Bậc tự do (DOF) và không gian làm việc

Bậc tự do (DOF) và không gian làm việc

Bậc tự do là gì?

Bậc tự do (Degrees of Freedom — DOF) = số chuyển động độc lập một robot có thể thực hiện.

Tay robot 4 DOF của chúng ta

Servo 0 (base):     Xoay 0°–180° theo trục đứng
Servo 1 (shoulder): Nâng/hạ cánh tay 0°–180°
Servo 2 (elbow):    Gập/duỗi 0°–180°
Servo 3 (gripper):  Mở/đóng kẹp 0°–90°

Không gian làm việc (Workspace)

Workspace là vùng không gian mà đầu gripper có thể đến được.

                  r_max = L1 + L2 (duỗi thẳng)
                  r_min = |L1 - L2| (gấp ngược)

Với SG90 và link 10 cm mỗi đoạn:

• Tầm với tối đa: 20 cm (shoulder + elbow duỗi thẳng)
• Tầm với thực tế: 15–18 cm (giới hạn góc servo)

Forward Kinematics — tính vị trí đầu từ góc servo

// Tính vị trí gripper từ góc shoulder + elbow
// L1 = độ dài link 1 (shoulder→elbow), L2 = link 2 (elbow→gripper)
const float L1 = 10.0f; // cm
const float L2 = 10.0f; // cm

struct Point2D { float x, y; };

Point2D forwardKinematics(float theta1_deg, float theta2_deg) {
  float t1 = theta1_deg * PI / 180.0f; // shoulder angle (từ nằm ngang)
  float t2 = theta2_deg * PI / 180.0f; // elbow angle

  float x = L1 * cos(t1) + L2 * cos(t1 + t2);
  float y = L1 * sin(t1) + L2 * sin(t1 + t2);
  return {x, y};
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // Ví dụ: shoulder=45°, elbow=90°
  Point2D pos = forwardKinematics(45.0f, 90.0f);
  Serial.printf("Vị trí gripper: x=%.2f cm, y=%.2f cm\n", pos.x, pos.y);
}

Tại sao forward kinematics quan trọng?

Bạn cài góc servo → tính vị trí gripper → kiểm tra có vào workspace không → tránh va chạm.

Bài tiếp theo: Inverse Kinematics — tính ngược từ vị trí mong muốn ra góc servo.

Giáo án giảng dạy

Mục tiêu bài học

• Học viên giải thích được vai trò của bài Bậc tự do (DOF) và không gian làm việc trong mạch robot tay gắp mini dùng servo.
• Học viên đọc được sơ đồ chân, nhận biết nguồn, GND và đường tín hiệu trước khi cấp điện.
• Học viên chạy được ví dụ mẫu, quan sát hiện tượng, rồi sửa một tham số để hiểu tác động kỹ thuật.

Kiến thức nền

Bài này đặt trong khóa Robot Tay Gắp Mini. Phần cứng trung tâm là Arduino Uno/Nano hoặc ESP32, cơ cấu chấp hành gồm servo SG90/MG90S cho đế, vai, khuỷu và kẹp, cảm biến hoặc tín hiệu liên quan gồm nút nhấn, biến trở hoặc joystick tùy bài. Khi dạy, giáo viên nên nhấn mạnh quan hệ giữa 3 lớp: phần cứng nhận tín hiệu, chương trình xử lý logic, và cơ cấu tạo chuyển động thật.

Linh kiện và dụng cụ

Sơ đồ nối dây khuyến nghị

Quy trình thực hành trên lớp (35-50 phút)

1. Giáo viên giới thiệu mục tiêu và chỉ ra linh kiện thật trên bàn học.
2. Học viên nối dây khi chưa cấp nguồn tải, sau đó kiểm tra chéo theo cặp.
3. Upload code mẫu, mở Serial Monitor nếu bài có dữ liệu cần quan sát.
4. Chạy thử ở tốc độ/tham số thấp để giảm rủi ro va chạm hoặc quá dòng.
5. Học viên thay đổi một tham số: tốc độ PWM, ngưỡng cảm biến, góc servo hoặc thời gian giữ.
6. Cả lớp ghi lại hiện tượng: robot nhanh/chậm hơn, lệch hướng, rung, mất line hoặc phản ứng trễ.
7. Giáo viên tổng kết bằng sơ đồ "input → xử lý → output" của bài học.

Code mẫu nền tảng

#include <Servo.h>

Servo baseServo, shoulderServo, gripperServo;

void moveSmooth(Servo &servo, int fromDeg, int toDeg) {
  int step = fromDeg < toDeg ? 1 : -1;
  for (int a = fromDeg; a != toDeg; a += step) {
    servo.write(a);
    delay(12);
  }
  servo.write(toDeg);
}

void setup() {
  baseServo.attach(5);
  shoulderServo.attach(6);
  gripperServo.attach(9);
}

Giải thích kỹ thuật

• Nguồn quyết định độ ổn định: motor và servo kéo dòng cao nên cần nguồn riêng, tụ lọc và dây đủ chắc.
• Tín hiệu điều khiển chỉ mang lệnh, không mang công suất. Board điều khiển gửi HIGH/LOW/PWM, driver mới cấp dòng cho tải.
• Calibration giúp robot hoạt động lặp lại được: cảm biến cần ngưỡng, servo cần góc home, motor cần bù sai lệch hai bên.
• Tách hàm làm code dễ dạy: một hàm cho đọc input, một hàm xử lý quyết định, một hàm điều khiển output.

Checklist an toàn phần cứng

• không ép servo quá hành trình; luôn về home trước khi chạy chuỗi tự động.
• Kiểm tra cực dương/âm của pin bằng mắt và bằng đồng hồ đo nếu có.
• Không để dây nguồn trần chạm nhau hoặc chạm khung kim loại.
• Khi motor/servo nóng bất thường, dừng nguồn tải trước rồi mới sửa code hoặc sửa dây.
• Với pin Li-ion/LiPo, không sạc khi không giám sát và không dùng pin phồng.

Lỗi thường gặp và cách debug

Bài tập trên lớp

• Hoàn thành mạch và chạy code mẫu ổn định ít nhất 3 lần liên tiếp.
• Giải thích bằng lời vai trò của từng dây: VCC, GND, signal/PWM và nguồn tải.
• Thay đổi một tham số trong code và ghi lại hiện tượng trước/sau.

Bài tập về nhà

• Viết lại kiến thức chính bằng sơ đồ khối và liên hệ với một lỗi phần cứng có thể xảy ra.
• Vẽ lại sơ đồ nối dây của bài vào vở hoặc slide nhóm.
• Chuẩn bị một câu hỏi debug cho buổi sau: "Nếu robot không chạy, em sẽ kiểm tra gì đầu tiên?"

Tiêu chí đánh giá

Gợi ý cho giáo viên

Với học viên mới, đừng bắt đầu bằng code dài. Hãy cho học viên chạm linh kiện, đoán chức năng, rồi mới nối dây. Khi có lỗi, yêu cầu các nhóm đọc lỗi theo thứ tự: nguồn → GND → chân tín hiệu → code → cơ khí. Cách này hình thành tư duy hardware engineering thay vì chỉ sửa mò.