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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG 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
TRƯỜNG 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

Hướng dẫn khoa học:

Phạm Thành Long

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i1Nguyên

/>

THÁI NGUYÊN – 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG 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:
Hướng dẫn khoa học:

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

BAN GIÁM HIỆU

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

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

KHOA CHUYÊN MÔN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i2Nguyên

/>

THÁI NGUYÊN - 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là:

Phạm Mạnh Thắng

Nơi công tác: Trường 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 chưa từng được 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 Thá-i3Nguyên

/>

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của
nhà trường, khoa cơ khí, các thầy cô giáo trường 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 Trường 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 được
những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được 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 Thá-i4Nguyên

/>

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.

Phương pháp nghiên cứu

12

5.

Công cụ nghiên cứu

12

CHƯƠNG 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
Hướng nghiên cứu của đề tài

25

1.6

27

CHƯƠNG 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 phương án tác động điều khiển và duy trì lực kẹp
Kết luận chương 2

30

38

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i5Nguyên

/>

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 Thá-i6Nguyên

/>

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 hướng tiếp cận vật thể của bàn kẹp)

2

ai

3

A

Transpose (A)

4

i

Góc quay quanh trục ox

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

Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz

Tn

Phương trình liên kết của robot

i

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

T

Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox

(mm)
(rad)

(mm)

10

0

11

A 1i

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i7N-guyên

/>

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
KÍ HIỆU

1.1

NỘI DUNG BẢNG BIỂU

TRANG

So sánh tnh 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 ngược tại các điểm keypoint

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i8N-guyên

/>

BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
KÍ HIỆU

1.1
1.2

NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

TRANG

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 người

1.3b

Bàn tay với cảm biến xúc giác phỏng sinh tay người

1.4

Bàn tay hai ngón mở dưới 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 phương án tác động lên khâu chấp hành

1.10

Phương án truyền dẫn công suất giữa hai điểm

1.11
1.12

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 Thá-i9N-guyên

/>

1.16
1.17

Phương án điều chỉnh kích thước danh nghĩa của tay kẹp
Kết cấu của tay kẹp với phạm vi điều chỉnh kích thước 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

Lược 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

Lược đồ hoạt động trong một chu kì

2.9

Minh họa một chu kì làm việc trên cam 3 chưa 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 phương án 2

3.1

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

3.2

Xác định hành trình cam

3.3

Robot 6 bậc tự do khi chưa mang bàn tay

3.4

Bàn tay được 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 Th-ái1N0 g- uyên

/>

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 ngược giải bằng phương 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 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.
Bàn tay phỏng sinh là đối tượng 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 như bàn tay
chiếm một lượng lớn các công bố bên cạnh các nghiên cứu cấp thiết khác như ô nhiễm
môi trường, năng lượng và thông tin di động…xu hướng chế tạo các máy móc giống

con người theo nghĩa đen đã tạo ra hẳn một thuật ngữ cyborg để chỉ một sinh vật
có cấu trúc lai giữa người 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 được 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 lượng nguồn dẫn động càng ít đi không những để đơn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N1 guyên

/>

giản kết cấu mà tiết kiệm năng lượng cũng là vấn đề được đặt ra. Khó hơn nữa khi dẫn
động chung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N2 guyên

/>

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 được điều này.
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.

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;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N3 guyên

/>

-

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;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N4 guyên

/>

-

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.

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. Thông
thường robot công nghiệp có 6 bậc tự do (chưa 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. Như 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 được 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
lượng cơ học của phần này nhỏ hơn nhiều so với phần cơ sở. Nếu như cổ tay giữ
chức năng định hướng 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 hướng 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 hoàn thiện hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N5 guyên

/>

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 thường đòi hỏi có dịch chuyển cơ học lớn giữa hai trạng
thái đóng mở để thích nghi với các tnh 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.

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 Th-ái1N6 guyên

/>

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
Với ba hệ thống chức năng trong cùng một thiết kế bàn tay gồm hệ thống cơ học có
chức năng của khung xương 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 trò
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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N7 guyên

/>

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 Th-ái1N8 guyên

/>

Hình 1.5: Bàn tay với hai ngón luôn duy trì độ song song khi làm việc
Ở các bàn tay có nhiều đốt hơn cũng có hai phương thức dẫn động, đó là dẫn động
một ngón gồm ba đốt tay chỉ với một động cơ duy nhất tức là số lượng động cơ nhỏ
hơn số bậc tự do, việc tác động đóng thường được tác động từ động cơ trong khi
chiều mở tác động nhờ thế năng của một phần tử đàn hồi thường gặp nhất là lò 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 lượng động cơ tham gia dẫn
động, thông thường phương án này được thực hiện với truyền động đai và bản thân
nó cũng có hai phương án khác nhau là sử dụng một hoặc hai nguồn tác động,
trường 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 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N9 guyên

/>

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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N10 guyên

/>

Nếu bàn tay chỉ gồm hai ngón tay gây khó khăn cho việc cầm nắm các vật thể không
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 Th-ái1N11 guyên

/>

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 thông thường (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 trường hợp như 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 đòi hỏi truyền
động đai vòng 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 phương án truyền động khâu khớp như
hình

1.6 có thể có hai phương án thông dụng nữa với bàn tay là tác động bánh răng hoặc
tác động đai cho thấy như dưới đây:

Hình 1.10: Phương án truyền dẫn công suất giữa hai điểm
1.3 Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N8 guyên

/>

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 Th-ái1N9 guyên

/>

cầu về độ cứng xoắn nói riêng và độ cứng vững cơ học nói chung cũng rất được quan
tâm, các phương pháp tính toán sức bền hoàn hảo và vật liệu mới sẽ đảm bảo
được điều này.
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),
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 còn lại điều chỉnh hướng các
ngón tay sao cho thích nghi với các bề mặt khác nhau của vật kẹp như 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 nhưng 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 hướng 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 không đối xứng.
Tính tiêu chuẩn trong thiết kế là yếu tố quyết định tính công 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 mô đun hoàn toàn 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 mô đun bàn tay chứa cả bánh răng vi sai của cổ tay khi đó việc
thay thế bàn kẹp không thực hiện được, điều này cần chú ý ngay từ khi thiết kế nên có
thể xem như một yêu cầu kỹ thuật đối với bàn tay.
Nếu cánh tay đòi hỏi phần cổ tay có tầm với lớn phải có khả năng truyền động xa tâm
nhằm đưa trọng tâm về giá và ưu 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 đường truyền, và đó cũng là lý do ở
bàn tay có nhiều khớp thấp hơn khớp cao.
Khả năng điều chỉnh kích thước thao tác danh nghĩa cũng là một yêu cầu quan trọng vì
thực tế kích thước danh nghĩa của phôi có thể thay đổi trong một phạm vi cho
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái1N10 guyên

/>