LUẬN ÁN THẠC SĨ điều khiển robot đi bằng hai chân

2 f Sciences, Beijing 100080, P.R.China       66 44 03 2     TP. H C MINH - 2010 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi luôn được sự quan tâm, hướng dẫn và động viên của Quý Thầy Cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Tôi xin bày tỏ lòng tri ân đến: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã trực tiếp, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ để tôi có thể hoàn tất luận văn này. Hội đồng bảo vệ luận văn đã đóng góp ý kiến, nhận xét và đánh giá luận văn của tôi. Phòng đào tạo SĐH của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tổ chức và quản lý hiệu quả trong quá trình đào tạo. PGS.TS Đặng Văn Liệt đã có nhiều đóng góp ý kiến quý báu cũng như việc tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện luận văn. Quý Thầy Cô đồng nghiệp ở Bộ môn Vật Lý-Tin Học đã động viên và giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn. Gia đình, bạn bè chân tình động viên, chia sẻ khó khăn mà tôi gặp phải. Nguyễn Thanh Nhiên i LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 3 TỔNG QUAN 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 3 1.1.1. Khái niệm điều khiển-điều khiển tự động 3 1.1.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình 4 1.1.3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động 6 1.2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 7 1.2.1. Định nghĩa 7 1.2.2. Lịch sử phát triển [2] 8 1.2.3. Các thế hệ robot 20 1.2.4. Những xu hƣớng phát triển của robot hiện đại 22 CHƢƠNG 2 23 MÔ HÌNH HÓA ROBOT 23 ĐI BẰNG HAI CHÂN 23 ii LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 2.1. Giới thiệu 23 2.2. Mô hình robot đi hai chân có 5 liên kết 23 2.2.1. Mô tả cấu hình của robot 24 2.2.2. Phƣơng trình động học của robot khi hai chân chạm đất 26 2.2.3. Phƣơng trình động học khi chân trái hoặc chân phải chạm đất. 34 2.3. Mô hình robot 40 2.3.1. Giới thiệu mô hình Simulink của robot [13] 40 2.3.2. Các khối chức năng trong mô hình 40 CHƢƠNG 3 54 ĐIỀU KHIỂN ROBOT 54 ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PD 54 3.1. Tổng quan về điều khiển PD trong robot 54 3.2. Khối điều khiển PD trong Matlab/Simulink 55 3.2.1. Khối Create references 56 3.2.2. Khối Controller 58 CHƢƠNG 4 67 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 67 MÔMEN TÍNH 67 4.1. Tổng quát 67 4.2. Thiết lập phƣơng trình toán học cho phƣơng pháp điều khiển mômen tính 68 4.3. Thiết lập bộ điều khiển mômen tính trên nền Matlab/Simulink 73 iii LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 4.3.1. Giá trị  và  trong độ sai biệt giữa tín hiệu ra – tín hiện tham chiếu . 74 4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mômen tính trên nền Matlab/Simulink 75 CHƢƠNG 5 79 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 79 5.1. Phân tích tín hiệu đặt 79 5.1.1. Tín hiệu đặt cho phƣơng pháp điều khiển PD 79 5.1.2. Tín hiệu đặt cho phƣơng pháp điều khiển mômen tính 80 5.2. Kết quả mô phỏng bằng phƣơng pháp điều khiển PD 81 5.3. Kết quả mô phỏng bằng phƣơng pháp điều khiển mômen tính 84 5.4. Chƣơng trình mô phỏng hoạt hình trên Matlab/Simulink 89 CHƢƠNG 6 91 KẾT LUẬN VÀ 91 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 91 6.1. Kết luận 91 6.2. Hƣớng phát triển 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC 97 A.1. Các hệ số trong ma trận A(q) sử dụng các khối trong Matlab/Simulink để chứa 97 A.1.1. Cột thứ nhất của ma trận A với    97 A.1.2. Cột thứ hai của ma trận A với    97 iv LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN A.1.3. Cột thứ ba của ma trận A với    98 A.1.4. Cột thứ tƣ của ma trận A với    98 A.1.5. Cột thứ năm của ma trận A với    99 A.1.6. Cột thứ sáu của ma trận A với    99 A.1.7. Cột thứ bảy của ma trận A với    99 A.2. Các hệ số trong vector b(q) sử dụng các khối trong Matlab/Simulink để chứa 100 A.3. Hàm Linearization.m: 102 v LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN DANH MỤC CÁC HÌNH  khi h thu khin t  5 ng v   8 -Louis Jacquet-Droz tit l i vit t ng   9     10  thit k t ni ting 10  mt thit b  u khin t u  11  1.7. T c nhn lt v kch c son gi i Czech Karel Capek 11 n t Westinghouse to ra 2 trong s nh  d chuyng c 12  dng cm t   nhng k thu 12   i th gi 13 o ra Walking Truck  Chic xe ti bi 14  thc hin nhng phn nh  chuyn s dm bin chm  cm nhn 15 ng dp 16 nh v 17 - Robot hong tng h 17 c 18  t ni ting ca Canada 18  ng d sng  gian 19 - mt Humanoid c 20 - mt th h robot mi c 20 t 24 i l 26 a Robot bi trong Simulink 40 i Dymamic Model 41 i Ma trn A(q) 41 t th nht trong ma trn A(q) 42 t th hai trong ma trn A(q) 42 t th ba trong ma trn A(q) 43 t th n A(q) 43 t th n A(q) 44 vi LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN t th n A(q) 44 t th by trong ma trn A(q) 45     45 i Ground contact 46 Khi Leg tip position 46 i Leg tip speed 47 1. Khi Calculate forces 48 i Leg tip projection 49 i Vectors 49 i Controls 49  50  51  51 i Force projection 52 i Knee stopper 52 i Knee control (L) 53 1. Khu khin PD 55 2. Khi Create references 56 3 57 4 57 5 58 6. Khu khin PD 58 7. Khi Detect phase 59 8. Khi Select parameters 60 9. Khi Differences 63 0. Khi PD 64 1. Khi PD1   65  u khin b 67    74  74    75  77  78  79 u u khi 80  81 vii LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN  th  82  th  82      83      83  84  84  85  th   86   th   86  th   87  th   87 ph 88   88 ng hot phng 89 viii LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN DANH MỤC CÁC BẢNG Bng 3.1. Bng trng a khi Detect phase 60 Bng 3.2. B c u khin PD 63 [...]... LVCH: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 2  Chƣơng 1: TỔNG QUAN Trình bày tổng quan về đi u khiển tự động, lịch sử hình thành và phát triển cũng như ứng dụng của ngành công nghiệp robot  Chƣơng 2: MÔ HÌNH HÓA ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN Trình bày về mô hình động học, phương trình động học của robot  Chƣơng 3: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PD Trình bày về bộ đi u. .. hiệu và đi u khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường Đi u khiển học chia ra làm nhiều lĩnh vực khác nhau gồm đi u khiển học toán học, đi u khiển học sinh học, đi u khiển học kỹ thuật[18] Đi u khiển học kỹ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý tín hiệu và đi u khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật[18] 1.1.1 Khái niệm đi u khiển -đi u khiển. .. Trình bày về bộ đi u khiển PD sử dụng trong việc đi u khiển robot  Chƣơng 4: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔMEN TÍNH Trình bày về việc xây dựng bộ đi u khiển mômen tính và sử dụng trong việc đi u khiển robot  Chƣơng 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Một số kết quả mô phỏng việc robot di chuyển với các tín hiệu vào-ra  Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Một số kết luận và hướng phát triển... thuật thường sử dụng phương thức đi u khiển theo sai lệch, trong đó tín hiệu đi u khiển là sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần đi u khiển Sơ đồ cấu trúc của hệ đi u khiển tự động theo sai lệch được mô tả trên hình 1.1 LVCH: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 5 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đi u khiển tự động đi n hình Các tín hiệu tác động trong...ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ĐKTĐ: Đi u khiển tự động PD: Proportional Derivative: Tỷ lệ vi phân C: Controller : Thiết bị đi u khiển O: Object: Đối tượng đi u khiển M: Measuring Device: Thiết bị đo lường PLC: Programmable Logic Controller : Bộ đi u khiển logic khả trình MEMS: Micro Electronics Mechanics System: Hệ vi cơ đi n tử LVCH: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 1 LỜI... đi u khiển (Object O), thiết bị đi u khiển (Controller - C) và thiết bị đo lường (Measuring Device - M) Đối tượng đi u khiển là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần được đi u khiển và nhiệm vụ cơ bản của đi u khiển là phải tác động lên đầu vào của đối tượng đi u khiển sao cho đại lượng cần đi u khiển đạt được giá trị mong muốn Thiết bị đi u khiển là tập hợp tất cả các phần... tạo ra giá trị đi u khiển tác động lên đối tượng Giá trị này được gọi là tác động đi u khiển Đại lượng cần đi u khiển còn được gọi là đại lượng ra của hệ thống ĐKTĐ Những tác động từ bên ngoài lên hệ thống được gọi là tác động nhiễu Có ba phương thức đi u khiển là phương thức đi u khiển theo chương trình, phương thức bù nhiễu và phương thức đi u khiển theo sai lệch Trong phương thức đi u khiển theo chương... và hướng phát triển của đề tài LVCH: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐI U KHIỂN TỰ ĐỘNG Trong mọi hoạt động của con người, ở bất cứ lĩnh vực nào, bất cứ vị trí nào đều liên quan đến hai từ đi u khiển Trong khoa học, tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát triển mạnh mẽ, đó là đi u khiển học Đi u khiển học là khoa học nghiên cứu về các... tiếng, được cấp bằng sáng chế cho một thiết bị có khả năng đi u khiển từ xa đầu tiên Thiết bị “viễn thông tự động” là một chiếc thuyền không thủy thủ được đi u khiển từ một khoảng cách mà không cần dung đến dây dẫn LVCH: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 11 Hình 1.6 Nikola Tesla sáng chế một thiết bị có khả năng đi u khiển từ xa đầu tiên + Giai đoạn thế kỷ 20: Từ robot được nhắc... tính mạng Một đi u đáng lưu ý là với một robot thì có thể thay thế cho nhiều công nhân Đi u này làm cho năng suất lao động tăng lên và chi phí nhân công sẽ giảm xuống Một số robot đi n hình: robot cầm nắm vật liệu (vật liệu năng, nguy hiểm, độc, phóng xạ…), robot bốc dỡ hàng hóa, robot hàn, robot sơn… LVCH: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN 16 Hình 1.13 Ứng dụng Robot trong các . trong mô hình 40 CHƢƠNG 3 54 ĐI U KHIỂN ROBOT 54 ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐI U KHIỂN PD 54 3.1. Tổng quan về đi u khiển PD trong robot 54 3.2. Khối đi u khiển PD trong Matlab/Simulink. Trình bày về bộ đi u khiển PD sử dụng trong việc đi u khiển robot.  Chƣơng 4: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔMEN TÍNH Trình bày về việc xây dựng bộ đi u khiển mômen tính. số của thiết bị đi u khiển là 7 LVCH: ĐI U KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN không đổi với đối tượng đi u khiển cụ thể. Đối với những đối tượng đi u khiển mà thông tin