Thiết kế và điều khiển Robot 6 chân

Những năm gần đây việc nghiên cứu Robot di chuyển bằng chân đã được nghiên cứu rộng rãi trong các trường đại học, các viện nghiên cứu trên thế giới. Walking Robot là Robot có chân và di chuyển được nhờ các chân. Một số lĩnh vực có thể ứng dụng được robot có bánh, tuy nhiên, có nhiều môi trường và vùng hoạt động mà chỉ có Robot có chân mới di chuyển trên đó được như : môi trường đất đá, đồi núi, vùng lầy lội mà không thích hợp cho robot có bánh. Vì vậy, những nghiên cứu về robot có chân sẽ có những ưu điểm hơn so với robot có bánh. Trong khi nghiên cứ u các robot di chuyển theo các khớp, trên băng truyền hoặc trên các bánh xe thì robot có bánh xe dễ dàng điều khiển. Nó đạt được sự ổn định cao, dễ dàng thiết kế . Nhược điểm của nó là yêu cầu mặt phẳng nền phải bằng phẳng. Vì những lý do này, nhóm đi vào nghiên cứu về robot có chân. Robot có chân về mặt cấu trúc rất phức tạp và khó điều khiển tuy nhiên nó cũng có một số ưu điểm so vớ i các robot khác như:Robot có thể bước qua chướng ngại vật, có thể di chuyển trên địa hình phức tạp và có thể di chuyển trên bề mặt trơn. Những ưu điểm trên cho thấy tương lai robot có chân sẽ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong công tác kiểm tra, kiểm định, trong công nghiệp vũ trụ, trong phục vụ đời sống con người. Trong bài báo này sẽ đề cập tới việc nghiên cứu và phát triển giải thuật dành cho robot 6 chân.

Nghiên cứu phát triển giải thuật điều khiển robot chân Study and development of algorithm for 6-legged robot 1,a Ng Văn Chiến, bNg Trường Thịnh Bộ mơn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ho Chi Minh City, Việt Nam a chiennvspkt@gmail.com, bthinhnt@hcmute.edu.vn Tóm tắt— (Abstract) Abstract—As robots become more sophisticated, they will be applied to a greater range of applications, many of which will require mobility Walking is a form of locomotion that is gentle to the environment; and by means of this action, it is possible to move through a variety of environments while selecting landing points In recent years, a great deal of research has been conducted In the area of legged locomotion, a biped locomotion robot is expected to bevery useful in houses and factories designed for smooth human locomotion However, research on biped locomotion has been Making slow progress, mainly because of control difficulty as compared to multilegged locomotion Thus, efforts are being made to develop quadruped locomotion robots and six-legged robots for use under extreme environments such as in nuclear power plants, and on planetary surfaces Constructing a successful six-legged robot is a challenging project and requires special mechanical design knowledge and an extensive onboard computer and software system to provide necessary Robot bước qua chướng ngại vật, di chuyển địa hình phức tạp di chuyển bề mặt trơn Những ưu điểm cho thấy tương lai robot có chân ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp, cơng tác kiểm tra, kiểm định, cơng nghiệp vũ trụ, phục vụ đời sống người Trong báo đề cập tới việc nghiên cứu phát triển giải thuật dành cho robot chân HÌNH DẠNG HEXAPOD: A Hình dạng Robot Keywords-Legged robot; hexapod robot; ant robot GIỚI THIỆU Những năm gần việc nghiên cứu Robot di chuyển chân nghiên cứu rộng rãi trường đại học, viện nghiên cứu giới Walking Robot Robot có chân di chuyển nhờ chân Một số lĩnh vực ứng dụng robot có bánh, nhiên, có nhiều mơi trường vùng hoạt động mà có Robot có chân di chuyển : mơi trường đất đá, đồi núi, vùng lầy lội mà khơng thích hợp cho robot có bánh Vì vậy, nghiên cứu robot có chân có ưu điểm so với robot có bánh Trong nghiên cứu các robot di chuyển theo khớp, băng truyền bánh xe thì robot có bánh xe dễ dàng điều khiển Nó đạt ổn định cao, dễ dàng thiết kế[ ] Nhược điểm u cầu mặt phẳng phải phẳng Vì lý này, nhóm vào nghiên cứu robot có chân Robot có chân mặt cấu trúc phức tạp khó điều khiển nhiên có số ưu điểm so với các robot khác như: Hình Hình dạng robot thiết kế Hexapod Robot chân Nó di chuyển chân nhiều Nếu chân bị lỗi, Robot Với di chuyển dạng tam giác robot chân di chuyển nhanh robot chân Và đạt tốc độ cao dáng ổn định Tuy nhiên, dáng tam giác thường khơng ổn định so với dáng dạng sóng Vì vậy, để tăng tính ổn định đòi hỏi phải có động mạnh, mơmen xoắn lớn Và phải điều khiển theo modum Ví dụ thay điều khiển tất cơng việc vi điều khiển, ta chia nhỏ theo nhóm giao chủ - tớ Hình mơ tả hình dạng Robot B Cơ cấu chân Robot 2 3 3 Cách dạng sóng: Di chuyển chân cuối bên Khi chân di chuyển thứ tự chân bước lên phía trước lan sóng phía trước thân tiếp tục chân phía bên chân phía sau Điều có nghĩa Robot ln có chân tiếp xúc với mặt đất thời điểm mơ tả hình Cách chậm so với cách giới thiệu phần có độ ổn định chuyển động mơi trường gồ ghề phức tạp núi chướng ngại vật lớn Mục đích ngun cứu Robot chuyển động thẳng với vận tốc khơng cao nên mục tiêu đề xem xét Robot có chân với cách chuyển động ổn định tĩnh định 1 3 3 3 1 2 3 2 1 2 Hình 3 3 C Cách sử dụng Hexapod Chúng ta thường bắt đầu việc nghiên cứu cách Robot từ việc nghiên cứu chuyển động đường thẳng Từ việc nghiên cứu cách Robot ta phân tích ổn định, thay đổi vị trí đặt chân thay đổi vị trí đặt chân theo u cầu cho phép xác định đường cong quỹ đạo thân Để điều khiển Robot có chân điều quan trọng chân Robot khơng chạm nhau, lựa chọn cách phải tránh chân vướng chuyển động đảm bảo u cầu tốc độ ổn định Có cách mà Robot chân thực cách tam giác thay đổi cách dạng sóng Mỗi cách thích hợp với loại địa hình khác nhau, với loại địa hình có cách di chuyển định Cách tam giác thay đổi: : sử dụng cho Robot di chuyển mặt phẳng với tốc độ di chuyển nhanh Robot ln ln cân lúc Robot có chân tiếp xúc với Cách tạo pha, nâng lên chân sau chúng hạ xuống để nâng chân khác Khi chân nâng lên đẩy sau thân di chuyển phía trước chu kỳ sau tiếp tục mơ tả hình 3.Đây cách đơn giản ổn định Robot chân Quy luật cách tam giác thay đổi ta chia chân Robot làm nhóm khác thực di chuyển giống chu kỳ Tuy nhiên cách khơng phải cách tối ưu dành cho Robot tĩnh định chân Chuyển động dạng tam giác robot chân Trước thiết kế cấu chân cần xem xét đến khối lượng Robot khối lượng chân Đồng thời, robot có chân cần tính đến hiệu lượng đòi hỏi momen xoắn Để có cách thức cách uyển chuyển động gắn Robot phải độc lập cách tương Vì vậy, cần chọn cấu có ổn định hiệu lượng Ba động servo sử dụng chân hình Các động servo khớp xoay quanh trục ngang Tuy nhiên, động thứ quay trục thẳng đứng Hình dạng chân Robot Hình 2 Hình Chuyển động dạng sóng robot chân GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Với vấn đề đề cập trênchúng ta tạo đặt tính vật lý Robot Ở ta coi hệ thống thần kinh Robot mạnh điện tử điều khiển xử lý tất thơng tin đưa đến định để điều khiển cấu chấp hành Tín hiệu điện chuyển thành tín hiệu xung vào vi xử lý để xử lý tín hiệu liên quan Sau vi xử lý xử lý tín hiệu đưa định mơi trường xung quanh Sau chuyển thành tín hiệu điện làm cho cấu chấp hành thực chuyển động Muốn Robot xử lý tất tình huống, đòi hỏi phải có kiến thức lập trình kiến thức trí tuệ nhân tạo để tạo lập cho Robot phản ứng lại với tác động mơi trường Có mức độ điều khiển Robot Điều khiển mức độ thấp bao gồm tất cách làm cho chân di chuyển Điều khiển mức độ cao, điều khiển thích hợp với liệu mơi trường xung quanh, cách điều khiển Robot phải đáp ứng u cầu theo liệu đưa vào từ tín hiệu cảm ứng để đưa cách thức di chuyển thích hợp Với cách điều khiển điều khiển xác định cách thích hợp tìm kiếm cách thức chuyển động chân cho thích hợp Khi thiết kế Robot hồn tồn tự động phải thiết kế cho Robot phải sử dụng lượng có hiệu Bởi Robot phải mang thân 12 động cơ, cấu chân điều khiển xử lý muốn hoạt động cho có hiệu Sử dụng lượng cho có hiệu chuyển động Robot có chân khó đạt lực nâng thân lên đẩy thân tiến lên phía trước chia cho động gắn khớp Chúng ta phải đảm bảo cho Robot có chân sử dụng lượng cho có hiệu phải mang tất khối động điều khiển thêm vào khối lượng thân sử dụng chúng Robot tự động hồn tồn Cách tính thích hợp hiệu suất sử dụng lượng Robot có chân ta xét tới độ cản trở đặc trưng sau: ρ= Giải thuật điều khiển phát triển theo cách chuyển động tam giác thay đổi Các chân Robot chia làm nhóm Nhóm chân thứ bao gồm chân PA, TB, PC Các chân lại nhóm chân thứ hai Có phương án để tạo chuyển động chân là: Các chân trụ sẽ cố định điểm đặt chân xoay động θ1 phía sau làm cho thân Robot bị đẩy phía trước với cách chuyển động động Robot số Và chân trụ cố định động θ1, θ2 θ3 chuyển động cho quỹ đạo chuyển động trọng tâm Robot đường thẳng Còn với cách chuyển động động Trạng thái có động nhỏ lớn Trạng thái có động lớn nhỏ E (W L) Với : E lượng tiêu thụ q trình chuyển động W khối lượng Robot L khoảng cách di chuyển Khi mà Robot di chuyển thẳng đứng độ cản trở đặc trưng Hiệu suất tồn phần Robot di chuyển ngang với vận tốc khơng đổi bề mặt có ma sát có hệ số cản trở Khi chân trượt bề mặt hệ số cản trở đặc trưng hệ số ma sát Cách người tốc độ bình thường có hệ số đặc trưng 0,3 - 0,4 Ở phần ta nhận thấy có khó xác định tham số khối lượng lượng tiêu thụ Ở ta thấy khối lượng lượng tải trọng lượng tiêu thụ q trình di chuyển D Phương thức đẩy thân di chuyển Trong cách Robot để xác định Robot chuyển động theo giải thuật xác định phương pháp chuyển động Robot mà gọi cách Đặc điểm quan trọng việc lại Robot phải điều khiển khả tạo cho Robot di chuyển Cách phương pháp thơng qua chân Robot di chuyển để tạo cho thân Robot di chuyển Động số Hình Trạng thái động số Robot thay đổi theo vị trí trọng tâm cho đảm bảo bảo tồn Hình Trạng thái Robot trọng tâm Robot có chân chân điều khiển động Chúng ta gọi động xoay thẳng đứng trục để thân chân tiến lên trước lùi phía sau ta gọi động θ1 động để nâng chân lên hạ chân xuống ta gọi động θ2, θ3 Nếu chân vng góc với thân ta có giá trị θ1 Nếu chân tiến phía trước ta có góc θ1 dương lùi phía sau âm Giá trị góc θ2, θ3 nằm ngang dương chân cách xa E Giải thuật chuyển động thẳng Giải thuật điều khiển phát triển theo cách tam giác thay đổi Các chân Robot chia làm nhóm chân : chân PA, PC, TB thuộc nhóm thứ chân lại thuộc nhóm hai Giải thuật điều khiển đưa sau : Đầu tiên Robot trạng thái ban đầu Bắt đầu chuyển động chân nhóm chân thứ nâng lên góc θ2, θ3 khỏi mặt đất Sau chân nhóm chân thứ hai xoay sau với góc quay -θ1 thân di chuyển phía trước Ngay sau chân nhóm chân thứ xoay ngược hướng mà nhóm chân thứ hai xoay góc θ1 Lúc nhóm chân thứ hai cách mặt đất khoảng hạ xuống cách xoay động góc -θ2, -θ3 xuống vị trí Sau tất chân động chạm đất nhóm chân thứ nâng lên góc θ2, θ3 Xoay nhóm chân thứ góc -θ1 thân Robot tiếp tục di chuyển lên Nhóm thứ xoay hạ chân xuống vị trí Như lúc chân Robot trở lại vị trí ban đầu Robot di chuyển bước Vị trí cuối thực cách thực bước Để độ dịch chuyển theo phương ngang khơng : Giải thuật điều khiển Robot chuyển động thẳng cθ = cθ10 cθ 20 cθ Để Robot di chuyển đoạn S với n chu kỳ bước : S = 2.L 2.n.cθ 2.sθ = 2.n.L 2.cθ10 cθ 20 tgθ Trang thái ban đầu Nâng nhóm chân thứ Xoay nhóm chân thứ phía sau Xoay nhóm chân thứ tiến lên phía trước Hạ nhóm chân thứ Nâng nhóm chân thứ hai   S  arctg  n c θ c θ 10 20    1− k   θ = arctg   k2    cθ cθ k = 10 20 cθ Như : θ = Với Số bước di chuyển Robot phải thỏa mãn điều kiện sau góc αmin < θ1 < αmax : S S