Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trình tự động hóa trong sản xuất và đời sống. Trong xu thế đó, robot công nghiệp và các cơ cấu tay máy giữ vai trò trung tâm nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính ổn định và giải phóng sức lao động của con người khỏi các môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm. Xu hướng nghiên cứu cánh tay robot hiện nay không chỉ dừng lại ở các dây chuyền gia công cơ khí, hàn, sơn hay đóng gói mà còn mở rộng sang các lĩnh vực như y tế, phục vụ và các ứng dụng dân dụng đòi hỏi khả năng điều khiển linh hoạt, cấu trúc gọn nhẹ và chi phí chế tạo hợp lý.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và điều khiển cánh tay Robot 6 bậc" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Năng Nam Hải và Vũ Văn Hiệp, thuộc Bộ môn Cơ Điện Tử, Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Đức An. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu toàn diện từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế cơ khí, mô phỏng động học - động lực học cho đến chế tạo mô hình thực nghiệm cánh tay robot và xây dựng hệ thống điều khiển không dây qua ứng dụng di động.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các mục tiêu sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử, cấu trúc, phân loại và các phương pháp điều khiển cánh tay robot công nghiệp.
  2. Xây dựng mô hình hình học, thiết lập hệ tọa độ và tính toán chính xác bài toán động học thuận, động học ngược dựa trên phương pháp Denavit – Hartenberg.
  3. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động bằng phương pháp Lagrange nhằm giải quyết bài toán động lực học của hệ thống.
  4. Quy hoạch và thiết kế quỹ đạo chuyển động điểm - điểm trong không gian khớp theo quy luật vận tốc hình thang cân.
  5. Thiết kế kết cấu cơ khí 3D, lựa chọn vật liệu in 3D (nhựa ABS), tính chọn hệ thống dẫn động (động cơ bước, bộ truyền puly - đai răng, khớp nối mềm).
  6. Thiết kế phần cứng điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560, mạch mở rộng RAMPS 1.4, module điều khiển DRV8825 và module truyền thông Bluetooth HC-05.
  7. Xây dựng ứng dụng điều khiển trên điện thoại thông minh bằng nền tảng App Inventor và mô phỏng đánh giá chất lượng điều khiển PID trên Matlab/Simulink.
  8. Chế tạo mô hình thực nghiệm, kiểm tra khả năng vận hành và đánh giá sai số góc quay của các trục với yêu cầu sai số cho phép không vượt quá 2°.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot dạng chuỗi động học hở gồm khung tay máy 5 bậc tự do kết hợp cơ cấu tay kẹp chấp hành cuối (tổng thể cấu hình 6 bậc vận hành).
  • Phạm vi không gian và giới hạn kỹ thuật: Tầm với cực đại của robot là 0,535 m (535 mm); chiều cao tổng thể đạt 840 mm (720 mm khi không tính tay kẹp); độ mở tay kẹp 80 mm; kết cấu các khâu được chế tạo bằng phương pháp in 3D nhựa ABS đặt trên đế gỗ kích thước rộng 156 mm.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 15/03/2021 và hoàn thành nghiệm thu ngày 28/06/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế và điều khiển cánh tay robot, đồ án áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết cơ học tay máy, lý thuyết điều khiển tự động và các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

  • Khung lý thuyết biểu diễn hình học và động học:

    • Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H): Sử dụng 4 tham số hình học ($q_i, d_i, a_i, \alpha_i$) để xác định ma trận biến đổi thuần nhất $A_i$ giữa hai hệ tọa độ liền kề và ma trận tổng thể $T_5^0$ xác định vị trí, hướng của khâu tác động cuối so với hệ quy chiếu gốc.
    • Phương pháp tách nhóm 3 (tọa độ điểm trung gian $C \equiv O_4$): Kỹ thuật phân rã hệ 6 phương trình lượng giác phi tuyến trong bài toán động học ngược, cho phép giải độc lập 3 biến khớp đầu ($q_1, q_2, q_3$) từ tọa độ điểm $C$, sau đó suy ra các biến khớp cổ tay ($q_4, q_5$).
    • Ma trận Jacobi ($J_T, J_R$): Thiết lập quan hệ vi phân tuyến tính giữa vận tốc dài, vận tốc góc của khâu cuối với vận tốc góc của các biến khớp.

  • Khung lý thuyết động lực học và điều khiển:

    • Phương trình vi phân chuyển động Euler – Lagrange: $$M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + g(q) = Q_{kt}$$ Trong đó $M(q)$ là ma trận khối lượng suy rộng kích thước $5\times5$, $C(q,\dot{q})$ là ma trận ly tâm - Coriolis $5\times5$, $g(q)$ là vector mô men thế năng trọng trường $1\times5$, và $Q_{kt}$ là vector lực/mô men suy rộng tác động lên các khớp.
    • Quy hoạch quỹ đạo không gian khớp: Áp dụng quy luật phân bố vận tốc dạng hình thang cân (chia làm 3 pha: tăng tốc với gia tốc không đổi, chuyển động với vận tốc hằng, giảm tốc với gia tốc âm) nhằm đảm bảo tính liên tục và độ trơn của quỹ đạo chuyển động.
    • Cấu trúc điều khiển phản hồi: Thiết kế bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID số) kết hợp bù trọng lực và mô hình động cơ DC/động cơ bước.

  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:

    • Phương pháp giải tích và mô hình hóa toán học: Thiết lập hệ phương trình hình học, động học và động lực học giải tích bằng phần mềm tính toán hình thức.
    • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng công cụ Matlab và Simulink để mô hình hóa toàn bộ hệ thống động lực học phi tuyến, phân tích quỹ đạo chuyển động, khảo sát đáp ứng vị trí, sai số góc quay và kiểm nghiệm các thông số bộ điều khiển PID.
    • Phương pháp thiết kế - chế tạo thực nghiệm cơ điện tử: Thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks; xuất dữ liệu gia công in 3D chi tiết nhựa ABS; lắp ráp liên kết cơ khí với puly, đai răng, trục, ổ lăn và khớp nối mềm nhôm; tích hợp mạch điều khiển phần cứng Arduino Mega 2560 và RAMPS 1.4.
    • Phương pháp lập trình nhúng và phát triển ứng dụng di động: Lập trình vi điều khiển trên Arduino IDE phát xung điều khiển bước vi bước (microstepping) qua DRV8825; lập trình ứng dụng Android điều khiển qua giao tiếp Bluetooth HC-05 trên nền tảng kéo thả khối MIT App Inventor.

  • Nguồn dữ liệu sử dụng:

    • Bảng thông số cơ tính và khối lượng riêng của vật liệu nhựa ABS trích xuất từ phần mềm SolidWorks.
    • Datasheet thông số kỹ thuật các động cơ bước NEMA (17HS24-1206S, 57HS112-3004A08, 17HS13-0404S, 14HS13-0804S), động cơ servo RC MG995.
    • Datasheet mạch điều khiển DRV8825, Arduino Mega 2560, shield RAMPS 1.4 và module HC-05.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về cánh tay robot

Chương 1 trình bày khái quát lịch sử hình thành và các giai đoạn phát triển của robot công nghiệp từ những năm sau Thế chiến II (George Devol và Joseph Engelberger chế tạo robot đầu tiên tại Unimation năm 1959, General Motors áp dụng robot trên tàu Viking năm 1976, các đột phá về công nghệ vi xử lý từ thập niên 1990). Tác giả phân tích cấu trúc cơ bản của một hệ thống robot hoàn chỉnh bao gồm 4 thành phần chính: Tay máy (Manipulator), Cơ cấu chấp hành (động cơ điện, thủy lực, khí nén), Hệ thống cảm biến (sensor trong nhận biết trạng thái khớp, sensor ngoài nhận biết môi trường), và Hệ thống điều khiển (Controller).

Nội dung phân loại robot được trình bày chi tiết theo 5 tiêu chí:

  1. Theo không gian thao tác: Robot kiểu tọa độ Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu, kiểu SCARA và kiểu tay người (khớp bản lề).
  2. Theo phương thức điều khiển: Điều khiển vòng hở (truyền động bước, độ chính xác phụ thuộc số xung) và điều khiển vòng kín (điều khiển servo dạng điểm - điểm hoặc điều khiển đường contour).
  3. Theo thế hệ công nghệ: Thế hệ thứ nhất (cơ cấu cam, công tắc hành trình, vòng hở), thế hệ thứ hai (vòng kín, cảm biến phản hồi), thế hệ thứ ba (xử lý hình ảnh, cảm biến lực), và thế hệ thứ tư (tối ưu hóa điều kiện biên, tự thích nghi).
  4. Theo hệ thống truyền động: Truyền động điện (DC, Step motor), thủy lực (công suất lớn, phi tuyến), khí nén (gọn nhẹ, chuyên dùng gắp đặt đơn giản).
  5. Theo lĩnh vực ứng dụng: Robot công nghiệp (hàn, sơn, lắp ráp, chuyển phôi) và robot y tế (phẫu thuật chính xác cỡ milimet, xét nghiệm, hỗ trợ phục hồi chức năng).

Chương 2. Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 2 tập trung giải quyết toàn bộ các bài toán cơ sở kỹ thuật cơ khí, động học, động lực học và quy hoạch quỹ đạo cho mô hình cánh tay robot 5 bậc tự do gắn tay kẹp:

  • Thông số hình học và giới hạn chuyển động:

    • Tầm với tối đa: $0,535\text{ m}$; Chiều cao tổng thể có kẹp: $840\text{ mm}$ (không kẹp: $720\text{ mm}$); Chiều rộng chân đế: $156\text{ mm}$; Độ mở tay kẹp: $80\text{ mm}$.
    • Phạm vi góc quay các khớp: Khâu 1: $\pm110^\circ$; Khâu 2: $\pm100^\circ$; Khâu 3: $\pm120^\circ$; Khâu 4: $\pm180^\circ$; Khâu 5: $\pm90^\circ$.

  • Thiết lập bảng thông số Denavit – Hartenberg: Gốc tọa độ được gán lên từng khâu theo quy chuẩn D-H, với các kích thước hình học: $h_1 = 234\text{ mm}$, $h_2 = 221\text{ mm}$, $h_3 = 128\text{ mm}$, $h_4 = 96\text{ mm}$, $h_5 = 130\text{ mm}$ (trong đó $h_{34} = h_3 + h_4 = 224\text{ mm}$).

Khâu ($i$) Biến khớp ($q_i$) Khoảng cách $d_i$ (mm) Chiều dài khâu $a_i$ (mm) Góc xoắn $\alpha_i$ (độ)
1 $q_1^*$ $h_1 = 234$ 0 $90^\circ$
2 $q_2^*$ 0 $h_2 = 221$ 0
3 $q_3^* + 90^\circ$ 0 0 $90^\circ$
4 $q_4^*$ $h_{34} = 224$ 0 $90^\circ$
5 $q_5^*$ 0 $h_5 = 130$ 0

  • Giải bài toán động học thuận và ngược:

    • Động học thuận: Xây dựng các ma trận chuyển đổi tọa độ thuần nhất $A_1, A_2, A_3, A_4, A_5$, nhân liên tiếp để xác định ma trận chuyển đổi từ hệ khâu cuối về hệ gốc $T_5^0 = A_1 A_2 A_3 A_4 A_5$, suy ra tọa độ vị trí khâu cuối $(x_E, y_E, z_E)$ và ma trận cô-sin chỉ hướng $R_5^0$. Xác định ma trận vi phân Jacobian tịnh tiến $J_T$ và Jacobian quay $J_R$.
    • Động học ngược: Sử dụng phương pháp tách nhóm 3 xác định tọa độ điểm trung gian $C \equiv O_4$ qua công thức $p_C = p_E - R_E^0 d$, từ đó giải tích tách biệt các góc $q_1, q_2, q_3$ và tiếp tục suy ra $q_4, q_5$ bằng các hàm lượng giác $\text{atan2}$.

  • Phương trình động lực học: Thiết lập ma trận quán tính $M(q)$, ma trận Coriolis $C(q, \dot{q})$ thông qua hệ số Christoffel $\Gamma_{ijk}$, vector trọng lực $g(q)$ và vector ngoại lực suy rộng $Q_{kt}$ có kể đến trọng lượng vật gắp $m_v$ tại khâu cuối.

  • Thiết kế quỹ đạo không gian khớp: Tính toán quy luật vận tốc hình thang cân nối hai điểm trong không gian làm việc: Điểm A $(0,445; 0,065; 0,347)$ và Điểm B $(0,138; 0,065; 0,665)$ trong thời gian $t_f = 4\text{ s}$ (thời gian tăng tốc $t_a = 1\text{ s}$, duy trì vận tốc hằng $2\text{ s}$, giảm tốc $1\text{ s}$).

    • Khâu 2: Vận tốc cực đại $\dot{q}{2\text{max}} = 0,5236\text{ rad/s}$, gia tốc cực đại $\ddot{q}{2\text{max}} = 0,5236\text{ rad/s}^2$.
    • Khâu 3: Vận tốc cực đại $\dot{q}{3\text{max}} = 0,3491\text{ rad/s}$, gia tốc cực đại $\ddot{q}{3\text{max}} = 0,3491\text{ rad/s}^2$.
    • Khâu 4: Vận tốc cực đại $\dot{q}{4\text{max}} = 0,6981\text{ rad/s}$, gia tốc cực đại $\ddot{q}{4\text{max}} = 0,6981\text{ rad/s}^2$.

  • Tính chọn thiết bị dẫn động và cơ cấu truyền động:

    • Khớp 1: Đai răng tỉ số truyền $14:98 = 1/7$.
    • Khớp 2: Đai răng tỉ số truyền $14:70 = 1/5$.
    • Khớp 3: Đai răng tỉ số truyền $14:56 = 1/4$.
    • Khớp 4: Đai răng tỉ số truyền $14:42 = 1/3$.
    • Nối trục động cơ khâu 3 và khâu 4 sử dụng khớp nối mềm bằng nhôm (đường kính hai đầu $5\text{ mm} - 8\text{ mm}$, chiều dài $25\text{ mm}$).

Chương 3. Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 3 trình bày toàn bộ giải pháp phần cứng, cấu trúc bộ điều khiển, thuật toán vi điều khiển và phần mềm giao diện người - máy:

  • Bộ điều khiển và mô phỏng trên Matlab/Simulink:

    • Thiết kế sơ đồ điều khiển vòng kín cho từng khớp robot, chuyển đổi quỹ đạo từ không gian làm việc sang không gian khớp kết hợp khối tính động học ngược.
    • Sử dụng công cụ mô phỏng để tinh chỉnh các thông số bộ điều khiển PID ($K_p, K_i, K_d$), xuất đồ thị đáp ứng góc quay và đồ thị sai số bám vận tốc góc cho cả 5 khớp.

  • Lựa chọn thiết bị phần cứng điều khiển:

    • Khối xử lý trung tâm: Bo mạch Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560, bộ nhớ Flash 256 KB, 54 chân I/O số, 16 chân ngõ vào tương tự).
    • Khối công suất: Mạch mở rộng RAMPS 1.4 chuyên dụng gắn chồng lên Arduino Mega để phân phối nguồn và tín hiệu điều khiển.
    • Mạch lái động cơ bước: Module DRV8825 hỗ trợ phân giải vi bước lên đến 1/32 bước, tích hợp bảo vệ quá dòng, quá nhiệt.
    • Khối cơ cấu kẹp: Động cơ DC servo MG995 với bộ bánh răng kim loại, tạo lực kẹp chắc chắn.
    • Khối giao tiếp không dây: Module Bluetooth HC-05 hoạt động ở dải tần 2.4 GHz, chuẩn giao tiếp UART nối tiếp với vi điều khiển.

  • Phát triển phần mềm ứng dụng:

    • Lập trình firmware Arduino: Viết mã nguồn C/C++ xử lý giải mã chuỗi lệnh ký tự truyền qua cổng nối tiếp Bluetooth, tạo chuỗi xung điều khiển chiều quay và số bước dịch chuyển cho các động cơ bước.
    • Lập trình ứng dụng Android trên MIT App Inventor: Xây dựng giao diện đồ họa trực quan bao gồm các khối chức năng chính:
      1. Khối kết nối Bluetooth: Quét và ghép nối thiết bị HC-05.
      2. Khối điều khiển động cơ: Các thanh trượt/nút bấm xoay trực tiếp từng khớp từ khâu 1 đến khâu 5 và đóng/mở tay kẹp.
      3. Khối chức năng Save: Lưu lại tọa độ các điểm vị trí mong muốn vào bộ nhớ tạm.
      4. Khối chức năng Run: Kích hoạt chế độ chạy tự động, điều khiển robot chuyển động tuần tự qua chuỗi các điểm đã lưu.
      5. Khối điều chỉnh tốc độ: Cho phép thay đổi tần số phát xung nhằm tăng giảm tốc độ vận hành của cánh tay máy.

  • Thuật toán điều khiển: Xây dựng lưu đồ thuật toán tổng quát hệ thống điều khiển, sơ đồ thuật toán hàm con khối thực thi và sơ đồ đấu nối dây chi tiết giữa Arduino, RAMPS 1.4, DRV8825, HC-05, động cơ bước và servo MG995.

Chương 4. Mô hình thực nghiệm và kết quả

Chương 4 mô tả quá trình lắp ráp hoàn thiện cánh tay robot thực tế trên đế gỗ và tiến hành các bài thử nghiệm chức năng:

  • Đánh giá khả năng kết nối không dây: Đường truyền Bluetooth HC-05 giữa điện thoại và bo mạch Arduino hoạt động ổn định, không bị trễ hoặc mất gói tin trong phạm vi làm việc.
  • Đánh giá khả năng vận hành: Cánh tay robot thực hiện trơn tru các lệnh điều khiển dịch chuyển từng khớp đơn lẻ, hoàn thành chu trình lưu điểm và tự động lặp lại quỹ đạo qua các điểm đã định trước.
  • Đánh giá độ chính xác góc quay: Độ chính xác định vị góc khớp đạt yêu cầu kỹ thuật với sai số góc nhỏ hơn $2^\circ$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phần cứng và lựa chọn linh kiện

Hệ thống cơ điện tử của cánh tay robot được tích hợp từ các thành phần cơ khí gia công in 3D nhựa ABS và hệ thống thiết bị điều khiển điện tử tiêu chuẩn. Bảng thông số động cơ các khâu được nhóm tác giả tính toán và lựa chọn như sau:

Khâu Mã động cơ Loại động cơ Số lượng Mô men tĩnh yêu cầu ($M_{d}$) Mô men xoắn định mức Điện áp định mức Dòng điện định mức Góc bước
Khâu 1 17HS24-1206S Stepper 1 $0,61\text{ Nm}$ $0,65\text{ Nm}$ $7,2\text{ V}$ $1,2\text{ A}$ $1,8^\circ$
Khâu 2 57HS112-3004A08-D21-01 Stepper 2 $5,51\text{ Nm}$ $3,00\text{ Nm}$ $12\text{ V}$ $3,0\text{ A}$ $1,8^\circ$
Khâu 3 17HS13-0404S-PG5 (Hộp số 1:5) Stepper 1 $1,08\text{ Nm}$ $0,22\text{ Nm}$ $12\text{ V}$ $0,4\text{ A}$ $1,8^\circ$
Khâu 4 17HS13-0404S1 Stepper 1 $0,21\text{ Nm}$ $0,26\text{ Nm}$ $12\text{ V}$ $0,4\text{ A}$ $1,8^\circ$
Khâu 5 14HS13-0804S Stepper 1 $0,15\text{ Nm}$ $0,18\text{ Nm}$ $5,4\text{ V}$ $0,8\text{ A}$ $1,8^\circ$
Kẹp TowerPro MG995 DC Servo 1 - $10,0\text{ kg}\cdot\text{cm}$ $4,8 - 6,0\text{ V}$ - -

Thông số kỹ thuật của hệ thống bộ truyền puly, dây đai răng và trục dẫn động giữa các khâu:

Khâu Số răng puly dẫn Chiều rộng $B$ (mm) Đường kính lỗ puly $d_v$ (mm) Kiểu răng đai Bước răng (mm) Chiều dài đai (mm) Chiều dài trục (mm) Đường kính trục (mm)
Khâu 1 14 15 8 T 5 650 0 0
Khâu 2 14 15 8 T 5 650 140 8
Khâu 3 14 15 5 T 5 500 115 8
Khâu 5 14 15 5 T 5 350 40 8

Kiến trúc phần mềm và giải thuật điều khiển

Hệ thống phần mềm được tổ chức thành hai tầng:

  1. Tầng cấp thấp (Firmware vi điều khiển Arduino Mega 2560):

    • Khởi tạo các chân xuất xung bước (STEP) và hướng quay (DIR) kết nối với driver DRV8825.
    • Giao tiếp nối tiếp với module Bluetooth HC-05 qua cổng UART với tốc độ baud chuẩn.
    • Tiếp nhận chuỗi ký tự lệnh, giải mã góc quay mục tiêu, thực hiện thuật toán nội suy vi bước để kích hoạt các cuộn dây động cơ bước hoạt động đồng thời và êm ái.
    • Điều khiển băm xung PWM điều khiển góc quay của servo MG995 để đóng/mở kẹp phôi.

  2. Tầng cấp cao (Giao diện điều khiển di động App Inventor):

    • Được phát triển trên nền web https://appinventor.mit.edu bằng phương pháp lập trình khối trực quan.
    • Giao diện gồm màn hình danh sách thiết bị Bluetooth, các cụm nút bấm điều khiển tăng/giảm góc từng khớp, thanh trượt cài đặt tốc độ, nút Save để ghi nhận chuỗi vị trí và nút Run để gửi toàn bộ kịch bản tọa độ xuống cánh tay robot.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Về mô hình hóa và tính toán lý thuyết: Thiết lập hoàn chỉnh mô hình động học thuận, giải thuật động học ngược bằng phương pháp tách nhóm 3, và hệ phương trình động lực học Lagrange $5\times5$. Mô phỏng thành công đáp ứng động học và quỹ đạo vận tốc hình thang trên Matlab/Simulink.
  • Về chế tạo cơ khí: Hoàn thiện kết cấu khung cánh tay robot bằng nhựa in 3D ABS với độ bền cơ học đảm bảo, trọng lượng nhẹ, tích hợp gọn gàng bộ truyền đai răng và khớp nối mềm nhôm trên đế gỗ $156\text{ mm}$.
  • Về hệ thống điều khiển và phần mềm: Tích hợp thành công bộ điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, RAMPS 1.4, DRV8825 và HC-05. Xây dựng ứng dụng Android vận hành đầy đủ chức năng điều khiển thủ công, lưu kịch bản tọa độ và chạy tự động.
  • Về độ chính xác vận hành: Thử nghiệm thực tế cho thấy cánh tay robot chuyển động ổn định, đáp ứng góc quay đúng theo lệnh với sai số góc kiểm soát dưới mức cho phép ($< 2^\circ$), bám sát các điểm tọa độ đã được lập trình sẵn.

Đóng góp của đề tài

  • Hoàn thiện một quy trình thiết kế khép kín cho sinh viên ngành Cơ điện tử: Từ mô hình hóa toán học giải tích, mô phỏng số trên máy tính, thiết kế cơ khí 3D đến chế tạo thực nghiệm và lập trình nhúng kết hợp ứng dụng không dây.
  • Đưa ra giải pháp xây dựng cánh tay robot phục vụ học tập và nghiên cứu với chi phí thấp nhờ tối ưu hóa công nghệ in 3D và nền tảng phần cứng/phần mềm nguồn mở (Arduino, RAMPS, App Inventor).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Kết cấu cơ khí bằng nhựa in 3D ABS có độ cứng vững và khả năng chịu tải hạn chế hơn so với kim loại gia công CNC, dễ bị rung lắc khi chuyển động ở vận tốc cao hoặc khi kẹp vật có khối lượng lớn.
  • Khả năng gắp vật còn hạn chế, chưa thích ứng được với nhiều loại phôi có hình dạng và kích thước phức tạp.
  • Hệ thống điều khiển bước hiện tại vận hành theo vòng hở tại các trục, chưa tích hợp encoder phản hồi góc tuyệt đối ở từng khớp để tự động bù sai số cơ khí và hiện tượng trượt bước khi quá tải.

Hướng phát triển trong tương lai

  • Nâng cấp vật liệu chế tạo khung tay máy sang nhôm hợp kim hoặc kim loại để tăng độ cứng vững và tải trọng nâng của cánh tay robot.
  • Lắp đặt thêm cảm biến góc quay (encoder) hoặc cảm biến lực tại các khớp và đầu công tác để chuyển đổi sang hệ thống điều khiển vòng kín có phản hồi lực.
  • Tích hợp hệ thống xử lý ảnh (Camera thị giác máy tính) và trí tuệ nhân tạo nhằm tự động nhận dạng, định vị vị trí và phân loại vật thể trước khi thực hiện thao tác gắp - đặt.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển mờ hoặc mạng nơ-ron để tăng độ mượt mà của chuyển động và khử rung động tại điểm dừng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật: Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Tự động hóa và Cơ khí chế tạo máy đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc dự án nghiên cứu chế tạo tay máy robot.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu tự do: Những người cần tài liệu hướng dẫn từng bước từ việc lập bảng thông số Denavit – Hartenberg, giải bài toán động học ngược giải tích, thiết lập phương trình Lagrange cho robot nhiều bậc tự do, đến cách kết nối mạch RAMPS 1.4 và lập trình ứng dụng điều khiển qua App Inventor.
  • Nội dung giá trị nhất: Phương pháp tách nhóm 3 giải động học ngược robot 5 bậc tự do; công thức quy hoạch quỹ đạo vận tốc hình thang cân trong không gian khớp; mã nguồn mô phỏng Simulink và sơ đồ đấu nối mạch điều khiển động cơ bước thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học và phạm vi chuyển động của các khớp trên cánh tay robot là bao nhiêu?

Cánh tay robot có chiều cao tổng thể $840\text{ mm}$ (nếu không tính phần tay kẹp là $720\text{ mm}$), chiều dài tầm với tối đa đạt $535\text{ mm}$ ($0,535\text{ m}$), và chân đế rộng $156\text{ mm}$. Góc quay cho phép của 5 khâu lần lượt là: Khâu 1: $\pm110^\circ$; Khâu 2: $\pm100^\circ$; Khâu 3: $\pm120^\circ$; Khâu 4: $\pm180^\circ$; Khâu 5: $\pm90^\circ$. Độ mở tối đa của cơ cấu tay kẹp đạt $80\text{ mm}$.

2. Nhóm tác giả giải bài toán động học ngược của robot bằng phương pháp nào?

Do cấu trúc robot có 5 bậc tự do với các liên kết hình học đặc thù, nhóm tác giả sử dụng phương pháp các nhóm 3 (phương pháp tách vị trí và hướng). Phương pháp này dựa trên việc xác định tọa độ điểm trung gian $C \equiv O_4$ chỉ phụ thuộc vào 3 biến khớp đầu ($q_1, q_2, q_3$) thông qua quan hệ $p_C = p_E - R_E^0 d$, giúp giải quyết độc lập hệ phương trình phi tuyến để tìm $q_1, q_2, q_3$, sau đó tính tiếp 2 góc xoay cổ tay $q_4, q_5$ bằng hàm lượng giác $\text{atan2}$.

3. Cấu hình phần cứng điều khiển và các loại động cơ được sử dụng trong đồ án gồm những gì?

Hệ thống điều khiển sử dụng bo mạch trung tâm Arduino Mega 2560 kết hợp mạch mở rộng RAMPS 1.4, các mạch lái động cơ bước DRV8825 và module giao tiếp không dây Bluetooth HC-05. Hệ thống chấp hành gồm 5 động cơ bước cho các khớp chính: Khâu 1 dùng 17HS24-1206S ($0,65\text{ Nm}$), Khâu 2 dùng hai động cơ 57HS112-3004A08 ($3\text{ Nm}$), Khâu 3 dùng 17HS13-0404S-PG5 kèm hộp số 1:5, Khâu 4 dùng 17HS13-0404S1 ($0,26\text{ Nm}$), Khâu 5 dùng 14HS13-0804S ($0,18\text{ Nm}$), và cơ cấu kẹp dùng 1 động cơ RC servo MG995.

4. Quỹ đạo chuyển động điểm - điểm của robot được thiết kế theo quy luật nào và có thông số ra sao?

Quỹ đạo được thiết kế trong không gian khớp dựa trên profile vận tốc hình thang cân gồm 3 pha: tăng tốc ($0 \le t \le t_a$), vận tốc không đổi ($t_a \le t \le t_f - t_a$) và giảm tốc ($t_f - t_a \le t \le t_f$). Trong bài toán thử nghiệm di chuyển giữa hai điểm A $(0,445; 0,065; 0,347)$ và B $(0,138; 0,065; 0,665)$ với tổng thời gian $t_f = 4\text{ s}$ ($t_a = 1\text{ s}$), vận tốc và gia tốc cực đại đạt được là: Khâu 2 đạt $\dot{q}{2\text{max}} = \ddot{q}{2\text{max}} = 0,5236\text{ rad/s}$ (và $\text{rad/s}^2$); Khâu 3 đạt $\dot{q}{3\text{max}} = \ddot{q}{3\text{max}} = 0,3491\text{ rad/s}$ (và $\text{rad/s}^2$); Khâu 4 đạt $\dot{q}{4\text{max}} = \ddot{q}{4\text{max}} = 0,6981\text{ rad/s}$ (và $\text{rad/s}^2$).

5. Ứng dụng di động điều khiển robot được phát triển trên nền tảng nào và có những tính năng gì?

Ứng dụng điều khiển được xây dựng trên nền tảng MIT App Inventor (ngôn ngữ lập trình kéo thả khối block) chạy trên hệ điều hành Android. Ứng dụng giao tiếp với vi điều khiển Arduino qua Bluetooth HC-05 và cung cấp 5 cụm chức năng chính: Kết nối/ngắt kết nối Bluetooth, Điều khiển xoay trực tiếp từng khớp và đóng/mở kẹp, Ghi nhớ tọa độ vị trí mong muốn (Save), Chạy tự động theo chuỗi tọa độ đã lưu (Run), và Thanh trượt điều chỉnh tốc độ chuyển động của robot.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và điều khiển cánh tay Robot 6 bậc" của sinh viên Nguyễn Năng Nam Hải và Vũ Văn Hiệp đã giải quyết toàn diện bài toán nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống tay máy cơ điện tử hoàn chỉnh. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết động học D-H, động lực học Lagrange, mô phỏng số trên Matlab/Simulink cùng công nghệ in 3D nhựa ABS và vi điều khiển mã nguồn mở, đồ án đã chế tạo thành công mô hình cánh tay robot hoạt động ổn định với sai số góc quay dưới $2^\circ$. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt học thuật và thực tiễn cho sinh viên, kỹ sư ngành Cơ điện tử và Tự động hóa trong việc nghiên cứu phát triển các hệ thống robot công nghiệp chi phí thấp.