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

Hình 2.11 Đồ thị biểu diễn quan hệ tọa độ của thân M1 theo thời gian 53 Hình 2.12 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M1 theo thời gian 54 Hình 2.13 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của 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 của thân M1 theo thời gian 55 Hình 2.16 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M1 theo thời gian 55 Hình 2.17 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M2 theo thời gian 56

Hình 2.18 Đồ thị biểu diễn quan hệ vận tốc của thân M2 theo thời gian 56 Hình 2.19 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của 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 của thân M2 theo thời gian 57 Hình 2.22 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của 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 của thân M2 theo thời gian 59 Hình 2.25 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của 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 của thân M2 theo thời gian 60 Hình 2.28 Đồ thị biểu diễn quan hệ gia tốc của thân M2 theo thời gian 61

Hình 3.19 Bản vẽ cột sống 74

Hình 3.22 Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega [19] 80

Hình 4.3 Bộ thu dữ liệu kết nối máy tính

96 Hình 4.4 Giao diện phầm mềm chuyển tín hiệu vào Excel 98

Hình 4.8 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 1 ứng với độ cứng lớn nhất của robot .101 Hình 4.9 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 1 ứng với độ cứng nhỏ nhất của robot 101 Hình 4.10 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 2 ứng với độ cứng lớn nhất của robot 102 Hình 4.11 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 2 ứng với độ cứng nhỏ nhất của robot.102 Hình 4.12 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 3 ứng với độ cứng lớn nhất của robot 103 Hình 4.13 Đồ thị biến thiên gia tốc thân 3 ứng với độ cứng nhỏ nhất của robot 103

Bảng danh sách kí hiệu

kg m

m

m

24 Độ cứng đàn hồi của chân 3 c3 N

m

25 Độ cứng đàn hồi của cột sống

N m

26 Độ cứng đàn hồi của cột sống

N m

Danh mục hình ảnh

Danh mục bảng biểu

Lời nói đầu

Song song với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, các ngành khoa học

về nghiên cứu robot phỏng sinh cũng ngày càng phát triển Sự đa dạng trong cách thức di chuyển của các loài sinh vật trong tự nhiên là một nguồn cảm hứng vô tận cho các nhà khoa học phát triển nhiều robot có khả năng di chuyển phỏng theo hoạt động của chúng Nhóm cũng phát triển ý tưởng về robot phỏng sinh bắt nguồn từ việc yêu thiên nhiên, đặc biệt rất thích thú với sự vận động linh hoạt của các loài sinh vật trong

tự nhiên Chúng có khả năng di chuyển rất linh hoạt mà không cần tốn nhiều năng lượng của cơ thể Nhóm rất ấn tượng với cách thức di chuyển của loài côn trùng 6 chân mà đặc biệt là loài gián Loài này có thể di chuyển với tốc độ gấp 50 lần chiều dài của cơ thể mà chỉ tiêu tốn phần nhỏ năng lượng Vì vậy, nhóm quyết định nghiên cứu về hoạt động của loài gián để áp dụng vào việcnghiên cứu thiết kế, chế tạo một robot có khả năng bắt chước hoạt động của loài côn trùng này Đề tài mà nhóm lựa chọn chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot dạng 6 chân có khả năng vượt nhiều loại địa hình một cách dễ dàng bằng việc thay đổi độ cứng vững của thân Đây là đề tài khá mới, đóng góp thêm một hướng đi mới trong việc phát triển robot dạng 6 chân có khả năng thích nghi với từng loại địa hình.

Lời cuối, nhóm sinh viên xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để nhóm có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này Nhóm xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS.Khổng Minh là giáo viên trực tiếp hướng dẫn đề tài của nhóm, các thầy cô giáo trong bộ môn cơ điện tử và các thầy cô giáo trong bộ môn sức bền vật liệu đã nhiệt tình giúp đỡ nhóm sinh viên hoàn thành đề tài nghiên cứu này Ngoài ra, nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến công ty Cổ phần công nghiệp phụ trợ FV đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất, máy móc, trang thiết bị hiện đại đề nhóm nghiên cứu hoàn thành tốt đề tài này.

Hà Nội, ngày 24 tháng 4 năm

2016 Nhóm sinh viên thực hiện Định Thị Điệp Phạm Văn Hậu

và đã mô phỏng được các dao động đó bằng phần mềm Matlab Ngoài ra, nhóm đã thiết kế và chế tạo một mô hình robot thực tế có các thân dao động với việc tham khảo hình dạng và kích thước của robot xJus[12] để thực nghiệm, đo đạc và đánh giá về sự dao động của các thân trong các địa hình khác nhau Trong bài viết này nhóm cũng trình bày việc thiết kế và chế tạo thành công bộ đo dao động có kích thước nhỏ gọn, được kết nối với nhau bằng sóng RF để đo dao động trên các thân của robot và hiển thị trên máy tính.Cuối cùng, nhóm cũng đã đưa ra được một số đánh giá về sự ảnh hưởng của độ cứng vững của các thân robot so với khả năng vượt địa hình và tính ổn định của robot dạng này Bài viết này được chia thành 5 chương với các nội dung cụ thể như sau: Chương 1 trình bày về robot phỏng sinh và quá trình lịch sử phát triển của robot RHex, đồng thời trình bày tóm tắt các nội dung mà nhóm nghiên cứu Chương 2, nhóm tập trung xây dựng mô hình dao động toán học cho robot RHex V2 và mô phỏng các dao động đó bằng phần mềm Matlab Chương 3, trình bày quá trình thiết kế và chế tạo robot RHex V2 Chương 4, trình bày việc chế tạo bộ đo dao động và thực hiện

đo dao động trên các thân của robot, đồng thời đưa ra các đánh giá về hoạt động của robot trong các địa hình khác nhau Chương 5, nhóm đưa ra các kết luận về quá trình hoạt động của robot, ưu nhược điểm và hướng phát triển của đề tài trong tương lai

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT RHEX V2

1.1 Tổng quan về robot phỏng sinh

Trong quá trình khảo sát về robot phỏng sinh, một số khái niệm được nhóm tìm hiểu

và tóm tắt lại như sau:

Mô phỏng sinh học là những mô tả chung về mặt kỹ thuật của một quá trình hoặc hệ thống bắt chước sinh vật Thuật ngữ này bắt nguồn từ hóa sinh học và áp dụng cho một phạm vi vô hạn của các hiện tượng cơ học của sinh vật trong tự nhiên, từ việc nghiên cứu quá trình hoạt động của một phần cơ thể hay toàn bộ sinh vật

Robot phỏng sinh là robot được lấy cảm hứng từ sinh học như việc bắt chước hoạt động, dáng dấp và các đặc điểm của sinh vật Nó là sự kết hợp giữa việc nghiên cứu các hoạt động của sinh vật và áp dụng chúng vào quá trình thiết kế, điều khiển robot Robot phỏng sinh rất đa dạng về số lượng, kích thước và chức năng Nó được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như khám phá sao hỏa, tìm kiếm người bị nạn, vận chuyển, mang vác vật nặng… Dưới đây là một số loại robot phỏng sinh được phỏng theo các hoạt động của các loài sinh vật trong tư nhiên

Sprawl hexapods – Robot Sprawl dạng 6 chân

Hình 1.1 Sprawl hexapods [1]

Đây là dạng robot phỏng theo hoạt động của loài côn trùng 6 chân mà chủ yếu là loài gián Nó được phát triển bởi nhóm sinh viên trường đại học Stanford vào năm 2009

Robot hoạt động dựa trên sự cộng hưởng của một hệ thống thủy khí Robot này có thể

di chuyển với tốc độ cao, khoảng 2.3 m/s [1]

Robotic lobsters – Robot tôm

Hình 1.2 Lobster robot [1]

Robot Lobster hoạt động phỏng theo cách di chuyển của loài tôm hùm trong các môi trường nước Robot này được phát triển theo dự án nghiên cứu robot phỏng sinh dưới nước của trường đại học Northeastern vào năm 2009 Robot loại có thể di chuyển dưới dáy của hồ nước hoặc biển, nơi có nhiều sỏi đá và san hô [1]

Robot Entomopter

Hình 1.3 Entomopter robot [1]

Robot Entomopter được phát triển bởi các nhà nghiên cứu thuộc đại học Georgia Institute of Technology nhằm bắt chước hoạt động của loài bướm Nó được sử dụng như một thiết bị giám sát và có thể bay cả trong nhà lẫn ngoài trời Entomopter được

thiết kế để hoạt động ở 2 bầu khí quyển: một phiên bản trên mặt đất có trọng lượng 50 gram và một phiên bản được thiết kế để sử dụng trong vũ trụ Robot Entomoper cũng được phục vụ trong quá trình khá phá sao hỏa và nhiều lĩnh vực khác [1].

1.2 Lịch sử phát triển của robot RHex

RHex có tên đầy đủ là “ Robot Hexapod ’’, là một robot dạng 6 chân bắt chước hoạt động của loài côn trùng 6 chân đặc biệt là loài gián

RHex được nghiên cứu vào năm 1998 do DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency) tài trợ Nguyên mẫu đầu tiên được xây dựng vào năm 1999 tại Đại học Michigan Robot RHex đã được nghiên cứu rộng rãi tại một số trường đại học trong nhiều thập kỷ qua, trong đó có nhiều trường đại học nổi tiếng trên thế giới như Đại học McGill, Đại học Carnegie Mellon, Đại học Pennsylvania và một biến thể của RHex được thương mại hóa bởi Boston Dynamics là Rugged RHex Trong quá trình phát triển, RHex đã liên tục cải thiện qua các phiên bản khác nhau nhằm phát triển các

kĩ năng vượt địa hình cũng như khả năng chịu đựng của robot

Sơ lược về lịch sử phát trển của robot Rhex tham khảo trong các tài liệu [4,5] được trình bày như sau:

1.2.1 RHex Platform

Hình 1.4 Robot RHex Platform

RHex Platform được phát triển từ 1999 - 2004 trong một sự hợp tác giữa các trường đại học liên McGill và một số trường đại học Mỹ, với sự tài trợ từ DARPA RHex đã liên tục được cải thiện trong nhiều năm qua RHex là một robot nhỏ gọn và nhanh nhẹn Robot này có thể đi bộ và chạy với tốc độ lên đến 2,7 m/s trên địa hình phẳng, di

chuyển ngoài trời rất đa dạng Ngoài ra, RHex có thể leo dốc trên 40 độ, vượt qua các thanh ray của đường sắt và đi qua các địa hình gồ ghề, bụi gai [4] RHex Platform tạo

ra một thiết kế đầu tiên về robot dạng 6 chân với khả năng vượt địa hình tốt, là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về robot dạng này Tuy nhiên, đây là sản phẩm nền tảng nên thiết kế còn khá đơn giản và chưa phát triển được nhiều kĩ năng vượt địa hình như leo cầu thang, bơi, lặn

1.2.2 Shelly RHex

Hình 1.5 Robot Shelly

Trong năm 2001, Shelly RHex đã được chạy và trình diễn lần đầu tiên với khả năng lội nước Robot này có thể đi trên bãi biển và nổi trên bề mặt hồ Nó bơi bằng 6 chân trên

bề mặt nước và bước trở ra trên đất qua những tảng đá Để bảo vệ các thiết bị điện tử

từ tác động bên ngoài, bụi bẩn và độ ẩm, một dự án đã được thực hiện để thay thế vỏ bằng composite Shelley-RHex là một robot lưỡng cư được phát triển dựa trên nền tảng robot Rhex Platform nhằm cải thiện khả năng vượt địa hình và có thể bơi được trên mặt nước Tuy nhiên, Shelly RHex còn gặp phải một số nhược điểm như vật liệu làm thân khá giòn và thiết kế khó, đòi hỏi độ chính xác cao, chi phí tốn kém

1.2.3 Rugged-RHex

Hình 1.6 Rugged-Rhex [4][5]

Robot Rugged RHex được thiết kế dựa trên sự kế thừa các tính năng của robot Shelly

và được sản xuất để phục vụ trong lĩnh vực thương mại Điều này tạo nên sự quan tâm

từ các nhà tài trợ sau khi họ quan sát các về khả năng hoạt động của phiên bản trước là robot Shelly RHex Rugged RHex được thiết kế với khả năng mang thêm vật nặng có tải trọng 2kg với khoảng cách đi lại là 2 km, thời gian hoạt động lên đến 6h và có khả năng chống nước mưa [4] Rugged RHex có là một robot lưỡng cư có khả năng vượt địa hình rất tốt, được cải thiện kết cấu từ robot Shelly RHex Robot này được module hóa từng bộ phận nên dễ tháo lắp, thay thế Tuy nhiên, Rugged RHex đã được thương mại hóa nên giá thành cao

1.2.4 AQUA

Hình 1.7 AQUA [4][5][6]

Robot AQUA được phát triển dựa trên nền tảng Rugged Rhex Đây là dự án được nghiên cứu tại Đại học McGill và trường Đại học York với sự tài trợ của IRIS/PRECARN(Institute for Robotics and Intelligent Systems/Precarn Associates

Inc) và NSERC(Natural Sciecces and Engineering Research Council) Mục tiêu của dự

án là phát triển một robot có khả năng hoạt động dưới nước Robot AQUA có thể lặn sâu được 10m, hệ thống quan sát có khả năng tạo ra các bản đồ ba chiều của các rạn san hô dưới biển AQUA là một thiết kế đặc thù để lặn dưới nước Việc thay thế các chân thành các mái chèo giúp AQUA di chuyển tốt dưới nước Tuy nhiên, việc chế tạo robot AQUA là khó khăn vì các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và không thấm nước Ngoài ra, việc hoạt động trong môi trường nước yêu cầu vật liệu phải bền và không bị

ăn mòn bởi nước muối Do vậy, việc chọn lựa vật liệu cũng gặp nhiều khó khăn

1.2.5 X-RHex

Hình 1.8 X-RHex

X-RHex là phiên bản nâng cấp của Rhex được nghiên cứu tại trường Đại học Pennsylvania vào năm 2013 với các cải tiến đáng kể về mặt kết cấu khi có thêm hệ thống tải trọng trên thân robot cùng khả năng di chuyển linh hoạt X-RHex được trang

bị nhiều kĩ năng như leo cầu thang, bật nhảy, lộn, leo đốc và khả năng nhận dạng mô hình 3D của môi trường xung quanh Trọng lượng của robot được giảm đáng kể, công suất động cơ được cải thiện khi X-RHex được trang bị động cơ DC không chổi than với độ bền cao và tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, robot X-RHex vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như chế tạo phức tạp và giá thành cao

1.2.6 XRL

Hình 1.9 XRL robot

X-RHex Lite (XRL) là robot được phát triển dựa trên nền tảng robot X-RHex với việc nâng cao các kĩ năng và giảm thiểu kích thước Robot XRL được thiết kế với kích thước không gian gần giống như robot Rhex Platform, phía trên robot có thiết kế tay cầm tiện lợi cho việc di chuyển, xung quanh khung của robot là một lớp vỏ hoàn toàn bằng sợi carbon(tương tự như robot "Shelly-RHex") để làm vỏ bảo vệ robot và đặc biệt là để làm cho thân robot cứng hơn khi gắn kết chân So với X-RHex, robot XRL

có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như khả năng mang tải lớn hơn, chế tạo đơn giản hơn

và trọng tải cũng được giảm thiểu đáng kể Tuy nhiên, cũng giống với robot RHex, robot X-RHex Lite vẫn chưa tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng

X-1.2.7 Edu robot

Hình 1.10 Edu robot

Robot Edu được phát triển dựa trên robot Rhex platform được nghiên cứu bởi

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) năm 2013.Robot Edu được

phát triển theo hướng nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ cứng chân so với khả năng di chuyển của robot trên các dạng địa hình khác nhau Sự khác biệt này tạo ra một tiền đề cho sự phát triển một dòng robot Rhex có thể thay đổi độ cứng vững của chân thích ứng với từng dạng địa hình khác nhau Tuy nhiên, robot Edu vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như chưa giải quyết được mẫu thẫn lực nội bộ dẫn đến sự hao tổn về năng lượng Ngoài ra, việc chế tạo robot Edu cũng khá phức tạp

1.2.8 xJus robot

Hình 1.11 xJus robot

Robot xJus được nghiên cứu bởi nhóm sinh viên trường Đại học Princeton năm 2013

Nó là robot 6 chân dạng RHex đầu tiên được thiết kế với mô hình có thể điều chỉnh độ cứng cột sống thụ động của thân nhằm lưu trữ năng lượng cơ thể và giảm hao tổn năng lượng Kết quả thực nghiệm cho thấy việc điều chỉnh cột sống thụ động dẫn đến giảm thiểu mô men động cơ khi đi trên địa hình bằng phẳng, cũng như cải thiện khả năng để vượt qua những trở ngại lớn Robot xJus được thiết kế theo hướng lưu trữ năng lượng

cơ thể và giảm thiểu hao tổn năng lượng do giảm thiểu được lực mâu thuẫn nội bộ Việc nghiên cứu và phát triển robot xJus tạo ra một hướng nghiên cứu mới đối với robot Rhex dạng 6 chân, tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về sự ảnh hưởng của

độ cứng thân so với khả năng vượt địa hình và giảm thiểu năng lượng trong khi di chuyển của robot

Trong cùng thời gian đó, các nhóm nghiên cứu của trường Đại học Pennsylvania cũng phát triển Rhex Platform theo hướng trang bị thêm nhiều kĩ năng của robot với sự ra đời của X-RHex và X-RHex Lites.

Một hướng nghiên cứu mới về sự ảnh hưởng của độ cứng chân so với khả năng vượt các loại địa hình khác nhau được thực hiện bởi IEEE với sự ra đời của dòng robot Edu.Năm 2013, các nghiên cứu trường Đại học Princeton đã đưa ra một thiết kế mới mẻ đối với mô hình robot RHex Platform khi thêm vào robot một cột sống thụ động Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế một robot có khả năng tự thích nghi với nhiều dạng địa hình thông qua viêc điều chỉnh độ cứng vững của thân Tóm lại, việc nghiên cứu RHex theo hướng phát triển thêm nhiều kĩ năng đã có nền tảng từ trước Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn chưa giải quyết được sự mâu thuẫn nội lực bên trong robot Nghiên cứu mới mẻ về việc thêm cột sống thụ động vào robot

là hướng nghiên cứu có rất nhiều tiềm năng và tạo ấn tượng mạnh mẽ đến nhóm sinh viên Tuy nhiên, các nghiên cứu của nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Princeton mới chỉ dừng lại ở mức thực nghiệm, đo đạc trên robot xJus rồi đưa ra kết luận mà chưa có một mô hình toán học hay mô hình dao động nào rõ ràng Vì vậy, nhóm sinh viên quyết định đi sâu vào việc giải quyết các bài toán về mô hình dao động toán học của robot nhằm đưa ra các mối quan hệ về độ cứng vững thân so với khả năng vượt địa hình, giảm thiểu mâu thuẫn nội lực và tối ưu hóa năng lượng Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng xây dựng mô hình thực nghiệm để đo đạc, so sánh nhằm đưa ra kết luận cụ thể về sự ảnh hưởng của độ cứng thân so với khả năng vượt địa hình của robot, hướng tới phát triển một robot có khả năng thích nghi với từng dạng địa hình bằng cách thay đổi độ cứng vững của thân

1.3 Tóm tắt nội dung đề tài

1.3.1 Lí do chọn đề tài

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, nhóm rất thích thú khi quan sát cách di chuyển của các loài sinh vật trong tự nhiên Nhóm có ấn tượng đặc biệt với cách di chuyển của loài côn trùng 6 chân mà chủ yếu là loài gián Loài này có thể di chuyển rất nhanh mà không tiêu tốn nhiều năng lượng Vì vậy, nhóm đã quyết định nghiên cứu sâu vào sự vận động của loài côn trùng này để áp dụng thiết kế, chế tạo một mobile robot có thể bắt chước hoạt động của loài này Ngoài ra, giáo viên hướng dẫn của nhóm cũng có

sở thích chung và có kiến thức nhất định về đề tài nghiên cứu này

Trong quá trình khảo sát về dạng robot 6 chân vượt địa hình, nhóm thấy các nhà nghiên cứu rất thành công trong việc phát triển các kĩ năng của robot RHex, việc điều chỉnh độ cứng chân phù hợp với từng dạng địa hình của Edu robot Tuy nhiên, trong phạm vi khảo sát của nhóm, việc đưa ra một nghiên cứu cụ thể và đầy đủ về mối quan

hệ giữa độ cứng vững của thân so với khả năng vượt địa hình và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ thì chưa được trình bày một cách cụ thể và rõ ràng Vì vậy nhóm đã quyết định nghiên cứu sâu vào việc xây dựng mô hình toán học cho loại robot này nhằm tìm được các mối quan hệ giữa độ cứng vững của thân so với khả năng vượt địa hình và sự giảm thiểu năng lượng

Trong phạm vi khảo sát của nhóm, các đề tài nghiên cứu về dạng robot 6 chân vượt địa hình mà nhóm đã tìm hiểu từ trước đó chưa tổng hợp một cách đầy đủ về các mối quan hệ giữa độ cứng vững của thân, chân so với khả năng vượt địa hình của robot 6 chân dạng RHex

Việc tạo ra 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

1.3.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình dao động của hệ nhiều vật dao động

Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa, mô phỏng hệ dao động của robot

Nghiên cứu các phương pháp lập trình và điều khiển cho các động cơ điện một chiều.Nghiên cứu các phương pháp về truyền thông không dây, các chuẩn truyền thông giao tiếp và lập trình vi điều khiển

Nghiên cứu các phương pháp xây dựng mô hình thực nghiệm cho robot

1.3.4 Phương pháp nghiên cứu

a, Nghiên cứu các lí thuyết

Lí thuyết dao động để giải quyết các bài toán của hệ dao động nhiều vật

Nghiên cứu lí thuyết truyền thông không dây và các phương pháp điều khiển để xây dựng hệ thống điều khiển

Nghiên cứu mô phỏng mô hình dao động bằng phần mềm Matlap nhằm đưa ra các mối quan hệ giữa độ cứng vững của cột sống đàn hồi so với sự dao 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 giá ảnh hưởng của kích 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

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, hướng tới phát triển một mobile robot có thể tự thích nghi với các dạng địa hình khác nhau

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 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 đề cập tới 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 tiếp xúc với mặt đất

Hình 2.1 Mô hình tại thời điểm sáu chân RHex V2 chạm đất

-Giai đoạn 2: Chân 1, 3, 5 chạm đất và chân 2, 4, 6 quay trên không.

Hình 2.2 Mô hình hóa tại thời điểm ba chân RHex V2 chạm đất

- Giai đoạn 3: Chân 2, 4, 6 chạm đất và chân 1, 3, 5 vẫn chưa quay

- Giai đoạn 4: Chân 1, 3, 5 quay và chân 2, 4, 6 làm trụ

- Quá trình hoạt động của robot được lặp đi lặp lại theo các giai đoạn trên

Trong đó: Giai đoạn 2 và 3 là hai giai đoạn 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

2.2 Xây dựng phương trình vi phân dao động

Công thức tính hệ số cứng của cột sống robot :

3

4

cs cs cs

E: Mô đun đàn hồi bằng 209.10 9N m/ 2 (Đối với thép AISI 1074/1075) [13]

wcs : Chiều rộng của cột sống robot (m)

cs

h : Chiều dày của cột sống robot (m)

cs

L : Là độ dài 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 V2

Công thức tính độ cứng chân của robot[14]:

c c c : Là cứng đàn hồi của các chân 1, 2, 3 (N/m).

E: Mô đun đàn hồi bằng 209.10 9N m/ 2 (Đối với thép AISI 1074/1075) [13]

I = : Mô men quán tính của chân robot

wleg : Chiều rộng của chân robot (m)

leg

h : Chiều dày của chân robot (m)

leg

L : Là khoảng cách từ điểm uốn tới điểm chịu tải (m)

Mô hình hóa các lực tác dụng lên chân robot

Hình 2.5 Mô hình hóa các lực tác dụng lên chân

Khi các chân tiếp xúc với mặt đất, nó tạo ra các phản lực F F F xi, yi, zi được biểu diễn

như hình 2.5 Lực tiếp tuyến của các chân Trong đó τφi là momen xoắn của

động cơ, φi là góc quay của chân khi chạm đất, l là chiều dài lò xo Theo giả định i

0

i

θ ≈ , tức là các lực tác dụng luôn phải nằm trong mặt phẳng ( )B

x z− , ta có thể kết luận rằng các lực bên F yi có thể coi không đáng kể, F yi ≈0 Như vậy, chân thứ I nhận được các lực F là phản lực khi bánh tác dụng lên mặt đất Ta có: || Gi F Gi|| ||= F Ai||

Hình 2.6 Lực tác dụng lên chân trong mặt phẳng ( )B

x z−

Các lực tác dụng lên chân robot là:

Phản lực từ mặt đất F và lực lò xo Gi F của mỗi chân i Si

Gi zi

Gi zi

y

Gi x

Gi x

y

Gi x

Lúc này F z1 =F z2 =F z3 = −F sicosφi F+ Gisinφi= −F Sicosφi F+ Gisinφi [14] (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

l l l : Là khoảng cách giữa các chân (m).

L: Là khoảng cách chu kì dao động của mặt đường (m)

Giả sử quy luật nhấp nhô của mặt đường được xác định bởi hàm tuần hoàn [15]:

*

12

cos x y

3 2

2 (2

2

22

l cos x

y

l h

+) v: Là vận tốc của chân robot tại thời điểm đang xét (m/s)

+) t: Là thời điểm đang xét (s)

+) x y∗1, ∗1: Là điểm tiếp xúc của chân 1 với mặt đường theo phương x và y

∗ ∗

+) x∗3,y∗3: Là điểm tiếp xúc của chân 3 với mặt đường theo phương x và y.

Để mô hình hóa dao động trên, nhóm sinh viên sử dụng phương pháp tách vật và đặt lực liên kết giữa các hệ

-TáchM1 ra khỏi hệ vật và xét các lực tác dụng vào M1 như hình vẽ:

Trong đó: y1là khoảng dịch chuyển của M1so với vị trí cân bằng

Mô tả dao động của thân 1: Khi robot đi lên theo chiều y1 thì lực Frc1là lực cản của chân có chiều chống lại chuyển động nên hướng xuống, Frlx1 có hướng đẩy lên vì chịu lực đẩy của lực Frt1 và Frlx4 hướng xuống dưới vì chống lại chiều chuyển động của thân robot Các lực được biểu diễn như hình 2.8

Các lực tác dụng vào M1 được biểu diễn như hình vẽ: F F Frlx1, r rc1, lx4,Pr1.

Phương trình tổng hợp lực tác dụng lên M1theo phương

Mô tả dao động của thân 2: Khi robot đi lên theo chiều y2 thì lực Fr2 có chiều chống lại chuyển động nên hướng xuống, Frlx2,Frlx4,Frlx5 có hướng đẩy lên vì chịu lực đẩy của lực Frt2 Các lực được biểu diễn như hình 2.9.

3 1

L l

Tách M3 ra khỏi hệ và xét các lực tác dụng vào M3 như sau:

Trong đó: y3 là khoảng dịch chuyển của M3 so với vị trí cân bằng tĩnh

Mô tả dao động của thân 3: Khi robot đi lên theo chiều y3 thì lực Frc3là lực cản của chân có chiều chống lại chuyển động nên hướng xuống, Frlx3 có hướng đẩy lên vì chịu lực đẩy của lực Frt3 và Frlx5 hướng xuống dưới vì chống lại chiều chuyển động của thân robot Các lực được biểu diễn như hình 2.10

3 1 2

L l

l h

2.3 Giải phương trình vi phân dao động

Nhận thấy phương trình vi phân dao động của hệ có dạng:

B ,C0,C1,C2,C3,C4

Đối với khâu 1:

1 0 1cos t A sin2 3cos 4sin

Đối với khâu 2:

2 0 1cos t 2sin 3cos 4sin

Đối với khâu 3:

3 0 1cos t 2sin 3cos 4sin

(3)2

(4)(5)

2( c ) B c C

s G