Đồ án: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ iROBOT

BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐH CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
**************

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ iROBOT

Giáo viên hướng dẫn :

Nguyễn Anh Tú

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Chiến

:

Trần Văn Hiếu
Đào Duy Hoằng
Lớp

:

ĐH Cơ điện tử 2-K7

1

GIỚI THIỆU CHUNG......................................................................................
1.1. Giới thiệu chung..................................................................................................
1.2. Mục đích nghiên cứu đề tài.................................................................................
1.3. Phương án nghiên cứu.........................................................................................
1.4. Phân tích nhiệm vụ đồ án....................................................................................
TỔNG QUAN VỀ iROBOT.............................................................................

1.5. Giới thiệu về iRobot...........................................................................................
1.6. Phân tích và lựa chọn phương án di chuyển......................................................
1.6.1. Robot di chuyển bằng bánh........................................................................
1.6.2. Robot shrimp...............................................................................................
1.6.3. Robot di chuyển bằng xích.........................................................................
1.6.4. Robot di chuyển bằng đai...........................................................................
1.6.4.1. Di chuyển bằng 2 cơ cấu bánh đai....................................................
1.6.4.2. Di chuyển bằng 6 cơ cấu bánh đai....................................................
1.6.4.3. Di chuyển bằng 4 cơ cấu bánh đai....................................................
1.7. Giới thiệu về kết cấu cơ khí................................................................................
1.8. Giới thiệu về động cơ.........................................................................................
1.8.1. Động cơ Servo.............................................................................................
1.8.2. Động cơ DC-giảm tốc.................................................................................
1.8.3. Động cơ bước..............................................................................................
1.9. Giới thiệu về phương án điều khiển...................................................................

2


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 . Giới thiệu chung

Một bước di chuyển ngắn của robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn về
tri thức của nhân loại. Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người. Chủng loại
robot hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng: từ thăm dò
chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, cho
đến vận chuyển đồ vật và tham vui chơi cùng với trẻ em. Các nhà nghiên cứu châu Âu
và Mỹ đã phóng nhiều robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò và chinh phục
Hành tinh này. Theo kế hoạch đã định, tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu, sau khi
vượt qua chặng đường 485 triệu km đã thực hiện động tác cho Robot Beagle-2 tiếp
"đất" sao Hoả vào đêm Noel năm 2003. Về phần mình , NASA đã cho 2 robot cơ
động (Rovers) hạ cánh xuống bề mặt Hành tinh Đỏ vào tháng Giêng năm 2004. Mục
tiêu của các robot này khơng nhỏ: tìm kiếm dấu vết của nước và có thể là dấu vết của
sự sống, đã từng tồn tại trên hành tinh láng giềng của Trái đất. Nếu vượt qua được
thách thức này, thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thám hiểm vũ trụ kỳ
diệu.
Lĩnh vực thứ hai mà robot phát huy tác dụng tích cực là hỗ trợ thầy thuốc
khám, chẩn đốn và phát hiện bệnh. Robot cịn hỗ trợ người khuyết tật thực hiện các
thao tác hàng ngày, mà họ khơng làm được.Nhóm robot khác có hệ thống máy móc
tạo khả năng tự hành cao hơn, giống "người" hơn: ví dụ như ơ-tơ tự điều khiển (khơng
cần sự hỗ trợ của người); robot thích ứng thăm dị biển thế hệ thứ ba - loại robot này
đi được gần giống người. Nhóm robot này hoạt động ở những địa điểm nguy hiểm
nhất mà con người không thâm nhập được, như trong nhà máy điện hạt nhân hay
trong núi lửa. Hiện nay, việc nghiên cứu kỹ thuật robot còn đang ở giai đoạn đầu,
nhưng đã có những ứng dụng ban đầu rất thành cơng. Có thể khẳng định, đây là lĩnh
vực cơng nghệ rất có triển vọng. Trong nhóm robot hỗ trợ, người ta đã tạo được một
số robot có khả năng di chuyển tối ưu, gần giống di chuyển (cử động) của người.
Phịng Thí nghiệm tin học, Kỹ thuật robot và Vi điện tử Montpellier (LIRMM) Pháp
đã chế tạo thành công và cung cấp cho các nhà phẫu thuật dụng cụ robot hỗ trợ, cải

3

thiện các thao tác phẫu thuật. Ví dụ điển hình là dụng cụ robot tách bóc da trong phẫu
thuật ghép da bị bỏng. Trên thực tế, thao tác này đ đi hỏi phải thực hiện rất chính xác, ít
phẫu thuật viên thực hiện được hoàn hảo, trong khi dụng cụ robot do LIRMM cung
cấp thực hiện rất tốt. Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia của Pháp
đánh giá: "Dụng cụ robot có khả năng xác định chính vị trí làm việc của mình và xác
định được chuẩn khoảng cách giữa tay và mắt của phẫu thuật viên. Dụng cụ robot có
thể giúp phẫu thuật viên khơng bị run tay và tăng tốc thao tác, nhất là trong vi phẫu
thuật". Đối với phẫu thuật tim, dụng cụ robot cũng hỗ trợ được rất nhiều: mở lồng
ngực chính xác (đúng vị trí) cho bệnh nhân, tự động thực hiện một số nhiệm vụ lặp đi
lặp lại (như thao tác khâu vết mổ chẳng hạn). Tại LIRMM, các chuyên gia đang
nghiên cứu điều khiển robot thực hiện thao tác khâu tim thao tác khơng thể thiếu khi
đóng lồng ngực, mà không làm tim ngừng đập. Đây là thao tác rất phức tạp và đ đi hỏi
độ chính xác cao. LIRMM đă thành công trong việc chế tạo dụng cụ này, có thể nói,
đây là một kết quả mỹ mãn. Trước đó, LIRMM đã phối hợp với Phịng Thí nghiệm
Kỹ thuật Robot Paris (LRP) và Phịng Thí nghiệm Kỹ thuật ảnh, mơ hình hố và khả
năng nhận biết (TIMC), Uỷ ban Năng lượng Nguyên tử Quốc gia (CEA) của Pháp v.v
trong khuôn khổ dự án Robea Gabie. Mục tiêu và nhiệm vụ chính yếu của Dự án này
là thiết kế "Hệ thống chỉ dẫn bằng ảnh toàn ký", phục vụ phẫu thuật tim. Trong một
lĩnh vực hoàn toàn khác, các chuyên gia của LIRMM đã thiết kế hệ robot biết sửa
chỉnh đồ mỹ nghệ. Nhờ có hệ robot này, nghệ nhân có khả năng nhân đơi giá trị tác
phẩm điêu khắc của mình. Trong thực tế, đã có những robot dạng này đang sử dụng
trong công nghiệp và sản xuất những vật phẩm đồng nhất. Song, trong thiết kế và sản
xuất loại thiết bị này đã khơng tính đến những đường gân của sản phẩm, độ sù sì của
vật liệu và những đường nét riêng của người sáng tạo ra sản phẩm mẫu. Tại đó, nghệ
nhân khắc trạm theo cảm giác ảo riêng và bằng bàn tay của mình. Các thao tác này có
thể hiệu chỉnh được bằng robot với mức kích cỡ thực trên cơ sở mẫu điêu khắc của
người sáng tạo. Viện Bảo tàng Louvre ở Paris rất quan tâm đến loại robot này. Như
vậy, các lĩnh vực tinh tế như y học và ngay cả mỹ thuật kỹ thuật robot cũng đã xen
vào được.Trong tương lai, sẽ có một loại robot khác, có khả năng thực hiện một số

hoạt động thay thế hoàn toàn cho con người đang phải đảm nhiệm hiện nay. Để thiết
kế được loại robot này, các nhà nghiên cứu phải có nguồn cảm hứng tuyệt vời: đó là

4


sự sống. Một số động vật có khả năng giao cảm và thích ứng với sự thay đổi của mơi
trường. Do đó, người ta đã nảy sinh ý tưởng thiết kế robot mơ phỏng theo một số
lồi vật. Trung tâm Nghiên cứu về sự nhận biết của động vật (CRCA) ở
Toulouse đã nghiên cứu "trí tuệ" của lồi kiến thơng qua Kiến Robot. Kiến Robot
được đưa vào trong tổ kiến và kết giao với các lồi cơn trùng khác. Kiến Robot sẽ hội
nhập xã hội cơn trùng và có khả năng gây ảnh hưởng đến các quyết định của cộng
đồng côn trùng.Trong khuôn khổ của Dự án châu Âu Leurre, mà CRCA tham gia, các
nhà nghiên cứu Pháp sẽ thực hiện các nghiên cứu mô phỏng về Rán Robot. Nhánh kỹ
thuật robot này sẽ tạo ra các hệ robot chắc chắn, linh hoạt, hiệu suất cao và giá rẻ.
Trong tương lai gần, robot động vật sẽ tạo ra khả năng mới trong lĩnh vực thám hiểm
các vùng lãnh thổ chưa từng biết đến.

1.2 . Mục đích nghiên cứu đề tài
Mục đích nghiên cứu đề tài
Kiểm nghiệm khả năng vận dụng những kiến thức đã học vào trong đề tài thực
tế.
+

Bài tốn di chuyển robot.

+

Lập trình cho robot.

+

Thiết kế mạch điện tử .

+

Thiết kế cơ khí, tính tốn các cơ cấu của robot.

1.3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu mơ hình của các sản phẩm đã có sẵn và được áp dụng vào thực tế,
kết cấu, chức năng của các máy đó. Từ đó áp dụng để thiết kế trong giới hạn đề tài.
Áp dụng các phương pháp trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế robot, cụ thể là:
+

Thiết kế tuần tự và đồng thời.

+

Mơ hình hóa phần cơ khí, mô phỏng phần điện, giả định những phương

án điều khiển, tối ưu hóa trước khi hồn thiện thiết kế trước khi chế tạo.

5


1.4. Phân tích nhiệm vụ đồ án
-

Nhiệm vụ của robot: Di chuyển vào các khu vực yêu cầu, tìm kiếm và thu thập

thông tin.
- Về kỹ thuật:
 Robot được điều khiển từ xa, thu – phát tín hiệu, hình ảnh về cho người
điều khiển.
 Di chuyển được nhiều loại địa hình (bằng phẳng, lồi lõm, lên xuống cầu
thang…).
 Thu thập thơng tin, thơng số: video, hình ảnh…
- Phạm vi hoạt động của robot: trong nhà và ngồi trời (địa hình khơ).
- Ứng dụng thực tế của robot:
Đây là robot có khả năng di chuyển ở nhiều loại địa hình, được điều khiển từ xa nhờ
tín hiệu hình ảnh, được lắp đặt bộ camera có thể quay phim, chụp ảnh với kích thước
nhỏ gọn do đó iRobot có thể tham gia vào việc giám sát thăm dò phục vụ cho nghiên
cứu khoa học, quân sự…
- Nhiệm vụ:
 Thiết kế cơ khí đảm bảo cho Robot có khả năng di chuyển linh hoạt trên địa
hình phức tạp, lồi lõm và cầu thang.
Xuất phát từ thực tế, ta nhận thấy rằng địa hình cầu thang là thách thức lớn nhất
trong các địa hình di chuyển của Robot. Do đó khi thiết kế Robot, chúng tôi rất chú
trọng phần di chuyển này. Qua các tài liệu tham khảo và tính tốn, chúng tơi quyết
định Robot di chuyển bằng hệ thống bánh – đai. Ưu điểm của kết cấu này là khả năng
truyền momen tốt, sử dụng đai làm hệ thống di chuyển nên có ma sát cao, độ bám
đường tốt. Còn các cơ cấu truyền chuyển động thì chủ yếu dung bộ truyền xích và
bánh răng.
 Thiết kế mạch điện và lập trình: nhiệm vụ là thiết kế, lập trình mạch điều khiển
khơng dây cho robot, bộ phận camera thu phát tín hiệu.

6


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ iROBOT

2.1. Giới thiệu chung về iROBOT
iRobot là một loại robot địa hình, thường được sử dụng rộng rãi trong quân sự.
Với ưu điểm vượt trội của robot như khung cơ khí vững chắc, kết cấu bền vững, bánh
đai di chuyển linh hoạt, robot có thể di chuyển được trên các địa hình: bằng phẳng, gồ
ghề, cầu thang... Vì vậy, robot có thể thay thế con người đi vào các địa hình phức tạp,
nguy hiểm và các mơi trường khắc nghiệt. Nó có thể vượt mọi địa hình,phục vụ cho
nghiên cứu khoa học cũng như phục vụ cho quân sự trong việc quan sát, rà bom mìn,
vận chuyển …
Robot được thiết kế để phục vụ cho lĩnh vực quân sự nên yêu cầu có độ vững
chắc, bền vững và chính xác. Do robot di chuyển trên nhiều địa hình gồ ghề và phức
tạp, nên robot phải được làm từ vật liệu có độ bền và chịu va đập tốt. Phương pháp
điều khiển robot do nhóm chọn ra chủ yếu là điểu khiển bằng tay nên độ chính xác
khơng u cầu q cao.
iRobot sử dụng 3 động cơ điều khiển. Trong đó, 1 động cơ dùng để điều khiển
càng trước, 2 động cơ còn lại điều khiển 2 bánh đai cho robot di chuyển. Vì vậy bài
tốn tính tốn động cơ rất quan trọng trong thiết kế irobot. Bên cạnh đó, robot di
chuyển hồn tồn bằng cơ cấu đai nên việc di chuyển khá linh hoạt, không gây nhiều
tiếng động…
2.2. Phân tích và lựa chọn phương án di chuyển
2.2.1: Robot di chuyển bằng bánh:

7


+Ưu điểm:
-

Chuyển động nhanh trên địa hình bằng phẳng, và êm.
Có thể leo được cầu thang, di chuyển ở địa hình tương đối nhấp nhơ.

+ Nhược điểm:
-

Khó khăn trong di chuyển ở những địa hình phức tạp.
Hiệu quả leo cầu thang không cao, do robot quá lớn.

2.2.2 Robot shrimp

+

Ưu điểm:
Chuyển động linh hoạt và êm.
+ Nhược điểm:

8


Giới hạn di chuyển ở một số địa hình, cơ cấu cơ khí phức tạp, khó chế tạo, độ cứng
vững khơng cao.
2.2.3: Robot di chuyển bằng xích.
Rơbốt di chuyển dùng bánh xích :

Bánh xích hoặc bánh răng được sử dụng trong các thiết bị như máy kéo hoặc xe
tăng... do khả năng thích ứng với địa hình và u cầu về lực kéo. Nguyên nhân do cơ
cấu bánh xích giảm tính trượt và phân bố đều trọng lượng của thiết bị thích hợp với
các bề mặt như cát,đất yếu...hay các bề mặt mấp mô.Một điều khác là khi sử dụng
chúng cho robot trông robot sẽ ấn tượng hơn nhiều.
+ Ưu điểm:
-

Tiếp xúc bề mặt lớn nên giảm khả năng trượt (do ma sát giữa bánh với bề mặt

lớn)
-

Phân bố trọng lượng đều có khả năng hoạt động linh hoạt trên nhiều bề mặt

khác nhau.
- Tăng không gian sử dụng của robot khơng cần kết hợp với các bánh xe có ổ đĩa
lớn.
+ Nhược điểm:
-

Gây tổn hại bề mặt di chuyển
Ổ đĩa xích hạn chế đáng kể số lượng động cơ có thể sử dụng
Tính phức tạp cơ khí tăng (số liên kết ,khớp nối, cơ cấu lực... tăng).
2.2.4: Robot di chuyển bằng đai.
2.2.4.1: Di chuyển bằng 2 cơ cấu bánh đai

9


2 cơ cấu bánh đai được gắn vào 2 bên, mỗi bánh dẫn động bởi mỗi động cơ
riêng, các động cơ chuyền động này có thể gắn gián tiếp qua bộ truyền hoặc gắn trực
tiếp vào bánh đai để tạo chuyển động của robot
Khi 2 cơ cấu bánh đai cần rẽ trái hay rẽ phải thì 2 động cơ quay ngược chiều
nhau để 2 bánh đai chuyển động ngược chiều tạo ra chuyển động quay trái hoặc quay
phải.
Phương án này đại diện cho kiểu robot đơn giản nhất.
2.2.4.2: Di chuyển bằng 6 cơ cấu bánh đai

Phương án thêm vào nhiều cơ cấu bánh đai hơn sẽ tạo ra sự linh hoạt về chuyển
động cho robot.
+ Ưu điểm: các nhánh cơ cấu bánh đai làm tăng chiều dài robot, giúp robot dễ
dàng vượt qua các địa hình ghập ghềnh, khe nứt …
+ Nhược điểm: tăng độ phức tạp về việc chế tạo và điều khiển, kích thước tăng
làm giảm khả năng di chuyển trong khơng gian hẹp.
Ví dụ: về robot leo cầu thang của học viện kĩ thuật quân sự

10


Robot này có thể leo lên, leo xuống các loại cầu thang trong nhà cao tầng ở việt
nam với kích thước cầu thang rộng 35cm, cao 15cm. Điểm mấu chốt có thể khiến
robot này leo lên được các bậc cầu thang là cụm bánh xích và các đai răng bánh đai
cùng với đó là 2 cặp càng trước càng sau có khả năng nâng lên hạ xuống. Robot có 3
tính năng chủ yếu là:
+ di chuyển qua các địa hình phức tạp và điều khiển bằng tay
+ truyền được hình ảnh từ robot về máy tính
+ có thể lưu trữ ảnh dưới dạng file ảnh hoặc video phục vụ tác chiến.
2.2.4.3: Di chuyển bằng 4 cơ cấu bánh đai

+ Ưu điểm: Việc sử dụng 4 cơ cấu bánh đai làm cho robot nhỏ gọn hơn và giảm
phần phức tạp, nâng hạ phần than robot dễ dàng, do đó nếu dặt camera lên sẽ thuận lợi
cho việc quan sát địa hình.


Ví dụ về robot packbot 510

11

- Việc thiết kế linh hoạt cịn cho phép nó di chuyển trên nhiều địa hình khác
nhau, như leo cầu thang, lăn trên địa hình lồi lõm hay gồ ghề. Nhờ vào các “chân
chèo” có thể liên tục quay 360 độ mà PackBot có thể dễ dàng ngang dọc trên đá sỏi,
bùn, tuyết và các địa hình phức tạp khác với tốc độ khoảng 10km/h.
- Robot leo cầu thang hỗ trợ người khuyết tật:

Robot có khả năng mơ phỏng đầy đủ các tình huống gặp phải trong việc hỗ trợ
người khuyết tật vạn động khi di chuyển lên cầu thang, hoạt động của robot được điều
khiển bằng thiết bị smartphone với hệ điều hành androi thơng qua Bluetooth do đó
robot hoạt động chắc chắn, vững vàng có thể rẽ trái, rẽ phải, tạo thăng bằng tốt và an
toàn cho người sử dụng ngay cả khi đi trên đường bằng hoặc cầu thang.

Kết luận: Robot di chuyển bằng đai có thể khắc phục được tất cả các nhược điểm
trên một các dễ dàng. Vậy nên ta chọn phương án di chuyển cho robot là di chuyển
bằng đai.
2.3. Giới thiệu về kết cấu cơ khí
 Cụm bánh đai là một cụm kết cấu nhận lực cuối cùng từ động cơ thông qua các
cơ cấu truyền động để giúp robot có thể di chuyển được. Khi robot di chuyển qua các
địa hình phức tạp thì trạng thái của cụm bánh sẽ quyết định khả năng di chuyển của
robot. Ví dụ như: khi robot vượt qua địa hình đơn giản và bằng phẳng thì robot sẽ hạ
thân xuống để có thể di chuyển một cách linh hoạt. Nhưng khi đi vào các địa hình gồ

12


ghề, càng trước robot sẽ được dựng đứng lên, nhằm mục đích nâng thân robot cao lên,
giúp robot vượt qua các địa hình phức tạp.
 Cơ cấu truyền chuyển động để đảm bảo truyền mơmen lớn giúp robot có thể

vượt qua các địa hình gồ ghề, phức tạp ta chọn bộ truyền xích để truyền chuyển động
từ động cơ tới bánh.
2.4. Giới thiệu về động cơ
Ngoài thị trường hiện nay có rất nhiều loại động cơ điều khiển hoạt động robot,
trong phạm vi đề tài Irobot có thể điều khiển bởi 3 loại động cơ sau: động cơ servo,
động cơ DC-giảm tốc, động cơ bước.
2.4.1: Động cơ servo:

2.4.1.1: Khái niệm:
Hệ truyền động dộng cơ servo là hệ truyền động thuộc phạm trù các điều khiển
quay hay thẳng điều khiển được tốc độ, và có mạch vịng phản hồi là hệ thống kín.
2.4.1.2: Đặc điểm.
+ Khả năng q tải về mơ men quay cao.
+ Công suất động cơ tối đa lớn.
+ Được thiết kế cho các hệ thống vịng kín.
+ Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển.
2.4.1.3: Nguyên lý hoạt động

13


-

Động cơ servo được thiết kế cho các hệ thống hồi tiếp vịng kín. Tín hiệu ra của

động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vị trí và vận tốc sẽ
được hồi tiếp về mạch điều khiển này.
- Khi tốc độ động cơ bị lệch so với tốc độ đặt, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tốc độ
đầu ra chưa đạt vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ
đạt được điểm chính xác.

- Để lấy tín hiệu phản hồi về và điều khiển chính xác động cơ như mong muốn,
người ta tích hợp một động cơ với một Encoder và một bộ điều khiển. Encoder đo vận
tốc tức thời của động cơ, chuyển thành tín hiệu điều khiển đưa về bộ điều khiển.
- Bộ điều khiển nhận được tín hiệu từ Encoder gửi về lập tức phân tích và xử lý
tín hiệu đó và tiến hành điều khiển động cơ theo 1 thuật toán cho trước.
2.4.1.4: Ưu nhược điểm của cơ servo.
- Ưu điểm:
+ Đơn giản, hoạt động được ở tốc độ cao.
+ Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor.
+ Có thể điều khiển đc vịng kín và nửa kín.
+ Có độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng thay đổi vị trí đích và tốc
độ của cơ cấu chấp hành.
Nhược điểm:
+ Không làm việc ở chế độ mạch điều khiển hở, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi.
+ Yêu cầu phải điều chỉnh các thong số vòng điều khiển.
+ Giá thành đắt.
2.4.2: Động cơ DC-giảm tốc
2.4.2.1: Khái niệm:
Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động
cơ điều khiển trực tiếp có cấu tạo gồm hai dây (dây nguồn và dây tiếp đất). DC motor
là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục.
Khi bạn cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng
thành cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao (số vòng
quay/ phút), và các động cơ DC đều được ứng dụng để làm quạt làm mát máy tính,
hoặc kiểm sốt tốc độ quay của bánh xe…

14


Để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC, người ta dùng điều biến độ rộng xung (kí

hiệu là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật và tắt các
xung điện. Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điều khiển bằng cơ
chế bật tắt một mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ.

+ Ưu điểm:
- Có khả năng điều chỉnh, thay đổi tốc độ làm việc trong điều kiện quá tải, mạch
điều khiển đơn giản.
- Tốc độ nhanh, động cơ xoay vòng liên tục.
- Được sử dụng cho các thiết kế cần phải có một thiết bị quay với tốc độ RPM, ví
dụ như trục bánh xe ô tô, cánh quạt máy, vv...

15


+ Nhược điểm:
Chổi than làm việc vận hành kém không chính xác và khơng đảm bảo an tồn trong
mơi trường.
2.4.3: Động cơ bước:
2.4.3.1: Khái niệm.
Trong hệ thống tự động và trong máy tính điện tử càng ngày sử dụng rộng rãi hệ
thống truyền động rời rạc.
Các hệ thống truyền động rời rạc này thực hiện nhờ loại động cơ chấp hành đặc
biệt gọi là động cơ bước.

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các loại động cơ điện thông thường. Nhưng thực chất là một loại động cơ khơng
đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế
tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả
năng cố định roto vào các vị trí cần thiết.
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ :

Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ giảm tốc công suất nhỏ.
2.4.3.2: Phân loại và cấu tạo

16


Động cơ bước cơ bản chia làm 3 loại:
•
•
•

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Động cơ bước biến trở từ.
Động cơ bước lại.

Động cơ bước nam châm châm vĩnh cửu cơ bản gồm 3 loại:
•
•
•

Động cơ bước đơn cực.
Động cơ bước lưỡng cực.
Động cơ bước nhiều pha.

2.4.3.3: Hoạt động
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng
bước tiến nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các
bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số
nhất định. Tổng số quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều
quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Động cơ bước hoạt động dựa trên việc cấp xung, nó khơng có bộ chuyển mạch
bên trong nên tất cả mach đảo phải được điều khiển bên ngoài bằng đồng bộ điều
khiển.
Tại mỗi thời điểm sẽ chỉ có một hay hai cuộn dây có điện (tùy vào phương pháp
điều khiển là đầy bước hay nửa bước). Khi trạng thái cấp xung thay đổi thì sẽ sinh ra
moment xoắn và sẽ làm cho roto quay.
Điều khiển chiều quay của động cơ: thay đổi thứ tự cấp xung, giả sử động cơ
đang ở bước thứ 8 ta cấp xung cho bước thứ 7 thì lúc đó nõ sẽ quay ngược lại
Điều khiển tốc độ: thay đổi độ rộng xung và tần số xung.

Trong đó:
V: vận tốc trung bình của động cơ bước (vòng/giây)

17


n: số lần dịch bước.
t: thời gian động cơ thực hiện n lần dịch bước(giây)
:góc bước của động cơ
f: tần số dịch bước.

•
•
•

Các phương pháp điều khiển động cơ bước
Điều khiển đủ bước.
Điều khiển nửa bước.
Điều khiển vi bước.

2.4.3.4: Ứng dụng
Trong điều khiển chuyển động kĩ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp
hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng
số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, chúng được ứng
dụng trong các thiết bị cần điều khiến chính xác.
+ Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, bám mục tiêu
trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia cơng cắt gọt, điều
khiển các cơ cấu lái phương và chiều quay trong máy bay…
CHƯƠNG 3 : MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG

18


3.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

19


3.1.1 Khối nguồn.
Khối nguồn 1 dùng để cấp nguồn duy trì hoạt động cho tay cầm điều khiển và
cảm biến gia tốc. Do đó ta sử dụng nguồn có điện áp 5V
Yêu cầu:
-

Khối nguồn có độ ổn định cao về dịng và điện áp.
Có khối lượng và kích thước khn khổ nhỏ để có thể lắp trên tay điều
khiển.
Đảm bảo dễ dàng nạp điện cho khối nguồn.
Có thời gian sử dụng sau một lần nạp từ 5-6 giờ.

Có thể tháo dời và dễ dàng kết nối trở lại với tay điều khiển

Khối nguồn 2 dùng để cấp nguồn cho mạch điều khiển lắp trên thân xe, mạch
công suất, và động cơ điện. Do đó ta sử dụng nguồn 24v cấp cho động cơ điện
rồi sử dụng mạch hạ áp để cấp cho mạch điều khiển và mạch công suất.
Yêu cầu:
-

Khối nguồn có độ ổn định cao về dịng và điện áp.
Có khối lượng và kích thước khn khổ nhỏ để có thể lắp giáp trên thân
xe,
Đảm bảo dễ dàng nạp điện cho khối nguồn.
Có thời gian sử dụng sau một lần nạp từ 5-6 giờ.
Có thể tháo dời và dễ dàng kết nối trở lại với thân xe.

Từ đó ta chọn khối nguồn là ắc quy.
3.1.2 Tay điều khiển
Tay điều khiển có nhiệm vụ lấy tín hiệu ra từ khối cảm biến, mã hóa thành tín hiệu
điều khiển rồi truyền tới khối xử lý tín hiệu được đặt ở trên thân xe.
Yêu cầu:
-

Tốc độ xử lý cao có bộ nhớ chương trình đủ lớn để lưu các chế độ hoạt
động của xe.
Tích hợp sẵn bộ biến đổi ADC.
Có sẵn các kênh băm xung PWM.
Các bộ Timer/ Counter mạnh.
Hoạt động ổn định, có độ bền và tuổi thọ cao.

Do đó ở trung tâm điều khiển ta chọn chip xử lý là atmega 8.

3.1.3 Khối vi điều khiển (Atmega8)

20


- Vi điều khiển ATMEGA8 là một dòng vi điều khiển AVR tương đối mạnh của hãng
ATMEL. Nó được tích hợp một CPU có thể hoạt động ở tần số lớn ( 16MHz) bên
cạnh đó là nhiều module ngoại vi như các khối giao tiếp nối tiếp, bộ định thời, bộ
chuyển đổi tương tự số…Các khối này có thể được thiết lập một cách linh động để áp
dụng trong nhiều mục đích khác nhau.
- Các tính năng :
• Vi điều khiển 8bit, tốc độ cao, cơng suất thấp
• Kiến trúc RISC:
– Tập lệnh 130 câu lệnh, hầu hết thực hiện trong một chu kỳ xung clock
– 32 × 8 Thanh ghi sử dụng chung
– Có thể thực hiện 16 triệu lệnh trên giây ở tần số 16MHz
– Bộ nhân bên trong với lệnh nhân 2 chu kỳ
• Phân đoạn bộ nhớ không bay hơi độ bền cao
– 8Kbytes bộ nhớ chương trình FLASH trong chíp
– 512Bytes EEPROM
– 1Kbyte SRAM nội
– Số chu kỳ xóa/ghi: 10,000 Flash/100,000 EEPROM
– Lưu trữ và bảo toàn dữ liệu: 20 năm ở nhiệt độ 85°C/100 năm ở nhiệt độ 25°C(1)
– Phân đoạn mã boot chíp tùy chọn với các bit thiết lập độc lập
– Khóa lập trình cho bảo mật
• Tính năng ngoại vi
– 2 bộ định thời 8bits với bộ chia trước độc lập, 1 chế độ so sánh
– 1 bộ định thời 16bits với bộ chia xung trước, chế độ so sánh, chế độ bắt xung
– Bộ định thời gian thực với bộ giao động riêng
– 3 Kênh điều chế độ rộng xung (PWM)

– 8 kênh chuyển đổi tương tự số với độ phân giải 10bits
– Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI hướng byte

21


– Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART có thể lập trình được
– Chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI chủ/tớ
– Bộ định thời giám sát (watchdog-timer) có thể lập trình với giao động bên trong
chíp
– Bộ so sánh tương tự bên trong chíp
• Các tính năng đặc biệt khác
– Khởi động lại bật nguồn và bộ phát hiện sụt nguồn
– Bộ giao động RC nội đã được căn chỉnh
• Tốc độ hoạt động
– 0 - 8MHz (ATmega8L)
– 0 - 16MHz (ATmega8)
• Năng lượng tiêu thụ tại điều kiện hoạt động 4Mhz, 3V, 25°C
– Chế độ hoạt động: 3.6mA
– Chế độ rỗi: 1.0mA
– Chế độ sụt nguồn: 0.5μA

22


Hình: Sơ đồ chân Atmega8

3.1.4, Khối truyền tín hiệu điều khiển
* Khi tín hiệu điều khiển đã được xử lý trên tay điều khiển một công việc rất quan
trọng đặt ra là: ta phải truyền tín hiệu điều khiển tới trung tâm xử lý được đặt trên thân

xe. Để đảm bảo chiếc xe có thể hoạt động linh hoạt trong một phạm vi rộng lớn, ta
chọn phương pháp truyền dữ liệu khơng dây bằng sóng Rf
u cầu:
-

Dữ liệu được truyền đi ở một khoảng cách xa, đa hướng và ở một tần số
hoạt động cao.
Giảm thiểu tối ta nhiễu khi truyền dữ liệu.
Thông tin dữ liệu truyền đi cần được mã hóa trước khi truyền.
Số bit dữ liệu truyền đi là 8.
Dữ liệu truyền liên tục trong quá trình xe hoạt động.

Từ các yêu cầu đặt ra ta sử dụng module Bluetooth có sẵn trên thị trường để truyền dữ
liệu điều khiển.
• Tính năng của Bluetooth :
- Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s. Bluetooth hỗ trợ tốc
độ truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10m. Khác với kết nối
hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4
GHz.
- Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết bị,
bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động.
- Giá thành hạ (giá một con chip Bluetooth đang giảm dần).
- Khoảng cách giao tiếp cho phép:
+ Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngồi trời và
5m trong tòa nhà.
+ Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngồi
trời và 30m trong nhà.
- Bluetooth sử dụng băng tần đăng ký 2.4Ghz trên dãy băng tần ISM. Tốc độ
truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps(do sử dụng tần số cao) mà các
thiết bị không cần phải lấy trực tiếp nhau.

23


- Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này
với một ứng dụng khác thơng qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó có thể
độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
- Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền
tiếng nói là 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
- An tồn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa.
- Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm
hỗ trợ.
• Hoạt động của bluetooth :
- Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe
khơng dây.
- Mạng khơng dây giữa các máy tính cá nhân trong một khơng gian hẹp địi
hỏi ít băng thơng.
- Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn như
chuột, bàn phím và máy in, phone….
- Truyền dữ liệu giữa các thiết bị dùng giao thức OBEX.
- Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo,
thiết bị định vị dùng GPS, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều
khiển giao thông….
- Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại.
- Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử như Wii - Máy chơi trò chơi
điện tử thế hệ 7 của Nintendo và PlayStation 3 của Sony.
- Kết nối Internet cho PC hoặc PDA bằng cách dùng điện thoại di động thay
modem.
3.1.5 Động cơ điện
- Động cơ điện là bộ phận quan trọng nhất quyết định khả năng di chuyển

của robot.
Yêu cầu:
-

Đảm bảo công suất ổn định để robot có thể di chuyển dễ dàng và có thể
chở thêm tải trọng từ 10-15 (kg) khi di chuyển.
Động cơ nâng càng phải phải đảm bảo cơng suất để nâng tồn bộ robot.
Hoạt động ổn tịnh và có tuổi thọ cao.

3.1.6, Cơ cấu truyền chuyển động
Để đảm bảo truyền monmen lớn để robot có thể vượt được các địa hình
gồ ghề phức tạp ta ta chọn bộ truyền xích để truyển chuyển động từ động cơ tới bánh.

24


3.1.7 Cơ cấu chấp hành
- Cơ cấu chấp hành của robot là cụm bánh đai và cơ cấu giúp bánh đai có thể
quay để thân robot di chuyển qua các địa hình phức tạp và các vật cản có độ cao
cho phép.
- Cơ cấu quay bánh
Cơ cấu quay bánh giúp thân robot di chuyển gồm 2 động cơ gắn phía sau,
trục động cơ được nối với bánh sau và truyền chuyển động cho bánh thong qua
bộ truyền xích.
-

Cơ cấu nâng càng

Hai càng trước của robot được điều khiển bởi 1 động cơ đằng trước, truyền
chuyển động từ động cơ tới 2 càng thong qua bộ truyền xích,chuyển động

của 2 càng là chuyển động quay( nâng càng và hạ càng), hỗ trợ robot vượt
địa hình dễ dàng hơn.

Động cơ sử dụng cho tất cả các chuyển động trên đều là động cơ một
chiều, nguồn ni 24V vì một số ưu điểm của loại động cơ này như Momen lớn,
Momen mở máy lớn, nhỏ gọn, dễ dàng điều chỉnh tốc độ…
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4.1. Tính tốn chọn động cơ và bộ truyền xích
Để chọn động cơ ta tiến hành theo các bước sau:
- Tính cơng suất cần thiết của động cơ.
- Xác định sơ bộ số vòng quay đồng bộ của động cơ.
- Dựa vào công suất và số vòng quay đồng bộ kết hợp với các yêu cầu về quá tải,
momen mở máy và phương pháp lắp đặt động cơ để chọn kích thước động cơ phù hơp
với yêu cầu thiết kế.
Kích thước cầu thang được chọn:

25