Nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng 2.

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CHƯƠNG TRÌNH KC.03
YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY




“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG
MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG”
MÃ SỐ: KC.03.08




BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
THEO NHIỆM VỤ 1 - ĐỀ TÀI KC.03.08
NHÓM SẢN PHẨM ROBOT RP









6246-1
25/12/2006

HÀ NỘI - 2006


2
mục lục
Mở đầu
4
Phần 1. Robocar RP
10
I. Giới thiệu chung
10
II. Cơ cấu chấp hành linh hoạt
13
2.1. Phân tích và chọn lựa cơ cấu tay máy phỏng sinh

13
2.2. Xây dựng các hệ hình động học và động lực

18
III. Hồ sơ thiết kế cải tiến Robot RP
27
3.1. Thiết kế tổng thể 27
3.2. Cụm chi tiết chủ yếu 31
IV. Động học xe Robocar
39
4.1. Động học xe 3 bánh 39
4.2. Động học xe 4 bánh 43
V. Môđun xe di chuyển
46
5.1. Những vấn đề chung 46

5.2. Môđun xe di chuyển cho RP-01 47
5.3. Môđun xe di chuyển cho RP-02 51
VI. Hệ thống thiết bị điều khiển
56
6.1. Giới thiệu chung 56
6.2. Hệ điều khiển Robot RP 56
6.3. Điều khiển Robocar RP-01 bằng PLC 68
6.4. Hệ điều khiển Robocar RP-02 72
Phần 2. các sản phẩm Robocar ứng dụng
80
I. Giới thiệu chung
80
II. Robocar TN trong phòng thí nghiệm
81
2.1. Giới thiệu chung 81

3
2.2. Thiết kế, chế tạo TN 81
2.3.Các sensors đợc sử dụng 90
2.4. Những nhận xét qua thử nghiệm 95
III. Robocar Chữ thập đỏ
97
3.1. Giới thiệu chung 97
3.2. Kết cấu các bộ phận chấp hành 97
3.2.1. Kết cấu xe di chuyển 97
3.2.2. Cơ cấu robot 100
3.2.3. Hệ thống bơm phun 102
3.3. Xây dựng mô hình động học Robocar Camera 103
3.3.1. Chọn các hệ tọa độ 103
3.3.2. Mô tả đối tợng quan sát trong hệ tọa độ 104

3.3.3. Xác định vị trí điểm quan sát trên màn hình camera 106
3.3.4. Khống chế vùng hiển thị trên màn hình 107
3.4. Vấn đề xử lý hình ảnh và các phơng pháp dẫn đờng cho robot 108
3.4.1. Vấn đề xử lý ảnh 108
3.4.2. Các phơng pháp dẫn đờng cho robot 111
3.5. Thiết lập hệ thống điều khiển tìm kiếm đối tợng theo màu sắc 112
3.5.1. Mô tả hoạt động của hệ thống 113
3.5.2. Chơng trình dẫn đờng tự động 114
3.5.3. Các bớc của chơng trình xử lý ảnh 115
3.6. Các ứng dụng thử nghiệm bớc đầu 116
IV. Xe lăn và xe ghế tự động
126
V. Kết luận
133
Tài liệu tham khảo
135



4
Báo cáo các kết quả Nghiên cứu theo nhiệm vụ 1
Của đề tài kc.03.08

Mở đầu
Nhiệm vụ 1 của Đề tài KC.03.08 đợc đăng ký là nghiên cứu tạo ra
nhóm sản phẩm Robot RP đợc nâng cấp và thông minh hóa. Phiên bản đầu
tiên của Robot RP cũng do Trung tâm NCKT Tự động hóa, ĐHBK - HN. Đây
là loại robot phỏng sinh (bắt chớc cơ cấu tay ngời). Sự khác biệt của robot
này với các kiểu robot phỏng sinh khác là ở đây dùng cơ cấu pantograph với 2
con trợt dẫn động làm môđun chủ yếu của cơ cấu robot. Cũng vì thế robot

này đợc ký hiệu vắn tắt là RP. Nếu so sánh với các loại cơ cấu dùng làm
robot phỏng sinh khác thì cơ cấu robot RP có nhiều u điểm nh nhỏ gọn về
kích thớc, linh hoạt và cấu trúc, dễ giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau mà
không cần đến đối trọng. Tuy nhiên để hệ thống chấp hành có thể đáp ứng linh
hoạt các yêu cầu về thông minh hóa, cần phải nghiên cứu cải tiến nâng cấp hệ
thống chấp hành này. Với định hớng đó cần tạo thêm kh năng di động cho
robot RP và thích hợp nhất là di động bằng xe.
Robocar RP là phơng án cải tiến để robot RP di động bằng xe. Hệ
thống gồm cơ cấu robot RP và cơ cấu xe di chuyển đợc điều khiển thống
nhất. Trong hệ thống đó đợc trang bị thêm các bộ phận cảm biến, thiết bị xử
lý và chơng trình phần mềm điều khiển. Với các nội dung chủ yếu đó Đề tài
đã hòan thành nghiên cứu thiết kế, chế tạo và vận hành điều khiển Robocar
RP, định hớng ứng dụng trong phân xởng công nghiệp.
Chơng trình điều khiển Robocar RP phiên bản 01 (Hình 1) viết cho
PLC - S7200 để làm phụ việc trong phân xởng chế tạo cơ khí cũng tơng đối
đơn giản và chỉ lặp lại một vài thao tác định trớc. Thực ra, nếu chỉ đặt ra
phạm vi phục vụ cho Robocar là phụ việc trong phân xởng công nghiệp thông
thờng thì trong thực tế hầu nh không có nhu cầu phải thông minh hóa.

5
Vì thế Đề tài phải bắt đầu nghiên cứu giai đoạn 2 tạo ra Robocar RP
- 02 (hình 2) với nhiều cải tiến về môđun di chuyển và sử dụng bộ vi điều
khiển onchip 89C52. Đồng thời mở rộng định hớng ứng dụng.

Hình 1. Robocar RP phiên bản 01

Hình 2. Robocar RP phiên bản 02
Xu thế chuyển từ Robocar công nghiệp sang Robocar dịch vụ cũng
là theo xu thế chung hiện nay trên thế giới: tỷ lệ đầu t cho Robot công
nghiệp (Industrial Robots) giảm đi nhiều so với Robot dịch vụ (Service

6
Robots). Theo số liệu của Hiệp hội quốc tế về robot thì năm 2000 đầu t cho
robot công nghiệp giảm đi 32% tính chung cho các nớc, còn riêng Nhật Bản
giảm tới 60%. Trong lúc các loại robot dịch vụ lại phát triển. Cuối năm 2001
có khoảng 13.000 robot dịch vụ. Từ năm 2002 đến 2005 có thêm gần 30.000
robot dịch vụ. Số lợng robot gia dụng và robot đồ chơi tăng gấp đôi trong
vòng 4 năm.
Xu thế chuyển dịch đó có thể giải thích nh sau:
Một là, robot đợc dùng trong công nghiệp thờng là để thay thế những
công việc đơn giản, đơn điệu và chủ yếu là chuyên dụng. Bởi thế việc đầu t
cho công nghiệp những loại robot phức tạp, đa năng và thông minh là không
phải lúc nào cũng cần thiết. Trái lại robot dịch vụ và giải trí lại rất đa dạng,
tinh tế và đòi hỏi mức thông minh cao hơn.
Hai là, chỉ đến những năm gần đây khi mà các thành tựu của các ngành
công nghệ liên quan đủ để hiện thực hóa, ý tởng của những nhà thiết kế, luôn
luôn bám sát các nhu cầu thực tế của cuộc sống phát triển đa dạng để tạo ra
các kiểu robot dịch vụ và giải trí rất linh hoạt và thông minh.
Các ngành công nghệ liên quan nói trên bao gồm công nghệ thông tin,
công nghệ không dây (wireless), công nghệ sensor trên cơ sở MEMS và
NEMS, công nghệ VSS và thị giác máy (computer vision), công nghệ xử lý
tiếng nói v.v.
Đề tài KC.03.08 định hớng nghiên cứu tiếp cận những vấn đề về robot
thông minh, phải cập nhật đợc những thông tin về xu thế nói trên và vì thế đã
mở rộng đợc phạm vi ứng dụng kết quả nghiên cứu về robocar. Qua những
lần Đề tài đi tiếp thị nhận thấy trong nhiều ngành công nghiệp Việt Nam
đang còn có nhiều thói quen trì trệ bao cấp cha sẵn sàng tiếp thu những vấn
đề khoa học kỹ thuật mới. Trong lúc robocar dịch vụ và giải trí có thể mở
rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và đòi hỏi về mức độ
thông minh hóa cao hơn.

7
Với cách tiếp cận theo xu thế hiện nay trên thế giới, Đề tài đã phát triển
với các nhóm sản phẩm sau đây:
1. Robocar phục vụ phòng chống dịch bệnh
2. Robocar phục vụ ngời tàng tật, ốm đau.
Ngoài ra còn bớc đầu nghiên cứu về Robocar địa hình, Robocar cảnh
vệ, Robocar hớng dẫn viên v.v. Trên các hình 3 ữ 5 là ảnh chụp các phiên bản
đầu tiên về các Robocar này do Trung tâm NCKT Tự động hóa, ĐHBK HN
nghiên cứu thiết kế, chế tạo.
Các nội dung phát triển nói trên là phần nghiên cứu thiết kế chế tạo các
sản phẩm ứng dụng của Đề tài. Một vài sản phẩm nói trên đã đợc ứng dụng
thử nghiệm, còn số khác cũng đợc nhiều cơ sở quan tâm đến, nhng để thành
sản phẩm thơng mại thì còn cần có nhiều đầu t thích đáng. Tuy nhiên nếu có
đợc những phiên bản đầu tiên ở PTN thì mới thu hút đợc sự quan tâm của cơ
sở ứng dụng. Đó chính là mục tiêu Đề tài đặt ra.












8

H×nh 3. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar ®Þa h×nh ®ang leo thang

H×nh 4. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar c¶nh vÖ víi sensor hång ngo¹i “nh×n” ®−îc
trong ®ªm

9

Hình 5. Phiên bản chế thử Robocar Hớng dẫn viên điều khiển từ xa
qua thị giác máy
Với cách tiếp cận đó Đề tài đã nhận đợc các kết quả rất cơ bản và mở
ra nhiều khả năng ứng dụng. Các kết quả cơ bản là nghiên cứu chuẩn hóa
đợc các môđun hợp thành robocar thông minh. Đó là môđun di chuyển,
môđun robot trên xe và môđun điều khiển xử lý tình huống. Với các môđun
này khi ghép nối lại để đáp ứng một yêu cầu cụ thể là hòan toàn hiện thực. Đó
là cách triển khai ứng dụng của Đề tài và việc biến những kết quả nghiên cứu
nay thành những sản phẩm ứng dụng theo các nhu cầu khác nhau của cơ sở là
hoàn toàn khả thi.
Trong báo cáo này trình bày những kết quả nghiên cứu về các môđun
nói trên qua một số sản phẩm đã tơng đối hoàn chỉnh. Cụ thể là Robocar RP-
01, Robocar RP-02, Robocar Chữ thập đỏ, Xe lăn và Xe ghế chạy điện tự
động. Báo cáo này gồm 2 phần: Phần I về Robocar RP và phần II về các sản
phẩm robocar ứng dụng.

10
Phần i
Báo cáo các kết quả nghiên cứu theo

nhiệm vụ 1 của đề tài kc. 03.08
robocar rp

i. giới thiệu chung


Nh đã trình bày ở phần mở đầu, Robocar RP là phơng án cải tiến để
Robot RP đợc tăng cờng khả năng linh hoạt đáp ứng những yêu cầu về
thông minh hóa.
Phiên bản đầu tiên của Robocar RP đã hoàn thành từ năm 2002. Kết quả
nghiên cứu này đã đợc giới thiệu trong sách giáo trình Robot công nghiệp
và ảnh chụp Robocar RP với ghi chú là sản phẩm đề tài KC.03.08 đã dùng làm
ảnh bìa sách (hình 1.1.1.). Giáo trình này đợc hầu hết các trờng Đại học và
Cao đẳng kỹ thuật dùng làm sách giáo khoa. Sách đợc tái bản 2 năm một lần,
đến nay đã là lần thứ 3, đó là cha kể khá nhiều sách đợc in không chính thức
bán ngoài thị trờng.
Sau nhiều lần khảo nghiệm qua việc ứng dụng thử nghiệm trong phân
xởng chế tạo cơ khí. Đề tài đã nhiều lần cải tiến các bộ phận và luôn luôn đi
sâu nghiên cứu để trả lời những câu hỏi sau:
- Cơ cấu robot nên nh thế nào để nâng cao mức độ linh hoạt, mà giá
thành chế tạo lại không quá cao?
- Cơ cấu xe di chuyển nên nh thế nào để dễ điều khiển chính xác một
khi mặt đờng di chuyển không đòi hỏi quá bằng phẳng và đồng đều?
- Nên tạo ra các môđun điều khiển nh thế nào để thích hợp với những
loại hình robocar khác nhau, ví dụ robocar phải thao tác ở những nơi không

11
biết quá rõ về địa hình; Khi đợc trang bị những hệ thống sensor cao cấp rất
đắt tiền và khi chỉ có khả năng đầu t rất hạn hẹp v.v.

Hình1.1.1. Robocar RP trên bìa sách giáo trình
Trớc những vấn đề đặt ra đó Đề tài đã chọn phơng pháp tiếp cận là đi
sâu nghiên cứu cho từng vấn đề một và tạo ra những môđun thiết bị tơng đối
độc lập, chúng có thể nối ghép với nhau theo nhiều phơng án để tạo ra nhiều
loại robocar phù hợp với nhu cầu đa dạng của thực tế. Đề tài cũng định hớng
mở rộng phạm vi ứng dụng, cũng theo xu thế chung của thế giới là chuyển
mạnh từ robot công nghiệp sang robot dịch vụ. Bởi thế Đề tài đã nhanh
chóng tạo ra nhiều loại sản phẩm từ những kết quả nghiên cứu khoa học tuy
chỉ mới ở phạm vi phòng thí nghiệm nhng là kết quả rất cơ bản, vì từ đó mở
ra một triển vọng ứng dụng rộng rãi, chứ không đặt mục tiêu là làm ra một sản
phẩm và tìm mọi sách đem dùng sản phẩm đó mà thôi.

12
Trong báo cáo này sẽ đi đến lời giải các câu hỏi nói trên nh những kết
quả nghiên cứu khoa học qua việc trình bày các nội dung sau:
1) Nghiên cứu tạo dựng các cơ cấu chấp hành linh hoạt cho robot.
2) Nghiên cứu tạo dựng môđun xe di động và cơ cấu lái robocar
3) Nghiên cứu thiết lập phần cứng và phần mềm điều khiển robocar

Hình 1.1.2. Robocar trong phân xởng







13
II. Cơ cấu chấp hành linh hoạt cho Robot
2.1. Phân tích và chọn lựa cơ cấu tay máy phỏng sinh

Cơ cấu tay máy phỏng sinh nói chung là rất đơn giản, chỉ gồm môđun
cơ bản là môđun cơ cấu cánh tay gồm 2 khâu nối với thân và cơ cấu cổ tay bàn
kẹp. Tuy vậy khi thiết kế cũng phải giải quyết nhiều vấn đề, ví dụ:
- Với quan hệ kích thớc nào thì không gian hoạt động của tay máy và
vùng dễ thao tác là lớn nhất?
- Loại hình động lực và truyền lực cho các khâu nên là và nên đặt trực
tiếp ở các khâu đó hay là đặt trên phần cố định của thân?
- Vấn đề đảm bảo cân bằng của các khâu ở các vị trí khác nhau?
Ngoài ra còn có hàng loại vấn đề khác về động học và động lực học, về
khe hở và độ chính xác v.v.
Trên hình 1.1.3 là sơ đồ động của cơ cấu tay máy 6 bậc tự do trong
Robot Cincinnaty 3T của USA. Từ 1 đến 6 là các khâu của cơ cấu tay máy.
Cụm 7 là cơ cấu cổ tay - bàn kẹp, 8 là thân
Trên hình 1.1.4 mô tả sơ đồ các hệ thống động lực, các truyền lực bằng
dây đai và các hệ cân bằng I, II, III. Theo sự mô tả đó, có thể hình dung ra dự
hoạt động của các hệ đó mà không cần phải giải thích thêm ở đây.
Điều khiển dịch chuyển của bàn kẹp tay máy bám theo quỹ đạo không
gian là phải căn cứ vào các yêu cầu về định vị và định hớng của bàn kẹp tại
các điểm liên tiếp trên quỹ đạo mà xác định các thông số điều khiển, ở đây là
các giá trị tọa độ suy rộng của các khớp động. Có thể biểu thị theo mô hình
sau:
Gọi x = (x
1
, ... x
n
)
T
là véctơ trạng thái điểm cuối của phần tử tác động
gắn trên tay máy.

Gọi q = (q
1
, ...q
n
)
T
là véctơ tọa độ suy rộng của các khớp động tay máy.

14
Thì lời giải của bài toán động học ngợc tay máy là:
: x {q
1
, i = 1, ... 1}
Gọi S là tập các cấu hình có thể của tay máy thì
S = {q: q
i
min

q
i
q
i
max
, i = 1, ...., n}
Nh sẽ trình bày trong bản báo cáo này, rằng việc giải bài toán trên
trong trờng hợp chung không phải là đơn giản. Đôi khi không tìm đợc lời
giải hoặc thời gian tìm lời giải quá dài nên không đảm bảo thời gian thực trong
điều khiển.
Vì thế ngay từ khi chọn sơ đồ động cho cơ cấu tay máy đã phải chú ý
đến vấn đề này. Dễ dàng nhận thấy cơ cấu càng đơn giải thì đối với nó giải bài

toán ngợc động học càng dễ. Ví dụ nếu cơ cấu cánh tay của tay máy nằm
trong mặt phẳng và khi quay chung quanh trục thẳng đứng thì cơ cấu tay máy
có thể thao tác trong không gian 3 chiều. Đối với các loại cơ cấu này nhiều bài
toán động học ngợc trở nên rất đơn giải và lúc này trở về bài toán phẳng.
Tùy theo quan hệ hình thức giữa các khâu và giá trị tọa độ suy rộng
q
i
min
, q
i
max
của các khớp động mà không gian hoạt động của cơ cấu tay máy
chiếm những vị trí to nhỏ khác nhau và chứa các vùng khó dễ thao tác khác
nhau.
Với quan điểm trên, qua phân tích hàng loạt cơ cấu tay máy phỏng sinh
của rất nhiều hãng khác nhau trên thế giới, chúng tôi đi đến nhận xét rằng tính
u việt nổi bật về của cơ cấu vẽ bình hành (Pantograph) khi dùng làm cơ cấu
cánh tay phỏng sinh. Vì thế loại cơ cấu này ngày càng đợc dùng rộng rãi
trong các loại tay máy khác nhau. Đó cũng là sự chọn lọc tự nhiên.




15

Hình 1.1.3. Sơ đồ động học của robot Cincinnaty 3T (USA)


Hình 1.1.4 Sơ đồ các hệ chức năng của robot Cincinnaty 3T (USA)

16
Nh thế với mục đích chọn lựa những cơ cấu chấp hành cơ khí đợc
điều khiển trong quỹ đạo không gian với độ linh hoạt cao, chúng ta đã chú ý
tới các cơ cấu tay máy phỏng sinh và tập trung xem xét môđun cơ cấu cánh tay
dùng Pantograph. Cơ cấu cánh tay dùng Pantograph cũng có nhiều biến thể.
Trên hình 1.1.5 là một số biến thể cơ cấu cánh tay dùng Pantograph đã đợc sử
dụng.
Theo phơng pháp phân tích nêu ở mục 2.2. đã tíên hành tính toán kiểm
nghiệm nhiều biến thể khác nhau của cơ cấu cánh tay dùng Pantograph với các
số liệu của nhiều hãng sản xuất robot hiện dùng và đã xác định những loại
hình có nhiều u điểm hơn. Trong đó đảm bảo 3 yêu cầu đã đặt ra ở mục 2.2.
là:
- Bố trí nguồn động lực gắn với thân nhng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập
của các khâu chấp hành.
- Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh hoạt và nhỏ gọn về kích thớc.
- Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau và tiêu hao ít năng lợng.
Trên hình 1.1.6 đề xuất một loại cơ cấu tay máy có thể thỏa mãn các
yêu cầu trên, đồng thời có thêm một tính chất nữa là dễ điều khiển. Tính chất
này xuất phát từ đặc điểm là ở đây bài toán động học ngợc là bài toán phẳng
và có thể điều khiển dịch chuyển của bàn kẹp theo các trục tọa độ bằng một hệ
trục tọa độ suy rộng của khớp động.







17

H×nh 1.1.5. C¸c c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph














H×nh 1.1.6. S¬ ®å ®éng c¬ cÊu tay m¸y
R
V
0

o

E
1
S
S
3
x
0
S

2
0
y
Z

G
B
4
Z
0

3

G
2
G
A
D
P
y
q
6
T
Bµn kÑp

q
4
G
1
M

q
5
Q

18
2.2. Xây dựng các hệ hình động học và động lực

1) Các thông số kích thớc:
* Quan hệ kích thớc tối u:
Ký hiệu: MD = m AD = b AB = d
EB = c e + d = a b + m = l
Đảm bảo quan hệ sau:

a
dm
=
l

e
d
b
m
=
(2.1)
Từ đó ta có:

y
y
M
E

y
m
b
K==
(2.2)

Z
C
M
K
b
==
l
z
z
(2.3)
K
y
và K
z
là độ khuếch đại theo chiều y và theo chiều z
K
z
= 1 + K
y
(2.4)
Suy ra: m = b. K
y
d = e. K
y

(2.5)
Nếu đặt :
n
b
e
m
d
==
(2.6)
Gọi vị trí xa nhất là M* và giả thiết cơ cấu có thể duỗi thẳng thì con
trợt E ở vị trí E* thì:
L = E*M* = m + d + b + e = b(1 + n).(1 + K
y
) (2.7)
Trong trờng hợp cơ cấu không cho phép duỗi thẳng hoàn toàn thì gọi
là độ dài phần không duỗi thẳng hết và đặt:
L = L + (2.8)
Bài toán xác định kích thớc cơ cấu nhỏ gọn nhất đối với vùng làm việc
PQVR (xem hình 1.1.6) cho biết trớc có thể đặt ra nh sau:

19
Cho M* trùng với điểm xa nhất của vùng làm việc, Ví dụ điểm Q (xem
hình 1.1.6) và đặt hàm mục tiêu F là:
F = b(1 + n).(1 + K
y
) (2.9)
Hoặc ta viết:
x
1
= b x

2
= n x
3
= K
y

thì F = x
1
(1 + x
2
)(1 + x
3
) - L (2.10)
Nhiệm vụ là phải chọn bộ thông số x
1
,

x
2
, x
3
sao cho F
min
. Có nhiều chơng
trình máy tính giải bài toán tối u loại phơng trình (2.10) này. Ví dụ tính
toán đối với trờng hợp L = 20 thì x
1
= 2 ,

x

2
=1, x
3
= 4 là lời giải tối u.
Từ hình 2.6 dễ dàng thiết lập các quan hệ sau:
y
E
= - ecos - bcos (2.11)
z
c
= esin - bsin (2.12)
Nếu lấy n = 1 (tức là x
2
= 1) từ phơng trình (2.6) có e = b, do đó:
y
E
= - b(cos + cos) (2.13)
z
c
= b(sin - sin) (2.14)
Từ đó có độ dịch chuyển nhỏ của con trợt E và C là:
y
E
= - b(cos + cos) (2.15)
z
c
= b(sin - sin) (2.16)
* Trờng hợp chỉ riêng con trợt E di chuyển:

Trong trờng hợp này z

c
= const. , z
c
= 0 và từ phơng trình (2.15),
(2.16) ta có:
y
E
=
()


cos
+bsin
(2.17)
hoặc : y
E
=
()


cos
+bsin
(2.18)


20
* Trờng hợp chỉ có riêng con trợt C di chuyển:

Trong trờng hợp này z
E

= const. , z
E
= 0 và từ phơng trình (2.15),
(2.16) ta có:
y
c
= -
()


sin
+bsin
(2.19)
hoặc : y
c
=
()


sin
+bsin
(2.20)

* Tính lực khi z
c
= const. :
Trong trờng hợp này z
c
= 0 và từ phơng trình (2.16) ta có
cos = cos. Theo phơng pháo di chuyển khả dĩ, giả thiết do tác động của

các trọng lực G
i
có thể gây ra các lực P
Ei
tác động vào con trợt E thì cả hệ
cần phải cân bằng, tức là:
P
Ei
. y
E
- G
i
. z
i
= 0 (2.21)
Tính z
i
:
z
1
=

sin
2
z
b
c
ll
+
z

1
=

cos
2
l

z
2
=

sin
2
d
z
c
+
z
2
=

cos
2
d

z
3
=

sin

2
e+d
z
3
=

cos
2
e+d

z
4
=

sin
2
b
z
c
+
z
4
=

cos
2
b

z
Q

= - q.sin z
Q
= - q.cos
Với q = QE, Q là tiêu điểm kéo dài BE và là điểm đặt đối trọng Q.
Tính lực P
Ei
từ các phơng trình (2.21) ta đợc:

21
)(sin b
sin cos
2
1
.G
y
.G
P
1
E
11
E1
+
==




)(sin b
sin cos
2

d
.G
y
.G
P
2
E
22
E2
+
==



)(sin b
sin cos
2
e d
.G
y
.G
P
3
E
33
E3
+
+
==

)(sin b
sin cos
2
b
.G
y
.G
P
4
E
44
E4
+
==



y) (jbsin
jQ.qcosysin
dy
Qdz
P
E
Q
EQ
+
==

Vậy:






++++
+
=
e
q
QGKGKGG
y
2)1)((
42331
)( 2sin
sincos
P
EQ


(2.22)
Từ đó có thể xác định đối trọng để P
Ei
= 0, vậy
[]
4y2331
GKG1))(KG(G
2q

e
Q ++++=
(2.23)
* Tính các góc

và

:
Từ hình (2.16) dễ dàng xác định:
y
m
= d cos + m cos = m(cos + cos) (2.24)
z
m
= asin - lsin = l(sin - sin) (2.25)
từ phơng trình (2.24) và (2.25) ta có:


22
=
()
[ ]
()
m
mzly
yl
zm
arctg
mm
m

m
22
arccos
.
.
+
+
2.26
=
()
[ ]
()
m
mzly
yl
zm
arctg
mm
m
m
22
arccos
.
.
+

2.27
b) Kiểm nghiệm hệ lực dẫn động:
Cấu kiện cơ khí đợc thiết kế trên cơ sở nghiên cứu ứng dụng cơ cấu 4
khâu song hành. Cấu kiện có 6 bậc tự do: 2 chuyển động thẳng và 4 chuyển

động quay. Có thể chia làm 2 nhóm 3: nhóm 3 với toạ độ cơ sở (3/1) có 2
chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay và nhóm 3 thứ hai (3/2) gồm
có 3 chuyển động quay.
Điểm A và B (hình 1.1.7) là hai điểm đợc dẫn động bằng truyền động
vít me.
Cụm di động thẳng đứng AA' và BB'
Gọi điểm A
0
là điểm cuối của thanh FA
0
và B
0
là điểm cuối của thanh
DB
0
.
Khung cấu kiện có hai vị trí làm việc biên mà cánh tay trên CD có góc
quay giới hạn trên và đầu A
0
di chuyển đến điểm cuối hành trình A' và điểm B
0

đứng ở điểm cực trên của hành trình B.
a) Sơ đồ lực:
Hệ lực cơ bản là tải tác động vào hệ thanh cấu tạo và bản thân tự trọng
của các thanh đó. Kích thớc kết cấu :
AF = BF = EB = a = 12,5 cm
EF = BD = CD = b = 50 cm

23

l = a + b = 12,5 + 50 = 62,5 cm
Góc FAB =
Góc CAx =
+ =
Gọi tỉ số i = b/a
ta có:
4
12,5
50
i ==
(2.28)
Điểm A di động trên trục 0x và điểm B di động trên trục 0y.
Để đơn giản hoá trong tính toán sơ bộ, ta cho các tự trọng m của các
thanh nằm tại điểm giữa của các thanh và trọng lợng của thanh AM = m
1
;
BD = m
2
; BF = m
3
; ED = m
4
; DC = m
5
; trọng lợng cổ tay đặt tại điểm C
= m
5
;
Q là tải gây ra
R

1
phản lực tại A, R
2
phản lực tại B
R
3
phản lực ngang tại A, R
4
phản lực ngang tại B











24


H×nh 1.1.7. S¬ ®å tÝnh to¸n lùc
b) TÝnh to¸n c¸c ph¶n lùc:
- LÊy moment M
(B)
®Ó tÝnh R
1
:

M
(B)
= R
1
.2aCosαCosβ + R
3
.2aCosαSinβ - Q.2bCosαCosβ +
+ m
1
.(2aCosαCosβ - l/2.Cosϕ) - m
2
.(b/2.Cosϕ) +
+ m
3
.(a/2.Cosγ) - m
4
.(b.Cosϕ - a/2.Cosγ) –
- m
5
.(bCosϕ + b/2.Cosγ) - m
6
.(2bCosαCosβ) (2.29)

Chia c¶ 2 vÕ ph−¬ng tr×nh cho 2aCosαCosβ ta cã:
R
1
+ R
3
tgβ - Q(i - 1) + m

1
[ 1 -
i
4
(1-tgαtgβ)] -
- m
2
[
i-1
4
.(1 - N) + m
3
[
i
4
(1+N)] - m
4
[(i - 1)(1 - N)-
i
4
(1 + N)] -

25
- m
5
[
i-1
2
(1 - N) +
i-1

4
.(1 + N)] - m
6
[i - 1] = 0

ChuyÓn ®æi ta ®−îc:
R
1
+ R
3
tgβ - Q(i - 1) + m
1
- m
1
i
4
+ m
1
i
4
N - m
2
i-1
4
+ m
2
i-1
4
N
+ m

3
1
4
+ m
3
1
4
N - m
4
(i - 1) + m
4
(i - 1)N + m
4
1
4
m + m
4
1
4
N - m
5
(
i-1
2
)
+ m
5
(
i-1
2

)N - m
5
(
i-1
4
)N - m
5
(
i-1
4
) - m
6
(i - 1) = 0

R
1
+ R
3
tgβ - Q(i - 1) +
+ m
1
+ m
2
1
4

+ m
3
1
4

+ m
4
(1 +
1
4
) - m
5
(
1
2
+
1
4
) m
6
-
-
i
4
.( m
1
+ m
2
+ m
3
+ 4m
4
+ 3m
5
+ 4m

6
) +
+ i.tgαtgβ[ m
1
+ m
2
1
4
- m
2
1
i
+ m
3
1
4i
+ m
4
( 1
1
i
) +
+ m
4
1
4i
+ m
5
( 1
1

i
)
1
4
] = 0

Ph¶n lùc R
1
= 3,5Q - R
3
tgβ - [ m
1
(1 -
i
4
) + m
2
(
1
4
-
i
4
) + m
3
1
4
+
+ m
4

(
5
4
- i) + m
5
(
3
4
-
3
4
i
) + m
6
(1 - i)] (2.30)


Thay i = 4

Ta ®−îc:

)12m9mmm(3m
4
1
tgR3QR
6543231
+++−+−=
β

T−¬ng tù ta tÝnh R

2
. LÊy moment t¹i ®iÓm A ta cã:

M
(A)
= R
2
.2aCosαCosβ + R
4
.2aCosαSinβ - Q.2l.CosαCosβ -
- m
1
. l/2.Cosϕ - m
3
.( 2aCosαCosβ - a/2. Cosγ) -
- m
2
.( 2aCosαCosβ + b/2.Cosγ) - m
4
.(l.Cosϕ + a/2.Cosγ) -
- m
5
.[l/2Cosϕ + (a + b/2)Cosγ ] - m
6
.(2lCosαCosβ) (2.31)