Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính và trí tuệ nhân tạo từ mốc năm 2015 đã đưa công nghệ robot bước sang kỷ nguyên robot thông minh. Khác với thế hệ robot truyền thống chỉ hoạt động theo chu trình cố định, robot thông minh được tăng cường năng lực nhận thức, ra quyết định và tương tác linh hoạt với con người cũng như môi trường làm việc. Trong thực tế đời sống và quốc phòng, các môi trường nguy hiểm, độc hại như hỏa hoạn trong tòa nhà cao tầng, vùng rò rỉ hóa chất, hiện trường sụp đổ cứu nạn hay rà phá bom mìn đặt ra nhu cầu cấp thiết về các dòng robot điều khiển từ xa có khả năng vượt địa hình phức tạp thay thế con người.

Cầu thang là một dạng địa hình nhân tạo phổ biến nhưng có cấu trúc hình học phức tạp, tạo ra trở ngại lớn đối với các robot di động thông thường. Việc nghiên cứu, phát triển robot leo cầu thang mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát tòa nhà, tuần tra an ninh và cứu nạn cứu hộ. Trên thế giới, các quốc gia phát triển như Hoa Kỳ (với các chương trình Advanced Manufacturing Partnership 2011, National Robot Plan, The Robot Roadmap), Đức (Kế hoạch Công nghiệp 4.0), Pháp, Nhật Bản và Hàn Quốc (Chiến lược Robot tương lai 2022) đều đã đầu tư nguồn lực lớn để phát triển các thế hệ robot chuyên dụng (điển hình như các mẫu robot vượt địa hình I-robot 210 Negotiator, I-robot 710 Warrior, I-robot 510 Packbot). Tại Việt Nam, hoạt động nghiên cứu robot đã được triển khai tại nhiều trường đại học và viện nghiên cứu, tuy nhiên đa số vẫn dừng lại ở mức mô hình lý thuyết hoặc học thuật, việc chế tạo thử nghiệm mô hình vật lý hoàn chỉnh có khả năng di chuyển linh hoạt trên địa hình bậc thang còn nhiều hạn chế.

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế robot leo cầu thang" do nhóm sinh viên Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển cho một mẫu robot vượt bậc thang cụ thể. Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 5 bước chính:

  1. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế khả thi về cơ khí, mạch điện và giải thuật điều khiển; khảo sát các thiết bị sẵn có trên thị trường.
  2. Thiết kế hệ thống điện – điện tử, lựa chọn vi điều khiển, mô-đun công suất, cảm biến và thiết kế mạch hồi tiếp vận tốc.
  3. Xây dựng giải thuật điều khiển di chuyển và cơ cấu leo bậc thang.
  4. Lập trình điều khiển trên máy tính và vi điều khiển; thiết lập kết nối nhận lệnh điều khiển từ điện thoại thông minh (smartphone) và xuất thông số trạng thái lên màn hình LCD.
  5. Thực nghiệm, kiểm thử mô hình và đánh giá kết quả.

Đối tượng nghiên cứu là robot di động leo cầu thang sử dụng cơ cấu nâng hạ bằng xy lanh điện kết hợp cụm bánh xe dẫn động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán kích thước hình học, động học, động lực học dựa trên kích thước bậc thang tiêu chuẩn ($L = 470\text{ mm}$, $H = 220\text{ mm}$), đồng thời thiết kế mạch phần cứng và lập trình điều khiển nhúng cho mô hình thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết cơ học và kỹ thuật điều khiển tự động:

  • Lý thuyết động học robot di động vi sai: Xác định quan hệ giữa hệ tọa độ tuyệt đối cố định $(OXY)$ gắn với môi trường và hệ tọa độ tương đối $(PX_rY_r)$ gắn liền với trọng tâm robot thông qua ma trận quay $R(\theta)$. Vận tốc tuyến tính và vận tốc góc của robot được tính toán từ vận tốc dài và vận tốc góc của 2 bánh xe chủ động phía sau.
  • Phương pháp động năng Lagrange: Xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho hệ thống cơ điện tử nhằm xác định mô-men cản và công suất yêu cầu của động cơ dẫn động: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial K}{\partial \dot{q}i}\right) - \frac{\partial K}{\partial q_i} + \frac{\partial P}{\partial q_i} = Q_i$$ Trong đó tổng động năng $K$ bao gồm động năng tịnh tiến của thân xe ($K{tt}$) và động năng quay của các bánh xe ($K_b$).
  • Lý thuyết độ bền và mỏi chi tiết máy: Đánh giá độ bền mỏi của trục dẫn động thép C45 theo phương trình đường cong mỏi $\sigma^m N = C$ và kiểm tra điều kiện bền nén của cơ cấu nâng hạ bằng hợp kim nhôm dưới tải trọng lớn nhất khi mang vật tải $20\text{ kg}$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích lý thuyết, mô hình hóa không gian 3D, thiết kế mạch điện tử trên phần mềm chuyên dụng và lắp ráp thực nghiệm:

  • Mô hình hóa kết cấu 3D và bố trí cụm cơ cấu nâng, cụm bánh chủ động, khung thân.
  • Phân tích ứng suất và tính toán lựa chọn động cơ, xy lanh điện, vật liệu chế tạo.
  • Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in PCB trên phần mềm Altium Designer.
  • Lập trình nhúng điều khiển trên phần mềm Arduino IDE và xây dựng giao diện điều khiển trên điện thoại thông minh.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot leo cầu thang được triển khai đồng bộ qua hai phân hệ chính: kết cấu cơ khí và hệ thống điện - điều khiển.

1. Kết cấu cơ khí và cơ cấu chấp hành

Kết cấu cơ khí của robot bao gồm 3 cụm chính: cụm bánh động lực, cụm thân xe và cụm cơ cấu nâng hạ. Các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp gia công cắt laser, in 3D và gia công kim loại.

Cụm cơ cấu Tên chi tiết Vật liệu Phương pháp gia công
Cụm thân xe Mặt đáy, mặt trên, mặt trước, tấm sau, 2 tấm cạnh Mica Cắt laser
Bánh xe dẫn hướng Cao su + nhôm Lắp ghép
Cụm bánh động lực Bánh xe chịu tải lớn Cao su, nhựa Gia công cơ khí
Động cơ trục chính Kim loại Lắp ráp tiêu chuẩn
Cụm nâng robot Nhôm định hình $20 \times 20$ Nhôm Cán, cắt
Dẫn hướng nhôm định hình, dẫn hướng lanh điện Nhựa In 3D
Ty trục 8 Thép Cán
Kẹp trục 8 Nhôm Dập
Tấm đỡ, bánh xe hỗ trợ nâng, gá dẫn hướng Nhựa In 3D
Chi tiết chữ L Nhôm Đúc khuôn
Gá xy lanh điện Nhựa In 3D
Dẫn hướng trượt Thép Cắt laser

2. Hệ thống phần cứng điện tử và điều khiển

Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển AVR kết hợp các mạch công suất và cảm biến định vị hành trình nhằm đảm bảo thao tác leo cầu thang diễn ra chính xác.

Thiết bị / Linh kiện Mã hiệu / Thông số kỹ thuật Vai trò trong hệ thống
Bộ xử lý trung tâm ATmega328P (Kit Arduino Nano), $16\text{ MHz}$, 32KB Flash, 2KB SRAM, 1KB EEPROM Xử lý thuật toán điều khiển, nhận tín hiệu cảm biến và điều phối cơ cấu chấp hành
Mạch lái động cơ di chuyển Module L298N / L298P (cầu H) và Module BTS7960 ($43\text{A}$) Điều khiển chiều quay và tốc độ của động cơ DC
Động cơ dẫn động bánh xe Động cơ giảm tốc GM25-370 có encoder (12V/24VDC, $3\text{W}$, 50RPM, tỉ số truyền 1/78, $26\text{ xung/vòng}$, trục $\Phi 4\text{ mm}$) Tạo lực kéo di chuyển cho 2 bánh chủ động phía sau
Cơ cấu nâng hạ thân xe Xy lanh điện 12VDC, hành trình $300\text{ mm}$, tải trọng $900\text{ N}$, công suất $20\text{W}$, tốc độ $10\text{ mm/s}$ Đẩy nâng thân robot vượt qua chiều cao bậc thang
Cảm biến phát hiện bậc Cảm biến khoảng cách NPN E18-DNK30 (mức thấp / thường mở) Nhận biết vị trí bậc thang để kích hoạt quy trình nâng
Cảm biến vị trí nâng Công tắc hành trình cơ khí Giới hạn hành trình nâng hạ của cơ cấu trượt
Nguồn cấp và hạ áp Pin cell 18650 Samsung ($2600\text{ mAh}$) kết hợp Module hạ áp LM2596 Cung cấp nguồn điện ổn định cho mạch điều khiển và cơ cấu công suất
Giao diện điều khiển Ứng dụng điều khiển trên Smartphone + Màn hình hiển thị LCD Gửi lệnh vận hành từ xa và theo dõi trạng thái làm việc

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về robot thông minh

Chương 1 trình bày tổng quan về sự phát triển của công nghệ robot thông minh trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Tác giả phân loại robot theo môi trường ứng dụng gồm: robot công nghiệp (tay máy nhiều bậc tự do, SCARA, xe tự hành AGV), robot dịch vụ trong nhà và thương mại, cùng các dòng robot chuyên dụng hoạt động trong môi trường độc hại, quân sự và y tế.

Chương này cũng phân tích chiến lược phát triển công nghiệp robot của các cường quốc như Hoa Kỳ, các nước Châu Âu (Đức, Pháp), Nhật Bản và Hàn Quốc. Đồng thời, tác giả đánh giá thực trạng nghiên cứu robot tại Việt Nam: các đơn vị nghiên cứu lớn (Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ học, Học viện Kỹ thuật Quân sự,...) đã đạt được các kết quả học thuật ban đầu, nhưng việc làm chủ thiết kế và chế tạo các hệ thống robot có tính năng tương tác lực và thích nghi địa hình phức tạp vẫn còn nhiều khoảng trống. Từ việc khảo sát các mẫu robot vượt địa hình nổi tiếng của hãng I-robot (Mỹ) như 210 Negotiator, 710 Warrior và 510 Packbot, tác giả xác định sự cần thiết của đề tài và đề ra quy trình 5 bước thực hiện thiết kế mô hình robot leo cầu thang.

Chương 2: Đề xuất mô hình robot leo cầu thang

Chương 2 tập trung vào việc hiện thực hóa ý tưởng thiết kế cơ khí cho robot:

  • Cụm bánh động lực: Yêu cầu bánh xe phải có độ ma sát lớn với mặt sàn nhằm hạn chế trượt khi tiếp cận bậc thang. Nhóm lựa chọn cấu trúc gồm 2 bánh chủ động phía sau và 1 bánh xe dẫn hướng phía trước.
  • Cụm thân robot: Được thiết kế dạng hộp kín bằng các tấm mica gia công cắt laser chính xác (gồm mặt đáy, mặt trên, mặt trước, mặt sau và 2 tấm cạnh), vừa đảm bảo độ cứng vững, bảo vệ linh kiện điện tử bên trong, vừa tối ưu hóa khối lượng tổng thể.
  • Cụm cơ cấu nâng: Sử dụng khung trượt bằng nhôm định hình $20 \times 20$, kết hợp các chi tiết gá kẹp, bạc dẫn hướng chế tạo bằng công nghệ in 3D nhựa, ty trục thép 8mm và liên kết chữ L nhôm đúc khuôn nhằm đảm bảo chuyển động tịnh tiến êm ái khi xy lanh điện hoạt động.
  • Mô hình 3D tổng thể: Tác giả xây dựng bản vẽ phối cảnh 3D hoàn chỉnh của khung xe và các module chức năng, đảm bảo tính thẩm mỹ và thuận tiện trong việc tháo lắp bảo dưỡng.

Chương 3: Mô hình động học, động lực học; thiết kế; tính toán kết cấu cơ khí

Chương 3 trình bày chi tiết các bước tính toán kỹ thuật:

  • Xác định kích thước hình học: Dựa trên kích thước bậc thang chuẩn được chọn với chiều dài bậc $L = 470\text{ mm}$ và chiều cao bậc $H = 220\text{ mm}$. Kích thước thân robot được thiết kế tương ứng với chiều dài hộp mica là $350\text{ mm}$ (nhỏ hơn $L$) và chiều cao thân là $155\text{ mm}$ (nhỏ hơn $H$).
  • Tính toán động học: Thiết lập ma trận chuyển đổi tọa độ vị trí $q = [x, y, \theta]^T$ và ma trận quay $R(\theta)$ với bán kính bánh xe $R = 0.065\text{ m}$ ($65\text{ mm}$), khoảng cách hai bánh xe $L = 0.367\text{ m}$ ($367\text{ mm}$), vận tốc góc bánh xe $\dot{\phi}_R, \dot{\phi}_L = 0.4\text{ rad/s}$.
  • Tính toán động lực học bằng phương pháp Lagrange: Tính toán tổng động năng $K = K_{tt} + K_b = 20.7 + 0.832 = 21.532\text{ Nm}$ với khối lượng thân xe mang tải $m_t = 20\text{ kg}$, khối lượng bánh xe $m_b = 0.4\text{ kg}$, gia tốc trọng trường $g = 10\text{ m/s}^2$, hệ số ma sát lăn $k = 0.001$, hệ số tổn thất trục $u = 0.9$. Từ phương trình vi phân chuyển động, mô-men yêu cầu của động cơ được tính toán đạt $M_{dc} \ge 0.71\text{ kNm}$, làm căn cứ chọn động cơ giảm tốc GM25-370 có encoder.
  • Tính toán trục dẫn động và độ bền mỏi: Chọn vật liệu thép C45 ($0.45%\text{ C}$), đường kính trục thiết kế $5\text{ mm}$. Với các thông số bậc đường cong mỏi $m = 6$, giới hạn mỏi $\sigma_r = 120\text{ MPa}$, số chu trình cơ sở $N_0 = 10^6$ chu trình, số chu trình làm việc dự kiến $N = 4.5 \times 10^5$ chu trình; ứng suất giới hạn tính được là: $$\sigma_{gh} = \sigma_r \sqrt[m]{\frac{N_0}{N}} = 120 \sqrt[6]{\frac{10^6}{4.5 \times 10^5}} \approx 137\text{ MPa}$$ Kết quả xác nhận trục làm việc an toàn, không bị phá hủy do mỏi.
  • Tính chọn và kiểm tra bền cơ cấu nâng: Chọn xy lanh điện hành trình $300\text{ mm}$, điện áp $12\text{V}$, công suất $20\text{W}$, lực đẩy danh định $900\text{ N}$, tốc độ $10\text{ mm/s}$. Tiết diện xy lanh $18.4 \times 18.4\text{ mm}$, vật liệu hợp kim nhôm khối lượng riêng $\gamma = 2.7\text{ g/cm}^3$, ứng suất cho phép $\sigma_b = 60 \times 10^6\text{ N/m}^2$. Dưới lực nén tối đa $P = 200\text{ N}$, ứng suất thực tế phát sinh trong thân xy lanh là: $$\sigma_1 = \frac{N_1}{a_1} = \frac{200}{3.3856 \times 10^{-4}} = 590,737\text{ N/m}^2$$ Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn bền $\sigma_b = 60 \times 10^6\text{ N/m}^2$, đảm bảo tuyệt đối điều kiện bền nén.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 4 hoàn thiện thiết kế hệ thống điện tử và lập trình điều khiển:

  • Khảo sát và tích hợp vi điều khiển ATmega328P: Tác giả phân tích chi tiết sơ đồ chân, cấu trúc bộ nhớ (32KB Flash, 2KB SRAM, 1KB EEPROM), các chân chức năng PWM, Analog, giao tiếp nối tiếp UART và ngắt ngoài của chip ATmega328P trên Kit Arduino Nano.
  • Mạch công suất và ngoại vi: Phân tích nguyên lý mạch cầu H của module L298N và mạch BTS7960 ($43\text{A}$) để điều khiển đảo chiều và điều tốc động cơ; tích hợp cảm biến khoảng cách quang điện NPN E18-DNK30 và công tắc hành trình để nhận biết mép bậc thang và giới hạn nâng hạ.
  • Thiết kế nguồn và mạch in PCB: Lựa chọn khối nguồn pin 18650 Samsung ($2600\text{ mAh}$) kết hợp module giảm áp LM2596 để cấp nguồn cho vi điều khiển và cảm biến; hoàn thiện sơ đồ nguyên lý và layout mạch in trên phần mềm Altium Designer.
  • Lập trình và giao diện: Viết mã nguồn điều khiển trên phần mềm Arduino IDE, xây dựng giao diện ứng dụng (app) điều khiển từ xa trên smartphone và xuất thông tin vận hành lên màn hình LCD.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thành thiết kế mô hình cơ khí: Xây dựng thành công kết cấu robot nhỏ gọn với kích thước thân $350 \times 155\text{ mm}$, trọng lượng nhẹ nhờ ứng dụng vật liệu mica cắt laser kết hợp khung nhôm định hình $20 \times 20$ và các chi tiết gá in 3D.
  • Kiểm chứng độ bền giải tích: Các tính toán động lực học Lagrange, sức bền trục thép C45 ($\sigma_{gh} = 137\text{ MPa}$) và kiểm tra ứng suất nén của xy lanh điện ($\sigma_1 = 590,737\text{ N/m}^2 < 60 \times 10^6\text{ N/m}^2$) chứng minh hệ thống vận hành an toàn dưới tải trọng toàn phần $20\text{ kg}$.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp: Thiết kế hoàn chỉnh mạch nguyên lý trên Altium Designer, tích hợp kit Arduino Nano (ATmega328P), driver BTS7960/L298N, cảm biến quang E18-DNK30, pin 18650 và phát triển ứng dụng điều khiển trên smartphone.

Đóng góp chính của đồ án là đề xuất được phương án kết hợp giữa cơ cấu nâng hạ tịnh tiến bằng xy lanh điện và cụm bánh xe dẫn động, tạo ra giải pháp vượt bậc thang có chi phí chế tạo thấp, tận dụng được các linh kiện sẵn có trên thị trường và công nghệ gia công in 3D/cắt laser phổ biến tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản:

  • Hạn chế: Mô hình được tính toán và thiết kế tương thích với một quy cách bậc thang cố định ($L = 470\text{ mm}$, $H = 220\text{ mm}$); việc thích nghi tự động với các bậc thang có kích thước phi tiêu chuẩn hoặc độ dốc thay đổi liên tục chưa được khảo sát sâu.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Hoàn thiện quá trình thực nghiệm thực tế trên nhiều loại cầu thang khác nhau, tối ưu hóa giải thuật điều khiển tự động hoàn toàn (không phụ thuộc vào người điều khiển qua smartphone) và nâng cao khả năng phản hồi lực tương tác giữa bánh xe và bậc thang.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Robot. Cụ thể:

  • Các chương tính toán động học và động lực học (Chương 3) cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về việc ứng dụng phương trình Lagrange trong việc tính chọn công suất động cơ cho xe tự hành/robot di động.
  • Phần tính toán chi tiết máy mang lại hướng dẫn thực tế về việc kiểm tra độ bền mỏi trục truyền động (thép C45) và kiểm tra ứng suất nén chi tiết hợp kim nhôm.
  • Phần thiết kế mạch điều khiển (Chương 4) cung cấp tài liệu chi tiết về sơ đồ kết nối vi điều khiển ATmega328P, mạch lái công suất cầu H và giao tiếp cảm biến quang học.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước bậc thang tiêu chuẩn được nhóm tác giả lựa chọn để tính toán thiết kế robot là bao nhiêu?
Kích thước bậc thang được lựa chọn gồm chiều dài mặt bậc $L = 470\text{ mm}$ và chiều cao bậc $H = 220\text{ mm}$. Thân robot được thiết kế tương ứng với chiều dài $350\text{ mm}$ và chiều cao $155\text{ mm}$.

2. Động cơ dẫn động trục chính của robot sử dụng loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?
Robot sử dụng động cơ giảm tốc DC GM25-370 có tích hợp encoder, hoạt động ở điện áp 12VDC/24VDC, công suất $3\text{W}$, tốc độ $50\text{ vòng/phút}$, tỉ số truyền $1/78$, độ phân giải $26\text{ xung/vòng}$, đường kính trục $\Phi 4\text{ mm}$ và trọng lượng $110\text{ g}$.

3. Cơ cấu nâng hạ robot sử dụng thiết bị gì và kết quả kiểm tra bền ra sao?
Cơ cấu nâng hạ sử dụng xy lanh điện $12\text{V}$, công suất $20\text{W}$, hành trình $300\text{ mm}$, tải trọng danh định $900\text{ N}$, tốc độ không tải $10\text{ mm/s}$. Kết quả tính toán kiểm tra bền cho thấy ứng suất thực tế $\sigma_1 = 590,737\text{ N/m}^2$, nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền của vật liệu hợp kim nhôm ($\sigma_b = 60 \times 10^6\text{ N/m}^2$), đảm bảo an toàn chịu lực.

4. Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển nào và điều khiển robot bằng phương thức gì?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển 8-bit ATmega328P tích hợp trên kit Arduino Nano ($16\text{ MHz}$, 32KB Flash). Người vận hành điều khiển robot từ xa thông qua ứng dụng giao diện tự thiết kế trên điện thoại thông minh (smartphone), đồng thời trạng thái hoạt động được gửi về hiển thị trên màn hình LCD.

Kết luận

Báo cáo đồ án môn Cơ điện tử "Nghiên cứu, thiết kế robot leo cầu thang" của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hoàn thành trọn vẹn từ khâu tổng quan, tính toán động học - động lực học Lagrange, thiết kế kết cấu 3D đến chế tạo mạch điều khiển nhúng. Hệ thống được kiểm chứng bền vững về mặt cơ học và đáp ứng tốt yêu cầu mang tải $20\text{ kg}$ vượt qua bậc thang kích thước chuẩn $470 \times 220\text{ mm}$. Đây là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho các nghiên cứu và dự án phát triển robot di động vượt địa hình phục vụ cứu hộ và tuần tra an ninh.