Đặt vấn đề Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam”, Cơ điện tử là một trong những hướng công nghệ trọng điểm phục vụ phát triển kinh tế, xã hội. Và khi nhắc đến cơ điện tử, robot chính là sản phẩm đặc trưng của ngành này. Chúng là những bộ máy hoạt động đồng nhất dựa trên những bộ phận được điều khiển một cách phức tạp thông qua những thuật toán được đem mã hoá vào những vi điều khiển. Có nhiều kiểu robot và chúng em chia chúng thành nhóm robot theo cách thức di chuyển: • Robot di chuyển bằng cánh quạt – Flycam • Robot di chuyển bằng bánh xe • Robot không chân – di chuyển bằng cách trườn như giun, rắn • Robot di chuyển bằng chân như động vật Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 6 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân 1.3 Phân loại chung về robot Robot có thể phân loại theo nhiều tiểu chuẩn, số bậc tự do động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặt tinh chuyển động.
- Phân loại theo số bậc tự do: Một cách lý tưởng cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để sử lý đối tượng một cách tự do trong không gian 3 chiều. Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do và robot thiếu có nhất ít hơn 6 bậc tự do, robot dư có thêm một bậc tự do dể di chuyển qua các hướng chướng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặt biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng chỉ có robot 4 bậc tự do là đủ. - Phân loại theo cấu trúc động học: Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có vòng kín và vòng hở.
- Phân loại theo hệ thống truyền động: Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén được dùng cho robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng chuyển động thủy lực hoặc khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là chất khí nén được.
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều khiển chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động được truyền động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối tiếp quy ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực tiếp. Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm quán tính của cơ cấu chấp hành.
Tuy nhiên, độ lệch khớp của của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp. - Tương đối lớn và nặng.
Do đó chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ được láp đặt ở đế. Nói chung động cơ cũng có thể được lắp đặt ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy. Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ cánh bánh răng, xích và Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 7 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân đĩa để truyền động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của sẽ phụ thuộc lẫn nhau.
Các cơ cấu chấp hành kiểu đó gọi là vòng kín. - Phân loại theo hình dạng hình học không gian làm việc: Không làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều.
Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể. Không là một phần của không gian có thể với tới. Mặc dù đây không phải điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác dụng. Vì lí do đó 3 khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu còn lại được gọi là cổ tay.
Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn là 6, cánh tay thường có 3 bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thường được xác định theo không gian làm việc.4 Robot di động bằng chân 1.1 Giới thiệu tổng quan về robot di động bằng chân Robot di động có chân là loại robot có khả năng di chuyển trên địa hình bằng cách sử dụng các chi giống như chân.
Loại robot này có nhiều tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như: Khám phá: Robot di động có chân có thể di chuyển trên các địa hình gồ ghề hoặc nguy hiểm mà con người hoặc các loại robot khác không thể tiếp cận. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các nhiệm vụ khám phá hang động hoặc khảo sát các khu vực bị ô nhiễm phóng xạ. Cứu hộ: Robot có chân có thể được sử dụng để tìm kiếm và cứu nạn những người bị mắc kẹt trong các toà nhà sập đổ hoặc các vùng thảm hoạ khác. Chúng cũng có thể được sử dụng để vận chuyển hàng hoá và thiết bị đến các khu vực bị ảnh hưởng bới thiên tai.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 8 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân Nông nghiệp: Robot có chân có thể được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ nông nghiệp, chẳng hạn như thu hoạch cây trồng, tươi nước và bón phân. Chúng cũng có thể được sử dụng để theo dõi đàn gia súc và giám sát sức khoẻ của cây trồng. Xây dựng: Robot có chân có thể được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ xây dựng, chẳng hạn như đặt gạch, sơn và hàn. Chúng cũng có thể được sử dụng để vận chuyển vật liệu và dọn dẹp các mảnh vụn.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Hình 1.
5 Robot Atlas[3] Hình 1. 6 Tripod Robot[4] Hình 1. 7 Quadruple Robot[5] Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 9 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân Các robot di chuyển bằng chân đã được nghiên cứu từ lâu, đều được lấy ý tưởng từ thực tế như dáng đi của con người, kiểu di chuyển của động vật bốn chân, đến kiểu di chuyển của động vật sáu, tám chân và tất cả đều có những thành công nhất định. Robot bốn chân (Quadruple Robot) là loại robot di chuyển bằng bốn chân, mô phỏng theo cấu trúc cơ thể của các loài động vật như chó, ngựa, côn trùng.
Chúng được thiết kế để chinh phục những địa hình gồ ghề, hiểm trở mà robot bánh xe thông thường khó hoặc không thể hoạt động hiệu quả. Hiện nay, có nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển trên toàn thế giới đang làm việc để cải tiến và ứng dụng loại robot này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm thám hiểm, quân sự, nông nghiệp và dịch vụ. Ở Việt Nam, robot di chuyển bằng chân cũng là đề tài được nhiều nhóm sinh viên thực hiện, là đề tài thích hợp phục vụ học tập. Ở Việt Nam, những robot phục vụ học tập đã có mặt trong các trường học: Hình 1.
8 Robot Lego Hình 1. 9 Robot Nao Hình 1. 10 Robot Alpha 1E[6] Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 10 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân Robot Lego tại lớp học Mindstorm nâng cao của Câu lạc bộ Robotics (tạm dịch Ngành học về robot) – IoT của trường ĐH Khoa học tự nhiên TP.HCM, hay Robot Alpha 1E trong chương trình Trại hè Công nghệ 2019 tại Học viện Sáng tạo Công nghệ REKY. Robot còn có mặt trong các Lab của các trường đại học như Robot Nao của trường ĐH Khoa học tự nhiên.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 11 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Phân tích động học robot ZG YG Hình 2. 1 Kí hiệu các khớp chân của robot trong mô phỏng Bảng 2. 1 Toạ độ các điểm khớp của chân robot so với toạ độ gốc Chân Khớp Toạ độ trục X Toạ độ trục Y Toạ độ trục Z RAi1 140 -95 213.9 RCi1 140 204 190 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 12 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân RCi2 140 204 117. 2 Hệ toạ độ các điểm trên chân của robot Sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Đạt Người hướng dẫn: TS Nguyễn Phú Sinh Trang 13 Trần Văn Lộc Thiết kế và chế tạo mô phỏng robot di động bằng chân Bảng 2.