Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tay máy master tọa độ cầu để sao chép vị trí và phản hồi lực

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HUỲNH VĂN TÍN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG TAY MÁY MASTER TỌA ĐỘ CẦU ĐỂ SAO CHÉP VỊ TRÍ VÀ PHẢN HỒI LỰC Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã chuyên ngành: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng Người phản biện 1: Người phản biện 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch hội đồng Phản biện Phản biện Ủy viên Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ TS Châu Minh Quang BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Huỳnh Văn Tín MSHV: 15001411 Ngày, tháng, năm sinh: 22/01/1990 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã chuyên ngành: 60520103 I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống tay máy Master tọa đợ cầu để chép vị trí phản hồi lực NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ - Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy Master tọa đợ cầu thực chép vị trí phản hồi lực Nội dung - Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan loại phanh li hợp sử dụng MRF để làm tiền đề cho kết cấu bộ phản hồi lực - Nội dung 2: Nghiên cứu phát triển cấu hình bợ phản hồi lực dùng MRF, ứng dụng khớp tay máy đề tài - Nội dung 3: Xây dựng giải tốn tối ưu kết cấu bợ phản hồi lực dùng MRF - Nội dung 4: Thu thập kết quả, so sánh nhận xét Kiểm chứng kết quả tốn tối ưu kết cấu bợ phản hồi lực thực nghiệm - Nội dung 5: Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master slave bậc tự có phản hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF đề xuất - Nợi dung 6: Xây dựng thuật tốn điều khiển, thiết kế hệ thống điều khiển tay máy - Nội dung 7: Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống thiết bị Viết chương trình điều khiển, thực nghiệm chương trình điều khiển - Nội dung 8: Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá tính tay máy chế tạo, thu thập, xử lý kết quả thí nghiệm - Nội dung 9: Tổng hợp kết quả, thuyết minh luận văn II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 1756/QĐ–ĐHCN ngày 27/03/2017 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2018 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ TS Châu Minh Quang LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô khoa Công nghệ Cơ khí trường Đại học Cơng nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh hỗ trợ, hướng dẫn cung cấp đầy đủ kiến thức với mong muốn trang bị cho em mợt hành trang tốt nhất để phát triển công việc cuộc sống tương lai Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng, người trực tiếp hướng dẫn cung cấp cho em kiến thức, tài liệu quý giá, hướng dẫn chi tiết bước xây dựng mơ hình mơ thực tốt đề tài Con xin gửi lời cảm ơn đến Bố, Mẹ, Anh, Chị, người ln đợng viên khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi nhất trình học tập, trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả bạn bè, người dành cho yêu thương cổ vũ, động viên lúc khó khăn nhất Mặc dù có nhiều cố gắng chắn đề tài cịn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận bảo, góp ý Quý Thầy, Cô bạn Tp HCM, ngày 27 tháng 03 năm 2018 Học viên thực Huỳnh Văn Tín i TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong năm gần đây, công nghiệp robot phát triển vượt bậc có thành tựu đáng kể Song song với vấn đề cải thiện chất lượng robot, để tăng hiệu quả làm việc đơn giản hóa q trình điều khiển robot ln đề tài nhà khoa học quan tâm Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy bậc tự phản hồi lực dùng lưu chất MRF, Elbow robot có haptic nhằm tạo hệ thống tay máy với tính đạt hiệu quả cao thay cho robot Dựa mối quan hệ độ biến thiên từ trường độ rắn lỏng lưu chất điện - từ biến, từ tính tốn, thiết kế hệ thống haptic cho tay máy nhằm đạt hiêu quả cao ii ABSTRACT In recent years, the robot industry has grown tremendously and has made remarkable achievements In parallel with this, the problem of improving the quality of the robot, how to increase the efficiency of work and simplify the process of robot control is always a subject of interest to scientists Design and manufacture of manual 3-step automatic manual feedback system with MRF, Elbow robot with haptic to create a new hand-held system with high efficiency to replace the current robot Based on the relationship between the magnetic field variability and the liquid solid state of the electrolytic capacitor, it is calculated and designed the haptic system for the machine to achieve high efficiency iii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng Các nội dung nghiên cứu, kết quả đề tài trung thực chưa cơng bố bất kỳ hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Các kết quả mơ thực nghiệm trình bày luận văn phản ánh một cách trung thực Học viên Huỳnh Văn Tín iv MỤC LỤC MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU .1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Ứng dụng robot 1.2 xa Tầm quan trọng vai trò hệ thống haptic điều khiển Robot từ .6 1.3 Các ứng dụng công nghệ haptic 1.4 Một số cơng trình liên quan 1.4.1 Trong nước 1.4.2 Ngoài nước 10 1.5 Tay máy bậc tự xoay (Elbow Robot) có phản hồi lực 14 1.5.1 Tay máy bậc tự xoay 14 1.5.2 Hệ thống haptic cho tay máy elbow 17 CHƯƠNG HỆ THỐNG TAY MÁY BẬC TỰ DO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CÓ PHẢN HỒI LỰC 18 2.1 Sơ đồ nguyên lý 18 2.2 Tay máy slave 18 2.3 Tính tốn thiết kế tay máy Master 20 2.3.1 Sơ đồ động lực học thông số bản 20 2.3.2 Tính tốn momem phanh cần thiết cho hệ thống phản hồi lực 21 v CHƯƠNG THIẾT KẾ TÍNH TỐN CHẾ TẠO PHANH 32 3.1 Kết cấu phanh nguyên lý hoạt động phanh lưu chất MRF .32 3.2 Lựa chọn lưu chất MR 33 3.3 Lựa chọn vật liệu làm vỏ đĩa phanh 36 3.4 Tính tốn thiết kế momen phanh MRF 37 3.4.1 đĩa Moment ma sát sinh lực ma sát lưu chất với mặt tiếp xúc .38 3.4.2 Moment sinh lực ma sát phốt trục 41 3.5 Bài toán thiết kế tối ưu phanh 42 3.6 Phương pháp giải toán tối ưu phanh 43 3.7 Kết quả 47 3.8 Chế tạo thử nghiệm 50 3.8.1 Thiết kế chế tạo phanh lưu chất .50 3.8.2 Thử nghiệm phanh lưu chất MRF .58 3.9 Nhận xét đánh giá kết quả .60 3.9.1 Nhận xét 60 3.9.2 Nguyên nhân 60 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 61 4.1 Thiết kế hệ thống điều khiển chép phản hồi lực Master- Slave.61 4.2 Hệ thống điều khiển chép vị trí tay máy 62 4.3 Hệ thống điều khiển haptic tay máy .65 4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển phanh MRF 68 4.5 Chế tạo hệ thống điều khiển: tay máy Master - Slave phanh lưu chất 71 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .74 5.1 Sơ đồ thí nghiệm điều khiển vị trí tay máy 71 5.2 Kết quả chép vị trí tay máy Master- Slave .71 5.3 Kết quả phản hồi lực tay máy Master 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 Kết luận .83 Kiến nghị 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 vi CHƯƠNG HỆ THỐNG TAY MÁY BẬC TỰ DO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CÓ PHẢN HỒI LỰC 2.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.1 sơ đồ nguyên lý hệ thống tay máy gồm có tay máy Master – Slave Tay máy Slave thực việc chép lại chuyển động tay máy Master, đồng thời q trình hoạt đợng chịu lực tác động lên tay máy, để thuận tiện việc thực đề tài đảm bảo tay máy hoạt động yêu cầu kỹ thuật Chọn phương án mua lại phần cứng tay máy cơng nghiệp có thị trường để làm tay máy Slave Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tay máy Master Slave 2.2 Tay máy slave Từ giới hạn đề tài yêu cầu kỹ thuật cánh tay robot, để đơn giản việc thực đề tài Nên chọn phương án mua cánh tay robot cơng nghiệp có thị trường để làm tay máy Salve cho đề tài Hình 2.2, thể thông số bản tay máy công nghiệp để làm tay máy Salve thực đề tài 18 Hình 2.2 Các thông số bản tay máy Slave Tay máy Master thiết kế với khớp quay theo kế cấu tay máy Slave, kích thước hình học tay máy Master thiết kế theo tỉ lệ 1:1, vị trí khớp qua gắn cảm biến encoder chuyển tín hiệu xung thành tín hiệu góc quay để thực điều khiển khớp quay tay máy Slave Ở điểm tác động cuối tay máy Master có tín hiệu phản hồi lực lên tay người thao tác Để phản hồi lực tay máy Master thiết kế phanh lưu chất từ biến đặt 19 Slave bị tác động Từ việc điều khiển tạo nên liên kết linh hoạt trình chuyển động thực thao tác tay máy 2.3 Tính tốn thiết kế tay máy Master 2.3.1 Sơ đồ động lực học thông số Để thực thiết kế cánh tay Master đơn giản cho việc chế tạo đồng thời đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề tài, có góc quay kích thước thiết kế theo hình 2.2 Sơ đồ giới hạn góc quay làm việc (tay Master & Slave): J1: – 2700, J2: – 1600, J3: – 1000 Chiều dài khâu: L1 = 220 mm, L2 = 350 mm, L3 = 190 mm Hình 2.3 Sơ đồ giới hạn góc quay tay máy làm việc 20 2.3.2 Tính tốn momem phanh cần thiết cho hệ thống phản hồi lực Để thực phản hồi lực khâu cuối cánh tay Master, chọn giá trị lực để tay người điều khiển cảm nhận Fmax = 10 N Hình 2.4 Sơ đồ phân bố lực khâu cuối K tay máy Master Phanh cho khớp J1: Hình 2.4, lực tác động lên khớp J1 lực Fn Momen khớp J1 lớn nhất: T1max= dnmax*Fn Để dnmax khoảng cách lớn nhất khớp J2 00 khớp J3 900 so với giới hạn hoạt động khớp hình 2.5 21 Hình 2.5 Sơ đồ momen max khớp J1 Khi đó: dnmax = L1+L2+L3 = 220+350+190 = 760 mm = 0.76 m T1max = 0.76*10 =7.6 (N/m) Phanh cho khớp J2: Khớp J2 có lực tạo nên Fs Fa Hình 2.6 Ta có khoảng cách dsmax = L2+ L3, damax = L2+ L3.Cosα Hình 2.6 Sơ đồ momem max khớp J2 22 Vậy khoảng cách dsmax > damax Momen khớp J2 lớn nhất: T2max = dsmax * Fs Ta có dsmax = L2 + L3 = 350 +190 =540 mm = 0.54 m Suy T2max = 0.54 * 10 = 5.4 (N/m) Phanh cho khớp J3: Theo sơ đồ hình 2.6 khớp J3 có lực tác đợng Fs Ta có khoảng cách dmax = L3 = 190 mm = 0.19 m Suy momen lớn nhất: T3max= dmax * Fs T3max = 0.19 * 10 = 1.9 (N/m)  Để tiết kiệm chi phí thời gian chế tạo phanh lưu chất đề tài, chọn momen lớn nhất để thiết kế chế tạo cho khớp tay máy Master, chọn momen khớp J1 T1max = (N/m)  Đề tài “thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống tay máy Master tọa độ cầu để chép vị trí phản hồi lực” Đề tài thực chép phương pháp dạy học cho tay máy, chưa sử dụng phương trình đợng lực học tay máy để điều khiển q trình chuyển đợng tay máy Ngoài đơn giản thiết kế để thực chế tạo tay máy, thiết kế thuận tiện cho điều khiển chuyển đợng chép vị trí cánh tay nên tay máy Master thiết kế cấu hình tỷ lệ 1:1 so với tay Slave Thiết kế mơ hình tay máy Master bao gồm bợ phân sau:  Phần đế xoay, khớp khớp thiết kế bao gồm cảm biến góc quay encoder, lấy tín hiệu xung encoder quy đổi góc quay tương ứng cánh tay để điều khiển chép chuyển đợng tay máy Ngồi việc điều khiển chép tay 23 máy Master tạo lực tương đương với tay máy Salve, thực việc haptic khớp bố trí thắng từ sau:  Thiết kế chi tiết bộ phận  Phần đế xoay: Hình 2.7 Mơ hình 3D thiết kế phần xoay cánh tay máy Master 24 Hình 2.8 Bản vẽ kích thước phần xoay cánh tay 25  Khớp 1: Hình 2.9 Mơ hình 3D thiết kế khớp cánh tay máy Master 26 Hình 2.10 Bản vẽ kích thước khớp cánh tay 27  Khớp 2: Hình 2.11 Mơ hình 3D thiết kế khớp cánh tay máy Master 28 Hình 2.12 Bản vẽ kích thước khớp cánh tay 29 Từ yêu cầu đề tài, thực nhiệm vụ chép phản hồi lực hai tay máy Mô hình tay master thiết kế hồn chỉnh tỉ lệ 1:1 so với tay máy Slave, thiết kế phần mềm 3D inventor tay máy Master hồn chỉnh Hình 2.13 Mơ hình cánh tay máy Master 30 Kích thước tay máy Master tỉ lệ với tay máy Slave Hình 2.14 Bản vẽ chi tiết kích thước tay máy Master 31 CHƯƠNG 3.1 THIẾT KẾ TÍNH TỐN CHẾ TẠO PHANH Kết cấu phanh nguyên lý hoạt động phanh lưu chất MRF Hiện có rất nhiều ứng dụng MRF nghiên cứu phát triển Một ứng dụng nghiên cứu phát triển nhiều nhất phanh lưu chất từ biến (MRB) Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hoàn tồn đáp ứng tương tự hệ thống ABS xe tơ Nhờ vào khả hồn toàn điều khiển với thời gian đáp ứng nhanh, kết hợp với loại cảm biến vận tốc… ta hồn tồn điều khiển phanh nhấp nhả hệ thống ABS làm Ngồi cịn có thêm ưu điểm khác:  Năng lượng vận hành thấp: cần cung cấp dòng điện tối đa 3A MRB đạt yêu cầu phanh hoàn toàn  Thiết kế kết cấu đơn giản  Không cần hệ thống thủy lực đồng nghĩa với việc khơng có ống dẫn thủy lực nên không chiếm dụng khoảng không nhiều  Khơng có ma sát bợ phận kim loại với nên khơng có hao mịn ma sát  Dễ dàng điều khiển, đặc biệt cần phanh thông qua sợi dây điện  Thời gian đáp ứng nhanh: 20ms 32 ... TÀI: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống tay máy Master tọa đợ cầu để chép vị trí phản hồi lực NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ - Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy Master tọa đợ cầu thực chép. .. nhất để thiết kế chế tạo cho khớp tay máy Master, chọn momen khớp J1 T1max = (N/m)  Đề tài ? ?thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống tay máy Master tọa đợ cầu để chép vị trí phản hồi lực? ?? Đề... tay máy bậc tự có phản hồi lực dùng lưu chất MRF vấn đề cấp thiết Vì đề tài ? ?Thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống tay máy Master tọa độ cầu để chép vị trí phản hồi lực? ?? mang đến giải pháp