Tài liệu Nghiên cứu xây dựng phương pháp điều khiển robot tự hành dạng chân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------TRẦN HỮU PHƢỚC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DẠNG CHÂN Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015 Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khóa-ĐHQG-HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC....................................... (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: TS VÕ HOÀNG DUY........................................................... (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN ............................................ (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 07 tháng 07 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN 2. PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN 3. TS VÕ HOÀNG DUY 4. TS LÊ ĐỨC HẠNH 5. TS BÙI TRỌNG HIẾU Xác nhận của chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc chỉnh sửa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCMCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -------------------------- ------------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN HỮU PHƢỚC MSHV: Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1988 Chuyên ngành: 13041062 Nơi sinh: Đồng Nai Kỹ thuật Cơ Khí Mã số : 60520103 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH DẠNG CHÂN I. TÊN ĐỀ TÀI: II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu các về dáng đi của robot 4 chân về sơ đồ bƣớc, vị trí đặt chân... - Nghiên cứu về động học và động lực học của robot - Lập trình, thực nghiệm với các dáng đi đã nghiên cứu, so sánh và nhận xét để tìm ra dáng đi phù hợp III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PSG. TS. TRẦN THIÊN PHÚC Tp. HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2015 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1 (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) PGS.TS. Trần Thiên Phúc TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Trần Thiên Phúc đã tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian học tại trƣờng Đại Học Bách Khoa mà đặc biệt là thời gian làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa cơ khí trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi và luôn sẳng sàng hƣớng dẫn tôi khi tôi có những thắc mắc liên quan đến luận văn. Xin cám ơn trƣờng Cao đẳng nghề Lilama2 nơi tôi công tác đã tạo điều kiện cho tôi đi học và cho tôi phòng Lab để thực nghiệm mô hình robot. Đồng thời cũng cám ơn các em sinh viên của trƣờng đã phụ giúp tôi trong phần thực nghiệm này. Xin cám ơn đến các đồng nghiệp và bạn trong lớp thạc sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí khóa 2- 3013 đã luôn bên tôi khi tôi có những khó khăn cần chia sẻ về đề tài. Xin cám ơn gia đình đã bên cạnh tôi. Tp. HCM ngày 25 tháng 05 năm 2015 Trần Hữu Phƣớc i TÓM TẮT Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu loại robot di chuyển bằng bốn chân về độ ổn định, kiểu dáng di chuyển, phƣơng pháp chuyển hƣớng, động học và động lực học của robot. Từ kết quả trên ngƣời nghiên cứu trên ta tiến hành thực nghiệm với các kiểu dáng di chuyển + Dáng di chuyển liên tục + Dáng di chuyển hai pha không liên tục + Dáng di chuyển bốn pha không liên tục Với mỗi kiểu dáng di chuyển trên ta tiến hành thực nghiệm. Robot sử dụng 12 động cơ Rc servo đƣợc điều khiển bởi vi điều khiển DS Pic 30F4011. Ta dùng webcam logitech C310 để nhận diện ảnh của robot từ đó xác định tâm hiện tại của nó. Webcam này giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm Matlap 2012. Tập hợp quỹ đạo của tâm robot ta vẽ lên đồ thị cho mỗi kiểu dáng di chuyển. Từ đó ta rút ra nhận xét kiểu di chuyển nào đạt độ ổn định cao nhất đối với mô hình robot hiện đang có. ii ABSTRACT The aim of this thesis is to study about the moving of Quadruped robot in relation with stability, gait, methods of navigation, kinematics and dynamics. From the above researching results, researcher practices with the differential moving such as: - Continuous moving - Moving two pha discontinuous - Moving four pha discontinuous Robot uses 12 Rc servo motor, controlled by microcontroller DC PIC30F4011. Using Webcam Logitech C310 to identify the image of robot, thereby determine its current center point. This Webcam communicates with Computer through Software Matlab 2012. Gather all of center trajectory of robot, we can build the graph for each moving method. With these Graph we can know which moving is the highest stability for this robot model. iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Trần Thiên Phúc Các kết quả trình bày là trung thực, các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. TP.HCM, Ngày 25 tháng 05 năm 2015 Trần Hữu Phƣớc iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i TÓM TẮT ................................................................................................................... ii LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iv MỤC LỤC .................................................................................................................. v DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xii CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ................................................................................... 1 1.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 1 1.2. Tình hình nghiên cứu thế giới ........................................................................... 2 1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ...................................................................... 5 1.4 Mục tiêu của luận văn......................................................................................... 7 1.5 Giới hạn đề tài nghiên cứu ................................................................................. 8 CHƢƠNG 2 : PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA ROBOT................................... 9 2.1 Các phƣơng pháp điều khiển robot...................................................................... 9 2.1.1 Phƣơng pháp điều hƣớng có tính toán .................................................... 9 2.1.2 Phƣơng pháp điều hƣớng theo phản ứng .............................................. 10 2.1.3 Phƣơng pháp điều hƣớng kết hợp ......................................................... 12 2.2 Một số định nghĩa trong quá trình phân tích dáng đi ....................................... 12 2.3 Độ ổn định của robot ........................................................................................ 14 2.4 Kết luận.............................................................................................................. 16 CHƢƠNG 3: HOẠCH ĐỊNH KIỂU DÁNG DI CHUYỂN ................................ 17 3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 18 3.2 Dáng di chuyển liên tục .................................................................................... 18 3.3 Dáng di chuyển không liên tục .......................................................................... 20 3.3.1 Dáng di chuyển 2 pha không liên tục ................................................... 20 3.3.2 Dáng di chuyển 4 pha không liên tục ................................................... 23 3.4 Phƣơng pháp chuyển hƣớng cho robot .............................................................. 26 3.4.1 Đi vòng tròn bán kính R ....................................................................... 26 3.4.2 Xoay tròn tại chỗ .................................................................................. 39 v 3.5 Kết luận............................................................................................................. 32 CHƢƠNG 4: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT .................... 33 4.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 33 4.2 Động học robot ................................................................................................. 33 4.2.1 Động học thuận của robot ..................................................................... 33 4.2.2 Động học nghịch của robot ................................................................... 36 4.3 Động lực học của robot .................................................................................... 37 4.4 Kết luận............................................................................................................. 39 CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ................................................... 40 5.1 Mô hình thực nghiệm ........................................................................................ 40 5.2 Điều khiển......................................................................................................... 40 5.3 Kết quả thực nghiệm của dáng di chuyển liên tục ........................................... 42 5.4 Kết quả thực nghiệm của dáng di chuyển không liên tục ................................ 49 5.4.1 Dáng di chuyển 2 pha không liên tục ................................................... 49 5.4.2 Dáng di chuyển 4 pha không liên tục ................................................... 56 5.5 Xoay tròn tại chỗ .............................................................................................. 63 5.6 Đánh giá kết quả ............................................................................................... 64 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 66 6.1 Kết luận............................................................................................................. 66 6.1.1 Những nội dung đạt đƣợc của luận văn ................................................ 66 6.1.2 Những hạn chế của luận văn................................................................. 66 6.2 Hƣớng phát triển của đề tàiơ ............................................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 67 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 67 1. Code xử lý ảnh trên Matlab ................................................................................. 70 2. Code tính động học thuận trên Matlab gui .......................................................... 71 3. Code tính động học nghịch trên Matlab gui ........................................................ 76 4. Code lập trình vi điều khiển ................................................................................ 77 4.1 Dáng di chuyển liên tục ........................................................................... 77 4.2 Dáng di chuyển hai pha không liên tục ................................................... 82 vi 4.3 Dáng di chuyển bốn pha không liên tục .................................................. 84 4.4 Xoay tròn tại chỗ ..................................................................................... 81 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1a : Nguyên lý robot di chuyển bằng chân của Chebyshev ...................... 2 Hình 1.1b : Mô hình robot di chuyển bằng chân của Chebyshev ......................... 2 Hình 1.2a :General electric quadruped của R.Mosher ........................................... 3 Hình 1.2b :Robot SCOUT-1 của Buehler ............................................................. 3 Hình 1.3 :Robot LS3 của quân đội Mỹ ................................................................ 3 Hình 1.4 :OSU Hexapod robot ............................................................................. 4 Hình 1.5 : TU MIT robot ..................................................................................... 5 Hình 1.6 : Mô hình robot sử dụng trong luận văn................................................ 8 Hình 1.12 :Khả năng chống trƣợt và chống kẹt của robot dạng chân.................... 9 Hình 2.1 :Sơ đồ cấu trúc của phƣơng pháp điều khiển có tính toán .................... 9 Hình 2.2 :Không gian làm việc của các chân robot ........................................... 12 Hình 2.3 :Biên độ ổn định của robot .................................................................. 15 Hình 3.1 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục..................................................... 19 Hình 3.2 :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển liên tục.................................... 19 Hình 3.3 :Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục ................................ 22 Hình 3.4a :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (pha 1) ....................................................................... 22 Hình 3.4b :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (pha 2) ....................................................................... 22 Hình 3.5 :Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục ................................ 24 Hình 3.6a :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 1) ....................................................................... 24 Hình 3.6b :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 2) ....................................................................... 25 Hình 3.6c :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 3) ....................................................................... 25 Hình 3.6d :Sơ đồ bƣớc chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 4) ....................................................................... 25 Hình 3.7 :Quỹ đạo thân Robot khi rẽ ................................................................. 26 viii Hình 3.8 :Xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển liên tục .................................. 29 Hình 3.9 :Xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển hai pha không kliên tục ........ 30 Hình 3.10 :Xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển bốn pha không kliên tục ....... 31 Hình 4.1 :Thông số động học của robot 4 chân ................................................. 33 Hình 5.1 :Mô hình thực nghiệm robot ............................................................... 40 Hình 5.2 :Mô hình điều khiển robot ................................................................... 41 Hình 5.3 :Giải thuật điều khiển robot ................................................................ 41 Hình 5.4 :Trình tự đi thẳng của dáng đi liên tục ............................................... 42 Hình 5.5 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 5.760 lần 1) ......... 43 Hình 5.6 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 5.760 lần 2) ......... 43 Hình 5.7 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 11.520 lần 1) ....... 44 Hình 5.8 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 11.520 lần 2) ....... 44 Hình 5.9 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 23.040 lần 1) ....... 45 Hình 5.10 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 23.040 lần 2) ....... 45 Hình 5.11 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 46.080 lần 1) ....... 46 Hình 5.12 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 46.080 lần 2) ....... 46 Hình 5.13 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 92.160 lần 1) ....... 47 Hình 5.14 :Đồ thị của dáng di chuyển liên tục( độ rộng bƣớc 92.160 lần 2) ....... 47 Hình 5.15 :Trình tự đi thẳng của dáng di chuyển 2 pha không liên tục ............... 49 Hình 5.16: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760 lần 1) .................................................................................... 50 Hình 5.17: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760lần 2) ..................................................................................... 50 Hình 5.18: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 1) .................................................................................. 51 Hình 5.19: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 2) .................................................................................. 51 Hình 5.20: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 23.040 lần 1) .................................................................................. 52 Hình 5.21: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục ix (độ rộng bƣớc 23.040 lần 2) .................................................................................. 52 Hình 5.22: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 1) .................................................................................. 53 Hình 5.23: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 2) .................................................................................. 53 Hình 5.24: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 92.160 lần 1) .................................................................................. 54 Hình 5.25: Đồ thị của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 92.160 lần 2) .................................................................................. 54 Hình 5.26 :Trình tự đi thẳng của dáng di chuyển 4 pha không liên tục ............... 56 Hình 5.27: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760lần 1) ..................................................................................... 57 Hình 5.28: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 5.760lần 2) ..................................................................................... 57 Hình 5.29: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 1) .................................................................................. 58 Hình 5.30: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 11.520 lần 2) .................................................................................. 58 Hình 5.31: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 23.040 lần 1) .................................................................................. 59 Hình 5.32: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 23.040 lần 2) .................................................................................. 59 Hình 5.33: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 1) .................................................................................. 60 Hình 5.34: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 46.080 lần 2) .................................................................................. 60 Hình 5.35: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (độ rộng bƣớc 92.160 lần 1) .................................................................................. 61 Hình 5.36: Đồ thị của dáng di chuyển 4 pha không liên tục x (độ rộng bƣớc 92.160 lần 2) .................................................................................. 61 Hình 5.37 :Trình tự xoay tròn tại chỗ của dáng di chuyển liên tục ..................... 63 Hình 5.38 :Đồ thị của rẽ phải bằng cách xoay tròn tại chỗ .................................. 63 xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 :Sơ đồ vị trí đặt của chân robot của dáng di chuyển liên tục .............. 18 Bảng 3.2 :Sơ đồ vị trí đặt của chân robot của dáng di chuyển 2 pha không liên tục .................................................................................... 21 Bảng 3.3 :Sơ đồ vị trí đặt của chân robot của dáng di chuyển 4 pha không liên tục ..................................................................................... 24 Bảng 3.4 :Sơ đồ bƣớc chân Xoay tròn của dáng di chuyển liên tục ................ 29 Bảng 3.5 :Sơ đồ bƣớc chân xoay tròn của dáng di chuyển 2 pha không liên tục .................................................................................... 30 Bảng 3.6 :Sơ đồ bƣớc chân xoay tròn của dáng di chuyển 4 pha không liên tục .................................................................................... 31 Bảng 4.1 : Bảng thông số D-H của robot ........................................................... 34 Bảng 5.1 :Các góc độ di chuyển của chân trong thực nghiệm ........................... 42 Bảng 5.2 :Bảng thực nghiệm của dáng di chuyển liên tục ................................. 48 Bảng 5.3 :Bảng thực nghiệm của dáng di chuyển hai pha không liên tục ......... 55 Bảng 5.4 :Bảng thực nghiệm của dáng di chuyển bốn pha không liên tục ........ 62 Bảng 5.5 :So sánh kết quả của các dáng đi......................................................... 64 xii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Robot hiện nay đang rất phổ biến và đang dần đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Đây là một hệ thống mang tính chất rất rộng, nó bao gồm rất nhiều chủng loại với các mức độ khác nhau về kết cấu cơ khí, khả năng tự hành, độ thông minh và khả năng di chuyển. Tùy theo mức độ mà các robot này có thể thu thập dữ liệu, xử lý thông tin, thực hiện chuyển động và phản ứng lại với môi trƣờng xung quanh. Ngày nay hệ thống Robot đƣợc phân loại và tổng quát thành 2 nhóm chính: - Robot có gốc ở 1 vị trí cố định (Manipulation robotics). - Robot di động (Mobile robotics). Robot di động hay còn gọi là Robot tự hành. Chúng là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con ngƣời. Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trƣờng xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thƣơng mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con ngƣời. Với sự phát triển của ngành Robot học, Robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trƣờng khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau nhƣ Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ, Robot thám hiểm đại dƣơng, Robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục đƣa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu. Robot di động là robot có thể di chuyển xung quanh một môi trƣờng nhất định. Robot này không bị ràng buộc bởi một gốc tọa độ nhất định: Thực tế Robot dạng chân có nhiều loại nhƣ: Hệ thống robot 2 chân (Bipeds robot) giống nhƣ con ngƣời hoặc những con chim, Robot 4 chân (Quadrupeds Robot) nhƣ động vật có vú và bò sát, Robot 6 chân (Hexapod Robot) nhƣ côn trùng và Robot 10 chân (Octopods robot) nhƣ nhện. Bên cạnh đó vẫn có những mô hình Robot với một chân (Raibert hopper (1986). Thế nhƣng trong đề tài này chỉ nghiên cứu tập trung vào robot 4 chân (Quadrupeds Robot) về dáng các kiểu dáng đi, thứ tự bƣớc chân, vị trí đặt chân.... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu thế giới Các tài liệu đầu tiên đề cập đến hệ thông Robot di chuyển bằng bốn chân xuất hiện trong khoảng 1870, nó đƣợc dựa trên cơ cấu bốn thanh đƣợc phát minh bởi nhà toán học Nga PL Chebyshev nhƣ là một thử nghiệm đầu tiên để bắt chƣớc tự nhiên đi bộ của động vật bốn chân. Một số mô hình sau đó đƣợc phát triển để sử dụng để dạy học và khoảng năm 1893, bằng sáng chế đầu tiên cho các hệ thống di chuyển bằng chân đã đƣợc đăng ký với Cục sáng chế Mỹ (US Patent Office). Hình 1.1a: Nguyên lý robot di chuyển bằng chân của Chebyshev Hình 1.1b: Mô hình robot di chuyển bằng chân của Chebyshev Một vài thập kỷ sau đó, vào khoảng năm 1940, các nhà nghiên cứu bắt đầu xem xét khả năng sử dụng Robot có chân cho các ứng dụng thực tế. Nhƣ thƣờng lệ, quân sự là nơi các ứng dụng đến đầu tiên. Vƣơng quốc Anh và quân đội Mỹ tài trợ quan trọng dự án nghiên cứu ứng dụng Robot có chân phục vụ chiến tranh. Nhiều hoạt động sau đó đã đƣợc đƣa ra nhƣ các ứng dụng tiềm năng cho Robot có chân dựa trên tính khả thi về mặt lý thuyết. Việc tạo ra một mô hình Robot di chuyển bằng chân là rất hấp dẫn nhƣng lại rất phức tạp tại thời điểm đó. Vì khả năng ứng dụng máy tính vào điều khiển robot là chƣa nhiều.Tuy nhiên, một số mô hình thú vị đã đƣợc thiết kế và xây dựng trong thời gian này. Đến giữa những năm 1970 việc sử dụng máy tính để điều khiển Robot di chuyển bằng chân lần đầu tiên đã đƣợc thử nghiệm tại Đại học bang Ohio (OSU). Sau đó các trƣờng đại học và các trung tâm nghiên cứu Mỹ và Nhật Bản đã bắt đầu thực hiện một thỏa thuận lớn của các hoạt động trong lĩnh vực này, bao gồm cả phát triển xe đƣợc coi là Robot di chuyển bằng chân. Các Robot đi bộ đầu tiên đƣợc ghi nhận khoảng năm 1972 tại Đại học Rome ở Ý (Mocci et al, 1972). Một trong những phƣơng tiện đầu tiên đã có thể áp dụng các dáng đi khác nhau là “General Electric quadruped” (hình 2 1.2a), đƣợc phát triển bởi R. Mosher và hoàn thành vào năm 1968. Xe này với chiều cao 3,3m, dài 3m và trọng lƣợng 1400 kg, gồm có 4 chân, mỗi chân có 3 bậc tự do (một ở đầu gối và hai ở hông), mỗi khớp chuyển động thông qua một xi lanh thủy lực và đƣợc cung cấp năng lƣợng bởi một động cơ đốt trong công suất 68Kw. Hình 1.2b: Robot SCOUT-1 của Hình 1.2a: General electric Buehler quadruped của R.Mosher Sau đó Buehler đề xuất Robot SCOUT-1 có 4 chân (hình 1.3 b), mỗi chân chỉ có 1 DOF (đặt ở hông và khởi động bằng các động cơ servo), có nghĩa là có thể di chuyển thẳng hoặc đƣờng cong và leo lên xuống cầu thang và đƣợc kiểm soát bởi bộ điều khiển vòng mở. Trong thời gian gần đây, một phiên bản mới của Robot này là SCOUT-II đƣợc phát triển với mỗi chân 2 DOF. Bổ sung thêm khớp truợt và quay. Gần đây Cơ quan phụ trách nghiên cứu các dự án tƣơng lai (DARPA) thuộc Lầu Năm góc đã ký hợp đồng với hãng Boston Dynamics của Mỹ về việc chế tạo loại robot có khả năng vận tải hàng hóa trong điều kiện địa hình phức tạp và hiểm trở. Theo Industry Daily. Hình 1.3: Robot LS3 của quân đội Mỹ 3 Loại robot mới này sẽ mang tên LS3 và có vẻ ngoài giống con La.Dự kiến, trong thời gian tới, LS3 sẽ đƣợc quân đội Mỹ sử dụng tại Afghanistan. Tại đây, nhiệm vụ chính của loại robot này là vận chuyển khoảng 180 kg đi trên địa hình gồ ghề, nhiều đá tảng dài 32 km. Trọng lƣợng của LS3 không quá 570 kg. LS3 có đặc tính tự động và khả năng hoạt động trong 24 giờ. Theo thông tin của DARPA, loại robot 4 chân mới LS3 có thể di chuyển, chạy nƣớc kiệu, phi, nhảy qua chƣớng ngại vật và tự tạo đƣợc độ thăng bằng trong trƣờng hợp nếu nhƣ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài. LS3 sẽ đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở loại robot BigDog – một đơn đặt hàng khác của DARPA, do hãng Boston Dynamics chế tạo. BigDog ngoài khả năng di chuyển và tự cân bằng, nó còn có thể đứng vững trên các bề mặt trơn trƣợt. Robot 6 chân (Hexapods hoặc six-legged Robots), đƣợc lấy cảm hứng từ côn trùng nhƣ con gián. Nhiều chân có nghĩa là thêm nhiều phần cứng và làm cho các Robot 6 chân sẽ phức tạp và độ tin cậy thấp hơn các Robot 2 chân và 4 chân .Lợi ích lớn nhất của cấu trúc hexapod là độ ổn định cao hơn so với 2 chân và 4 chân. Nói chung, dáng đi sáu chân là một dáng đi kiền 3 chân. Lần lƣợt 3 chân chạm đất trong khi 3 chân kia nhấc lên và cứ thay đổi nhƣ vậy. Với dáng đi 6 chân thì Robot có cả ổn định tĩnh và động trong khi đó Robot 2 chân đứng 1 chân và Robot 4 chân đứng 2 chân chỉ có ổn định động. Hình 1. 4 :OSU Hexapod robot RB McGhee xây dựng OSU Hexapod (hình 1.4) vào năm 1977 . Hexapod này dài 1,3 m rộng 1,4 m. Tổng trọng lƣợng của nó là khoảng 100 kg. Mỗi chân có ba bậc tự do 4 sử dụng động cơ điện. Nó có thể di chuyển với tốc độ chậm (một vài inch mỗi giây).Robot này đã đƣợc sử dụng nhƣ là một thử nghiệm cho các mục đích khác nhau ví dụ nhƣ đi bộ với dáng đi khác nhau trên một bề mặt bằng phẳng, bƣớc lên cầu thang... Hình 1.15 cho thấy hexapod OSU với một hệ thống xử lý ảnh đƣợc thực hiện vào năm 1985 . Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển mọt loại robot lấy cảm hứng từ sinh học. Boadicea (hình 1.4) có những khía cạnh dựa trên con dán Discoidalis Blaberus và là một trong các nguyên mẫu đƣợc xây dựng. Hexapod này trình bày có 6 chân với 3 DOF ở 2 chân sau và 2 chân giữa, 2 DOF ở chân phía trƣớc. Cơ cấu chấp hành ở tất cả chân đƣợc truyền dẫn bằng 2 piston khí nén. Hình 1. 5 :TU MIT robot 1.3 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam có những bƣớc tiến đáng kể trong 25 năm qua. Vào giai đoạn 1985-1990, chƣơng trình nghiên cứu quốc gia về tự động hóa đã có những đề tài nghiên cứu và chế tạo robot do Trung tâm Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì. Các robot đƣợc chế tạo thời gian này là một số loại tay máy đƣợc điều khiển bằng khí nén rất cồng kềnh và chƣa có phần điều khiển điện tử. Thiết kế robot nặng về 5