Proceedings VCM 2012 13 thiết kế và chế tạo bánh xe mecanum cho xe nâng Proceedings VCM 2012 13 thiết kế và chế tạo bánh xe mecanum cho xe nâng Proceedings VCM 2012 13 thiết kế và chế tạo bánh xe mecanum cho xe nâng Proceedings VCM 2012 13 thiết kế và chế tạo bánh xe mecanum cho xe nâng Proceedings VCM 2012 13 thiết kế và chế tạo bánh xe mecanum cho xe nâng Proceedings VCM 2012 13 thiết kế và chế tạo bánh xe mecanum cho xe nâng
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 83 VCM2012 Thiết Kế và Chế Tạo Bánh Xe Mecanum cho Xe Nâng Design and Fabrication of Mecanum Wheel for ForkLift KS Trần Đình Phúc 1 , PGS.TS Đặng Văn Nghìn 2 , KS Nguyễn T. Hải 2 , Ths Phạm X. Lộc 2 1Khoa Cơ Khí, Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia TP. HCM. Việt Nam Email: trandinhphuc1508@gmail.com 2 Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng TP.HCM, Việt Nam Website: http://www.iami.ac.vn Tóm Tắt Bài báo này giới thiệu các đặc điểm, lịch sử phát triển, tính ưu việt và phạm vi ứng dụng của bánh xe Mecanum. Bên cạnh đó, nội dung chính của bài báo là trình bày phương pháp tính toán thiết kế biên dạng con lăn bánh xe Mecanum và kết cấu bánh Mecanum dùng cho xe nâng. Đồng thời bài báo còn trình bày kết quả thiết kế chế tạo và phương pháp tính toán kiểm nghiệm điều kiện, giới hạn hình học của con lăn Mecanum nhằm đạt yêu cầu về tải trọng và không gian làm việc. Abstract In this paper, a literature review concerning some aspects of the Mecanum wheeled Vehicles such as the brief introduction, development history, some advantages and practical applications in various fields is presented. Besides, the main content of this paper is that we present the methods of design profile of Mecanum rollers and the mechanical wheeled structure for Omni-directional ForkLift Vehicles that we fabricated. We also implement some results and calculation methods for inspecting the limitation geometry of rollers to get the achievement for work space requirements and loading capacity. Keywords: Omni-directional Vehicle, Mecanum Wheel, Airtraxlift Vehicle. 1. Giới Thiệu Việc định hướng, di chuyển một chiếc xe nâng qua một không gian chật hẹp, hạn chế là một việc khá phức tạp và khó khăn. Một giải pháp cho vấn đề này đó là việc phát triển những loại xe có khả năng di chuyển trực tiếp sang một bên, được biết đến với tên gọi một chiếc xe đa hướng. Những loại xe mang kết cấu bánh xe đa hướng linh hoạt này, chúng được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực như công nghiệp, quân sự, quốc phòng, dịch vụ sinh hoạt, y tế cộng đồng… Doroftei [7] Công ty công nghệ Omnix đã phát triển loại bánh xe Mecanum cho quân đội Mỹ được ứng dụng vào việc kiểm tra, giám sát ở những nơi mà con người không thể tiếp xúc được và chúng có khả năng chịu tải lớn trong các môi trường địa hình quân đội. Những chiếc xe này đặc biệt có khả năng thích nghi và tính tự hành linh hoạt cao do chúng có tính cơ động rất cao và vận hành đơn giản. Bởi đặc tính linh hoạt của loại bánh xe này mà người ta đã ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như robot, trong các ngành công nghiệp, quân đội quốc phòng, dịch vụ đời sống và một số lĩnh vực chuyên dụng khác từ nhiều năm nay. Với ý tưởng bánh xe đa hướng, nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm hàng không quân đội NAWC đã ứng dụng thuật toán xây dựng biên dạng con lăn Mecanum và đã chế tạo thành công mô hình robot [4]. Những loại bánh xe đa hướng linh hoạt này khá phổ biến trong lĩnh vực robot. Robot đa hướng này có thể di chuyển thẳng đến mục tiêu đồng thời thực hiện động tác quay vòng một cách chính xác. Các loại bánh xe đa hướng này còn được dùng trong các loại xe lăn, các loại dịch xe tải hàng trong sân bay hay nhiều ứng dụng khác. Một nghiên cứu khác của nhóm sinh viên thuộc trường đại học Postech, Hàn Quốc thực hiện và ứng dụng loại bánh xe Mecanum này cho xe lăn hỗ trợ người tàn tật Han [6]. Với đặc điểm linh hoạt đa hướng, chiếc xe này giúp cho người tàn tật có khả năng sử dụng và điều khiển chiếc xe một cách đơn giản và hiệu quả. Nhìn chung trên thị trường hiện nay chỉ thương mại hóa những loại bánh xe đa hướng cỡ nhỏ, giá thành tương đối cao. Chẳng hạn như sản phẩm của hãng AndyMark kích thước đường kính bánh 84 Trần Đình Phúc, Đặng Văn Nghìn, Nguyễn T. Hải, Ths Phạm X. Lộc Mã bài: 24 200mm, giá thành lên tới 3000 đô la mỹ mà khả năng tải lại rất thấp. Với yêu cầu thiết kế xe nâng tải trọng nặng lên tới 1 tấn, đường kính bánh xe lên tới 600mm, thì trên thị trường hiện không có sẵn. Do đó, việc thiết kế chế tạo loại bánh xe đa hướng Mecanum cỡ lớn, có khả năng tải cao rất được quan tâm hiện nay. 2. Tính toán thiết kế 2.1 Một số dạng kết cấu bánh Mecanum Bánh xe Mecanum cấu tạo gồm các con lăn tự do gắn trên một Hub hay mâm, cũng giống như loại Omni, nhưng các con lăn này được sắp xếp theo một góc lệch 45 0 so với đường biên ngoại vi của đùm trục. Các con lăn này được thiết kế theo một biên dạng tang trống, và được bố trí trên đường tròn ngoại vi bánh xe theo biên dạng tròn đều. H.1 H. 1: Bánh xe Mecanum Với việc bố trí lắp đặt 4 bánh xe Mecanum trên các góc của khung xe chữ nhật, chuyển động đa hướng sẽ được hình thành. Dạng thiết kế này tương đối phức tạp hơn so với loại Omni khác bởi các con lăn được bố trí theo một góc lệch nhất định, tuy nhiên lợi điểm lớn nhất đó là khả năng tải của loại bánh xe này tăng lên đáng kể do sự tiếp xúc với bề mặt nền đường trơn tru và ít dao động hơn. Bên cạnh đó còn có một số dạng bánh kết cấu bánh xe Mecanum khác nhau. Nhưng nhìn chung chúng có điểm chung đó chính là có các con lăn sắp xếp theo một góc lệch 45 0 so với đường biên ngoại vi của đùm trục, có dạng tange trống và bố trí trên ngoại vi theo biên dạng kết hợp tròn đều như bánh xe thông thường. H. 2 biểu diễn các con lăn được bố trí dạng 2 đầu là các dùm trục đặc được gia công bằng máy CNC. Ngoài ra các con lăn còn được thiết kế theo dạng công xôn 2 đầu (H. 3). Và một dạng đặc biệt khác đó chính là các dùm trục được gia công bằng phương pháp gia công áp lực, tức là các đùm được dập hàng loạt và loại bánh này đã được thương mại hóa H. 4 H. 2: Các con lăn được bố trí dạng 2 đầu là các đùm trục H. 3: Các con lăn được bố trí dạng conson H. 4: Sản phẩm dạng dập đã được thương mại hóa 2.2 Tính toán thiết kế Với yêu cầu về tải trọng, đặc điểm đa hướng linh hoạt, ưu việt và phạm vi ứng dụng của xe nâng đa hướng trên (H. 5). Trong phần này chúng tôi xin trình bày phương pháp thiết kế biên dạng con lăn Mecanum và kết cấu bánh xe. H. 5: Bản vẽ 3D xe nâng đa hướng. Các con lăn (H. 2) được xây dựng dựa trên biên dạng tròn của bánh xe khi chúng ta vát một hình lăng trụ tròn với đường kính dựa trên đường kính ngoài của bánh xe [3]. Mặt phẳng vát nghiêng một góc γ = 45 0 H. 6: Nguyên lý tạo hình biên dạng con lăn Mecanum Bánh xe Mecanum kết cấu gồm những con lăn sắp xếp theo một góc lệch nhất định so với trục của bánh xe. H.7a với góc lệch η biểu diễn hình chiếu cạnh của bánh trong mặt phẳng tọa độ Oxy. H.7b biểu diễn hình chiếu của bánh xe trong mặt phẳng Oyz Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 85 VCM2012 H. 7: Vị trí các con lăn Mecanum Đặt OX là trục nằm trong mặt phẳng OXY lệch một góc η so với trục Ox, khi đó OX chính trục của các con lăn, hình 8b: biên dạng bánh xe, và Hình 8c: biên dạng của con lăn với cách sắp xếp lệch theo trục. H. 8: Biên dạng bánh xe được xác định trên trục tọa độ Biên dạng con lăn thỏa: + = 1 (1) H. 9: Thông số hình học của bánh xe Mecanum Đặt L: Chiều dài mỗi con lăn R wheel : bán kính bánh xe R Rim : Bán kính tính từ tâm bánh đến con lăn. r rol : Bán kính lớn nhất của con lăn. η: Góc lệch con lăn văn trục chính bánh xe θ: Góc chia của mỗi con lăn trên bánh xe. θ t : Góc khuất giữa 2 con lăn kế tiếp Gọi n là số con lăn ta có: n(θ – θ t ) =2π θ = + θ t (2) Các thông số bánh xe Mecanum có mối liên hệ như sau: R wheel = R Rim + 2r rol (4) (3) H. 10: Quan hệ giữa các thông số Gọi d là bán kính con lăn theo trục đường kính bánh xe, ta có quan hệ: dcos η + R wheel - r rol = Suy ra Với A = (cos 2 η + sin 4 η); B = 2(R wheel - r rol ) ; C = (r rol – 2R wheel ) r rol Đặt D = R wheel - r rol = ; F = R wheel – r rol = R Rim + r rol G = 2R Rim + 3r rol Rút ra: Điều kiện giá trị L trong khoảng: Với dữ liệu đầu vào: - Bán kính từ tâm bánh xe đến con lăn R Rim = 200mm - Góc lệch của con lăn với trục bánh xe: η = 45 0 - Số cặp con lăn cho trước là n =6 cặp - Góc khuất giữa 2 con lăn kế tiếp: θ t = 15 0 - Giá trị bán kính con lăn r rol theo (4) và (12) có thể chọn :[24;49] ở đây ta chọn r rol = 45mm. Từ đó ta suy ra các kết quả: - D wheel = 340mm - R Rim = 250mm - r rol = 45mm - L = 210mm 2.3 Kết cấu bánh xe Mecanum Kết cấu bánh xe Mecanum gồm những bộ phận chính như sau: con lăn Mecanum, trục con lăn, cánh, mâm bánh Con lăn Mecanum được chế tạo bằng phương pháp gia công đặc biệt, dùng máy tính lập trình đường chạy dao theo quỹ đạo của một cung elip, với thông số hình học theo (1) và gia công trên 86 Trần Đình Phúc, Đặng Văn Nghìn, Nguyễn T. Hải, Ths Phạm X. Lộc Mã bài: 24 máy tiện CNC nhằm đảm bảo độ chính xác gia công cao. Vật liệu của con lăn Mecanum là nhựa POM, bề mặt con lăn được phủ một lớp vật liệu đặc biệt nhằm đảm bảo khả năng chịu tải của xe nâng. Trong phần bài báo này, kết cấu bánh sẽ gồm 6 cặp con lăn H. 11 được lắp trên 6 trục con lăn. H. 11: Con lăn Mecanum Trục con lăn Mecanum được chế tạo từ vật liệu thép C45 trên máy tiện. Trục chứa nhiều bậc, yêu cầu về độ đảo, độ đối xứng cao, do đó để đạt được độ chính xác, trục này được chế tạo trên máy tiện CNC. Bên cạnh đó, nhằm đảo bảo độ bề khi hoạt động, trục được gia công nhiệt luyện bề mặt. Trục này sẽ được lắp 4 ổ bi đỡ cùng với 1 cặp con lăn Mecanum H.12. H.12: Trục con lăn Mecanum Mâm bánh cũng được chế tạo trên máy phay CNC nhằm đạt độ chính xác cao. Mâm bánh được phay 6 mặt vát, trên mỗi mặt vát được gia công 4 lỗ vít và 2 chốt định vị. Mâm được gia công lỗ tâm để lắp với trục bánh xe. Bên cạnh đó, các cạnh mâm và 2 mặt bên mâm bánh sẽ được vát mép nhằm giảm trọng lượng của bánh xe như H. 13. H.13 : Mâm bánh (Hub) Cánh con lăn Mecanum được chế tạo từ vật liệu thép C45 bằng phương pháp phay trên máy phay CNC. Cánh gồm 2 chi tiết chính lắp ghép, chi tiết thứ nhất được gia công rãnh để gài then của trục con lăn Mecanum. Chi tiết thứ hai đó chính là đế cánh, được gia công rãnh, 2 lỗ vít để lắp chi tiết thứ nhất và 2 lỗ vít để lắp toàn bộ cánh với mâm bánh. Đồng thời các các chi tiết này được vát cạnh nhằm giảm trọng lượng bánh xe. Phần chi tiết gắn với mâm bánh được gia công 4 lỗ vít như H.14 H.14 : Cánh bánh xe Mecanum Và các cặp con lăn sẽ được lắp vào sau cùng tạo thành bánh xe Mecanum hoàn chỉnh H.15. H. 15: Bản vẽ lắp bánh xe Mecanum 3. Kết quả đạt được Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo bánh xe Mecanum dùng cho xe nâng và kết quả thông số bánh xe như sau: - Đường kính bánh xe Mecanum: D = 2R wheel = 340mm - Chiều dài con lăn: - Đường kính con lăn: d rol = 90mm - Góc chia: - Số con lăn: H. 16: Kết quả thiết kế H.17: Kết quả chế tạo 4. Kết Luận và Hướng Phát Triển Trên đây chúng tôi đã trình bày tổng quan về bánh xe Mecanum, đồng thời trình bày đường lối thiết kế, kết cấu và kết quả thiết kế chế tạo bánh xe Mecanum. Qua đó cho thấy được hướng phát triển đó chính là việc tính toán thiết kế, cải tiến biên dạng, tối ưu hóa kết cấu và mô phỏng hoạt động rất được quan tâm do độ phức tạp về hình học cũng như kết cấu của loại bánh xe này. Với khả năng đa hướng linh hoạt của loại xe nâng này, chúng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sắp xếp lưu kho bãi trong các nhà máy hiện đại, ứng dụng trong quốc phòng an ninh, dân dụng… Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 87 VCM2012 5. Tài Liệu Tham Khảo [1] Andrew McCandless, Design and Construction of a Robot Vehicle Chassis, Faculty of Engineering, Computing and Mathematics, The University of Western Australia, Australia, 2001 [2] Benjamin Woods, Omni-Directional Wheelchair, Honours Thesis, Faculty of Engineering, Computing and Mathematics, The University of Western Australia, Australia, p86, 2006 [3] Ioan Doroftei, Omnidirectional Mobile Robot – Design and Implementation, Victor Grosu and Veaceslav Spinu “Gh. Asachi” Technical University of Iasi, Romania, 2007 [4] Benjamin Yearwood, Omnidirectional Transport Platform, Naval Air Warfare Center-Aircraft Div. Lakehurst, USA, 1999 [5] R.P.A. van Haendel, Design of an Omnidirectional Universal Mobile Platform, DCT.117, Eindhoven University of Technology- National University of Singapore, 2005 [6] Kyung-Lyong Han, Design and Control of Omni-Directional Mobile Robot for Mobile Haptic Interface-International Conference on Control, Automation and Systems 2008 Oct. 14-17, 2008 in COEX, Seoul, Korea, 2008 [7] Ioan Doroftei, Practical Applications for Mobile Robots based on Mecanum Wheels - a Systematic Survey, Technical University of Iasi, 61-63, 700050, Iasi, Romania, 2011 . 15: Bản vẽ lắp bánh xe Mecanum 3. Kết quả đạt được Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo bánh xe Mecanum dùng cho xe nâng và kết quả thông số bánh xe như sau: - Đường kính bánh xe Mecanum: D =. bày phương pháp tính toán thiết kế biên dạng con lăn bánh xe Mecanum và kết cấu bánh Mecanum dùng cho xe nâng. Đồng thời bài báo còn trình bày kết quả thiết kế chế tạo và phương pháp tính toán. 16: Kết quả thiết kế H.17: Kết quả chế tạo 4. Kết Luận và Hướng Phát Triển Trên đây chúng tôi đã trình bày tổng quan về bánh xe Mecanum, đồng thời trình bày đường lối thiết kế, kết cấu và kết