Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng robot mahru III

Mục tiêukhí/hệ thống điện/điện tử + Phân tích số bậc tự do của robot Mahru III + Đơn giản hóa mô hình robot + Tính toán bài toán động học thuận/ngược + Khảo sát bài toán ZMP và bài toán

Trang 1

Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng robot Mahru III

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Đức An

Trang 2

Mục tiêu

khí/hệ thống điện/điện tử

+ Phân tích số bậc tự do của robot Mahru III

+ Đơn giản hóa mô hình robot

+ Tính toán bài toán động học thuận/ngược

+ Khảo sát bài toán ZMP và bài toán động lực học

+ khảo sát và mô phỏng chuyển động bằng phần mềm Matlab

Trang 3

Nội dung

I Khái niệm về robot dạng người

II Robot Mahru III

1 Tổng quan và Quá trình phát triển của Robot Mahru III

2 Số bậc tự do của Mahru III

3 Đặc điểm kỹ thuật của robot

4 Thiết kế hệ thống cơ khí

5 Thiết kế động học

6 Thiết kế khung dựa trên Tối ưu hóa DOE và Phân tích CAE

III Thiết lập mô hình

IV Mô phỏng

1 Bài toán động học thuận

2 Bài toán động học ngược

V ZMP và Bài toán động lực học

Trang 4

Khái niệm về robot dạng người

Robot dạng người là một robot có hình dạng cơ thể của nó

được xây dựng để giống với cơ thể con người

Được thiết kế với các mục đích khác nhau như:

+ Tương tác với các công cụ và môi trường của con người,

+ Cho các mục đích thử nghiệm (chẳng hạn như nghiên cứu

chuyển động hai chân, tay, nhận biết giọng nói ),

1

Trang 6

2 Tổng quan và Quá trình phát triển

của Robot Mahru III

Robot Mahru III là một robot được phát triển bởi công ty

Samsung Electronics Co., Ltd, Hàn Quốc vào năm 2007

có chiều cao 150cm và cân nặng 62Kg Các chức năng

chính của robot gồm:

Mô hình thật của Robot Mahru III

Trang 7

“ Robot dòng Mahru đầu tiên được sản xuất thành công vào

tháng 9 năm 2005, mang tên Mahru II có giới tính nam và

Ahra II có giới tính nữ Tên “Mahru” và “Ahra”, lần lượt

được xác định bởi một cuộc khảo sát ý kiến công chúng do

tổ chức MIC (Korean Ministry of Information and

Communication ) thực hiện, bắt nguồn từ các từ cổ của Hàn

Quốc có nghĩa là "hàng đầu" và "sự khôn ngoan"

Trang 9

▰ Robot Mahru III là robot dòng Mahru thế

hệ thứ 2 công ty Samsung, Hàn Quốc Bắt đầu

sản xuất từ 06/2006 đến 01/2007, được tiến hành

sản xuất trong vòng 7 tháng

Trang 10

▰ Muhra III được thiết kế gồm

Trang 11

4 Đặc điểm kỹ thuật của robot

▰ Cơ cấu chấp hành và hệ thống truyền động được thiết kế để đạt được tốc độ đi

bộ tối đa là 2,6km / h, cao hơn đáng kể so với tốc độ Mahru II (0,54km / h), tốc

độ đi bộ ổn định giới hạn ở 1.3km / h

▰ Robot Mahru III cũng có thể đi trên sàn nhà không bằng phẳng với độ nhô ra 1cm

Thời lượng hoạt động của pin Lithium-Polymer được gắn robot là 30 phút Tổng

trọng lượng của robot bao gồm các bộ phận bên trong, bên ngoài và pin là 62kg,

nhẹ hơn so với 75kg của Mahru II trước đó

Trang 12

4 Đặc điểm kỹ thuật của robot

▰Yếu tố chính của robot này là được thiết kế khuôn mặt và cơ thể có hình dáng

thân thiện với con người Hơn nữa, để thể hiện sức sống khi đối mặt với con người,

Robot đã được đặt thêm hệ thống đèn LED nhấp nháy màu xanh lam xung quanh

đôi tai va đôi măt

Trang 13

4 Thiết kế hệ thống cơ khí

▰ Đặc điểm chính của robot Mahru III này, để phân biệt nó từ những

robot dạng người khác là hệ thống cơ khí được thiết kế cẩn thận bởi

CAE và tối ưu hóa trên DOE

▰ Computer Aided Engineering (CAE) là việc sử dụng rộng rãi phần mềm

máy tính để hỗ trợ các nhiệm vụ phân tích kỹ thuật Nó bao gồm phân

tích phần tử hữu hạn, động lực học, động lực học chât lỏng, độ bền

▰ Tối ưu hóa trên DOE [(Design of Experiments = Thiết kế Thử nghiệm

(DoE) là một cách tiếp cận thống kê để tối ưu hóa phản ứng và quy trình

Trang 15

6 Thiết kế động học

▰Khi xác định cấu trúc động học, ta xem xét sự tương đồng của robot với con người về

hình dạng, tỷ lệ và kích thước là những yếu tố quan trọng nhất Từ các yếu tố đó và dựa trên

chuyển động thật của con người, nhóm ngiên cứu đã thiết kế tay và chân có 6 DOF, eo 1 DOF, và

cổ 3 DOF

▰ Để có khả năng chuyển động toàn bộ cơ thể tiên tiến, phạm vi chuyển động của các khớp

được thiết kế giống với HRP-2, loại rộng nhất trong số các robot dạng người

Trang 16

 Bảng 2 cho thấy kết quả so sánh của phạm vi góc

quay của các khớp trong HRP-2 và Mahru III Mặc

dù Mahru III không có công xôn loại cấu trúc như

HRP-2, thiết kế phức tạp của cấu trúc động học và

các bộ phận hình dáng bên ngoài cho phép Mahru

III có phạm vi góc khớp tương tự như HRP-2.

Trang 17

7 Thiết kế khung dựa trên Tối ưu hóa DOE và

Phân tích CAE

▰Sau khi xác định cấu trúc động học cơ bản, cần thiết kế các khung kim loại đóng vai trò là khung nâng đỡ của toàn bộ cơ thể Hình dạng của

khung phải được xác định để có được độ cứng cao và đảm bảo giảm thiểu

tổng trọng lượng Ta đã sử dụng tối ưu hóa DOE để phát triển khung cứng

và nhẹ của phần dưới cơ thể cho quá trình đi bộ ổn định

Trang 18

7 Thiết kế khung dựa trên Tối ưu hóa DOE và

Phân tích CAE

▰Một số ví dụ về kết quả tối ưu hóa cấu trúc liên kết được

bểu diễn trong 2.3 Ngoại trừ khu vực cố định như là phần gắn

động cơ và khớp nối, nhóm nghiên cứu đã áp dụng tối ưu hóa

cấu trúc liên kết DOE cho khu vực còn lại để giảm khối lượng

của nó trong khi tối đa hóa độ cứng của cấu trúc

▰ (a) là bản gốc của bản vẽ ban đầu, (b) là kết quả sau khi áp

dụng áp dụng CAE và tối ưu hóa DOE, trong đó các vùng

màu xanh lam là vùng được phép được gỡ bỏ, (c) Mô hình

khung cuối cùng

Trang 19

7 Thiết kế khung dựa trên tối ưu hóa DOE và CAE

▰ Bảng III trình bày các tác động của áp dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết DOE

cho các khung thân dưới: khối lượng bị giảm so với giá trị ban đầu và theo đó cấu

trúc độ cứng trên một đơn vị khối lượng tăng lên.

Trang 20

8 Thiết kế hệ thống truyền động

▰thiết kế hệ thống truyền động bằng cách chọn

các bộ truyền động và động cơ thích hợp (cân nhắc đến

trọng lượng nhẹ và hiệu quả năng lượng cao)

▰Với cấu trúc động học và mô hình của các

khung được thiết kế, nhóm nghiên cứu tiến hành mô

phỏng quá trình đi bộ ở các tốc độ đi bộ khác nhau để

tính toán mômen và tốc độ góc ở tất cả các khớp

Trang 21

8 Thiết kế hệ thống truyền động

▰Ngoài việc đi bộ, các chuyển động toàn thân cần

thiết khác như ngồi và quỳ cũng được mô phỏng

▰Sau đó, bằng cách phủ quỹ đạo lên biểu đồ

thông số kỹ thuật được cung cấp bởi các nhà sản xuất

động cơ và bộ truyền động, ta chọn loại nhẹ nhất để

phù hợp với bài toán đã đặt ra

Trang 22

9 Hệ thống điện và điện tử của Robot Mahru III

▰Đây là một sơ đồ mô tả ngắn gọn hệ thống điện và điện tử của Mahru III Nó bao gồm bo mach CPU, bộ mạch điều khiển cục bộ và bộ chuyển đổi AD

để kiểm soát chuyển động; một máy ảnh thu và phát

âm thanh, một cảm biến pose sensor và 4 cảm biến lực / mô-men xoắn; thiết bị kết nối mạng, bảng trung tâm điều khiên, và một bảng tổng thể truyền thông để liên lạc; pin và bảng phân phối điện để điều chỉnh điện

Trang 23

10 Phương pháp Denavit-Hartenberg (DH)

10.1 Bộ thông số DH

+ là chiều dài và là góc xoắn của khâu

+ được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu

▰

Trang 24

10.1 Bộ thông số DH

tọa độ lên các khâu như sau:

 Gốc của hệ tọa độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến với trục khớp thứ n+1 Trường

hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc tọa độ sẽ đặt tại chính điểm cắt đó Nếu các trục khớp song song với

nhau, gốc tọa độ được chọn trên trục khớp của khâu kế tiếp, tại điểm tích hợp

 Trục z của hệ tọa độ gắc lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n+1

 Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ khớp n đến n+1

 Trường hợp khớp quay thì là các biến khớp, trong trường hợp khớp tịnh tiến thì là biến khớp và bằng

0

Các thông số được gọi là bộ thông số DH.

▰

Trang 25

10.2 Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất theo quy tắc DH

▰ Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất theo quy tắc DH

Trang 26

11 Bài toán động học

 Động học thuận là bài toán đi tìm vị trí, hướng, vận tốc và gia tốc khi các yêu tố đầu vào đã biết.

 Ngược lại, bài toán động học ngược là đi tìm các giá trị đầu vào khi đã biết các thông số vị trí,

hướng, vận tốc, gia tốc của vật.

 Để đơn giản cho việc tính toán bài toán động học thuận, động học ngược và mô phỏng chuyển

động của robot Mahru III ta sẽ sử dụng phần mềm Matlab và Solidworks là 2 phần mềm chính

trong quá tình tính toán và thiết kế.

 Đối với bài toán động học ngược ta sẽ áp dụng phương pháp đại số.

Trang 27

11.1.1 Bài toán động học thuận_cánh tay phải

 Phương trình động học đối với tay phải của Mahru III

Bảng DH đối với cánh tay phải của robotJoint

123

Bảng DH đối với cánh tay phải của robot

123

Trang 28

Trang 29

Trang 30

11.1.2 Bài toán động học thuận_chân phải

 Phương trình động học đối với chân phải của Mahru III

Bảng DH đối với chân phải của robotJoint

123456

Bảng DH đối với chân phải của robot

123456

Trang 31

Trang 32

Trong đó: là ma trận quay của khâu thao tác cuối( Orientation_hướng)

là vị trí khâu thao tác cuối

Trang 33

11.2.1 Bài toán động học ngược_cách tay phải

▰ Áp dụng phương pháp đại số, nhân lần lượt vế trái và vế phải với các ma trận nghịch đảo như

sau:

Liên tục nhân với các ma trận T nghịch đảo, ta được:

▰

Trang 34

▰ Đặt 2 ma trận vế trái và vế phải như sau, ta được

=

▰

 Kết quả tính toán sử dụng phần mềm Matlab và sau các bước thực hiện phép biến đổi:

trong đó:

Trang 35

, Trong đó :

trong đó:

Trang 36

, Trong đó :

, trong đó :

Trang 37

11.2.2 Bài toán động học ngược_chân phải

▰ Tương tự đối với chân phải, áp dụng phương pháp đại số, nhân lần lượt vế trái và vế phải với

các ma trận nghịch đảo như sau:

Liên tục nhân với các ma trận T nghịch đảo, ta được:

▰

Trang 38

11.2.2 Bài toán động học ngược_chân phải

▰ Đặt 2 ma trận vế trái và vế phải như sau, ta được

=

▰

Trang 39

, Trong đó :

Trang 40

III Thiết lâ ̣p mô hình cho Robot Mahru III

Có 2 cách để thiết lập cấu trúc của robot như sau :

Phương án 1 Phương án 2

Chọn phương án 2

Trang 41

Sơ đồ cây

Trang 42

Kết quả

Link Lengt

h 130 220 188

120

Link Lengt

h 130 220 188

300 300 90

Link Lengt

h 150 88

300 300 90

Lengths of arm links

Lengths of leg links

Trang 43

IV Mô phỏng

1 Bài toán động học thuận

Chạy file fk_random với các góc q ngẫu nhiên Tính động động học thuận

Trang 44

Kết quả mô phỏng bài toán động học thuận

Trang 45

Kết quả mô phỏng bài toán động học thuận

Trang 46

2 Bài toán động học ngược

Xác định góc của các khớp bằng phương pháp hình học

Đầu vào

Kết quả

Trang 47

2 Bài toán động học ngược

Trang 48

Numerical Solution to Inverse Kinematics

- Là một phương pháp được sử dụng để giải bài toán đô ̣ng học ngược dựa vào bài

toán đô ̣ng học thuâ ̣n

- Phương pháp tiếp cận số đối với động học ngược: Sử dụng đô ̣ng học thuâ ̣n và

điều chỉnh các góc khớp để thu hẹp sự khác biệt

Trang 49

Numerical Solution to Inverse Kinematics

Đây là phương trình để tính toán các điều chỉnh của góc của các khớp dựa trên các sai số về vị trí và thái độ Giá trị λ (0 1] là một hệ số ∈được sử dụng để ổn định tính toán số

Trang 50

Code mô phỏng bài toán động học ngược

Trang 51

Code mô phỏng bài toán động học ngược

Trang 52

Kết quả mô phỏng động học ngược

Trang 53

Mô phỏng động học ngược

Trang 54

V ZMP và bài toán động lực học

 Zero Moment Point (ZMP): là một khái niệm liên quan

đến động lực học và điều khiển chuyển động của chân Ví