Ứng dụng nguyên lý ZMP xây dựng quỹ đạo và thiết kế bộ điều khiển bước cho robot biped

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH NHỰT ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ ZMP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BƢỚC CHO ROBOT BIPED Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học : TS CHUNG TẤN LÂM (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS PHẠM CÔNG BẰNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 18 tháng 07 năm 2011 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 Nguyễn Tấn Tiến (chủ tịch) TS Lê Ngọc Bích (thƣ ký) TS Bùi Trọng Hiếu TS Phạm Huy Hoàng TS Lƣu Thanh Tùng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc oOo -Tp HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN THANH NHỰT Giới tính : Nam ⊠/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 18/04/1986 Nơi sinh : Tp.HCM Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MSHV: 09390656 □ 1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ ZMP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BƢỚC CHO ROBOT BIPED 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tổng quan robot hai chân mơ ngƣời - Mơ hình hóa động học động lực học robot hai chân mô ngƣời - Hoạch định quỹ đạo bƣớc cho robot thẳng địa hình phẳng - Thiết kế điều khiển bám theo quỹ đạo ZMP 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/07/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/07/2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS CHUNG TẤN LÂM Nội dung đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN iii KHOA QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường đại học Bách Khoa Tp.HCM đặc biệt quý thầy cô môn Cơ Điện Tử truyền đạt kiến thức cho suốt trình học tập trường Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Chung Tấn Lâm , người hướng dẫn khoa học đưa lời khuyên hữu ích, định hướng giúp đỡ tận tình cho tơi thực hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, anh, chị người bạn thân Liên, người tin tưởng động viên sống Tôi xin chân thành cảm ơn tất bạn bè, đặc biệt đồng nghiệp DCSELab ủng hộ đưa lời góp ý q báu để tơi hồn thiện luận văn Do thời gian thực luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý q thầy bạn Tp HCM, ngày tháng năm 2011 Nguyễn Thanh Nhựt iv TOM TẮT LUẬN VĂN Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng nguyên lý ZMP nhằm mục đích hoạch định quỹ đạo thiết kế điều khiển cho robot hai chân HUBOT-2 với 12 bậc tự chân Phương pháp hoạch định quỹ đạo động lực học dựa theo điều kiện ổn định ZMP nằm vùng chân trụ (support polygon) Các thông số chân hoạch định theo điều kiện bước cho trước Phần hông điều chỉnh nhằm đạt cân cho robot Hơng hoạch định theo số thông số cho trước dựa quỹ đạo CoM tính từ ZMP theo mơ hình LIMP Tuy nhiên để dễ dàng đạt quỹ đạo ZMP mong muốn, luận văn thiết kế trước quỹ đạo ZMP dựa theo mơ hình LIMP Ứng dụng chuỗi Fourier để xấp xỉ đơn giản toán ZMP Từ việc hiệu chỉnh thơng số hơng dễ dàng để đạt cân cho robot Sau có tất quỹ đạo ổn định, điều khiển PID dùng để bám theo quỹ đạo góc khớp hoạch định Ngồi điều khiển preview thiết kế nhằm điều chỉnh trực tiếp ZMP điều kiện bước trước robot Bố cục luận văn chia làm chương sau: o Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu, bao gồm động lực nghiên cứu, tổng quan robot hai chân mô người, tổng quan xây dựng quỹ đạo điều khiển, ý nghĩa luận văn, giả định nghiên cứu, mục tiêu nội dung thực o Chương 2: Mơ hình hóa ZMP, trình bày khái niệm liên quan, ZMP, mơ hình động học, mơ hình động lực học 3D cách tính ZMP dựa theo động lực học 3D, mơ hình động lực học rút gọn LIMP xe-bàn trượt o Chương 3: Hoạch định quỹ đạo cho robot di chuyển hai chân, trình bày phương pháp hoạch định quỹ đạo ZMP mong muốn, quỹ đạo góc khớp o Chương 4: Thiết kế điều khiển bám theo quỹ đạo, thiết kế điều khiển preview control để bám theo quỹ đạo ZMP mong muốn o Chương 5: Kết mô thực nghiệm, trình bày kết mơ robot HUBOT-2, thực nghiệm robot kiểm tra với quỹ đạo tĩnh o Chương 6: Kết luận, định hướng phát triển đề tài v ABSTRACT This thesis focuses on applied research ZMP to trajectory planning and controller design for robot HUBOT-2 with 12DoF Trajectory planning method based on the ZMP stable conditions within the convex hull of all contact points between the feet and the ground (support polygon) The hip parameter is adjusted to achieve balance for the robot Hip trajectory can plan according to some given parameters or based on the COM trajectory from LIMP model However, to easily achieve the desired ZMP trajectory, this thesis design a ZMP trajectory based on the LIMP The application of Fourier series approximation simplifies the solution, and it generates a smooth ZMP reference This solution will be easy to achieve the desired ZMP trajectory in order to ensure balance for the robot After that, a PID controller used tracking the joint angle trajectory planned Also, a preview controller is designed to adjust ZMP online Thesis contains chapters: o Chapter 1: Overview and thesis tasks o Chapter 2: Modeling and ZMP o Chapter 3: Gait planing o Chapter 4: Design controller o Chapter 5: Simulation results o Chapter 6: Conclusion vi LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Những tƣ liệu đƣợc sử dụng luận văn có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Nhựt vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN v ABSTRACT vi LỜI CAM ĐOAN vii MỤC LỤC viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC BẢNG xii CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Động lực nghiên cứu 1.2 Robot hai chân mô ngƣời 1.2.1 Biped – Robot hai chân mô ngƣời 1.2.2 Một số thành tựu lĩnh vực robot hai chân mô ngƣời 1.2.3 Tổng quan xây dựng quỹ đạo điều khiển cho robot biped 11 1.3 Ý nghĩa việc nghiên cứu robot hai chân mô ngƣời 14 1.4 Ý nghĩa luận văn 16 1.5 Các giả định nghiên cứu 17 1.6 Nội dung thực 17 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ ZMP 19 2.1 Các khái niệm liên quan 19 2.1.1 Các định nghĩa dáng 19 2.1.2 Khối tâm (CoM - Center of Mass) 21 2.2 ZMP 21 2.2.1 ZMP 21 2.2.2 Phƣơng pháp xác định điểm Zero-Moment Point (ZMP) thực tế 24 2.3 Động học 26 2.3.1 Mơ hình động học 26 2.3.2 Động học vị trí 28 2.3.3 Động học vận tốc 31 2.4 Động lực học 35 2.4.1 Phƣơng trình động lực học khơng gian 3D 35 2.4.2 Xác định ZMP theo mơ hình động lực học 3D 39 2.4.3 Mơ hình động lực học rút gọn 41 CHƯƠNG HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN CHO ROBOT HAI CHÂN 47 3.1 Thiết kế quỹ đạo ZMP mong muốn 47 3.2 Tính tốn cân cho robot dựa vùng chân trụ 51 3.3 Hoạch định quỹ đạo robot 54 viii 3.3.1 Quỹ đạo bàn chân 55 3.3.2 Quỹ đạo hông 59 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM THEO QUỸ ĐẠO 64 4.1 Lý thuyết điều khiển preview control 64 4.2 Thiết kế điều khiển preview control bám theo quỹ đạo ZMP thiết kế 66 4.3 Thiết kế điều khiển preview control cho robot robot hai chân mô ngƣời 70 4.4 Thiết kế điều khiển bám theo quỹ đạo góc khớp 71 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 74 5.1 Phần mềm mô 74 5.2 Các tham số chung sử dụng mô 75 5.3 Kết mô 77 5.3.1 ZMP tham chiếu 77 5.3.2 Trƣờng hợp dậm chân chỗ 79 5.3.3 Trƣờng hợp bƣớc giây có giai đoạn bắt đầu kết thúc 82 5.3.4 Bộ điều khiển preview controller 91 5.4 Kết thực nghiệm 93 CHƯƠNG KẾT LUẬN 95 6.1 Ƣu điểm so với nghiên cứu trƣớc 95 6.2 Kết luận nội dung thực 95 6.2 Định hƣớng phát triển đề tài 95 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐỀ TÀI CỦA TÁC GIẢ 96 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 PHỤ LỤC 100 Phục lục A Thông số động khớp robot HUBOT-2 101 Phục lục B Bản vẽ lắp robot người HUBOT-2 103 Phục lục C Phần mềm điều khiển robot 105 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Robot HUBOT - Hình 1-2 Các phiên robot hai chân mơ ngƣời hãng Honda Hình 1-3 Robot SDR-3X QRIO hãng Sony Hình 1-4 Robot hãng Toyota Hình 1-5 Các giai đoạn phát triển robot chân mô ngƣời dự án HRP Hình 1-6 Các giai đoạn phát triển robot chân mô ngƣời đại học Waseda Tokyo Hình 1-7 Robot hai chân mô ngƣời cỡ nhỏ Hình 1-8 Robot hai chân mơ ngƣời HUBO viện KAIST Hình 1-9 Robot hai chân mơ ngƣời viện KIST Hình 1-10 Robot hai chân mơ ngƣời nƣớc khác 10 Hình 1-11 Mơ hình lắc ngƣợc 3D cho chân không chạm đất [8] 13 Hình 2-1 Vùng diện tích chân trụ SA pha SSP DSP 20 Hình 2-2 Các giai đoạn trình bƣớc ngƣời 21 Hình 2-3 Phản lực theo phƣơng 22 Hình 2-4 Hình vẽ biểu diễn định nghĩa ZMP theo Vukobratovic [21] 22 Hình 2-5 Đo ZMP pha đơn pha đôi 25 Hình 2-6 Mơ hình phần thân dƣới 12 DoF robot HUBOT-2 27 Hình 2-7 (a) Vectơ định hƣớng trục khâu a j (b) Vectơ vị trí tƣơng đối khâu b j góc khớp p j 27 Hình 2-8 Sơ đồ giải động học ngƣợc theo tài liệu [19] 29 Hình 2-9 Cấu trúc phân cấp liệu động học robot robot hai chân mơ ngƣời 35 Hình 2-10 Mơ hình lắc ngƣợc 3D 41 Hình 2-11 Mơ hình xe – bàn trƣợt theo đề xuất Shuuji Kajita 44 Hình 2-12 Tính tốn ZMP theo mơ hình xe – bàn trƣợt (a) trƣờng hợp giả sử (b) điều chỉnh với thực tế [2] 45 Hình 3-1 Quỹ đạo ZMP tham chiếu đơn giản 47 Hình 3-2 Quỹ đạo ZMP tham chiếu sử dụng 48 Hình 3-3 Khoảng cách gần điểm ZMP đến cạnh vùng diện tích chân trụ SA 53 Hình 3-4 Một chu kì bƣớc 55 Hình 3-5 Các tham số bƣớc 56 Hình 3-6 Giải thuật sinh quỹ đạo hông [11] 62 Hình 4-1 Mơ hình điều khiển preview controller sử dụng bám theo quỹ đạo ZMP mong muốn 66 Hình 4-2 CoM thay đổi trƣớc thay đổi ZMP mong muốn [16] 67 Hình 4-3 Lƣu đồ giải thuật điều khiển cho robot robot hai chân mô ngƣời 70 x WALKING PLANNING FOR BIPED ROBOT HUBOT-1 11 length, foot angle, etc according to this The hip and ankle trajectories are planned according to the parameters of the robot and the ground conditions Different foot motions are produced, and the motion which satisfies stable constraints is chosen for deriving the joint actuators Simulation results show this walking planning successfully enables a stable bipedal walk without a fall Fig 17: Simulation interface of HUBOT-1 a) The gait trajectory planning and simulation b) The dynamic simulation using Matlab-Simulink References [1] Yu Ogura, Kazushi Shimomura, Hideki Kondo, Akitoshi Morishima, Tatsu Okubo, Shim-pei Momoki, Hun ok Lim, and Atsuo Takanishi, Human-like walking with knee stretched, heel-contact and toe-off motion by a humanoid robot, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 39763981, Oct 2006 [2] Klaus Loffler, Michael Gienger, and Friedrich Pfeiffer,Sensors and control concept of a biped robot, IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp 972980, Oct 2004 [3] M Vukobratovic and D Juricic, Contribution to the synthesis of biped gait, IEEE Trans Bio-Med Eng., vol BME-16, no 1, pp 16, 1969 [4] F Gubina, H Hemami, and R B McGhee, On the dynamic stability of biped locomotion, IEEE Trans Bio-Med Eng., vol BME-21, no 2, pp 102108, 1974 [5] A Takanishi, M Ishida, Y Yamazaki, and I Kato, The realization of dynamic walking robot WL-10RD, in Proc Int Conf Advanced Robotics, 1985, pp 459466 [6] C L Shih, Y Z Li, S Churng, T T Lee, andW A Cruver, Trajectory synthesis and physical admissibility for a biped robot during the singlesupport phase, in Proc IEEE Int Conf Robotics and Automation, 1990, pp 16461652 [7] K Hirai, M Hirose, Y Haikawa, and T Takenaka, The development of honda humanoid robot, in Proc IEEE Int Conf Robotics and Automation, 1998, pp 13211326 [8] A Dasgupta and Y Nakamura, Making feasible walking motion of humanoid robots from human motion capture data, in Proc IEEE Int Conf Robotics and Automation, 1999, pp 10441049 [9] A Takanishi, M Ishida, Y Yamazaki, and I Kato, The realization of dynamic walking robot WL-10RD, in Proc Int Conf Advanced Robotics, 1985, pp 459466 [10] Qiang Huang, Kazuhito Yokoi, Shuuji Kajita, Kenji Kaneko, Hirohiko Arai, Noriho Koyachi and Kazuo Tanie,Planning Walking Patterns for a Biped Robot, IEEE Transactions on Robotics and 12 Thanh Nhut Nguyen and Tan Lam Chung Automation, Vol 17, No.3, June 2001 [11] C Shih, Gait synthesis for a biped robot, Robotica, vol 15, pp 599607, 1997 [12] K Erbatur, O Kurt, ”Natural ZMP Trajectories for Biped Robot Reference Generation,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.56, No.3, March 2009 [13] Vukobratovic, M and Borovac, B., Zero-Moment Point - Thirty Five Yearsof Its Life, Int Journal of Humanoid Robotics, Vol.1, No.1, 2004, pp 157-173 [14] TN Nguyen, HL Phan, TL Chung, Development of a humanoid biped walking robot Hubot-1, VCM National Conf., 2010 [15] TN Nguyen, TL Chung, Walking planning for biped robot Hubot-1, VCM National Conf., 2010 Received on October 29 - 2010 Revised on December 01 - 2010 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Thanh Nhựt Ngày , tháng, năm sinh: 18/04/1986 Nơi sinh: Long An Địa liên lạc: 888/67/29 Lạc Long Qn, phường 8, quận Tân Bình, Tp.Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:  Từ năm 2004-2009: học đại học chuyên ngành Cơ Điện Tử trường đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh  Từ năm 2009-nay: học cao học chuyên ngành Cơ Điện Tử trường đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC:  Từ năm 2009-2011 : Cơng tác phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc Gia DCSELab, trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, tham gia giảng dạy ĐAMH môn Cơ điện tử ... ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ ZMP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BƢỚC CHO ROBOT BIPED 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tổng quan robot hai chân mô ngƣời - Mơ hình hóa động học động lực học robot. .. hết robot sử dụng tiêu chuẩn ổn định ZMP để thiết kế quỹ đạo động lực học thiết kế điều khiển nhằm giúp robot bước ổn định địa hình khơng biết trước 1.2.3 Tổng quan xây dựng quỹ đạo điều khiển cho. .. ĐIỀU KHIỂN BÁM THEO QUỸ ĐẠO 64 4.1 Lý thuyết điều khiển preview control 64 4.2 Thiết kế điều khiển preview control bám theo quỹ đạo ZMP thiết kế 66 4.3 Thiết kế điều khiển