Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp" là tính toán thiết kế robot vượt địa hình phức tạp; chế tạo robot vượt địa hình phức tạp; thiết kế, chế tạo mạch điều khiển; ứng dụng công nghệ xử lý ảnh viết phần mềm điều khiển robot. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGÔ ANH TÚ KS. Ngô Anh Tú CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH VƯỢT ĐỊA HÌNH PHỨC TẠP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ CH2012B Hà Nội – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- KS. Ngô Anh Tú NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH VƯỢT ĐỊA HÌNH PHƯC TẠP Chuyên ngành: Cơ Điện Tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Phan Văn Đồng 2. TS. Nguyễn Hồng Thái Hà Nội – 2014 i
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Ngô Anh Tú, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyên ngành Cơ Điện Tử. Sau gần 2 năm học tập, nghiên cứu tại trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đƣợc sự giúp đỡ của các thày cô giáo, đặc biệt là PGS.TS Phan Văn Đồng và TS. Nguyễn Hồng Thái, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ. Với đề tài luận văn là: "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp", tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới dự hƣớng dẫn của PGS.TS Phan Văn Đồng và TS. Nguyễn Hồng Thái và chỉ tham khảo các tài liệu đƣợc liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Nếu có, tôi xin hoàn thành chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014 Ngƣời cam đoan Ngô Anh Tú ii
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp", em đã đạt đƣợc một số kết quả nhất định: Tìm hiểu đƣợc về cân bằng robot, tính toán động học robot, các phƣơng thức lập trình, điều khiển hoạt động robot, cũng nhƣ hiểu thêm về cách thức trình bày bản vẽ, các kỹ thuật liên quan về việc thiết kế mạch và công nghệ xử lý ảnh. Em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của PGS.TS Phan Văn Đồng, TS Nguyễn Hồng Thái và các thày trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện để em hoàn thành đề tài này. Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên luận văn không thể tránh đƣợc những thiết sót và chƣa thể hoàn thiện một cách hoàn hảo nhƣ mong đợi. Kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài đƣợc hoàn thành tốt hơn. Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014 HVTH Ngô Anh Tú iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .............................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ......................................................... vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................. xii Chƣơng 1 ................................................................................................................ - 1 - TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT ................................................................... - 1 - 1.1 Giới thiệu ...................................................................................................... - 1 - 1.2 Lịch sử phát triển của mobile robot [8] ........................................................ - 2 - 1.4 Ứng dụng của mobile robot ...................................................................... - 11 - 1.5 Kết luận và định hƣớng nghiên cứu mobile robot ..................................... - 14 - Chƣơng 2 .............................................................................................................. - 15 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT ....................................................................... - 15 - 2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................... - 15 - a) Mô hình động học robot .............................................................................. - 19 - b) Mô hình động học mobile robot................................................................... - 21 - 2.3 Phân tích và lựa chọn kết cấu ..................................................................... - 24 - a) Yêu cầu chung .............................................................................................. - 24 - b) Phƣơng án thiết kế........................................................................................ - 25 - c) Khả năng hoạt động của robot...................................................................... - 27 - 2.4 Tính toán kích thƣớc robot ......................................................................... - 28 - a) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng ngang ............................................. - 28 - b) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng nghiêng đều ................................... - 33 - c) Khi robot chuyển động trên mặt phẳng lệch ................................................ - 34 - 2.5 Kết luận ..................................................................................................... - 39 - Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm ..................................................... - 40 - Chƣơng 3 .............................................................................................................. - 41 - CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH ............................................................... - 41 - 3.1 Khái niệm và quá trình xử lí ảnh ................................................................ - 41 - a) Chụp ảnh ...................................................................................................... - 42 - b) Quá trình tiền xử lí dữ liệu ảnh ................................................................... - 42 - c) Phân tích hình ảnh (xác định đƣờng, góc, cạnh, khối, ...) ........................... - 42 - d) Nhận dạng, phân mảnh ................................................................................ - 42 - e) Xử lí mức cao .............................................................................................. - 42 - 3.2 Thƣ viện OpenCV...................................................................................... - 43 - a) Cấu tạo của thƣ viện OpenCV ..................................................................... - 43 - b) Các chức năng của OpenCV........................................................................ - 43 - 3.3 Các cấu trúc dữ liệu cơ bản của OpenCV.................................................. - 45 - 3.4 Thao tác xử lí ảnh cơ bản với thƣ viện OpenCV ...................................... - 46 - iv
Chƣơng 4 .............................................................................................................. - 54 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHẬN DẠNG THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG - 54 - 4.1 Tính toán thiết kế mạch điện tử điều khiển ........................................... - 54 - a) Sơ đồ khối mạch điều khiển cho Mobile Robot ........................................... - 54 - b) Thiết kế các Modul của mạch điều khiển.............................................. - 54 - c) Kết quả thiết kế, chế tạo mạch điều khiển............................................. - 61 - 4.2 Chƣơng trình điều khiển Mobile Robot ................................................ - 63 - a) Lập trình C cho vi điều khiển Atmega128 ............................................ - 63 - b) Xây dựng chƣơng trình điều khiển cho Mobile Robot ................................ - 64 - 4.3 Thiết bị phần cứng và các công cụ lập trình............................................... - 68 - a) Thiết bị phần cứng........................................................................................ - 68 - b) Công cụ lập trình .......................................................................................... - 68 - c) Theo vết đối tƣợng dùng thuật toán Camshift ............................................. - 85 - KẾT LUẬN .......................................................................................................... - 90 - TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... - 91 - PHỤ LỤC ............................................................................................................. - 93 - PHỤ LỤC A: Chƣơng trình xử lý ảnh bằng OpenCV ..................................... - 93 - PHỤ LỤC B: Chƣơng trình điều khiển Mobile Robot..................................... - 95 - PHỤ LỤC C: Bản thiết kế sơ bộ mobile robot............................................... - 105 - v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa Oxy Hệ tọa độ quy chiếu cố định Pcxm ym Hệ tọa độ quy chiếu gắn tại trọng tâm robot vr t Vận tốc dài của bánh bên phải vl t Vận tốc dài của bánh bên trái r t Vận tốc góc của bánh bên phải l t Vận tốc góc của bánh bên trái ICC Tâm vận tốc tức thời của robot R Khoảng cách từ trọng tâm Pc đến ICC 2b Khoảng cách 2 bánh R Bán kính bánh xe l , r Góc quay của động cơ trái, phải Mx Momen uốn trên trục xe  Ứng suất sinh ra trên trục xe Fms Lực ma sát của bánh xe với mặt đƣờng k Hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt đƣờng vi
DANH MỤC CÁC BẢNG Nội dung Trang Bảng 2.1 Sơ đồ bánh xe mobile robot 26 Bảng 2.2 Ký hiệu các loại bánh xe sử dụng trong các mô hình 28 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Nội dung Trang Hình 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9] 3 Hình 1.2 Robot Shakey [11] 3 Hình 1.3 Robot RB5X [10] 4 Hình 1.4 Robot Dante II [10] 4 Hình 1.5 Robot Pioneer [9] 5 Hình 1.6 Robot The Rover và Sojourner [9] 5 Hình 1.7 Robot Abio [10] 5 Hình 1.8 Robot PackBot [10] 6 Hình 1.9 Robot Roomba [11] 6 Hình 1.10 Robot 2 chân, 4 chân , 6 chân [11] 7 Hình 1.11 Robot 2 nhánh xích, 4 nhánh xích [11] 8 Hình 1.12 Mobile robot Curiosity của NASA [9] 9 Hình 1.13 Robot thám hiểm sao Hỏa Opportunity và Spirit của NASA 11 Hình 1.14 Robot AQUA do Canada sản xuất có khả năng hoạt động dƣới 12 biển Hình 1.15 Robot chuyển gỗ Plustech [10] 12 vii
Hình 1.16 Robot lau nhà RC 3000, Robot TALON small dung trong quân sự 13 Hình 1.17 Robot dạng ngƣời có khả năng nhận dạng khuôn mặt rồi vẽ lại 13 Hình 1.18 Mô hình robot Curiosity của NASA 14 Hình 2.1 Mobile robot Curiosity của NASA 15 Hình 2.2 Các loại bánh xe cơ bản dùng cho robot tự hành 16 Hình 2.3 Mô hình bánh xe đã đƣợc lý tƣởng hóa 20 Hình 2.4 Mô hình động học của robot tự hành 21 Hình 2.5 Vận tốc bánh xe bên phải khi chuyển động 22 Hình 2.6 Kết cấu tổng thể robot 25 Hình 2.7 Thân robot 25 Hình 2.8 Kết cấu càng trƣớc và sau 26 Hình 2.9 Trục chính 26 Hình 2.10 Thanh tự cân bằng 27 Hình 2.11 Biểu đồ nội lực tác dụng lên trục chính 28 Hình 2.12 Phân bố lực trên hai đầu trục 29 Hình 2.13 Phân bố lực trên càng trƣớc 30 Hình 2.14 Biểu đồ nội lực tác dụng lên trục phụ 30 Hình 2.15 Phân bố lực trên càng sau 31 Hình 2.16 Lực tác dụng lên bánh xe 32 Hình 2.17 Mô hình xe khi lên dốc cân bằng 33 Hình 2.18 Phân bố lực trên đầu trục chính 33 Hình 2.19 Mô hình xe khi lên dốc lệch hai bên 34 Hình 2.20 Biểu đồ nội lực tác dụng lên thanh 35 viii
Hình 2.21 Phân bố lực trên càng trƣớc 36 Hình 2.21 Biểu đồ nội lực trên trục phụ 37 Hình 2.22 Lực dọc tác dụng lên trục phụ 37 Hình 2.23 Lực phân bố trên càng sau 38 Hình 2.24 Mô hình robot sau khi chế tạo thực nghiệm 38 Hình 2.25 Kiểm tra khả năng vƣợt địa hình của robot 40 Hình 3.1 Sơ đồ khối mô tả quá trình xử lý ảnh 41 Hình 3.2 Ảnh đƣợc xử lí làm trơn 47 Hình 3.3 Ảnh qua xử lí phân rã và ăn mòn 48 Hình 3.4 Ảnh đƣợc trích chọn 48 Hình 3.5 Làm nổi biên ảnh với phƣơng pháp Sobel 49 Hình 3.6 Dò biên theo phƣơng pháp Canny: đƣờng biên nổi lên rất rõ ràng 50 Hình 3.7 Bức ảnh đƣợc dùng để nhận dạng đƣờng tròn 50 Hình 3.8 Bức ảnh để nhận dạng đƣờng thẳng 51 Hình 3.9 Các biến đổi không gian 51 Hình 3.10 Dò biên với phƣơng pháp Contour 52 Hình 3.11 Dò biên với phƣơng pháp Contour 53 Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 54 Hình 4.2 Sơ đồ khối mạch Main 55 Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch nguồn thiết kế trên Orcad 56 Hình 4.4 Vi điều khiển thiết kế trên phần mềm Orcad 57 Hình 4.5 Modul giao tiếp ngƣời điều khiển và robot 57 Hình 4.6 Mạch kết nối cổng Com 58 Hình 4.7 Sơ đồ khối mạch công suất 58 ix
Hình 4.8 IC công suất MC33886 59 Hình 4.9 Đơn giản hóa sơ đồ chức năng MC33886 59 Hình 4.10 Thiết kế MC33886 trên Orcad 60 Hình 4.11 Ảnh chụp mạch Main 61 Hình 4.12 Ảnh chụp mạch cầu H 62 Hình 4.13 Cửa sổ làm việc CodeVision AVR 63 Hình 4.14 Lƣu đồ điều khiển Mobile robot 64 Hình 4.15 Camera dùng trong robot 68 Hình 4.16 Tích hợp OpenCV vào Visual Studio 68 Hình 4.17 Chạy thử chƣơng trình bằng OpenCV 69 Hình 4.18 Tiến hành dò biên vật thể 71 Hình 4.19 Quá trình nhận dạng sử dụng Haar Classifer 72 Hình 4.20 Bốn đặc trƣng Haar-like cơ bản 73 Hình 4.21 Cách tính Integral Image của ảnh 74 Hình 4.22 Cách tính nhanh các giá trị mức xám của vùng D 74 Hình 4.23 Mô hình kết hợp các bộ phân loại yếu để xác định đối tƣợng 76 Hình 4.24 Kết hợp các bộ phân loại yếu thành bộ phân loại mạnh 77 Hình 4.25 Hệ thống xác định đối tƣợng 77 Hình 4.26 Các ảnh có chứa đối tƣợng 78 Hình 4.27 Các ảnh không chứa chứa đối tƣợng 79 Hình 4.28 Giao diện Console khi chạy Haar trainning 82 Hình 4.29 Chƣơng trình thử nghiệm đối tƣợng vừa học 84 x
Hình 4.30 Sơ đồ thuật toán Camshift 86 Hình 4.31 Mặt phẳng ảnh 88 Hình 4.32 Kết quả tính toán tâm đối tƣợng 88 xi
MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Thế kỷ 20 sự phát triển vƣợt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh tế. Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi ngƣời với những cái tên nhƣ ASIMO, TIAN… Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại. Robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời sống con ngƣời. Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có. Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó. Ngƣợc lại, mobile robot có thể di chuyển, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực dân sự và quân sự, thu hút đƣợc rất nhiều sự đầu tƣ nghiên cứu. Do đó học viên đã chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot tự hành vượt địa hình phức tạp”. II. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN - Tính toán thiết kế robot vƣợt địa hình phức tạp - Chế tạo robot vƣợt địa hình phức tạp - Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển - Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh viết phần mềm điều khiển robot III. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu và chế tạo mô hình robot tự hành vƣợt địa hình phức tạp trong lĩnh vực thám hiểm. Các kết quả nghiên cứu về động học mobile robot, công nghệ xử lý ảnh, thuật toán điều khiển sẽ bổ sung vào một phần lý thuyết còn mới mẻ về mobile robot, việc tính toán thiết kế và chế tạo ra mobile robot sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu và chế tạo các mobile robot không chỉ phục vụ trong quân sự và còn trong cả đời sống thƣờng ngày. IV. Ý NGHĨA THỰC TIỄN xii
Nội dung nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao đối với con ngƣời trong xã hội hiện đại ngày nay. Trong lĩnh vực quân sự, các mobile robot ngày càng thể hiện đƣợc tầm quan trọng trong việc do thám và thực hiện các nhiệm vụ mà không gây nguy hiểm cho ngƣời điều khiển. Trong lĩnh vực thám hiểm, có rất nhiều môi trƣờng độc hại, không có sự sống nhƣ Sao Hỏa hay vùng đất bị nhiễm phóng xạ, việc đƣa mobile robot vào thực hiện việc thám hiểm và lƣu trữ lại thông tin thu thập đƣợc là rất cần thiết. Công nghệ xử lý ảnh nhận dạng đối tƣợng đƣợc nghiên cứu trong đề tài không chỉ ứng dụng trong mobile robot mà còn trong rất nhiều lĩnh vực đời sống khác nhƣ nhận dạng biển số xe, các hệ thống giao thông thông minh hay lĩnh vực phân loại sản phẩm... V. NỘI DỤNG CỦA LUẬN VĂN Luận văn đƣợc trình bày trong 101 trang A4 và 13 trang phụ lục, trình bày cụ thể các vấn đề nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan về mobile robot Sơ lƣợc về lịch sử phát triển của mobile robot, phân loại mobile robot theo từng trƣờng hợp cụ thể và ứng dụng của mobile robot qua đó đƣa ra kết luận và định hƣớng nghiên cứu mobile robot. Chương 2: Tính toán thiết kế robot Chỉ ra đƣợc mô hình mobile robot cần nghiên cứu của luận văn, các cơ sở lý thuyết và mô hình động học của robot, đƣa ra đƣợc phƣơng án thiết kế robot, kiểm tra các điều kiện hoạt động của robot trong các trƣờng hợp khác nhau. Chương 3: Cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh Đƣa ra những lý thuyết căn bản nhất về xử lý ảnh số, các bƣớc thực hiện quá trình xử lý ảnh có sử dụng thƣ viện OpenCV, làm tiền đề cho quá trình nhận dạng ảnh và theo vết đối tƣợng của robot. Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển nhận dạng theo vết đối tƣợng Chƣơng này trình bày nội dung về thiết kế hệ thống điều khiển cho robot bao gồm thiết kế mạch điện tử, xây dựng chƣơng trình điều khiển robot, trình bày phƣơng pháp nhận dang và theo vết đối tƣợng. xiii
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 1.1 Giới thiệu Khái niệm chung về robot theo nghĩa chung thƣờng đƣợc hiểu đồng nghĩa với khái niệm tự động hóa công nghiệp, điều này chỉ đúng một phần bởi robot chỉ là một thành phần trong quá trình tự động hóa, hơn nữa việc trình bày , miêu tả robot trong sinh hoạt xã hội ít nhiều phóng đại. Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở kịch “ Rossum‟s Univerersal Robot” của nhà soạn kịch ngƣời Tiệp Khắc là Karen Chapek, còn từ robot là cách gọi khác của từ Robota theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Khi đó, Karen Chapek cho rằng robot là những ngƣời máy có thể làm việc nhƣng không có khả năng suy nghĩ. Một loại máy có thể làm thay công việc của con ngƣời tạo ra hiệu quả lao động rất cao và giảm rất nhiều chi phí không cần thiết [7]. Trong công nghiệp ngày nay, tay máy (manipulator) là ngành công nghiệp mang lại hàng tỷ USD, tay máy có thể làm việc với tốc độ và độ chính xác cao trong những công việc đòi hỏi độ chính xác cao và thao tác nhanh nhƣ điện tử, chế tạo và lắp ráp các thiết bị điện tử nhƣ điện thoại di động, máy tính… Tuy nhiên, tay máy có một nhƣơc điểm là không thể di chuyển trong không gian mà đƣợc gắn cố định, để khắc phục nhƣợc điểm lớn này mà không làm mất công dụng, hƣớng nghiên cứu về loại robot có khả năng di chuyển đƣợc gọi là mobile robot (robot di động). Mobile robot là một loại máy tự động mà có khả năng di chuyển trong một môi trƣờng nhất định. Robot di động có khả năng di chuyển xung quanh môi trƣờng của chúng và không cố định với một môi trƣờng vật lý nào. Robot di động tập trung với số lƣợng lớn các nghiên cứu hiện nay và hầu hết các trƣờng đại học lớn đều có một hoặc nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu các robot này. Robot tự hành cũng đƣợc ứng dụng trong công nghiệp nhƣ các xe AVG, quân sự và an ninh quốc phòng. -1-
Chúng cũng xuất hiện nhƣ những sản phẩm dành cho ngành giải trí hoặc thực hiện những nhiệm vụ nhất định trong cuộc sống hàng ngày nhƣ hút bụi hay cắt cỏ… 1.2 Lịch sử phát triển của mobile robot [8] Hình dạng robot đầu tiên xuất hiện ở Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình dùng trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 thế kỷ trƣớc, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thuỷ lực điện từ đã xuất hiện. Tuy nhiên, các tay máy thƣơng mại đều có chung nhƣợc điểm là thiếu sự di động. Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó. Ngƣợc lại, mobile robot là loại robot di động có thể di chuyển từ không gian này tới không gian khác một cách độc lập hay có điều khiển từ xa, do đó tạo nên không gian hoạt động rất lớn. - Từ năm 1939 đến 1945 trong cuộc chiến tranh thế giới lần thứ II, những robot di động đầu tiên đƣợc xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu công nghệ trong những lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan nhƣ khoa học máy tính và điều khiển học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ nhƣ những quả bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định... sử dụng hệ thống hƣớng dẫn và rađa điều khiển. Tên lửa V1 và V2 có “phi công tự động” và hệ thống phát nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại. - Từ năm 1948 đến 1949 W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai robot tự động trông giống con đồi mồi. Về mặt hành chính , chúng đƣợc gọi là Machina Speculatrix bởi vì những robot này hoạt động trong môi trƣờng nhƣ những chú chim đồi mồi. Elmer và Elsie đƣợc trang bị một bộ cảm biến sang. Nếu chúng nhận ra một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía đó. Chúng có thể tránh hoặc chuyển những chƣớng ngại trên đƣờng di chuyển của chúng. Những robot này chứng minh rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn giản. Elmer và Elsie chỉ đƣợc thiết kế tƣơng đƣơng hai tế bào thần kinh. -2-
- Từ năm 1961 đến 1963 trƣờng Đại học Johns Hopkins phát triển „Beast‟. Beast sử dụng hệ thống định vị để chuyển động xung quanh. Khi pin yếu , nó sẽ tự tìm ổ cắm điện và cắm vào - Từ 1969 đến năm 1970 Mowbot là robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động. The Stanford Cart line follower là robot di động có thể di chuyển thông qua nhận dạng đƣờng kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn. Nó bao gồm một cảm biến gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính toán.Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng và nghiên cứu ra Shakey. Shakey có một camera, một dãy kính gắm, một bộ cảm biến và một bộ phận truyền thanh. Shakey là robot đầu tiên có thể lý giải về những chuyển động của nó. Điều này có nghĩa là Shakey có thể đƣa cho nhiều lệnh chung và robot này sẽ tính toán những bƣớc cần thiết để hoàn thành nhiệm vụ đƣợc giao. Hình 1.1 Robot The Stanford Cart line follower [9] Hình 1.2 Robot Shakey [11] -3-
-Năm 1977 bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope mô tả R2D2 (một robot di động hoạt động độc lập) và C3P0 (một robot hình ngƣời). Họ đã khiến công chúng biết đến những robot. - Năm 1980 thị hiếu của ngƣời tiêu dùng về robot tăng, robot đƣợc bày bán để sử dụng trong nhà. Ví dụ , RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một loạt mẫu robot HERO. Robot The Stanford Cart đƣợc phát triển mạnh, nó có thể lái tàu biển vƣợt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua. Hình 1.3 Robot RB5X [10] - Năm 1990 cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với các đồng nghiệp và đã phát minh ra những robot tự động trong ngành y tế và đƣợc bán bởi Helpmate. Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ trong nhà Cybermotion. - Năm 1993-1994 Dante-I và Dante-II đƣợc phát triển bởi trƣờng đại học Carnegie Mellon, cả hai là robot dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt động. Hình 1.4 Robot Dante II [10] -4-
- Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (ngƣời tiên phong) đƣợc bán sẵn ở một mức giá chấp nhận đƣợc,điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về nghiên cứu robot và các trƣờng đại học nghiên cứu về robot trong suốt các thập sau. Robot di động trở thành một phần không thể thiếu trong chƣơng trình giảng dạy của các trƣờng đại học. Hình 1.5 Robot Pioneer [9] -Năm 1996-1997: NASA phóng con tàu Mars Pathfinder có 2 robot Rover và Sojourner lên sao Hoả. Hình 1.6 Robot The Rover và Sojourner [9] - Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một robot có khả năng đi lại, quan sát.. Robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự PackBot cũng đƣợc giới thiệu. Hình 1.7 Robot Abio [10] -5-
Hình 1.8 Robot PackBot [10] - Năm 2001:Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng đƣợc khởi động. Chúng bao gồm một số lƣợng lớn các robot đơn lẻ, có thể tác động lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp. - Năm 2002: Roomba, một robot di động dùng trong gia đình, thực hiện việc lau nhà đƣợc xuất hiện. Hình 1.9 Robot Roomba [11] - Năm 2004: Robosapien, một robot đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden đƣợc bán sẵn. Trong dự án “The Centibots Project” 100 robot cùng làm việc với nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng không xác định và tìm những vật thể trong môi trƣờng đó. Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge, các robot tự động đã cùng nhau tranh tài cùng nhau trên sa mạc. -6-