Luận văn thạc sĩ: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không dùng nguồn dẫn động độc lập

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP

PHẠM MẠNH THẮNG

THÁI NGUYÊN – 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
TAY KẸP KHƠNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP

Ngành:

Cơng nghệ Chế tạo máy

Mã số:

60 52 01 03

Học viên:

Phạm Mạnh Thắng

Hƣớng dẫn khoa học:

Phạm Thành Long

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 1Nguyên
-

/>

THÁI NGUYÊN – 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP

Ngành:
Học viên:
Lớp:

Hƣớng dẫn khoa học:

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

BAN GIÁM HIỆU

Công nghệ Chế tạo máy
Phạm Mạnh Thắng
CHK14
Phạm Thành Long

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

KHOA CHUN MƠN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 2Nguyên
-

/>

THÁI NGUYÊN - 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là:

Phạm Mạnh Thắng

Nơi công tác: Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì
Tên đề tài:

Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không dùng nguồn dẫn động

độc lập
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy.
Mã số:

60 52 01 03

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tơi. Các số liệu, kết quả
có trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố trong bất kỳ một cơng trình
nào khác.

Thái Nguyên, ngày tháng

năm 2014

Học viên

Phạm Mạnh Thắng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 3Nguyên
-

/>

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà
trƣờng, khoa cơ khí, các thầy cơ giáo trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái
Nguyên và các bạn cùng lớp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa đào tạo Sau đại học, các thầy
cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Phạm Thành Long và tập thể
cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ điện tử đã cho những chỉ dẫn quý báu để hoàn thành
luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp của các thày giáo thuộc khoa
cơ khí và các đồng nghiệp tại Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Việt Trì đã tạo điều kiện
thuận lợi và giúp đỡ tác giả tháo gỡ những khó khăn trong thời gian làm luận văn.
Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn
luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận đƣợc những
chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hồn thiện và có
ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn.
Xin chân thành cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 4Nguyên
-

/>

MỤC LỤC
Mục

Nội dung

Trang

Trang phụ bìa luận văn

1

Lời cam đoan

3

Mục lục

5

Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt

7

Danh mục các bảng biểu

8

Danh mục các hình vẽ đồ thị

9

MỞ ĐẦU

11

1.

Tính cấp thiết của đề tài

11

2.

Mục đích của đề tài

12

3.

Nội dung của đề tài

12

4.

Phƣơng pháp nghiên cứu

12

5.

Công cụ nghiên cứu

12

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT
1.1

Chức năng và hình dạng của bàn tay robot

13

1.2

Một số mẫu điển hình trong thiết kế cơ học của bàn tay

15

1.3

Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot

18

1.4

Một số kiểu bàn tay có kết cấu và ứng dụng đặc biệt

19

1.5

Một số nghiên cứu về bàn tay robot thiếu dẫn động trên thế giới

25

1.6

Hƣớng nghiên cứu của đề tài

27

CHƢƠNG 2 – THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BÀN TAY KHƠNG SỬ DỤNG NGUỒN
DẪN ĐỘNG
2.1

Chu kì làm việc và phạm vi sử dụng

28

2.2

Lựa chọn cơ cấu chấp hành

29

2.3

So sánh một số phƣơng án tác động điều khiển và duy trì lực kẹp

30

Kết luận chƣơng 2

38

CHƢƠNG 3 – THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU QUAN TRỌNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÀN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 5Nguyên
-

/>

TAY
3.1

Tính chọn độ cứng của lị xo chính theo tải trọng danh nghĩa của
bàn tay

39

3.2

Tính chọn độ cứng của lị xo phụ

40

3.3

Tính tốn hành trình ngón tay và tổng hợp kích thƣớc cam

41

3.4

Quan hệ chuyển vị ngõ vào – ngõ ra

41

3.5

Quan hệ lực ngõ vào – ngõ ra

53

Kết luận chƣơng 3

53

Kết luận của luận văn

54

Danh mục các cơng trình đã cơng bố của tác giả
TÀI LIỆU THAM KHẢO

55

PHỤ LỤC

57

Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 1

67

Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 2

68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 6Nguyên
-

/>

BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

1

KÍ

DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ

HIỆU

ĐƠN
VỊ

a(...) Approach (Véc tơ hƣớng tiếp cận vật thể của bàn kẹp)
Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục ox

2

ai

(mm)

3

AT Transpose (A)

4

i

5

Cijk Cos(qi + qj + qk)

6

Sijk Sin(qi + qj + qk)

7

D

Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp

8

h

Chuyển vị của lị xo

9

di

Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục oz

Góc quay quanh trục ox

(rad)

(mm)

Phƣơng trình liên kết của robot

10

0

11

Ai 1i

Biểu diễn của hệ quy chiếu (i) trong hệ quy chiếu (i-1)

12

X

Ma trận mô tả đồ gá trong không gian công tác của robot

13

E

Ma trận mô tả vật trong không gian đồ gá

14

R

Ma trận quỹ tích các điểm mút dụng cụ

15

k

Độ cứng của lị xo

Tn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 7Nguyên
-

/>

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
KÍ HIỆU

1.1

NỘI DUNG BẢNG BIỂU

TRANG

So sánh tính chất làm việc của tay kẹp kiểu điện từ và kiểu khí
nén

3.1

Bảng thơng số DH của robot dùng trong thí nghiệm

3.2

Kết quả bài tốn ngƣợc tại các điểm keypoint

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 8Nguyên
-

/>

BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
KÍ HIỆU

1.1
1.2

NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Bàn tay robot với hai ngón và một đốt trên mỗi ngón tay
Bàn tay robot MARS 12 bậc tự do với 6 nguồn dẫn động độc
lập và thiết kế tiền thân của nó

1.3a

Bàn tay với kết cấu cơ khí phỏng sinh tay ngƣời

1.3b

Bàn tay với cảm biến xúc giác phỏng sinh tay ngƣời

1.4

Bàn tay hai ngón mở dƣới dạng góc

1.5

Bàn tay hai ngón ln duy trì độ song song khi làm việc

1.6a

Ngón tay ba đốt một nguồn dẫn động quay

1.6b

Ngón tay ba đốt một nguồn dẫn động tịnh tiến

1.7

Kết cấu bàn kẹp kiểu hai ngón tay mở song song

1.8a

Điều khiển ngón tay với một nguồn tác động

1.8b

Điều khiển ngón tay với hai nguồn tác động

1.9

Ba phƣơng án tác động lên khâu chấp hành

1.10

Phƣơng án truyền dẫn công suất giữa hai điểm

1.11
1.12

TRANG

Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động trên cơ sở thế năng
đàn hồi
Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động có khả năng duy trì
trạng thái đóng và mở tách biệt

1.13

Tay kẹp tạo lực ma sát nhờ trọng lực của vật

1.14

Tay kẹp đặc biệt định vị vào mặt trụ trong của chi tiết

1.15

Tay kẹp với phần mỏ kẹp có thể thay thế theo tác vụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
- 9Nguyên
-

/>

1.16
1.17

Phƣơng án điều chỉnh kích thƣớc danh nghĩa của tay kẹp
Kết cấu của tay kẹp với phạm vi điều chỉnh kích thƣớc danh
nghĩa lớn

1.18

Tay kẹp với hai ngón tay ln duy trì độ song song

1.19

Một số tay kẹp cơ khí có chức năng tự định tâm vật kẹp

1.20

Tay kẹp sử dụng lực hút chân không và giác bám

1.21

Tay kẹp dùng buồng đàn hồi định vị mặt trụ trong và ngồi

2.1

Mơ tả một chu kì làm việc của bàn tay

2.2

Lƣợc đồ nguyên lý tác động điều khiển ngón tay

2.3

Bản vẽ lắp tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập
kiểu đồng trục

2.4

Mô tả cam mặt đầu trên ống số 3

2.5

Khai triển lên mặt phẳng cam số 3

2.6

Bản vẽ mô tả cam số 4

2.7

Cam số 5

2.8

Lƣợc đồ hoạt động trong một chu kì

2.9

Minh họa một chu kì làm việc trên cam 3 chƣa cải tiến

2.10

Cam 3 sau khi cải tiến trùng chức năng

2.11

Bản vẽ tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập kết
cấu không đồng trục

1.12

Chi tiết số 8

2.13

Chi tiết số 9

2.14

Chi tiết số 10

2.15

Lắp ghép cụm dẫn động và duy trì lực kẹp phƣơng án 2

3.1

Sơ đồ lực tác dụng lên tay robot khi cổ tay giữ phƣơng thẳng
đứng

3.2

Xác định hành trình cam

3.3

Robot 6 bậc tự do khi chƣa mang bàn tay

3.4

Bàn tay đƣợc lắp lên bích cổ tay hoàn chỉnh

3.5
3.6

Sơ đồ động và các hệ quy chiếu suy rộng của robot thí
nghiệm
Sơ đồ chuyển động của robot giữa hai trạm cấp phơi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 10
-

/>

3.7

Liên hệ vòng véc tơ

3.8

Hệ quy chiếu đồ gá và hệ quy chiếu vật trên trạm A

3.9
3.10
3.11

Mô tả các điểm keypoint của một chu trình vận chuyển giữa
hai trạm
Kết quả bài toán động học ngƣợc giải bằng phƣơng pháp
GRG tại điểm p2
Các đồ thị chuyển vị của biến khớp trong một chu trình

PHẦN MỞ ĐẦU
Luận về tính cấp thiết của đề tài, có thể thấy trong sản xuất cơng nghiệp nhu cầu về
các bàn tay robot phục vụ cho các ngun cơng địi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao
nhƣ lắp ráp, phân loại, phục vụ máy công tác là rất lớn. Trên thực tế, các bàn tay robot
cũng hỗ trợ những ngƣời khuyết tật trong học tập, lao động để họ có cuộc sống bình
thƣờng, chẳng hạn bàn tay Bionic. Trong du hành vũ trụ và không gian các bàn tay
robot nổi tiếng nhƣ MARS, Sarah, Canadarm cũng khơng xa lạ với độc giả của các tạp
chí khoa học, cũng từ lâu thuật ngữ kỹ thuật Underactuated trỏ một cơ cấu robot thiếu
dẫn động đã quá quen thuộc với các kỹ sƣ, các nhà khoa học nghiên cứu bàn tay phỏng
sinh.
Bàn tay phỏng sinh là đối tƣợng nghiên cứu của rất nhiều các cơng trình khoa học trên
thế giới, có thể nhận thấy điều này rõ nhất trong các kỷ yếu hội nghị từ khắp nơi trên
thế giới, các sản phẩm cơng nghệ cao tích hợp nhiều cơng nghệ tiên tiến nhƣ bàn tay
chiếm một lƣợng lớn các công bố bên cạnh các nghiên cứu cấp thiết khác nhƣ ô nhiễm
môi trƣờng, năng lƣợng và thông tin di động…xu hƣớng chế tạo các máy móc giống
con ngƣời theo nghĩa đen đã tạo ra hẳn một thuật ngữ cyborg để chỉ một sinh vật có
cấu trúc lai giữa ngƣời và robot trong văn học và điện ảnh Hollywood.
Trong lĩnh vực bàn tay robot, chiếm phần lớn lại là các bàn tay thiếu dẫn động, xu thế
này đã đƣợc đề xuất từ những năm 1970 khi nhu cầu về các bàn tay thế hệ thứ nhất
phục vụ cho các thao tác ngồi khơng gian ra đời, ngày càng khéo léo do có nhiều bậc
tự do hơn song số lƣợng nguồn dẫn động càng ít đi khơng những để đơn giản kết cấu
mà tiết kiệm năng lƣợng cũng là vấn đề đƣợc đặt ra. Khó hơn nữa khi dẫn động chung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 11
-

/>

một nguồn chuyển động lại cần có chuyển vị khác nhau của các ngón tay, những bàn

tay của đại học Laval hay MIT đã làm đƣợc điều này.
Trong lĩnh vực nghiên cứu về các bàn tay thiếu dẫn động thì bàn tay bỏ hẳn nguồn dẫn
động là một hƣớng nghiên cứu riêng chƣa có nhiều cơng bố, một mặt nó chỉ thích hợp
cho các thao tác sản xuất cơng nghiệp loạt lớn hàng khối, mặt khác bị thay thế bởi các
công nghệ đắt tiền hơn. Tuy nhiên số lƣợng nghiên cứu về lĩnh vực này còn hạn chế
cũng là một nguyên nhân dẫn đến ứng dụng bàn tay không dẫn động độc lập cịn ít và
thiếu hiệu quả. Đề tài này với mục đích “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không
sử dụng nguồn dẫn động độc lập” chính là để điền đầy một phân khúc cịn thiếu trong
các nghiên cứu về bàn tay robot dẫn động thiếu, đây là vấn đề mà bản thân nó chứa
đựng sự cấp thiết đến khi nào chƣa có những bàn tay đạt đến sự hoàn hảo tuyệt đối
nhƣ tay ngƣời, hoặc giả với tham vọng q lớn thì chẳng có giới hạn nào cho những
nghiên cứu này đƣợc xem là sau cùng.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu các cơ chế khóa và tự mở khóa của một kiểu bàn
tay tự dẫn động bằng phản lực tƣơng tác mà nguồn lực do các động cơ đƣợc trang bị ở
phần cánh tay tạo ra. Đề tài cũng nghiên cứu nhằm thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một
bàn tay vận hành theo cơ chế đó để thử nghiệm hoạt động của nó.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần bàn tay không kể cánh tay và cổ tay, một bàn
tay khơng tích hợp các trang bị điện tử và cảm biến ứng dụng cho sản xuất loạt lớn
hàng khối với chức năng cầm nắm các vật thể rắn có hình dạng và kích thƣớc biết
trƣớc.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu sáng tạo có kiểm chứng bằng thực
nghiệm
Ý nghĩa khoa học của đề tài là hoàn thiện các cơ chế làm việc của kiểu bàn tay không
sử dụng nguồn dẫn động độc lập.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài bao gồm hai khía cạnh là kiểm chứng sự đúng đắn của ý
tƣởng thiết kế và vận dụng các thiết bị của cơ sở đào tạo vào việc chế tạo các cơ cấu
của bàn tay robot thực.
Nội dung của luận văn bao gồm các phần chính nhƣ sau:
-

Tổng quan về các nghiên cứu nền tảng có liên quan trong nƣớc và trên thế giới
để rút ra nhiệm vụ nghiên cứu;

-

Đề xuất nguyên lý và so sánh các phƣơng án khả dĩ để lựa chọn một cơ chế
hoàn chỉnh cho chế tạo thử nghiệm;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 12
-

/>

-

Tính tốn định lƣợng các cơ cấu chính của bàn tay đảm bảo điều kiện làm việc
đặt ra;

-

Các tài liệu thiết kế phục vụ cho chế tạo sản phẩm và hƣớng dẫn vận hành bảo
dƣỡng.

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT
1.1 Chức năng và hình dạng của bàn tay robot
Bàn tay robot là một cách gọi căn cứ theo chức năng của mô đun bàn kẹp (grips) là
khâu cuối cùng trong chuỗi động học của các tay máy có chức năng cầm nắm. Thơng
thƣờng robot cơng nghiệp có 6 bậc tự do (chƣa tính số bậc tự do của bàn tay) trong khi

các bàn tay có kết cấu phỏng sinh học có thể có kết cấu cơ học với số bậc tự do lớn
hơn nhiều lần số bậc tự do của bản thân cánh tay. Nhƣ vậy có thể thấy vấn đề thiết kế
và điều khiển bàn tay đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật robot. Sự khéo léo,
độ cơ động, hệ số phục vụ của tay máy đƣợc hình thành từ nhiều phần gồm phần cơ
sở, cổ tay và bàn tay, nếu phần cơ sở có chức năng cung cấp các chuyển vị lớn thì các
thao tác đòi hỏi sự tỉ mỉ lại do cổ tay và bàn tay đảm nhận mặc dù khối lƣợng cơ học
của phần này nhỏ hơn nhiều so với phần cơ sở. Nếu nhƣ cổ tay giữ chức năng định
hƣớng bàn kẹp là chủ yếu thì bàn tay bằng các ngón tay lại có chức năng cầm nắm
(định vị và kẹp chặt vật thể) và thực hiện các chuyển động lựa (điều chỉnh nhỏ) tinh vi.
Có thể nhận thấy một xu hƣớng phát triển của bàn tay theo mức độ tinh vi của thao tác
ngày càng tăng từ chổ chỉ có hai ngón với một đốt trên mỗi ngón đến nhiều ngón và
nhiều đốt trên mỗi ngón, từ chỗ chuyển vị theo lập trình cứng đến chuyển vị quyết
định bởi các cảm biến xúc giác, bàn tay đã dần tới chỗ hồn thiện hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 13
-

/>

Hình 1.1: Bàn tay với hai ngón và một đốt trên mỗi ngón tay
Bàn tay với kết cấu đa dạng tùy theo tác vụ, những bàn tay với mục đích ứng dụng cho
nhiều tác vụ cầm nắm thƣờng đòi hỏi có dịch chuyển cơ học lớn giữa hai trạng thái
đóng mở để thích nghi với các tình huống khác nhau, trong những trƣờng hợp nhƣ vậy
ngón tay thƣờng đƣợc thiết kế nhiều đốt để tăng cƣờng giới hạn chuyển động và sử
dụng nhiều nguồn dẫn động để cung cấp cho từng bậc tự do riêng biệt, với các bàn tay
đạt đƣợc độ linh hoạt tốt nhất có kết cấu gần giống hay giống hệt với tay ngƣời không
thể tránh khỏi kết cấu cơ khí sẽ rất phức tạp, song hành với nó là kết cấu và giải thuật
điều khiển cũng sẽ rất phức tạp do số lƣợng trục chấp hành lớn và số động cơ lớn.

Hình 1.2: Bàn tay robot MARS với 12 bậc tự do sáu nguồn dẫn động độc lập(trái)
Và thiết kế tiền thân của nó (phải)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 14
-

/>

Để có đƣợc sự độ lập trong thao tác số động cơ dẫn động cần tƣơng ứng với số bậc tự
do của bàn tay, cộng với kết cấu cơ học phức tạp làm cho tổng thể bàn tay có thiết kế
rất phức tạp.

Hình 1.3a: Bàn tay với kết cấu cơ khí phỏng sinh tay người
Hình 1.3b: Bàn tay với cảm biến xúc giác phỏng sinh tay người
Với ba hệ thống chức năng trong cùng một thiết kế bàn tay gồm hệ thống cơ học có
chức năng của khung xƣơng bao gồm khâu và khớp, hệ thống động học gồm các bộ
truyền và các động cơ dẫn động cho từng trục riêng biệt, hệ thống cảm biến có vai trị
xúc giác việc thiết kế và chế tạo bàn tay robot là lĩnh vực tập hợp những kỹ thuật và
công nghệ tiên tiến nhất hiện nay.
1.2 Một số mẫu điển hình trong thiết kế cơ học của bàn tay
Với những thiết kế đơn giản nhất cần hai ngón tay với mỗi ngón tay chỉ bao gồm
một đốt tay có thể khép mở trong một phạm vi nhất định kiểu luôn giữ độ song song
hay tạo với nhau một góc thay đổi, trong đó loại thứ nhất có khả năng cầm nắm tốt
hơn.

Hình 1.4: Bàn tay hai ngón mở dưới dạng góc
Tuy có thiết kế phức tạo hơn song bàn tay với hai ngón mở song song có ứng dụng

phổ biến hơn loại nói trên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 15
-

/>

Hình 1.5: Bàn tay với hai ngón ln duy trì độ song song khi làm việc
Ở các bàn tay có nhiều đốt hơn cũng có hai phƣơng thức dẫn động, đó là dẫn động một
ngón gồm ba đốt tay chỉ với một động cơ duy nhất tức là số lƣợng động cơ nhỏ hơn số
bậc tự do, việc tác động đóng thƣờng đƣợc tác động từ động cơ trong khi chiều mở tác
động nhờ thế năng của một phần tử đàn hồi thƣờng gặp nhất là lị xo (hình 1.6).
Loại phức tạp nhất về kết cấu và điều khiển chính là loại dẫn động phân tán triệt để
cho từng đốt ngón tay hay số bậc tự do bằng với số lƣợng động cơ tham gia dẫn động,
thông thƣờng phƣơng án này đƣợc thực hiện với truyền động đai và bản thân nó cũng
có hai phƣơng án khác nhau là sử dụng một hoặc hai nguồn tác động, trƣờng hợp sử
dụng một nguồn tác động cần có một nguồn để phục hồi dựa vào thế năng đàn hồi
(hình 1.7).
Loại bàn kẹp đƣợc trang bị nhiều nhất trên thực tế có lẽ là kiểu bàn kẹp với hai ngón
tay, mỗi ngón chỉ gồm một đốt tay đƣợc bố trí nhƣ khâu chuyển động song phẳng
trong cơ cấu bốn khâu bản lề nhằm duy trì độ song song của hai ngón tay khi đóng
hoặc mở, thực tế thiết kế đơn giản này cho phép bàn tay có thể thao tác đƣợc với rất
nhiều kiểu và kích thƣớc khác nhau của chi tiết, hình 1.7 cho thấy kết cấu của một bàn
tay nhƣ vậy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 16
-

/>

Hình 1.6a: Ngón tay ba đốt một nguồn dẫn động quay
Hình 1.6b: Ngón tay ba đốt một nguồn dẫn động tịnh tiến

Hình 1.7: Kết cấu của bàn kẹp kiểu hai ngón tay mở song song

Hình 1.8a: Điều khiển ngón tay với một nguồn tác động
Hình 1.8b: Điều khiển ngón tay với hai nguồn tác động
Nếu bàn tay chỉ gồm hai ngón tay gây khó khăn cho việc cầm nắm các vật thể khơng
đối xứng thì chỉ cần ba thay vì năm ngón tay có thể giải quyết cơ bản yêu cầu này,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 17
-

/>

thiết kế của MARS cho thấy chỉ với ba ngón tay và sáu nguồn dẫn động, bàn tay có thể
thích nghi rất tốt với hầu hết nhu cầu cầm nắm thơng thƣờng (hình 1.2), trên thực tế
kiểu bàn tay có ba ngón tay cũng có thể xem là một chuẩn mực mà MARS là thiết kế
đi đầu.
Đi vào chi tiết, nếu căn cứ trên số nguồn tác động để điều khiển một bậc tự do của đốt
ngón tay có ba trƣờng hợp nhƣ sau:
-

Mỗi động cơ tác động một bậc tự do (theo cả hai chiều gồm tác động và khứ
hồi) phân lớp này kí hiệu là n type, ở hình thức này địi hỏi truyền động đai
vịng kín;

-

Hai động cơ tác động một bậc tự do, phân lớp này gọi là 2n type và sử dụng
truyền động đai hở;

-

Phân lớp n+1 type có số động cơ tác động nhiều hơn số bậc tự do một đơn vị.

Hình 1.9: Ba phương án tác động lên khâu chấp hành
Để truyền công suất giữa hai điểm ngoài phƣơng án truyền động khâu khớp nhƣ hình
1.6 có thể có hai phƣơng án thơng dụng nữa với bàn tay là tác động bánh răng hoặc tác
động đai cho thấy nhƣ dƣới đây:

Hình 1.10: Phương án truyền dẫn công suất giữa hai điểm
1.3 Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot
Nhiệm vụ công nghệ và các yêu cầu kỹ thuật kèm theo là những căn cứ chính để
bắt đầu việc thiết kế một bàn tay robot, nếu độ chính xác và độ chính xác lặp lại là
quan trọng với các robot thì bàn tay cũng bị xiết chặt dung sai, bên cạnh đó các yêu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 18
-

/>

cầu về độ cứng xoắn nói riêng và độ cứng vững cơ học nói chung cũng rất đƣợc quan
tâm, các phƣơng pháp tính tốn sức bền hồn hảo và vật liệu mới sẽ đảm bảo đƣợc
điều này.

Để có tính linh hoạt trong thao tác, bàn tay thƣờng có số bậc tự do lớn song nếu
dẫn động đủ sẽ là quá nặng nề và phức tạp với một cơ cấu cần nhỏ gọn, vì vậy một yêu
cầu cơ bản với bàn tay là phải thiết kế thiếu dẫn động (Underactuated), chẳng hạn tay
robot sarah chỉ với 2 động cơ điều khiển ba ngón tay với 9 đốt ngón tay, một động cơ
đảm nhiệm đóng mở các ngón tay động cơ cịn lại điều chỉnh hƣớng các ngón tay sao
cho thích nghi với các bề mặt khác nhau của vật kẹp nhƣ mặt trụ, cầu hay mặt phẳng,
điểm đặc biệt trong thiết kế của tay robot sarah là mặc dù dẫn động chung từ một
nguồn nhƣng ba ngón tay có thể có chuyển vị khác nhau tùy theo phản lực từ vật thể,
khi một ngón tay đã chạm vật thể nó tiếp tục gia tăng số điểm tiếp xúc trong khi các
ngón tay khác tiếp tục chuyển động hƣớng vào tâm để tìm kiếm điểm chạm, điều này
làm cho bàn tay có khả năng cầm nắm chắc chắn cả các vật thể có kết cấu khơng đối
xứng.
Tính tiêu chuẩn trong thiết kế là yếu tố quyết định tính cơng nghệ và khả năng lắp
lẫn của sản phẩm cũng là một yếu tố quan trọng khi thực hiện thiết kế bàn tay, các bàn
tay dẫn động thủy lực của FESTO là một ví dụ cho điểm này khá hoàn hảo.
Thiết kế bàn tay và cổ tay nên là hai mơ đun hồn tồn tách rời để khi thay thế bàn tay
theo yêu cầu sử dụng không làm thay đổi cấu trúc dẫn động và khả năng làm việc của
cánh tay cũng là một yêu cầu quan trọng, chẳng hạn kiểu tay máy Scorbot Er4U cho
thấy trên hình 1.7 mơ đun bàn tay chứa cả bánh răng vi sai của cổ tay khi đó việc thay
thế bàn kẹp không thực hiện đƣợc, điều này cần chú ý ngay từ khi thiết kế nên có thể
xem nhƣ một yêu cầu kỹ thuật đối với bàn tay.
Nếu cánh tay địi hỏi phần cổ tay có tầm với lớn phải có khả năng truyền động xa tâm
nhằm đƣa trọng tâm về giá và ƣu tiên không gian thao tác thì điều này cũng đặt ra đối
với bàn tay, tuy nhiên với các bàn tay nhiều ngón rất khó thực hiện điều này vì kết cấu
phức tạp trong dẫn động không cho phép kéo dài đƣờng truyền, và đó cũng là lý do ở
bàn tay có nhiều khớp thấp hơn khớp cao.
Khả năng điều chỉnh kích thƣớc thao tác danh nghĩa cũng là một yêu cầu quan trọng vì
thực tế kích thƣớc danh nghĩa của phơi có thể thay đổi trong một phạm vi cho phép,
các yêu cầu khác nhƣ hiệu suất và tính tự hãm cũng cần đƣợc xem xét vì hiệu suất cơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 19
-

/>

khí thấp làm cho bàn tay khó giữ đƣợc độ chính xác lâu dài cũng nhƣ tiêu hao nhiều
năng lƣợng của nguồn dự trữ.
Cuối cùng một kiểu bàn tay cần thích nghi với những vật thể có hình dạng và kích
thƣớc khác nhau, điều này làm cho robot có tính vạn năng trong thao tác, yêu cầu này
thƣờng đạt đƣợc dễ dàng với các kiểu bàn tay nhiều ngón và nhiều đốt với truyền động
và điều khiển riêng biệt cho mỗi bậc tự do, đặc biệt nếu lấy phản hồi từ các cảm biến
xúc giác để điều khiển lực và chuyển vị bàn tay sự hoàn hảo sẽ là tốt nhất, do đó một
bàn tay robot cần chú trọng tích hợp các công nghệ khác nhau cũng là một yêu cầu kỹ
thuật quan trọng.
1.4 Một số kiểu bàn tay có kết cấu và ứng dụng đặc biệt
Trong thực tế luôn có các tác vụ đặc biệt địi hỏi các kiểu bàn tay có kết cấu phù hợp,
các kiểu tay kẹp này có hình dạng và chức năng rất khác biệt, tay kẹp khơng có điều
khiển dùng các loại mỏ, nhíp, chấu …để kẹp vật nhờ tác dụng của lò xo hoặc nhờ lực
đàn hồi của chính các chi tiết trong hệ thống. Kết cấu của các loại kẹp này rất đơn
giản, chúng khơng có nguồn dẫn động riêng, khơng có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao
động theo kích thƣớc của đối tƣợng. Vì vậy chúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng,
đƣợc thiết kế cho từng loại đối tƣợng cụ thể, với phạm vi thay đổi kích thƣớc hẹp. Do
các đặc điểm nêu trên, chúng đƣợc dùng chủ yếu trong sản xuất hàng khối. Xem minh
họa cơ cấu này nhƣ sau:

Hình 1.11: Tay kẹp khơng sử dụng nguồn dẫn động trên cơ sở thế năng đàn hồi
Để đảm bảo làm việc tin cậy và ổn định ngay cả khi có biến động kích thƣớc của đối
tƣợng, tay kẹp đƣợc bổ xung cơ cấu hãm, ví dụ nhƣ cơ cơ minh họa dƣới đây. Nhờ có

cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp và nhả rành mạch hơn dù vẫn
khơng có nguồn dẫn động riêng. Các tay kẹp dùng với vật trịn xoay nhƣ hình 1.11, lực
kẹp đƣợc tạo ra dƣới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác động lên đi của các mỏ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 20
-

/>

kẹp 1. Khi đặt vật xuống, nêm 4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp đƣợc giải phóng, vật
đƣợc nhả ra dƣới tác dụng của lực kéo từ lò xo 13. Chú ý tới cơ cấu hãm, nó gồm thân
7 gắn liền với cần 5. Chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhƣng có thể quay tự do trên đó.
Trong lỗ của thân 7 có lồng 2 bạc khơng quay đƣợc 8 và 9. Bạc 8 có các vấu phía
dƣới, bạc 9 có cả vấu trên và dƣới. Các vấu này khi ăn khớp và trƣợt tƣơng đối với các
vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 450. Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến
đầu 3, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, quay 450, khi đi xuống tiếp xúc với mặt trên của bạc
9 lại quay tiếp 450 và bị mắc trong lỗ. Hai mỏ kẹp bị giữ ở trạng thái nhả. Trong hành
trình kẹp, sau khi chốt 2 tiếp xúc với vật, đầu 3 và thân 7 tiến gần đến nhau. Chốt 10
tiếp xúc với bạc 8, bị quay 450. Khi đi xuống chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9, bị quay
tiếp 450 nữa. Kết quả là chốt lọt qua đƣợc rãnh và lọt ra khỏi lỗ, mỏ 1 đƣợc khóa ở
trạng thái kẹp.
7
8
9

6
5
4
3

10
11
12
13

2
1

Hình 1.12: Tay kẹp khơng sử dụng nguồn dẫn động
có khả năng duy trì trạng thái đóng và mở tách biệt
Để kẹp các chi tiết có dạng bánh răng, bạc, đĩa ở tƣ thế thẳng đứng thƣờng sử dụng
loại tay kẹp có ngun lí hoạt động tƣơng tự với kết cấu nhƣ sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 21
-

/>

Hình 1.13: Tay kẹp tạo lực ma sát nhờ trọng lực của vật
Hai loại tay kẹp trên đƣợc dùng trong sản xuất loạt lớn hàng khối, để nhấc các vật trịn
xoay khối lƣợng khơng q 30(kg), kích thƣớc khơng đƣợc dao động quá 0,5 (mm).
Chúng đƣợc coi là tay kẹp có phạm vi cơng tác cứng.
Loại tay kẹp có phạm vi công tác hẹp cho phép sai số của mặt đƣợc kẹp tới 1,5 – 2
(mm), trong kết cấu minh họa dƣới đây, nó kẹp vào mặt trụ trong của lỗ bánh răng nhờ
vào dãy bi 2, xếp theo vòng trịn. Mặt cơn 1 có góc ma sát nhỏ hơn góc ma sát giữa các
viên bi và vật liệu chi tiết (thƣờng từ 50 – 60), tạo ra chuyển động khi nhấc vật (chuyển
động lên) và nhả vật (chuyển động xuống).

3
2

1
Hình 1.14: Tay kẹp đặc biệt định vị vào mặt trụ trong của chi tiết
Để tăng độ tin cậy khi kẹp và nhả, có lực kẹp lớn, phạm vi cơng tác lớn, ngƣời ta dùng
tay kẹp có dẫn động. Nguồn động lực là động cơ thủy lực hoặc khí nén. Dƣới đây là
hình minh họa cơ cấu tay kẹp có truyền động thủy lực, sử dụng hai càng kẹp. Mỏ kẹp
có thể thay thế đƣợc vì vậy có thể kẹp vào mặt trong hoặc mặt ngồi của đối tƣợng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 22
-

/>

Hình 1.15: Tay kẹp với phần mỏ kẹp có thể thay thế theo tác vụ
Để điều chỉnh khoảng cách giữa hai mỏ kẹp trong phạm vi khơng lớn lắm, có thể sử
dụng kết cấu càng kẹp quay quanh tâm nhờ vít điều chỉnh nhƣ sơ đồ dƣới đây:

Hình 1.16: Phương án điều chỉnh kích thước cơng tác danh nghĩa của tay kẹp
Sau đây là các cơ cấu tay kẹp với truyền động khí nén. Các tay kẹp có mỏ kẹp thay đổi
đƣợc để dùng với các bề mặt khác nhau về hình dáng và kích thƣớc.

Hình 1.17: Kết cấu tay kẹp với phạm vi điều chỉnh kích thước danh nghĩa lớn
Cơ cấu hình bình hành đƣợc sử dụng để duy trì độ song song hai má kẹp, khi kích
thƣớc vật kẹp thay đổi trong một phạm vi lớn.

Hình 1.18: Tay kẹp với hai ngón tay ln duy trì độ song song
Thay cho dùng cơ cấu tay đòn, càng kẹp, trên nhiều tay kẹp ngƣời ta dùng cơ cấu
thanh răng, trong đó các đi mỏ kẹp có dạng quạt răng. Ƣu điểm của cơ cấu này là
gọn, làm việc tin cậy. Các sơ đồ trên hình vẽ cũng biểu diễn các dạng mỏ kẹp tự định

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 23
-

/>

tâm. Chúng có thể làm việc ở hai vị trí, ví dụ vị trí kẹp phơi và vị trí đƣa phơi vào
mâm cặp máy tiện:

Hình 1.19: Một số tay kẹp cơ khí có chức năng tự định tâm vật kẹp
Ngồi các tay kẹp nói trên, các tay kẹp sử dụng nguyên lý chân không hoặc điện từ
cũng rất phổ biến trong cơng nghiệp. Ƣu điểm chính của lọai tay kẹp này là có kết cấu
đơn giản, có thể dùng với các loại bề mặt hay các loại vật liệu mà tay kẹp cơ khí khó
đáp ứng, ví dụ chi tiết phẳng, mỏng nhƣng rộng nhƣ tấm tôn, hoặc giấy mỏng, hình
dạng chi tiết phức tạp, vị trí của chi tiết thay đổi ngẫu nhiên. Tuy có nhiều điểm giống
nhau song cơ cấu kẹp điện từ và kẹp khí nén có những đặc điểm khác nhau về sử dụng
thống kê trong bảng sau:
Bảng 1.1: So sánh tính chất làm việc của tay kẹp kiểu điện từ và kiểu khí nén
Tính chất

Kiểu điện - từ

Kiểu khí nén

Vật liệu vật kẹp

Phải có từ tính

Bất kì

Hình dạng vật kẹp

Bất kì

Mặt phẳng

Trạng thái bề mặt

Khơng cần nhẵn

Phải nhẵn, sạch

Lực kẹp

Lớn, ít phụ thuộc diện
tích tiếp xúc

Thời gian kẹp

Nhanh

Kết cấu

Đơn giản

Hạn chế, phụ thuộc
diện tích tiếp xúc
Chậm, phải đủ đạt
độ chân không
Phức tạp, cần đƣờng
ống, đầu nối…

Thời gian sử dụng

Bền lâu

Hạn chế

Ảnh hƣởng đến vật kẹp

Để lại từ dƣ, phải khử từ

Không gây hại vật
kẹp

Ảnh hƣởng mơi trƣờng

Khơng

Gây tiếng ồn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên
- 24

-

/>