Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh đẩy mạnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam, Cơ điện tử được xác định là một trong những định hướng công nghệ trọng điểm nhằm phục vụ phát triển kinh tế và xã hội. Trong lĩnh vực này, robot là sản phẩm đặc trưng kết hợp liên ngành giữa cơ khí chính xác, điện tử công suất và thuật toán điều khiển nhúng. Trong khi các loại tay máy công nghiệp truyền thống bị hạn chế bởi vùng không gian thao tác cố định quanh đế, robot di động (mobile robot) mang lại khả năng di chuyển linh hoạt, mở rộng không gian hoạt động. Đặc biệt, robot di chuyển bằng chân (bốn chân – Quadruple Robot) thể hiện ưu thế vượt trội khi vận hành trên các địa hình gồ ghề, phức tạp, dốc hoặc trơn trượt – nơi robot dạng bánh xe hoặc bánh xích khó tiếp cận.
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình robot di động bằng chân" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Như Đạt và Trần Văn Lộc (lớp 20CĐT1, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phú Sinh (tháng 6/2024), nhằm giải quyết bài toán thiết kế hoàn chỉnh một mô hình robot bốn chân có khả năng di chuyển linh hoạt và bám dính trên các bề mặt kim loại thẳng đứng.
Theo nhiệm vụ được giao, các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:
- Tìm hiểu tổng quan về robot, lịch sử phát triển, phân loại và các ứng dụng thực tiễn của robot di động có chân.
- Thiết lập mô hình và phân tích động học cho chân robot bằng phương pháp Denavit – Hartenberg (DH).
- Tính toán cơ học lực giữ, điều kiện chống lật và chống trượt của nam châm điện trên bề mặt kim loại thẳng đứng.
- Thiết kế không gian 3D, lựa chọn vật liệu, gia công chế tạo kết cấu cơ khí và lắp ráp hoàn thiện mô hình.
- Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp các khối driver công suất và giao tiếp không dây.
- Xây dựng thuật toán điều khiển phối hợp các khớp chuyển động (locomotion) và lập trình điều khiển từ xa qua điện thoại thông minh.
- Đánh giá kết quả vận hành thực nghiệm và đề xuất định hướng phát triển mô hình.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình robot bốn chân (mỗi chân gồm 3 bậc tự do: 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến) tích hợp đế hút nam châm điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa động học, tính toán thiết kế cơ điện tử, chế tạo mô hình vật lý bằng phương pháp in 3D và lập trình điều khiển chuyển động thông qua kết nối Bluetooth.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Nghiên cứu áp dụng hệ thống lý thuyết động học tay máy và cơ học vật rắn kết hợp với các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:
- Phương pháp mô hình hóa động học Denavit – Hartenberg (DH): Thiết lập hệ tọa độ cục bộ trên từng khâu khớp của chân robot, xây dựng bảng thông số DH và xác định các ma trận biến đổi thuần nhất $A_i$ để xác định phương trình động học tổng quát $T$ biểu diễn vị trí điểm cuối của chân so với hệ tọa độ gốc.
- Phương pháp cân bằng lực cơ học tĩnh và động: Tính toán mômen chống lật quanh trục đỡ ($M_{F1} > M_P$) và điều kiện cân bằng ma sát tĩnh chống trượt ($F_{ms} \ge P/3$) trên mặt phẳng sắt thẳng đứng trong trường hợp bất lợi nhất khi robot nhấc một chân để di chuyển (chỉ còn 3 chân bám giữ tải trọng toàn phần $m = 4\text{ kg}$).
- Phương pháp đánh giá ma trận đa tiêu chí: So sánh và lựa chọn vật liệu chế tạo cơ khí giữa Mica, Nhôm và Nhựa PLA dựa trên 5 tiêu chí định lượng: Độ cứng ($C_1$), Trọng lượng ($C_2$), Khả năng chịu nhiệt ($C_3$), Khả năng gia công ($C_4$) và Chi phí ($C_5$).
- Phương pháp thiết kế và mô phỏng trên phần mềm CAD/CAM: Ứng dụng phần mềm PTC Creo Parametric 7.0 để thiết kế mô hình tham số 3D, kiểm tra vùng không gian làm việc và tối ưu hóa không gian lắp đặt linh kiện.
- Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng: Sử dụng kiến trúc điều khiển tập trung trên vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp mạch điều khiển đa kênh PWM PCA9685, cầu H L298 và mạch công suất Mosfet IRF520.
| Thông số / Tiêu chí |
Mica |
Nhôm |
Nhựa PLA (Được chọn) |
| Độ cứng ($C_1$) |
4 |
2 |
3 |
| Trọng lượng ($C_2$) |
2 |
4 |
3 |
| Khả năng chịu nhiệt ($C_3$) |
4 |
2 |
3 |
| Khả năng gia công ($C_4$) |
2 |
3 |
5 |
| Chi phí ($C_5$) |
2 |
3 |
4 |
| Tổng điểm đánh giá |
14 |
14 |
18 |
Thiết kế và triển khai
Hệ thống robot di động bốn chân được thiết kế và triển khai đồng bộ qua hai phân hệ chính: cơ khí động lực học và hệ thống điều khiển điện tử.
1. Kiến trúc cơ khí và cơ cấu chấp hành
Thân robot có dạng hình hộp chữ nhật với kích thước dài 30 cm, rộng 16 cm, cao 9 cm; chiều cao tối đa của thân so với mặt đất đạt 18.3 cm. Chiều dài sải chân tối đa đạt 26 cm. Mỗi chân robot sở hữu 3 bậc tự do được cấu thành từ:
- 02 Động cơ RC Servo TD8120MG (đảm nhiệm 2 khớp quay): Sử dụng bánh răng kim loại, mô men kéo đạt 18.2 kg/cm, góc quay điều khiển qua độ rộng xung PWM từ 1 ms ($0^\circ$) đến 2 ms ($180^\circ$) ở tần số $50\text{ Hz}$ (chu kỳ xung 20 ms). Động cơ có tính năng duy trì trạng thái xung gần nhất để chống sập khung robot khi dừng tín hiệu đột ngột.
- 01 Động cơ DC giảm tốc kết hợp trục vít me (đảm nhiệm 1 khớp tịnh tiến): Tỷ số truyền 1:48, dải điện áp làm việc 3–12 VDC, mô men xoắn $800\text{ gf}\cdot\text{cm}$, tốc độ không tải $125\text{ rpm}$ (ở 3V) và $208\text{ rpm}$ (ở 5V).
- 01 Nam châm điện 12VDC đặt tại bàn chân: Lực hút định mức 3 kg (tương đương 29.43 N), công suất tiêu thụ 2–2.9 W, dòng định mức 0.25 A, đường kính ngoài 20–29 mm, đáp ứng điều kiện lực giữ an toàn chống trượt trên vách kim loại ($F_{\text{hút}} > 2.67\text{ kg}$).
| Thuộc tính kỹ thuật |
Động cơ RC Servo TD8120MG |
Nam châm điện 12VDC |
Động cơ DC giảm tốc |
| Điện áp hoạt động |
4.2 – 7.2 VDC |
12 VDC |
3 – 12 VDC (khuyến nghị 6–8V) |
| Lực kéo / Lực giữ |
18.2 kg/cm |
3.0 kg |
Mô men: $800\text{ gf}\cdot\text{cm}$ |
| Dòng điện tiêu thụ |
Phụ thuộc tải PWM |
0.25 A |
$70\text{ mA}$ (cực đại $250\text{ mA}$) |
| Kích thước / Khối lượng |
$40 \times 20 \times 40.5\text{ mm}$ / $65\text{ g}$ |
Đường kính $20-29\text{ mm}$ |
$64 \times 19 \times 22.6\text{ mm}$ / $27\text{ g}$ |
| Đặc tính điều khiển |
Xung PWM 1520 µs / 333Hz |
Đóng/ngắt qua Mosfet |
Cầu H L298 (đảo chiều & PWM) |
2. Hệ thống phần cứng điện tử và truyền thông
- Bộ xử lý trung tâm: Bo mạch Arduino Mega 2560 tích hợp vi điều khiển AVR ATmega2560 (xung nhịp 16 MHz), 54 chân I/O Digital, 16 ngõ vào Analog, bộ nhớ Flash lớn hỗ trợ xử lý thuật toán phối hợp phức tạp.
- Module điều khiển Servo PCA9685: Giao tiếp I2C với vi điều khiển, xuất 16 kênh PWM độc lập với độ phân giải 12-bit để điều khiển chính xác 8 động cơ Servo mà không làm quá tải CPU.
- Module Driver L298: Sử dụng IC L298 tích hợp 2 mạch cầu H, điều khiển chiều quay và tốc độ qua PWM cho 4 động cơ DC giảm tốc tịnh tiến.
- Module Mosfet IRF520: Đảm nhiệm vai trò công tắc điện tử đóng/ngắt dòng điện điều khiển kích hoạt/nhả từ tính cho 4 cụm nam châm điện tại các bàn chân.
- Khối nguồn và truyền thông: Nguồn tổ ong công nghiệp 12VDC (cấp nguồn nam châm điện, mạch động lực) kết hợp mạch hạ áp LM2596 và nguồn tổ ong 5VDC (cấp nguồn vi điều khiển, servo). Module Bluetooth HC-05 kết nối không dây chuẩn UART với ứng dụng điều khiển trên điện thoại thông minh.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài
Chương 1 tổng thuật bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của công nghệ robot từ năm 1922 (khi thuật ngữ "Robot" lần đầu xuất hiện trong tác phẩm của Karel Čapek) qua các mốc lịch sử quân sự, khoa học vũ trụ và dân dụng:
- Giai đoạn 1939–1945 với các hệ thống tên lửa V1, V2 tự hành;
- Giai đoạn 1948–1949 với mô hình Machina Speculatrix (Elmer và Elsie) của W. Gray Walter;
- Robot Shakey (1969) tại Viện nghiên cứu Stanford – robot đầu tiên có khả năng nhận dạng hình ảnh và lập luận đường đi;
- Xe tự hành thám hiểm Mặt Trăng Lunokhod 1 (1970) và cánh tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1 (1976);
- Sự ra đời của robot công nghiệp Unimation, robot thám hiểm Dante-I/II, Mars Pathfinder (Sojourner), robot Aibo (Sony), Roomba và Asimo (Honda).
Chương 1 cũng phân loại chi tiết robot theo số bậc tự do (thiếu, đủ 6 bậc, dư bậc), theo chuỗi động học (nối tiếp, song song, lai), theo hệ thống truyền động (điện, thủy lực, khí nén) và không gian làm việc; đồng thời tổng kết các dự án robot bốn chân trong và ngoài nước (Atlas, Alpha 1E, Nao, Lego Mindstorms).
Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí
Nội dung chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa toán học và tính toán kích thước kết cấu cơ khí:
- Phân tích động học: Thiết lập hệ tọa độ gốc $O_0$ và tọa độ các khớp chân ($RA_{i1}$, $RC_{i1}$, $RC_{i2}$). Xây dựng bảng thông số DH gồm 4 khâu:
| Khâu ($i$) |
$\alpha_i$ |
$a_i$ |
$\theta_i$ |
$d_i$ |
| 1 |
$90^\circ$ |
$l_1$ |
$\theta_1^*$ |
0 |
| 2 |
$0^\circ$ |
$l_2$ |
$\theta_2^*$ |
0 |
| 3 |
$-90^\circ$ |
$l_3$ |
0 |
$d_3$ |
| 4 |
$0^\circ$ |
0 |
0 |
$d_4^*$ |
Thiết lập ma trận chuyển đổi tổng quát:
$$T = A_1 \times (A_2 \times T_2) \times A_3 \times A_4$$
- Tính toán lực hút nam châm điện: Với tổng khối lượng robot $m = 4\text{ kg}$ ($P = 39.24\text{ N}$), gia tốc $g = 9.81\text{ m/s}^2$, hệ số ma sát tĩnh $\mu = 0.5$:
- Điều kiện chống lật: $F_{\text{hút_lật}} > \frac{P \times H}{2 \times L}$.
- Điều kiện chống trượt trên phương đứng khi đứng bằng 3 chân (nhấc 1 chân di chuyển): Lực tác dụng lên mỗi chân $P/3 = 13.08\text{ N}$. Lực ma sát yêu cầu $F_{ms} \ge 13.08\text{ N} \Rightarrow F_{\text{hút_trượt}} \ge \frac{13.08}{0.5} = 26.16\text{ N}$ (tương đương $> 2.67\text{ kg}$). Nhóm chọn nam châm điện 12VDC lực hút 3 kg.
- Mô hình hóa CAD và chế tạo: Ứng dụng phần mềm PTC Creo Parametric thiết kế các chi tiết vỏ thân, gá motor, cơ cấu trục vít me; in 3D hoàn thiện mô hình bằng nhựa PLA.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điện
Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối và lựa chọn linh kiện mạch điện tử:
- Khảo sát đặc tính kỹ thuật bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560.
- Khảo sát nguyên lý hoạt động mạch cầu H IC L298 điều khiển động cơ DC giảm tốc (tích hợp cụm diode dập dòng xả ngược bảo vệ nguồn, LED báo trạng thái).
- Thiết kế mạch hạ áp LM2596 ổn định điện áp 5V nuôi vi điều khiển và module logic.
- Khảo sát module Mosfet IRF520 cách ly và đóng cắt dòng điện cuộn dây nam châm điện.
- Tích hợp mạch điều khiển xung PCA9685 16 kênh PWM giao tiếp I2C.
- Kết nối module truyền thông không dây Bluetooth HC-05 và hoàn thiện sơ đồ đấu nối dây toàn hệ thống.
Chương 4: Điều khiển và tương tác với robot di động
Chương 4 xây dựng thuật toán điều khiển và giải thuật bước đi:
- Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc điều khiển liên kết giữa smartphone và bộ thu phát tín hiệu.
- Thiết kế giao diện phần mềm điều khiển bằng tay trên điện thoại thông minh.
- Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển chính trên Arduino Mega 2560: quét tín hiệu UART Bluetooth, giải mã ký tự điều khiển, phân luồng lệnh tác vụ.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán di chuyển (locomotion): trình tự nhấc chân, tắt nam châm điện tại chân chuyển động, nâng khớp vít me, quay servo đưa chân về phía trước, hạ vít me tiếp xúc mặt phẳng kim loại, kích hoạt nam châm điện bám giữ, sau đó lặp lại chu kỳ với các chân tiếp theo để tạo chuyển động tịnh tiến ổn định.
Chương 5: Đánh giá kết quả thực hiện đề tài
Chương 5 tổng kết toàn diện quá trình thử nghiệm mô hình thực tế:
- Đánh giá khả năng đáp ứng góc quay của động cơ servo và độ chính xác chuyển động tịnh tiến của trục vít me.
- Đánh giá độ bám dính của nam châm điện trên bề mặt kim loại thẳng đứng khi robot đứng yên và khi thực hiện chu trình bước đi.
- Nêu bật các giá trị khoa học, học thuật mà đề tài đạt được trong quá trình nghiên cứu cơ điện tử.
- Đề xuất các kiến nghị cải tiến và phát triển hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể được ghi nhận qua số liệu thực tế:
- Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Lắp ráp thành công mô hình robot 4 chân bằng nhựa PLA với kích thước thân $30 \times 16 \times 9\text{ cm}$, sải chân tối đa $26\text{ cm}$, tổng chiều cao thân $18.3\text{ cm}$.
- Hệ thống dẫn động linh hoạt: Tích hợp thành công 12 cơ cấu chấp hành (8 động cơ RC Servo TD8120MG mô men $18.2\text{ kg/cm}$, 4 động cơ DC giảm tốc tỷ số truyền 1:48 kết hợp vít me) cùng 4 nam châm điện lực hút $3\text{ kg}$ điện áp 12VDC.
- Hoàn thiện mô hình toán học: Thiết lập bảng thông số DH và ma trận động học chuyển đổi thuần nhất $T$, phục vụ chính xác cho việc tính toán tọa độ chân và không gian hoạt động.
- Tính toán cơ học thực nghiệm chính xác: Xác lập bài toán cân bằng tĩnh và động trên vách đứng, giải quyết bài toán chống trượt cho khối lượng $4\text{ kg}$ với lực hút danh định mỗi chân đạt $26.16\text{ N}$.
- Tích hợp hệ thống điều khiển nhúng: Vận hành ổn định hệ thống điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560 kết hợp PCA9685, L298, IRF520 và điều khiển không dây từ xa thông qua ứng dụng Bluetooth trên smartphone.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Theo phạm vi và nội dung được trình bày trong đồ án, hệ thống còn một số điểm hạn chế và các định hướng phát triển tiếp theo bao gồm:
- Hệ thống cấp nguồn: Mô hình hiện tại vẫn phụ thuộc vào nguồn tổ ong cắm điện ngoài (12V và 5V) nối dây, chưa tích hợp khối pin/ắc quy công suất cao trực tiếp lên thân robot để đảm bảo tính di động độc lập hoàn toàn.
- Mức độ tự hành và cảm biến: Robot chủ yếu hoạt động dựa trên chế độ điều khiển bằng tay (manual) qua sóng Bluetooth; chưa tích hợp các cảm biến môi trường như cảm biến đo góc nghiêng (IMU), cảm biến khoảng cách tránh vật cản hoặc camera xử lý ảnh nhận dạng địa hình.
- Tối ưu hóa kết cấu và thuật toán: Cần tiếp tục tối ưu hóa trọng lượng các chi tiết in 3D để giảm tải cho động cơ servo, đồng thời phát triển thuật toán tự cân bằng dáng đi thích nghi trên nhiều dạng địa hình phức tạp hơn.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao đối với sinh viên, học viên và nhóm nghiên cứu thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Robot:
- Cung cấp tài liệu mẫu chi tiết về phương pháp áp dụng bảng thông số Denavit – Hartenberg (DH) để giải bài toán động học tay máy/chân robot nhiều khâu khớp.
- Hướng dẫn cụ thể phương pháp tính toán lực bám dính, chống lật, chống trượt của nam châm điện trên bề mặt kim loại thẳng đứng.
- Là tài liệu hướng dẫn thực hành thiết kế phối hợp phần cứng nhúng: kết nối vi điều khiển Arduino Mega 2560 với module mở rộng 16 kênh PWM PCA9685, mạch cầu H L298, mạch đóng ngắt Mosfet công suất và lập trình truyền thông nối tiếp không dây Bluetooth.
Câu hỏi thường gặp
1. Mỗi chân của robot có cấu tạo gồm bao nhiêu bậc tự do và sử dụng những loại động cơ nào?
Mỗi chân robot có 3 bậc tự do (2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến). Chuyển động quay được dẫn động bởi 2 động cơ RC Servo TD8120MG, chuyển động tịnh tiến được thực hiện nhờ 1 động cơ DC giảm tốc (tỷ số truyền 1:48) kết hợp cơ cấu trục vít me, cùng 1 nam châm điện 12VDC đặt tại bàn chân.
2. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn vật liệu nhựa PLA thay vì Mica hay Nhôm để chế tạo thân và chân robot?
Dựa trên bảng ma trận đánh giá 5 tiêu chí ($C_1$: Độ cứng, $C_2$: Trọng lượng, $C_3$: Chịu nhiệt, $C_4$: Khả năng gia công, $C_5$: Chi phí), vật liệu nhựa PLA đạt tổng điểm cao nhất là 18 điểm (vượt trội về khả năng gia công in 3D đạt điểm 5 và chi phí đạt điểm 4), trong khi Mica và Nhôm chỉ đạt 14 điểm.
3. Bài toán tính toán lực hút của nam châm điện trên mặt phẳng sắt thẳng đứng được xác định với các thông số nào?
Bài toán được tính toán với khối lượng robot $m = 4\text{ kg}$, trọng lực $P = 39.24\text{ N}$, gia tốc $g = 9.81\text{ m/s}^2$, hệ số ma sát tĩnh $\mu = 0.5$. Khi robot di chuyển, chỉ có 3 chân bám giữ vách kim loại ($P/3 = 13.08\text{ N}$), lực ma sát yêu cầu $F_{ms} \ge 13.08\text{ N}$ đòi hỏi lực hút tối thiểu mỗi chân phải đạt trên $26.16\text{ N}$ (tương đương $> 2.67\text{ kg}$). Do đó, nhóm tác giả chọn nam châm điện có lực hút danh định 3 kg.
4. Ưu điểm chính của động cơ RC Servo TD8120MG được tác giả phân tích là gì?
Động cơ RC Servo TD8120MG sử dụng bánh răng kim loại, mô men kéo lớn ($18.2\text{ kg/cm}$), điều khiển góc dễ dàng qua xung PWM và có khả năng tự duy trì trạng thái góc quay gần nhất khi ngắt xung, giúp ngăn ngừa hiện tượng khung robot bị sập bất ngờ so với các loại servo analog thông thường.
5. Khối điều khiển trung tâm và các module mở rộng trong hệ thống điện bao gồm những thiết bị nào?
Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 làm trung tâm xử lý, liên kết với module mở rộng 16 kênh PWM 12-bit PCA9685 (điều khiển 8 servo), module mạch cầu H kép L298 (điều khiển 4 động cơ DC giảm tốc), 4 module Mosfet IRF520 (đóng/ngắt 4 nam châm điện), mạch hạ áp LM2596 và module Bluetooth HC-05 giao tiếp với điện thoại thông minh.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế và chế tạo mô hình robot di động bằng chân" của sinh viên Nguyễn Như Đạt và Trần Văn Lộc đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế và chế tạo một mô hình robot bốn chân hoàn chỉnh tích hợp cơ chế bám dính nam châm điện. Báo cáo đồ án thể hiện tính khoa học và thực tiễn cao thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa phân tích động học DH, tính toán cơ học cân bằng tĩnh/động, thiết kế CAD trên PTC Creo và thi công mạch điều khiển nhúng trên nền tảng Arduino Mega 2560. Kết quả thực nghiệm là nền tảng kỹ thuật vững chắc để tiếp tục phát triển các thế hệ robot di động leo tường tự hành phục vụ thám hiểm, cứu hộ và kiểm tra công trình công nghiệp.
