Tính toán, phân tích, mô phỏng động học và động lực học robot ShrimpII

Hình 1.5: Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe Hình 1.6: Caterpillar robot ROBHAZ_DT3 Hình 1.7: Robot tự hành ShrimpIII của công ty Bluebotics Hình 1.8: Robot người P2 của hãng Honda

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Họ và tên tác giả luận văn NGUYỄN VĂN DƯƠNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC

VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SHRIMPIII

Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN TRỌNG DOANH

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận vănlà do tôi tự nghiên cứu, tìm hiểu Những

tài liệu được trích dẫn trong luận văn đều có ghi chú rõ nguồn gốc, tác giả

Nguyễn Văn Dương

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Robot tự hành SmatROD

Hình 1.3: Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA

Hình 1.4: Robot tự hành 8 bánh Lunokhod

Hình 1.5: Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe

Hình 1.6: Caterpillar robot ROBHAZ_DT3

Hình 1.7: Robot tự hành ShrimpIII của công ty Bluebotics

Hình 1.8: Robot người P2 của hãng Honda (Nhật Bản)

Hình 1.9: Robot Dog Aibo của hãng Sony (Nhật Bản)

Hình 1.10: Phương pháp cân bằng trọng tâm robot bằng dịch đối trọng theo đường

thẳng

Hình 1.11: Phương pháp thay đổi trọng tâm bằng hệ thống thanh nhún song song

Hình 1.12: Phương pháp điều khiển 3 bánh

Hình 1.13: Phương pháp điều khiển cả ba bánh cả dẫn động và tác dụng lái

Hình 1.14: Khung có 2 bánh rẽ phía trước 2 bánh sau chủ động và được kết nối

qua khớp giúp robot luôn ở trạng thái cân bằng

Hình 1.15: Khâu cơ sở liên kết với các khâu động giúp cơ cấu trở nên linh hoạt khi

di chuyển

Hinh 1.16: Hai phần được kết nối qua khớp trụ đứng giúp robot rẽ dễ dàng

Hình 1.17: Kết cấu 5 bánh với 4 bánh dẫn động và 1 bánh lái

Hình 1.18: Kết cấu robot tự hành 6 bánh 2 hàng song song linh hoạt

Hình 1.19: Kết cấu 6 bánh với 2 bánh rẽ phía trước

Hình 1.20: Kết cấu 6 bánh với độ linh hoạt đặc biệt

Hình 1.21: Kết cấu 6 bánh đặc biệt nhất ( cả 6 bánh đều dẫn động và bánh trước và

bánh sau là 2 bánh điều khiển rẽ và quay vòng

Hình 1.22: Kết cấu robot 8 bánh linh hoạt

Hình 1.23: Kết cấu 8 bánh với bộ đôi giá chuyển hướng

Hình 1.24: Kết cấu 8 bánh với 2 phần liên kết bằng khớp trụ

Hình 1.25: Kết cấu 8 bánh, hai phần liên kết bằng khớp cầu

Hình 2.1: Các hệ tọa độ của robot

Hình 2.2: Sự dịch chuyển của B tại vị trí t và t+1

Hình 2.3: Sự dịch chuyển của giá chuyển hướng

Hình 2.4: 3D-Odometry và các biến

Hình 2.5: Quỹ đạo của tâm trọng lực khi leo cầu thang 17cm

Hình 3.1: Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi đông cơ dẫn động

bánh

Hình 3.2: Cơ cấu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân robot ShrimpIII

Hình 3.3: Đặc tính cơ học ( khớp thấp) của cơ cấu

Hình 3.4: Khả năng linh hoạt vượt địa hình của cặp bánh bên thân robot ShrimpIII

Hình 3.5: So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu

Hình 3.6: Kết cấu chân trước robot ShrimpIII

Hình 3.7: Nguyên lý dịch chuyển của chân trước robot ShirmpIII

Hình 3.8: Thông số kỹ thuật của chân trước robot ShrimpIII

Hình 3.9: Chân trước với các thông số kích thước chiều dài

Hình 3.10: Biểu đồ mô phỏng quỹ đạo chuyển động của tâm bánh trước Tb(x,y) khi

thay đổi thông số chiều dài khâu e và khâu d

Hình 3.11: Kết cấu chân sau (chân cố định với thân robot)

Hình 3.12: Sơ đồ tính độ nâng lên của bánh trước khi leo qua vật cản

Hình 3.13: Kết cấu hình bình hành ở trạng thái tĩnh trên nền phẳng

Hình 3.14: Kết cấu chân (hbh) ở trạng thái vượt vật cản

Hình 3.15: Robot ShrimpIII di chuyển trên nền phẳng

Hình 3.16: Quy đổi lực tác dụng về tính trên mỗi hệ động cơ – bánh dẫn

Hình 3.17: Đáp ứng tốc độ quay (n), dòng phần ứng (i u ) khi có bước nhảy điện áp

(u u )

Hình 3.18: Bánh chân trước ShrimpIII tiếp xúc và leo hết bậc cầu thang

Hình 3.19: Bánh chân trước nằm vượt qua bậc thang thứ 1

Hình 3.20: Bánh 21 và 22 vượt mặt đứng bậc thang

Hình 3.21: Trạng thái 3 bánh trước vượt hết bậc trongkhi 3 bánh sau chưa vượt

Hình 3.22: Trạng thái cặp bánh 31 và 32 vượt bậc thang

Hình 3.23: Trạng thái bánh cuối (bánh 4) vượt thành đứng bậc thang

Hình 3.24: Robot ShrimpIII vượt vật cản lệch (1 cặp bánh bên thân vượt vật cản)

Hình 3.25: Trạng thái khi quay vòng hoặc chuyển hướng của robot ShrimpIII

Hình 3.26: Trạng thái robot ShrimpIII xuỗng bậc cao thang

Hình 3.27: Robot ShrimpIII dừng hoạt động khi vật cản chạm động cơ

Hình 3.28: Mô hình động học robot ShrimpIII di chuyển từ điểm P tới điểm G

Hình 3.29: Bản vẽ Thông số kích thước chân trước ShrimpIII

Hình 3.30: Toàn bộ phần chân trước ShrimpIII mô phỏng theo chế tạo

Hình 3.31: Động cơ lái bánh trước và bánh sau

Hình 3.32: Biện pháp kỹ thuật lắp ghép động cơ với càng lái và bánh dẫn

Hình 3.33: Phương pháp kẹp chặt trục động cơ và càng lái

Hình 3.34: Bản vẽ kích thước thiết kế và chế tạo chân sau ShrimpIII

Hình 3.35: Hình ảnh mô phỏng chân sau robot ShrimpIII

Hình 3.36: Bản vẽ kích thước toàn bộ kết cấu hình bình hành (chân bên)

Hình 3.37: Kết cấu bánh với các khâu liên kết kiểu hình bình hành

Hình 3.38: Bản vẽ kích thước phần thân robot ShrimpIII

Hình 3.39: Phần thân Robot ShrimpIII đã gắn ắc quy và camera quan sát

Hình 3.40: Toàn cảnh robot ShrimpIII

LỜI NÓI ĐẦU

Khi nhắc tới “Robot tự hành” ta biết rằng đây là một lĩnh vực công nghệ cao

có ứng dụng rộng lớn và ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của

xã hội khi con người ngày càng muốn tránh tiếp xúc với môi trường, tác nhân gây

hại cho cơ thể như làm việc trong các phòng phản ứng hạt nhân, phòng phân tích

hoá học độc hại, dò tìm bom mìn, chữa cháy tự động v.v… Robot tự hành không

còn là lĩnh vực mới mẻ đối với các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển Nhưng

đối với Việt Nam đây vẫn còn là một lĩnh vực còn rất mới cả về kiến thức lẫn công

nghệ Để có thể giải được các bài toán đặt ra trong di chuyển tự hành của robot là

một vấn đề rất khó khăn đòi hỏi người thiết kế phải có kiến thức về lý thuyết lẫn

thực nghiệm Trên thế giới hiện nay đã có nhiều mẫu robot tự hành được thiết kế,

chế tạo và đưa vào thử nghiệm thực trong những nhiệm vụ đặc biệt Mỗi loại robot

tự hành lại có một ưu điểm và tính năng riêng nhưng những robot tự hành có khả

năng vượt được vật cản có thành thẳng đứng thì số lượng là không nhiều Và trong

số ít đó mẫu robot tự hành Shrimp của hãng Bluebotics Thụy Sỹ có những tính năng

đặc biệt và ấn tượng nhất

Robot ShrimpIII có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: Thăm dò

mìn, khảo sát địa hình nguy hiểm Làm việc trong phòng thí nghiệm hoá học hay

phản ứng hạt nhân Khi ShrimpIII đủ độ cững vững và ổn định thì nó còn có một

thể mang tải để thực hiện nhiệm vụ chữa cháy ,

Được sự đồng ý của bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy Sự hướng dẫn và chỉ

đạo tận tình của TS Nguyễn Trọng Doanh Tôi đã có nhiều thuận lợi khi thực hiện

đề tài “TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG

LỰC HỌC ROBOT SHRIMPIII”

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 2 

LỜI NÓI ĐẦU 5 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔBOT TỰ HÀNH 8 

1.1  Một số mẫu robot tự hành nổi tiếng trên thế giới 8 

1.2  Một số kết cấu bánh dẫn động và điều khiển đặc biệt của robot tự hành 13 

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC RÔBOT SHRIMPIII 22 

2.1  Giới thiệu phương pháp 3D-Odometry 22 

2.2  Phương pháp 3D-Odometry 22 

2.2.1 Sự dịch chuyển của giá chuyển hướng 23 

2.2.2 Sự dịch chuyển 3D 26 

2.3  Kết luận 29 

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TỰ HÀNH SHRIMPIII 30 

3.1  Thiết lập phương trình truyền động giữa động cơ và robot 30 

3.2  Phân tích các thành phần trong kết cấu của robot tự hành ShrimpIII 32 

3.2.1 Cơ cấu hình bình hành (chân giữa) 32 

3.2.2 Chân linh hoạt (chân trước) của Robot ShrimpIII 34 

3.2.3 Chân sau (chân cố định) ngàm cứng với thân robot 39 

3.3  Tính toán chiều cao vật cản tối đa robot ShrimpIII có thể vượt qua được 40 

3.3.1 Chiều cao lớn nhất của vật cản mà chân trước robot ShrimpIII có thể vượt qua40  3.3.2 Chiều cao lớn nhất của vật cản mà 2 bánh ở chân bên có thể vượt qua 43 

3.4  Động học và động lực học trong di chuyển tự hành của robot ShrimpIII 45 

3.4.1 Robot ShrimpIII di chuyển trên địa hình coi như phẳng 46 

3.4.2 Giai đoạn từ khi bánh chân trước ShrimpIII tiếp xúc đến khi leo hết bậc thang đầu tiên 49 

3.4.3 Bánh chân trước lên bám bề mặt bậc 2 trong khi các bánh còn lại vẫn nằm ở bề mặt bậc 1 51 

3.4.4 Hai bánh thân (21 và 22) tiếp xúc và leo lên bậc thứ nhất cầu thang 52 

3.4.5 Ba bánh trước bám mặt bậc thang 2 trong khi 3 bánh sau vẫn nằm ở bề mặt bậc thang thứ nhất 52 

3.4.6 Hai bánh thân (31 và 32) vượt bậc thang thứ nhất 53 

3.4.7 Bánh sau cùng vượt bậc thang 54 

3.4.8 Trường hợp vật cản nhỏ nằm lệch chỉ 2 bánh thuộc cơ cấu hình bình hành vượt vật cản 55 

3.4.9 Robot ShrimpIII quay vòng và chuyển hướng khi di chuyển trên nền phẳng 56 

3.4.10  Tính toán trường hợp nguy hiểm khi robot xuống cầu thang 57 

3.4.11  Các trường hợp robot bị dừng chuyển động do vật cản nằm vị trí cản đặc biệt và giải pháp khắc phục 58 

3.4.12  Thiết lập phương trình động học robot ShrimpIII trong toạ độ phẳng 59 

3.5  Kích thước thiết kế, mô hình mô phỏng và giải pháp kỹ thuật khi chế tạo 60 

3.5.1 Chân trước( chân linh hoạt ) 60 

3.5.2 Chân sau ( chân cố định với thân) 63 

3.5.3 Chân bên ( kết cấu khung linh hoạt hình bình hành) 64 

3.5.4 Thân robot 66 

KẾT LUẬN 69 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔBOT TỰ HÀNH

Ngày nay, trong sự phát triển của nền công nghiệp cũng như sự phát triển

vượt bậc của khoa học kỹ thuật thì con người dần dần giảm thiểu tối đa phải tiếp

xúc những công việc nguy hiểm và nặng nhọc Để có thể đảm nhiệm thay thế con

người ở những công việc như vậy đòi hỏi thiết bị phải có khả năng thay thế được

con người cả về phương diện trí tuệ lẫn độ linh hoạt Vì vậy robot tự hành là một

giải pháp tối ưu cho công việc đó

Hình 1.1 Robot tự hành SmatROD

Đặc tính có thể mang trọng tải và di chuyển tự động trên nền phẳng Về kết

cấu mẫu robot tự hành này tương tự một hệ thống nâng chuyển được điều khiển

hoàn toàn tự động

Hình 1.2 Mantis Robot

Đặc điểm của Robot Mantis là khả năng leo địa hình đặc biệt là cầu thang

Tuy nhiên về kết cấu phần cơ khí của hệ thống thì còn nhiều yếu tố chưa hoàn hảo

khi chuyển động Hình dạng bánh không cân xứng dẫn tới mất cân bằng và phân bố

lực không đều khi chuyển động

Hình 1.3 Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA

Đặc điểm của các mẫu robốt tự hành này là tính ổn định và bền vững trước

những yễu tố tác động của môi trường Được trang bị những hệ thống cảm biến hiện

đại và hệ thống điều khiển tối ưu Năng lượng cấp cho toàn hệ thống được chuyển

đổi trực tiếp từ năng lượng tự nhiên (năng lượng từ mặt trời) thông qua hệ thống pin

quang học

Hình 1.4 Robot tự hành 8 bánh Lunokhod

Hình 1.5 Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe

Robot Lauron II là loại di chuyển bằng chân có khả năng thích nghi tốt với

địa hình tự nhiên nhờ khả năng tự đảm bảo cân bằng của nó Tuy nhiên nó có kết

cấu cơ khí quá phức tạp, đòi hỏi sự điều khiển cực tốt và thường có tốc độ rất chậm

Hình 1.6 Caterpillar robot ROBHAZ_DT3

của Viện Khoa học và Công Nghệ Hàn Quốc ( KIST )

Robot chạy bằng xích có khả năng vượt chướng ngại vật tốt nhờ sự vững

chắc và hệ số ma sát động cao Tuy nhiên do ma sát lớn nên robot gặp khó khăn

trong việc xoay chuyển và nếu một động cơ của cơ cấu bánh xích bị hỏng sẽ làm

robot mất hoàn toàn tính linh hoạt

Hình 1.7 Robot tự hành ShrimpIII của công ty Bluebotics

Đây là một mẫu robot tự hành có kết cấu ấn tượng và tính năng vượt trội với

những địa hình có chiều cao trung bình và phức tạp Những điểm đặc biệt của nó sẽ

được nói tới trong những phần sau

Hình 1.8 Robot người P2 của hãng Honda (Nhật Bản)

Hình 1.9 Robot Dog Aibo của hãng Sony (Nhật Bản)

Hình 1.8 và 1.9 là 2 mẫu robot đặc biệt mô phỏng theo hình dáng của các

sinh vật thực là con người và loài chó Có thể nói 2 mẫu robot này là sự tích hợp

hoàn hảo và đòi hỏi độ chính xác cao và được trang bị những phần tử hiện đại nhất

tự hành

1.2.1 Phương pháp thay đổi trọng tâm đối trọng khi robot di chuyển trên địa hình

Hình 1.10 Phương pháp cân bằng trọng tâm robot bằng dịch đối trọng theo đường

thẳng

Hình 1.11 Phương pháp thay đổi trọng tâm bằng hệ thống thanh nhún song song

1.2.2 Kết cấu bánh khi di chuyển thẳng và khi rẽ hay quay vòng

Hình 1.12 Phương pháp điều khiển 3 bánh

Trong phương pháp này 2 bánh sau là bánh chủ động điều khiển tịnh tiến và

rẽ còn bánh trước chỉ đóng vai trò tự lựa và cân bằng tải trọng

Hình 1.13 Phương pháp điều khiển cả ba bánh cả dẫn động và tác dụng lái

Hình 1.14 Khung có 2 bánh rẽ phía trước 2 bánh sau chủ động và được kết nối qua

khớp giúp robot luôn ở trạng thái cân bằng

Hình 1.15 Khâu cơ sở liên kết với các khâu động giúp cơ cấu trở nên linh hoạt khi

di chuyển

Hinh 1.16 Hai phần được kết nối qua khớp trụ đứng giúp robot rẽ dễ dàng

Hình 1.17 Kết cấu 5 bánh với 4 bánh dẫn động và 1 bánh lái

Hình 1.18 Kết cấu robot tự hành 6 bánh 2 hàng song song linh hoạt

Hình 1.19 Kết cấu 6 bánh với 2 bánh rẽ phía trước

Hình 1.20 Kết cấu 6 bánh với độ linh hoạt đặc biệt

Hình 1.21 Kết cấu 6 bánh đặc biệt nhất ( cả 6 bánh đều dẫn động và bánh trước và

bánh sau là 2 bánh điều khiển rẽ và quay vòng

Hình 1.22 Kết cấu robot 8 bánh linh hoạt

Hình 1.23 Kết cấu 8 bánh với bộ đôi giá chuyển hướng

Hình 1.24 Kết cấu 8 bánh với 2 phần liên kết bằng khớp trụ

Hình 1.25 Kết cấu 8 bánh, hai phần liên kết bằng khớp cầu

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC RÔBOT

SHRIMPIII

2.1 Giới thiệu phương pháp 3D-Odometry

Phần lớn các rôbot tự hành được thiết kế chạy trong nhà hoặc môi trường bằng

phẳng Ở những địa hình không bằng phẳng rất nhiều vấn đề phát sinh Các bánh

xe dễ bị trượt hơn bởi vì cấu trúc ghồ ghề của đất và sai số xác định vị trí có thể

tăng lên một cách nhanh chóng Để hạn chế điều đó chúng ta có 2 cách tác động

trực tiếp vào: một là cải thiện kết cấu cơ khí, hai là thiết kế bộ điều khiển thông

minh Một kỹ thuật mới được gọi là 3D-Odometry sẽ cung cấp số liệu chuyển động

3D của rôbot ShrimpIII sẽ được giới thiệu trong chương này

2.2 Phương pháp 3D-Odometry

3D-Odometry được sử dụng rộng rãi cho các rôbot chuyển động trên bề mặt bằng

phẳng thậm trí ghồ ghề Các phương trình cũng được biết đến và cho phép để ước

lượng vị trí và hướng của rôbot tức là [xπ, yπ, ψ] T trong mặt phẳng π Vector này

được cập nhật bằng cách tích hợp chuyển động gia tăng giữa hai chuyển động liên

tiếp Các lỗi được giảm thiểu bằng cách giữ thời gian giữa các lần cập nhật càng

nhỏ càng tốt

Cách tính toán 3D-Odometry có thể được chia thành hai bước: ước lượng dịch

chuyển của giá chuyển hướng bên trái và bên phải của robot (mục 2.2.1) và tính

toán của kết quả dịch chuyển 3D của trọng tâm rôbot (phần 2.2.2) Hình 2.1 giới

thiệu các hệ tọa độ và các biến rôbot

Hình 2.1: Các hệ tọa độ của rôbot

2.2.1 Sự dịch chuyển của giá chuyển hướng

Đối với rôbot ShrimpIII, chúng ta phải cân nhắc tới sự chuyển hướng bên

phải và bên trái của giá chuyển hướng để tính toán sự chuyển động của rôbot Mục

đích của phần này là miêu tả cách tính toán sự dịch chuyển (∆,µ) của 1 giá chuyển

hướng khi biết sự dịch chuyển của các bánh xe (ER và EF) và sự thay đổi góc

chuyển hướng giữa trạng thái ban đầu và cuối cùng (hình 2.1, 2.2 và 2.3)

Để tính toán sự chuyển động của L, ta làm theo 2 bước Đầu tiên ta tính toán sự

dịch chuyển của B và sau đó truyền sự chuyển động này qua cấu trúc cơ của phía

chuyển hướng để tính toán sự chuyển động hiệu quả

R

R' R''

O

Z

X

F F'

tr¹ng th¸i t+1

B' B

Những phương trình này có thể được giải quyết cho φw và ρw (với ER, EF và ε là

tham số) Tuy nhiên, hệ thống cân bằng này có thể bị mâu thuẫn trong một số

trường hợp Ví dụ: nếu thay đổi ε bằng không thì khi đó ER phải cân bằng với EF

bởi vì khoảng cách giữa các bánh xe là cố định (Hình 3.2) Trong thực tế, ER và EF

có thể khác bởi vì bánh xe có thể trượt và có tốc độ khác nhau Khi sự sắp xếp các

tham số xây dựng 1 hệ thống phương trình trái nhau đơn giản chúng ta cho là sự

dịch chuyển của tổng giá chuyển hướng là trung bình của sự di chuyển các bánh xe

Khi đó, định lý sin được áp dụng cho tam giác RR’R’’ (hình 2.2) để được ∆x' và

∆z' cái mà là sự kết hợp của sự di chuyển của B đã được nói rõ trong hệ thống kết

hợp của thanh di chuyển Obxbzb

Hình 2.3 chỉ rõ các tham số cho việc tính toán sự vận động của L xem xét đến sự

vận động của B và cấu trúc cơ học của thanh di chuyển song song

Xb Zb

r Z r X

R

R R'

F'

ER EF

tr¹ng th¸i t tr¹ng th¸i t+1

φ 1

L

L'

µ η

θ 1 w

φ

2

φ k+s+s'

B B'

L: hình chiếu tâm O rôbot trong

mặt phẳng trái giá chuyển hướng

hướng

Góc thanh di chuyển có hiệu quả thay đổi giữa trạng thái t và t+1 có được bằng

cách sử dụng

ε θ= +φ − θ θ+ (2.6)Bởi vì vị trí tương đối của L và B phụ thuộc và cấu hình của thanh di chuyển, nên

sự di chuyển của B và L không giống nhau Ảnh hưởng này cần phải được đưa vào

tính toán sự di chuyển hiệu quả của L Xem xét đến tần số góc thay đổi, sự dịch

chuyển giữa t và t+1 là nhỏ, những sự chính xác tăng lên được đưa ra bởi:

( ').(sin sin )( ').(cos cos )

Tiếp đó cx và cy phải được thêm vào ∆x’, ∆z’ để có được những sự dịch chuyển

hiệu quả của điểm L được miêu tả trong hệ tọa độ Obxz

Ở phần trước đã chỉ ra cách tính toán sự dịch chuyển (∆ và η) của 1 giá chuyển

hướng Mục đích của phần này là lập phương trình tính toán sự dịch chuyển của

trọng tâm O rôbot bằng cách sử dụng sự dịch chuyển trái và phải của giá chuyển

hướng Theo cách đó, kí hiệu l và r được sử dụng để biểu thị mối liên hệ giữa giá

chuyển hướng trái và phải Ví dụ, ηr là sự dịch chuyển góc của giá chuyển hướng

bên phải được xác định trong mặt phẳng πr và ∆r là tiêu chuẩn của sự dịch chuyển

Sơ đồ chính cho 3D-Odometry được mô tả trong hình 2.4

tr¹ng th t+1

W b : khoảng cách giữa 2 mặt phẳng giá chuyển hướng

C,C’: vị trí lúc đầu/cuối của tâm giá chuyển hướng phải

L,L’: vị trí lúc đầu/cuối của tâm giá chuyển hướng trái

O,O’: vị trí lúc đầu/cuối của tâm rôbot

ηl ,ηr : sự dịch chuyển góc trái/phải

∆ r ,∆ l : sự dịch chuyển tuyệt đối phải/trái πl , πr : mặt phẳng trái/phải

πb : mặt phẳng song song với Oxz và chứa C

Hình 2.4: 3D-Odometry và các biến Các ηr ηl góc và xác định trong mặt phẳng πr và πl có chứa C và L' C 'và L' nằm

trên vòng tâm C và L với bán kính ∆r và ∆l trong mặt phẳng πr πl tương ứng Điều

đó dẫn tới những ràng buộc sau:

Giải 9 phương trình với 9 ẩn số từ 3.11 đến 3.19 dẫn đến đáp án cho véc tơ OC',

'

OL và OO' Góc lệch tăng được tính bằng phương trình 3.20

Ví dụ chuyển động của trọng tâm khi rôbot leo cầu thang (hình 2.5) Trọng tâm

của xe đi lên 10% khi bánh trước ở trên cầu thang Sau khi bộ bánh đầu tiên được

trợ giúp bởi di chuyển của chân trước trọng tâm lên 50% Bộ bánh thứ 2 và bánh

sau mối thứ đóng góp xấp xỉ 25% Điều này cho ta thấy kết cấu cơ khí này cho phép

trọng tâm chuyển động dễ dàng

Hình 2.5 Quỹ đạo của tâm trọng lực khi leo cầu thang 17cm

2.3 Kết luận

Chương này đã miêu tả một phương pháp mới được gọi là 3D-Odometry, nó đã

chỉ ra hiệu suất tốt hơn so với phương pháp tiêu chuẩn đã được sử dụng trước đây

Sự ước lượng vị trí được cải thiện đáng kể khi thiết bị điều khiển vượt qua chướng

ngại vật có độ dốc bởi vì phương pháp đã tính đến độ dốc không liên tục và mô hình

động học

Khi được kết hợp với 3D-Odometry, thiết kế này cho phép sử dụng Odometry như

là một phương tiện để ước lượng sự dịch chuyển của thiết bị di chuyển trong địa

hình không bằng phẳng Hơn nữa, chất lượng của Odometry có thể được cải thiện

đáng kể khi sử dụng một thiết bị điều khiển thông minh làm giảm tối đa sự trượt của

bánh xe

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC

HỌC ROBOT TỰ HÀNH SHRIMPIII

3.1 Thiết lập phương trình truyền động giữa động cơ và robot

Hình 3.1 Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi đông cơ dẫn động

bánh

Ta nhận thấy rằng ở mỗi trạng thái dịch chuyển của robot ShrimpIII trên các

địa hình khác nhau thì vận tốc và điều kiện làm việc của mỗi động cơ trong 6 động

cơ dẫn động có thể giống nhau hoặc khác nhau Do đó ta quy đổi thành phần tải

trọng và lực cả cố định lẫn ngẫu nhiên tác động lên mỗi trục động cơ chịu tải của

mỗi bánh dẫn động

Gọi:

W là năng lượng đưa vào mỗi động cơ điên

Wt là năng lượng tiêu thụ của robot ShrimpIII quy đổi về mỗi động cơ

∆W là mức chênh năng lượng giữa năng lượng đưa vào và năng lượng tiêu

2

1 1 1

ωω

d dt

dW dt

ở mỗi bánh:

Tdc + M can

dt

dJ dt

Do Mômen quán tính thường là hằng số theo thời gian hoặc có thay đổi thì giá trị

thay đổi không đáng kể nên

dt

dJ

ta coi như = 0 trong tính toán

Vậy phương trình động lực học rút gọn lại sẽ là:

J ω (3.6)

3.2 Phân tích các thành phần trong kết cấu của robot tự hành ShrimpIII

3.2.1 Cơ cấu hình bình hành (chân giữa)

Hình 3.2 Cơ cấu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân robot ShrimpIII

Có thể đưa ra một nhận xét rằng Trong một tổng thể hoàn hảo về kết cấu của

robot tự hành Me-ShrimpVn thì phương án kết cấu hình bình hành cho cặp bánh

bên thân là kết cấu ấn tượng và hoàn hảo nhất

Hình 3.3 Đặc tính cơ học ( khớp thấp) của cơ cấu

Nếu xét trong cơ học thì ta nhận thấy ngay kết cấu có chứa những ràng buộc

thừa không cần thiết Nhưng đối với Robot Me-ShrimpVn thì đó lại cần thiết để

tăng thêm độ cững vững cho cả hệ thống khi dịch chuyển

Điểm đáng chú ý của kết cấu hình bình hành là tính linh hoạt khi dịch chuyển

trên địa hình không bằng phẳng, điều này ta sẽ thấy rõ trong (hình 3.4)

Hình 3.4 Khả năng linh hoạt vượt địa hình của cặp bánh bên thân robot ShrimpIII

Với kết cấu hình bình hành cho cặp bánh thân bên Robot ShrimpIII có thể

vượt địa hình phức tạp một cách đơn giản và nhẹ nhàng ( hình 3.4a), trong khi đó

với kết cấu cẩu thẳng theo kiểu cổ điển (hình 3.4b) thì trong khi vượt địa hình chỉ

cần chiều cao vật cản ≥ bán kính bánh thì hệ thống đã bị chặn lại, điều này cho thấy

sự khó khăn khi di chuyển trên địa hình của bộ giá phẳng và sự linh hoạt của cơ cấu

hình bình hành dù mức năng lượng cấp cho hai hệ thống này là hoàn toàn giống

nhau

Truc quay

Tâm quay a'o

Tâm quay thuc

Hình 3.5 So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu

a) Cơ cấu: bánh với khâu hình bình hành b) Có cấu: bánh với khâu thẳng trực tiếp

3.2.2 Chân linh hoạt (chân trước) của Robot ShrimpIII

( Kết cấu:

Hình 3.6 Kêt cấu chân trước robot ShrimpIII