Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không dùng nguồn dẫn động độc lập ( Luận án tiến sĩ)

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 KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP

Ngành:

Công 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 CHUYÊN MÔN

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 Công 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 tôi. Các số liệu, kết quả
có trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công 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 cô 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 Công 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 không 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 hoàn 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 KHÔNG 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 lò xo chính theo tải trọng danh nghĩa của
bàn tay

39

3.2

Tính chọn độ cứng của lò xo phụ

40

3.3

Tính toán 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 công trình đã công 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 lò 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 lò 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 thông số DH của robot dùng trong thí nghiệm

3.2

Kết quả bài toán 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 luôn 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 luôn 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 ngoài

2.1

Mô 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 phôi

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 công nghiệp nhu cầu về
các bàn tay robot phục vụ cho các nguyên công đòi 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 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 sƣ, các nhà khoa học nghiên cứu bàn tay phỏng
sinh.
Bàn tay phỏng sinh là đối tƣợng nghiên cứu của rất nhiều các công 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 công nghệ cao tích hợp nhiều công 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 ngoài không gian ra đời, ngày càng khéo léo do có nhiều bậc
tự do hơn song số lƣợng nguồn dẫn động càng ít đi không 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
-

/>

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full