ĐỒ án tốt NHGIỆP THIẾT kế TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN hồi lực

MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cụm từ robot khơng cịn q xa lạ với người Ngành công nghiệp robot ngày phát triển mạnh mẽ tối ưu Với mục đích thay cho lao động người môi trường làm việc khắc nghiệp, nguy hiểm, độc hại,… Chính vậy, mơ hình robot điều khiển từ xa chế độ Master - Slave (thiết bị chủ - tớ) ngày phát triển mạnh mẽ Trong hầu hết lĩnh vực đời sống, kinh tế, xã hội robot ứng dụng rộng rãi Nhằm tăng hiệu làm việc với robot (hay giao diện người máy) , người ta ứng dụng nhiều công nghệ, kĩ thuật vào robot Trong số đó, có kĩ thuật phản hồi thơng tin lực tác dụng, giúp cho người điều khiển nhận biết thông tin hoạt động robot Slave cách trực quan từ khoảng cách xa, an toàn Đây kĩ thuật mẻ có tính ứng dụng cao ứng dụng ngành phẫu thuật , thiết bị trợ lực cho người khuyết tật… Tuy nhiên, kĩ thuật phản hồi thông tin lực tác dụng chưa nghiên cứu nhiều trường đại học nước Vì vậy, hơm chúng tơi xây dựng mơ hình tay máy Master – Slave có phản hồi lực để có nhìn tổng quan kĩ thuật Trong đồ án tập trung xây dựng mơ hình tay máy Master – Slave , điều khiển theo phương pháp mơ chuyển động Ngồi , có thêm thông tin phản hồi lực tác dụng, phần quan trọng đề tài GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành để tài , chúng em nhận nhiều giúp đỡ từ thầy cô bạn bè Đầu tiên , chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy NGUYỄN NGỌC ĐIỆP Nhờ có hướng dẫn tận tình thầy suốt thời gian qua mà chúng em thực hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp Đồng thời xin cảm ơn thầy cô khoa khí truyền đạt kiến thức quý báu suốt năm học trường Những kiến thức sở chuyên ngành mà thầy cô truyền đạt móng vững cho chúng em hồn thành đề tài Chúng xin cảm ơn Trường đại học Công Nghiệp TPHCM tạo điều kiện sở vật chất không gian làm việc để chúng tơi hồn thành đề tài đồ án tốt nghiệp GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… …….……………………………………………………………… GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC MỤC LỤC GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ ROBOT SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Hệ robot chép chuyển động phản hồi lực gồm khối chức bản, thứ robot điều khiển (Master robot) thứ hai robot thực chuyển động theo robot điều khiển (Slave robot) Những thông tin chuyển động, lực tác động (cứng mềm, mạnh, yếu…) robot điều khiển cảm biến (encoder, biến trở…) gắn robot ghi nhận truyền xử lý trung tâm, sau xử lý trung tâm, gửi tín hiệu điều khiển tương ứng vào cấu chấp hành Slave robot để chép lại chuyển động robot điều khiển Trong y học: thường dùng thiết bị phẫu thuật, nội soi Ở hệ robot chép chuyển động phản hồi lực cung cấp vị trí lực cắt hướng chuyển động cho thiết bị phẫu thuật làm việc Trong bác sĩ phẫu thuật cảm nhận lực cắt mổ tay giống lực cắt mổ thực tế thiết bị phẫu thuật Hình : Robot phẫu thuật sử dụng kĩ thuật phản hồi lực GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Trong quân sự: môi trường làm việc đặc biệt nguy hiểm, thiết bị phản hồi lực dùng thiết bị máy chủ để điều khiển từ xa thiết bị tớ Người vận hành thiết bị chủ mơi trường an tồn điều khiển thiết bị tớ khoảng cách xa Trong công nghiệp: môi trường làm việc độc hại, gây khó khăn cho người robot làm thay Robot tớ truyền thơng tin lực mà tương tác trực tiếp robot chủ Thiết bị robot chủ cung cấp hướng vị trí chuyển động cho robot tớ làm việc … MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động robot chép chuyển động phản hồi lực - Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo thiết kế phản hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF - Thiết kế chế tạo tay máy MASTER - Lắp ráp tay máy SLAVE GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Thiết kế chế tạo tay máy MASTER, chế tạo phanh từ biến,không tập trung vào phần điều khiển GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ PHẢN HỒI LỰC ( MRB) SỬ DỤNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MRF) 1.1 Giới thiệu lưu chất từ biến (MRF) Lưu chất từ biến (MRF) dạng chất lỏng nhớt có chứa hạt từ với đường kính 20-50 microns Trong MRF bao gồm dầu, thường khoáng sản hỗn hợp silicone, tỷ lệ khác hạt từ phủ vật liệu chống đông Khi hoạt động, MRF làm việc tuân theo chất lưu Newton Khi tiếp xúc với từ trường, hạt từ phân tán lưu chất tạo thành lưỡng cực từ Những lưỡng cực từ xếp dịng với từ thơng chúng chuyển đổi trạng thái nhanh chóng, mạnh mẽ, hồi phục nhanh Vì vậy, MRF có tiềm lớn nhiều ứng dụng ly hợp, phanh, van robot Đã có nhiều nhà nghiên cứu phát triển phanh sử dụng MRF nhiều ứng dụng 1.2 Thành phần MRF MRF bao gồm chất lưu nhớt, bột sắt từ chất có từ tính phụ gia khác khơng mang từ tính Trong thực tế, hạt mang từ tính MRF : sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrit sắt, sắt cacbua, sắt cacbonyl, niken coban Trong số này, hạt thường sử dụng cho MRF sắt cacbonyl Các ứng suất tối đa gây MR chủ yếu xác định độ kháng từ thấp mức độ bão hòa cao từ tính hạt phân tán Do đó, thực tế, vật liệu từ -bột sắt cacbonyl đựơc sử dụng cho hầu hết MRF Ngồi hợp kim Pe-Co hợp kim Fe-Ni sử dụng Ngược lại, số vật liệu sắt từ Mn-Zn ferrite, Ni-Zn ferrite ferrites gồm có từ tính bão hịa thấp áp dụng ứng dụng có ứng suất thấp Hạt MR thường có kích thước từ 0,1 đến 10µm Trong MRF GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC khối lựơng hạt từ chiếm phần nhỏ khối lượng lưu chất không ảnh hưởng tới lưu chất Ngoài chất lỏng sử dụng MRF : dầu silicon, dầu khoáng, dầu parafin, copolyme silicone, dầu trăng, dầu thủy lực, dầu biến áp, dẫn xuất halogen hóa chất lỏng hữu cơ, diesters, polyoxyalkylenes, silicon flo, glycol, nước loại dầu hydrocarbon tổng hợp 1.3 Từ tính MRF Các đặc tính từ tính tĩnh MRF quan trọng để thiết kế thiết bị MRF thường đặc trưng quan hệ B-H MH trễ Thông qua thuộc tính từ tính phụ thuộc phản ứng MRF thiết bị dự đốn Dưới ảnh hưởng từ trường, mơ hình chuẩn cho cấu trúc sử dụng để dự đoán chuyển động hạt MRF Mơ hình dựa mạng lưới chuỗi vô hạn hạt xếp dòng liên quan đến hướng từ trường thể hình 1.3 LỰC Hình 2: Trình bày sơ đồ biến dạng afin chuỗi hạt hình cầu Các chuỗi coi biến dạng với khoảng cách hai phần tử kế cận chuỗi tăng mức tương tự với biến dạng MRF biến dạng Mơ hình chuỗi hạt từ đơn giản, trường hợp thực tế dạng hình trụ Dưới tác dụng ứng suất cắt, hợp chất biến dạng cuối phá vỡ Mặc dù hạt phát triền thành cấu trúc phức tạp khác điều kiện khác nhau, mơ hình chuẩn sử dụng để dự đoán ứng suất MRF Các phương trình chuyển động hạt theo từ trường cần thiết để đánh giá hiệu suất MRF Tại từ trường thấp, từ lực căng Fij xem điểm lưỡng cực tương tự tương tác song song, momen lưỡng cực từ gây GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC hạt khác tường xung quanh cho vừng không từ trường vùng bị cô lập từ trường đuợc tính bởi:π f (1.1) Trong lực từ hạt từ I đến j, độ dẫn từ riêng hạt, độ dẫn từ chân khơng, vị trí từ hạt j tới I m momen lưỡng cực từ gây hạt hạt MRF từ trường xác định: m = 4πH (1.2) Trong H từ trường đều, a đường kính hạt β xác định bởi: β = (1.3) Trong độ dẫn từ đặc trưng chất lỏng từ trường cao, độ lớn từ trường thời điểm coi điểm từ trường độc lập từ tính hạt đạt bảo hịa Trong trường hợp momen lưỡng cực từ xác định : m = (1.4) Trong , khoảng 1.7xA/m cho sắt chung 0.48xA/m cho oxit sắt 1.4 Ứng dụng MRF Hiện nay, MRF nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới Trong ứng dụng, MRF thường ứng dụng ba dạng chính: dịng chảy (flow mode), trượt (shear mode) nén (squeeze mode) Ứng dụng MRF chế tạo phanh ly hợp: MRF dùng chế tạo phanh lưu chất từ biến (MRB) Hệ thống phanh lưu chất từ biến (MRB) hồn tồn đáp ứng tương tự hệ thống ABS xe ô tô Nhờ vào khả hoàn toàn điều khiển với thời gian đáp ứng nhanh, kết hợp với loại cảm biến vận tốc… ta hồn tồn điều khiển phanh nhấp nhả hệ thống ABS làm Ứng dụng MRF chế tạo phận giảm chấn: MRF nghiên cứu ứng dụng thiết kế giảm chấn Nó có khả tùy biến độ cứng giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhô mặt đường làm cho dao động dập tắt nhanh nhất, hiệu mà người ngồi xe cảm thấy thoải mái Về mặt kết cấu, giảm chấn sử dụng MRF có cấu tạo hồn tồn khác so với loại giảm chấn thông thường hồn tồn khơng sử dụng lị xo mà đảm bảo đầy đủ tính hoạt động Ứng dụng MRF chế tạo khối gá động cơ: Gần có nhiều nghiên cứu dạng gá động bán chủ động sử dụng MRF Nhờ vào khả điều khiển được, MRF hồn tồn đáp ứng yêu cầu việc điều chỉnh lực giảm chấn GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 10 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Vector Y Vector Z Selected Face(s) Bearing Load:1 Load Type Magnitude Vector X Vector Y Vector Z Results Reaction Force and Moment on Constraints Constraint Name Fixed Constraint:1 Result Summary Name GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 74 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Volume Mass Von Mises Stress 1st Principal Stress 3rd Principal Stress Displacement Safety Factor X Displacement Y Displacement Z Displacement Equivalent Strain 1st Principal Strain 3rd Principal Strain Figures GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 75 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Von Mises Stress 1st Principal Stress GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 76 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC 3rd Principal Stress GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 77 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Displacement Safety Factor GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 78 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC X Displacement Y Displacement GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 79 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Z Displacement GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 80 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Equivalent Strain 1st Principal Strain GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 81 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC 3rd Principal Strain 2.3 Kiểm tra bền đai Thông số truyền đai sử dụng để truyền động khâu trục : Đường kính bánh đai: Chiều rộng đai: Ước lượng số vòng quay bánh dẫn tác động vào khâu : n1 = 20 vòng/phút Khối lượng tải đặt vào khâu : m = kg Tải trọng tác dụng : P = m.g = 310 = 30 N Momen xoắn : T = P = 30 0,22 = 6,6 N.m = 6600 N.mm Vận tốc góc : = 2,09 rad/s Công suất Modun xác định theo công thức thực nghiệm : Chọn modun m = GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 82 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Vận tốc đai : Lực tải : 0,05 m/s = 280 N Tải trọng riêng cho phép := 251110,94 =23,5 N/mm Tra bảng 4.13, Giáo Trình Cơ Sở Thiết Kế Máy-Nguyễn Hữu Lộc: N/mm Trong : tải trọng riêng cho phép : hệ số chế độ làm việc : hệ số xét đến ảnh hưởng tỉ số truyền : hệ số xét đến việc có sử dụng lăn : hệ số xét đến ảnh hưởng chiều rộng dây đai Kiểm bền dây đai: (thỏa) CHƯƠNG : KẾT LUẬN Vì khơng đủ thời gian để thực nên đề tài giới hạn việc tập trung tìm hiểu nguyên lý hoạt động robot chép chuyển động phản hồi lực bậc tự (3 DOF) Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo thiết kế phản hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF (Magneto – rheological Fluid ) để ứng dụng tay máy Master, thiết kế chế tạo tay máy Master GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 83 MƠ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Kết đạt với mục tiêu đề tài -Thiết kế chế tạo thành công phản hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF -Thiết kế chế tạo thành công tay máy Master -Nắm bắt nguyên lý hoạt động robot chép chuyển động phản hồi lực Hình 19 : Mơ hình hệ thống tay máy chép chuyển động phản hồi lực PHỤ LỤC Hình 1: Robot phẫu thuật sử dụng kĩ thuật phản hồi lực………………….5 Hình 2: Trình bày sơ đồ biến dạng afin chuỗi hạt hình cầu…… Hình 3: Liên kết hạt thay đổi theo từ trường…………………….10 Hình 4: Kết cấu MRB dạng đĩa………………………………………… 11 Hình 5: MRB dạng kết hợp……………………………………………… 12 Hình 6: MRB dạng trống………………………………………………… 12 GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 84 MÔ HÌNH HỆ THỐNG TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC Hình 7: MRB kết hợp…………………………………………………… 13 Hình 8: MRB kết hợp phanh đĩa phanh trống ngược………………… 13 Hình 9: MRB dạng chữ T………………………………………………….14 Hình 10: Cấu tạo phanh lưu chất từ biến có cuộn dây nằm bên…….15 Hình 11: Cấu tạo phanh lưu chất từ biến có cuộn dây đưa bên ngồi………………………………………………………………… 16 Hình 12: Mơ hình thí nghiệm…………………………………………… 17 Hình 13: Robot FANUC LR Mate 100iB……………………………… 18 Hình 14: Hệ tọa độ tay máy slave…………………………………… 21 Hình 15: Trục tọa độ lực tác dụng lên đầu tay máy……………………24 Hình 16: Tay máy vị trí bất kì………………………………………… 25 Hình 17: Nguyên lý hoạt động hộp số Harmonic ……………………27 Hình 18: Cấu tạo hộp số Harmonic……………………………………….27 Hình 19: Mơ hình hệ thống tay máy chép chuyển động phản hồi lực……………………………………………………………………… 84 PHỤ LỤC Bản vẽ thiết kế chế tạo: GVHD: NGUYỄN NGỌC ĐIỆP 85