Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mobile robot vượt địa hình

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Chữ ký của giáo viên hướng dẫn

I


NHẪN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Chữ ký của giáo viên phản biện

II


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
1.

Đặt vấn đề........................................................................................................... 1

2.

Mục tiêu của đề tài ............................................................................................. 2

3.

Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2

4.

Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 2

5.

Ý nghĩa khoa học - kỹ thuật và thực tiễn ........................................................... 3

6.

Tóm tắt nội dung báo cáo ................................................................................... 3

CHƢƠNG I ............................................................................................................... 5
GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................. 5
1.1. Khái niệm và lịch sử phát triển của mobile robot .............................................. 5
1.2. Phân loại mobile robot ....................................................................................... 7
1.2.1.

Phân loại theo theo phương pháp di chuyển ................................................ 7

1.2.1.1. Robot sử dụng bánh xe................................................................................. 7
1.2.1.2. Robot di chuyển sử dụng chân ..................................................................... 7
1.2.2.

Phân loại theo môi trường hoạt động ........................................................... 8

1.2.2.1. Mobile robot trên không .............................................................................. 8
1.2.2.2. Mobile robot di chuyển dưới nước .............................................................. 9
1.2.2.3. Mobile robot di chuyển trên mặt đất .......................................................... 10
1.2.3.

Phân loại theo phương pháp điều khiển ..................................................... 10

1.2.3.1. Mobile robot tự trị (Autonomous robot) .................................................... 10
1.2.3.2. Mobile robot điều khiển từ xa (Remote control robot).............................. 10

1.2.3.3. Mobile robot di chuyển theo lộ trình (Move robot schedule).................... 11
1.3. Ứng dụng của mobile robot ............................................................................. 11
CHƢƠNG II............................................................................................................ 17
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................. 17
2.1. Động học mobile robot .................................................................................... 17
2.1.1.

Khái niệm và bài toán đặt ra ...................................................................... 17
III


2.1.2.

Mô hình bánh xe robot ............................................................................... 18

2.1.3.

Phương trình động học robot ..................................................................... 19

2.2. Động lực học mobile robot .............................................................................. 22
2.3. Động lực học tay máy ...................................................................................... 33
2.4. Các phương thức truyền thông và giao tiếp vi điều khiển ............................... 42
2.5. Động cơ điện một chiều ................................................................................... 48
CHƢƠNG III .......................................................................................................... 52
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................................................ 52
3.1. Thiết kế hệ thống cơ khí.................................................................................. 52
3.1.1.

Thiết kế mobile robot ................................................................................. 52

3.1.1.1. Thiết kế nguyên lý di chuyển của mobile robot......................................... 52
3.1.1.2. Tính chọn động cơ ..................................................................................... 53
3.1.1.3. Tính toán một số chi tiết khác .................................................................... 55
3.1.2.

Thiết kế tay máy ......................................................................................... 62

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển ............................................................................ 67
3.2.1.

Chức năng của hệ thống điều khiển ........................................................... 67

3.2.2.

Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển................................................. 68

3.2.2.1. Vi điều khiển trung tâm PIC18F4520 ........................................................ 69
3.2.2.2. Tay PS2 ...................................................................................................... 70
3.2.2.3. Module RF ................................................................................................. 73
3.2.2.4. Camera ....................................................................................................... 74
3.2.3.

Thiết kế mạch nguyên lý ............................................................................ 76

3.2.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch phát ........................................................................ 76
3.2.3.2. Sơ đồ nguyên lý của mạch thu ................................................................... 77
3.2.4.

Lưu đồ thuật toán ....................................................................................... 78

3.2.5.

Mô phỏng hệ thống điều khiển .................................................................. 85

CHƢƠNG IV .......................................................................................................... 86
CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ...................................................... 86
IV


4.1. Chế tạo hệ thống cơ khí ................................................................................... 86
4.1.1.

Chế tạo tay máy.......................................................................................... 86

4.1.1.1. Tay ngắn ..................................................................................................... 86
4.1.1.2. Tay dài........................................................................................................ 88
4.1.1.3. Trục khâu số 3 ............................................................................................ 90
4.1.1.4. Ôm động cơ khâu số 3 ............................................................................... 92
4.1.1.5. Trục khâu số 2 ............................................................................................ 94
4.1.1.6. Gối đỡ ổ bi trên tay máy ............................................................................ 96
4.1.1.7. Nối trục động cơ khâu số 2 ........................................................................ 99
4.1.1.8. Tấm đế trên .............................................................................................. 100
4.1.1.9. Tấm đế dưới ............................................................................................. 102
4.1.2.

Chế tạo mobile robot ................................................................................ 105

4.1.2.1. Thân xe ..................................................................................................... 105
4.1.2.2. Nắp thân xe .............................................................................................. 106
4.1.2.3. Trục chính ................................................................................................ 109

4.1.2.4. Khớp tự lựa .............................................................................................. 110
4.1.2.5. Càng xe .................................................................................................... 112
4.2. Xây dựng bộ điều khiển ................................................................................. 115
4.3. Lắp ráp và thử nghiệm hệ thống .................................................................... 120
4.3.1.

Lắp ráp hệ thống ...................................................................................... 120

4.3.2.

Thử nghiệm hệ thống ............................................................................... 121

CHƢƠNG V .......................................................................................................... 123
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 125
PHỤ LỤC 1 ........................................................................................................... 129
CODE CHƢƠNG TRÌNH MATLAP ................................................................ 129
PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................... 138
CODE LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .................................................................... 138
V


PHỤ LỤC 3 ........................................................................................................... 158
BẢN VẼ TỔNG THỂ VÀ BẢN VẼ CHI TIẾT ................................................ 158

VI


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, VIẾT TẮT

Giải thích

Đơn vị đo

STT

Ký hiệu

1

Ktt

Động năng tịnh tiến của thân xe

2

mt

Khối lượng thân xe

Kg

3

Vt

Vận tốc dài của xe

m/s

4

Kb

Động năng quay của bánh xe

5

J b1 , Jb 2

6

mb1 , mb 2

7

Vb1,Vb 2

8

Momen quán tính của từng bánh xe

J

J
Kg/ m

2

Khối lượng bánh xe 1, bánh xe 2

Kg

Vận tốc dài bánh 1, bánh 2

m/s

M dc

Momen sinh ra bởi động cơ.

N.m

9

M mst

Momen hao tổn trên trục

N.m

10

u

11

M msl

Momen ma sát lăn

N.m

12

r

Bán kính bánh xe

m

13

k

Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường

14

g

Gia tốc trọng trường

15

mt

Khối lượng thân robot

Kg

16

mb

Khối lượng bánh xe

Kg

17

q

Gia tốc góc của bánh

rad/s2

18

a

Gia tốc dài

m/s2

19

Vb , Va

Vận tốc tại điểm cuối B, điểm đầu A

m/s

Hệ số tổn thất trên trục động cơ

VII

m/ s

2


20

t

Thời gian xe di chuyển

s

21

Dsb

Đường kính sơ bộ của trục động cơ

22

Pdc

Công suất của động cơ

23

n

Tốc độ động cơ

24

[T]

Ứng suất bền

25

J1

Là momen quán tính khâu 1

Kg/ m

26

J2

Là momen quán tính khối tâm khâu 2

Kg/ m

27

vc 2

Vận tốc khối tâm khâu 2

28

J3

Là momen quán tính khối tâm khâu 3

29

vc 3

Vận tốc khối tâm khâu 3

mm
W
vòng/phút
MPa

VIII

2

2

m/s

Kg/ m
m/s

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Robot di chuyển dạng
................................................................. 7
Hình 1.2 Robot di chuyển sử dụng
............................................................ 8
Hì
3 M y ay k ô g gười
.................................................................... 9
Hình 1.4 Mobile robot di chuyể dưới ướ
...................................................... 9
Hình 1.5 Mobile robot di chuyển trên mặt
.............................................. 10
Hình 1.6 Robot
.............................................................................. 11
Hình 1.7 Robot vận chuyển trong nhà máy sản xu t xe
y
..................... 12
Hình 1.8 SMP
3 ...................................................................................... 13
Hình 1.9 Robot H
..................................................................................... 14
Hình 1.10 PackBot
.................................................................................. 14
Hình 1.11 Robot cứu hỏa

................................................................ 15

Hình 2.1 Moibile robot 4 bánh ................................................................................. 18
Hì
Mô ì
ã ượ ý ưởng a
............................................ 18
Hì
3 Mô ì
ộng học của
............................................................. 19
Hình 2.4 Các bài toán về chuyể ộng trong thực tế của robot .............................. 22
Hình 2.5 Vận tốc của xe ở ường bằng.................................................................... 23
Hì
Đồ thị công su t theo thờ g a , à
ường bằng ............................ 27
Hình 2.7 Xe ở trạng thái lên dốc .............................................................................. 28
Hì
Đồ thị công su t theo thời gian bài toán lên dốc ..................................... 33
Hì
Đồ thị biến thiên momen và công su
ộ g ơ
ời gian ............. 42
Hì
Đồ thị biến thiên momen và công su
ộ g ơ
ời gian ........... 42
Hì
Đồ thị biến thiên momen và công su
ộ g ơ3

ời gian ........... 42
Hì
ơ ồ p ươ g p p yền thông song song ........................................... 43
Hì
3 ơ ồ p ươ g p p yền thông nối tiếp ............................................... 43
Hình 2.14 Giao diện SPI .......................................................................................... 45
Hì
Đặ í
ơ ủa ộ g ơ k
ay ổ ện p 3 ................................ 49
Hì
Ng yê ý ều chế ộ rộng
g
.................................................... 50
Hì
ơ ồ mạch cầ H ơ g ản
.................................................... 51

Hình 3.1 Mô phỏng kết c u của robot...................................................................... 52
Hình 3.2 Các trạng thái của robot trong thực tế ..................................................... 53
IX


Hì 3 3 Độ g ơ p a
3
................................................................................ 55
Hình 3.4 Tổng hợp các lực tác dụng lên trục .......................................................... 56
Hình 3.5 Biể ồ momen uố
p ươ g ........................................................... 59
Hình 3.6 Tổng hợp các lực tác dụng lên ổ ă ......................................................... 60

Hình 3.7 Cánh tay hệ tọa ộ cầu RRR ..................................................................... 63
Hì 3 Đồ thị biến thiên momen và công su
ộ g ơ
ời gian ............. 63
Hì 3 Đồ thị biến thiên momen và công su
ộ g ơ
ời gian ............. 63
Hì 3 Đồ thị biến thiên momen và công su
ộ g ơ3
ời gian ........... 64
Hì 3 Độ g ơ k ớp 3 ............................................................................... 64
Hì 3 Độ g ơ k ớp 3 ............................................................................... 65
Hì 3 3 Độ g ơ k ớp 3 3
............................................................................. 66
Hì 3
ơ ồ khối hệ thố g ều khiển ............................................................... 67
Hì 3
ơ ồ chân
................................................................... 69
Hì 3
ơ ồ u dây của tay
3 ............................................................. 71
Hình 3.17 Module E17-TTL3 ...................................................................... 73
Hình 3.18 SJCAM X
3 3 ................................................................................ 74
Hình 3.19 FPV 3 3 ...................................................................................... 75
Hình 3.20 Màn hình hiển ị 3 ........................................................................... 75
Hì 3
ơ ồ u dây mạch phát ........................................................................ 76
Hì 3

ơ ồ u dây mạch thu .......................................................................... 77
Hình 3.23 Mô phỏng hệ thố g ều khiển bằng Proteus ......................................... 85
Hình 4.1 Bản vẽ chi tiết tay ngắn ............................................................................. 87
Hình 4.2 Tay ngắn sau chế tạo................................................................................. 88
Hình 4.3 Bản vẽ chi tiết tay dài ................................................................................ 89
Hình 4.4 Tay dài sau chế tạo ................................................................................... 90
Hình 4.5 Bản vẽ chi tiết trục khâu số 3 .................................................................... 91
Hình 4.6 Trục khâu số 3 sau khi chế tạo .................................................................. 92
Hình 4.7 Bản vẽ chi tiế ô ộ g ơ k
số ba ..................................................... 93
Hì
Ô ộ g ơk
3 sa
ế tạo ................................................................ 94
Hình 4.9 Bản vẽ chi tiết trục khâu số 2 .................................................................... 95
Hình 4.10 Trục khâu số 2 sau chế tạo...................................................................... 96
Hình 4.11 Bản vẽ chi tiết gố ỡ ổ bi trên tay máy .................................................. 97
Hình 4.12 Gố ơ ổ bi trên tay máy sau chế tạo ...................................................... 98
Hình 4.13 Bản vẽ chi tiết nối trục khâu số 2 ............................................................ 99
X


Hình 4.14 Nối trục khâu số hai 2 chế tạo .............................................................. 100
Hình 4.15 Bản vẽ chi tiết t
ế trên..................................................................... 101
Hình 4.16 T
ế trên sau chế tạo ........................................................................ 102
Hình 4.17 Bản vẽ chi tiết t
ế dưới.................................................................... 103
Hình 4.18 T

ế dưới sau chế tạo ....................................................................... 104
Hình 4.19 Bản vẽ chi tiết thân xe ........................................................................... 105
Hình 4.20 Thân xe sau chế tạo ............................................................................... 106
Hình 4.21 Bản vẽ chi tiết nắp thân robot ............................................................... 107
Hình 4.22 Nắp thân sau khi chế tạo ....................................................................... 108
Hình 4.23 Bản vẽ chi tiết trục chính ...................................................................... 109
Hình 4.24 Trục chính sau chế tạo .......................................................................... 110
Hình 4.25 Bản vẽ chi tiết khớp tựu lựa .................................................................. 111
Hình 4.26 Khớp tự lựa sau khi chế tạo .................................................................. 112
Hình 4.27 Bản vẽ chi tiết càng xe .......................................................................... 113
Hình 4.28 Càng xe sau khi chế tạo ........................................................................ 114
Hình 4.29 Pin Lipo 22.2V (6S) và 11.1V (3S) ........................................................ 115
Hì
3 ơ ồ mạch hạ ện áp xuống 5V .......................................................... 115
Hình 4.31 Module Buck DC-DC 3A....................................................................... 116
Hì
3 ơ ồ chân của PIC18F4520 ................................................................ 116
Hình 4.33 Mạch phát tín hiệ
ều khiển ............................................................... 117
Hình 4.34 Mạch giải mã và xử lý tín hiệ
ều khiển ............................................ 117
Hình 4.35 Module RF truyền nhận tín hiệ
ều khiển.......................................... 118
Hình 4.36 Mạch công su t MB3B .......................................................................... 118
Hì
3 ơ ồ khối của MB3B ............................................................................ 119
Hình 4.38 Mạch công su t MC33486 .................................................................... 119
Hình 4.39 Hệ thố g ay ều khiển PS2, mạ
ều khiển và màn hình hiển thị... 120
Hình 4.40 Hệ thống mạch xử lí tín hiệ

ều khiển và driver ................................ 120
Hình 4.41 Robot sau khi lắp ráp hoàn chỉnh ......................................................... 121

XI


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Tải trọ g da
g ĩa vò g
.............................................................. 61
Bảng 3.2 Hệ số tải trọ g ướ g
X và ướng trục
................................ 61

XII


LỜI NÓI ĐẦU
Trong suốt quá trình phát triển, loài người luôn tạo ra những công cụ lao động mới
để nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng cuộc sống, hạn chế rủi ro tai
nạn lao động,.. Mobile robot chính là một trong những công cụ lao động đó - một
công cụ lao động thông minh.
Mobile robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các hoạt động phục vụ
đời sống thường ngày như: Lau dọn, trông nom nhà cửa,… hoặc vận chuyển vật
liệu cần thiết ở các nhà máy, xưởng sản xuất trong công nghiệp. Tới các công việc
có tính chất phức tạp trong hàng không vũ trụ như: Thám hiểm, lấy mẫu phân tích
số liệu,… Hay các công việc trong quân sự như: Do thám, trinh sát, rà phá bom
mìn,…
Từ những mobile robot ban đầu còn đơn giản, nhiều hạn chế về mặt công nghệ trải
qua quá trình phát triển, ngày nay mobile robot đã có nhiều thay đổi: Hoạt động với

độ chính xác cao, khả năng di chuyển linh hoạt trên địa hình phức tạp, thời gian
hoạt động lâu hơn,… Những thành tựu trên có được là nhờ các hoạt động nghiên
cứu, thử nghiệm của nhiều thế hệ kỹ sư, nhà khoa học.
Với mong muốn khám phá thực tiễn hoạt động nghiên cứu và tạo ra một robot có
thể sử dụng trong thực tế nhóm chúng em đã chọn “Nghiên cứu, thiết kế và chế
tạo mobile robot vƣợt địa hình” làm đề tài nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em đã học hỏi được nhiều kiến thức quý báu,
không chỉ là kiến thức chuyên môn mà còn cả những kinh nghiệm sống và hoạt
động nhóm. Đây là những trang bị rất có ích cho cuộc sống cũng như công việc
trong tương lai của chúng em.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn đã tận tình giúp đỡ
chúng em trong quá trình thực hiện đề tài. Đặc biệt là thầy Khổng Minh, người đã
XIII


trực tiếp hướng dẫn chúng em trong thời gian qua. Thầy đã là người định hướng,
tạo động lực giúp chúng em học tập, nghiên cứu. Chúng em cũng xin cảm ơn toàn
thể cán bộ công nhân viên công ty cổ phần công nghiệp phụ trợ FV đã tạo điều kiện
giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tuy đã dành nhiều sự đầu tư vào đồ án nhưng cũng không thể tránh được sự thiếu
sót trong quá trình thực hiện. Chúng em xin cảm ơn và mong nhận được sự đóng
góp ý kiến từ phía các thầy cô.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 3 tháng 5 năm 2016
Nhóm sinh viên thực hiện
Nhâm văn Tùng
Phạm Quang Sơn
Hoàng Văn Công
Nguyễn Tiến Thành

XIV


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Theo số liệu tổng kết chiến tranh và số liệu điều tra sơ bộ từ Bộ Lao Động-Thương
Binh và Xã Hội (tháng 4 năm 2016), số bom đạn còn sót lại chưa nổ trên đất nước
ta ước tính khoảng 800 nghìn tấn, làm ô nhiễm trên 20% diện tích đất đai toàn quốc,
làm hơn 100 nghìn người chết và bị thương tật suốt đời từ sau chiến tranh đến nay
trong đó phần lớn là người lao động chính và trẻ em.

1.1

Vì vậy xử lý ô nhiễm bom

mìn là vấn đề rất cần thiết, nhưng xử lý việc này phát sinh nhiều tình huống rất
nguy hiểm.
Ngoài ra ở nước ta hàng năm xảy ra rất nhiều vụ hỏa hoạn. Theo thống kê của Bộ
Công An năm 2015 xảy ra gần 2792 vụ cháy làm 62 người chết, 264 người bị
thương, thiệt hại về tài sản lên tới 1498 tỷ đồng

1.2

Trong đó có nhiều vụ cháy lớn

xảy ra ở khu chung cư, chợ, trung tâm thương mại, khu công nghiệp làm cho quá
trình chữa cháy diễn ra hết sức khó khăn và nguy hiểm.
Ở trên chỉ là hai trong số rất nhiều công việc nguy hiểm mà trước nay ở nước ta vẫn
do con người trực tiếp xử lý. Vì vậy tìm kiếm một giải pháp đảm bảo an toàn cho
con người khi thực hiện nhiệm vụ thực sự rất cần thiết, một giải pháp được đưa ra

đó là sử dụng robot. Trên thế giới ứng dụng công nghệ này rất phổ biến nhưng ở
trong nước vẫn chưa được áp dụng vì nhiều nguyên nhân như: Giá của một robot
như vậy rất cao so với điều kiện kinh tế nước ta, vấn đề bảo mật thông tin,…
Để góp phần giải quyết vấn đề trên nhóm chúng em đã quyết định chọn “Nghiên
cứu thiết kế và chế tạo mobile robot vƣợt địa” làm để tài nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm chúng em đã tiến hành tìm hiểu về nhiều
mẫu mobile robot hiện có trên thế giới để tìm ra một mẫu phù hợp với địa hình ở
Việt Nam cũng như mục đích ứng dụng của đề tài.
1


2. Mục tiêu của đề tài
Dưới đây là một số thông số kỹ thuật mục tiêu của robot:
- Robot có vận tốc tối đa khi chạy ở đường bằng là 3,6km/h.
- Thời gian tăng tốc của robot trên đường bằng từ 0 lên 3,6km/h là 3s.
- Robot có thể leo rốc với độ nghiêng 150.
- Tải trọng tối đa robot có thể mang là 10Kg.
- Robot có thể tích hợp thêm các module mở rộng.
- Module cánh tay của robot có thể nâng được vật nặng khoảng 0.5Kg.
- Robot được điều khiển từ xa bằng sóng RF với bán kính hoạt động trong môi
trường không có vật cản khoảng 100m.
3. Nội dung nghiên cứu
- Bài toán động học mobile robot làm nền tảng cho việc phát triển robot theo
hướng tự trị trong tương lai.
- Bài toán động lực học mobile robot làm cơ sở cho việc tính toán lựa chọn động
cơ cho robot.
- Bài toán động lực học tay máy để tính toán lựa chọn động cơ cho module tay
máy.
- Các chuẩn truyền thông và giao tiếp vi điều khiển phục vụ cho việc lập trình điều
khiển robot từ xa.

- Phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm cơ sở để
điều khiển robot.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Phƣơng pháp lý thuyết
Xây dựng các bài toán (động lực học mobile robot, động lực học tay máy) về quá
trình hoạt động trong thực tiễn để tính toán các chi tiết chính của robot, đồng thời
nghiên cứu các cở sở lý thuyết về điều khiển để thiết kế hệ thống điều khiển.

2


 Phƣơng pháp thực nghiệm
Do giữa lý thuyết và kết quả thực tế luôn có sự sai lệch nên sau khi chế tạo robot
cần phải được thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá lấy kết quả so sánh với mục tiêu
ban đầu của đề tài. Đồng thời dựa vào kết quả của thực nghiệm để tiến hành hoàn
thiện phần điều khiển robot sao cho chính xác nhất.
5. Ý nghĩa khoa học - kỹ thuật và thực tiễn
 Ý nghĩa khoa học - kỹ thuật
Xây dựng được một quy trình thết kế chế tạo mobile robot, tạo ra cơ sở dữ liệu tính
toán thuận tiện cho việc phát triển mobile robot.
 Ý nghĩa thực tiễn
Tạo ra được một nền tảng mobile robot có ứng dụng trong thực tế phục vụ con
người trong các nhiệm vụ nguy hiểm.
6. Tóm tắt nội dung báo cáo
Trong báo cáo này nhóm chúng em đã trình bày một cách cụ thể về quá trình
nghiên cứu từ tìm hiểu, đánh giá, tính toán, đến thiết kế, chế tạo robot cùng với đó
là những đánh giá khách quan, chủ quan của nhóm về quá trình thực hiện đề tài.
Báo cáo gồm 5 chương được sắp xếp theo thứ tự quá trình thực hiện đề tài.
Chương I - Tổng quan: Giới thiệu về khái niệm mobile robot, lịch sử phát triển,
phân loại và ứng dụng của chúng. Song song với đó là trình bày về những hiểu biết

mà chúng em tích lũy được sau quá trình tìm hiểu về một số mẫu robot được sử
dụng nhiều trong thực tế.
Chương II - Cơ sở lý thuyết: Xây dựng các bài toán về quá trình hoạt động của
robot trong thực tế, đưa ra công thức tổng quát đồng thời thực hiện các nghiên cứu
về các chuẩn truyền thông và giao tiếp, các phương pháp điều khiển động cơ điện
một chiều làm cơ sở thiết kế hệ thống.

3


Chương III - Thiết kế hệ thống: Dựa vào những cơ sở lý thuyết từ chương II tiến
hành tính toán lựa chọn động cơ, tính toán kích thước các trục,… Sau đó thực hiện
thiết kế robot về cả phần điều khiển và phần cơ khí.
Chương IV - Chế tạo và thử nghiệm hệ thống: Trình bày về quá trình gia công
lắp ráp và thử nghiệm robot.
Chương V - Kết luận: Tổng kết đánh giá về quá trình thực hiện đề tài.

4


CHƢƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Khái niệm và lịch sử phát triển của mobile robot
Mobile robot được hiểu là một loại máy tự động có khả năng di chuyển. (“A mobile
robot is an automatic machine that is capable locomotion” – Wikipedia 1.3 ). Môi
trường hoạt động của mobile robot có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ
trụ hoặc tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển rất đa dạng, có thể
bằng phẳng nhưng cũng có thể mấp mô, gồ ghề.
Mobile robot từ những ngày đầu, trải qua quá trình phát triển tới ngày nay đã có
nhiều sự thay đổi, đặc biệt là những công nghệ sử dụng trong chế tạo robot. Dưới

đây là một số mốc lớn trong lịch sử phát triển của mobile robot được trích dẫn từ
“ Wikipedia”. 1.4
Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong chiến tranh thế giới thứ II những mobile robot
đầu tiên xuất hiện, hầu hết chúng là những quả bom bay. Đó là kết quả của những
thành tựu công nghệ mới có liên quan tới khoa học máy tính và điều khiển.
Từ năm 1948 đến năm 1949: W.Gray Walter đã chế tạo nên Elmer và Elsie, hai con
robot tự động được trang bị cảm biến ánh sáng, nếu chúng phát hiện được nguồn
sáng chúng sẽ di chuyển về phía đó, ngoài ra chúng có khả năng tránh chướng ngại
vật trên đường di chuyển.
Từ năm 1961 đến năm 1963: Trường đại học Jonhs Hopkins phát triển mobile
robot Beast, nó có khẳng năng tự tìm đến nguồn điện để sạc khi pin yếu.
Năm 1969: Mowbot là robot đầu tiên có khả năng cắt cỏ tự động .

5


Từ năm 1969 đến năm 1972: Viện nghiên cứu Stanford đang xây dựng và nghiên
cứu ra Shakey. Đó là robot có khả năng tính toán các bước cần thiết để hoàn thành
nhiệm vụ được giao.
Năm 1995: Robot có khả năng lập trình - Pioneer được bán ở mức giá hợp lý, điều
đó dẫn tới sự gia tăng về nghiên cứu robot trong suốt các thập kỷ sau. Mobile robot
trở thành một phần không thể thiếu trong trương trình giảng dạy ở các trường đại
học kỹ thuật.
Năm 1996-1997: NASA đưa hai robot Rover và Sojourner lên sao Hỏa. Rover
được điều khiển từ mặt đất, Sojourner có khả năng tìm thấy đường của nó một cách
độc lập trên địa hình sao Hỏa.
Năm 1999: Sony giới thiệu Abio - một con robot có khả năng đi lại quan sát và
tương tác lại với môi trường. Robot điều khiển từ xa dùng trong quân sự PackBot
cũng được giới thiệu.
Năm 2001: Dự án Swaim - Bost bao gồm một lượng lớn các con robot đơn lẻ, có

thể tác động lẫn nhau và cùng thực hiện một nhiệm vụ phức tạp.
Năm 2006: Asimo của Honda có khả năng chạy và leo cầu thang chỉ với hai chân
như con người.
Nawm 2007: Các mobile robot đươc sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện. Robot
Tug trở thành phương tiện phổ biến trong các bệnh viện dùng để vận chuyển đồ
trong kho từ nơi này tới nơi khác. Robot ARCsincide Speci Minder mang máu và
các mẫu vật tới phòng thí nghiệm ….
Năm 2008: Boston Dynamiccs công bố đoạn video về thế hệ mới của Big Dog, nó
có khả năng đi trên địa hình băng giá và tự lấy lại cân bằng khi va chạm xảy ra.

6


Hiện nay, các công trình nghiên cứu về mobile robot vẫn không ngừng được đầu tư
và phát triển. Các thành tựu mới liên tục ra đời phục vụ nhu cầu ngày càng cao của
con người.
1.2. Phân loại mobile robot
Mobile robot có thể phân loại bằng nhiều cách: Theo môi trường hoạt động, theo
phương pháp di chuyển, theo phương pháp điều khiển.
1.2.1. Phân loại theo theo phƣơng pháp di chuyển
1.2.1.1. Robot sử dụng bánh xe
Ngày nay, phương thức di chuyển sử dụng bánh là phổ biến nhất, nó mang lại hiệu
quả cao trong khi kết cấu lại tương đối đơn giản. Mobile robot sử dụng bánh được
thiết kế sao cho các bánh luôn tiếp xúc với bề mặt địa hình để đảm bảo cho sự cân
bằng của robot. Nhưng trong thiết kế cân bằng không phải là vấn đề được quan tâm
hàng đầu mà người ta thường tập trung vào nghiên cứu sự cơ động, khả năng kéo,
tính ổn định, và điều khiển các động cơ 1 .

Hình 1.1 Robot di chuyển dạng
1.2.1.2. Robot di chuyển sử dụng chân

Di động bằng chân có đặc trưng là sự tiếp xúc giữa robot và bề mặt địa hình theo
điểm, điều này giúp robot tăng khả năng thích ứng và cơ động trong địa hình gồ
7


ghề. Nhưng di chuyển theo kiểu này gặp trở ngại lớn về mặt năng lượng và thiết kế
cơ khí phức tạp. Muốn robot di chuyển được như mong muốn thì chân phải đảm
bảo một số bậc tự do nhất định. Vận động theo cách này lấy cảm hứng thiết kế từ
các loại động vật, vì vậy cách thức di chuyển của robot sẽ phản ánh đặc trưng di
chuyển của loại động vật mà nó được mô phỏng theo 1 .

Hình 1.2 Robot di chuyển sử dụng
1.2.2. Phân loại theo môi trƣờng hoạt động
1.2.2.1. Mobile robot trên không
Mobile robot trên không được phát triển mạnh trong quân sự đặc biệt là máy bay
không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle), chúng có khả năng tự động cao,
được sử dụng trong các nhiệm vụ trinh sát, phát hiện các mục tiêu thông minh. Mặc
dù khả năng của UAV lớn nhưng vẫn chưa được sử dụng nhiều vì còn nhiều vấn đề
liên quan tới công nghệ chế tạo và hệ điều khiển UAV chưa được hoàn hảo. Việc
đầu tư phát triển UAV ngày càng được chú trọng vì những lợi ích mà chúng mang
lại, hiện nay các UAV có khả năng bay xa hàng ngàn dặm, thời gian bay có thể lên
tới vài ngày, độ thông minh cũng ngày một được nâng cao, kích cỡ, khối lượng
được thu nhỏ

1.10

8


Hình 1.3 M y ay k ô g gười

1.2.2.2. Mobile robot di chuyển dƣới nƣớc
Các mobile robot di chuyển dưới nước được sử dụng nhiều trong các hoạt động hỗ
trợ đánh bắt cá, giảm ô nhiễm môi trường biển, cứu nạn, thu dọn rác thải, xử lý tràn
dầu, giám sát kiểm tra các công trình dưới nước. Ngày nay, các mobile robot di
chuyển trong môi trường nước được tập trung phát triển đặc biệt là robot
AUV(Autonomous Underwater Vehicle) để tăng khả năng tự động, tự thích nghi và
độ thông minh của robot. Vấn đề điều khiển chuyển động trong môi trường dưới
nước với khải năng truyền tin hạn chế cũng là thách thức với các nhà nghiên
cứu

1.10

Hình 1.4 Mobile robot di chuyể dưới ướ

9


1.2.2.3. Mobile robot di chuyển trên mặt đất
Mobile robot di chuyển trên mặt đất được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và
quân sự ngoài ra cũng được sử dụng trong cuộc sống đời thường. Loại robot này
yêu cầu có mức độ nhận thức nhất định, có khả năng di chuyển trong môi trường
biến động. Hiện tại, các nhà khoa học đang tập trung phát triển nhóm robot này
theo hướng theo hướng tự hành trong đó vấn đề định vị và tạo bản đồ cho robot là
vấn đề nghiên cứu trọng tâm

1.10

Hình 1.5 Mobile robot di chuyển trên mặt
1.2.3. Phân loại theo phƣơng pháp điều khiển
1.2.3.1. Mobile robot tự trị (Autonomous robot)

Trong những năm gần đây trên thế giới cùng với việc thông minh hóa robot là nhu
cầu phát triển của các mobile robot đã dẫn tới sự bùng nổ trong các nghiên cứu các
mobile robot tự trị. Hoạt động tự trị có nghĩa là chương trình hoạt động được nạp
sẵn trong bộ nhớ của robot, trong quá trình hoạt động không cần tác nhân điều
khiển từ bên ngoài 3 .
1.2.3.2. Mobile robot điều khiển từ xa (Remote control robot)
Bằng cách sử dụng bộ điều điều khiển người ta có thể kiểm soát mọi hoạt động của
robot. Bộ điều khiển có thể là điện thoại thông minh, các thiết bị điều khiển không
10


dây,… bằng cách điều khiển mobile robot từ xa con người sẽ tránh được các rủi do
khi phải làm những công việc nguy hiểm hoặc trong môi trường độc hại

1.5

1.2.3.3. Mobile robot di chuyển theo lộ trình (Move robot schedule)
Nhóm robot này được sử dụng nhiều trong công nghiệp, y tế,… chúng được tạo ra
với mục đích vận chuyển sản phẩm, nguyên vật liệu, dụng cụ,… từ nơi này qua nơi
khác và được lập trình chạy theo vạch kẻ sơn trên sàn, trần nhà hoặc đường dây
điện trong sàn nhà

1.5

1.3. Ứng dụng của mobile robot
Các tiến bộ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và được áp dụng vào thực tiễn
nhiều hơn, trong đó có mobile robot. Mobile robot được phát triển phục vụ cho
nhiều lĩnh vực khác nhau: Hàng không vũ trụ, quân sự, công nghiệp…
Trong hàng không vũ trụ, các mobile robot thường được tạo ra với mục đích thám
hiểm, sửa chữa các thiết bị ngoài không gian… Năm 1997, các nhà khoa học đã gửi

robot Sojourner lên sao Hỏa với mục đích tìm kiếm sự sống ngoài vũ trụ, robot này
được điều khiển từ trái đất tuy nhiên do được trang bị một số sensor nên nó di
chuyển một cách khá độc lập. 1.21

Hình 1.6 Robot

11