Điều khiển biped walking robot

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ TẤN CƯỜNG ĐIỀU KHIỂN BIPED WALKING ROBOT Chuyên ngành : Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2008 i CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : ………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: ………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: ………………………………………………………………………… ii Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ Trường Đại Học Bách Khoa, ngày …… tháng …… năm 2008 iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO – HẠNH PHÚC - -Tp HCM, ngày …… tháng …… năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : LÊ TẤN CƯỜNG Ngày, tháng, năm sinh : 09-09-1981 Chuyên ngành : Tự Động Hoá I.TÊN ĐỀ TÀI : Phái : Nam Nơi sinh : Tp Hồ Chí Minh MSHV : 01506345 ĐIỀU KHIỂN BIPED WALKING ROBOT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát phương thức di chuyển robot hai chân - Tìm hiểu, thiết kế module phần cứng giành cho robot - Xây dựng mô hình động học, động lực học, điều khiển PD cho mô hình Biped Robot liên kết di chuyển chân không gian 2D III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …………………… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …………………… V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày …… tháng …… năm 2008 TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH iv Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy PGS TS Dương Hồi Nghĩa q trình nghiên cứu đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy mơn Tự động hóa giúp đỡ hỗ trợ em nhiều Xin chân thành cảm ơn Anh, Chị lớp Tự động hóa 06 bạn khác hỗ trợ thời gian thực luận văn Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2008 Học viên Lê Tấn Cường v TĨM TẮT LUẬN VĂN Với trình độ khoa học cơng nghệ tiên tiến người ngày có nhiều hội để tận hưởng tiến kỹ thuật mà khoa học mang lại Nền khoa học ngày phát triển hệ robot đời ngày thông minh hình thành hệ robot giống người (humanoid robot) có khả phục vụ tốt cho nhu cầu sản xuất cơng nghiệp, giải phóng người khỏi cơng việc khó khăn,cũng trợ giúp người sống thường ngày Vì vậy, biped robot đề tài nghiên cứu ứng dụng lớn nhà khoa học bước phát triển cao kỹ thuật robot Đề tài gồm có chương: Chương Tổng quan Chương Các khái niệm Chương Phân tích phương thức di chuyển Chương Thiết kế khí Chương Thiết kế phần mạch điện Chương Thiết kế phần mềm điều khiển Chương Mơ hình đối tượng biped liên kết Chương Xây dựng mô hình simulink mơ biped liên kết Chương Thiết kế dáng đi, điều khiển xây dựng giao diện mô tả dáng cho biped Chương 10 Kết luận hướng phát triển vi ABSTRACT With the progress of science, many robotic generations were generated, and become more and more complex and intelligent One of that is the important field calls “Humanoid Robot” which is very usefull and efficient in industry, and in ordinary life So, Biped Robot has become the large research of many scientists and the highest progress in robotic nowaday This thesis contains: Chapter Chapter Chapter Chapter Chapter Chapter Chapter Chapter Chapter Chapter 10 Overview Conceptual knowledge Analysis of human gait Mechanics Hardware Software Biped robot model Simulation Design the controller and software interface for biped robot Conclusion vii MỤC LỤC Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu CHƯƠNG : TỔNG QUAN X Xiii 1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.3 Khái quát luận văn CHƯƠNG : CÁC KHÁI NIỆM 10 2.1 Mô tả hệ trục 11 2.2 Vấn đề di chuyển biped robot 12 2.3 Tính ổn định 13 CHƯƠNG : PHÂN TÍCH PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN CỦA NGƯỜI 18 3.1 Dáng người 19 3.2 Dáng người trình di chuyển thẳng 22 3.3 Di chuyển theo đường vòng 24 3.4 Các vấn đề cần quan tâm thiết kế robot 25 CHƯƠNG : THIẾT KẾ CƠ KHÍ 26 4.1 Giới thiệu 27 4.2 Mơ tả khái quát thể người 27 4.3 Cơ cấu khớp nhiều bậc tự 30 4.4 Phần thân 32 4.5 Thiết kế chi 34 CHƯƠNG : THIẾT KẾ PHẦN MẠCH ĐIỆN 39 viii 5.1 Giới thiệu mạch điện robot 40 5.2 Lựa chọn cảm biến dùng cho robot 42 5.3 Cơ cấu chấp hành 44 5.4 Module hình HMI 52 5.5 Module wireless RF 55 5.6 Board mạch 56 5.7 Pin cho robot mạch giám sát dung lượng pin 57 5.8 Kết luận phần mạch điện cho robot 61 CHƯƠNG : THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 63 6.1 Khái quát phần mềm sử dụng robot 64 6.2 Các chương trình xây dựng ARM 64 6.3 Các gói phần mềm máy tính 67 6.4 Kết luận phần mềm xây dựng cho robot 71 CHƯƠNG : MƠ HÌNH ĐỐI TƯỢNG BIPED THANH LIÊN KẾT 72 7.1 Giới thiệu đối tượng 73 7.2 Động học robot 74 7.3 Động lực học robot 76 CHƯƠNG : XÂY DỰNG MƠ HÌNH SIMULINK MƠ PHỎNG 84 8.1 Cấu trúc mơ hình Simulink mơ Robot Biped 85 8.2 Sơ đồ khối Simulink cho khối động lực học robot 89 8.3 Sơ đồ khối Simulink cho khối tạo lực tiếp xúc đất 92 8.4 Sơ đồ khối Simulink cho khối tạo giới hạn góc khớp xoay 94 CHƯƠNG : THIẾT KẾ DÁNG ĐI, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG GIAO DIỆN MÔ TẢ DÁNG ĐI CHO BIPED 95 9.1 Giới thiệu vấn đề cần giải 96 9.2 Sơ đồ mô điều khiển đối tượng 97 ix 9.3 Thiết kế dáng cho Biped 97 9.4 Thiết kế điều khiển 103 9.4 Kết mô 106 9.6 Giao diện mô tả dáng Robot Biped 108 CHƯƠNG 10 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 110 10.1 Kết luận 110 10.2 Hướng phát triển đề tài 111 Tài liệu kham khảo 113 Phụ lục A Smart Servo B Mạch cảm biến đo lực dùng Strain Gauses C Phương trình động học Biped liên kết D Sơ đồ nguyên lý mạch điện E Bảng vẽ thiết kế Robot Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot Tay Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 10 Chân Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 11 Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 12 Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 13 Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 14 Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 15 Bàn chân Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 16 Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 17 Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot 18 Phụ lục E: Bản vẽ thiết kế robot LÝ LỊCH TRÍCH NGANG LÊ TẤN CƯỜNG Phái : Nam 15-12-1976 Nơi sinh : TpHCM 24/2/4, Khu phố 1, Phường Trường Thọ, Quận Thủ Đức 083 7203871 – 0909744100 Họ tên : Ngày sinh : Địa liên lạc : Điện thoại : Email : cuongtan1981@yahoo.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1999-2004: Chuyên ngành Điện Kỹ Thuật, Khoa Điện-Điện Tử, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TpHCM 2006-2008: Học viên cao học trường Đại học Bách khoa Tp HCM, chuyên ngành Tự Động Hoá QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Từ 2002-đến :bộ môn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí Máy, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TpHCM ... trúc điều khiển 104 Cấu trúc điều khiển PD 105 Hành vi Biped bước di chuyển 106 Đánh giá điều khiển PD cho bước di chuyển .107 Giao diện GUI cho mô điều khiển Biped Robot. .. wheeled robot biped robot có khả thao tác địa hình phức tạp, biped robot có khả bước qua hay nhảy qua khỏi chướng ngại vật lên xuống bậc tam cấp, mà điều wheeled robot đáp ứng Biped robot dạng robot. .. ĐI, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG GIAO DIỆN MÔ TẢ DÁNG ĐI CHO BIPED 95 9.1 Giới thiệu vấn đề cần giải 96 9.2 Sơ đồ mô điều khiển đối tượng 97 ix 9.3 Thiết kế dáng cho Biped 97 9.4 Thiết kế điều khiển