Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH)

Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH) Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph (Đề tài NCKH)

Mẫu 1T Trang bìa báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN HỒI LỰC 2D - PANTOGRAPH Mã số: T2013 - 86 Chủ nhiệm đề tài: TS Cái Việt Anh Dũng TP HCM, 02/2014 Mẫu 2T Trang bìa phụ báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ CKM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN HỒI LỰC 2D - PANTOGRAPH Mã số: T2013 - 86 Chủ nhiệm đề tài: Cái Việt Anh Dũng Thành viên đề tài: Nguyễn Việt Thắng TP HCM, 02/2014 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU CÁI VIỆT ANH DŨNG NGUYỄN VIỆT THẮNG (Chủ trì) (Tham gia) Mục lục DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Haptics gì? Thiết bị haptic gì? Khái niệm phản hồi lực Thiết bị phản hồi lực Pantograph Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài 10 Cách tiếp cận 10 Phương pháp nghiên cứu 10 Đối tượng nghiên cứu 11 Phạm vi nghiên cứu 11 Nội dung nghiên cứu 11 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC 12 I 1.1 Cơ cấu sử dụng 12 1.2 Mơ hình động học vận tốc 13 1.3 Tính tốn vùng suy biến giới hạn không gian làm việc cấu 19 1.3.1 Xác định vị trí suy biến 19 1.3.2 Giới hạn vùng làm việc cấu 22 1.4 Điều khiển phản hồi lực với động DC 23 1.4.1 Động 23 1.4.2 Cảm biến dòng 24 1.4.3 Nguyên tắc phản hồi lực 24 MỘT SỐ MƠ HÌNH VẬT THỂ ẢO 25 II 2.1 Mô hình phản hồi lực theo hệ lị xo 25 2.2 Mơ hình phản hồi lực theo hệ lị xo – xy lanh giảm chấn 26 2.3 Mơ hình tính tốn lực phản hồi 26 2.3.1 Mơ hình tường ảo 26 2.3.2 Mơ hình tường cong ảo 27 III THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 28 3.1 Thiết kế khí 28 3.2 Mơ hình thực tế 30 IV THỰC NGHIỆM 32 V KẾT LUẬN 33 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐƠN VỊ CKM Tp HCM, Ngày THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D – Pantograph - Mã số: T2013-86 tháng năm 2014 - Chủ nhiệm: Cái Việt Anh Dũng - Cơ quan chủ trì: Đại Học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - Thời gian thực hiện: 3/2013 – 2/2014 Mục tiêu: Thiế t kế ch ế tạo mơ ̣t mơ hiǹ h thí nghi ệm thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph ứng dụng vào công tác giảng dạy nghiên cứu khoa học trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật lĩnh vực phản hồi lực 3.Tính sáng tạo: Hướng nghiên cứu vế thiết bị phản hồi lực hướng lĩnh vực điện tử Việt Nam Nhóm nghiên cứu hướng tới việc sử dụng thiết bị tập phục hồi chức khớp cho chi người 4.Kết nghiên cứu: Đã hoàn thành phiên thiết bị phản hồi lực Pantograph bậc tự Thiết bị hoạt động ổn định Đã cài đặt mơ hình động học (vị trí, vận tốc) cho thiết bị Đã lập trình thử nghiệm thành cơng số tập phản hồi lực đơn giản thiết bị 5.Sản phẩm: Thiết bị phản hồi lực 2D – Pantograph Phần mềm giao diện vật thể ảo máy tính Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Sản phẩm sử dụng công tác nghiên cứu khoa học giảng dạy mơn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Trưởng Đơn vị (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: - Project title: Design of the 2D Force feedback device - Pantograph Code number: T2013-86 Coordinator: Cai Viet Anh Dung Implementing institution: University of Technical education HCM city Duration: from 3/2013 to 2/2014 Objective(s): Design and prototyping a first version of 2D force feedback device This device will be used in research and teaching activities at the Mechatronics Department, Mechanical Engineering School, Ho Chi Minh city University of Technical Education Creativeness and innovativeness: This is a new research branch in the field of Mechatronics in Vietnam In near future, we aim to use the device for applications such as upper-limb functional rehabilitation Research results: The first version of the force feedback device was prototyped and tested Experiments with simple virtual object were realized with success Products: 2D force feedback device -Pantograph A computer program realizing the virtual world Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The device is used for research and teaching acitivites at the Mechatronics Department, Mechanical Engineering School, Ho Chi Minh city University of Technical Education MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Các thiết bị haptic giúp giao tiếp với giới ảo, tương tác thực ảo, giúp ta cảm nhận cảm giác lực thông qua mơi trường ảo … ngày có nhiều ứng dụng thực tế sống, thiết bị phản hồi lực chiếm vị trí quan với tiềm không nhỏ Trên giới, nhờ phát triển vượt bậc công nghệ thông tin công nghệ robotic vài thập kỷ gần mà ngày xuất nhiều ứng dụng sử dụng thiết bị phản hồi lực, ví dụ như: Thiết kế khí với hỗ trợ thiết bị phản hồi lực (Công nghiệp ô tô), phục hồi chức khớp, phẫu thuật điều khiển từ xa, giao diện điện tử thông minh với người dùng… Các thiết bị Haptic cơng nghệ lĩnh vực robotics giới Nó kế thừa thành tựu có lĩnh vực để phát triển, ngược lại nghiên cứu thiết bị haptic góp phần làm phong phú thêm kho kiến thức robotics ngồi nước Haptics gì? Haptics từ gốc Hy Lạp dùng để cảm giác xúc giác (sense of touch) Cảm giác haptic định nghĩa khả cảm nhận môi trường học bên ngồi thơng qua xúc giác lực.Cảm giác haptic bao gồm cảm giác lực tác động (cứng, mềm), cảm giác bề mặt (thô, nhám, sắc, trơn…) cảm giác chuyển động cân nặng mà người cảm nhận thơng qua tiếp xúc, cầm, nắm, sờ…Thông thường, người cảm nhận cách tổng hợp cảm giác xúc giác lực giao tiếp cảm nhận giới bên Do đó, ta định nghĩa khái niệm “kênh thông tin haptic”, bao hàm thành phần thần kinh cảm xúc học cấu thành nên cảm giác haptic [1] Công nghệ haptic công nghệ tái tạo lại cảm giác haptic, với mức độ chân thực chi tiết khác nhau, nhằm tái tạo lại toàn hay phần cảm giác haptic người tiếp xúc với thiết bị Haptics xem công nghệ giao tiếp người máy tính Khác với thiết bị giao tiếp với máy tính thơng thường cung cấp thơng tin phản hồi thị giác âm thanh, thiết bị haptic cung cấp thơng tin phản hồi học nhằm kích thích cảm giác sinh học xúc giác người sử dụng Thiết bị haptic gì? Giống dạng thiết bị giao tiếp với máy tính khác, thiết bị haptic cho phép trao đổi thông tin (cơ học) người sử dụng máy Tuy nhiên điểm khác biệt là, thiết bị giao tiếp khác cho phép trao đổi thông tin chiều (ví dụ: chuột, bàn phím, hình …) thiết bị haptic cho phép trao đổi thông tin học theo hai chiều qua lại Ở đây, ta phân biệt thiết bị haptic với thiết bị “Hiệu ứng haptic (haptic display)” xuất nhiều sản phẩm cơng nghệ cao như: Màn hình cảm ứng, điện thoại rung …Các thiết bị cho phép trao đổi thơng tin theo chiều Hình 2.1 thể rõ khác biệt hệ thống tương tác người máy với thiết bị giao tiếp thông thường với thiết bị haptic Hình 0.1: Bên trái: Tương tác người máy thơng thường với chuột máy tính Bên phải: Tương tác người máy với thiết bị haptic [1] Khi sử dụng chuột máy tính, người sử dụng gần khơng nhận thơng tin phản hồi từ thiết bị, ngoại trừ vài thông tin học (qn tính, ma sát) hay thơng tin âm (tiếng kêu nút bấm chuột) Tuy nhiên thông tin thông tin cố định, lập trình Khi sử dụng thiết bị haptic với chức chuột máy tính, ta lập trình tương tác học để kích thích xúc giác cảm giác lực người sử dụng, qua khiến cho việc tương tác với máy tính trở nên dễ dàng Thiết bị haptic phân loại thành loại: Thiết bị thụ động, thiết bị chủ động Thiết bị thụ động nhận tác động học từ người sử dụng, hấp thụ lượng học (ví dụ hệ thống thắng lập trình) Trong đó, thiết bị chủ động, tương tác học thực hiển điều khiển vịng kín, sử dụng để điều khiển thơng tin học gửi đến người sử dụng Với thiết bị haptic chủ động, ta phân biệt cách lập trình hoạt động khác nhau: Thiết bị điều khiển, cung cấp lực tương tác với người sử dụng đo vị trí, ngược lại, thiết bị di chuyển đến vị trí lập trình sẵn đo lực tương tác Về lý thuyết, ta lập trình thiết bị chủ động để hoạt thiết bị thụ động Do đó, phạm vi đề tài này, đề cập đến thiết bị chủ động Như vậy, điểm khác biệt lớn thiết bị haptic so với thiết bị giao tiếp máy tính thơng thường khác có khả tương tác hai chiều người sử dụng Một hệ thống haptic xem hệ thống robot điều khiển từ xa (teleoperation robotics) Tuy nhiên, hệ thống haptic, cánh tay robot tớ môi trường làm việc xung quanh thay môi trường ảo hiển thị máy tính Thiết bị haptic robot chủ, có nhiệm vụ thu thập liệu học từ người sử dụng phản hồi thông tin học tới người sử dụng Các thiết bị haptic cơng nghệ lĩnh vực robotics Nó kế thừa thành tựu có lĩnh vực để phát triển, ngược lại nghiên cứu thiết bị haptic góp phần tăng thêm kho tàng kiến thức robot Khái niệm phản hồi lực Trong hệ thống robot điều khiển từ xa, phản hồi lực sử dụng cánh tay chủ để cung cấp cho người điều khiển hệ thống thông tin tương tác học cánh tay tớ với môi trường bên Một cánh tay chủ lý tưởng cánh tay có qn tính tối thiểu độ cứng vững lớn, ta có lựcfe = fh (xem hình 2.2), người điều khiển cảm nhận lực tương tác với mơi trường bên ngồi thể cánh tay chủ khơng tồn Hình 0.2: Mơ hình cánh tay chủ lý tưởng tương tác với vật thể ảo Kết nối thể dạng gậy nhỏ với trọng lượng không độ cứng vững vô [2] Trong thực ảo, phản hồi lực thực thông qua thiết bị điện tử có trang bị cảm biến động cơ, điều khiển máy tính (thiết bị phản hồi lực) Thiết bị đo vị trí tay cầm, từ tính tốn vị trí tay cầm giới ảo, kiểm tra xem tay cầm có chạm phải vật thể ảo hay không Nếu va chạm xảy ra, động điều khiển để cung cấp lực tác độngfhra tay cầm Trên lý thuyết, người sử dụng thiết bị cảm nhận lực tương tác thực với vật thể ảo Hình 0.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống phản hồi lực [2] Trong vài thập kỷ trở lại đây, thiết bị phản hồi lực nghiên cứu phát triển nhiều phòng thí nghiệm cơng ty giới Các thiết bị thương mại Phantom hay Omega ngày bán thị trường sử dụng rộng rãi ứng dụng thực ảo mơi trường nghiên cứu khoa học Ngồi ra, phịng thí nghiệm giới tự nghiên cứu thiết kế thiết Hình 1.4: Trường hợp suy biến thứ hai, O, P2, P3 thẳng hàng Hình 1.5: Trường hợp suy biến thứ ba, P5, P4, P3 thẳng hàng 1.3.2 Giới hạn vùng làm việc cấu 22 Vùng làm việc thiết bị xác định dựa ba trường hợp suy biến nêu phần trước Bằng phương pháp hình học, ta xác lập vùng giao trạng thái suy biến, từ thiết lập khơng gian hoạt động thiết bị phản hồi lực Pantograph hình 1.6 Hình 1.6: Giới hạn vùng làm việc thiết bị phương pháp hình học Ở hình 1.6 trên, trường hợp suy biến thứ nhất, vùng làm việc giới hạn phần bên ngồi cung trịn l, ta tính khoảng cách xa từ hai trục qua hai điểm O P5 đến cung trịn l BC= 178mm theo phương pháp hình học ứng với trường hợp điểm P2, P3, P4 thẳng hàng Trường hợp suy biến thứ hai, điểm O, P2, P3 thẳng hang: vùng làm việc giới hạn phần bên cung tròn n tâm O, bán kính R= 606mm Tương tự cho trường hợp suy biến thứ ba, điểm P5, P4, P3 thẳng hang: vùng làm việc giới hạn phần bên cung trịn m tâm P5, bán kính R=606mm Như vậy, theo yêu cầu đề tài, khung làm việc hình chữ nhật có kích thước 300x400mm đặt vào vùng giới hạn cách hai trục qua hai điểm O P5 khoảng CA= 211mm hình vẽ 1.4 Điều khiển phản hồi lực với động DC 1.4.1 Động Trong đề tài này, động điện DC – Servo 24v, 50W sử dụng để cung cấp mơ-men, qua tạo lực phản hồi Ở đây, mô-men động điều khiển điều khiển PID với cảm biến đo mơ-men cảm biến dịng ACS 23 712 Mỗi động trang bị encoder 400 xung/vòng nhằm đo chuyển động cấu 1.4.2 Cảm biến dịng Trong đề tài chúng tơisử dụng IC cảm biến dòng điện ACS712 (dựa vào hiệu ứng Hall) để điều khiển dòng cho động DC – Servo Các tính IC ACS 712: + Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp + Thời gian tăng đầu để đáp ứng với đầu vào 5µs + Điện trở dây dẫn 1.2mΩ + Nguồn vận hành đơn 5V + Độ nhạy đầu từ 63-190mV/A + Điện áp ổn định Mạch VĐK Driver động Mạch CB dịng Động Hình 1.7: Kết nối mạch điều khiển dòng hệ thống điều khiển 1.4.3 Nguyên tắc phản hồi lực Một hệ thống phản hồi lực gồm thành phần chính: đối tượng sử dụng, máy tính thiết bị phản hồi lực Các thành phần tương tác với thong qua tương tác thị giác (máy tính → người), tương tác lực (thiết bị ↔ người), hay trao đổi liệu (thiết bị ↔ máy tính) 24 Hình 1.8: Sơ đồ mơ hình hệ thống phản hồi lực Pantograph - Tương tác thị giác: tương tác chiều máy tính đối tượng Tương tác cho phép người dùng nhìn thấy mơi trường ảo máy tính - Tương tác lực: tương tác chiều đối tượng thiết bị Ở chiều thứ nhất, người dùng dung tay di chuyển tay cầm thiết bị Ở chiều cịn lại, thiết bị tạo lực phản hồi tác động lên tay cầm đề người sử dụng cảm nhận - Tương tác thiết bị máy tính: Ở chiều đầu tiên, đối tượng tác động lên thiết bị vị trí tay cầm máy tính cập nhật lên giao diện thực tế ảo thông qua việc đọc encoder thiết bị Ở chiều ngược lại, sau máy tính đọc encoder, có va chạm đối tượng ảo máy tính vật thể ảo mơi trường ảo máy tính máy tính truyền lệnh yêu cầu thiết bị xuất lực phản hồi đến đối tượng II MỘT SỐ MƠ HÌNH VẬT THỂ ẢO 2.1 Mơ hình phản hồi lực theo hệ lị xo Hình 2.1: Ví dụ vật thể áo với mơ hình phản hồi lực theo hệ lị xo Lực phản hồi vật ảo mơ lịxo : F  k.l (29) Trong đó: k số độ cứng lò xo, l độ biến dạng lị xo 25 2.2 Mơ hình phản hồi lực theo hệ lị xo – xy lanh giảm chấn k l b Hình 2.2: Ví dụ vật thể áo với mơ hình phản hồi lực theo hệ lị xo – xy lanh giảm chấn Ở mơ hình này, lực phản hồi vật ảo mô hệ học gồm lị xo xy-lanh giảm chấn với cơng thức sau: F  k l  b d (l ) dt (30) Trong đó: k số độ cứng lò xo, l độ biến dạng lò xo, b hệ số ma sát nhớt 2.3 Mô hình tính tốn lực phản hồi 2.3.1 Mơ hình tường ảo (x, y)Vị trí tay cầm vùng chưa va chạm yvc Vạch va chạm vùng va chạm y O x Giới hạn khơng gian hoạt động hình chữ nhật Hình 2.3: Trường hợp vật thể ảo tường thẳng Đầu tiên, máy tính nhận hai giá trị encoder gửi lên từ thiết bị liên tục cập nhật vị trí tay cầm (x, y) lên giao diện giới ảo máy tính, sau phát va chạm vị trí tay cầm với vật thể ảo không gian ảo máy 26 tính máy tính gửi lệnh xuống vi điều khiển u cầu tính tốn xuất lực tương tác ( Fx , Fy ) đến tay cầm người sử dụng thông qua cấu truyền lực Ta có cơng thức tính lực phản hồi sau: Trong đó: Fx  k.x (31) Fy   k y (32) k số độ cứng lò xo   Fx , Fy lực phản hồi theo phương x phương y x , y độ biến dạng lò xo hay độ ăn sâu vào vật thể ảo   theo phương x y , x  x  xvc , y  y  yvc Sau vi điều khiển tính tốn lực phản hồi ( Fx , Fy ) mơmen động ( M , M ) tính theo cơng thức sau (theo nguyên lý D’Alembert):  Fx   M1  Τ    J  F   M2   y Trong đó: (33) M1 , M mômen cần điều khiển hai động động J Τ ma trận chuyển vị ma trận Jacobian Thay điều khiển mô-men M1 , M động cơ, ta điều khiển dịng theo lý thuyết, vec-tơ dịng (i1, i2 ) vec-tơ mơmen (M1, M ) tỉ lệ thuận với theo số mô-men K m động cơ:  i1   M1     Km    i2   M2  (34) 2.3.2 Mơ hình tường cong ảo Tương tự ví dụ trên, vạch va chạm mơ hình tường cong ảo cung tròn tâm I ( x0 , y0 ) bán kính R , giới hạn khơng gian làm việc hình chữ nhật Ở ví dụ này, vị trí tay cầm di chuyển theo phương với lực F Máy tính cập nhật liên tục vị trí tay cầm hiển thị lên giao diện môi trường ảo, nếu: -   R lực phản hồi F '  27 -   R xác nhận có va chạm, với  khoảng cách từ vị trí tay cầm đến tâm cung tròn I ( x0 , y0 )   ( x0  x)  ( y0  y ) Khi lực phản hồi F ' (gồm thành phần: Fx ', Fy ' tính sau: F'  k ( R  ) Với: Fx '  (35) x0  x y y F ' , Fy '  F'   Sau vi điều khiển tính tốn lực phản hồi Fx ', Fy ' mơ-men cần điều khiển động M1 , M tính theo cơng thức sau:  Fx '   M1  Τ    J  F '  M2   y  (36) Vùng chưa có va chạm Vạch va chạm F’ F (x, y) Vị trí tay cầm Vùng va chạm y O x Giới hạn không gian hoạt động hình chữ nhật Hình 2.4: Trường hợp vật thể ảo tường cong III THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 3.1 Thiết kế khí Ở đề tài cấutruyền động dây Capstan sử dụng để truyền động cho hệ thống, với nhiều ưu điểm phù hợp cho hệ thống Haptic như: ma sát, phù hợp với ứng dụng cơng suất nhỏ, khơng có độ rơ… Nhược điểm truyền động Capstan trục quay khơng q vịng Tuy nhiên đề tài này, trục quay 28 truyền động thiết bị quay nửa vòng nên việc sử dụng cấu truyền động Capstan thích hợp Cơ cấu Capstan gồm có đĩa quay gắn với trục quay cố định nhờ chốt định vị ốc vít, sợi dây quấn đĩa quay tạo lực truyền động đĩa quay trục động Hình 3.1 thể cấu truyền động Capstan Hình 3.1: Truyền động dây cáp Capstan Theo mơ hình hình học khơng gian thiết bị (Hình 1.1 1.2), thiết bị gồm có khâu khớp, mô-men truyền từ khớp O P5 Với vùng làm việc (tức vùng di chuyển điểm P3 ) giới hạn 300  400 mm Để tránh vị trí suy biến cho thiết bị, ta lựa chọn độ dài khâu là: OP2  P4 P5  b  278 mm, P2 P3  P3 P4  l  328 mm, khoảng cách trục quay OP5 a  230 mm Do yêu cầu thiết bị phản hồi lực qn tính nhỏ, khơng có ma sát, tính xác độ cứng vững cao, khối lượng khâu gần không nên ta chọn vật liệu để gia công Nhôm phương án gia công gia cơng CNC 29 Hình 3.2: Mơ hình 3D thiết bị 3.2 Mơ hình thực tế Hình 3.3 3.4 thể mơ hình thiết bị Pantograph phản hồi lực 2D version với giao diện thực tải ảo thiết kế máy tính Các thơng số kỹ thuật thiết bị thể bảng 3.1 STT Thơng số kỹ thuật Kích thước tổng thể 635 x 430mm Giới hạn khơng gian hoạt động Hình chữ nhật: 300 x 400mm Khối lượng 15kg Vật liệu Nhôm Thông số động động 50W, 400 xung, 24v, 5A Vi điều khiển PIC 16f887 Cảm biến Encoder, Cảm biến dòng ACS712 Số khâu khâu Bậc tự bậc tự Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph 30 Hình 3.3: Mơ hình thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph Hình 3.4: Giao diện thực ảo thiết kế máy tính Trong hình 3.4, vùng màu xanh dương vùng không gian hoạt động tự do, người sử dụng di chuyển tay cầm tư nhiên mà không gặp phải trở ngại Vùng màu xanh vùng không gian tường ảo Khi di chuyển vào vùng này, thiết bị phản hồi lực lên tay cầm người sử dụng Độ lớn lực phản hồi phụ thuộc vào độ ăn sâu thiết bị vào tường ảo 31 IV THỰC NGHIỆM Một số thí nghiệm đơn giản tiến hành nhằm kiểm tra mơ hình động học cài đặt, kiểm tra khả phản hồi lực hệ thống Tuy nhiều hạn chế khả đáp ứng có giới hạn vi xử lý sử dụng (nhất nhớ khả giao tiếp với thiết bị ngoại vi), nhìn chung thiết bị tạo lực phản hồi cho phép người sử dụng cảm nhận diện tường ảo yêu cầu đặt đề tài Sau số kết thực nghiệm trình bày dạng đồ thị Hình 4.1: Đồ thị đọc vị trí tay cầm với chuyển động tựa hình chữ nhật (động hoàn toàn bị động, tay cầm chuyển động theo ý người sử dụng) Hình 4.2: Đồ thị đọc vị trí tay cầm với chuyển động theo đường chéo vùng làm việc (động hoàn toàn bị động, tay cầm chuyển động theo ý người sử dụng) Các hình 4.1, 4.2 thể thực nghiệm thực nhằm kiểm tra độ xác lặp lại thiết bị Người sử dụng di chuyển thiết bị vùng làm việc 32 khoảng thời gan xác định quay trở lại vị trí ban đầu Yêu cầu đặt vị trí tay cầm khơng gian ảo phải trở với vị trí xuất phát ban đầu Hình 4.3: Đồ thị điều khiển dịng có va chạm tay cầm vật thể ảo lúc người dùng giữ cho tay cầm cố định Hình 4.4: Đồ thị đáp ứng momen động người sử dụng di chuyển tay cầm va chạm với tường ảo (3 lần) Ở hình 4.4 4.5, ta thấy đáp ứng động theo kịp tín hiệu yêu cầu điều khiển mô-men đồ thị đáp ứng có nhiều dao động (phụ thuộc vào chất lượng cảm biến dịng) Một thuật tốn làm mướt tín hiệu cài đặt để xử lý dao động đáp ứng V KẾT LUẬN Với nhiều ứng dụng tiềm lĩnh vực robotics như: Tele-operation, thiết bị phục hồi chức năng, tương tác thực ảo, hay hệ thống hỗ trợ lực công nghiệp … Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph đặt dấu 33 mốc cho nỗ lực phát triển hướng nghiên cứu tương tác người máy môn điện tử, khoa Cơ khí chế tạo máy Cho tới thời điểm tại, nhóm hồn thành phiên thiết bị phản hồi lực Pantograph bậc tự Tuy cịn nhiều cải thiện để hệ thống hoạt động hiệu hơn, nhìn tổng thể, kết thu khả quan chứng minh tiềm ứng dụng Thiết bị hoạt động ổn định, mơ hình động học (vị trí, vận tốc) điều kiện suy biến nhóm thiết lập kiểm tra thành cơng Nhóm lập trình thử nghiệm thành công số tập phản hồi lực đơn giản thiết bị Trong tương lai gần, nhóm nghiên cứu tìm hiểu thêm loại cảm biến dòng để thay loại cảm biến dòng sử dụng, nhằm nâng cao chất lượng lực phản hồi Một thiết bị phản hồi lực không gian (3D) nghiên cứu phát triển Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu phát triển số mô hình vật thể ảo phức tạp hơn, nhằm kiểm tra hiệu hệ thống làm việc với vật thể ảo có biên dạng bề mặt phức tạp Tài liệu tham khảo: [1] V Hayward, O R Astley et al., “Haptic Interfaces and Devices”, The Mechanical Systems Handbook: Modeling, Measurement and Control CRC Press [2] V Hayward, K E MacLean, “Do It Yourself Haptics, Part 1”, IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol 14, no 4, pp 88-104, 2007 34 [3] Vincent Hayward, “Survey of Haptic Interface Research at McGill University”, Proc Workshop in Interactive Multimodal Telepresence Systems TUM, Munich, Germany, March 29-20, 2001 [4] N Hogan, H I Krebs et al., “Mit - manus :A workstation for manual therapy and training”, IEEE International Workshop on Robot and Human Communication, pages 161-165, 1992 35 S K L 0 ... nghiên cứu thiết kế thiết bị phản hồi lực hàng năm cho đời mẫu thiết kế mới, độc đáo, sáng tạo (như thiết bị phản hồi lực dây, phản hồi lực từ trường, ) Hình 0.4: Một số thiết bị phản hồi lực thương... Thiết bị phản hồi lực dây 6D Thiết bị phản hồi lực Pantograph Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực không gian chiều dựa cấu Pantograph Ý tưởng thiết kế khí tiếp... triển thiết bị Haptic Nhóm thực chọn đề tài “ Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực Pantograph? ?? với mục tiêu nghiên cứu sau: - Thiế t kế chế tạo mô ̣t mơ hin ̀ h thí nghiệm thiết bị phản hồi lực