Hoạch định quỹ đạo di chuyển cho robot hai chân dựa trên động học và động lực học

v MC LC LÝ LCH KHOA HC i LI CAM ĐOAN ii TÓM TT iii MC LC v DANH MC CÁC KÍ HIU VÀ CH VIT TT vii DANH MC CÁC HÌNH V VÀ Đ TH x DANH MC CÁC BNG xiv Chng 1 M ĐU 1 1.1. Tổng quan 1 1.2. Lí do chn đ tài 4 1.3. Cu trúc ca đ tài 5 Chng 2 CÁC KHÁI NIM V PHNG THC DI CHUYN CA ROBOT HAI CHÂN 7 2.1. Các khái nim c bn v di chuyn ca ngi: 7 2.2. Các khái nim liên quan tính ổn đnh robot hai chân 12 Chng 3 MÔ HÌNH HÓA ROBOT HAI CHÂN 19 3.1. Gii thiu: 19 3.2. Mô hình động hc: 20 3.3. Mô hình động hc ngc: 26 3.4. Mô hình động lực hc: 29 Chng 4 HOCH ĐNH QU ĐO DI CHUYN VÀ ĐIU KHIN ROBOT HAI CHÂN 35 vi 4.1. Hoch đnh qu đo chân 35 4.1.1. Qu đo bàn chân 37 4.1.2. Qu đo hông 46 4.2. Xây dựng qu đo cân bằng dựa vƠo động hc vƠ động lực hc 49 4.3. Điu khin robot: 53 Chng 5 KT QU VÀ THO LUN 57 5.1. Thit k s bộ kt cu ca robot 57 5.2. Lựa chn động c: 61 5.3. Kt qu mô phỏng 62 5.4. Kt qu thực nghim: 71 Chng 6 KT LUN 79 TÀI LIU THAM KHO 80 vii DANH MC CÁC KÍ HIU VÀ CHỮ VIT TT a i Khong dch chuyn dc trc x i (chiu dài ca khâu th i). α i Góc quay quanh trc x i . d i Khong dch chuyn gc ta độ O i-1 v O’ i i θ góc khp th i. q Véct ta độ suy rộng ca robot. q  Đo hàm bc nht ca q theo thi gian. q  Đo hàm bc 2 ca q theo thi gian. P C   véct v trí ca trng tâm robot. P i C  véct v trí ca trng tâm khâu th i. b i  véct v trí từ khp i ứ 1 ti trng tâm ca khâu th i. g  véct gia tc trng trng. ZMP P  véct v trí ca đim cân bằng moment. d i :khong cách từ đim ZMP đn cnh th i ca vùng ổn đnh. i stab ch s ổn đnh. L hàm Lagrange. Q ngoi lực.  i môment khp th i. viii k i động năng khơu th i. p i th năng khơu th i. m i khi lng ca khâu th i. M x Moment xung quanh trc x. M y Moment quanh trc y. M z Moment quanh trc z. m  tổng khi lng ca robot. x ZMP ta độ theo phng x ca véct ZMP. y ZMP ta độ theo phng y ca véct ZMP. x a (t) di chuyn theo phng x ca cổ chân. z a (t) di chuyn theo phng z ca cổ chân. x h (t) di chuyn theo phng x ca hông. y h (t) di chuyn theo phng y ca hông. z h (t) di chuyn theo phng z ca hông. T c : khong thi gian cho một bc đi ca robot. T d : Khong thi gian ca pha đôi. kT c +T m : thi gian chân robot  v trí cao nht và chân kia chm đt. D s : chiu dài một na bc đi ca robot. l an :Chiu dài từ cổ chân ti bàn chân. l af :Chiu dài từ cổ chân ti mũi bƠn chơn. ix l ab :Chiu dài từ cổ chân ti gót chân. q b : góc ca bàn chân so vi mặt đt khi ri mặt đt. q f : góc ca bàn chân so vi mặt đt khi chm mặt đt. H ao là v trí cao nht ca cổ chơn theo phng z so vi mặt đt. L ao là v trí cao nht ca cổ chơn theo phng x. H hmin : là chiu cao thp nht ca hông  gia giai đon DSP. H hmax : là chiu cao ln nht ca hông  gia giai đon SSP. x sd : khong cách theo phng x từ hông đn cổ chân chân tr khi bt đu pha SSP. x ed : khong cách theo phng x từ hông đn cổ chân chân tr khi kt thúc pha SSP. y t,mid là khong cách theo phng y từ cổ chơn cho đn đim gia hai hông khi thân robot  chính gia hai chân trong pha DSP. y t,min chính là khong cách từ cổ chân chân tr đn đng trc ca thân. CoM trng tâm. CoP tâm áp lực. DoF bc tự do. DSP pha tr đôi. SA din tích tr. SSP pha tr đn. ZMP đim cân bằng moment. DH Denavit-Hartenberg. PID Tl- vi phân ậ tích phân. x DANH MC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ TH Hình 1.1. ASIMO 3 Hình 1.2. Các robot hình ngi KHR-2 và KHR-3/HUBO 3 Hình 1.3. Robot hai chân HUBOT 4 Hình 2.1. S đ bc tự do ca chân robot hai chân 8 Hình 2.2. Chu kì bc đi ca ngi( chân phi là chân tr)[7] 9 Hình 2.3. Sự khác nhau ca giai đon SSP [8] 10 Hình 2.4. Sự khác nhau ca giai đon DSP [15] 10 Hình 2.5. Vùng din tích chân tr 11 Hình 2.6. Sự khác nhau ca SA trong giai đon SSP 11 Hình 2.7. Sự khác nhau ca SA trong giai đon DSP 12 Hình 2.8. Trng tâm  ngi 13 Hình 2.9. Khái nim CoP và ZMP 15 Hình 2.10. Hình chiu bằng, ri v trí ca cm bin i đc cho trong h tham chiu, f i lực đo đc từ cm bin i 16 Hình 2.11. Bc đi tĩnh 17 Hình 2.12. Bc đi động hc 17 Hình 3.1. Mô hình 3D robot hai chân 10 bc tự do 20 Hình 3.2. Mô hình động hc ca robot 20 Hình 3.3. Đnh nghĩa các khp, vect khơu, vect CoM 21 Hình 3.4. Các vect s dng cho tính toán v trí CoM ca các khâu 23 Hình 3.5. S đ b trí các khp ca robot vƠ các vect v trí ca robot so vi h qui chiu 24 Hình 3.6. Mô hình toán động hc ngc 27 xi Hình 3.7. Các bin khp trong mặt phẳng dc 28 Hình 3.8. Các bin khp trong mặt phẳng trc 29 Hình 3.9. Lực vƠ môment tác động lên bƠn chơn. Trong đó x τ , y τ lƠ môment đặt ti j 1 , 1 τ và 2 τ là môment ca khp j 1 , j 2 , Cf x , Cf y là ta độ theo phng x, y ca khi tâm ca bàn chân. 32 Hình 4.1. Quá trình bc đi ca robot hai chân 36 Hình 4.2. Cu trúc ca chân robot 36 Hình 4.3. Các mặt phẳng đc nghiên cu [7] 38 Hình 4.4. Các giai đon c bn ca bàn chân ca chu kì bc 39 Hình 4.5. Các thông s ca mô hình robot 40 Hình 4.6. Các v trí đặc trng quá trình đi bộ ca robot hai chân 41 Hình 4.7. Các v trí đặc trng ca giai đon bt đu quá trình đi bộ ca robot hai chân 44 Hình 4.8. Các v trí đặc trng ca giai đon kt thúc quá trình đi bộ ca robot hai chân 45 Hình 4.9. Qu đo hông trong mặt phẳng trc 48 Hình 4.10. Lu đ xác đnh qu đo ổn đnh nht ca robot[8] 51 Hình 4.11. Vùng ổn đnh vƠ cách xác đnh biên ổn đnh trong pha SSP và DSP 52 Hình 4.12. Qu đo CoP(ZMP) trong pha đn SSP không ổn đnh 52 Hình 4.13. Qu đo CoP(ZMP) trong pha đôi DSP ổn đnh 53 Hình 4.14. Phng pháp điu khin dựa vào qu đo c đnh 54 Hình 4.15. Bộ điu khin ZMP 55 Hình 4.16. Bộ điu khin dựa vào qu đo kt hp vi điu khin ZMP 55 xii Hình 5.1. Kích thc ca robot theo nhân trc hc 57 Hình 5.2. Mô hình mô phỏng 2D và 3D ca robot hai chân 62 Hình 5.3. Góc quay bàn chân 63 Hình 5.4. Qu đo ca robot theo phng x (step=1) 63 Hình 5.5. Qu đo ca robot theo phng y (step=1) 64 Hình 5.6. Qu đo ca robot theo phng z (step=1) 64 Hình 5.7. Qu đo robot trong không gian 3D (step=1) 64 Hình 5.8. Moment khp j 1 và j 2 65 Hình 5.9. Qu đo ca robot theo phng x (step=3) 66 Hình 5.10. Qu đo ca robot theo phng y (step=3) 66 Hình 5.11. Qu đo ca robot theo phng z (step=3) 67 Hình 5.12. Qu đo robot trong không gian 3D (step=3) 67 Hình 5.13. Qu đo góc khp ca chân phi 68 Hình 5.14. Qu đo góc khp ca chân trái 68 Hình 5.15. Qu đo CoP trong pha DSP 69 Hình 5.16. Qu đo CoP trong pha SSP 69 Hình 5.17. Mô phỏng trong không gian 3D 70 Hình 5.18. Mô phỏng trong không gian 2D 71 Hình 5.19. Kt qu thực nghim ca qu đo cổ chân chân lc theo phng x 73 Hình 5.20. Kt qu thực nghim ca qu đo cổ chân chân lc theo phng y 73 Hình 5.21. Kt qu thực nghim ca qu đo cổ chân chân lc theo phng z 74 Hình 5.22. Kt qu thực nghim ca qu đo cổ chân chân tr theo phng x 74 Hình 5.23. Kt qu thực nghim ca qu đo cổ chân chân tr theo phng y 75 Hình 5.24. Kt qu thực nghim ca qu đo cổ chân chân tr theo phng z 75 xiii Hình 5.25. Kt qu thực nghim ca qu đo hông theo phng x 76 Hình 5.26. Kt qu thực nghim ca qu đo hông theo phng y 76 Hình 5.27. Kt qu thực nghim ca qu đo hông theo phng z 77 Hình 5.28. Mô hình thực nghim robot hai chân 77 Hình 5.29. Kt qu mô hình thực nghim một bc đi bộ ca robot 78 xiv DANH MC CÁC BNG Bng 2.1. Bc tự do ca mô hình robot hai chân 8 Bng 3.1. Thông s DH ca robot hai chân 25 Bng 5.1. Các thông s hình hc ca robot s dng trong mô phỏng Matlab 58 Bng 5.2. Các thông s di chuyn ca robot s dng trong mô phỏng Matlab 59 Bng 5.3. Thông s động lực hc ca robot hai chân 60 Bng 5.4. Kt qu thực nghim ca robot hai chân (step=1) 72 [...]... nh qu đ o di chuy n c a các kh p c a hai chân robot dựa vƠo phơn tích động h c vƠ động lực h c đ đ m b o cho robot có th di chuy n ổn đ nh và cân bằng trong quá trình b Đ tƠi nƠy đ c đi c a robot c phát tri n nhằm m c đích lƠ xơy dựng qu đ o di chuy n cho robot hai chân dựa vƠo các phơn tích động h c vƠ động lực h c đ đ m b o cho robot có kh năng di chuy n v i độ ổn đ nh và cân bằng cao nh t Và các qu... hình này bao g m mô hình động h c vƠ động lực h c Mô hình động h c c a robot đ c phát tri n một cách chặt ch bao g m một mô hình đ xác đ nh CoM c a robot Từ mô hình động h c này d n đ n mô hình động lực h c đ c phát tri n Mô hình đ c s d ng cho tính toán v trí cân bằng c n thi t cho vi c thi t k đi u khi n robot Ch ng 4 : Hoạch định quỹ đạo di chuyển và điều khiển robot hai chân Nội dung ch y u c... trên chân ph i và chân trái 15 (2.8) fi là lực tác động lên c m bi n i trên chân ph i và chân trái rir rillà v trí c a c m bi n i trên chân ph i và chân trái Hình 2.10 Hình chi u bằng, ri v trí c a c m bi n i đ chi u, fi lực đo đ c cho trong h tham c từ c m bi n i Quan h gi a CoP và ZMP: khi xu t hi n lực trong b mặt ti p xúc thì CoP và ZMP s trùng nhau [28] N u không trùng nhau thì khi đó áp lực và. .. HÓA ROBOT HAI CHÂN Trong ch ng nƠy một mô hình toán c a robot hai chân d ng ng iđ c phát tri n Mô hình này bao g m mô hình động h c vƠ động lực h c Mô hình động h c c a robot đ c phát tri n một cách chặt ch bao g m một mô hình đ xác đ nh CoM c a robot Và mô hình động lực h c đ hình này đ c xây dựng dựa vƠo mô hình động h c Mô c s d ng cho tính toán v trí đi m cân bằng moment ZMP(CoP) c n thi t cho. .. p t i Mô hình động h c bao g m mô hình động h c thu n vƠ mô hình động h c ng c Mô hình động h c c a robot dùng đ xác đ nh các v trí CoM c a t t c các khơu c a robot Mô hình động h c d n đ n sự phát tri n c a hai mô hình động lực h c c a robot [10] Các ph ng pháp nƠy đ u dựa vƠo các đ nh lu t v t lỦ đ xác đ nh động lực h c cho h th ng Mô hình động lực h c th nh t lƠ Newton-Euler thì dựa trên các đ nh... chuy n t i đa t i c nh c a bàn chân [6] N u ZMP nằm trên c nh bàn chân thì robot s có khuynh h b l t nghĩa lƠ bƠn chơn không còn c đ nh đ ng c trên mặt đ t Các công th c (2.3) và (2.4) và công th c đƣ rút g n (2.5) và (2.6) có th có th dùng đ xác đ nh ZMP Tâm áp lực (CoP): xét robot hai chân có một bàn chân ti p xúc v i mặt đ t thì h p lực các áp lực ( lực vuông góc v i bàn chân) s đi qua một đi m mà moment... dựng qu đ o cân bằng cho robot Lực tác động lên robot có th chia thành hai lo i: th nh t là lực tác động khi có sự ti p xúc và th hai là lực truy n động mà không có sự ti p xúc ( tr ng lực, lực quán tínhầ) CoP thì quan h v i lo i th nh t và ZMP quan h v i lo i th hai Đi m cân bằng moment (ZMP) là một đi m trên mặt đ t mà tổng các moment do tr ng lực và lực quán tính gây ra là bằng không nh Moment nƠy... Các khái niệm về phương thức di chuyển của robot hai chân ng nƠy một s các khái ni m và thu t ng c b n đ lĩnh vực robot hai chơn đ di chuy n c a robot ng c s d ng trong c đ nh nghĩa Đ u tiên một s khái ni m g n li n v i sự iđ c đ nh nghĩa, sau đó lƠ các khái ni m liên quan đ n sự ổn đ nh c a robot Ch ng 3 : ắMô hình hóa robot hai chân ” Trong ch toán c a robot hai chân d ng ng iđ ng nƠy một mô hình... quan sát bên ngoài và c m bi n lực g n trên hai bàn chân và s d ng động c DC vƠ bộ gi m t c Hamonic đ truy n động 2 Hình 1.1 ASIMO N u nh ng i Nh t từ lâu tự hào v Asimo thì KHR là ni m hãnh di n c a Hàn qu c nói riêng và ngành công nghi p robot châu Á nói chung Hubo - robot mang hình dáng con ng i - cao 1,2 m và nặng 55 kg và v i 41 b c tự do có th di n t nhi u c m xúc, mô phỏng c động c a h n 48 c... t cho roobot hai chân bằng ph ng pháp nội suy spline b c ba k t h p v i k t qu phơn tích động h c vƠ động lực h c đi u khi n cho robot cũng đ ch ng 3 Thêm vƠo đó một s ph ng pháp c xây dựng đ đ m b o robot có th di chuy n ổn đ nh Ch ng 5 : ắKết quả và thảo luận” Trong ch ng nƠy s trình bƠy c b n v thi t k c khí, các k t qu mô phỏng và thực nghi m c a mô hình robot hai chân Các k t qu gi a mô phỏng và . xơy dựng qu đo di chuyn cho robot hai chân dựa vƠo các phơn tích động hc vƠ động lực hc đ đm bo cho robot có kh năng di chuyn vi độ ổn đnh và cân bằng cao nht. Và các qu đo này. trin. Mô hình đc s dng cho tính toán v trí cân bằng cn thit cho vic thit k điu khin robot. Chng 4 : Hoạch định quỹ đạo di chuyển và điều khiển robot hai chân . Nội dung ch yu. chuyn ca các khp ca hai chân robot dựa vƠo phơn tích động hc vƠ động lực hc đ đm bo cho robot có th di chuyn ổn đnh và cân bằng trong quá trình bc đi ca robot. Đ tƠi nƠy đc