Xây dựng mô hình dao động hoàn chỉnh cho robot 6 chân dạng RHex có cột sống đàn hồi.

MỤC LỤCCHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT RHEX V2121.1 Tổng quan về robot phỏng sinh121.2 Lịch sử phát triển của robot RHex141.2.1 RHex Platform141.2.2 Shelly RHex151.2.3 RuggedRHex151.2.4 AQUA161.2.5 XRHex171.2.6 XRL171.2.7 Edu robot181.2.8 xJus robot191.2.9 Kết luận191.3 Tóm tắt nội dung đề tài201.3.1 Lí do chọn đề tài201.3.2 Mục tiêu đề tài211.3.3 Nội dung nghiên cứu211.3.4 Phương pháp nghiên cứu221.3.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn22CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CHO CÁC THÂN CỦA ROBOT RHEX V2242.1 Mô hình hóa toán học dao động cho các thân của robot RHex V2242.2 Xây dựng phương trình vi phân dao động262.2.1 Mô hình hóa cột sống262.2.2 Mô hình hóa chân robot RHex V2272.2.3 Xây dựng phương trình vi phân dao động cho Robot Rhex V2302.3 Giải phương trình vi phân dao động372.4 Mô phỏng hệ dao động của robot bằng matlab432.4.1 Các giả thiết432.4.2 Kết quả của quá trình mô phỏng bằng matlab53CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠOROBOT RHEX V2633.1 Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí643.1.1 Thiết kế và chế tạo bộ truyền động chân653.1.2 Thiết kế và chế tạo cụm thân robot693.1.3 Thiết kế và chế tạo các chi tiết khác763.2 Xây dựng hệ thống điều khiển cho robot RHex V2773.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển783.2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ793.2.3 Xây dựng bộ thu phát sóng RF863.2.4 Thiết kế bộ quan sát92CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ944.1 Đo dao động của robot944.1.1 Thiết kế bộ đo dao động944.1.2 Xử lý kết quả đo dao động trên máy tính984.1.3 Kết quả đo dao động trên các thân của robot RHex V21004.2 Đánh giá hoạt động của robot104CHƯƠNG V: KẾT LUẬN1055.1 Kết quả của quá trình thực hiện đề tài1055.2 Đánh giá kết quả thu được giữa mô hình lý thuyết và mô hình thử nghiêm1055.3 Ưu nhược điểm và hướng phát triển của robot RHex V21055.3.1 Ưu nhược điểm của robot RHex V21055.3.2 Hướng phát triển của robot RHex V2106TÀI LIỆU THAM KHẢO107PHỤ LỤC 1110PHỤ LỤC 2156PHỤ LỤC 3157PHỤ LỤC 4158

MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT RHEX V2 11 Hình 1.1 Sprawl hexapods [1] 11 Hình 1.2 Lobster robot [1] 12 Hình 1.3 Entomopter robot [1] 12 Hình 1.4 Robot RHex Platform 13 Hình 1.5 Robot Shelly 14 Hình 1.6 Rugged-Rhex [4][5] 15 Hình 1.7 AQUA [4][5][6] 15 Hình 1.8 X-RHex 16 Hình 1.9 XRL robot 17 Hình 1.10 Edu robot 17 Hình 1.11 xJus robot 18 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CHO CÁC THÂN CỦA ROBOT RHEX V2 23 Hình 2.1 Mô hình thời điểm sáu chân RHex V2 chạm đất 23 Hình 2.2 Mô hình hóa thời điểm ba chân RHex V2 chạm đất 24 Hình 2.3 Mô hình hóa cột sống robot Rhex V2 25 Hình 2.4 Mô hình hóa chân robot Rhex V2 26 Hình 2.5 Mô hình hóa lực tác dụng lên chân 27 Hình 2.7 Mô hình hóa robot thành hệ nhiều vật 29 Hình 2.8 Mô hình hóa dao động vật 31 Hình 2.9 Mô hình hóa dao động vật 32 Hình 2.10 Mô hình hóa dao động vật 35 Hình 2.11 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độ thân M1 theo thời gian 53 Hình 2.12 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc thân M1 theo thời gian 54 Hình 2.13 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc thân M1 theo thời gian 54 Hình 2.14 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M1theo thời gian 54 Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc thân M1 theo thời gian 55 Hình 2.16 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc thân M1 theo thời gian 55 Hình 2.17 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc thân M2 theo thời gian 56 Hình 2.18 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc thân M2 theo thời gian 56 Hình 2.19 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc thân M2 theo thời gian 57 Hình 2.20 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M2 theo thời gian 57 Hình 2.21 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc thân M2 theo thời gian 57 Hình 2.22 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc thân M2 theo thời gian 58 Hình 2.23 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M2 theo thời gian 58 Hình 2.24 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc thân M2 theo thời gian 59 Hình 2.25 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc thân M2 theo thời gian 59 Hình 2.26 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độcủa thân M2 theo thời gian 60 Hình 2.27 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc thân M2 theo thời gian 60 Hình 2.28 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc thân M2 theo thời gian 61 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠOROBOT RHEX V2 62 Hình 3.1 Quy trình thiết kế chế tạo 62 Hình 3.2 Robot xJus [12] 63 Hình 3.3 Mô hình thiết kế Robot Rhex V2 64 Hình 3.4 Cụm chi tiết chân 64 Hình 3.5 Chân chữ C 65 Hình 3.6 Bản vẽ chân chữ C 66 Hình 3.7 Vấu trục 66 Hình 3.8 Bản vẽ vấu trục 67 Hình 3.9 Quy trình lốc ống 67 Hình 3.10 Cụm chân sau gia công xong 68 Hình 3.11 Cụm thân 68 Hình 3.12 Thân bên Robot 69 Hình 3.13 Bản vẽ thân bên 70 Hình 3.14 Thân Robot 70 Hình 3.15 Bản vẽ thân 71 Hình 3.16 Cụm thân robot sau gia công 72 Hình 3.17 Cụm chi tiết xương sống 73 Hình 3.18 Cột sống 74 Hình 3.19 Bản vẽ cột sống 74 Hình 3.20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 77 Hình 3.21 Board Arduion Mega 2560 R3[18] 79 Hình 3.22 Sơ đồ linh kiện Arduino Mega [19] 80 Hình 3.23 Sơ đồ chân board Arduino Mega[20] 80 Hình 3.24 Mạch PID Driver for DC motor [21] 81 Hình 3.25 Động planet [22] 82 Hình 3.26 Module RF CC1101 UART [23] 85 Hình 3.27 Tay PS2 [24] 87 Hình 3.28 Camera SJCAM 1000 Wi-Fi [24] 91 CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 93 Hình 4.1 Sơ đồ khối đo 93 Hình 4.2 Bộ đo dao động thân robot 96 Hình 4.3 Bộ thu liệu kết nối máy tính 96 Hình 4.4 Giao diện phầm mềm chuyển tín hiệu vào Excel 98 Hình 4.5 Giao diện Matlab nhận file Excel 99 Hình 4.6 Bộ đo đặt thân robot 100 Hình 4.7 Bộ đo dao động đặt thân sau robot 100 Hình 4.8 Đồ thị biến thiên gia tốc thân ứng với độ cứng lớn robot .101 Hình 4.9 Đồ thị biến thiên gia tốc thân ứng với độ cứng nhỏ robot 101 Hình 4.10 Đồ thị biến thiên gia tốc thân ứng với độ cứng lớn robot 102 Hình 4.11 Đồ thị biến thiên gia tốc thân ứng với độ cứng nhỏ robot.102 Hình 4.12 Đồ thị biến thiên gia tốc thân ứng với độ cứng lớn robot 103 Hình 4.13 Đồ thị biến thiên gia tốc thân ứng với độ cứng nhỏ robot 103 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 108 PHỤ LỤC 154 PHỤ LỤC 155 PHỤ LỤC 156 Bảng danh sách kí hiệu STT TÊN KÍ HIỆU ĐƠN VỊ Khối lượng thân M1 kg Khối lượng chân M2 kg Khối lượng chân M3 kg Momen quán tính chân J b1 kg.m Momen quán tính chân Jb4 kg.m Momen quán tính chân J b5 kg.m Momen động M dc1 N.m Momen động M dc N.m Momen động M dc N.m 10 Đường kính chân rb1 m 11 Đường kính chân rb m 12 Đường kính chân rb m 13 Lực tác dụng lên chân Ft1 N 14 Lực tác dụng lên chân Ft N 15 Lực tác dụng lên chân Ft N φi Độ N 16 Góc điểm tiếp xúc bánh hợp với phương thẳng đứng 17 Độ cứng chân thứ i ki 18 Momen xoắn động τ φi N.m 19 Tọa độ suy rộng khâu y1 rad 20 Tọa độ suy rộng khâu y2 rad 21 Tọa độ suy rộng khâu y3 rad 22 Độ cứng đàn hồi chân c1 N 23 Độ cứng đàn hồi chân c2 N m m m 24 25 26 Độ cứng đàn hồi chân Độ cứng đàn hồi cột sống đàn hồi Độ cứng đàn hồi cột sống đàn hồi c3 N c4 N c5 N m m m Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu Bảng Các chi tiết gia công khác 76 Bảng Các thiết bị đo dao động 95 Lời nói đầu Song song với phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật, ngành khoa học nghiên cứu robot sinh ngày phát triển Sự đa dạng cách thức di chuyển loài sinh vật tự nhiên nguồn cảm hứng vô tận cho nhà khoa học phát triển nhiều robot có khả di chuyển theo hoạt động chúng Nhóm phát triển ý tưởng robot sinh bắt nguồn từ việc yêu thiên nhiên, đặc biệt thích thú với vận động linh hoạt loài sinh vật tự nhiên Chúng có khả di chuyển linh hoạt mà không cần tốn nhiều lượng thể Nhóm ấn tượng với cách thức di chuyển loài côn trùng chân mà đặc biệt loài gián Loài di chuyển với tốc độ gấp 50 lần chiều dài thể mà tiêu tốn phần nhỏ lượng Vì vậy, nhóm định nghiên cứu hoạt động loài gián để áp dụng vào việcnghiên cứu thiết kế, chế tạo robot có khả bắt chước hoạt động loài côn trùng Đề tài mà nhóm lựa chọn chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot dạng chân có khả vượt nhiều loại địa hình cách dễ dàng việc thay đổi độ cứng vững thân Đây đề tài mới, đóng góp thêm hướng việc phát triển robot dạng chân có khả thích nghi với loại địa hình Lời cuối, nhóm sinh viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội tạo điều kiện để nhóm hoàn thành đề tài nghiên cứu Nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS.Khổng Minh giáo viên trực tiếp hướng dẫn đề tài nhóm, thầy cô giáo môn điện tử thầy cô giáo môn sức bền vật liệu nhiệt tình giúp đỡ nhóm sinh viên hoàn thành đề tài nghiên cứu Ngoài ra, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến công ty Cổ phần công nghiệp phụ trợ FV tạo điều kiện sở vật chất, máy móc, trang thiết bị đại đề nhóm nghiên cứu hoàn thành tốt đề tài Hà Nội, ngày 24 tháng năm 2016 Nhóm sinh viên thực Định Thị Điệp Phạm Văn Hậu Phần mở đầu Trong đề tài này, nhóm trình bày việc tập trung xây dựng mô hình dao động toán học cho thân robot chân dạng RHex có cột sống đàn hồi Nhóm định sâu vào việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot có khả vượt địa hình cách dễ dàng việc thay đổi độ cứng vững thân Bài viết này, nhóm xây dựng mô hình dao động toán học cho chân dạng RHex có cột sống đàn hồi mô dao động phần mềm Matlab Ngoài ra, nhóm thiết kế chế tạo mô hình robot thực tế có thân dao động với việc tham khảo hình dạng kích thước robot xJus[12] để thực nghiệm, đo đạc đánh giá dao động thân địa hình khác Trong viết nhóm trình bày việc thiết kế chế tạo thành công đo dao động có kích thước nhỏ gọn, kết nối với sóng RF để đo dao động thân robot hiển thị máy tính.Cuối cùng, nhóm đưa số đánh giá ảnh hưởng độ cứng vững thân robot so với khả vượt địa hình tính ổn định robot dạng Bài viết chia thành chương với nội dung cụ thể sau: Chương trình bày robot sinh trình lịch sử phát triển robot RHex, đồng thời trình bày tóm tắt nội dung mà nhóm nghiên cứu Chương 2, nhóm tập trung xây dựng mô hình dao động toán học cho robot RHex V2 mô dao động phần mềm Matlab Chương 3, trình bày trình thiết kế chế tạo robot RHex V2 Chương 4, trình bày việc chế tạo đo dao động thực đo dao động thân robot, đồng thời đưa đánh giá hoạt động robot địa hình khác Chương 5, nhóm đưa kết luận trình hoạt động robot, ưu nhược điểm hướng phát triển đề tài tương lai 10 for(int i=0; i[...]... một robot có khả năng tự động thích nghi với từng dạng địa hình là một đề tài rất thú vị và được nhiều nhà khoa học quan tâm 1.3.2 Mục tiêu đề tài Xây dựng mô hình dao động hoàn chỉnh cho robot 6 chân dạng RHex có cột sống đàn hồi Thiết kế, chế tạo mô hình để thử nghiệm mô hình toán học đã được xây dựng từ trước nhằm khảo sát mối quan hệ giữa kích thước của cột sống đàn hồi với dao động của thân và chân. .. mobile robot có thể tự thích nghi với các dạng địa hình khác nhau 22 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG CHO CÁC THÂN CỦA ROBOT RHEX V2 2.1 Mô hình hóa toán học dao động cho các thân của robot RHex V2 Robot RHex là một dạng robot phỏng sinh có sáu chân, quá trình chuyển động phức tạp dưới nhiều lực tác dụng theo nhiều hướng khác nhau Việc xây dựng mô hình để mô tả các mối quan hệ của các phần robot. .. của cột sống robot (m) 2.2.2 Mô hình hóa chân robot RHex V2 Các chân của robot RHex V2 có khối lượng nhẹ, cứng vững, độ đàn hồi tốt Đảm bảo khi robot di chuyển các chân bị va đập sẽ không bị biến dạng, robot di chuyển một cách linh hoạt và vượt địa hình tiết kiệm năng lượng tối ưu Mô hình hóa các chân của robot như một cái lò xo và một cái giảm chấn như hình sau: Hình 2.4 Mô hình hóa chân robot Rhex. .. đặc trưng Ở trạng thái ba chân tiếp xúc với mặt đường và ba chân không tiếp xúc, các chân đập xuống đất chịu tác dụng của mặt đường cũng như sự điều khiển của động cơ Vậy mô hình hóa dao động của robot Rhex được xây dựng vào thời điểm đó 24 2.2 Xây dựng phương trình vi phân dao động 2.2.1 Mô hình hóa cột sống Cột sống được chế tạo dạng thanh với độ cứng vững cao khả năng đàn hồi chịu kéo, nén tốt Đảm... (1.3) 2.2.3 Xây dựng phương trình vi phân dao động cho Robot Rhex V2 Mô hình hóa tổng thể robot có dao động như hình vẽ: Hình 2.7 Mô hình hóa robot thành hệ nhiều vật 29 Trong đó: m1 , m 2 , m 3 : Lần lượt là khối lượng từng phần thân robot (kg) b1 , b2 , b3 : Lần lượt là độ giảm chấn của các chân robot (kg/m 2) l1 , l2 , l3 : Là khoảng cách giữa các chân (m) L: Là khoảng cách chu kì dao động của mặt... trong dao động rất khó khăn Tuy nhiên việc mô hình hóa là rất cần thiết trong nghiên cứu dao động cũng như thiết kế, chế tạo và điều khiển để hiểu rõ hơn hoạt động của robot vì vậy cần phải mô hình hóa Hiện tại, có rất nhiều công trình, bài báo nghiên cứu RHex theo nhiều hướng khác nhau và nhiều mô hình đã được xây dựng Nhưng chủ yếu là chỉ mô hình hóa từng phần của robot Ví dụ như dự án mô hình hóa có. .. thước cột sống đàn hồi với mức độ vượt địa hình của robot RHex V2 Tìm ra được mối quan hệ giữa sự dao động của các phần trên thân với kích thước của cột sống đàn hồi 21 b, Ý nghĩa thực tiễn Tạo ra cơ sở nền tảng về mặt lí thuyết và thực nghiêm cho các nghiên cứu tiếp theo về mô hình robot dạng này Đề ra một phương pháp mới trong việc điều chỉnh tính ổn định của robot dạng 6 chân phù hợp từng loại địa hình, ... động của các thân robot khi di chuyển b, Nghiên cứu bằng thực nghiệm Thực nghiệm đo đạc độ cứng của một số kết cấu trên robot như cột sống đàn hồi, chân Đo đạc dao dộng để đánh giá mối quan hệ giữa độ cứng của cột sống đàn hồi với các phần dao động trên thân 1.3.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a, Ý nghĩa khoa học Nhóm nghiên cứu đã xây dựng được mô hình dao động toán học cho robot RHex V2 nhằm đánh... lò xo Hình 2.3 Mô hình hóa cột sống robot Rhex V2 25 Công thức tính hệ số cứng của cột sống robot : Ewcs hcs3 c4 = c5 = (1.1) 4 L3cs Trong đó: s: Là độ biến dạng của lò xo và thanh dầm khi chịu lực tác dụng (m) c4 = c5 : Là độ cứng của các cột sống (N/m) E: Mô đun đàn hồi bằng 209.109 N / m 2 (Đối với thép AISI 1074/1075) [13] w cs : Chiều rộng của cột sống robot (m) hcs : Chiều dày của cột sống robot. .. mô hình hóa cột sống robot , dự án nghiên cứu ảnh hưởng của chân tới chuyển động của Edu robot Tuy nhiên trong phạm vi nghiên cứu của nhóm chưa thấy bài báo khoa học nào nghiên cứu dao động thân robot một cách rõ ràng Do đó nhóm thực hiện quá trình mô hình hóa dao động tổng thể robot Mô tả hoạt động của robot được chia thành các giai đoạn như sau: - Giai đoạn 1: Giai đoạn xuất phát, sáu chân của robot