Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot rắn

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. MỤC LỤC ...................................................................................................................... I DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... V DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................... VIII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................1 1.1. Cảm hứng của việc thiết kế Robot Rắn ................................................................1 Snake Robot Anna Konda. ............................................................................1 Snake Robot ACR R3 ...................................................................................1 1.2. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trên thế giới ....................................................2 Những nghiên cứu về mô hình hóa và phân tích động lực học của Robot Rắn .................................................................................................................................2 Những nghiên cứu về thiết kế của Robot Rắn ..............................................4 Những nghiên cứu về hệ thống điều khiển của Robot Rắn ..........................7 1.3. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trong nước ......................................................8 Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS. Bùi Thanh Vinh năm 2012 ............................................................................................9 Robot Rắn Q2C của KS. Trương Thường Quân ..........................................9 Robot Rắn Q2C của KS. Vũ Trần Thành Công năm 2014 .........................10 1.4. Đặc điểm di chuyển của Rắn sinh học ...............................................................10 1.5. Nội dung luận văn ..............................................................................................12 1.6. Nhiệm vụ luận văn .............................................................................................12 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ............................................14 2.1. Tiêu chí thiết kế ..................................................................................................14 2.2. Lựa chọn phương án...........................................................................................14 Cơ cấu truyền động .....................................................................................14 Cơ cấu chống trượt cho Robot ....................................................................16 Cơ cấu hồi tiếp giá trị góc tại mỗi thời điểm ..............................................18 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA ...................................................................................20 i 3.1. Các thông số Robot Rắn .....................................................................................20 3.2. Phân tích động học. ............................................................................................22 3.3. Phân tích động lực học .......................................................................................24 Ràng buộc Pfaffian .....................................................................................24 Phân tích lực tác động .................................................................................25 Phương trình động lực học..........................................................................26 Rút gọn phương trình vi phân .....................................................................27 Kiểm tra tính khả thi của phương trình động lực học .................................27 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ ...................................................32 4.1. Mục tiêu của thiết kế cơ khí ...............................................................................32 4.2. Chọn động cơ .....................................................................................................32 Mục tiêu ......................................................................................................32 Thông số động cơ Tsukasa .........................................................................32 4.3. Thiết kế cơ cấu chống trượt ngang sử dụng bánh xe bị động ............................33 Mục tiêu ......................................................................................................33 Tính toán .....................................................................................................34 Thông số của bánh xe được chọn ...............................................................34 4.4. Thiết kế khớp nối ...............................................................................................35 Mục tiêu ......................................................................................................35 Kết cấu ........................................................................................................35 Kiểm bền .....................................................................................................35 4.5. Thiết kế nối trục .................................................................................................36 Mục tiêu ......................................................................................................36 Tính toán .....................................................................................................36 Thông số nối trục ........................................................................................36 4.6. Kết cấu phần lắp ráp ...........................................................................................37 Kết cấu xương sống Robot..........................................................................37 Cụm bánh xe ...............................................................................................38 Cụm gá động cơ ..........................................................................................38 Kết cấu liên kết giữa các khâu ....................................................................39 4.7. Mô hình 3D ........................................................................................................40 ii CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN .....................................41 5.1. Sơ đồ điện ...........................................................................................................41 5.2. Camera Logitech C170 ......................................................................................42 Thông số camera .........................................................................................42 Calip camera ...............................................................................................42 Giải thuật xử lý ảnh.....................................................................................44 5.3. Mạch điều khiển Tiva C123 ...............................................................................46 Đặc điểm nổi bật TM4C123GH6PM MCU [21] ........................................47 Module đọc ADC ........................................................................................47 Module giao tiếp CAN ................................................................................48 5.4. Mạch giao tiếp RS485 ........................................................................................48 Mạch chuyển từ USB sang RS485 .............................................................48 Mạch chuyển từ RS485 sang UART ..........................................................49 5.5. Mạch điều khiển dòng ........................................................................................50 Lý thuyết về điều khiển dòng .....................................................................50 Mạch điều khiển dòng Cube-DC2402-DII .................................................50 5.6. Mạch giao tiếp CAN ..........................................................................................52 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................54 6.1. Mục tiêu của việc xây dựng bộ điều khiển ........................................................54 6.2. Phương trình không gian trạng thái....................................................................54 6.3. Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa .................................................................55 6.4. Lưu đồ giải thuật ................................................................................................58 6.5. Kết quả mô phỏng ..............................................................................................59 6.6. Kết luận ..............................................................................................................64 CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM..................................................................................65 7.1. Mục đích thực nghiệm........................................................................................65 7.2. Đo dòng điện trong động cơ bằng cảm biến đo dòng ACS72 ...........................65 7.3. Thực nghiệm xử lý ảnh ......................................................................................67 7.4. Thực hiện gia tiếp thông qua chuẩn truyền RS485 ............................................68 7.5. Áp dụng phương trình động học điều khiển Robot Rắn bám quỹ đạo ..............69 7.6. Kết luận: .............................................................................................................74 iii CHƯƠNG 8: TỔNG KẾT ..........................................................................................76 8.1. Kết quả đạt được ................................................................................................76 8.2. Kết quả chưa đạt được........................................................................................76 8.3. Hướng phát triển ................................................................................................77 PHỤ LỤC .....................................................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................100 iv DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Anna Konda [7]...................................................................................1 Hình 1.2 ACM R3 [7] ........................................................................................2 Hình 1.3 ACM III, Robot Rắn đầu tiên trên thế giới 1972 [7] ..........................5 Hình 1.4 ACM R3 được phát triển tại Tokyo Institute of Technology [7]........6 Hình 1.5 S5 được phát triển bởi Dr. Gavin Miller [7] .......................................6 Hình 1.6 OmniTread được phát triền bởi University of Michigan [7] ..............7 Hình 1.7 Robot Rắn được phát triển bởi Carnegie Mellon University [7] ........7 Hình 1.8 Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS. Bùi Thanh Vinh 2012 .........................................................................................9 Hình 1.9 Robot Rắn Q2C ...................................................................................9 Hình 1.10 Robot Rắn Q2C_V2 ........................................................................10 Hình 1.11 Kiểu di chuyển Lateral Undulation [7] ...........................................10 Hình 1.12 Kiểu di chuyển Concertina Locomotion [7] ...................................11 Hình 1.13 Kiểu di chuyển Rectilinear Crawling [7] ........................................11 Hình 1.14 Kiểu di chuyển Sidewinding [7] .....................................................11 Hình 3.1 Mô hình 7 khâu 8 khớp của robot .....................................................21 Hình 3.2 Biểu đồ phân tích lực của mỗi khâu .................................................25 Hình 3.3 Thông số đầu vào và ra của hệ thống................................................28 Hình 3.4 Quỹ đạo của đỉnh đầu robot và trọng tâm của 2 khâu ......................29 Hình 3.5 Hình vẽ góc của các khớp 𝜑𝑖, 𝑖 = 1~7. ...........................................29 Hình 3.6 Vận tốc của khâu đầu theo phương x và phương y ..........................30 Hình 4.1 Đặc điểm mối quan hệ giữa các thông số động cơ [17]...................32 Hình 4.2 Đặc điểm thông số động tùy thuộc vào nguồn cung cấp [17] ..........33 Hình 4.3 Cấu trúc bộ truyền bên trong động cơ [17] .......................................33 Hình 4.4 Bánh xe bị động [18] ........................................................................34 Hình 4.5 Kết cấu của khớp nối ........................................................................35 Hình 4.6 Phân tích lực bằng phần mềm Inventor ............................................36 Hình 4.7 Kết cấu xương sống Robot ...............................................................37 Hình 4.8 Kết cấu cụm lắp bánh xe ...................................................................38 Hình 4.9 Kết cấu cụm gá động cơ ....................................................................38 v Hình 4.10 Kết cấu gá động cơ .........................................................................39 Hình 4.11 Kết cấu liên kết giữa các khâu ........................................................39 Hình 4.12 Thiết kế 3D của phần thân 3 khâu ..................................................40 Hình 5.1 Sơ đồ điện Robot Rắn .......................................................................41 Hình 5.2 Camera Logitech C170 .....................................................................42 Hình 5.3 Calip camera .....................................................................................43 Hình 5.4 Tương quan giữa hệ trục camera và mặt phẳng di chuyển ...............44 Hình 5.5 Giải thuật xác định tọa độ trọng tâm ảnh ..........................................45 Hình 5.6 Kết quả trả về của giải thuật xác định trọng tâm ảnh đỏ ..................46 Hình 5.7 Kit Tiva C TM4C123G [21] .............................................................46 Hình 5.8 Mạch chuyển từ USB sang RS485 [22] ............................................48 Hình 5.9 Mạch chuyển từ RS485 sang UART [23] .........................................49 Hình 5.10 Bộ điều khiển dòng [25] .................................................................50 Hình 5.11 Một ví dụ về mạng CAN trong thực tế [27] ...................................52 Hình 5.12 Một nút (node) mạng CAN [27] .....................................................53 Hình 5.13 Một CAN node TM4C123GXL ......................................................53 Hình 6.1 Mô hình điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa ......................................56 Hình 6.3 Lưu đồ giải thuật để điều khiển hệ thống .........................................59 Hình 6.4 Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu xd = −0.02t và yd = 0.45 .....................................................................60 Hình 6.5 Moment của mỗi khớp ......................................................................61 Hình 6.6 Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu 𝑥𝑑 = −0.02𝑡 và 𝑦𝑑 = 0.02𝑡. ................................................................62 Hình 6.7 Moment của mỗi khớp ......................................................................62 Hình 6.8 Quỹ đạo của đầu robot và các khâu theo sau so với đường thẳng tham chiếu là đường tròn phương trình 𝑥 + 4.52 + 𝑦2 = 4.52, 𝑘1𝑥=𝑘2𝑥 = 0.5 và 𝑘1𝑦=𝑘2𝑦 = 0.5 ................................................................................................63 Hình 7.1 Cảm biến đo dòng ACS72 [30].........................................................65 Hình 7.2 Kết quả thí nghiệm đo dòng bằng ACS72 ........................................66 Hình 7.3 Kết quả thực nghiệm xử lý ảnh .........................................................67 Hình 7.4 Giao diện trên matlab ........................................................................68 vi Hình 7.5 Mô hình thực tế .................................................................................69 Hình 7.6 Mô hình thực tế uốn cong .................................................................69 Hình 7.7 Kết quả thực nghiệm bám đường thẳng y = 350 pixel .....................70 Hình 7.8 Kết quả thực nghiệm không có bộ điều khiển ..................................71 Hình 7.9 Kết quả thực nghiệm với tốc độ chậm bám theo đường thẳng .........72 Hình 7.10 Vị trí Robot Rắn khi bắt đầu. ..........................................................72 Hình 7.11 Vị trí Robot Rắn giây thứ 5. ...........................................................73 Hình 7.12 Vị trí Robot Rắn giây thứ 10. .........................................................73 Hình 7.13 Vị trí Robot Rắn giây thứ 15. .........................................................74 Hình 7.14 Vị trí Robot Rắn giây thứ 20. .........................................................74 vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Phương án về cơ cấu truyền động. ...............................................14 Bảng 2.2 Cơ cấu chống trượt cho Robot .....................................................16 Bảng 2.3 Cơ cấu hồi tiếp giá trị góc của khớp tại mỗi thời điểm. ...............18 Bảng 3.1 Kí hiệu toán học được sử dụng: ...................................................22 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật bánh xe bị động [18].......................................34 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của nối trục [20] .............................................37 Bảng 5.1 Sơ đồ chân ngõ vào tương ứng cách kênh ADC [21] ..................47 Bảng 5.3 Sơ đồ chân tương ứng các kênh CAN [21] ..................................48 Bảng 5.4 Sơ đồ chân Cube-DC2402-DII phần giao tiếp và cấp nguồn [26] ......................................................................................................................51 Bảng 5.5 Sơ đồ chân Cube-DC2402-DII phần động lực [26] .....................51 viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong phần này, em muốn đưa ra cái nhìn tổng quan sự phát triển của thế giới và trong nước về việc thiết kế và điều khiển Robot Rắn cũng như đưa ra hướng luận văn cần giải quyết. 1.1. Cảm hứng của việc thiết kế Robot Rắn Snake Robot Anna Konda. Nghiên cứu về Robot Rắn tại trường Đại học Norwegian University of Science and Technology. Dự án bắt đầu từ năm 2003 sau nhiều vụ cháy lớn tại Trondhiem, nhiều nhà khoa học muốn tạo ra một thiết bị vòi phun tự hành hỗ trợ các nhân viên cứu hỏa. Thiết bị này được trang bị chất làm mát và chất dập đám cháy, chúng sẽ bắn hợp chất này vào trong đám cháy với áp suất cao. Để tránh nhiệt độ cao nó sẽ di chuyển mô phỏng loài rắn. Khi thực hiện dự án, có nhiều vấn đề gặp phải nhưng khó nhất là dạng chuyển động của robot có nhiều mặt phức tạp và thú vị nên nhóm nghiên cứu chuyển sang hướng phát triển cho nhiều ứng dụng do thám và tìm kiếm cứu nạn. [7] Hình 1.1 Anna Konda [7] Snake Robot ACR R3 Một trong những người tiên phong trong việc nghiên cứu trong lĩnh vực này là Giáo Sư Hirose ở Tokyo Institute of Technology năm 1972. Các robot được trang bị bánh xe bị động được gắn tiếp tuyến dọc theo thân cơ thể như hình 1.2. Các bánh xe được chuyển động về phía trước trên mặt phẳng nhờ việc kích các động cơ ở các khớp theo dạng sóng mô phỏng rắn sinh học. Trong những thập kỷ tiếp theo, cùng với các 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN nghiên cứu tiên phong của Giáo sư Hirose, nhiều Robot Rắn nhanh nhẹn và đầy ấn tượng đã được phát triển bởi cộng đồng nghiên cứu trên toàn thế giới trong nỗ lực để bắt chước khả năng chuyển động của các đối tác sinh học của họ. Tuy nhiên, khả năng di chuyển phần đầu của Robot Rắn hiện nay vẫn còn hạn chế môi trường phòng thí nghiệm khá đơn giản, khó kiểm soát và chưa thể nhìn thấy các ứng dụng thực tế của con rắn vận động. Hình 1.2 ACM R3 [7] 1.2. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trên thế giới Những nghiên cứu về mô hình hóa và phân tích động lực học của Robot Rắn  Nghiên cứu về đặc điểm mô phỏng sinh học của Robot Rắn [7]  Mặt phẳng 2D: Gray (1946), Moon and Gans (1998), Ma (1999)  Không gian 3D: Hirose (1993), Hu et al. (2009)  Phân tích chuyển động trên mặt phẳng có ràng buộc chống trượt ngang[7]  Mặt phẳng 2D: Hirose (1993), Krishnaprasad and Tsakiris (1994), Kelly and Murray (1995),Ostrowski (1996), Ostrowski and Burdick (1998), Ishikawa (2009), Hatton andChoset (2009a), Prautsch and Mita (1999), Ute and Ono (2002), Matsuno and Mogi (2000), Matsuno and Sato (2005) 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Không gian 3D: Ma et al. (2003), Tanaka and Matsuno (2008b), Date and Takita (2005)  Phân tích chuyển động trên mặt phẳng không ràng buộc chống trượt ngang [7]  Mặt phẳng 2D: Ma (2001), Ma and Tadokoro (2006), Saito et al. (2002), Li and Shan (2008),Kane and Lecison (2000), Grabec (2002), Hicks (2003), Mehta et al. (2008), Chernousko (2005), Nilsson (2004), Hu et al. (2009)  Không gian 3D: Shapiro et al. (2007), Ma et al. (2004), Transeth et al. (2008a)  Phân tích robot giống cá và lươn [7]  Mặt phẳng 2D: McIsaac and Ostrowski (2003a), Kanso et al. (2005)  Không gian 3D: Boyer et al. (2006), Zuo et al. (2008), Morgansen et al. (2001,2002,2007), Vela et al. (2002a)  Phân tích chuyển động có vật cản [7]  Mặt phẳng 2D: Shan and Koren (1993), Bayraktaroglu and Blazevic (2005), Date and Takita(2007)  Không gian 3D: Chirikjian (1992), Chirikjian and Burdick (1995), Yamada and Hirose (2006a), Shan and Koren (1995), Tanev et al. (2005), Transeth et al. (2008b) Một trong những kết luận Grey là chuyển động về phía trước của một con rắn phẳng đòi hỏi sự tồn tại của các tác động bên ngoài theo hướng vuông góc với cơ thể con rắn. Một nghiên cứu gần đây của Hu et al. (2009) đưa ra các đặc tính ma sát của da rắn trong cả toán học và thực nghiệm. Đặc biệt, nghiên cứu cho thấy rằng hệ số ma sát của một con rắn theo phương pháp tuyến của cơ thể là lớn hơn nhiều so với hệ số ma sát theo hướng tiếp tuyến. Đây là đặc điểm quan trọng trong quá trình chuyển tiếp và phối hợp chuyển động giữa các khâu và khớp. Nghiên cứu cũng cho thấy sự phân bố trọng 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN lượng của một con rắn trên đường gợn sóng khi di chuyển không đồng đều, thay vì phân phối trọng lượng theo các đỉnh của sóng cơ thể, rắn tạo đường cong hơi nâng lên từ mặt đất một chút. Điều này thường được gọi là xoay nâng hạ. Sự phối hợp giữa chuyển động của các khâu khớp cùng sự nâng lên hạ xuống của thân cơ thể khiến rắn giảm thiểu sự ảnh hưởng của ma sát bất lợi lên da, khiến nó có thể di chuyển nhanh và hiệu quả hơn. Trong ví dụ của Gray (1946), mỗi phần của một con rắn sinh học di chuyển theo gợn sóng bám theo con đường di chuyển của phần đầu. Hiện tượng này là một phần giải thích bởi tính không đẳng hướng của ma sát da rắn được nghiên cứu trong ví dụ của Hu et al. (2009) nhưng cũng là do bất thường trên bề mặt và cách các khớp con rắn phối hợp để lượn về phía trước mà không bị trượt ngang. Để bắt chước chuyển động này, nhiều mô hình của Robot Rắn đã được phát triển theo giả định rõ ràng rằng cơ thể không thể bị di chuyển ngang. Trong thực tế, điều kiện như vậy thường được thực hiện bằng cách gắn thêm bánh xe bị động dọc cơ thể của Robot Rắn. Một mô hình động lực học trên 2D của một Robot Rắn bánh được phát triển bởi Prautsch và Mita (1999) phân tích dựa trên phương trình Lagrange về chuyển động. Ngoài những mô hình Robot Rắn với ràng buộc chống trượt ngang, cũng có nhiều mô hình mà không áp dụng những ràng buộc như vậy, thay vào đó là giả định lực ma sát đối với mặt đất là bất đẳng hướng tương tự như loài rắn sinh học. Với đặc tính ma sát mặt đối với mặt đất bất đẳng hướng, hệ số ma sát trong lực ma sát theo hướng tiếp tuyến và pháp tuyến tại mỗi khâu tương ứng là khác nhau. Mô hình dựa trên các đặc tính ma sát mặt đất như vậy nói chung là phức tạp hơn để phân tích so với các mô hình dựa trên các ràng buộc chống trợt ngang vì không trực tiếp kết nối giữa những thay đổi hình dáng cơ thể và chuyển động của robot. Những nghiên cứu về thiết kế của Robot Rắn  Robot Rắn không có cảm biến tương tác lực  Với bánh xe bị động: Endo et al. (1999), Togawa et al. (2000), Ma et al. (2001), Wiriyacharoensunthorn and Laowattana (2002), Mori and Hirose (2002), Miller (2002), Ye et al. (2004b,2007), Yamada et al. (2005), Crespi and Ijspeert (2008), Yu et al. (2008,2009), Kamegawa et al. (2009) 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Với bánh xe bị động: Yim (1994), Yim et al. (2002), Worst and Linnemann (1996), Dowling (1997,1999), Nilsson (1998), Ohno and Hirose (2001), Saito et al. (2002), Brunete et al. (2006), Chen et al. (2007), Wright et al. (2007), Kuwada et al. (2008), Yamada and Hirose (2008,2009), Ohashi and Hirose (2010)  Với cơ chế đẩy thân về phía trước: Kimura and Hirose (2002), Yamada and Hirose (2006b), Taal et al.(2009), Fjerdingen et al. (2009), Kamegawa et al. (2004), Masayukiet al. (2004), Granosik et al. (2006), Gao et al. (2008), McKenna et al. (2008), Ijspeert et al. (2007), Hara et al. (2007)  Robot Rắn có cảm biến tương tác lực  Với bánh xe bị động: Hirose (1993), Chen et al. (2008)  Với bánh xe bị động: Bayraktaroglu (2008), Andruska and Peterson (2010), Liljebäck et al. (2006), Fjerdingen et al. (2008)  Với cơ chế đẩy thân về phía trước: Taal et al. (2009) Hirose là người đầu tiên tạo ra Robot Rắn vào đầu năm 1972 (Hirose 1993). Robot được thể hiện trong hình 1.3, được trang bị bánh xe bị động để tránh sự bất đẳng hướng của ma sát trên mặt đất, khi đó ma sát theo phương pháp tuyến rất lớn và theo ma sát phương tiếp tuyến rất nhỏ. Hình 1.3 ACM III, Robot Rắn đầu tiên trên thế giới 1972 [7] 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.4 ACM R3 được phát triển tại Tokyo Institute of Technology [7] Hình 1.5 S5 được phát triển bởi Dr. Gavin Miller [7] Đặc điểm chung của các mô hình này là sử dụng bánh xe bị động để di chuyển trên mặt phẳng, nó giúp ích cho việc khảo sát chuyển động nhưng điều này khiến cho nó khó ứng dụng trong môi trường thực tế. Robot Rắn có bánh xe được phát triển bởi Hirose đã có trong năm 1972 (Hirose 1993) được trang bị thiết bị phát hiện sự tương tác với mặt đất giám sát lực tác động của địa hình lên robot. Robot Rắn dạng hình trụ được bao phủ bằng cảm biến lực được đề xuất bởi Fjerdingen et al. (2008), Liljebäck et al. (2006). Hệ thống cảm biến lực trong những phiên bản này có thể phát hiện và đánh giá độ lớn của các yếu tố bên ngoài tác động lên mỗi module. Giá trị của những tác động này sẽ được làm cơ sở để thiết kế bộ điều khiển. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.6 OmniTread được phát triền bởi University of Michigan [7] Hình 1.7 Robot Rắn được phát triển bởi Carnegie Mellon University [7] Những nghiên cứu về hệ thống điều khiển của Robot Rắn  Chuyển động trên mặt phẳng có ràng buộc chống trượt ngang  Không điều khiển vị trí hoặc không điều khiển phần đầu: Shan and Koren (1993), Kelly and Murray (1995), Ostrowski and Burdick (1998), Date and Takita (2005), Tanaka and Matsuno (2009), Ute and Ono (2002), Sato et al. (2010), Wang et al. (2010)  Điều khiển vị trí và/hoặc điều khiển phần đầu: Prautsch et al. (2000), Date et al. (2000,2001a,2001b), Yamakita et al. (2003), Matsuno and Mogi (2000), Ma et al. (2003), Matsuno and Suenaga (2003), Ye et al. (2004a), Matsuno and Sato (2005), Tanaka and Matsuno 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN (2008a,2008b), Wiriyacharoensunthorn and Laowattana (2002), Watanabe et al. (2008), Ishikawa (2009), Ishikawa et al. (2010), Paap et al. (1999), Linnemann et al. (1999), Murugendran et al. (2009)  Chuyển động trên mặt phẳng không ràng buộc chống trượt ngang  Không điều khiển vị trí hoặc không điều khiển phần đầu: Dowling (1997,1999), Ma (2001), Ma et al. (2004), Saito et al. (2002), Chernousko (2003, 2005), Transeth et al. (2007b), Burdick et al. (1995), Gonzalez-Gomez et al. (2007), Yu et al. (2008), Chirikjian and Burdick (1995), Poi et al. (1998), Yim (1994), Yim et al. (2002), Ohno and Hirose (2001), Rincon and Sotelo (2003), Hatton and Choset (2010), Yamada and Hirose (2010), Mori and Hirose (2002), Chen et al. (2004), Ohashi and Hirose (2010)  Điều khiển vị trí và/hoặc điều khiển phần đầu: Hicks (2003), Hicks and Ito (2005) Một bộ điều khiển vị trí và bám quỹ đạo cho một robot rắn bánh được đề xuất trong Prautsch et al. (2000), nơi sử dụng phân tích Lyapunov để phân tích bộ điều khiển và cách tránh các điểm kì dị trong quá trình chuyển động của robot. Các công trình của Date et al. (2000, 2001a, 2001b) đề xuất điều khiển bám quỹ đạo sao cho giảm sự tác động của đến bánh xe trong quá trình chuyển động lượn sóng. Các bộ điều khiển này dựa trên sự phân tích động lực học và lực tác động của môi trường lên robot để tạo lực đẩy về phái trước. Takita (2005) dùng cách tương tự và giải quyết tối ưu hóa để giảm thiểu moment xoắn cần cấp ở mỗi động cơ. Những đề tài khác khi nghiên cứu về Robot Rắn không có gắn bánh xe bị động cố gắng tối ưu dáng đi của Robot để đạt được hiệu quả trong di chuyển. Bên cạnh đó nhiều đề tài nghiên cứu cách loại bỏ ma sát bất đẳng hướng tác động tiêu cực vào thân của Robot. Những hướng nghiên cứu này mới dừng lại ở dạng mô phỏng chưa có thể áp dụng vào thực tế vì ma sát ở thực tế có tính chất phức tạp hơn. 1.3. Tình hình nghiên cứu Robot Rắn trong nước Lấy cảm hứng từ ứng dụng nhân đạo mà Robot Rắn mang lại trong những dự án trên thế giới, khoảng 3 năm gần đây, nhóm sinh viên của Trường Đại học Bách Khoa 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tp. Hồ Chí Minh đã phát triển một số phiên bản khác nhau và đạt những kết quả nhất định. Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS. Bùi Thanh Vinh năm 2012 Hình 1.8 Robot Rắn của KS. Trần Phước Báu năm 2010 và Robot Rắn của KS. Bùi Thanh Vinh 2012 Là những mô hình đi đầu, là nền tảng của phân tích động lực học và ý tưởng thiết kế cho các phiên bản sau. Chuyển động tương quan giữa các khớp gần giống rắn thật. Thiết kế còn sơ sài, độ cứng vững thấp nên khó di chuyển trên mặt phẳng trong thời gian dài. Độ ổn định kém, dễ bị xoay quanh trục của robot. Robot Rắn Q2C của KS. Trương Thường Quân Hình 1.9 Robot Rắn Q2C Robot trang bị bánh xe bị động và tại các khớp trang bị động cơ RC-servo, robot đã di chuyển được kiểu lượn sóng trên nền phẳng, chuyển hướng một cách linh hoạt, là bước tiến về phân tích động lực học, là nền tảng tốt cho việc nghiên cứu tiếp theo. Kết cấu cơ khí còn yếu khi gặp những bề mặt không phẳng hoặc nhấc robot lên, cần cải tiến thêm nhiều kiểu di chuyển. 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Robot Rắn Q2C của KS. Vũ Trần Thành Công năm 2014 Robot không trang bị bánh xe bị động và vật liệu giúp mô phỏng tính chất ma sát của da rắn sinh học nên mô hình không di chuyển một các hiệu quả mặc dù thiết kế robot có 2 trục vuông góc nhau, theo lý thuyết có thể di chuyển 3D. Xây dựng phương trình động lực học và lý thuyết điều khiển PID điều khiển moment tại mỗi khớp nhưng lại sử dụng động cơ RC servo nên lý thuyết này khó áp dụng. Hình 1.10 Robot Rắn Q2C_V2 1.4. Đặc điểm di chuyển của Rắn sinh học Lateral Undulation là chuyển động theo biên dạng sóng ngang. Loại chuyển động này là kiểu nhanh nhất và phổ biến nhất của loài rắn. Các khớp chuyển động lần lượt theo nhau theo một biên độ nhất định. Chuyển động này dựa vào phần tiếp xúc giữa lớp vảy của da rắn và địa hình. Chính nhờ điểm đặc biệt của lớp vảy này mà rắn không bị trượt khỏi phương chuyển động. Hình 1.11 Kiểu di chuyển Lateral Undulation [7] Concertina Locomotion là dạng chuyển động dựa vào 2 phần chính: phần cố định và chuyển động. Với dạng chuyển động này, cơ thể rắn xếp và giãn để di chuyển lên phía trước. Phần xếp lại sẽ cố định và làm bàn đạp để phần kia di chuyển. 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.12 Kiểu di chuyển Concertina Locomotion [7] Rectilinear Crawling sử dụng trong bò thẳng, một phần cơ thể dùng trong việc dãn dài và một phần dùng trong việc định vị trên mặt đất. Thân rắn tạo thành nhiều đoạn giãn và định vị giúp cho việc di chuyển lên phía trước của nó. Hình 1.13 Kiểu di chuyển Rectilinear Crawling [7] Sidewinding là chuyển động này giúp rắn có thể di chuyển trên sa mạc khi mà cát bị trượt và lún bằng việc nhấc người lên và uốn cơ thể tạo biên dạng sóng làm rắn tiến lên phía trước. Hình 1.14 Kiểu di chuyển Sidewinding [7] 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.5. Nội dung luận văn Từ việc tìm hiểu tổng quan về đặc điểm chuyển động của robot rắn ở trên, cũng như kết hợp những đặc điểm phù hợp của các mô hình trên thế giới với những kết quả đạt được trong nước ta thấy rằng kiểu Lateral Undulation là kiểu di chuyển phù hợp nhất đối với robot và để khử tính chất phức tạp ma sát bất đẳng hướng chúng ta gắn thêm bánh xe bị động trong mô hình. Đề tài có những đặc điểm mới sau:  Xây dựng phương trình động lực học có xét đến ràng buộc chống trượt ngang và lực ràng buộc.  Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa để điều khiển robot bám quỹ đạo thẳng và đường tròn. 1.6. Nhiệm vụ luận văn  Tìm hiểu tổng quan về Robot Rắn.  Nghiên cứu phân tích động học hoặc động lực học của robot rắn 7 khớp di chuyển trên mặt phẳng.  Thiết kế bộ điều khiển hướng/ bộ điều khiển bám quỹ đạo cho trước của Robot Rắn.  Mô phỏng chuyển động của robot. 12