Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D - Pantograph

ic cũng có thể được xem như là một hệ 
thống robot điều khiển từ xa (teleoperation robotics). Trong 
một hệ thống robot điều khiển từ xa, phản hồi lực được sử 
dụng trên cánh tay chủ để cung cấp cho người điều khiển hệ 
thống thông tin về tương tác cơ học giữa cánh tay tớ với môi 
trường bên ngoài. Một cánh tay chủ lý tưởng là cánh tay có 
quán tính tối thiểu và độ cứng vững rất lớn, qua đó cho phép 
người điều khiển cảm nhận lực tương tác với môi trường bên 
ngoài như thể cánh tay chủ không tồn tại. Ở một hệ thống 
haptic phản hồi lực, cánh tay robot tớ và môi trường làm việc 
xung quanh được thay bằng môi trường ảo được hiển thị trên 
máy tính. Thiết bị haptic chính là robot chủ, có nhiệm vụ thu 
thập dữ liệu cơ học từ người sử dụng và phản hồi thông tin cơ 
học tới người sử dụng. 
H.2 thể hiện nguyên lý hoạt động của hệ thống: Thiết bị sẽ đo 
vị trí của tay cầm, từ đó tính toán ra vị trí của tay cầm trong 
thế giới ảo, và kiểm tra xem tay cầm có chạm phải vật thể ảo 
hay không. Nếu va chạm xảy ra, động cơ sẽ được điều khiển 
để cung cấp lực tác động ra tay cầm. Trên lý thuyết, nếu đáp 
ứng của hệ thống đủ nhanh, người sử dụng thiết bị sẽ cảm 
nhận được lực như là đang tương tác thực sự với vật thể ảo. 
H.2 Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống phản hồi lực [2]. 
Trong bài báo này, chúng tôi đề cập đến việc thiết kế và chế 
tạo một thiết bị phản hồi lực trong không gian 2 chiều dựa trên 
cơ cấu Pantograph. Cấu trúc cơ khí được thiết kế phù hợp với 
các ứng dụng phản hồi lực cho cánh tay con người. Những thử 
nghiệm ban đầu đã thành công, qua đó chứng tỏ được những 
tiềm năng ứng dụng của thiết bị, ví dụ như trong lĩnh vực phục 
hồi chức năng. 
2 
I. THIẾT KẾ THIẾT BỊ PANTOGRAPH 
A. Lựa chọn cơ cấu truyền động 
Cũng giống như đa số các thiết bị haptic phản hồi lực khác, cơ 
cấu Capstan được chúng tôi lựa chọn sử dụng để truyền động 
cho hệ thống. H.3 mô tả đĩa truyền động capstan với cơ cấu 
căng dây. 
H.3 Đĩa truyền động Capstan 
Một sợi dây cước được quấn vòng quanh trục động cơ trước 
khi được kéo tới cơ cấu căng dây dọc theo bề mặt của đĩa 
truyền động. Số vòng quấn tối thiểu là 5 vòng để tránh trường 
hợp trục động cơ trượt trên sợi dây cước. 
B. Tính toán lựa chọn động cơ 
H.4 Biểu diễu hệ lực lên các cơ cấu của hệ thống 
Với yêu cầu lực tác động tại hai điểm P2 và P4 là như nhau và 
bằng 10N được biểu diễn như hình 4 ở trên. Chúng tôi sử dụng 
2 động cơ điện DC – Servo để điều khiển mômen (điều khiển 
dòng) cho hệ thống này. Do tỉ số truyền của hệ thống truyền 
động bằng Capstan là 1:10, nên mô-men tối đa của động cơ 
được ước lượng khoảng 0.3 N.m. Chúng tôi chọn động cơ 
50W để đạt được các yêu cầu về lực đã đặt ra. 
C. Cảm biến 
Để điều khiển mômen, 2 encoder được sử dụng đặt tại vị trí 
trục động cơ để đọc về giá trị các góc quay của động cơ, ngoài 
ra chúng tôi còn sử dụng cảm biến dòng ACS 712 để đo dòng 
và điều khiển dòng cho 2 động cơ. 
D. Mạch điện điều khiển 
Vi điều khiển PIC 16f887 được sử dụng để lập trình điều 
khiển cho cả hệ thống. Mạch công suất H_BRIDGE 
DCMOTOR_IRF2184 được sử dụng để cung cấp dòng điều 
khiển 2 động cơ. Do hạn chế của vi xử lý PIC về nhiều mặt 
(độ phân giải của cổng ADC thấp, bộ nhớ ít …), nên thiết bị 
vẫn chưa đạt được đáp ứng tối ưu. Trong tương lai gần, một 
giải pháp khác vi xử lý khác sẽ được sử dụng để khai thác 
thiết bị tốt hơn. 
E. Thiết kế mô hình cơ khí cho thiết bị phản hồi lực – 
Pantograph 
Hình 5 dưới đây là mô hình thực tế của thiết bị Pantograph mà 
chúng tôi đã chế tạo được. 
H.5 Thiết bị phản hồi lực – Pantograph. 
Trong thiết bị này, ngoài cơ cấu truyền động bằng dây Capstan 
còn có cơ cấu song song gồm có 4 khâu, 5 khớp. Tất cả các 
khâu được làm từ vật liệu Nhôm. Khâu thứ nhất (cánh tay gần) 
được gắn chặt với trục của cơ cấu Capstan bằng chốt định vị 
và ốc vít. Đầu còn lại được nối với khâu thứ hai (tay xa) bằng 
liên kết trục quay với ổ bi. Một đầu còn lại của hai khâu thứ 
hai được liên kết với nhau bằng liên kết trục - ổ bi tạo thành 
khâu khép kín như H.5. 
II. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VÀ GIỚI HẠN 
KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ PHẢN HỒI 
LỰC – PANTOGRAPH 
A. Phương trình động học của thiết bị phản hồi lực – 
Pantograph 
Sơ đồ động học của Pantograph được thể hiện trong hình 6. Vị 
trí tay cầm được đặt ở điểm P3. Hai động cơ sẽ truyền động 
trực tiếp đến hai khớp quay tại O và P5 thông qua cơ cấu 
truyền động Capstan. Với phương trình động học của cơ cấu, 
trạng thái của điểm P3 được xác định bởi các góc quay q1 và q2 
được đọc từ encoder của động cơ. 
Proceedings in Mechatronics 
Ho Chi Minh City University of Technical Education 
No.1 
2013 
3 
H.6 Sơ đồ động học của thiết bị phản hồi lực Pantograph 
Theo tính toán động học, chúng ta tìm sẽ tìm tọa độ của điểm 
P3 từ hai góc quay q1 và q2. Từ sơ đồ trên ta thấy tọa độ 2 điểm 
P2, P4 có thể được tính theo q1, q2, a, b như sau: 
 P2 (x2, y2) = [x2= bcos(q1), y2=bsin(q1)]T (1) 
 P4 (x4, y4) = [x4= bcos(q2) – a, y4= bsin(q2)]T (2) 
Tọa độ điểm Ph có thể được tính theo công thức sau: 
 (3) 
Cuối cùng, tọa độ điểm P3 được tính như sau: 
(4) 
Trong đó, ma trận M được tính như sau: 
 (5) 
và: 
 (6) 
Phương trình động học của hệ thống được viết như sau: 
 (7) 
Trong đó: Ma trận Jacobian (J) được tìm ra bằng cách đạo 
hàm từng phần phương trình động học của hệ thống theo các 
khớp quay q1 và q2 theo công thức dưới đây: 
 (8) 
B. Các trường hợp suy biến và Giới hạn không gian hoạt 
động cho thiết bị phản hồi lực – Pantograph 
Các hình 7,8,9 dưới đây biểu diễn các vị trí suy biến của thiết 
bị: 
H.7 Trường hợp suy biến thứ nhất, P2, P3, P4 thẳng hàng 
H.8 Trường hợp suy biến thứ hai, O, P2, P3 thẳng hàng 
H.9 Trường hợp suy biến thứ ba, P5, P4, P3 thẳng hàng 
Vùng làm việc của Pantograph được suy ra từ ba trường hợp 
suy biến được nêu ở phần trước. Bằng cách loại bỏ vùng gây 
ra suy biến cho hệ thống và lấy phần giao của 3 vùng làm việc 
tương đương với 3 trường hợp suy biến ta sẽ tìm được không 
gian hoạt động của thiết bị phản hồi lực Pantograph như hình 
10 dưới đây. 
4 
H.10 Vùng làm việc (vùng màu xanh) của thiết bị phản hồi lực 
Pantograph 
III. GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 
Hình 11 thể hiện giải thuật điều khiển của thiết bị Pantograph. 
Các tính toán động học được thực hiện trên máy tính (hoặc 
trên vi điều khiển chủ). Các mô-men của động cơ được điều 
khiển bởi 2 vi điều khiển tớ. Giao tiếp giữa vi điều khiển chủ 
và máy tính được thực hiện theo chuẩn RS-232. 
H.11 Thuật toán điều khiển vi điều khiển chủ được dùng cho hệ 
thống 
IV. KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình thiết bị 
phản hồi lực Pantograph với các đặc điểm kĩ thuật như trong 
bảng 1. 
 Bảng 1:Đặc điểm kĩ thuật của thiết bị 
Kích thước tổng thể 635x430 mm 
Giới hạn không gian hoạt động HCN: 300x400 mm 
Khối lượng 15kg 
Vật liệu Nhôm 
Thông số động cơ 50W, 400 xung, 24v, 5A 
Vi điều khiển PIC 16f887 
Cảm biến Encoder, cb dòng ACS 712 
Số khâu 4 khâu 
Bậc tự do 2 bậc tự do 
Một số thí nghiệm đầu tiên đã được tiến hành. Kết quả thực 
nghiệm thu được được trình bày trong các hình 12,13,14,15. 
Hệ thống ban đầu đã hoạt động ổn định. Tuy nhiên, độ phân 
giải vị trí của hệ thống cần được cải thiện nhằm tăng chất 
lượng truyền lực cho hệ thống. 
H.12 Đồ thị đọc vị trí của tay cầm với chuyển động hình chữ 
nhật (động cơ hoàn toàn bị động, tay cầm chuyển động theo ý của 
người sử dụng) 
H.13 Đồ thị đọc vị trí của tay cầm với chuyển động theo đường 
chéo của vùng làm việc (động cơ hoàn toàn bị động, tay cầm chuyển 
động theo ý của người sử dụng) 
Proceedings in Mechatronics 
Ho Chi Minh City University of Technical Education 
No.1 
2013 
5 
H.14 Đồ thị đọc vị trí của tay cầm với chuyển động bất kì (động 
cơ hoàn toàn bị động, tay cầm chuyển động theo ý của người sử 
dụng) 
V. KẾT LUẬN 
Thiết bị phản hồi lực có nhiều ứng dụng trong thực tế, cụ thể 
là các thiết bị phục hồi chức năng, các thiết bị robot điều khiển 
từ xa, các thiết bị ngoại vi giao tiếp với máy tính … Do đó, 
việc nghiên cứu chế tạo và phát triển các thiết bị phản hồi lực 
tại Việt Nam là thiết thực. Dựa trên nhu cầu thực tế đó, thiết bị 
phản hồi lực Pantograph Version 1 đã được thiết kế, chế tạo. 
Qua một số thử nghiệm ban đầu, hệ thống đã đáp ứng về cơ 
bản các yêu cầu đề ra về tốc độ, độ chính xác và phản hồi lực. 
Đây là một kết quả đáng khích lệ cho nhóm nghiên cứu trong 
việc tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu này tại trường Đại 
học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. 
LƠ ̀I CA ̉M ƠN 
Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận 
tình của thầy Cái Việt Anh Dũng và các Thầy cô thuộc Bộ môn 
Cơ điện tử Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TP HCM đã 
giúp đỡ nhóm hoàn thành đề tài. 
TA ̀I LIÊ ̣U THAM KHẢO 
[1] V. Hayward, O. R. Astley et al., “Haptic Interfaces and Devices”, The 
Mechanical Systems Handbook: Modeling, Measurement and Control. 
CRC Press.. 
[2] V. Hayward, K. E. MacLean, “Do It Yourself Haptics, Part 1”, IEEE 
Robotics and Automation Magazine, Vol 14, no 4, pp. 88-104, 2007. 
[3] G. Campion. "The pantograph MK-II: a haptic instrument," The 
Synthesis of Three Dimensional Haptic Textures: Geometry, Control, and 
Psychophysics, pp. 45-58, 2011. 
H.15 Đồ thị điều khiển dòng khi có va chạm giữa tay cầm và vật 
thể ảo lúc người dùng giữ cho tay cầm được cố định. 
Lê Văn Chương, hiện đang là sinh viên 
năm cuối chuyên ngành Cơ Điện tử - Đại 
học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Lĩnh vực 
nghiên cứu: thiết kế các chi tiết cơ khí, 
Haptics, quá trình tự động. 
Nguyễn Đức Vũ, hiện đang là sinh viên 
năm cuối chuyên ngành Cơ Điện tử - Đại 
học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Lĩnh vực 
nghiên cứu: thiết kế các chi tiết cơ khí, 
Haptics, quá trình tự động. 
Hà Trọng Hoàng, hiện đang là sinh viên 
năm cuối chuyên ngành Cơ Điện tử - Đại 
học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Lĩnh vực 
nghiên cứu: thiết kế các chi tiết cơ khí, 
Haptics, quá trình tự động.