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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT LEO TƯỜNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: THS. DƯƠNG ĐĂNG DANH

Sinh viên thực hiện:

MSSV:

Lớp:

Nguyễn Anh Quân

1711030029

17DCTA1

Trần Quang Tới

1711030137

17DCTA1

Đỗ Nguyên Tuấn Anh

1711030001

17DCTA1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2021


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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT LEO TƯỜNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: THS. DƯƠNG ĐĂNG DANH

Sinh viên thực hiện:

MSSV:

Lớp:

Nguyễn Anh Quân

1711030029

17DCTA1


Trần Quang Tới

1711030137

17DCTA1

Đỗ Nguyên Tuấn Anh

1711030001

17DCTA1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2021


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tiểu luận này, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Giảng viên
hướng dẫn là ThS. Dương Đăng Danh. Nhờ sự hướng dẫn tận tình và chun nghiệp
từ thầy mà nhóm mới có thể hồn thành đồ án.
Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức,
vì vậy mơ hình và bài báo cáo chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy để bài tiểu luận
được hoàn thiện hơn.

ii


MỤC LỤC

PHIẾU ĐĂNG KÝ TÊN ĐỀ TÀI

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................. Trang i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ vii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH........................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .............................................................. 4
1.1 Giới thiệu .................................................................................................. 4
1.2 Tính cần thiết của đề tài ............................................................................ 5
1.3 Đặt đầu bài cụ thể ..................................................................................... 7
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP ...................................................... 8
2.1 Tìm hiểu vấn đề ........................................................................................ 8
2.2 Nghiên cứu trong nước: ............................................................................ 9
2.3 Nghiên cứu ngoài nước............................................................................. 9
2.4 So sánh các giải pháp .............................................................................. 11
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ........................................... 14
3.1 Chọn phương án bố trí hệ thống truyền động cho Robot leo tường ....... 14
3.1.1. Bánh xe tiêu chuẩn ..........................................................................15

iii


3.1.2. Bánh xe đa hướng ...........................................................................16
3.1.3. Chọn cơ cấu truyền động ................................................................17
3.2 Chọn sơ đồ nguyên lý ............................................................................. 17
3.3 Các phương án khả thi ............................................................................ 18
3.4 Chọn cơ cấu hút: ..................................................................................... 19
3.5 Chọn vi điều khiển .................................................................................. 20

3.5.1. Vi điều khiển STM32 ......................................................................21
3.5.2. Vi điều khiển Arduino ....................................................................22
3.5.3. Vi điều khiển tích hợp Wifi NodeMCU ESP8266 ..........................23
3.6 Chọn Driver điều khiển động cơ ............................................................ 24
3.6.1. Arduino Motor Shield L293D .........................................................24
3.6.2. Driver Titans MB3A .......................................................................25
3.6.3. Driver L298N ..................................................................................26
3.7 Cơ cấu gắp .............................................................................................. 27
3.7.1. Tìm hiểu vấn đề...............................................................................27
3.8 Servo ....................................................................................................... 30
3.9 App Blynk ............................................................................................... 31
3.10 Giao diện lập trình Arduino IDE .......................................................... 33
CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ ....................................................... 34
4.1 Tính tốn động cơ ................................................................................... 34
4.2 Cơ cấu hút ............................................................................................... 36
4.3 Vật liệu .................................................................................................... 37
4.4 Hệ thống cơ khí....................................................................................... 37

iv


4.4.1. Thiết kế đồ gá ..................................................................................37
4.4.2. Thiết kế phần khung Robot leo tường ............................................38
4.5 Hệ thống điện:......................................................................................... 40
4.5.1. Nguồn của cơ cấu hút......................................................................40
4.5.2. Nguồn cho bộ điều khiển ................................................................42
4.5.3. Sơ đồ khối và lưu đồ thuật toán ......................................................42
4.5.4. Sơ đồ điện .......................................................................................43
CHƯƠNG 5: THI CƠNG .............................................................................. 46
5.1 Mơ phỏng điều khiển servo .................................................................... 46

5.2 Mô phỏng cơ cấu truyền động ................................................................ 49
5.3 Thi cơng mơ hình .................................................................................... 50
5.4 Bộ điều khiển .......................................................................................... 53
CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN .................................... 58
6.1 Đánh giá kết quả ..................................................................................... 58
6.2 Kết luận ................................................................................................... 59
6.3 Hướng phát triển ..................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 61
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 62

v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BLDC= Brushless DC Motor (Động cơ DC không chổi than)
DC= Điện một chiều
EDF= Electric Ducted Fan
ESC= Electronic Speed Controller (Bộ điều tốc)
PWM= Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)
VSPE= Virtual Serial Port Emulator

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG


Bảng 2.1 Các khía cạnh của giải pháp..............................................................11
Bảng 4.1 Kích thước linh kiện của Robot ........................................................38
Bảng 4.2 Danh sách nối dây cơ cấu truyền động và cơ cấu hút .......................44

vii


DANH SÁCH HÌNH ẢNH

HÌNH

TRANG

Hình 1.1 Robot thám hiểm Sao Hỏa...................................................................5
Hình 1.2 Nhân viên lau kính tịa nhà ..................................................................6
Hình 2.1 Robot leo trần nhà SPKT.....................................................................9
Hình 2.2 Các góc nhìn của Robot WCR ..........................................................10
Hình 2.3 Mơ hình WCR ...................................................................................10
Hình 3.1 Robot REST 1 ...................................................................................14
Hình 3.2 Bánh xe tiêu chuẩn ............................................................................16
Hình 3.3 Bánh xe đa hướng Omni....................................................................16
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý .................................................................................17
Hình 3.5 Cơ cấu phương án 1 ...........................................................................18
Hình 3.6 Cơ cấu phương án 2 ...........................................................................18
Hình 3.7 Cơ cấu hút của Robot leo tường ........................................................19
Hình 3.8 Cấu trúc cơ bản của 1 vi điều khiển ..................................................21
Hình 3.9 Vi điều khiển Arduino Nano V3 .......................................................23
Hình 3.10 NodeMCU ESP8266 .......................................................................24
Hình 3.11 L293D Motor Shield .......................................................................25

Hình 3.12 Module Titans MB3A .....................................................................26
Hình 3.13 Driver L298N ..................................................................................26
Hình 3.14 Cánh tay máy có khớp nối ...............................................................28
Hình 3.15 Các loại tay gắp ...............................................................................29

viii


Hình 3.16 Servo SG90......................................................................................30
Hình 3.17 Ứng dụng Blynk trên Appstore .......................................................32
Hình 3.18 Giao diện ứng dụng Blynk ..............................................................32
Hình 3.19 Arduino IDE trên Microsoft Store ..................................................33
Hình 4.1 Sơ đồ biểu diễn lực trên mặt phẳng nghiêng .....................................36
Hình 4.2 Gá servo trên cánh tay máy ...............................................................37
Hình 4.3 Bản vẽ khung Robot lần 1 .................................................................39
Hình 4.4 Bản vẽ khung Robot lần 2 .................................................................39
Hình 4.5 Pin Lipo ShangYi 4S 2200 mAh .......................................................40
Hình 4.6 ESC Hobbywing 60A ........................................................................41
Hình 4.7 Sơ đồ chân ESP8266 .........................................................................42
Hình 4.8 Sơ đồ khối Robot leo tường ..............................................................42
Hình 4.9 Lưu đồ thuật tốn điều khiển .............................................................43
Hình 4.10 Sơ đồ đi dây cơ cấu truyền động và cơ cấu hút ...............................43
Hình 4.11 Sơ đồ đi dây cơ cấu gắp...................................................................45
Hình 5.1 Giao diện thiết lập cổng COM ảo ......................................................46
Hình 5.2 Giao diện mơ phỏng hoạt động Servo ...............................................47
Hình 5.3 Kết nối Blynk với cổng COM ảo ......................................................47
Hình 5.4 Servo 1 - Khớp 1 ở trạng thái 0 .........................................................48
Hình 5.5 Servo 1 - Khớp 1 ở trạng thái 180 .....................................................49
Hình 5.6 Mơ phỏng cơ cấu truyền động với L298N ........................................49
Hình 5.7 Nối dây L298N ..................................................................................50

Hình 5.8 Phần cơ cấu gắp được đặt cắt Mica ...................................................51

ix


Hình 5.9 Tiến hành lắp ráp phần khung thử nghiệm lần 1 ...............................51
Hình 5.10 Nguyên mẫu thử nghiệm Robot leo tường ......................................52
Hình 5.11 Các chi tiết của cơ cấu gắp được thiết kế lại ...................................52
Hình 5.12 Hình chụp 3D các khối của cơ cấu gắp ...........................................53
Hình 5.13 Cơ cấu gắp khi hồn thiệt ................................................................53
Hình 5.14 Tạo Project Robot leo tường trong Blynk .......................................54
Hình 5.15 Tạo Joystick .....................................................................................55
Hình 5.16 Giao diện điều khiển........................................................................56
Hình 5.17 Thiết lập cơ cấu gắp ........................................................................57

x


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống con người đã làm thay
đổi căn bản diện mạo của thế giới. Từ công nghệ điện tử, máy tính, truyền thơng đến
hóa học, năng lượng… đã giúp chúng ta thuận tiện, dễ dàng hơn và đạt hiệu quả cao
hơn trong công việc. Trong những lĩnh vực đó, cơng nghệ robot cũng đã góp một
phần hữu hiệu vào những thành tựu đã đạt được. Robot trở thành một cánh tay đắc
lực cho con người, làm những việc con người không làm được, tần suất 24/24 giờ và
trong những mơi trường nguy hiểm đến tính mạng, sức khỏe con người. Xã hội càng
phát triển thì những tịa nhà cao tầng mọc lên càng nhiều, một khó khăn nảy sinh
trong việc vệ sinh các ơ cửa kính bên ngồi tịa nhà ở độ cao hàng chục, thậm chí
hàng trăm mét thực sự là một thử thách đối với con người, khi công nhân phải đối
mặt với rất nhiều rủi ro nếu phải thực hiện cơng việc đó một cách thủ cơng. Cũng

phát sinh từ những tịa nhà cao tầng đó, đơi khi sẽ có những vấn đề rất nguy hiểm
chẳng hạn như có người làm rơi đồ đạc hoặc bị kẹt đồ ở một tầng nào đó mà bắt buộc
phải leo trèo ra ngồi mới có thể lấy được, điều này rất nguy hiểm. Vì vậy từ những
cảm hứng đó, nhóm quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu và thiết kế Robot leo
tường”.
1. Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu phần cơ cấu truyền động cho Robot.
- Nghiên cứu thiết kế mạch điện cho Robot.
- Nghiên cứu thiết kế phần cơ cấu gắp.
- Nghiên cứu và tiến hành lập trình cho bộ điều khiển.
2. Phương pháp nghiên cứu:
Với những kiến thức đã được học ở trường về các loại vi điều khiển, điện - điện
tử, các kiến thức về thiết kế cơ khí…nhóm đã áp dụng vào việc nghiên cứu, phát triển
đề tài: Trước tiên, chúng em phải tìm hiểu kĩ về kiến trúc, cấu tạo, nguyên tắc hoạt
động của một số loại vi điều khiển mà cụ thể là Arduino, ESP8266. Kết hợp với các

1


loại ngơn ngữ lập trình cho vi điều khiển. Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập
trình cho Node MCU ESP8266.
Kế tiếp là thiết kế cơ khí phần khung Robot đúng với yêu cầu đề tài đặt ra. Song
song với việc đó là việc làm các mạch điện như mạch cho vi điều khiển, mạch nguồn
cho hệ thống, mạch điện giao tiếp với máy tính cho vi điều khiển và mạch công suất
cho động cơ. Sử dụng phần mềm SolidWorks và Proteus.
Sau khi hồn thành việc chế tạo mơ hình và các mạch điện thì bắt tay vào việc
lập trình cho mơ hình và thử nghiệm chúng để có những điều chỉnh phù hợp. Đây là
công đoạn quan trọng nhất và cũng khó khăn nhất trong q trình thực hiện đề tài.
3. Các kết quả đạt được của đề tài:
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, với sự cố gắng của bản thân,

sự chỉ dẫn tận tình của thầy hướng dẫn, nhóm đã hồn thành nội dung đề tài “Nghiên
cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường”, cụ thể đã làm được một số công việc cơ bản
như sau:
- Tìm ra được phương án thiết kế cơ cấu hút.
- Thiết kế và chế tạo được bộ khung cơ khí, cơ cấu gắp của Robot leo tường.
- Lập trình thành cơng phần code điều khiển cho Robot leo tường.
- Thiết kế mạch, ứng dụng thành công ESP8266 và L298N trong cơ cấu truyền
động.
- Nghiên cứu được cơ bản cách tạo ra lực hút không tiếp xúc.

4. Kết cấu của đề tài:
Đề tài gồm có 6 chương.
Chương 1: Giới thiệu

2


Ở chương 1, phần giới thiệu này giải thích cơ bản về Robot, nêu lên tính
cần thiết của đề tài.
Chương 2: Tổng quan giải pháp
Tìm hiểu tổng quan về các giải pháp đã có trên thị trường, tham khảo các
tài liệu, cơng trình và sản phẩm hiện tại.
So sánh giữa các nghiên cứu trong và ngoài nước trong thời gian gần đây nhất,
họ có những điểm mạnh nào cần phát huy và những nhược điểm nào cần được
khắc phục. Tổng hợp lại và so sánh ở các khía cạnh khác nhau.
Chương 3: Phương pháp giải quyết
Đề xuất các giải pháp thực hiện phù hợp với hoàn cảnh của đề tài dựa
vào những gì đã trình bày ở chương 2.
Lựa chọn phương án thiết kế và xác định cấu hình, tính năng, thơng số
kỹ thuật sản phẩm.

Chương 4: Quy trình thiết kế
Tính tốn , thiết kế cơ khí.
Xác lập các chứng năng điều khiển. Xây dựng sơ đồ khối chương trình
điều khiển.
Chương 5: Thi cơng
Thi cơng, lắp đặt phần cơ khí, điện và điều khiển.
Lập trình phần điều khiển.
Chạy thử ở các chế độ khác nhau, chỉnh sửa và hoàn thiện sản phẩm.
Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận.
Đánh giá kết quả về kỹ thuật.
Hoàn thiện các tài liệu kỹ thuật như sơ đồ, bản vẽ.

3


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu
Robot là một loại máy có thể thực hiện những cơng việc một cách tự động bằng
sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot có thể là
một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo hóa và đặc biệt đây là một sản phẩm của Hệ thống
Cơ-điện tử.
Thuật ngữ Robot xuất phát từ chữ “Robota” trong tiếng Séc và có nghĩa là “lao
động cưỡng bức. Xuất hiện lần đầu năm 1921 trong một tác phẩm nhạc kịch sân khấu
mang tên Rossum’s Universal Robot của nhà soạn kịch Karel Capek. Vở kịch này
được diễn đầu tiên tại New York. [1]
Ý tưởng về việc chế tạo Robot xuất phát từ mong muốn có một cỗ máy có thể
làm việc tự động từ thời cổ đại. Nhưng đến tận thế kỷ 20, cụ thể là năm 1939, tại “Hội

chợ thế giới” (World’s Fair), sản phẩm Robot cơ khí đầu tiên mới được triển lãm, đó
là Robot Humanoid (Robot giống người). Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai,
nhiều công trình được bắt đầu tại các phịng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát
triển hoàn thiện thêm các cỗ máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ thay
thế con người tại các nơi có phóng xạ.
Sự phát triển của công nghiệp điện tử dẫn đến sự ra đời của robot tự động điện
tử đầu tiên, được tạo ra bởi William Grey Walter ở Bristol, Anh năm 1948, cũng như
các cơng cụ máy tính điều khiển số (CNC) cuối những năm 1940 bởi John T. Parsons
và Frank L. Stulen. Robot đầu tiên, kỹ thuật số và lập trình được xây dựng bởi George
Devol năm 1954 và được đặt tên là Unimate. [2]
Nhờ công nghệ phát triển liên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều
mục đích khác nhau, đó là các Robot dưới nước, robot công nghiệp hay robot quân

4


sự. Nhiều robot đã thay con người làm những công việc độc hại như tháo ngịi nổ
bom, mìn và thăm dò các con tàu bị đắm...
Ở thập niên 90, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong
lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot đã gia tăng, giá
thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc.
Lĩnh vực Robot ngày nay rất quan trọng, để nói về sức ảnh hưởng của nó, người
ta đã thành lập một ngành học gọi là Robotics (Robot học). Đây là một lĩnh vực đa
ngành, bao gồm: cơ khí, điện-điện tử (tự động hóa và điều khiển), và tin học (đặc biệt
là Trí tuệ nhân tạo).
1.2 Tính cần thiết của đề tài
Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, các nhà khoa học càng quan tâm
nhiều đến khả năng leo trèo của các robot nên đã nghiên cứu những loại robot thay
thế con người trong những công việc nguy hiểm hoặc trong môi trường độc hại, như
Robot leo tường, Robot thám hiểm vực sâu, Robot cứu hộ, Robot thám hiểm vũ trụ…

(Hình 1.1)

Hình 1.1 Robot thám hiểm Sao Hỏa
(Nguồn: NASA)

5


Từ trước đến nay, con người thường thực hiện công việc leo trèo, lau kính, quét
trần nhà bằng tay, chân và công việc này rất nguy hiểm do vấn đề độ cao. Những
người này sẽ bị mỏi cổ, mỏi mắt và bị chóng mặt, dễ mất thăng bằng. Chưa kể đến
các trang bị bảo hộ cũng không đảm bảo an tồn cho họ. (Hình 1.2)

Hình 1.2 Nhân viên lau kính tòa nhà
Trước yêu cầu và thách thức này, những nhà nghiên cứu đang tìm ra những giải pháp
Robot có thể thay thế con người trong những công việc nguy hiểm. Với khả năng của
robot leo tường sẽ không chỉ cho phép chúng làm việc ở những nơi nguy hiểm thay
thế cho người cơng nhân mà cịn loại bỏ được những tốn kém do giàn giáo, phương
tiện cơ giới.
Đối với một Robot leo tường, điều khó nhất đó chính là cơ cấu bám hút trên
tường, làm cách nào robot có thể di chuyển trên bề mặt 90 độ mà không bị rơi. Đặc
biệt là trọng lượng Robot phải thiết kế càng gọn nhẹ càng tốt. Khi hồn thành, Robot
có thể thay thế con người làm việc một cách an toàn và hiệu quả.
Với những phương pháp thường sử dụng trong robot leo tường như: giác hút
chân khơng, các chất kết dính, mô phỏng sinh học từ động vật, sử dụng nam châm…
không thể đáp ứng được yêu cầu khi gặp những bước tường gồ ghề hoặc có khe nứt
nhỏ. Vì vậy mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu thiết kế để chế tạo ra một robot

6



leo tường sử dụng phương pháp hút không tiếp xúc. Phương pháp này có thể giải
quyết được những khó khăn và thách thức.
1.3 Đặt đầu bài cụ thể
• Theo yêu cầu đề bài, Robot leo tường cần có trọng lượng khơng q lớn để
linh hoạt trong di chuyển.
• Robot chỉ di chuyển trong các bề mặt là mặt phẳng.
• Chiều cao tường H: 1 – 2 m.
• Vận tốc leo tường v ≥ 0,2 m/s.
• Trên Robot có cơ cấu gắp phơi, khối lượng phơi ≤ 1 kg.
• Khối lượng tổng ≤ 10 kg.
• Sử dụng tối đa 2 động cơ truyền động.
• Được thiết kế trên hai hệ thống độc lập với hệ thống hút và hệ thống truyền
động.

7


CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2.1 Tìm hiểu vấn đề
Dựa vào đầu bài cụ thể, đầu tiên cần phải tìm hiểu về vấn đề chính của đề tài,
tham khảo các nguồn tài liệu tin cậy và những nghiên cứu, mơ hình đã có trên thị
trường để so sánh và tìm ra những ưu nhược điểm của những mơ hình đó. Nếu là ưu
điểm thì cần dựa vào đó mà phát huy và làm tốt hơn, nếu là nhược điểm thì cần ghi
chú lại để tránh phạm phải vào sai lầm của người đi trước. Đặc biệt, với những điểm
mạnh mà người đi trước đã dày cơng nghiên cứu, ta có thể tận dụng lại và phát triển
nó lên, đây khơng phải là hành động lạm dụng chất xám của người khác, vì cần phải

dẫn nguồn và xin phép trước khi sử dụng.
Robot leo tường là một sản phẩm mang đủ những đặc tính cơ bản của Cơ-điện
tử. Với những nghiên cứu của người đi trước, các Robot leo tường thường sử dụng
thành phần rất đa dạng.
Ứng dụng cụ thể: Robot leo tường thay thế con người trong những công việc
trên cao, hạn chế tối đa vật tư, giàn giáo, các thiết bị bảo vệ. Đó là những cơng việc
như: lau kính, vệ sinh trần nhà, cứu hộ động vật, lấy những vật trên cao,…
Trong phạm vi giới hạn của yêu cầu đề bài, Robot leo tường này là một mơ hình
đa dụng, vừa có khả năng leo tường, vừa có khả năng gắp phoi, gắp vật dụng khi di
chuyển trên mặt đất. Vì vậy, u cầu tối thiểu đó là Robot phải leo tường được và
phải có cơ cấu gắp vật.
Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu:
Robot có tổng khối lượng dưới 10 kg, leo tường từ 1 – 2 mét. Sử dụng 2 động
cơ truyền động, vận tốc tối thiểu 0,2 m/s.
Cơ cấu hút và cơ cấu truyền động được điều khiển độc lập.

8


2.2 Nghiên cứu trong nước:
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Robot leo trần nhà (2014)
Đây là nghiên cứu của sinh viên Hồ Minh Phương tại Trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. [3]
Robot leo tường, trần nhà trong luận văn này được gắn 2 chổi lau giúp vệ sinh
tường hoặc kính. Với cơ cấu hút là máy nén khí được gắn rời nên khối lượng và kích
thước tổng thể của Robot này rất nhỏ gọn và dễ dàng leo trên tường, trần nhà. Được
điều khiển bằng cặp IC SM6136 và SM6135.
Phần khung của Robot sử dụng chất liệu mica, để cố định mạch điều khiển và các
động cơ truyền động.
Robot sử dụng cơ cấu truyền động đai với 2 động cơ chủ động đặt 2 bên thân Robot.

Phía trước Robot được gắn 2 động cơ độc lập dùng làm cơ cấu chổi lau.

Hình 2.1 Robot leo trần nhà SPKT
2.3 Nghiên cứu ngoài nước
Wall Climbing Robot (WCR) Based on Vortex Actuation (2018)
“Modeling, Identification and Control of a Wall Climbing Robot Based on
Vortex Actuation” là luận văn thạc sĩ của sinh viên Andreas Papadimitriou tại Trường
Đại học Công nghệ Lulea thuộc Thụy Điển. [4]

9


Robot leo tường trong luận văn này rất nhỏ gọn và có phần cơ khí được thiết kế
rất chun nghiệp. Andreas cho biết Robot này có khả năng di chuyển trên nhiều địa
hình khác nhau, các góc nghiêng và dốc đứng khơng thể làm khó được nó. Ngồi ra
Robot leo tường này cịn có khả năng di chuyển trên trần nhà úp ngược.
Tác giả sử dụng động cơ phản lực không chổi than (BLDC – EDF) với công
suất 300W làm cơ cấu hút và đặt ở giữa khung Robot. Arduino được chọn làm vi điều
khiển chính cho luận văn này, do tác giả sử dụng thêm nhiều loại cảm biến gắn khắp
các bộ phận của Robot như cảm biến lực, cảm biến áp suất nên cần một vi điều khiển
đa năng và dễ sử dụng.
Về cơ cấu truyền động, Robot WCR sử dụng 3 động cơ Servo Herkulex
DRS0101 đến từ Hàn Quốc. Với 2 động cơ đặt ở bánh trước và một động cơ được
kết nối để điều chỉnh cơ cấu hút.

Hình 2.2 Các góc nhìn của Robot WCR

Hình 2.3 Mơ hình WCR

10



Bộ khung của Robot được in 3D từ vật liệu PLA, các cơ cấu kết nối sử dụng
ống bằng Carbon Fiber với đường kính 10mm tạo độ chắc chắn cho Robot.
2.4 So sánh các giải pháp
Cho tới nay, phần lớn các mơ hình Robot leo tường đều sử dụng các kỹ thuật
như:
• Kỹ thuật từ tính được sử dụng để leo trên bề mặt kim loại.
• Kỹ thuật mơ phỏng sinh học tương tự lấy cảm hứng từ động vật leo trèo.
• Kỹ thuật sử dụng keo và các loại chất dính kết để bám dính.
• Kỹ thuật làm phát sinh lực hút dựa trên nguyên tắc khí động học.
Dù vậy, những cơng nghệ đó chỉ hiệu quả với một số trường hợp nhất định nên
vẫn cịn khơng ít những điểm hạn chế cần khắc phục: không thể bám vào bề mặt đầy
bụi, không thể bám vào bề mặt xốp hoặc có khe nứt. Mặt khác, khi sử dụng những
chất kết dính để bám trên bề mặt thì có thể để lại những vết keo khó có thể tẩy được.
Sau khi tham khảo nhiều mơ hình trước đó, nghiên cứu của sinh viên trường Sư
phạm Kỹ thuật và nghiên cứu WCR của sinh viên Andreas có những phương pháp
tối ưu và được thi công rất tỉ mỉ. Khi những người đi trước đã ghi nhận được những
thành tựu nhất định và khơng thể thay thế được, người ta có thể dựa vào đó để cải
tiến thêm cho sản phẩm của mình hoặc học hỏi họ để phát triển nên một sản phẩm kế
thừa những điểm mạnh, những tinh túy của thế hệ đi trước. Bên cạnh đó cần phải xem
xét các khía cạnh Kỹ thuật, Kinh tế, Mơi trường để tìm ra phương pháp tối ưu nhất
cho
Bảng 2.1 Các khía cạnh của giải pháp
Mơ hình

Cơ cấu hút

Truyền động


Vi điều khiển

Hiệu quả

Giá thành

SPKT

Khí nén

Đai

IC6135

Tốt

Cao

WCR

EDF

Servo

Arduino

Tốt

Tốt


Về mặt kỹ thuật:

11


Cơ cấu hút sử dụng khí nén địi hỏi người thi cơng phải có nhiều kiến thức về
thủy lực, khí nén. Đồng thời phải nắm vững kiến thức cơ khí để thiết kế và gia công
cơ cấu hút với vật liệu phù hợp, tính tốn về độ bền của khung, của vật liệu khi sử
dụng khí nén. Khi sử dụng cơ cấu hút này, khơng cần phải có kiến thức chun mơn
về lập trình mà chỉ cần có học qua về cơ bản có thể sử dụng phương pháp này.
Cơ cấu hút sử dụng EDF thì ngược lại, tuy vẫn cần vững các kiến thức vật lý,
tính tốn cơ bản nhưng loại động cơ này khơng làm khó người thi cơng trong q
trình thiết kế, cũng như khơng cần q nhiều kiến thức về thủy lực khí nén hay cơ
khí. Khi sử dụng EDF làm cơ cấu hút, cần nắm vững kiến thức lập trình để có thể
điều chỉnh được tốc độ và áp suất của động cơ này thông qua các giải thuật.
Khi sử dụng IC6135 làm vi điều khiển chính, tác giả cần phải chú ý đến nhiều
linh kiện điện tử nhỏ khác, điều này vơ hình trung làm cho đồ án trở nên khó nhằn và
rắc rối hơn, đồng thời nếu có sai sót ở đâu cũng khó thể nào sửa chữa do đây khơng
phải là phương pháp phổ biến. Vì vậy, cần xem xét vi điều khiển Arduino vì nó rất
phổ biến trên thị trường với cộng đồng hỗ trợ đông đảo, kho tàng thư viện đồ sộ và
mơi trường lập trình thân thiên với sinh viên cơ điện tử.
Về khía cạnh kinh tế:
Kinh tế là nỗi lo lắng của bất cứ sinh viên nào khi làm đồ án tốt nghiệp, vì vậy
cần lựa chọn phương án tối ưu đáp ứng tốt được nhiều khía cạnh mà vẫn đảm bảo
được kinh tế. Khi lựa chọn linh kiện cho mơ hình, người thi cơng cần phải xem xét
về độ phổ biến, sự hiệu quả của nó, đặc biệt các linh kiện này phải dễ dàng tìm kiếm
và thay thế, có những thơng số kỹ thuật rõ ràng để tránh các trường hợp phải mua
linh kiện với giá thành q cao vì độ hiếm của nó. Cơ cấu hút EDF và vi điều khiển
Arduino là những ứng viên sáng giá cho mơ hình Robot leo tường.
Các mặt khác:

Khi tiến hành gia công một sản phẩm thực tế, người kỹ sư cần tìm hiểu về các
linh kiện, tính ứng dụng thực tiễn của sản phẩm đó trên thị trường. Tránh làm ra sản
phẩm mà khơng nhận được sự đón nhận do khơng có tính thực tế. Khi nghiên cứu

12


một sản phẩm nào đó, phải đảm bảo được nó sẽ hoạt động hiệu quả và khơng có sự
tác động tiêu cực nào đối với xã hội, môi trường sống của các sinh vật tồn tại trong
thiên nhiên. Chẳng hạn như sản phẩm khơng được thải ra các khí độc hại, hay làm ơ
nhiễm khơng khí, nguồn nước sinh hoạt cũng như tự nhiên và phải đảm bảo nó khơng
ảnh hưởng tiêu cực đến người khác.

13


CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

3.1 Chọn phương án bố trí hệ thống truyền động cho Robot leo tường
Để Robot di chuyển được thì phải có hệ thống bánh dẫn. Cần xem qua lần lượt
các loại bánh dẫn thường được sử dụng cho Robot di động để có thể chọn ra loại bánh
dẫn phù hợp với mục tiêu thiết kế Robot leo tường.
Leo tường bằng “tay, chân”
Việc sử dụng “tay, chân” để leo tường là được mơ phỏng từ mơ hình sinh học
của côn trùng hoặc tắc kè, thằn lằn để leo lên tường và trần nhà. Với cơ cấu này thì
áp dụng các kiến thức cơ học khá nhiều, nó là một hệ thống truyền động phức tạp với
các nguyên công và yêu cầu về bậc tự do khác nhau. Cơ cấu leo tường bằng “tay,
chân” thường vận dụng các giác hút và hút chân khơng để leo kính hoặc sử dụng nam

châm để bám vào các bức vách bằng kim loại. Số lượng “tay, chân” sẽ đảm bảo khả
năng chịu tải và lực hút của hệ thống nhưng sẽ làm tăng kích thước và trọng lượng
của Robot rất nhiều. Để khắc phục những vấn đề trên, một Robot mang tên REST 1
đã ra đời, nó đảm bảo độ ổn định khi leo tường với hệ thống 6 chân với cơ cấu hút
chân không được trang bị ở mỗi chân. Robot này có khả năng kiểm tra, làm sạch vỏ
của các con tàu. Đặc biệt nó cịn được trang bị cảm biến để kiểm tra các mối hàn. [5]

Hình 3.1 Robot REST 1

14