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

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 môi trường nhằm phục vụ cho quá trình phân tích về mức độ ô 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 còn 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

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

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:

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 môi

trường” nhằm phục vụ cho quá trình phân tích về mức độ ô 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 còn 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

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 toán:

a Phần chung:

1 Lê Văn Quang 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

2 Đặng Hữu Quốc

b Phần riêng:

1 Lê Văn Quang Tính toán vận tốc, tỉ số truyền, chọn động cơ và thiết

kế bộ truyền

2 Đặng Hữu Quốc Tính toán 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:

1 Lê Văn Quang Tìm hiểu phần mềm thiết kế bản vẽ, việc thiết lập cài

đặt và các lệnh thiết kế

2 Đặng Hữu Quốc

b Phần riêng:

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

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

Đà Nẵng, ngày tháng năm 201

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 không 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 môi trường Là sinh viên kỹ thuật nói chung và ngành kỹ thuật cơ điện tử nói riêng, việc nắm bắt công 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 công, do kiến thức kinh nghiệm còn non kém, thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi những sai sót mong quý thầy cô và các bạn bỏ qua Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Quang – Đặng Hữu Quốc

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Quang – Đặng Hữu Quốc

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

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 TOÁN 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

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 lò xo xoắn 21

Hình 2.6: Căng đai dùng lò 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

Hình 3.1: Robot thiết kế bằng phần mềm Inventor .31

Hình 3.2: Sơ đồ phân tích lực khi robot lên dốc nghiêng 300 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 thông số kỹ thuật .35

Hình 3.7 : Ổ đỡ trục 17 và thông 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

Hình 5.1: Robot đã hoàn 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

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, ô 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 ô nhiễm

Vì thế chúng ta cần phải có sự trợ giúp để mà lấy mẫu từ các môi trường bị ô 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 không

Dựa trên sự phát triển của robot vượt địa hình, chúng em đã nghiên cứu và thiết kế robot thám hiểm và lấy mẫu môi 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

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 toán 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

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

- 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

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 công 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

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

Hình 1.4: Robot quân sự TALON của quân đội Mỹ

Người máy mặt đất TALON: Có thể tháo ngòi 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 không 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 không 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 công 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 Trungtâm 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 vàmắt của phẫu thuật viên Dụng cụ robot có thể giúp phẫu thuật viên không 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, tựđộng 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 không làm tim ngừng đập Đây là thao tác rất phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao LIRMM

đã thành công trong việc chế tạo dụng cụ này, có thể nói, đây là một kết quả mỹ mãng

Hình 1.5 Robot hỗ trợ phẫu thuật

Trước đó, LIRMM đã phối hợp với Phòng Thí nghiệm Kỹ thuật Robot Paris (LRP)

và Phòng Thí nghiệm Kỹ thuật ảnh, mô hình hoá 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 ch ỉ 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 đôi giá trị tác phẩm điêu khắc của mình

Trong thực tế, đã có những robot dạng này đang sử dụng trong công nghiệp và sản xuất những vật phẩm đồng nhất Song, trong thiết kế và sản xuất loại thiết bị này đã 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 môi trường Do đó, người ta đã nảy sinh ý tưởng thiết kế robot mô phỏng theo một

số loài vật Trung tâm Nghiên cứu về sự nhận biết của động vật (CRCA) ở Toulouse

đã nghiên cứu "trí tuệ" của loài kiến thông qua Kiến Robot Kiến Robot được đưa vào trong tổ kiến và kết giao với các loài côn trùng khác Kiến Robot sẽ hội nhập xã hội côn 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

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 Phòng 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 môi trường mới lạ và phải học thích ứng với môi trường đó Phòng 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 noãn bào, mà không sợ hư hại Robot này có thể áp dụng cho quá trình thụ tinh in-vitro Phòng 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 công trình nghiên cứu chế tạo Chuột Robot, nhóm Animartlab còn 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 hoá 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 Phòng 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, b ật 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 không cần phải tìm nữa, robot giúp việc gia đình đã mang đến cho bạn, lau nước mắt cho ch ủ 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 môn 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 Phòng 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

dạng cảm xúc của người, giai đoạn đầu tiên đối với máy tính là tìm khuôn mặt của người, sau đó lập mô 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 công 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 thông số hoá được (râu, nếp nhăn và kính làm nhiễu loạn sự nhận dạng) Mặt khác, máy tính không lập được mô hình đối với khuôn mặt không được chiếu sáng đủ và ở vị trí không thuận lợi Ngoài ra, còn 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 công trình này cho nhiều lĩnh vực khác nhau Song, có một điều khẳng định là công 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 còn có thể sử dụng robot này để gỡ mìn, thăm dò 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 thông dòng (thông 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 Phòng 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 môi 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 còn nhận dạng được môi trường nhờ có hệ thị giác Ngoài ra, robot này còn có khả năng phân Robot điển hình trong công nghiệp được

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 không 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 không 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

và chân … Các robot này được điều khiển một cách hết sức phức tạp, công nghệ chế tạo cũng hết sức tinh vi, đòi 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 quá trình di chuyển

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 ôtô, tàu thủy, …

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 công chính xác

và có độ tin cậy cao

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

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 phòng v v, sức khỏe và tính mạng của con người ngày càng được coi trọng Chính vì thế trong các môi 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 môi trường có thể phát hiện và tiếp cận đến các nơi, vùng địa lí mà bị ô nhiễm do các khí độc như CO2, khí gas, nước, chất phóng xạ… hoặc các vùng bị ô nhiễm do các chất thải rắn gây nên để xác định mức độ ô nhiễm, thu thập mẫu vật tại môi 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

chuyển bằng bánh, bằng chân hoặc robot sử dụng xích thiết kế theo kiểu thông 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 môi 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

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA ROBOT

2.1 Phân tích các phương án thiết kế

Xích sẽ có khả năng di động lớn hơn, nhưng hiệu quả điều khiển thấp hơn bánh Với loại địa hình đã nêu thì nó tỏ ra phù hợp Tuy nhiên nó không phải đều tốt cho mọi trường hợp

Những phương tiện dùng xích đã sớm xuất hiện vào những năm 1990 và được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi Dạng đầu tiên được sử dụng cho đến ngày nay trong những thiết bị xây dựng hạng nặng Kết cấu bánh xích ở đầu, có những bánh dẫn làm nhiệm

vụ căng đai và những chi tiết khác giúp hệ thống xích di chuyển trên mặt đất Kết cấu

cơ bản và đơn giản này khỏe và dễ điều khiển Hầu hết trong hết các kết cấu đơn giản, các dạng xích đều được phát triển dựa trên những kết cấu của bánh tương tự đã có trước đó

Những bề mặt liên tục trên mặt đất chính là lợi thế cho xích Với bánh thì đó là những bề mặt dài rộng Những phương tiện dùng bánh luôn tồn tại vấn đề địa hình cao khi tấm bánh đi qua sẽ làm kênh dẫn đến khả năng mất điều khiển các bánh ho ặc hiện tượng mắc kẹt bánh Khi mắc kẹt, hệ thống giảm sóc cũng không thể kéo xe lên Để khắc phục có thể tăng số lượng bánh xe lên 6 hoặc 8 bánh nhằm tăng diện tích tiếp xúc với khe, rãnh, tuy nhiên sẽ làm cho hệ thống càng phức tạp Nhưng xích sẽ không gặp phải vấn đề đó vì xích luôn lăn trên địa hình Phương tiện dùng xích có thể vượt qua những chướng ngại vật đó tuy nhiên phải thiết kế một số cơ cấu định tâm thỏa mãn lớn hơn một nửa chiều dài phương tiện

Hầu hết các phương tiện dùng xích đều có số lượng các chi tiết chuyển động nhiều hơn so với phương tiện dùng bánh Tất cả đều nhằm nhiệm vụ tăng ma sát lăn Một thiết kế tốt phải thực sự hiệu quả hơn so với kết cấu dùng bánh khi đi trên bề mặt mềm Số lượng chi tiết chuyển động lớn làm tăng sự phức tạp Một vấn đề quan trọng

của thiết kế xích là phải có hệ thống căng xích Hệ thống xích trùng cũng sẽ làm giảm hiệu suất của phương tiện

Hệ thống xích được lắp ghép bởi rất nhiều thành phần: xích, bánh xích, bánh căng xích, bánh dẫn hướng, hệ thống căng đai,… Những vấn đề cần quan tâm ở đây là:

• Sự thiết kế cho xích ( bao gồm các khớp nối, khớp bản lề thép, đai cao su,…)

• Phương pháp lắp ghép giữ cho hệ thống xích găn trên phương tiện

• Hệ thống căng xích ( dùng bánh có hoặc không có lò xo)

• Kích thước hợp lý giữa xích và bánh xích

Những sự thay đổi trong kết cấu của hệ thống xích đã được kiểm chứng Một số tỏ

ra thành công lớn Một số khác chưa cải thiện được tính linh động của hệ thống xích

Có nhiều dạng kết cấu xích và dạng kết cấu với số lượng xích khác nhau Các dạng này điều có những ưu và nhược điểm riêng của chúng, thường có các loại:

• Một dãy xích

• Hai dãy đối xứng hai bên ( cơ bản)

• Hai dãy xích( với một phương pháp điều khiển riêng)

• Một số dạng thiết kế sử dụng 4 dãy xích

• Kết cấu có 6 dãy xích bao gồm 2 dãy xích chính, 2 dãy chân trước và 2 dãy chân sau phục vụ leo trèo Kết cấu này tỏ ra quá mức yêu cầu vì đã có 4 dãy xích vô cùng ấn tượng

2.1.2 Vấn đề về điều khiển phương tiện dùng xích

Những phương tiện dùng xích được điều khiển dựa trên nguyên tắc đơn giản là điều khiển 2 nhánh xích quay ngược chiều nhau sẽ tạo chuyển động quay quanh một điểm hoặc một nhánh quay nhanh hơn nhánh kia sẽ làm cho phương tiện rẽ hướng Chúng thực sự giống như những phương tiện dùng bánh nhưng có thể trượt trên mặt đất, cũng

có thể gọi đó là điều khiển vi sai Lực trượt trong phương tiện dùng xích có thể bằng hoặc cao hơn một chút so với phương tiện dùng 4 bánh có thể trượt

Có những phương pháp làm giảm công suất điều khiển trên những phương tiện có bánh lái trượt có thể áp dụng cho phương tiện dùng xích Ví dụ làm yếu bớt hệ thống căng xích ở giữa nhánh xích Điều này có tác dụng làm tăng giới hạn, giảm công suất yêu cầu để phanh khi muốn rẽ hướng, điều này cũng làm giảm tác dụng chính của xích, sẽ có nhiều diện tích không tiếp xúc thường xuyên với xích trong khi chuyển động hơn

2.1.3 Các kết cấu mắt xích

Các mắt xích được xây dựng bằng nhiều cách khác nhau Gần đây, các mắt xích được làm hầu như toàn bằng thép vì thép dễ mua và nó làm cho bánh xích đủ khỏe Các mắt xích toàn bằng thép sẽ có khối lượng rất nặng đối với các robot nhỏ Đây là một khó khăn Trên các robot lớn hơn thì các mắt xích làm bằng thép là giải pháp tốt nhất

2.1.4 Cách bố trí xích

Hệ thống xích cơ bản được tạo thành bởi một bánh điều khiển, một bánh chạy không và những bánh dẫn hướng Chúng có hiệu quả trong nhiều ứng dụng Phần này trình bày những kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Khả năng hoạt động có thể được mở rộng bằng cách tăng chiều cao phía trước của xích, nó hỗ trợ việc vượt chướng ngại vật tốt hơn

Một cách khác có thể làm tăng khả năng của xích là chế tạo chúng dốc thoải Dốc

về phía trước thường phổ biến và có các ưu điểm rõ rệt nhưng dốc thoai thoải ở phía sau có thể tăng khả năng di động trong các không gian hẹp yêu cầu lùi trèo lên trên chướng ngại vật

Hình 2.1.a

Hình 2.1.b

Hình 2.1.c

Hình 2.1.d

Hình 2.1: Các hình dạng xích thay đổi để cải thiện tính linh động và cứng vững

Nhiều công ty đã thiết kế và xây dựng các hệ thống xích mà có thể thay đổi hình dạng Kết cấu này cho phép xích uốn xung quanh các bánh xích nhỏ hơn và các bánh đệm, có thể xoay theo hầu hết các hướng

Hình 2.2.a

Các phương pháp chính để căng xích:

• Các cánh dẫn hướng

• Các bánh con cố định biên dạng

• Các cặp bánh con cân bằng tạo biên dạng

• Các bánh con tạo biên dạng được đỡ trên các trục lò xo,…

Các cánh dẫn hướng là các bánh ray đơn giản mà thường được thiết kế chạy trong các rãnh hình chữ V dọc theo chiều dài xích Chúng có thể được kéo dài từ đầu này đến đầu kia xích, hiệu quả nhất là dọc toàn bộ chiều dài xích Tuy vậy, chúng cũng gặp vấn đề khi có bề mặt dễ trượt dài mà trong thực tế không thể được bôi trơn

Một bước cải tiến là thay đổi từ các cánh dẫn hướng đến các bánh con cố định tạo biên dạng thể hiện ở hình 2.3 Đây là các bánh lăn trên chốt trụ ngắn định vị trên khung phương tiện Các bánh này có thể tương đối nhỏ hơn với bánh xích Khi lăn trên chướng ngại vật chúng vẫn giữ được biên dạng cho xích Chúng tạo diện tích tiếp xúc với đất như cánh dẫn hướng nhưng có hiệu quả hơn nhiều Các bánh lăn cố định là sự lựa chọn tốt đối với hệ thống xích

Hình 2.4: Căng xích dùng cần lắc cân bằng

Phương án tương tự nhưng phức tạp nhất và cũng hiệu quả chuyển động êm nhất là gắn lên các bánh lăn các trục có lò xo, có 3 loại chính của các hệ thống căng đai thường sử dụng

• Tay kéo trên lò xo xoắn

• Tay kéo với lò xo cuộn

• Lò xo lá cân bằng

Tay kéo trên lò xo xoắn được vẽ trên hình 2.5 Nó là một thiết bị đơn giản dựa trên

sự xoắn của lò xo, nó quay xung quanh tâm lò xo xoắn gắn trên khung Bánh lăn gắn ở đầu còn lại của tay kéo và tạo ra lực luôn tì lên xích

Ta cũng có thể hỗ trợ phần cuối của tay kéo với một lò xo (hình 2.6) Ưu điểm của

lò xo cuộn trên hệ thống căng xích dùng lò xo xoắn là vật nặng được hỗ trợ rất gần v ới điểm trọng tải, làm giảm lực và momen cho tay kéo Điều này làm giảm tải cho hệ thống căng xích Hệ thống đặt ở bên trong không gian xích tốt hơn là bên trong gầm phương tiện

Hình 2.5: Căng đai dùng lò xo xoắn

Hình 2.6: Căng đai dùng lò xo cuộn

Một sự thay đổi đơn giản của hệ thống cần lắc cân bằng là dùng các lò xo lá (hình 2.7) Điều này làm giảm chấn động va chạm tới cần lắc cân bằng và là một cách đơn giản hơn Các cần lắc cân bằng thường rất cứng nên vẫn cho phép các bánh rang tạo ra các sự di chuyển lớn Hệ thống này có thể dùng bổ sung nếu xích không đủ độ êm và lướt theo yêu cầu

Hình 2.7: Căng đai dùng con lăn kép

2.1.6 Các kết cấu của robot dùng xích

a Kiểu thiết kế dùng một xích

Kết cấu bố trí xích đơn giản nhất là bố trí mà chỉ sử dụng một xích Kiểu này trên thực tế còn tồn tại ít nhất một dạng, và tính di động khá tốt Dạng thường gặp là của xe một xích chạy trên tuyết và bang Mặc dù các xe này được thiết kế dành riêng cho việc chạy trên tuyết, các bánh xe thay thế ván trượt, chúng cũng có thể được sử dụng trên mặt phẳng cứng Áp lực xích trên tuyết nhỏ hơn nhiều so với trên mặt đất

Khả năng di động được quyết định bởi 2 điểm: các bánh cần được đẩy vượt lên các chướng ngại vật và sự dẫn hướng được thực hiện bởi hệ thống Ackerman, nó sẽ ngăn chặn việc quay trong không gian Hình 2.8 là kết cấu dùng một xích dốc thoải về phía trước

Hình 2.8: Robot kiểu một xích, 2 bánh trước điều khiển dùng cơ cấu Ackerman

b Kiểu thiết kế dùng 2 xích

Kết cấu dùng 2 xích thì phổ biến hơn rất nhiều Dạng cơ bản của nó đơn giản để chế tạo Hai xích được gắn hai bên của robot và mỗi bánh dẫn động được gắn với một động cơ riêng Các thiết kế cứng vững thực chất có động cơ được gắn bên trong khung

và được gắn trực tiếp vào bánh xích điều khiển Khi robot cần rẽ thì điều khiển 2 bánh xích quay với tốc độ khác nhau Hầu như luôn có một phương án giảm tốc động cơ

phục vụ cho bộ truyền động Hình 2.9 cho thấy kiểu robot sử dụng kiểu bố trí 2 xích Kết cấu này đại diện cho bố trí đơn giản nhất của robot dùng xích

Hình 2.9: Robot kiểu 2 xích

c Kiểu thiết kế dùng 2 xích được điều khiển bằng các hệ thống thiết bị riêng lẻ

Một kết cấu phức tạp hơn nhưng kém hiệu quả hơn là kiểu 2 xích được điều khiển qua bộ truyền động vi sai và robot được lái bởi một tập các bánh xe được gắn trên xích Kiểu thiết kế này được sử dụng khi các toa xe lớn không đủ ma sát trên đường không chuẩn bị trước, thay thế các bánh xe phía sau bằng các hệ thống xích có khối lượng xấp xỉ nhau

Sự thay đổi đáng chú ý của bố trí 2 xích là 2 xích được đặt theo kiểu nội tuyến, một xích ở đằng trước xích kia Trạng thái ổn định được duy trì bằng cách tạo các xích đủ rộng, và có một khớp nối giữa 2 xích Các xích phải được hỗ trợ từ các mặt phẳng Năng lượng của các thiết bị lái được truyền qua một hoặc hai cơ cấu truyền động tuyến tính hoặc quay là bộ phận của chỗ nối có khớp nối

Kiểu thiết kế này có tính di động cao nhưng không thể quay được trong không gian

Nó sẽ được sử dụng rất tốt đối với những xe chạy trên tuyết hoặc trên cát

Hình 2.10: Kiểu thiết kế xích 2 bánh rộng

d Kiểu thiết kế dùng 4 nhánh xích điều khiển

Việc thêm vào nhiều hơn các xích sẽ làm tăng tính di động của robot Có một vài vấn đề với cách tiếp cận này Thêm vào nhiều xích đồng nghĩa với có nhiều thành phần chuyển động hơn, nhưng nó cũng thường có nghĩa là robot sẽ có kích thước dài hơn Kiểu thiết kế tốt nhất là thêm nhiều hơn các xích với số lượng ít nhất của các thành phần chuyển động và giữ robot có chiều dài cần thiết

Hình 2.11 cho thấy kiểu thiết kế của Urbie telerobotic iRobot Robot này sử dụng

cơ cấu truyền động thứ 3 để điều khiển cặp tay trèo Chúng được điều khiển cùng chung 1 động cơ

Hình 2.11: Kiểu thiết kế 4 xích với 2 tay trèo

Với các chân trèo được kéo dài, Urbie có thể trèo qua khe nứt mà rộng hơn một n ửa chiều dài robot Khi các chân trèo quay, chúng tạo ra độ dốc lớn nên robot có th ể vượt qua các chướng ngại vật cao hơn chiều cao của các xích cơ bản Ở đây cũng có chức năng khác, chân trèo có thể thực hiện không liên quan đến tính di động, giống như khả năng đứng Điều này làm cho robot cao hơn và cho phép 1 camera được gắn trên robot

để quan sát

Hình 2.12: Kiểu thiết kế 4 xích với 4 tay trèo

Một kiểu thiết kế khác gần giống với Urbie được thể hiện ở hình 2.12 Có 2 loại cơ cấu truyền động khác nhau để cung cấp lực độc lập cho 4 tay trèo

e Kiểu thiết kế dùng 6 bánh xích

Đây là kiểu thiết kế mở rộng của Urbie, nhưng trên thực tế được sang chế trước Urbie Kiểu thiết kế tăng lên 2 nhánh xích Các tay trèo cả đằng trước và đằng sau được điều khiển độc lập Tay trèo kép kéo dài robot làm dễ dàng vượt qua các khe nứt rộng và trèo lên các bậc thang

Hình 2.13: Kiểu thiết kế 6 bánh xích

2.1.7 Cơ cấu lấy mẫu

Robot yêu cầu cần phải lấy mẫu từ mỗi trường, các mẫu cần lấy ở đây ở 3 dạng: rắn, lỏng, khí Vì vậy t cần xác định tọa độ nơi cần lấy mẫu, suy ra cần 2 bậc tự do, ngoài

ra còn 1 bậc tự do xác định chiều cao trong không gian Do đó số bậc tự do tối thiểu dành cho robot là 3 bậc Dưới đây là một số cơ cấu có thể dùng để xác định vị trí trong không gian

a, Cơ cấu robot tọa độ đề-các

Là tay máy có 2 chuyển động cơ bản, tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc ( cấu hình T T T ) Không gian làm việc của bàn tay có dạng khối chữ nhật

Hình 2.14: Cơ cấu tọa độ đề-các

b, Cơ cấu robot tọa độ trụ

Không gian làm việc của robot có dạng trụ rỗng Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay

Hình 2.15: Cơ cấu tọa độ trụ

c, Cơ cấu tọa độ cầu

Không gian làm việc của robot có dạng khối cầu

Hình 2.16: Cơ cấu tọa độ cầu

2.2 Phương án thiết kế

2.2.1 Ý tưởng chung

Với yêu cầu đặt ra là chế tạo một robot có thể vượt qua các địa hình phức tạp để thực hiện các nhiệm vụ thì phương án được chọn để thiết kế là kiểu robot di chuyển bằng 4 bánh xích như 4 tay trèo

Với phương án này, robot đảm bảo tính linh hoạt vượt qua các địa hình phức tạp Với kết cấu nhỏ gọn và đơn giản hơn, nó cũng góp phần làm giảm mức độ phức tạp trong khâu chế tạo và điều khiển Việc di chuyển bằng 4 bánh xích cũng có thể nâng

hạ phần thân robot lên xuống dễ dàng, do đó nếu đặt camera lên đó sẽ tạo điều kiện quan sát địa hình thuận lợi hơn

Hình 2.17 Khả năng chuyển động của robot di chuyển bằng 4 bánh xích

2.2.2 Chọn cơ cấu truyền động cho các tay trèo

Yêu cầu đặt ra của các tay trèo là phải khỏe để có thể nâng hạ thân robot Một đặc điểm thứ hai nữa là phải có tính hãm tốt để giữ robot đứng yên tại một vị trí với một tư thế nhất định nào đó Vì vậy ta dùng trục nâng chạy bằng điện làm cơ cấu truyền đ ộng cho các tay trèo Nguyên lý của trục nâng là biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục bằng visme nên có tính hãm rất tốt

Hình 2.18: Trục nâng

2.3 Thiết kế cơ cấu lấy mẫu

2.3.1 Phân tích nhiệm vụ của robot

- Căn cứ vào yêu cầu thiết kế, robot được thiết kế với 3 bậc tự do, tầm với của robot

là 700mm, tải trọng là 0,5 kg

- Cánh tay đươc thiết kế phục vụ cho việc lấy mẫu của robot, nhằm phục vụ cho công tác lấy mẫu môi trường, ở những nơi nguy hiểm, ô nhiểm mà con người không tham gia trự tiếp được

- Cánh tay robot được thiết kế và phát triển để mô phỏng một robot công nghiệp

- Các cấu trúc mở của cánh tay cho phép học sinh, sinh viên quan sát và tìm hiểu nội bộ cơ chế hoạt động của robot nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu động học, động lực học robot

2.3.2 Các phương án và cấu trúc các khớp