Thiết kế chế tạo robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT THÁM HIỂM
VÀ LẤY MẪU MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY
Sinh viên thực hiện: LÊ VĂN QUANG
ĐẶNG HỮU QUỐC
Số thẻ sinh viên : 101120363
101120365
Lớp: 12CDT2

Đà Nẵng, 2017


TÓM TẮT

Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT THÁM HIỂM VÀ LẤY MẪU MÔI
TRƯỜNG
Sinh viên thực hiện:

Mã số sinh viên:

Lớp:

1. Lê Văn Quang

101120363

12CDT2.

2. Đặng Hữu Quốc

101120365

12CDT2.

Nội dung:
Robot thám hiểm là thuật ngữ đã tồn tại trên thế giới, đặc biệt là các nước phát triển.
Robot có thể vượt tất cả các dạng địa hình chẳng hạn như: cát, địa hình gồ gề,..phức
tạp. Nhưng chỉ đơn thuần là vượt địa hình để quan sát hoặc do thám là chưa đủ. Hiện
nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là vấn đề nghiêm trọng và cấp bách đối với xã
hội chúng ta. Để lấy mẫu từ các vùng bị ô nhiễm mà con người không thể đặt chân vào
được, chúng em đã nghiên cứu và chế tạo ra “Robot thám hiểm và lấy mẫu mơi
trường” nhằm phục vụ cho q trình phân tích về mức độ ơ nhiễm cho các nhà nghiên
cứu. Robot với kết cấu tay trèo làm bằng xích và cao su, nó có thể di chuyển bất cứ địa
hình từ gồ gề đến bằng phẳng, hoặc bậc thang. Vỏ bọc bằng nhôm để chống hư hỏng
cho các bộ truyền bên trong. Robot sử dụng các board mạch Arduino nên việc điều
khiển và bố trí mạch trở nên đơn giản hơn, hơn nữa cịn có các ống lấy mẫu từ thể rắn,
lỏng, khí một cách đơn giản hơn. Kết quả đạt được rất khả quan khi mà robot di
chuyển linh hoạt và lấy mẫu rất chính xác.
Máy gồm các bộ phận:
• Bộ phận lấy mẫu.
• Bộ phận do thám.
• Bộ phận điều khiển.

i


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Ngành

1

Lê Văn Quang

101120363

12CDT2 Kỹ thuật Cơ điện tử

2

Đặng Hữu Quốc

101120365

12CDT2 Kỹ thuật Cơ điện tử

1. Tên đề tài đồ án:
ROBOT THÁM HIỂM VÀ LẤY MẪU MÔI TRƯỜNG.
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Lê Văn Quang

2

Đặng Hữu Quốc

Tìm hiểu, nghiên cứu các sản phẩm tương tự ở thực tế.
Tìm kiếm các tài liệu tham khảo, nghiên cứu nguyên lý
điều khiển để viết chương trình điều khiển.

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Lê Văn Quang

Tính tốn vận tốc, tỉ số truyền, chọn động cơ và thiết
kế bộ truyền.

2

Đặng Hữu Quốc

Tính tốn bài toán động học thuận, nghịch, kiểm
nghiệm độ bền của các bộ truyền.

5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Lê Văn Quang

2

Đặng Hữu Quốc

Tìm hiểu phần mềm thiết kế bản vẽ, việc thiết lập cài
đặt và các lệnh thiết kế.

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Lê Văn Quang

Lưu đồ thuật toán, mạch điện điều khiển, sơ đồ khối
chứ năng.

2

Đặng Hữu Quốc

Bản vẽ cấu tạo, bản vẽ chi tiết.
ii


6. Họ tên người hướng dẫn:

Phần/ Nội dung:

PGS. TS Trần Xuân Tùy.

Duyệt ý tưởng, kiểm tra tiến độ sửa chửa
thiếu sót.
Hướng dẫn trình bày thuyết minh đồ án
và bản vẽ. Giới thiệu một số tài liệu tham
khảo.

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hoàn thành đồ án:

15 /02 /2017
18 /05 /2017
Đà Nẵng, ngày
tháng năm 201
Người hướng dẫn

Trưởng Bộ môn ……………………..

iii

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học công nghệ đời sống của
con người ngày càng được cải thiện và nâng cao. Những ứng dụng của công nghệ
không chỉ áp dụng vào công nghiệp mà còn cả trong đời sống hằng ngày của con
người.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì môi trường sinh sống của con
người ngày càng ô nhiễm và bị đe dọa. Có những nơi chúng ta cần vào lấy mẫu để
kiểm tra sự ô nhiễm nhưng con người khơng thể trực tiếp vào đó được vì vậy phải cần
có những robot lấy mẫu để phục vụ cho quá trình nghiên cứu.
Hiện nay, trên thế giới vẫn đang có rất nhiều robot do thám và lấy mẫu mơi
trường. Là sinh viên kỹ thuật nói chung và ngành kỹ thuật cơ điện tử nói riêng, việc
nắm bắt cơng nghệ và ứng dụng của chúng vào đời sống là vô cùng quan trọng để theo
kịp công nghệ mới ra.
Xuất phát từ thực tế và quá trình tìm hiểu chúng em đã bắt đầu quá trình tìm
hiểu và lên phương án thiết kế đề tài: “ Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường” và
được sự hướng dẫn của thầy PGS.TS. Trần Xuân Tùy.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Xuân Tùy và các thầy cô trong khoa đã
giúp em trong thời gian qua. Trong quá trình thiết kế và thi cơng, do kiến thức kinh
nghiệm cịn non kém, thời gian có hạn nên đề tài khơng tránh khỏi những sai sót mong
q thầy cơ và các bạn bỏ qua. Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện
Lê Văn Quang – Đặng Hữu Quốc

iv


CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan chấp hành đúng mọi quy định về liêm chính học thuật,
thực hiện nghiêm túc đạo đức trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án. Sản phẩm
là kết quả của sự nghiên cứu, tìm hiểu và áp dụng tất cả các kiến thức đã biết của
nhóm để thực hiện. Thơng tin từ các tài liệu sử dụng được trích dẫn một cách chính
xác, đảm bảo quyền sở hữu trí tuệ của tác giả. Nếu vi phạm chúng em xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện
Lê Văn Quang – Đặng Hữu Quốc

v


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................................iv
CAM ĐOAN ............................................................................................................................. v
MỤC LỤC................................................................................................................................vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ............................................................................ viii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THÁM HIỂM VÀ LẤY MẪU MÔI
TRƯỜNG .................................................................................................................................. 3
1.1. Lịch sử phát triển của robot............................................................................................. 3
1.2. Các loại chuyển động của robot...................................................................................... 9
1.2.1. Chuyển động bằng chân................................................................................................ 9
1.2.2. Chuyển động bằng xích ................................................................................................ 9
1.2.3. Di chuyển bằng bánh xe .............................................................................................10
1.3. Các ứng dụng của robot .................................................................................................11
1.3.1. Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất cơ khí .................................................................11
1.3.2. Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp................................................................11
1.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực y học, quân sự, khảo sát địa chất ...................................12

1.4. Giới thiệu về robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường..............................................12
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA ROBOT ..................................................15
2.1. Phân tích các phương án thiết kế ..................................................................................15
2.1.1. Phân tích .......................................................................................................................15
2.1.2. Vấn đề về điều khiển phương tiện dùng xích ..........................................................16
2.1.3. Các kết cấu mắt xích ...................................................................................................17
2.1.4. Cách bố trí xích............................................................................................................17
2.1.5. Hệ thống căng xích......................................................................................................19
2.1.6. Các kết cấu của robot dùng xích................................................................................22
2.2. Phương án thiết kế ..........................................................................................................27
2.2.1. Ý tưởng chung .............................................................................................................27
vi


2.2.2. Chọn cơ cấu truyền động cho các tay trèo ...............................................................27
2.3. Thiết kế cơ cấu lấy mẫu .................................................................................................27
2.3.1. Phân tích nhiệm vụ của robot.....................................................................................28
CHƯƠNG 3:TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ CÁC BỘ TRUYỀN, BÀI TỐN ĐỘNG
HỌC .........................................................................................................................................31
3.1. Tính chọn động cơ và bộ truyền của robot do thám...................................................31
3.1.2. Tính chọn các bộ truyền xích .....................................................................................33
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT ......................................44
4.1. Các vi điều khiển có thể dùng trong robot...................................................................44
4.1.1. Vi điều khiển AVR......................................................................................................44
4.1.2. Vi điều khiển PIC ........................................................................................................44
4.1.3. Vi điều khiển Intel.......................................................................................................45
4.2. Truyền thông giao tiếp ...................................................................................................45
4.3.1. Yêu cầu điều khiển......................................................................................................47
4.3.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................................48
4.4. Thiết kế hệ thống ............................................................................................................48

4.4.1. Thiết kế mạch hệ thống điều khiển ...........................................................................48
5.4.2.Nghiên cứu khả năng sử dụng bộ sạc năng lượng mặt trời để sạc điện cho acquy
79
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................80

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot Curiosity ...............................................................................................3
Hình 1.3: Robot leo cầu thang. .......................................................................................4
Hình 1.4: Robot quân sự TALON của quân đội Mỹ. ..................................................5
Hình 1.5. Robot hỗ trợ phẫu thuật. .................................................................................6
Hình 1.6: Robot di chuyển bằng chân. ..........................................................................9
Hình 1.7: Robot chạy bằng xích. ....................................................................................10
Hình 1.8: Robot di chuyển bằng bánh. ..........................................................................10
Hình 1.9: Robot hàn. ........................................................................................................11
Hình 1.10: Hệ thống FMS. ..............................................................................................11
Hình 1.11: Robot lắp ráp Kuka. ......................................................................................12
Hình 1.12: Robot quân sự. 12
Hình 1.13: Robot cứu hỏa. ..............................................................................................12
Hình 1.14: Robot do thám. ..............................................................................................13
Hình 1.15: Robot Testudo. ..............................................................................................13
Hình 2.1: Các hình dạng xích thay đổi để cải thiện tính linh động và cứng vững. 18
Hình 2.2: Hệ thống xích có thể thay đổi được. .............................................................19
Hình 2.3: Các bánh lăn. ...................................................................................................20
Hình 2.4: Căng xích dùng cần lắc cân bằng. ................................................................20
Hình 2.5: Căng đai dùng lị xo xoắn. .............................................................................21
Hình 2.6: Căng đai dùng lị xo cuộn. .............................................................................21
Hình 2.7: Căng đai dùng con lăn kép. ...........................................................................22

Hình 2.8: Robot kiểu một xích, 2 bánh trước điều khiển dùng cơ cấu Ackerman. ...... 22
Hình 2.9: Robot kiểu 2 xích. ...........................................................................................23
Hình 2.10: Kiểu thiết kế xích 2 bánh rộng. ...................................................................24
Hình 2.11: Kiểu thiết kế 4 xích với 2 tay trèo. .............................................................24
Hình 2.12: Kiểu thiết kế 4 xích với 4 tay trèo. .............................................................25
Hình 2.13: Kiểu thiết kế 6 bánh xích. ............................................................................25
Hình 2.14: Cơ cấu tọa độ đề-các. ...................................................................................26
Hình 2.15: Cơ cấu tọa độ trụ. ..........................................................................................26
Hình 2.16: Cơ cấu tọa độ cầu. ........................................................................................27
Hình 2.17. Khả năng chuyển động của robot di chuyển bằng 4 bánh xích ..............27
Hình 2.18: Trục nâng. ......................................................................................................27
Hình 2.19: Thiết kế cơ cấu lấy mẫu bằng inventor. .....................................................30
viii


Hình 3.1: Robot thiết kế bằng phần mềm Inventor. .....................................................31
Hình 3.2: Sơ đồ phân tích lực khi robot lên dốc nghiêng 30 0 .....................................32
Hình 3.3: Động cơ MY1016Z3. .....................................................................................33
Hình 3.4: Xích 40. ............................................................................................................33
Hình 3.5: Cơ cấu tay trèo. ...............................................................................................34
Hình 3.6: Đỡ xích và thơng số kỹ thuật. ........................................................................35
Hình 3.7 : Ổ đỡ trục 17 và thơng số kỹ thuật. ..............................................................35
Hình 3.8: Cơ cấu lấy mẫu ................................................................................................36
Hình 3.9: xích 25. .............................................................................................................36
Hình 3.10: Động cơ gạt nước. ........................................................................................37
Hình 3.11: Động cơ bước. ...............................................................................................37
Hình 3.13: Đặt hệ tọa độ lên các khâu. ..........................................................................38
Hình 3.14: Vùng làm việc của Robot. ...........................................................................41
Hình 3.15: Sự biến đổi các hệ tọa độ khi cánh tay chuyển động. ..............................42
Hình 3.16: Biểu diễn O2 trong O0x0z0. 42

Hình 4.1: Vi điều khiển ATmega32. ..............................................................................44
Hình 4.2: Vi điều khiển PIC. ..........................................................................................44
Hình 4.3: Vi điều khiển Intel. .........................................................................................45
Hình 4.4: Mạch bộ điều khiển từ xa. .............................................................................. 46
Hình 4.5: Sơ đồ mạch robot............................................................................................. 47
Hình 4.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển. ...................................................................48
Hình 4.7: Mạch nguồn LM2596. ....................................................................................48
Hình 4.8 :Acquy 12V 12Ah. ............................................................................................ 49
Hình 4.9 : Pin Lipo. ..........................................................................................................49
Hình 4.10. Mạch Arduino Mega2560 ............................................................................50
Hình 4.11: Sơ đồ linh kiện. .............................................................................................51
Hình 4.12: Mạch BTS7960 43A. ...................................................................................52
Hình 4.13: mạch VNH2SP30. ........................................................................................53
Hình 4.14 :Module TB6560. ...........................................................................................53
Hình 4.15 : Sơ đồ nối chân với động cơ và Vi điều khiển. .........................................54
Hình 4.16: Module NRF24LO1. ....................................................................................54
Hình 4.17: Sơ đồ nối chân của NRF24 với Arduino. ................................................... 55
Hình 4.18: Camera. ..........................................................................................................56
Hình 4.19: Mạch phát tín hiệu. .......................................................................................56
Hình 4.20 :anten phát và mạch thu RC 832. .................................................................57
ix


Hình 5.1: Robot đã hồn chỉnh phần cơ khí và điện tử. ..............................................74
Hình 5.2: Camera do thám và đèn................................................................................... 75
Hình 5.3: Bộ phận tay trèo sau khi đã lắp ráp. .............................................................. 75
Hình 5.4: Bơm hút và bình chứa. ...................................................................................76
Hình 5.5: Đầu hút và camera. .......................................................................................... 77
Hình 5.6: Động cơ bước. .................................................................................................77
Hình 5.7: Vali điều khiển. ...............................................................................................78

Hình 1.2: Robot quân sự Vietbot1 do Việt Nam chế tạo. ........................................... 4
Bảng 3.1: Bảng thông số DH. .......................................................................................... 39
Bảng 4.1: Sơ đồ nối chân của NRF24 với Arduino. ....................................................55

x


Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

MỞ ĐẦU
1. Mục đích thực hiện đề tài
Sử dụng tất cả các kiến thức đã biết, đã được học tại trường chừ như các kiến thức
bản thân tự tích lũy được, áp dụng vào thực tế thực hiện chế tạo sản phẩm đồ án tốt
nghiệp. Hơn nữa, nhóm muốn thực hiện được một sản phẩm thực tế với đời sống xã
hội, một sản phẩm có ích, phục vụ cho xã hội.
Hiện nay, ơ nhiễm môi trường đang là mối đe dọa đến sự sống của chúng ta, có
những vùng nguy hiểm mà con người chúng ta đặt chân đến được thì tiến trình lấy
mẫu về phân tích trở nên đơn giản hơn. Nhưng vấn đề được đặt ra ở đây là có những
vùng ô nhiễm con người không để đặt chân vào được, vậy thì làm sao để có thể lấy
mẫu để phân tích mức độ ơ nhiễm.
Vì thế chúng ta cần phải có sự trợ giúp để mà lấy mẫu từ các mơi trường bị ơ
nhiễm đó. Người bạn đồng hành ở đây sẽ là những chú robot có thể vượt địa hình nguy
hiểm có thể là trên cạn, dưới nước, trên khơng...
Dựa trên sự phát triển của robot vượt địa hình, chúng em đã nghiên cứu và thiết kế
robot thám hiểm và lấy mẫu mơi trường nhằm mục đích hổ trợ cho các nhà khoa học
để lấy mẫu từ các môi trường mà họ không thể nào đặt chân vào được.
2. Mục tiêu đề tài
Chế tạo thành công robot, đưa vào thử nghiệm, lấy mẫu được sản phẩm như mong
muốn. Từ đó, phát triển và tối ưu hóa các thiết kế để đưa vào thực tế.
Tìm hiểu và kết hợp với các loại máy khác để tạo ra được các sản phẩm đa dạng và

thực tế hơn nữa.
3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
• Phạm vi: các kiến thức từ thực tế, sách vở và internet.
• Đối tượng nghiên cứu
- Các sản phẩm do thám ngoài thực tế.
- Các module điều khiển.
- Phần mềm và lập trình điều khiển.
- Các chi tiết cơ khí.
- Phương pháp tính tốn và lắp ghép chi tiết.
4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các sản phẩm thám hiểm tương tự đã
được thiết kế. Sau đó, tham khảo những ưu điểm, cải tiến các nhược điểm của các sản
phẩm trên để áp dụng chế tạo được một sản phẩm tối ưu nhất.
SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 1


Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

Sau khi tiến hành nghiên cứu và thiết kế. Chúng em đã cọ xác với thực tiễn nhằm
đưa ra những phương án chắc chắn nhất có thể để tiến hành chế tạo và lắp ráp.
5. Cấu trúc của đồ án tốt nghiệm
Đồ án tốt nghiệp gồm 3 phần:
• Mơ hình thực tế của sản phẩm “ Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường”.
• Các bản vẽ thiết kế sản phẩm:
- Bản vẽ tổng thể.
- Bản vẽ thân robot.

- Bản vẽ tay trèo.
- Bản vẽ cơ cấu lấy mẫu.
- Bản vẽ mạch điện điều khiển.
- Bản vẽ sơ đồ khối điều khiển.
- Bản vẽ lưu đồ thuật toán.
- Bản vẽ mạch điện trog robot.
• Thuyết minh về sản phẩm:
Thuyết minh đồ án gồm 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về sản phẩm.
- Chương 2: Thiết kế nguyên lý robot
- Chương 3: Tính chọn động cơ và các bộ truyền. Bài toán động học
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển.
- Chương 5: Kết luận

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 2


Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT THÁM HIỂM VÀ LẤY MẪU
MÔI TRƯỜNG

1.1. Lịch sử phát triển của robot
Một bước di chuyển ngắn của robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn của tri
thức nhân loại. Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người. Chủng loại robot
hiện nay rất đa dạng, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng từ đơn giản đến phức

tạp như vận chuyển hàng hóa, cứu hộ, do thám môi trường, cứu hỏa, chinh phục vũ
trụ… Các nhà khoa học châu Âu và Mỹ đã đưa rất nhiều robot lên sao Hỏa và các
hành tinh khác nhằm khám phá và chinh phục các hành tinh này. Mục tiêu của các
robot này là tìm dấu vết của nước và dấu vết của sự sống đã từng tồn tại. Nếu vượt qua
được thử thách này thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thám hiểm vũ trụ kì
diệu.

Hình 1.1. Robot Curiosity
Vietbot1: có hình dáng tương tự một chiếc xe bọc thép, kích thước dài
1,5m, rộng 0,8m, cao 2m, khối lượng 300 kg, di chuyển trên 6 bánh hơi. Điểm nổi
bật ở Vietbot1 là sử dụng cánh tay cơng gắp RP có khả năng quay 360 độ, có thể tháo
lắp và thay thế bằng một module, tùy theo yêu cầu nhiệm vụ. Cánh tay máy có
tầm vươn xa 2m, gồm 5 bậc tự do được vận hành bằng động cơ điện có thể gắp và giữ
vật nặng tới 20kg.

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 3


Robot thám hiểm và lấy mẫu mơi trường

Hình 1.2: Robot quân sự Vietbot1 do Việt Nam chế tạo.

Hình 1.3: Robot leo cầu thang.
Robot leo cầu thang: Chuyển động bằng sáu bánh xe Robot leo cầu thang do
trường Đại Học Lạc Hồng chế tạo có thể vượt được những địa hình phức tạp và leo
bậc thang.

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 4


Robot thám hiểm và lấy mẫu mơi trường

Hình 1.4: Robot quân sự TALON của quân đội Mỹ.
Người máy mặt đất TALON: Có thể tháo ngịi nổ của bom và nhìn qua các vật
cản để phát hiện đối phương.
Robot còn hỗ trợ những người khuyết tật thực hiện các thao tác hằng ngày mà họ
khơng thể làm được. Nhóm robot khác có hệ thống máy móc tạo nên khả năng tự hành
cao hơn như máy bay không người lái, ô tô khơng người lái. Nhóm robot này hoạt
động ở những địa điểm nguy hiểm nhất mà con người không thể thâm nhập được. Có
thể khẳng định đây là lĩnh vực cơng nghệ rất có triển vọng. Trong nhóm robot hỗ trợ,
người ta đã tạo ra những robot có khả năng di chuyển tối ưu, gần giống di chuyển của
con người. Phòng thí nghiệm tin học, kỹ thuật robot và vi điện tử Montpellier của Pháp
đã chế tạo thành công và cung cấp cho các nhà phẫu thuật các robot hỗ trợ, cải thiện
các thao tác phẫu thuật. Ví dụ điển hình là robot tách bóc da trong phẫu thuật ghép da
bị bỏng. Trên thực tế, thoa tác này đòi 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 không thể thiếu khi đóng lồng ngực, mà khơng
làm tim ngừng đập. Đây là thao tác rất phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao. LIRMM
đã thành cơng trong việc chế tạo dụng cụ này, có thể nói, đây là một kết quả mỹ mãng.

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 5


Robot thám hiểm và lấy mẫu mơi trường

Hình 1.5. Robot hỗ trợ phẫu thuật.
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 … 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 cơng nghiệp và sản
xuất những vật phẩm đồng nhất. Song, trong thiết kế và sản xuất loại thiết bị này đã
không 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 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 khỏ của Dự án châu Âu Leurre, mà CRCA tham gia, các nhà nghiên cứu
SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 6


Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

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. Nhóm nghiên cứu Animartlab trực thuộc Phịng Thí nghiệm của
Đại học Paris VI (LIP6) thử nghiệm lựa chọn thiết kế chế tạo Chuột Robot với lý do
chuột là động vật có hệ thần kinh phát triển nhất và con người biết về nó rõ nhất.
Chuột Robot được mang tên Psikharpax tên của vua chuột trong truyện phỏng theo
thần thoại "Từ Iliade đến Home". Chuột Robot được gắn chương trình tin học này,
đảm bảo để robot thực hiện được các chức năng chính như di chuyển và định vị, lựa
chọn thao tác, Hiện tại, Chuột Robot đang trong quá trình chế tạo. Chuột nhân tạo sẽ
được thả vào mơi trường mới lạ và phải học thích ứng với mơi trường đó. Phịng Thí

nghiệm Tự động Besancon vừa đưa vào vận hành robot kích thước nhỏ, gọi là vi robot,
có khả năng vận chuyển những vật thể kích thước bằng một noãn bào (vài chục
micromet). Với loại vi robot này, người thày thuốc có thể điều khiển dễ dàng một nỗn
bào, mà khơng sợ hư hại. Robot này có thể áp dụng cho q trình thụ tinh in-vitro.
Phịng Thí nghiệm tự động Besancon còn thiết kế chế tạo được hệ thống (trạm) vi điều
khiển cực nhỏ, đặt được vào trong kính hiển vi điện tử quét. Với thiết bị này, ta có thể
dễ dàng nhận biết điều khiển một vật thể kích thước bằng hạt cát như một đồ chơi của
trẻ em.Song song với cơng trình nghiên cứu chế tạo Chuột Robot, nhóm Animartlab
cịn muốn chế tạo chim Hải Âu nhân tạo Robot có cánh vỗ, có khả năng chạy, bay theo
gió, sau đó hạ cánh. Hệ thần kinh và hình dáng của loại robot này sẽ được mã hố
trong "Bộ gen" của nó và sẽ được cải tiến thường xuyên từ thế hệ này đến thế hệ khác.
Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu thuộc Phịng Thí nghiệm dụng cụ và quan hệ
Người Máy (LIRIS) ở Verily cũng đang sử dụng quy trình này để chế tạo các bộ phận
của robot khác. Robot nhận biết cảm xúc của người Bạn thả mình xuống ghế bành, bật
mát thu hình và xem một bộ phim nào đó trên truyền hình. Trong phim có thể xuất
hiện cảnh buồn, thương tâm, bạn quay tìm chiếc khăn mùi xoa. Tuy nhiên, bạn khơng
cần phải tìm nữa, robot giúp việc gia đình đã mang đến cho bạn, lau nước mắt cho chủ
nhân của nó và bạn sẽ nở một nụ cười. Đó có phải là khoa học viễn tưởng? Từ lâu, con
người đã đặt niềm tin và nhánh tin học được mệnh danh là "Máy tính biết cảm xúc".
Nhờ có bộ mơn này, đến một ngày nào đó, máy tính sẽ nhận biết được cảm xúc của
người và thể hiện cảm xúc của nó với người. Phịng thí nghiệm Heudiasyc, có trụ sở
tại thành phố Compiègne (Pháp) đã tự đặt nhiệm vụ cho mình: nghiên cứu các phương
pháp phân tích nét mặt và nhận dạng nét mặt người. Cảm xúc của người, tựu trung lại
thể hiện ở 6 loại: vui vẻ, giận dữ, sợ hãi, chán nản, ngạc nhiên và buồn rầu. Để nhận
SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 7

Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

dạng cảm xúc của người, giai đoạn đầu tiên đối với máy tính là tìm khn mặt của
người, sau đó lập mơ hình tĩnh trên cơ sở 40 thông số. Việc lập mô hình sẽ cho phép
xác định được loại xúc động, thể hiện trên nét mặt. Những kết quả đầu tiên của cơng
trình nghiên cứu này rất đáng khích lệ, vì tỷ lệ nhận dạng được vào khoảng 85% trên
ảnh cố định của nét mặt. Tuy nhiên, nhiệm vụ còn rất phức tạp, vì sự xuất hiện nét mặt
người rất khác nhau, do đó rất khó thơng số hố được (râu, nếp nhăn và kính làm nhiễu
loạn sự nhận dạng). Mặt khác, máy tính khơng lập được mơ hình đối với khn mặt
khơng được chiếu sáng đủ và ở vị trí khơng thuận lợi. Ngồi ra, cịn có nhiều trường
hợp cảm xúc khác nữa. Các giải pháp áp dụng ở đây là phân tích sự thay đổi của nét
mặt bằng kỹ thuật video. Kỹ thuật robot đã tính đến việc ứng dụng kết quả của cơng
trình này cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Song, có một điều khẳng định là cơng nghệ
này sẽ được đưa vào ứng dụng rất nhanh trong đời sống thường nhật.
Trong thế giới robot, đã xuất hiện loại robot thay thế con người hoạt động ở những
vị trí đặc biệt nguy hiểm, ví dụ trong trường hợp xảy ra sự cố ở nhà máy điện hạt nhân,
loại robot này phát huy tác dụng rất tích cực. Trong số các robot loại này phải kể đến
Quimporte robot do CEA phát triển. Quimporte có khả năng thực hiện một số thao tác,
như: mở van hoặc mang một vật nặng tới 5kg. Hệ thống điện tử của robot này chịu
được bức xạ 10.000 lớn hơn khả năng của con người. Trong lĩnh vực thám hiểm, robot
Hylos, do LRP thiết kế, được trang bị cơ cấu chuyển động lai ghép (bánh xe được nối
với tay máy), do đó có thể vượt qua được vật cản cao 20 cm. Hylos có hệ thị giác 3
chiều (3D), có thể vẽ được bản đồ số tại chỗ và nhận dạng được cấu trúc của đất.
Người ta cịn có thể sử dụng robot này để gỡ mìn, thăm dị hành tinh khác, nghiên cứu
cơ chế hoạt động của núi lửa v.v Cuối cùng là họ hàng nhà vi robot (microrobots) và
robot thăm dò sao Hoả.Robot nhỏ nhất thế giới hiện nay được chế tạo cuối năm 2003
tại LRP với kích thước: dài 3,5 mm, rộng 6 mm và cao 0,5 mm. Robot này có khả
năng mang vác khối lượng lớn gấp 2000 lần trọng lượng của chính nó. Trong tương
lai, vi robot sẽ rất đắc dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực thơng dịng (thơng đường ống).

Robot đầu tiên được đưa lên sao Hỏa mang tên Sojourner, chế tạo năm 1997.
Sojourner được điều khiển từ Trái đất. Tháng Giêng năm 2004, 2 robot Rovers của Mỹ
đã tiếp cận sao Hoả, mỗi ngày tự di chuyển được cỡ chục mét. Phịng Thí nghiệm phân
tích và kiến trúc hệ thống (LAAS) ở Toulouse đang phát triển loại robot tương tự, có
khả năng thích ứng với mơi trường mà nó hoạt động. Robot này được đặt tên là
LAMA, có hệ thị giác 3D. LAMA có khả năng dựng lại bản đồ từ đầu đến cuối hành
trình mà nó đã đi qua. LAMA cịn nhận dạng được mơi trường nhờ có hệ thị giác.
Ngồi ra, robot này cịn có khả năng phân. Robot điển hình trong cơng nghiệp được
SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 8


Robot thám hiểm và lấy mẫu mơi trường

hình dung như cỗ máy thực hiện các tác vụ khó khăn, nguy hiểm hay thậm chí rất đần
độn nữa. Chúng nhấc những vật nặng, xách các thùng sơn hay hóa chất độc hại, hay
làm công việc lắp ráp khác trong hàng giờ liền, ngày qua ngày với một độ chính xác
khơng thay đổi. Chúng không bao giờ mệt mỏi nên chúng không phạm các sai lầm do
mệt mỏi đem lại. Chính vì thế, robot rất lý tưởng cho công việc kiểu lặp đi lặp lại.
1.2. Các loại chuyển động của robot
1.2.1. Chuyển động bằng chân
Robot chuyển động bằng chân là robot có chuyển động phức tạp bằng cách rời
rạc hóa việc tiếp xúc với mặt đất theo các điểm. Việc chuyển động như thế làm cho
robot có thể di chuyển trên địa hình phức tạp, ghồ ghề và khơng liên tục. Tùy thuộc
vào số chân mà người ta chia thành các loại robot 1 chân, 2 chân, 4 chân, 6 chân hoặc
nhiều hơn.
Tuy có ưu điểm như trên nhưng loại robot này khó điều khiển và khó chế tạo.

Hình 1.6: Robot di chuyển bằng chân.
1.2.2. Chuyển động bằng xích
Loại robot này chuyển động bằng các bánh có lắp xích như xe tăng rất phù hợp khi
di chuyển trên địa hình phức tạp. Để đổi hường, nó thay đổi tốc độ quay của 2 bánh
xích chủ động. Tuy nhiên do chuyển động bằng xích khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện
tượng trượt do đó khó điều khiển chính xác. Một vấn đề nữa là loại robot này rất dễ
làm hỏng bề mặt của nền đặc biệt là khi chuyển hướng.

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 9


Robot thám hiểm và lấy mẫu mơi trường

Hình 1.7: Robot chạy bằng xích.
1.2.3. Di chuyển bằng bánh xe
Loại robot này dùng bánh xe để di chuyển. Phần lớn các loại mobile robot dùng
bánh xe do bánh xe dễ điều khiển, ổn định và chuyển động nhanh hơn so với xích hay
là chân. Nhược điểm là chỉ phù hợp với địa hình có bề mặt nhẵn và cứng. Với bề mặt
mềm, robot rất dễ bị sa lầy.

Hình 1.8: Robot di chuyển bằng bánh.
Hiện nay các loại chuyển động của robot ngày càng phức tạp lên theo đà phát triển
của khoa học kĩ thuật. Các chuyển động này không chỉ đơn giản là bánh xe, xích hay
chân nữa. Có những robot được phối hợp chuyển động của bánh xe và chân, của xích
và chân … Các robot này được điều khiển một cách hết sức phức tạp, công nghệ chế

tạo cũng hết sức tinh vi, địi hỏi tính chính xác cao, các chuyển động khớp cũng mềm
dẻo hơn. Các robot kiểu mới này thường được ứng dụng trong việc vượt các chướng
ngại vật hay di chuyển trong các địa hình hết sức phức tạp. Chúng được gắn các sensor
tự hành nhằm tự xử lí các sự cố xảy ra trong q trình di chuyển.

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 10


Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

1.3. Các ứng dụng của robot
1.3.1. Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất cơ khí
Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng linh hoạt và
chính xác cao.
Các loại robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ơtơ, tàu
thủy, …

Hình 1.9: Robot hàn.
Ngồi ra, người ta cịn sử dụng robot cho cơng nghệ đúc, mơi trường nóng bức, bụi
bặm, và các thao tác ln địi hỏi độ tin cậy.
Đặc biệt trong hệ thống sản xuất linh hoạt( FMS), robot đóng vai trò rất quan trọng
trong việc vận chuyển và kết nối các cơng đoạn sản xuất với nhau.

Hình 1.10: Hệ thống FMS.
1.3.2. Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp
Các thao tác này thường được tự động hóa bằng các robot được gia cơng chính xác

và có độ tin cậy cao.

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 11


Robot thám hiểm và lấy mẫu mơi trường

Hình 1.11: Robot lắp ráp Kuka.
1.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực y học, quân sự, khảo sát địa chất
Ngày nay, sử dụng robot vào các lĩnh vực quân sự, y tế, môi trường, … rất được
quan tâm. Nhờ khả năng hoạt động linh hoạt và chính xác, các robot di động có gắn
tay máy được dùng để thâm nhập vào nơi nguy hiểm.

Hình 1.12: Robot quân sự.

Hình 1.13: Robot cứu hỏa.
1.4. Giới thiệu về robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường
Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang đe dọa đến tính mạng của con người
cũng như các sinh vật sống trên hành tinh này. Các ô nhiễm thường gặp là ô nhiễm
môi trường nước, ô nhiễm không khí, ô nhiễm do chất thải rắn. Thực trạng cấp bách
này đòi hỏi cần phải có những giải pháp hợp lí.
Cùng với sự phát triển của rất nhiều loại robot phục vụ cho các nhu cầu khác nhau
của con người, xã hội thì robot do thám và lấy mẫu môi trường cũng được nhiều nước
SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 12


Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

quan tâm nghiên cứu và sản xuất nhờ vào các ứng dụng rộng rãi của nó đối với đời
sống của chúng ta.
Cùng với sự phát triển về kinh tế, về quân sự, quốc phịng..v..v, sức khỏe và tính
mạng của con người ngày càng được coi trọng. Chính vì thế trong các mơi trường
nguy hiểm, độc hại, nơi mà con người không thể vào lấy mẫu xử lí được cho nên ta
cần một giải pháp để tiến hành lấy mẫu, phân tích mẫu để biết được mức độ ô nhiễm,
độc hại của nơi ta cần nghiên cứu. Robot do thám và lấy mẫu môi trường là giải pháp
hợp lí thay thế con người làm những việc trên.

Hình 1.14: Robot do thám.
Robot do thám và lấy mẫu mơi trường có thể phát hiện và tiếp cận đến các nơi,
vùng địa lí mà bị ơ nhiễm do các khí độc như CO2, khí gas, nước, chất phóng xạ…
hoặc các vùng bị ơ nhiễm do các chất thải rắn gây nên để xác định mức độ ô nhiễm,
thu thập mẫu vật tại mơi trường đó để mang về cơ sở đánh giá, phân tích xác định mức
độ ô nhiễm, độc hại để đưa ra phương án khắc phục.

Hình 1.15: Robot Testudo.
Robot di chuyển nhờ 4 cánh tay nâng hoạt động độc lập. Như vậy sẽ có thể di
chuyển được ở các địa hình phức tạp. Đây là một ưu thế so với các loại robot di
SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 13

Robot thám hiểm và lấy mẫu môi trường

chuyển bằng bánh, bằng chân hoặc robot sử dụng xích thiết kế theo kiểu thơng thường.
Robot có thể hoạt động ở các vùng ô nhiễm mức độ nặng, nơi con người không thể
tiếp cận; đi vào các nơi cống rảnh để khảo sát.
Robot có thể hoạt động ở khoảng cách xa so với người điều khiển bằng sóng RF
nên giúp tránh được mối nguy hiểm về mặt con người, nắm rõ được hình ảnh mơi
trường xung quanh thậm chí là ban đêm nhờ các camera giám sát được lắp trên robot,
tích hợp các cảm biến để đo được nhiều thông số của môi trường ( độ ẩm, khí, nhiệt
độ…), tích hợp microphone và loa để thu thập những dữ liệu âm thanh tại môi trường
làm việc cũng như truyền cảnh báo bằng giọng nói từ người điều khiển (cứu hỏa hoặc
cứu người bị nạn trong các môi trường độc hại,…), được trang bị cánh tay máy để tiến
hành lấy mẫu tại nơi khảo sát, cầm nắm các vật nguy hiểm.

SVTH: Lê Văn Quang, Đặng Hữu Quốc

Hướn g dẫn: PGS. TS Trần Xuân Tùy

Trang 14