PHẦN MỞ ĐẦU
Luận về tính cấp thiết của đề tài, có thể thấy trong sản xuất công nghiệp
nhu cầu về các bàn tay robot phục vụ cho các nguyên công đòi hỏi độ
chính xác và linh hoạt cao như lắp ráp, phân loại, phục vụ máy công tác
là rất lớn. Trên thực tế, các bàn tay robot cũng hỗ trợ những người
khuyết tật trong học tập, lao động để họ có cuộc sống bình thường,
chẳng hạn bàn tay Bionic. Trong du hành vũ trụ và không gian các bàn
tay robot nổi tiếng như MARS, Sarah, Canadarm cũng không 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 sư, các nhà khoa học nghiên cứu bàn tay phỏng sinh.
Trong lĩnh vực nghiên cứu về các bàn tay thiếu dẫn động thì bàn tay bỏ
hẳn nguồn dẫn động là một hướng nghiên cứu riêng chưa có nhiều công
bố, một mặt nó chỉ thích hợp cho các thao tác sản xuất công nghiệp loạt
lớn hàng khối, mặt khác bị thay thế bởi các công nghệ đắt tiền hơn. Tuy
nhiên số lượng 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 còn 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 còn 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 chưa có những bàn tay đạt đến sự hoàn hảo tuyệt đối như
tay người, hoặc giả với tham vọng quá lớn thì chẳng có giới hạn nào cho
những nghiên cứu này được xem là sau cùng.
1
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 tương tác mà nguồn lực do
các động cơ được 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 không 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 thước biết trước.
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 tưởng 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 như sau:
- Tổng quan về các nghiên cứu nền tảng có liên quan trong nước
và trên thế giới để rút ra nhiệm vụ nghiên cứu;
- Đề xuất nguyên lý và so sánh các phương án khả dĩ để lựa chọn
một cơ chế hoàn chỉnh cho chế tạo thử nghiệm;
- Tính toán định lượng 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 hướng dẫn
vận hành bảo dưỡng.
2
CHƯƠNG 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.
Như vậy có thể thấy vấn đề thiết kế và điều khiển bàn tay đóng một vai
trò quan trọng trong kỹ thuật robot.
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 thường 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 trường hợp như vậy ngón tay thường được thiết
kế nhiều đốt để tăng cường 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 được độ linh hoạt tốt nhất có kết cấu gần giống hay giống hệt với
tay người 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
lượng trục chấp hành lớn và số động cơ lớn.
3
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)
Để có được sự độ lập trong thao tác số động cơ dẫn động cần tương 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
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.
4
Hình 1.4: Bàn tay hai ngón mở dưới dạng góc
5
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.
Hình 1.5: Bàn tay với hai ngón luôn duy trì độ song song khi làm việc
Loại bàn kẹp được trang bị nhiều nhất trên thực tế có lẽ là kiểu bàn kẹp
với hai ngón tay, mỗi ngón chỉ gồm một đốt tay được bố trí như 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 được với rất nhiều kiểu và kích
thước khác nhau của chi tiết, hình 1.7 cho thấy kết cấu của một bàn tay
như vậy.
6
Hình 1.7: Kết cấu của bàn kẹp kiểu hai ngón tay mở song song
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. Để có tính linh hoạt trong thao tác, bàn tay thường 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).
Kiểu bàn tay cần thích nghi với những vật thể có hình dạng và kích
thước khác nhau, điều này làm cho robot có tính vạn năng trong thao
tác, yêu cầu này thường đạt được 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
7
Hình 1.11: Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động trên cơ sở thế năng
đàn hồi
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Hình 1.12: Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động
có khả năng duy trì trạng thái đóng và mở tách biệt
8
Hình 1.19: Một số tay kẹp cơ khí có chức năng tự định tâm vật kẹp
Bàn tay kiểu này có lợi thế lớn khi thao tác trong điều kiện ẩm ướt,
không cách điện hoặc cháy nổ, phóng xạ, trong các tình huống không dự
trữ được nhiều năng lượng cho các tác vụ dài hạn bàn tay không sử
dụng nguồn dẫn động độc lập cũng là một giải pháp phù hợp.
1.5 Một số nghiên cứu về bàn tay robot thiếu dẫn động trên thế giới
Không thể phủ nhận các nghiên cứu công nghệ cao tập trung cho hai
lĩnh vực chủ yếu là các bàn tay trong lĩnh vực không gian của NASA và
các bàn tay trong y khoa dành cho người tàn tật đạt được nhiều thành
tựu hơn cả. Trong lĩnh vực thứ hai không chỉ dừng lại ở các nghiên cứu
lý thuyết các sản phẩm thương mại có thể dễ dàng tìm được từ mạng
internet, bàn tay bionic là một phiên bản như vậy.
Lionel Birglen [1] đã nghiên cứu về các kiểu tổ hợp khâu liên kết – dẫn
động của bàn tay với ngón tay tự điều chỉnh thích nghi, nghiên cứu đã
chỉ ra các phương án tổ hợp khả dĩ có thể đạt được khi thiết kế một bàn
tay có cơ chế tự điều chỉnh lực kẹp một cách tốt nhất qua tương tác với
vật thể.
9
Wen-Chien Hsu and Jyh-Jone Lee [2] lại bàn sâu hơn về các sơ đồ ngón
tay với thiết kế dẫn động sao cho hiệu quả nhằm mục đích ứng dụng sản
xuất các bàn tay hiệu năng cao, bên cạnh đó họ vẫn chỉ ra các phương
án khả dĩ khi tổ hợp sơ đồ về mặt nguyên tắc giống như Lionel, các kiểu
ngón tay trong hình 1.6a và 1.6b là kết quả của nhóm tác giả này.
Tsuneo Yoshikawa [3] đã nghiên cứu về sự phối hợp trong thao tác cầm
nắm của bàn tay robot có nhiều ngón tay nhằm đạt được hiệu quả tốt
nhất, các mô hình về vấn đề này được phát triển bởi nhiều nhóm nghiên
cứu khác nhau cũng đã được thảo luận tại đây.
1.6 Hướng nghiên cứu của đề tài
Do những lợi ích hiển nhiên của việc dẫn động thiếu một bàn tay robot
đem lại, nhiều thách thức mới tiếp tục đặt ra như là tiếp tục giảm số
nguồn động lực trong khi ổn định hoạt động của bàn tay hoặc bỏ hẳn
nguồn dẫn động độc lập mà bàn tay vẫn hoạt động bình thường, để đạt
được điều này đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn nữa.
Với ý tưởng như trên đề tài này sẽ triển khai một nghiên cứu cụ thể,
tập trung vào việc thiết kế nguyên lý và kết cấu một bàn tay robot vận
hành các chu trình kẹp và nhả hoàn toàn bình thường mà không sử dụng
nguồn dẫn động độc lập, công suất vận hành bàn tay được trích từ các
động cơ gắn trên cánh tay truyền đến do liên kết kết cấu bằng các khâu
rắn. Đề tài cũng so sánh các phương án khả thi để chọn lựa và chế tạo
một mô hình thực nhằm thử nghiệm hiệu quả vận hành của ý tưởng trên,
mục đích cuối cùng là nhắm đến các ứng dụng phù hợp vốn được đánh
giá là rất khả thi trong công nghiệp.
10
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BÀN TAY KHÔNG SỬ
DỤNG NGUỒN DẪN ĐỘNG
2.1 Chu kỳ làm việc và phạm vi sử dụng
Bàn tay được thiết kế nguyên lý trong mục này có nhiệm vụ lấy một
phôi đa giác đều hoặc trụ tròn từ giá cố định và cấp vào một giá khác,
công việc lặp đi lặp lại theo chu kỳ như sau:
11
Cuèi chu kú tríc
(Më)
LÊy vËt
Di chuyÓn
(§ãng)
(§ãng)
(Më)
§Ých
(Duy tr× tr¹ng th¸i më)
Hình 2.1: Mô tả chu kì làm việc của bàn tay
2.2 Lựa chọn cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành của bàn tay, hay phần trực tiếp tiếp xúc với vật kẹp là
các ngón tay, trong thiết kế này định hướng bàn tay có chức năng cấp
phôi dạng trụ tròn xoay nên chọn sơ đồ bàn tay gồm hai ngón và mỗi
ngón chỉ có một đốt tay, bàn tay gồm hai bậc tự do. Trên cơ sở chức
năng của bàn tay, đề xuất phần chấp hành như sau:
Hình 2.2: Lược đồ nguyên lý tác động điều khiển ngón tay
Hai ngón tay dưới dạng đòn bẩy có tâm quay gắn trên một khung cố
định, phía không tiếp xúc với vật kẹp được kéo lại gần nhau bởi một lò
xo kéo. Khi hai đầu này lại gần nhau thì ngón tay sẽ mở kẹp để nhả vật
rơi ra ngoài. Để đóng kẹp tác động tịnh tiến một cam theo hướng từ
dưới lên trên đẩy hai đầu đòn bẩy rời xa nhau, vị trí cao nhất của cam
12
theo phương thẳng đứng cả hai ngón tay ở phía làm việc đều tiếp xúc
với vật kẹp.
2.3 So sánh một số phương án tác động điều khiển và duy trì lực kẹp
Trên hình 2.1 cho thấy để xác lập hai trạng thái đóng và mở bàn tay cần
điều khiển được vị trí chính xác của cam tiếp xúc với hai ngón tay ở vị
trí cao và thấp trên sơ đồ. Không những thế quan trọng hơn là phải thiết
kế cơ cấu duy trì lực kẹp để chống lại các tác động mở khi đang kẹp
hoặc ngược lại.
Trong thiết kế bàn tay cơ cấu duy trì lực kẹp cần phải tạo điểm chịu tác
dụng phản lực từ lò xo chính để duy trì mở bàn tay. Dưới đây trình bày
một số phương án do tác giả xây dựng để tiến hành so sánh lựa chọn.
2.3.1 phương án thứ nhất
Hình 2.3: Bản vẽ lắp tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập,
kiểu đồng trục
Mô tả nguyên lý hoạt động của cơ cấu tác động và duy trì lực kẹp như
sau: mặt bích số 1 được nối với mặt bích cổ tay của robot bằng 6 bulong
và nối với ống dẫn hướng số 2 bằng 4 bulong. Mặt dưới của bích số 1 tỳ
lên chốt bấm số 4, khi bích số 1 nhận được lực truyền tới từ bích cổ tay
nó làm cho ống dẫn hướng số 2 trượt dọc trên mặt trụ ngoài của ống số
13
3, tỳ lên chốt số 4 (khi đó bulong số 8 đang tỳ lên chi tiết là nguồn phát
sinh phản lực). Khi chốt tỳ số 4 chuyển động đi xuống đè lên cam số 5,
cam này lại đè lên trục cam số 6 làm nén lò xo 7 và làm chuyển động
hai càng kẹp của bàn tay, tùy theo trạng thái của các cam số 3, 4 và 5 mà
xác lập các trạng thái đóng hay mở bàn tay. Quá trình này được mô tả
chi tiết dưới đây thông qua bản vẽ tách các chi tiết chính.
Hình 2.4: Mô tả cam mặt đầu trên ống số 3
Hình 2.5: Khai triển lên mặt phẳng cam số 3
Cam số 3 gồm 12 phần chia đều theo phương hướng tâm trên một ống
trụ (mỗi phần chiếm một góc 30
0
), có ba loại bán kính khác nhau như
trên hình chiếu đứng, bán kính nhỏ (các rãnh 2, 4, 6, 8, 10, 12) dùng
thay đổi chiều cao của phần cam màu vàng (cam 5, hình 2.2) theo
phương hướng trục.
Bán kính trung bình (các rãnh 3, 7, 11 ) dùng dẫn hướng và chống xoay
cho cam màu đen (cam 4 hình 2.2).
Bán kính lớn (các rãnh 1, 5, 9) dùng tạo không gian chuyển động hướng
trục cho phần cam màu vàng (cam 5, hình 2.2) theo hướng dọc trục khi
cam này lọt vào các rãnh đó.
14
Hình 2.6: bản vẽ mô tả cam số 4 Hình 2.7: Cam số 5
2,5
A
B
4
3
°
1
2
0
°
Hình 2.9: Minh họa một chu kỳ làm việc trên cam 3 chưa cải tiến
Hình 2.10: Cam 3 sau khi cải tiến trùng chức năng
2.3.2 Phương án thứ hai
Tấm nêm 4 tác động lên đuôi của các mỏ kẹp 1. Khi đặt vật xuống, nêm
4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp được giải phóng, vật được nhả ra dưới 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 nhưng có thể quay tự do
trên đó. Trong lỗ của thân 7 có lồng 2 bạc không quay được 8 và 9. Bạc
8 có các vấu phía dưới, bạc 9 có cả vấu trên và dưới. Các vấu này khi ăn
khớp và trượt tương đối với các vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 45
độ.
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Hình 2.11: Bản vẽ tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập kết
cấu không đồng trục
Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến đầu 3, chốt 10 tiếp xúc với bạc
8, quay 45
0
, khi đi xuống tiếp xúc với mặt trên của bạc 9 lại quay tiếp
45 độ 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 45 độ. Khi đi
xuống chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9, bị quay tiếp 45độ nữa. Kết quả là
chốt lọt qua được rãnh và lọt ra khỏi lỗ. Các mỏ 1 được khóa ở trạng
thái kẹp.
Quá trình làm việc cánh tay robot vẫn tiếp tục ấn xuống một lực khi chốt
2 chạm vào vật. khi đó chốt 2 sẽ tì lên vật và đẩy cam 4 đi lên, khi đó
cam 4 sẽ đẩy kẹp 1 kẹp chặt lại đồng thời cam 4 đẩy toàn bộ than 3 đi
lên , chi tiết 10 khi đó cũng bị đẩy lên và bị giữ lại trên bạc 9 thực hiện
quá trình đóng kẹp.
16
Cũng tương tự quá trình kẹp , khi nhả kẹp chi tiết chốt 2 tì vào cam 4 và
đẩy toàn bộ hệ thống 3 đi lên , nhưng lúc này chốt 10 được giải phóng
khỏi bạc 9 hệ bị đẩy xuống do lò xo dọc cần 5, đẩy hệ thống thân 3 đi
xuống, lò xo giữa 2 kẹp đẩy kẹp mở ra hệ thống thực hiện quá trình mở
kẹp.
Mô tả kết cấu các chi tiết chính của tay kẹp theo phương án kết cấu
không đồng trục
Phần cơ cấu hãm: Chi tiết số 8:
Hình 2.12: Chi tiết số 8
Chi tiết số 9:
17
Hình 2.13: Chi tiết số 9
Chi tiết số 10:
Hình 2.14: Chi tiết số 10 Hình 2.15: Lắp ghép cụm dẫn động
và duy trì lực kẹp phương án 2
Để dẫn hướng cho chuyển động của lò xo tốt hơn bố trí lại kết cấu của là
xo chính đồng trục với trục bàn tay như hình 2.15 tuy nhiên vì lý do giới
hạn không gian của kết cấu, không thể tiếp tục rời cụm cơ cấu duy trì
lực kẹp vào trùng với tuyến này.
18
Như vậy có thể nhận thấy số lượng chi tiết ở cụm chức năng duy trì lực
kẹp trong hai phương án đều là ba chi tiết, số lượng chuyển động bước
trong một chu kỳ làm việc cũng tương tự như nhau nhưng trong thiết kế
thứ hai có ba nhược điểm lớn là:
- Có nhiều mặt cam hơn phương án một làm giá thanh cao;
- Kết cấu không đồng trục, cồng kềnh gây trở ngại khi vận hành,
khó bảo dưỡng và điều chỉnh hơn phương án 1;
- Trục số 10 có hai bậc tự do là tịnh tiến tương đối với cam 8 và
cam 9 trong khi tự quay do phản lực từ mặt cam dẫn động song
bản thân nó một đầu gá công xôn và do không đồng trục với trục
cổ tay là tuyến chịu lực chính nên để đảm bảo đủ độ cứng vững
cần thiết sẽ cần thiết kế phức tạp ở vị trí liên kết với khung bàn
tay.
Như vậy khi chọn thiết kế thứ nhất có thể nhận thấy như sau:
- Về mặt nguyên lý động học, các cơ chế khóa và mở khóa bàn tay
được thiết kế đã hợp lý chỉ với một chuyển động vào duy nhất là
đẩy bàn tay dọc theo trục cẳng tay.
- Về động lực học, khả năng tự dẫn động bằng cách sử dụng nguồn
động lực của cánh tay do các khâu khác truyền tới bàn tay theo
con đường liên kết kết cấu là khả thi vì công suất này chỉ phát
động vào hai thời điểm đầu và cuối trong cả chu kỳ làm việc.
- Về điều khiển, thời điểm tác động đóng và mở bàn tay khi chạm
đích cũng trùng với thời điểm phát sinh phản lực dẫn động, các
chuyển động chấp hành sau đó để khóa và mở khóa được mã
hóa lên cam, tín hiệu điều khiển như vậy lặp lại chính xác trong
mỗi chu kỳ mà không cần một trang bị điện tử nào.
19
Kết luận chương 2
Khi thiết kế một seri máy công tác khoảng chịu tải của chúng
thường có đoạn chung mà không nối tiếp với nhau, từ đó nhận thấy các
robot khi sử dụng ở chế độ hợp lý chắc chắn có công suất dư đặc biệt là
khi dừng ở các vị trí đầu hoặc cuối quỹ đạo công tác. Trên cơ sở đó
chương này đã đề xuất việc sử dụng một bàn tay chuyên dụng sử dụng
chính nguồn dẫn động có sẵn của cánh tay để tự dẫn mà không dùng
động cơ riêng.
Bằng cách sử dụng cơ cấu duy trì lực kẹp kết hợp với các mặt
cam được thiết kế hợp lý bàn tay có thể duy trì các trạng thái làm việc
theo đúng yêu cầu công nghệ đặt ra. Các cơ cấu khả dĩ ứng dụng cho
việc này cũng đã được xem xét và so sánh để loại bỏ những nhược điểm
có thể mắc phải. Thiết kế thứ nhất được lựa chọn bước đầu đã hoàn
chỉnh về mặt nguyên lý, các căn cứ về động học và động lực học, tín
hiệu điều khiển cũng đã được làm rõ trong chương.
20
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU QUAN TRỌNG VÀ
ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY
3.1 Tính chọn độ cứng của lò xo chính theo tải trọng danh nghĩa
của bàn tay
Về công dụng, lò xo chính của bàn tay có chức năng rút trục cam theo
phương thẳng đứng để đẩy hai ngón tay tiếp xúc và giữ chặt vật kẹp,
vậy nếu lò xo có độ cứng lớn lực kẹp càng lớn và độ nhạy càng kém.
Một lò xo với độ cứng được coi là thích hợp cần thỏa mãn cả độ nhạy
tốt và lực kẹp đủ lớn để không làm rơi vật ở mọi tư thế. Để tính toán cần
xác nhận đầy đủ các ảnh hưởng của ngoại lực lên cam, xét sơ đồ đã giản
lược dưới đây:
L1
Plx1
Plx2
a
l
p
h
a
Plx1
Plx2
a
l
p
h
a
L2
mg
P
Plx1: lực lò xo chính;
Plx2: lực lò xo phụ;
L1: khoảng tay đòn từ điểm tiếp xúc giữa ngón tay với vật đến tâm
quay;
L2: khoảng cách tính từ điểm tiếp xúc giữa cam và đòn đến tâm quay;
21
k: độ cứng lò xo chính;
h: chuyển vị lò xo chính.
3.2 Tính chọn độ cứng của lò xo phụ
Lò xo phụ có chức năng mở kẹp khi cam dịch chuyển gần về phía phôi,
nếu lò xo phụ chọn không tương xứng với lò xo chính có thể xảy ra hai
trường hợp sau:
- Nếu mềm quá, lực kéo yếu không đảm bảo đủ lượng mở của bàn tay
theo tính toán;
- Nếu cứng quá cản trở chuyển động của trục cam do đối kháng mạnh
với lực sinh ra từ lo xo chính, phôi kẹp không chặt. Do bản thân lực này
có thể điều chỉnh trong một phạm vi nhất định tùy theo tốc độ đóng
hoặc mở bàn tay, một cơ cấu điều chỉnh sức căng là cần thiết để không
phải thay các lò xo khác nhau khi thực nghiệm.
3.3 Tính toán hành trình ngón tay và tổng hợp kích thước cam
Khi làm việc bàn tay cần mở ngón tay để tiếp cận vật thể vào vị trí
chuẩn bị kẹp, độ mở của hai ngón tay phải đủ lớn để với độ chính xác
lặp về vị trí và hướng biết trước của tay robot phải dễ dàng để bàn tay
tiếp cận đúng với phôi. Khảo sát một số thiết kế khác thấy độ mở này
nên trong khoảng 10 – 15 (mm) cho khe hở một bên, vậy độ mở toàn bộ
của đầu mút ngón tay nên vào khoảng 20-30 (mm).
Theo thiết kế cơ học của bàn tay thì hành trình này phụ thuộc vào
lượng chuyển động tịnh tiến của cam, hành trình này phụ thuộc vào
chuyển động dọc trục của cam 5 khi trượt trên mặt cam 3, độ dài của
rãnh cam 3 quyết định điều này.
3.4 Quan hệ chuyển vị ngõ vào – ngõ ra
22
Ở một số robot mà khâu cuối luôn duy trì phương vuông góc
với mặt phẳng thao tác việc điều khiển bàn tay sẽ là đơn giản nhất do
chuyển vị điều khiển bàn tay hoạt động bằng đúng chuyển vị của khâu
cuối, việc giải bài toán ngược khi đó là không cần thiết, chẳng hạn robot
scara của liên hiệp anh với 4 trục khớp nằm theo hướng trọng lực.
Theo mục 3.3 lượng chuyển động của cam 5 đã xác định được và nguồn
dẫn động cho nó là chuyển động theo phương tiếp cận vật thể cần nắm
bắt, chuyển động này được các động cơ trên cánh tay phối hợp tạo ra, để
chính xác dịch chuyển của từng động cơ riêng biệt trong sự phối hợp
này cần thực hiện một bài toán ngược động học lấy chuyển vị của bàn
tay khi cần tạo ra 18 (mm) theo phương trục cẳng tay làm số liệu đầu
vào.
Tín hiệu ngõ vào là chuyển vị của 6 động cơ trang bị trên cánh tay, tín
hiệu ngõ ra là chuyển vị của cam 5 khi tâm bàn tay đứng yên, lúc đó chỉ
có các ngón tay chuyển động kẹp hoặc mở.
Mục đích của tính toán này là điều khiển bàn tay đóng hoặc mở bằng
các động cơ không phải trang bị riêng cho nó, đây là tính toán cần thực
hiện trên một cấu hình robot cụ thể. Để thuận tiện cho thực nghiệm,
chọn robot 6 bậc tự do của bộ môn cơ điện tử với cấu trúc như sau:
23
Hình 3.3: Robot 6 bậc tự do khi chưa mang bàn tay
Hình 3.4: Bàn tay được lắp lên bích cổ tay hoàn chỉnh
x
0
z
0
x
2
z
3
z
5
z
6
y
6
z
1
z
2
z
4
O
0
x
1
O
6
x
3
x
4
x
5
O
1
208
2
4
0
320
2
8
5
Hình 3.5: Sơ đồ động và các hệ quy chiếu suy rộng của robot thí nghiệm
Bảng DH của robot có dạng như sau:
Bảng 3.1: Bảng thông số DH của robot dùng trong thí nghiệm
24
Các ma trận tính được từ bảng DH như sau:
−
−
=
+
1000
)()(0
)(.)()()()()(
)(.)()()()()(
1
dcs
sascccs
casscsc
A
i
i
ββ
αβαβαα
αβαβαα
−
=
1000
208010
00
00
11
11
1
0
cs
sc
A
;
−
=
1000
0100
.2400
.2400
222
222
2
1
scs
csc
A
;
−
=
1000
0010
00
00
33
33
3
2
cs
sc
A
25
