Tiểu luận phương pháp nghiên cứu khoa học thực hành viết Đề cương tốt nghiệp nghiên cứu giải thuật né vật cản Động và gắp vật cho mobile arm robot

Bên cạnh đó, các loại robot mô phỏng sinh học khác như robot cá, các cầu trúc chuyên động mô phỏng theo sinh vật biển cũng được nghiên cứu, phát triển nhiều... Những ứng dụng thực tế đòi

DAI HOC QUOC GIA THANH PHO HO CHi MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA

NGANH KY THUAT CO DIEN TU

p

TIEU LUAN PHUONG PHAP NGHIEN CUU KHOA HOC

THUC HANH VIET DE CUONG TOT NGHIEP NGHIEN CUU GIAI THUAT NE VAT CAN DONG VA GAP VAT CHO MOBILE ARM

ROBOT

SVTH: Đoàn Minh Khôi -

2170595 GVHD: GS.TS Phan Thanh Son Nam

TS Nguyễn Thanh Tùng

TP.HCM, 2022

MỤC LỤC

) 10009 2 2

DANH MỤC BẢNG BIỀU 5: 52222222 t2 1222 tt tt rrrrerie 5

1.1.1 Xu hướng của robot hiện fạ1 c0 12221112111 121 112212111111 18115 8111k re ưyn 6

1.1.2 Xu hướng của mobile robot và mobile arm robot 2c s2 sec eey 7

2.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài TƯỚC L0 2112121111221 12 2xx re 9 2.3.1 Trong nưỚC LH 112 v11 1119 1110111110111 011 110111101 k n1 k1 k KH kg xxx ket 9 2.3.2 Ngoài HưỚC 0 2011121112122 111 1119111011101 1 18111811111 kg ky II

2.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài - - 5 tt SE E1 1821821212122 rrre 13

1.4.2 Phạm vi đề tài 0c nh HH HH HH gu ga 13

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU ccccc St csttterrrerriies 15

2.1 Tính toán động học và thiết kế giải thuật cho cánh tay robot c5 15 2.1.1 Phân tích động học thuận - L1 2 2222112111121 112112211 1111118111011 15 51111181 xk2 15 2.1.2 Phân tích động học nghịch c1 22122112211 11211121 11 111581150111 211 11111111118 k ca 16

2.1.3 Hoạch định và mô phỏng chuyên động cánh tay robot - 5 sec srez 18

2.3 Giải thuật Q learning [9] 22-222 22112322221227112111271122112211221121211212 kg 22 CHƯƠNG 3: TÔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 2- 2 2s S2 cEEEEererrerree 26

3.1 Kết quả đạt được c2 HT HH1 n1 2H11 n1 ng giàn 26 3.2 Hướng phát triển đề tài - 5c St Ự E HE H1 ng 110 HH HH HH HH HA 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2-52 2222122112212112212112212112112111121121212 re 27

Mô hình xe câu tự hana ceecsceeeeeesseseeeeesssseneeesssesseetesssssnnesserssentseseees 10

Robot tự động của nhóm BKPRO 2006 Q 2102122 21121 ru 11

bìr8/000)1150.3 0162 DA ‹rDm:IẨaia353 12

Hệ trục tọa độ của robot 4 bậc tu dol5

Mô phỏng gap vat va lap ghép 2 chi tiét truc va 16 ding Simulink

M6 hinh bai toan

Sơ đồ bó trí vật cản

DANH MUC BANG BIEU

Bảng 2.1: Thông số DH của robot 4DOF

Bang 2.2: Bang Q-table khởi tạo

CHƯƠNG 1:TONG QUAN

2.1 Giới thiệu chung về robot

1.1.1 Xu hướng của robot hiện tại

Ngành robot đã có những bước tiến bộ lớn trong nhiều năm qua Robot được ứng dụng đầu tiên trong công nghiệp vào những năm 60 với mục đích thay con người làm những công việc nặng, nguy hiểm trong môi trường nguy hại Do quá trình sản xuất phức tạp, các thao tác trong quá trình sản xuất có tính lặp đi lặp lại nhiều nên nhu cầu sử dụng ngày càng tăng nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng, sự linh hoạt và thông minh hơn Hiện nay, ngoài ứng dụng ban đầu của robot trong chế tạo, sản xuất thì các ứng dụng khác như trong y tế, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng, đang là động lực cho sự phát triển của ngành công nghiệp robot

Có một vài loại robot được nghiên cứu và phát triển trong thời gian qua như: robot

di déng (Mobile robots), tay may (Robot Manipulators), robot mé phong sinh hoc (Bio Inspired Robots), Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), robot ty hanh duéi nuéc AUV (Autonomous Underwater Vehicles), robot tu hanh trén khéng UAV (Unmanned Arial Vehicles) va robot vi try (Space robots) Tay máy với hai loại tay máy nối tiếp và tay máy song song Với robot phỏng sinh học, các nghiên cứu trong thời gian qua tập trung vào hai loại chính là robot dang nguoi (Humanoid robot) và robot di b6 (Walking robot) Bên cạnh đó, các loại robot

mô phỏng sinh học khác như robot cá, các cầu trúc chuyên động mô phỏng theo sinh vật biển cũng được nghiên cứu, phát triển nhiều

thê là mặt đất, nước, không khí, vũ trụ hay là sự tô hợp của các môi trường Bè mặt dia

hình robot di chuyên linh hoạt, có thê là mặt phẳng hoặc lỗi lõm

Những ứng dụng thực tế đòi hỏi những mobile arm robot có tính tự động cao và

những kỹ thuật hiện đại, bao gồm sự đa dạng của các cảm biến đáng tin cậy và tính toán

điện tử công suất làm tăng tính tự động hóa của robot di động

Yêu cầu cơ bản của mobile arm robot tự động là khả năng định hướng trong môi

trường chưa xác định và cảm nhận ra một bản đồ định hướng Với việc sử dụng những

quan sát từ môi trường và kết hợp với bản đồ cùng lúc để định hướng cho mobile arm robot đang là một yêu cầu cần nghiên cứu cho robot di động

Hình 1.4: Mobile arm robot của Boston [4]

Việc định hướng gặp nhiều khó khăn do nhiều vẫn đề khá phức tạp Vấn đề gây trở

ngại chính là những hạn chế của việc ước tính năng lượng, những khó khăn trong việc

phát hiện và nhận biết đối tượng, những khó khăn trong việc tránh xung đột với các đối

9

tượng khác nhau, và những khó khăn liên quan tới việc sử dụng thông tin cung cấp từ môi trường

2.2 Dat van dé

Mobile arm robot đã và đang tham gia cuộc sông của con người, nó có thê thực hiện các công việc như giao tài liệu trong văn phòng, tại gia như mang cafš, đồ rác, hút bụi, lau nhà hoặc vận chuyền hàng hóa trong kho xưởng đặc biệt là trong bệnh viện Ví dụ khi có

dịch bệnh xảy ra như hiện tại đang có dịch Covid ở năm 2019 đến 2021, bệnh nhân cần

phải được cách ly, cần phải chuyên nhu yếu phẩm, thuốc, vật dụng cần thiết và hạn chế sự tiếp xúc của con người đề tránh lây lan dịch bệnh thì mobile arm robot là một lựa chọn hữu dụng

Để mobile arm robot có thể di chuyển và gắp hàng theo mong muốn, cần phải tạo cho robot một bản đồ, do đó yêu cầu đặt ra là xây dựng bản đồ và định vị robot trong bản

đồ đấy, từ đó robot có thê di chuyên tới điểm đích trong bản đồ đấy

1.1.1 Trong nước

Những năm gần đây, lĩnh vực mobile arm robot đang được đầu tư nghiên cứu rất

nhiều với các sản phẩm tiên tiền, hiện đại bởi nhiều đơn vị trong khắp đất nước Vấn đề về xử lý ảnh tốc độ cao, kết hợp nhiều cảm biến khác, định vị và vẽ bản đồ,

thiết kế quỹ đạo tránh vật cản cho mobile arm robot đã có nhiều công bố trong các hội

nghị và tạp chí khoa học công nghiệp, nhất là lĩnh vực nhận đạng và điều khiển mobile

arm robot trên cơ sở thông tin xử lý là hình ảnh Một vài đề tài về mobile arm robot:

10

1.1.1.1 “Tính toán thiết kế và chế tạo mô hình xe cầu tự hành” do Trần Đình Mười, Nguyễn Đình Nam, Cáp Trọng Nghĩa, Nguyễn Danh Nhat — Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội thực hiện [|Š|

Với mục đích ban đầu nhằm thiết kế mô hình xe cần cầu tự hành ứng dụng nâng vật

có khôi lượng lớn Luận văn sử dụng mobile arm robot 4 bánh kết hợp với cảm biến là

camera

Thêm vào đó, kết hợp bản đỗ có sẵn đề di chuyên từ vị trí này đến vị trí khác theo yêu cầu một cách an toàn bằng việc tránh hết những vật cản xuất hiện trên đường đi, điều

khién mobile arm robot di chuyên trong môi trường chưa biết đề vẽ lại bản đồ khu vực mà

nó đã đi Camera có nhiệm vụ thu thập dữ liệu đầu vào và xây dựng bán đồ, xác định vật cản và nâng vật tại điểm đích

Các thông số kĩ thuật của robot:

- Khối lượng robot: 13 kg

- Khối lượng tải tôi da: 25 kg

- - Vận tốc tối da: 1,2 m/s

Hình 1.5: Mô hình xe câu tự hành [5]

lãi

1.1.1.2 “Robot tự động gắp hàng hình hộp chữ nhất” do nhóm BKPRO thi dau

Robocon Việt Nam 2006 — Khoa Điện-Điện tử, Trường DH Bách Khoa - ĐHỌG

Các thông số kĩ thuật của robot:

- Khối lượng tải tôi đa: 3 kg

- - Vận tốc tối đa: 2 m/s

Hình 1.6: Robot tự động của nhóm BKPRO 20606 [6]

12

1.1.2 Ngoài nước

1.3.2.1 Star mobile arm robot cua Han’s Robot [7]

Mục đích của robot này để chuyên vận chuyên hàng hóa trong kho hàng, robot hỗ trợ eedback moment đề dừng lại và né vật cản Robot sử dụng quét laser để xác định vật thể xung quanh, tạo bản đồ

Các thông số kĩ thuật của robot:

- Khối lượng tải tôi da: 50 kg

-_ Khối lượng tái tối đa đầu gấp: 15 kg

- _ Vận tốc tối đa: 0,3 — 0,6 m/s

- Giao tiép: Wifi

- _ Điều hướng: quét laser

Hình 1.7: Star Mobile arm robot [7]

MARS là một loại robot thông minh của ITRI tích hợp một camera AI có thê gắp hàng và theo dõi gửi thông báo hết hàng, ngoài ra còn có thê xác định cảm xúc, theo dõi nhịp thở của con người

Các thông số kĩ thuật của robot:

- Khối lượng tải tôi da: 20 kg

13

- Khéi lượng tải tối đa đầu gắp: 3 kg

- _ Vận tốc tôi da: | m/s

- Giao tiép: Wifi

- _ Điều hướng: quét laser

TẾ

Hình 1.8: Robot arm robot system (MARS) [8]

1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi dé tai

1.4.1 Mục tiêu

Thực hiện đề tài “Nghiên cứu giải thuật hoạch định đường di cho mobile arm robot

và gặp vật tại điểm đích” với các chức năng cụ thể như sau:

- Xây dựng giải thuật hoạch định đường di, tránh vật cản ứng dụng vào vận chuyển

hàng trong văn phòng, tại gia hoặc trong kho xưởng

- _ Tạo bản đồ môi trường xung quanh, trong đó lưu trữ vị trí các vật thê

- _ Xác định vị trí cần đến, sau đó di chuyển tới vị trí đó và tránh các vật cản xuất hiện

trong quá trình di chuyên

- _ Thực hiện tính toán động học nghịch cho tay máy 4 bậc tự do dé gap vat tai diém

da duoc xac dinh va di chuyén téi diém quy dinh tiép theo

1.4.2 Pham vi dé tai

- Robot sé hoat déng trén dia hinh bang phang, khéng gian du rong, diéu kiện ánh

sáng không đối để tạo bản đồ

14

- _ Tổng thời gian hành trình tối đa của robot: 30s

- _ Sai số tối đa cho ước lượng vị trị tâm chi tiết gá: mm

- _ Thời lượng hoạt động của robot là Lh

1.4.3 Nhiệm vụ

1.4.3.1 Xây dựng giải thuật điều khiến mobile arm robot

- _ Xây dựng môi trương mô phỏng mobile robot và các vật thẻ tĩnh va động trên

MATLAB

- Tim hiéu các giải thuật tối ưu đề di chuyên tránh vật cản tĩnh và động

- - Tìm hiểu các giải thuật hoạch định đường đi đến đích cho mobile robot

- - Tìm hiểu các giải thuật hoạch định quỹ đạo di chuyền của cánh tay robot

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Chương này sẽ thiết kế mô hình cánh tay 4 bậc tự do và phân tích động học cho cánh tay dựa trên các thông số sau:

2.1 Tính toán động học và thiết kế giải thuật cho cánh tay robot

Đề hoạch định được đường đi tối ưu cho robot, trước tiên ta phải tính toán được phương

¢ D6 dai khau a; (Link length): Khoang cach từ trục Z¿¡ ~ Z; theo chiéu của X¡

« - Góc xoắn khâu ¡ (Link twist): Góc giữa true Zi: > Z; quay quanh truc X;

« - Độ dời khâu d; (Link offet): Khoảng cách từ trục X;¡ X; theo chiều của Z¿¡

« - Góc khớp quay 1 (Joint angle): Góc giữa X;¡¡ 7 X; quay quanh truc Z;

16

Dựa theo kết quả tính toán động học thuận, ta có:

Ta tính toán các thông số các khớp bằng phương pháp đại số

2.1.3 Hoạch định và mô phồng chuyền động cánh tay robot

Ta mô phỏng chuyên động của 2 cánh tay robot đề có thê gắp và lắp ráp 2 vật có hình dạng khác nhau, ở đây là ghép 2 vật có dạng hình trụ, một trục (màu vàng) và một lỗ (màu xanh lá)

Hình 2.2: Mô phỏng gắp vật và lắp ghép 2 chỉ tiết trục và lỗ dùng Simulink

18

Do chỉ sử dụng động học thuận và nghịch, không xét đến động lực học của cánh tay

ta tính toán vận tốc và tốc độ dựa trên hiệu số độ dời và vận tốc giữa 2 thời điểm lay mau

liên tiếp chia cho thời gian lay mau (str dung second-order filtering trong Simulink) thay

vì thay đối đột ngột vị trí dưới dạng hàm nắc với vận tốc và gia tốc đều bằng 0 (zero derivatives trong Simulink) Điều này giúp robot tự tính toán ra được lực cần cung cấp khi chuyên động giúp cho việc gắp vật

Ở đây ta cũng xét đến yếu tô lực và các hệ số ma sát, hệ số đàn hồi và hệ số giảm chấn khi cho tay gap tiếp xúc với vật hay giữa 2 vật với nhau và giữa vật với bệ đỡ Từ đó

có thê cô định vật giữa hai tay gắp hay khiến vật có thể nằm yên trên bệ đỡ Trong simulink ta sử dụng khối Spatial contact force để làm được điều này

Đối với chuyền động của robot ta có 2 cách thực hiện:

- Cách 1: Di chuyền tuyến tính theo biến khớp (conñguration space) Ta cho trước vị

trí đầu và cuối của robot, tính toán động học nghịch tại 2 điểm này Rồi cho robot di

chuyền tuyến tính theo các thông số vừa tính được

- Cách 2: Di chuyền theo điểm công tác (task space) Ta cung cấp trước cho robot tập hợp các điểm waypoints (điểm tham chiếu) rồi dùng phương pháp nội suy đề tính ra phương trình quỹ đạo nồi liền các điểm Từ đó tính toán động học nghịch cho từng điểm trên quỹ đạo cung cấp vị trí từng biến khớp cho robot Ở đây ta cũng có thê sử dụng quỹ đạo đường thắng để nối 2 điểm waypoints liên tiếp

Ưu thế của cách 2 so với cách 1 ở chỗ ta có thể kiểm soát được quỹ đạo của vật,

tránh được tình trạng va chạm với vật thê trên đường đi khi chuyên động tuyến tính theo

biến khớp Tuy vậy cách 2 lại yêu cầu khối lượng tính toán nhiều hơn, có thể gây ra độ trễ

khi chuyển động thực Trong khuôn khô của luận văn này ta kết hợp cách 1 lẫn cách 2, đồng thời giới hạn miền giá trị của biến khớp đề hạn chế vùng chuyển động có thê gây ra nguy hiểm Đề gắp vật ta sẽ cho cánh tay di chuyển theo cach | dé dén toạ độ xy của vật nhưng ở độ cao cao hơn vài em, từ đó dùng cách 2 chuyên động tuyến tính thắng xướng

từ từ giảm độ cao và gắp vật

19