Giới thiệu chungMột bước di chuyển ngắn của robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn về tri thức của nhân loại. Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người. Chủng loại robot hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng: từ thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, cho đến vận chuyển đồ vật và tham vui chơi cùng với trẻ em. Các nhà nghiên cứu châu Âu và Mỹ đã phóng nhiều robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò và chinh phục Hành tinh này. Theo kế hoạch đã định, tàu vũ trụ Mars Express của châu Âu, sau khi vượt qua chặng đường 485 triệu km đã thực hiện động tác cho Robot Beagle2 tiếp đất sao Hoả vào đêm Noel năm 2003. Về phần mình , NASA đã cho 2 robot cơ động (Rovers) hạ cánh xuống bề mặt Hành tinh Đỏ vào tháng Giêng năm 2004. Mục tiêu của các robot này không nhỏ: tìm kiếm dấu vết của nước và có thể là dấu vết của sự sống, đã từng tồn tại trên hành tinh láng giềng của Trái đất. Nếu vượt qua được thách thức này, thì robot quả thật đã thực hiện được một cuộc thám hiểm vũ trụ kỳ diệu.
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ************** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ iROBOT Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Anh Tú Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Chiến : Trần Văn Hiếu Đào Duy Hoằng Lớp : ĐH Cơ điện tử 2-K7 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài 1.3 Phương án nghiên cứu 1.4 Phân tích nhiệm vụ đồ án TỔNG QUAN VỀ iROBOT 1.5 Giới thiệu iRobot 1.6 Phân tích lựa chọn phương án di chuyển 1.6.1 Robot di chuyển bánh 1.6.2 Robot shrimp 1.6.3 Robot di chuyển xích 1.6.4 Robot di chuyển đai 1.6.4.1 Di chuyển cấu bánh đai 1.6.4.2 Di chuyển cấu bánh đai 1.6.4.3 Di chuyển cấu bánh đai 1.7 Giới thiệu kết cấu khí 1.8 Giới thiệu động 1.8.1 Động Servo 1.8.2 Động DC-giảm tốc 1.8.3 Động bước 1.9 Giới thiệu phương án điều khiển CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung Một bước di chuyển ngắn robot đồng nghĩa với bước phát triển lớn tri thức nhân loại Sáng tạo robot niềm vinh hạnh người Chủng loại robot phong phú, chúng thực nhiều chức năng: từ thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, vận chuyển đồ vật tham vui chơi với trẻ em Các nhà nghiên cứu châu Âu Mỹ phóng nhiều robot lên Hoả, nhằm khám phá, thăm dò chinh phục Hành tinh Theo kế hoạch định, tàu vũ trụ Mars Express châu Âu, sau vượt qua chặng đường 485 triệu km thực động tác cho Robot Beagle-2 tiếp "đất" Hoả vào đêm Noel năm 2003 Về phần , NASA cho robot động (Rovers) hạ cánh xuống bề mặt Hành tinh Đỏ vào tháng Giêng năm 2004 Mục tiêu robot khơng nhỏ: tìm kiếm dấu vết nước dấu vết sống, tồn hành tinh láng giềng Trái đất Nếu vượt qua thách thức này, robot thật thực thám hiểm vũ trụ kỳ diệu Lĩnh vực thứ hai mà robot phát huy tác dụng tích cực hỗ trợ thầy thuốc khám, chẩn đoán phát bệnh Robot hỗ trợ người khuyết tật thực thao tác hàng ngày, mà họ khơng làm được.Nhóm robot khác có hệ thống máy móc tạo khả tự hành cao hơn, giống "người" hơn: ví dụ ơ-tơ tự điều khiển (không cần hỗ trợ người); robot thích ứng thăm dị biển hệ thứ ba - loại robot gần giống người Nhóm robot hoạt động địa điểm nguy hiểm mà người không thâm nhập được, nhà máy điện hạt nhân hay núi lửa Hiện nay, việc nghiên cứu kỹ thuật robot giai đoạn đầu, có ứng dụng ban đầu thành cơng Có thể khẳng định, lĩnh vực cơng nghệ có triển vọng Trong nhóm robot hỗ trợ, người ta tạo số robot có khả di chuyển tối ưu, gần giống di chuyển (cử động) người Phịng Thí nghiệm tin học, Kỹ thuật robot Vi điện tử Montpellier (LIRMM) Pháp chế tạo thành công cung cấp cho nhà phẫu thuật dụng cụ robot hỗ trợ, cải thiện thao tác phẫu thuật Ví dụ điển hình dụng cụ robot tách bóc da phẫu thuật ghép da bị bỏng Trên thực tế, thao tác đ hỏi phải thực xác, phẫu thuật viên thực hoàn hảo, dụng cụ robot LIRMM cung cấp thực tốt Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp đánh giá: "Dụng cụ robot có khả xác định vị trí làm việc xác định chuẩn khoảng cách tay mắt phẫu thuật viên Dụng cụ robot giúp phẫu thuật viên không bị run tay tăng tốc thao tác, vi phẫu thuật" Đối với phẫu thuật tim, dụng cụ robot hỗ trợ nhiều: mở lồng ngực xác (đúng vị trí) cho bệnh nhân, tự động thực số nhiệm vụ lặp lặp lại (như thao tác khâu vết mổ chẳng hạn) Tại LIRMM, chuyên gia nghiên cứu điều khiển robot thực thao tác khâu tim thao tác khơng thể thiếu đóng lồng ngực, mà không làm tim ngừng đập Đây thao tác phức tạp đ hỏi độ xác cao LIRMM đă thành công việc chế tạo dụng cụ này, nói, kết mỹ mãn Trước đó, LIRMM phối hợp với Phịng Thí nghiệm Kỹ thuật Robot Paris (LRP) Phịng Thí nghiệm Kỹ thuật ảnh, mơ hình hố khả nhận biết (TIMC), Uỷ ban Năng lượng Nguyên tử Quốc gia (CEA) Pháp v.v khuôn khổ dự án Robea Gabie Mục tiêu nhiệm vụ yếu Dự án thiết kế "Hệ thống dẫn ảnh toàn ký", phục vụ phẫu thuật tim Trong lĩnh vực hoàn toàn khác, chuyên gia LIRMM thiết kế hệ robot biết sửa chỉnh đồ mỹ nghệ Nhờ có hệ robot này, nghệ nhân có khả nhân đôi giá trị tác phẩm điêu khắc Trong thực tế, có robot dạng sử dụng công nghiệp sản xuất vật phẩm đồng Song, thiết kế sản xuất loại thiết bị khơng tính đến đường gân sản phẩm, độ sù vật liệu đường nét riêng người sáng tạo sản phẩm mẫu Tại đó, nghệ nhân khắc trạm theo cảm giác ảo riêng bàn tay Các thao tác hiệu chỉnh robot với mức kích cỡ thực sở mẫu điêu khắc người sáng tạo Viện Bảo tàng Louvre Paris quan tâm đến loại robot Như vậy, lĩnh vực tinh tế y học mỹ thuật kỹ thuật robot xen vào được.Trong tương lai, có loại robot khác, có khả thực số hoạt động thay hoàn toàn cho người phải đảm nhiệm Để thiết kế loại robot này, nhà nghiên cứu phải có nguồn cảm hứng tuyệt vời: sống Một số động vật có khả giao cảm thích ứng với thay đổi mơi trường Do đó, người ta nảy sinh ý tưởng thiết kế robot mô theo số loài vật Trung tâm Nghiên cứu nhận biết động vật (CRCA) Toulouse nghiên cứu "trí tuệ" lồi kiến thơng qua Kiến Robot Kiến Robot đưa vào tổ kiến kết giao với lồi trùng khác Kiến Robot hội nhập xã hội trùng có khả gây ảnh hưởng đến định cộng đồng côn trùng.Trong khuôn khổ Dự án châu Âu Leurre, mà CRCA tham gia, nhà nghiên cứu Pháp thực nghiên cứu mô Rán Robot Nhánh kỹ thuật robot tạo hệ robot chắn, linh hoạt, hiệu suất cao giá rẻ Trong tương lai gần, robot động vật tạo khả lĩnh vực thám hiểm vùng lãnh thổ chưa biết đến 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Kiểm nghiệm khả vận dụng kiến thức học vào đề tài thực tế + Bài tốn di chuyển robot + Lập trình cho robot + Thiết kế mạch điện tử + Thiết kế khí, tính tốn cấu robot 1.3 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu mơ hình sản phẩm có sẵn áp dụng vào thực tế, kết cấu, chức máy Từ áp dụng để thiết kế giới hạn đề tài Áp dụng phương pháp thiết kế điện tử vào thiết kế robot, cụ thể là: + Thiết kế đồng thời + Mô hình hóa phần khí, mơ phần điện, giả định phương án điều khiển, tối ưu hóa trước hoàn thiện thiết kế trước chế tạo 1.4 Phân tích nhiệm vụ đồ án - Nhiệm vụ robot: Di chuyển vào khu vực yêu cầu, tìm kiếm thu thập thơng tin - Về kỹ thuật: Robot điều khiển từ xa, thu – phát tín hiệu, hình ảnh cho người điều khiển Di chuyển nhiều loại địa hình (bằng phẳng, lồi lõm, lên xuống cầu thang…) Thu thập thông tin, thơng số: video, hình ảnh… - Phạm vi hoạt động robot: nhà ngồi trời (địa hình khô) - Ứng dụng thực tế robot: Đây robot có khả di chuyển nhiều loại địa hình, điều khiển từ xa nhờ tín hiệu hình ảnh, lắp đặt camera quay phim, chụp ảnh với kích thước nhỏ gọn iRobot tham gia vào việc giám sát thăm dị phục vụ cho nghiên cứu khoa học, quân sự… - Nhiệm vụ: Thiết kế khí đảm bảo cho Robot có khả di chuyển linh hoạt địa hình phức tạp, lồi lõm cầu thang Xuất phát từ thực tế, ta nhận thấy địa hình cầu thang thách thức lớn địa hình di chuyển Robot Do thiết kế Robot, trọng phần di chuyển Qua tài liệu tham khảo tính tốn, chúng tơi định Robot di chuyển hệ thống bánh – đai Ưu điểm kết cấu khả truyền momen tốt, sử dụng đai làm hệ thống di chuyển nên có ma sát cao, độ bám đường tốt Cịn cấu truyền chuyển động chủ yếu dung truyền xích bánh Thiết kế mạch điện lập trình: nhiệm vụ thiết kế, lập trình mạch điều khiển khơng dây cho robot, phận camera thu phát tín hiệu CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ iROBOT 2.1 Giới thiệu chung iROBOT iRobot loại robot địa hình, thường sử dụng rộng rãi quân Với ưu điểm vượt trội robot khung khí vững chắc, kết cấu bền vững, bánh đai di chuyển linh hoạt, robot di chuyển địa hình: phẳng, gồ ghề, cầu thang Vì vậy, robot thay người vào địa hình phức tạp, nguy hiểm mơi trường khắc nghiệt Nó vượt địa hình,phục vụ cho nghiên cứu khoa học phục vụ cho quân việc quan sát, rà bom mìn, vận chuyển … Robot thiết kế để phục vụ cho lĩnh vực quân nên yêu cầu có độ vững chắc, bền vững xác Do robot di chuyển nhiều địa hình gồ ghề phức tạp, nên robot phải làm từ vật liệu có độ bền chịu va đập tốt Phương pháp điều khiển robot nhóm chọn chủ yếu điểu khiển tay nên độ xác khơng u cầu q cao iRobot sử dụng động điều khiển Trong đó, động dùng để điều khiển trước, động lại điều khiển bánh đai cho robot di chuyển Vì tốn tính tốn động quan trọng thiết kế irobot Bên cạnh đó, robot di chuyển hoàn toàn cấu đai nên việc di chuyển linh hoạt, không gây nhiều tiếng động… 2.2 Phân tích lựa chọn phương án di chuyển 2.2.1: Robot di chuyển bánh: +Ưu điểm: - Chuyển động nhanh địa hình phẳng, êm Có thể leo cầu thang, di chuyển địa hình tương đối nhấp nhơ + Nhược điểm: - Khó khăn di chuyển địa hình phức tạp Hiệu leo cầu thang không cao, robot lớn 2.2.2 Robot shrimp + Ưu điểm: Chuyển động linh hoạt êm + Nhược điểm: Giới hạn di chuyển số địa hình, cấu khí phức tạp, khó chế tạo, độ cứng vững khơng cao 2.2.3: Robot di chuyển xích Rơbốt di chuyển dùng bánh xích : Bánh xích bánh sử dụng thiết bị máy kéo xe tăng khả thích ứng với địa hình yêu cầu lực kéo Nguyên nhân cấu bánh xích giảm tính trượt phân bố trọng lượng thiết bị thích hợp với bề mặt cát,đất yếu hay bề mặt mấp mô.Một điều khác sử dụng chúng cho robot trông robot ấn tượng nhiều + Ưu điểm: - Tiếp xúc bề mặt lớn nên giảm khả trượt (do ma sát bánh với bề mặt lớn) - Phân bố trọng lượng có khả hoạt động linh hoạt nhiều bề mặt khác - Tăng không gian sử dụng robot không cần kết hợp với bánh xe có ổ đĩa lớn + Nhược điểm: - Gây tổn hại bề mặt di chuyển Ổ đĩa xích hạn chế đáng kể số lượng động sử dụng Tính phức tạp khí tăng (số liên kết ,khớp nối, cấu lực tăng) 2.2.4: Robot di chuyển đai 2.2.4.1: Di chuyển cấu bánh đai cấu bánh đai gắn vào bên, bánh dẫn động động riêng, động chuyền động gắn gián tiếp qua truyền gắn trực tiếp vào bánh đai để tạo chuyển động robot Khi cấu bánh đai cần rẽ trái hay rẽ phải động quay ngược chiều để bánh đai chuyển động ngược chiều tạo chuyển động quay trái quay phải Phương án đại diện cho kiểu robot đơn giản 2.2.4.2: Di chuyển cấu bánh đai Phương án thêm vào nhiều cấu bánh đai tạo linh hoạt chuyển động cho robot + Ưu điểm: nhánh cấu bánh đai làm tăng chiều dài robot, giúp robot dễ dàng vượt qua địa hình ghập ghềnh, khe nứt … + Nhược điểm: tăng độ phức tạp việc chế tạo điều khiển, kích thước tăng làm giảm khả di chuyển khơng gian hẹp Ví dụ: robot leo cầu thang học viện kĩ thuật quân 10 Tuy nhiên dùng động có số vịng quay cao lại yêu cầu giảm tốc nhiều hơn, tức phải sử dụng hệ thống dẫn động với tỉ số truyền lớn hơn, kết kích thước giá thành truyền tăng lên Vì thiết kế cần phối hợp hai yếu tố vừa nêu, đồng thời cần vào sơ đồ hệ thống dẫn động cần thiết để chọn số vịng quay thích hợp cho động Chọn động phải thỏa mãn điều kiện: Do hệ dẫn động hoạt động chế độ tải trọng tĩnh nên mômen mở máy mômen xoắn tải tức là: Tmm= T Do đó: =1 Vậy ta cần chọn động có: Dựa vào bảng : Ta chọn động 4A80B8Y3 với thông số kĩ thuật sau: Công suất: 0,55kw Vận tốc quay :675 v/p = 1,6 4.3.1Thông số trục: công suất trục công tác :P2 = Plv2 = 0,0146(kW) công suất trục công tác :P1 = plv2/(ŋ2đ ŋ4ol )= 0,0146/(0,962.0,994)=0,0165kW 30 công suất trục động cơ: Pdc = P2/(ŋ2x ŋ2d.ŋ6ol )=0,0146/(0,902.0,962.0,996) =0,0207kW - Số vòng quay trục động : n= 35v/p - Số vòng quay trục công tác : n1= ndc/ux = 35/1 =35v/p - Số vịng quay trục cơng tác 2: n2= ndc/ud = 35/1 = 35v/p - Mômen xoắn trục động cơ: Tdc = 9,55.106 = 9,55.106 =5641,1(N.mm) - Mômen xoắn trục 1: Tdc1 = 9,55.106 = 9,55.106 = 4502,1(N.mm) - Mômen xoắn trục 2: Tdc2 = 9,55.106 = 9,55.106 =3983,7(N.mm) - Lập bảng thông số: Thông số Động Trục Trục u 1 P(kw) 0,0207 0,0165 0,0146 n(v/p) 35 35 35 T (N.mm) 5641,1 4502,1 3983,7 4.3.2 Bộ truyền xích truyền chuyển động từ động bánh chủ động: Số liệu Z1 = 16 (răng); 31 u= 1; p = 6,52 Bước xích; n= 35(vg/ph); Đường tâm đĩa xích làm với phương ngang góc 450 Chọn loại xích Xích có tải trọng nhỏ, làm việc với vận tốc v = 0,19 m/s Do điều kiện làm việc nên chọn xích lăn Số đĩa xích Z1 = 16 Số đĩa xích lớn Z2 = u Z1 = 16 = 16 Theo công thức 5.3[1] có cơng suất tính tốn : Pt = P1 k kz kn Trong đó: P1 = 0,0207(kW) (là hệ số răng) n01=50v/p; kn = = = 1,42 (hệ số vịng quay) Theo cơng thức 5.4 bảng 5.6 hệ số sử dụng k 32 Trong đó: k0: hệ số kể đến ảnh hưởng vị trí truyền k0 = 1(đường tâm đĩa xích làm với phương ngang góc >400) ka: hệ số kể đến khoảng cách trục chiều dài xích ka =1,25 ( a ≤ 25p) kđ: hệ số tải trọng động kể đến tính chất cảa tải trọng kbt= 1,3 (mơi trường có bụi, bơi trơn - Bảng II[1]) Vậy = 0,0207 1,5 1,42 1,62 33 = 0, 0714kW Chọn Bước xích p = 6,52 Xác định thơng số truyền Khoảng cách trục nhỏ bị giới hạn khe hở nhỏ cho phép đĩa xích : amin = 0,5( da1 + da2 ) + ( 30… 50) = amin = 0,5( 35 + 35 ) + ( 30… 50) =( 65 - 85 )mm Khoảng cách trục không lớn a ≤ amax = 80p = 80.6,52 = 521,6 Chọn sơ a = 25p = 25.6.52 = 163 Chon khoảng cách trục a = 90 mm Theo CT 5.12 [TL 1] Số mắt xích: Chọn số mắt xích chẵn x = 44 Tính lại khoảng cách trục theo công thức { a = 0, 25 p xc − 0,5( Z + Z1 ) + { = 0, 25.6,52 44 − 0,5(16 + 16) + [ xc − 0,5( Z + Z1 ) ] − 2.[ ( Z − Z1 ) / π ] [ 44 − 0,5(16 + 16) ] 2 − [ (16 − 16) / π ] } } = 91, 28mm 34 Để xích khơng chịu lực căng, giảm a môt lượng bằng: Chọn ∆ a = mm Do : a = 91– = 90 mm - Tính thơng số xích: Theo cơng thức 5.17 Đường kính vịng chia đĩa xích: d1 = p 6,52 = = 33, 44(mm) π π sin ÷ sin ÷ 16 Z1 d = d1 = 33, 44(mm) d f = d1 − 2r == 35 − 2.r (mm) d f = d f = 33, 44(mm) r = 0,5025.d1 = 0,5025.2 = 1,0050( mm) d1 = Xác định lực tác dụng lên trục Theo công thức 5.20 [TL I]: Fr = kx.Ft Ft = = =103,5(N) Với kx = 1,15 bộtruyền nghiêng góc > 400 Fr = 1,05 103,5 = 108,68(N) 35 4.3.3 Bộ truyền đai lớn số 1: Tính trường hợp động u=1; p=9,525(p bước đai) P= = 0,0227(kW) n= 37,08(v/p) -Mô đun Ta có modun : m = p/Pi = 9,525 / Pi = 3,0319 Chọn m = 4.theo bảng 4.28 Chọn bề rộng đai : b1= 30 mm Xác định thông số truyền Số z1 chọn theo 4.29/ 70 nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai Sử dụng đai cỡ L có pt = 9,525 mm Số đai : Zđ = 128 Số bánh chủ động : Z1=34 36 Trong u = = Tỷ số truyền : u = Số bánh bi động :Z2=u.Z1=1.34= 34 Chọn bề rộng đai : b1= 30 mm Khoảng cách trục a chọn theo điều kiện: amin a amax amin = 0,5(z1+z2)+ 2m; amax = 2m(z1+z2) amin = 0,5(34+34)+ 2.4 =42mm amax = 2.4(34+34) = 544mm => 42 544 Số đai: Zđ = + + Đường kính vịng chia : d1 = m.Z1 = 3,0319.34=103,0846 mm Đường kính ngồi bánh đai : da1 = d - 2δ = 103,0846 – 2.0,6 = 101,8846 mm da2 = da1 = 101,8846mm Khoảng trục a : Từ CT 4.30 37 a = (Zđ - Z1).p /2 = (128 – 34 ) 9,525/2 = 447,675 mm ~ 447,7 mm 4.3.4 Bộ truyền xích thay đổi góc mở hai Chọn loại xích u= 2; p = 6,52 - bước xích; P =0,0165 (kW); n = 35 (vg/ph); Đường tâm đĩa xích làm với phương ngang góc 300 Chọn loại xích Xích có tải trọng nhỏ, làm việc với vận tốc v = 0.2 m/s Do điều kiện làm việc nên chọn xích lăn Số đĩa xích nhỏ: Z1 = 16 Số đĩa xích lớn là: 38 Z2 = u Z1 = 16 = 32 Xác định bước xích Theo cơng thức 5.3[1] có cơng suất tính tốn Pt = P1 k kz kn Trong đó: P1 = 0.0207(kW) (là hệ số răng) n01=50v/p; kn = = = 1,42 (hệ số vịng quay) Theo cơng thức 5.4 bảng 5.6 hệ số sử dụng k Trong đó: k0: hệ sốkể đến ảnh hưởng vị trí truyền k0 = 1(đường tâm đĩa xích làm với phương ngang góc