Bài báo khoa học Kỹ Thuật Robot 4 bậc tự do.Bài báo trình bày một mô hình toán học đơn giản của một robot đi bộ bằng hai chân với bốn bậc tự do. Nó trình bày một phương pháp mới để cảm nhận và cân bằng cho rô bốt hai chân với số bậc tự do tối thiểu có thể để đi bộ. Các phương pháp đề xuất liên quan đến việc thiết kế một mắt cá chân bán cứng để tạo điều kiện nhanh chóng và chính xác các phép đo về độ không ổn định ngang (sagittal) của rô bốt đi bộ. Sử dụng chiến lược mang theo một khối lượng bên hông theo hướng về phía trước và một hệ thống hai khối đối trọng để sự cân bằng cơ thể sang một bên cho phép chúng tôi tách các thuật toán đi bộ về phía trước khỏi các vấn đề về độ ổn định của robot. Hệ thống hai khối lượng khác nhau giúp cải thiện phản ứng thời gian và hiệu quả của hệ thống cân bằng. Các thuật toán điều khiển được phát triển cung cấp sự ổn định liên tục của robot trong khi nó đi theo hướng về phía trước bằng cách kích hoạt bốn động cơ điện một chiều. Quy hoạch quỹ đạo chân trơn tru được thực hiện để giảm thiểu chân đất va chạm và chuyển động giật tại các khớp. Hiệu quả của các thuật toán điều khiển được đề xuất được kiểm tra và xác minh bằng cách sử dụng các công cụ máy tính MATLAB Simulink.
Mơ hình động mơ bước rơ bốt hai chân hình bình hành bốn bậc tự với hai bên kiểm sốt ổn định Bài báo trình bày mơ hình tốn học đơn giản robot hai chân với bốn bậc tự Nó trình bày phương pháp để cảm nhận cân cho rô bốt hai chân với số bậc tự tối thiểu để Các phương pháp đề xuất liên quan đến việc thiết kế mắt cá chân bán cứng để tạo điều kiện nhanh chóng xác phép đo độ không ổn định ngang (sagittal) rô bốt Sử dụng chiến lược mang theo khối lượng bên hơng theo hướng phía trước hệ thống hai khối đối trọng để cân thể sang bên cho phép tách thuật tốn phía trước khỏi vấn đề độ ổn định robot Hệ thống hai khối lượng khác giúp cải thiện phản ứng thời gian hiệu hệ thống cân Các thuật toán điều khiển phát triển cung cấp ổn định liên tục robot theo hướng phía trước cách kích hoạt bốn động điện chiều Quy hoạch quỹ đạo chân trơn tru thực để giảm thiểu chân đất va chạm chuyển động giật khớp Hiệu thuật toán điều khiển đề xuất kiểm tra xác minh cách sử dụng cơng cụ máy tính MATLAB Simulink Giới thiệu Sự phát triển hệ thống robot để hỗ trợ thay người việc thực nhiệm vụ khác liên tục phát triển Để thay người thực số nhiệm vụ cụ thể, robot cần có khả thích ứng đối phó với mơi trường làm việc người Điều địi hỏi robot phải có cấu trúc vật lý tương tự người, đặc biệt cách thức chuyển động Việc nghiên cứu phát triển phương pháp giống người hai chân đơn giản rẻ tiền thách thức phức tạp chuyển động số lượng tay chân người tham gia vào trình Các giải pháp có cho vấn đề phức tạp, địi hỏi linh hoạt cấu trúc chân đó, tốn để thực Một yếu tố định để rô bốt biết thực tế khả chân rô bốt chuyển động nhịp nhàng, tránh va đập chân so với mặt đất trì ổn định thể suốt trình Trong nhiều năm, nhà nghiên cứu xem xét nhiều vấn đề khác liên quan đến hai chân, tức phong cách bộ, ổn định, hiệu lượng, vv Một vấn đề thường gặp phải hình thức hai chân thơng thường sử dụng dáng giống la bàn thường có tác động với mặt đất cuối giai đoạn hỗ trợ chân Bài báo đề xuất cấu trúc robot tối giản với bốn bậc tự để giảm thiểu lực tác động trình tiếp đất chân cách lập kế hoạch cẩn thận cho dáng robot thực chiến lược mang theo khối lượng hông Bài báo đề xuất phương pháp để cảm nhận kiểm soát ổn định robot hai chân Sử dụng khớp mắt cá chân thiết kế đặc biệt bậc tự bán cứng với cảm biến phát góc tích hợp cho phép phát nhanh tức xu hướng rơ bốt bất ổn định ngang Cấu trúc mắt cá chân thực thành cơng nhiệm vụ chuyển động chuyển tiếp từ vấn đề ổn định cấp điều khiển Bộ điều khiển thiết kế phát không ổn định cách cảm biến mắt cá chân sau khơi phục vị trí thẳng đứng rơ bốt cách di chuyển theo chuyển động thẳng khối lượng đối trọng không tự độ gắn bệ thắt lưng rơ bốt Do đó, chiến lược cân không liên quan đến cấu chấp hành khớp chân Bộ truyền động khớp điều khiển điều khiển cung cấp bước êm khơng va đập theo hướng phía trước Kết là, việc tách thuật toán chuyển động tịnh tiến khỏi thuật tốn trì độ ổn định dẫn đến việc điều khiển hoạt động nhanh cung cấp bước trơn tru ổn định cho robot Nội dung báo tổ chức sau Phần giới thiệu thiết kế cấu chân, cấu mắt cá chân, kỹ thuật cảm biến chiến lược cân Phần trình bày chiến lược vận động hông để hai chân Phần thảo luận việc lập kế hoạch quỹ đạo cho việc hai chân Phần thảo luận mơ hình tốn học hệ thống Trong Phần 6, mơ máy tính sử dụng MATLAB Simulink thảo luận khả tồn hệ thống đề xuất chứng minh kết mô Cuối cùng, kết luận đưa Phần Hệ thống học chân 2.1 Cơ chế hình bình hành bốn bậc tự để di chuyển rô bốt theo hướng thuận Mơ hình khí chân rơ bốt tối giản bốn bậc tự thể Hình Hình Hình vẽ sơ đồ cấu tạo chân (mặt bên) Mỗi chân có hai động để truyền động chân Các tư chân sửa đổi dây đai cam ròng rọc tạo thành chế hình bình hành Cơ chế hình bình hành tách chuyển động góc chân θ1 từ chân chân chuyển động góc θ2 có khả trì mặt phẳng chân ln song song với mặt đất không phụ thuộc vào tư chân Do đó, hệ thống học khơng u cầu động khớp mắt cá chân để điều khiển mức độ bàn chân robot để di chuyển bề mặt nằm ngang Những bất thường nhỏ mặt đất bị hấp thụ số vật liệu giày mềm gắn vào phần bàn chân 2.2 Cấu trúc mắt cá chân bán cứng để phát bất ổn định ngang Một yếu tố để đạt ổn định rô bốt hai chân khả phát xác xáo trộn hệ thống xảy thực biện pháp khắc phục nhanh chóng để trì tư thẳng đứng Bài báo trình bày giải pháp học cho vấn đề này, tức mắt cá chân với cấu trúc nửa cứng thể Hình Khớp quay tự mặt phẳng phía trước đặt vùng mắt cá bàn chân khớp cổ chân Nó cho phép robot không bị hạn chế thể đứng chân để nghiêng (góc θ) tự theo hướng sang bên (nghiêng) với xáo trộn xảy Khớp tự hoạt động phần tử cảm biến phản hồi nhanh có độ nhạy cao cho điều khiển rơ bốt phục hồi cân sang bên cách chuyển động tuyến tính đối trọng mặt phẳng hơng theo hướng tương ứng Hình Hình vẽ sơ đồ cấu trúc mắt cá chân bán cứng (mặt trước) 2.3 Khối lượng cân kép Hình cho thấy robot hai chân tiến bước với chân nâng lên khỏi mặt đất chân khác nghiêng sang bên khớp cổ chân mômen quay không cân Để ổn định bước robot, cân khối lượng đặt vị trí cụ thể để bù cho khối lượng khơng cân nhiễu loạn Hình cho thấy mơ hình ba khối lượng robot hai chân: mL đại diện cho khối lượng cục chân treo, mB1 đại diện cho cân khối lượng mB2 khối lượng cân nhỏ Khối lượng cân chủ yếu dùng để bù vào trọng lượng chân treo Khối lượng định vị vị trí tính tốn trước để cân với mômen xoắn tạo khối lượng treo mL Khối lượng cân thứ yếu mB2 định vị động sở thông tin thu thập từ cảm biến mắt cá chân Khối lượng hoạt động đối trọng để ổn định rô-bốt chống lại xáo trộn từ bên Việc sử dụng hai khối lượng đối trọng riêng biệt mang lại số lợi như: • Có thể đạt thời gian phản hồi nhanh cách di chuyển khối lượng cân nhỏ thay di chuyển khối lượng lớn • Hiệu lượng cải thiện cách giảm tải động dẫn động khối lượng cân nhỏ Hình Robot nghiêng phía mắt cá chân cân khối lượng Hình Mơ hình đơn giản Robot chân Chiến lược mang khối lượng hông dáng Bài báo giới thiệu phương pháp để giảm thiểu lực tác động chân tiếp đất cách lập kế hoạch cẩn thận dáng rơ bốt theo hướng phía trước thiết kế chế cân đặc biệt mặt phẳng hông để tránh bị nghiêng chuyển động robot Cơ chế cân thiết kế để đảm bảo thực thành công dáng theo kế hoạch Các quỹ đạo chân thiết kế để giữ khối lượng thể lớn robot (khối lượng hông M) đứng yên để lực hấp dẫn Mg thẳng đứng với tâm khu vực chân đứng yên F giai đoạn chuyển động chân đỡ (Hình 5) Ở giai đoạn này, chân xoay quanh khối hông đứng yên M để thực bước cần thiết Sự chuyển giao M hướng phía trước xảy hai chân chạm đất, tức giai đoạn hỗ trợ hai chân Các lợi chiến lược mang khối lượng lớn cho việc lập kế hoạch dáng robot rõ ràng Trong trường hợp này, thể robot lớn khối lượng M khơng đóng góp vào lực tác động trình tiếp đất lên chân F khơng đóng góp vào qn tính lực nhiễu loạn khác có xu hướng lật ngược thể theo hướng tiến lùi so với điểm cạnh bàn chân l Hơn nữa, cấu hình vận tốc chân thiết kế đặc biệt để đạt độ lớn thời điểm hạ cánh Chiến lược chọn đơn giản hóa đáng kể thiết kế điều khiển không yêu cầu phản ứng để trì ổn định robot theo hướng tiến lùi Tuy nhiên, trường hợp chiến lược phổ biến thiết kế cho rơ bốt có (Hình 5a) Hình Chiến lược mang khối lượng bên hôn Lập kế hoạch quỹ đạo chuyển động chân Yêu cầu việc lập kế hoạch quỹ đạo đạt kiểu trơn tru cho rô bốt hai chân với áp lực thiết bị truyền động tác động tối thiểu vào cuối giai đoạn Ngoài ra, quỹ đạo cố tình dự định giữ cho chiều cao hơng mức không đổi so với mặt đất rô bốt bước Tính hữu ích rơ bốt sử dụng rô-bốt dịch vụ chuyên chở vật dụng không lắc lên xuống Quỹ đạo chuyển động chân thực cách lập kế hoạch cho tất bốn trục quay động tọa độ không gian chung phạm vi lựa chọn cẩn thận điều kiện biên với thời gian thích hợp Các điều kiện biên trục động buộc phải phù hợp với chân 3D tư ranh giới giai đoạn chuyển động Sau đó, việc lập kế hoạch quỹ đạo không gian chung trơn tru cung cấp chuyển động chân không gian Descartes Chuyển động chân chiến lược mang khối lượng hơng với kích thước bước s chiều cao cố định h phân loại thành ba giai đoạn: - Giai đoạn hỗ trợ chân cho bước chuyển động từ tư đứng yên (Hình 6) - Giai đoạn hỗ trợ chân cho bước chuyển động (Hình 7) - Giai đoạn chống hai chân để chuyển khối lượng M hơng (Hình 8) Các điều kiện biên khớp hông θ2,1 bước chuyển động sau: for < t < tH θ2,1 (0) = θ2,1 (tH) = Hình Giai đoạn chống chân cho bước Hình Giai đoạn chống chân cho bước thứ hai bước Hình Giai đoạn chống hai chân Trong h chiều cao hơng đặt trước, s kích thước bước l chiều dài liên kết Với điều kiện tf tổng thời gian để thực bước qua chuyển động khớp háng khớp gối theo trình tự, khoảng thời gian phân bổ cho chuyển động khớp háng tH tK chuyển động khớp gối thiết lập tỷ lệ thuận với góc chuyển động hơng đầu gối tương ứng Chúng xác định sau: Các điều kiện biên khớp gối cho bước chuyển động sau: Các điều kiện ranh giới cho khớp hông cho bước thứ hai chuyển động sau: Các điều kiện ranh giới góc cho khớp gối cho bước sau: Các vị trí góc ba khớp cịn lại chuyển động pha hỗ trợ hai chân chức : Trong công thức P(t) θP(t) định nghĩa Lập kế hoạch quỹ đạo cho tư hiển thị Hình 6, Hình 7, Hình thiết kế sở đoạn tuyến tính pha trộn với đa thức thứ tư Phương pháp lập kế hoạch quỹ đạo tạo căng thẳng truyền động chạy chúng với tốc độ không đổi danh nghĩa hầu hết thời gian Đối với thời gian pha trộn , phương trình điều khiển động định nghĩa : (1) Đối với tốc độ không đổi phương trình điều khiển động định nghĩa : Đối với thời gian giảm tốc phương trình điều khiển động định nghĩa : (2) 34 23 22 Mơ hình hóa động cân robot giai đoạn chuyển động chân 5.1 Cân mặt trước (coronal) Hình cho thấy mặt bên robot thực bước tiến cách chuyển chân xoay từ phía sau đến phía trước hông; giai đoạn robot đứng chân có khả robot tip qua Sự ổn định robot giai đoạn xác định cách tính đến tất lực tĩnh động tác động lên cấu trúc chân Lực tĩnh đến từ trọng lượng phận thể robot lực động tính tốn từ quỹ đạo theo kế hoạch chuyển động chân mô tả phần trước Sự tăng tốc đầu gối khối lượng mắt cá chân cho chân xoay sau: Hình Mặt bên robot hai chân thực bước tiến Trong đó: , : vị trí ngang, vận tốc gia tốc cho khối lượng điểm , : vị trí thẳng đứng, vận tốc gia tốc cho khối lượng điểm , : vị trí nằm ngang, vận tốc gia tốc cho khối lượng điểm , : vị trí thẳng đứng, vận tốc gia tốc cho khối lượng điểm Để robot ổn định, vị trí kết lực phản ứng bàn chân mặt đất R phải rơi vào bên khu vực bàn chân Từ Hình rõ ràng robot tip qua điểm cạnh trước bàn chân theo hướng phía trước mơ-men xoắn ròng từ tất lực tác động lên thể điểm khơng phải có xu hướng xoay thể theo chiều kim đồng hồ điểm Mặt khác, mơ-men xoắn rịng từ tất lực không không điểm cạnh mà có xu hướng xoay robot ngược chiều kim đồng hồ điểm, robot trì ổn định di chuyển theo hướng phía trước Trong trường hợp sau, mơ-men xoắn kết cân an toàn lực phản ứng giày lực kết rơi vào khu vực giày Do đó, điều kiện ổn định phía trước phụ thuộc vào điểm áp dụng lực kết R có nằm khu vực bàn chân hay khơng Trên sở khái niệm ổn định robot theo hướng phía trước, rút lề tham số ổn định d (cụ thể khoảng cách từ điểm ứng dụng kết R điểm mắt cá chân bàn chân) cho thấy mức độ ổn định robot theo hướng phía trước Đề cập đến Hình 9, d tính từ phương trình mơ-men xoắn ròng sau điểm O: (3) Trong : khối lượng khối lượng điểm tương ứng Từ (3) ta có cơng thức tính d: Nếu D kích thước thực tế bàn chân robot, điều kiện cân phía trước cho robot định nghĩa sau: d robot ổn định d = D => robot ổn định d > D => robot khơng ổn định 5.2 Cân ngang (sagittal) Một mơ hình đơn giản hóa robot hai chân giai đoạn chuyển động chân hiển thị Hình 10 Trong báo này, phương pháp tiếp cận lắc đảo ngược áp dụng phương trình dẫn xuất cho chuyển động góc robot khớp quay tự O mắt cá chân Hình 10 cho thấy tất khối lượng điểm phân phối phù hợp cấu trúc chân góp phần vào bất ổn mơ hình mức độ tự dạng lực hấp dẫn tĩnh dạng lực quán tính động Các lực quán tính mơ hình hóa khối tăng tốc độc lập hệ thống - chẳng hạn khối lượng điều khiển hông chân, động đầu gối khối lượng đối trọng điều khiển truyền động tuyến tính nằm mặt phẳng hơng : Hình 10 Mặt trước robot hai chân thực bước tiến X theo hướng với Do đó, mơ-men xoắn rịng từ tất lực hấp dẫn quán tính chân quay O tự thể dạng: đó: mA khối lượng điểm nằm mắt cá chân chân mK khối lượng điểm nằm đầu gối chân mH khối lượng điểm nằm hông chân H Siswoyo Jo, N Mir-Nasiri / Mơ hình tốn học máy tính 57 (2013) 254–269 Cơng thức tính tốn thơng số hình học tư chân (Hình 10) Biến Số Cơng Thức Biến Số Cơng Thức cos cos Hình 11 Sơ đồ hệ thống truyền động khối lượng lớn sử dụng để truyền động Ngoài ra, M tổng khối lượng hình thành khối lượng thiết bị ngoại vi thiết bị nằm trung tâm hông hai khớp hông robot khối đối trọng tĩnh gửi truyền động đến khoảng cách đặt trước ds tảng hơng trước robot tiến lên bước Nó sử dụng để cung cấp cân tĩnh ban đầu cho toàn thể robot trước chuyển động chân xảy Nó giúp giảm thời gian phản hồi điều khiển tiết kiệm lượng dành cho việc thúc đẩy khối lượng đối trọng động thứ hai khối đối trọng động thứ hai liên tục thay đổi vị trí mặt phẳng hông để cung cấp cân sang bên động cho thể robot đứng chân Cuối cùng, c k hệ số giảm xóc lị xo thành phần liên quan đến khớp quay O Các tính tốn tất tham số hình học Hình 10 cung cấp Bảng cuối báo Hoàn tất phương trình chuyển động hệ thống mức độ tự điểm O bao gồm (5) tất khoảnh khắc quán tính từ khối lượng điểm sau: ... chân robot, điều kiện cân phía trước cho robot định nghĩa sau: d robot ổn định d = D => robot ổn định d > D => robot không ổn định 5.2 Cân ngang (sagittal) Một mơ hình đơn giản hóa robot. .. cùng, kết luận đưa Phần Hệ thống học chân 2.1 Cơ chế hình bình hành bốn bậc tự để di chuyển rơ bốt theo hướng thuận Mơ hình khí chân rô bốt tối giản bốn bậc tự thể Hình Hình Hình vẽ sơ đồ cấu... thẳng đứng Bài báo trình bày giải pháp học cho vấn đề này, tức mắt cá chân với cấu trúc nửa cứng thể Hình Khớp quay tự mặt phẳng phía trước đặt vùng mắt cá bàn chân khớp cổ chân Nó cho phép robot