Robot là những cỗ máy vận hành một cách tự động được phát triển cho nhiều mục đích khác nhau. Có nhiều loại robot bao gồm robot hàn, robot lắp ráp, robot giám sát, cứu hộ, v.v.. Có nhiều loại cảm biến khác nhau được sử dụng trong thiết kế robot để đáp ứng các yêu cầu cụ thể, được gọi là cảm biến robot. Những cảm biến này được sử dụng trong robot để làm cho chúng trở nên cơ học, đảm bảo sự hoạt động ổn định, chắc chắn và đạt được năng suất cao hơn. Nếu không có cảm biến thì robot sẽ bị xem như mù và điếc. Bài viết này thảo luận tổng quan về cảm biến robot, phân loại và ứng dụng của chúng.

Cảm biến robot là gì?

Cảm biến được sử dụng để ước tính điều kiện và môi trường xung quanh robot được gọi là cảm biến robot. Cảm biến này có chức năng giống như các cơ quan cảm giác của con người. Robot cần nhiều loại dữ liệu về môi trường xung quanh để hoạt động hiệu quả như vị trí, khoảng cách, vận tốc, kích thước, định hướng, gia tốc, lực, nhiệt độ, thời điểm, trọng lượng, độ sáng, v.v.

Một cảm biến trong robot cho phép đáp ứng với môi trường xung quanh để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Mỗi robot đều sử dụng các cảm biến khác nhau để tự điều khiển bằng cách biết thông tin về vị trí, chuyển động của cơ thể và các bộ phận của nó.

Cảm biến robot hoạt động như thế nào?

Hoạt động của mọi cảm biến chủ yếu phụ thuộc vào nguyên tắc truyền dẫn có nghĩa là chuyển đổi năng lượng. Các cảm biến bên trong robot cho phép chúng phản hồi thông qua môi trường theo một kỹ thuật linh hoạt. Bằng cách sử dụng các cảm biến khác nhau mà robot có khả năng quan sát và cảm nhận để nó thực hiện được các nhiệm vụ phức tạp khác nhau.

Cảm biến của robot theo dõi điều kiện và môi trường xung quanh robot sau đó thông báo cho bộ điều khiển của robot dưới dạng tín hiệu điện tử. Vì vậy, robot cần các cảm biến khác nhau để điều khiển hoạt động của chúng.

Các đặc điểm của cảm biến robot

Các đặc điểm của cảm biến robot chủ yếu hỗ trợ việc xác định cảm biến phù hợp cho robot trong các tình huống khác nhau. Dưới đây là một số đặc điểm cần thiết của các cảm biến robot.

• Độ chính xác
• Dải chết & Độ trễ
• Sự hiệu chỉnh
• Khả năng lập lại
• Độ phân giải
• Độ tuyến tính
• Độ lệch
• Nhiệt độ
• Công suất
• Nhiệt độ làm việc
• Mẫu đầu ra
• Nhiệt độ bảo quản
• Kích thước điểm
• Độ tin cậy

Các loại cảm biến robot

Cảm biến robot có nhiều loại khác nhau được thảo luận bên dưới.

Cảm biến ánh sáng (Light Sensor)

Cảm biến ánh sáng được sử dụng để phát hiện ánh sáng và tạo ra sự chênh lệch điện áp. Cảm biến ánh sáng thường được sử dụng trong robot là hai loại tế bào quang điện và quang trở. Tế bào quang điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng điện và những cảm biến này được sử dụng trong sản xuất robot năng lượng mặt trời. Các quang trở được sử dụng để thay đổi điện trở của chúng bằng cách điều chỉnh cường độ ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào càng nhiều thì điện trở của quang trở sẽ càng nhỏ và ngược lại. Các cảm biến ánh sáng này không đắt tiền nên được sử dụng nhiều trong các robot.

Cảm biến âm thanh (Sound Sensor)

Cảm biến âm thanh chủ yếu được sử dụng để phát hiện âm thanh và thay đổi nó thành tín hiệu điện. Các cảm biến này có thể được sử dụng trong robot để điều hướng thông qua âm thanh. Bằng cách sử dụng cảm biến này, một robot được điều khiển thông qua âm thanh có thể được thực hiện. Vì vậy, robot có thể di chuyển sang bên phải bằng một cái vỗ tay và quay bên trái bằng hai cái vỗ tay.

Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor)

Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để phát hiện sự thay đổi về nhiệt độ xung quanh của robot. Cảm biến này chủ yếu hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện áp đối với sự thay đổi của nhiệt độ để tạo ra giá trị nhiệt độ tương đương của môi trường xung quanh.

Các cảm biến này cũng có thể được sử dụng trong robot để làm việc trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như sông băng hoặc sa mạc. Có nhiều loại IC cảm biến nhiệt độ khác nhau có sẵn để phát hiện nhiệt độ như LM34, TMP37, TMP35, TMP36, LM35, v.v.

Cảm biến tiếp xúc (Contact Sensor)

Cảm biến tiếp xúc còn được gọi là cảm biến cảm ứng được sử dụng trong chế tạo người máy. Chức năng chính của cảm biến tiếp xúc là phát hiện sự thay đổi trong vận tốc, vị trí, gia tốc, mô-men xoắn hoặc lực tại các khớp của bộ điều khiển & bộ tác động cuối. Các cảm biến này cần tiếp xúc vật lý để robot hoạt động bình thường và chính xác. Cảm biến này được sử dụng trong các công tắc khác nhau như công tắc hành trình, công tắc nút và công tắc cản xúc giác.

Các cảm biến này được sử dụng rộng rãi trong các robot tránh chướng ngại vật. Khi cảm biến phát hiện bất kỳ chướng ngại vật nào thì nó sẽ truyền tín hiệu đến robot để robot thực hiện các nhiệm vụ khác nhau như đảo chiều, quay đầu, hoặc dừng lại.

Cảm biến tiệm cận (proximity sensor)

Cảm biến tiệm cận trong robot được sử dụng để phát hiện đối tượng ở gần robot và cũng đo khoảng cách từ robot đến đối tượng nào đó mà không cần tiếp xúc vật lý nhưng chúng sử dụng từ trường để cảm nhận những vật thể đó. Các cảm biến này có sẵn trong hai loại bộ thu phát hồng ngoại, cảm biến quang và cảm biến siêu âm.

Cảm biến áp suất (Pressure Sensor)

Cảm biến áp suất được sử dụng để phát hiện áp suất. Những cảm biến này được sử dụng trong robot vì chúng phản ứng với cảm ứng, áp suất và lực. Cảm biến này được sử dụng để thiết kế bàn tay robot nhằm tính toán lực bám và lực cần thiết để li hợp một đối tượng.

Cảm biến điều hướng (Navigation Sensor)

Các cảm biến này còn được gọi là cảm biến định vị được sử dụng trong robot để phát hiện vị trí. Các cảm biến điều hướng được thường sử dụng nhất là GPS, định vị & la bàn.

Hệ thống GPS hoặc hệ thống định vị toàn cầu rất hữu ích cho các robot bên ngoài vì nó chỉ đơn giản là phân tích các bản đồ nhận được từ các vệ tinh GPS.

Cảm biến định vị hỗ trợ robot nhận dạng các yếu tố bên ngoài như địa danh tự nhiên, địa danh nhân tạo và xử lý dữ liệu để xác định vị trí của chúng.

La bàn từ được sử dụng để cung cấp các phép đo định hướng với từ trường của trái đất để hướng dẫn robot đi đúng hướng để đạt được điểm đến của nó. So với GPS, những cảm biến này rất rẻ.

Cảm biến gia tốc (Acceleration Sensor)

Các cảm biến này được sử dụng để đo gia tốc và độ nghiêng. Hai lực chính có thể ảnh hưởng đến hoạt động của gia tốc kế là lực tĩnh và lực động.

Lực ma sát giữa hai vật thể được gọi là lực tĩnh được sử dụng để biết độ nghiêng chính xác của robot. Lực cần thiết để di chuyển một vật được gọi là lực động được sử dụng để ước tính gia tốc cần thiết.

Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope Sensor)

Cảm biến con quay hồi chuyển hay con quay hồi chuyển là một loại cảm biến được sử dụng để đo và giúp duy trì định hướng thông qua nguyên lý mô men động lượng hoặc con quay hồi chuyển được sử dụng để tính toán tốc độ quay trong vùng của một trục cụ thể. Cảm biến này rất hữu ích khi bạn muốn robot của mình không phụ thuộc vào lực hấp dẫn của trái đất để duy trì định hướng.

Cảm biến IMU 

IMU là viết tắt của “Inertial Measurement Unit – Đơn vị đo lường quán tính” kết hợp hai hoặc nhiều thuộc tính của các cảm biến như con quay hồi chuyển, gia tốc kế và từ kế để tính toán vận tốc, lực hấp dẫn và định hướng.

Cảm biến điện áp (Voltage Sensor)

Cảm biến điện áp được sử dụng để thay đổi dải điện áp từ thấp đến cao. Ví dụ, một bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) có thể được sử dụng để khuếch đại một điện áp có giá trị nhỏ ở đầu vào và cung cấp một điện áp lớn hơn ở đầu ra. Một đèn LED đơn giản cũng có thể hoạt động như một cảm biến điện áp để cảm nhận sự khác biệt điện áp và sáng lên.

Cảm biến dòng điện (Current Sensor)

Cảm biến dòng điện được sử dụng để theo dõi dòng điện chạy trong mạch và đưa ra đầu ra như dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ. Đầu ra của hầu hết các cảm biến này là điện áp tương tự nằm trong khoảng từ 0V- 5V, có thể được xử lý thêm với sự trợ giúp của vi điều khiển.

Robot lau sàn nhà sử dụng cảm biến siêu âm và Arduino

Mục tiêu chính của dự án này là thiết kế một robot lau sàn nhà tự động để làm sạch toàn bộ căn phòng bằng cách phát hiện chướng ngại vật, tránh và di chuyển liên tục cho đến khi toàn bộ căn phòng được làm sạch. Các thành phần bắt buộc để xây dựng dự án này là: Arduino UNO R3, bàn chải sau sàn nhà, cảm biến siêu âm, module điều khiển động cơ, pin để cấp điện cho Arduino, máy tính, khung robot dẫn động bánh xe.

Sơ đồ mạch điện

Sơ đồ mạch điện của robot lau sàn nhà tự động được hiển thị bên dưới. Mạch này được thiết kế rất đơn giản bằng cách kết nối cảm biến siêu âm với board Arduino và module điều khiển động cơ.

Cảm biến siêu âm được sử dụng trong mạch này là HC-SR04 để đo khoảng cách với các kết quả đọc ổn định và độ chính xác cao. Cảm biến này có thể đo khoảng cách từ 2 cm đến 400 cm. Nó tạo ra một tín hiệu siêu âm ở tần số 40 kHz trong không khí. Khoảng cách của một đối tượng có thể được đo tùy thuộc vào thời gian cần thiết của sóng siêu âm để quay trở lại cảm biến. Nếu chúng ta biết thời gian và tốc độ của âm thanh thì chúng ta có thể xác định khoảng cách thông qua công thức sau.

Khoảng cách = (Thời gian x Tốc độ của âm thanh trong không khí)/2

Các kết nối của mạch này như sau: Chân Trig và Echo của cảm biến siêu âm lần lượt được kết nối với các chân thứ 12 và chân 13 của Arduino. Hai chân Echo và Trig cho phép nó truyền và nhận dữ liệu thông qua board Arduino. Các chân cấp nguồn cho cảm biến sẽ  nối với các chân 5V và chân GND của Arduino.

Module điều khiển động cơ phải bao gồm tối thiểu hai đầu ra và chúng phải được kết nối với hai động cơ. Thông thường, hai đầu ra này được gắn nhãn là M1 & M2. 

Chương trình

#include <AFMotor.h>
#define trigPin 12
#define echoPin 13
AF_DCMotor motor1(1, MOTOR12_64KHZ);
AF_DCMotor motor2(2, MOTOR12_8KHZ);

void setup() {
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {

long duration, distance;
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance = (duration / 2) / 29.1;
if (distance < 20) {
motor1.setSpeed(255);
motor2.setSpeed(0);
motor1.run(BACKWARD);
motor2.run(BACKWARD);
delay(2000);
}
else {
motor1.setSpeed(160);  
motor2.setSpeed(160);  
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);
}
}

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến robot

Ưu điểm

Những ưu điểm của cảm biến robot bao gồm:

• Nâng cao chất lượng sản phẩm
• Nâng cao độ chính xác của ứng dụng
• Mở rộng phạm vi các ứng dụng của robot
• Nâng cao sự an toàn cho người lao động.
• Thời gian phản hồi nhanh chóng
• Phạm vi cảm biến rộng
• Giá thành thấp
• Chịu được môi trường khắc nghiệt
• Cài đặt dễ dàng
• Cực kỳ dễ đoán

Nhược điểm

Những nhược điểm của cảm biến robot bao gồm:

• Cần tiếp xúc vật lý thông qua mục tiêu
• Có hiện tượng dội công tắc
• Phạm vi phát hiện sẽ bị ảnh hưởng thông qua màu sắc và độ phản xạ của vật thể
• Rất nhanh nhạy với những thay đổi lớn của môi trường
• Phản ứng nhanh với những thay đổi của nhiệt độ

Ứng dụng của cảm biến robot

Các ứng dụng của cảm biến robot bao gồm:.

• Cảm biến robot chủ yếu được sử dụng để ước tính tình trạng và môi trường xung quanh robot.
• Các cảm biến này đảm bảo sự hoạt động trơn tru của robot.
• Cảm biến robot hỗ trợ robot phản hồi các lệnh đã nhận.
• Các cảm biến này cung cấp khả năng hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau một cách dễ dàng. Việc hiểu môi trường xung quanh có thể giúp robot quyết định vị trí, nhiệt độ, phản ứng hóa học, âm thanh của đối tượng và thực hiện các hoạt động tương ứng.
• Các cảm biến trong robot là cần thiết để đạt được các giải pháp đáng tin cậy với chất lượng hiệu quả, phản ứng nhanh, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả về chi phí.

Nội dung bài viết mong được mang đến cho người đọc một cái nhìn tổng quan về cảm biến robot, phân loại, hoạt động và ứng dụng của chúng. Mọi góp ý về nội dung bài viết xin vui lòng để lại bình luận.