Luận văn Mô hình hóa và điều khiển robot rắn (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô hình hóa và điều khiển robot rắn (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 S K C0 0 3 5 9 7 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MINH TÂM Tp. Hồ Chí Minh, năm 2012
4. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN VĂN PHƯỚC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/06/1984 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Tịnh Thọ - Sơn Tịnh – Quảng Ngãi Dân tộc : Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 35 Hữu Nghị - Bình Thọ - Thủ Đức – Tp.HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:0903.084.048 Fax: E-mail:vanphuocspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 10/ 2010 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp Luận văn: Nghiên Cứu Phần Mềm Revit Mep 2010 trong ngành điện Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Ngày 10 tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học 10/2010 – 8/2012 Học viên Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao 3/2011 - nay Giảng viên Đẳng Công Thương Tp.HCM HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC i
5. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 9 tháng 09 năm 2012 Nguyễn Văn Phước HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC ii
6. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý tận tình của quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và Ban Lãnh Đạo trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh. Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Minh Tâm, thầy đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh cùng quí thầy cô khoa Điện – Điện Tử đã tạo nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khoá học. Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện cho tôi về kinh tế cũng như tinh thần trong suốt quá trình làm luận văn. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Học viên Nguyễn Văn Phước HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC iii
7. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM TÓM TẮT Luận văn “Mô Hình Hoá Và Điều Khiển Robot Rắn” giới thiệu về việc xây dựng phƣơng trình động lực học và mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển chuyển động của robot rắn chuyển động theo đƣờng cong Serpenoid. Tối ƣu các thông số của mô hình. Điều khiển chuyển động của robot rắn bằng cách điều khiển: hƣớng, vận tốc và góc phi. Thiết kế các bộ điều khiển PID để điều khiển chuyển động của robot rắn và tối ƣu các thông số PID sử dụng giải thuật bầy đàn PSO. Xây dựng mô hình hoá và mô phỏng sử dụng phần mềm matlab 7.6. So sánh kết quả giữa 2 giải thuật tối ƣu các thông số PID sử dụng PSO và giải thuật gen duy truyền GA. Đánh giá kết quả của 2 giải thuật. Thi công mô hình thực nghiệm cho robot rắn, điều khiển từ máy tính thông qua cổng USB HVTH: NGUYỄN VĂN PHƢƠC iv
8. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM ABSTRACT Thesis “Modelling and Controling of Snake Robot” presents the establishment of the motivation equation and model for snake robot, studies some methods of controlling snake robot's movements according to Serpenoid curve and optimizes parameters of the model. Some motion control of the snake robot is introduced such as direction, speed and  angle. Also, the design of PID controller of operating the snake robot's movements with parameters optimized by a particle swarm optimization approach (PSO) is presented. Besides, a simulation for snake robot will be conducted on Matlab 7.6. The results between two algorithms optimized PID parameters using PSO and genetic algorithm GA will be compared, and the results of the two algorithms should be evaluated. The experimental model for the snake robot is conducted by controlling from a computer via the USB port. HVTH: NGUYỄN VĂN PHƢƠC v
9. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cám ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình x Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về robot và các kết quả nghiên cứu đã công bố 1 1.1.1 Tổng quan về robot: 1 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố 2 1.2 Mục đích của đề tài 3 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 4 1.3.1 Nhiệm vụ 4 1.3.2 Giới hạn 4 1.4 Phương pháp nghiên cứu 4 Chƣơng 2. MÔ HÌNH HOÁ ROBOT RẮN 2.1 Lực ma sát nhớt của robot rắn 6 2.2 Phương trình chuyển động 9 2.3 Phân ly động lực học 14 Chƣơng 3.PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT RẮN 3.1 Đường cong Serpenoid 17 3.2 Sự di chuyển hình rắn 21 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC vi
10. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM 3.3 Hiệu suất chuyển động 24 Chƣơng 4. GIẢI THUẬT TỐI ƢU BẦY ĐÀN 4.1 Lịch sử phát triển 28 4.2 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn 31 4.3 Mô tả thuật toán 31 4.4 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO 34 4.4.1 Mã hóa cá thể 34 4.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 36 4.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) 37 4.4.4 Hàm vận tốc v 37 4.4.5 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể 38 4.5 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO 40 4.5.1 Đặc điểm 40 4.5.2 Ứng dụng 41 4.6 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn 41 Chƣơng 5. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN TRÊN MATLAB 5.1 Thiết kế bộ điều khiển robot rắn 43 5.1.1 Bộ điều khiển địa phương 44 5.1.2 Bộ điều khiển vòng ngoài 45 5.2 Xây dựng phương trình toán học trên Matlab 45 5.3 Xây dựng mô hình cho bộ điều khiển địa phương 56 5.4 Xây dựng mô hình cho bộ điều khiển vòng ngoài 57 5.4.1 Bộ điều khiển vận tốc 57 5.4.2 Bộ điều khiển hướng 58 5.5 Xây dựng bộ điều khiển rắn trên matlab 58 5.6 Kết quả mô phỏng sử dụng giải thuật PSO 59 5.7 Kết quả mô phỏng hệ thộng điều khiển robot rắn 61 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC vii
11. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Chƣơng 6.SO SÁNH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID DÙNG GIẢI THUẬT PSO VÀ GIẢI THUẬT GA 6.1 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật GA 67 6.1.1 Thiết kế bộ điều khiển địa phương 67 6.1.2 Thiết kế bộ điều khiển hướng và vận tốc 68 6.2 Kết quả mô phỏng 70 6.3 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO 75 6.4 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA khi thay đổi vận tốc 79 6.5 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA khi môi trường thay đổi 84 6.6 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA khi các thông số thay đổi 85 6.7 Nhận xét kết quả 86 Chƣơng 7. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT RẮN 7.1 Chọn động cơ cho robot rắn 87 7.1.1 Giới thiệu về động cơ Dynamixel AX-12A 87 7.1.2 Đặc tính kỹ thuật của động cơ Dynamixel AX-12A 88 7.2 Thiết kế cơ khí 89 7.3 Thiết kế mạch giao tiếp giữa robot và máy tính 93 Chƣơng 8. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Những kết quả đạt được 95 8.2 Những mặt hạn chế: 95 8.3 Hướng phát triển của đề tài 95 Tài liệu tham khảo 97 Phụ lục 1 99 Phụ lục 2 100 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC viii
12. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID (Proportional–Integral–Derivative): Viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển (khuếch đại (P)), tích phân (I), và vi phân(D) PSO (Particle swarm optimization): Tối ưu hoá bầy đàn GA (Genetic Algorithms): Thuật toán di truyền HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC ix
13. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Các robot rắn đã được công bố 3 Hình 2.1: Robot rắn gồm n đoạn, (n – 1) khớp 5 Hình 2.2: Đoạn vi phân của khâu thứ i 6 Hình 2.3: Phân tích lực tác động lên đoạn thứ I của robot rắn 9 Hình 3.1a: Đường cong serpernoid với b = 2π và c = 0 18 Hình 3.1b: Đường cong serpernoid với a = và c = 0 18 2 Hình 3.1c: Đường cong serpernoid với a = và b = 10π 19 2 Hình 3.2: Đường cong serpernoid được xấp xỉ bởi 4 đoạn thẳng 20 Hình 3.3a: Chuyển động hình rắn (γ = 0) 22 Hình 3.3b: Chuyển động hình rắn (γ = 10 deg) 23 Hình 3.4: Đồ thị của tốc độ trung bình ave(v) theo ω và γ 23 Hình 3.5: Đồ thị của tốc độ góc trung bình ave(ξ) theo ω và γ 24 Hình 3.6: Sự kết hợp tối ưu tốc độ và năng lượng 26 Hình 3.7: Các thông số tối ưu (α, β, ω) 26 Hình 3.8: Quan hệ giữa đoạn β và số đoạn n của Robot rắn 27 Hình 3.9: Đồ thị α với tỉ số ct / cn 27 Hình 4.1: Mô tả kiến tìm đường 29 Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO 33 Hình 4.3: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học 36 Hình 4.4: Chuyển động cá thể 38 Hình 4.5: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn 41 Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID 42 Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển 44 Hình 5.2: Cấu trúc bộ điều khiển địa phương 44 Hình 5.3: Sơ đồ khối tổng quát của Robot rắn 51 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC x
14. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Hình 5.4: Sơ đồ chi tiết khối “Snake Robot” 52 Hình 5.5: Sơ đồ bộ điều khiển địa phương 56 Hình 5.6: Sơ đồ chi tiết bộ điều khiển CΦ 56 Hình 5.7: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( Cυ ) của Robot Rắn 57 Hình 5.8: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( Csi ) của Robot Rắn 58 Hình 5.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật PSO 58 Hình 5.10: Đồ thị hàm thích nghi của quá trình tối ưu 60 Hình 5.11: Đồ thị hàm Kp1, Ki1 và Kd1 trong quá trình tối ưu 60 Hình 5.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 62 Hình 5.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 62 Hình 5.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 63 4 Hình 5.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 64 4 Hình 5.16: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 65 2 Hình 5.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 66 2 Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển CΦ trên Matlab 67 Hình 6.2: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Cυ trên Matlab 69 Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Cξ trên Matlab 69 Hình 6.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật GA 70 Hình 6.5: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad 71 Hình 6.6: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad 72 Hình 6.7: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73 Hình 6.8: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73 Hình 6.9: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74 Hình 6.10: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74 Hình 6.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng giải thuật PSO 75 Hình 6.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 76 Hình 6.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 76 Hình 6.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 77 4 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC xi
15. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Hình 6.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 77 4 Hình 6.16: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 78 2 Hình 6.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 79 2 Hình 6.18: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 80 Hình 6.19: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= (rad) 80 4 Hình 6.20: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= (rad) 80 2 Hình 6.21: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 81 2 Hình 6.22: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 81 4 Hình 6.23: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 82 Hình 6.24: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 82 Hình 6.25: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= (rad) 83 4 Hình 6.26: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= (rad) 83 2 Hình 6.27: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 84 Hình 6.28: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 84 Hình 6.29: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 85 Hình 6.30: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 85 Hình 7.1: Động cơ Dynamixel AX-12 88 Hình 7.2: Mô hình tổng thể của robot rắn 89 Hình 7.3a: Khớp liên kết giữa hai động cơ 90 Hình 7.3b: Sơ đồ lắp ráp hai đoạn của robot rắn 90 Hình 7.4: Khớp nối trên của robot rắn 90 Hình 7.5: Khớp nối dưới của robot rắn 91 Hình 7.6: Sơ đồ chân của động cơ 91 Hình 7.7: Sơ đồ liên kết giữa các động cơ 91 Hình 7.8: Mặt trên của robot rắn 92 Hình 7.9: Mạch chuyển đổi tín hiệu sang giao tiếp bán song công 93 Hình 7.10: Sơ đồ nguyên lý mạch FT232 94 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC xii
16. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về robot và các kết quả nghiên cứu đã công bố. 1.1.1 Tổng quan về robot: Trong quá trình phát triển của đất nước nói chung, sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá nói riêng là rất quan trọng. Nước ta thuộc những nước kém phát triển có nền công nghiệp sản xuất lạc hậu, do đó phương châm của chúng ta là đi tắt đón đầu, ứng dụng thành tựu về khoa học công nghệ hiện đại của thế giới để đẩy nhanh giai đoạn phát triển. Điều đó đòi hỏi mỗi chúng ta đều phải nỗ lực đóng góp công sức của mình. Việc học tập, nghiên cứu lý thuyết phải gắn liền với thực tiễn của cuộc sống và sự phát triển của khoa học. Trên thế giới gần nửa thế kỉ trở lại đây Robot đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là tự động hoá sản xuất, với ưu thế đặc biệt về tính công nghệ, năng xuất và hiệu quả sản xuất. Với cách di chuyển nhẹ nhàng và đa dạng, rắn cho thấy khả năng di chuyển hợp lý trên nhiều môi trường và địa hình khác nhau. Vì vậy những robot di chuyển giống cách di chuyển của loài rắn trong tự nhiên đang được tích cực nghiên cứu, chúng cho thấy tính thích nghi với điạ hình rất tốt. Với cách di chuyển giống như loài rắn, robot này có thể luồn lách qua các khe hẹp, có thể di chuyển ở những địa hình không bằng phẳng hay lầy lội, thậm chí có thể bơi hoặc trèo lên cây. Với những khả năng đó, robot rắn ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: kiểm tra, nạo vét các đường ống; tìm kiếm nạn nhân trong các vụ hỏa hoạn, động đất; dò thám trong quân sự. Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “ Mô Hình Hoá Và Điều Khiển Robot Rắn” để nghiên cứu.  Khó khăn chủ yếu trong điều khiển robot rắn là: - Xây dựng mô hình robot rắn (nhiều biến) - Phương trình Robot rắn phi tuyến, phức tạp HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 1
17. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM - Xây dựng cơ chế chuyển động như rắn - Các hệ số ma sát có thể thay đổi trong phạm vi rộng tuỳ thuộc vào địa hình. - So với robot di chuyển trên bánh xe thì mô hình và cơ chế chuyển động của robot rắn phức tạp hơn nhiều. 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước  Các kết quả công bố ngoài nước: - Năm 1996, hai nhà khoa học Jim Ostrowski thuộc trường đại học kỹ thuật và ứng dụng Pensylvania, Philadelphia, Hoa kỳ và Joel Burdick thuộc học viện kỹ thuật và ứng dụng California, Hoa kỳ, với đề tài nghiên cứu “Gait Kinematics for a Serpentin Robot”, đề tài dựa trên những ràng buộc về động học để mô tả chuyển động của robot rắn và trình bày kết quả mô phỏng chuyển động của robot này. - Năm 2002, trường đại học kỹ thuật King Mongkut, Thái Lan, với đề tài nghiên cứu “Analysis and Design of A Multi-Link Mobile Robot” đã đưa ra kết quả về sự phân tích động lực học của robot rắn. - Năm 2007, nhà khoa học Seif Dalilsafaei thuộc đại học Qazvin, Iran, với đề tài “Dynamic Analyze of snake robot”, đã đưa ra các kết quả về phân tích động lực học robot rắn và tính toán lực dọc và lực tiếp tuyến dọc theo thân của robot rắn. - Năm 1975, viện kỹ thuật Tokyo đã nghiên cứu và chế tạo ra mô hình robot rắn có chiều dài 2 m, được nối với nhau bởi 20 khớp chuyển động song song với mặt đất và di chuyển với vận tốc 40cm/s, robot này được đặt tên là ACM – III. Từ khi ra đời, robot ACM – III không ngừng được cải tiến để cho ra đời những phiên bản tiếp theo. Phiên bản mới nhất là robot rắn ACM – R5 ra đời vào năm 2006, ngoài những tính năng vượt trội các phiên bản robot rắn trước đây về kích thước, tốc độ, sự linh hoạt , robot này còn có khả năng bơi trong nước. HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 2
18. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Một số kết quả đã nghiên cứu về lĩnh vực này được công bố các hình ảnh bên dưới: Hình 1.1. Các Robot rắn đã được công bố  Các kết quả công bố trong nước: Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và chế tạo các loại robot chuyển động giống các loài vật trong tự nhiên cũng đã có sự bắt đầu, chẳng hạn như mô hình robot cá của nhóm sinh viên đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Tuy nhiên việc nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc thực hiện mô hình, chứ chưa có sự nghiên cứu sâu về động lực học để xây dựng mô hình toán học và các phương pháp điều khiển tối ưu. 1.2 Mục đích của đề tài. - Xây dựng mô hình robot rắn. - Nghiên cứu cơ chế điều khiển chuyển động của robot - Xây dựng hệ thống điều khiển theo 2 cấp: Điều khiển địa phương và điều khiển vòng ngoài. - Tối ưu thông số các bộ điều khiển PID dùng giải thuật PSO - Mô phỏng hệ thống điều khiển - Thiết kế và thi công mô hình robot rắn - So sánh kết quả tối ưu thông số PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 3
19. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. 1.3.1 Nhiệm vụ: Trong đề tài này sẽ xây dựng mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phương thức điều khiển chuyển động của robot rắn, thiết kế hệ thống điều khiển robot rắn, mô phỏng chuyển động của robot rắn trên phần mềm Matlab và thi công mô hình thực nghiệm robot rắn . 1.3.2 Giới hạn: Đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu sự di chuyển của robot rắn trong không gian hai chiều, chỉ hoạt động trên địa hình bằng phẳng và không có chướng ngại vật. 1.4 Phương pháp nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết đồng thời mô phỏng chuyển động của robot rắn trên Matlab và thi công mô hình thực nghiệm robot rắn. HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 4
20. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Chương 2 MÔ HÌNH HOÁ ROBOT RẮN Trong chương này, chúng ta sẽ xây dựng mô hình toán học của robot rắn. Xét robot rắn gồm n đoạn kết nối với nhau qua (n-1) khớp. Giả thiết mỗi đoạn có khối lượng phân bố đều. Ở mỗi khớp có một động cơ truyền động cho robot (hình 2.1). Đề tài này chỉ xét robot rắn di chuyển trong mặt phẳng hai chiều. Trong trường hợp này hệ thống có (n+2) bậc tự do ( (n-1) cho hình dạng, 2 cho vị trí và 1 cho hướng). Chúng ta sẽ xây dựng phương trình động lực học của chuyển động với robot rắn trong hai trường hợp ma sát nhớt và ma sát Coulomb. Hình 2.1 Robot rắn gồm n đoạn, n-1 khớp Robot gồm n đoạn, tọa độ trọng tâm của mỗi đoạn là xi , yi , góc hợp bởi mỗi đoạn với phương ngang là i , chiều dài của mỗi đoạn là 2li ,x và  y lần lượt là tọa độ của điểm trọng tâm theo phương x và phương y. HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 5
21. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM 2.1 Lực ma sát nhớt của robot rắn Xét đoạn thứ i của robot rắn mô tả trong hình 2.2. Hình 2.2 Đoạn vi phân của khâu thứ i. Trong đó: Chiều dài của đoạn thứ i là 2li . xi , yi là tọa độ của trọng tâm của đoạn thứ i. fi là lực ma sát giữa đoạn thứ i và mặt phẳng trượt. p i là vectơ vận tốc của đoạn vi phân ds. v~ và v~ lần lượt là vận tốc theo phương tiếp tuyến và phương pháp tuyến với ti ni đoạn thứ i. s là khoảng cách từ đoạn vi phân ds đến điểm trọng tâm của đoạn thứ i. i là góc hợp bởi đoạn thứ i với trục x. Tọa độ của đoạn vi phân ds (hình 1.2) được cho bởi xii cos psi (2.1.1) yii sin Lấy đạo hàm pi theo thời gian, ta được vectơ vận tốc trong hệ trục x-y: HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4