CHƯƠNG 1: TNG QUAN MÔ HÌNH CNH TAY ROBOT BẬC 3 1.1 Lịch sử hình th7nh robot Khái nim về robot lần đầu tiên xuất hin vo ngy 09/10/1922 tại New York, khi nh soạn kịch người Tip Kh Karen Kapek đã tưởng tượng ra mt cỗ máy hoạt đng tự đng, điều ny phản ánh niềm mơ ước của con người lúc bấy giờ. Từ đ, Q tưởng thiết kế v chế tạo robot đã không ngừng thúc đẩy con người. Vo năm 1948, tại phòng thí nghim quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thnh công tay máy đôi (master-slave manipulator). Đến năm 1954, Goertz tiếp tục phát triển tay máy đôi s dụng đng cơ servo, c khả năng nhn biết lực tác đng lên khâu cuối.
Năm 1956, hãng General Mills đã chế tạo tay máy để thực hin nhim vụ thám hiểm đại dương. Mosher của General Electric đã chế tạo mt cỗ máy biết đi bằng bốn chân, vn hnh bằng đng cơ đốt trong v h thống servo thủy lực cho từng chân. Năm 1969, Đại hc Stanford đã thiết kế được robot tự hnh nhờ nhn dạng hình ảnh.1 Robot Shakey Năm 1970 con người đã chế tạo được Robot tự hnh Lunokohod, thám hiểm bề mặt của mặt trăng. Trong giai đoạn ny, ở nhiều nước khác cũng tiến hnh công tác nghiên cứu tương tự, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính c lắp đặt các loại cảm biến v thiết bị giao tiếp người v máy.
Robot hn điểm Hình 1. Robot phẫu thut Theo sự tiến b của khoa hc k thut, các Robot ngy cng được chế tạo nhỏ gn hơn, thực được nhiều chức năng hơn, thông minh hơn. Mt lĩnh vực được nhiều nước quan tâm l các Robot tự hnh, các chuyển đng của chúng ngy cng đa dạng, bắt chước các chuyển đng của chân người hay các loi đng vt như : bò sát, đng vt 4 chân, … Trong bối cảnh ny, cánh tay robot bc 3 (3 DOF robotic arm) đng mt vai trò quan trng, vì n c ba bc tự do cho phép thực hin các chuyển đng đa dạng v linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong sản xuất v nghiên cứu.2 Giới thiệu đ5 t7i: Cánh tay robot l mt trong những thnh phần quan trng v phổ biến nhất trong h thống robot công nghip hin đại. Với khả năng mô phỏng chuyển đng của cánh tay con người, cánh tay robot đã trở thnh công cụ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, y tế, v nghiên cứu khoa hc.
Đặc bit, cánh tay robot bc 3, với ba bc tự do, cho phép thực hin các chuyển đng linh hoạt v chính xác hơn, đáp ứng nhu cầu ngy cng cao về tự đng ha trong các quy trình phức tạp.4 (3 DOF robotic arm) Đề ti "Chế tạo cánh tay robot bc 3" tp trung vo vic nghiên cứu v phát triển mt mô hình cánh tay robot c khả năng thực hin các nhim vụ cụ thể, như gắp, đặt, v thao tác trong không gian ba chiều. Nghiên cứu ny không chỉ đng gp vo vic nâng cao kiến thức về cơ cấu hc v điều khiển robot, m còn mở ra các ứng dụng thực tiSn quan trng trong công nghip, từ dây chuyền sản xuất tự đng đến h thống robot hỗ trợ y tế v các ứng dụng dịch vụ. Đề ti bao gồm các ni dung chính: phân tích các yêu cầu k thut của cánh tay robot bc 3, thiết kế v mô phỏng các thnh phần cơ khí, lp trình điều khiển để cánh tay thực hin các chuyển đng mong muốn, v th nghim đánh giá hiu quả của mô hình. Thông qua nghiên cứu ny, nhm tác giả kỳ vng sẽ đng gp vo vic phát triển các giải pháp robot tiên tiến, giúp nâng cao năng suất v hiu quả trong nhiều lĩnh vực ứng dụng.3 Lý do chọn đ5 t7i TOnh ứng dụng cao: Cánh tay robot bc 3 c khả năng thực hin các tác vụ phức tạp trong công nghip v đời sống, nâng cao hiu suất v giảm rủi ro cho con người.
Phát triển công nghệ tự động hóa: Nghiên cứu ny gp phần vo vic cải tiến các h thống tự đng ha, đáp ứng nhu cầu ngy cng tăng của các ngnh công nghip. Nâng cao kỹ năng chuyên môn: Đề ti yêu cầu sự kết hợp của nhiều lĩnh vực k thut, giúp phát triển kiến thức v k năng trong cơ khí, đin t v điều khiển tự đng. Ti5m năng phát triển: Cánh tay robot bc 4 l bước đm cho nghiên cứu các h thống robot phức tạp hơn trong tương lai, với nhiều ứng dụng tiềm năng.4 Mục tiêu của chế tạo cánh tay robot bậc 3 Nghiên cứu ny nhằm mục tiêu thiết kế v chế tạo mt cánh tay robot bc 4 với các đặc điểm sau: -Khả năng hoạt đng linh hoạt trong không gian ba chiều. -Đ chính xác cao trong vic thao tác v di chuyển.
-Tính ổn định v đ bền cao để ứng dụng trong môi trường công nghip. _ Hướng đến khả năng phát triển v cải tiến trong tương lai.5 Ý nghĩa của chế tạo cánh tay robot bậc 3 Ý nghĩa của đề ti "Chế tạo cánh tay robot bc 4" nằm ở nhiều khía cạnh quan trng đối với cả khoa hc công ngh v xã hi. Trước hết, vic nghiên cứu ny gp phần vo sự tiến b của lĩnh vực robot v tự đng ha, nơi những giải pháp k thut tiên tiến đang ngy cng trở nên cần thiết để đáp ứng nhu cầu của các ngnh công nghip hin đại. Cánh tay robot bc 4, với khả năng mô phỏng chuyển đng linh hoạt, không chỉ giúp tối ưu ha quy trình sản xuất m còn c thể ứng dụng rng rãi trong y tế, dịch vụ v nhiều lĩnh vực khác, mang lại những lợi ích thiết thực cho đời sống con người.
Bên cạnh đ, đề ti ny còn c Q nghĩa lớn trong vic phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao. Những người tham gia nghiên cứu sẽ được trang bị kiến thức sâu rng về cơ khí, điều khiển tự đng v lp trình, từ đ nâng cao năng lực chuyên môn v sẵn sng đáp ứng những thách thức trong công vic. Hơn nữa, vic thnh công trong chế tạo cánh tay robot bc 4 sẽ mở ra nhiều cơ hi nghiên cứu mới, đặc bit l trong vic phát triển các h thống robot phức tạp hơn, giải quyết các vấn đề ngy cng phức tạp của tương lai.6 Lựa chọn phần cứng : Các linh kiện v7 thông s3 của chúng: 1/ mạch Arduino Uno R3 DIP kèm cáp: _ Giá tiền: 239,000 đồng _ Vi điều khiển: AT mega328 h 8 bit _ Đin áp hoạt đng: 5V-12V ( khuyên dùng) _Tần số hoạt đng: 16 MHz _Dòng tiêu thụ: khoảng 30 mA _Đin áp vo giới hạn: 19V DC _Số chân Digital I/O:14 ( 6 chân PWM) _Số chân Analog: 6 ( đ phân giải 10 bit) _Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA _Dòng ra tối đa ( 5V): 500 mA _Dòng ra tối đa (3.3V): 50mA _B nhớ Flash: 32kB với 0.5 kB dùng bởi Blootloader _SRAM: 2kB _EEPROM: 1kB† _Khối lượng: 25 gram Hình 1.1: mô tả kích thước nhỏ gn của Arduino Uno Arduino l mt bo mạch vi x lQ được dùng để lp trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, đng cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. 2/mô hình cánh tay robot bậc 3 _ giá tiền: 102,000 đồng + S3 bậc tự do (Degrees of Freedom - DOF) 4 bậc tự do (4 DOF): o 3 bc tự do cho chuyển đng xoay v di chuyển của các khớp chính.
o 1 bc tự do cho điều khiển đầu gắp (end-effector). + Tầm với (Reach) Chi5u d7i t3i đa của cánh tay: Tùy thuc vo mô hình, nhưng c thể dao đng từ 30 cm đến 100 cm hoặc hơn. Phạm vi hoạt động: Không gian m cánh tay c thể tiếp cn, thường được tính theo bán kính từ gốc của cánh tay. + Độ chOnh xác (Accuracy) Độ chOnh xác vị trO: ±0.1 mm đến ±1 mm.
Độ lặp lại: Khả năng trở về cùng mt vị trí sau nhiều lần di chuyển, thường l ±0. + T3c độ (Speed) T3c độ của các khớp: Thường dao đng từ 100 đến 500 đ/giây. T3c độ di chuyển của đầu gắp: C thể dao đng từ 200 mm/giây đến 1000 mm/giây. + Phạm vi góc quay của các khớp Khớp 1 (Base rotation): Thường c thể xoay từ -180° đến 180°.
Khớp 2 (Shoulder): Thường c thể di chuyển từ -90° đến 90°. Khớp 3 (Elbow): Từ -90° đến 90° hoặc tùy thuc vo thiết kế. Khớp 4 (Wrist rotation): C thể xoay từ -180° đến 180° hoặc hơn. +Hệ th3ng truy5n động Động cơ: o Servo motors hoặc stepper motors phổ biến cho các khớp.
o Mô-men xoắn (Torque): Thường nằm trong khoảng 1 N·m đến 10 N·m cho mỗi khớp, tùy thuc vo kích thước v tải trng. Hệ th3ng dẫn động: Thường s dụng truyền đng bánh răng hoặc đai. + Hệ th3ng đi5u khiển Phương pháp đi5u khiển: PID, điều khiển thích nghi, hoặc điều khiển mờ. Giao diện đi5u khiển: C thể được điều khiển qua phần mềm trên máy tính (MATLAB, ROS, hoặc các h thống tự phát triển), hoặc điều khiển trực tiếp thông qua b điều khiển.
Cảm biến: Cảm biến vị trí (encoder/quang hc), cảm biến lực (đối với các ứng dụng yêu cầu cảm nhn lực). + NguNn điện Điện áp: Thường từ 12V đến 24V DC, phụ thuc vo đng cơ v h thống điều khiển. Công suất tiêu thụ: Thường dao đng từ 50W đến 200W tùy thuc vo tải trng v kích thước của cánh tay. + KOch thước v7 trọng lượng KOch thước tổng thể: Cánh tay robot nhỏ gn c chiều cao từ 30 cm đến 60 cm; cánh tay lớn hơn c thể cao hơn 1m.
Trọng lượng: Từ vi kg cho mô hình nhỏ đến 50 kg hoặc hơn cho robot công nghip. + Giao tiếp Giao thức: UART, I2C, hoặc CAN bus, tùy thuc vo h thống điều khiển. Kết n3i: C thể s dụng cáp USB, Wi-Fi, hoặc Ethernet để kết nối với máy tính. Hình ảnh cánh tay robot 3/ Động cơ servo SG90 _ Giá tiền:108,000 đồng Đng cơ servo SG90 l loại đng cơ servo nhỏ, giá rẻ v phổ biến trong các dự án robot v Arduino.
Dưới đây l các thông số k thut cơ bản của đng cơ servo SG90: Điện áp hoạt động: 4.09 giây/60 đ tại 6V Momen xoắn t3i đa: o 1.8 kg·cm tại 4.2 kg·cm tại 6V Góc quay: 0° - 180° Trọng lượng: Khoảng 9g KOch thước: 22.8mm x 31mm Loại động cơ: Servo DC nhỏ với điều khiển vị trí gc Đng cơ ny thường được s dụng cho các ứng dụng điều khiển gc đơn giản, như trong các mô hình máy bay, xe điều khiển hoặc các cánh tay robot nhỏ.