Cánh Tay Robot 4 Bậc Tự Do: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động & Ứng Dụng

Trong thời đại công nghiệp 4.0, robot đang dần trở thành một phần quan trọng trong sản xuất, nghiên cứu và đời sống. Bên cạnh những mẫu robot phức tạp với nhiều bậc tự do, cánh tay robot 4 bậc tự do nổi bật nhờ sự cân bằng giữa tính linh hoạt và cấu trúc gọn gàng. Trong bài viết này hãy cùng tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động & ứng dụng của cánh tay robot 4 bậc tự do. 

Khái niệm về cánh tay Robot 4 bậc tự do

Cánh tay robot 4 bậc tự do ( còn hay gọi là 4 DOF Robot Arm). Đây là loại robot có khả năng thực hiện bốn chuyển động độc lập nhờ bốn khớp hoặc trục điều khiển riêng biệt. Chuyển động sẽ bao gồm: xoay đế, gập/duỗi khớp vai, gập/duỗi khớp khuỷu và xoay cổ tay. Nhờ đó, robot định vị và điều chỉnh hướng của đầu công cụ (end-effector) linh hoạt, mở rộng phạm vi thao tác và nâng cao độ chính xác.

Cấu tạo chung của cánh tay Robot 4 bậc tự do

Bộ phận thân robot (Base):

Là phần nền tảng, thường được cố định trên bề mặt hoặc tích hợp vào hệ thống di động. Thân đóng vai trò giữ ổn định và làm điểm tựa cho toàn bộ các khớp và khâu phía trên.

Bộ phận các khớp của robot(Joints):

Cánh tay robot 4 bậc tự do được cấu thành từ bốn khớp chính, chủ yếu là khớp quay (Revolute Joint) cho phép các bộ phận xoay quanh một trục cố định. Trong một số trường hợp đặc biệt có thể dùng khớp trượt (Prismatic Joint) để tạo chuyển động tịnh tiến.

• Khớp 1 (Đế): Xoay toàn bộ cánh tay quanh trục đứng.
• Khớp 2 (Vai): Điều khiển cánh tay trên nâng lên hoặc hạ xuống.
• Khớp 3 (Khuỷu): Cho phép cẳng tay gập hoặc duỗi.
• Khớp 4 (Cổ tay): Xoay hoặc nghiêng đầu công cụ để định hướng thao tác.

Phần khâu (Links):

Là những đoạn cứng kết nối các khớp với nhau, đóng vai trò như “xương” của robot. Kích thước và khối lượng của từng khâu ảnh hưởng trực tiếp đến tầm với cũng như khả năng chịu tải.

Bộ phận truyền động (Actuators):

Đây là “cơ bắp” tạo ra lực và chuyển động cho robot. Phổ biến nhất là động cơ servo DC với khả năng điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và mô-men xoắn. Ngoài ra còn có động cơ bước cho ứng dụng đơn giản, chi phí thấp, hoặc xy lanh khí nén/thủy lực trong môi trường công nghiệp cần lực mạnh.

Các cảm biến (Sensors):

Có nhiệm vụ cung cấp thông tin phản hồi. Bao gồm:

• Encoder để đo chính xác góc quay của từng khớp.
• Công tắc hành trình (Limit switch) nhằm ngăn vượt quá giới hạn an toàn.
• Ở các hệ thống nâng cao, trang bị thêm cảm biến lực, mô-men xoắn hoặc camera để robot tương tác tốt hơn với môi trường.

Bộ phận điều khiển (Controller):

Được xem là “bộ não” của robot, có nhiệm vụ xử lý dữ liệu từ cảm biến, tính toán động học và gửi tín hiệu điều khiển tới động cơ. Tùy vào ứng dụng, bộ điều khiển có thể là vi điều khiển đơn giản (Arduino, Raspberry Pi), PLC công nghiệp hoặc máy tính công nghiệp.

Vi điều khiển (Microcontroller): Ví dụ như Arduino, ESP32. Phù hợp cho các dự án nhỏ, học tập và nghiên cứu cơ bản nhờ đặc điểm đơn giản, chi phí thấp, dễ tiếp cận.

Bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Thường xuất hiện trong môi trường công nghiệp. Nổi bật với độ bền, tính ổn định và khả năng xử lý logic mạnh mẽ, đảm bảo vận hành an toàn và liên tục.

Máy tính công nghiệp : Raspberry Pi là đại diện tiêu biểu, có sức mạnh xử lý cao hơn. Hỗ trợ chạy hệ điều hành, lập trình nâng cao và kết nối mạng thích hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính toán phức tạp. 

Công cụ cuối cùng (End-effector):

Là “bàn tay” của robot, gắn ở phần cuối cánh tay để trực tiếp tương tác với vật thể. Các dạng phổ biến gồm:

• Kẹp (Gripper): 2 ngón, 3 ngón, kẹp song song hoặc kẹp góc.
• Giác hút chân không: phù hợp với vật liệu phẳng.
• Công cụ chuyên dụng: như mỏ hàn, vòi phun sơn, đầu cắt laser hay tuốc nơ vít, tùy theo ứng dụng cụ thể.

Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot 4 bậc tự do

Động học thuận (Forward Kinematics):

Đầu tiên robot xác định vị trí và phương hướng của đầu công tác dựa trên các giá trị góc tại từng khớp. Khi đã biết chính xác độ quay của đế, vai, khuỷu và cổ tay, ta có thể tính toán được “bàn tay” của robot đang nằm ở đâu trong không gian làm việc. Quá trình này thường sử dụng các phép biến đổi ma trận hoặc phương pháp hình học không gian.

Động học nghịch (Inverse Kinematics):

Đây là chiều ngược lại và thường khó xử lý hơn. Khi người dùng chỉ định một điểm đến cụ thể cho robot, hệ thống điều khiển phải giải bài toán để tìm ra các góc khớp phù hợp, đảm bảo bộ phận công tác cuối chạm đến đúng vị trí mong muốn. Một số trường hợp có thể có nhiều lời giải hoặc không khả thi nếu mục tiêu nằm ngoài tầm với.

Cơ chế điều khiển robot:

• Bộ điều khiển nhận yêu cầu từ người vận hành (ví dụ: di chuyển tới tọa độ định trước và xoay theo một góc nhất định).
  
• Hệ thống tính toán các giá trị khớp cần đạt dựa trên động học nghịch.Tín hiệu điều khiển sau đó được truyền đến từng động cơ hoặc bộ truyền động.
  
• Cảm biến tại mỗi khớp gửi phản hồi liên tục để so sánh giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn.
  
• Bộ điều khiển điều chỉnh ngay lập tức để duy trì chuyển động chính xác, hình thành vòng lặp phản hồi khép kín.
  

Thực thi nhiệm vụ:
Chẳng hạn khi cần nhặt một vật từ vị trí A và đặt sang B, robot sẽ xây dựng một quỹ đạo di chuyển tối ưu. Các khớp hoạt động nhịp nhàng theo tính toán để đảm bảo đầu công tác đi đúng hướng, tránh va chạm và thực hiện thao tác trơn tru.

Ứng dụng của cánh tay Robot 4 bậc tự do

Ứng dụng cánh tay robot 4 bậc tự do trong công nghiệp

Gắp và đặt (Pick & Place): Robot đảm nhận thao tác lấy sản phẩm từ băng chuyền hoặc từ một vị trí cố định rồi đặt vào khay, hộp hoặc dây chuyền tiếp theo. 

• Lắp ráp cơ bản: Những nhiệm vụ như lắp chi tiết nhỏ vào cụm sản phẩm, siết ốc hoặc ghép các bộ phận đơn giản. 
• Sơn, hàn lặp lại: Làm việc với các bề mặt phẳng hoặc đường hàn cơ bản. Robot khả năng duy trì chất lượng ổn định và giảm thiểu rủi ro cho người lao động. 
• Kiểm tra sản phẩm: Gắn thêm camera hoặc cảm biến. Tự động di chuyển đến các vị trí cần kiểm tra, thu thập dữ liệu và hỗ trợ khâu đánh giá chất lượng.
• Cấp phôi, cấp liệu: Chúng thường được sử dụng để đưa nguyên liệu, linh kiện hoặc bán thành phẩm vào máy móc. 

Ứng dụng cánh tay robot 4 bậc tự do trong giáo dục và nghiên cứu

Đào tạo robot học: Sinh viên tiếp cận thực tế với cấu trúc cơ khí, động học, điều khiển và lập trình robot thông qua mô hình này.

Nghiên cứu khoa học: Các nhà nghiên cứu thường dùng chúng làm nền tảng để thử nghiệm thuật toán điều khiển. Phát triển thị giác máy tính hoặc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong robot.

Ứng dụng cánh tay robot 4 bậc tự do trong dân dụng và dịch vụ

Dù chưa phổ biến như trong công nghiệp, nhưng robot 4 bậc tự do đang mở rộng tiềm năng ở nhiều lĩnh vực dịch vụ – giải trí. Một số ứng dụng thú vị như pha chế đồ uống, phục vụ tại quán cà phê, hoặc hỗ trợ trình diễn trong các sự kiện cũng đang được triển khai thử nghiệm.

Xem thêm: Cánh Tay Robot 3 Bậc Tự Do: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động & Ứng Dụng

Nếu bạn đang tìm hiểu hoặc muốn sở hữu các sản phẩm robot chất lượng, hãy tham khảo ngay tại Myrobot.asia – địa chỉ đáng tin cậy cho giải pháp robot hiện đại.

MYROBOT - Chúng tôi là chuyên gia trong mảng sản xuất, cung cấp và phân phối các hệ thống thiết bị robot phục vụ công nghiệp...Được khách hàng tin dùng tại Việt Nam.