Đồ án tốt nghiệp Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu thiết kế bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề

Bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề có thể giúp cải thiện khả năng di chuyển của robot trong nhiều môi trường khác nhau.. Thiết kế bộ chân đi bộ dựa trên cơ cấu 4 khâu bản lề có

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu phát triển các hệ thống robot có khả năng di chuyển linh hoạt trên các địa hình phức tạp đang ngày càng gia tăng Bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề có thể giúp cải thiện khả năng di chuyển của robot trong nhiều môi trường khác nhau

Thiết kế bộ chân đi bộ dựa trên cơ cấu 4 khâu bản lề có thể được ứng dụng trong việc phát triển các thiết bị hỗ trợ đi lại cho người khuyết tật, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và khả năng tự lập của họ

Việc nghiên cứu và tối ưu hóa cơ cấu 4 khâu bản lề sẽ đóng góp vào sự phát triển của ngành cơ khí, cung cấp các giải pháp mới cho các vấn đề về động lực học và thiết kế cơ khí

Nghiên cứu về bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu này không chỉ giải quyết các vấn đề hiện tại mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai, từ việc cải tiến thiết kế đến ứng dụng trong các lĩnh vực khác như không gian và khai thác mỏ Đề tài “Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ Ứng Dụng Cơ Cấu 4 Khâu Bản Lề” trở nên cấp thiết trong bối cảnh này Nó không chỉ tạo ra mô hình sát với kiến thức mà sinh viên được học mà còn thể hiện rõ các ứng dụng của cơ cấu nguyên lý trong đời sống.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, máy móc và các thiết bị cơ khí ngày càng nhiều, kéo theo yêu cầu về nguồn lực công nghệ cao ngày càng lớn Để nắm bắt được những công nghệ mới, sinh viên cần phải nắm vững các kiến thức chuyên ngành cơ bản ngay từ khi còn ngồi trên giảng đường Đồ án này không chỉ mang giá trị nghiên cứu mà còn góp phần nâng cao kiến thức về cơ cấu chuyển động phức tạp Đồng thời, nó cũng tạo ra một công cụ học tập hữu ích cho sinh viên và những người quan tâm đến lĩnh vực cơ khí

Vì vậy, việc “Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ Ứng Dụng Cơ Cấu 4 Khâu Bản Lề” là rất cần thiết không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng Việc phát triển và ứng dụng cơ cấu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ vượt bậc trong các lĩnh vực công nghệ, y tế và cơ khí

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ Ứng Dụng Cơ Cấu 4 Khâu Bản Lề” là xây dựng, chế tạo mô hình và mô phỏng hoạt động của các cơ cấu đó Cụ thể nghiên cứu đặt ra các mục tiêu sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu, giáo trình có liên quan đến đến cơ cấu 4 khâu bản lề, nghiên cứu sâu về các chuyển động của cơ cấu

- Thiết kế robot mô hình mô phỏng: Dựa trên những kiến thức đã được học và tìm hiểu thêm các tài liệu để thiết kế hệ thống mô hình mô phỏng cơ cấu 4 khâu bản lề đảm bảo sử dụng các vật liệu và linh kiện phù hợp dễ gia công cũng như dễ dàng thay thế bảo trì bảo dưỡng

- Chế tạo mô hình nguyên lý máy: Mục tiêu tập trung vào xác định chế tạo các thành phần linh kiện cấu tạo nên các cơ cấu bao gồm động cơ, trục, bánh đai, ổ bi và các linh kiện cấu tạo nên cơ cấu sao cho phù hợp với cơ cấu

- Xây dựng clip mô phỏng: Để minh họa một cách sinh động và dễ tiếp cận, dễ dàng tìm kiếm và xem khi cần thiết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng của nghiên cứu này là chế tạo mô hình cơ cấu 4 khâu bản lề và có thể di chuyển tịnh tiến, đặc biệt tập trung vào khía cạnh cơ sở lý thuyết từ tài liệu liên quan, giáo trình và các ứng dụng các cơ cấu trong thực tiễn và sản xuất

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào các khía cạnh:

- Thiết kế chế tạo các cơ cấu 4 khâu bản lề và các cơ cấu được ứng dụng trong thực tiễn và sản xuất, cơ cấu được thiết kế sao cho gần với các ví dụ và các ứng dụng được đề cập đến trong tài liệu tham khảo liên quan

- Lựa chọn động cơ: lựa chọn loại động cơ phù hợp với cơ cấu hoạt động theo đúng nguyên lý, đảm bảo yêu cầu sử dụng lâu dài và cơ cấu hoạt động ổn định

- Lựa chọn puly và bánh đai: lựa chọn loại puly và bánh đai phù hợp với cơ cấu hoạt động theo đúng nguyên lý, đảm bảo yêu cầu sử dụng lâu dài và cơ cấu hoạt động ổn định

- Lựa chọn ổ lăn: lựa chọn các loại ổ lăn bạc trượt phù hợp với điều kiện hoạt động, đảm bảo các linh kiện hoạt động trơn tru hoạt động ổn định

- Xây dựng clip mô phỏng: Sử dụng phần mềm để tiến hành xây dựng clip mô phỏng các cơ cấu, minh họa quá trình hoạt động của chúng.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đề tài này sẽ tuân theo cơ sở lý thuyết từ tài liệu tham khảo Các bước chính bao gồm:

- Tìm hiểu và phân tích tài liệu: Ban đầu một quá trình tìm hiểu về tài liệu tham khảo, giáo trình Nguyên lý máy về cơ cấu 4 khâu bản lề, trong đó có cơ sở lý thuyết, cơ cấu khác được giảng dạy, các ứng dụng trong thực tiễn được đề cập đến trong quá trình giảng dạy Qua đó hiểu rõ hơn về các cơ cấu cũng như nguyên lý hoạt động của các cơ cấu

- Thiết kế mô hình: Từ những gì tìm hiểu được và yêu cầu cụ thể của đề tài các cơ cấu sẽ được thiết kế Quá trình này bao gồm lựa chọn động cơ, lựa chọn bạc đạn, và các phương pháp gia công phù hợp

- Chế tạo mô hình: Sau khi hoàn thiện các thiết kế quá trình chế tạo các mô hình nguyên lý máy sẽ được thực hiện Các chi tiết gia công cơ khí sẽ được kết hợp lại với nhau để tạo thành những mô hình hoàn chỉnh

- Đánh giá và sửa chữa mô hình: Sau khi hoàn thiện việc chế tạo mô hình quá trình đánh giá và sửa chữa sẽ được tiến hành Mục đích của quá trình này là kiểm tra tính chính xác, sự ổn định của các mô hình

- Xây dựng clip mô phỏng: Sử dụng phần mềm Solidworks để tiến hành mô phỏng và xây dựng clip mô phỏng các cơ cấu nguyên lý máy, minh họa quá trình hoạt động của chúng

-Thử nghiệm và hiệu chỉnh: Sau khi quá trình đánh giá và sửa chữa hoàn tất các mô hình sẽ được cho chạy thử để kiểm tra tính chính xác và ổn định.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp này bao gồm 6 chương:

- Chương II: Tổng quan nghiên cứu đề tài

- Chương III: Cơ sở lý thuyết

- Chương IV: Cơ sở lý thuyết và tính toán về cơ cấu Jansen

- Chương V: Thiết kế mô hình ứng dụng cơ cấu Jansen

- Chương VI: Bộ truyền đai và bộ điều khiển

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Đây là các cơ cấu được sử dụng để chuyển đổi hoặc biến đổi chuyển động, lực và công suất trong các hệ thống máy móc Hiểu biết về cơ sở lý thuyết của cơ cấu này là rất quan trọng để có thể áp dụng vào thiết kế và phát triển các thiết bị cơ khí

Phiên bản cơ cấu 4 khâu bản lề này được lấy ý tưởng từ nhà bác học Theo Jansen, người Hà Lan, cơ chế này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư vì tính độc đáo và linh hoạt của nó và cơ cấu này được lấy theo tên nhà bác học Jansen

Cơ cấu Jansen là một loại cơ cấu cơ học đặc biệt được thiết kế để tạo ra chuyển động của các cấu trúc 4 khâu bản lề, thường được sử dụng để mô phỏng chuyển động của chân của các loài động vật như nhện hoặc côn trùng

Cơ cấu Jansen thường bao gồm một loạt các chân còn được gọi là khâu được nối với nhau thông qua các khớp nối Khi một lực đưa vào một phần của cơ cấu, các chân của nó sẽ bắt đầu di chuyển theo một chuỗi các chuyển động phức tạp Điểm đặc biệt của cơ cấu này chính là khả năng tạo ra các chuyển động tự nhiên và đa dạng

Một trong những ứng dụng phổ biến của cơ cấu Jansen là trong các robot di động Bằng cách mô phỏng chuyển động của côn trùng hoặc động vật khác, các robot có thể vận hành trên các mặt đất không đồng nhất một cách hiệu quả hơn Ngoài ra, cơ cấu Jansen cũng được sử dụng trong nghiên cứu về năng lượng tái tạo, nơi nó có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị tạo ra năng lượng từ gió hoặc nước

Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

Nguồn: https://cameralabs.org/8616-ogromnye-kineticheskie-skulptury-teo- yansena-kotorye-peredvigayutsya-s-pomoshchyu-vetra

Nguồn: https://nevonprojects.com/8-leg-spider-robot-using-theo-jansen- linkage/

Hình 2.1 Một số hình ảnh về cơ cấu Jansen

2.2 Nghiên cứu về mô hình mô phỏng cơ cấu Jansen

Trong lĩnh vực cơ khí, đã có nhiều nghiên cứu về việc phát triển mô hình mô phỏng các cơ cấu Jasen để hiểu rõ hơn về hoạt động của chúng Các nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng phần mềm mô phỏng và các kỹ thuật kỹ thuật số để tạo ra mô hình chính xác và linh hoạt

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một mô hình mô phỏng 3D của hệ thống truyền động của các khớp Mô hình này được tạo ra bằng cách sử dụng phần mềm CAD (Computer Aided Design) và các công cụ mô phỏng động học (kinematic simulation) để tái tạo lại chính xác cấu trúc và hoạt động của hệ thống truyền động

Nghiên cứu này mang lại giá trị lớn trong việc hiểu biết sâu hơn về cách hoạt động của các hệ thống truyền động 4 khâu bản lề và cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng cho việc phát triển và cải tiến các thiết bị và máy móc trong ngành cơ khí

2.3 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

- Đại học MIT (Massachusetts Institute of Technology), Hoa Kỳ:

Tại MIT, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cơ cấu Jansen để phát triển các robot di động có khả năng hoạt động trên các địa hình khó khăn Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số thiết kế để tăng cường khả năng thích ứng và ổn định của robot

- Đại học ETH Zurich, Thụy Sĩ:

Các nghiên cứu tại ETH Zurich đã khám phá cách thức cơ cấu Jansen có thể được tích hợp vào các hệ thống robot hiện đại Những nghiên cứu này không chỉ tập trung vào mặt cơ học mà còn tích hợp các công nghệ cảm biến và điều khiển tự động để nâng cao hiệu suất của robot

- Đại học Delft, Hà Lan:

Là quê hương của Theo Jansen, Đại học Delft có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về cơ cấu Jansen Các nhà nghiên cứu tại đây đã thực hiện các thí nghiệm và phân tích chi tiết về động học và động lực học của cơ cấu này, nhằm tìm ra các ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như kiến trúc, thiết kế công nghiệp và robot học

- Đại học Tokyo, Nhật Bản:

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đã phát triển các biến thể của cơ cấu Jansen để phù hợp với các ứng dụng khác nhau, từ robot cứu hộ đến các thiết bị hỗ trợ đi lại Những nghiên cứu này thường kết hợp giữa lý thuyết cơ học và công nghệ tiên tiến để tạo ra những sản phẩm có tính ứng dụng cao

2.3.2 Các nghiên cứu trong nước

- Đại học Bách khoa Hà Nội:

Một số nghiên cứu tại trường đã tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng cơ cấu Jansen nhằm ứng dụng trong robot di động Những nghiên cứu này thường kết hợp với các phần mềm mô phỏng cơ học như SolidWorks và Matlab để phân tích chuyển động và tối ưu hóa thiết kế

- Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM:

Các sinh viên và giảng viên tại đây đã tiến hành các dự án chế tạo mô hình cơ cấu Jansen và nghiên cứu ứng dụng trong việc phát triển robot học Những

8 nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến cơ cấu để tăng cường tính ổn định và hiệu quả di chuyển của robot

- Các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật:

Nhiều dự án của học sinh, sinh viên đã tham gia vào các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật với đề tài về cơ cấu Jansen Những dự án này không chỉ dừng lại ở mức mô hình mà còn hướng đến ứng dụng thực tế trong đời sống hàng ngày

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bất cứ cơ cấu hoặc máy nào cũng đều do nhiều chi tiết máy ghép nối thành Các chi tiết máy trong cơ cấu hay máy được nối động hoặc nối cứng với nhau Khi hai chi tiết máy được nối với nhau, giữa chúng luôn tồn tại chuyển động tương đối Sẽ không có chuyển động tương đối giữa các chi tiết máy khi nối cứng với nhau

Một chi tiết máy động hoặc một số chi tiết máy nối cứng với nhau tạo thành một vật thể động gọi là khâu động

Sự khác nhau giữa khâu và chi tiết máy là ở chỗ: Khâu là đơn vị chuyển động còn chi tiết máy là đơn vị chế tạo Nguyên lý máy xem khâu là thành phần cơ bản Có thể tham khảo 1 số lược đồ khâu động trong hình 3.1 [1]

Hình 3.1 Lược đồ khâu động

Khớp động là một liên kết động của hai khâu Nói khác đi, hai khâu nối với nhau và có khả năng chuyển động tương đối với nhau tạo thành khớp động Điểm, đường, mặt theo đó hai khâu tiếp xúc với nhau tạo thành khớp động gọi là thành phần của khớp Tính chất chuyển động giữa các khâu tạo thành khớp phụ thuộc vào thành phần của khớp Để tiện cho việc phân tích cấu trúc cơ cấu, khớp động được phân theo các đặc trưng khác nhau: Theo số điều kiện ràng buộc, theo tính chất chuyển động tương đối của các khâu và theo dạng tiếp xúc của thành phần khớp động [1]

- Phân loại khớp động theo số điều kiện ràng buộc:

Trong không gian, vật rắn có sáu khả năng chuyển động độc lập đối với hệ tọa độ Đề-các (descartes): ba chuyển động tịnh tiến theo ba trục tọa độ vuông góc với nhau và ba chuyển động xoay quanh ba trục đó (hình 3.2) Vì thế ta nói rằng vật rắn tự do trong không gian có sáu bậc tự do

Hình 3.2 Vật thể trong tọa độ Đề-các

Khi tạo thành khớp động chuyển động tương đối của các khâu bị hạn chế Kết quả là số bậc tự do của khâu bị giảm đi Sự hạn chế chuyển động tương đối của hai khâu tạo thành khớp động gọi là điều kiện ràng buộc của khớp Gồm có 5 loại khớp:

- Khớp động loại I(hình 3.3a): Quả cầu di chuyển khi tiếp xúc với mặt phẳng, chuyển động tịnh tiến của quả cầu bị hạn chế dọc theo trục Oz

- Khớp động loại II(hình 3.3b): Khối hình trụ tiếp xúc với mặt phẳng Nó có thể chuyển động độc lập: tịnh tiến dọc theo các trục Ox, Oy và quay quanh các trục Ox, Oz

- Khớp động loại III(hình 3.3c): Khớp cầu này chịu 3 ràng buộc Các khâu của khớp này không thể tịnh tiến theo các trục Ox, Oy, Oz

- Khớp động loại IV(hình 3.3d): Hai hình trụ lồng vào nhau, trụ 1 chỉ có thể di chuyển tịnh tiến dọc theo trục Ox và quay quanh trục đó trong chuyển động tương đối với trụ 2

- Khớp động loại V(hình 3.3e,f,g): Gồm có 3 dạng thường gặp: Khớp quay(hình 3.3e), có thể quay tương đối quanh trục Oy Khớp trượt (hình 3.3f), có thể trượt tương đối dọc theo Ox Khớp vít (hình 3.3g), gồm vít và đai ốc chỉ có thể thực hiện 1 chuyển động quay độc lập tương đối [1]

Hình 3.3 Các loại khớp động

Bảng 1: Lược đồ khớp động và bậc tự do hạn chế

Phân loại khớp động theo tính chất chuyển động tương đối:

Theo tính chất chuyển động tương đối của các khâu tạo thành khớp, các khớp động được phân thành khớp động không gian và khớp động phẳng

- Khớp động không gian: Khớp động không gian có các điểm thuộc khâu trong chuyển động tương đối vẽ nên các đường cong trong không gian

- Khớp động phẳng: Khớp động phẳng là khớp có các điểm thuộc khâu di chuyển trong các mặt phẳng song song khi chuyển động tương đối, quỹ đạo của chúng là các đường cong phẳng

Bảng 2: Phân loại khớp động

Khớp động không gian I, II, III

Phân loại khớp động theo dạng tiếp xúc của thành phần khớp:

Các loại khớp động được chia thành: Khớp động loại thấp và khớp động loại cao

- Khớp động loại thấp: Các khớp động loại thấp có thành phần tiếp xúc của các khâu tạo thành khớp là mặt Các khớp động biểu diễn trên các hình 3.3,c; 3.3,d; 3.3,e; 3.3,f; 3.3,g là những loại khớp thấp

- Khớp động loại cao: Khớp động loại cao có các khâu tiếp xúc với nhau theo đường hoặc điểm Ví dụ như các hình 3.3,c và hình 3.3,d là những khớp loại cao Ưu điểm các khớp loại cao là dễ dàng thực hiện các quy luật chuyển động phức tạp với kết cấu đơn giản hơn các cơ cấu gồm toàn khớp loại thấp

Các khớp loại thấp có khả năng chịu và truyền tải trọng lớn, lâu mòn hơn so với khớp loại cao.[1]

3.2 Cơ cấu 4 khâu bản lề

Một cơ cấu phẳng gồm 4 khâu được nối với nhau bởi các khớp quay gọi là cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng (hình 3.4)

Hình 3.4 Cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng

Khâu cố định gọi là giá (4), các khâu nối giá (1) và (3) gọi là tay quay hay thanh lắc (tùy theo khâu đó có quay được toàn vòng hay không), khâu đối diện với giá gọi là thanh truyền (2) và thanh truyền chuyển động song phẳng trong cơ cấu Ký hiệu kích thước khâu i là 𝑙 𝑖

⇒ Đường tâm của khâu là đường thẳng qua hai tâm khớp động của khâu (hình 3.4b) [2]

3.2.2 Điều kiện để quay toàn vòng của khâu nối giá

Tưởng tượng khớp quay B được tháo dời: Mỗi thành phần khớp động (B1, B2) được gọi là khớp chờ, mỗi vị trí của nó gọi là vết chờ Tập hợp các vị trí của nó gọi là tập hợp vết chờ

⇒ Tìm điều kiện quay toàn vòng của khâu (1), nghĩa là tìm điều kiện để tập hợp vết chờ của khâu (1) là {𝐵 1 } vẽ lên vòng tròn tâm A, bán kính AB trong quá trình chuyển động Tập hợp vết chờ của khâu (2) là {𝐵 2 } - tập các điểm phủ miền vành khăn tâm D, bán kính lớn 𝑙 2 + 𝑙 3 , bán kính nhỏ | 𝑙 3 − 𝑙 2 | [2]

Hình 3.5 Điều kiện đê quay toàn vòng

Muốn có điều kiện quay toàn vòng của khâu (1) thì vết chờ 𝐵 1 đi đến đâu vết chờ 𝐵 2 cũng phải đến đó, nghĩa là {𝐵 1 } ⊂ {𝐵 2 }

3.2.3 Tỷ số vận tốc giữa 2 khâu nối giá

Thường khi nói đến tỷ số truyền của một cơ cấu ta hiểu đó là tỷ số truyền giữa khâu dẫn và khâu bị dẫn (các khâu nối giá) Tỷ số truyền giữa hai khâu tùy ý của cơ cấu là tỷ số giữa các vận tốc góc của hai khâu đó

Hình 3.6 Tỷ số vận tốc Đối với cơ cấu trên hình 3.6, tỷ số truyền của cơ cấu là:

Có thể xác định tỷ số truyền của cơ cấu bằng các phương pháp sau:

- Xác định tỷ số truyền bằng phương pháp họa đồ vận tốc, cho phép xác định tỷ số truyền tại từng thời điểm

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ CƠ CẤU 4 KHÂU BẢN LỀ

CẤU 4 KHÂU BẢN LỀ 4.1 Giới thiệu

Một hình minh họa của cơ cấu Jansen được hiển thị trong hình 4.1 Cơ chế liên kết Jansen được nghiên cứu trong đồ án này là một mô hình bốn chân có thể được kích hoạt chỉ với một động cơ, nơi mô-men xoắn đầu vào được đưa vào liên kết chuyển động

Cơ cấu Theo Jansen có 8 khâu được liên kết với nhau bằng các khớp quay, trong đó khâu

1 là tay quay Cơ cấu Jansen có thể được xem là một biến thể phức tạp hơn của cơ cấu 4 khâu bản lề, vì nó thường sử dụng nhiều khâu và khớp nối để tạo ra một chuyển động bước đi liên tục và mượt mà Tuy nhiên, cơ cấu Jansen có nhược điểm quá nhiều khâu, khớp dẫn đến ma sát lớn do vậy cần momen dẫn động lớn Sử dụng 1 cơ cấu Theo Jansen như 1 chân cho robot di động, kết hợp 8 cơ cấu này lại với nhau ta được 4 cặp chân cho robot di động, 8 chân này được dẫn động bằng 1 động cơ và truyền động với nhau bằng các bánh đai dây đai Các chân này được lắp ráp và dẫn động sao cho luôn có 4 chân tiếp xúc với bề mặt làm việc, 4 chân còn lại nhấc lên khi robot di chuyển.[4]

Liên kết chuyển động bị ràng buộc ở nguồn gốc của hệ tọa độ đề cát (Descartes) Ngoài ra, các cơ chế liên kết Jansen giống nhau được sử dụng để xây dựng các chân khác của robot Do đó, các phương trình chuyển động của cơ chế Theo Jansen được mô hình hóa như một hệ thống có thể được rút ra bằng cách tích hợp các phương trình chuyển động thành phần của các mô hình chân trước và chân sau

Trong bài này, các phương trình chuyển động của 1 chân được rút ra làm bước đầu tiên Cuối cùng, các phương trình chuyển động của toàn bộ hệ thống được rút ra bằng cách tích hợp các phương trình chuyển động của các bước trước đó.[5]

Hình 4.1 Sơ đồ kết cấu liên kết Jansen 4 chân

Nhằm mục đích nghiên cứu và ứng dụng một cơ cấu chuyển động đặc biệt do nghệ sĩ người Hà Lan Theo Jansen phát minh Mục tiêu của việc này là tìm hiểu cách cơ cấu Jansen có thể được sử dụng để thiết kế các hệ thống chuyển động, cụ thể là các hệ thống chân đi bộ, với các ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như robot học, kỹ thuật, và các sản phẩm thương mại

4.3 Ý nghĩa của bộ chân đi bộ

Cơ cấu chân đi bộ phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu di chuyển qua địa hình gồ ghề, đặc biệt khi so sánh với bánh xe thông thường Chúng bao gồm các liên kết và khớp nối, và được thiết kế để mô phỏng bước đi của con người hoặc động vật Các liên kết này có thể là mặt phẳng với một bậc tự do hoặc có chuyển động phức tạp hơn trong không gian 3 chiều Một số cơ cấu có thể có nhiều bậc tự do

4.3.1 Nhược điểm của cơ cấu chân đi bộ

Các nhược điểm của cơ cấu chân đi bộ như sau:

- Bộ phận dẫn động quay với tốc độ không đều để đạt được tốc độ duy nhất của robot hoặc phương tiện được dẫn động bởi cơ cấu chân đi bộ

- Chiều dài và chiều cao của các bước đi là cố định

- Các mô men quán tính và lực không thể được cân bằng một cách thỏa đáng

4.3.2 Ưu điểm của cơ cấu chân đi bộ

Khi nói đến ưu điểm của cơ cấu chân đi bộ, trước tiên cần phải đề cập đến khả năng di chuyển trên địa hình gồ ghề Nó có thể di chuyển trên mọi loại địa hình như sa mạc, núi, tuyết, đá Nó thậm chí có thể được sử dụng trong thám hiểm hành tinh vì có tỷ lệ tải trọng tối đa trên trọng lượng cao Cơ cấu này cũng có hiệu suất di chuyển tối đa

Những lợi ích của việc sử dụng cơ cấu chân đi bộ bao gồm tốc độ cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn, khả năng di chuyển tốt hơn, khả năng cách ly tốt hơn với sự không đều của địa hình và ít gây hại cho môi trường hơn

4.3.3 Ưu điểm của cơ cấu chân đi bộ khi vượt chướng ngại vật

Khi so sánh cơ cấu này với bánh xe thông thường, rõ ràng rằng cơ cấu chân đi bộ sẽ vượt qua chướng ngại vật dễ dàng hơn bằng cách chỉ cần bước qua nó

Xét một bánh xe di chuyển với vận tốc góc không đổi ω, mỗi điểm trên chu vi của vòng tròn sẽ có một vận tốc ν theo hướng tiếp tuyến với vòng tròn Hình 4.2 cho thấy bánh xe không thể vượt qua chướng ngại vật Bây giờ chúng ta quan sát cơ cấu chân đi bộ di chuyển với vận tốc không đổi v, chân của nó sẽ mô tả một quỹ đạo tròn tương tự Rõ ràng là chân sẽ có lợi thế hơn bánh xe vì nó sẽ dễ dàng hơn để vượt qua chướng ngại vật Bằng cách này, ta có thể giảm năng lượng tiêu thụ

Hình 4.2 Bánh xe và chân vượt qua chướng ngại vật

Thường trong thực tế, bạn có thể gặp một chướng ngại vật không thể vượt qua, chẳng hạn như cầu thang Khi bánh xe tiếp xúc với mép chướng ngại vật, tốc độ sẽ giảm mạnh Hình 4.3 cho thấy thành phần ngang của tốc độ là nhỏ Với cơ cấu chân đi bộ, tốc độ ngang cũng nhỏ, nhưng lợi thế của nó là chân có thể trượt trên bề mặt Vẫn có thể thấy từ hình rằng cần có sự dịch chuyển theo chiều dọc, điều này tiêu tốn thêm năng lượng

Hình 4.3 Bánh xe và chân vượt qua chướng ngại vật không thể vượt qua

4.3 Mối quan hệ giữa cơ cấu 4 khâu bản lề và cơ cấu Jansen

Trong phần này nghiên cứu động học của một nhánh của cơ cấu Theo Jansen Đối với phân tích động học này, quan tâm đến vị trí, vận tốc và gia tốc của các điểm 1, 2, 4, 5, 6 và 7 được hiển thị trong hình 4.4 bằng phương pháp đóng vòng lặp, trong đó các liên kết được biểu diễn dưới dạng vectơ vị trí ở hình 4.5, sau đó đã giải quyết các vấn đề phân tích này phương trình cho một vòng quay hoàn toàn của tay quay bằng phân tích số ở mỗi độ quay [6]

Hình 4.4 Đánh số phân tích động học

Hình 4.5 Vòng Vectơ của cơ cấu 4 khâu bản lề

Theo như tài liệu [6] để phân tích vị trí, tác giả đã đặt gốc của hệ trục tọa độ tổng quát tại điểm O2 như hình 4.3, các cơ cấu 4 khâu bản lề được phân tách ra thành 4 cơ cấu 4 khâu như sau:

Hình 4.6 Các vòng vectơ của cơ cấu Jansen

Như thế cơ cấu Jansen có thể được xem là một biến thể phức tạp hơn của cơ cấu 4 khâu bản lề, gồm tập hợp nhiều cụm cơ cấu 4 khâu Vì thế nó thường sử dụng nhiều khâu và khớp nối để tạo ra một chuyển động bước đi liên tục và mượt mà

THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ CẤU 4 KHÂU BẢN LỀ

5.1 Yêu cầu của mô hình

- Mô hình cần phải đảm bảo mô phỏng lại chính xác chuyển động của cơ cấu Jansen

- Mô hình thiết kế đơn giản, dễ tiếp cận đến người xem, dễ hiểu rõ nguyên lý hoạt động của cơ cấu

- Mô hình cần phải chuyển động một cách trơn tru, mượt mà, có tính ổn định

- Mô hình cần có tuổi thọ cao để mô phỏng chuyển động trong thời gian dài, có khả năng chịu được va chạm rủi ro

5.2 Thiết kế mô hình cơ cấu 4 khâu bản lề

- Vật liệu chế tạo: Nhôm, trục thép mạ crom, gỗ

- Động cơ: DC giảm tốc 12v

- Bánh đai: Puly GT2 40 răng trục 8mm, Xl 5M trục 8mm

- Dây đai: GT2 6mm, HTD 5M

- Mô hình được thiết kế 3D và mô phỏng hoạt động trên phần mềm Solidworks 2018

Hình 5.1 Bộ chân cơ cấu Jansen

Hình 5.2 Hình ảnh thực tế Bộ chân cơ cấu Jansen

5.3 Thông số chi tiết Để dễ dàng phân biệt các khâu khác nhau, ta đánh số thứ tự theo hình 5.3

Vật liệu được sử dụng trong các khâu này là nhôm 6061 với ưu điểm là khối lượng nhẹ, dễ gia công, đạt độ bóng cao sau gia công

Hình 5.3 Đánh số thứ tự từng khâu

Bản vẽ có vị trí lắp ổ bi nêu yêu cầu dung sai để thực hiện lắp chặt

Khớp 1 được gia công bằng phương pháp cắt laser biên dạng ngoài sau đó được gia công lỗ bạc đạn bằng máy CNC để đạt được các yêu cầu theo bản vẽ

Hình 5.5 Hình ảnh thực tế Khâu 1

Hình 5.6 Bản vẽ chi tiết gia công Khâu 1

Vì chi tiết này tiếp xúc với mặt đất, ta thêm các núm cao su để tránh trầy xước làm mất tính thẩm mỹ của chi tiết và tăng độ ma sát của chi tiết so với nền đất

Xung quanh vị trí lắp ổ bi gia công thêm những lỗ M3 để lắp vít nhằm khống chế trong lúc chuyển động về lâu dài không cho ổ bi rơi ra ngoài

Hình 5.15 Hình ảnh thức tế Khâu 4

Khớp 1 được gia công bằng phương pháp cắt laser biên dạng ngoài sau đó được gia công lỗ bạc đạn bằng máy CNC để đạt được các yêu cầu theo bản vẽ Khâu này quyết định góc độ, số điểm chạm đất trên 1 lần quay

Vật liệu sử dụng là gỗ, chi phí rẻ, dễ gia công, chủ yếu dùng để tượng trưng mô hình trở nên sinh động

Gia công bằng máy CNC cho ra những đường cắt đẹp và để đạt được những vị trí lỗ gắn bạc trục, lỗ gắn motor 1 cách chính xác, sai số của những vị trí này được thể hiện trên bản vẽ chi tiết

Hình 5.27 Bản vẽ chi tiết thân ngựa

Hình 5.28 Hình ảnh thực tế Thân ngựa

5.3.9 Bạc gá motor Để giữ cho motor cố định vững chắc và hoạt động mượt mà, bạc gá motor được làm bằng Inox 304 có độ cứng và độ dẻo cao, tính thẩm mỹ cũng được đảm bảo

Hình 5.30 Bản vẽ gia công Bạc gá motor

BỘ TRUYỀN ĐAI VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN

- Loại puly được sử dụng:

Bảng 7: Loại puly được sử dụng

Loại puly Đường kính trục (mm) Đường kính ngoài

(mm) Đường kính bánh răng (mm)

- Dây đai: HTD 5M bảng 15mm, GT2 bảng 10mm

Hình 6.2 Dây đai 5M, Vòng đai GT2

Hình 6.3 Sơ đồ truyền động

L: Chiều dài dây đai a: Khoảng cách tâm 2 puly

Hình 6.4 Bản vẽ chi tiết Tấm gá Puly

Hình 6.5 Hình ảnh thực tế Tấm gá Puly

Hình 6.6 Mạch và bộ điều khiển

6.3 Tính toán chọn động cơ

Dựa vào phần mềm Solidworks, ta có khối lượng của cặp chân:

→ Khối lượng của 2 cặp chân (ở 1 bên ) là 3,88kg

Khối lượng của tay quay: m = 0,05Kg (Solidworks)

Tổng khối lượng của tay quay 1 bên: m = 2×0,05 = 0,1kg

Ta chọn Động Cơ DC Giảm Tốc 5840-31ZY, loại 12VDC 26RPM (trục dài 100mm):

- Tỉ số truyền 290:1 (động cơ quay 290 vòng trục chính hộp giảm tốc quay

- Dòng chịu đựng tối đa khi có tải: 6.5A

- Tốc độ không tải: 26RPM (26 vòng 1 phút)

- Tốc độ chịu đựng tối đa khi có tải: 20RPM (20 vòng 1 phút)

- Lực kéo Moment định mức: 46KG.CM

- Lực léo Moment tối đa: 70KG.CM

Mô hình sử dụng nguồn tổ ong 12v

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nghiên cứu và phân tích thiết kế bộ chân di động ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề (cơ cấu Jansen) và đã đạt được kết quả như sau:

- Hoàn thiện mô hình đã thiết kế

- Chạy thử nghiệm và hoạt động đúng như lý thuyết (khi không tải)

- Hoàn thiện quy trình thiết kế và gia công

- Thành lập bản vẽ từng chi tiết được thành lập

Tuy nhiên, vẫn còn mô hình vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như sau:

- Các khớp nối các khâu vẫn còn hơi lỏng lẻo

- Động cơ chọn ban đầu hơi hoạt động còn yếu (khi có tải) Để khắc phục các hạn chế hiện tại, các nghiên cứu tiếp theo nên mở rộng phạm vi thử nghiệm, tính toán lựa chọn động cơ, thiết kế các khâu hợp lý Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng vào thực tiễn bằng cách triển khai nghiên cứu thiết kế sử dụng bộ chân vào lĩnh vực y học.Ví dụ, thiết kế xe lăn có thể leo cầu thang bộ, …

Trong quá trình nghiên cứu, cần chú trọng đến việc cập nhật các công nghệ mới và tiên tiến để nâng cao chất lượng nghiên cứu Đồng thời, cần đầu tư vào việc xây dựng các công cụ hỗ trợ phân tích và đánh giá hiệu quả của cơ cấu một cách chính xác hơn

[1]- PGS.TS BÙI XUÂN LIÊM, NGUYÊN LÝ MÁY, ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

[2]- (N.d.) Tailieu.Vn Retrieved June 17, 2024, from https://tailieu.vn/docview/tailieu/2010/20101112/nguyenvantri88/phan_i_chuong_3_co_cau _bon_khau_6471.pdf?randT1613

[3]- R L Norton, Design of Machinery, New York, Mc Graw-Hill, 1991

[4]- Phạm Văn Bạch Ngọc, Trần Thị Trâm (2014) Tính toán, mô phỏng cơ cấu Theo Jansen ứng dụng làm chân cho robot di động [PDF file] Retrieved from https://qlkh.humg.edu.vn

[5]-Nansai, S., Elara, M R., & Iwase, M (2013) Dynamic analysis and modeling of Jansen mechanism Procedia Engineering, 64, 1562-1571

[6] - Mohsenizadeh, M., & Zhou, J (2015) Kinematic analysis and simulation of Theo Jansen mechanism (Doctoral dissertation, Lamar University)

[7] - Vujošević, V., Mumović, M., Tomović, A., & Tomović, R (2018, August) Robot based on walking Jansen mechanism In IOP Conference series: materials science and engineering (Vol 393, p 012109) IOP Publishing

[8] - Maul Haque*, Akash Nandi, Arun Kumar Nandi (2022).The Jansen Walking Robot (Mechanical Engineering Department, Elitte College of Engineering, Sodepur, West

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề
Tác giả	Đinh Ngọc Tịnh
Người hướng dẫn	PGS.TS Đặng Thiện Ngôn
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ chế tạo máy
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	11,21 MB