View and download: https://uploading.vn/d0xebxhvjh03

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành : 60520114
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành : 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 Năm 2015

3. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thanh Phương
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP. HCM
ngày 16 tháng 08 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 PGS.TS.Lê Hữu Sơn Chủ tịch
2 TS. Nguyễn Hùng Phản biện 1
3 TS. Nguyễn Duy Anh Phản biện 2
4 TS. Võ Hoàng Duy Ùy viên
5 PGS.TS.Ngô Cao Cường Ùy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV

4. TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..…
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 23 / 11 /1977 Nơi sinh: Phú Thọ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840020
I- Tên đề tài:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
II- Nhiệm vụ và nội dung:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
III- Ngày giao nhiệm vụ: …………………………………………………………….
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ......................................................................................
V- Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ, Nguyễn Thanh Phương
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

5. i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Thành Trung

6. ii
LỜI CÁM ƠN
Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để các sinh viên vận dụng những kiến thức mà
mình đã tích lũy được trong suốt quá trình học và quan sát thực tế. Tuy nhiên, cũng
còn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế cũng như thời gian nên mặc dù
rất nỗ lực, cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi sai sót, và chưa bám sát vào thực
tiễn.
Trong luận văn này em rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý từ các thầy cô
và các bạn. Để hoàn thành được luận văn này em xin kính gửi đến thầy TS. Nguyễn
Thanh Phương lòng biết ơn sâu sắc, thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời
gian thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy trong khoa Cơ - Điện - Điện Tử đã hết
lòng truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này.

7. iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Việc ứng dụng các loại robot khác nhau nhằm phục vụ con người trong sản
xuất và sinh hoạt đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nước
trên thế giới. Trong đề tài này sẽ trình bày nghiên cứu thiết kế robot leo trụ với
dạng leo liên tục bằng bánh xe với các động cơ DC.
Robot được thiết kế bằng 2 hệ thống độc lập. Một hệ thống tạo lực nén với
nhiệm vụ giữ robot di chuyển trên trụ và một hệ thống truyền động bằng bánh xe để
robot di chuyển trên trụ. Cơ cấu cơ khí được thiết kế bằng 1 khung với ba bộ nén
đặt lệch nhau một góc 1200
, tạo ra một mặt phằng vuông góc với trụ và việc phân
tích tính toán lực sẽ đơn giản hơn. Bộ điều khiển PID thứ 1 sẽ được xây dựng để
điều khiển lực nén bằng cách điều khiển khoảng cách x của lò xo, giúp ổn định lực
nén và giữ robot ổn định trên trụ. Bộ điều khiển PID thứ 2 sẽ điều khiển, ổn định
tốc độ robot di chuyển trên trụ.
Các kết quả thực nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo cơ khí và mạch điều
khiển của robot đã cho thấy robot leo được trên các trụ tròn, trụ côn.

8. iv
ABSTRACT
The application of different types of robots to serve people in production
and daily life is increasingly attracting the attention of researchers around the
world. This research will present a design study describing a kind of climing
robot that continuously climes a cylinder with wheels and DC motors.
The robot is designed with two independent systems. A system will
generate compressing force to keep the robot moving on the cylinder while
another system is a wheel drive system that makes the robot move on the
cylinder. The gas distribution mechanism is designed on a frame containing
three compressors put in a distance of 120 degree, creates a plane
perpendicular to the cylinder. This helps analyse the compressing force
simpler. The first PID controler is set up to control the compressing force by
adjusting the distance ‘x’ of springs. This will control the speed of the robot
movement on the cylinder.
The experimental results of designing, mechenical manufacturing as well
as controling board the in the research show that the robot can move on the
cylinder and cone.

9. v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii
ABSTRACT.............................................................................................................. iv
MỤC LỤC..................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ ix
DANH SÁCH HÌNH ẢNH.........................................................................................x
CHƯƠNG I:................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO ...............................................................................1
1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo.......................................................1
1.2 Phân loại các loại robot leo trụ.........................................................................1
1.2.1 Phân loại theo kết cấu:...............................................................................1
1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo. ........................................................................2
1.2.2.1 Robot dạng rời rạc.............................................................................2
1.2.2.2 Robot dạng liên tục...........................................................................3
1.2.2.3 Robot dạng rắn..................................................................................4
1.3 Đặt vấn đề.........................................................................................................4
1.4 Phương pháp nghiên cứu..................................................................................5
CHƯƠNG 2: ...............................................................................................................6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................................6
2.1 Cơ sở thuật toán PID:.......................................................................................6
2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID............................................6
2.1.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân.............................................7
2.1.2.1 Khâu tỉ lệ...........................................................................................7
2.1.2.2 Khâu tích phân..................................................................................7
2.1.2.3 Khâu vi phân.....................................................................................8
2.2 Vi điều khiển ATmega32.................................................................................9

10. vi
2.2.1 Giới thiệu ATmega32................................................................................9
2.2.2 Các đặc tính của ATmega32:...................................................................10
2.2.3 Sơ đồ chân của ATmega32......................................................................11
2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit). ....................................................................12
2.4 Encoder : ........................................................................................................13
2.4.1 Cấu tạo chính của Encoder:.....................................................................13
2.4.2 Nguyên lý cơ bản:....................................................................................15
2.5 Động cơ DC....................................................................................................16
2.5.1 Giới Thiệu................................................................................................16
2.5.2 Cấu tạo:....................................................................................................16
2.5.3 Nguyên lý hoạt động: ..............................................................................18
2.5.4 Điều khiển tốc độ động cơ DC: ...............................................................18
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................20
THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ....................................................20
3.1 Yêu cầu và chức năng robot..........................................................................20
3.2 Phân tích thiết kê robot ..................................................................................20
3.2.1 Tính toán lực............................................................................................20
3.2.2 Thiết kế bộ tạo lực nén ............................................................................22
3.2.3 Tính toán hệ thống chuyển động robot....................................................24
3.3 Điều khiển robot.............................................................................................25
3.3.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển ..........................................................25
3.3.2 Xác định bộ điều khiển hệ thống lực nén ................................................26
3.3.2.1 Xác định hàm truyền ........................................................................26
3.3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển.....................................................................28
3.3.3 Xác định bộ điều khiển hệ thống di chuyển ............................................30
3.3.3.1 Xác định hàm truyền.......................................................................30
3.3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển.....................................................................32
CHƯƠNG 4: .............................................................................................................35
CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM..............................................................................35

11. vii
4.1 Chế tạo cơ khí.................................................................................................35
4.1.1 Bảng vẽ thiết kế .......................................................................................35
4.1.2 Hình ảnh sau khi chế tạo..........................................................................35
4.2 Thiết kế mạch điện.........................................................................................36
4.2.1 Yêu cầu ....................................................................................................36
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn linh kiện.........................................37
4.2.2.1 Bo mạch vi điều khiển : ..................................................................37
4.2.2.2 Board mạch Arduino........................................................................38
4.2.2.3 Khối công suất : ..............................................................................41
4.2.2.3.1 Optocoupler-NPN .....................................................................41
4.2.2.2 Rờ le................................................................................................42
4.2.2.3 IC L298 ...........................................................................................43
4.2.3 Lưu đồ điều khiển robot ..........................................................................44
4.2.4 Robot sau khi chế tạo...............................................................................45
4.2.5 Kết quả thực nghiệm................................................................................46
Đánh giá kết quả thực nghiệm ..................................................................................46
TỔNG KẾT...............................................................................................................47
5.1 Kết quả đạt được ............................................................................................47
5.2 Kết quả chưa đạt được....................................................................................47
5.3 Hướng phát triển ............................................................................................47
TÀI LIỆU KHAM KHẢO ........................................................................................48

12. viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DC Direct Current
PID Proportional Integral Derivative
GND Ground
LED Light Emitting Diode
MCU Microprocessor Control Unit
PWM Pulse Width Modulation
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver
VCC Voltage Common Collector
ADC Analog to Digital Converter
BJT Bipolar Junction Transistor
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
VDC Volts Direct Current

13. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập………………………….9
Bảng 2 : Thông số động cơ DC cho bộ nén..............................................................28
Bảng 3 : Thông số của động cơ DC cho hệ thống di chuyển....................................31

14. x
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering
Advancementsm2014
2
Hình 1.2 Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa
Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2)
3
Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping
principle ( Cengiz Yilmaz)
3
Hình 1.4 Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon 4
Hình 2.2 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID 6
Hình 2.3 Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID 7
Hình 2.4 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID 7
Hình 2.6 Sơ đồ chân của ATmega32 8
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H 11
Hình 2.8 Một số loại encoder trên thị trường 12
Hình 2.9 Cấu tạo thực tế của encoder 13
Hình 2.1 Dạng sóng ngõ ra của LED thu 14
Hình 2.11 Cấu tạo đĩa quay trong encoder 14
Hình 2.12 Quá trình đọc Encoder 15
Hình 2.13 Một số loại động cơ trên thực tế 15
Hình 2.14 Cấu tạo động cơ điện một chiều 16
Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC 17
Hình 2.16 Điều khiển động cơ bằng PWM 18
Hình 3.1 Phân bố lực của Robot 19
Hình 3.2 Bộ tạo lực nén 20
Hình 3.3 Lò xo nén 22

15. xi
Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chuyển động 23
Hình 3.5 Bộ điều khiển lực nén 24
Hình 3.6 Bộ điều khiển tốc độ leo 26
Hình 3.7 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống nén 26
Hình 3.8 Đáp ứng G(s) của hệ thống nén 28
Hình 3.9 Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống nén 29
Hình 3.10 Đáp ứng điều khiển của hệ thống nén 29
Hình 3.11 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống leo 32
Hình 3.12 Đáp ứng G(s) của hệ thống leo 33
Hình 3.13 Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống leo 33
Hình 3.14 Đáp ứng điều khiển của hệ thống leo 34
Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí 35
Hình 4.2 Robot leo trụ 35
Hình 4.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển và kết nối 36
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nén 37
Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống leo 38
Hình 4.6 Bo mạch Arduino UNO 41
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý Opto 42
Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý của Rờ le 42
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC 42
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC dùng L298 43
Hình 4.11 Lưu đồ điều khiển Robot 44
Hình 4.12 Robot leo trụ 45
Hình 4.13 Điều khiển nén của robot 45
Hình 4.14 Điều khiển leo của robot 45
Hình 4.15 Robot thực hiện leo trụ 46

16. 1
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO
1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo
Robot di động là loại robot có thể di chuyển để thực hiện các chức năng đề
ra. Thông thường để thực hiện các di chuyển, người ta hay sử dụng các cơ cấu dạng
bánh, dạng xích, dạng chân,... . Robot di động hoạt động trong các phân xưởng,
trong nhà, trong các khu vực che kín,... .Nhìn chung được gọi là robot di động trong
nhà (Indoor Mobile Robot).
Trong những thập niên cuối thế kỉ XIX người ta quan tâm nhiều đến khả
năng leo trèo của các robot, phát sinh từ những yêu cầu làm việc trong các môi
trường độc hại, nguy hiểm hay những nơi khó tiếp cận để bảo vệ sức khỏe của con
người trong các nhiệm vụ mạo hiểm. Robot leo có khả năng thực hiện các nhiệm vụ
trên các cây, cột thẳng đứng, đáp ứng các yêu cầu trong công nghiệp hay quốc
phòng để thi hành các nhiệm vụ nguy hiểm như chặt cây, phun sơn cột, thực hiện
các công việc trên cao …. Như vậy với khả năng của robot leo sẽ không chỉ cho
phép chúng làm việc ở những nơi nguy hiểm với người công nhân mà còn loại bỏ
được những tốn kém do giàn giáo, phương tiện cơ giới.
1.2 Phân loại các loại robot leo trụ
1.2.1 Phân loại theo kết cấu:
Một trong những chức năng của kết cấu cơ robot leo là kết hợp được lực bám
dính để gắn robot vào trụ chắc chắn và di chuyển linh hoạt. Theo nghiên cứu thì
hiện có 3 dạng robot leo
- Robot leo di chuyển dạng rời rạc.
- Robot leo di chuyển dạng liên tục
- Robot leo di chuyển dạng rắn

17. 2
1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo.
1.2.2.1 Robot dạng rời rạc
Robot được thiết kế trên ý tưởng giống như một người lên cột, phần tay
bám vào cột, phần thân sẽ di chuyển chân lên và phần chân bám vào cột và phần
thân đưa tay lên … và cứ liên tục như vậy mà leo lên cột.
Robot thường được thiết kế thành 2 khung cánh tay kẹp (1 trên + 1 dưới)
được liên kết bằng hệ thống thanh trượt. Các tay kẹp được giữ trên cột bằng các hệ
thống động cơ DC hoặc khí nén. Khi robot di chuyển một khung kẹp được điều
khiển để bám giữ robot trên trụ, khung kẹp còn lại sẽ được hệ thống truyền động
khác nâng di chuyển trên trụ. Cứ như thế Robot sẽ được di chuyển trên trụ một cách
rời rạc
Ưu khuyết điểm :
- Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác
nhau trên trụ, leo được trên trụ, trên cây…
- Robot có khả năng vận chuyển được khối lượng lớn.
- Tốc độ chậm và tiêu hao nhiều năng lượng.
- Kết cấu cơ khí và điều khiển phức tạp.
Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering
Advancements 2014

18. 3
1.2.2.2 Robot dạng liên tục
Robot được thiết kế leo liên tục trên trụ bằng các bánh xe. Các bánh xe được
bám vào trụ nhờ kết cấu bao xung quanh trụ và ép các bánh xe vào trụ, bánh xe sẽ
làm 2 nhiệm vụ là vừa giữ robot trên trụ và vừa di chuyển robot trên trụ.
Ưu khuyết điểm :
- Thiết hợp cho các trụ tròn, cây …
- Có thể leo nhanh và có khả năng leo cao.
- Kết cấu cơ khí đơn giản.
- Không thích hợp với các bề mặt cột thường xuyên thay đổi.
- Hạn chế về khối lượng trên robot.
Hình 1.2: Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa
Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2, and Satoshi Ueki )
Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping
principle ( Cengiz Yilmaz)

19. 4
1.2.2.3 Robot dạng rắn
Robot thiết kế với dạng như rắn, nó được kết cấu bằng các khớp nối di
chuyển không có bánh xe có gắn các camera và sensor điện tử, được kiểm soát
bằng một cần điều khiển, nó sẽ uốn éo với sự trợ giúp của các động cơ DC.
Ưu khuyêt điểm:
- Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác
nhau trên cột, leo được trên cột, trên cây, di chuyển qua các cành cây,
linh hoạt trong các môi trường leo thích hợp.
- Tốc độ leo chậm, khó điều khiển được tốc độ.
- Không mang được khối lượng lượng, thường chỉ để thực hiện các công
việc quan sát.
Hình 1.4 Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon
1.3 Đặt vấn đề
Với mục tiêu thiết kế robot leo trụ tròn, trụ côn và với các phân tích các dạng
Robot leo trên, việc chế tạo một robot leo trụ có tính linh hoạt, di chuyển nhanh,
chính xác và tin cậy, không gây tốn nhiều năng lượng, không đòi hỏi sự phức tạp
khi lập trình và thiết kế mạch điều khiển....Tôi chọn phương án leo liên tục để chế
tạo robot leo trụ.
Với lựa chọn thiết kế robot leo liên tục trên trụ, mục tiêu đặt ra là phải điều
khiển được Robot giữ liên tục trên trụ và điều khiển được tốc độ di chuyển ổn định

20. 5
trên trụ. Do đó robot sẽ được thiết kế trên hai hệ thống độc lập, một hệ thống tạo ra
lực nén và được điều khiển để luôn luôn tạo ra 1 lực F đủ lớn để giữ robot đứng yên
trên trụ và một hệ thống các bánh xe chuyển động được điều khiển đồng tốc để đưa
robot di chuyển đều trên trụ.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế robot bằng 2 hệ thống độc lập. Điều khiển lực
nén và điều khiển tốc độ. Cụ thể:
- Thiết kế hệ thống cơ khí robot, tính toán các lực cần thiết để nén và di
chuyển robot.
- Xây dựng các hàm truyền động học cho hệ thống.
- Xây dựng, lập trình thuật toán PID để điều khiển động cơ DC, điều
khiển hệ thống.
- Tìm hiểu cách kết nối, điều khiển của các cảm biến vị trí, encoder, các
động cơ DC …
- Thiết kế lựa chọn mạch vi xử lý, các mạch điều khiển công suất của
động cơ.
- Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mô hình thực để kiểm nghiệm.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Tiếp cận, xây dựng mô hình lý thuyết gồm có.
o Tiếp cận các mô hình cơ khí để lựa chọn thiết kế tối ưu.
o Tiếp cận lý thuyết điều khiển.
o Tiếp cận các lý thuyết mạch vi xử lý, cảm biến vị trí, encoder, động
cơ DC.
- Tiếp cận, xây dựng mô hình thực:
o Thiết kế mô hình cơ khí.
o Phân tích và thiết lập hàm truyền.
o Mô phỏng hàm truyền bằng Matlab.
o Thiết kế mạch điều khiển.
o Chạy mô hình thực để kiểm nghiệm.

21. 6
CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở thuật toán PID:
2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID
Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình
quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại, tín hiệu u(t) càng
lớn.
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còn
tạo tín hiệu điều chỉnh.
- Nếu thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân,
phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:
u(t) = kp ( e(t) + + Td Ti
Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID
R(S) = Kp ( 1 + TDS )
Hình 2.1 Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID

22. 7
2.1.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân
2.1.2.1 Khâu tỉ lệ
Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù
khâu tỉ lệ càng lớn. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định.
Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm
cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá
thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.
Hình 2.2 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID
2.1.2.2 Khâu tích phân
Hình 2.3 Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID

23. 8
Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả
biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian
(tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau
đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.
Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định
bởi độ lợi tích phân. Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi
lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng
quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái
ổn định.
2.1.2.3 Khâu vi phân.
Hình 2.4 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc
tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển
vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích
phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân
của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu

24. 9
trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi
phân đủ lớn
Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập
Thông
số
Thời gian
khởi động (
Rise time)
Quá độ (
Oversho
ot)
Thời gian
xác lập (
Setling
time)
sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng
Thay đổi
nhỏ
Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm
Về lý thuyết
không tác động
Cải thiện
nếu Kd nhỏ
2.2 Vi điều khiển ATmega32
2.2.1 Giới thiệu ATmega32
ATmega32 là vi điều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiết kiệm năng lượng, được
chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer), đây là
cấu trúc có tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với cấu trúc CISC (Complex Instruction
Set Computer). Tần số hoạt động của vi điều khiển AVR bằng với tần số của thạch
anh, trong khi với họ vi điều khiển theo cấu trúc CISC như họ 8051 thì tần số hoạt
động bằng tần số thạch anh chia cho 12. Hầu hết các lệnh được thực thi trong một
chu kỳ xung nhịp, do đó ATmega32 có thể đạt được tốc độ xử lý đến một triệu lệnh
mỗi giây (với tần số 1MHz). Đặc điểm này cho phép người thiết kế có thể tiết kiệm
tối đa mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.

25. 10
2.2.2 Các đặc tính của ATmega32:
- Hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng.
- Kiến trúc RISC:
o 131 lệnh – hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ máy.
o 32 thanh ghi 8 bit đa năng.
o Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây (tần số 16MHz).
- Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu:
o 32Kbyte bộ nhớ Flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống.
- Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi xóa.
o Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa độc lập.
o Lập trình trong hệ thống bởi chương trình on-chip boot.
o Thao tác đọc ghi trong khi nghỉ.
o 1024 Byte EEPROM.
- Ghép nối ngoại vi:
o 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số độc lập và chế độ so
sánh.
o 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, chế độ so sánh và
chế độ bắt mẫu (Capture).
o Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động độc lập.
o Bốn kênh PWM.
o Bộ ADC 8 kênh 10 bit.
o Bộ truyền dữ liệu đồng bộ/bất đồng bộ USART.
o Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI.
o Watchdog timer khả trình với bộ dao động nội riêng biệt.
o Bộ so sánh Analog.
- Các đặc điểm khác:
o Power-on Reset và phát hiện Brown-out khả trình.
o Bộ tạo dao động nội.
o Nguồn ngắt nội và ngoại.

26. 11
o 6 chế độ ngủ: Idle, ADC noise reduction, Power-save, Power-down,
Standby và Extended Standby.
- Ngõ vào/ra: có 32 ngõ vào ra.
- Điện áp hoạt động:
o 2.7V – 5.5V đối với ATmega32L.
o 4.5V – 5.5V đối với ATmega32.
- Tần số hoạt động:
o 0 – 8MHz đối với ATmega32L.
o 0 – 16MHz đối với ATmega32.
2.2.3 Sơ đồ chân của ATmega32
Hình 2.6 Sơ đồ chân của ATmega32
- GND: chân nối mass.
- VCC: điện áp nguồn.
- Port A (PA0…PA7): ngõ vào/ra Port A.
- Port B (PB0…PB7): ngõ vào/ra Port B.
- Port C (PC0…PC7): ngõ vào/ra Port C.
- Port D (PD0…PD7): ngõ vào/ra Port D.

27. 12
- Reset: Chân ngõ vào. Khi đặt vào chân này điện áp mức thấp trong thời
gian xác định (xem trong datasheet) thì sẽ reset chương trình. Nếu thời
gian ngắn hơn thì việc reset không thành công.
- XTAL1: ngõ vào khuếch đại dao động đảo và cũng là ngõ vào mạch tạo
xung nội.
- XTAL2: ngõ ra của mạch khuếch đại dao động đảo.
- AVCC: là chân nguồn cấp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D. Nên nối
chân này với chân VCC ngay cả khi không sử dụng ADC. Nếu dùng
ADC thì nên nối chân này với chân VCC qua 1 tụ lọc thông thấp.
- AREF: chân tham chiếu điện áp analog của bộ chuyển đổi A/D.
2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit).
Mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối
tượng.
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.
Trong hình 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động
cơ DC cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho
phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành phần
chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L:
Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt
động.

28. 13
Thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để
làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần
điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người
thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le
(relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field-Effect Transistor).
2.4 Encoder :
2.4.1 Cấu tạo chính của Encoder:
Encoder mục đích dùng để xác định vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ
và chiều quay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ
thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Dựa trên nguyên tắc cảm biến ánh sáng với
một đĩa có khắc vạch sáng tối quay giữa nguồn sáng và phototransistor (đối với
encoder quang) hoặc là hiện tượng cảm ứng điện từ (đối với encoder từ). Ở đây ta
chỉ đề cập tới encoder quang. Encoder được chia làm 2 loại, là encoder tuyệt đối và
encoder gia tăng.
Hình 2.8 Một số loại encoder trên thị trường
Ở đây ta chỉ nghiên cứu về loại gia tăng. Gồm 1 bộ phát ánh sáng (thường là
LED), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát ( thường là photodiotde
hoặc phototransistor), 1 đĩa quang được khoét lỗ gắn trên trục quay đặt giữa bộ phát
và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo
tốc độ hay vị trí.

29. đĩ
Một e
- D
- D
- D
l
- D
l
A
x
l
Ngoà
ĩa encoder
encoder thư
Dây cấp ng
Dây nối đấ
Dây pha A
lên đến vài
Dây pha B
lên đến vài
A 90o
. Thư
xác định ch
lùi.
ài ra một số
quay 1 vòn
Hình
ường có cá
guồn (+5V
ất (GND).
A – tín hiệu
i nghìn xun
– tín hiệu
i nghìn xun
ường tuỳ th
hiều quay c
Hình 2.10
ố encoder c
ng.
A
B
Z
14
h 2.9 Cấu t
ác dây sau:
V) cho enco
ra theo độ
ng tuỳ theo
ra theo độ
ng tuỳ theo
heo trạng th
của đối tượ
0 Dạng són
còn có dây
3
4
tạo thực tế
:
oder.
ộ phân giải
o độ phân g
ộ phân giải
o độ phân g
hái pha nh
ợng, để từ đ
ng ngõ ra c
y pha z, ta t
3600
của encod
(1 vòng/N
giải)).
(1 vòng/N
giải)), pha
hanh hay ch
đấy bộ đếm
của LED th
thu được m
der
N xung (N t
N xung (N t
B chậm ph
hậm của 2
m đếm tiến
hu.
một xung từ
từ vài chục
từ vài chục
ha hơn pha
pha này ta
n hoặc đếm
ừ pha z khi
c
c
a
a
m
i

30. (r
lỗ
xu
tín
ch
đo
bạ
củ
bạ
th
nh
2.4.2 Ng
Enco
rãnh). Ngườ
ỗ (rãnh), đè
uyên qua. K
n hiệu có,
hiếu qua lỗ
o đếm lên
ạn có 1 lỗ
ủa bạn kho
ạn đếm số
hời gian (h
hiều càng c
H
guyên lý cơ
oder thực c
ời ta dùng
èn led khô
Khi đó, ph
hoặc khôn
ỗ hay không
1. Số lỗ trê
tức là khi
oét N lỗ có
xung trong
oặc bạn có
chính xác
Hình 2.11 C
ơ bản:
hất là một
một đèn le
ông chiếu x
hía mặt bên
ng có ánh s
g. Cứ mỗi
ên đĩa sẽ qu
bạn quay đ
ó nghĩa 1 v
g 1 đơn vị
ó thể đo ch
Hình 2
15
Cấu tạo đĩa
t đĩa tròn x
ed để chiếu
xuyên qua
n kia của đĩ
sáng chiếu
lần đi qua
uyết định đ
được 1 vòn
vòng bạn t
thời gian, t
hu kì xung)
2.12 Quá
5
a quay tron
xoay, quay
u lên mặt đ
được, chỗ
ĩa, người t
u qua, ngườ
một lỗ, ch
độ chính xá
ng thì bộ th
thu được N
từ đó bạn t
). Nếu đo t
trình đọc E
ng encoder
quanh trụ
đĩa. Khi đĩa
ỗ có lỗ (rãn
ta đặt một c
ời ta ghi n
húng ta phả
ác của thiết
hu sẽ thu đ
N xung. Nh
tính được s
tốc độ cao
Encoder.
c. Trên đĩa
a quay, chỗ
nh), đèn le
con mắt th
hận được đ
ải lập trình
t bị đo. Ví
được 1 xun
hư vậy khi
số vòng trê
thì số lỗ k
a có các lỗ
ỗ không có
ed sẽ chiếu
hu. Với các
đèn led có
để thiết bị
dụ đĩa của
ng, nếu đĩa
đo tốc độ
ên 1 đơn vị
khoét càng
ỗ
ó
u
c
ó
ị
a
a
ộ
ị
g

31. 16
2.5 Động cơ DC
2.5.1 Giới Thiệu
Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ
điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công
nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi
nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động
cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM.
Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt
động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện
một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu
thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân
dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống .
Hình 2.13 Một số loại động cơ trên thực tế.
2.5.2 Cấu tạo:
Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:
 Phần ứng hay Rotor (Armature).
 Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet).
 Cổ góp (Commutat).
 Chổi than (Brushes).
 Trục motor (Axle).

32. 17
 Bộ phận cung cấp dòng điện DC.
Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây
quấn kích thích). Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tốc độ quay. Đối với động
cơ công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Hình 2.14 Cấu tạo động cơ điện một chiều.
Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh
để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần
ứng qua hệ thống chổi than – vành góp.
Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi
chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ
(một nửa có cực từ âm, một nửa có cực từ dương).
Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:
E = K Φ. W (1)
V = E + Ru.Iu (2)
M = K Φ Iu (3)
Với:
 E: sức điện động cảm ứng (V).
 Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb).
 Iu: dòng điện phần ứng (A).
 V : Điện áp phần ứng (V).

33. 18
 Ru: Điện trở phần ứng (Ohm).
 W : tốc độ động cơ (rad/s).
 M : moment động cơ (Nm).
 K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ.
2.5.3 Nguyên lý hoạt động:
Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, cạnh
phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện
lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming.
Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho
rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng
điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song
song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn
dây lệch 90o
so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.
Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành momen điện
từ. Do đó phần ứng sẽ được quay quanh trục.
Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC.
2.5.4 Điều khiển tốc độ động cơ DC:
Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp
đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Có nhiều phương pháp để thay đổi
tốc độ động cơ DC, ở đây ta sử dụng phương pháp điều khiển thông dụng nhất là

34. 19
kiểu điều biến độ rộng xung (PWM), có nghĩa là ta cấp áp cho động cơ dưới dạng
xung với tần số không đổi mà chỉ thay đổi Ton và Toff.
Từ (1),(2). (3) suy ra:
W = V/(K.Φ) – Ru.Iu/(K.Φ) (4)
Theo (4) : khi Iu không đổi (tức Moment không đổi) và Φ không đổi thì W
thay đổi "tuyến tính" theo V (thực tế thì không hoàn toàn tuyến tính theo đường
thẳng được).
Hình 2.16: Điều khiển động cơ bằng PWM.
Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp
trung bình (VAV). Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch
nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với
điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình
là 25V. VAV thay đổi từ VL đến VH tùy theo các độ rộng Ton và Toff
Như vậy, tốc độ động cơ sẽ thay đổi "tuyến tính" theo % độ rộng xung.

35. 20
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
3.1 Yêu cầu và chức năng robot
Robot thực hiện chức năng di chuyển thẳng đứng trên trụ tròn, trụ côn. Phải
tạo ra lực để giữ robot ổn định trên trụ và một hệ thống truyền động để robot di
chuyển trên trụ. Do đó robot phải có hệ thống với chức năng riêng biệt và có tính
độc lập. Một hệ thống tạo ra lực nén F với chức năng giữ Robot thăng bằng trên trụ
và một hệ thống truyền động để di chuyển robot trên trụ.
Mục tiêu của thiết kế là di chuyển ổn định trên trụ tròn côn, cơ cấu cơ khí
đơn giản, nhẹ, các bánh xe dẫn động có ma sát tốt và tiêu hao ít năng lượng.
3.2 Phân tích thiết kê robot
3.2.1Tính toán lực
Khung robot được thiết kế bằng hình lục giác, ba hệ thống có chức năng tạo
lực nén và chuyển động trên trụ được đặt cố định chắc chắn trên khung và được bố
trí đều lệch nhau 1 góc 1200
. Khi nén và leo trụ Robot sẽ tạo một mặt phẳng vuông
góc với trụ leo.
Hình 3.1 Phân bố lực của Robot

36. 21
Để Robot được giữ thăng bằng trên trụ
∑ F = 0
-(N1+N2+ N3) + F1 + F2 + F3 = 0
( F1 = F2 = F3  N1 =N2 =N3 )
Chiếu lên mặt phẳng (x y)
- N1 + N2.cos∝ + N3.cos∝ = 0
↔ N1 = ( N2 + N3) cos ∝
Xét theo chiều z
∑ Fz = ma
↔ ma = - P + Fms1 + Fms2 + Fms3
( Do robot đi lên với vận tốc đầu nên a =0)
↔ P = Fms1 + Fms2 + Fms3
Phân tán lực trên mỗi bánh xe bằng nhau, do đó
Fms1 =
↔ N1.K
↔ N1
Khối lượng robot m = 15kg, chọn hệ số ma sát tỉnh K = 0.4
N1
∗ .
= 125 N
↔ N1 = N2 = N3 125 N
↔ F1 = F2 = F3 125 N
Chọn hệ số an toàn K=1.5,
Lực nén cần tạo ra cho mỗi bộ nén Fn 188 N

37. 22
3.2.2Thiết kế bộ tạo lực nén
Hình 3.2 : Bộ tạo lực nén
Thành phần chính của bộ nén gồm : khung trượt, vít me đai ốc và lò xò nén.
Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành
chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh
tiến dọc theo trục của vít-me.
Tính toán vít me có khả năng ép lực Fn= 188 N
Vật liệu bằng thép không tôi, đai ốc bằng gang chống ma sát nên áp suất cho
phép chọn P = 5Mpa
Ren hình răng cưa, do đó hệ số h = 0.5
Chọn đai ốc nguyên nên H = 1.2
Xác định đường kính vít
D2 =
.ѱ .ѱ
=
, . , . . ,
= 4,5 mm
Chọn đường kính trung bình d2 = 10mm, đường kính ngoài d = 9mm, đường kính
trong d1= 7.5mm , bước ren ps = 2mm
Góc nâng ren = acrtg (
.
) = arctg(
. .
) = arctg(0.063) = 40
Bước ren phụ hợp với điều kiện tự hãm < p’
. Đối với vít được bôi trươn f´= 0.1
p = acrtgf = arctg (0.1) = 5.70
Moment xoắn trục vít
T = Fn. . tg p = 188.5.tg(9.7) = 160 N.mm
Công suất động cơ yêu cầu :
Pdc = T. = T.
.
= 160
.
.
=
∗ ∗ . ∗
∗
= 2.5W

38. 23
(v = 5mm/s)
Chọn động cơ P = 10W, có tốc độ 3000 vòng/ phút
Số vòng quay vít :
n =
.
=
.
= 150 vòng/ phút
Tỉ số truyền :
u = = = 0.05
Các tham số kỹ thuật của lò xo nén
Hình 3.3 Lò xo nén
 d (đường kính dây) : tham số này cho biết đường kính của dây kim loại
được dùng để làm lò xo
 S(trục) tham số này tương ứng với đường kính tối đa của trục có thể được
đưa vào trong lò xo. Dung sai của tham số này là +/- 2% (chỉ định)
 Di (Đường kính trong) : đường kính trong của một lò xo được tính bằng
cách lấy đường kính ngoài của nó trừ đi hai lần đường kính dây. Dung sai
khoảng +/-2% (chỉ định)
 De (Đường kính ngoài) : đường kính ngoài của một lò xo bằng đường kính
trong cộng với hai lần đường kính dây. Dung sai khoảng +/- 2%
 H (khoảng không) : đây là đường kính tối thiểu của khoảng không gian
trong đó lò xo có thể hoạt động được. Dung sai đối với tham số này là +/-
2 % (chỉ định).
 P (bước) : khoảng cách trung bình giữa hai vòng xoắn hoạt động liên tiếp
của một lò xo.

39. 24
 Lc (chiều dài khi bị nén tối đa) : chiều dài tối đa của lò xo sau khi bị nén
hoàn toàn. Tham số này nằm ở bên phải trên hiình vẽ. Dung sai của tham số
này là +/- 15 % (chỉ định).
 Ln (chiều dài cho phép) : chiều dài tối đa cho phép sau khi xoắn ở mức tối
đa. Nếu độ xoắn quá lớn, lò xo có nguy cơ bị biến dạng (biến dạng không thể
phục hồi do lực tác động). Trong đa số các trường hợp, lò xo không có nguy
cơ bị biến dạng. Ln = Lc + Sa với Sa là tổng khoảng cách nhỏ nhất trong giới
hạn đàn hồi giữa cách vòng xoắn tích cực.
 L0 (Chiều dài tự nhiên) : chiều dài tự nhiên của lò xo là chiều dài khi lò xo
ở trạng thái không bị nén, sau lần nén đầu tiên (nếu cần thiết). Dung sai
khoảng +/- 2% (chỉ định)
 Số vòng xoắn : tổng số vòng xoắn của lò xo (lò xo trong hình trên có 6 vòng
xoắn). Để tính số vòng xoắn hoạt động, ta lấy tổng số vòng xoắn trừ đi hai
vòng xoắn ở hai đầu mút của lò xo
 R (Độ cứng) : thông số này quyết định khả năng chịu nén của lò xo. Đơn vị
tính : 1 DaN/mm = 10 N/mm. Dung sai khoảng +/- 15% (chỉ định)
 L1 & F1 (chiều dài ứng với lực F) : lực F1 ứng với chiều dài L1 có thể tính
từ công thức sau : F1 = (L0-L1) * R, từ đó suy ra chiều dài L1 : L1 = L0 -
F1/R
3.2.3 Tính toán hệ thống chuyển động robot
Hình 3.4 Phân tích lực bánh xe chuyển động

40. 25
Ta có:
N = 188 N
Fms= K.N= 0,4.188 = 75N
Fdc= Fms + P/3 = 75 + 50 = 125 N
Chọn vận tốc tối đa robot v = 0.1m/s
Công suất động cơ
P =
.
= 125*0.1/0.85 = 14,7W
Chọn công suất động cơ P= 24W
Tốc độ động cơ
ndc = 2300 vòng/phút
Đường kính bánh xe :
R= 40mm
Vận tốc góc của bánh xe
Wb = V/R = 0.1/0.02 = 5
Số vòng quay của bánh xe
nbx = 60.wb/2 = 48 vòng/phút
Tỉ số truyền :
u = = = 0.02
3.3 Điều khiển robot
3.3.1Lựa chọn phương pháp điều khiển
Hệ thống bám và leo của robot được sử dụng phương pháp điều khiển PID.
Robot bao gồm 6 bộ điều khiển PID (3 bộ điều khiển lực nén để giữ robot và 3 bộ
điều khiển tốc độ di chuyển robot).
- Bộ PID điều khiển lực nén :
Bộ điều khiển PID sẽ điều khiển lực nén, duy trì một lực F ổn định để giữ
Robot trên trụ. Lực nén F được tạo ra từ hệ thống vít me và đai ốc và đươc xác định
bằng lò xo nén. Vì vậy để điều khiển được lực F ta sẽ điều khiển vị trí của đai ốc
thông số thông số biến dạng x của lò xo nén( F = -K*x)

41. 26
Hình 3.5 : Bộ điều khiển lực nén
- Bộ PID điều khiển tốc độ di chuyển robot :
Bộ điều khiển PID với nhiệm vụ tốc độ leo của robot, với mục đích làm đồng
tốc 3 động cơ leo, ổn định tốc độ leo
Hình 3.6 : Bộ điều khiển tốc độ leo
3.3.2Xác định bộ điều khiển hệ thống lực nén
3.3.2.1 Xác định hàm truyền
Ta có: x = .
x = . m = a. m (1)
(x : độ di dời trên vitme; l :bước răng của trục vít; : góc quay trục vít, a = )
Moment của động cơ
M = j
(2)
Từ (1), (2)  M =
(3)
Moment điện từ

42. 27
M(t) = Kt.i (4)
Từ (3),(4)  i =
.
(5)
Phương trình cân bằng áp
U = L + Ri + Ke (6)
Từ (5), (6)  U =
.
+
.
+ (7)
Biến đổi Laplace (7)
U(S) = (
.
S3
+
.
S2
+ S ) X(S) (8)
=
.
=
.
=
=
( L<<
)
 G(s) = =
τ τ

43. 28
Bảng 2 : Thông số động cơ DC cho bộ nén
STT Thông số Giá trị
1 Rated Speed (No) 1) 3000min-1
2 Rated Output Power 10W
3 Torque Constant (KT) 3.4×10-2
N･m/A (0.35kgf･cm/A)
4 Voltage Constant (KE) 3.6×10-3
V/ (min-1
)
5 Armature Resistance (Ra) 5.7Ω
6 Armature Inductance (La) 3.2mH
7 Mechanical Time Constant (τ m) 9.0m sec
8 Electrical Time Constant(τ e) 0.56m sec
9 Moment of Inertia (JM) 0.011×10-4
kg·m2
(0.011gf·cm·s2
)
10 Mass 0.3kg
Thay các thông số của động cơ DC theo bảng 2 vào hàm truyền G(s)
G(s) = =
τ τ
Kết quả tính toán, ta được hàm truyền đạt
G(s) =
.
. .
3.3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển
- Thiết kế bộ PID dùng Matlab & Simulink :
Hình 3.7 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống nén

44. 29
- Thiết kế bộ điều khiển PID sử dụng công cụ mô phỏng số Matlab đã tích hợp
sẵn công cụ thiết kế bộ điều khiển
- Đặc tuyến của hệ khi chưa có bộ điều khiển
Hình 3.8 Đáp ứng G(s) của hệ thống nén
- Thiết kế bộ PID với
o Kp = 259, Ki = 0.85, Kd = 0.003
o Thời gian đáp ứng của hệ là : 0.02 s
Hình 3.9 Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống nén

45. 30
- Đặc tuyến của tín hiệu điều khiển
Hình 3.10 Đáp ứng điều khiển của hệ thống nén
3.3.3 Xác định bộ điều khiển hệ thống di chuyển
3.3.3.1 Xác định hàm truyền
Moment của động cơ
M(t) = j (1)
Moment điện từ
M(t) = Kt.i (2)
Từ (1), (2)
Kt.i = j
i = (3)
Phương trình cân bằng áp

46. 31
U = L + Ri + Ke (4)
Từ (3), (4)
U=
+ + Ke (5)
Biến đổi Laplace (5)
U(S) = S2
W(S) + S W(S) Ke W(S) (6)
= .
=
( L<<
)
 G(s) = =
τ τ
Hàm truyền đạt tại trục bánh xe
G(s) = =
.
τ τ
Bảng 3 : Thông số của động cơ DC cho hệ thống di chuyển
STT Thông số Giá trị
1 Rated Speed (No) 2300min-1
2 Rated Output Power 24W
3 Torque Constant (KT) 7.8×10-2
N･m/A
4 Voltage Constant (KE) 8.2×10-3
V/ (min-1
)
5 Armature Resistance (Ra) 5.3Ω
6 Armature Inductance (La) 3.0mH
7 Mechanical Time Constant (τ m) 8.5m sec
8 Electrical Time Constant(τ e) 0.57m sec
9 Moment of Inertia (JM) 0.1×10-4
kg·m2

47. 32
Thay các thông số của động cơ DC theo bảng 3 vào hàm truyền G(s)
G(s) = =
.
τ τ
Tính toán ta được hàm truyền đạt
G(s) = =
. .
3.3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển
- Thiết kế bộ PID dùng Matlab & Simulink :
Hình 3.11 Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống leo
- Thiết kế bộ điều khiển PID sử dụng công cụ mô phỏng số Matlab đã tích
hợp sẵn công cụ thiết kế bộ điều khiển
- Đặc tuyến của hệ khi chưa có bộ điều khiển

48. 33
Hình 3.12 Đáp ứng G(s) của hệ thống leo
- Thiết kế bộ PID với
o Kp = 0.47, Ki = 50.4, Kd = 0.000016
o Thời gian đáp ứng của hệ là : 0.0017 s
Hình 3.13 Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống leo

49. 34
- Đặc tuyến của tín hiệu điều khiển
Hình 3.14 Đáp ứng tín hiệu điều khiển của hệ thống leo

50. 35
CHƯƠNG 4:
CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
4.1 Chế tạo cơ khí
4.1.1 Bảng vẽ thiết kế
Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí
4.1.2 Hình ảnh sau khi chế tạo
Hình 4.2: Robot leo trụ

51. 36
4.2 Thiết kế mạch điện
4.2.1 Yêu cầu
Xuất phát từ nhiệm vụ mục đích của đề tài là thử nghiệm mẫu robot leo trụ, từ
yêu cầu của robot leo là robot phải bám được và di chuyển thao tác trên trụ thẳng
đứng. Hoạt động ở trên cao nơi con người không với tới nên trong yêu cầu điều
khiển cần đảm bảo robot điều khiển từ hệ thống điều khiển từ xa
Từ những yêu cầu đó mà chức năng của bộ điều khiển đối với các module
trong bộ điều khiển cần chính xác, nhịp nhàng ăn khớp nhau một cách đồng bộ, có
như vậy mới đảm bảo robot hoạt động một cách an toàn tin cậy và hoạt động đúng ý
người điều khiển .
Sơ đồ khối của điều khiển được thiết kế như sau :
Hình 4.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển và kết nối
- Khối RF : khối này có chức năng giao tiếp giữa robot và người điều khiển
thông qua một thiết bị truyền phát tín hiệu mà bộ phát đó có thể là máy tính hoặc
tay cầm. Nó có chức năng mã hóa, giải mã quá trình truyền nhận dữ liệu giữa robot
và thiết bị truyền phát.
- Khối vi điều khiển (MCU) : Khối này có chức năng thu nhận tín hiệu từ bộ
truyền phát để đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình dịch chuyển của robot, đồng thời
thu nhận và xử lý các tín hiệu từ sensor đưa về .

52. 37
- Khối công suất có chức năng khuếch đại tín hiệu điều khiển nhỏ thành tín
hiệu đủ lớn để cấp cho cơ cấu chấp hành và ổn định chế độ làm việc cho mạch điều
khiển .Cơ cấu chấp hành cơ cấu chấp hành trên robot là 2 động cơ 1 chiều có chức
năng biến đổi tín hiệu điều khiển từ điện áp khối công suất thành chuyển động quay
của động cơ. Động cơ được điều chỉnh tốc độ bằng băm xung PWM và đảo chiều
thông qua mạch cầu H sử dụng FET.
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn linh kiện.
Từ nhiệm vụ, chức năng của robot và để tiện cho kiểm tra sửa chữa, linh hoạt
trong thay đổi thì mạch điều khiển của robot được thiết kế chia ra làm 2 phần :
+ mạch vi điều khiển.
+ mạch công suất.
4.2.2.1 Bo mạch vi điều khiển :
- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống bám trụ
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nén

53. 38
- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống leo
Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống leo
4.2.2.2 Board mạch Arduino
Hình 4.6 Bo mạch Arduino UNO

54. 39
Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai
chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560. Các dòng vi xử lý này cho
phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh
với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có
nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các
chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
Xung nhịp: 16MHz
EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560)
SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)
Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)
Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:
Digital:
Các bo mạch Arduino đều có các cổng digital có thể cấu hình làm ngõ vào
hoặc ngõ ra bằng phần mềm. Do đó người dùng có thể linh hoạt quyết định số
lượng ngõ vào và ngõ ra. Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng
Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54.
Analog:
Các bo mạch Arduino đều có trang bị các ngõ vào analog với độ phân giải
10-bit (1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn là 5V thì độ phân giải khoảng
0.5mV). Số lượng cổng vào analog là 6 đối với Atmega328, và 16 đối với
Atmega2560. Với tính năng đọc analog, người dùng có thể đọc nhiều loại cảm biến
như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro, accelerometer…
Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:
Digital output:
Tương tự như các cổng vào digital, người dùng có thể cấu hình trên phần
mềm để quyết định dùng ngõ digital nào là ngõ ra. Tổng số lượng cổng digital trên
các mạch dùng Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54.
PWM output:
Trong số các cổng digital, người dùng có thể chọn một số cổng dùng để xuất

55. 40
tín hiệu điều chế xung PWM. Độ phân giải của các tín hiệu PWM này là 8-bit. Số
lượng cổng PWM đối với các bo dùng Atmega328 là 6, và đối với các bo dùng
Atmega2560 là 14. PWM có nhiều ứng dụng trong viễn thông, xử lý âm thanh hoặc
điều khiển động cơ mà phổ biến nhất là động cơ servos trong các máy bay mô hình.
Chuẩn Giao tiếp
Serial: Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp được dùng rất phổ biến trên các bo
mạch Arduino. Mỗi bo có trang bị một số cổng Serial cứng (việc giao tiếp do phần
cứng trong chip thực hiện). Bên cạnh đó, tất cả các cổng digital còn lại đều có thể
thực hiện giao tiếp nối tiếp bằng phần mềm (có thư viện chuẩn, người dùng không
cần phải viết code). Mức tín hiệu của các cổng này là TTL 5V. Lưu ý cổng nối tiếp
RS-232 trên các thiết bị hoặc PC có mức tín hiệu là UART 12V. Để giao tiếp được
giữa hai mức tín hiệu, cần phải có bộ chuyển mức, ví dụ như chip MAX232. Số
lượng cổng Serial cứng của Atmega328 là 1 và của Atmega2560 là 4. Với tính năng
giao tiếp nối tiếp, các bo Arduino có thể giao tiếp được với rất nhiều thiết bị như
PC, touchscreen, các game console…
USB: Các bo Arduino tiêu chuẩn đều có trang bị một cổng USB để thực hiện
kết nối với máy tính dùng cho việc tải chương trình. Tuy nhiên các chip AVR
không có cổng USB, do đó các bo Ardunino phải trang bị thêm phần chuyển đổi từ
USB thành tín hiệu UART. Do đó máy tính nhận diện cổng USB này là cổng COM
chứ không phải là cổng USB tiêu chuẩn.
SPI: Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ có bus gồm có 4 dây. Với
tính năng này các bo Arduino có thể kết nối với các thiết bị như LCD, bộ điều khiển
video game, bộ điều khiển cảm biến các loại, đọc thẻ nhớ SD và MMC…
TWI (I2C): Đây là một chuẩn giao tiếp đồng bộ khác nhưng bus chỉ có hai
dây. Với tính năng này, các bo Arduino có thể giao tiếp với một số loại cảm biến
như thermostat của CPU, tốc độ quạt, một số màn hình OLED/LCD, đọc real-time
clock, chỉnh âm lượng cho một số loại loa…
Môi trường lập trình bo mạch Arduino

56. 41
Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại
nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần
mềm. Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu
và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật. Và quan trọng là
số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẻ bởi cộng đồng nguồn mở là cực kỳ
lớn
4.2.2.3 Khối công suất :
4.2.2.3.1 Optocoupler-NPN
OpTo hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1
Led và 1 photo Diode hay một Phôto Transitor . Được sử đụng để cách ly giữa các
khối chênh lệch nhau về điện hay công suất nh− khối công suất nhỏ (dòng nhỏ, điện
áp 5V ) với khối điện áp lớn cỡ hàng ampe hoặc vài chục ampe.
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý Opto
Nguyên lý hoạt động: Khi có dòng nhỏ đi qua hai đầu của Led có trong opto
làm cho Led phát sáng . Khi led phát sáng thì làm thông 2 cực của Photo Transitor
hay Photo Điode mở cho dòng điện chạy qua.

57. 42
4.2.2.2 Rờ le
Role là một thiết bị bảo vệ hệ thống hoặt động trên nguyên lý đóng cắt. Nó
có vai trò như là một khoá.
Kí hiệu và cấu tạo:
Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý của Rờ le
Nguyên tắc hoạt động : là biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua cuộn
dây , Từ trường lại tạo thành lực cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động
tắc về cơ khí nh− đóng mở các hành trình của các thiết bị tự động.
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC

58. đi
hợ
12
IN
độ
ở
lo
4.2.2.3 I
IC L2
iện áp làm
ợp trong nh
Chức
- 4 ch
2 của L298
- 4 ch
NPUT) đượ
ộng cơ.
- Hai c
mức logic
ogic “0” thì
- Khi E
- Khi EN
ØI
ØI
ØI
C L298
298 là một
tăng công
hững ứng d
c năng các
hân INPUT
8. Đây là cá
hân OUTPU
ợc nối với
chân ENA
“1” (nối v
ì mạch cầu
ENA = 0: Đ
NA = 1:
INT1 = 1;
INT1 = 0;
INT1 = IN
Hình 4.1
t IC tích hợ
suất đầu ra
dụng công
chân của L
T: IN1, IN2
ác chân nh
UT: OUT1
các chân 2
và ENB du
với nguồn 5
u H không h
Động cơ kh
INT2 = 0:
INT2 = 1:
NT2: động c
10 Sơ đồ n
43
ợp nguyên k
a từ 5V – 4
suất nhỏ n
L298:
2, IN3, IN4
hận tín hiệu
, OUT2, O
2, 3, 13, 14
ung để điều
5V) thì cho
hoạt động.
hông quay v
động cơ q
động cơ q
cơ dừng ng
guyên lý đ
3
khối gồm 2
47V , dòng
như động cơ
4 được nối
u điều khiển
OUT3, OUT
của L298.
u khiển các
o phép mạc
với mọi đầ
quay thuân.
quay nghịch
gay tức thì.
điều khiển đ
2 mạch cầu
g lên đến 4A
ơ DC loại v
lần lượt vớ
n.
T4 (tương ứ
Các chân
c mạch cầu
ch cầu H ho
ầu vào .
h.
.
động cơ DC
u H bên tro
A, L298 rấ
vừa.
ới các chân
ứng với cá
này sẽ đượ
u H trong L
oạt động, n
C dùng L2
ong. Với
ất thích
n 5, 7, 10,
c chân
ợc nối với
L298. Nếu
nếu ở mức
298

59. 44
4.2.3 Lưu đồ điều khiển robot
Hình 4.11 Lưu đồ điều khiển Robot

60. 45
4.2.4 Robot sau khi chế tạo
Hình 4.12 Robot leo trụ
Hình 4.13 Điều khiển nén của robot
Hình 4.14 Điều khiển leo của robot

61. 46
4.2.5 Kết quả thực nghiệm
Hình 4.15 Robot thực hiện leo trụ
Đánh giá kết quả thực nghiệm
- Robot leo được trên trụ tròn côn.
- Bộ điều khiển PID của hệ thống nén, điều khiển khoảng cách x của lò
xo đạt kết quả ổn định, bám theo giá trị đặt. Vì vậy robot được giữ ổn
định trên trụ trong qua trình leo.
- Bộ điều khiển PID tốc độ leo của 3 động cơ leo chưa ổn định, ảnh
hưởng đến sự đồng tốc của 3 động cơ ( đặt biệt khi Robot di chuyển đi
xuống)

62. 47
TỔNG KẾT
5.1 Kết quả đạt được
 Tính toán lực của Robot ở dạng tổng quát
 Tính toán công suất các động cơ
 Mô phỏng hệ thống nén, leo của Robot
 Thiết kế cơ khí và thi công chế tạo Robot
 Thiết kế mạch điện điều khiển Robot
 Thiết lập được cơ sở lý thuyết và lưu đồ giải thuật điều khiển Robot
 Kết quả thực nghiệm, Robot leo được trên trụ tròn côn
5.2 Kết quả chưa đạt được
 Chế tạo thủ công chưa có độ chính xác, làm ảnh hưởng đến điều khiển Robot
 Mô phỏng Matlab chưa thể hiện được hết trực quan của Robot
 Chưa tìm được vật liệu có ma sát thích hợp cho Robot
5.3 Hướng phát triển
 Phát triển hơn nữa phần phân tích động lực học để khắc phục được những
phần còn sai, chưa hợp lý, vì đó chính là cơ sở lý thuyết để khảo sát các vấn
đề liên quan đến điều khiển robot leo trong tương lai.
 Song song với việc phát triển các kết quả mô phỏng là việc lấy dữ liệu từ mô
hình thực nghiệm so sánh. Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm áp dụng từ
các cơ sở lý thuyết càng giống nhau càng cho thấy tính đúng đắn của các cơ
sở lý thuyết đó.
 Điều khiển được robot đi được theo trụ có đường kính thay đổi đột ngột, trụ
cong.

63. 48
TÀI LIỆU KHAM KHẢO
1. TREEBOT: AN AUTONOMOUS TREE CLIMBING ROBOT UTILIZING
FOUR BAR LINKAGE SYSTEM, B.C.Widanagamage1, T.N.Gallege1,
S.Salgado1, J.Wijayakulasooriya2
2. Novel Climbing Method of Pruning Robot, Haruhisa Kawasaki1, Suguru
Murakami2
3. Design and Fabrication of Coconut Harvesting Robot, Mani A, Jot hilingam
4. Giáo trình Truyền động điện,NXBKHKT , Bùi Quốc Khánh (2002)
5. Giáo trình Cơ sở điều khiển tự động, TS. Đặng Hoài Bắc
6. System Dynamics, William J palm III
7. Sensor technology handbook edited by JON WILSON
8. ứng dụng MATLAB trong điều khiển TS Võ Tường quân
9. http://www.thietkemay.com/
10. http://www.tamagawa-seiki.com/english/servo/tredc
11. https://www.arduino.cc/