ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA CƠ KHÍBỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬĐề tài: WAIKING ROBOT 4 LEGSLỜI MỞ ĐẦU…………………………………………….………………………………3CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN……………………………………………..………………41.1. Nhận biết nhu cầu…………………………………………………………………41.2. Yêu cầu……………………………………………………………………………4CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU NỀN TẢNG……………………………………………..52.1. Giới thiệu………………………………………………………………………….52.1.1. Robot di chuyển bằng chân…………………………………………………52.1.2. Robot 4 chân………………………………………………………………102.2. Tình hình nguyên cứu……………………………………………………………112.3. Tìm hiểu về cơ khí……………………………………………………………….132.4. Tìm hiểu về mạch điện…………………………………….……………………..142.5. Tìm hiểu về lập trình điều khiển………………………….……………………...152.6. Tìm hiểu về mô phỏng, mô hình……………………………………..…………...19CHƯƠNG 3. MỤC TIÊU……………………………………………….………………233.1. Tính khả thi……………………………………………………………………....233.2. Mục tiêu đề ra………………………………………………………….…………23CHƯƠNG 4. Ý TƯỞNG VÀ THIẾT KẾ KHÁI QUÁT………………….…………..244.1. Xây dựng ý tưởng………………………………………………………………...244.2. Ý tưởng điều khiển Robot………………………………………………………..254.3. Phác thảo khái quát………………………………………………………………25CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN…………………………………….…...275.1. Tính toán động học……………………………………………………………….275.1.1. Động học thuận……………………………………………………………275.1.2. Động học nghịch…………………………………………………………..295.2. Tính toán động lực học………………………………………………………..….315.3. Quỹ đạo của chân Robot………………………………………………..………..32CHƯƠNG 6. MÔ PHỎNG VÀ LỰA CHỌN………………………………………….346.1. Mô phỏng động học và chuyển động………..……………………………………346.2. Phân tích lực……………………………………………………………………..366.3. Lựa chọn động cơ……………………………………………………….……….39CHƯƠNG 7. THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT…………………………………………….447.1. Thiết kế các chi tiết Robot……………………………………………………….447.1.1. Thiết kế chân Robot…………………………………………..………….…447.1.2. Thiết kế thân Robot………………………………………………..………..457.2. Thiết kế mạch điều khiển Robot………………………………………………….467.3. Xây dựng chương trình điều khiển……………………………………………….492 | P a g eCHƯƠNG 8. LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ KIỂM TRA……………………………558.1. Lắp ráp mô hình………………………………………………………………….558.2. Thử nghiệm và kiểm tra………………………………………………………….59CHƯƠNG 9. TIẾN HÀNH SẢN XUẤT……………………………………………….60KẾT LUẬN…………………………………...…………………………………………61TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………62PHỤ LỤC………………………………………………………………………………..63Code MatlabCode chương trình
TỔNG QUAN
Nhận biết nhu cầu
Mặc dù chiến tranh đã kết thúc, nhưng hậu quả vẫn còn tồn tại, với khoảng 800.000 tấn bom mìn chưa nổ, chiếm gần 20% diện tích cả nước Từ năm 2005 đến 2010, hơn 1.800 người đã bị chết hoặc thương tật do bom mìn Nhà nước đã triển khai nhiều biện pháp khắc phục hậu quả, tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, nhiều chiến sĩ cũng đã bị thương khi làm việc trong môi trường nguy hiểm này.
Công nghiệp hiện đại ngày càng phát triển, dẫn đến sự gia tăng phụ thuộc vào hóa chất trong cuộc sống hàng ngày, từ làm đẹp đến chất tẩy rửa và nhiên liệu Hóa chất cũng được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp, bao gồm thuốc trừ sâu, diệt cỏ và phân bón Tuy nhiên, quá trình sản xuất hóa chất thường diễn ra trong môi trường độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người trong tương lai.
Việc phát triển robot có khả năng di chuyển và làm việc trong môi trường nguy hiểm là rất cần thiết Chúng ta nên sử dụng robot đi bộ (walking robot) gần giống với con người để có thể thay thế hiệu quả trong các tình huống nguy hiểm.
Yêu cầu
Robot Walking là một phương tiện cơ học di chuyển linh hoạt bằng chân, lấy cảm hứng từ động vật, và đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế, xã hội Robot hoạt động dựa trên các bộ phận được điều khiển phức tạp qua thuật toán mã hóa trong vi điều khiển, yêu cầu kiến thức sâu rộng về thiết kế, chế tạo, động học, động lực học và lập trình vi điều khiển để nghiên cứu hiệu quả.
NGHIÊN CỨU NỀN TẢNG
Giới thiệu
Robot là máy móc tự động được điều khiển bởi máy tính hoặc vi mạch điện tử, đóng vai trò quan trọng trong phát triển công nghiệp Chúng giúp tiết kiệm sức lao động, nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm và đảm bảo an toàn lao động, đồng thời giải phóng con người khỏi những công việc nặng nhọc Mặc dù việc Robot thay thế con người trong nhiều lĩnh vực có thể gây ra một số thách thức trong tương lai, nhưng chúng cũng mang lại nhiều lợi ích cho cuộc sống, khám phá vũ trụ và khai thác tài nguyên đại dương Dựa vào hình thức chuyển động, Robot được phân thành hai nhóm chính.
⮚ Robot cố định (Manipulation Robot)
⮚ Robot di động (Mobile Robot)
Robot di động bao gồm các di chuyển xung quanh môi trường và không ở một vị trí cố định Chúng có thể phân thành các loại như sau:
➢ Robot di chuyển bằng bánh xe (Wheeled Robots)
➢ Robot bám đường (Tracked Robots)
➢ Robot di chuyển bằng chân (Legged Robots)
2.1.1 Robot di chuyển bằng chân
Di chuyển bằng chân đã tồn tại hàng trăm triệu năm, trong khi di chuyển bằng bánh xe chỉ mới xuất hiện cách đây vài ngàn năm.
Các loài động vật di chuyển bằng chân với tốc độ từ 0 đến khoảng 65 dặm/giờ, có khả năng thích nghi trên các địa hình không bằng phẳng Khối lượng của chúng dao động từ 0 đến 16.000 pound, như loài voi Châu Phi Hơn 50% diện tích bề mặt trái đất không thể sử dụng bánh xe để di chuyển, nhưng con người và động vật vẫn có thể vượt qua những địa hình này Trong quá khứ, hình thức di chuyển này chưa được áp dụng rộng rãi.
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện tử đã thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng hình thức di chuyển vào các phương tiện vận chuyển và robot di động Điều này giúp cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của các phương tiện, đồng thời mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành vận tải và tự động hóa.
Robot có khả năng di động vượt trội nhờ vào các chân, cho phép chúng thay đổi hướng di chuyển mà không cần thay đổi hướng của trục chính, khác với xe di chuyển phải điều chỉnh trục chính để đổi hướng Với thiết kế chân, robot có thể di chuyển và quay thân bằng cách thay đổi vị trí của chân, điều này mà robot di chuyển bằng bánh xe không thể thực hiện.
Hình 2.1.1- Ưu điểm của Robot nhiều chân khi tránh vật cản
Robot có chân có khả năng vượt qua chướng ngại vật một cách dễ dàng, trong khi robot bánh xe chỉ có thể vượt qua vật cao tối đa bằng một nửa đường kính của bánh xe Mặc dù robot di chuyển bằng bánh xích có thể vượt qua chướng ngại vật cao hơn, nhưng chúng lại cần di chuyển một khoảng cách lớn hơn.
Hình 2.1.2- Khả năng vượt chướng ngại vật của Robot nhiều chân
Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc di chuyển của robot trên các địa hình không bằng phẳng Robot có chân có khả năng điều chỉnh vị trí các chân để giữ cho thân robot luôn nằm ngang tuyệt đối, trong khi robot có bánh xe cần phải duy trì thân song song với mặt đất, dẫn đến việc vị trí của thân sẽ thay đổi.
Hình 2.1.3- Ưu điểm về hệ thống treo
Địa hình di chuyển là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của robot Robot sử dụng bánh xe cần một địa hình tương đối bằng phẳng và liên tục để hoạt động hiệu quả Ngược lại, robot có chân có thể di chuyển trên các địa hình phức tạp, không bằng phẳng, như cát, bùn lầy và các khu vực mềm khác mà không gặp khó khăn.
Hình 2.1.4- Ưu điểm vượt địa hình phức tạp
Robot có chân có khả năng chống trượt và kẹt trên các địa hình mềm, điều này khác biệt so với robot sử dụng bánh xe, dễ bị lún và khó di chuyển Khi robot di chuyển, thân sẽ đẩy đi và bàn chân xoay quanh các khớp, không tác động lên nền, giúp robot không bị mắc kẹt Nhờ vào thiết kế này, robot có chân không chỉ tránh được tình trạng trượt khi di chuyển tới lui mà còn đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt trên nhiều loại địa hình.
Hình 2.1.5- Ưu điểm về khả năng chống trượt và kẹt
Kết cấu cơ khí của bánh xe rất đơn giản, bao gồm một đĩa và một khớp quay Trong khi đó, chân xe có nhiều liên kết và khớp khác nhau, làm cho hệ thống trở nên phức tạp hơn Một bánh xe chỉ cần một thiết bị truyền động để di chuyển và một cơ cấu để điều khiển hướng Xe ba bánh là mẫu xe đơn giản nhất sử dụng bánh xe, với một bánh xe đảm nhiệm việc truyền động và chuyển hướng, cùng với hai bánh xe hỗ trợ.
➢ Hệ thống điện : mỗi cơ cấu truyền động đều cần có một thiết bị điều khiển Do đó,
Robot nhiều chân yêu cầu hệ thống điện tử phức tạp hơn so với Robot có bánh xe do cần kiểm soát nhiều khớp và cảm biến Mỗi chân cần cảm biến để xác định khi tiếp xúc với mặt đất, dẫn đến việc cần nhiều cảm biến hơn và tăng số lượng cổng kết nối cho bộ điều khiển Do đó, các thuật toán điều khiển Robot nhiều chân cũng phức tạp hơn so với các thuật toán cho Robot bánh xe.
Giải thuật điều khiển cho Robot bánh xe chỉ cần một tín hiệu từ bộ điều khiển, với điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ hoặc góc lái Ngược lại, Robot nhiều chân yêu cầu sự phối hợp đồng thời giữa chuyển động của tất cả các khớp và cảm biến, dẫn đến việc phát triển các thuật toán điều khiển phức tạp hơn so với Robot bánh.
Robot nhiều chân có khả năng di chuyển nhanh hơn trên những địa hình đặc biệt so với robot có bánh xe Tuy nhiên, trên các bề mặt chuẩn như đường giao thông, đường phố và sàn nhà máy, robot bánh xe thường có tốc độ cao hơn.
Giá thành của một hệ thống robot phụ thuộc vào độ phức tạp của nó, bao gồm các yếu tố như máy móc, thiết bị điện tử và cảm biến Do đó, một robot nhiều chân sẽ có chi phí cao hơn so với một robot sử dụng bánh xe.
Trên toàn cầu, đã có sự phát triển đa dạng các hệ thống Robot di chuyển bằng chân, bao gồm Robot 2 chân (Bipeds Robot) tương tự như con người và chim, cùng với Robot 4 chân (Quadrupeds Robot) giống như các loài động vật có vú và bò sát.
Tìm hiểu về cơ khí
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành tìm hiểu các bài viết và dự án khoa học để thiết kế trên phần mềm vẽ 2D và 3D, đảm bảo rằng các chi tiết thiết kế đáp ứng tiêu chí ổn định khi robot vận hành Một trong những tài liệu quan trọng mà nhóm đánh giá cao là bài viết “RMA: Rapid Motor Adaptation for Legged Robots” được công bố tại Robotics: Science and Systems 2021 (RSS).
Bài viết năm 2021 đã nêu rõ những sai lầm trong thiết kế các khâu của robot, dẫn đến hiệu suất hoạt động chưa cao Đồng thời, nó cũng đề xuất những cải tiến ưu việt nhằm khắc phục nhược điểm của các robot trước đây Đây là một trong những bài viết mà nhóm cảm thấy thích hợp và yêu thích nhất.
Hình 2.3.1 Hình minh họa Robot RMA
Nhóm sẽ tham khảo mô hình Robot RMA để phát triển ý tưởng và phác họa các chi tiết của Walking Robot bốn chân, nhưng vẫn giữ tính sáng tạo riêng và tôn trọng quyền sở hữu trí tuệ của mô hình tham khảo Walking Robot mà nhóm phát triển sẽ có những điểm khác biệt so với Robot RMA.
Các thành viên trong nhóm đã chủ động tìm hiểu về các phần mềm vẽ 2D như Autocad và các phần mềm vẽ 3D như Solidworks, 3DSMax, Inventor thông qua video hướng dẫn trên các nền tảng trực tuyến và diễn đàn chuyên ngành Mục tiêu là để hoàn thiện các chi tiết 3D và bản vẽ báo cáo 2D, đáp ứng tốt nhất yêu cầu của giáo viên hướng dẫn Dưới đây là một số quy định về bản vẽ kỹ thuật 2D trên Autocad.
- Bố trí các tờ của bản vẽ phù hợp với TCVN 7285 (ISO 5457);
- Khối tựa đề (không tên) phù hợp với TCVN 3821 (ISO 7200) đối với các bản vẽ kỹ thuật chế tạo máy hoặc ISO 9431 đối với các bản vẽ xây dựng;
- Biểu diễn các đối tượng phù hợp với loạt các tiêu chuẩn TCVN 8 (ISO 128);
- Xác định kích thước phù hợp với loạt các tiêu chuẩn TCVN 8 (ISO 128);
- Chữ viết phù hợp với ISO 3098-3;
- Viện dẫn các chi tiết phù hợp với ISO 6433;
- Các đại lượng, đơn vị và ký hiệu phù hợp với TCVN 6398-1 (ISO 31-1) và ISO 1000;
- Thông báo bảo vệ phù hợp với ISO 16016.
Tìm hiểu về mạch điện
Để xây dựng một Robot hoàn chỉnh và có khả năng điều khiển, linh kiện điện tử và mạch điện tử là yếu tố thiết yếu Để Robot thực hiện các chuyển động và di chuyển theo ý muốn, việc trang bị một vi điều khiển là cần thiết Hiện nay, có nhiều loại vi điều khiển khác nhau có sẵn trên thị trường.
15 | P a g e vi điều khiển, có thể kể đến như: PIC (microchip), MSP (Texas Instruments), AVR (Atmel), Arduino (Sparkfun)
Robot cần có động cơ như động cơ AC, DC, bước và servo để nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển Ngoài ra, các module điện tử khác như module kết nối với thiết bị điều khiển và nguồn điện cũng rất quan trọng Để thiết kế mạch điện hoàn chỉnh và chính xác, hiện nay có nhiều phần mềm hỗ trợ mô phỏng và thiết kế mạch điện như Protues, Altium Designer và Eagle.
Từ đó, chúng ta sẽ tìm hiểu, phân tích tính tối ưu của từng linh kiện, thiết bị để phù hợp nhất và hiệu quả nhất cho Robot.
Tìm hiểu về lập trình điều khiển
Khi nhắc đến lập trình, nhiều người thường hình dung đến việc nhập các dòng mã trên máy tính, sau đó những mã này được biên dịch thành ngôn ngữ máy với hai ký tự 1 và 0.
Lập trình robot đã chuyển từ mã hóa cấp thấp sang các phương pháp trực quan hơn, nhằm làm cho quá trình lập trình trở nên dễ dàng hơn cho các nhà khai thác và sản xuất robot.
Robot được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa, với mục đích ban đầu là thực hiện các hành động lặp đi lặp lại để giảm bớt gánh nặng cho con người trong các công việc căng thẳng và nguy hiểm Hiện nay, ứng dụng của robot đã mở rộng đáng kể, từ các thao tác đơn giản như chọn và đặt đến những hoạt động phức tạp hơn như lắp ráp, hàn, và sản xuất trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không.
❖ Các phương pháp lập trình điều khiển robot
• Lập trình ở chế độ dạy
Trong chế độ điều khiển robot, người dùng có thể di chuyển robot bằng cách sử dụng cảm biến lực hoặc cần điều khiển gắn trên cổ tay robot Để thực hiện các lệnh cụ thể như hàm kẹp, người điều khiển chỉ cần chọn chức năng trên bảng điều khiển, sau đó robot sẽ lưu trữ và thực hiện lệnh tại vị trí tương ứng.
So với phương pháp dạy truyền thống, việc sử dụng robot mang lại tốc độ nhanh hơn đáng kể Người vận hành không cần phải nhấn nhiều nút, mà chỉ cần di chuyển robot đến vị trí mong muốn một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Robot được lập trình để thực hiện nhiệm vụ tương tự như cách mà người vận hành thực hiện, giúp việc học tập trở nên dễ dàng hơn cho các nhà khai thác Phương pháp này không yêu cầu kiến thức về lập trình hay kinh nghiệm với môi trường CAD 3D, mang lại sự trực quan vượt trội so với dây chuyền truyền thống và chương trình mô phỏng.
Rất tốt cho các nhiệm vụ chi tiết, những công việc này thường yêu cầu nhiều dòng mã để tạo ra hiệu ứng tương tự, chẳng hạn như hàn hoặc vẽ các hình dạng phức tạp, đòi hỏi sự tỉ mỉ cao.
− Vẫn sử dụng robot vật lý để lập trình: điều này đồng nghĩa với việc robot không làm giảm thời gian chết ở mức tối đa
Khó khăn trong việc di chuyển robot đến tọa độ chính xác có thể xảy ra, đặc biệt với những hệ thống cần điều khiển mà không cho phép nhập giá trị số Dạy Kinetiq giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp tính năng nhập tọa độ số chính xác với tọa độ dựa trên định vị, mang lại sự linh hoạt và chính xác trong quá trình điều khiển robot.
− Thực hiện các thao tác sử dụng "thuật toán" trong tự nhiên khó khăn: di chuyển robot bằng tay sẽ khó khăn và không chính xác
Phương pháp lập trình robot thông qua mặt dây chuyền giảng dạy là một trong những kỹ thuật phổ biến và hiệu quả nhất, với hơn 90% robot được lập trình theo cách này Người vận hành sẽ di chuyển robot từ vị trí này sang vị trí khác, sử dụng các nút trên mặt dây chuyền để điều khiển chuyển động.
Khi toàn bộ chương trình được hoàn thành, robot có khả năng phát lại từng vị trí riêng lẻ với tốc độ tối đa Điều này mang lại nhiều ưu điểm cho quá trình hoạt động của robot.
− Hầu hết các robot công nghiệp truyền thống đi kèm với một mặt dây chuyền dạy: làm cho chúng quen thuộc với các kỹ thuật viên
Robot có khả năng định vị chính xác thông qua việc lập trình bằng tọa độ số, bao gồm tọa độ thế giới, tọa độ robot hoặc các hệ tọa độ khác.
Dạy mặt dây chuyền rất hiệu quả cho các chuyển động đơn giản, như vẽ theo đường thẳng trên bề mặt phẳng lớn hoặc trên các vật thể có kích thước lớn.
Thời gian chết của robot có thể gây gián đoạn toàn bộ hệ thống, vì robot cần được chuyển sang "chế độ dạy", dẫn đến việc ngừng mọi hoạt động sử dụng robot cho đến khi nhận được lệnh lập trình mới.
− Người sử dụng cần được đào tạo để học và lập trình
− Gây khó khăn cho những người thợ lành nghề không quen với lập trình
• Lập trình ‘cầm tay chỉ việc’( hand-guiding )
Cách lập trình này tương tự như chế độ cộng tác, cho phép lập trình viên thao tác trực tiếp với robot mà không cần bộ điều khiển hay lo lắng về vị trí ban đầu Bằng việc sử dụng cảm biến mô men xoắn tích hợp, phương pháp này giúp hướng dẫn chuyển động vật lý của robot một cách thân thiện và dễ dàng.
Bằng cách sử dụng phương pháp lập trình hướng dẫn trực tiếp, lập trình viên có thể giảm thiểu các thao tác thừa Một ví dụ tiêu biểu là Robot Yaskawa, thương hiệu hàng đầu thế giới trong lĩnh vực robot công nghiệp, cho phép lập trình viên lựa chọn giữa các tùy chọn lập trình thông qua kiểu Hand Guiding.
1 số ít kiểu hoạt động :
Tìm hiểu về mô phỏng, mô hình
❖ Khái niệm mô phỏng là gì?
Mô phỏng, hay còn gọi là Simulation, là quá trình bắt chước các hoạt động của một hệ thống hoặc quy trình thực tế trong một khoảng thời gian nhất định Những hành động này được tái hiện một cách chính xác, phản ánh thực tiễn của các hệ thống hoặc quy trình đó Mô phỏng thường được áp dụng trong các lĩnh vực chuyên ngành, đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống và triển khai quy trình trong công việc cũng như trong học tập.
❖ Mục đích của phương pháp mô phỏng
Mô phỏng cung cấp cái nhìn sâu sắc về hoạt động của hệ thống, cho thấy rằng hệ thống là một thực thể phức tạp.
Con người gặp khó khăn trong việc hiểu rõ các hoạt động và sự tương tác trong hệ thống mà không có mô hình mô phỏng thích hợp Các hệ thống mô phỏng không thể ngừng hoạt động để hỗ trợ nghiên cứu hoặc kiểm tra từng thành phần riêng lẻ của hệ thống trong sự cô lập của từng sự kiện.
Bạn có thể dễ dàng điều chỉnh các nguyên tắc điều hành hoặc tài nguyên để cải thiện hiệu suất của hệ thống Khi con người phát triển một hệ thống, có thể xảy ra những hoạt động chưa hiệu quả, và việc thay đổi này sẽ giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Vì thế, chúng ta có thể thay đổi các nguyên tắc điều hành hoặc là tài nguyên
Kiểm tra các khái niệm mới và hệ thống trước khi thực thi là rất quan trọng, đặc biệt khi chưa có hệ thống thực tế hoặc khi cần xem xét các hệ thống mới Chi phí xây dựng mô hình hệ thống mới có thể nhỏ hơn so với vốn đầu tư cho quá trình lắp đặt sản xuất Sử dụng mô hình mô phỏng giúp điều chỉnh thiết bị trước khi đưa vào hoạt động, từ đó nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro.
Giúp con người có được những thông tin thiết thực mà không gây ảnh hưởng tới hệ thống thực tế
❖ Ưu nhược điểm của quá trình mô phỏng
• Ưu điểm của mô phỏng
Mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các hệ thống phức tạp, giúp đánh giá các yếu tố ngẫu nhiên và đặc tính của hệ thống trong các điều kiện dự kiến Nó cũng hỗ trợ trong giai đoạn thiết kế và khảo sát, ngay cả khi hệ thống chưa được xây dựng.
Mô phỏng không chỉ giúp con người nắm bắt quy trình vận hành của hệ thống mà còn xác định các điểm thắt nút trong hệ thống Phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và cải thiện quy trình hoạt động.
Việc so sánh và đánh giá các phương án khác nhau của hệ thống giúp con người nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để điều khiển hệ thống hiệu quả hơn.
• Nhược điểm của mô phỏng
Mô phỏng, mặc dù có nhiều ưu điểm, vẫn tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý Đầu tiên, công cụ mô phỏng thường có chi phí cao, bao gồm máy tính và phần mềm chuyên dụng Thứ hai, việc xây dựng các mô hình mô phỏng đòi hỏi sự đào tạo đặc biệt, vì đây là sự kết hợp giữa nghệ thuật và khoa học.
Khi sử dụng phương pháp mô phỏng, chúng ta thường tạo ra khối lượng lớn dữ liệu thống kê về xác suất, điều này yêu cầu các công cụ mô phỏng phải có khả năng xử lý thống kê để phân tích kết quả Mặc dù phương pháp này có thể tốn thời gian và chi phí, nó không phải là công cụ tối ưu nhưng lại hữu ích trong việc so sánh các mô hình khác nhau để đưa ra lựa chọn phù hợp.
❖ Những lĩnh vực ứng dụng thông thường phương thức mô phỏng
Công tác là ngành có sự ứng dụng phổ biến của biện pháp mô phỏng, đặc biệt trong các công việc liên quan đến hệ thống lớn và nhỏ, cũng như các mắt xích, công đoạn và giai đoạn quan trọng, nhằm tác động đến các đơn vị sản xuất và dây chuyền.
Trước khi bắt đầu tiếp xúc và xây dựng các hệ thống một cách hiệu quả, cần thực hiện nhiều giải pháp như thiết kế, triển khai, kiểm tra, giám sát, đánh giá và phân tích Trong số đó, giải pháp mô phỏng được coi là rất quan trọng cho tất cả các hệ thống, bất kể quy mô lớn hay nhỏ.
Sự phát triển công nghệ thông tin đã mang lại bước ngoặt lớn trong giáo dục, đặc biệt là việc tích hợp máy tính vào các trường học Mô phỏng trên máy tính không chỉ khuyến khích tính độc lập và khả năng tư duy của sinh viên mà còn tạo ra một phong cách học tập mới Phương pháp này giúp mô tả các quá trình động và thiết bị mà trước đây không thể thực hiện trong môi trường học tập Hiện nay, "phòng thí nghiệm và thực hành ảo" đã được áp dụng rộng rãi trong giảng dạy và nghiên cứu, nâng cao hiệu quả học tập.
Phương pháp mô phỏng trong dạy học giúp sinh viên tiếp cận thế giới thực qua các mô hình tĩnh và động, từ đó tiếp thu kiến thức sâu sắc hơn Phương pháp này không chỉ cho phép sinh viên tìm ra cách giải quyết vấn đề mà còn hướng dẫn họ đạt được mục tiêu bài học Đặc biệt, sinh viên có khả năng tạo dựng và điều khiển các đối tượng theo ý muốn, khuyến khích việc khám phá các quan niệm mới và rèn luyện kỹ năng nghề nghiệp.
Các hoạt động xã hội có thể áp dụng giải pháp mô phỏng, mặc dù không phổ biến Tuy nhiên, trong một số trường hợp, bạn vẫn có thể sử dụng phương pháp mô phỏng này cho các hoạt động xã hội hoặc trong những hoạt động hàng ngày của bản thân.
MỤC TIÊU
Tính khả thi
Chó là loài động vật sống trên cạn, di chuyển linh hoạt bằng bốn chân Hai vấn đề quan trọng cần được xem xét là dáng di chuyển và phương thức giao tiếp của chúng.
Robot được thiết kế với bốn chi linh hoạt, cho phép từng chi chuyển động độc lập mà không bị ràng buộc bởi các bộ phận khác Mục tiêu là sao chép chuyển động của chó thật một cách tự nhiên và chính xác nhất.
- Có khả năng nâng tải, di chuyển được trên nhiều địa hình
- Chịu được khí hậu và môi trường khác nhau
Robot có khả năng giao tiếp từ xa linh hoạt qua nhiều phương thức, cho phép thu thập thông tin hình ảnh và dữ liệu từ môi trường Đây là mục tiêu quan trọng cần đạt được trong phát triển công nghệ robot.
Hiện tại, trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển robot với các tính năng cơ bản và khả năng di chuyển, công nghệ hiện có hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về vật liệu, năng lượng và giao tiếp Điều này cho thấy tính khả thi của dự án là khả thi và có thể thực hiện được.
Mục tiêu đề ra
Nhóm nghiên cứu đang tập trung vào dự án phát triển robot với các tính năng cơ bản nhất, nhằm đạt được những mục tiêu đã đề ra.
- Robot có thể di chuyển được bằng 4 chân
- Robot được điều khiển từ xa thông qua modul Bluetooth
- Robot có thể mang trọng lượng 2kg (bao gồm camera)
- Chi phí sản xuất rẻ nhất có thể, nhưng vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ cao, đảm bảo độ chắc chắn
Mục tiêu mà nhóm đặt ra cho thông số của Robot Walking 4 legs:
- Hình dáng: giống với con chó
- Kích thước: chiều rộng 150mm, chiều dài 340m, chiều cao 200mm
Ý TƯỞNG VÀ THIẾT KẾ KHÁI QUÁT
Xây dựng ý tưởng
Nhóm được truyền cảm hứng từ những điều gần gũi trong cuộc sống, đặc biệt là từ những chú chó - người bạn trung thành của con người Ý tưởng chính của nhóm là phát triển một chú chó công nghệ nhằm hỗ trợ con người trong nhiều công việc khác nhau Trong dự án này, nhóm tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển dáng đi của chó, một loài động vật với khả năng di chuyển linh hoạt nhờ có bốn chân.
Hình 4.1.1 Hình ảnh chó ngoài đời thực
Nhóm nghiên cứu lần đầu tiên tiếp cận đề tài robot đã quyết định thiết kế một robot chó với 4 chi, mỗi chi có 3 khớp, tương đương với 3 bậc tự do Họ sẽ dựa vào một số hình mẫu robot chó hiện có để phát triển dự án.
Hình 4.1.2 Hình minh họa Robot Dog
Ý tưởng điều khiển Robot
Nhóm quyết định sử dụng phương pháp điều khiển robot đơn giản nhất là hand-guiding do lần đầu tiếp xúc với robot và kiến thức còn hạn chế Mục tiêu là thực hiện các nhiệm vụ cơ bản của robot đi bộ như di chuyển sang trái, phải, tiến và lùi Ý tưởng là dựa vào dáng đi tự nhiên của loài chó để điều chỉnh các góc của động cơ, từ đó tạo ra dáng đi tương tự cho robot.
Tạo ra các nút nhấn cho từng kiểu đi và kết nối thông qua bluetooth.
Phác thảo khái quát
Dựa trên các ý tưởng và mẫu robot toàn cầu, nhóm đã thiết kế sơ bộ cho robot của mình Mỗi chi của robot sẽ có 3 khớp (3 bậc tự do), với 3 servo đảm nhận chức năng tại từng khớp.
Hình 4.3.1 Ảnh phác họa 1 chi robot
Khi thiết kế thân robot, bài toán quan trọng là làm thế nào để đảm bảo các yếu tố động học và tối ưu hóa khả năng liên kết giữa các chi.
Hình 4.3.2 Ảnh phác thảo thân robot
PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN
Tính toán động học
Hình 5.1: Hệ tọa cục bộ trên chân Robot 5.1.1 Động học thuận
Hệ trục thứ i mô tả ma trận vị trí và hướng so với hệ trục thứ i-1 thông qua các thành phần toán học như cos( ) và sin( ) Các yếu tố này giúp xác định mối quan hệ giữa hai hệ trục, đảm bảo tính chính xác trong việc mô phỏng và phân tích chuyển động.
❖ Ma trận chuyển đổi từ hệ trục 1 sang hệ trục 0:
❖ Ma trận chuyển đổi từ hệ trục 2 sang hệ trục 1:
2 2 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )
❖ Ma trận chuyển đổi từ hệ trục 3 sang hệ trục 2:
3 3 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )
❖ Ma trận chuyển đổi từ hệ trục 3 sang hệ trục 0:
2 3 2 3 1 2 2 cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )
❖ Tọa độ điểm mút bàn chân:
1 2 2 3 2 3 cos( ) cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) x y z
❖ Ma trận chuyển đổi từ hệ trục 0 sang hệ trục trung tâm thân Robot:
❖ Từ đó ta thực hiện chuyển về hệ tọa độ trung tâm của thân Robot:
2 3 2 3 1 2 2 3 cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) c
❖ Tọa độ bàn chân đối với hệ tọa độ trung tâm thân Robot:
1 2 2 3 2 3 cos( ) cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) c x y z
Tính toán động học nghịch bằng phương pháp đại số
3 2 3 3 2 2 2 cos( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) x x y y n m L L n m L L
3 3 2 sin( ) cos( ) sin( ). cos( ) cos( ) cos( ) y x n L n L
3 3 2 cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) x y n L L L n L
3 3 2 3 3 cos( ) sin( ) cos( ) cos( ) sin ( ) x y n L L L n
3 3 3 atan 2( , ) atan 2(sin( ), cos( )) atan 2(sin( ), cos( )) y x
Trong đó: arctan if x > 0 arctan if x > 0 and y 0 arctan if x > 0 and y < 0 atan 2( , ) if x = 0 and y > 0 2 if x = 0 and y < 0 2 if x = 0 and y = 0 y x y x y y x x undefined
Tính toán động lực học
Động lực học đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và tổng hợp điều khiển chuyển động của robot Nghiên cứu động lực học robot thường tập trung vào hai nhiệm vụ chính: xác định moment và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động.
Sai số động là sự sai lệch so với quy luật chuyển động theo chương trình Việc tính toán lực cần thiết để chọn công suất động cơ là rất quan trọng, đồng thời cũng cần kiểm tra độ bền, độ cứng vững để đảm bảo độ tin cậy của Robot.
Nghiên cứu động lực học Robot có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó nhóm chúng tôi giới thiệu phương pháp cơ học Lagrange để xây dựng mô hình động lực học tổng quát Cụ thể, chúng tôi áp dụng phương pháp Lagrange-Euler, với các phương trình động lực học được biểu diễn như sau:
- M(θ) là ma trận quán tính 3x3 của chân Robot
- H ( , ) là ma trận 3x1 biểu diễn vectơ lực hướng tâm và Coriolis
- G(θ) là ma trận 3x1 biểu diễn vectơ của gia tốc trọng trường
- τ là ma trận 3x1 biểu diễn moment xoắn tại mỗi khớp
Ma trận F 3x1 thể hiện lực tác động của nền lên chân Robot Do kiến thức hạn chế, nhóm chỉ tập trung vào bài toán tổng quát trong thuật toán động lực học mà chưa giải quyết một bài toán cụ thể nào.
Quỹ đạo của chân Robot
Để điều khiển robot di chuyển tiến, lùi, sang trái hoặc phải, cần dựa vào sự chuyển động của bốn chân, mỗi chân hoạt động nhờ ba khớp quay Động lực di chuyển của robot được hình thành từ sự kết hợp của các chuyển động này Để đảm bảo robot di chuyển ổn định và dễ dàng điều khiển, cần hoạch định quỹ đạo tọa độ cho bàn chân, dựa trên các góc thay đổi của từng khớp quay tương ứng với hướng di chuyển Hình quỹ đạo chân khi robot tiến tới sẽ được xác định, cùng với các góc của hai khớp quay cho từng bước di chuyển.
Hình 5.3.1 Quỹ đạo chân di chuyển về phía trước của Robot
Màu đỏ đánh dấu vị trí ban đầu của chân Robot, và để tạo ra quỹ đạo như hình, hai khớp quay sẽ điều chỉnh góc, giúp chân Robot di chuyển theo các vị trí màu xanh lá, hồng, xanh dương, nâu, và trở lại màu đỏ Thứ tự di chuyển này tạo thành một vòng tuần hoàn cho chân Robot Tương tự, chúng ta sẽ xây dựng quỹ đạo cho các hướng di chuyển khác của Robot, từ đó phát triển phương thức điều khiển hiệu quả cho Robot.
Hình 5.3.2 Quỹ đạo chân di chuyển về phía sau của Robot
