Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao của Robot bốn chân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TẠ LÊ SƠN HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ỔN ĐỊNH ĐỘ CAO CỦA ROBOT BỐN CHÂN Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 60.52.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2016 Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Trần Thiên Phúc Cán chấm nhận xét : PGS.TS Phạm Huy Hoàng Cán chấm nhận xét : PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Phạm Huy Hoàng PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương PGS.TS Thái Thị Thu Hà PGS.TS Đặng Van Nghìn TS Hồ Triết Hưng „ Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG HVTH: Tạ Lê Sơn Hà TRƯỞNG KHOA i Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Tạ Lê Sơn Hà MSHV: 7140341 Ngày, tháng, năm sinh: 13/06/1991 Nơi sinh: Lâm Đồng Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 60.52.01.03 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ỔN ĐỊNH ĐỘ CAO ROBOT BỐN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tính tốn động học cho chân Robot Giải thuật ổn định cao độ mặt thân robot robot di chuyển mặt ngang, lên dốc III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS TrầnThiên Phúc Tp HCM, ngày thặng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) HVTH: Tạ Lê Sơn Hà Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, muốn cảm ơn gia đình Bố mẹ ln người động viên cho tiến lên sống ủng hộ định Tôi hồn thành luận vãn khơng có giúp đỡ, hướng dẫn tận tình từ thầy trực tiếp hướng dẫn làm luận vãn Ngay từ lúc bắt đầu hoàn thành luận vãn này, Thầy hướng dẫnm tạo điều khiên thuận lợi cấp đầy đủ thiết bị để thực mơ hình Với trân trọng cảm kích tơi xin gửi lời cám ơn trực tiếp tới PGS.TS Trần Thiện Phúc, người thầy trực tiếp hướng dẫn luận văn cho lời khuyên xác đáng kịp thời lúc gặp khó khăn Tơi xin gửi lời cảm ơn tới q thầy khoa Cơ khí giúp đỡ tơi q trình làm luận văn bỏ thời gian quý báu để nhận xét đề tài Tôi xin cảm ơn tất quý thầy tham gia giảng dạy chương trình Kỹ thuật khí khóa 2014-2016 trang bị cho tơi kiến thức bổ ích suốt thời gian theo học Cuối cùng, xin cám ơn ngừoi bạn thân thiết trải qua vui buồn suốt hai năm học Tôi xin chân thành cảm ơn Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng năm 2016 Tạ Lê Sơn Hà HVTH: Tạ Lê Sơn Hà Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân” bao gồm chương, với phần sau đây: • Tìm hiểu tổng quan robot di chuyển chân • Tìm hiểu tiêu chuẩn ổn định robot bước • Tìm hiểu dáng robot dùng chân • Bài tốn động học chân robot • Giải thuật điều khiển robot để ổn định độ cao • Hoạch định dáng mơ di chuyển robot Mục đích luận văn tìm hiểu giải thuật để ổn định độ cao mặt phẳng thân robot, đảm bảo mặt song song với mặt đất (vng góc với hướng trọng lực) Ta nghiên cứu giải thuật, sau mô giải thuật phần mềm HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv MỤC LỤC V DANH SÁCH HÌNH ẢNH vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 1.1 Giới thiệu robot: 1.2 Giới thiệu robot di chuyển chân: 1.3 Lịch sử hình thành sổ cột mốc robot bổn chân: 1.4 Ưu điểm hệ thống Robot di chuyển chân: 11 1.5 Nhược điểm hệ thống robot dỉ chuyển chân: 14 1.6 Mục tiêu luận văn: 16 1.7 Nội dung luận văn: 16 Chương 2: TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA ROBOT 18 2.1 Giới thiệu: 18 2.2 Tiêu chuẩn đánh giá ổn định: 19 2.2.1 Tiêu chuẩn cân động học: 19 2.2.2 Tiêu chuẩn cân lượng: 21 2.2.3 Tiêu chuẩn cân động lực học: 23 Chương 3: DÁNG ĐI CỦA ROBOT BƯỚC 29 3.1 Khái niệm: 29 3.1.1 Giới thiệu dáng đi: 29 3.1.2 Một số khái niệm: 31 3.2 Dáng liên tục (Continous Gait): 33 3.3 Dáng không liên tục (Discontinous Gaits): 34 3.3.1 Dáng không liên tục phase: 34 3.3.2 Dáng di chuyển không liên tục phase: 40 3.3.3 Dáng nghiêng không liên tục phase 40 3.3.4 Dáng xoay không liên tục: 44 3.4 Dáng không theo chu kỳ: 44 HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Chương 4: ĐỘNG HỌC ROBOT 46 4.1 Giới thiệu chung: 46 4.1.1 Động học thuận: 46 4.1.2 Động học ngược: 50 4.2 Giới thiệu robot thực nghiệm: 50 4.3 Tính tốn động học cho robot: 52 Chương 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT 57 5.1 Giới thiệu giải thuật điều khiển robot: 57 5.2 Giải thuật điều khiển robot để ổn định độ cao mặt phẳng robot: 59 5.2.1 Hướng robot di chuyển thẳng góc với mặt phẳng nghiêng: 61 5.2.2 Trường hợp Robot di chuyển song song với góc mặt nghiêng: 66 5.2.3 Trường hợp robot di chuyển theo phương xiên với mặt nghiêng: 67 5.3 Mô dáng robot: 70 Chương 6: KẾT LUẬN 79 6.1 Đánh giá; 79 6.2 Hướng phát triển đề tài: 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 81 HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc DANH SÁCH HÌNH ẢNH CHƯƠNG Hình 1.1 Robot có gốc cố định Hình Robot di chuyển bánh xe Hình 1.3 Metallic Tank (Tracked robot) Hình Hexapods (Legged robot) Hình 1.5 Robot Chebyshev Hình Nguyên lý cấu bốn .7 Hình Con Ngựa khí (“The Mechanical Hourse”) Hình General Electric Quadruped Hình Robot Phoney Pony 10 Hình 10 Robot SCOUT-I 10 Hình 11 Robot SCOUT-II 11 CHƯƠNG Hình Tiêu chuẩn cân robot 20 Hình 2 Tiêu chuẩn cân lượng 21 Hình Lực tác động lên robot cấu tác động 24 Hình Phân tích lực Ương tiêu chuẩn cân lực- góc 26 Hình 2.5 Phân tích lực Ương giới cân động lực họctiêu chuẩn 28 CHƯƠNG Hình 3.1 Chuỗi di chuyển chân robot bốn chân 29 Hình khái niệm vùng hoạt động chân 31 Hình 3 Thứ tự di chuyển chân dáng không liên tục 35 Hình Dáng không liên tục 2phase 36 Hình Giảng đồ thời gian di chuyển chân thân dáng khơng liên tục .36 Hình Giảng đồ dáng cho dáng không liên tục liên tục với 0=7/9 39 Hình Các trường hợp quỹ đạo (A,B) chân dáng nghiêng khơng liên tục 41 Hình Điểm đặt chân vùng làm việc dáng nghiêng không liên tục 42 Hình Các trường hợp quỹ đạo (C,D) chân dáng nghiêng không liên tục 43 CHƯƠNG Hình 4.1 Chuyển hệ trục tọa độ 47 Hình Xác định thông số khâu 49 Hình 4.3 Mơ hình robot 50 Hình 4 Kết cấu chân robot 51 Hình Thơng số động servo 51 Hình Mơ hình thơng số robot .52 HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc CHƯƠNG Hình 5.1 Thứ tự bước robot 58 Hình Trường hợp robot chạm dốc 59 Hình 5.3 Trường hợp chân gặp dốc nghiên xuống 60 Hình Trường hợp chân bước lên dốc nghiêng lên 61 Hình 5 Di chuyển thân chân gặp dốcnghiêng lên 62 Hình Trường hợp hai chân gặp dốc nghiêng lên 63 Hình Trng hợp chân bước xuống dốc 64 Hình Thân di chuyển trường hợp chân xuống dốc 64 Hình Trường hợp hai chân bước xuống dốc nghiêng 65 Hình 5.10 Thân di chuyển trường hợp hai chân bước xuống dốc 65 Hình 5.11 Trường hợp chân hạ xuống tới hạn chưa chạm đất 66 Hình 5.12 Trường hợp hướng di chuyển thân song song với mặt nghiêng 67 Hình 5.13 Trường hợp robot di chuyển theo hướng xiên với mặt nghiêng 68 Hình 5.14 Thơng số chân bước theo hướng xiên với mặt nghiêng 69 Hình 5.15 Robot di chuyển mặt phẳng 70 Hình 16 Tọa độ chân di chuyển hệ trục tọa độ 70 Hình 17 Chân di chuyển theo thời gian 71 Hình 5.18 Robot di chuyển lên dốc 71 Hình 19 Tọa độ chân hệ trục tọa độ 72 Hình 20 Tọa độ z chân theo thời gian 72 Hình 21 Góc nghiêng mặt thân theo thời gian 73 Hình 22 Độ cao thân theo thời gian 73 Hình 23 Chân xiên lên dốc 74 Hình 24 Tọa độ chân theo phương X 74 Hình 25 Tọa độ z chân theo thời gian 75 Hình 26 Góc nghiêng thân theo thời gian 75 Hình 27 Độ cao thân theo thời gian 76 Hình 28 Trình tự bước robot 77 Hình 29 Robot di chuyển lên dốc nghiêng 78 Hình 30 Thân robot di chuyển lên dốc nghiêng 78 HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc DANH SÁCH BẢNG BIỂU Lưu đồ Quá trình di chuyển robot 57 Lưu đồ Thứ tự bước di chuyển robot 58 Lưu đồ Các trường hợp robot di chuyển với thân ổn định song song với mặt đất 60 Lưu đồ Các trường hợp di chuyển gặp mặt nghiêng 61 HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Trong trường hợp chân hạ xuống hết mức chưa chạm đất chân co lại theo phương ngang đến lúc chạm đất Lúc đó, chân di chuyển đoạn L, di chuyển xuống khoảng Hl Đây trường hợp tương tự với trường hợp lúc chân lên dốc Khi thân di chuyển theo phương xiên, với khoảng cách Lị / theo phương ngang, Hl theo phương dọc 5.2.2 Trường họp Robot di chuyển song song vói góc mặt nghiêng: Hình 5.12 Trường hợp hướng di chuyển thân song song vói mặt nghiêng Trong trường hợp robot di chuyển theo phương song song với mặt nghiêng Mỗi bên cặp chân cách thân đoạn H1 H2 Nếu giá trị nằm khoảng giới HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc hạn chiều cao H robot, robot tiếp tục di chuyển theo hướng Các giá trị góc khớp cặp chân bên 5.2.3 Trường hợp robot di chuyển theo phương xiên với mặt nghiêng: Cho giả thuyết robot di chuyển theo phương nghiêng với phương ngang góc p , lên mặt nghiêng góc a HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Hình 5.13 Trường hợp robot di chuyển theo hướng xiên với mặt nghiêng Khi đó, sau chân sau bước đoạn L,, chân trước tiếp tục bước đoạn L, Tương tự lúc chân bước lên dốc, chân robot dừng lại chạm phải mặt đất Ở trường họp này, chân bước lên đoạn cao ỉỉ? HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Hình 5,14, Thơng số chân bước theo hướng xiên với mặt nghiêng Nhờ vào góc xoay khớp, ta tính tốn đoạn di chuyển theo phương thẳng đứng chân H chân Ta có: A ta ga B H = tag /3 tag a,tag /3 L=-JA2+B2+H2 Từ tính giá trị LịVà L2 Sau chân di chuyển, thân di chuyển theo phương nghiêng góc /3 với phương thẳng góc với mặt nghiêng Khoảng di chuyển thân tính nửa giá trị chân di chuyển ngắn thân nhích lên theo phương thẳng đứng đoạn II ỵ - H2 HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc • Mơ phần mềm Matlab Sử dụng phần mềm matlab để thể dáng robot trường hợp robot lên dốc ngang Sau xem thơng số chiều cao vị trí thân để xác định trình di chuyển thân robot Trường hợp thẳng HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Hình 5.17 Chân di chuyển theo thòi gian Trường hợp di chuyển lên dốc: Hình 5.18 Robot di chuyển lên dốc HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Hình 5.19 Tọa độ chân hệ trục tọa độ Hình 5.20 Tọa độ z chân theo thời gian HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Hình 21 Gốc nghiêng mặt thân theo thòi gian Hình 5.22 Độ cao thân theo thời gian HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Trường hợp di chuyển xiên lên dốc: Hình 23 Chân xiên lên dốc Hình 5.24 Tọa độ chân theo phưong X HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Hình 5, 25, Tọa độ z chân theo thời gian - -1 Bo4 ckdBlri ■ ■ _ _ Hình 26 Góc nghiêng thân theo thòi gian HVTH: Tạ Lê Sơn Hà viii Nghiên cứu giải thuật ổn định độ cao robot bốn chân GVHD: PGS.TS.Trần Thiên Phúc Body high hy tim* lime