hông 37

Hình 4.9 Thiết kế 2 tay và đầu của biped robot 38

Hình 4.10 2 miếng nhôm lắp ráp cho phần thân biped robot 39

Hình 4.11 Phần thân biped robot 39

Hình 4.12 Mô hình cơ khí hoàn thành của biped robot 40

Hình 5.1 Module IMU dùng trong robot 43

Hình 5.2 Sơ đồ bố trí các RC Servo trên mô hình 44

Hình 5.3 RC MG996R của Towardpro và S3001 của Futaba 45

Hình 5.4 Điều khiển vị trí trục ra động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung 47

Hình 5.5 Các đường dây hồi tiếp biến trở về Pic 16F887 để xác định góc 48

Hình 5.6 Board mạch chính điều khiển robot 49

Hình 5.7 Sơ đồ điều khiển RC Servo 50

Hình 5.8 Sơ đồ kết nối của 2 bộ nguồn ATX 51

Hình 5.9 Hình dạng biped robot sau khi đi dây điện 52

Hình 6.1 Lưu đồ thực hiện động tác Walking 55

Hình 6.2 Giao diện điều khiển biped robot bằng Visual Basic 56

Hình 6.3 Giao diện Walking 57

Hình 6.4 Thứ tự các khớp trên biped robot 58

Hình 6.5 Xác định chiều của các khớp 59

Hình 6.6 Biểu đồ biểu diễn góc quay của các khớp 59

Hình 6.7 Mô phỏng động tác bước đi của biped robot 60

Hình 6.8 Mô phỏng động tác bước đi của biped robot (tiếp theo) 61

Hình 7.1 Hệ tọa độ và các thông số của mô hình Biped 63

Hình 7.2 Trạng thái một chân chạm đất của biped robot 66

Hình 8.1 Sơ đồ khối biped 5 thanh sử dụng giải thuật điều khiển trượt 77

Hình 8.2 Khối chính trong mô phỏng biped robot 78

Hình 8.3 Bên trong khối biped robot 79

Hình 8.4 Khối Động Lực Học 80

Hình 8.5 Bên trong Khối Động lực học 81

Hình 8.6 m-file Biped_Robot 82

Hình 8.7 Khối điều khiển 83

Hình 8.8 Khối điều khiển biped robot 84

Hình 8.10 Tính toán giá trị q0_2dot 85

Hình 8.11 Khối tạo dữ liệu mẫu 86

Hình 8.12 Tập dữ liệu mẫu 86

Hình 8.13 Display Signal 87

Hình 8.14 Bên trong khối Display Signal 88

Hình 8.15 Kết quả mô phỏng giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu ngõ ra 89

Hình 8.16 Moment 90

Hình 8.17 Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ngõ ra ở các khớp 91

Hình 8.18 Nút nhấn 92

Hình 8.19 Animation bước đi của biped 5 thanh 92

Hình 8.20 Animation khi biped bước cầu thang 93

Hình 8.21 Mô phỏng biped 5 thanh bằng giải thuật tuyến tính hóa vào/ra 94

Hình 8.22 Khồi điều khiền 95

Hình 8.23 Bên trong khối điều khiển 96

Hình 8.24 Kết quả mô phỏng giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu ngõ ra 97

Hình 8.25 Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ngõ ra ở các khớp 98

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các giai đoạn trong quá trình bước đi thẳng 26

Bảng 4.1 Tỉ lệ giữa các phần cơ thể người 32

Bảng 5.1 Các thông số đặc trưng cho MG996R và S3001 46

Bảng 5.2Màu sắc và giá trị các dây trong bộ nguồn ATX 51

Bảng 8.1 Các giá trị thông số biped sử dụng trong mô phỏng 82

Bảng 8.2 Giá trị các tham số dùng trong mô phỏng biped robot 88

Việc đưa ra một định nghĩa hoàn chỉnh về robot là rất khó khăn.Theo thời gian, các khái niệm và định nghĩa cũng thay đổi cùng với sự phát triển của công nghệ robot Đã có rất nhiều các khái niệm, định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên, có một sự thống nhất trong

tất cả các định nghĩa về robot là ở đặc điểm điều khiển theo chương trình và có những

đặc điểm của người và máy

Có thể phân chia robot thành hai lĩnh vực chính: Một là các robot tay máy (hay

còn gọi là robot công nghiệp), các robot này được đặt cố định và thực hiện một số nhiệm

vụ nhất định Hai là các robot di động, phức tạp hơn, chúng có khả năng tự di chuyển đến các vị trí khác nhau và thực hiện các tác vụ khác nhau

Giai đoạn đầu của robot di động là các robot có gắn bánh xe (wheeled robot), loại

này dễ chế tạo và đơn giản trong vấn đề giữ thăng bằng.Khi công nghệ robot phát triển hơn thì ta thấy có sự hiện diện của các robot có khả năng bước đi bằng hai chân như

người thật (biped robot hay humanoid robot) Dạng robot này có nhiều ưu điểm hơn so

với dạng robot di chuyển bằng bánh xe như: linh hoạt hơn và có khả năng thực hiện những thao tác như con người; thậm chí người ta còn chế tạo ra những robot "thông minh" có khả năng phản xạ và ra quyết định

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Biped robot thường được ứng dụng trong các trường hợp như: chủ động mang vác

các vật nặng, phụ việc trong gia đình, thay thế con người làm việc trong môi trường nguy

hiểm …Ưu điểm lớn của biped robot so với wheeled robot là biped robot có khả năng thao tác trong những địa hình phức tạp, biped robot có khả năng bước qua hay nhảy qua

khỏi các chướng ngại vật hoặc đi lên xuống các bậc tam cấp, mà những điều đó thì

wheeled robot không thể đáp ứng được Biped robot là dạng robot di chuyển bằng chân

giống với sự di chuyển bằng hai chân của con người và là một phần trong cấu tạo hoàn chỉnh của humanoid robot

2 Tình hình nghiên cứu:

Hiện nay việc nghiên cứu và chế tạo biped robot đã trở thành vấn đề quan tâm của

nhiều trường đại học cũng như các công ty lớn trên thế giới Sau đây ta điểm qua một số

nét chính của 10 biped robot:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUANdụng Elvis được bắt đầu vào tháng 7 năm 1998 Đến tháng 8 năm 1999, Elvis được lắp thêm đầu, thân trên và chân Elvis là một humanoid robot có trọng lượng khá nhẹ, được phát triển bởi nhóm Complex Systems, thuộc khoa Nghiên cứu Vật lý lý thuyết, trường Đại học Kỹ thuật Chalmers Elvis có 23 bậc tự do, gồm 6 bậc ở mỗi chân, 4 bậc ở mỗi tay, 1 bậc ở thân và 2 bậc ở cổ Ba hệ thống cảm biến độc lập cung cấp các thông tin một cách trực quan về hình ảnh, áp suất và gia tốc Elvis được chế tạo với các thành phần thông dụng và rẻ tiền Bộ vi xử lý chính của Elvis là một máy tính đơn 3.5 inch với hệ điều hành và chương trình được chứa trong bộ nhớ Flash Phần cứng bao gồm các cảm biến và các động cơ servo.

Phần mạch điện điều khiển gồm 2 mạch Một mạch điện tử với 1 vi điều khiển họ 186 (cụ thể là AMD 186 hoạt động ở tần số 20Mhz), có 1.7MB flash, một bus IC Còn lại một mạch chuyên dùng cho điều khiển động cơ Nguồn cung cấp cho Viki là 2 pin

lithium polymer (3.6V 920mA) của hãng Danionics Người ta cũng đã tích hợp Bluetooth vào Viki nhằm mục đích điều khiển không dây Viki cũng có vài cảm biến hồng ngoại, và có thể nhận dạng một vài thứ, ví dụ như quả bóng cách đó 2-3m

Robot DB có thể học các động tác của con người Theo đó, Robot DB có thể học thao tác đánh 1 quả banh tenis thuận tay và trái tay Nó cũng có thể chơi banh, chơi khúc khôn cầu với người và có thể mô phỏng điệu nhảy của con người

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

2.10.ASIMO:

Hình 1.10 - Asimo

HONDA MOTOR Nó là hình tượng cho thế giới tương lai của con người, khi mà humanoid robot trở thành người trợ thủ đắc lực cho con người hiện đại Thiết kế của ASIMO đạt được sự tối ưu về trọng lượng, kỹ thuật đi bộ tiên tiến, hoạt động tay linh hoạt, là một thiết kế thân thiện và dễ vận hành

ASIMO nặng 43kg Dáng đi của nó được bổ sung thêm khả năng thay đổi chu trình và khả năng thay đổi độ dài bước Tốc độ bước đi từ 0-1.6km/h Bàn tay có cảm biến lực nắm bắt khoảng 0.5kg/bàn tay Cơ cấu chấp hành gồm động cơ Servo, bộ giảm tốc harmonic và mạch điều khiển Hệ thống cảm biến gồm cảm biến diện tích bàn chân 6 trục ở mỗi chân, cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc Nguồn cung cấp 38.4V/10Ah

ASIMO có 26 bậc tự do Trong đó 2 bậc ở đầu, 5 bậc ở mỗi cánh tay (gồm 3 bậc cho vai, 1 bậc cho cùi chỏ và 1 bậc cho cổ tay), 1 bậc cho mỗi bàn tay và 6 bậc cho mỗi chân (gồm 3 bậc cho hông, 1 bậc cho khớp gối và 2 bậc cho khớp cổ chân)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

3 Khái quát luận văn :

Mô hình thi công hoàn chỉnh của luận văn có hình dạng như sau:

Hình 1.11- Thiết kế hoàn chỉnh của mô hình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.12: Những góc nhìn khác về mô hình biped robot

CHƯƠNG 1: TỔNG QUANLuận văn thực hiện bao gồm những vấn đề sau:

 Phân tích : các khái niệm và kiến thức cơ bản ban đầu về biped robot được

đưa ra trong chương 2.Chương 3 phân tích dáng đi của người, đó chính là những thông số mấu chốt trong vận động người

thiết kế cơ khí cho robot, chương 5 nói về thiết kế các mạch điện điều khiển

thuật điều khiển và các thao tác trình diễn của biped robot Chương 7 và 8 giới thiệu về đối tượng biped 5 thanh liên kết bao gồm các thông số mô hình, phương trình động học-động lực học, trình bày về xây dựng mô hình Simulink và thuật toán điều

 Kết luận: chương 8 đánh giá về các kết quả đạt được, cũng như trình bày về hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM

Nội dung chương

2.1 Mô tả các hệ trục 2.2 Sự di chuyển của biped robot 2.3 Tính ổn định

2.3.1 Điểm cân bằng momen 2.3.2 Điểm cân bằng momen giả định

16 17 18

19 21

Chương này mô tả qui ước các hệ trục cho Robot, các khái niệm di chuyển như: sự bước đi, dáng đi và các giai đoạn của một bước, tiếp theo các phân tích về tính ổn định

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM

2.1 Mô tả các hệ trục:

Vị trí của robot được xác định dựa vào trục tọa độ xyz, gốc tọa độ được đặt ở bàn chân phải của robot theo như hình vẽ 2.1 bên dưới Trong đó, trục x là trục hướng đến phía trước của robot, trục y là trục hướng bên trái, còn trục z là trục hướng lên phía trên Theo như trục tọa độ này thì trục x là trục di chuyển của robot

Hình 2.1:Hệ tham chiếu

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM

Các khái niệm cơ bản:

Sự bước đi: Đối với biped robot, bước đi được định nghĩa như sau: Là quá trình

chuyển động, trong đó có sự di chuyển của một chân lên phía trước và không để 2 chân nhấc khỏi mặt đất cùng một lúc

Dáng đi: hai khái niệm bước đi và dáng đi không giống nhau Dáng đi là cách thức để bước đi Vì thế, mỗi người có một cách đi hay dáng đi khác nhau

Bước: Bước được định nghĩa: Khi di chuyển theo một hướng nào đó, thì vị trí đầu và vị trí tiếp sau đó của chân khi chạm đất, hai vị trí này được trải rộng ra trên mặt đất, đồng thời hướng di chuyển là hướng đến phía trước, chu trình được lặp lại thì đó chính là bước

Các giai đoạn hỗ trợ: Một bước đi có thể được chia thành nhiều giai đoạn nhưng chủ yếu người ta chia ra thành 2 giai đoạn chính sau:

 Giai đoạn một chân chạm đất (SSP)  Giai đoạn hai chân chạm đất (DSP): Trong đó, giai đoạn hỗ trợ đơn (SSP) lại được chia thành 2 loại nhỏ:

o Giai đoạn một chân chạm đất, chân chạm đất là chân trái (SSP-L) o Giai đoạn một chân chạm đất, chân chạm đất là chân phải (SSP-R) SSP-L và SSP-R còn được chia thành giai đoạn nhấc lên và giai đoạn tiếp xúc Giai đoạn tiếp xúc bắt đầu khi gót chân nhấc khỏi đất và kết thúc khi ngón chân rời đất

Dáng đi tuần hoàn: Dáng đi là tuần hoàn nếu như bước đi được lặp đi lặp lại theo

chu kỳ, như vậy ta có  t tT , trong đó T là chu kì của một bước 

Dáng đi đối xứng: Dáng đi là đối xứng nếu như bước đi có thể được chia thành hai giai đoạn giống nhau: giai đoạn của chân trái và giai đoạn của chân phải Như vậy, ta có:right t lefttT/ 2, trong đó, rightlà góc hợp thành bởi chân phải và leftlà góc hợp thành bởi chân trái

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM

Dáng đi ổn định động: liên quan đến vấn đề giữ cân bằng cho hệ động

Đối với robot thì rất khó để định nghĩa ổn định động và ta cũng không thể định nghĩa theo ý nghĩa của một hệ ổn định động thông thường Trong [Vukobratovic et al.,

2006], vấn đề cân bằng động của biped robot được định nghĩa như sau: nếu như không có

sự xoay của bất cứ một chân hỗ trợ nào quanh đường mép của nó trong suốt quá trình robot bước đi

Thường thì trong lĩnh vực robot, người ta hay đề cập đến vấn đề này bằng lý thuyết ZMP Lý thuyết ZMP đã được trình bày trong [Vukobratovic and Jurieic,1969] ZMP thực chất là một điểm trên mặt đất, nơi mà momen xung quanh một trục nào đó, đi qua điểm này và tiếp xúc với mặt đất đạt giá trị bằng 0 Ta có công thức:

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆMổn định động Đường bao nối các điểm tiếp xúc là đa giác hỗ trợ PoS, được biểu diễn trên hình 2.2, trong đó, hình 2.2 (a) là PoS của SSP, hình 2.2 (b) biểu diễn PoS của DSP

Hình 2.2: PoS là đa giác lồi của tất cả các điểm liên kết Nếu ZMP nằm trong PoS, sự ổn định động được chắc chắn Vùng màu xám biểu diễn lòng bàn chân

2.3.1 Điểm cân bằng momen :

Điểm cân bằng momen được đề cập trong [Vukobratovic and Jurieic, 1969] và từ đó được sử dụng rộng rãi để đánh giá sự cân bằng của robot

Điểm cân bằng momen ZMP nằm trong mặt phẳng ngang và là điểm mà tất cả momen ở đó bằng không [Bachar, 2004] đưa ra công thức:

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM

T

Trong [Bachar,2004], hai công thức (2.2) và (2.3) có thể kết hợp lại thành:





(2.6)

Trong đó, chiều cao của mặt đất xem như bằng 0 Trong [Erbatur et al.,2002] và [Bachar, 2004] có đưa ra công thức đơn giản hơn để xác định ZMP; theo đó thì mass của liên kết thứ i là đồng đều quanh điểm mass trung tâm, có thể bỏ qua quán tính, từ đó ta có công thức có thể cập nhật online:





xác định nếu đã biết được PoS và có thể chỉ nằm trong giới hạn của cạnh bàn chân Nếu

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆMnhư ZMP thuộc cạnh của bàn chân thì robot sẽ có khuynh hướng bị lật, vì thế, nếu như một khi bàn chân chưa chạm đất thì cũng chưa thể xác định được ZMP Tuy nhiên, các công thức (2.5) và(2.6), và công thức tương đương (2.7) và (2.8) có thể dùng để xác định ZMP mà không phải xác định PoS

2.3.2 Điểm cân bằng momen giả định :

Khi điểm cân bằng momen ZMP không thuộc vào đa giác hỗ trợ PoS thì được gọi là điểm cân bằng momen giả định FZMP Điểm FZMP trước tiên phải thỏa ZMP theo công thức (2.1), tuy nhiên, giả sử rằng PoS không nằm trên mặt đất thì robot sẽ tạo nên một góc nghiêng và Pos là một đường thẳng Khi con người bước đi FZMP có thể quan sát tại cuối SSP, và tại giai đoạn này dáng đi con người không còn là ổn định động [Vukobratovic và Juricic, 1996]

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN

CHƯƠNG 3:

PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC

DI CHUYỂN

Nội dung chương

3.1 Dáng đi của con người 3.2 Dáng người trong quá trình di chuyển thẳng

3.2.1 Định nghĩa sự chuyển pha 3.2.2 Quỹ đạo bước đi thẳng

3.3 Di chuyển theo đường vòng 3.4 Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế robot

23 26

26 26

27 29

Chương này khảo sát về dáng đi ở người với quá trình đi thẳng và đi theo đường vòng từ đó vận dụng áp dụng cho robot Việc phân tích dáng đi ở người cũng đưa ra một số cơ cấu trong thiết kế cơ khí cho Robot trong chương 4, và các mạch điện trong chương 5

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN

3.1 Dáng đi của con người :

Thân người là một hệ thống rất khó giữ ổn định Điều này cũng có thể dễ dàng nhận thấy từ những số liệu thống kê: điểm trọng tâm (CoM) nằm ở vị trí vào khoảng 65% chiều cao người Giai đoạn hỗ trợ đơn SSP (chỉ có một chân tiếp xúc đất) trung bình chiếm khoảng 80% quá trình di chuyển nên đa giác hỗ trợ PoS tương đối nhỏ trong chu trình di chuyển Vì vậy, bước đi là quá trình phức tạp và cần thời gian dài để học Sự di chuyển phụ thuộc vào việc học và tích lũy kinh nghiệm từ những lỗi trước đó Khi một em bé mới bắt đầu tập đi thì cần có điểm tựa để không bị mất thăng bằng, từ bản năng và những lần vấp ngã thì em bé mới biết cách đi Vì vậy, để đi được thì phải trải qua quá trình học

Hình 3.1: Quá trình điều khiển vận động

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN

Quá trình điều khiển chuyển động của con người có thể chia ra làm nhiều hệ thống con Hệ thống quy định cách thức đi, hệ xử lý những thông tin phản hồi từ sensor, hệ vạch ra quỹ đạo chuyển động để đáp ứng những phản hồi từ thị giác và sau cùng là việc điều khiển chính xác các cơ (bắp thịt) để đạt được yêu cầu vận động Sơ đồ điều khiển vận động được minh họa theo như hình 3.1

Dáng đứng của con người hay robot là tư thế mà tổng các momen xoắn và lực gây ra bởi trọng lực và gây ra bởi các cơ là bằng không, vì vậy, vấn đề giữ cân bằng tập trung ở việc duy trì điểm cân bằng thẳng đứng Sự bước đi được hình thành khi mà vấn đề giữ cân bằng ở trạng thái trước bị thay đổi do nội lực, gây ra bởi sự vận động của các cơ Momen xoắn làm cho điểm cân bằng CoM không còn nằm trong vùng ổn định nữa, từ đó gây ra cho dáng người có độ nghiêng Đây là khởi đầu của bước đi Như vậy, điểm trọng tâm CoM có khuynh hướng di chuyển đến phía trước, và để cho cơ thể không bị mất thăng bằng thì phải có một chân bước tới để hỗ trợ cho thân người khỏi bị ngã, đồng thời giúp cho thân người lấy lại trạng thái cân bằng Chu trình này được lặp đi lặp lại làm cho robot di chuyển và bước đi Thật ra thì sự di chuyển này cũng được hỗ trợ bởi cả những bộ phận khác trên cơ thể Trong đó, cánh tay cũng có vai trò lớn giúp giữ cân bằng và tích lũy thêm năng lượng cho bước đi tiếp theo đó

Hình 3.2: Chu trình bước đi a) Chu trình bước đi bắt đầu bởi sự vận động của các cơ và phần trên của cơ thể có khuynh hướng ngã về phía trước b) Hướng nghiêng của cơ thể được điều khiển bởi chân trụ, và chân bước sẽ di chuyển đến phía trước nhằm hỗ trợ cơ thể lấy lại cân bằng c) Chân trụ và chân bước lúc này lại được luân phiên thay đổi

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂNKhi bước đi, người ta thường lợi dụng trọng lực để hạn chế tối đa sự tiêu tốn năng lượng do di chuyển Theo [Popovic,2006], bước đi của con người được mô tả như con lắc ngược nhiều bậc, trong đó, điểm trọng tâm luôn thay đổi tùy thuộc chuyển động Sự di chuyển của chân bước có thể được xem như một con lắc thông thường và còn có tác dụng giữ cân bằng tránh sự té ngã đến phía trước Và khi chân trụ tiếp xúc với đất thì sự di chuyển của người có thể so sánh với một con lắc ngược

Với tốc độ di chuyển trung bình thì các cơ (bắp thịt) vận động nhiều ở giai đoạn đầu và cuối của mỗi bước đi (chủ yếu là giai đoạn tiếp xúc với đất để lấy đà), còn giai đoạn giữa hai giai đoạn trên thì không đòi hỏi sự vận động nhiều của các cơ Trong quá trình bước đi thì có tất cả 3 giai đoạn khác nhau: DSP, SSP-L và SSP-R như đã đề cập đến trong chương 2 Giữa những giai đoạn trên là giai đoạn chuyển mạch, khi mà bàn chân mới vừa chạm đất Trong suốt giai đoạn hỗ trợ kép (DSP) thì các cơ vận động nhiều để tạo tiền đề cho giai đoạn hỗ trợ đơn (SSP) tiếp theo đó Vấn đề đặt ra là điều khiển các cơ vận động và đồng thời điều khiển sự vận động trong môi trường có tác động của ngoại lực ví dụ như trọng lực Điều quan trọng là khi bước đi, phải giữ cho phần trên của thân người được giữ ở vị trí thẳng đứng ngay cả khi chỉ có một trong hai chân chạm đất

Lúc bắt đầu quá trình di chuyển, bộ não người sẽ quy hoạch cách thức bước đi, sau đó sẽ điều khiển các cơ vận động một cách hợp lý và đúng lúc trong quá trình di chuyển Một khi gặp chướng ngại vật thì dĩ nhiên cách thức bước đi đã được vạch ra trước đó sẽ thay đôi và bộ não sẽ ra quyết định cách thức tránh vật cản Lúc này, có thể có bố trường hợp có thể xảy ra Một là nâng chân lên để bước qua vật cản, hai là điều chỉnh tốc độ

quay đầu lại Trong đó, cách thức cuối cùng tiêu tốn nhiều năng lượng nhất

Hệ thống cảm biến cũng đóng vai trò rất quan trọng, giúp giữ thăng bằng và tránh các vật cản

Như ta đã biết, một khi trên đường đi có sự thay đổi về địa hình, vật cản hay những thay đổi khác xảy ra thì vấn đề là phải điều chỉnh lại cách thức bước đi đã vạch ra trước đó Hệ thống cảm thụ quan trọng điều khiển quá trình bước đi chính là cảm biến áp lực (nằm ở lớp da) Ngoài ra còn có tín hiệu điều khiển cân bằng từ sensor nằm ở bộ não,

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂNtín hiệu này đóng vai trò quan trọng quyết định đến dáng đi Và một tín hiệu nữa cũng rất quan trọng đó là tín hiệu gửi đi từ thị giác nhằm phản hồi quá trình bước đi và đồng thời phát hiện vật cản [Kuo, 1997]

3.2 Dáng người trong quá trình di chuyển thẳng:

3.2.1 Định nghĩa sự chuyển pha:

Thời gian Phần trăm

Bảng 3.1: Các giai đoạn trong quá trình bước đi thẳng

Từ bảng 3.1 ta nhận thấy giai đoạn SSP chiếm đến 92 % là một lượng thời gian rất lớn trong suốt chu trình Trong phần 3.1 ta cũng biết rằng giai đoạn SSP tiêu tốn ít năng lượng, còn giai đoạn DSP sẽ kích hoạt sự vận động của các cơ Nhưng DSP chỉ chiếm 8 % thời lượng trong cả quá trình nên các cơ của cơ thể chỉ có thời gian rất ngắn để lái thân người di chuyển theo hướng nào đó Vì vậy, hướng chuyển động phải được vạch ra trước đó Và do giai đoạn DSP chỉ chiếm thời gian nhỏ nên điểm trọng tâm CoM đa số sẽ nằm ngoài vùng ổn định trong suốt quá trình di chuyển

3.2.2 Quỹ đạo bước đi thẳng:

Hình 3.3 và 3.4 mô tả chu trình bước đi từ thí nghiệm thực tiễn Trong đó, hình 3.3 trình bày với hướng nhìn từ bên hông và 3.4 là hướng nhìn trực diện

Bốn hình đầu tiên của hình 3.3 diễn tả các thao tác từ lúc chân trái bắt đầu bước đi đến phía trước cho đến khi chân trái chạm đất Theo đó, ta có thể nhận thấy sự vận động của chân này giống như một con lắc Năm hình sau diễn tả giai đoạn DSP, sau đó chân phải lại được nhấc lên và bắt đầu thao tác tương tự như chân trái Ta cũng nhận thấy ở hình 3.3(i) khi chân phải bắt đầu nhấc lên thì chỉ có duy nhất chân trái đóng vai trò như là chân trụ đối với cả thân người Phía trên của thân người cũng như điểm trọng tâm CoM tụt lại phía sau chân hỗ trợ Điều này có nghĩa rằng nếu như không sử dụng năng lượng

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂNđể điều chỉnh cân bằng thì sẽ bị ngã Và trong khi chân và tay vận động theo chu trình thì phần trên của thân người và đặc biệt là cột sống và phần đầu được giữ vững

Hình 3.4 mô tả dáng đi của con người với hướng nhìn trực diện Từ hình này ta nhận thấy trong khi bước thẳng thì phần trên của cơ thể cử động rất ít vì vị trí của cột sống và đầu không thay đổi

Hình 3.3: Chu trình bước đi với hướng nhìn từ bên hông Hình a đến d là giai

đoạn SSP-R Hình e và f là giai đoạn DSP Từ hình g đến j là giai đoạn SSP-L

Hình 3.4: Chu trình bước đi với hướng nhìn trực diện Hình a đến d là giai

đoạn SSP-R Hình e và f là giai đoạn DSP Từ hình g đến j là giai đoạn SSP-L

3.3 Di chuyển theo đường vòng :

Trong thực tế thì khi bước đi, cơ thể không chỉ đi theo đường thẳng mà có khi còn đi theo đường vòng Vì vậy việc phân tích sự bước đi theo đường vòng cũng rất cần thiết Trong [Courtine and Schieppati, 2004] có đề cập rằng bước đi theo đường vòng là sự cải biến bước đi theo đường thẳng, trong đó có sự kết hợp quay của thân người

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN

Hình 3.5: Bước đi theo đường cong Đường cong này được chia ra làm nhiều

đoạn thẳng nhỏ để dễ di chuyển Sải chân ở bên ngoài dài hơn sải chân ở bên trong đường cong Những điểm ký hiệu bằng dấu chéo màu đen là những điểm quẹo, còn những điểm ký hiệu bằng dấu chéo màu xám là những điểm bình thường

Khi di chuyển theo đường cong, sải chân của chân bên trong và bên ngoài đường cong không bằng nhau Sải chân ở bên ngoài đường cong về cơ bản không khác mấy so với sải chân khi di chuyển theo đường thẳng Khi bước đi trên quỹ đạo cong đã được vạch sẵn thì hướng đi chủ yếu thay đổi ở những điểm đầu của khúc cong Vận tốc di chuyển ở những điểm này sẽ giảm xuống và những khúc cong này càng gấp thì vận tốc sẽ càng nhỏ

Nếu như quỹ đạo cong này có những khúc rẽ tương đối hẹp thì người ta sẽ chia đoạn cong này thành nhiều đoạn nhỏ và dĩ nhiên, trong trường hợp này robot không bước đi theo một đường liền lạc Sự di chuyển của robot sẽ không được nhuyễn, có lúc sẽ bị khựng

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂNNói tóm lại thì bước đi theo đường cong cũng giống với trường hợp bước đi theo đường thẳng nhưng chỉ có sự khác biệt đó là có sự thay đổi về góc độ, còn dáng người thì không khác mấy so với khi di chuyển theo đường thẳng Quán tính đi tới cộng với việc di chuyển theo đường cong sẽ làm cho cơ thể có khuynh hướng hơi nghiêng, từ đó, điểm trọng tâm CoM sẽ có khuynh hướng ngã về phía bên trong của đường cong, đồng thời chống lại lực ly tâm Khi di chuyển theo đường cong thì phần thân trên của cơ thể cũng cần được giữ thẳng và cân bằng nhưng cũng phải tạo một góc nghiêng như đã trình bày ở phần trên nhằm tạo ra lực hướng tâm

3.4 Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế robot:

Các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế robot: + Nếu như muốn cho robot bước đi như con người thật thì phải thiết kế sao cho robot có tương quan tỷ lệ các bộ phận giống với ở cơ thể người

+ Robot có khả năng hoạt động độc lập, không phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài + Việc thiết kế phần cứng cho robot phải tuân thủ theo sơ đồ trình bày ở hình 3.1, có nghĩa là:

 Quỹ đạo chuyển động và cách thức chuyển động phải được xác định trước  Robot di chuyển trong quỹ đạo đã được vạch sẵn và bảo đảm rằng robot

chuyển động trong trạng thái cân bằng  Các sensor phản hồi tương đối giống với trường hợp ở người thật  Điều khiển giữ cân bằng dựa vào những tín hiệu phản hồi từ sensor