Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong đời sống xã hội và lao động, tai nạn là rủi ro khó tránh khỏi, dẫn đến việc nhiều người bị mất đi một phần chi thể, gây suy giảm khả năng tự phục vụ và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh hoạt thường ngày. Mặc dù giải pháp sử dụng chi giả nhân tạo đã xuất hiện, song các dòng sản phẩm thương mại trên thị trường hiện nay có chi phí rất đắt đỏ, khiến người có thu nhập trung bình hoặc thấp khó tiếp cận. Xuất phát từ thực tế đó cùng cảm hứng từ các dự án tay giả ứng dụng công nghệ in 3D giá rẻ của tổ chức Not Impossible Labs, nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình bàn tay robot" (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, năm 2016).
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể như sau:
- Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng một mô hình bàn tay robot có khả năng điều khiển và mô phỏng được tương đối chính xác các cử động cơ bản của bàn tay người.
- Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu nguyên lý truyền động và điều khiển của mô hình bàn tay sinh học.
- Nghiên cứu phương án thiết kế cơ khí và mô hình hóa 3D cho toàn bộ kết cấu.
- Thi công, chế tạo mô hình phần cứng đảm bảo hoạt động ổn định, cung cấp công cụ cho người dùng dễ dàng lập trình, kết nối thiết bị với chi phí thấp và độ tin cậy cao.
- Lập trình giao diện điều khiển hoạt động cho hệ thống trên máy tính.
- Lập trình nhúng cho hệ thống vi điều khiển và tiến hành chạy thử nghiệm thực tế.
Đối tượng, phạm vi và giới hạn của đề tài bao gồm:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống động cơ servo điều khiển vị trí, encoder kiểm tra độ chính xác, bo mạch vi điều khiển Arduino và ngôn ngữ lập trình C/C++.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế bộ xử lý trung tâm sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 để điều khiển các động cơ servo qua tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM); xây dựng giao diện giám sát, điều khiển trên máy tính thông qua phần mềm LabVIEW.
- Giới hạn đề tài: Hệ thống phần cứng dừng lại ở quy mô một mô hình bàn tay kết hợp cánh tay cơ khí chứa cụm chấp hành; khối điều khiển gồm bo mạch Arduino, mạch nguồn, các nút nhấn thao tác trực tiếp và giao diện phần mềm. Do giới hạn thời gian thực hiện, đồ án tập trung vào các cử động gập/duỗi cơ bản của từng ngón tay mà chưa đi sâu vào việc điều khiển phản hồi vị trí tọa độ không gian chính xác tuyệt đối.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng giải pháp kỹ thuật dựa trên sự kết hợp giữa giải phẫu học cơ thể người, động học robot và lý thuyết truyền động cơ học:
1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán
- Nguyên lý vận động sinh học: Bàn tay người hoạt động dựa trên sự phối hợp đối kháng giữa các nhóm cơ gập và cơ duỗi (tương tự cơ Bicep và Tricep ở cánh tay). Khi cơ này co lại thì cơ kia giãn ra để tạo chuyển động xoay tại các khớp. Thay vì dùng hệ thống bánh răng hay thanh truyền phức tạp tại từng khớp ngón, nhóm tác giả chọn phương án mô phỏng sinh học bằng hệ thống dây kéo kết hợp lò xo hoàn lực, giúp tối ưu hóa không gian và giảm khối lượng tại các khớp ngón tay.
- Giải phẫu học ngón tay: Cấu trúc một ngón tay tiêu chuẩn gồm 3 đốt xương chính: đốt gốc, đốt giữa và đốt chóp, kết nối với lòng bàn tay qua khớp bàn - ngón (Metacarpophalangeal joint).
- Mô hình động học ngón tay: Dựa trên công trình nghiên cứu về động học bàn tay của nhóm tác giả Mozasser Rahman, Tasnuva Tabashhum Choudhury, Shahrul Na’im Sidek và Amjad Bin Awang (Trung tâm Nghiên cứu Robot và Hệ thống Tự động, Malaysia), đồ án thiết lập bảng thông số Denavit–Hartenberg (D-H) cho 3 khâu tương ứng với 3 đốt ngón tay có chiều dài $l_1, l_2, l_3$ và góc quay $\theta_1, \theta_2, \theta_3$:
| Khâu ($i$) | $\alpha_{i-1}$ | $a_{i-1}$ | $d_i$ | $\theta_i$ |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 0 | $\theta_1$ |
| 2 | 0 | $l_1$ | 0 | $\theta_2$ |
| 3 | 0 | $l_2$ | 0 | $\theta_3$ |
| 4 | 0 | $l_3$ | 0 | 0 |
Từ ma trận chuyển đổi tọa độ tổng quát, tác giả suy ra mô hình động học thuận nhằm xác định tọa độ không gian $(x, y, z)$ của đầu ngón tay:
$$\begin{cases} x = l_1 \cos(\theta_1) + l_2 \cos(\theta_1 + \theta_2) + l_3 \cos(\theta_1 + \theta_2 + \theta_3) \ y = l_1 \sin(\theta_1) + l_2 \sin(\theta_1 + \theta_2) + l_3 \sin(\theta_1 + \theta_2 + \theta_3) \ z = 0 \end{cases}$$
Đồng thời, bài toán động học nghịch được xây dựng để tính toán các góc quay $\theta_i$ khi biết trước quỹ đạo tọa độ điểm chóp ngón tay.
- Dữ liệu thực nghiệm về lực nắm và moment: Tác giả trích dẫn số liệu thực nghiệm đo lực tác dụng tối đa của bàn tay người khi nắm chặt vật thể để làm cơ sở lựa chọn công suất động cơ chấp hành:
| Ngón tay | Lực đốt chóp (N) | Lực đốt giữa (N) | Lực đốt gốc (N) |
|---|---|---|---|
| Ngón trỏ | 42 | 22 | 62 |
| Ngón giữa | 24 | 40 | 68 |
| Ngón áp út | 15 | 28 | 44 |
| Ngón út | 7 | 20 | 31 |
Công thức tính moment tác dụng tổng cộng tại khớp gốc ngón tay:
$$M = F_1 l_1 + F_2 (l_1 + l_2) + F_3 (l_1 + l_2 + l_3)$$
2. Phương pháp nghiên cứu và công cụ thực tế
- Phương pháp khảo cứu tài liệu: Tổng hợp và phân tích các mẫu bàn tay robot tiên tiến trên thế giới (Shadow Hand, ELU-2 Hand, BeBionic Hand) để đánh giá ưu, nhược điểm về bậc tự do, cơ cấu dẫn động và cảm biến.
- Phương pháp thiết kế CAD/CAM: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế toàn bộ chi tiết cơ khí (lòng bàn tay, nắp che, cánh tay, các đốt ngón tay).
- Phương pháp tạo mẫu nhanh (In 3D FDM): Chế tạo các chi tiết cơ khí bằng máy in 3D công nghiệp 3DMaker PRO230, sử dụng vật liệu sợi nhựa HIPS.
- Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng và giao diện điều khiển: Xây dựng mạch điều khiển dùng vi điều khiển ATmega2560; lập trình firmware bằng Arduino C/C++; thiết kế giao diện đồ họa giám sát và điều khiển trên máy tính bằng LabVIEW (G-code).
Thiết kế và triển khai
Hệ thống bàn tay robot được thiết kế hoàn chỉnh từ kết cấu cơ khí đến phần cứng điện tử và thuật toán điều khiển:
1. Thiết kế cơ khí và công nghệ chế tạo
Toàn bộ bàn tay robot gồm các cụm chính: lòng bàn tay, nắp đậy, cẳng tay (chứa cụm động cơ) và 5 ngón tay. Riêng ngón út được thiết kế đốt dưới ngắn hơn các ngón thông thường; ngón cái gồm 2 đốt (bỏ đốt giữa). Các khớp ngón tay có dạng trụ xoay đường kính $d = 8\text{ mm}$.
| Thiết bị / Vật liệu | Thông số kỹ thuật chi tiết |
|---|---|
| Máy in 3D 3DMaker PRO230 | Khổ in $250 \times 300 \times 250\text{ mm}$; đầu phun kim loại $0.6\text{ mm}$; độ dày lớp in tối thiểu $40\ \mu\text{m}$ ($0.04\text{ mm}$); tốc độ in tối đa $150\text{ mm/s}$ (tối ưu $100\text{ mm/s}$); định dạng file STL, OBJ. |
| Sợi nhựa in 3D HIPS | Nhựa High Impact Polystyrene; nhiệt độ đầu phun $240 - 260^\circ\text{C}$; nhiệt độ bàn in $60 - 80^\circ\text{C}$; tốc độ in $30 - 60\text{ mm/s}$; khe hở không khí (Airgap) $0.08$; độ giãn nở nhiệt thấp, không cong vênh, cơ tính tương đương ABS. |
2. Tính toán truyền động dây kéo và động cơ Servo
Mỗi ngón tay được kéo gập lại thông qua một dây kéo luồn qua tâm các khớp ngón, nối trực tiếp về đĩa quay của động cơ servo đặt ở cẳng tay.
- Hành trình rút dây tại mỗi khớp xoay góc $\theta$: $x = \frac{\pi \cdot d \cdot \theta}{360^\circ}$
- Thông số góc quay tối đa sau khi hiệu chỉnh lắp ráp:
- Khớp gốc: $\theta_{1\max} = 70^\circ \implies x_{1\max} \approx 4.88\text{ mm}$
- Khớp giữa: $\theta_{2\max} = 80^\circ \implies x_{2\max} \approx 5.58\text{ mm}$
- Khớp chóp: $\theta_{3\max} = 60^\circ \implies x_{3\max} \approx 4.19\text{ mm}$
- Tổng chiều dài dây cần rút khi ngón tay gập hết hành trình:
$$x_{\max} = x_{1\max} + x_{2\max} + x_{3\max} = 4.88 + 5.58 + 4.19 = 14.65\text{ mm}$$
- Khoảng cách từ tâm trục servo đến chốt gắn dây: $d_s = 17\text{ mm}$. Khi servo quay góc tối đa $\theta_s = 180^\circ$, hành trình kéo tối đa của servo đạt $h_{\max} = 2 \cdot d_s = 34\text{ mm}$.
- Do $x_{\max} (14.65\text{ mm}) < h_{\max} (34\text{ mm})$, động cơ servo hoàn toàn đáp ứng được hành trình kéo gập toàn bộ ngón tay. Chiều dài dây luồn từ đầu ngón tay đến servo là $370\text{ mm}$.
3. Thiết kế mạch điện và điều khiển
- Khối xử lý trung tâm: Bo mạch Arduino Mega 2560 đảm nhiệm việc phát 5 kênh xung PWM độc lập điều khiển 5 động cơ servo, đồng thời nhận tín hiệu nút nhấn và giao tiếp Serial với máy tính qua cổng USB.
- Động cơ chấp hành: 5 động cơ RC Servo 9G mini (kích thước $21 \times 12 \times 22\text{ mm}$, trọng lượng $9\text{ g}$, điện áp làm việc $4.8\text{ V}$, lực kéo $1.8\text{ kg}\cdot\text{cm}$, góc quay $0 - 180^\circ$ tương ứng độ rộng xung $1\text{ ms} - 2\text{ ms}$).
- Khối nguồn: Nguồn cấp chính sử dụng Adapter $12\text{ V}$, qua mạch hạ áp xung DC-DC LM2596 để tạo điện áp ổn định $5\text{ V}$ dòng cao nuôi riêng cho dàn 5 servo và bo mạch Arduino.
Đoạn mã nguồn C++ thử nghiệm điều khiển 5 ngón tay thông qua các chân Digital gắn nút nhấn trên Arduino IDE:
const int bt1 = 30;
const int bt2 = 28;
const int bt3 = 26;
const int bt4 = 24;
const int bt5 = 22;
#include <Servo.h>
Servo sv1, sv2, sv3, sv4, sv5;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(bt1, INPUT_PULLUP);
pinMode(bt2, INPUT_PULLUP);
pinMode(bt3, INPUT_PULLUP);
pinMode(bt4, INPUT_PULLUP);
pinMode(bt5, INPUT_PULLUP);
sv1.attach(9);
sv2.attach(10);
sv3.attach(11);
sv4.attach(12);
sv5.attach(13);
sv1.write(80); delay(2000);
// Thiết lập góc ban đầu cho các ngón tay
}
- Giao diện điều khiển LabVIEW: Ứng dụng LabVIEW giao tiếp với Arduino qua giao thức truyền thông nối tiếp UART/Serial, cho phép người dùng điều khiển từng ngón riêng biệt hoặc thiết lập các chuỗi cử động cử chỉ thông qua các thanh trượt và nút bấm đồ họa trực quan.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thay thế chi thể cho người khuyết tật với chi phí thấp bằng công nghệ in 3D. Tác giả tiến hành khảo sát và so sánh các mô hình bàn tay robot nổi tiếng:
- Shadow Hand: Bàn tay cơ sinh học có 20 bậc tự do, 24 chuyển động, sử dụng 40 cơ khí nén, tích hợp 129 cảm biến, giữ được vật nặng $3.9\text{ kg}$, kích thước tương đương tay người lớn.
- ELU-2 Hand: Hệ thống 9 bậc tự do, truyền động hoàn toàn bằng hệ thống servo tích hợp trong lòng bàn tay.
- BeBionic Hand: Có 14 kiểu cử động nắm bắt, 2 vị trí ngón cái, bọc găng tay silicon thẩm mỹ.
Từ đó, chương 1 xác định rõ mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng (Arduino, Servo, Encoder, ngôn ngữ C), phạm vi nghiên cứu và các giới hạn về mặt phần cứng cũng như thời gian của đồ án.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nội dung chương 2 tập trung vào giải phẫu học và mô hình toán học của bàn tay. Phân tích nguyên lý đối kháng cơ bắp cho thấy phương án kéo dây là giải pháp tối ưu để mô phỏng sinh học. Nghiên cứu giải phẫu cấu trúc xương 3 đốt của ngón tay kết hợp thiết lập bảng thông số Denavit–Hartenberg ($i=1 \dots 4$). Tác giả dẫn xuất hệ phương trình động học thuận và động học nghịch nhằm xác định quan hệ giữa góc xoay các khớp $\theta_1, \theta_2, \theta_3$ với vị trí không gian của đầu ngón tay. Chương này cũng tổng hợp bảng số liệu lực nắm tối đa của từng đốt ngón tay người ($7\text{ N} - 68\text{ N}$) và đưa ra công thức tính toán moment tại các khớp quay.
Chương 3: THIẾT KẾ TAY MÁY
Chương 3 trình bày chi tiết quy trình thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks cho từng bộ phận: lòng bàn tay, cánh tay, nắp che bàn tay, các đốt chóp, đốt trên, đốt dưới và khớp nối gốc (Metacarpophalangeal joint). Tác giả phân tích đặc tính máy in 3D 3DMaker PRO230 và lựa chọn vật liệu in là sợi nhựa HIPS nhờ khả năng chịu nhiệt tốt hơn ABS, độ bóng cao, ít cong vênh nhiệt và giá thành thấp hơn PLA. Toàn bộ các chi tiết sau khi in được làm sạch và lắp ráp cơ khí thành kết cấu bàn tay robot hoàn chỉnh.
Chương 4: THI CÔNG LẮP ĐẶT
Chương 4 tập trung vào phần tính toán động học truyền động, lắp ráp mạch điện tử và lập trình:
- Thiết lập công thức tính toán độ dịch chuyển dây kéo theo góc quay từng khớp ngón, xác định tổng hành trình dây cực đại $x_{\max} = 14.65\text{ mm}$ và đối chiếu với khả năng kéo của servo ($h_{\max} = 34\text{ mm}$).
- Lựa chọn 5 động cơ RC Servo 9G, thiết kế mạch nguồn hạ áp LM2596 nhận nguồn từ Adapter $12\text{ V}$ hạ xuống $5\text{ V}$.
- Trình bày sơ đồ nối dây giữa Arduino Mega 2560, mạch hạ áp, nút nhấn và dàn servo.
- Trình bày tổng quan về phần mềm LabVIEW và khả năng lập trình giao diện G-code.
- Viết chương trình C++ trên Arduino IDE sử dụng thư viện
Servo.hđể kiểm tra hoạt động cơ bản bằng nút nhấn phần cứng trước khi tích hợp điều khiển máy tính.
Chương 5: KẾT LUẬN
Chương 5 tổng kết toàn bộ quá trình thực nghiệm, đánh giá những kết quả đạt được, chỉ rõ các khuyết điểm kỹ thuật và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện sản phẩm.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả thực nghiệm đạt được
- Chế tạo thành công mô hình bàn tay robot 5 ngón hoàn chỉnh bằng công nghệ in 3D nhựa HIPS với giá thành rẻ, thời gian gia công nhanh và kết cấu lắp đặt đơn giản.
- Hệ thống cơ cấu dây kéo kết hợp 5 động cơ Servo 9G vận hành chính xác theo các thông số tính toán lý thuyết ($x_{\max} = 14.65\text{ mm} < h_{\max} = 34\text{ mm}$).
- Xây dựng thành công mạch điều khiển nhúng trên nền Arduino Mega 2560 và mạch nguồn hạ áp LM2596 hoạt động ổn định.
- Lập trình hoàn chỉnh chương trình điều khiển thử nghiệm qua nút nhấn trên Arduino IDE và giao diện điều khiển tương tác từng ngón tay trên máy tính bằng phần mềm LabVIEW.
- Mô hình thực hiện được các động tác gập, duỗi riêng lẻ và kết hợp để mô phỏng các cử chỉ nắm, mở cơ bản của bàn tay người.
2. Đóng góp của đề tài
- Đề xuất quy trình thiết kế, chế tạo bàn tay robot mô phỏng sinh học hoàn chỉnh với chi phí cực thấp, ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh 3D FDM và vật liệu HIPS dễ tìm kiếm trong nước.
- Xây dựng mô hình toán học động học thuận - nghịch cụ thể cho cấu trúc ngón tay 3 đốt, làm cơ sở lý thuyết cho việc tính toán điều khiển chuyển động ngón tay cơ khí.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
1. Hạn chế và thiếu sót (theo ghi nhận của tác giả)
- Hiện tượng giãn dây kéo: Do thiếu kinh nghiệm chọn vật liệu dây, loại dây sử dụng ban đầu bị dão/giãn sau một thời gian vận hành liên tục, làm sai lệch góc gập của ngón tay so với tính toán lý thuyết.
- Vấn đề cơ tính vật liệu in: Nhựa HIPS có độ giòn nhất định và dễ bám bẩn; sau thời gian thử nghiệm, khớp gốc ngón út bị nứt, tiềm ẩn nguy cơ gãy vỡ khi chịu tải.
- Dung sai gia công và thẩm mỹ: Chất lượng hoàn thiện bề mặt in và dung sai lắp ghép chưa cao khiến dây kéo không thể luồn hoàn toàn bên trong thân ngón tay như bản vẽ thiết kế 3D mà phải lộ một phần ra ngoài.
- Kích thước ngón tay: Trong quá trình gia công in 3D thực tế, các ngón tay bị làm có chiều dài bằng nhau (trừ ngón cái), chưa phản ánh đúng thiết kế ban đầu (ngón út ngắn hơn các ngón còn lại).
- Giải thuật điều khiển: Hệ thống mới dừng lại ở mức điều khiển góc quay servo độc lập cho từng ngón tay mô phỏng gập/duỗi cơ bản, chưa thực hiện được thuật toán điều khiển bám vị trí quỹ đạo tọa độ không gian chính xác theo mô hình động học giải tích.
2. Hướng khắc phục và phát triển đề tài
- Cải tiến hệ thống cơ khí và truyền động: Thay thế dây kéo thông thường bằng dây câu cá chuyên dụng (dây PE/Braided) có độ bền kéo cao, không co giãn; chuyển đổi sang các dòng nhựa in 3D có cơ tính, độ dẻo dai và chịu mài mòn tốt hơn.
- Tối ưu hóa thiết kế: Tinh chỉnh lại kích thước các lỗ luồn dây bên trong đốt ngón tay để đi dây ngầm hoàn toàn; gia công lại các đốt ngón tay đúng tỷ lệ nhân trắc học.
- Nâng cấp phương thức điều khiển: Thay thế giao diện điều khiển LabVIEW trên máy tính bằng găng tay điều khiển (Data Glove) tích hợp các cảm biến uốn cong (Flex Sensors), giúp thu thập trực tiếp cử động bàn tay người đeo để điều khiển bàn tay robot song hành theo thời gian thực.
- Nghiên cứu cơ cấu truyền động tiên tiến: Định hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu cơ nhân tạo (Artificial Muscles / Bó cơ khí nén hoặc hợp kim nhớ hình SMA) để tối ưu khối lượng và độ linh hoạt cho bàn tay robot.
Giá trị tham khảo
Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:
- Sinh viên ngành Cơ điện tử, Robot học và Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo thực tế về quy trình thiết kế hệ thống robot mô phỏng sinh học từ khâu phân tích động học D-H, thiết kế 3D CAD trên SolidWorks, cài đặt thông số máy in 3D đến thiết kế mạch nhúng vi điều khiển.
- Các nhóm nghiên cứu thiết bị y tế và phục hồi chức năng: Cung cấp giải pháp chế tạo chi giả cơ học giá rẻ với công nghệ in 3D FDM và động cơ RC Servo mini, làm nền tảng phát triển các sản phẩm trợ cụ vận động.
- Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn cơ chế truyền động bằng dây kéo thay vì gắn trực tiếp động cơ hay khớp bản lề bánh răng tại từng đốt ngón tay?
Tác giả chọn cơ chế dây kéo vì phương pháp này mô phỏng trực tiếp nguyên lý cơ bắp tự nhiên của con người (cơ co rút để kéo xương xoay quanh khớp). Việc đặt toàn bộ động cơ servo ở phần cẳng tay và dùng dây kéo giúp giảm thiểu tối đa kích thước, khối lượng và độ cồng kềnh tại các khớp ngón tay, giúp ngón tay nhẹ và chuyển động thanh thoát hơn.
2. Làm thế nào để tác giả khẳng định động cơ RC Servo 9G đủ hành trình để kéo gập ngón tay hoàn toàn?
Theo tính toán tại Chương 4, với đường kính khớp ngón $d = 8\text{ mm}$ và các góc xoay cực đại của khớp gốc ($70^\circ$), khớp giữa ($80^\circ$), khớp chóp ($60^\circ$), tổng chiều dài dây cần rút tối đa là $x_{\max} = 14.65\text{ mm}$. Trong khi đó, với đĩa quay servo có bán kính $d_s = 17\text{ mm}$, khi servo quay góc $180^\circ$, hành trình kéo tối đa đạt được là $h_{\max} = 2 \cdot d_s = 34\text{ mm}$. Vì $x_{\max} < h_{\max}$ ($14.65\text{ mm} < 34\text{ mm}$), động cơ servo hoàn toàn đáp ứng đủ hành trình kéo gập ngón tay.
3. Vật liệu in 3D nào đã được lựa chọn để chế tạo bàn tay robot và thông số in cụ thể là gì?
Tác giả sử dụng sợi nhựa HIPS (High Impact Polystyrene) in trên máy 3DMaker PRO230 (đầu phun $0.6\text{ mm}$). Nhựa HIPS được chọn vì chịu nhiệt tốt hơn ABS, bề mặt láng bóng, ít cong vênh nhiệt do hệ số giãn nở thấp và giá thành rẻ hơn PLA. Thông số in gồm: nhiệt độ đầu phun $240 - 260^\circ\text{C}$, nhiệt độ bàn in $60 - 80^\circ\text{C}$, tốc độ in $30 - 60\text{ mm/s}$ và khe hở không khí $0.08$.
4. Nguyên nhân chính khiến ngón tay robot bị sai lệch góc cử động sau một thời gian vận hành là gì và giải pháp khắc phục được đề xuất ra sao?
Nguyên nhân chính là do loại dây truyền động sử dụng ban đầu bị giãn/dão cơ học sau thời gian thử nghiệm liên tục, làm thay đổi chiều dài làm việc thực tế của dây ($370\text{ mm}$). Để khắc phục tạm thời, nhóm tác giả phải căn chỉnh lại độ căng dây hoặc góc xoay servo; về lâu dài, tác giả đề xuất thay thế bằng dây câu cá chuyên dụng (sợi bện PE) không co giãn.
5. Hệ thống điều khiển của đồ án gồm những thành phần phần cứng và phần mềm nào?
Phần cứng gồm bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560, mạch giảm áp xung LM2596 (hạ áp từ nguồn Adapter $12\text{ V}$ xuống $5\text{ V}$), 5 nút nhấn và 5 động cơ RC Servo 9G. Phần mềm gồm môi trường Arduino IDE (dùng thư viện
Servo.hđể nạp mã nguồn nhúng) và phần mềm LabVIEW của National Instruments để tạo giao diện điều khiển đồ họa trên máy tính.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình bàn tay robot" của sinh viên Nguyễn Thanh Tùng và Phan Thanh Bắc (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2016) đã hiện thực hóa thành công một mô hình bàn tay robot 5 ngón mô phỏng sinh học bằng công nghệ in 3D nhựa HIPS với chi phí thấp. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn từ bài toán động học ngón tay D-H, tính toán hành trình kéo dây của động cơ RC Servo 9G, đến thiết kế mạch nhúng Arduino Mega 2560 và giao diện điều khiển LabVIEW. Mặc dù còn một số hạn chế về độ bền vật liệu, hiện tượng dão dây và giải thuật điều khiển vị trí chính xác, công trình đã xây dựng được nền tảng phần cứng - phần mềm vững chắc và đề xuất các hướng nâng cấp thiết thực với cảm biến flex và cơ nhân tạo.