1. Đặt vấn đề

Trong bối cảnh tự động hóa và robot ngày càng phát triển mạnh mẽ, nhu cầu thay thế con người trong các môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm hoặc yêu cầu độ chính xác cao đang trở nên cấp thiết. Các hệ thống robot cộng tác (collaborative robots) không chỉ nâng cao năng suất lao động mà còn góp phần đảm bảo an toàn cho người vận hành.

Bàn tay là cơ cấu có độ phức tạp cơ học và điều khiển cao nhất trong cơ thể người. Do đó, việc thiết kế bàn tay robot có khả năng mô phỏng linh hoạt chuyển động sinh học là một thách thức lớn trong lĩnh vực cơ điện tử. Hệ thống bàn tay robot điều khiển bằng găng tay cảm biến mang lại giải pháp trực quan, trong đó chuyển động của người vận hành được truyền trực tiếp đến robot theo thời gian thực.

Nghiên cứu này hướng đến xây dựng một hệ thống đơn giản, chi phí thấp, dễ chế tạo nhưng vẫn đảm bảo khả năng mô phỏng chuyển động chính xác. Hệ thống được tối ưu về độ tin cậy của cảm biến, tính ổn định của truyền thông không dây và khả năng đáp ứng của cơ cấu chấp hành.

2. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống bao gồm hai phần chính: găng tay điều khiển và bàn tay robot. Mỗi phần được thiết kế với các thành phần phần cứng và chức năng riêng biệt nhưng hoạt động đồng bộ thông qua giao tiếp không dây.

2.1. Vi điều khiển Arduino

Trong thiết kế này, Arduino Nano V3.0 (ATmega328P) được sử dụng cho khối găng tay nhờ kích thước nhỏ gọn, phù hợp tích hợp trên bề mặt linh hoạt. Arduino Uno R3 được sử dụng cho bàn tay robot nhờ khả năng cấp nguồn ổn định và số lượng chân I/O đáp ứng yêu cầu điều khiển nhiều servo.

Arduino Nano thu nhận tín hiệu analog từ các cảm biến uốn cong thông qua các chân A1 đến A5. Sau khi xử lý và ánh xạ giá trị điện áp sang góc quay servo tương ứng, dữ liệu được truyền qua mô-đun nRF24L01. Ở phía robot, Arduino Uno tiếp nhận dữ liệu, giải mã và phát xung PWM điều khiển động cơ servo.

2.2. Cảm biến uốn cong (Flex sensor)

Cảm biến flex là một loại điện trở biến thiên theo độ cong. Khi bị uốn, điện trở của cảm biến tăng lên tương ứng với bán kính cong giảm. Mỗi cảm biến được gắn dọc theo một ngón tay người vận hành.

Để đo giá trị điện trở thay đổi, cảm biến được mắc theo cấu hình cầu phân áp cùng với điện trở cố định 10kΩ. Điện áp tại điểm giữa được đưa vào bộ chuyển đổi ADC của Arduino. Từ đó, hệ thống xác định mức độ uốn cong và chuyển đổi thành góc quay phù hợp cho động cơ servo.

2.3. Mô-đun truyền thông nRF24L01

Mô-đun nRF24L01 hoạt động trong dải tần ISM 2,4 GHz, sử dụng điều chế GFSK. Thiết bị hỗ trợ tốc độ truyền từ 250 kbps đến 2 Mbps và có thể đạt khoảng cách lên đến 100 m trong điều kiện không vật cản.

Mô-đun giao tiếp với Arduino thông qua chuẩn SPI. Hai chân CE và CSN được sử dụng để điều khiển chế độ hoạt động, trong khi các chân MOSI, MISO và SCK đảm nhiệm truyền dữ liệu. Tính năng Enhanced ShockBurst cho phép truyền dữ liệu hai chiều và tăng độ tin cậy.

2.4. Động cơ servo

Hệ thống sử dụng năm động cơ servo quay góc 0–180°. Servo được cấp nguồn 5V và điều khiển bằng tín hiệu PWM từ Arduino Uno. Mỗi servo tương ứng với một ngón tay robot, đảm bảo tái tạo chuyển động độc lập.

3. Cấu trúc điều khiển hệ thống

Quá trình điều khiển diễn ra theo chuỗi: thu thập dữ liệu – xử lý – truyền không dây – tiếp nhận – điều khiển chấp hành.

Khi người vận hành uốn cong các ngón tay, cảm biến flex thay đổi điện trở. Arduino Nano đọc giá trị analog, chuyển đổi thành dữ liệu số và gửi qua nRF24L01. Ở phía robot, Arduino Uno nhận dữ liệu, xử lý và xuất tín hiệu PWM điều khiển servo.

Hệ thống được lập trình để hiệu chỉnh giới hạn góc quay nhằm tránh quá tải cơ khí và đảm bảo độ bền linh kiện.

4. Thiết kế và mô phỏng mạch

Sơ đồ mạch được thiết kế bằng phần mềm Proteus 8 nhằm kiểm tra logic kết nối và đảm bảo tính khả thi trước khi chế tạo thực tế.

Găng tay điều khiển sử dụng pin 9V làm nguồn. IC ổn áp AMS1117 được tích hợp để hạ áp xuống 3,3V cấp cho nRF24L01, kết hợp tụ điện 1000µF nhằm ổn định điện áp. Các chân analog A1–A5 kết nối với năm cảm biến flex thông qua điện trở phân áp.

Ở phía bàn tay robot, nguồn 9V được chuyển đổi và ổn áp để cấp cho Arduino và servo. Tụ 47µF được sử dụng để giảm nhiễu khi servo hoạt động đồng thời.

5. Thiết kế và lắp ráp cơ khí

Phần cơ khí của bàn tay robot được thiết kế trên nền tảng mô phỏng bàn tay người. Các chi tiết được in 3D bằng vật liệu nhựa PLA. Mỗi ngón tay gồm các khớp nối cho phép chuyển động gập duỗi. Hệ thống dây kéo đàn hồi mô phỏng gân tay, kết nối từ servo đến đầu ngón.

Cấu trúc được tối ưu nhằm giảm khối lượng, tránh va chạm giữa các servo và đảm bảo không gian lắp đặt hợp lý.

6. Kết quả thực nghiệm

Hệ thống được kiểm tra với các thao tác uốn từng ngón riêng lẻ và đồng thời. Kết quả cho thấy:

Thứ nhất, hệ thống có độ trễ trung bình khoảng 0,5 giây trong điều kiện không vật cản. Khi có nhiều vật cản, độ trễ có thể tăng lên xấp xỉ 1 giây.

Thứ hai, phạm vi hoạt động ổn định đạt khoảng 10 m trong môi trường mở.

Thứ ba, chuyển động cơ khí tương đối mượt sau khi xử lý bề mặt in 3D. Một số điểm cản trở do nhựa thừa được khắc phục bằng gia công cơ học hoặc thay đổi vật liệu in.

Hệ thống có thể cầm nắm các vật thể có kích thước và hình dạng khác nhau, cho thấy tính ứng dụng thực tiễn cao.

7. Kết luận

Nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống bàn tay robot điều khiển bằng găng tay cảm biến. Hệ thống có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, linh kiện dễ tìm và khả năng nâng cấp linh hoạt.

Mặc dù vẫn tồn tại độ trễ truyền thông và hạn chế về độ chính xác cơ khí, kết quả đạt được cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong các môi trường nguy hiểm, đào tạo robot, nghiên cứu tương tác người – máy và hỗ trợ người khuyết tật.

Trong tương lai, hệ thống có thể được cải tiến bằng cách sử dụng cảm biến IMU để tăng độ chính xác, áp dụng thuật toán lọc nhiễu Kalman và tối ưu cơ cấu truyền động nhằm giảm ma sát và tăng tốc độ phản hồi.