Xây dựng và điều khiển robot dạng người

Vì vậy, đề tài “Xây dựng và điều khiển Robot dạng người” đã được lựa chọn để tìm ra một mô hình robot có thể tự di chuyển bằng hai chân như con người.. Thuật ngữ Humanoid Robots Robot d

Bằng kiến thức đã học được và sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn là

PGS TS Nguyễn Phạm Thục Anh giảng viên tại Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà

Nội Tôi đã cố gắng hết sức để hoàn thành đúng thời hạn và mục tiêu đặt ra Tuy

nhiên, do kiến thức còn hạn hẹp, việc tìm tài liệu khó khăn và thời gian có hạn nên

chắc chắn có sai sót Tôi mong các thầy, cô trong Hội đồng đánh giá luận văn thạc

sỹ sẽ góp ý để tôi hoàn thiện tốt đề tài này

Tôi xin cam kết luận văn này là do tôi thực hiện, các kết quả nghiên cứu đều

được đánh giá một cách khách quan và chính xác Tôi xin chịu trách nhiệm trước

Hội đồng nếu như có vấn đề về bản quyền tác giả Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 15 tháng 3 năm 2016 Học viên

Lưu Tuấn Khanh

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ ROBOT DÁNG NGƯỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 14

1.1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ ROBOT DÁNG NGƯỜI 14

1.1.1 Robot Asimo [1] 14

1.1.2 Robot Atlas [8] 22

1.1.3 Robot Qrio 25

1.1.4 Đánh giá 28

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 29

1.2.1 Mô hình động học 29

1.2.2 Mô hình động lực học 31

1.2.3 Mô hình động học hai chân trong không khí 35

1.2.4 Điều kiện để robot bước đi vững chắc, ổn định [15] 37

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ROBOT DẠNG NGƯỜI 41

2.1 KẾT CẤU CƠ KHÍ 41

2.2 CHỌN VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 42

2.2.1 Chọn hệ thống truyền động 42

2.2.2 Điều khiển động cơ RC servo 46

2.3 HỆ THỐNG CẢM BIẾN 49

2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN 52

2.4.1 Vi điều khiển 52

2.4.2 Thiết kế bộ điều khiển 54

3.1.1 Cơ cấu cân bằng 58

3.2 ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI 60

3.2.1 (Bước 1) Robot lấy thăng bằng 60

3.2.2 (Bước 2) Robot nhấc chân phải lên 60

3.2.3 (Bước 3) Đưa chân về phía trước và hạ chân xuống 61

3.2.4 (Bước 4) Robot nghiêng người sang phải 61

3.2.5 (Bước 5) Nhấc chân trái lên 62

3.2.6 (Bước 6) Đưa chân trái về phía trước và hạ xuống 63

3.2.7 (Bước 7) Nghiêng người sang trái (lặp lại bước 1) 63

CHƯƠNG 4 CHẠY THÍ NGHIỆM 64

4.1 CÁC THÔNG SỐ 64

4.2 HÌNH ẢNH VỀ ROBOT 65

4.3 ĐÁNH GIÁ 66

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

5.1 KẾT LUẬN 67

5.2 KIẾN NGHỊ 67

PHỤ LỤC 68

ZMP( Zero Moment Point) Điều khiển tiêu điểm ZMP

DOF (Degree Of Freedom) Bậc tự do

Hình 1.12 Hệ thống động lực của Atlas 22

Hình 1.13 Cánh tay robot Atlas 23

Hình 1.15 Khả năng của Atlas 24

Bảng 1.2 các thông số robot Qrio 26

Bảng 1.3 Vị trí các thanh trên robot 29

Bảng 1.4 Các thông số trên mô hình 30

Bảng 2.1 Ƣu, nhƣợc điểm các hệ truyền động 43

Bảng 2.2 Thông số vi điều khiển dsPic30f4013 53

Hình 2 Robot Asimo của Nhật Bản 10

Hình 3 Robot Hubo của Hàn Quốc 11

Hình 4 Robot Atlas thế hệ mới của Mỹ có thể di chuyển trên nhiều địa hình 12

Hình 1.1 Quá trình phát triển robot Asimo từ E0 đến New Asimo 14

Hình 1.2 Thế hệ robot E0 và các bậc tự do 15

Hình 1.3 Trọng tâm robot dịch chuyển khi Robot di chuyển chậm và nhanh 16

Hình 1.4 Thế hệ robot E1, E2, E3 16

Hình 1.5 Thế hệ robot E4, E5, E6 17

Hình 1.6 Các công nghệ điều khiển robot 18

Hình 1.7 Thế hệ robot P1, P2, P3 18

Hình 1.8 Kết hợp chuyển động của cả chân và tay 19

Hình 1.9 Robot Asimo 19

Hình 1.10 Robot Asimo trong cuộc sống con người 20

Hình 1.11 Robot Atlas của Boston Dynamics (Mỹ) 22

Hình 1.14 Mô phỏng trên máy tính robot Atlas hàn ống thép 24

Hình 1.16 Robot Qrio 25

Hình 1.17 Kết cấu bên trong chân robot Qrio 27

Hình 1.18 Robot Qrio trong lĩnh vực giải trí 27

Hình 1.19 Cấu hình cơ bản phần chân robot dạng người 28

Hình 1.20 Mô hình robot 2 chân 5 link trong mặt phẳng 2 chiều 29

Hình 1.21 Mô hình robot với một chân trong không khí 31

Hình 1.22 Mô hình robot với hai chân trong không khí 35

Hình 1.23 Tiêu điểm ZMP trùng với 38

tâm điểm phản phản lực sàn 38

Hình 1.24 Tiêu điểm ZMP không trùng với tâm điểm phản lực sàn 38

Hình 1.25 Tiêu điểm ZMP trùng với tâm điểm phản lực sàn khi mặt sàn không bằng phẳng 39

Hình 2.1 Thiết kế robot dạng người 41

Hình 2.2 Hình dáng và thông số robot 42

Hình 2.3 Động cơ RC servo loại mini 44

Hình 2.4 Động cơ RC servo loại standard 45

Hình 2.5 Động cơ RC servo loại large 45

Hình 2.6 Động cơ RC servo PowerHD 1501 MG 46

Hình 2.7 Cấu tạo bên trong động cơ RC servo 47

Hình 2.8 Giản đồ xung kích Servo 48

Hình 2.9 Cảm biến GY521-MPU6050, ADXL345, L3G4200D 50

Hình 2.10 Bộ lọc Kalman có gắn cảm biến MPU6050 51

Hình 2.11 Sơ đồ kết nối bộ lọc Kalman với vi điều khiển 51

Hình 2.12 Vi điều khiển dsPic30f4013 dạng chip dán (bên trái) và chip dán (bên phải) 52

Hình 2.13 Sơ đồ chân/cổng dsPic30f4013 53

Hình 2.14 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển 54

Hình 2.15 Kết nối không dây phía robot 55

Hình 2.16 Kết nối không dây phía máy tính 55

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 56

Hình 2.18 Mạch điều khiển 56

Hình 2.19 SBEC-20A 57

Hình 2.20 Nguồn điện cung cấp cho robot 57

Hình 3.1 Trọng tâm đi qua các chân robot 58

Hình 3.2 Cơ cấu cân bằng đối trọng 59

Hình 3.3 Trọng tâm dời sang trái và phải robot 59

Hình 3.4 Robot lấy thăng bằng 60

Hình 3.5 Robot nhấc chân phải 60

Hình 3.6 Robot đưa chân về phía trước và hạ chân xuống 61

Hình 3.9 Robot đưa và hạ chân trái xuống 63

Hình 3.10 Robot quay trở về bước 1 63

Hình 4.1 Phạm vi làm việc của các khớp 64

Hình 4.2 Giao diện phần mềm trên máy tính 65

Hình 4.3 Bộ điều khiển và mặt trước robot 65

Hình 4.4 Hình ảnh robot đứng và ngồi ghế 66

MỞ ĐẦU

 Lý do lựa chọn đề tài

Robot dạng người (Humanoid Robots) là thuật ngữ để chỉ loại robot có hình dáng

như con người, có phương thức di chuyển như con người nghĩa là đi bằng hai chân Lĩnh vực nghiên cứu Robot dáng người bắt đầu từ cuối thập niên 1930 Đến nay, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã cho ra đời rất nhiều mẫu robot dáng người với những chức năng cực kỳ ấn tượng như đi lại, leo cầu thang, vượt địa hình và giao tiếp với con người Nghiên cữu kỹ hơn, ta thấy việc tiến hóa của loài người từ

đi bằng 4 chi sang đi bằng 2 chi là sự ưu việt mà các nhà khoa học cần phải nghiên cứu trong quá trình tìm ra mô hình robot di chuyển cơ động nhất, thân thiện nhất Vì

vậy, đề tài “Xây dựng và điều khiển Robot dạng người” đã được lựa chọn để tìm ra

một mô hình robot có thể tự di chuyển bằng hai chân như con người

 Lịch sử nghiên cứu

Thuật ngữ Robot đã được nhắc đến lần đầu tiên trong một vở kịch của nhà văn

Karel Chapek, Tiệp Khắc (cũ) năm 1921 Trong đó nhà văn này đã sáng tạo ra những vật thể có thể hoạt động, biết suy nghĩ và làm việc như con người Chapek

đã gọi những vật thể này là Robota (trong tiếng Tiệp Khắc) tiếng Anh nghĩa là ROBOT

Thuật ngữ Humanoid Robots (Robot dạng người) để chỉ những robot có hình

dạng như con người, có thể di chuyển tương tự cách di chuyển của con người, nghĩa

là đi bằng hai chân Lĩnh vực nghiên cứu Humanoid robots được bắt đầu rất sớm từ cuối thập niên 1930, điển hình là Humanoid Robots “Elektro” Elektro được phát

minh bởi tổng công ty cơ điện Westinghouse (Westinghouse Electric Corporation)

và được giới thiệu vào năm 1939 tại Hội chợ toàn cầu ở New York (Mỹ) Tại đây lần đầu tiên người ta trông thấy một robot dạng người cao 2.1 (m) nặng hơn 120 (kg) có thể di chuyển, hút thuốc, thổi bóng bay và nói tới 700 từ

Hình 1 Robot Elektro và kết cấu bên trong

Châu Á đi đầu là Nhật Bản cũng bắt đầu nghiên cứu Robot dạng người từ những

năm 1980 mà đỉnh cao là Robot Asimo (Advanced Step in Innovative MObility)

được giới thiệu vào năm 2000 bởi tập đoàn Honda lừng danh Asimo cao 130 (cm)

và nặng 54 (kg) có thể giao tiếp với con người, leo cầu thang, chạy bộ và đôi tay có thể cầm nắm

Hình 2 Robot Asimo của Nhật Bản

Đến năm 2005, Viện Khoa Học và Công Nghệ cao Hàn Quốc KAIST (Korea

Advanced Institute of Science and Technology) bắt đầu cho ra đời thế hệ robot

Hubo Có rất nhiều phiên bản khác nhau, phiên bản mới nhất là Hubo 2 plus với 38 bậc tự do, chiều cao 130 (cm), nặng 43 (kg) nó có thể di chuyển với tốc độ 1.5(km/h) trong thời gian 130 (phút)

Hình 3 Robot Hubo của Hàn Quốc

Nhìn chung, các loại robot dạng người đã giới thiệu ở trên đa phần chỉ di chuyển được trên mặt nền trong nhà, khó khăn khi di chuyển ở môi trường bên ngoài (đường xá, mặt đất, tuyết, cát ) Cho đến năm 2013 Công ty Robot Boston Dynamics (Mỹ) được sự tài trợ của Cơ quan Nghiên cứu Dự án Quốc phòng cao cấp Mỹ (Defense Advanced Research Projects Agency) đã giới thiệu thế hệ Robot Atlas mới có thể di chuyển trên mọi địa hình, mang vác vật nặng trợ giúp con người Cũng giống như các robot của các hãng khác, Atlas có nhiều thế hệ Atlas thế hệ mới nhất với 28 bậc tự do, cao 175 (cm) và nặng 82(kg) được thiết kế cho nhiệm vụ vận tải hỗ trỡ quân đội Mỹ Nó có thể mang trên mình các vật dụng như

ba lô, súng ống, đạn dược, thiết bị y tế và được lập trình để đến được địa điểm cụ thể

Hình 4 Robot Atlas thế hệ mới của Mỹ có thể di chuyển trên nhiều địa hình

 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn là để xây dựng được một mô hình robot có cơ chế di chuyển giống con người Dự kiến xây dựng mô hình robot với 10 bậc tự do, với thuật toán điều khiển PID

Đối tượng nghiên cứu là robot dạng người (Humanoid Robots), cơ chế di chuyển

và thuật toán điều khiển

Do việc tìm tài liệu khó khăn và thời gian có giới hạn nên phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ dừng lại ở việc xây dựng mô hình robot với 2 chân mà không xây dựng phần thân

 Tính mới, tính cấp thiết của đề tài

Đây là đề tài đã được nhiều nước trên thế giới thực hiện với những thành công

đã nêu ở trên Tuy nhiên ở Việt Nam thì đây là đề tài mới bởi chưa có cá nhân hay tập thể nào công bố nghiên cứu Những kết quả mà đề tài mang lại có thể ứng dụng

vào thực tế để chế tạo các robot phục vụ gia đình, phục vụ quân đội, robot giải trí

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ bán dẫn, công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo và cơ khí chính xác đã đưa Robot lên một tầm cao mới, từ đó robot không còn là những cỗ máy cồng kềnh vô tri vô giác chỉ biết lặp đi lặp lại một hành

vi nhất định nữa mà nó đã bắt đầu có cảm giác, suy nghĩ, phân tích Từ đó, rất nhiều thế hệ robot đã ra đời với nhiều chủng loại và nhiệm vụ khác nhau như: Robot công nghiệp, robot giúp việc trong gia đình, robot thăm dò nghiên cứu, robot

y học trong đó có những loại robot sản xuất ra để tăng năng suất lao động như robot công nghiệp, và có loại robot sản xuất phỏng theo hoạt động của con người

như là robot dáng người (Humanoid Robots)

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ ROBOT DÁNG NGƯỜI VÀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ ROBOT DÁNG NGƯỜI

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các nước phát triển đã chế tạo ra nhiều mô hình robot dạng người khác nhau như: Asimo, Qrio, Wabot của Nhật Bản, Hubo của Hàn Quốc, Atlas của Mỹ Tất cả các robot này đều thực hiện một hành động chung đó là di chuyển bằng hai chân Tuy nhiên cũng có một vài sự khác biệt giữa các robot này như số bậc tự do, thiết bị động lực (động cơ servo, thủy lực, khí nén ), mục đích sử dụng

1.1.1 Robot Asimo [1]

Quá trình phát triển robot dạng người tại Nhật Bản (bởi tập đoàn Honda) bắt đầu

từ năm 1986 đến nay đã trải qua rất nhiều thế hệ từ đơn giản (thế hệ E0) nghĩa là chỉ

có 2 chân đến thế hệ cao cấp (thế hệ New Asimo) có đầy đủ chân tay Bắt đầu từ năm 2000 robot được đặt tên là Asimo chứ không còn gọi tên bằng các mã nữa cho thấy mức độ hoàn thiện của nó Từ đó đến nay robot này luôn được cải tiến hơn bằng những khả năng mới như chạy, nhảy, đá bóng để phục vụ lĩnh vực gia đình và giải trí (hình 1.1)

Hình 1.1 Quá trình phát triển robot Asimo từ E0 đến New Asimo

Thế hệ E0 (1986 [2] )

Thế hệ đầu tiên thiết kế vào năm 1986 gọi là E0 chỉ có 2 chân (hình 1.2), di chuyển theo một hướng xác định Thế hệ này chủ yếu để nghiên cứu phương thức di chuyển và thuật toán điều khiển và kết cấu robot nên trông robot chỉ có 10 bậc tự do DOF (Degree Of Freedom) ở phần chân mà không có phần thân robot Mỗi chân E0

có 2 DOF hông, 1 DOF đầu gối, 2 DOF bàn chân Bộ điều khiển và các cảm biến đặt ở ngay trên phần chân Dưới bàn chân có thể có thêm cảm biến khác

Hình 1.2 Thế hệ robot E0 và các bậc tự do

Có thể quan sát thấy là hệ thống động lực sử dụng động cơ servo trục nâng kết hợp với hộp số harmonic hoặc hộp số bánh răng hành tinh như những cánh tay robot công nghiệp khác để đảm tính vững chắc khi di chuyển Tuy vậy robot đã di chuyển giống người thực sự vì trọng tâm đã điều chỉnh theo bước đi chứ không cố định một điểm Người ta đã thu được rất nhiều kiến thức về phương thức di chuyển như di chuyển chậm thì trọng tâm robot luôn đi qua các bàn chân, còn khi di chuyển nhanh thì trọng tâm không còn đi qua các bàn chân nữa (hình 1.3)

Hình 1.3 Trọng tâm robot dịch chuyển khi Robot di chuyển chậm và nhanh

Thế hệ E1, E2, E3 (1987-1991) [3]

Đến thế hệ E1, E2, E3 (từ năm 1987-1991) robot đã hoàn thiện hơn vì đã có đủ

12 bậc tự do ở chân nên robot có thể di chuyển linh hoạt các hướng và leo cầu thang (hình 1.4) Bằng các cải tiến ở thiết kế cơ khí và bộ điều khiển nên chúng đã di chuyển khá nhanh và linh hoạt Robot E1 đi được với tốc độ 0.25(km/h), E2 là 1.2 (km/h) và E3 là 3(km/h)

Hình 1.4 Thế hệ robot E1, E2, E3

Honda đã trang bị cho 3 robot này các cảm biến góc (Pitch, Roll, Yaw), cảm biến trọng lực 6 trục, cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển để robot có thể di chuyển vững trãi và định vị vị trí

Thế hệ E4, E5, E6 (1991-1993) [4]

Trong 3 thế hệ này Honda đã tiến hành nghiên cứu công nghệ để đạt được sự ổn định khi robot đi lại và phát triển thành công kỹ thuật kiểm soát các tư thế của robot (hình 1.5)

Hình 1.5 Thế hệ robot E4, E5, E6

Thế hệ E4 đã được cải tiến bằng cách tăng chiều dài đầu gối lên đến 40 (cm) để

mô phỏng bước đi của con người, tốc độ di chuyển lên đến 4.7 (km/h) Thế hệ E5 lần đầu tiên robot đã có chương trình tự động hoạt động Thế hệ E6 robot biết tự động kiểm soát cân bằng khi lên hoặc xuống cầu thang hay vượt vật cản Nhằm tạo

ra công nghệ giúp robot có thể đi lại vững vàng, các nhà nghiên cứu của Honda đã sáng tạo ra các công nghệ mới (hình 1.6):

 Điều khiển phản lực với mặt sàn

 Điều khiển tiêu điểm ZMP (Zero Moment Point) nghĩa là điều khiển để monen quán tính có tổng bằng 0

 Điều khiển vị trí tạo tư thế đứng của chân

Hình 1.6 Các công nghệ điều khiển robot

Thế hệ P1, P2, P3 (1993-1997) [5]

Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu một mô hình robot dạng người phải như thế nào trong môi trường sống con người Mô hình nguyên mẫu robot gần giống con người đã được tạo ra ở 3 thế hệ này (hình 1.7)

Hình 1.7 Thế hệ robot P1, P2, P3

Thế hệ P1, lần đầu tiên các nhà khoa học gắn phần thân và tay cho robot, khiến P1 trông giống người hơn, với chiều cao 183 (cm) và nặng 175 (kg) robot trông rất hầm hố Thế hệ P2 đã gây tiếng vang trong công chúng vì nó bắt đầu hoàn thiện tính thẩm mỹ Thế hệ P3 còn được hoàn thiện hơn nữa, cao 154 (cm) và nặng 120 (kg)

nó có bàn tay, ngón tay, đầu có thể xoay được và kích thước giảm xuống Do đã lắp thêm 2 tay lên robot nên việc điều khiển trở lên phức tạp vì cánh tay có liên quan

Điều khiển tiêu điểm ZMP

Điều khiển phản lực với mặt sàn

Điều khiển vị

trí tạo tư thế đứng của chân

đến việc giữ thăng bằng cho robot Do vậy bài toán cần giải quyết là kết hợp chuyển động của 2 chân và 2 tay (hình 1.8)

Hình 1.8 Kết hợp chuyển động của cả chân và tay

Cả 3 thế hệ này đều được trang bị các cảm biến hiện đại như cảm biến góc, gia tốc, cảm biến lực, cảm biến khoảng cách, bản đồ địa hình Nên robot có thể tính toán khoảng cánh và số bước đi để đi ra một điểm bất kỳ Sử dụng bộ dẫn đường quán tính để di chuyển đến mục tiêu, xử lý mọi tình huống nếu có bất thường xảy

ra Ngoài ra robot cũng được cải thiện khả năng leo/xuống cầu thang, đẩy xe hàng,

đi qua ô cửa, tay có thể giữ vật có khối lượng 2 kg khi đi bộ

Bằng kết quả thu được từ các thế hệ trước Honda đã cải tiến hơn nữa để cho ra đời robot ASIMO vào ngày 20 tháng 11 năm 2000 (hình 1.9) ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility) nghĩa là bước đi sáng tạo cho kỷ nguyên mới

Với kích thước cao 120 cm nặng 52 kg, robot Asimo rất thích hợp trong hoạt động cuộc sống của con người Asimo có thể đi bộ, chạy, thay đổi hướng lúc đang

di chuyển, lên xuống cầu thang, giữ thăng bằng trên một chân Asimo có thể giao tiếp với con người qua ngôn ngữ và hành động như cử chỉ chân tay, nó có thể pha một tách cà phê rồi mang tới bàn phục vụ, đá bóng chính xác vào gôn, bắt tay và thuyết trình (hình 1.10)

Hình 1.10 Robot Asimo trong cuộc sống con người.

Dưới đây là bảng các thông số của robot Asimo [7]

9kh/h (thẳng)

Thông số 2000, 2001, 2002 2004 2005, 2006 2011 Thời gian

6x2

34 Đầu: 3, cánh tay: 7x2, bàn tay: 2x2, thân: 1, chân: 6x2

57 Đầu: 3, cánh tay 7x2, bàn tay: 13x2, thân: 2, chân: 6x2

Ảnh

Bảng 1.1 thông số các robot Asimo

Có thể thấy để có được mô hình robot Asimo như ngày nay các kỹ sư của Honda

đã tiến hành nghiên cứu chế tạo tới 12 nguyên mẫu, từ đơn giản (chỉ có 2 chân) đến phức tạp (đầy đủ các bộ phận) Trong quá trình đó các phương pháp điều khiển mới

đã được sáng tạo ra để đáp ứng sự vận động của chú robot thông minh và cũng rất nhanh nhạy này

1.1.2 Robot Atlas [8]

Hình 1.11 Robot Atlas của Boston Dynamics (Mỹ)

Do được nghiên cứu để phục vụ mục đích quốc phòng nên Atlas (hình 1.11)được thiết kế với 28 bậc tự do (DOF) với bộ xương rắn chắc bằng kim loại để chịu va đập

và mài mòn, hệ thống truyền động cũng không chỉ sử dụng động cơ servo truyền thống mà sử dụng kèm cả hệ thống thủy lực

Hình 1.12 Hệ thống động lực của Atlas

Quan sát (hình 1.12) ta thấy phần chân robot được trang bị hệ thống xilanh thủy lực để đảm bảo di chuyển trên mọi địa hình Còn phần tay (1.13) vẫn sử dụng hệ truyền động động cơ servo

Hình 1.13 Cánh tay robot Atlas

Robot Atlas được thiết kế với 28 bậc tự do[9], trong đó:

 6 DOF cho mỗi chân

 6 DOF cho mỗi tay

 3 DOF cho phần eo

 1 DOF cho phần đầu

Ngoài ra Atlas còn được có các thiết bị như:

 Cảm biến góc, gia tốc

 Cảm biến laze đo khoảng cách

 Thiết bị lập bản đồ địa hình, dò đường đi

Với cách bố trí các khớp như vậy, Atlas di chuyển linh hoạt trên mọi địa hình, có thể phục hồi tư thế ban đầu sau khi ngã Cánh tay của nó nâng được vật nặng khoảng 4.5 kg Thế hệ Atlas mới nhất Next Generation (hình 1.15) cao 170 cm nặng

82 kg[18], ngoài những tính năng vừa nêu, nó còn có khả năng như chạy nhảy, vượt chướng ngại vật và làm các công việc thay con người như tìm kiếm cứu nạn, lái một chiếc ô tô, hàn ống thép[10] (hình 1.14)

Hình 1.14 Mô phỏng trên máy tính robot Atlas hàn ống thép

Hình 1.15 Khả năng của Atlas

Với tiềm năng của Atlas, các kỹ sư của Boston Dynamics đang tiếp tục nghiên cứu để cải thiện dáng đi và khả năng mang vác Chắc chắn một tương lai không xa chúng ta sẽ thấy trong hàng ngũ Quân đội Mỹ sẽ có một đội quân robot hùng mạnh, sức chiến đấu vượt trội, khả năng vượt quá trí tưởng tượng của mọi người

1.1.3 Robot Qrio

QRIO[11] viết tắt của (Quest for cuRIOsity) là tên một chú robot dạng người giải

trí của hãng Sony (Nhật Bản) được phát triển vào năm 2003 (hình 1.16) Với chiều cao 60 cm và nặng 7.3 kg, chú robot này gửi tới mọi người thông điệp: “Làm cho cuộc sống của bạn vui vẻ, hạnh phúc”

Hình 1.16 Robot Qrio

Những tính năng của Qrio[11]:

 Đi trên bề mặt gồ ghề với độ cao 10mm

 Đi lên và xuống cầu thang với độ nghiêng 10 độ

 Tự giữ thăng bằng dưới ngoại lực bên ngoài

 Nếu bị ngã sẽ giữ tư thế sao cho giảm thiệt hại tối đa

 Công nghệ mới giúp kiểm soát momen khớp và góc nghiêng cho robot dáng đi mượt mà hơn

 Trang bị 2 camera trên đầu giúp Qrio nhận diện đối tượng, tính toán khoảng cách để đưa ra lộ trình thích hợp Ngoài ra 7 micro giúp Qrio có thể phân biệt hướng âm thanh đến nó

 Kỹ thuật nhận dạng giọng nói, học những từ vựng chưa biết

 Có thể ghi nhớ tới 10 khuôn mặt con người

Thông số kỹ thuật của robot Qrio[12]:

với 5 ngón tay mỗi bàn tay

Cảm biến chạm

Hiển thị

Quan sát (hình 1.17) dưới đây[14] có thể thấy các khớp bên trong chân robot Qrio, tất cả có 12 DOF/ 2 chân Tất cả các khớp đều sử dụng động cơ servo Qrio có thể thực hiện các động tác tương tự con người một cách đơn giản như chơi golf, sắp xếp các khối hình học, đá bóng hay vượt chướng ngại vật (hình 1.18)

Hình 1.17 Kết cấu bên trong chân robot Qrio

Hình 1.18 Robot Qrio trong lĩnh vực giải trí

1.1.4 Đánh giá

Qua tìm hiểu 3 loại robot dạng người là Asimo, Atlas, Qrio là 3 mẫu robot thành

công theo đúng mục đích của nhà sản xuất Asimo có chặng đường 30 năm phát

triển với mục đích phục vụ người dân Nhật Bản Atlas với đôi chân thủy lực vững

chãi có thể vượt địa hình, cung cấp nhu yếu phẩm, đạn dược cho quân đội Mỹ Qrio

được sản xuất hàng loạt với mục đích giải trí nên được rất nhiều người ưa thích

Về cơ bản, các robot dạng người này có thể có mục đích sử dụng khác nhau

nhưng chúng đều có nguyên lý di chuyển giống nhau, tức là đi bằng hai chân Hệ

thống truyền động khác nhau có thể là động cơ servo hay là thủy lực thì cũng đều

cho ra một cơ cấu di chuyển với 12 DOF giống nhau Đây là mô hình chung nhất,

cấu hình cơ bản nhất , chính xác nhất về nghiên cứu robot dạng người Dưới đây là

cấu hình cơ bản phần chân robot dạng người (hình 1.19)

-1, 2 khớp giữ thăng bằng chân trái -3, 4 khớp giữ thăng bằng chân phải -5 khớp xoay chân phải (rẽ trái, phải) -6 khớp xoau chân trái (rẽ trái, phải) -7 khớp cổ chân trái

-8 khớp cổ chân phải -9 khớp đầu gối chân trái -10 khớp đầu gối chân phải -11 khớp đùi chân trái -12 khớp đùi chân phải

Hình 1.19 Cấu hình cơ bản phần chân robot dạng người

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.2.1 Mô hình động học

Xét một mô hình động học robot 5 thanh (links) như (hình 1.20) dưới đây:

Hình 1.20 Mô hình robot 2 chân 5 link trong mặt phẳng 2 chiều

Mô hình phần dưới của robot hai chân như hình 24, gồm 5 thanh:

Hai cẳng chân trên (2 đùi): thanh 2 (l2), thanh 4 (l4) Hai cẳng chân dưới: thanh 1 (l1), thanh 5(l5)

Bảng 1.3 Vị trí các thanh trên robot

Các thanh này được nối với nhau qua 4 khớp quay:

o Hai khớp hông

o Hai khớp đầu gối

Các thông số trên hình:

Ký hiệu Thông số

mi khối lƣợng của thanh i

li Chiều dài của thanh i

di Khoảng cách giữa trọng tâm khối lƣợng của thanh i và

điểm khớp thấp hơn

Ii Mô men quán tính đối với một trục đi qua trọng tâm

khối lƣợng của thanh i và vuông góc với mặt phẳng chuyển động

θi: Góc quay của thanh i trong mặt phẳng dọc; i = 1,2,3,4,5

O0-x0y0z0: khung tọa độ gốc

Xb, yb: vị trí của điểm hỗ trợ

Xe,ye: vị trí điểm tự do cuối

Ve: tốc độ của điểm tự do cuối

Bảng 1.4 Các thông số trên mô hình

Từ hình trên ta có:

x x l sin l sin l sin l sin

y y l cos l cos l cos l cos

x l sin l sin d sin

y l cos l cos d cos

x l sin l sin (l d )sin

y l cos l cos (l d )cos

Xét một mô hình động lực học (hình 1.21) dưới đây:

Hình 1.21 Mô hình robot với một chân trong không khí

Ở vị trí nhƣ (hình 1.21) Giả sử mô men ma sát với đất đủ lớn để đảm bảo điểm

Nếu đặt  T

  1 2 3 4 là vector mô men của bốn khớp:

 τ1- mô men của đầu gối của chân hỗ trợ

 τ2- mô men của hông của chân hỗ trợ

 τ3- mô men của hông của chân tự do

 τ4- mô men của đầu gối của chân tự do

Nếu q1, q2, q3, q4 là góc chệch của các điểm tương ứng như trên hình 2:

Ta thấy rằng, 4 trong 5 bậc tự do θ1, θ2, …θ5 có thể điều khiển trực tiếp bằng 4

mô men xoắn τ1,τ2, τ3, τ4 Góc θ1 tại điểm chạm với đất (giả thiết điểm 0) là được điều khiển gián tiếp bằng cách sử dụng hiệu ứng hấp dẫn

Để thuận lợi khi khảo sát, với những mô tả trong phần 3 công thức (11) trên có thể viết:

D (q).qq h(q,q)G (q)q Tq

Trong đó:

1.2.3 Mô hình động học hai chân trong không khí

Xét một mô hình động học hai chân trong không khí (hình 1.22):

Hình 1.22 Mô hình robot với hai chân trong không khí

Ở thời điểm này khi chân tự do chạm đất, chân hỗ trợ vừa rời khỏi đất Nghĩa là, tại thời điểm này sự va chạm của chân tự do với đất là ép buộc: xb = yb = const và

x y 0 Thành lập phương trình động học của robot khi cả hai chân ở trong không khí (hình 3) Trường hợp này cho thấy một mô tả đầy đủ về cấu hình và vị trí của robot…

1.2.4 Điều kiện để robot bước đi vững chắc, ổn định [15]

Trong quá trình nghiên cứu bước đi của robot, để có được bước đi vững vàng thì cần giải quyết những những vấn đề sau:

 Đứng vững khi sàn nhà không bằng phẳng

 Đứng vững khi chịu ngoại lực tác động

 Lên xuống cầu thang và những địa hình khác vững vàng

Để có thể bước đi vững vàng, cần phải thực hiện các việc sau:

Điều khiển phản lực với mặt sàn: Điều khiển để đảm bảo sự chắc chắn của lòng

bàn chân khi tiếp xúc với sàn nhà không bằng phẳng

Điều khiển tiêu điểm ZMP: điều khiển để đảm bảo khi phần trên của robot hướng

về phía mà nó có thể ngã thì bàn chân vẫn có thể đứng chắc chắn

Điều khiển vị trí tạo dáng đứng của chân: Điều khiển những bước đi cho phù

hợp với sự thay đổi của phần trên do thân thể phía trên bằng cách đảm bảo tiêu điểm ZMP tức là có momen lực quán tính tổng bằng 0

Sự phối hợp 3 cách điều khiển :

Khi robot bước đi, nó chịu tác động của quán tính gây nên bởi lực hút của trái đất

và do sự tăng tốc hoặc giảm tốc của bước đi Những lực này liên kết với nhau gọi là lực quán tính tổng

Khi bàn chân của robot tiếp xúc với mặt đất nó chịu tác động bởi lực phản xạ của mặt đất hoặc sàn nhà gọi chung là phản lực của sàn

Momen lực quán tính tổng bằng 0 khi phương của lực quán tính tổng đi qua tâm điểm phản lực sàn (hình 1.23) Ta gọi điểm đó là tiêu điểm momen bằng 0 (target ZMP- Zero Moment Poit)

Khi robot thực hiện các bước đi thăng bằng thì lực quán tính tổng và phản lực sàn cùng phương và ngược chiều nhau Còn khi chúng bị lệch nhau thì robot không còn giữ được thăng bằng Lúc đó tiêu điểm ZMP không trùng với tâm điểm phản lực sàn và xuất hiện moment gây ngã (hình 1.24)

Hình 1.23 Tiêu điểm ZMP trùng với

bằng 0 (target ZMP) Một ví dụ khác là, nếu có vật gì làm cho robot nghiêng về phía trước, các đầu ngón chân sẽ hạ thấp xuống, dồn nhiều lực hơn lên chúng và điểm diễn ra lực phản xạ của sàn nhà sẽ chuyển lên phía trước, tạo ra một lực khôi phục tư thế thăng bằng (hình 1.25 Tuy nhiên, do tâm của phản lực sàn nhà không thể vượt quá phạm vi lòng bàn chân của robot nên lực khôi phục tư thế thăng bằng

có độ lớn nhất định và nếu robot bị nghiêng về phía trước quá nhiều nó sẽ ngã

Hình 1.25 Tiêu điểm ZMP trùng với tâm điểm phản lực sàn khi mặt sàn không

bằng phẳng

Điều khiển tiêu điểm ZMP:

Nếu robot nghiêng về phía trước quá nhiều thì cần điều khiển để ngăn không cho

nó ngã Như đã nói ở trên, sự lệch nhau giữa tiêu điểm ZMP và tâm điểm của phản lực sàn sẽ tạo nên lực “gây ngã” Tuy nhiên, bằng cách điều khiển tiêu điểm moment bằng 0 sẽ duy trì sự thăng bằng cho robot Ví dụ, trên (hình 1.26) nếu robot sắp ngã về phía trước, thì vận tốc đi của nó sẽ tăng lên so với bước đi bình thường

Kết quả là tiêu điểm moment bằng 0 sẽ chuyển về phía sau của tâm phản lực sàn và chuyển thành lực “phục hồi” hướng về phía sau khiến cho robot lấy lại thăng bằng

Hình 1.26 Tâm điểm phản lực sàn

Điều khiển vị trí tạo dáng đứng của chân:

Bằng cách điều khiển vị trí đặt chân như (hình 1.27) Khi bộ điều khiển tiêu điểm momen bằng 0 (target ZMP) hoạt động, vị trí mục tiêu của phần bán thân trên bị đẩy theo hướng tăng vận tốc Nếu robot bước bước tiếp theo với độ dài của bước bình thường thì bàn chân sẽ rơi về phía sau của thân Bộ điều khiển vị trí đặt chân

sẽ hiệu chỉnh sải chân để đảm bảo rằng mối quan hệ giữa tốc độ của phần bán thân

và độ dài của sải chân sẽ được duy trì

Hình 1.27 Hiệu chỉnh vị trí tạo dáng đứng của chân