Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Thiết kế con bọ kiểu chân

Nhờ vào sự phát triển đa dang của các loại cảm biến, cùng với kỹ thuật gia côngchính xác, người ta đã bat đầu quan tâm đến các cơ chế hoạt động ruột cách tự nhiênvà lính hoạt nhằm ngày c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA

NGUYEN CHÍ LINH

THIẾT KẾ CON BỌ KIỂU CHÂN

CHUYÊN NGÀNH : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁYMA SÔNGÀNH :2.01.00

LUẬN VĂN THAC SĨ

' TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2005

HN U

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TAITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠT HỌC QUỐC GIA TP.HO CHÍ MINH

Cần bộ hướng dẫn khoa hoc: PGS-TS ĐĂNG VĂN NGHÌN

Cần bộ chấm nhận xét Ï : TS NGUYÊN TIEN DŨNGCán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYEN VĂN GIÁPLuận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ

LUẬN VAN THAC SĨTRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA, ngay tháng năm i)

Em xin chân thành cam ơn sự hướng dân và elup đỡ nhiệt tink cua ThayPhô Giáo Sư - Tien Sĩ Ding Văn Nehin trong sự hành công cua đề tai.fm xin chân thành cám ơn các Thấy Cô tham gia trong quả trinh giảng day,cũng như các Thay Cô trong Khoa Cô Khi là những người giup em đặinên mong cho đề tài,

Xin chân thành cam ơn sự ủng hộ cua các Bae, các Chu, anh em trongCông Ty Cố Phần Đâu Thực Vật Tân Binh.

Và cuôi cùng, cho sự thành công cua dé tai, con xin dành tang Me

Thành phố Hồ Chi Minh ngày 20 thẳng 9 năm: 2005

foc viên

Nguyễn Chí Link

TÓM TÁT LUẬN VĂN

Cùng với sự phát triển của khoa học ki thuật, những yêu câu doi với các thiếtbị máy móc không ngừng được nâng lên Phương thức di chuyến bằng bánh xevà bánh xích ngày càng tỏ ra không uu điểm trong các ứng dụng

Di chuyển kiểu chân là một phương án thay thế đang được quan tâm Tuynhiên, do sự hạn chế của kĩ thuật, nó vẫn là một thách thức lớn

Đề tài ”Thiét kế con bọ kiểu chân” tập trung vào nghiên cứu lí thuyét conbọ di chuyển kiểu chân, và thiết kế một mô hình phục vụ cho thực nghiệp,

làm nên tang cho các ứng dụng phát triên sau này.

LOI CAM ON., cccccssccccscccccescccseccensceceuscceueccenseeceuscceueccecaesecuecssueceseuesceneecsausesseuesceuecesaueseens ITOM TAT LUẬN VAN cssccccccscccccccscccccusecccccusescccusesccescaueseceuuescssceuuseseuuesceseuaessseeauaseseeuee H

MUC LỤC Q.0 11100 111111 0 1111111111101 5111111 51111111111 55151111155 x55 II

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE ROBOT

1.11.21.31.41.51.5.11.5.21.61.6.11.6.21.6.3

KHALNIEM cccccscccscccscccscccesccescceescensccsceescccscceescessceuscessceesseesceescceues 8LICH SỬ PHAT TRIEN ccccccseccsscccsccescccecccessceuscesscesceesscescceuscesscesseeacss 9PHAN LOAL)! ccccceeccescccssccescccncccssccecceessceuscesccesccesscesceecescseusceeseussees 101 OS (6D) ON | € er 13TINH HÌNH NGHIÊN CỨU - << << E2 c1 E1 E1 E1 E81 E1 1c £ces 15Một số mô hình robot đã thành công -2222 2222221221121 15

Đánh giá và nhận xét chung ou ccccsessssessssesssecssneesssecsssecssscessscesssecsuseesnecesseessneesses 19

MUC DICH, NHIEM VU CUA LUAN VAN

& PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CU U th vemcounususnststsnsnsnritntutanansnnnsnsnn 20

Mục dich của luận Vann wiicciccecccccccsccsssesssessssecsssesssesssvcssseessseesssecsssesssssssuessseessseessees 20Nhiệm vụ của luận VAN -22sc2 1s 1221102 1 ng neo 20

Phương pháp nghiÊn COU -: 22-©2225+222ESEE+2EEEEEEEEEEESEkrsrkrerkrrsrkrrrkrerved 20

CHUONG 2 LÝ THUYET CON BO SAU CHAN

2.1

2.2

2.2.12.2.22.2.32.2.42.2.52.32.3.12.3.22.42.4.12.4.22.4.32.52.5.12.5.22.5.2

€?9)09:0520000555 21MOT SO KHÁI NIEM Wu cccccsssscssssseessssssecsssssssssssssesnsssssisnssstenssstesanesseseseserenunesessnsee 21

Dang 22Chu kì của CHAN oo ccccccccsssssseseeseecccccccccessseessuueessseesesescesseseeeseees 22

Hệ số làm việc B, hệ số nghỉ (Đ,, ¿2 St SE+E*E‡E£EE£E£EeEeEerkrkerees 23Mặt phang chân dé (mặt phăng đỡ) ¿2 - server 23

CAN BANG TĨNH VÀ ĐỘNG HỌC -222222222212.2222.2 e6 24

Cần băng tĩnh -¿- - - sStSEk 1E 121 1118111 111111111111 1111110111111 11 ty 24Cân băng động ¿tk 1E 1 11181511 111111111110111 1111111111111 ty 26

DONG HỌC VÀ ĐỘNG LUC HỌC -22222222222222121221210.10 ce 28

Các khái niệm dùng trong quá trình tinh toán - - «55+ +++<<+ 280/0i130/1022272277 a1 8® 298/0i1501i28:9 211777 4111 31

GIẢI THUAT ĐI 2222222222222115221.12222172 0.2T 22 ae 34

Di chuyển từng pha - S11 1 1E 1 1115111111111 11111111 1xx, 36Di chuyển liên tỤC - - c5 St SE 1 11811 1115111111111 1111111111 1xx, 37

Lưu đồ điều khiỂn - G cc S193 E90 11538581181 153 1151158151151 E 1 1s tr 38

+ + ^ xX

CHUGONG 3 THIET k MO HENH CON BO°

- + sed yyy FPHAN CƠ KHIAL Xã WS 2S rr a ee ee ae ee ee a ae a

j

2 8.8 8n cccccccccccececevccsuveveceererevevveseersessvvisevevsesaesentites vurevettarerveree, AG

3 801 CO GEST occ cscs cessssscossecssnsssssscssutesnneesssessssesnivessusessecssuessusscsasesssuteunestseessseesnnvetses 48

4 Mach g8 SONGUYÊN LÍ CUA BỘ ĐIỂU KHIỂN cu che JOKida tric 0 8 NnN ` 52Điều khiến Vi trí CHAR acc rereeeeeereesreeeeesss.34Mạch điều khiỂ co rrrerrrraaaa.87

G2 GeCoe Go

tad taoGÀ Wo le tg BOLad 1x22 bon

Ge

CHƯƠNG 4 NHỮNG KET QUA MO PHONG VÀ MO HÌNH THUC TE

f h + Thưa TU 1* i sa hE Ea - i 4 AL Le j | “9444 4ñ dự li MU %4 94 0 no đo giá 9 %4 4 40059 P0 ề v i6 6 6% 44 05 no ề dể vá 49% 4244500 0o xoá 6iÊ %4 4 9® 0e di i6 69% 44% 0 0á dc =

CHUONG 5 KET LUAN51 NHỮNG VẤN ĐỂ DA GIALOQUYET occ ccccccscsssocceceetsssoecccesansssoeeeeeeeaes 62

= ˆ= s eee fog Faad Lad, Tư 4 3x4 a ee ee 2049020442060 40204 902090420604 02604004 902049420604 02g + cv 490440604090 4L 96049 044060409 4€ 9046420444604 49490462 0040604 8 `.PHỤ LỤC

08805210? 1 a- 65A COE ôn 65B COME 1) 0n 747080600009 ca9 nô S OƠẠA 8Í

PHỤ LỤC 3 BINH DANG, KÍCH THƯỚC VÀ ĐẶC TINH CUA CÁC IC DŨNG TRÔNG

"105 52 82

A TO LMDIES2ZOE E16] cu 1121222212221 xe 32

C TC - SN74HCO4 LE i seeeesescseseevecsasesevserssvesesvescsneveesveevaesesesesesesess &S

DD TO ATT MBAR PEGE s12 x211212122121222212122121211 xe SỐBE CO nn" Bo

PHU LUC & MACHEN oo SG ‹4 OG

B — Board mạch điều khiỂn uc uc nh nhà nhe hà he Heo 9

TONG QUAN

Ngày nay cùng với sự phát triển khoa hoc kỹ thuật, thiết kệ cơ điện tử là mộtthách thức to lớn bởi nó mang tính kỹ thuật liên ngành và góp phần đáng kế vào cácứng dung trong nhiều lĩnh vực khác nhau thé hiện qua các sản phẩm công nghiệp nhưcác loại mấy gia công CNC, máy tạo mẫu, Robot công nghiệp, xe tự hành, máy đệ,máy may v.v và nó cũng gần gũi với đời sông hàng ngày của chúng ta như các sảnphẩm máy giặt tự động, đồ chơi trẻ em ngoài ra còn có nhiều ứng dung khác nhưtrong lĩnh vực y học trong an ninh, cứu hệ, thám hiểm v.v như các Robot chuyêndùng, Nó có thể thực biện một hay nhiều nhiệm vụ nào đó mà người thiết kế mongmuốn dé mang lại hiệu quả cao, hoặc là nó có thể làm việc trong những môi trường

khắc nghiệt mà con người Không thê nào đảm nhiệm được Như ta đã biết Robot là

vue CUỘC sống nó đã trở thành một trợ thú đặc lực không thế nào thiểu được vì vậyviệc nghiên cứu và phát triển các thé hệ Robot ngày càng hoàn thiện hơn là điều tấtyếu

Nhờ vào sự phát triển đa dang của các loại cảm biến, cùng với kỹ thuật gia côngchính xác, người ta đã bat đầu quan tâm đến các cơ chế hoạt động ruột cách tự nhiênvà lính hoạt nhằm ngày càng hoàn thiện hon sản phâm của mình, chính vì vậy ma

Robot phóng sinh học được ra đời dựa trên sự vận động của các loài côn trùng, Các

loại Robot này vận động bằng những cái chân thay vì là những bánh xe

Chính vì sự vận động với những chân mà nó có thé dé đàng vượt qua các địahình gỗ ghé thiểu bằng phẳng, các địa hình không liên tục trong khi với bánh xe thiean như không thé nào vượt qua được Tuy nhiên việc thiết kế loại Robot đi chuyền

băng chân cũng còn không it những khó khan về trọng lượng, sức mạnh tự hoạt, tiêu

tốn năng lượng, mức độ cân bằng và có hệ thông điều khién phù hợp.v.v vi vậy chođến nay nó vẫn đang còn trong quá trình nghiên cứu

Hiện nay có rất nhiều nhà nghiên cứu, cũng vô số các bài báo cáo khoa học,kĩ thuật để cập đến robot tự hành và robot phỏng sinh hoc, thật không để dang détìm ra một cái nhìn sơ lược về robot phóng sinh hoc

Vì vậy việc nghiên cứu, phái triển thể hệ robot phục vụ tốt hơn và hoàn

thiện hơn các thế hệ trước là một trong các mục tiêu nghiên cứu hiện nay.

Một H do rất đơn gián cho sự chú ý này là sự hoàn thiện cua tự nhiên, Chính

vì thế mà Robot phỏng sinh học được ra đời và di chuyển trên chân thay vì bánhxe dang được giới nghiên cứu đặc biệt quan tâm Vậy tại sao lại dùng di chuyển

bằng chỉ (chân) dưới đây là một số lí do chủ yếu nhất:

> Theo nghiên cứu cla quân đội Hoa Kỳ : phần nữa bề mit wai đất làkhông thể tiếp cận bởi các dang di chuyển bằng bánh hoặc xích, Trong khi da sốnhững phan này có thể tiếp can bằng động vật có chân,

» Di chuyển trên chân có thể vượt qua các địa hình gỗ ghế và thiếu bằngphẳng, các địa hình không liên tục (có khe nứt ) và để đăng tránh được vật cầnhoặc VHỢt qua trong khi đi chuyển, bằng bánh thì sân như không thể nào vượt qua

dude.

LI KHATNIEM:Khái niệm “ Robot “ theo nghĩa chung thường được hiểu đồng nhất với kháiniệm “ ty động hóa công nghiệp “ Điều này chỉ đúng một phan Bởi vì thứ nhất

Robot chỉ là một thành phần trong hệ thống tự động hóa; thứ hai, là tự thân việc

trinh bay, sự miễu ta Robot trong sinh hoạt xã hội it nhiều được phóng đạt,

Như ta đã biết thuật ngữ Robot được xuất hiện từ trên sân khẩu Robot xuất hiệnlần đầu tiền tại New York vào năm 1922 trong vo “Rossum’s Universal Rebot ”’, vésau trong Metropolics, một phim Fritz Lang được san xuất vào 1927, một Robot đóngvai được sử dụng để thực hiện khối lượng công việc của những công nhân cấp thấp.Thông qua khoa hoc viễn tưởng của những năm năm mươi, sáu mười và bảy mươi màhọ bắt đầu phát họa chân dung một cái gi đó tốt hơn là con người, thường sợ hãi hoặcsai lâm ít nhật như Gort trong những năm 1951: “The Day the Earth Stood SH”

Tuy nhiên những Robot thực sự có ich được nghiên cứu dua vào Ứng dụng trong

công nghiệp thực sự là những tay máy Năm 1948, tay máy đổi dau tiên ra đời tạiphòng thí nghiệm quốc gia Argonne do nhà nghiên cứu Goerzt nghiên cứu, cũng trongthời gian này hãng General Mills chế tạo tay máy gân tương tự sử dụng cơ cầu tácđộng là những động cơ điện kết hợp các cử hành trình, Đến năm 1954, Goerzt tiếp tụcchế tạo tay máy đôi sử dụng động co servo va CÓ thê nhận biết lực tác động lên khâucuỗi Từ thành quả đó năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoat độngtrong công việc khảo sát đáy biến Năm!96§ R.S Mosher, thuộc hãng Generalelectric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiếu đài 3m, nặng 1400kg sửdụng động cơ đốt trong có công suất gan 100 mã lực, mỗi chân được vận hành bởi hệthông servo dầu ép do người ngôi trên điều khién Mặc dù thiết bị hoạt động tốt nhưngđiều khiến khá phức tạp gây cho người điều khién chóng mệt moi Cũng trong lĩnhvực này, một thành tựu khoa học công nghệ đẳng kê đã đạt được vào năm 1970 đó làxe tự hành thám hiểm bê mặt côa mặt trăng : Lunokohod | được điều khién từ trái dat

Những Robot đầu tiên có thé lập trình được, đáp ứng theo những tín hiệu thunhận được từ cảm biến phan ánh các thông tin môi trường hoạt động xung quanh màkhông có sự can thiệp trực tiếp của con người đã được nghiên cứu vào cuối năm 1940ở các phòng thí nghiệm vệ trí tuệ nhân tạo Điền hình như con chuột máy tim đường

di trong mô cũng cua Claude Shannon hay con ma may của Grey Walter vào nam

1953 Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào nam 1969 đã thiết kếRobot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiến sửdụng hệ thông thu nhận hình ảnh, nhận dang đối tượng, xác định đường di đến đốitượng và thực hiện mot số tác động trên đối tượng, Năm 1952 may điều khiến chươngtrình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công nghệ Massachusetts Hoa Ky Trên cơ sởđó, năm 1954, Goerge Devol đã thiết kế Robot lập trình với điều khién chương trìnhsố đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh gọi là “ thiết bị chuyên khớp được lập

trinh ”, Joseph Engelberger, cha de Robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation

sau khi mua ban quyên thiết bị của Devol và sau đó đã phat triển những thé hệ Robotđiều khién theo chương trình Năm 1962, Robot Unimation đầu tiên được dua vào sửdụng tại hãng General Motor và những năm 1976 cánh tay Robot đầu tiên trong khônggian đã được sử dung trên thu thám hiểm Viking của cơ quan không gian Nasa HoaKỳ dé lay mẫu đất trên sao hỏa Cho đến nay những Robot được xem như nhữngngười giúp đỡ, cho phép người ta thăm đò, khám phá cái mới của đại đương, mặt đấtvà không gian Chúng đi tới những nơi như bê mặt của Sao Hỏa, nơi mà con ngườichưa có khả năng dé đặt chân lên, Chúng dam nhiệm những nhiệm vụ nguy hiểm màcon người thì không phù hợp dé hoàn thành, Chúng không nhàm chán với những sựhoạt động lặp di lặp lại và cô thê thực hiện những sự chuyên động liên tuc VỚI suchính xác tốt hơn hơn con người Chúng cũng bat đầu trở thành là những sự thay thêcho những con vật cưng Những con chó con lập trình được mà không cần cho ăn

hoặc tim rửa cho nó.

1.4 PHAN LOẠI:

Tùy vào phạm vị sử dụng, đặc tinh cầu tạo mà Robot được phan ra lam nhiêu loạikhác nhau như Robot công nghiệp, Robot đô chơi,

Theo nguyên tắc dich chuyển ta có: Mobile Robot (di chuyên bằng bánh xe, bánhxích), Walking Robot (đi chuyển bằng chân), (Snake Robot) Robot di chuyên bằng

cách trườan trình,

Trong công nghiệp tùy theo đặc điểm mà phân làm các loại theo dang hình học củakhông gian hoạt động, theo thé hệ Robot, theo bộ điều khiến và theo neudn dan động

Theo hình dang không gian hoạt động thi có Robot toa độ vuông góc, Robot tọa độ

cầu, toa độ trụ, Robot khớp bản lề.Theo thé hệ thì chia làm năm thé hệ, Thé hệ thứ nhất thì chỉ sử dụng các tô hợp cơcầu cam với công tất giới hạn, điều khien theo vòng hd Thể hệ thứ hai thì được dingthêm các cảm biến, điều khiến theo vòng kín, Robot hoạt động cô thể lập trình đượcnhờ các công cụ như bàn phím, panel điều khiến Thê hệ thứ ba loại này có trang bịcác hệ thôn g thu nhận hình ảnh trong di éu khiến Thé hệ thử tư như thé hệ thứ hai và

thứ ba có kha năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các

hoạt động dựa trên các tin hiệu thu nhận tử các carn biến Thể hệ thứ năm là nhữngloại được trang bi các Kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dang tiếng nói, hinh anhv.v dé dua ra quyết định, giải quyết các van dé và nhiệm vụ đặt ra cho nd

Theo bộ điều khiến thì có Robot gắn - đặt thường sử dụng nguồn dan động là khinén, Robot dẫn đường liên tục loại này sử dung bộ điều khién servo thực biện điềukhién vòng kín

Theo nguồn dẫn động thì có loại dùng nguồn cấp điện, nguồn khí nến và nguôn

thủy lực,# Mobile Robot: gom Robot có bánh xe và Robot có xích,

# Walking Robot loại này có thé có một chân hoặc nhiều chân

© Loat Robot một chân (Monopod walking Robot)e Loai Robot 2 chan (Bipod walking Robot)

© Loa Robot 3 chan (Tripod walking Robot)© Loat Robot 4 chân (Quarpod walking Robot)

= Loại Robot 6 chân (Hexapod walking Robot)= Loại Robot 7 chan (Heptapod walking Robot)= Loại Robot 8 chân (Octapod walking Robot)

xs

o>

Hinh 1-1 Phan Loai Robot

Loại Robot có chân này có thé đi từng bước theo nhiều pha chuyển động khácnhau hoặc là các chân đu đưa hoặc quay tròn chân của nó, ta có thé gọi chung là

Robot có chân vận động dạng bước di va Robot có chân vận động dang quay Với

chân hoạt động dạng bước thì rất khó vượt qua được nhiều địa thế, địa hình đa dạng ởnhiều môi trường để có những bước đi cho phù hợp thì thật là khó, trong khi với loạicó chân dạng quay thì ta thấy dường như có thé thực hiện được

So với Mobile Robot thì ta thấy Robot có chân thì nó có nhiều ưu điểm hơn chănghạn như nó có thé vượt qua chướng ngại vật trên đường đi, có thé di chuyển qua cácđịa hình phức tạp như leo trèo câu thang, có thé chuyển động trên các bẻ mặt bất kỳdù là trơn nhan hay g6 ghé, đứng hay nghiêng Nó ít bị chìm xuống ở những noi lún,dam lay Ngoài ra nó có thé tự điều chỉnh dáng đi của nó trên những địa hình khó vượt

qua hoặc không thê vượt qua Ở luận văn này chúng ta quan tâm chủ yếu Robot có

chân, Con bọ kiểu chân hay tên gọi khác là Con bọ 6 chân

Robot có rat nhiều ứng dụng trong thực te như vận chuyên hang hóa, cứu hộ,thám hiểm, giải trí v.v.

“ Trong công nghiệp Robot được sứ dụng dé thay thé công nhân làm việc trongnhững điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn và xưởnghan ding han đường, hàn diém đem lại năng suất rất cao Như trong những nhàmáy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dung Robot nhiều nhất, Đốivới sơn là công việc rất độc hại cho sức khỏe con NGƯỜI VÌ thế Robot đượcding dé lâm công việc đó Ngoài ra Robot còn sử dung trong nhiều lĩnh vựckhác như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp dé nhựa,gẵn kính xe hơi, gắp hang ra khỏi băng tái và đặt chúng vào trạm chuyên trung

gian, lắp rấp trong những nhà máy v.V

a

# Trong phòng thí nghiệm thì Robot được ding đê thực hiện tự động các côngviệc thủ công như đặt các chi tiết thí nghiệm vào các thiết bị do, kiêm tra maudo,

“ Trong nông nghiệp Robot được dùng trong việc cất lòng cửu và trong các nhàmáy mo xẻ thịt heo ớ Uc.

“ ‘Trong không gian Robot dùng thâm hiểm không gian nhữ tay may nhiều khớpdo Canada san xuất được lip trên trạm không gian quốc té Alpha nhằm tangcường kha nang boc đỡ hàng hóa tiên te, lap ghép với các trạm không giankhác,

“ Trong tau lặn, Robot tau lận được điều khiên từ xa ding kéo cáp đưới biên, détim đưới day bien, kiêm tra và bào trì các dan khoan dau ngoài kHƠI v.v.

# HỖ trợ người tan tật như các bộ phận gia cho những người mat tay, chân nhưngran hoạt động lĩnh hoạt,

« Trong sinh hoạt và giải trí như các Robot dé chơi trẻ em, Robot mang các dévật theo lệnh từ bộ điều khiến trung tâm gân đây hãng Honda Motor đã sảnxuất những Robot có thé đi bằng hai chân, vay tay, bật công tắc, khiêu vũ,nướng bánh và giúp tim cho người lớn tuổi v.v

Hiện nay có 2 hướng thiết kế Robot có chân:

s On định tĩnh định : đành cho robot trườn, bò, chuyển động chậm Nếuthiết kế tĩnh định thì các lực quán tinh sẽ được bố qua và robot sẽ được ổn định taimọi thời điểm, Lúc này vectd trọng lực ở trong tâm robot luôn nằm trong da giáctạo bởi các điểm Hên hệ với mat đất, Vì vậy robot phải có ít nhất 4 chân Do đó dédam bảo yêu cầu tĩnh định va dé đàng điền khiển chuyển động của robot thì tốt

nhất robot phải có 6 chân đối xứng 2 bên như côn tring, ngoài ra người ta cũng

thường sử dụng robot 5 chân thường là đối xứng 2 bên hoặc đối xứng cực Trongthực tế khi mỗi chân đi chuyến độc lập thì chúng ta rất khó khăn đấm bảo trọngtầm sẽ nằm trong da giác tạo bởi các chần chạm nên trong trường hợp robot có 4chân, Vì vậy hầu hết robot cân bằng tĩnh định đếu có 6 chân cân đối xứng 2 bêntrục, Với việc thiết kế robot 6 chân thi việc chuyển động thing dé hơn so với xoay,Nếu robot có dang đối xứng trục thì nó có thể chuyển động theo bất cứ hướng nào,Trong chuyển động củơi robot, cần bằng tinh định : trong tâm cũa robot có nhữngthời điểm không trùng với trọng tâm của da giác tạo bởi các chân tiếp xúc vớinên Ngay trong trường hợp chuyển động trên mặt phẳng tái trọng của robot phân

phối trên chân không bằng nhau,

s On định động học : đành cho robot chạy, Cân bằng ổn định động lực : lúcnày các lực quần tính sẽ được điều khiển để được đấm bao cho Robot cân bằng

không mất 6n định, Khi thiết kế Robot theo dang này chúng ta cần các cắm biến

năng lượng và tốc độ xử lý tính toán phải lớn, Với Robot loại này việc tính toán rấtphức tạp so với Robot cần bằng tĩnh định.

Như đã nêu, di chuyển bằng chân là một hướng nghiên cứu day hứa hẹn,

Nhưng bất cứ dang đi chuyển nào đều cần có một dang di chuyển, hay cấu tao vàphương thức đi chuyển để chọn một hướng đi phù hợp 1A vấn để khó khăn

Nếu so về cấp độ tiến hoá thì động vật có thể là một ứng viên sáng giá.Nhưng do các vấn để về kĩ thuật công nghệ, cho đến nay thì côn trùng vẫn là motbậc thay đáng quan tâm học hốt, Các lí do được đưa ra đó là: cấu tạo đơn giản,

điều khiển đơn giản và mife cần bằng cao, Nhưng không vì thế mà côn trùng

không đáp ứng được vấn để khả năng linh hoạt và hiệu quả, Một ví dụ không thể

không nhắc đến là kiến có thể nâng một vật nặng gấp trăm lần trong lượng cơ thé

Đây là Robot sứ dung hoàn toàn bằng năng lượng ấp suất, Zephyrus có thể lam

việc với dp suất cao và tải lớn, Robot 6 chân được thiết kế hoàn toàn tự động theochương trình đã được lập trình sẵn, MGi chân được gắn 4 bap cơ nhân tạo khí dai

6 ram tạo mỗi chân có 2 bậc tự do Bộ vi xử lý sẽ điều khiển các van điện tứ đóngmổ sao cho Robot hoạt động một cách uyén chuyển Các cơ nhân tạo này sử dụngấp suất tương đối lớn 6 bar Khung Zephyrus [am bằng nhựa polime

“Stamp W - Controiller chip war: ¬—¬ — tn Pose seve

8 wallong sequence written in, eo ler

in Bese \ <— / driver >oerd

4

Serial interface -———~_ éRS 232 tor ~worogrammisg Y._ mt

the chip Ầ

Oe gan ce _—— Indicator LEDs

-2003, cuế : For dotsug ging the

v/hịch Gan tik 100 mAmp oui oa

Valves with ax at 6 bar.

Hình 1-1: Robot Zephyrus[24]

Robot Genghis:

Robot Genghis là một Robot tương đối đơn giản Nó được thiết kế va chế tạo

bởi GS Rodney Brook, ông ta muốn khẳng định rằng hệ thống điều khiển đơngiản có thể tạo ra nhiều nhiệm vụ phức tạp Mặc dù thiết kế đơn giản, khối lượngphần mềm được viết không nhiều, Robot Genghis có thể đi, xoay và chèo quachồng sách Về kết cấu của Robot Genghis là một Robot khá tốt, đặc biệt nhỏ nhất Robot này được chế tạo vào năm 1988 tại phòng thí nghiệm Mobile Robotics Labcủa MIT Robot Genghis có 6 chân, nhưng đảm bảo độ ổn định tĩnh khi di chuyển.

Mỗi chân có 2 bậc tự do(xoay và nâng) Lý tưởng nhất, một Robot có chân nên có

3 bậc tự do trên một chân Nhưng để đơn giản Genghis được thiết kế 2 bậc tự do.Các chân Genghis được gắn các động cơ servo Các động cơ xoay có moment nhỏhơn các động cơ tạo chuyển động nâng vì theo lý thuyết để tạo ra chuyển độngtrên mặt phẳng ngang thì các động cơ nâng chỉ tạo ra các công mà công này cóvecto vuông góc với chiều trọng lực Điều giả thuyết này đúng khi Robot dichuyển trên mặt phẳng ngang Khi Robot tiến trên mặt phẳng nghiêng, động cơxoay tao moment chống lai trong lực Độ dốc mà Genghis có thể di chuyển trên đó

phụ thuộc vào độ lớn moment mà động cơ xoay có.

Wheg

Robot nay vận động nhờ sự kết hop của những chân day Robot di chuyển bằng

bánh thi đơn giản hơn và vượt qua các địa hình một cách nhanh chóng Trong khi

Robot di chuyển chân leo qua những chướng ngại cao hơn

Khắc phục những chướng ngại tương đối to lớn, một phiên bản của Robot Mini Whegs TM đã được phát triển Nó dài 20 inch, dùng những chân day có dạng ba nanhoa Nó có thé leo qua những chướng ngại mà chiều cao lên tới 1.5 lần bán kính chânvà Robot có thé chuyên động lên tới một tốc độ 3 lần chiều dài thân thé / giây

-(5.5 km/gid).

Khi di trên nền phẳng, ba trong những chân lệch nhan 60 độ không trùng pha vớiba chân day kia, điều này cho phép nó sử dung một đáng đi kiếng ba chân luận phiên.Đáng đi này yêu cầu hai chân trước là không trùng pha với cái khác Khi một chướng

ngại được gặp, sự thay đối đáng đi cho phép những chân trước quay trở lại, vào theo

pha với nhau, vi thé chúng có thể sử dung để kéo Robot lên trên và VƯỢT qua chướng

ngại.

Nó có thể khắc phục những chướng ngại vật cao 2 đến 3 lân chiêu dai thân thể, nhưmột bậc thang Được dựa vào những nguyên lý phỏng sinh hoc, Robot nhỏ này kếthợp tính đơn giản , sự cỨng cáp và sự tin cậy dé cung cấp một tốc độ sự cơ động và

tính hnh hoạt mong muôn,

1.5.2 Đánh gia và nhận xét chung :

Ở Robot Zephyrus cổ số bac tự do cao hơn, kết cấu phức tạp hơn, hơn nữa phải

có 2 nguồn năng lượng dẫn động: điện và khí nền khi di chuyển

G RobotGenghis cũng có số bậc tự đo cao hơn dan đến điều khiển sẽ phức tap

hơn, và tốc độ đi chuyển chậm hơn khi so với Con bọ kiểu chân,

Ổ Wheg khi so với Con bọ kiểu chân [26] : thì có ít bậc tự do hơn, khác nhau về

sự đi chuyển thân, tốc độ đi chuyển chậm hơn và những cái chân chế tạo khó khănhda Trong khi Con bọ kiểu chân, chân được chế tạo đơn giần hon

Qua những phan mô tả trên, dé thấy loại Robot có chân là một lĩnh vực có nhiêutiềm năng và ứng dung rất hữu ích trong thực tiễn, Nó có thé vận động trong nhữngmôi trường đa dạng, đồ bộ lên những nơi mà con người không thể đặt chân tới phụcvụ cho công tác thám hiểm hay giớm sát ở những nơi nhiém phóng xạ v.v., mặt khácđã có một vài gợi ý đánh giá ring hơn một nữa bê mặt trái đất hiện nay thì không thêtiếp cận bởi các dạng di chuyên bằng bánh hoặc bằng xích được mà chi có thé là dang

đi chuyên bang chân mà thôi Cho đến nay loại Robot có chân đang được nghiên cứu

và phát triển ngày càng hoàn thiện hơn, đặc biệt là loại có chân vận động quay tronthì có kha nang thích nghị nhiêu mỗi trường hơn vì vậy mà việc nghiên cứu và chế tạoloại Robot có chan van động với những chan quay tròn của nó [A một việc lâm thiệtthực và đó là một lĩnh vực không thê thiểu trong công tác nghiên cứu khoa học kỹthuật để áp dụng rộng rãi các thành tựu khoa học vào đời sông cộng đồng.

1.6 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CUA LUẬN VAN

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

1.6.1 Mục đích của luận văn :

Thiết kế chế tạo mô hình Con be 6 chân di chuyển trên địa hình bằng phẳng để

phục vụ cho thực nghiệm.

1.6.2 Nhiệm vụ của luận văn :

e Tìm hiểu về H thuyết hoạt động và điều khiển của Con bọ 6 chân,

® Xây dựng m6 hình mê phỏng.

® Chế tạo mô hình Con bọ 6 chân.

1.6.3 Phương pháp nghiên cứu:

Qua (tài liệu : các bài báo cáo, luận văn tốt nghiện, mang Internet

* Phân tích wu nhược điểm, nim được các thông số điều khiển.® Thiết kế con bọ kiểu chân dựa trên dữ liệu đã có

® Xây dựng mô hình m6 phỏng.

® Xây dựng mô hình con bọ với phan điều khiển cơ bản

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT VE CON BO SAU CHAN

2.1 GIỚI THIẾU:

Con be sau chân là một con côn trùng may có sâu chân được nghiên cứu và

chế tạo đựa trên việc quan sát những hệ thông sinh vật học - đặc biệt là sự vận độngcủa con gián, Sự nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển robot đi chuyển bằngchân đủ mạnh và đủ nhẹ cũng như cách đi chuyên lĩnh hoạt dé phát triển tiém năngrộng lớn của nó như: đi qua địa hình địa thé gập ghénh cao hơn hay tuân theo qui luậtleo trèo: bậc thang Rất nhiều ứng dung ấp dung cho nó như tim kiếm và cứu hộ

được xác định trong những khu đô thị nơi ma những bac thang là một chướng ngạithường xuyên.

Trong luận văn này con bọ kiểu chân nói lên một sức manh tự hoạt của phương

tiện có chân, có thể đi qua địa hình địa thé khó khăn, tiếp cận sự phức tap và tinh dadang của mat dat tự nhiên, Nó đi chuyến với những tốc độ được do: đơn vị chiều daithân thể trong một đơn vi thời gian, VƯỢCt qua dược những chướng ngại cao hơnkhoảng hở thân thé của nó Hơn nữa, nó chỉ cần sự cung cap năng lượng từ nguồn là02 bình Accu khô 12V được dau nổi tiếp nhau, có dung lượng định mức 4 Ah là đủcho nó vận động leo tréo Con bọ được thiết kế gồm có một thân với sấu chan giốngnhau „ mỗi chân có duy nhất một cơ cầu chap hành độc lập

Tóm lại, chúng ta tin tưởng thiết kế mới này mở ra một phạm vi lớa của những khanăng moi cho điền khiến của sự vận động, trong khí vẫn còn gặp những sự rang buộc

bởi công nghệ lưu trữ nang lượng,

2.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM :

2/34 Galt (dang di):

“Nhu tên gọi ; gait, là phương thức di chuyển chân trong lúc đi hoặc chạy”Đôi với robot di chuyên bing chân dang đi và cân bằng là hai van dé quan trongbậc nhất của việc thiết kế và điều khiến, Từ đán g di, ta có thê biết được vị trí điểm đặtchân, và thông qua động học ngược ta có thé tính được các giá trị của góc của khớpnối chân robot và định ra tín hiệu điều khiến

Dang đi của robot còn ánh hưởng đến vấn dé cân bằng của robot Nếu đáng dikhông thoả mãn được điều kiện cân bang thì robot sẽ mất cân bằng và mat điều khiến.Dang đi có thé chia làm 2 loại là đáng đi có chu ki và đáng đi không có chu kì Mặcdù đáng đi có chu kì là đáng đi tối ưu, nhưng đáng di này chi có thể dp dụng trongtrường hợp địa hình đi chuyên là bằng phẳng và không ghô ghể Với các địa hìnhkhông bằng phẳng thì ta vẫn cần một đáng đi không có chu kì, Khi đó ta có thé có một

trong 2 dang di Sau:

® Dáng di theo chân trước, trong đáng đi này, các chân sau chỉ đặt chân vào điểmđặt chân của chân trước đó Có thể nói, trong đáng di này, ta thật su chỉ quantâm đến điểm đặt chân,

« Dáng di hoàn toàn tự do Tai một thời điểm chỉ có một chân được hở dar.

2.2.2 Chu kì của chan:

5

aw

2b

a

Trong lúc chạy hoặc đi, mdi chân độc lập sé di chuyển một cách có chu kì và dé

dé dàng trong nghiên cứu và điều khiên, sự đi chuyên của chân thường được chia

thanh các chu ki và trong mỗi chu kì lại được chia nhỏ thành 2 pha# Pha đỡ : là pha mà chân được ding dé đỡ và đây robot về phía trước đôi khi

còn gọi là pha đứng.

" Pha chuyển: là pha mà chân được chuyển từ điểm đặt chân này đến điểm đặt

chân kế tiếp Đôi khi còn gọi là pha về hoặc pha cánhTừ định nghĩa về dáng và pha, ta có thé đi đến một khái niệm mới , đó là biểu đồdáng Biểu đồ dáng là biểu đồ thé hiện dáng di chuyên của robot Dùng để mô tả cácpha khác nhau của các chân khác nhau như một hàm của thời gian, cho ta một số hìnhảnh về biểu đồ dáng của một số dáng cơ bản, trong hình các đường đen tương ứng vớicác pha đỡ của chân Về cụ thể từng dáng :

Nhảy chéo chân chạy nước kiệu Phi nước đại Bò , trường

Hình 2-1 Biểu đồ dáng của một số dáng cơ bản [22]

Trong luận văn này, Peay: là kí hiệu cho hình chiếu của điểm trọng tâm lên mặtphẳng ngang Định nghĩa về cân bằng tinh học được phát biểu cho một Robot dichuyên bang chân lí tưởng: cơ thể của Robot là cửng tuyệt đối, các chân gần nhưkhông có khối lượng và có thé chịu được lực vô cùng lớn

Một Robot di chuyển bằng châu được coi là cần bằng tĩnh học ở thời điểm t: nếutật cả các chân đỡ của robot ở thời điểm t đó vẫn duy trì tiếp xúc với mặt phẳng đỡ,các chân của robot đều có định 6 vị trí của chúng ở thời điểm t đó và vận tốc tinh tiênvà quay của cơ thể robot giảm về không

Điều kiện trên có thể tương đương với điền kiện Pay Au„ Từ định nghĩa này, tadi đến định nghĩa vé biên cân bằng tĩnh ở thời điểm t là khoảng cách ngắn nhất từ Poyđến biên của đa điện mặt chân dé Tuy nhiên để robot có thé di chuyên được thì tacần mở rộng định nghĩa trên dé có thể áp dụng cho các robot dang đi chuyên,

Những nghiên cửu từ trước và hiện tại về phân tích sự cân bằng déu dựa trên cơ sởnghiên cứu về vị trí của khối tân Robot (CM) Trong luận văn này, Pew biểu điểnđiểm trong không gian hai chiêu có được băng cách chiếu điểm CM xuống mặtphẳng nam ngang, Giá thiết rằng phan thân chính được mô hình như một vật rin,những cái chân thì có khối lượng không đáng kệ nhưng có thé tác động một lực vôhạn lên bề mặt liên kết tại những điểm tiếp xúc của chân Giả thiết trên là định nghĩacho một cỗ máy lý tưởng di chuyên bằng chân,

Với một yêu cầu về cần bang tĩnh, ít nhất phải ding bến chân dé đi chuyên cho

một cô may lý tưởng di chuyên bang chan Đôi với một động vật bôn chan, dieu này

sẽ làm giảm vận tốc lớn nhất đi rất nhiều (so với một dáng chuyển động nhanh trongmột thời khắc) Đầu tiên, giả sử việc di chuyển theo phương thắng đứng không tốn batcứ thời gian nào; sau đó, thừa nhận một dáng điệu trườn tới, một vận tốc thân khôngđổi Vinan và vận tốc cực đại của chân đối với thân V,, Gọi d là khoảng cách tinhtiễn của thân trong một bước đi, đó cũng là khoảng cách mà chân phải được di chuyểnso với thân trong suốt chế độ di chuyền Sau đó ta có :

d= BTVinanđối với chế độ chỗng chân và

d= (1-B)TV iin

đôi với chê độ di chuyên, với T là thời gian bước Tu đó ta có môi quan hệ sau :

1-B.v,, <i fythân — chân

Đôi với một động vật bôn chân, sự cân băng tĩnh sẽ đặt một giới hạn lên hệ sô làm

việc, > 0.75 và kết quả là :

Vthân < 3

So sánh với một dáng điệu chuyển động nhanh véi f = 0.5 thì vận tốc thân sé

được giới hạn bởi :

Vinan S Venn

Một trở ngại nữa là, can bằng tĩnh chỉ có giá trị như một tiêu chuẩn để tránh sự téngã cho hệ thống khi không chuyền động Ví dụ, ta hãy xem xét điều gì sẽ xảy ra nếurobot đang chuyển động đột ngột dừng lại : nó sẽ ngã do lực quán tính mặc dù

Pom € Ana cho đến khi robot bị lật ngược Từ đó cho thấy một dáng đi cân bằng tĩnh

không bao ham một cách di an toàn.

2.3.2 Cân băng động :

Khi một hệ thống không thé ding cân bang tinh, thì sẽ được thay thể bang cânbằng động mà việc bù chuyên động ngã nhào luôn được quan tâm tại mọi thời điểm,Cân bằng động thường được gọi là cân bang tích cực hay ôn định động Một cách tôngquát, thuật ngữ én định động không được hiểu phù hợp với các cách bước đi và mộtđáng di động thì thường là một đáng đi nào đó mà không cân bằng tinh tại mọi thờiđiểm, có nghĩa là tồn tại một thời điểm t não đó trong qua trình chuyển động ma:

Pen () € Agr 4)

Với một bước di động, robot sẽ ngã nhào va không thể bước đi như đã được đựđịnh khí mà vận tộc bước bị giam xuống mot mức mà hiệu ứng bước di động không

còn tác dụng nữa,

Điều này nhân mạnh tầm quan trọng của các hiệu ứng động, Đi với một đáng đi

eta có thể mô ta m6t cách toán học như sau:

Do dé tài chỉ sử dung phương pháp cân bằng tinh cho chuyển động của con bọ, nên

xin không tìm hiểu sâu về cân bang done

Một sô gia thiết :

# Chuyên động của các chân không tiệp đất không anh hướng đến chuyển động

của hệ# Các đồng cơ đủ manh dé kéo toàn bộ cơ hệ,

Hình 2-2 Mô hình cau tạo của bọ sáu chân [23]

Nhu đã dé cập ở phan trên, dáng đi quyết định đến các tính toán về động học vàđộng lực học của con bọ, ở đây, dáng đi được chọn để nghiên cứu là dáng đi ba chân,tại một thời điềm bat kì, chỉ có ba chân là tiếp đất, các chân còn lại đều ở trang tháinghỉ không làm việc, ta có giản đồ con bọ đi như sau (Hình 2-3 )

Dáng đi ba chânL, — Hướng điL, | *La : —

R, !R, ¬

0) iT i2T

Hình 2-3 Gian đỗ dang di cua con bo [22]

2.4 ĐỘNG HỌC VA DONG LUC HOC:2.4.1 Cac khái niém dùng trong qua trinh tinh toán:

# Toa độ không gian CW) là toa độ gắn chat với không gian làm việc của con bo,trong trường hop này lá tạo độ gần chặt với mặt dat Trong bài viết này, 2 trụcx, y nằm trong mặt phẳng chuyển động (mặt phẳng đâo và trục còn lại GŒÒvuông góc với mat phẳng đất và có phương hướng lên (ngược với phương củavector gia tốc trọng trường) (xem hình 2-2 )

# Toa độ gan liền với phần thần của còn bọ ( B) là hệ tọa độ gin Hiển với phânthân của con bọ, và thông thường được đặt ở trọng tâm của hệ thông, Trong bàiviet này, hệ toa độ này có trục thứ nhất (x) là theo chiều chuyên động ngangcủa robot theo chiêu chuyên động chính của robot, trục thứ 2 (y) là có phươngtheo chiêu chuyên động chính của robot và chiên còn lại hướng lên ngược với

hướng của trọng lực (xem hình 2-2)

Thun

# « latoa độ của các Khớp nội chân trong hệ tọa độ B.Ta chia chuyên động của hệ thanh hai thành phan, một trong mặt phăng (xy} song

song với mặt phăng chuyên động, hai là theo phương (z) vuông góc với mặt phẳng

chuyên động Chủ yêu ta quan tầm đến thành phan thứ nhật trong mặt phẳng song

song với mặt phăng đỡ Giả sử ta chọn trước góc quay ở khớp nôi chân và từ vận tôccủa góc ây ta có thê tính được vận tôc thân.

»Š

fs

Hinh 2-3 Van tốc góc của chan robot [23 |

Vận tốc dài tương ứng của khớp nối chân so với đất sẽ là : v, =ø4,=ø1 với ¡ làđộ dài các chân robot Vậy từ vận tốc góc của các chân, ta có thé chuyén vé van técdài tương ứng ở các khớp chân Vận tốc của các khớp này cũng chính là vận tốc củacác điểm tương ứng trên thân con bọ Do chân quay trong mặt phẳng vuông gốc vớimặt phẳng đang xét, do đó vận tốc của khớp nỗi cũng sẽ nằm trong mặt phẳng tươngứng Do ta đang xét chuyển động của hệ thống trong mặt phăng ngang, do đó chiếu

vận tốc này xuống mặt phẳng ngang, ta được vận tốc của các điểm tương ứng trên mặtphăng ngang là :

Viy = OI cos(@ )

Xét các khớp chân trên cùng một bên của hệ thống, ta thay van tốc dai theo

phương ngang của chúng song song cùng phương với nhau và chúng cùng thuộc một

vật rắn, kết luận vận tốc của chúng phải bằng nhau Vậy trong ta có thê thay thế các

vận tôc của các khớp trong cùng một bên băng một van tôc chung v, ,v,.

Hình 2-4 Vận toc khôi tâm theo các van tôc cua các khớp nôi

Từ hình trên ta nhận thấy, vận tốc của thân con bọ có thể tính theo vận tốc bên

của cơ thé như sau :

Vv, + Vp

2

Trong trường hop v, ,v„ bằng nhau, thì khối tâm chuyền động thang Trongtrường hợp V, ,v, khác nhau, khối tâm của cơ thé chuyền động tịnh tiến với vận tốcvp và thân con bọ quay quanh khối tâm một vận tốc góc là w, Chuyên động trêntương đương với khối tâm quay quanh một điểm với bán kính quay là :

Ra

Ds

Do giới hạn của luận văn chi trong phạm vi nghiên cứu chuyền động thang củacon bọ, nên ở đây ta chỉ giới hạn trong trường hợp v, ,v, bằng nhau, hệ thống sẽchuyển động thăng với vận tốc của khối tâm của thân con bọ là Vz =V, = Vp

Vậy dé con bọ chuyên động thắng với vận tốc cho trước, ta giải phương trình

v = đi cos(0) dé tìm ra vận tỐc góc của động cơ hay : a= D

COS

2.4.3 Dong lực học :

Phan tích một chân don le:

Hình 2-5 Phân tích một chân don lẻ [23]

Chú thích :W : Tọa độ không gian

B: Tọa độ gắn liền với thân con bọ

tp : VỊ trí than con bọRy: Hướng cua thân con bọ

vụ : Vận tốc của khối tâm trong WWp: Vận tốc góc của khối tâm trong W

t, : Moment theo hướng @,T, : Moment theo hướng ø,

a; : Điểm tiếp xúc của chân trong B

M : Ma trận quán tính thân trong BM,: Ma trận quán tính thân trong W

Ta phân tích một chan đơn lẽ, với F;, F; (Hình 2-5 ) là phan lực liên kết của chânvà mặt phang đỡ F3, Fy là phản lực liên kết từ thân robot lên chân

Dễ thấy:

Ttr

F\=F3 =Froi luc chan=Fint : Fa=E4=

Thân của robot sẽ chịu một phản lực liên kêt ngược lại, chuyên các lực trên về hệ

qui chiếu (B) của cơ thể, ta có lực do khớp thứ ¡ tác dụng vào thân là :

Lưu ý : ma trận ở phía trước trong biểu thứ tính lực của chân tác dụng lên thân làma trân xoay, để đưa lực trong hệ quy chiếu chân sang lực trong hệ qui chiếucơ thé (B)

Tong lực tác dụng lên thân Robot là:

0 6

F,=| 0 |+R,> chân,

~mg i=l6

0 —w, Wy

iw, Wy w.Ƒ}= w O —w,

— W Ww 0

Từ hình trên tao thay dé hệ thông hoạt động được, moment quay của động cơ

phải lớn hon moment của trọng lực tạo ra 7, > P./.sin(Ø)

Đề động cơ hoạt động được, ta xét trường hợp moment tao ra của trọng lực là cực đại,tức ø lớn nhất

" Với dáng đi ba chân

Ở đây, ta chọn ømax là 20° và trọng lượng của toàn robot là 7kg, kích thước

chân là 18cm > động cơ phải có moment kéo lớn hơn : 7.10.0,18.sin(20)/3 = 1.44 Nm

Giải thuật đi đường băng

©C3

Hình 2-7 Qui định vẻ ghi chú điểm đặt chân

Hình 2-8 Qui định về thứ tự chânNhư đã nói ở phan nghiên cứu lí thuyết về chuyên động băng chân, điều căn banban đầu là ta phải lựa chọn dáng đi của các chân Ở đây nhóm thiết kế lựa chọn dángđi 3 chân Giải thuật cho dáng di này tương đối đơn giản và 6n định Dáng đi cho ta

khả năng cân băng tinh của con bọ.

Dáng di ba chan

L¡ — Hướng đi

r0 2T

Hình 2-9 Dáng đi ba chân dùng trong thiết kế

Trong dáng di này, tại mỗi thời điểm, chỉ có ba chân như hình 2-9 (tạo thànhhình tam giác trên mặt mặt phăng đỡ) ở trạng thái đỡ Ba chân còn lại sẽ ở trạng thấychuyền pha

Chia 6 chân làm thành 2 pha:

= Pha |: gdm cac chan 1,3,5= Pha 2: gdm cac chan 2,4,6

" Thu tự chân (xem Hình 2-8)

Hình 2-10 Pha của chân trong di chuyền từng pha [23]

Ở chu kỳ thứ nhất, pha 1 sẽ di chuyền từ trạng thái đỡ, cho đến khi các chân

: x ¬, _ A ~ 4: Ry ak oe,của pha! dén được vi tri là 7 Khi đó, các chan của pha 2 sẽ di chuyên và đên vi trí

= —~®,, 2 pha sé chuyên vai trò cho nhau, pha 1 sé kết thúc pha chuyển, chuyền sang

pha đỡ, còn pha 2 sẽ bắt đầu pha chuyển cho đến khi về vị trí 0 Pha 1 tiếp tục đi cho

®,

đến vị trí —+ thi 2 pha lai bắt dau lập lại quá trình chuyền đôi

"= oe

Hình 2-2: Giản đồ pha trong một chu ki của chân [23]

t, : Khoảng thời gian cho toàn bộ chu kì dịch chuyền

(, : Khoảng thời gian bộ ba quay chậm

tạ : Khoảng thời gian 6 chân tiếp đất

œ, : Góc , ở đó bộ ba quay chậm

©, : Thông số dén bù chuyển động phương đứngThông số điều khiển : t t,.,®, ,O,

2.5.3 Lưu đồ điều khiển :

TRẠNG THÁI BAN ĐẦU

Pha 1 đỡ

Pha 2 chuyển chậm từ - = vé 0

Ko

© 0 ¬ Pha 1 chuyển chậm từ 0 đến 5

CHƯƠNG 3THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CON BỌ

3.1 PHAN CƠ KHÍ :

Thiết kế chân là một phân rất quan trọng trong mô hình này, nó quyết định chosự thành công trong quá trình hoạt động Chân phải thiết kế sao cho đủ độ cứng vữngkhông dé dàng biến dạng qua thời gian hoạt động, trọng lượng nhẹ, kích thước hợp lýđể có thể chạy trên một số địa hình bằng phẳng trong một phạm vi cho phép, chânphải dễ dàng lắp ghép, sửa chữa mà vẫn đảm bảo được tính ma sát khi tiếp nền cũng

như giữa nó với trục dẫn là không bị trượt Ở hình 3.1, hình 3.2, hình 3.3 là hình dáng

một sô kiêu chân mà có thê sử dụng được cho Con bọ vận động.

T Vit định vị

Hình 3.1 : Chan dạng compass [ 24 ]

Với loại chan compass (hình 3.1) thì cầu tạo đơn giản, dễ chế tạo ta có thể đúchoặc uốn bang nhiệt, đồng thời chân đủ cứng nâng được trọng lượng thân của nó Tuy

nhiên nó dễ dàng bị xoay trượt quanh khớp nối tại trục của nó Hơn nữa khi vận độngnó chỉ tiếp xúc tại một điểm vì thé rất khó vượt qua được các địa thé không đông nhất,so với chân dạng compass thì chân bốn thanh đã được sử dụng thành công hơn(hình 3.2), nó tạo tiếp xúc trên nền nhiều hơn một điểm, điều này làm giảm nhỏkhoảng cách ngang øiữa đầu ngón chân và đỉnh hông, tuy nhiên với loại này thi vấndé gia công tương đối phức tạp, khó bảo trì sửa chữa

Hình 3.2: Chân bốn thanh [24 ]

Chân hình bán nguyệt thì đem lại cho cho Con bọ những lợi thế, không cónhững bat lợi về trọng lượng, có sự tin cậy và ít tiêu thụ điện hơn Chúng thay đổichiều dài có hiệu quả bởi việc sử dụng nhiều điểm tiếp xúc trên chân

Vì chân hình bán nguyệt lăn tròn, nên nó không bị mất tính không liên tục

trong quỹ đạo hông (hình 3.6), trong khi chân bốn thanh làm cho quỹ đạo hông khôngliên tục khi nó thay đổi điểm tiếp xúc (hình 3.5), trong khi ta mong muốn quỹ daohông lý tưởng phải là đường gần như thắng