LUẬN ÁN THẠC SĨ điều khiển robot đi bằng hai chân

Các tín hiệu đặt cho phương pháp điều khiển mômen tính 80 Hình 5.3 Tín hiệu ra của hệ thống khi dùng phương pháp PD 81...  Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

f Sciences, Beijing 100080, P.R.China

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THANH NHIÊN

ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN

C VẬT L V TUY N V ĐI N T HƯ NG K THUẬT

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

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

CHƯƠNG 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 hướng phát triển của robot hiện đại 22

CHƯƠNG 2 23

MÔ HÌNH HÓA ROBOT 23

ĐI BẰNG HAI CHÂN 23

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 Phương trình động học của robot khi hai chân chạm đất 26

2.2.3 Phương 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

CHƯƠNG 3 54

ĐIỀU KHIỂN ROBOT 54

ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƯƠNG 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

CHƯƠNG 4 67

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 67

MÔMEN TÍNH 67

4.1 Tổng quát 67

4.2 Thiết lập phương trình toán học cho phương pháp điều khiển mômen tính 68 4.3 Thiết lập bộ điều khiển mômen tính trên nền Matlab/Simulink 73

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

CHƯƠNG 5 79

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 79

5.1 Phân tích tín hiệu đặt 79

5.1.1 Tín hiệu đặt cho phương pháp điều khiển PD 79

5.1.2 Tín hiệu đặt cho phương pháp điều khiển mômen tính 80

5.2 Kết quả mô phỏng bằng phương pháp điều khiển PD 81

5.3 Kết quả mô phỏng bằng phương pháp điều khiển mômen tính 84

5.4 Chương trình mô phỏng hoạt hình trên Matlab/Simulink 89

CHƯƠNG 6 91

KẾT LUẬN VÀ 91

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91

6.1 Kết luận 91

6.2 Hướng 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

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

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình 5 Hình 1.2 Aristole đưa ra tưởng về các cỗ máy 8 Hình 1.3 Nhà phát minh Pierre và Henri-Louis Jacquet-Droz tiết lộ ra “Người

viết tự động – Automatic Scribe” 9 Hình 1.4 Chiếc máy dệt đầu tiên có khả năng lưu trữ chương trình 10 Hình 1.5 Thomas Edison phát minh máy hát để thiết kế ra búp bê biết nói rất nổi

Hình 1.6 Nikola Tesla sáng chế một thiết bị có khả năng điều khiển từ xa đầu

Hình 1.7 Từ “robot” được nhắc đến lần đầu tiên là trong một vở kịch của nhà

soạn giả người Czech Karel Capek 11 Hình 1.8 Tập đoàn điện tử Westinghouse tạo ra 2 trong số những robot đầu tiên

có sử dụng động cơ điện cho toàn bộ chuyển động của cơ thể 12 Hình 1.9 Isaac Asimov lần đầu tiên sử dụng cụm từ “robotics” để mô tả những

Hình 1.10 Shakey là robot tự hành đầu tiên có thể “nghĩ” và “đáp ứng” với thế

Hình 1.11 H ng General Electric đ tạo ra Walking Truck – Chiếc xe tải biết đi 14 Hình 1.12 Cánh tay robot Silver Arm – thực hiện những phần nhỏ trong dây

chuyền sử dụng các cảm biến chạm – cảm nhận 15 Hình 1.13 Ứng dụng Robot trong các ngành công nghiệp 16 Hình 1.14 Robot d mìn trong lĩnh vực quân sự 17 Hình 1.15 Pioneer- Robot hoạt động tại nhà máy năng lượng hạt nhân 17

Hình 2.6 Cột thứ nhất trong ma trận A(q) 42 Hình 2.7 Cột thứ hai trong ma trận A(q) 42 Hình 2.8 Cột thứ ba trong ma trận A(q) 43 Hình 2.9 Cột thứ tư trong ma trận A(q) 43 Hình 2.10 Cột thứ năm trong ma trận A(q) 44

Hình 2.11 Cột thứ sáu trong ma trận A(q) 44 Hình 2.12 Cột thứ bảy trong ma trận A(q) 45 Hình 2.13 Vector ( ̇ ) 45

Hình 2.15 Khối Leg tip position 46

Hình 2.1 Khối Calculate forces 48 Hình 2.18 Khối Leg tip projection 49

Hình 2.26 Khối Knee control (L) 53

Hình 3.2 Khối Create references 56

Hình 3.5 Khối Step length error 58

Hình 3.8 Khối Select parameters 60

Hình 3.11 Khối PD1 – Tính DeltaBeta 65 Hình 4.1 Sơ đồ chương trình điều khiển bằng phương pháp mômen tính 67 Hình 4.2 Chương trình kiểm tra hai giá trị và 74 Hình 4.3 Đáp ứng của tín hiệu ngõ ra và ngõ vào 74 Hình 4.4 Mô hình chương trình mô phỏng dáng đi của robot bằng phương pháp

Hình 4.5 Khối điều khiển mômen tính (computed torque) 77 Hình 4.6 Khối controller dùng để tính toán mômen 78 Hình 5.1 Các tín hiệu đặt cho phương pháp điều khiển PD 79

Hình 5.2 Các tín hiệu đặt cho phương pháp điều khiển mômen tính 80 Hình 5.3 Tín hiệu ra của hệ thống khi dùng phương pháp PD

81

Hình 5.4 So sánh tín hiệu góc thực và tham chiếu theo phương pháp PD 82

Hình 5.5 So sánh tín hiệu góc thực và tham chiếu theo phương pháp PD 82

Hình 5.6 So sánh tín hiệu góc thực và tham chiếu theo phương pháp PD 83

Hình 5.7 So sánh tín hiệu góc thực và tham chiếu theo phương pháp PD 83 Hình 5.8 Mô phỏng robot bước đi trong 2 giây 84 Hình 5.9 Mômen quay tác động lên các động cơ của robot theo phương pháp PD 84 Hình 5.10 Tín hiệu ra của hệ thống khi dùng phương pháp mômen tính 85 Hình 5.11 So sánh tín hiệu góc thực và tham chiếu theo phương pháp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Bảng trạng thái ngõ ra của khối Detect phase 60 Bảng 3.2 Bảng giá trị của các bộ điều khiển PD 63

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐKTĐ: Điều khiển tự động

PD: Proportional Derivative: Tỷ lệ vi phân

C: Controller : Thiết bị điều khiển

O: Object: Đối tượng điều khiển

M: Measuring Device: Thiết bị đo lường

PLC: Programmable Logic Controller : Bộ điều khiển logic khả trình

MEMS: Micro Electronics Mechanics System: Hệ vi cơ điện tử

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics Trong Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử” Thuật ngữ “cơ - điện tử” (mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy và điều khiển điện tử Đồng thời sự phát triển của mechatronics cũng được phản ánh trong khoa học công nghệ robot

Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trình được” (programable) Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tính hoặc các thiết bị khác

có chức năng tương tự Máy tính có vai trò như bộ não của robot

Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bước trưởng thành đáng

kể cho robot trong từng giai đoạn phát triển và đang mở ra những triển vọng trở thành những robot thông minh nhờ khả năng xử lý rất nhanh của bộ điều khiển dùng máy tính Tuy nhiên khả năng hiện thực của robot này không chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các “cơ cấu cảm nhận” và khả năng phản ứng kịp thời của

cơ cấu “chân tay” chấp hành

Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm, những công việc mà tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng của con người Robot có hình dáng như con người (humanoid) hoặc có thể bước đi trên hai chân như con người (biped robot)

là một trong những hướng nghiên cứu mạnh của ngành công nghiệp robot

Xuất phát từ điểm đó, đề tài này chọn nghiên cứu về đối tượng robot có thể đi trên hai chân giống như người và xây dựng một bộ điều khiển để điều khiển cho robot bước

đi Việc mô phỏng di chuyển của robot được thực hiện trên máy tính, sử dụng phần mềm Matlab Nội dung của đề tài gồm các chương sau:

 Chương 1: TỔNG QUAN

Trình bày tổng quan về điều khiển tự động, lịch sử hình thành và phát triển cũng như ứng dụng của ngành công nghiệp robot

 Chương 2: MÔ HÌNH HÓA ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN

Trình bày về mô hình động học, phương trình động học của robot

 Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PD

Trình bày về bộ điều khiển PD sử dụng trong việc điều khiển robot

 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔMEN TÍNH

Trình bày về việc xây dựng bộ điều khiển mômen tính và sử dụng trong việc điều khiển robot

 Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Một số kết quả mô phỏng việc robot di chuyển với các tín hiệu vào-ra

 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Một số kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU 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 điều khiển Trong khoa học, tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát triển mạnh mẽ, đó là điều khiển học Điều khiển học là khoa học nghiên cứu về các quá trình thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường Điều khiển học chia ra làm nhiều lĩnh vực khác nhau gồm điều khiển học toán học, điều khiển học sinh học, điều khiển học kỹ thuật[18]

Điều khiển học kỹ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý tín hiệu

và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật[18]

1.1.1 Khái niệm điều khiển-điều khiển tự động

Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động (ĐKTĐ)[18]

Và để hiểu rõ hơn về điều khiển, ta xét ví dụ sau: Giả sử chúng ta đang lái xe trên đường, chúng ta muốn xe chạy với tốc độ cố định 45km/h Để đạt được điều này mắt chúng ta phải quan sát đồng hồ đo tốc độ để biết được tốc độ của xe đang chạy Nếu tốc

độ xe dưới 45km/h thì ta tăng ga, nếu tốc độ xe trên 45km/h thì ta giảm ga Kết quả của quá trình trên là xe sẽ chạy với tốc độ “gần” bằng tốc độ mong muốn Quá trình lái xe như vậy chính là quá trình điều khiển Trong quá trình điều khiển chúng ta cần thu thập thông tin về đối tượng cần điều khiển (quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin

về tốc độ xe), tùy theo thông tin thu thập được và mục đích điều khiển mà chúng ta có

cách xử lý thích hợp (quyết định tăng hay giảm ga), cuối cùng ta phải tác động vào đối tượng (tác động vào tay ga) để hoạt động của đối tượng theo đúng yêu cầu mong muốn

1.1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình

Một hệ thống ĐKTĐ gồm ba thành phần cơ bản là đối tượng điều khiển (Object - O), thiết bị điều khiển (Controller - C) và thiết bị đo lường (Measuring Device - M) Đối tượng điều khiển là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần được điều khiển và nhiệm vụ cơ bản của điều khiển là phải tác động lên đầu vào của đối tượng điều khiển sao cho đại lượng cần điều khiển đạt được giá trị mong muốn Thiết bị điều khiển là tập hợp tất cả các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều khiển tác động lên đối tượng Giá trị này được gọi là tác động điều khiển Đại lượng cần điều 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 điều khiển là phương thức điều khiển theo chương trình, phương thức bù nhiễu và phương thức điều khiển theo sai lệch Trong phương thức điều khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển được phát ra do một chương trình định sẵn trong thiết bị điều khiển Với phương thức bù nhiễu, tín hiệu điều khiển được hình thành khi xuất hiện nhiễu loạn tác động lên hệ thống, tín hiệu điều khiển phát ra nhằm bù lại sự tác động của nhiễu loạn để giữ cho giá trị ra của đại lượng cần điều khiển không đổi Vì vậy hệ bù nhiễu còn được gọi là hệ bất biến

Trong kỹ thuật thường sử dụng phương thức điều khiển theo sai lệch, trong đó tín hiệu điều khiển là sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần điều khiển Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động theo sai lệch được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình

Các tín hiệu tác động trong hệ thống:

u : tín hiệu vào (input)

y : tín hiệu ra (output)

x : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)

e : sai lệch điều khiển

f : tín hiệu phản hồi

Hệ thống ĐKTĐ luôn tồn tại một trong hai trạng thái là trạng thái xác lập (trạng thái tĩnh) và trạng thái quá độ (trạng thái động) Trạng thái xác lập là trạng thái mà tất cả các đại lượng của hệ thống đều đạt được giá trị không đổi Trạng thái quá độ là trạng thái kể

từ thời điểm có tác động nhiễu cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái xác lập mới Lý thuyết điều khiển tự động tập trung mô tả và phân tích trạng thái quá độ của hệ thống Trạng thái xác lập đánh giá độ chính xác của quá trình điều khiển Nếu ở trạng thái xác lập vẫn còn tồn tại sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu đo, giá trị này được gọi là sai lệch dư (hay sai lệch tĩnh), ký hiệu là ∂ , hệ thống được gọi là hệ thống có sai lệch dư Nếu ∂ = 0 thì gọi là hệ thống không có sai lệch dư

Trở lại ví dụ lái xe đã trình bày ở trên ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc xe, thiết bị đo lường là đồng hồ đo tốc độ và đôi mắt của người lái xe, bộ điều khiển là bộ

não của người lái xe, cơ cấu chấp hành là tay người lái xe Tín hiệu vào u(t) là tốc độ xe mong muốn (40km/h), tín hiệu ra y(t) là tốc độ hiện tại của xe, tín hiệu hồi tiếp f(t) là vị

trí kim trên đồng hồ đo tốc độ, sai số e(t) là sai lệch giữ tốc độ mong muốn và tốc độ hiện tại, tín hiệu điều khiển x(t) là góc quay của tay ga

1.1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động

Có rất nhiều cách phân loại hệ thống ĐKTĐ Mục đích của phần này không phải nhằm đi sâu các cách phân loại hệ thống mà đi sâu một cách phân loại để thấy được vị trí, giới hạn của phần lý thuyết đang nghiên cứu Với mục đích đó, hệ thống ĐKTĐ được phân làm hai loại chính, phụ thuộc vào tính chất của các phần tử trong hệ thống là hệ thống tuyến tính và hệ thống phi tuyến Hệ tuyến tính là hệ thống mà tất cả các phần tử của nó đều là tuyến tính Hệ phi tuyến là hệ thống mà chỉ cần một trong các phần tử của

nó là phi tuyến

Nội dung cơ bản nhất của lý thuyết điều khiển tự động là đi sâu nghiên cứu hệ tuyến tính Đặc trưng cơ bản nhất của các phần tử tuyến tính là nguyên lý xếp chồng, nghĩa là khi có một tổ hợp tín hiệu tác động ở đầu vào của phần tử thì tín hiệu ra sẽ bằng tổ hợp tương ứng của các tín hiệu ra thành phần Hệ thống phi tuyến không có tính chất này Dựa vào tính chất truyền tín hiệu mà hệ thống tuyến tính lại được phân ra làm hai loại là hệ thống liên tục tuyến tính và hệ thống rời rạc tuyến tính Các khái niệm liên tục

và rời rạc ở đây được hiểu theo biến thời gian Hệ thống liên tục tuyến tính nếu tất cả các tín hiệu xuất hiện trong hệ thống đều là tín hiệu liên tục theo thời gian Hệ thống rời rạc tuyến tính nếu chỉ cần một tín hiệu xuất hiện trong hệ thống tín hiệu rời rạc theo thời gian

Dựa vào lượng thông tin thu thập được ban đầu về đối tượng điều khiển và tính chất của nó mà ta phải xây dựng được hệ thống thiết bị điều khiển thích hợp, đảm bảo được chất lượng của điều khiển Do đó, hệ thống liên tục tuyến tính được phân ra làm hai loại

là hệ điều khiển thông thường và hệ điều khiển tự thích nghi

Hệ thống tuyến tính được xây dựng cho những đối tượng mà các thông tin ban đầu

về chúng khá đầy đủ Trong hệ thống này, cấu trúc và tham số của thiết bị điều khiển là

không đổi với đối tượng điều khiển cụ thể Đối với những đối tượng điều khiển mà thông tin ban đầu không đầy đủ hay quá trình công nghệ có yêu cầu đặc biệt thì hệ thống tuyến tính không đáp ứng được thì phải xây dựng hệ thống thích nghi Đối với hệ thống thích nghi, ngoài cấu trúc thông thường, trong thiết bị điều khiển còn có một số thiết bị đặc biệt khác thực hiện chức năng riêng của nó nhằm đảm bảo chất lượng của quá trình điều khiển

Hệ thống ĐKTĐ còn được phân ra làm hai loại là hệ thống hở và hệ thống kín Đối với hệ thống hở, tín hiệu của đại lượng cần điều chỉnh không được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điều khiển Hệ thống kín sử dụng phương pháp điều khiển theo sai lệch Tín hiệu đo được của đại lượng cần điều khiển được đưa phản hồi trở lại đầu vào hệ thống và được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điều khiển

Việc phân loại các hệ thống ĐKTĐ trên đây chỉ là một cách Tuy nhiên, giữa các loại hệ thống này có liên quan mật thiết với nhau, ví dụ như trong hệ tuyến tính có hệ liên tục và hệ rời rạc…

1.2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.2.1 Định nghĩa

Có rất nhiều định nghĩa dành cho cụm từ “robot” Theo Viện Robot của Mỹ năm 1979 thì “Robot là một cánh tay có thể tái lập trình, nhiều chức năng, được thiết kế để di chuyển vật liệu, những phần khác, các công cụ hoặc những thiết bị đặc biệt bằng những chuyển động khác nhau đã được lập trình trước nhằm thực hiện nhiều nhiệm vụ công việc khác nhau” (Robot Institute of American 1979)[2] Còn theo từ điển của Webster (Webster‟s Dictionary) thì Robot là:

+ Sự bắt buộc bằng trí thông minh

+ Nơi mà trí tuệ nhân tạo gặp thế giới thực

+ Một thiết bị tự động thao tác những chức năng giống như của con người hoặc là một cỗ máy trong hình dạng của con người

1.2.2 Lịch sử phát triển [2]

1.2.2.1 Những giai đoạn đầu

+ Giai đoạn thần thoại ban đầu: Ý niệm về việc làm sao cho các cỗ máy làm việc cho con người các công việc thường ngày là một ý tưởng được đưa ra bởi Aristole (384 – 322 BC)

Hình 1.2 Aristole đưa ra tưởng về các cỗ máy

+ Giai đoạn từ thế kỷ 13-15: Các nhà phát minh làm việc cật lực để phát triển một người máy thực sự có khả năng bắt chước những động tác của con người Thế hệ robot đầu tiên là những chiếc đồng hồ được điều chỉnh nhờ các bộ phận tự động chuyển động Một ví dụ đặc trưng đó chính là con gà trống được dựng trên nóc nhà thờ tại Strasbourg vào năm 1350 Con gà này được thiết kế để

có thể tự động đập cánh và gáy vào buổi trưa mỗi ngày

+ Giai đoạn thế kỷ 18: Vào năm 1774, nhà phát minh Pierre và Henri-Louis Jacquet-Droz tiết lộ ra “Người viết tự động – Automatic Scribe” Đây là hình mẫu một chú bé có thể vẽ và viết bất kỳ đoạn thông điệp nào với chiều dài lên đến 40

ký tự Một robot phụ nữ có thể chơi piano là một trong những phát minh lớn khác của họ

Hình 1.3 Nhà phát minh Pierre và Henri-Louis Jacquet-Droz tiết lộ ra

“Người viết tự động – Automatic Scribe”

+ Giai đoạn thế kỷ 19: Không giống như những loại người máy đồ chơi của thế kỷ 18, những robot trong thế kỷ 19 được thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu phát triền của xã hội công nghiệp thời đó Một ví dụ đáng lưu ý đó chính là máy dệt – Textile Machine Hoạt động nhờ những tấm bìa đục lỗ, chiếc máy có thể lập trình này có khả năng tạo ra một khối lượng sản xuất và là một trong những chiếc máy đầu tiên có khả năng lưu trữ chương trình đã được thiết kế để điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động

Hình 1.4 Chiếc máy dệt đầu tiên có khả năng lưu trữ chương trình

+Năm 1890 Thomas Edison sử dụng một phiên bản hoàn thiện nhất của ông về phát minh máy hát để thiết kế ra búp bê biết nói rất nổi tiếng

Hình 1.5 Thomas Edison thiết kế ra búp bê biết nói rất nổi tiếng

+Năm 1898, Nikola Tesla, một nhà phát minh nổi tiếng, được cấp bằng sáng chế cho một thiết bị có khả năng điều khiển từ xa đầu tiên Thiết bị “viễn thông tự động” là một chiếc thuyền không thủy thủ được điều khiển từ một khoảng cách mà không cần dung đến dây dẫn

Hình 1.6 Nikola Tesla sáng chế một thiết bị có khả năng điều khiển từ xa đầu tiên

+ Giai đoạn thế kỷ 20: Từ “robot” được nhắc đến lần đầu tiên là trong một

vở kịch của nhà soạn giả người Czech Karel Capek (1890 – 1939) Từ “robot” có nguồn gốc từ tiếng Czech “robota” có nghĩa là “người bị áp bức bóc lột” Trong

vở kịch, một “robot” Czech được mô tả như là một người công nhân bị cưỡng bức lao động Sau vở kịch này, những cỗ máy tự động bằng cơ điện được xem như là các robot

Hình 1.7 Từ “robot” được nhắc đến lần đầu tiên là trong một vở kịch của

nhà soạn giả người Czech Karel Capek

+Năm 1940: Tập đoàn điện tử Westinghouse tạo ra 2 trong số những robot đầu tiên có sử dụng động cơ điện cho toàn bộ chuyển động của cơ thể Elektra – tên của robot – có thể khiêu vũ, đếm đến 10 và hút thuốc lá, và con chó đi cùng, Sparko – cũng là một robot – có thể đi, ngồi trên hai chân sau và có thể sủa

Hình 1.9 Isaac Asimov lần đầu tiên sử dụng cụm từ “robotics” để mô tả

những kỹ thuật trong các robot

+Tiến sĩ W Grey Walter, một trong những người đi tiên phong vĩ đại trong lĩnh vực robotics Ông phát triển những robot có hình dạng như con rùa tự động di chuyển – Elsie và Elmer – được thiết kế với động cơ bánh lăn được điều khiển bởi một mạch điện đơn giản và hai ống chân không

+Năm 1951: Raymond Goerzt thiết kế bộ “hoạt động viễn thông” đầu tiên – một thiết bị cho phép những hành động được thực hiện tại một khoảng cách nhất định Thiết bị của Goerzt là một cánh tay có khớp nối, dung để cầm những vật liệu phóng xạ

+Năm 1962: Hãng General Motors cài đặt robot công nghiệp lần đầu tiên trên một băng chuyền sản xuất Đó là một robot có tên là Unimate và được sử dụng trong một xí nghiệpp xe hơi của hang General Motors tại Trenton, bang New Jersey Robot này sẽ nâng những khối kim loại nóng từ một máy đổ khuôn và xếp chúng vào chồng

+Năm 1968: SRI International – được biết đến với tên Viện nghiên cứu Standford – xây dựng và thử nghiệm robot tự hành đầu tiên với khả năng quan sát Shakey – tên của robot – được trang bị với một camera truyền hình, một bộ tìm kiếm dãy rộng và các cảm biến Shakey là robot tự hành đầu tiên có thể “nghĩ” và

“đáp ứng” với thế giới xung quanh nó

Hình 1.10 Shakey là robot tự hành đầu tiên có thể “nghĩ” và “đáp ứng” với

thế giới xung quanh nó

+Năm 1968: Hãng General Electric đã tạo ra Walking Truck – Chiếc xe tải biết đi Đây là một chiếc xe đi được được điều khiển bằng tay

Hình 1.11 H ng General Electric đ tạo ra Walking Truck – Chiếc xe tải biết đi

+Năm 1969: Đại học Stanford phát triển một cánh tay robot bằng điện được điều khiển bằng máy vi tính Điều này trở thành một chuẩn cho những dự án nghiên cứu sau đó

+Năm 1974: Giáo sư Sheinman – ông là một niềm tự hào của Stanford Arm – đã tạo dựng nên công ty Vicarm để đưa ra thị trường những phiên bản của cánh tay robot được điều khiển bởi máy vi tính cho những ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp Cánh tay robot này – được biết đến với tên Silver Arm – thực hiện những phần nhỏ trong dây chuyền sử dụng các cảm biến chạm – cảm nhận

Hình 1.12 Cánh tay robot Silver Arm – thực hiện những phần nhỏ trong dây

chuyền sử dụng các cảm biến chạm – cảm nhận

1.2.2.2 Thời điểm hiện tại

Có thể nói, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã hỗ trợ và góp phần rất nhiều cho sự phát triển và ứng dụng robot trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Đặc trưng nhất đó chính là trong các lĩnh vực then chốt như: công nghiệp, quân sự, nghiên cứu và lĩnh vực không gian

Trong lĩnh vực công nghiệp, robot đóng một vai trò rất quan trọng: thay thế nhân lực con người trong những khâu sản xuất mà có thể sức người không thể làm được hoặc gây nguy hiểm đến sức khỏe, tính mạng Một điều đáng lưu ý là với một robot thì có thể thay thế cho nhiều công nhân Điều này làm cho năng suất lao động tăng lên và chi phí nhân công sẽ giảm xuống Một số robot điển hình: robot cầm nắm vật liệu (vật liệu năng, nguy hiểm, độc, phóng xạ…), robot bốc dỡ hàng hóa, robot hàn, robot sơn…

Hình 1.13 Ứng dụng Robot trong các ngành công nghiệp

Trong lĩnh vực quân sự: robot được ứng dụng trong việc dò tìm bom, robot ứng dụng trong những thí nghiệm quân sự: hạt nhân, phóng xạ, gián điệp… Dưới đây là một mô hình robot dò tìm bom, mìn Nhiệm vụ của robot này là tìm kiếm, định vị và

gỡ bỏ những thiết bị có khả năng nổ - một công việc quá nguy hiểm cho con người

Hình 1.14 Robot d mìn trong lĩnh vực quân sự

Một trong những ưu điểm chính của robot chính là khả năng hoạt động của chúng trong những môi trường có khả năng gây nguy hiểm đến cho con người Các nhà khoa học Mỹ đã phát triển một robot có tên là Pioneer – hoạt động tại nhà máy năng lượng hạt nhân Chernobyl Robot này được thiết kế để có thể chịu đựng được một lượng lớn chất phóng xã và có khả năng làm sạch những mảng vôi gạch đổ nát

Hình 1.15 Pioneer- Robot hoạt động tại nhà máy năng lƣợng hạt nhân

Trong lĩnh vực nghiên cứu: Có thể nói là việc ứng dụng robot trong lĩnh vực nghiên cứu là một trong những ứng dụng rộng rãi nhất của robot Chính từ những nghiên cứu này làm nền tảng giúp cho con người phát triển khoa học, kỹ thuật

Trong nghiên cứu sinh học: một robot sinh học có thể di chuyển tự động dưới nước, có hình dạng như một con tôm hùm có chiếc đèn chiếu sáng trên đầu như của

cá mút đá

Hình 1.16 Robot sinh học

Trong nghiên cứu không gian: Canadarm – cánh tay robot rất nổi tiếng của Canada, một thành tựu khoa học kỹ thuật, đã được đưa vào thực hiện nhiệm vụ không gian vào ngày 13 – 11 – 1981 tại cơ quan không gian NASA

Hình 1.17 Canadarm – cánh tay robot rất nổi tiếng của Canada

Robot tự hành còn được sử dụng trong việc tìm kiếm sự sống tại các hành tinh xung quanh Trái Đất và trong hệ mặt trời

Hình 1.18 Robot tự hành ứng dụng trong lĩnh vực d tìm sự sống ngoài không gian

Một lĩnh vực robot cũng rất phát triển đó chính là humanoid (robot có hình dạng như con người): Năm 1997, hãng Honda sản xuất một robot giống con người hơn những robot khác Mục tiêu của Honda là tạo ra một robot có 2 chân với khả năng có thể di chuyển trong những môi trường hằng ngày P3- tên robot – có thể đi vòng quanh, trèo lên cầu thang, mang đồ vật, nâng đồ vật lên và đẩy chúng đi Robot P3 được trang bị một “đôi mắt” camera để giúp nó định vị chính xác trong môi trường và

có thể giữ cân bằng khi đi hoặc thậm chí là trèo lên cầu thang

Hình 1.19 P3 - một Humanoid của h ng Honda

Những kỹ thuật được sử dụng trong P3 đã được tích hợp vào robot nhảy múa của Honda –ASIMO, mô hình mới nhất Khả năng di chuyển của ASIMO đã được nâng lên và bộ điều khiển mới giúp cho nó dễ dàng hoạt động hơn

Hình 1.20 Asimo - một thế hệ robot mới của h ng Honda

1.2.3 Các thế hệ robot

Kể từ khi khái niệm robot ra đời, việc thiết kế và chế tạo robot đã trải qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau Có 5 thế hệ robot ra đời kể từ năm 1960

 Thế hệ thứ nhất: Bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi Chương trình điều khiển có hai dạng:

- Chương trình “cứng”, nghĩa là không thay đổi hoặc không sửa được trừ khi thay đổi phần cứng

- Chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển hoặc thông qua máy tính Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng hở (open-loop nonservo controlled system ) Đây là hệ thống không

sử dụng thông tin phản hồi từ môi trường về để điều khiển robot

độ điều khiển này còn được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp Đây gọi là cơ cấu điều khiển servo vòng kín (closed-loop servo controller system)

 Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được sử dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt

 Thế hệ thứ tư: Khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng, thế hệ robot này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như Basic, C, C++ , để tạo ra nhiều ứng dụng CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến

 Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân

tạo) để xử lý, ra những quyết định hợp lý Ngoài ra robot được trang bị mạng Neuron giúp nó có khả năng tự học, tự xây dựng kiến thức

1.2.4 Những xu hướng phát triển của robot hiện đại

Các robot hiện đại sẽ có xu hướng tăng trong tương lai giúp con người có thể tạo ra các sản phẩm mới, bảo vệ cơ sở hạ tầng của thế giới, chăm sóc nhà cửa, mua bán Một xu hướng quan trọng trong nghiên cứu và phát triển robot là phát triển các

hệ thống máy vi cơ điện tử (MEMS) có kích thước nhỏ từ vài cm tới mm thậm chí nhỏ hơn µm Các robot rất nhỏ này có thể di chuyển vào trong mạch máu để phân phối thuốc hoặc làm vệ sinh mạch máu; chúng có thể di chuyển trong một máy tính lớn để chuẩn đoán các vấn đề xảy ra với máy tính

Một xu hướng phát triển hiện nay là việc nghiên cứu phát triển trí tuệ nhân tạo, mạng neuron vào trong robot nhằm tạo ra các robot thông minh, có khả năng thích nghi với môi trường xung quanh như con người

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA ROBOT

ĐI BẰNG HAI CHÂN

2.1 Giới thiệu

Robot tự hành đã được nghiên cứu và phát triển từ vài thập kỷ qua bởi vì chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau: điều khiển tự động, y học, nghiên cứu địa hình ngoài không gian…[8][9][15][16]

Những robot này được thiết kế với những bánh lăn, xoay hoặc

có nhiều chân[9] Một robot đi hai chân (biped robot)[9][12][15][16] có những đặc tính chuyển động giống như của con người, đặc biệt là khi di chuyển trên những địa hình gồ ghề, bước lên cầu thang hoặc trong những môi trường có vật cản Bởi vì những robot đi hai chân này

có dáng đi tương tự như con người nên chúng có thể thay thế con người trong môi trường nguy hiểm như trong những kế hoạch năng lượng hạt nhân, những môi trường ô nhiễm hoặc dưới đáy đại dương mà không làm thay đổi những môi trường làm việc đang tồn tại[10] Những thử nghiệm đầu tiên về robot đi hai chân cho thấy rằng chúng có thể di chuyển trong trạng thái cân bằng tĩnh[9] Việc di chuyển với trạng thái này có thể đạt được bằng cách giải những phương trình chuyển động học đơn giản nhưng phương pháp tĩnh có kết quả với những ràng buộc không mong muốn trên cả cấu trúc của robot và hiệu quả của việc di chuyển[11] Mặt khác, những vấn đề điều khiển cho việc di chuyển động học phức tạp hơn rất nhiều so với cân bằng tĩnh, nhưng việc di chuyển động học cho vận tốc di chuyển cao hơn

và hiệu quả sẽ lớn hơn với những cấu trúc di chuyển linh hoạt hơn Chính vì thế, việc tìm hiểu và xây dựng một mô hình robot[3][9] và một phương pháp điều khiển thích hợp[1][4] là điều cần thiết

2.2 Mô hình robot đi hai chân có 5 liên kết

Để có được một sự di chuyển ổn định cho robot đi hai chân, điều cần thiết là phải có được một mô hình động lực toán học, sau đó mô phỏng và đánh giá hiệu suất của hệ thống Trong trường hợp này, phương trình Lagrange[6] được sử dụng để tìm mô hình toán học cho

hệ thống robot đi hai chân[13] Mô hình chuyển động học của robot cũng sẽ được trình bày

2.2.1 Mô tả cấu hình của robot

Mô hình của robot đi bằng hai chân được xây dựng để xác định các phương trình động học của robot Mô hình robot nghiên cứu có 5 liên kết[13]

(link) Các liên kết này được nối với nhau bởi những khớp nối Hai chân robot giống nhau có các khớp nối giữa ống chân và phần đùi (hình 2.1) Các biến sử dụng để mô tả robot như sau:

Hình 2.1 Mô hình của robot 5 liên kết

( ): tọa độ của trọng tâm của phần thân

: khối lượng của phần thân

: khối lượng của đùi

: khối lượng của ống chân

: chiều dài của phần thân

: chiều dài của đùi

: chiều dài của ống chân

: khoảng cách từ trọng tâm của phần thân đến khớp nối hông

: khoảng cách từ trọng tâm của đùi đến khớp nối hông

: khoảng cách từ trọng tâm của ống chân đến khớp nối đầu gối

: góc giữa phần thân và trục thẳng đứng

: góc giữa đùi trái và đùi phải với phần thân

: góc giữa ống chân trái và ống chân phải với đùi trái và đùi phải

Vì robot có thể di chuyển tự do trong mặt phẳng và có 5 liên kết nên số bậc tự

do là 7 Tương ứng ta sẽ có 7 tọa độ như sau :

[ ]Robot hoạt động được nhờ 4 mômen sau :

[ ]Trong đó, là mômen quay tại hai khớp nối phần thân với hai đùi,

là mômen quay tại hai khớp nối hai ống chân với hai đùi

Khi di chuyển trên bề mặt, robot chịu tác động bởi các ngoại lực sau :

[ ]Các ngoại lực này tác động lên đầu các ngón chân của hai chân Khi một chân chạm mặt đất, các lực tác động tương ứng lên chân trụ này được bật lên Khi một chân nâng lên, các lực tác động lên chân nhấc này bằng 0 Hình 2.2 bên dưới mô tả sự tác động của các mômen lực và của ngoại lực lên hệ robot

Hình 2.2 Mômen và ngoại lực tác động lên robot

2.2.2 Phương trình động học của robot khi hai chân chạm đất

Dựa vào các thông số trong phần mô tả, ta sẽ tìm phương trình động học của robot nhờ cơ hệ Lagrange

Các tọa độ được tổng quát hóa như sau :

[ ] (2.1) Các lực tương ứng với tọa độ :

[ ] (2.2) Gọi ( ) và ( ) lần lượt là tọa độ trọng tâm đùi trái và đùi phải, ( ) và ( ) lần lượt là tọa độ của trọng tâm của ống chân trái và ống chân phải, ( ) và ( ) lần lượt là tọa độ của đầu chân trái và phải

Từ hình 2.1, đối với chân trái ta có:

Đối với chân phải ta có:

Động năng quay của hệ :

* ̇ (( ̇ ̇ ) ( ̇ ̇ ) )

(2.6) (( ̇ ̇ ̇ ) ( ̇ ̇ ̇ ) )+

Với , và lần lượt là mômen quán tính của thân, đùi và chân

( ) (

(

)

(

)

Ma trận quán tính ( ) là một ma trận kích cỡ 7x7:

[

]Các phần tử ma trận ( ) được cho như sau :

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )