Nghiên cứu, thiết kế, điều khiển robot nhiều chân

GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGỌC ANH HOÀNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN ROBOT NHIỀU CHÂN Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số ngành: 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM, tháng 08 năm 2013 HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG i GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ Công trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thiên Phúc Cán chấm nhận xét 1: TS.Nguyễn Văn Giáp Cán chấm nhận xét 2: TS.Phan Tấn Tùng Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 29 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS.Nguyễn Huy Bích PGS.TS Trần Thiên Phúc TS.Nguyễn Văn Giáp TS.Phan Tấn Tùng TS.Lưu Thanh Tùng Xác nhận Chủ Tịch Hội đồng dánh giá LV trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn chỉnh sửa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG TRƯỞNG KHOA ii GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Ngọc Anh Hoàng MSHV: 11046109 Ngày, tháng, năm sinh: 20/01/1987 Nơi sinh: Huế, TT Huế Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 605204 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu, thiết kế, điều khiển robot nhiều chân II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu độ ổn định, dáng thuật toán chuyển động robot sáu chân - Thiết kế chế tạo mô hình robot sáu chân III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Trần Thiên Phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG iii GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, muốn cảm ơn gia đình Cám ơn bố mẹ người thân yêu bên cạnh chăm sóc, động viên để tơi vững bước đường học tập ngày hôm Trong q trình thực luận văn tơi gặp nhiều khó khăn mà tưởng chừng khơng thể giải được, may mắn, giúp đỡ hướng dẫn tận tình từ người Thầy Từ bắt đầu luận văn, bước chân vào lĩnh vực mới, ngày hoàn thành, Thầy hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho tơi để tìm hiểu lý thuyết thực mơ hình Với kính trọng cảm kích xin gởi lời cám ơn tới PGS TS Trần Thiên Phúc người thầy giúp đỡ, cho lời khun bổ ích q trình thực luận văn Tôi xin gởi lời cám ơn tới quý Thầy Cơ Khoa Cơ Khí giúp đỡ tơi trình làm luận văn, bỏ thời gian xem xét đề tài Tôi xin cảm ơn q Thầy Cơ tham gia giảng dạy chương trình đào tạo thạc sỹ ngành Công nghệ chế tạo máy niên khóa 2011-2013 trang bị cho tơi kiến thức bổ ích năm học qua Cuối xin cảm ơn người bạn giúp đỡ suốt tháng ngày học cao học TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 06 năm 2013 Phạm Ngọc Anh Hồng HVTH: PHẠM NGỌC ANH HỒNG iv GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu loại Robot di chuyển sáu chân độ ổn định tĩnh, quỹ đạo chân, dáng thuật toán chuyển động Robot Dựa vào nghiên cứu để mơ chuyển động Robot máy tính phần mềm Matlab sau nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình Robot di chuyển địa hình phẳng Để thực nội dung luận văn có phần sau: Chương 1: Tìm hiểu loại Robot di chuyển chân, đặc điểm loại Robot sáu chân, tình hình nghiên cứu tính cấp thiết đề tài Chương 2: Tìm hiểu độ ổn định cho Robot, phân tích đưa mơ hình tốn cho dáng Chương 3: Đưa thuật toán chuyển động: quỹ đạo chân q trình di chuyển, thuật tốn động học, thuật toán động lực học trường hợp chuyển hướng Robot Chương 4: Mô động học Robot Chương 5: Thiết kế chế tạo mơ hình Robot Chương 6: Kết luận hướng phát triển đề tài HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG v GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ CONTENT This thesis reseach about Six Leg Robot on static stability, leg orbit, gait, kinematics and dynamics Based on these studies to simulate the motion of the Robot on the computer using Matlab software Then design and create a model Six Leg Robot can move on flat terrain To make the content of the thesis is the following: Chapter1: Study Multi-legged Robot, the characteristic of Six leg Robot, research situation and urgency of the subject Chapter 2: Study Robot stability, analysis and set up mathematical models for gait Chapter 3: Giving the motion algorithms: leg trajectory algorithm, kinemactic, dynamic algorithms and turning of Robot Chapter 4: Kinematic model simulation Chapter 5: Designing and manufacturing Robot model Chapter 6: Conclusions and direction of development HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG vi GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i NỘI DUNG LUẬN VĂN v CONTENT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC HÌNH ẢNH xi CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1 Giới thiệu 1.1.1 Robot di chuyển chân 1.1.2 Robot sáu chân (Hexapod Robot) 10 1.2 Tình hình nghiên cứu 11 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 11 1.2.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 15 1.3 Tính cấp thiết đề tài 15 CHƯƠNG 16 DÁNG ĐI CỦA ROBOT 16 2.1 Một số định nghĩa q trình phân tích dáng 16 2.2 Độ ổn định Robot 21 2.2.1 Định lý độ ổn định 23 2.3 Các loại dáng cho địa hình phẳng 24 2.3.1 Dáng dạng sóng 25 2.3.2 Dáng pha 27 2.3.3 Dáng tuần hoàn lùi 29 2.4 Lựa chọn dáng cho Robot 33 2.5 Phương pháp chuyển hướng cho Robot 36 HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG vii GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.5.1 Di chuyển theo cung trịn bán kính R 36 2.5.2 Quay tròn chỗ 38 2.6 Kết luận 38 CHƯƠNG 39 THUẬT TOÁN CHUYỂN ĐỘNG 39 3.1 Thuật toán quỹ đạo chân: 39 3.1.1 Quỹ đạo chân theo phương x 39 3.1.2 Quỹ đạo chân theo phương y 45 3.1.2 Quỹ đạo chân theo phương z 45 3.2 Thuật toán động học 47 3.2.1 Thuật toán động học thuận: 47 3.2.2 Thuật toán động học nghịch: 51 3.3 Thuật toán động lực học 54 3.4 Kết luận 56 CHƯƠNG 57 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC 57 4.1 Phương pháp mô 57 4.2 Các thông số q trình mơ 57 4.3 Kết mô 59 CHƯƠNG 61 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT 61 5.1 Mơ hình thực nghiệm 61 5.1.1 Kết cấu mơ hình 61 5.1.2 Lựa chọn động 63 5.2 Mô hình hồn chỉnh 68 5.3 Nguyên lý hoạt động 70 5.4 Mạch điều khiển 72 HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG viii GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ 5.5 Kết đạt 73 5.5.1 Mơ hình 73 5.5.2 Thí nghiệm chuyển động Robot 74 CHƯƠNG 78 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 6.1 Đánh giá 78 6.1.1 Các nhiệm vụ hoàn thành 78 6.1.1 Hạn chế 78 6.2 Hướng phát triển đề tài 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 82 Code Matlab 82 HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG ix GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1- Bảng so sánh lượng tiêu thụ Bảng 1.2- Ứng dụng Robot nhiều chân Bảng 2.1- Ảnh hưởng giá trị bước tiến lên ổn định dáng sóng 27 Bảng 2.2- Lựa chọn dáng 35 HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG x GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ  Mơ hình robot thực nghiệm bề mặt phẳng Sai số quỹ đạo chưa kiểm soát Do không sử dụng cảm biến lực bàn chân nên khơng kiểm sốt tượng trượt, gây sai số quỹ đạo  Độ ổn định mô hình thực nghiệm chưa cao 6.2 Hướng phát triển đề tài  Chế tạo mơ hình khí hồn chỉnh với độ tin cậy cao  Nghiên cứu dáng địa hình khơng phẳng, có vật cản  Xây dựng điều khiển chuyển động robot  Giảm độ trượt, tăng độ xác mặt quỹ đạo Xây dựng mơ hình tương tác hồn chỉnh robot với mơi trường (sử dụng hệ thống camera xử lý hình ảnh, đặt cảm biến lực bàn chân, cảm biến gia tốc, cảm biến cân bằng), từ tính tốn trạng thái robot, phục vụ cho trình điều khiển  Xây dựng tốn động lực hồn chỉnh HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 79 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mark W Spong, Seth Hutchinson, and M Vidyasagar, Robot Dynamics and Control, 2004 [2] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm, Robot công nghiệp, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2006 [3] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Đại Học Quốc Gia TPHCM, 2011 [4] Xilun Ding, Zhiying Wang, Alberto Rovetta and J.M Zhu, Locomotion analysis of hexapod robot , China , 2009 [5] Giorgio Figliolini and Pierluigi Rea, Mechanics and Simulation of Six-Legged Walking Robots, Italy [6] Abhijit Mahapatra , and Shibendu Shekhar Roy, “Computer Aided Dynamic Simulation of Six-Legged Robot” LETTERS International Journal of Recent Trends in Engineering , 2009 [7] Yong Gao, Weihai Chen, Zhen Lu, and Xiaoqi Chen “Dynamics Analysis and Trajectory Tracking Control for a Cockroach-Like Robot” IEEE International Conference on Control and Automation , 2009 [8] Mohammed Yassir Al-Zaydi Shamsudin H M Amin “Simulation Kinematics Model of A Multi-legged” Mobile Robot Center for AI and Robotics, Fke University of Technology, Malaysia, 1997 [9] Shibendu Shekhar Roy, and Dilip Kumar Pratihar “Study on Energy Consumption in Turning Motion of Hexapod Walking Robots” Proceedings of the World Congress on Engineering , London, 2011 HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 80 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ [10] Naoya Okamoto1, Yosuke Kurihara and Kajiro Watanabe Pratihar “Motion control of multi-legged machines” ICROS-SICE International Joint Conference , JapAN, 2009 [11] S.M Song, and K Waldron, “Machines that walk: The Adaptive Suspension Vehicle”, MIT Press, Cambridge, MA, 1989 [12] Naoya Okamoto, Yosuke Kurihara and Kajiro Watanabe” Motion control of multi-legged machines” ICROS-SICE International Joint Conference 2009 [13] Qingjiu Huang and Kazumichi Oka, Tokyo Institute of Technology, “Phased Compliance Control With Virtual Force for Six-Legged Walking Robot” [14] Abhijit Mahapatra, and Shibendu Shekhar Roy, “Computer Aided Dynamic Simulation of Six-Legged Robot”, International Journal of Recent Trends in Engineering [15] Shibendu Shekhar Roy, Ajay Kumar Singh, and Dilip Kumar Pratihar, “Analysis of Six-legged Walking Robots ”, 14th National Conference on Machines and Mechanisms (NaCoMM09), NIT, Durgapur, India, December 17-18, 2009 [16] Gang Wang, Lixun Zhang, Dongliang Chen, Defeng Liu, “Modeling and Simulation of multi-legged walking machine prototype”, 2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 81 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ PHỤ LỤC Code Matlab global l1; global l2; global l3; global tam; global nuachieudai; global nuachieurong1; global nuachieurong2; global t1; global t2; global t3; global t4; global t5; global t6; global buoc1; global buoc2; global buoc3; global buoc4; global buoc5; global buoc6; global dt; HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 82 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ dieukhien = [1; % theo huong x 0; % Y theo huong y 0.1; % Z chieu cao than 0.07]; % chieu dai buoc l1 = 0.035; l2 = 0.07; l3 = 0.132; nuachieudai = 0.15; nuachieurong1 = 0.05; nuachieurong2 = 0.075; ychan = 0.107;% khoang cach chan h = 0.02; % chieu cao buoc dt = 10; phannho = 1; tam = [0 ; ; dieukhien(3)]; time = 0; tt = [0 ; ychan ; 0]; x1 = 0; x2 = 0; x3 = 0; x4 = 0; x5 = 0; x6 = 0; HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 83 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ y1 = 0; y2 = 0; y3 = 0; y4 = 0; y5 = 0; y6 = 0; z1 = 0; z2 = 0; z3 = 0; z4 = 0; z5 = 0; z6 = 0; buoc1 = 0; buoc2 = 0; buoc3 = 0; buoc4 = 0; buoc5 = 0; buoc6 = 0; t1 = 0; t2 = dt; HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 84 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ t3 = 0; t4 = dt; t5 = 0; t6 = dt; chuky=2; while time = chuky*dt) t1 = t1 - chuky*dt; end if(t2 >= chuky*dt) t2 = t2 - chuky*dt; end if(t3 >= chuky*dt) t3 = t3 - chuky*dt; end if(t4 >= chuky*dt) t4 = t4 - chuky*dt; end if(t5 >= chuky*dt) t5 = t5 - chuky*dt; end HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 89 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ if(t6 >= chuky*dt) t6 = t6 - chuky*dt; end B = [ nuachieudai + tam(1) tam(1) nuachieurong1 + tam(2) tam(3); nuachieurong2 + tam(2) tam(3); -nuachieudai + tam(1) nuachieurong1 + tam(2) tam(3); nuachieudai + tam(1) -nuachieurong1 + tam(2) tam(3); tam(1) -nuachieurong2 + tam(2) tam(3); -nuachieurong1 + tam(2) tam(3)]; -nuachieudai + tam(1) body = [ B(1,:); B(2,:); B(3,:); B(6,:); B(5,:); B(4,:); B(1,:)]; B1 = B(1,:)'; B2 = B(2,:)'; B3 = B(3,:)'; B4 = B(4,:)'; B5 = B(5,:)'; B6 = B(6,:)'; P1 = [x1 ; y1 ; z1] + tt - [0;0;tam(3)]; HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 90 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ P2 = [x2 ; y2 ; z2] + tt - [0;0;tam(3)]; P3 = [x3 ; y3 ; z3] + tt - [0;0;tam(3)]; P4 = [x4 ; -y4 ; z4] + tt - [0;0;tam(3)]; P5 = [x5 ; -y5 ; z5] + tt - [0;0;tam(3)]; P6 = [x6 ; -y6 ; z6] + tt - [0;0;tam(3)]; chan1 = chanIK(P1+B1,B1); chan2 = chanIK(P2+B2,B2); chan3 = chanIK(P3+B3,B3); chan4 = chanIK(P4+B4,B4); chan5 = chanIK(P5+B5,B5); chan6 = chanIK(P6+B6,B6); plot3(chan1(:,1),chan1(:,2),chan1(:,3),'- r', chan2(:,1),chan2(:,2),chan2(:,3),'- k', chan3(:,1),chan3(:,2),chan3(:,3),'- r', chan4(:,1),chan4(:,2),chan4(:,3),'- k', chan5(:,1),chan5(:,2),chan5(:,3),'- r', chan6(:,1),chan6(:,2),chan6(:,3),'- k', body(:,1),body(:,2),body(:,3),'- k','LineWidth',3) axis equal xlabel('X') ylabel('Y') zlabel('Z') xlim([-0.5 3]) HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 91 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ ylim([-0.5 2]) zlim([0 0.5]) title(time) grid on drawnow end HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 92 GVHD: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : Phạm Ngọc Anh Hồng Giới tính : Nam Ngày tháng năm sinh : 20/01/1987 Nơi sinh : Huế, Thừa Thiên Huế Địa liên lạc : 186/33 Nguyễn Súy, phường Tân Kỳ, quận Tân Phú, TP Hồ Chí Minh Điện thoại : 0988227699 Mail : phamngocanhhoang@gmail.com Quá trình đào tạo - 2006-2011: Sinh viên khoa Cơ Khí, ngành chế tạo máy đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 2011-2013: Học viên cao học ngành chế tạo máy trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Quá trình cơng tác - 2011 đến nay: Cơng tác cơng ty Z755- Bộ Quốc Phịng HVTH: PHẠM NGỌC ANH HOÀNG 93 ... TÀI: Nghiên cứu, thiết kế, điều khiển robot nhiều chân II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu độ ổn định, dáng thuật toán chuyển động robot sáu chân - Thiết kế chế tạo mô hình robot sáu chân III... 1.1.2 Robot sáu chân (Hexapod Robot) Hình 1.11- Robot sáu chân 1.1.2.1 Ưu Robot sáu chân Robot sáu chân loại phổ biến loại Robot có chân Nó có ưu điểm: - Điều khiển phức tạp loại 2,3,4 chân Giữ... thống chân (Bipeds Robot) giống người chim, Robot chân (Quadrupeds Robot) động vật có vú bị sát, Robot chân (Hexapods Robot) côn trùng, Robot 10 chân (Octopods Robot) nhện Bên cạnh có mơ hình Robot