Chế Tạo Robot Vẽ Di Chuyển Bằng Bánh Omni Tại Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ

Chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni là một trong những dự án nghiên cứu quan trọng tại… 89 trang · Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ · 2020.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Tài
• Người hướng dẫn: ThS. Đường Khánh Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Chế Tạo Robot Vẽ Di Chuyển Bằng Bánh Omni
• Loại tài liệu: tiểu luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do và mục đích chọn đề tài
• 1.2. Lịch sử hình thành và phát triển
• 1.3. Các ứng dụng của robot
• 1.4. Một số robot dùng bánh xe Omni đã có
• 1.5. Sơ lượt về đề tài nghiên cứu chế tạo robot di động đa hướng
• 1.6. Hướng giải quyết cho nghiên cứu sắp tới
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Tiêu chuẩn cho một robot
• 2.3. Những ứng dụng được robot
• 2.4. Giới thiệu về Arduino
• 2.5. Tổng quan về Android
• 2.6. Các phiên bản của Android
• 2.7. Công nghệ Bluetooth
• 2.8. Phần mềm Arduino IDE
• 2.9. Phương pháp nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT
• 3.1. Thiết kế cơ khí của robot
• 3.2. Bánh xe Omni
• 3.3. Bộ phận công tác
• 3.4. Thiết kế mạch điện
• 3.5. Động cơ và module điều khiển động cơ bước ULN2003 V2
• 3.6. Bo mạch chính
• 3.7. Lập trình điều khiển robot
• 3.8. Giới thiệu về phần mềm Inkscape
• 3.9. Giới thiệu về phần mềm SheetCam
• 3.10. Phần mềm điều khiển trên máy tính
• 3.11. Phần mềm điều khiển trên điện thoại Android
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Kết quả nghiên cứu đạt được
• 4.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Robot Vẽ Di Chuyển Bằng Bánh Omni

Chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni là một trong những dự án nghiên cứu quan trọng tại Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ. Robot này không chỉ giúp sinh viên áp dụng lý thuyết vào thực tiễn mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ robot. Sự phát triển của robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni mang lại nhiều lợi ích cho việc học tập và nghiên cứu trong ngành cơ điện tử.

1.1. Lịch Sử Hình Thành Robot Vẽ Di Chuyển

Robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni có nguồn gốc từ những nghiên cứu ban đầu về robot tự động. Những robot đầu tiên được phát triển vào giữa thế kỷ 20, với mục tiêu thay thế con người trong các công việc nặng nhọc. Sự phát triển của công nghệ robot đã dẫn đến việc chế tạo các robot có khả năng di chuyển linh hoạt hơn.

1.2. Ứng Dụng Của Robot Vẽ Trong Giáo Dục

Robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni được sử dụng trong giáo dục để giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật chế tạo. Việc sử dụng robot trong giảng dạy không chỉ nâng cao khả năng thực hành mà còn khuyến khích sự sáng tạo trong thiết kế và lập trình.

II. Thách Thức Trong Việc Chế Tạo Robot Vẽ Di Chuyển

Việc chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni không phải là điều dễ dàng. Có nhiều thách thức cần phải vượt qua, từ việc thiết kế cơ khí cho đến lập trình điều khiển. Những thách thức này đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức vững vàng về công nghệ robot và khả năng giải quyết vấn đề.

2.1. Thiết Kế Cơ Khí Robot

Thiết kế cơ khí cho robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni yêu cầu sự chính xác cao. Các bộ phận như bánh Omni, động cơ và khung robot cần phải được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả. Việc lựa chọn vật liệu cũng ảnh hưởng đến độ bền và khả năng di chuyển của robot.

2.2. Lập Trình Điều Khiển Robot

Lập trình điều khiển robot là một trong những thách thức lớn nhất. Sinh viên cần phải nắm vững ngôn ngữ lập trình Arduino và hiểu rõ về Gcode để điều khiển robot thực hiện các nhiệm vụ vẽ. Việc này đòi hỏi sự kiên nhẫn và khả năng tư duy logic.

III. Phương Pháp Chế Tạo Robot Vẽ Di Chuyển Bằng Bánh Omni

Để chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni, cần áp dụng một số phương pháp khoa học và kỹ thuật. Các bước từ thiết kế, lắp ráp đến lập trình đều cần được thực hiện một cách hệ thống và có kế hoạch.

3.1. Thiết Kế Mô Hình Robot

Thiết kế mô hình robot là bước đầu tiên trong quá trình chế tạo. Cần xác định kích thước, hình dáng và các bộ phận cần thiết cho robot. Việc sử dụng phần mềm thiết kế 3D có thể giúp sinh viên hình dung rõ hơn về sản phẩm cuối cùng.

3.2. Lắp Ráp Các Bộ Phận

Sau khi thiết kế, bước tiếp theo là lắp ráp các bộ phận của robot. Cần chú ý đến việc kết nối các linh kiện điện tử như động cơ, cảm biến và mạch điều khiển. Sự chính xác trong lắp ráp sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của robot.

3.3. Lập Trình Và Kiểm Tra Robot

Lập trình robot để thực hiện các nhiệm vụ vẽ là bước quan trọng. Sinh viên cần viết mã lệnh để robot có thể nhận diện và thực hiện các lệnh vẽ. Sau khi lập trình, cần tiến hành kiểm tra và điều chỉnh để đảm bảo robot hoạt động đúng như mong muốn.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu từ việc chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn. Robot không chỉ có khả năng vẽ mà còn có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như gia công cắt, khắc và nhiều ứng dụng khác trong công nghệ robot.

4.1. Kết Quả Đạt Được Từ Dự Án

Dự án chế tạo robot vẽ đã thành công trong việc tạo ra một sản phẩm có khả năng vẽ chính xác trên mặt phẳng. Robot có thể di chuyển linh hoạt và thực hiện các hình vẽ phức tạp, chứng minh được tính khả thi của dự án.

4.2. Ứng Dụng Trong Thực Tế

Robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni có thể được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật và các lĩnh vực khác. Việc sử dụng robot trong các hoạt động này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả công việc.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Robot Vẽ Di Chuyển

Chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni mở ra nhiều cơ hội cho sinh viên trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ. Tương lai của robot vẽ hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới, góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ robot.

5.1. Tương Lai Của Robot Vẽ

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni có thể được cải tiến để thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp hơn. Các công nghệ mới như AI và machine learning có thể được tích hợp để nâng cao khả năng của robot.

5.2. Khuyến Khích Nghiên Cứu Và Phát Triển

Cần khuyến khích sinh viên và các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm hiểu và phát triển các ứng dụng mới cho robot vẽ. Việc này không chỉ giúp nâng cao kiến thức mà còn đóng góp vào sự phát triển của ngành cơ điện tử.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp và tự động hóa, ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử đóng vai trò then chốt trong việc tích hợp cơ khí chính xác, kỹ thuật điện tử bán dẫn và các hệ thống điều khiển số. Trong các ứng dụng tạo hình, gia công cắt gọt hoặc vẽ kỹ thuật, các máy điều khiển số (Computer Numerical Control - CNC) dạng bàn máy truyền thống thường bị hạn chế nghiêm ngặt bởi không gian làm việc (hành trình giới hạn theo các trục X và Y). Để giải quyết bài toán mở rộng không gian công tác sang mặt phẳng làm việc không bị giới hạn kích thước, mô hình robot di động đa hướng trang bị bánh xe Omni (Omnidirectional wheel) là một giải pháp kỹ thuật khả thi.

Khóa luận tốt nghiệp "Chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni" do sinh viên Nguyễn Hữu Tài thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Đường Khánh Sơn tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ (năm 2020), tập trung giải quyết bài toán thiết kế, chế tạo và điều khiển một robot di động đa hướng phục vụ việc vẽ quỹ đạo trên mặt phẳng.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống robot di chuyển đa hướng sử dụng 4 bánh xe Omni và phân tích động học của cơ cấu chuyển động.
2. Thiết kế và gia công phần cứng cơ khí cho mô hình robot, bao gồm kết cấu khung thân và bộ phận công tác nâng hạ bút theo trục Z.
3. Thiết kế, chế tạo bo mạch điều khiển trung tâm dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino, tích hợp mạch đệm công suất điều khiển động cơ bước và module truyền thông không dây.
4. Lập trình hệ thống điều khiển tiếp nhận mã lệnh G-code từ máy tính thông qua phần mềm truyền thông nối tiếp và phát triển ứng dụng điều khiển từ xa trên thiết bị di động chạy hệ điều hành Android.
5. Thử nghiệm thực tế khả năng di chuyển và độ chính xác của robot khi vẽ các hình học cơ bản (hình vuông, hình tam giác, hình ngôi sao) và biên dạng chữ/logo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Robot di động đa hướng 4 bánh Omni trang bị cơ cấu vẽ bút, mạch vi điều khiển Arduino và giao tiếp không dây Bluetooth.
• Phạm vi không gian và điều kiện hoạt động: Robot hoạt động trên các bề mặt phẳng, khô ráo, có độ bám dính tốt, không bị sụt lún, không có cát bụi và không bị gồ ghề; cự ly truyền thông Bluetooth hiệu quả và ổn định trong phạm vi 10 m (không có vật cản lớn).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình động học

Cơ sở lý thuyết cốt lõi của đề tài là mô hình toán học và phân tích động học của robot 4 bánh Omni bố trí đối xứng. Cấu tạo thân robot gồm 4 bánh xe được lắp đặt sao cho trục của mỗi bánh hướng thẳng vào tâm hình học của robot, các trục bánh xe từng đôi một tạo với nhau một góc $90^\circ$, và khoảng cách từ tâm robot đến mỗi bánh xe là $l$.

Gọi $(O, x, y)$ là hệ tọa độ toàn cục, $\theta$ là góc lệch của robot so với trục tọa độ toàn cục, $v$ là vận tốc tịnh tiến dọc, $v_n$ là vận tốc tịnh tiến theo phương pháp tuyến, và $\omega$ là vận tốc góc của thân robot. Vận tốc dài tại điểm tiếp xúc của bánh xe thứ $i$ được xác định theo công thức: $$v_i = \omega_i \cdot r \quad (i = 1, 2, 3, 4)$$ (trong đó $r$ là bán kính bánh xe Omni và $\omega_i$ là vận tốc góc của bánh xe thứ $i$).

Mối liên hệ giữa vận tốc trong hệ tọa độ toàn cục và hệ tọa độ gắn trên thân robot được biểu diễn qua ma trận biến đổi: $$\begin{bmatrix} \dot{x} \ \dot{y} \ \dot{\theta} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos\theta & -\sin\theta & 0 \ \sin\theta & \cos\theta & 0 \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v \ v_n \ \omega \end{bmatrix}$$

Hệ phương trình xác định vận tốc của robot $(v, v_n, \omega)$ thông qua vận tốc dài của 4 bánh xe ($v_1, v_2, v_3, v_4$) có dạng ma trận: $$\begin{bmatrix} v \ v_n \ \omega \end{bmatrix} = r \cdot \begin{bmatrix} \frac{\sqrt{2}}{4} & -\frac{\sqrt{2}}{4} & -\frac{\sqrt{2}}{4} & \frac{\sqrt{2}}{4} \ \frac{\sqrt{2}}{4} & \frac{\sqrt{2}}{4} & -\frac{\sqrt{2}}{4} & -\frac{\sqrt{2}}{4} \ \frac{1}{4l} & \frac{1}{4l} & \frac{1}{4l} & \frac{1}{4l} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v_1 \ v_2 \ v_3 \ v_4 \end{bmatrix}$$

Phân tích động học được xây dựng dựa trên các giả định: bánh xe không bị trượt theo hướng chuyển động, bỏ qua ma sát không cùng hướng tác dụng, ma sát trên trục và hộp số là ma sát nhớt thuần túy, và bỏ qua hằng số thời gian quá độ của động cơ điện.

Phương pháp nghiên cứu

1. Phương pháp mô phỏng và thiết kế kỹ thuật (CAD/EDA): Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để dựng mô hình 3D, tính toán kết cấu cơ khí và xuất bản vẽ gia công 2D chi tiết. Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và layout mạch in (PCB) cho bo mạch điều khiển.
2. Phương pháp thiết kế chuỗi công cụ phần mềm (Toolchain Integration): Kết hợp Inkscape (thiết kế đồ họa vector), SheetCam (tạo đường chạy dao và xuất tập lệnh G-code), CoolTerm (gửi file G-code qua cổng truyền thông nối tiếp Bluetooth) và MIT App Inventor (lập trình giao diện điều khiển robot trên hệ điều hành Android).
3. Phương pháp thực nghiệm chế tạo và đánh giá: Gia công cắt gọt mica, lắp ráp cơ khí chính xác, hàn mạch điện tử, nạp chương trình điều khiển qua Arduino IDE và kiểm thử độ chính xác vẽ các biên dạng hình học trên giấy.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni được thiết kế và chế tạo bao gồm 3 phân hệ chính: cơ khí, điện tử điều khiển và phần mềm.

Thiết kế cơ khí

Kết cấu cơ khí của robot gồm các thành phần chi tiết:

• Tấm đế (Base plate): Gia công bằng vật liệu mica hình vuông kích thước $15 \times 15\text{ cm}$, độ bền cơ học cao, dùng làm giá đỡ định vị 4 cụm động cơ, khối nguồn pin 12V, cụm trục Z và 4 trụ nhôm định hình.
• Tấm nắp (Top plate): Gia công bằng mica có độ dày 8 mm, liên kết với tấm đế thông qua 4 thanh nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$ ở 4 góc, tạo thành khung thân hộp kín bảo vệ bo mạch và linh kiện điện tử.
• Cụm di động đa hướng: Sử dụng 4 bánh xe Omni bằng nhựa đường kính 58 mm, lắp vuông góc từng đôi một ($90^\circ$), kết nối trực tiếp với trục của 4 động cơ bước thông qua gá đỡ thép định vị động cơ giảm tốc 550.
• Bộ phận công tác (Trục Z): Gồm 2 thanh trượt kim loại song song định vị một ổ trượt bằng vật liệu tấm Alu giữ bút vẽ. Cụm trượt sử dụng 1 lò xo để tạo lực tì đầu bút xuống mặt giấy và 1 động cơ servo để kéo/nâng hạ ổ trượt theo phương thẳng đứng.

Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

• Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển trên bo mạch Arduino nhận lệnh từ thiết bị ngoại vi và tính toán số bước phát xung điều khiển các động cơ.
• Khối chấp hành: 4 động cơ bước 28BYJ-48 (5 dây, 4 pha) điều khiển chuyển động của 4 bánh Omni, kết hợp với các mạch đệm khuếch đại đảo ULN2003 (hoặc module L298) để cấp dòng cho từng cuộn dây động cơ. 1 động cơ RC Servo điều khiển vị trí nâng/hạ của bút vẽ.
• Khối truyền thông: Module Bluetooth HC-06 hoạt động trên dải tần 2.4 GHz, thiết lập giao tiếp UART (chân TX/RX) với vi điều khiển Arduino để nhận dữ liệu G-code từ máy tính hoặc mã điều khiển từ điện thoại thông minh.
• Khối nguồn: Sử dụng khối pin sạc Lithium-ion 18650 ghép nối cấp điện áp danh định 12V DC cho toàn bộ hệ thống động lực và mạch vi điều khiển.

Hạng mục linh kiện	Thông số / Chủng loại kỹ thuật	Chức năng trong hệ thống
Vi điều khiển	Nền tảng Arduino (ATmega328P)	Xử lý logic, giải mã G-code và điều khiển phát xung
Động cơ truyền động	04 Động cơ bước 28BYJ-48 (5V DC)	Điều khiển độc lập vận tốc và góc quay 4 bánh Omni
Mạch đệm công suất	Module mạch tích hợp ULN2003	Đệm dòng và kích đóng ngắt các cuộn pha động cơ bước
Động cơ nâng hạ bút	Động cơ RC Servo	Nâng và hạ cụm ổ trượt mang bút theo trục Z
Bánh xe di chuyển	04 Bánh xe Omni nhựa $\varnothing 58\text{ mm}$	Di chuyển đa hướng tự do trên mặt phẳng $Oxy$
Module không dây	Module Bluetooth HC-06 (UART, 2.4 GHz)	Nhận dữ liệu truyền thông không dây tầm ngắn
Khung thân kết cấu	Mica (đế $15\times15\text{ cm}$, nắp 8 mm), nhôm $20\times20\text{ mm}$	Chịu lực và định vị toàn bộ các cụm linh kiện
Nguồn cấp	Khối pin sạc Li-ion 18650 (12V DC)	Cung cấp năng lượng di động cho động cơ và bo mạch

Chuỗi công cụ phần mềm và quy trình điều khiển

Quy trình tạo hình và điều khiển vẽ được thiết lập đồng bộ qua các phần mềm:

1. Thiết kế hình ảnh (Inkscape): Vẽ các đối tượng vector, chuyển đổi văn bản và hình học sang dạng đường bao (Path) thông qua các lệnh trong menu Path và File.
2. Biên dịch mã gia công (SheetCam): Nhập file vector từ Inkscape, thiết lập các thông số dao/bút vẽ, đường cắt và cấu hình xuất ra tập tin mã lệnh G-code tiêu chuẩn (chứa các lệnh di chuyển $G00, G01$ và điều khiển trục $Z$).
3. Phần mềm truyền G-code trên máy tính (CoolTerm): Thiết lập kết nối cổng COM ảo qua Bluetooth với module HC-06, sử dụng tính năng Send Textfile trong tab Connection để truyền tuần tự từng dòng mã G-code tới Arduino.
4. Phần mềm điều khiển trên Smartphone (MIT App Inventor): Xây dựng ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android, cung cấp giao diện dò tìm thiết bị Bluetooth, kết nối với robot và gửi các phím lệnh điều hướng trực tiếp (tiến, lùi, quay, dịch chuyển ngang).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu và lược sử phát triển của công nghệ robot từ các cánh tay máy đầu tiên (Goertz, General Mills, Devol, Engelberger) đến các hệ thống robot tự hành hiện đại (xe thám hiểm Lunokhod, robot Shakey). Tác giả khảo sát các ứng dụng tiêu biểu của robot công nghiệp trong hàn điểm, phun sơn, gắp đặt chi tiết và lắp ráp.

Đặc biệt, chương này tiến hành phân tích hai mô hình nghiên cứu tiền nhiệm sử dụng bánh xe Omni:

• Mô hình Xe robot 4 bánh Omni đa hướng - Arduino 10020: Ưu điểm là cơ cấu gọn nhẹ, di chuyển linh hoạt; tuy nhiên khuyết điểm là cấu trúc cơ khí thô sơ, linh kiện bố trí chưa cân đối, động cơ công suất nhỏ và chỉ điều khiển bằng cách nạp code cố định, chưa có khả năng điều khiển không dây từ xa.
• Đề tài Nghiên cứu chế tạo robot di động đa hướng: Sử dụng kiến trúc 1 mạch Master (Arduino Uno R3) và 4 mạch Slave (Arduino Nano), kết hợp cảm biến siêu âm SRF05 và Bluetooth HC-06; tuy nhiên nhược điểm là kích thước bánh xe nhỏ làm giảm độ ổn định, hệ thống mạch phức tạp và kết cấu cơ khí chưa tối ưu.

Từ việc phân tích các tồn tại trên, tác giả đề xuất phương án thiết kế mô hình robot vẽ 4 bánh Omni với khung vỏ mica chắc chắn, tối ưu hóa mạch điều khiển gom về một bo vi điều khiển trung tâm và tích hợp điều khiển kép qua máy tính (G-code) và điện thoại thông minh (Android).

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 tập trung xác lập các tiêu chuẩn vận hành kỹ thuật cho robot, giới thiệu các nền tảng công nghệ được lựa chọn và giải bài toán động học:

• Tiêu chuẩn vận hành: Xác định rõ yêu cầu về mặt bằng di chuyển phẳng, giới hạn chống nước (robot chưa có chuẩn kháng nước), và phạm vi truyền nhận tín hiệu Bluetooth ổn định trong bán kính 10 m.
• Công nghệ nền tảng: Giới thiệu cấu trúc phần cứng vi điều khiển Arduino, cấu trúc chương trình mẫu với hai hàm cơ bản void setup() và void loop(); tổng quan kiến trúc hệ điều hành Android và lịch sử phát triển các phiên bản (từ Android 1.1 đến Android 11); đặc tính sóng vô tuyến Bluetooth 2.4 GHz, các thế hệ chuẩn Bluetooth (từ 1.0, 2.0+EDR đến 4.2), cùng 4 trạng thái hoạt động trong mạng Piconet (Inquiring, Inquiry scanning, Paging, Page scanning).
• Phân tích động học: Thiết lập hệ phương trình ma trận động học chuyển đổi giữa vận tốc bánh xe và vận tốc toàn cục của robot 4 bánh Omni bố trí vuông góc, làm cơ sở lý thuyết cho việc tính toán điều khiển chuyển động.

Chương 3: Thiết kế mô hình robot

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật triển khai thực tế của đề tài:

• Thiết kế cơ khí: Trình bày chi tiết bản vẽ thiết kế 3D/2D bằng phần mềm Inventor; cấu tạo chi tiết tấm đế mica $15\times15\text{ cm}$, tấm nắp mica dày 8 mm, hệ thống giá đỡ thép cho động cơ bước, 4 bánh Omni 58 mm, và cụm cơ cấu trượt nâng hạ bút tích hợp lò xo định hướng và động cơ servo.
• Thiết kế mạch điện: Trình bày sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý và layout mạch in thực hiện trên phần mềm Proteus; kết nối chân giữa Arduino với module ULN2003, động cơ bước 28BYJ-48, module Bluetooth HC-06, động cơ RC Servo và khối pin Li-ion 18650.
• Lập trình và tích hợp phần mềm: Hướng dẫn cấu hình phần mềm đồ họa Inkscape để xử lý nét vẽ; phần mềm SheetCam để tạo công cụ, thiết lập đường chạy và xuất G-code; cấu hình phần mềm CoolTerm trên máy tính (thiết lập Baudrate, cổng COM, tùy chọn truyền ký tự/text file); và thiết lập các khối lệnh kéo thả trên nền tảng MIT App Inventor để tạo giao diện điều khiển robot qua điện thoại.

Chương 4: Kết quả và hướng phát triển

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau quá trình chế tạo và tích hợp:

• Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng robot vẽ di chuyển bằng 4 bánh Omni theo đúng kích thước và bản vẽ thiết kế, hệ thống hoạt động đồng bộ với nguồn pin di động 12V.
• Ứng dụng điều khiển trên Android kết nối thành công qua Bluetooth, thực hiện chính xác các chuyển động điều hướng cơ bản.
• Phần mềm máy tính truyền thành công các file mã lệnh G-code sang Arduino để robot tự động di chuyển và vẽ được các biên dạng thực tế gồm: hình vuông, hình tam giác, hình ngôi sao năm cánh, các mẫu chữ cái và logo đồ họa.
• Đánh giá các sai lệch thực nghiệm: phân tích một số nét vẽ bị lỗi hoặc biến dạng cục bộ do hiện tượng trượt cơ học của bánh xe Omni trên bề mặt tiếp xúc, hoặc sai số phát sinh khi chuyển hướng đột ngột giữa các bước động cơ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Hoàn thiện mô hình vật lý: Chế tạo thành công mô hình robot 4 bánh Omni với kết cấu khung thân mica vững chắc, kích thước nhỏ gọn ($15\times15\text{ cm}$), bảo vệ an toàn các cụm mạch điện tử và pin nguồn bên trong.
2. Kiểm soát chuyển động đa hướng: Ứng dụng thành công mô hình động học 4 bánh Omni vuông góc, cho phép robot tịnh tiến theo mọi phương và tự xoay góc linh hoạt trên mặt phẳng làm việc mà không cần đổi hướng bánh xe.
3. Thực thi bản vẽ tự động theo G-code: Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi xử lý dữ liệu từ ảnh vector (Inkscape) sang mã G-code (SheetCam) và truyền phát không dây (CoolTerm qua Bluetooth). Robot đã vẽ thành công các mẫu thử nghiệm:
   • Các hình học phẳng: Hình vuông, hình tam giác, hình ngôi sao.
   • Các biên dạng phức tạp: Chữ cái và mẫu logo đồ họa.
4. Hệ thống điều khiển kép: Tích hợp linh hoạt hai phương thức điều khiển: tự động chạy theo file G-code từ máy tính và điều khiển thủ công bằng tay thông qua ứng dụng Android trên điện thoại thông minh.

Đóng góp của đề tài

• Khắc phục được nhược điểm của các mô hình robot Omni nghiên cứu trước đó: cấu trúc cơ khí được bao kín thẩm mỹ, giảm độ phức tạp phần cứng bằng việc sử dụng một vi điều khiển Arduino trung tâm thay vì hệ thống Master-Slave cồng kềnh.
• Chứng minh tính khả thi của giải pháp mở rộng không gian làm việc vô hạn cho các cơ cấu tạo hình 2D, không còn bị phụ thuộc vào kích thước khung bàn máy như các máy CNC truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hiện tượng trượt bánh: Bánh xe Omni nhựa 58 mm có độ bám dính hạn chế; khi di chuyển trên bề mặt quá trơn nhẵn hoặc có độ ma sát không đồng đều, hiện tượng trượt bánh xảy ra gây sai lệch vị trí tích lũy, dẫn đến méo mó ở một số nét vẽ phức tạp.
• Động lực học và công suất: Động cơ bước 28BYJ-48 có công suất và mô-men xoắn nhỏ, vận tốc di chuyển chậm, chưa đáp ứng được các yêu cầu mang tải nặng hơn.
• Hệ thống điều khiển vòng hở: Hệ thống chưa trang bị cảm biến hồi tiếp vị trí (Encoder hoặc cảm biến quang học mặt sàn), toàn bộ chuyển động phụ thuộc vào việc đếm xung bước hở, do đó không tự hiệu chỉnh được sai số quỹ đạo khi xảy ra trượt.
• Phạm vi môi trường: Robot chưa có khả năng chống bụi và chống nước, chỉ hoạt động được trên bề mặt phẳng tiêu chuẩn trong cự ly Bluetooth dưới 10 m.

Hướng nghiên cứu tiếp

1. Thay thế động cơ bước 28BYJ-48 bằng các dòng động cơ bước có công suất lớn hơn hoặc động cơ DC Servo có gắn Encoder hồi tiếp vị trí vòng kín để triệt tiêu sai số trượt.
2. Nâng cấp đường kính bánh xe Omni và sử dụng vật liệu con lăn có hệ số ma sát cao hơn (cao su bám dính) nhằm tăng độ ổn định khi chuyển hướng.
3. Mở rộng bộ phận công tác: thay thế cụm bút vẽ bằng đầu khắc Laser mini hoặc đầu trục chính phay gia công (Spindle) công suất nhỏ để ứng dụng trong cắt, khắc vật liệu phi kim.
4. Tích hợp thuật toán bù sai số động học và mở rộng phạm vi điều khiển thông qua mạng không dây Wi-Fi (ESP32/ESP8266) hoặc giao thức IoT.

Giá trị tham khảo

Tài liệu tiểu luận tốt nghiệp này cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo trực quan về phương pháp phân tích động học robot di động 4 bánh Omni, quy trình thiết kế cơ khí trên Autodesk Inventor và thiết kế mạch điện tử trên Proteus.
• Người nghiên cứu các hệ thống CNC mini và mã nguồn mở: Cung cấp giải pháp mẫu hoàn chỉnh về chuỗi công cụ (Toolchain) chuyển đổi từ ảnh đồ họa sang G-code và phương thức truyền file qua giao tiếp nối tiếp không dây tới vi điều khiển Arduino.
• Các đề tài phát triển xe tự hành: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp lập trình điều khiển động cơ bước qua module ULN2003 và xây dựng giao diện điều khiển trên nền tảng MIT App Inventor cho hệ điều hành Android.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot trong đề tài sử dụng loại bánh xe gì và bố trí hình học như thế nào?
Robot sử dụng 4 bánh xe Omni bằng nhựa có đường kính 58 mm. Bốn bánh xe được lắp đặt sao cho trục của mỗi bánh hướng thẳng vào tâm của robot và các trục bánh xe từng đôi một tạo với nhau một góc vuông $90^\circ$.

2. Bộ phận công tác nâng hạ bút (trục Z) có kết cấu hoạt động ra sao?
Bộ phận công tác gồm 2 thanh trượt kim loại song song cố định hai đầu, một ổ trượt bằng tấm Alu mang bút vẽ có thể trượt dọc theo hai thanh trượt. Cơ cấu sử dụng 1 lò xo để tạo lực nén tì đầu bút xuống bề mặt giấy và sử dụng 1 động cơ RC Servo để nâng/hạ ổ trượt theo phương thẳng đứng.

3. Chuỗi phần mềm nào được sử dụng để chuyển đổi hình vẽ thành chuyển động của robot?
Chuỗi công cụ gồm 3 phần mềm chính: Inkscape (xử lý và xuất định dạng vector Path), SheetCam (tính toán đường chạy và biên dịch sang tập lệnh G-code), và CoolTerm (kết nối cổng COM Bluetooth để gửi file G-code dạng văn bản sang bo mạch Arduino).

4. Khung vỏ và kích thước cơ bản của robot được chế tạo từ vật liệu gì?
Tấm đế robot được gia công từ mica hình vuông kích thước $15 \times 15\text{ cm}$, tấm nắp làm từ mica có độ dày 8 mm, và hai phần này được liên kết cứng vững với nhau bằng 4 thanh nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$ bố trí tại 4 góc.

5. Phạm vi điều khiển không dây qua Bluetooth của robot đạt hiệu quả trong khoảng cách bao xa?
Qua thử nghiệm thực tế với module Bluetooth HC-06 kết nối với các dòng điện thoại thông minh khác nhau, khoảng cách kết nối duy trì hoạt động ổn định và chính xác tối đa trong phạm vi bán kính 10 m (không có vật cản lớn).

Kết luận

Tiểu luận tốt nghiệp "Chế tạo robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni" của tác giả Nguyễn Hữu Tài đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công một mô hình robot di động đa hướng phục vụ vẽ đồ họa 2D trên mặt phẳng. Công trình đã hiện thực hóa mô hình toán động học 4 bánh Omni, tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành động cơ bước với nền tảng điều khiển Arduino và truyền thông Bluetooth. Kết quả thử nghiệm đã chứng minh khả năng di chuyển linh hoạt và thực thi chính xác các bản vẽ hình học, chữ viết theo mã lệnh G-code, tạo nền tảng ứng dụng thiết thực cho các hướng mở rộng gia công cắt khắc laser trong kỹ thuật cơ điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN dẫn của thầy Đường Khánh Sơn, em đã chọn đề tài “Chế tạo Robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni” cho tiểu luận tốt nghiệp của mình. Mục đích của đề tài Xuất phát từ những ưu điểm của robot nên em đã tìm hiểu, nghiên xây dựng mô hình thực tế “Chế tạo Robot vẽ di chuyển bằng bánh Omni” phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu và sáng tạo. Hơn nữa còn có thể nâng cao sự sáng tạo cho các loại robot dùng bánh xe Omni từ di chuyển đơn sơ, cấu tạo chưa hoàn thiện, sang một sản phẩm giúp ít được cho công việc và có độ chắc chắn hơn. Cụ thể hơn là xây dựng bộ não trên vi điều khiển được tích hợp sẵn trong Arduino, áp dụng kiến thức đã học để lập trình cho Arduino bằng ngôn ngữ Arduino (được xây dựng trên ngôn ngữ C), để biên dịch chương trình và nạp chương trình lên board bằng phần mềm Arduino IDE.

Tìm hiểu về Gcode cho máy CNC, giao tiếp tín hiệu thông qua kết nôi Bluetooth, áp dụng cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển số vào việc nghiên cứu và giải quyết bài toán điều khiển robot vẽ bốn bánh xe Omni một cách linh hoạt với độ chính xác cao là một công việc cần thiết. Lịch sử hình thành và phát triển Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ Robota - theo tiếng Tiệp Khắc có nghĩa là công việc lao dịch. Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy.

Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu SVTH: Nguyễn Hữu Tài Trang 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.

Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric. Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 1. Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod. SVTH: Nguyễn Hữu Tài Trang 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.

Robot này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng. Robot Shakey-robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera. Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Massachusetts (Hoa Kỳ).