Thạc Sĩ điều khiển robot đi bằng hai chân

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành khoa học công nghệ mới, tạo ra các sản phẩm robot và nghiên cứu ứng dụng chính hình thành trong những thập kỷ gần đây được gọi là Robotics. Trong Robotics có hầu hết các vấn để của “cơ-điện tử”. Thuật ngữ “cơ - điện tử” (mechatronics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy và điều khiển điện tử. Đồng thời sự phát triển của mechatronics cũng được phản ánh trong khoa học công nghệ robot.
Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng “lập trình được” (programable). Muốn có khả năng đó robot phải dùng đến máy tính hoặc các thiết bị khác có chức năng tương tự. Máy tính có vai trò như bộ não của robot.
Ngày nay sự cải thiện của tốc độ máy tính đã tạo ra những bước trưởng thành đáng kể cho robot trong từng giai đoạn phát triển và đang mở ra những triển vọng trở thành những robot thông minh nhờ khả năng xử lý rất nhanh của bộ điều khiển dùng máy tính. Tuy nhiên khả năng hiện thực của robot này không chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các “cơ cấu cảm nhận” và khả năng phản ứng kịp thời của cơ cấu “chân tay” chấp hành.
Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm, những công việc mà tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng của con người. Robot có hình dáng như con người (humanoid) hoặc có thể bước đi trên hai chân như con người (biped robot) là một trong những hướng nghiên cứu mạnh của ngành công nghiệp robot.
Xuất phát từ điểm đó, đề tài này chọn nghiên cứu về đối tượng robot có thể đi trên hai chân giống như người và xây dựng một bộ điều khiển để điều khiển cho robot bước đi. Việc mô phỏng di chuyển của robot được thực hiện trên máy tính, sử dụng phần mềm Matlab. Nội dung của đề tài gồm các chương sau:
 Chương 1: TỔNG QUAN
Trình bày tổng quan về điều khiển tự động, lịch sử hình thành và phát triển cũng như ứng dụng của ngành công nghiệp robot.
 Chương 2: MÔ HÌNH HÓA ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN
Trình bày về mô hình động học, phương trình động học của robot.
 Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PD
Trình bày về bộ điều khiển PD sử dụng trong việc điều khiển robot.
 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔMEN TÍNH
Trình bày về việc xây dựng bộ điều khiển mômen tính và sử dụng trong việc điều khiển robot.
 Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Một số kết quả mô phỏng việc robot di chuyển với các tín hiệu vào-ra.
 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Một số kết luận và hướng phát triển của đề tài.

MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC HÌNH v
DANH MỤC CÁC BẢNG . viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . ix
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 . 3
TỔNG QUAN . 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 3
1.1.1. Khái niệm điều khiển-điều khiển tự động . 3
1.1.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình 4
1.1.3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động . 6
1.2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT . 7
1.2.1. Định nghĩa . 7
1.2.2. Lịch sử phát triển[2] 8
1.2.3. Các thế hệ robot . 20
1.2.4. Những xu hướng phát triển của robot hiện đại . 22
CHƯƠNG 2 . 23
MÔ HÌNH HÓA ROBOT 23
ĐI BẰNG HAI CHÂN 23
2.1. Giới thiệu . 23
2.2. Mô hình robot đi hai chân có 5 liên kết 23
2.2.1. Mô tả cấu hình của robot . 24
2.2.2. Phương trình động học của robot khi hai chân chạm đất . 26
2.2.3. Phương trình động học khi chân trái hoặc chân phải chạm đất. 34
2.3. Mô hình robot 40
2.3.1. Giới thiệu mô hình Simulink của robot[13] 40
2.3.2. Các khối chức năng trong mô hình 40
CHƯƠNG 3 . 54
ĐIỀU KHIỂN ROBOT . 54
ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PD 54
3.1. Tổng quan về điều khiển PD trong robot . 54
3.2. Khối điều khiển PD trong Matlab/Simulink 55
3.2.1. Khối Create references 56
3.2.2. Khối Controller 58
CHƯƠNG 4 . 67
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 67
MÔMEN TÍNH 67
4.1. Tổng quát . 67
4.2. Thiết lập phương trình toán học cho phương pháp điều khiển mômen tính 68
4.3. Thiết lập bộ điều khiển mômen tính trên nền Matlab/Simulink . 73
4.3.1. Giá trị và trong độ sai biệt giữa tín hiệu ra – tín hiện tham chiếu . 74
4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mômen tính trên nền Matlab/Simulink 75
CHƯƠNG 5 . 79
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG . 79
5.1. Phân tích tín hiệu đặt . 79
5.1.1. Tín hiệu đặt cho phương pháp điều khiển PD 79
5.1.2. Tín hiệu đặt cho phương pháp điều khiển mômen tính . 80
5.2. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp điều khiển PD 81
5.3. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp điều khiển mômen tính . 84
5.4. Chương trình mô phỏng hoạt hình trên Matlab/Simulink . 89
CHƯƠNG 6 . 91
KẾT LUẬN VÀ . 91
HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91
6.1. Kết luận . 91
6.2. Hướng phát triển 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
PHỤ LỤC 97
A.1. Các hệ số trong ma trận A(q) sử dụng các khối trong Matlab/Simulink để chứa 97
A.1.1. Cột thứ nhất của ma trận A với . 97
A.1.2. Cột thứ hai của ma trận A với 97
iv
LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
A.1.3. Cột thứ ba của ma trận A với 98
A.1.4. Cột thứ tư của ma trận A với 98
A.1.5. Cột thứ năm của ma trận A với . 99
A.1.6. Cột thứ sáu của ma trận A với 99
A.1.7. Cột thứ bảy của ma trận A với 99
A.2. Các hệ số trong vector b(q) sử dụng các khối trong Matlab/Simulink để chứa 100
A.3. Hàm Linearization.m: 102