HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ
BỘ MƠN ROBOT ĐẶC BIỆT VÀ CƠ ĐIỆN TỬ

KHĨA 15
HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ROBOT OMNI
4 BÁNH BÁM QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC

NGUYỄN VĂN TIẾN
TRẦN ĐÌNH HIẾU
HÀ NỘI 2021


HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ
BỘ MƠN ROBOT ĐẶC BIỆT VÀ CƠ ĐIỆN TỬ

KHĨA 15
HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ROBOT OMNI
4 BÁNH BÁM QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC

NGUYỄN VĂN TIẾN
TRẦN ĐÌNH HIẾU

Cán bộ hướng dẫn:

Trung tá, TS. Nguyễn Anh Văn
Trung tá, TS. Vũ Thế Trung Giáp

2


3


4


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp này, chúng em đã nhận được
sự giúp đỡ, định hướng, tận tình chỉ dẫn, góp ý, động viên chúng em của Thầy
hướng dẫn: Trung tá, TS. Nguyễn Anh Văn và Trung tá, TS. Vũ Thế Trung
Giáp. Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc và kính trọng tới hai Thầy.
Chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng tới các quý thầy cô giáo
khác trong bộ môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử - Khoa Hàng không vũ trụ, Ban
Lãnh đạo Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, đã quan tâm tạo điều kiện thuận lợi để
trang bị cho chúng em kiến thức cơ bản trong quá trình học tập, nhiệt tình giúp
đỡ chúng em trong suốt khóa học vừa qua.
Do thời gian thực hiện cũng như mức độ rộng lớn của đề tài, nên dù đã cố
gắng và thực hiện nghiêm túc nhưng phương án giải quyết bài tốn của chúng

em chắc chắn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em xin cảm ơn các
thầy trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét, góp ý để đồ án của chúng em
được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày 20 Tháng 4 Năm 2021
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tiến
Trần Đình Hiếu

5


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 9
A. Đặt vấn đề........................................................................................................ 9
B. Mục đích nghiên cứu....................................................................................... 9
C. Ý nghĩa nghiên cứu. ........................................................................................ 9
D. Nội dung nghiên cứu..................................................................................... 10
E. Phạm vi nghiên cứu. ...................................................................................... 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 12
1.1. Tổng quan về robot tự hành........................................................................ 12
1.1.1. Giới thiệu sơ lược.............................................................................. 12
1.1.2. Lịch sử phát triển .............................................................................. 13
1.1.3. Các thành phần cơ bản của robot tự hành ......................................... 17
1.1.4. Phân loại robot tự hành ..................................................................... 18
1.1.4.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot) ..................... 18
1.1.4.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh................................................. 21
1.1.4.3. Robot bánh xích................................................................................. 27

1.1.4.4. Robot di chuyển dưới nước. ............................................................. 28
1.1.5. Ứng dụng của robot tự hành ............................................................. 29
1.1.6. Nhiệm vụ của robot tự hành.............................................................. 29
1.1.7. Cấu trúc của mobile robot. ................................................................ 29
1.1.8. Dạng chuyển động của robot tự hành. .............................................. 30
1.2. Tổng quan về mạch nhúng Arduino........................................................... 30
1.2.1. Tìm hiểu chung về Arduino. ............................................................. 30
1.2.2. Phần mềm lập trình Arduino IDE ..................................................... 30
1.2.3. Mạch Arduino Mega 2560 R3. ......................................................... 36
1.3. Tổng quan về phần mềm LabVIEW. ......................................................... 38
1.3.1. Tổng quan về phần mềm LabVIEW. ................................................ 38
1.3.2. Khả năng của phần mềm LabVIEW. ................................................ 40
6


1.4. Tìm hiểu tổng quan về xử lý ảnh trên phầm mềm LabVIEW................... 43
1.4.1.Giới thiệu về hệ thống xử lý ảnh........................................................ 43
1.4.2. Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh. ............................... 45
1.4.3.Thu nhận ảnh. ..................................................................................... 47
1.4.4.Biểu diễn ảnh. .................................................................................... 48
1.4.5.Không gian màu. ................................................................................ 48
1.5. Tổng quan về giải pháp dẫn đường và định vị cho robot. ......................... 49
1.5.1. Giới thiệu chung ................................................................................ 49
1.5.2. Một số giải pháp dẫn đường cho robot di động. ............................... 52
1.6. Phân tích và đặt yêu cầu bài toán. .............................................................. 55
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT ................................................... 57
2.1. Phân tích u cầu thiết kế. .......................................................................... 57
2.1.1. Đặc điểm thiết kế robot omni............................................................ 57
2.1.2. Lựa chọn vật liệu cho thân xe. .......................................................... 57
2.1.3. Lựa chọn bánh omni ......................................................................... 59

2.1.4. Lựa chọn loại động cơ cho bánh xe dẫn động .................................. 60
2.1.5. Lựa chọn mạch điều khiển, driver động cơ. ..................................... 61
2.1.6. Lựa chọn nguồn................................................................................. 66
2.2. Tính tốn và lựa chọn mơ hình động học................................................... 68
2.3. Tính chọn cơ cấu chấp hành ....................................................................... 72
2.4. Thiết kế cơ khí ............................................................................................ 77
2.4.1. Phần khung robot .............................................................................. 77
2.4.2. Mơ hình hồn thiện ........................................................................... 81
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG GIẢI PHÁP BÁM ĐƯỜNG CHO ROBOT .......... 82
3.1. Xây dựng quỹ đạo di chuyển của robot theo vạch đường. ........................ 82
3.2. Xây dựng giải pháp định vị cho robot........................................................ 83
3.2.1. Thuật toán nhận dạng đối tượng ....................................................... 83
3.2.1.1. Giai đoạn 1: Biến đổi ảnh đầu vào ................................................... 83
3.2.1.2. Giai đoạn 2: Tách biên ...................................................................... 84
7


3.2.1.3. Xác định làn đường sử dụng một số kĩ thuật xử lý trên ảnh biên .. 88
3.2.2.Phương án thực hiện với LabView .................................................... 88
3.2.2.1.Giới thiệu Toolkit LabVIEW Vision and Motion. ........................... 88
3.2.2.1.Xây dựng chương trình với LabView ............................................... 96
3.2.3. Lưu đồ thuật toán định vị cho robot.................................................. 99
CHƯƠNG 4: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ................................................. 103
4.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID.............................................................. 103
4.2. Cấu trúc của bộ điều khiển. ...................................................................... 103
4.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển. ................................................................... 103
4.2.2. Các phương pháp dị thơng số......................................................... 104
4.3. Thiết kế bộ điều khiển. ............................................................................. 105
4.3.1. Mơ hình hóa cơ hệ và động cơ. ....................................................... 105
4.3.2. Mơ hình tốn của mobile robot. ...................................................... 109

4.3.3. Mơ hình hàm truyền của hệ thống. ................................................. 110
4.4. Tổng hợp bộ điều khiển PID và mô phỏng bằng phần mềm MATLAB. 111
4.5. Thiết kế chương trình điều khiển mobile robot. ...................................... 114
4.5.1. Toolkit LabVIEW MarkerHub LINX. ............................................ 114
4.5.2. Toolkit LabVIEW Interface For Arduino. ...................................... 118
4.5.3. Chương trình điều khiển của hệ thống. ........................................... 124
CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ROBOT TỰ HÀNH ............. 128
5.1. Lắp ráp và chế tạo robot tự hành .............................................................. 128
5.1.1. Gia công, chế tạo các chi tiết cơ khí ............................................... 128
5.1.2. Kết nối mạch điện tử ....................................................................... 130
5.2. Thực nghiệm khả năng bám đường của mơ hình .................................... 133
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................ 134
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 136

8


MỞ ĐẦU
A. Đặt vấn đề.
Robot là một hệ thống cơ điện tử, bao gồm 3 bộ phận: bộ cảm biến, bộ điều
khiển và bộ chấp hành. Robot di động có chương trình điều khiển được nạp sẵn
và lưu trữ trong bộ nhớ để khi khởi động có thể hoạt động độc lập. Vấn đề chính
về mobile robot là bài tốn định hướng. Bài toán chung của dẫn đường robot là
việc trả lời 3 câu hỏi: “robot đang ở đâu?”, “robot sẽ đi tới đâu?”, và “robot sẽ đi
tới đó như thế nào?”. Robot phải có sẵn hoặc xây dựng trong bộ nhớ của nó một
mơ hình mơi trường, phải nhận biết và phân tích, tự xác định vị trí của nó để lập
trình và điều khiển đến đích. Hiện tại, robot di động được định hướng bằng các
công nghệ xử lý ảnh, đường dẫn, la bàn điện tử, GPS, bluetooth, web server.
Đồ án “Nghiên cứu thuật tốn điều khiển mơ hình robot omni 4 bánh
bám quỹ đạo cho trước” trình bày ứng dụng xử lý ảnh và web server trong

điều khiển robot di động.
- Ứng dụng xử lý ảnh, nhận dạng line quỹ đạo cho trước để điều khiển
robot tự hành bám quỹ đạo đó và tính tốn sai số thực tế.
- Ứng dụng web server điều khiển robot tự hành bằng tay thông qua điện
thoại thông minh di chuyển theo các hướng cơ bản.
B. Mục đích nghiên cứu.
Đồ án tập trung vào nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, tiến hành
phương pháp sử dụng xử lý ảnh để nhận diện quỹ đạo và điều khiển robot tự
hành bám quỹ đạo đó. Nắm được những yêu cầu cơ bản khi thiết kế điều khiển
robot tự hành sử dụng phương pháp xử lý ảnh, kiểm nghiệm thuật tốn, phân
tích sai số.
C. Ý nghĩa nghiên cứu.
Ý nghĩa khoa học của đồ án là xây dựng phương pháp điều khiển cho robot
tự hành ứng dụng xử lý ảnh để nhận dạng line quỹ đạo cho trước. Ý nghĩa thực
tiễn là triển khai ứng dụng cho các mobile robot trong nhà kho để làm các việc
9


vận chuyển, sắp xếp, hay ứng dụng cho các xe tự hành trong các khu vực sản
xuất khác.
D. Nội dung nghiên cứu.
+ Tìm hiểu về robot tự hành, mạch nhúng Arduino, phần mềm LabVIEW
và xử lý ảnh trên phần mềm LabVIEW. Lựa chọn phương án thiết kế robot tự
hành. Thiết kế, tính tốn, tính chọn cơ cấu chấp hành, điều khiển động cơ bằng
LabVIEW và Arduino.
+ Tìm hiểu và giải quyết bài toán nhận dạng và bám quỹ đạo. Xây dựng
thuật toán điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID, thiết kế bộ điều khiển, thiết kế
giao diện điều khiển, chương trình điều khiển robot.
+ Tìm hiểu và giải quyết bài toán điều khiển bằng tay robot tự hành theo
các hướng cơ bản ứng dụng web server trên điện thoại thơng minh

+ Chế tạo và thực nghiệm mơ hình, thực nghiệm thuật tốn điều khiển trên
mơ hình thiết kế để robot có thể vận hành ngồi thực tế. Giải quyết bài tốn
truyền thơng, giao tiếp giữa các phần của robot di động (sensor, máy tính,
arduino, động cơ).
E. Phạm vi nghiên cứu.
+ Dạng robot tự hành nghiên cứu là dạng bánh omni.
+ Đề tài được giới hạn trong việc thao tác với dạng đường line đơn giản.
Địa hình di chuyển là mặt phẳng, không gồ ghề.
Đồ án chia làm 5 chương với những nội dung chính như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về robot và Omni robot, các nghiên cứu đã
được tiến hành trong và ngoài nước về Omni robot, mục đích để thực hiện đồ án.
Chương 2: Tính tốn động học về động lực học cho Omni robot để từ đó
có thể xây dựng các chuyển động cơ bản cho robot trong phần tiếp theo.

10


Chương 3: Từ đặc điểm điều khiển và động học của robot, tiến hành xây
dựng quỹ đạo cho robot ứng với các trường hợp quỹ đạo thẳng, hình Parabol và
quỹ đạo sine. Từ đó đưa ra được thuật tốn điều khiển cụ thể cho robot.
Chương 4: Tổ hợp bộ điều khiển cho robot
Chương 5: Trình bày các ứng dụng mơ phỏng trên Labview và một số kết
quả thực nghiệm.

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về robot tự hành
1.1.1. Giới thiệu sơ lược

Ngày nay, Robot đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất
công nghiệp. Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính
xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc
trong các điều kiện môi trường độc hại như hàn , phun sơn, các nhà máy hạt nhân,
hay lắp ráo các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính… một cơng việc địi
hỏi sự tỷ mĩ chính xác cao. Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó
là hạn chế về không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi
số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng. Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả
năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau.
Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động thực thi
nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng
có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có
nhiều ý nghĩa trong các ngành cơng nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa
học và phục vụ đời sống của con người. Vấn đề đầu tiên là di chuyển, robot tự
hành nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất.
Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo robot tự hành. Trong
hiệp hội nghiên cứu về robot tự hành có 2 hướng nghiên cứu khác nhau.
Hướng thứ nhất:là nghiên cứu về robot tự hành có khả năng điều hướng ở
tốc độ cao nhờ thơng tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng
hoạt động ở mơi trường trong phịng cũng như mơi trường bên ngồi. Loại robot
này u cầu khả năng tính tốn đồ sộ và được trong bị cảm biết có độ nhạy cao,
dải đo lơn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những mơi
trường có địa hình phức tạp.
Hướng thứ hai: nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot tự hành chỉ
dùng để hoạt động trong mơi trường trong phịng. Loại này có kết cấu đơn giản
hơn loại trên, thực hiện nhiệm vụ đơn giản.
12


Bài toán dẫn hướng cho robot tự hành được chia làm 2 loại: bài toán cục

(global) và bài toán cục bộ (locad). Ở bài tốn cục, mơi trường làm việc của
robot hoàn toàn xác định, đường đi và vật cản là biết trước. Ở bài tốn cục bộ,
mơi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần, các
cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó
trong mơi trường giúp nó đi tới được mục tiêu.
Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho robot tự hành thường khơng giống
như các loại robot khác. Để có thể điều hương cho robot tự hành, quyết định
theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục về môi trường thông qua cảm
biến, hoặc ở môi trường trong phịng hoặc ngồi trời, đây là điểm khác biệt lơn
nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến. Robot tự hành phải có khả năng
tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới
đích thực hiện nhiệm vụ nhất định.
Điều hướng cho robot tự hành là cơng việc địi hỏi phải thực hiện một số
khả năng khác nhau, bao gồm khả năng di chuyển ở mức cơ bản ví dụ như hoạt
động đi tới các vị trí cho trước khả năng phản úng các sự kiện theo thời gian
thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản, khả năng xây dựng, sử
dụng và duy trì bản đồ mơi trường hoạt động, khả năng xác định vị trí của robot
trong bản đồ đó, khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình
huống khơng mong muốn và khả năng thích nghi với các thay đổi của mơi
trường hoạt động.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Hình dạng robot xuất hiện đầu tiên ở nước Hoa Kỳ, là loại tay máy chép
hình trong phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ. vào những 50 của thế kỷ trước,
bên cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, các loại tay máy chép hình thủy lực
điện tử đã xuất hiện. Tuy nhiên, các tay máy thương mại đều có chung nhược
điểm là thiếu sự di động, các tay máy này được hoạt động hạn chế quanh vị trí
của nó. Ngược lại, Mobile robot là lại robot di động có thể di chuyển từ không

13



gian này đến không gian khác một cách độc lập hay được điều khiển từ xa do đó
tạo khơng gian hoạt động lớn.
Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong cuộc chiến thế giới lần thứ 2 , những
con Robot di động đầu tiên xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu công
nghệ trong lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và điều
khiển học hầu hết chúng là những qua bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ
nổ trong những dãy mục tiêu nhất định, sử dụng trong hệ thống hướng dẫn và
rada 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 1961: W.Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai con
robot trong giống con đồi mồi. Về mặt hành chính, chúng được gọi là Machina
Speculatrix bởi vì nhưng con robot này được hoạt động trong môi trường như
những chú chim đồi mồi. Elmer và Elsie được trang bị một số cảm biến sáng.
Nếu chúng nhận ra một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía nguồn sáng.
Chúng có thể tránh hoặc chuyển những chướng ngại trên đường di chuyển.
Những con robot này chứng minh rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh
từ một thiết kế đơn giản. Elmer và Elsie chỉ được thiết kế tương đương hai tế
bào thần kinh.
Từ năm 1961 đến 1963: trường đại học Johns hopkins phát triển “beast”.
Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh. Khi pin yếu nó sẽ tự tìm
ổ cắm điện và cắm vào.
Năm 1969: Mowbot là con robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động.
The stanford cart line follower là một con robot di động có thể di chuyển thơng
qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn. Nó bao gồm một
“kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính tốn.
Năm 1970: cùng thời điểm 1962-1972, viện nghiên cứu Stanford đang xây
dụng và nghiên cứu ra shakey. Shakey có một camera, một dãy kính ngắm, một
bộ cảm biến và một bộ truyền thanh. Shakey là con Robot đầu tiên lý giải về
những chuyển động của nó. Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa nhiều mệnh

14


lệnh chung và Robot này sẽ tính tốn những bước cần thiết đẻ hoàn thiện nhiệm
vụ được giao.
Năm 1976: trong chương trình Vikiry tổ chức NASA đã phóng hai tàu vũ
trụ không người lái vào sao hỏa.
Ngăm 1977: Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” phần I, A new Hope
mô tả R2D2, một con Robot di động hoạt động đọc lập và C3P0, một con Robot
hình người. Họ đã khiến công chúng biết đến những con Robot.
Năm 1980: thị hiếu của người tiêu dùng về robot tăng, robot được bày bán
và mua về sử dụng trong nhà. Ví dụng RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và một
loạt mẫu robot HERO. Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó đã có
thể lái tàu biển vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó đi qua.
Năm 1989: Mark Tinden phát minh ra BEAM robotics.
Năm 1990: Cha đẻ của nền robot công nghiệp Joseph Engelberger làm việc
với các đồng nghiệp và đã phát minh ra những con robot tự động trong ngành y
tế và được bán bởi Heplmate. Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I được
dựa vào robot bảo vệ trong nhà Cybermotion.
Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học
Carnegie Mellon, cả hai con Robot dung để thám hiểm núi lửa đang hoạt động.
Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer (người tiên phong) được
bán sẵn ở một mức giá chấp nhận được, điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về
nghiên cứu robot và các trường đại học nghiên cứu về robot trong suốt các thập
niên sau. Robot di động được trở thành một phần khơng thể thiếu trong chương
trình giảng dạy của các trường đại học.
Năm 1996 đến 1997: NASA phóng con tàu Mars pathfinder có 2 robot
rover và Sojourner lên sao hỏa. The Rover thám hiểm bể mặt sao hỏa được điều
khiển từ mặt đất. Sojourner được trang bị với một hệ thống tránh rủi ro ca. Hệ
thống này làm cho Sojourner có thể tìm thấy đường đi của nó một cách động lập

trên địa hình của sao Hỏa.

15


Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một con robot có khả năng đi lại, quan
sát và tác động qua lại tới môi trường. robot điều khiển từ xa dùng cho quân sự
Packbot cũng được giới thiệu.
Năm 2001: dự án Swaim-bots,Swaim-bots giống những bầy côn trùng được
khởi động. Chúng tạo ra một lượng lớn các con Robot đơn lẻ, có thể tác động
lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp.
Năm 2002: Roomaba, một con robot di động dung trong gia đình, thực hiện
cơng việc lau nhà xuất hiện. Tiếp tục phát triển hiện nay có rất nhiều loại Robot
phục vụ cho con người dần xuất hiện ngày càng thân thiện hơn.
Năm 2004: Robosapien, một con rôbốt đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden
được bán sẵn. Trong dự án “The Centibots Project” 100 con Robot cùng làm
việc với nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng khơng xác định và tìm những
vật thể trong mơi trường đó. Trong cuộc thi đầu tiên DARPA Grand Challenge,
các con Robot tự động đã cùng nhau tranh tài cùng nhau trên sa mạc.
Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo và Helpmate. PatrolBot trở lên
phổ biến khi các Robot di động vẫn tiếp tục cạnh tranh nhau để trở thành mặt
hàng độc quyền. Sở an ninh Mỹ đã bỏ dự án MDARS-I, nhưng lại gây quỹ cho
dự án MDARS-E một loại Robot an ninh tự động khác. TALON-Sword, một
loạiRobot tự động dùng để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn và những sự lựa chọn
về vũ khí hợp thành khác đã ra đời. Asimo của Honda biết cách chạy và leo cầu
thang chỉ với hai chân như con người.
Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thông minh tăng nhanh về số lượng trong
quy trình phân phối, những Robot thơng minh này được phân loại theo mức độ
phổ biến những nội dung của chúng. Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến
trong các bệnh viện dùng để vận chuyển đồ trong kho từ nơi này sang nơi khác.

ARCSinside Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ trạm y tá tới
phòng xét nghiệm. Seekur, Robot dịch vụ dùng ngồi trời với mục đích phi quân
sự có thể kéo một xe qua một bãi đậu xe, lái một cách độc lập (tự động) vào

16


trong nhà và bắt đầu học cách lái ra ngoài. Trong khi đó, PatrolBot học cách
theo sau con người và nếu cửa mà mở thì đóng lại.
1.1.3. Các thành phần cơ bản của robot tự hành
Robot tự hành được thiết kế dựa trên những mục đích khác nhau, từ đó mỗi
cấu hình lại có mỗi đặc điểm khác nhau nhưng có thể phân loại các thành phần
cơ bản của robot như sau: tính năng cảm biến hệ thống điều khiển, giao diện
điều khiển, truyền thơng và các tính năng tích hợp hệ thống.

Hình 1.1: Mối liên hệ giữa các bài toán nghiên cứu mobile.
Mối liên hệ giữa các bài toán nghiên cứu mobile
Tính năng: Dựa trên mục đích thiết kế của nó để phù hợp với nhiệm vụ của
robot.
Từ đó mà mỗi loại sẽ có những đặc trưng khác nhau như phần động lực,
cảm biến, các hình thức di chuyển phổ biến…
Cảm biến: Cảm biến của robot tự hành có mục đích điều hướng, xác định
trạng thái của chính nó quan sát, phân tích mơi trường xung quanh. Bộ cảm biến
có thể bao gồm la bàn, đo khoảng cách, máy đo độ nghiêng, kính ngắm, camera
đa chiều , máy dị laze, hồng ngoại…
Hệ thống điều khiển: Các loại xe cơ giới không người lái thường được điều
khiển từ xa và hoạt động độc lập, nhưng cũng có những trường hợp bộ phận
17



điều khiển giám sát cũng được sử dụng trong những tình huống có sự kết hợp
của việc ra quyết định từ những hệ thống bên trong robot tự hành và người điều
khiển.
Giao diện điều khiển: Robot tự hành hoạt động từ xa được điều khiển bởi
người điều khiển thông qua dao diện. Tất cả các hoạt động cảu robot được giám
sát bởi người vận hành dựa trên quan sát trực tiếp hoặ sử dụng các cảm biến,
camera…
Truyền thông: Việc truyền thơng tin giữa robot và trạm điều khiển có thể
được thực hiện thông qua vô tuyến hoặc cáp quang. Hoặc có thể truyền thơng
với các robot khác khi tham gia vào các hoạt động trong cùng một nhiệm vụ.
Tích hợp hệ thống: Việc tích hợp tưng tác giữa phần cứng và phần mềm
ngày càng một tiến bộ mang tính kế thừa được coi như sự thành công của robot
tự hành. Từ những đặc điểm trên đã tạo nên những tính năng rất đặc trưng cho
nó. Sử dụng các cảm biến để xác định các tham số môi trường đang làm việc sau
đó sử dụng các thuật tốn điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ do con người
đặt ra.
Thiết kế quỹ đạo là một bài toán quan trọng, bộ điều khiển cần tìm ra một
quỹ đạo tối ưu để mobile robot đi từ điểm xuất phát đến điểm đích. Hơn nữa, khi
một robot chạy theo các quỹ đạo đã được xây dựng từ trước thì việc tìm kiếm
quỹ đạo phù hợp nhất cũng ảnh hưởng tới tính hiệu quả và chi phí năng lượng
của nó, đặc biệt là các xe nông nghiệp.
1.1.4. Phân loại robot tự hành
1.1.4.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot)
Với robot có bánh xe thì tất cả các bánh phải tiếp xúc với đất ở mọi thời
điểm. Ngược lại, robot có chân ln có một số lượng chân tiếp xúc với đất ở bất
cứ thời điểm nào và có thể tất cả các chân hồn tồn khơng tiếp xúc với đất tùy
vào cách chuyển động. Các robot có chân được thiết kế mơ phỏng sinh học từ
một chân, hai chân mô phỏng người, bốn chân, sáu chân, tám chân. Với kiểu bề

18



mặt di chuyển gồ ghề và có nhiều chướng ngại vật, robot có chân sẽ có ưu điểm
hơn robot có bánh.
Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên
các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng cịn có thể đi qua những vật cản như hố ,
vết nứt sâu.
Nhược điểm chính của robot loại chính là là chế tạo quá phức tạp. chân
robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của
robot hay đồng thời giảm tốc độ di chuyển. Các kỹ năng như cầm nắm hay nâng
tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot loại này càng
linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao.
Robot tự hành di chuyển bằng chân được mơ phỏng theo các lồi động vật
vì thế mà chúng có loại 2 ,4,6 chân và có thể nhiều hơn nữa, dưới đây là một số
loại robot điển hình chuyển động bằng chân.

Hình 1.2: Robot Asimo của Honda.
ASIMO được giới thiệu lần đầu tiên vào tháng 10 năm 2000, ASIMO có
thể di chuyển và chạy ngang cả trên những bề mặt dốc hay không bằng phẳng.
Robot thậm chí có thể leo cầu thang, xác định, cầm nắm vật thể và nhận diện
khuôn mặt.
19


Hình 1.3: Robot “nhện” 6 chân bài học từ ruồi dấm.
Các nhà nghiên cứu tại EPFL và UNIL đã phát hiện ra một dáng đi nhanh
hơn và hiệu quả hơn, chưa bao giờ quan sát thấy trong tự nhiên, lấy cảm hứng
bởi cơn trùng và có miếng dính để đi bộ trong khơng gian ba chiều.

Hình 1.4: Robot cheetah bốn chân có thể thực hiện các cú nhảy lùi 360 độ.


20


Chỉ với 20 pound, bộ tứ khập khiễng có thể uốn cong và vung hai chân
rộng, cho phép nó đi hai bên phải hoặc lộn ngược. Robot cũng có thể chạy trên
địa hình khơng bằng phẳng nhanh gấp đơi tốc độ đi bộ của một người bình
thường.
1.1.4.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh
Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ
robot tự hành. Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên
kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được khi robot có số bánh nhiều hơn 2 thì
thơng thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất
cả các bánh xe với mặt đất, vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định
và khả năng điều khiển chuyển động.

Hình 1.5: Bốn loại bánh xe cơ bản được sử dụng trong robot tự hành.
Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do có thể quay quanh trục bánh xe và điểm
tiếp xúc.
Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái.
Bánh Swedish: 3 bậc tự do có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh
xe, trục lăn và điểm tiếp xúc
21


Bảng 1.6: Sơ đồ bánh xe của robot tự hành.
Số lượng
bánh xe

Cấu trúc bánh


Mơ tả

Ví dụ

Một bánh lái phía
trước, một bánh

Xe đạp, xe máy

chủ động phía sau

1

Hai bánh vi sai
với khối tâm nằm

Robot cye, xe tự

phía dưới trục

cân bằng

quay
Hai bánh vi sai có
trục đi qua tâm

Nomad Scout,

robot và một bánh


SmartRob EPFL

cầu

Hai bánh chủ
động một bánh
omni
2
Hai bánh vi sai
chủ động và một
bánh lái tự do

Robot trong nhà,
EPFL robot,
Pygmalion và
Alice robot

Xe tải mini
Piaggio

Một bánh lái và
quay chủ động,
hai bánh sau
22

Neptune, Hero-1


Số lượng

bánh xe

Cấu trúc bánh

Mơ tả
Ba bánh omni bố
trí theo hình tam
giác đều, di
chuyển được đa
hướng

Ví dụ

Stanford wheel
Tribolo EPFL,
Palm Pilot Robot
Kit (CMU)

3
Ba bánh đồng bộ,
khơng điều khiển
được góc quay

Hai bánh chủ
động phía sau, hai
bánh lái phía
trước (vi sai)

Hai bánh chủ
động và lái phái


4

trước, hai bánh hỗ
trợ phía sau

Bốn bánh chủ
động

23

Synchro drive
Denning MRV-2,
I-Robot B24,
Nomad 200

Ơ tơ với truyền
động ở hai bánh
sau

Ơ tô với truyền
động ở hai bánh
trước

Four wheel
steering Hyperion
(CMU)


Số lượng

bánh xe

Cấu trúc bánh

Mô tả

Hai bánh chủ
động vi sai, hai

Ví dụ

Charlie (DMTEPFL)

bánh omni

Bốn bánh omni

Hai bánh chủ
động vi sai với

5

Carnegie Mellon
Uranus

EPFL

Khepera,

Hyperbot Chip


hai bánh cầu

Bốn bánh chủ
động và bánh lái
dạng castor

24

Nomad XR4000


Hình ảnh một số xe tự hành chạy bánh quay trên thế giới:

Hình 1.7: Máy hút bụi Rooma và Friendly.

Hình 1.8: Robot kiva- Amazon.
25