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

I


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


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

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


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


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


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


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


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

................................................................ 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

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

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

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


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.

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

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

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)

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