MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................... 3 MỤC LỤC ................................................................................................. 5 Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ROBOT ........................... 13 1.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................... 13 1.2. PHÂN LOẠI ROBOT ...................................................................... 24 1.2.1. Robot công nghiệp ............................................................... 25 1.2.2. Robot dịch vụ ....................................................................... 25 1.3. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA ROBOT ........................................... 29 1.3.1. Ưu điểm ................................................................................ 29 1.3.2. Nhược điểm .......................................................................... 29 1.4. CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG ROBOT ............................... 30 1.4.1. Phần cứng ............................................................................. 30 1.4.2. Phần mềm ............................................................................. 32 1.5. TƯƠNG LAI CỦA ROBOT ............................................................ 36 1.6. KẾT LUẬN ...................................................................................... 37 Chương 2: NỀN TẢNG ROBOT .......................................................... 41 2.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................... 41 2.2. CẤU TRÚC TAY MÁY ROBOT .................................................... 41 2.2.1. Khâu ..................................................................................... 41 2.2.2. Khớp ..................................................................................... 43 2.2.3. Các cơ cấu trong robot ......................................................... 43 2.2.4. Cấu trúc không gian hoạt động ............................................ 49 2.3. CÁC THÀNH PHẦN ROBOT ......................................................... 55 2.3.1. Khớp cổ tay .......................................................................... 56 2.3.2. Tay gắp (Cơ cấu chấp hành cuối) ......................................... 56 6 2.3.3. Cơ cấu chấp hành ................................................................ 56 2.3.4. Cảm biến .............................................................................. 56 2.4. MỘT SỐ BIẾN THỂ CỦA CÁNH TAY ROBOT ........................... 57 2.4.1. Robot bậc tự do thừa (siêu tĩnh) ........................................... 57 2.4.2. Robot với các phần tử linh hoạt ........................................... 58 2.4.3. Bàn tay robot ........................................................................ 59 2.5. ROBOT DI ĐỘNG ........................................................................... 60 2.5.1. Robot có bánh xe .................................................................. 60 2.5.2. Robot bánh xích ................................................................... 62 2.5.3. Robot có chân ....................................................................... 63 2.5.4. Robot nhảy ........................................................................... 64 2.5.5. Robot rắn .............................................................................. 66 2.5.6. Robot di chuyển dưới nước .................................................. 69 2.5.7. Robot bay ............................................................................. 71 2.5.8. Robot trèo ............................................................................. 72 2.5.9. Robot tự cấu hình ................................................................. 73 2.6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ROBOT ..................................................... 74 2.6.1. Quá trình thiết kế .................................................................. 74 2.6.2. Đặc điểm ảnh hưởng đến quá trình thiết kế ......................... 78 2.7. KẾT LUẬN ...................................................................................... 81 Chương 3: BIỂU DIỄN HƯỚNG VÀ VỊ TRÍ .................................... 83 3.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................... 83 3.2. BIỂU DIỄN MA TRẬN ................................................................... 83 3.2.1. Biểu diễn một điểm trong không gian bằng ma trận ............ 83 3.2.2. Biểu diễn một vector trong không gian ................................ 84 3.2.3. Biểu diễn một hệ trục tọa độ tại gốc hệ trục tham chiếu cố định ............................................................................................ 85 3.2.4. Biểu diễn một hệ trục trong hệ trục tham chiếu cố định ...... 85 3.2.5. Biểu diễn một vật rắn ........................................................... 86 7 3.3. MA TRẬN CHUYỂN VỊ THUẦN NHẤT ...................................... 87 3.4. BIỂU DIỄN SỰ CHUYỂN VỊ ......................................................... 88 3.4.1. Biểu diễn sự chuyển động tịnh tiến ...................................... 88 3.4.2. Ma trận biểu diễn sự quay quanh một trục ........................... 89 3.4.3. Biểu diễn sự chuyển vị kết hợp ............................................ 92 3.5. NGHỊCH ĐẢO CỦA MA TRẬN CHUYỂN VỊ ............................. 92 3.6. PH P QUAY TH O BA GÓC UL R. ......................................... 96 3.7. PH P QUAY ROLL-PITCH-YAW (RPY) ..................................... 97 Chương 4: ĐỘNG HỌC ROBOT ...................................................... 101 4.1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 101 4.2. BIỂU DIỄN D NAVIT – HARTENBERG CỦA BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT ..................................................................... 101 4.3. ĐỘNG HỌC THUẬN .................................................................... 107 4.4. ĐỘNG HỌC NGHỊCH ................................................................... 122 4.5. ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT 3R TỔNG QUÁT ............................. 137 4.6. ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CHẤP HÀNH CUỐI ................................ 151 4.6.1. Khớp cổ tay ........................................................................ 151 4.6.2. Kết nối động học ................................................................ 154 4.7. KHÔNG GIAN KHỚP, KHÔNG GIAN D SCART S, KHÔNG GIAN NHIỆM VỤ .......................................................... 158 4.7.1. Không gian khớp ................................................................ 159 4.7.2. Không gian Descartes ......................................................... 159 4.7.3. Không gian nhiệm vụ ......................................................... 159 4.7.4. Sự suy biến, kỳ dị và tính linh hoạt (Degeneracy & Dexterity) .......................................................................... 160 4.8. KẾT LUẬN .................................................................................... 160 Chương 5: JACOBI VÀ ĐỘNG HỌC VẬN TỐC ............................ 167 5.1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 167 8 5.2. VẬN TỐC TRONG HỆ TRỤC D SCART S VÀ VẬN TỐC GÓC ................................................................................................ 167 5.3. MA TRẬN JACOBI CỦA ROBOT .............................................. 168 5.4. VẬN TỐC DÀI CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH CUỐI .................. 170 5.4.1. Vận tốc tạo ra do khớp quay .............................................. 171 5.4.2. Tịnh tiến vận tốc trong các khớp ........................................ 173 5.5. VẬN TỐC GÓC CỦA CƠ CẤU CUỐI ......................................... 174 5.6. T NH TOÁN JACOBI .................................................................... 176 5.6.1. Jacobi của robot 6 khớp ...................................................... 180 5.6.2. Jacobi trong những đoạn cổ tay robot ................................ 182 5.6.3. Jacobi của robot 6 khớp trong hệ tọa độ Descartes ............ 182 5.6.4. Ma trận Jacobi trong robot Puma 560 ................................ 185 5.6.5. Biểu diễn ma trận Jacobi .................................................... 188 5.7. PH P T NH VI PHÂN TRONG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGHỊCH ......................................................................................... 190 5.8. HƯỚNG VÀ VẬN TỐC GÓC ....................................................... 191 5.9. VẬN TỐC KHÂU .......................................................................... 194 5.10. ĐỘNG HỌC VẬN TỐC NGHỊCH .............................................. 202 5.11. TÓM T T ..................................................................................... 205 Chương 6: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT ............................................. 211 6.1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 211 6.2. ĐỘNG LỰC HỌC LAGRANG – EULER .................................. 212 6.2.1. Lực, quán tính và năng lượng ............................................. 212 6.2.2. Phương trình chuyển động Lagrange ................................. 214 6.3. MOMENT QUÁN TÍNH ............................................................... 222 6.4. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC DÀNH CHO ROBOT NHIỀU BẬC TỰ DO ..................................................................... 230 6.4.1. Động năng .......................................................................... 230 6.4.2. Cấu trúc và tính chất của phương trình động lực học robot ...... 240 6.5. KẾT LUẬN .................................................................................... 241 9 Chương 7: BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ............................................. 245 7.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG ROBOT ........................................................................................... 245 7.2. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ................. 249 7.2.1. Thiết kế hệ thống điều khiển vị trí vòng kín dành cho robot .................................................................................. 249 7.2.2. Bộ điều khiển PID .............................................................. 251 7.3. ĐIỀU KHIỂN CẤU TRÚC NHIỀU KHÂU .................................. 256 7.4. KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI...................................................... 258 7.4.1. Mô hình không gian trạng thái ........................................... 258 7.4.2. Mô hình hóa ....................................................................... 262 7.4.3. Thiết kế bộ điều khiển PID ................................................ 263 7.4.4. Áp dụng cho điều khiển vị trí ............................................. 265 7.4.5. Áp dụng cho điều khiển vận tốc ......................................... 265 7.5. ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHI TUYẾN ............................................. 267 7.5.1. Tuyến tính hóa .................................................................... 268 7.5.2. Điều khiển thích nghi và các hướng khác .......................... 269 7.6. ĐIỀU KHIỂN KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH ............................. 272 7.6.1. Điều khiển logic mờ ........................................................... 273 7.6.2. Mạng thần kinh nhân tạo .................................................... 294 7.7. HỌC VỚI MẠNG NHIỀU LỚP..................................................... 298 7.8. BIỂU DIỄN N URON RIÊNG LẺ ................................................ 300 7.9. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ KẾT HỢP MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO ........................................................... 303 7.10. ĐIỀU KHIỂN PID/ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG ................ 310 7.10.1. Vòng điều khiển của khớp robot ...................................... 311 7.10.2. Vòng điều khiển dòng ...................................................... 312 7.10.3. Vòng điều khiển vận tốc vị trí .......................................... 312 7.11. ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG ........................................................ 313 7.11.1. Thuận lợi của việc điều khiển qua mạng và ứng dụng ..... 314 10 7.11.2. Các thành phần của NCS .................................................. 318 7.12. KẾT LUẬN .................................................................................. 320 Chương 8: TẠO QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG ROBOT ................. 321 8.1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 321 8.2. LẬP ĐƯỜNG ĐI VÀ QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN CỦA ROBOT ... 322 8.3. KHÔNG GIAN KHỚP VÀ KHÔNG GIAN D SCART S ......... 322 8.4. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LẬP QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT ..................................................................... 323 8.4.1. Di chuyển khớp .................................................................. 327 8.4.2. Di chuyển thẳng ................................................................. 328 8.4.3. Di chuyển theo đường cong ............................................... 328 8.4.4. Tăng tốc và giảm tốc .......................................................... 329 8.4.5. Di chuyển liên tục .............................................................. 330 8.4.6. Điều khiển servo ................................................................. 330 8.5. LẬP QUỸ ĐẠO KHÔNG GIAN KHỚP ....................................... 331 8.5.1. Lập quỹ đạo là đa thức bậc 3 .............................................. 331 8.5.2. Lập quỹ đạo đa thức bậc 5.................................................. 341 8.5.3. Các đoạn thẳng với các đoạn cong dạng Parabol ............... 346 8.5.4. Đoạn di chuyển tuyến tính với chuyển tiếp Parabol .......... 348 8.5.5. Quỹ đạo thời gian nhỏ nhất ................................................ 351 8.5.6. Quỹ đạo đi qua các điểm .................................................... 352 8.5.7. Các quỹ đạo bậc cao ........................................................... 354 8.6. TẠO QUỸ ĐẠO TRONG KHÔNG GIAN DESCARTES ........... 358 8.7. BÁM TH O ĐƯỜNG .................................................................... 367 8.8. KẾT LUẬN .................................................................................... 393 Chương 9: CẢM BIẾN TRANG BỊ TRÊN ROBOT ....................... 397 9.1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 397 9.2. QUÁ TRÌNH CẢM NHẬN ............................................................ 399 11 9.3. GIAO TIẾP MÁY T NH ................................................................ 400 9.4. PHÂN LOẠI ................................................................................... 402 9.5. PHƯƠNG PHÁP ĐO CHUYỂN ĐỘNG THẲNG VÀ QUAY ..... 403 9.5.1. Chiết áp .............................................................................. 403 9.5.2. Biến áp vi sai (Linear Variable Differential Transformer) ..................................................................... 405 9.5.3. Đĩa mã hóa quang ............................................................... 407 9.5.4. Cảm biến đo góc tuyệt đối (Resolver) ................................ 412 9.6. CẢM BIẾN ĐO TIỆM CẬN .......................................................... 414 9.6.1. Cảm biến quang .................................................................. 416 9.6.2. Cảm biến siêu âm ............................................................... 420 9.6.3. Cảm biến điện dung ............................................................ 420 9.6.4. Cảm biến từ cảm ................................................................ 421 9.7. CẢM BIẾN XÚC GIÁC ................................................................. 422 9.7.1. Giới thiệu ............................................................................ 422 9.7.2. Tính chất của cảm biến xúc giác ........................................ 423 9.7.3. Cảm biến xúc giác nhị phân ............................................... 424 9.7.4. Cảm biến xúc giác tương tự ............................................... 429 9.7.5. Cảm biến trượt .................................................................... 437 9.8. CẢM BIẾN ĐO LỰC VÀ MOM NT ........................................... 438 9.8.1. Cảm biến lực khớp ............................................................. 438 9.8.2. Module cảm biến đo lực gắp .............................................. 443 9.8.3. Hệ thống cảm biến lực cổ tay ............................................. 445 9.9. CẢM BIẾN ĐỊNH VỊ ..................................................................... 446 9.9.1. La bàn ................................................................................. 446 9.9.2. GPS ..................................................................................... 448 9.10. HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH VÀ HƯỚNG CỦA ĐỐI TƯỢNG ...................................................................... 449 9.10.1. Phép đo hình tam giác ...................................................... 449 9.10.2. Khoảng thời gian phát và nhận: (time of flight ranging) ......... 458 12 9.10.3. Điện từ .............................................................................. 459 9.10.4. Ánh sáng ........................................................................... 459 9.10.5. Âm thanh, siêu âm ............................................................ 460 9.10.6. Hình ảnh trắc viễn ............................................................ 464 9.11. KẾT LUẬN .................................................................................. 465 Chương 10: XỬ LÝ GIỌNG NÓI ...................................................... 467 10.1. CÁC PHẦN TỬ CỦA TIẾNG NÓI ............................................. 467 10.2. ÂM THANH CỦA TIẾNG NÓI .................................................. 469 10.3. KỸ THUẬT TỔNG HỢP TIẾNG NÓI ĐIỆN TỬ ....................... 470 10.3.1. Phân tích/tổng hợp tiếng nói tự nhiên .............................. 471 10.3.2. Tổng hợp và cấu trúc nhân tạo ......................................... 472 10.3.3. Phân tích/tổng hợp miền thời gian và số hóa dạng sóng âm ............................................................................. 474 10.3.4. Phân tích/tổng hợp miền tần số ........................................ 478 10.3.5. Tổng hợp tiếng nói âm vị ................................................. 482 10.4. CẢM BIẾN THU NHẬN, NHẬN BIẾT, HIỂU TIẾNG NÓI ..... 486 10.4.1. Các kiểu hệ thống nhận biết tiếng nói .............................. 486 10.4.2. Nhận dạng từ riêng biệt .................................................... 488 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 497
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John J. Craig, Introduction to Robotics: Mechanics and Control, 3rd edition, Person Education International, 2005. [2] L.R. Medsker, Recurrent Neural Networks: Design and Applications, Science and Information Systems - American University Washington, D.C. [3] Yangsheng Xu và Yongsheng Ou; Control of Single Wheel Robots, Springer, 2005. [4] Moritz Diehl và Katja Mombaur, Fast Motions in Biomechanics and Robotics: Optimization and Feedback Control, Springer 2006. [5] Eric R. Westervelt, Jessy W. Grizzle, Christine Chevallereau, Jun Ho Choi và Benjamin Morris, Feedback Control of Dynamic Bipedal Robot Locomotion, Taylor & Francis Group, 2007. [6] Jorge Angeles, Fundamentals of Robotic Mechanical Systems: Theory,Methods,and Algorithms, Springer 2007. [7] Richard L. Shell và Ernest L. Hall, Handbook of Industrial Automation, Marcel Dekker, 2000. [8] Andrew C. Staugaard, Robotics and AI: Introduction to Applied Machine Intelligence, Prentice-Hall, 1987. [9] Lung-Wen Tsai, Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulator, John Wiley & Sons, Inc, 1999. [10] Jean-Pierre Merlet, Parallel Robots, Kluwer Academic Publishers, 2000. [11] Saeed B. Niku, Introduction to Robotics: Analysis, Systems, Applications, Prentice Hall, 2001. [12] Roselito A. Teixeira, De Menezes, Control of a Robotic Manipulator Using Artificial Neural Networks with On-line Adaptation, Kluwer Academic Publishers, 2000. [13] Peter Corke và Salah Sukkarieh, Field and Service Robotics, Springer, 2006. [14] Vedran Kordic, Aleksandar Lazinica và Munir Merdan, Cutting Edge Robotics, Springer, 2005.
