BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN TAY ROBOT
HAI NGÓN TAY

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. BÙI THANH LUÂN

Sinh viên thực hiện:

MSSV:

Lớp:

Dương Tú Mi

1711030089

17DCTA2

Huỳnh Đặng Hồng Ngơi

1711250907

17DCTA2

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 9 năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN TAY ROBOT
HAI NGÓN TAY

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. BÙI THANH LUÂN

Sinh viên thực hiện:

MSSV:

Lớp:

Dương Tú Mi

1711030089

17DCTA2

Huỳnh Đặng Hồng Ngơi

1711250907

17DCTA2


Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 9 năm 2021


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp này, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến ban giám hiệu trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh vì đã
tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đầy đủ các loại sách,
tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm và nghiên cứu thơng tin của nhóm.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn đề tài TS. Bùi Thanh Luân
đã giảng dạy tận tình, chi tiết và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện
khóa luận văn tốt nghiệp, để em có đủ kiến thức và vận dụng chúng vào bài khóa luận
này.
Đồng thời nhóm cũng rất biết ơn các thầy, các cô trong Viện Kỹ Thuật Hutech
đã quan tâm và giúp đỡ tận tình trong suốt q trình nhóm thực hiện luận văn.
Bên cạnh đó, nhóm cũng xin cảm ơn các anh, các chị khóa trước cũng như các
bạn trong lớp 17DCTA2 đã đóng góp ý kiến và chia sẻ những kinh nghiệm để giúp
nhóm hồn thành đề tài lần này.
Do chưa có kinh nghiệm làm đề tài cũng như những hạn chế về kiến thức nên
trong bài tiểu luận chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận
được nhận xét, ý kiến đóng góp của quý thầy, cơ để bài luận văn của em được hồn
thiện hơn.
Lời cuối cùng chúc quý thầy, quý cô nhiều sức khỏe, tiếp tục thành công vươn
xa hơn trong sự nghiệp trồng người.
Nhóm xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
Phiếu đăng ký tên đề tài ĐATN

Phiếu giao nhiệm vụ
Lời cam đoan ............................................................................................Trang i
Lời cảm ơn .........................................................................................................ii
Mục lục .............................................................................................................iii
Danh sách các bảng...........................................................................................vii
Danh sách các hình .........................................................................................viii
Lời mở đầu..........................................................................................................1
Chương 1: Giới thiệu ..........................................................................................5
1. 1 Tính cần thiết, ứng dụng của đề tài .........................................................5
1. 2 Nhiệm vụ cần thực hiện ..........................................................................5

1. 3 Phạm vi giới hạn của đồ án .....................................................................5
Chương 2: Tổng quan và giải pháp ....................................................................6
2. 1 Tìm hiểu vấn đề.......................................................................................6
2. 1. 1 Ứng dụng của bàn tay robot hai ngón tay .......................................6
2. 1. 2 Các u cầu cơng nghệ cơ bản của bàn tay robot hai ngón tay ......6
2. 1. 3 Các sản phẩm mơ hình phổ biến hiện tại trong và ngoài nước.......6
2. 1. 4 So sánh các công nghệ hiện tại .....................................................11
2. 2 Xác định các yêu cầu công nghệ ...........................................................12
Chương 3: Phương pháp giải quyết ..................................................................13
3. 1 Đề xuất phương án thực hiện ................................................................13
3. 2 Phương án thiết kế.................................................................................13
3. 3 Xác định cấu hình, tính năng và thông số kỹ thuật cho sản phẩm ........14

iii


3. 3. 1 Cấu hình ........................................................................................14
3. 3. 2 Tính năng ......................................................................................14
3. 3. 3 Thông số kỹ thuật .........................................................................14

3. 3. 4 Tính tốn lực trục ..........................................................................18
Chương 4: Quy trình thiết kế............................................................................21
4. 1 Thiết kế cơ khí ......................................................................................21
4. 1. 1 Sơ đồ động học .............................................................................21
4. 1. 2 Bản vẽ chi tiết ...............................................................................22
4. 1. 3 Bản vẽ lắp .....................................................................................35
4. 1. 4 Tính tốn động học cánh tay Robot hai ngón tay .........................37
4. 2 Thiết kế phần điện .................................................................................50
4. 2. 1 Sơ đồ khối mạch điện ...................................................................50
4. 2. 2 Các linh kiện sử dụng ...................................................................51
4. 2. 3 Nguyên lý hoạt động mạch điện ...................................................63
Chương 5: Thi công ..........................................................................................65
5. 1 Mô phỏng lắp rắp bàn tay robot hai ngón tay .......................................65
5. 2 Mơ phỏng trên phần mềm Matlab .........................................................72
5. 2. 1 Mô phỏng bàn tay robot trên Matlab Simulink ............................72
5. 2. 2 Mô phỏng bàn tay Robot trên Matlab Guide ................................73
5. 3 Động học vi sai robot cho cả hai ngón tay ............................................75
5. 3. 1 Phép tịnh tiến vi sai.......................................................................75
5. 3. 2 Phép quay vi sai ............................................................................75
5. 3. 3 Phép quay vi sai xung quanh véc tơ k tổng quát ..........................76
5. 3. 4 Phép biến đổi vi sai của một khung tọa độ ...................................76
iv


5. 4 Phần mềm điều khiển ............................................................................76
5. 4. 1 Các thao tác hoạt động của bàn tay Robot....................................76
5. 4. 2 Lưu đồ giải thuật ...........................................................................77
5. 4. 3 Chương trình cho Arduino ............................................................78
Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận ..............................................................82
6. 1 Kết quả ..................................................................................................82

6. 1. 1 Các kết quả thực hiện được khi làm đề tài ...................................82
6. 1. 2 Những hạn chế ..............................................................................85
6. 2 Hướng phát triển ...................................................................................85
Tài liệu tham khảo ............................................................................................86
Phụ lục 1: Thực nghiệm điều khiển động cơ Step trục vít me .........................88
Phụ lục 2: Sử dụng phần mềm Arduino IDE điều khiển bàn tay Robot ..........89

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 4. 1: Bảng tham số DH ngón trỏ.............................................................37
Bảng 4. 2: Bảng tham số DH ngón cái ............................................................44
Bảng 5. 1: Bảng góc các khớp ngón trỏ khi động cơ Step tịnh tiến ................72
Bảng 5. 2: Bảng góc các khớp ngón cái khi động cơ Step tịnh tiến ................73

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2. 1: Cánh tay hỗ trợ sinh hoạt cơ bản cho người khuyết tật (Nguồn
Internet) .......................................................................................................................7

Hình 2. 2: Cánh tay robot cho người khuyết tật ứng dụng cơng nghệ sóng não
.....................................................................................................................................7
Hình 2. 3: Cánh tay robot cho người khuyết tật liệt cơ tay toàn phần (Nguồn
Internet) .......................................................................................................................8
Hình 2. 4: Nghiên cứu IRIM Lab Koreatech (Nguồn Internet).........................9
Hình 2. 5: Nghiên cứu của Will Cogley (Nguồn Internet) ..............................10
Hình 2. 6: Cánh tay Robot của WillCogley (Nguồn Internet).........................10
Hình 3. 1: Lị xo (Nguồn Internet)...................................................................15
Hình 3. 2: Motor RC servo MG90s (Nguồn Internet) .....................................16
Hình 3. 3: Động cơ bước và trục vít me (Nguồn Internet) ..............................17
Hình 3. 4: Biểu đồ moment lực cho tất cả các trục khớp ................................20
Hình 4. 1: Sơ đồ động học bàn tay robot hai ngón tay ....................................21
Hình 4. 2: Hình 3D chi tiết khớp 1 cả hai ngón tay.........................................22
Hình 4. 3: Hình chiếu bằng khớp 1 cả hai ngón tay ........................................22
Hình 4. 4: Hình chiếu bằng khớp 2 ngón trỏ ...................................................23
Hình 4. 5: Hình chiếu đứng khớp 2 ngón trỏ...................................................23
Hình 4. 6: Hình chiếu bằng khớp 3 ngón trỏ ...................................................24
Hình 4. 7: Hình chiếu đứng khớp 3 ngón trỏ...................................................24
Hình 4. 8: Hình chiếu bằng khớp 2 ngón cái ...................................................25
Hình 4. 9: Hình chiếu đứng khớp 2 ngón cái ..................................................25
Hình 4. 10: Hình chiếu bằng khớp 3 ngón cái .................................................26
Hình 4. 11: Hình chiếu đứng khớp 3 ngón cái ................................................26
Hình 4. 12: Hình chiếu bằng khớp 4 cả 2 ngón tay .........................................27
Hình 4. 13: Hình chiếu bằng khớp 4-2 cả 2 ngón tay......................................27
vii


Hình 4. 14: Hình chiếu bằng chi tiết vỏ bàn tay-1 ..........................................28
Hình 4. 15: Hình chiếu bằng chi tiết vỏ bàn tay-2 ..........................................28
Hình 4. 16: Hình chiếu bằng chi tiết khớp vỏ tay ...........................................29

Hình 4. 17: Hình chiếu bằng chi tiết vỏ cánh tay ............................................29
Hình 4. 18: Hình chiếu bằng chi tiết nắp vỏ cánh tay .....................................30
Hình 4. 19: Mặt cắt hình chiếu đứng chi tiết vỏ motor servo 1 .......................30
Hình 4. 20: Mặt cắt hình chiếu đứng chi tiết vỏ motor servo 2 .......................31
Hình 4. 21: Hình chiếu bằng chi tiết lị xo kéo ................................................31
Hình 4. 22: Hình chiếu bằng và hình chiếu cạnh chi tiết nắp motor vít me ....32
Hình 4. 23: Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng chi tiết vỏ vít me................32
Hình 4. 24: Hình chiếu đứng và hình chiếu bằng chi tiết mặt bích vỏ vít me .33
Hình 4. 25: Hình chiếu cạnh chi tiết mặt bích động cơ Step vít me ................33
Hình 4. 26: Hình chiếu đứng chi tiết đai ốc vít me .........................................34
Hình 4. 27: Hình chiếu bằng và hình chiếu cạnh chi tiết miếng kê.................34
Hình 4. 28: Hình chiếu bằng bản vẽ lắp bàn tay robot ....................................35
Hình 4. 29: Mặt cắt hình chiếu bằng bản vẽ lắp bàn tay robot ........................36
Hình 4. 30: Sơ đồ hệ tọa độ gắn với các khâu của ngón trỏ ............................37
Hình 4. 31: Sơ đồ hệ tọa độ gắn với các khâu của ngón cái............................43
Hình 4. 32: Sơ đồ khối mạch điện ...................................................................50
Hình 4. 33: Pin Lipo 3.7V 1000mAH (Nguồn Internet) .................................51
Hình 4. 34: Mạch sạc TP4056 (Nguồn Internet) .............................................52
Hình 4. 35: Sơ đồ nối dây mạch sạc (Nguồn Internet) ....................................53
Hình 4. 36: Mạch tăng áp DC-DC SX1308 2A (Nguồn Internet) ...................53
Hình 4. 37: Sơ đồ nối dây mạch tăng áp (Nguồn Internet) .............................54
Hình 4. 38: Giao diện phần mềm Arduino IDE ..............................................55
Hình 4. 39: Arduino Uno R3 (Nguồn Internet) ...............................................56
Hình 4. 40: Sơ đồ nối dây Arduino (Nguồn Internet) .....................................57
Hình 4. 41: Shield motor driver L293D (Nguồn Internet) ..............................58

viii


Hình 4. 42: Thơng số kích thước Shield motor driver L293D (Nguồn Internet)

...................................................................................................................................59
Hình 4. 43: Sơ đồ nối dây Shield motor driver L293D (Nguồn Internet) .......60
Hình 4. 44: Động cơ Servo MG 90s (Nguồn Internet) ....................................60
Hình 4. 45: Sơ đồ nối dây và thơng số kích thước động cơ Servo (Nguồn
Internet) .....................................................................................................................61
Hình 4. 46: Động cơ Step trong ổ đĩa CD (Nguồn Internet) ...........................62
Hình 4. 47: Động cơ Step vít me (Nguồn Internet) .........................................62
Hình 4. 48: Sơ đồ nguyên lý mạch điện ..........................................................63
Hình 4. 49: Kết nối mạch Arduino và Shiled motor driver L293D ................64
Hình 4. 50: Kết nối động cơ và Arduino vào Shield motor driver L293D .....64
Hình 5. 1: Lắp các khớp ngón tay ...................................................................65
Hình 5. 2: Lắp ráp động cơ Servo ...................................................................65
Hình 5. 3: Lắp ráp ngón tay vào động cơ Servo ..............................................66
Hình 5. 4: Lắp ngón tay vào vỏ bàn tay ..........................................................66
Hình 5. 5: Lắp lị xo vào vỏ bàn tay và nối dây kéo ........................................67
Hình 5. 6: Lắp bàn tay Robot vào vỏ cánh tay ................................................67
Hình 5. 7: Cố định bàn tay Robot vào vỏ cánh tay bằng chi tiết cổ tay ..........68
Hình 5. 8: Lắp ráp động cơ Step vít me...........................................................68
Hình 5. 9: Lắp ráp vỏ động cơ Step vit me .....................................................69
Hình 5. 10: Lắp ráp bàn tay và động cơ Step vào vỏ cánh tay ........................69
Hình 5. 11: Nối dây kéo vào ngón tay Robot và động cơ Step vít me ............70
Hình 5. 12: Lắp mặt bích vỏ bàn tay ...............................................................70
Hình 5. 13: Cố định lịng bàn tay bằng Bulong M2 ........................................71
Hình 5. 14: Lắp ghép hồn chỉnh mơ hình bàn tay robot hai ngón tay ...........71
Hình 5. 15: Ảnh mơ phỏng bàn tay robot trên Matlab Simulink.....................72
Hình 5. 16: Mơ phỏng bàn tay robot trên Matlab Guide .................................73
Hình 5. 17: Chạy mơ phỏng động học nghịch bằng Matlab............................74
Hình 5. 18: Kiểm tra động học nghịch bàn tay Robot .....................................74

ix



Hình 5. 19: Lưu đồ giải thuật ..........................................................................77
Hình 6. 1: Kéo dây một đoạn 0,5 cm ...............................................................82
Hình 6. 2: Kéo dây một đoạn 1 cm ..................................................................83
Hình 6. 3: Kéo dây một đoạn 1,5 cm ..............................................................83
Hình 6. 4: Kéo dây một đoạn 2 cm .................................................................84
Hình 6. 5: Kéo dây một đoạn 2,5 cm ..............................................................84

x


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây gắn với cuộc cách mạng cơng nghiệp 4.0 thì các
nghiên cứu y sinh cũng ngày một phát triển không ngừng nhằm đem lại các chức năng
cần thiết trên cơ thể người mà do khuyết tật bẩm sinh hay các vụ tai nạn đã cướp lấy
đi, giúp người khuyết tật tự ti trở nên tự tin hơn và giúp giảm thiểu tình trạng lao động
phụ thuộc, nâng cao cũng như cải thiện đời sống con người.
Trên thế giới và trong nước cũng đã có nhiều nghiên cứu khác nhau trong lĩnh
vực y sinh.
 Đối với thế giới:


APL smart hand (JHUAPL & DARPA): Tại phòng thí nghiệm vật lý
ứng dụng của Đại Học John Hopkins (APL) và cơ quan dự án nghiên
cứu tiên tiến Quốc phòng DARPA đã làm việc để phát triển một cánh
tay thông minh nhất được điều khiển bởi các đầu vào thần kinh và công
nghệ phản hồi cảm giác để cho phép nhận thức các đầu vào vật lý như:
áp suất, lực và nhiệt độ ngồi khả năng thích ứng thu hút.
Các tính năng của chi giả mơ-đun:

o Hệ số hình dáng và ngoại hình giống người.
o Sức mạnh và sự khéo léo giống như người
o Cảm nhận vị trí và xúc giác có độ phân giải cao
o Giao diện thần kinh để điều khiển vịng kính trực quan và tự nhiên



DEKA ARM : Dean Kamen, người sáng lập công ty Nghiên cứu và
Phát triển DEKA để phát triển các phát minh được tạo ra từ nội bộ cũng
như cung cấp nghiên cứu và phát triển cho các khách hàng lớn của công
ty. Cánh tay robot là một dự án do DARPA tài trợ nhằm khôi phục chức
năng cho những người bị cụt chi trên.



NAIST ARM, Viện Khoa học và Công nghệ Nara: Dự án bàn tay
NAIST được bắt đầu tại Viện Khoa học và Công nghệ Nara vào năm
2002. Họ đề xuất ước tính biên độ trượt dựa trên tầm nhìn và kiểm sốt
1


lực bám bằng cách đưa ngược lại trực tiếp bằng cách sử dụng cảm giác
xúc giác và thao tác. Bàn tay có 4 ngón và mỗi ngón có 3 bậc tự do. Cơ
cấu bánh răng được thiết kế đặc biệt của nó đã giảm bớt hạn chế và
khơng gian cho các bộ truyền động và tất cả các bộ truyền động đều
được nhúng trong lòng bàn tay.


Bộ phận giả một phần bàn tay- một trường hợp áp dụng tại Universidad
Nacional de Colom-bia: Các kỹ sư từ đại học Nacional de Colombia đã

thiết kế bộ phận giả một phần tay với các chức năng cơ học. Bộ phận
này nhắm đến các đối tượng có thu nhập thấp được chế tạo bằng thép
không gỉ.

 Đối với trong nước:


Cánh tay robot cho người khuyết tật: Với niềm đam mê tin học và ứng
dụng của nó hai bạn học sinh trường Trương Vương (Hà Nội) là Phan
Trường Anh Khôi và Nguyễn Công Huy đã xuất sắc nhận giải nhất cuộc
thi Sáng Tạo Khoa Học-Kỹ Thuật dành cho học sinh trung học cấp Thành
Phố và giải nhì cấp Quốc Gia năm 2018. Mơ hình cánh tay robot điều
khiển bằng suy nghĩ gồm có bốn bộ phận: Bộ đọc sóng não Emotiv
Insight, máy tính với chương trình Python, mạch Arduino và cánh tay.
Khi người dùng đội mũ Emotiv Insight và tập trung suy nghĩ, họ có thể
điều khiển cánh tay co hay duỗi và cầm nắm các vật nhỏ.



Cánh tay robot điều khiển bằng suy nghĩ: Phạm Quang Huy là cái tên ấn
tượng khi cậu chỉ mới học lớp 8 đã chế tạo được cánh tay robot hỗ trợ
người bị cụt tay và đã đạt giải quán quân tại Hội thi khoa học – kỹ thuật
cấp quốc gia của học sinh trung học khu vực phía Bắc năm 2016-2017.
Cánh tay được điều khiển bằng các ngón chân, có thể úp ngửa, co duỗi
ngón tay, cẳng tay; Hệ thống có trang bị cảm biến nhiệt để báo động khi
cầm các đồ vật có nhiệt độ cao hoặc gây nguy hiểm … Với những thao
tác nhịp nhàng của chân, cánh tay robot cầm, nắm được nhiều các đồ

2



vật… Q trình hồn thiện sản phẩm Huy có nhờ một người khuyết tật
dùng thử và nhận được những đánh giá tích cực.


Cánh tay robot cho người khuyết tật liệu cơ tay toàn phần: Hai em Phạm
Đức Linh và Nguyễn Đức An, lớp 11A4, trường Trung học phổ thông
Hàn Thuyên tỉnh Bắc Ninh, đã mài mò nghiên cứu, sáng tạo ra sản phẩm
cánh tay robot cho người khuyết tật liệt cơ tay toàn phần. Sản phẩm đã
xuất sắc giành giải nhất cuộc thi Khoa Học-Kỹ Thuật cấp Quốc Gia học
sinh Trung Học năm học 2020-2021.

Hiện tại các giải pháp cải thiện sinh hoạt cho người khuyết tật được nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm, trong đó có cánh tay hỗ trợ cho người khuyết tật. Tuy nhiên là
làm thế nào để tạo ra một cách tay giả vừa phù hợp với nhu cầu sinh hoạt khác nhau
của người dùng, vừa có khả năng sử dụng lâu dài cả về năng lượng lẫn kết cấu cơ khí,
giá cả phù hợp với kinh tế người khuyết tật. Thế nên từ những vấn đề đó, nhóm chúng
em quyết định chọn và thực hiện đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Bàn Tay Robot Hai
Ngón Tay.
Thơng qua luận văn tốt nghiệp, nhóm của chúng em sẽ nghiên cứu và phát triển
mơ hình cánh tay robot phục vụ cho người khuyết tật, nhưng trước tiên nhóm ưu tiên
về cơ điện để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp lần này. Còn về phần bắt cơ tay để
người dùng điều khiển bằng suy nghĩ do nhóm khơng có kiến thức chuyên sâu nhiều
về y sinh nên sẽ là hướng phát triển dần đi lên của mơ hình.
Đề tài của nhóm sẽ nghiên cứu về cách chuyển động của các khớp và thách thức
dành cho nhóm là:
-

Thiết kế bản vẽ phần cứng các khớp ngón tay sao cho có tính thẩm mỹ
và giống thật.


-

Tính tốn và chọn động cơ Servo và động cơ bước cho phù hợp

-

Việc tính toán các khớp sao cho bàn tay hoạt động nhịp nhàng

-

Có thể nắm và giữ được các vật có khối lượng nhỏ

-

Thiết kế mạch điện nhỏ gọn

3


Phương pháp nghiên cứu đề tài là thu nhập thông tin và củng cố các kiến thức
đã học vận dụng từ các môn học như là: Cơ sở thiết kế máy, chi tiết máy, robot công
nghiệp, vi điều khiển,…Và sử dụng các phần mền liên quan như: Altium và Proteus
để thiết kế mạch điện, Solid works và Autocad để thiết kế bản vẽ phần cứng, Arduino
để lập trình điều khiển.
Kết quả đạt được của đề tài là: Hồn thành mơ hình hóa bàn tay robot, hồn
thành các bản vẽ chi tiết cũng như bản vẽ lắp, hoàn thành thiết kế mạch điện điều
khiển, hồn thành chương trình điều khiển, hồn thành bài thuyết minh đúng thời hạn.
Về kết cấu của đề tài bao gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu khái quát về đề tài bàn tay robot hai ngón tay

Chương 2: Tổng quan và giải pháp cho đề tài bàn tay robot hai ngón tay
Chương 3: Phương pháp giải quyết cho đề tài bàn tay robot hai ngón tay
Chương 4: Quy trình thiết kế của đề tài bàn tay robot hai ngón tay
Chương 5: Thi cơng đề tài bàn tay robot hai ngón tay
Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận

4


Chương 1

GIỚI THIỆU
1. 1 Tính cần thiết, ứng dụng của đề tài
Do sự phát triển không ngừng trong công nghiệp hóa và thiếu ý thức về các
thước đo an tồn hay do bệnh tật, các trường hợp cắt cụt chi đang ngày càng gia tăng.
Ảnh hưởng của việc cắt cụt chi dẫn đến chấn thương tinh thần do thiếu các bộ phận
tự nhiên của cơ thể, mất các hoạt động thực hiện bằng tay hoặc chân, mất cơ hội việc
làm, sự phụ thuộc về thể chất vào những người thân khác trong gia đình, sợ mất kết
nối xã hội, các vấn đề y tế do cắt cụt… Từ đó mà cánh tay robot phục vụ người ra đời
nhằm đảm bảo chất lượng cuộc sống cho người dân.
Tương tự như các sản phẩm tiêu dùng khác, tay giả đã trải qua các giai đoạn
tiến hóa, phát triển và đổi mới. Tái tạo bất kỳ bộ phận nào của con người không phải
là một nhiệm vụ dễ dàng. Các nhà nghiên cứu phải nhiều lần phân tích lại nhu cầu
của bộ phận giả trên cơ sở mong đợi của bệnh nhân, lưu ý về tuổi tác, giới tính và
nghề nghiệp,... Và cho thấy các nhà nghiên cứu đang chạy đua để thiết kế “ cổ máy “
sao cho hiệu quả và hoàn hảo nhất trông giống hệt bàn tay thật và hoạt động như thật.
1. 2 Nhiệm vụ cần thực hiện
-

Tìm hiểu về tay robot phục vụ người, các nghiên cứu trên thế giới và trong

nước

-

Tính tốn và thiết kế phần cơ khí bàn tay robot hai ngón tay

-

Gia cơng và lắp ráp phần cơ khí

-

Thiết kế và lập trình phần điện điều khiển

-

Viết báo cáo

1. 3 Phạm vi giới hạn của đồ án
Vì thời gian thực hiện đồ án chỉ có 3 tháng nên việc thực hiện đề tài: Thiết kế
và chế tạo bàn tay robot hai ngón tay đảm bảo được các chức năng cầm, nắm được
vật, ngón tay có thể co duỗi và nghiêng trái hoặc phải.

5


Chương 2

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2. 1 Tìm hiểu vấn đề

2. 1. 1 Ứng dụng của bàn tay robot hai ngón tay
Nhóm lấy ý tưởng từ u thích cơng việc thiết kế và kỹ thuật và mong muốn
đem lại cho người khuyết tật đặc biệt là người khuyết tật có chi phí lao động thấp có
cơ hội sử dụng cơng nghệ y sinh hoàn thiện lại các phần chi tay bị thiếu hoặc mất.
Tuy nhiên do nhóm khơng có kiến thực chun sâu về cơng nghệ y sinh nên mơ hình
cánh tay robot hai ngón tay sẽ chỉ đơn thuần là nghiên cứu bước đầu của nhóm cho
cơng cuộc áp dụng công nghệ y sinh vào thực tiễn đời sống cho người khuyết tật có
lao động thấp để nâng chất lượng đời sống mọi người.
2. 1. 2 Các yêu cầu công nghệ cơ bản của bàn tay robot hai ngón tay
-

Các khớp ngón tay chuyển đđộng linh hoạt

-

Hai ngón tay có thể co hoặc duỗi

-

Mỗi ngón tay có bốn bậc tự do có thể xoay trái hoặc phải

-

Cầm được vật có khối lượng 100g

2. 1. 3 Các sản phẩm mơ hình phổ biến hiện tại trong và ngoài nước
2. 1. 3. 1 Trong nước
2. 1. 3. 1. 1 Cánh tay robot hỗ trợ sinh hoạt cơ bản cho người khuyết tật
Cánh tay robot của Dương Phúc Hiếu sinh viên trường Đai học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP.HCM hướng tới giải quyết được vấn đề sinh hoạt cơ bản cho người khuyết

tật.
Sản phẩm hoạt động dựa trên kỹ thuật điện cơ đồ để phân tích tín hiện điện cơ
từ cánh tay cụt của người khuyết tật và thu nhận các giá trị tương ứng với cử chỉ của
bàn tay. Các giá trị nền làm cơ sở điều khiển cánh tay
Kỹ thuật điện cơ đồ giúp người dùng trải nghiệm chân thật hơn đối với cánh tay
giả, giúp đơn giản hóa các vấn đề điều khiển và dễ làm quen.
6


Hình 2. 1: Cánh tay hỗ trợ sinh hoạt cơ bản cho người khuyết tật (Nguồn Internet)
Người sử dụng cánh tay giả có thể cầm, nắm, xách đồ nặng từ 1-2kg và làm
được một số công việc đơn giản. Trọng lượng của sản phẩm nhẹ, dễ lắp đặt, dễ sử
dụng.
2. 1. 3. 1. 2 Cánh tay robot cho người khuyết tật ứng dụng cơng nghệ
sóng não
Sản phẩm được 3 sinh viên ngành cơ điện tử (viện cơ khí Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội ) chế tạo.

Hình 2. 2: Cánh tay robot cho người khuyết tật ứng dụng công nghệ sóng não
(Nguồn Internet)
7


Cánh tay robot được kết nối tín hiệu từ tai nghe Mindwave, thơng qua giao thức
Bluetooth. Các tín hiệu thu nhận được truyền về bộ vi xử lý phân tích, từ đó đưa ra
tín hiệu điều khiển bàn tay là cầm hay nắm đồ vật.
2. 1. 3. 1. 3 Cánh tay robot cho người khuyết tật liệt cơ tay toàn phần
Hai em Phạm Đức Linh và Nguyễn Đức An, lớp 11A4, trường Trung học phổ
thông Hàn Thuyên tỉnh Bắc Ninh, đã mài mò nghiên cứu, sáng tạo ra sản phẩm cánh
tay robot cho người khuyết tật liệt cơ tay toàn phần. Sản phẩm đã xuất sắc giành giải

nhất cuộc thi Khoa Học-Kỹ Thuật cấp Quốc Gia học sinh Trung Học năm học 20202021.

Hình 2. 3: Cánh tay robot cho người khuyết tật liệt cơ tay toàn phần (Nguồn Internet)
Sử dụng độ co duỗi của ngón chân để điều khiển cánh tay. Tức là có một bộ
phận cảm biến đặt trên ngón trỏ của bàn chân để thu tín hiệu độ bẻ cong. Khi người
sử dụng co duỗi ngón chân, các tín hiệu độ cong sẽ được xử lý để điều khiển cánh tay
robot.
Ngồi ra, cánh tay robot cịn giúp người sử dụng cảm nhận được tín hiệu lực
trên đầu ngón tay bằng động cơ rung. Tích hợp được tính năng xoay của cổ tay, gập
duỗi khuỷu tay. Cách làm này giúp người dùng thuận tiện hơn khi đi lại mà vẫn đảm
bảo cánh tay thực hiện tốt các thao tác cầm nắm cơ bản cho người khuyết tật chi.
8


2. 1. 3. 2 Thế giới
2. 1. 3. 2. 1 Nghiên cứu của IRIM Lab Koreatech

Hình 2. 4: Nghiên cứu IRIM Lab Koreatech (Nguồn Internet)
Ở đây ông nghiên cứu về lực và sự linh hoạt khi chuyển động của các ngón tay,
với mỗi khớp ngón tay là một động cơ Step vít me. Đối với bàn tay này thì tổng cộng
có 12-dof nên cần tới 12 động cơ Step vít me để kéo chuyển động và vì mỗi khớp sử
dụng một động cơ riêng biệt nên lực chịu rất lớn, bàn tay có thể cầm, nắm và mang
được vật có tải trọng lớn và đủ hình dạng.

9


2. 1. 3. 2. 2 Nghiên cứu của Will Cogley

Hình 2. 5: Nghiên cứu của Will Cogley (Nguồn Internet)


Hình 2. 6: Cánh tay Robot của WillCogley (Nguồn Internet)

10


Đối với nghiên cứu này Will Cogley đã hoàn toàn tập trung vào sự việc khai
phá sau cho các khớp của ngón tay hoạt động thật linh hoạt và uyển chuyển y như tay
thật. Ông sử dụng motor servo MG 90s để gắn vào các khớp và lập trình máy tính
đưa tín hiệu vào Servo điều khiển các khớp co duỗi và nghiêng phải-trái một cách
trơn tru và thậm chí còn linh hoạt hơn cả tay thật của người.
2. 1. 4 So sánh các cơng nghệ hiện tại
Nhìn chung qua các sản phẩm được ví dụ trên thì mỗi sản phẩm có một cái riêng
biệt về cơng nghệ áp dụng vào điều khển và mỗi cái có những ưu nhược điểm riêng.
2. 1. 4. 1 Cánh tay robot hỗ trợ sinh hoạt cơ bản cho người khuyết tật
-

Ưu điểm: Người sử dụng cánh tay giả có thể cầm, nắm, xách đồ nặng từ 12kg và làm được một số công việc đơn giản. Trọng lượng của sản phẩm nhẹ,
dễ lắp đặt, dễ sử dụng.

-

Nhược điểm: Do sử dụng kỹ thuật điện cơ đồ để nhận thông tin và điều khiển
cánh tay nên chưa giải quyết được vấn đề cho người khiếm khuyết cả cánh tay
và độ chuẩn xác tín hiệu không cao.
2. 1. 4. 2 Cánh tay robot cho người khuyết tật ứng dụng cơng nghệ sóng

não
-


Ưu điểm: do ứng dụng sóng não vào điều khiển nên người sử dụng có cảm
giác chân thật hơn, có thể sử dụng bởi người bị liệt cơ.

-

Nhược điểm: địi hỏi chun mơn cao sử dụng tai nghe nhiều cảm biến phức
tạp ở đây cụ thể 3 cảm biến bắt ở tai, trán, vành tai và sản phẩn cịn có kích
thước lớn. Việc sử dụng 3 cảm biến nên mức độ chuẩn hóa thơng tin không
cao do dễ bị rơi hoặc lệch, chuyển động khơng được trơn tru, kết cấu cơ khí
cịn yếu.
2. 1. 4. 3 Cánh tay robot cho người khuyết tật liệt cơ tay toàn phần

-

Ưu điểm: Cánh tay robot giúp người sử dụng cảm nhận được tín hiệu lực trên
đầu ngón tay bằng động cơ rung và tích hợp được tính năng xoay của cổ tay,
gập duỗi khuỷu tay.

11


-

Nhược điểm: kết cấu cơ khí chuyển động cịn yếu, kém bền sau thời gian sử
dụng, sản phẩm còn gồ ghề khó khăn cho di chuyển.
2. 1. 4. 4 Nghiên cứu bàn tay của IRIM Lab Koreatech

-

Ưu điểm : bàn tay có cả 5 ngón tay hoạt động linh hoạt, có thể cầm nắm các

vật có đủ hình dạng và tải trọng lớn nhờ vào moment lực của động cơ step vít
me.

-

Nhược điểm : Sử dụng quá nhiều động cơ Step vít me nên sản phẩn cịn rất gồ
ghề và có khối lượng, kích thước lớn khó khăn cho người dùng. Phần điều
khiển phức tạp.
2. 1. 4. 5 Nghiên cứu của Will Cogley

-

Ưu điểm : các khớp trong cùng một ngón tay phối hợp một các nhịp nhàng
thậm chí linh hoạt như tay thật.

-

Nhược điểm : sử dụng quá nhiều động cơ Servo cho một ngón tay nên nếu
thiết kế cả bàn tay thì bàn tay sẽ lớn và đặc biệt ở đây lực nâng của tay sẽ hạn
chế. Phần điều khiển phức tạp.
2. 2 Xác định các yêu cầu cơng nghệ

-

Các khớp ngón tay chuyển động linh hoạt

-

Hai ngón tay có thể co hoặc duỗi


-

Mỗi ngón tay có bốn bậc tự do có thể xoay trái hoặc phải

-

Cầm được vật có khối lượng 100g

-

Hai ngón tay có hệ số hình dạng cân đối gần giống tay thật

12


Chương 3

PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3. 1 Đề xuất phương án thực hiện
Thơng qua việc tìm hiểu và so sánh rút kết ra từ các mơ hình sản phẩm hiện tại
ở chương 2, do thời gian làm luận văn hạn chế và chi phí có hạn nên nhóm quyết định
thi cơng mơ hình bàn tay robot hai ngón tay và bàn tay hồn thiện đủ cả năm ngón
tay sẽ là hướng phát triển thêm của đề tài.
3. 2 Phương án thiết kế
Trước tiên nhóm dựa vào bàn tay thật và thơng qua tìm kiếm thơng tin liên quan
từ các mơ hình hiện tại và đặc biệt ở đây nhóm chú trọng vào hai nghiên cứu của
IRIM Lab Koreatech và Will Cogley để xác định bàn tay cần làm với mỗi ngón tay
là bao nhiêu khớp.
Tiếp đến dựa vào các động tác và cử chỉ của bàn tay và hai nghiên cứu trên mà
nhóm chọn động cơ cho thích hợp sao cho mơ hình làm ra nhỏ gọn nhất có thể để tiện

cho nghiên cứu y sinh khi phát triển đi lên từ đề tài. Như khảo sát thì ngón tay chúng
ta sẽ co lại và duỗi ra, đồng thời có thể xoay và dịch chuyển trái hoặc phải để cầm,
nắm vật. Dựa vào đấy và thơng qua hai nghiên cứu nhóm tìm hiểu và chọn 4 động cơ
để thực hiện việc co duỗi và xoay trái phải cho 2 ngón tay
Về động cơ nhóm tách ra thành hai loại:
-

Động cơ Step vít me: dùng thêm vào là sợ dây kéo được nối với đai ốc
vít me, một phần liên kết các khớp ngón tay, khi đai ốc trượt trên thanh
trượt vít me sẽ làm cho ngón tay co hoặc duỗi. Ở mơ hình do có hai ngón
tay nên sẽ chỉ sử dụng 2 động cơ Step vít me.

-

Động cơ RC Servo: nhóm sử dụng servo MG 90s để điều khiển ngón tay
xoay trái hoặc phải. Và ở đây do mơ hình là 2 ngón tay nên nhóm sử
dụng 2 động cơ Servo.

13


Về các khớp ngón tay, vỏ tay, khớp cổ tay, đế bích nhóm chọn vật liệu là nhựa
POM để sản phẩm làm ra được nhẹ để dễ lắp và dễ di chuyển khi sử dụng.
Ngồi ra cịn có các chi tiết như: Motor Servo và motor Step vít me do sản phẩm
sẵn có và lớp vỏ ngồi bằng nhựa giịn dễ hỏng nên nhóm sẽ thiết kế và gia cơng vỏ
động cơ bằng nhôm để sử dụng bền hơn.
Để hoạt động thì khơng thể thiếu phần điện điều khiển. Nhóm tìm hiểu và bàn
bạc, đưa ra hướng giải quyết là sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 và Shiled motor
driver L293D để sử dụng điều khiển. Một phần khá quan trọng là kích thước của nó
nhỏ, gọn phù hợp với u cầu của nhóm.

3. 3 Xác định cấu hình, tính năng và thông số kỹ thuật cho sản phẩm
3. 3. 1 Cấu hình
-

Bàn tay robot sẽ có hai ngón tay với mỗi ngón tay có 4-dof.

-

Phần cổ tay: được thiết kế để mơ hình gần giống với cánh tay thật và để phát
triển mơ hình về sau.

-

Phần vỏ cánh tay: dùng để cố định và là phần liên kết các bộ phần còn lại của
bàn tay robot thành một khối thống nhất.

3. 3. 2 Tính năng
Cầm, nắm, mang các vật có khối lượng 100g
3. 3. 3 Thơng số kỹ thuật
3. 3. 3. 1 Tính tốn lực lị xo
Theo kiểm tra thực nghiệm khối lượng lớn nhất tác động lên lò xo là:

m  100 g  0,1 kg
Do lò xo treo thẳng đứng nên trọng lượng:

P  m.g  0,1.10  1 N

(3.1)

Theo định luật Hook khi lò xo ở vị trí cân bằng: Fđh  P

Cần lị xo trở lại kích thước ban đầu sau khi biến dạng :

 Fđh  P
 Fđh  1 N
14

(3.2)