Che Tao Va Dieu Khien Robot Dang Nguoi

Thiết cơ mô hình cơ khí robot dạng người. Mô hình hóa Robot. Giải Động học thuận Robot.G iải Động học ngược Robot. Thiết kế quỹ đạo để robot bước đi như người. Lập trình mô phỏng trên Matlab. Lập trình Vi điều khiển DSPIC30F6014A để điều khiển 17 động cơ RC servo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DẠNG NGƯỜI” Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH Giảng viên phản biện: ThS PHẠM BẠCH DƯƠNG Sinh viên thực hiện: LÊ QUANG THÀNH MSSV: 08111120 Lớp: 081112A Khóa: 2008-2012 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2012 i Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Bộ Giáo dục Đào tạo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Độc lập – Tự – Hạnh phúc -o0o - -o0o Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Bộ môn: Cơ Điện Tử Số: TN2012.02.02.01 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin người thực hiện: Họ tên sinh viên: Lê Quang Thành MSSV: 08111120 Ngành: Cơ Điện Tử Lớp: 081112A Điện thoại: 0933455448 Email: 08111120@student.hcmute.edu.vn Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Trường Thịnh Đơn vị: 1098 Tên đồ án: Chế tạo điều khiển robot dạng người Implementation and control of a humanoid robot Nhiệm vụ đồ án: - Thiết kế, chế tạo Robot dạng người 10 bậc tự sử dụng động RC-Servo: (Khung khí mạch điện điều khiển) - Mô hình hóa động học robot mô chuyển động - Ứng dụng nhân trắc học để xây dựng quỹ đạo robot - Lập trình robot bước giống người Thời gian thực hiện: Ngày giao nhiệm vụ: 04.03.2012, ngày hoàn thành 16.06.2012 Nội dung nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp thông qua Bộ môn Ngày tháng năm Ngày Bộ môn điện tử tháng năm Người hướng dẫn i LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Chế tạo điều khiển robot dạng người Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Trường Thịnh Giảng viên phản biện: ThS Phạm Bạch Dương Họ tên sinh viên: Lê Quang Thành MSSV: 08111120 Lớp: 081112 Địa liên lạc: Số 36, đường Đỗ Xuân Hợp, Quận 9, TP HCM Số điện thoại liên lạc: 0933455448 Email: lequangthanh010290@hotmail.com Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp: 7/7/2012 Lời cam kết: “Tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp (ĐATN) công trình nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm” Tp.Hồ Chí Minh, ngày……tháng năm 2012 Ký tên Lê Quang Thành ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Tp.Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2012 TS Nguyễn Trường Thịnh iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Tp.Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2012 ThS Phạm Bạch Dương iv LỜI CẢM ƠN Đề tài phát triển lên từ đồ án môn học, ủng hộ thầy cô bạn bè, nhóm phát triển từ phiên khác, không thành công qua bạn có giây phút cố gắng nỗ lực bên Mình xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn Tín, Hải, Khoa, Quyền, Huy, tin không đạt mục đích cuối nhóm thực đã thành công Em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Thịnh, người trực tiếp hướng dẫn em thực đề tài này, em xin cảm ơn đến giúp đỡ, động viên thầy đặc biệt kiến thức sở để em thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Bạch Dương có đóng góp để em hoàn thiện đồ án mình, thầy gương mẫu mực để hệ sinh viên chúng em noi theo Cảm ơn tập thể lớp 08112, cảm ơn khích lệ bạn mà tự tin thực đề tại, cảm ơn bạn phòng thí nghiệm Open Lab giúp đỡ trình thực mô hình Con xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh động viên, tạo điều kiện trình thực đề tài Cuối em xin gửi lời cám ơn đến toàn thể thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung thầy cô môn Cơ Điện tử ủng hộ, giúp đỡ em trình thực Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012 Sinh viên thực Lê Quang Thành v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I LỜI CAM KẾT II NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN III NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN IV LỜI CẢM ƠN V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG XII DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XIII TÓM TẮT ĐỀ TÀI XIV ABSTRACT XV CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT NGƯỜI 1.2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA ROBOT 1.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT NGƯỜI 1.4 NỘI DUNG THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 1.5 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: NHÂN TRẮC HỌC NGƯỜI VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI 2.1 NHÂN TRẮC HỌC NGƯỜI 2.1.1 Các khớp chi 2.1.2 Các khớp chi 2.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT NGƯỜI 2.2.1 Mô tả khớp 2.2.2 Mô tả dáng CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA ROBOT 13 3.1 CÁC THÔNG SỐ, ĐỊNH NGHĨA TRONG ROBOT 13 3.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ROBOT 14 3.3 MA TRẬN BIỂU DIỄN 14 3.4 CÁC PHÉP CHUYỂN VỊ MA TRẬN 16 3.4.1 Phép biến đổi tịnh tiến 16 3.4.2 Phép biến đổi quay quanh trục tọa độ 17 3.5 MÔ HÌNH HÓA CÁC KHỚP TRONG ROBOT 17 3.6 ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT 21 vi 3.6.1 Phép quay Euler 22 3.6.2 Phép quay RPY (Roll –Pitch- Yaw) 22 3.7 ĐỘNG HỌC NGHỊCH ROBOT 23 3.7.1 Sử dụng mạng Neural nhân tạo để giải động học nghịch robot 23 3.7.2 Khái niệm ma trận Jacobi 24 3.7.3 Giải thuật Levenberg – Marquardt 26 3.8 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO ROBOT 27 3.8.1 Phương trình mô tả quỹ đạo 28 3.8.2 Quỹ đạo điểm bàn chân 28 3.8.3 Quỹ đạo điểm hông 30 3.9 VẬN HÀNH TỪ VỊ TRÍ BAN ĐẦU VÀ TRỞ VỀ VỊ TRÍ BAN ĐẦU 33 3.10 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG KẾT HỢP TRÊN BA TRỤC TỌA ĐỘ 34 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 36 4.1 MÔ HÌNH TỔNG QUÁT 36 4.2 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 37 4.1.1 Động sử dụng 37 4.1.2 Thiết kế khớp 38 4.1.3 Thiết kế chân robot 39 4.1.4 Thiết kế tay 39 4.1.5 Mô hình tổng thể 40 4.3 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 40 4.4 PHẦN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 41 CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 43 5.1 TÍNH TOÁN TRỰC TIẾP TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN 43 5.2 TÍNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC THÔNG QUA MÁY TÍNH 44 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 47 6.1 PHẦN CƠ KHÍ 47 6.2 PHẦN ĐIỆN 47 6.3 PHẦN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 48 6.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 55 6.5 ĐÁNH GIÁ 62 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 64 7.1 KẾT QUẢ TRỰC TIẾP CỦA ĐỀ TÀI 64 7.2 QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU KÈM THEO 64 7.3 NHỮNG KHÓ KHĂN KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 64 7.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 PHỤ LỤC I vii TÀI LIỆU THAM KHẢO .XXVIII viii DANH MỤC HÌNH Hình1.1:  Robot đánh chữ dạng người 1  Hình1.2:  Robot Electro 1  Hình1.3:  Robot Hubot trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh 2  Hình1.4:  Robot làm hướng dẫn viên, dẫn chương trình 3  Hình1.5:  Robot cứu hộ người 3  Hình1.6:  Robot dùng lĩnh vực giải trí 4  Hình1.7:  Robot phục vụ 4  Hình1.8:  Robot phục vụ 5  Hình1.9:  Hướng phát triển robot người 5  Hình1.10:   Các khớp chi 7  Hình2.1:  Các khớp chi 7  Hình2.2:  Mô tả khớp thể người 8  Hình2.3:  Thời gian pha chu kỳ 9  Hình2.4:  Động tác thứ chân trụ 9  Hình2.5:  Động tác thứ hai chân trụ 9  Hình2.6:  Động tác thứ ba chân trụ 10  Hình2.7:  Động tác thứ tư chân trụ 10  Hình2.8:  Động tác thứ năm chân trụ 11  Hình2.9:  Động tác thứ chân lắc 11  Hình2.10:   Động tác thứ hai chân lắc 11  Hình2.11:   Động tác thứ ba chân lắc 12  Hình 3.1:    Các mặt phẳng 13  Hình 3.2:    Diện tích chân trụ 13  Hình 3.3:    Mô hình toán học robot 14  Hình 3.4:    Biểu diễn điểm hệ tọa độ 15  Hình 3.5:    Biểu diễn hệ tọa độ hệ tọa độ 15  Hình 3.6:    Mô tả phép biến đổi tịnh tiến 16  Hình 3.7:    Mô hình hóa robot 18  Hình 3.8:    Sự định hướng khâu chấp hành cuối 21  Hình 3.9:    Giải động học nghịch mạng fuzzy 24  ix data_out[158][0]=3885; data_out[158][1]=3328; data_out[158][3]=5243; data_out[159][0]=3849; data_out[160][0]=3815; data_out[161][3]=5163; data_out[162][0]=3756; data_out[162][3]=5173; data_out[163][0]=3734; data_out[163][3]=5205; data_out[164][0]=3718; data_out[164][3]=5273; data_out[165][0]=3709; data_out[165][3]=5356; data_out[166][0]=3705; data_out[166][3]=5448; data_out[167][0]=3701; data_out[167][3]=5532; data_out[168][0]=3696; data_out[168][3]=5590; data_out[169][0]=3691; data_out[169][3]=5681; data_out[170][0]=3686; data_out[170][3]=5740; data_out[171][0]=3681; data_out[171][3]=5769; data_out[172][0]=3678; data_out[172][3]=5810; //172 data_out[172][2]=2413; data_out[172][4]=3401; XIV //171 data_out[171][2]=2506; data_out[171][4]=3402; data_out[172][1]=2902; //170 data_out[170][2]=2621; data_out[170][4]=3402; data_out[171][1]=2962; //169 data_out[169][2]=2747; data_out[169][4]=3408; data_out[170][1]=3038; //168 data_out[168][2]=2875; data_out[168][4]=3416; data_out[169][1]=3103; //167 data_out[167][2]=3024; data_out[167][4]=3422; data_out[168][1]=3156; //166 data_out[166][2]=3168; data_out[166][4]=3426; data_out[167][1]=3230; //165 data_out[165][2]=3305; data_out[165][4]=3431; data_out[166][1]=3287; //164 data_out[164][2]=3426; data_out[164][4]=3439; data_out[165][1]=3333; //163 data_out[163][2]=3516; data_out[163][4]=3455; data_out[164][1]=3371; //162 data_out[162][2]=3570; data_out[162][4]=3477; data_out[163][1]=3396; //161 data_out[161][2]=3577; data_out[161][4]=3505; data_out[162][1]=3414; //160 data_out[160][2]=3532; data_out[160][4]=3536; data_out[161][1]=3410; //159 data_out[159][2]=3468; data_out[159][4]=3570; data_out[160][1]=3385; data_out[160][3]=5178; data_out[161][0]=3784; data_out[158][4]=3606; data_out[159][1]=3355; data_out[159][3]=5214; data_out[158][2]=3411; //173 } } void attribute ((interrupt, no_auto_psv)) _U2RXInterrupt (void) { unsigned int x=ReadUART2(); if (x0) switch(data) { case 1: //a oc_value=atol(s); datas[0]=oc_value; XX receive_status=1; break; case 2: //b oc_value=atol(s); datas[1]=oc_value; receive_status=2; break; case 3: //c oc_value=atol(s); datas[2]=oc_value; receive_status=3; break; case 4: //d oc_value=atol(s); datas[3]=oc_value; receive_status=4; break; case 5: //e oc_value=atol(s); datas[4]=oc_value; receive_status=5; break; case 6: //f oc_value=atol(s); datas[5]=oc_value; receive_status=6; break; case 7: //g oc_value=atol(s); datas[6]=oc_value; receive_status=7; XXI break; case 8: //h oc_value=atol(s); datas[7]=oc_value; receive_status=8; break; case 16: //p data_status=NEW; break; case 18: //r oc_value=atol(s); mode=oc_value; command_status=NEW; break; case 19: //s time=atoi(s); break; } } int main() { VarInit(); External_Interrupt_Init(INT1); InitUART1(); InitUART2(); OC_Init(OC1,TIMER_2,50000); OC_Init(OC2,TIMER_2,50000); OC_Init(OC3,TIMER_2,50000); OC_Init(OC4,TIMER_2,50000); XXII //COMMAND OC_Init(OC5,TIMER_2,50000); OC_Init(OC6,TIMER_2,50000); OC_Init(OC7,TIMER_2,50000); OC_Init(OC8,TIMER_2,50000); SetPulseOC8(0,data_out[row][4]); delay_ms(150); SetPulseOC7(0,data_out[row][3]); delay_ms(150); SetPulseOC6(0,data_out[row][2]); delay_ms(150); SetPulseOC5(0,data_out[row][1]); delay_ms(150); SetPulseOC4(0,data_out[row][0]); delay_ms(150); SetPulseOC1(0,6100); delay_ms(300); SetPulseOC2(0,1500); delay_ms(300); SetPulseOC3(0,1500); delay_ms(300); while(1) { if(mode== STEP) { if(receive_status>0) switch (receive_status) { case 1: XXIII SetPulseOC1(0,datas[0]); receive_status=0; break; case 2: SetPulseOC2(0,datas[1]); receive_status=0; break; case 3: SetPulseOC3(0,datas[2]); receive_status=0; break; case 4: SetPulseOC4(0,datas[3]); receive_status=0; break; case 5: SetPulseOC5(0,datas[4]); receive_status=0; break; case 6: SetPulseOC6(0,datas[5]); receive_status=0; break; case 7: SetPulseOC7(0,datas[6]); receive_status=0; break; case 8: SetPulseOC8(0,datas[7]); receive_status=0; break; XXIV } } if(mode== PROCESS) { if (data_status==NEW) { SetPulseOC4(0,datas[3]); SetPulseOC5(0,datas[4]); SetPulseOC6(0,datas[5]); SetPulseOC7(0,datas[6]); SetPulseOC8(0,datas[7]); data_status=OLD; } } if(mode== SAVE) { if (data_status==NEW) { data_out[row][0]=datas[3]; data_out[row][1]=datas[4]; data_out[row][2]=datas[5]; data_out[row][3]=datas[6]; data_out[row][4]=datas[7]; data_status=OLD; } } if(mode== HOME) XXV { LATAbits.LATA13=1; delay_ms(500); LATAbits.LATA13=0; delay_ms(500); } } return 0; } - Code chương trình Matlab(tham khảo CD, thư mục: “Code chương trình Matlab”) - Bản vẽ điện - Bản vẽ khí - Nội dung đĩa CD :  Thư mục: “Ban Ve” chứa vẽ khí vẽ điện  Thư mục: “Picture” chứa ảnh sử dụng đồ án  Thư mục: “TLTK” chứa tài liệu tham khảo o “Levenberg – Marquardt.pdf” o “DSPIC30F6014.pdf” o “LUAN AN TOT NGHIEP FUZZY.pdf” o “nguyen tac co ban robot di bo bang chan.pdf” o “PHAN CUNG ROBOT KHR1.pdf”  Thư mục: “Video Clip”: o File “Robot Buoc Di.MOV”: hoạt động mô hình o File “Mo Phong Chuyen Dong.avi”: mô chuyển động 3D o File “Dong Hoc Nguoc Fuzzy.avi”: video tính động học ngược mạng Fuzzy  Thư mục: “Code Chuong Trinh Vieu Khien” : o Thư mục “Main”: chưa code vi điều khiển o Thư mục “Slave”: chứa code vi điều khiển phụ XXVI  Thư mục: “Code Chuong Trinh Matlab” : o Thư mục “Giao Dien” chứa code giao diện o Thư mục “Chuong Trinh Ho Tro” chứa code chương trình hỗ trợ tính động học ngược, tìm hàm quỹ đạo o Thư mục: “File Tu Chay” chứa file tự chạy chương trình XXVII TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Lam, T.C.T., et al., THIET KE VA CHE TAO MAU ROBOT DI CHUYEN BANG CHAN MO PHONG NGUOI 11/2010 G, O.L.V., CINEMATICA INVERSA DE UN ROBOT BIPEDO Noviembre,2005 Anh, H.T and B.H Ninh, ỨNG DỤNG FUZZY TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC, 2/2009 B.Niku, S., Introduction to Robotics Analysis, Systems, Applications, 2001: United States of America Gavin, H., The Levenberg-Marquardt method for nonlinear least squares curve-fitting problems September 28,2011 http://www.saigon-hobby.com/products/2804-servo-tower-pro-sg90.aspx CO LTD, K.K., Hardware manual KHR-1, K.K CO LTD, Editor Sep.2004 High-Performance, -.b and D.S Controllers, dsPIC30F6011A/6012A/6013A/6014A Data Sheet, Mocrochip, Editor 2008 XXVIII ... hộ người Robot người xuất lĩnh vực giải trí, Nhật dẫn đầu doanh thu thiết bị giải trí robot dạng người Các robot dạng người lĩnh vực như: robot chơi nhạc, robot múa, robot đánh nhau, robot chơi... cho robot, để robot người thực trở thành robot thông minh, chúng diện đông đảo người Hình1.9: Hướng phát triển robot người Hình 1.9 đề cập đến lĩnh vực mà robot người tiếp cận Có thể thấy robot. .. industrial robots saturated The researchers were moving to new research that form the robot We can see the application of a robot human form is not limited, and gray matter for a robot who has