Xác định bốn bậc tự do và mục tiêu của mô hình
Trong mô hình này, bốn bậc tự do tương ứng với bốn chuyển động độc lập: đế quay trái–phải, vai nâng–hạ, khuỷu gập–duỗi và cổ tay nghiêng lên–xuống. Mỗi khớp dùng một servo; hai joystick hai trục cung cấp đủ bốn tín hiệu điều khiển.
Để tập trung vào việc điều khiển bốn khớp, hãy gắn một đầu công tác cố định, chẳng hạn giá giữ bút, thay vì kẹp đóng–mở. Nếu lắp thêm servo để đóng–mở kẹp, cơ cấu sẽ có thêm một chuyển động cần điều khiển; không nên tính servo đó vào bốn khớp đã nêu.
Chuẩn bị linh kiện và lập sơ đồ trước khi lắp
Chuẩn bị một bo điều khiển như Arduino Uno, bốn servo phù hợp với tải của từng khớp, hai module joystick hai trục, các đoạn tay đòn nhẹ, đế vững, gá lắp, dây nối và nguồn riêng cho servo. Khớp vai và khớp khuỷu thường phải đỡ cả những phần nằm phía sau chúng, nên cần đặc biệt chú ý đến khối lượng tay đòn và khả năng chịu tải của hai khớp này.
Vẽ sơ đồ đơn giản gồm đế, hai tay đòn, cổ tay và đầu công tác. Đánh dấu hướng quay mong muốn của từng khớp, vị trí đặt servo và đường đi của dây. Chừa đủ độ chùng cho dây tại các khớp chuyển động, nhưng cố định dây để chúng không vướng vào bánh răng hoặc mép tay đòn.
Lắp cơ khí và giới hạn hành trình an toàn
Cố định đế xuống mặt bàn hoặc một tấm nền chắc chắn. Lắp lần lượt servo đế, vai, khuỷu và cổ tay; siết gá và tay servo theo hướng dẫn của linh kiện. Ưu tiên tay đòn ngắn, nhẹ khi làm bản mẫu vì tay đòn dài làm tăng tải lên khớp.
Trước khi gắn tay servo vào trục, đặt từng servo về một vị trí tham chiếu bằng chương trình đơn giản, rồi lắp cơ cấu ở tư thế giữa hành trình dự kiến. Sau đó ngắt nguồn và kiểm tra bằng cách di chuyển cơ cấu nhẹ nhàng trong phạm vi cho phép. Xác định giới hạn góc riêng cho từng khớp để phần mềm không ra lệnh ép cơ cấu vào điểm chặn.
Đấu hai joystick, bốn servo và nguồn điện
Với Arduino Uno, có thể nối bốn đầu ra trục joystick vào A0, A1, A2, A3; nối bốn dây tín hiệu servo vào D3, D5, D6, D9. Một cách gán dễ nhớ là joystick thứ nhất điều khiển đế và vai, joystick thứ hai điều khiển khuỷu và cổ tay. Cấp nguồn cho joystick từ bo điều khiển theo điện áp phù hợp với đầu vào analog của bo.
Cấp điện cho bốn servo bằng nguồn riêng có điện áp nằm trong dải cho phép của servo và đủ khả năng cấp dòng khi các khớp cùng chuyển động. Nối cực âm của nguồn servo với GND của bo điều khiển để hai phần có chung mốc tín hiệu. Không lấy điện cho cả bốn servo từ chân cấp nguồn của bo điều khiển; kiểm tra đúng cực nguồn trước khi bật và tránh đưa dòng cấp servo qua các tiếp điểm mỏng không phù hợp.
Lập trình điều khiển theo độ lệch của joystick
Đọc bốn giá trị analog theo chu kỳ ngắn, chẳng hạn khoảng 20 ms. Trên Arduino Uno với thiết lập đọc analog thông thường, giá trị nằm trong khoảng 0–1023 và vị trí nghỉ của joystick gần giữa khoảng này. Đo giá trị nghỉ thực tế của từng trục, rồi tạo một vùng chết quanh giá trị đó để khớp không rung hoặc tự trôi khi thả tay.
Mỗi chu kỳ, dùng độ lệch khỏi tâm để tính một bước thay đổi góc nhỏ: lệch càng xa thì khớp đi càng nhanh; nằm trong vùng chết thì giữ nguyên góc. Cộng bước thay đổi vào góc lệnh hiện tại, giới hạn kết quả trong khoảng an toàn đã xác định cho khớp, rồi gửi góc mới đến servo. Nếu hướng chuyển động ngược với mong muốn, đảo dấu của riêng trục đó trong chương trình thay vì đổi dây nguồn servo.
Chạy thử từng khớp và hiệu chỉnh
Thử khi chưa gắn vật vào đầu công tác. Trước tiên điều khiển từng servo riêng lẻ với bước góc nhỏ, quan sát xem hướng quay có đúng sơ đồ và cơ cấu có chạm điểm chặn hay không. Sau đó mới cho phép cả bốn trục hoạt động và kiểm tra chuyển động ở nhiều tư thế.
Nếu tay bị giật, rung hoặc bo điều khiển khởi động lại, hãy dừng thử và kiểm tra kết nối nguồn, GND chung, tải cơ khí và dây bị kẹt. Nếu một khớp khó giữ vị trí hoặc nóng lên bất thường, giảm tải, rút ngắn tay đòn hay thu hẹp hành trình; không tiếp tục ép khớp hoạt động. Điều chỉnh vùng chết và tốc độ thay đổi góc cho đến khi việc điều khiển đủ mượt để quan sát và học tập.
Mở rộng bài học từ mô hình
Ghi lại giới hạn góc và chiều điều khiển của từng khớp thành bảng. Học sinh có thể so sánh vị trí của đầu công tác khi chỉ đổi góc vai, chỉ đổi góc khuỷu hoặc phối hợp cả hai để hiểu cách các khớp ảnh hưởng lẫn nhau.
Khi mô hình cơ bản hoạt động ổn định, có thể bổ sung nút đưa tay về một tư thế an toàn đã hiệu chỉnh hoặc thêm một servo kẹp với kênh điều khiển riêng. Với mọi thay đổi cơ khí, cần kiểm tra lại tải, dây dẫn và giới hạn góc trước khi vận hành.
