intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tính toán, phân tích, mô phỏng động học và động lực học Robot ShrimpIII

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

15
lượt xem
2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Tính toán, phân tích, mô phỏng động học và động lực học Robot ShrimpIII" có cấu trúc gồm 3 chương trình bày tổng quan về rôbot tự hành, tính toán động học Robot ShrimpIII, mô phỏng động học và động lực học robot tự hành ShrimpIII. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tính toán, phân tích, mô phỏng động học và động lực học Robot ShrimpIII

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Họ và tên tác giả luận văn NGUYỄN VĂN DƯƠNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SHRIMPIII Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN TRỌNG DOANH Hà Nội – Năm 2011
  2. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam oan ni dung trong lun vn là do tôi t nghiên cu, tìm hiu. Nhng tài liu c trích dn trong lun vn u có ghi chú rõ ngun gc, tác gi. Nguyn Vn Dng Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 1
  3. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Robot tự hành SmatROD Hình 1.3: Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA Hình 1.4: Robot tự hành 8 bánh Lunokhod. Hình 1.5: Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe Hình 1.6: Caterpillar robot ROBHAZ_DT3 Hình 1.7: Robot tự hành ShrimpIII của công ty Bluebotics Hình 1.8: Robot người P2 của hãng Honda (Nhật Bản) Hình 1.9: Robot Dog Aibo của hãng Sony (Nhật Bản) Hình 1.10: Phương pháp cân bằng trọng tâm robot bằng dịch đối trọng theo đường thẳng Hình 1.11: Phương pháp thay đổi trọng tâm bằng hệ thống thanh nhún song song Hình 1.12: Phương pháp điều khiển 3 bánh Hình 1.13: Phương pháp điều khiển cả ba bánh cả dẫn động và tác dụng lái Hình 1.14: Khung có 2 bánh rẽ phía trước. 2 bánh sau chủ động và được kết nối qua khớp giúp robot luôn ở trạng thái cân bằng Hình 1.15: Khâu cơ sở liên kết với các khâu động giúp cơ cấu trở nên linh hoạt khi di chuyển Hinh 1.16: Hai phần được kết nối qua khớp trụ đứng giúp robot rẽ dễ dàng Hình 1.17: Kết cấu 5 bánh với 4 bánh dẫn động và 1 bánh lái Hình 1.18: Kết cấu robot tự hành 6 bánh 2 hàng song song linh hoạt Hình 1.19: Kết cấu 6 bánh với 2 bánh rẽ phía trước Hình 1.20: Kết cấu 6 bánh với độ linh hoạt đặc biệt Hình 1.21: Kết cấu 6 bánh đặc biệt nhất ( cả 6 bánh đều dẫn động và bánh trước và bánh sau là 2 bánh điều khiển rẽ và quay vòng. Hình 1.22: Kết cấu robot 8 bánh linh hoạt Hình 1.23: Kết cấu 8 bánh với bộ đôi giá chuyển hướng Hình 1.24: Kết cấu 8 bánh với 2 phần liên kết bằng khớp trụ Hình 1.25: Kết cấu 8 bánh, hai phần liên kết bằng khớp cầu Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 2
  4. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 2.1: Các hệ tọa độ của robot Hình 2.2: Sự dịch chuyển của B tại vị trí t và t+1 Hình 2.3: Sự dịch chuyển của giá chuyển hướng. Hình 2.4: 3D-Odometry và các biến Hình 2.5: Quỹ đạo của tâm trọng lực khi leo cầu thang 17cm. Hình 3.1: Phân bố nội lực và ngoại lực tác dụng lên trục mỗi đông cơ dẫn động bánh Hình 3.2: Cơ cấu hình bình hành kết nối bộ bánh bên thân robot ShrimpIII Hình 3.3: Đặc tính cơ học ( khớp thấp) của cơ cấu Hình 3.4: Kh năng linh hoạt vượt địa hình của cặp bánh bên thân robot ShrimpIII Hình 3.5: So sánh tâm quay giữa 2 cơ cấu Hình 3.6: Kết cấu chân trước robot ShrimpIII Hình 3.7: Nguyên lý dịch chuyển của chân trước robot ShirmpIII Hình 3.8: Thông số kỹ thuật của chân trước robot ShrimpIII Hình 3.9: Chân trước với các thông số kích thước chiều dài. Hình 3.10: Biểu đồ mô phỏng quỹ đạo chuyển động của tâm bánh trước Tb(x,y) khi thay đổi thông số chiều dài khâu e và khâu d Hình 3.11: Kết cấu chân sau (chân cố định với thân robot) Hình 3.12: Sơ đồ tính độ nâng lên của bánh trước khi leo qua vật cản Hình 3.13: Kết cấu hình bình hành ở trạng thái tĩnh trên nền phẳng Hình 3.14: Kết cấu chân (hbh) ở trạng thái vượt vật cản. Hình 3.15: Robot ShrimpIII di chuyển trên nền phẳng Hình 3.16: Quy đổi lực tác dụng về tính trên mỗi hệ động cơ – bánh dẫn. Hình 3.17: Đáp ứng tốc độ quay (n), dòng phần ứng (iu) khi có bước nhảy điện áp (uu) Hình 3.18: Bánh chân trước ShrimpIII tiếp xúc và leo hết bậc cầu thang Hình 3.19: Bánh chân trước nằm vượt qua bậc thang thứ 1 Hình 3.20: Bánh 21 và 22 vượt mặt đứng bậc thang Hình 3.21: Trạng thái 3 bánh trước vượt hết bậc trongkhi 3 bánh sau chưa vượt Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 3
  5. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 3.22: Trạng thái cặp bánh 31 và 32 vượt bậc thang Hình 3.23: Trạng thái bánh cuối (bánh 4) vượt thành đứng bậc thang Hình 3.24: Robot ShrimpIII vượt vật cản lệch (1 cặp bánh bên thân vượt vật cản) Hình 3.25: Trạng thái khi quay vòng hoặc chuyển hướng của robot ShrimpIII Hình 3.26: Trạng thái robot ShrimpIII xuỗng bậc cao thang Hình 3.27: Robot ShrimpIII dừng hoạt động khi vật cản chạm động cơ Hình 3.28: Mô hình động học robot ShrimpIII di chuyển từ điểm P tới điểm G Hình 3.29: Bản vẽ Thông số kích thước chân trước ShrimpIII Hình 3.30: Toàn bộ phần chân trước ShrimpIII mô phỏng theo chế tạo Hình 3.31: Động cơ lái bánh trước và bánh sau Hình 3.32: Biện pháp kỹ thuật lắp ghép động cơ với càng lái và bánh dẫn Hình 3.33: Phương pháp kẹp chặt trục động cơ và càng lái Hình 3.34: Bản vẽ kích thước thiết kế và chế tạo chân sau ShrimpIII Hình 3.35: Hình ảnh mô phỏng chân sau robot ShrimpIII Hình 3.36: Bản vẽ kích thước toàn bộ kết cấu hình bình hành (chân bên) Hình 3.37: Kết cấu bánh với các khâu liên kết kiểu hình bình hành Hình 3.38: Bản vẽ kích thước phần thân robot ShrimpIII Hình 3.39: Phần thân Robot ShrimpIII đã gắn ắc quy và camera quan sát Hình 3.40: Toàn cảnh robot ShrimpIII. Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 4
  6. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh LỜI NÓI ĐẦU Khi nhc ti “Robot tự hành” ta bit rng ây là mt lnh vc công ngh cao có ng dng rng ln và ngày càng óng vai trò quan trng trong s phát trin ca xã hi khi con ngi ngày càng mun tránh tip xúc vi môi trng, tác nhân gây hi cho c th nh làm vic trong các phòng phn ng ht nhân, phòng phân tích hoá hc c hi, dò tìm bom mìn, cha cháy t ng v.v… Robot t hành không còn là lnh vc mi m i vi các nc có nn khoa hc k thut phát trin. Nhng i vi Vit Nam ây vn còn là mt lnh vc còn rt mi c v kin thc ln công ngh.  có th gii c các bài toán t ra trong di chuyn t hành ca robot là mt vn  rt khó khn òi hi ngi thit k phi có kin thc v lý thuyt ln thc nghim. Trên th gii hin nay ã có nhiu mu robot t hành c thit k, ch to và a vào th nghim thc trong nhng nhim v c bit. Mi loi robot t hành li có mt u im và tính nng riêng nhng nhng robot t hành có kh nng vt c vt cn có thành thng ng thì s lng là không nhiu. Và trong s ít ó mu robot t hành Shrimp ca hãng Bluebotics Thy S có nhng tính nng c bit và n tng nht. Robot ShrimpIII có kh nng ng dng trong nhiu lnh vc nh: Thm dò mìn, kho sát a hình nguy him. Làm vic trong phòng thí nghim hoá hc hay phn ng ht nhân. Khi ShrimpIII   cng vng và n nh thì nó còn có mt th mang ti  thc hin nhim v cha cháy.., c s ng ý ca b môn Công Ngh Ch To Máy. S hng dn và ch o tn tình ca TS. Nguyễn Trọng Doanh. Tôi ã có nhiu thun li khi thc hin  tài “TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SHRIMPIII” Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 5
  7. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................... 2 LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔBOT TỰ HÀNH............................................. 8 1.1 Mt s mu robot t hành ni ting trên th gii ................................................. 8 1.2 Mt s kt cu bánh dn ng và iu khin c bit ca robot t hành.......... 13 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC RÔBOT SHRIMPIII......................... 22 2.1 Gii thiu phng pháp 3D-Odometry............................................................... 22 2.2 Phng pháp 3D-Odometry................................................................................ 22 2.2.1S dch chuyn ca giá chuyn hng. .............................................................. 23 2.2.2S dch chuyn 3D.............................................................................................. 26 2.3 Kt lun............................................................................................................... 29 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TỰ HÀNH SHRIMPIII ................................................................................................... 30  3.1 Thit lp phng trình truyn ng gia ng c và robot................................ 30 3.2 Phân tích các thành phn trong kt cu ca robot t hành ShrimpIII................. 32 3.2.1C cu hình bình hành (chân gia).................................................................... 32 3.2.2Chân linh hot (chân trc) ca Robot ShrimpIII .............................................. 34 3.2.3Chân sau (chân c nh) ngàm cng vi thân robot ........................................... 39 3.3 Tính toán chiu cao vt cn ti a robot ShrimpIII có th vt qua c ......... 40 3.3.1Chiu cao ln nht ca vt cn mà chân trc robot ShrimpIII có th vt qua40 3.3.2Chiu cao ln nht ca vt cn mà 2 bánh  chân bên có th vt qua ............. 43 3.4 ng hc và ng lc hc trong di chuyn t hành ca robot ShrimpIII .......... 45 3.4.1Robot ShrimpIII di chuyn trên a hình coi nh phng .................................... 46 3.4.2Giai on t khi bánh chân trc ShrimpIII tip xúc n khi leo ht bc thang u tiên ........................................................................................................................ 49  3.4.3Bánh chân trc lên bám b mt bc 2 trong khi các bánh còn li vn nm  b mt bc 1 ..................................................................................................................... 51  Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 6
  8. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh 3.4.4Hai bánh thân (21 và 22) tip xúc và leo lên bc th nht cu thang................. 52 3.4.5Ba bánh trc bám mt bc thang 2 trong khi 3 bánh sau vn nm  b mt bc thang th nht.............................................................................................................. 52  3.4.6Hai bánh thân (31 và 32) vt bc thang th nht ............................................. 53 3.4.7Bánh sau cùng vt bc thang ............................................................................ 54 3.4.8Trng hp vt cn nh nm lch ch 2 bánh thuc c cu hình bình hành vt vt cn ......................................................................................................................... 55 3.4.9Robot ShrimpIII quay vòng và chuyn hng khi di chuyn trên nn phng.... 56 3.4.10 Tính toán trng hp nguy him khi robot xung cu thang........................ 57 3.4.11 Các trng hp robot b dng chuyn ng do vt cn nm v trí cn c bit và gii pháp khc phc......................................................................................... 58  3.4.12 Thit lp phng trình ng hc robot ShrimpIII trong to  phng.......... 59 3.5 Kích thc thit k, mô hình mô phng và gii pháp k thut khi ch to........ 60 3.5.1Chân trc( chân linh hot ) ............................................................................... 60 3.5.2Chân sau ( chân c nh vi thân) ...................................................................... 63 3.5.3Chân bên ( kt cu khung linh hot hình bình hành).......................................... 64 3.5.4Thân robot........................................................................................................... 66 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 70 Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 7
  9. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔBOT TỰ HÀNH 1.1 Một số mẫu robot tự hành nổi tiếng trên thế giới Ngày nay, trong s phát trin ca nn công nghip cng nh s phát trin vt bc ca khoa hc k thut thì con ngi dn dn gim thiu ti a phi tip xúc nhng công vic nguy him và nng nhc.  có th m nhim thay th con ngi  nhng công vic nh vy òi hi thit b phi có kh nng thay th c con ngi c v phng din trí tu ln  linh hot. Vì vy robot t hành là mt gii pháp ti u cho công vic ó. Hình 1.1. Robot tự hành SmatROD c tính có th mang trng ti và di chuyn t ng trên nn phng. V kt cu mu robot t hành này tng t mt h thng nâng chuyn c iu khin hoàn toàn t ng. Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 8
  10. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.2. Mantis Robot c im ca Robot Mantis là kh nng leo a hình c bit là cu thang. Tuy nhiên v kt cu phn c khí ca h thng thì còn nhiu yu t cha hoàn ho khi chuyn ng. Hình dng bánh không cân xng dn ti mt cân bng và phân b lc không u khi chuyn ng. Hình 1.3. Robot thám hiểm của trung tâm vũ trụ NASA c im ca các mu robt t hành này là tính n nh và bn vng trc nhng yu t tác ng ca môi trng. c trang b nhng h thng cm bin hin i và h thng iu khin ti u. Nng lng cp cho toàn h thng c chuyn i trc tip t nng lng t nhiên (nng lng t mt tri) thông qua h thng pin quang hc. Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 9
  11. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.4. Robot tự hành 8 bánh Lunokhod. Hình 1.5. Robot Lauron II từ đại học Karlsruhe Robot Lauron II là loi di chuyn bng chân có kh nng thích nghi tt vi a hình t nhiên nh kh nng t m bo cân bng ca nó . Tuy nhiên nó có kt cu c khí quá phc tp, òi hi s iu khin cc tt và thng có tc  rt chm. Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 10
  12. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.6. Caterpillar robot ROBHAZ_DT3 của Viện Khoa học và Công Nghệ Hàn Quốc ( KIST ) Robot chy bng xích có kh nng vt chng ngi vt tt nh s vng chc và h s ma sát ng cao. Tuy nhiên do ma sát ln nên robot gp khó khn trong vic xoay chuyn và nu mt ng c ca c cu bánh xích b hng s làm robot mt hoàn toàn tính linh hot. Hình 1.7. Robot tự hành ShrimpIII của công ty Bluebotics Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 11
  13. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh ây là mt mu robot t hành có kt cu n tng và tính nng vt tri vi nhng a hình có chiu cao trung bình và phc tp. Nhng im c bit ca nó s c nói ti trong nhng phn sau. Hình 1.8 Robot người P2 của hãng Honda (Nhật Bản) Hình 1.9 Robot Dog Aibo của hãng Sony (Nhật Bản) Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 12
  14. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.8 và 1.9 là 2 mu robot c bit mô phng theo hình dáng ca các sinh vt thc là con ngi và loài chó. Có th nói 2 mu robot này là s tích hp hoàn ho và òi hi  chính xác cao và c trang b nhng phn t hin i nht. 1.2 Một số kết cấu bánh dẫn động và điều khiển đặc biệt của robot tự hành 1.2.1 Phng pháp thay i trng tâm i trng khi robot di chuyn trên a hình Hình 1.10 Phương pháp cân bằng trọng tâm robot bằng dịch đối trọng theo đường thẳng Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 13
  15. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.11 Phương pháp thay đổi trọng tâm bằng hệ thống thanh nhún song song 1.2.2 Kt cu bánh khi di chuyn thng và khi r hay quay vòng Hình 1.12 Phương pháp điều khiển 3 bánh Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 14
  16. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Trong phng pháp này 2 bánh sau là bánh ch ng iu khin tnh tin và r còn bánh trc ch óng vai trò t la và cân bng ti trng. Hình 1.13 Phương pháp điều khiển cả ba bánh cả dẫn động và tác dụng lái Hình 1.14 Khung có 2 bánh rẽ phía trước. 2 bánh sau chủ động và được kết nối qua khớp giúp robot luôn ở trạng thái cân bằng Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 15
  17. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.15 Khâu cơ sở liên kết với các khâu động giúp cơ cấu trở nên linh hoạt khi di chuyển Hinh 1.16 Hai phần được kết nối qua khớp trụ đứng giúp robot rẽ dễ dàng Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 16
  18. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.17 Kết cấu 5 bánh với 4 bánh dẫn động và 1 bánh lái Hình 1.18 Kết cấu robot tự hành 6 bánh 2 hàng song song linh hoạt Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 17
  19. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.19 Kết cấu 6 bánh với 2 bánh rẽ phía trước Hình 1.20 Kết cấu 6 bánh với độ linh hoạt đặc biệt Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 18
  20. Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Trọng Doanh Hình 1.21 Kết cấu 6 bánh đặc biệt nhất ( cả 6 bánh đều dẫn động và bánh trước và bánh sau là 2 bánh điều khiển rẽ và quay vòng. Hình 1.22 Kết cấu robot 8 bánh linh hoạt Học viên: Nguyễn Văn Dương Trang 19
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2