Chế tạo cánh tay robot ứng dụng sản xuất thẻ thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
--------

-------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT ỨNG DỤNG SẢN
XUẤT THẺ THÔNG MINH

HỌC VIÊN: LÊ VĂN HUY

HÀ NỘI – 2015


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
--------

-------

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT ỨNG DỤNG SẢN
XUẤT THẺ THÔNG MINH

HỌC VIÊN: LÊ VĂN HUY
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ HỌC VIÊN: 13K12010028
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN TIẾN DŨNG
HÀ NỘI – 2015

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Đề tài được hoàn thành trong sự hỗ trợ và động viên rất nhiều từ gia đình, người
thân, thầy cô cũng như bạn bè thân thuộc. Đó là những tình cảm thật đáng trân
trọng không sao đền đáp hết, và thật phấn khởi biết bao khi thấy mọi người vẫn
luôn ở bên cạnh mình trong những hoàn cảnh khó khăn nhất. Dù ở bất kỳ nơi đâu,
tôi sẽ vẫn nhớ và ghi sâu những tình cảm cao đẹp này. Cảm ơn ba mẹ đã luôn cùng
con đi suốt những tháng ngày khó khăn qua. Cảm ơn ông, bà, và các cô chú vẫn
luôn động viên và ủng hộ con. Đặc biệt cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Dũng và anh em
phòng kĩ thuật Mksmart đã tạo điều kiện và hướng dẫn em cách học tập cũng như
nghiên cứu để hoàn thành tốt đề tài này. Chân thành cảm ơn những người bạn vẫn
luôn đồng hành cùng mình cả trong những lúc khó khăn nhất. Cảm ơn quý thầy cô
trong Khoa Kĩ Thuật Điện Tử- Truyền Thông hóa Viện Đại Học Mở Hà Nội luôn
cảm thông và tạo điều kiện tốt cho em trong suốt thời gian học tập tại trừơng.
Qua đây em cũng rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy
cô trong Hội đồng bảo vệ khóa luận tốt nghiệp. Cuối cùng xin chúc gia đình, người

thân, quý thầy cô cùng bạn bè nhiều sức khỏe và thành công trong mọi việc.
HỌC VIÊN

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là chương trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và kết quả
nêu trong luận văn đều là trung thực chưa từng được công bố trong bất kì công trình
nào khác.
Hà Nội, tháng 9 năm 2015
Tác giả luận văn
Lê Văn Huy

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ TỔNG QUAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÁNH TAY ROBOT ................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ. ............................................................................................................................. 1
1.1.1 Mục tiêu của đề tài. ............................................................................................................... 1
1.1.2 Phương pháp và nghiên cứu .................................................................................................. 1

1.1.3 Đặt vấn đề. ............................................................................................................................. 2
1.1.4 Tầm quan trọng của vấn đề. .................................................................................................. 2
1.1.5 Giới hạn của vấn đề. .............................................................................................................. 3
1.1.6 Mục đích nghiên cứu. ............................................................................................................ 3
1.2 TỔNG QUAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÁNH TAY ROBOT .................................................................. 4
1.2.1 Giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển của Robot. ............................................................... 4
1.2.2 Tay máy .................................................................................................................................. 6
1.2.2.1 Tay máy công nghiệp .......................................................................................................... 7
1.2.2.2 Robot y tế ........................................................................................................................ 8
1.2.2.3 Robot hỗ trợ người tàn tật............................................................................................ 9
1.2.3 Robot di động....................................................................................................................... 10
1.2.3.1 Xe tự hành trên mặt đất AGV. ...................................................................................... 11
1.2.3.2 Robot tự hành dưới nước AUV. ................................................................................... 14
1.2.3.3 Máy bay không người lái UAV....................................................................................... 16
1.2.4 Robot phỏng sinh học. ......................................................................................................... 18
1.2.4.1 Robot đi......................................................................................................................... 19
1.2.4.2 Robot dáng người. ........................................................................................................ 20
1.2.5 Robot gia đình. ..................................................................................................................... 23
1.2.6 Tổng quan về nội dung của đề tài. ....................................................................................... 26
1.2.7 Ý nghĩa đề tài........................................................................................................................ 26

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

CHƯƠNG 2: NHIÊN CỨU THÍÊT KẾ VÀ THI CÔNG .............................................................................. 28
2.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÁ THỂ HÓA SIM THẺ MPR 3000. ...................................................... 28

2.2 TÍNH TOÁN SƠ BỘ CÁNH TAY. ................................................................................................ 32
2.2.1 Giới thiệu về động servo. ..................................................................................................... 32
2.2.2 Cấu tạo và phân loại động cơ servo. .................................................................................... 33
2.2.2.1 Cấu tạo của động cơ servo. ........................................................................................... 33
2.2.2.2 Phân loại động co servo. ................................................................................................... 34
2.2.3 Giới thiệu động cơ RC servo. ............................................................................................... 35
2.2.3.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của RC servo. .............................................................. 36
2.2.2 Đặc tính của RC servo. ......................................................................................................... 38
2.2.3 Giới thiệu các động cơ RC servo dùng trong cánh tay máy. ................................................ 38
2.3 TÍNH TOÁN VẬN TỐC VÀ MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ. .............................................................. 41
2.3.1 Cấu trúc chuyển động. ......................................................................................................... 41
2.3.2 Vận tốc. ................................................................................................................................ 42
2.3.3 Moment quay....................................................................................................................... 42
2.4 TÍNH TOÁN PHẦN CƠ VÀ LẮP RÁP. ......................................................................................... 43
2.5 MÔ HÌNH LẮP RÁP CƠ KHÍ CỦA CÁNH TAY. ............................................................................ 44
2.5.1 Mô hình 2D của cánh tay. ................................................................................................ 44
2.5.2 Thi công lắp ráp cánh tay. ................................................................................................ 45
2.6 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN HỌ PIC. ................................................ 49
2.6.1 Tổng quan về họ vi điều khiển PIC. ...................................................................................... 49
2.6.1.1 Giới thiệu chung. ........................................................................................................... 49
2.6.1.2 Một số đặc tính của vi điều khiển PIC. .......................................................................... 51
2.6.1.3 Những đặc tính ngoại vi. ............................................................................................... 52
2.6.1.4 Đặc điểm về tương tự. .................................................................................................. 52
2.6.1.5 Các đặc điểm đặc biệt. .................................................................................................. 53

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

2.6.1.6 Công nghệ CMOS. ......................................................................................................... 53
2.6.2 GIỚI THIỆU VỀ PIC16F8XX và PIC16F877A ....................................................................... 53
2.6.3 Phân loại PIC theo kí tự. ....................................................................................................... 54
2.6.4 Phân loại PIC theo kí số. ....................................................................................................... 54
2.7 Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A. ...................................................................................... 56
2.7.1 Cấu trúc phần cứng PIC16f877A. ......................................................................................... 58
2.7.2 Các Port xuất nhập và thanh ghi điều khiển. ....................................................................... 59
2.7.2.1 Port A và thanh ghi TRISA. ............................................................................................ 60
2.7.2.2 Port B và thanh ghi TRISB ............................................................................................ 60
2.7.2.3 Port C và thanh ghi TRISC ............................................................................................ 61
2.7.2.4 Port D và thanh ghi TRISD ........................................................................................... 62
2.7.2.5 Port E và thanh ghi TRISE ............................................................................................ 62
2.7.3 MCLR (Master Clear). ........................................................................................................... 65
2.7.4 Vấn đề cấp nguồn chi vi điều khiển. .................................................................................... 65
2.7.5 Tổ chức bộ nhớ PIC . ............................................................................................................ 65
2.8 Thiết kế mạch và mô phỏng trên proteus............................................................................... 68
2.8.1 Mạch nguyên lí của cánh tay................................................................................................ 68
2.8.1.1 Sơ đồ khối của mạch. .................................................................................................... 69
2.8.1.2 Khối Nguồn, công suất. ................................................................................................. 70
2.8.1.3 Khối điều khiển. ............................................................................................................ 70
2.8.2 Thực hiện thiết kế và mô phỏng trên proteus. .................................................................... 71
CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................ 83
3.1 Giới thiệu chung về CCS và Lập trình C trong CCS................................................................... 83
3.1.1 Giới thiệu chương trình CCSC .............................................................................................. 83
3.1.2 Cách viết một chương trình trong CCSC. ............................................................................. 86
3.1.2.1 Cấu trúc chương trình. .................................................................................................. 86

HVTH: Lê Văn Huy

Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

3.1.2.2 Khai báo các chỉ thị tiền xử lí. ....................................................................................... 87
3.1.2.3 Khai báo các biến mảng. ............................................................................................... 89
3.1.2.4 Các cấu trúc lệnh. .......................................................................................................... 90
3.1.2.5 Các hàm xử lí bit hay dùng. ........................................................................................... 90
3.1.2.6 Các toán tử thường dùng. ............................................................................................. 90
3.1.2.7 Xử lí ADC – biến đổi Analog – Digital. ........................................................................... 91
3.2 Sơ đồ khối của cánh tay với hệ thống camera. ....................................................................... 94
3.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển của cánh tay. ............................................................................. 95
3.4 Chương trình điều khiển. ........................................................................................................ 95
3.5 Chương trình nạp vi điều khiển PIC thông qua cổng USB pickit2. ........................................ 100
3.5.1 Giới thiệu chung. ................................................................................................................ 100
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................................................... 104
4.1 Thử nghiệm và kết quả. ........................................................................................................ 104
4.2 Đánh giá thích nghi và hướng phát triển. ............................................................................. 118

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tay máy................................................................................................................................ 6

Hình 1.2: Tay máy lắp ráp ô tô. ........................................................................................................... 7
Hình 1.3: Robot y tế. ........................................................................................................................... 8
Hình 1.4: Robot hỗ trợ người tàn tật. ................................................................................................. 9
Hình 1.5: Robot thăm dò địa hình. .................................................................................................... 11
Hình 1.6: Robot chồng xếp hàng hóa. ............................................................................................... 11
Hình 1.7: Robot hoạt động dưới biển ............................................................................................... 14
Hình 1.8: Máy bay không người lái. .................................................................................................. 16
Hình 1.9: Robot mô phổng cánh tay người. ...................................................................................... 18
Hình 1.10: Robot di chuyển giống người. ......................................................................................... 19
Hình 1.11: Robot dáng người ( người máy asimo). ........................................................................... 21
Hình 1.12: Robot gia đình. ................................................................................................................ 23
Hình 2.1: Hệ thống cá thể hóa sim thẻ MPR 3000. ........................................................................... 28
Hình 2.2: Hệ thống cá thể hóa sim thẻ MPR 3000. ........................................................................... 29
Hình 2.3: Sơ đồ 2D hệ thống MPR 3000 khi tích hợp cánh tay và camera. ...................................... 32
Hình 2.4 Cấu tạo động cơ servo. ....................................................................................................... 33
Hình 2.5 Cấu tạo ecoder trong động cơ servo. ................................................................................. 34
Hình 2.6 Cấu tạo trong động cơ servo AC. ........................................................................................ 35
Hình 2.7: Động rc servo. .................................................................................................................... 36
Hình 2.8: Chu kì xung 50 Hz............................................................................................................... 37
Hình 2.9: Xung ứng xới góc quay điều khiển..................................................................................... 38
Hình 2.10: Động cơ servo MG995. .................................................................................................... 39
Hình 2.11: Động cơ servo SG90......................................................................................................... 40
Hình 2.12: Mô hình thi công cánh tay máy. ...................................................................................... 44

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

Hình 2.13: Bản vẽ 2D của các chi tiết cấu tạo lên cánh tay............................................................... 45
Hình 2.14: Sơ đồ lắp ráp.................................................................................................................... 46
Hình 2.16: Lắp ráp ngón tay kẹp. ...................................................................................................... 48
Hình 2.17: Cánh tay gần hoản chỉnh sau khi lắp ráp. ........................................................................ 49
Hình 2.18 Vi điều khiển PIC. .............................................................................................................. 50
Hình 2.19: Sơ đồ chân của PIC16F877A. ........................................................................................... 56
Bảng 2.1: Thông số của vi điều khiển pic 16F877A. .......................................................................... 57
Hình 2.20: Sơ đồ khối của PIC16F877A. ............................................................................................ 59
Hình 2.21: Bộ nhớ chương trình. ...................................................................................................... 64
Hình 2.22: Sơ đồ mạch Master Clear (Reset PIC). ............................................................................. 65
Hình 2.23: Mạch nguyên lí thiết kế trên proteus. ............................................................................. 69
Hình 2.24: Sơ đồ khối của mạch điều khiển. ..................................................................................... 69
Hình 2.25: Nguồn xung 5V 10A. ........................................................................................................ 70
Hình 2.26: Khối điều khiển. ............................................................................................................... 71
Hình 2.27: Mạch nguyên lí thiết kế trên proteus. ............................................................................. 71
Hình 2.28: Giao diện sau khi bật proteus 8.1. ................................................................................... 72
Hình 2.29: Bắt đầu vào thiết kế mạch nguyên lí và mô phỏng. ........................................................ 73
Hình 2.30: Lấy liện kiện trong proteus. ............................................................................................. 74
Hình 2.31: Xếp linh kiện mạch nguyên lí. .......................................................................................... 75
Hình 2.32: Đi dây mạch nguyên lí và sắp xếp. ................................................................................... 75
Hình 2.33: Gán địa chỉ cho chân linh kiện. ........................................................................................ 76
Hình 2.34: Thay đổi giá trị linh kiện. ................................................................................................. 77
Hình 2.35: Mô phỏng hoạt động. ...................................................................................................... 78
Hình 2.36: Là mạch hoàn chỉnh sau khi e vẽ xong bằng proteus. ..................................................... 78
Hình 2.37: Chuyển giao diện ARES để thiết kế và đi dây mạch in. .................................................... 79
Hình 2.38: Kéo thả linh kiện trong mạch in. ...................................................................................... 80

HVTH: Lê Văn Huy

Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

Hình 2.39: Sắp xếp linh kiện mạch in trong proteus. ........................................................................ 81
Hình 2.40: Đi dây đường mạch in của proteus. ................................................................................ 82
Hình 2.41: Mạch in của cánh tay vẽ bằng proteus. ........................................................................... 82
Hình 3.1: Là khung cửa sổ chính của chương trình CCSC.................................................................. 83
Hình 3.2: Cửa sổ chương trình hoạt động. ....................................................................................... 84
Hình 3.3: Trạng thái sau khi biên dịch. .............................................................................................. 84
Hình 3.4: Quá trình biên dịch của chương PCWH. ............................................................................ 85
Hình 3.5: Hình thông tin hướng dẫn. ................................................................................................ 89
Hình 3.6 Sơ Đồ khối điều khiển của cánh tay.................................................................................... 94
Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật điều khiển. .............................................................................................. 95
Hình 3.8: Chương trình nạp vi điều khiển PIC. ................................................................................ 100
Hình 3.9: Chương trình tự động tìm tìm kiếm loại VĐK. ................................................................. 101
Hình 3.10: Import file hex. .............................................................................................................. 102
Hình 3.11: Import file hex ............................................................................................................... 102
Hình 4.1 Cơ cấu cánh tay dùng tay gắp. .......................................................................................... 108
Hình 4.2 Cơ cấu cánh tay dùng đầu hút. ......................................................................................... 117

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.2: Các thanh ghi liên quan đến Port A. .................................................................................. 60
Bảng 2.3: Các thanh ghi liên quan đến Port B. .................................................................................. 60
Bảng 2.4: Các thanh ghi liên quan đến Port C. .................................................................................. 61
Bảng 2.5: Các thanh ghi liên quan đến Port D. .................................................................................. 62
Bảng 2.6: Các thanh ghi liên quan đến Port E. .................................................................................. 63
Bảng 2.7: Lựa chọn Bank của Bộ nhớ dữ liệu trong PIC. ................................................................... 66
Bảng 2.8: Bản đồ cấu trúc bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A. ............................................................. 68

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

Danh mục chữ viết tắt
Kí tự viết tắt

Viết đầy đủ

Ghi chú

RC

Radio controlled

Điều khiển bằng song
radio

UAV

Unmanned aerial vehicle

PIC

Programmable Intelligent Máy tính khả trình thông

CCS

Máy bay không người lái

Computer

minh

Cascading Style Sheet

Phần mềm lập trình vi
điều khiển PIC

ADC

Analog Digital Converter

Chuyển đổi tín hiệu tương
tự sang số

PWM

Pulse Width Modulation

AGV

Autonomous

Băm xung

Guided Xe tự hành mặt đất

Vehicles
ROV

Remotely
Vehicle

Operated Tàu lặn không người lái
được điều khiển qua dây
dẫn.

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

LỜI NÓI ĐẦU
Từ các thông tin trên các diễn đàn Internet và các trung tâm học tập thực hành, cho
thấy nhu cầu học tập và nghiên cứu cũng như tự mài mò tìm hiểu về nhiều lĩnh
vực trong ngành điện tử nói chung, tự động hóa nói riêng là rất cao. Trong nhiều

lĩnh vực được quan tâm, có một lĩnh vực về vi điều khiển được quan tâm rất
nhiều hiện nay đó là vi điều khiển PIC. Việc tìm hiểu và ứng dụng hết khả năng
của nhiều loại PIC là cả một quá trình dài lý thú và hữu ích, vì sự thuận tiện, tinh
gọn, khả năng phát triển cũng như sự đa dạng các dòng sản phẩm phù hợp nhiều
quy mô ứng dụng của nó.Một lĩnh vực khác được quan tâm đông đảo trên các
diễn đàn học tập ngành điện tử và tự động hóa, nhưng chưa có một tài liệu chính
thống phổ biến hướng dẫn hay cung cấp thông tin về nó, cũng như chưa được giảng
dạy ở nhiều trung tâm đó là ứng dụng PIC 16f877 điều khiển cánh tay ROBOT và
thể hiện một sự linh hoạt mà trong thực tế rất phù hợp với nhu cầu sản xuất đa dạng
trong các hệ thống từ công nghiệp cho đến dân dụng.Thuận tiện cho người vận
hành cũng như cũng như năng xuất và chất lượng sản phẩm, trình bày một cách
sinh động hơn. Lựa chọn PIC trong đề tài này là một bước đi phù hợp với những
yêu cầu giới hạn cần có của một đề tài tốt nghiệp cũng như đáp ứng những nhu cầu
ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực của ngành điện tử và tự động hóa đã theo học.
Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng do vốn kiến thức còn hạn chế cũng như thời gian
còn hạng chế nên sẽ không tránh khỏi những sai sót và khuyết điểm trong qúa trình
tính toán cũng như thi công công mô hình, rất mong được sự thông cảm và góp ý
kiến của qúi thầy cô cũng như các bạn sinh viên.

HVTH: Lê Văn Huy


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ TỔNG QUAN VÀ GIỚI
THIỆU VỀ CÁNH TAY ROBOT
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.
1.1.1 Mục tiêu của đề tài.

Với những sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp và ứng dụng rộng rãi
của cánh tay máy Robot. Đề tài của chúng em có những mục tiêu cụ thể như sau:
+ Nghiên cứu hoạt động của cánh tay Robot với 5 khớp quay
+ Ứng dụng vi điều khiển vào việc điều khiển
1.1.2 Phương pháp và nghiên cứu
Với những kiến thức đã được học ở trường về các loại vi mạch điều khiển, điệnđiện tử, các kiến thức về thiết kế cơ khí… em đã áp dụng vào việc nghiên cứu, phát
triển đề tài.
Trước tiên, em phải tìm hiểu kĩ về kiến trúc, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động cảu một
số loại vi điều khiển mà cụ thể là họ PIC16Fxxx, kết hợp với các loại ngôn ngữ lập
trình robot, giải bài toán động học.
Kế tiếp là thiết kế phần mô hình cho cánh tay robot đúng với yêu cầu đề tài đặt ra.
Song song với việc đó là việc làm các mạch điện như mạch cho vi điều khiển .Và
lập trình điều khiển hoạt động của cánh tay.

HVTH: Lê Văn Huy

1


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

1.1.3 Đặt vấn đề.
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng
suất
lao động. Đặt biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra
sự tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của
người lao động. Đối với các nước ngoài thì Robot đã được nghiên cứu và chế tạo để
ứng dụng vào sản suất đã có từ trước. Riêng ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới

mẽ. Tuy có sự đầu tư để nghiên cứu nhưng còn hạn chế, có thể dùng mô hình cánh
tay máy để phục vụ trực tiếp cho công việc lọc thẻ loại lắp đặt trên hệ thống MPR
3000 chuyên dụng để sản xuất thẻ thông minh, thẻ sim . Bức xúc trước nhu cầu tìm
hiểu về tay máy công nghiệp từ chính bản thân và của những người yêu thích về
lĩnh vực này, em đã bắt tay vào việc thực hiện đề tài: “CHẾ TẠO CÁNH TAY
ROBOT ỨNG DỤNG SẢN XUẤT THẺ THÔNG MINH”.
1.1.4 Tầm quan trọng của vấn đề.
Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo tay máy còn chậm phát triển, chúng ta
vẫn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy
đạt tiêu chuẩn quốc tế. Tận dụng những vật liệu có sẵn để gia công các chi tiết cơ
khí cũng như linh kiện, thiết bị điện có sẵn do nước ngoài sản suất để thiết kế thành
những sản phẩm cụ thể trước hết là ứng dụng làm phương tiện giảng dạy trong
trường học và từ đó phát triển cao hơn để ứng dụng vào trong sản suất đã và đang là
hướng đi đúngđắng của các kỹ sư ở Việt Nam. Đề tài : “CHẾ TẠO CÁNH TAY
ROBOT ỨNG DỤNG SẢN XUẤT THẺ THÔNG MINH” không nằm ngoài nhận
định trên. Điều quan trọng hơn hết là các vấn đề liên quan đến cấu tạo, nguyên lý
hoạt động của tay máy và phần lý thuyết về các hoạt động xảy ra bên trong vi điều
khiển sẽ được giới thiệu trong đề tài này. Nó sẽ là nguồn thông tin hữu ích cho
những ai muốn tìm hiểu về vấn đề này.

HVTH: Lê Văn Huy

2


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

1.1.5 Giới hạn của vấn đề.

Tay máy rất đa dạng về nguồn gốc và chủng loại đây là lần đầu thực hiện nghiên
cứu đề tài: “CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT ỨNG DỤNG SẢN XUẤT THẺ
THÔNG MINH” trong điều kiện:
Thời gian thực hiện đề tài chỉ trong 6 tháng
Kinh nghiệm thực tế chưa có nhiều
Tài liệu về vi điều khiển và cánh tay máy còn hạn chế Vì vậy em đã thực hiện
nghiên cứu đề tài với những đặc điểm chính sau đây:
Lập trình vi điều khiển PIC16f887A bằng CCS
Vẽ mạch điều khiển và mô phỏng bằng phần mềm proteus
Xây dựng những chương trình điều khiển
1.1.6 Mục đích nghiên cứu.
Thực hiện đề tài “CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT ỨNG DỤNG SẢN XUẤT
THẺ THÔNG MINH” là một công việc để người thực hiện đề tài nghiên cứu kỹ
khái niệm mô hình, nguyên lý làm việc cũng như tập lệnh của vi điều khiển.
Sản phẩm của đề tài trước hết có thể được ứng dụng vào phương tiện giảng dạy tại
trường, và nếu được phát triển rộng, đi sâu hơn thì có thể ứng dụng vào trong thực
tế sản xuất công nghiệp, và đặc biệt cung cấp một cái nhìn tổng quát về vi điều
khiển và tay máy công nghiệp.

HVTH: Lê Văn Huy

3


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

1.2 TỔNG QUAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ CÁNH TAY ROBOT
1.2.1 Giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển của Robot.

Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork, khi nhà soạn
kịch người Tiệp Kh Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cổ máy hoạt động một
cách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó. Từ đó ý tưởng thiết kế, chế
tạo Robot đã luôn thôi thúc con người.
Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thành
công tay máy đôi (master-slave manipulator).
Đến năm 1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận
biết được lực tác động lên khâu cuối.
Năm 1956 hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám hiểm
dại dương.
Năm 1968 R.S. Mosher, của General Electric đã chế tạo một cỗ máy biết đi bằng 4
chân. Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi một hệ
thống servo thủy lực.
Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được Robot tự hành nhờ nhận dạng hình
ảnh
Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng tiến hành công tác nghiên cứu tương
tự, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm biến và thiết
bị giao tiếp người và máy.
Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng được chế tạo nhỏ gọn
hơn, thực được nhiều chức năng hơn, thông minh hơn. Một lĩnh vực được nhiều
nước quan tâm là các Robot tự hành, các chuyển động của chúng ngày càng đa
dạng, bắt chước các chuyển động của chân người hay các loài động vật như : bò sát,
động vật 4 chân, … Và các loại xe Robot (robocar) nhanh chóng được ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Từ đó trở đi con người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng trong quát
trình tự động hoá sản xuất để tăng hiệu quả kinh doanh. Ngoài ra Robot còn được

HVTH: Lê Văn Huy

4

Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

sử dụng thay cho con người trong các công việc ở môi trường độc hại, khắc nghiệt,
…
Chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong
khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, quĩ đạo
chuyển động, chất lượng điều khiển… Tuỳ thuộc vào mục đích và phương thức tiếp
cận, chúng ta có thể tìm hiểu lĩnh vực này ở nhiều khía cạnh khác nhau.
Hiện nay, có thể phân biệt các loại Robot ở hai mảng chính : Các loại robot công
nghiệp (cánh tay máy) và các loại robot di động (mobile robot). Mỗi loại có các ứng
dụng cũng như đặc tính khác nhau.
Chính công nghệ tiên tiến ở tất cả các lĩnh vực : cơ khí, vi mạch, điều khiển, công
nghệ thông tin … đã tạo ra nền tảng cũng như những thách thức lớn đối với khoa
học nghiên cứu robot. Chính vì vậy, con người đã và đang tiếp tục phát triển và
nâng cao mức độ hoàn thiện trong lĩnh vực đầy hấp dẫn này.
Tình hình phát triển của Robot hiện nay. Do lĩnh vực robot rất rộng từ khoa học
đến công nghệ nên phần này chỉ điểm qua những xu thế trong nghiên cứu khoa học
của robot thời gian qua ở các loại robot khác nhau từ tay máy công nghiệp tới các
lọai robot di động trên các địa hình và robot dịch vụ. Các vấn đề phát triển công
nghệ như cơ khí chính xác, chế tạo cảm biến và cơ cấu chấp hành cho robot không
đề cập trong bài báo này [7].

HVTH: Lê Văn Huy

5

Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

1.2.2 Tay máy

Hình 1.1: Tay máy [9].
Tay máy là loại robot có nhiều khớp nối tiếp, mỗi khớp có thể chuyển động tịnh
tiến hoặc quay thường do một động cơ servo điều khiển. Đầu tay máy có bàn kẹp
hay tay nắm với nhiều bậc tự do phù hợp với ứng dụng như sơn, hàn, gắp phôi... Do
sự phát triển của công nghệ và nhu cầu thực tế, các tay máy ngày nay có nhiều ứng
dụng mới như hỗ trợ mổ, hỗ trợ người tàn tật... Ta hãy điểm qua 3 loại tay máy tiêu
biểu là Tay máy công nghiệp, Robot y tế và Robot hỗ trợ người tàn tật.

HVTH: Lê Văn Huy

6


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

1.2.2.1 Tay máy công nghiệp

Hình 1.2: Tay máy lắp ráp ô tô. [9]

Tay máy công nghiệp được chế tạo, sử dụng từ những năm 1960. Giai đoạn đầu, tay
máy được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo ô tô. Nhu cầu thực tế của công

nghiệp chế tạo ô tô đòi hỏi phải nghiên cứu các phương pháp chuẩn định để giảm
sai số do tính bất định của mô hình động học robot gây nên. Tiếp đến là các
phương pháp thiết kế quỹ đạo và điều khiển chuyển động của tay máy. Thiết kế quỹ
đạo là tìm quy luật chuyển động của các khớp robot sao cho quỹ đạo của đầu tay
nắm robot trong không gian 3D đi được từ điểm đầu đến điểm cuối tránh được các
vật cản và không bị rơi vào các điểm kỳ dị. Điều khiển chuyển động robot là một
hướng nghiên cứu phát triển mạnh và ngày càng phong phú. Robot có hệ động lực
phi tuyến, nhiều đầu vào/ra, có nhiều tham số bất định như mô men quán tính, ma
sát, độ dơ của các khớp đòi hỏi các phương pháp điều khiển phải có tính bền vững
cao. Các thuật toán điều khiển rô bốt liên tục được nghiên cứu và ứng dụng từ đơn
giản như PD, PID đến phức tạp như các hệ tự thích nghi, hoặc các phương pháp
điều khiển thông minh sử dụng mạng nơ ron nhân tạo, thuật gen và điều khiển mờ...

HVTH: Lê Văn Huy

7


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

Nghiên cứu điều khiển lực/mô men ở robot cũng rất được quan tâm do robot phải
tham gia vào quá trình sản xuất, tiếp xúc với môi trường trong quá trình thực thi
nhiệm vụ. Có nhiều phương pháp điều khiển lực như điều khiển nhúng, điều khiển
lai hoặc dùng các cơ cấu tay nắm có độ nhún nhất định cho các ứng dụng lắp ráp.
Từ năm 1990, ứng dụng của robot công nghiệp đã lan sang các lĩnh vực sản xuất
ngoài ngành chế tạo máy như ứng dụng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm.
Lúc này, độ linh hoạt và của robot được nâng cao để đáp ứng sự thay đổi của môi
trường sản xuất có nhiều bất định. Các phương pháp của trí khôn nhân tạo được đưa

vào robot như khả năng tự học, suy diễn và tự giải quyết vấn đề. Ngoài ra việc áp
dụng các cảm biến như thị giác máy, xúc giác và đo lực/mô men làm tăng khả năng
thích ứng với môi trường thay đổi của robot. Robot công nghiệp được sử dụng
nhiều nhất ở Nhật, thứ nhì là ở Mỹ và sau đó đến Đức [7].
1.2.2.2 Robot y tế

Hình 1.3: Robot y tế [15].

Từ những năm 90 robot đã được nghiên cứu áp dụng vào lĩnh vực y tế không
phải để thay thế các bác sỹ mà để hỗ trợ họ trong các thao tác đòi hỏi sự chính xác
và tính chuyên nghiệp cao. Nhiều lĩnh vực khác trong y tế cũng được robot hỗ trợ

HVTH: Lê Văn Huy

8


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

như các robot phục vụ ở các lab xét nghiệm y tế, robot mổ, robot dạy mổ, robot điều
trị và tư vấn từ xa, robot hỗ trợ người tàn tật và robot dịch vụ trong bệnh viện.
Robot y tế có thể phân loại theo cấu trúc cơ khí, mức độ tự động, chức năng xử lý
và môi trường họat động. Các robot mổ hiện nay đã đạt được độ chính xác cỡ mm.
Các nghiên cứu phát triển về robot y tế hiện nay nhằm bảo đảm độ an toàn cho bệnh
nhân, có độ chính xác cao với giá thành cạnh tranh. Các vấn đề về tương tác ngườimáy, xử lý ảnh động 3D y tế với độ phân giải cao, điều chỉnh lực và giao tiếp ngôn
ngữ tự nhiên là một số vấn đề robot y tế rất cần các nghiên cứu sâu. Robot y tế được
sử dụng ngày càng nhiều ở các bệnh viện. Tuy nhiên còn nhiều rào cản xã hội và
giải pháp kỹ thụât chưa hoàn hảo cản trở việc ứng dụng đại trà robot trong lĩnh vực

y tế.
1.2.2.3 Robot hỗ trợ người tàn tật.

Hình 1.4: Robot hỗ trợ người tàn tật. [16]

Robot hỗ trợ người tàn tật đã có lịch sử phát triển từ những năm 60 nhưng đến ngày
nay mới có những robot thương phẩm đầu tiên. Các tay chân tay giả mềm dẻo với
nhiều bậc tự do, các robot hỗ trợ người tàn tật ở bệnh viện và ở nhà là một số ví dụ
về robot loại này. So với robo công nghiệp thì robot hỗ trợ người tàn tật ít phát triển
hơn mặc dù chúng có nhiều nét tương đồng. Ứng dụng của robot hỗ trợ người tàn

HVTH: Lê Văn Huy

9


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

tật khác với robot công nghiệp ở chỗ nó đòi hỏi sự hợp tác của người sử dụng; hoạt
động chậm hơn nhưng thích ứng với chuyển động của người dùng hơn, mang tính
dịch vụ và thân thiện với con người hơn. Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ở robot
hỗ trợ người tàn tật là tính linh hoạt thích ứng với môi trường thay đổi, vấn đề điều
khiển và giao diện thân thiện với người dùng. Thiết kế robot hỗ trợ người tàn tật đòi
hỏi có tính cộng năng nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ theo quan điểm thiết kế
hệ cơ điện tử. Gần đây Đại học Johns Hophins (Mỹ) triển khai dự án phát triển tay
giả được điều khiển bằng não trị giá 34,5 triệu USD. Đây là một cánh tay robot 22
bậc tự do, khối lượng như tay người, và khả năng chuyển động các ngón tay tinh
xảo gần như tay người..

1.2.3 Robot di động.
Robot di động là một hệ robot có khả năng thực hiện các nhiệm vụ ở nhiều vị trí
khác nhau với khả năng dịch chuyển bằng bánh xe, xích hay bằng chân phụ thuộc
vào địa hình. Đối với robot di chuyển dưới nước hay trên không, ta cần có động cơ
cánh quạt, chân vịt hay động cơ phản lực để tạo chuyển động cho robot. Khả năng
di động làm robot có nhiều ứng dụng và đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề mới.
Một trong những vấn đề chung cần nghiên cứu ở các loại robot di động là khả năng
xác định phương hướng (navigation) của robot. Ta hãy điểm qua sự phát triển của
ba loại robot di động chính bao gồm Xe tự hành trên mặt đất AGV, Robot tự hành
dưới nước AUV, Máy bay không người lái UAV.

HVTH: Lê Văn Huy

10


Luận văn tốt nghiệp

Viện đại học Mở Hà Nội

Hình 1.5: Robot thăm dò địa hình. [19]
1.2.3.1 Xe tự hành trên mặt đất AGV.

Hình 1.6: Robot chồng xếp hàng hóa. [15]
Xe tự hành AGV bắt đầu được chế tạo để vận chuyển các phôi gia công vào
những năm 70. Vấn đề định hướng của xe tự hành là một trong những vấn đề cốt lõi

HVTH: Lê Văn Huy

11