Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập

PHẦN MỞ ĐẦU Luận tính cấp thiết đề tài, thấy sản xuất cơng nghiệp nhu cầu bàn tay robot phục vụ cho ngun cơng địi hỏi độ xác linh hoạt cao lắp ráp, phân loại, phục vụ máy công tác lớn Trên thực tế, bàn tay robot hỗ trợ người khuyết tật học tập, lao động để họ có sống bình thường, chẳng hạn bàn tay Bionic Trong du hành vũ trụ không gian bàn tay robot tiếng MARS, Sarah, Canadarm không xa lạ với độc giả tạp chí khoa học, từ lâu thuật ngữ kỹ thuật Underactuated trỏ cấu robot thiếu dẫn động quen thuộc với kỹ sư, nhà khoa học nghiên cứu bàn tay sinh Trong lĩnh vực nghiên cứu bàn tay thiếu dẫn động bàn tay bỏ hẳn nguồn dẫn động hướng nghiên cứu riêng chưa có nhiều cơng bố, mặt thích hợp cho thao tác sản xuất công nghiệp loạt lớn hàng khối, mặt khác bị thay công nghệ đắt tiền Tuy nhiên số lượng nghiên cứu lĩnh vực hạn chế nguyên nhân dẫn đến ứng dụng bàn tay không dẫn động độc lập cịn thiếu hiệu Đề tài với mục đích “Thiết kế, chế tạo thử nghiệm tay kẹp khơng sử dụng nguồn dẫn động độc lập” để điền đầy phân khúc thiếu nghiên cứu bàn tay robot dẫn động thiếu, vấn đề mà thân chứa đựng cấp thiết đến chưa có bàn tay đạt đến hoàn hảo tuyệt đối tay người, giả với tham vọng lớn chẳng có giới hạn cho nghiên cứu xem sau Mục đích đề tài nghiên cứu chế khóa tự mở khóa kiểu bàn tay tự dẫn động phản lực tương tác mà nguồn lực động trang bị phần cánh tay tạo Đề tài nghiên cứu nhằm thiết kế chế tạo hoàn chỉnh bàn tay vận hành theo chế để thử nghiệm hoạt động Đối tượng nghiên cứu đề tài phần bàn tay không kể cánh tay cổ tay, bàn tay khơng tích hợp trang bị điện tử cảm biến ứng dụng cho sản xuất loạt lớn hàng khối với chức cầm nắm vật thể rắn có hình dạng kích thước biết trước Phương pháp nghiên cứu đề tài nghiên cứu sáng tạo có kiểm chứng thực nghiệm Ý nghĩa khoa học đề tài hoàn thiện chế làm việc kiểu bàn tay không sử dụng nguồn dẫn động độc lập Ý nghĩa thực tiễn đề tài bao gồm hai khía cạnh kiểm chứng đắn ý tưởng thiết kế vận dụng thiết bị sở đào tạo vào việc chế tạo cấu bàn tay robot thực Nội dung luận văn bao gồm phần sau: - Tổng quan nghiên cứu tảng có liên quan nước giới để rút nhiệm vụ nghiên cứu; - Đề xuất nguyên lý so sánh phương án để lựa chọn chế hoàn chỉnh cho chế tạo thử nghiệm; - Tính tốn định lượng cấu bàn tay đảm bảo điều kiện làm việc đặt ra; - Các tài liệu thiết kế phục vụ cho chế tạo sản phẩm hướng dẫn vận hành bảo dưỡng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT 1.1 Chức hình dạng bàn tay robot Bàn tay robot cách gọi theo chức mô đun bàn kẹp (grips) khâu cuối chuỗi động học tay máy có chức cầm nắm Như thấy vấn đề thiết kế điều khiển bàn tay đóng vai trò quan trọng kỹ thuật robot Bàn tay với kết cấu đa dạng tùy theo tác vụ, bàn tay với mục đích ứng dụng cho nhiều tác vụ cầm nắm thường địi hỏi có dịch chuyển học lớn hai trạng thái đóng mở để thích nghi với tình khác nhau, trường hợp ngón tay thường thiết kế nhiều đốt để tăng cường giới hạn chuyển động sử dụng nhiều nguồn dẫn động để cung cấp cho bậc tự riêng biệt, với bàn tay đạt độ linh hoạt tốt có kết cấu gần giống hay giống hệt với tay người tránh khỏi kết cấu khí phức tạp, song hành với kết cấu giải thuật điều khiển phức tạp số lượng trục chấp hành lớn số động lớn Hình 1.2: Bàn tay robot MARS với 12 bậc tự sáu nguồn dẫn động độc lập(trái)Và thiết kế tiền thân (phải) Để có độ lập thao tác số động dẫn động cần tương ứng với số bậc tự bàn tay, cộng với kết cấu học phức tạp làm cho tổng thể bàn tay có thiết kế phức tạp Hình 1.3a: Bàn tay với kết cấu khí sinh tay người Hình 1.3b: Bàn tay với cảm biến xúc giác sinh tay người 1.2 Một số mẫu điển hình thiết kế học bàn tay Với thiết kế đơn giản cần hai ngón tay với ngón tay bao gồm đốt tay khép mở phạm vi định kiểu giữ độ song song hay tạo với góc thay đổi, loại thứ có khả cầm nắm tốt Hình 1.4: Bàn tay hai ngón mở dạng góc Tuy có thiết kế phức tạo song bàn tay với hai ngón mở song song có ứng dụng phổ biến loại nói Hình 1.5: Bàn tay với hai ngón ln trì độ song song làm việc Loại bàn kẹp trang bị nhiều thực tế có lẽ kiểu bàn kẹp với hai ngón tay, ngón gồm đốt tay bố trí khâu chuyển động song phẳng cấu bốn khâu lề nhằm trì độ song song hai ngón tay đóng mở, thực tế thiết kế đơn giản cho phép bàn tay thao tác với nhiều kiểu kích thước khác chi tiết, hình 1.7 cho thấy kết cấu bàn tay Hình 1.7: Kết cấu bàn kẹp kiểu hai ngón tay mở song song 1.3 Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot Nhiệm vụ công nghệ yêu cầu kỹ thuật kèm theo để bắt đầu việc thiết kế bàn tay robot, độ xác độ xác lặp lại quan trọng với robot bàn tay bị xiết chặt dung sai Để có tính linh hoạt thao tác, bàn tay thường có số bậc tự lớn song dẫn động đủ nặng nề phức tạp với cấu cần nhỏ gọn, yêu cầu với bàn tay phải thiết kế thiếu dẫn động (Underactuated) Kiểu bàn tay cần thích nghi với vật thể có hình dạng kích thước khác nhau, điều làm cho robot có tính vạn thao tác, u cầu thường đạt dễ dàng với kiểu bàn tay nhiều ngón nhiều đốt với truyền động điều khiển riêng biệt cho bậc tự do, đặc biệt lấy phản hồi từ cảm biến xúc giác để điều khiển lực chuyển vị bàn tay hồn hảo tốt nhất, bàn tay robot cần trọng tích hợp công nghệ khác yêu cầu kỹ thuật quan trọng 1.4 Một số kiểu bàn tay có kết cấu ứng dụng đặc biệt Hình 1.11: Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động sở đàn hồi 10 11 12 13 Hình 1.12: Tay kẹp khơng sử dụng nguồn dẫn động có khả trì trạng thái đóng mở tách biệt Hình 1.19: Một số tay kẹp khí có chức tự định tâm vật kẹp Bàn tay kiểu có lợi lớn thao tác điều kiện ẩm ướt, khơng cách điện cháy nổ, phóng xạ, tình khơng dự trữ nhiều lượng cho tác vụ dài hạn bàn tay không sử dụng nguồn dẫn động độc lập giải pháp phù hợp 1.5 Một số nghiên cứu bàn tay robot thiếu dẫn động giới Không thể phủ nhận nghiên cứu công nghệ cao tập trung cho hai lĩnh vực chủ yếu bàn tay lĩnh vực không gian NASA bàn tay y khoa dành cho người tàn tật đạt nhiều thành tựu Trong lĩnh vực thứ hai không dừng lại nghiên cứu lý thuyết sản phẩm thương mại dễ dàng tìm từ mạng internet, bàn tay bionic phiên Lionel Birglen [1] nghiên cứu kiểu tổ hợp khâu liên kết – dẫn động bàn tay với ngón tay tự điều chỉnh thích nghi, nghiên cứu phương án tổ hợp đạt thiết kế bàn tay có chế tự điều chỉnh lực kẹp cách tốt qua tương tác với vật thể Wen-Chien Hsu and Jyh-Jone Lee [2] lại bàn sâu sơ đồ ngón tay với thiết kế dẫn động cho hiệu nhằm mục đích ứng dụng sản xuất bàn tay hiệu cao, bên cạnh họ phương án tổ hợp sơ đồ mặt nguyên tắc giống Lionel, kiểu ngón tay hình 1.6a 1.6b kết nhóm tác giả Tsuneo Yoshikawa [3] nghiên cứu phối hợp thao tác cầm nắm bàn tay robot có nhiều ngón tay nhằm đạt hiệu tốt nhất, mơ hình vấn đề phát triển nhiều nhóm nghiên cứu khác thảo luận 1.6 Hướng nghiên cứu đề tài Do lợi ích hiển nhiên việc dẫn động thiếu bàn tay robot đem lại, nhiều thách thức tiếp tục đặt tiếp tục giảm số nguồn động lực ổn định hoạt động bàn tay bỏ hẳn nguồn dẫn động độc lập mà bàn tay hoạt động bình thường, để đạt điều địi hỏi nhiều nỗ lực Với ý tưởng đề tài triển khai nghiên cứu cụ thể, tập trung vào việc thiết kế nguyên lý kết cấu bàn tay robot vận hành chu trình kẹp nhả hồn tồn bình thường mà không sử dụng nguồn dẫn động độc lập, công suất vận hành bàn tay trích từ động gắn cánh tay truyền đến liên kết kết cấu khâu rắn Đề tài so sánh phương án khả thi để chọn lựa chế tạo mơ hình thực nhằm thử nghiệm hiệu vận hành ý tưởng trên, mục đích cuối nhắm đến ứng dụng phù hợp vốn đánh giá khả thi công nghiệp 10 3, tỳ lên chốt số (khi bulong số tỳ lên chi tiết nguồn phát sinh phản lực) Khi chốt tỳ số chuyển động xuống đè lên cam số 5, cam lại đè lên trục cam số làm nén lò xo làm chuyển động hai kẹp bàn tay, tùy theo trạng thái cam số 3, mà xác lập trạng thái đóng hay mở bàn tay Q trình mơ tả chi tiết thông qua vẽ tách chi tiết Hình 2.4: Mơ tả cam mặt đầu ống số Hình 2.5: Khai triển lên mặt phẳng cam số Cam số gồm 12 phần chia theo phương hướng tâm ống trụ (mỗi phần chiếm góc 30 0), có ba loại bán kính khác hình chiếu đứng, bán kính nhỏ (các rãnh 2, 4, 6, 8, 10, 12) dùng thay đổi chiều cao phần cam màu vàng (cam 5, hình 2.2) theo phương hướng trục Bán kính trung bình (các rãnh 3, 7, 11 ) dùng dẫn hướng chống xoay cho cam màu đen (cam hình 2.2) Bán kính lớn (các rãnh 1, 5, 9) dùng tạo không gian chuyển động hướng trục cho phần cam màu vàng (cam 5, hình 2.2) theo hướng dọc trục cam lọt vào rãnh 14 Hình 2.6: vẽ mơ tả cam số Hình 2.7: Cam số B 12 0° A 2,5 43° Hình 2.9: Minh họa chu kỳ làm việc cam chưa cải tiến Hình 2.10: Cam sau cải tiến trùng chức 2.3.2 Phương án thứ hai Tấm nêm tác động lên đuôi mỏ kẹp Khi đặt vật xuống, nêm tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp giải phóng, vật nhả tác dụng lực kéo từ lò xo 13 Chú ý tới cấu hãm, gồm thân gắn liền với cần Chốt hãm 10 gắn cần 12 quay tự Trong lỗ thân có lồng bạc khơng quay Bạc có vấu phía dưới, bạc có vấu Các vấu ăn khớp trượt tương vấu chốt 10 làm quay chốt 45 độ 15 10 11 12 13 Hình 2.11: Bản vẽ tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập kết cấu không đồng trục Trong hành trình nhả, thân tiến gần đến đầu 3, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, quay 45 , xuống tiếp xúc với mặt bạc lại quay tiếp 45 độ bị mắc lỗ Hai mỏ kẹp bị giữ trạng thái nhả Trong hành trình kẹp, sau chốt tiếp xúc với vật, đầu thân tiến gần đến Chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, bị quay 45 độ Khi xuống chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9, bị quay tiếp 45độ Kết chốt lọt qua rãnh lọt khỏi lỗ Các mỏ khóa trạng thái kẹp Quá trình làm việc cánh tay robot tiếp tục ấn xuống lực chốt chạm vào vật chốt tì lên vật đẩy cam lên, cam đẩy kẹp kẹp chặt lại đồng thời cam đẩy toàn than lên , chi tiết 10 bị đẩy lên bị giữ lại bạc thực q trình đóng kẹp 16 Cũng tương tự trình kẹp , nhả kẹp chi tiết chốt tì vào cam đẩy toàn hệ thống lên , lúc chốt 10 giải phóng khỏi bạc hệ bị đẩy xuống lò xo dọc cần 5, đẩy hệ thống thân xuống, lò xo kẹp đẩy kẹp mở hệ thống thực trình mở kẹp Mơ tả kết cấu chi tiết tay kẹp theo phương án kết cấu khơng đồng trục Phần cấu hãm: Chi tiết số 8: Hình 2.12: Chi tiết số Chi tiết số 9: 17 Hình 2.13: Chi tiết số Chi tiết số 10: Hình 2.14: Chi tiết số 10 Hình 2.15: Lắp ghép cụm dẫn động trì lực kẹp phương án Để dẫn hướng cho chuyển động lò xo tốt bố trí lại kết cấu xo đồng trục với trục bàn tay hình 2.15 nhiên lý giới hạn khơng gian kết cấu, tiếp tục rời cụm cấu trì lực kẹp vào trùng với tuyến 18 Như nhận thấy số lượng chi tiết cụm chức trì lực kẹp hai phương án ba chi tiết, số lượng chuyển động bước chu kỳ làm việc tương tự thiết kế thứ hai có ba nhược điểm lớn là: - Có nhiều mặt cam phương án làm giá cao; - Kết cấu không đồng trục, cồng kềnh gây trở ngại vận hành, khó bảo dưỡng điều chỉnh phương án 1; - Trục số 10 có hai bậc tự tịnh tiến tương cam cam tự quay phản lực từ mặt cam dẫn động song thân đầu gá công xôn không đồng trục với trục cổ tay tuyến chịu lực nên để đảm bảo đủ độ cứng vững cần thiết cần thiết kế phức tạp vị trí liên kết với khung bàn tay Như chọn thiết kế thứ nhận thấy sau: - Về mặt nguyên lý động học, chế khóa mở khóa bàn tay thiết kế hợp lý với chuyển động vào đẩy bàn tay dọc theo trục cẳng tay - Về động lực học, khả tự dẫn động cách sử dụng nguồn động lực cánh tay khâu khác truyền tới bàn tay theo đường liên kết kết cấu khả thi cơng suất phát động vào hai thời điểm đầu cuối chu kỳ làm việc - Về điều khiển, thời điểm tác động đóng mở bàn tay chạm đích trùng với thời điểm phát sinh phản lực dẫn động, chuyển động chấp hành sau để khóa mở khóa mã hóa lên cam, tín hiệu điều khiển lặp lại xác chu kỳ mà không cần trang bị điện tử 19 Kết luận chương Khi thiết kế seri máy công tác khoảng chịu tải chúng thường có đoạn chung mà khơng nối tiếp với nhau, từ nhận thấy robot sử dụng chế độ hợp lý chắn có cơng suất dư đặc biệt dừng vị trí đầu cuối quỹ đạo cơng tác Trên sở chương đề xuất việc sử dụng bàn tay chun dụng sử dụng nguồn dẫn động có sẵn cánh tay để tự dẫn mà không dùng động riêng Bằng cách sử dụng cấu trì lực kẹp kết hợp với mặt cam thiết kế hợp lý bàn tay trì trạng thái làm việc theo yêu cầu công nghệ đặt Các cấu ứng dụng cho việc xem xét so sánh để loại bỏ nhược điểm mắc phải Thiết kế thứ lựa chọn bước đầu hoàn chỉnh mặt nguyên lý, động học động lực học, tín hiệu điều khiển làm rõ chương 20 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU QUAN TRỌNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY 3.1 Tính chọn độ cứng lị xo theo tải trọng danh nghĩa bàn tay Về cơng dụng, lị xo bàn tay có chức rút trục cam theo phương thẳng đứng để đẩy hai ngón tay tiếp xúc giữ chặt vật kẹp, lị xo có độ cứng lớn lực kẹp lớn độ nhạy Một lò xo với độ cứng coi thích hợp cần thỏa mãn độ nhạy tốt lực kẹp đủ lớn để không làm rơi vật tư Để tính tốn cần xác nhận đầy đủ ảnh hưởng ngoại lực lên cam, xét sơ đồ giản lược đây: alpha Plx1 L2 Plx2 Plx2 alp L1 Plx1 P mg Plx1: lực lị xo chính; Plx2: lực lò xo phụ; L1: khoảng tay đòn từ điểm tiếp xúc ngón tay với vật đến tâm quay; L2: khoảng cách tính từ điểm tiếp xúc cam đòn đến tâm quay; 21 k: độ cứng lò xo chính; h: chuyển vị lị xo 3.2 Tính chọn độ cứng lò xo phụ Lò xo phụ có chức mở kẹp cam dịch chuyển gần phía phơi, lị xo phụ chọn khơng tương xứng với lị xo xảy hai trường hợp sau: - Nếu mềm quá, lực kéo yếu không đảm bảo đủ lượng mở bàn tay theo tính tốn; - Nếu cứng q cản trở chuyển động trục cam đối kháng mạnh với lực sinh từ lo xo chính, phơi kẹp khơng chặt Do thân lực điều chỉnh phạm vi định tùy theo tốc độ đóng mở bàn tay, cấu điều chỉnh sức căng cần thiết để khơng phải thay lị xo khác thực nghiệm 3.3 Tính tốn hành trình ngón tay tổng hợp kích thước cam Khi làm việc bàn tay cần mở ngón tay để tiếp cận vật thể vào vị trí chuẩn bị kẹp, độ mở hai ngón tay phải đủ lớn để với độ xác lặp vị trí hướng biết trước tay robot phải dễ dàng để bàn tay tiếp cận với phôi Khảo sát số thiết kế khác thấy độ mở nên khoảng 10 – 15 (mm) cho khe hở bên, độ mở tồn đầu mút ngón tay nên vào khoảng 20-30 (mm) Theo thiết kế học bàn tay hành trình phụ thuộc vào lượng chuyển động tịnh tiến cam, hành trình phụ thuộc vào chuyển động dọc trục cam trượt mặt cam 3, độ dài rãnh cam định điều 3.4 Quan hệ chuyển vị ngõ vào – ngõ 22 Ở số robot mà khâu cuối ln trì phương vng góc với mặt phẳng thao tác việc điều khiển bàn tay đơn giản chuyển vị điều khiển bàn tay hoạt động chuyển vị khâu cuối, việc giải tốn ngược khơng cần thiết, chẳng hạn robot scara liên hiệp anh với trục khớp nằm theo hướng trọng lực Theo mục 3.3 lượng chuyển động cam xác định nguồn dẫn động cho chuyển động theo phương tiếp cận vật thể cần nắm bắt, chuyển động động cánh tay phối hợp tạo ra, để xác dịch chuyển động riêng biệt phối hợp cần thực toán ngược động học lấy chuyển vị bàn tay cần tạo 18 (mm) theo phương trục cẳng tay làm số liệu đầu vào Tín hiệu ngõ vào chuyển vị động trang bị cánh tay, tín hiệu ngõ chuyển vị cam tâm bàn tay đứng yên, lúc có ngón tay chuyển động kẹp mở Mục đích tính tốn điều khiển bàn tay đóng mở động khơng phải trang bị riêng cho nó, tính tốn cần thực cấu hình robot cụ thể Để thuận tiện cho thực nghiệm, chọn robot bậc tự môn điện tử với cấu trúc sau: 23 Hình 3.3: Robot bậc tự chưa mang bàn tay Hình 3.4: Bàn tay lắp lên bích cổ tay hồn chỉnh x3 320 x4 x5 x2 z0 24 z3 z2 z4 28 x1 O1 z1 208 z5 y6 O6 z6 O0 x0 Hình 3.5: Sơ đồ động hệ quy chiếu suy rộng robot thí nghiệm Bảng DH robot có dạng sau: Bảng 3.1: Bảng thơng số DH robot dùng thí nghiệm 24 Các ma trận tính từ bảng DH sau:  c(α ) − s(α )c( β ) s(α ) s( β ) a.c(α )  s(α ) c(α )c( β ) − c(α ) s( β ) a.s(α )  i  A i +1 =   s(β ) c( β ) d    0   c1 s A01 =  0  0 s1  − c1   208  0  ;  c2 s A12 =  0  0 − s2 c2 0 240.c2  240.s2      25 ; c3 s A2 =  0  0 s3 0 − c3 0  0  0 1  c4 s A3 =  0  0 − s4 c4 −1 0 0  c5   s5  A = 0 320    0 s5 − c5 0 ; 0 0  0  1 ; − s6 c6 c6 s A56 =  0  0 0    285    0 Căn vào kiểu dáng kích thước vùng làm việc robot thí nghiệm, bố trí vị trí phơi vùng làm việc theo sơ đồ sau: 240 32 O1 O2 O5 208 z0 x0 y0 51 285 O0 tr¹m A OA OV = O 69 51 200 30 tr¹m B OB 90° Hình 3.6: Sơ đồ chuyển động robot hai trạm cấp phơi Căn vào tồn q trình cần lấy tồn chu trình tối thiểu cần điểm key mơ tả sau: P2 Tr¹m A P3 P1 Home P8 Nâng cao khỏi đồ gá Mở kẹp Kẹp chặt Nâng cao khỏi đồ gá P4 huớng tới trạm B P5 26 Đặt vật xuống trạm B P6 P7 Hình 3.9: Mơ tả điểm keypoint chu trình vận chuyển hai trạm Thể toán lên solver với giới hạn vật lý robot cụ thể sau: − 6.28 ≤ q1 ≤ 6.28 −1.1 ≤ q2 ≤ 3.14 − ≤ q3 ≤ − 6.28 ≤ q4 ≤ 6.28 − ≤ q5 ≤ − 6.28 ≤ q6 ≤ 6.28 Hình 3.10: Kết tốn động học ngược giải phương pháp GRG điểm p2 27 Kết toán ngược điểm keypoint cho thấy sau: Thể kết chuyển vị dạng đặc tính điều khiển biến thiên theo thời gian với mốc thời gian mơ tả trục hồnh bao gồm: – (s) từ home đến trạm A định vị vật bàn tay (đoạn đồ thị); – (s) kẹp chặt vật, ấn bàn tay 18 (mm) (đoạn đồ thị); – (s) nhấc bàn tay thẳng đứng 100 (mm) (đoạn đồ thị); – 14 (s) chạy đến trạm B, treo cao 100 (mm) (đoạn đồ thị); 14 – 17(s) định vị vật bàn tay chưa kẹp (đoạn đồ thị); 17 – 19 (s) nhả vật kẹp, ấn bàn tay 18 (mm) (đoạn đồ thị); 19 – 21 (s) nhấc bàn tay thẳng đứng 100 (mm) (đoạn đồ thị); 21 – 25 (s) vị trí home (đoạn đồ thị) 28