Đề tài nghiên cứu khoa học: Lập trình thi công và phát triển robot nhện IoT (Internet of Thing)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Lập trình thi công và phát triển robot nhện IoT (Internet of Thing)" nhằm nghiên cứu phương pháp tính động học thuận, động học nghịch của robot; Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot; Nghiên cứu các dáng đi của robot, vi trí đặt chân, phương pháp chuyển hướng; Nghiên cứu về vi điều khiển để lập trình robot; Nghiên cứu lập trình ứng dụng trên Android để điều khiển robot.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Lập trình thi công và phát triển robot nhện IoT (Internet of Thing)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN LẬP TRÌNH THI CÔNG VÀ PHÁT TRIỂN ROBOT NHỆN IoT (Internet of Thing) S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: SV2020-159 S KC 0 0 7 3 8 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN LẬP TRÌNH THI CÔNG VÀ PHÁT TRIỂN ROBOT NHỆN IoT (Internet of Thing) SV2020 - 159 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Quốc Thành TP Hồ Chí Minh, 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN LẬP TRÌNH THI CÔNG VÀ PHÁT TRIỂN ROBOT NHỆN IoT (Internet of Thing) SV2020 - 159 Thuộc nhóm ngành khoa học: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hoá SV thực hiện: Nguyễn Quốc Thành Nam, Nữ: Nam SV thực hiện: Nguyễn Nhật Nam Nam, Nữ: Nam SV thực hiện: Trần Khả Anh Tùng Nam, Nữ: Nam SV thực hiện: Nguyễn Việt Long Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Đào tạo chất lượng cao Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4 năm Ngành học: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hoá Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Quốc Thành Người hướng dẫn: TS. Lê Mỹ Hà TP Hồ Chí Minh, 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Lập trình, thi công và phát triển Robot nhện IoT ( Internet of thing) - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Quốc Thành Mã số SV:16151083 - Lớp: 16151CL1 Khoa: Đào tạo chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Nguyễn Quốc Thành 16151083 16151CL1 Chất lượng cao 2 Nguyễn Nhật Nam 16151050 16151CL2 Chất lượng cao 3 Trần Khả Anh Tùng 16151100 16151CL1 Chất lượng cao 4 Nguyễn Việt Long 16151044 16151CL1 Chất lượng cao - Người hướng dẫn: TS. Lê Mỹ Hà 2. Mục tiêu đề tài: Trong thời đại công nghiệp hóa hiện nay nói chung và trong lĩnh vực quân sự nói riêng có rất nhiều việc độc hại và nguy hiểm cho con người. Vì thế robot đã và đang dần trở thành vật thay thế cho con người. Để đạt các yêu cầu đặt ra của con người chúng ta phải nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện từng bước. Vì vậy nhóm đã nghiên cứu và chọn đề tài “Thiết kế, thi công và lập trình điều khiển Robot 4 chân”. Với đề tài này, nhóm nghiên cứu sẽ tìm hiểu Robot 4 chân về : - Nghiên cứu phương pháp tính động học thuận, động học nghịch của robot. - Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot. - Nghiên cứu các dáng đi của robot, vi trí đặt chân, phương pháp chuyển hướng. - Nghiên cứu về vi điều khiển để lập trình robot. - Nghiên cứu lập trình ứng dụng trên Android để điều khiển robot. - Sử dụng deep learning để nhận dạng khuôn mặt. 3. Tính mới và sáng tạo: Sử dụng deep learning để nhận dạng người bị nạn. 4. Kết quả nghiên cứu: - Hoàn thành nghiên cứu cơ sở lý thuyết về robot nhện. - Thi công hoàn thiện phần cứng - Chương trình biên dịch thành công - Điểu khiển được robot di chuyển
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: robot nhện đảm nhiệm rất tốt vai trò dò tìm, trinh sát, cứu nạn ở những khu vực con người không thể vào được. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Không có Ngày 26 tháng 07 năm 2020 SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Ngày 26 tháng 07 năm 2020 Người hướng dẫn (kí, họ và tên)
MỤC LỤC CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN........................................................................................... 2 1.1. Đặt vấn đề...........................................................................................................1 1.2.Mục tiêu đề tài.....................................................................................................1 1.3.Giới hạn đề tài..................................................................................................... 2 1.4.Nội dung đề tài.................................................................................................... 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................3 2.1. Động học robot...................................................................................................3 2.1.1. Giới thiệu chung......................................................................................3 2.1.2. Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH).................................................. 3 2.1.3. Bài toán động học thuận robot................................................................ 5 2.1.4. Bài toán động học nghịch robot..............................................................8 2.1.5. Phương pháp điều khiển thân giữa của robot......................................... 9 2.2. Kiểu dáng di chuyển cho robot........................................................................11 2.2.1. Di chuyển liên tục................................................................................. 12 2.2.2. Di chuyển không liên tục...................................................................... 13 2.2.2.1. Dáng di chuyển 2 pha không liên tục................................................ 14 2.2.2.2. Dáng di chuyển 4 pha không liên tục................................................ 15 2.3. Phương pháp điều khiển tốc độ chuyển động..................................................17 2.4. Tổng quan về Deep Learning...........................................................................18 2.5. Mạng nơ ron (NEURAL NETWORK)............................................................20 2.5.1. Giới thiệu...............................................................................................20 2.5.2. Các thành phần cơ bản của mạng nơ ron..............................................20 2.6. Mạng nơ ron tích chập (CNN)......................................................................... 22 2.6.1. Giới thiệu...............................................................................................22 2.6.2. Cấu trúc của mạng nơ rơn tích chập..................................................... 23 2.6.3. Lớp tích chập (Convolutional Layer)................................................... 24 2.6.4. Phần đệm và mức trượt (Padding and Stride)...................................... 26 2.6.5. Lớp kích hoạt phi tuyến tính (Non-linearity Layers)........................... 27 2.6.6. Lớp tổng hợp (Pooling Layers).............................................................28 2.6.7.Lớp làm phẳng (Flattening Layers)....................................................... 29 2.6.8.Lớp kết nối đầy đủ (Fully-Connected Layer)........................................29 2.7. Model nhận dạng khuôn mặt........................................................................... 30 2.7.1. MobileNet V1 (2017) (Extractor).........................................................30 2.7.2. Single Shot Detector (SSD) (Detector)................................................ 32 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT...............................................................34 3.1. Thiết kế phần cứng...........................................................................................34 3.3.1. Thiết kế mô phỏng phần cứng.............................................................. 34 3.3.2. Tiến hành thi công.................................................................................34 3.2.Lựa chọn thiết bị............................................................................................... 35 3.2.1. Bộ điều khiển board arduino mega 2560..............................................35 3.2.2. Shield Mega Sensor V2........................................................................ 37 3.2.3.Động cơ RC Servo................................................................................. 37 3.2.5. Khối cấp nguồn Adapter....................................................................... 40 3.2.6. Camera Logitech C270......................................................................... 41 3.3.Sơ đồ nối dây.....................................................................................................42 3.4. Thuật toán điều khiển.......................................................................................42 1
3.4.1. Thuật toán điều khiển robot.................................................................. 42 3.4.2. Huấn luyện model nhận dạng người.....................................................44 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ............................................................ 45 4.1.Kết quả điều khiển............................................................................................ 45 4.2.Kết quả nhận dạng người.................................................................................. 46 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................47 5.1.Kết luận............................................................................................................. 47 5.1.1. Những công việc đã thực hiện.............................................................. 47 5.1.2. Những mặt hạn chế............................................................................... 47 5.2.Hướng phát triển....................................................................................................... 47 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Chiều dài và góc xoắn của một khâu……………………………………………..3 Hình 2.2: Các thông số của khâu: θ, d, a và α………………………………………………4 Hình 2.4: Thông số động học cho 4 chân robot…………………………………………….6 Hình 2.5: Hệ tọa độ cho chân robot…………………………………………………………….8 Hình 2.6: Phép chiếu trên mặt phẳng Oxy……………………………………………………..8 Hình 2.7: Phép chiếu trên mặt phẳng Oxz……………………………………………………..9 Hình 2.8: Chuyển động xoay theo trục………………………………………………………..10 Hình 2.9: Phép xoay thân giữa robot…………………………………………………………10 Hình 2.10: Phép tịnh tiến cho thân giữa robot………………………………………………11 Hình 2.11: Đồ thị của dáng di chuyển liên tục……………………………………………….12 Hình 2.12: Sơ đồ bước chân của dáng di chuyển liên tục…………………………………..13 Hình 2.13: Đồ thị dáng di chuyển 2 pha không liên tục………………………………….14 Hình 2.15: Sơ đồ bước chân của dáng di chuyển 2 pha không liên tục (pha 2)………….15 Hình 2.16: Đồ thị dáng di chuyển 4 pha không liên tục…………………………………….16 Hình 2.17: Sơ đồ bước chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (1 pha)………….16 Hình 2.18: Sơ đồ bước chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 2)………….17 Hình 2.19: Sơ đồ bước chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 3)……….17 Hình 2.20: Sơ đồ bước chân của dáng di chuyển 4 pha không liên tục (pha 4)……….17 Hình 2.21: Quỹ đạo chuyển động của từng chân robot……………………………………..18 Hình 2.22: So sánh giữa DL và các thuật toán học tập khác………………………………19 Hình 2.23. Đơn vị xử lý (Processing Unit)……………………………………………………20 Hình 2.24. Máy tính nhìn thấy một mảng pixel giá trị của một tấm ảnh………………….23 Hình 2.25. Cấu trúc của mạng CNN nhiều lớp………………………………………………24 Hình 2.26. Ngõ vào và mặt nạ của CNN. (a) Ngõ vào 7x7 (b) Bộ lọc tích chập 3x3……25 Hình 2.27. Phép nhân tích chập của CNN……………………………………………………25 Hình 2.28. Kết quả của phép tích chập. (a) Bức ảnh ngõ vào(b) Feature map của ảnh sau khi tích chập……………………………………………………………………………………...25 Hình 2.29. Thực hiện phép nhân tích chập ở ngõ vào………………………………………26 Hình 2.30. Phép tích chập cho ra 2 feature map ở 2 lớp độc lập…………………………26 2
Hình 2.29. Thực hiện phép nhân tích chập ở ngõ vào………………………………………27 Hình 2.30. Phép tích chập cho ra 2 feature map ở 2 lớp độc lập………………………….27 Hình 2.33. Feature map sau khi qua lớp kích hoạt………………………………………….28 Hình 2.34. Hàm max pooling. (a) Hàm max pooling đang thực hiện (b) Feature map của ảnh sau khi qua max pooling…………………………………………………………...28 Hình 2.35. Quá trình làm phẳng………………………………………………………………29 Hình 2.36. Lớp Fully-Connected………………………………………………………………29 Hình 2.37. Cấu trúc của Depthwise separable convolution………………………………..30 Hình 2.38. Cấu trúc của MobileNet-v1……………………………………………………….32 Hình 2.39. Cấu trúc của model SSD…………………………………………………………..33 Hình 2.40. Framework của SSD……………………………………………………………….33 Hình 3.1: Mô hình Robot 4 chân trên SolidWorks 2015……………………………………34 Hình 3.2: Mô hình Robot 4 chân………………………………………………………………34 Hình 3.2: Board Arduino Mega 2560…………………………………………………………35 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega 2560……………………………………………..36 Hình 3.4: Arduino Mega Sensor Shield……………………………………………………….37 Hình 3.5: Sơ đồ chức năng các chân của Mega Sensor Shield…………………………….37 Hình 3.6: Cấu tọa bên trong RC Servo……………………………………………………….38 Hình 3.7: Điều khiển vị trị trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung……..39 Hình 3.8: RC Servo 946R………………………………………………………………………39 Hình 3.8:Module Bluetooth HC-05……………………………………………………………40 Hình 3.9. Cấp nguồn Adapter………………………………………………………………….41 Hình 3.10 Camera Logitech C270…………………………………………………………….42 Hình 3.10 Sơ đồ nối dây………………………………………………………………………..42 Hình 3.11 Mô hình điều khiển robot………………………………………………………….43 Hình 3.12 Lưu đồ điều khiển robot………………………………………………………….44 Hình 4.1 App điều khiển……………………………………………………………………….45 Hình 4.2 Hình ảnh robot lúc hoạt động……………………………………………………..46 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.2:Các thông số của khâu: θ, d, a và α………………………………………………5 Bảng 2.3 Sơ đồ vị trí đặt chân của robot dáng di chuyển liên tục…………………………12 Bảng 2.5 Sơ đồ vị trí đặt chân robot của dáng di chuyển 4 pha không liên tục………….16 Bảng 2.6. So sánh kết quả giữa Depthwise Separable Convolution và phép tích chập…………..32 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Module Bluetooth HC-05…………………………………35 Bảng 3.2 Tóm tắt thông số Arduino Mega 2560……………………………………………..36 Bảng 3.3 Thông số hoạt động của RC Servo TowerPro MG946R………………………...39 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của Module Bluetooth HC-05………………………………...40 Bảng 3.6. Thông số kĩ thuật của Camera Logitech C270…………………………………..41 4
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Robot hiện nay đang rất phổ biến và đang dần được s dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Đây là một hệ thống mang tính chất rất rộng n bao gồm rất nhiều chủng loại với các mức độ khác nhau về kết cấu cơ khí khả n ng tự hành độ thông minh và khả n ng di chuyển. T y theo mức độ mà các robot này c thể thu thập dữ liệu x l thông tin thực hiện chuyển động và phản ứng lại với môi trường xung quanh. Ngày nay hệ thống Robot được phân loại và tổng quát thành 2 nh m chính:  Robot c gốc 1 vị trí cố định (Manipulation robotics).  Robot di động (Mobile robotics). Robot di động hay c n gọi là Robot tự hành. Chúng là loại Mobile robot c khả n ng tự hoạt động thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con ngưới. Với những cảm biến chúng c khả n ng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng c nhiều ngh a trong các ngành công nghiệp thương mại y tế các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con ngưới. Với sự phát triển của ngành Robot học Robot tự hành ngày càng c khả n ng hoạt động trong các môi trường khác nhau t y m i l nh vực áp dụng mà chúng c nhiều loại khác nhau như Robot sơn Robot hàn Robot c t cỏ Robot thám hiểm đại dương Robot làm việc ngoài v trụ. C ng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế Robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu. Robot di động là robot c thể di chuyển xung quanh một môi trường nhất định. Robot này không bị ràng buộc b i một gốc tọa độ nhất định:  Robot di chuyển bằng bánh xe ( Wheeled Robots )  Robot bám đường ( Tracked Robots )  Robot di chuyển bằng chân ( Legged Robots ) Thực tế Robot dạng chân c nhiều loại như: Hệ thống robot 2 chân (Bipeds robot) giống như con người hoặc những con chim Robot 4 chân (Quadrupeds Robot) như động vật c vú và b sát Robot 6 chân (Hexapod Robot) như côn tr ng và Robot 10 chân (Octopods robot). Bên cạnh đ v n c những mô hình Robot với một chân (Raibert hopper (1986). Thế nhưng trong đề tài này ch nghiên cứu tập trung vào robot 4 chân (Quadrupeds Robot) về phương pháp tính và các kiểu dáng đi thứ tự bước chân vị trí đặt chân. 1.2.Mục tiêu đề tài Trong thời đại công nghiệp h a hiện nay n i chung và trong l nh vực quân sự n i riêng c rất nhiều việc độc hại và nguy hiểm cho con người. Vì thế robot đã và đang dần tr thành vật thay thế cho con người. Để đạt các yêu cầu đặt ra của con người chúng ta phải nghiên cứu phát triển và hoàn thiện từng bước. Vì vậy nh m đã nghiên cứu và chọn đề tài “Thiết kế thi công và lập trình điều khiển Robot 4 chân”. 1
Với đề tài này nh m nghiên cứu sẽ tìm hiểu Robot 4 chân về :  Nghiên cứu phương pháp tính động học thuận động học nghịch của robot.  Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot.  Nghiên cứu các dáng đi của robot vi trí đặt chân phương pháp chuyển hướng.  Nghiên cứu về vi điều khiển để lập trình robot.  Nghiên cứu lập trình ứng dụng trên Android để điều khiển robot.  S dụng deep learning để nhận dạng khuôn mặt 1.3.Giới hạn đề tài Với đề tài này nh m đã thiết kế robot 4 chân với m i chân s dụng 3 động cơ RC servo. Vì động cơ ch quay được 1800 nên ta c một số giới hạn về hành trình di chuyển của robot. Vì vậy trong quá trình điều khiển robot này ta c một số giới hạn nhất định :  G c xoay của chân c bị giới hạn nên ta chi xét các dáng đi mà robot bốn chân c khả n ng di chuyển được  Robot ch di chuyển mà không ràng buộc với mặt phẳng nằm ngang.  Điều khiển robot theo v ng h mà không điều khiển theo v ng kín.  Tuy c d ng deep learning để nhận dạng khuôn mặt nhưng robot chưa thể tracking theo đối tượng 1.4.Nội dung đề tài Đề tài “Thiết kế thi công và lập trình điều khiển Robot 4 chân” bao gồm các chương sau: Chương I: Tổng quan: Chương này trình bày tổng quan sơ bộ về các yêu cầu của cuốn báo cáo như đặt vấn đề mục tiêu giới hạn và nội dung đề tài. Chương II: Cơ sở lý thuyết: Chương này trình bày phương pháp tính động học thuận động học nghịch cánh tay máy. Bên cạnh đ là lí thuyết về các phương pháp di chuyển robot c ng như deep learning. Chương III: Thiết kế và lựa chọn thiết bị: Chương này trình bày về thiết kế và lựa chọn thiết bị phần cứng cho robot Chương IV: Thi công và kết quả: Chương này nh m sẽ tiến hành thi công theo mô hình đã được thiết kế và kết quả đạt được. Chương V: Kết luận và hướng phát triển: Kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài khẳng định những kết quả đ ng g p đạt được đề xuất kiến để cải thiện khuyết điểm và định hướng phát triển đề tài. 2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Động học robot 2.1.1. Giới thiệu chung Nghiên cứu về động học của robot là bước quan trọng để điều khiển sự chuyển động của robot. Bất kỳ một Robot nào c ng c thể coi là một tập hợp các khâu (links) g n liền với các khớp (joints). Ta hãy đặt trên m i khâu của Robot một hệ tọa độ. S dụng các phép biến đổi thuần nhất c thể mô tả vị trí tương đối và hướng giữa các hệ tọa độ này bằng các bài toán động học. Bài toán động học bao gồm động học thuận và động học nghịch. Bài toán động học thuận tức là từ các g c quay của các khâu trong chân robot ta tính toán được vị trí của robot. Với bài toàn động học nghịch thì ngược lại từ vị trí cuối của robot ta tìm được g c quay của các khớp cho ph hợp. 2.1.2. Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH) Một Robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động. Gốc chuẩn (Base) của một Robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu. Khâu 1 nối với khâu chuẩn b i khớp 1 và không c khớp đầu mút của khâu cuối c ng. Bất kỳ khâu nào c ng được đặc trưng b i hai kích thước:  Độ dài pháp tuyến chung: an.  G c giữa các trục trong mặt phẳng vuông g c với an : αn. Thông thường người ta gọi an là chiều dài và αn là g c xo n của khâu ( hình 2.1). Phổ biến là hai khâu liên với nhau chính trục của khớp ( hình 2.2). Hình 2.1: Chiều dài và góc xoắn của một khâu 3
M i trục sẽ c hai pháp tuyến vuông g c với n m i pháp tuyến d ng cho m i khâu (trước và sau một khớp). Vị trí tương đối của hai khâu liên tiếp như thế được xác định b i dn là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là g c giữa các pháp tuyến đo trong mặt phẳng vuông g c với trục. dn và θn thường được gọi là khoảng cách và g c giữa các khâu. Hình 2.2: Các thông số của khâu: θ, d, a và α Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta g n vào m i khâu một hệ tọa độ. Nguyên t c chung để g n hệ tọa độ lên các khâu như sau:  Gốc của hệ tọa độ g n lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an với khớp thứ n+1. Trường hợp hai trục khớp c t nhau gốc tọa độ sẽ đặt tại chính điểm c t đ . Nếu các trục khớp song song với nhau gốc tọa độ được chọn trên trục khớp của khâu kế tiếp tại điểm thích hợp.  Trục z của hệ tọa độ g n lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n+1.  Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ khớp n đến n+1. Các thông số an αn dn và θn được gọi là bộ thông số DH 4
Ví dụ: Hình 2.3: Tay máy có hai khâu phẳng (vị trí bất kỳ) Ta g n các hệ tọa độ lên các khâu như hình vẽ: trục z0 z1 và z2 vuông g c với tờ giấy. Hệ tọa độ cơ s là O0 x0 y0 z0 chiều của x0 hướng O0 đến O1. Sau khi thiết lập hệ tọa độ cơ s hệ tọa độ O1 x1 y1 z1 c hướng như hình vẽ O1 đặt tại tâm trục khớp 2. Hệ tọa độ O2 x2 y2 z2 c gốc O2 đặt điểm cuối của khâu 2. Bảng 2.1: Bảng thông số Denavit-Hartenbert của tay máy Khâu a α d θ 1 a1 0 0 *θ1 2 a2 0 0 *θ2 Trong đ θi là các biến khớp (d ng dấu * để k hiệu các biến khớp). 2.1.3. Bài toán động học thuận robot Để giải phương trình động học thuận chúng ta s dụng phương pháp biến đổi ma trận theo bảng thông số D-H được Denavit – Hartenberg công bố n m 1955. Đây là một phương pháp hiệu quả để giải phương trình động học. Quy t c đặt hệ tọa độ được xây dựng cho mô hình robot 4 chân được thể hiện trong hình 2.4. 5
Hình 2.4: Thông số động học cho 4 chân robot Chúng ta xem một chân của robot là một cánh tay 3 bậc tự do. Bảng thông số D-H cho các phép biến đổi: Bảng 2.2: Bảng thông số D-H cho từng chân robot Khâu a α d θ 1 a1 90o 0 *θ1 2 a2 0 0 *θ2 3 a3 0 0 *θ3 Để mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của hệ tọa độ g n trên hai khâu liền kề nhau (Khâu thứ I về khâu i-1) ta d ng ma trận An đ là ma trận thể hiện mối quan hệ về tọa độ của các khâu nối tiếp nhau và được thực hiện b i các phép quay về tịnh tiến sau đây:  Quay quanh zn-1 một g c θn  Tịnh tiến theo trục zn-1 một khoảng dn  Tịnh tiến dọc theo xn-1 một đoạn an  Quay quanh xn một g c xo n αn Bốn phép biến đổi thuần nhất này thể hiện quan hê của hệ tọa độ thuộc khâu n so với hệ tọa độ thuộc khâu n-1 và tích của chúng được gọi là ma trận An. 6
r ঈ 懲 ঈ ঈ 懲 ঈ ঈ rh ঈ Ta kí hiệu ma trận chuyển đổi từ khâu n-1 sang n như sau : h cos h Quy ước: Thay các thông số trong bảng thông số D-H vào ma trận An ta c : h Ma trận chuyển đổi từ gốc tọa độ tới điểm cuối của chân robot : h Từ hệ phương trình động học thuận ta tìm được vị trí của điểm cuối robot : 7
懲 h 懲 h 懲 2.1.4. Bài toán động học nghịch robot Để giải bài toán động học nghịch ta áp dụng phương pháp hình học đây là một phương pháp trực quan đơn giản dễ dàng áp dụng cho các trường hợp robot ít bậc tự do mà v n đảm bảo đô chính xác. Với hệ tọa độ như trong hình 2.5: Hình 2.5: Hệ tọa độ cho chân robot Ta thực hiện phép chiếu lên mặt phẳng Oxy giống hình 2.6 như vậy ta sẽ tìm được g c θ1 bằng định l Pythagore trong tam giác. h懲懲 Hình 2.6: Phép chiếu trên mặt phẳng Oxy Ta c : 8
懲懲 Tiếp tục thực hiện phép chiếu lên mặt phẳng Oxz như hình 2.7 để c thể tìm được g c θ2 và g c θ3. Hình 2.7: Phép chiếu trên mặt phẳng Oxz Dựa vào định lí trong tam giác ta c : 懲 h  h ঈ Do c ng một vị trí Px Py Pz nhưng ta c tới 2 cách s p xếp khâu 2 và khâu 3 nên ta phải d ng đến hàm atan2 để xác định được chính xác g c phần tư của g c θ3 và vì g c θ2 phụ thuộc vào giá trị của θ3 nên với 2 cách s p xếp khâu 2 và khâu 3 sẽ tương ứng với 2 giá trị của θ3 và điều này được xác định b i dấu của (trong trường hợp robot của ঈ chúng ta sẽ d ng dấu âm). h懲 ঈ  Các giá trị là các g c xoay tương ứng với các khâu. 2.1.5. Phương pháp điều khiển thân giữa của robot Với việc giải bải toán động học thuận và nghịch ta đã c thể tiến hành lập trình chuyển động cho chân robot nhưng để di chuyển được trong môi trường thực tế thì ta 9
cần phải nghiên cứu tới những dáng di chuyển của robot và việc này cần tới sự phối hợp chuyển động của thân robot. Với chuyển động xoay ta c 3 hướng xoay theo từng trục x y z được gọi lần lượt là roll pitch và yaw như hình 2.8 : Hình 2.8: Chuyển động xoay theo trục G c roll và pitch sẽ c phương pháp tính giống nhau và được thể hiện như hình 2.9: Hình 2.9: Phép xoay thân giữa robot 㤳㤳 Áp dụng ma trận xoay trong mặt phẳng Oxz: 㤳㤳㤳 h㤳㤳 h㤳 Px Px hR a Tọa độ mới của chân khi thực hiện phép xoay Pz Pz b Tương tự với các chân c n lại khi 4 chân được cập nhật vị trí với thì sẽ tạo ra chuyển động xoay. Khi robot xoay theo g c yaw: Với g c yaw thì cả 4 chân đồng thời sẽ nhân với một ma trận xoay theo trục Z của thân giữa và cập nhật ví trí mới để tạo ra chuyển động xoay. 10