Bài báo THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CỔ TAY ROBOT CẦU KIỂU TUẦN HOÀN CÔNG SUẤT

Truyền dẫn cơ khí cho robot công nghiệp theo hình thức tuần hoàn công suất thường được ứng dụng cho robot làm việc với tải trọng lớn, mô đun cổ tay robot có vùng làm việc mặt cầu gồm hai phần chính, phần trực tiếp tạo ra ba đường trục quay và phần đóng mạch của cấu trúc đó tạo thành ba mạch vòng khép kín độc lập. Tổng hợp cấu trúc động học là để được một hộp tốc độ truyền dẫn cơ khí, có kích thước phù hợp, có khả năng khử chuyển động theo của cơ cấu, và tạo ra một dòng năng lượng khép kín nhằm khử khe hở cho xích động học có yêu cầu đảo chiều thường xuyên. Phương pháp thiết kế ở đây đòi hỏi xây dựng một hệ thống mô hình toán học làm cơ sở nhận dạng sơ đồ động.

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CỔ TAY ROBOT CẦU KIỂU TUẦN HỒN CƠNG SUẤT DESIGN AND FABRICATION OF A SPHERICAL ROBOTIC WRIST USING POWER CIRCULATION TĨM TẮT Truyền dẫn khí cho robot cơng nghiệp theo hình thức tuần hồn cơng suất thường ứng dụng cho robot làm việc với tải trọng lớn, mơ đun cổ tay robot có vùng làm việc mặt cầu gồm hai phần chính, phần trực tiếp tạo ba đường trục quay phần đóng mạch cấu trúc tạo thành ba mạch vịng khép kín độc lập Tổng hợp cấu trúc động học để hộp tốc độ truyền dẫn khí, có kích thước phù hợp, có khả khử chuyển động theo cấu, tạo dịng lượng khép kín nhằm khử khe hở cho xích động học có u cầu đảo chiều thường xun Phương pháp thiết kế đòi hỏi xây dựng hệ thống mơ hình tốn học làm sở nhận dạng sơ đồ động ABSTRACT Mechanical drive using power circulation is often applied to the manipulators that work with heavy loads, and have wrist modules with spherical workspace which includes two main parts, one directly forms three rotation axes and the other close the circuit of that structure forming three independent closed loops.The synthesis of kinematic structure makes a speed box which has suitable dimention, the ability of eliminating the translational motion of the mechanism, and forms a closed power which can eliminate the clearance of the kinematic chain with the permanent requirement of reverse.This design method requires the buiding of a mathematical model that will be used to identify the kinematic diagram I GIỚI THIỆU Trong kỹ thuật robot độ xác truyền động đóng vai trị quan trọng để đạt điều có nhiều phương án, robot mang tải vừa nhỏ khe hở khí khử tác dụng giải pháp điều khiển với robot tải trọng lớn, tuần hồn cơng suất để khử khe hở tỏ phương án hiệu Trong báo đề cập đến truyền dẫn khí với kết cấu cho phép tuần hồn công suất áp dụng cho khớp cổ tay robot, quan tâm đến hai vấn đề thiết kế cấu vi sai để khử chuyển động theo phân chia cưỡng truyền động hai hướng khác hai phần tử bố trí đồng trục nhằm khử hoàn toàn khe hở hệ thống xích truyền lực cấu Bài báo trình bày hệ thống mơ hình tốn học để nhận dạng liên kết sơ đồ động thực, dựa vào quan hệ động học đặc trưng cấu vi sai Kiểm nghiệm thực tế sản phẩm chế tạo trường ĐHKT Công Nghiệp giới thiệu cuối báo cho thấy động tác động đến trục chấp hành tương ứng, khơng có chuyển động theo cơng suất tuần hồn, điều hồn toàn phù hợp với yêu cầu đặt II TỔNG HỢP CẤU TRÚC TRUYỀN DẪN ĐỘNG HỌC KHỚP CỔ TAY 2.1 Mô tả nhiệm vụ thiết kế Giả sử cần tạo robot cổ tay cầu với ba đường trục đơi vng góc, trục trang bị động dẫn động riêng Trong cấu trúc ban đầu giả sử có tồn khe hở mặt bên truyền khí, yêu cầu đặt thiết kế động học trục phải hoạt động độc lập độ xác khơng bị ảnh hưởng khe hở truyền trạng thái đảo chiều Mỗi bậc tự robot thơng thường có sơ đồ truyền dẫn dạng sau: Hình 1: Truyền dẫn động học bậc tự kiểu không tuần hồn cơng suất Với ba bậc tự cổ tay cầu gồm ba xích động học cấu trúc trên, để tối ưu kích thước phần truyền động khí gộp chung thành hộp tốc độ khí, có đoạn xích động học dùng chung trục chấp hành Điều dẫn đến khó khăn lớn liên kết nhóm động học với để đạt đồng thời hai mục đích khử khe hở khí khử chuyển động theo khâu cuối H.2a H.2b Hình 2: Truyền dẫn động kiểu tuần hồn công suất cho bậc tự dạng nguyên lý (a) kết cấu (b) Giả sử toàn cổ tay robot cầu cần thiết kế chia hai phần phần chấp hành gồm cổ tay cầu với ba bậc tự quay phần khép kín mạch kể nguồn chuyển động Hình 3: Truyền dẫn động học với ba bậc tự có tuần hồn cơng suất Nhiệm vụ thiết kế đặt xem phần khép mạch có chức động học môt tả, người thiết kế cần đưa để xây dựng sơ đồ động cụ thể 2.2 Phương pháp mơ hình thiết kế Về phương pháp thiết kế Các truyền tổ hợp truyền theo nguyên tắc mơ tả tốn học đặc trưng nó, trường hợp sơ đồ dẫn động có trước mơ hình tốn vào để xây dựng nên gọi quan hệ thuận, mơ hình tốn có trước biết số lượng khâu tính chất chuyển động yêu cầu đề xuất kết cấu hợp lý gọi quan hệ ngược Trong tốn với yêu cầu nêu mục 2.1 với yêu cầu công tác phần chấp hành cho trước, xem phần khép mạch hộp đen, người thiết kế làm theo chiều ngược lại, tức dựa vào đặc trưng truyền để xác định số lượng thứ tự tổ hợp chúng với nhau, điều có nghĩa cần có hệ thống mơ hình tốn học làm người thực cần có hiểu biết sâu sắc quan hệ thuận nghịch suy diễn Về mơ hình thiết kế Trong truyền động khí, để liên kết chuyển động quay ba trục quay có đường tâm vng góc với sử dụng bánh nón, cụ thể xét sơ đồ sau đây: 3' 2' 3" B B' Hình 4: Cơ cấu cầu ba bậc tự với bốn khâu Sơ đồ ứng với mô đun cổ tay cầu hình 3, phần đóng mạch đối tiếp với chưa nhận diện Xét cấu cổ tay ba bậc tự hình 4, điều kiện phụ thuộc động học chuyển động chấp hành 1 ;2 ' ;3" vào chuyển động ba động dẫn động biểu diễn sau:  d i1 1  (1)  d i2 ' 2 '   i   d 3" 3" Trong i2 ' i2 i22 ' ; i3" i3 i33" i1, i2, i3 tỉ số truyền trục động khâu chủ yếu để tạo bậc tự chuyển động cấu trúc Hệ phương trình thiết lập cho cấu ba bậc tự chuyển động, quan hệ động học suy từ mơ hình có số bậc tự hai sau chia cắt thành cấu trúc có hai bậc tự cấu trúc sau: 2' a Hình 5: Cơ cấu vi sai hai bậc tự phẳng Hệ phương trình đặc trưng cấu sau rút gọn có dạng   i      22 ' '  ia '2 ' a  1   i22 '2 ' i2 a (a  2 )  i2 a  (2) Tỉ số truyền i22’ ia2’ tỉ số truyền liên kết khâu khâu a với khâu 2’ cần vi sai đứng yên Xét hệ vi sai phẳng có ba bậc tự hình vẽ: 3" B' 2' 3' B Hình 6: Cơ cấu vi sai ba bậc tự phẳng Xem cấu hai bậc tự gồm khâu (2’, 3’, B’) bánh vệ tinh 3”, giống cấu xét trên, phương trình liên kết động học với cấu tương tự cấu xét nên viết được:  3'  2 ' i3' B ' (B '  2 ' ) (3)   i3'3"3" 3'  2 ' Do vậy, hệ phương trình mơ tả động học cấu ba bậc tự hình là:  (i3 B 'iBB '  i22'iBB'  i3 B 'i22'  i33'iBB' )1  (i33'iBB'  i3B 'iBB ' )2  i22'iBB'3  i3 B 'i22'B 0  (4)  i22'i33"3" (i33'  i22' )1  i33'2  i22'3  i      22' ' Từ quan hệ động học cổ tay hình viết được: i22' i33'  iBB '  i3 B ' i33" iB 3" Thay vào (4) tối giản hoá:   2(   )    B   3  2 (5)  3"  i33"   2  1  2 '  i22 '  Kể quan hệ khử rơ thân cấu trúc: 3 x  3 ;  Bx   B ; Các quan hệ động học mà cấu đối tiếp đóng mạch cần thoả mãn là:  d i1 1   i (   )  d2 2 (6)   d  i3 (2  3 x )  21  22 3 x   Bx Do có ba bậc tự ứng với ba khâu đầu ra, để khép kín mạch sử dụng bốn khâu nền, tổng số khâu cấu trúc: n0 = + = (7) Số bậc tự cấu w = 3, nên số mạch vịng kín tương ứng p = Như số lượng cấu vi sai tối thiểu toàn cấu trúc: p K M n0  w  7   5 (8) w Trong có cấu vi sai phần chấp hành, cấu trúc đóng mạch cịn lại cấu, để thuận tiện cho liên kết kí hiệu chân cấu vi sai: A(3x, d3, 2); B(4, d1, d2); C(Bx, d3, 4); D(2, d1, d2) Trong chân kí hiệu d1, d2, d3 chân nối nguồn chuyển động, biến đổi tương đương có ý đến quan hệ động học truyền động bánh hành tinh, sau rút gọn hệ phương trình mà cấu đóng mạch phải thoả mãn là:  d  5 23 x     2 d1   4  8 2 Bx   4  d 2d (9)   5  22  6 d   7  d   0  Trong bốn phương trình đầu biểu diễn bốn cấu vi sai, chân tên cấu liên kết với Bốn phương trình biểu thị trục trung gian đảo chiều chuyển động cấu trúc vị trí liên kết nguồn chuyển động vào cấu trúc Căn vào hệ phương trình phải xác định sơ đồ liên kết cấu vi sai với Các chân tên cấu khác liên kết với để tạo thành vịng tuần hồn công suất Ba động truyền dẫn nối giá cố định (hay nối với khâu có  0 ) bốn đầu chờ cấu chấp hành ba bậc tự gồm: Chân (1) liên kết với cấu dẫn động phần khép mạch d1 (theo quan hệ 1  d ) ; Chân (2) nối với theo quan hệ 5  22 ; Chân (3) nối với 3x theo quan hệ khử rơ 3  3 x ; Chân (B) liên kết với Bx theo quan hệ khử rơ  B   Bx ; Sơ đồ động sơ đồ nguyên lí liên kết sau: 3x d2 2' 3' A D 3" d3 C B B' B Bx d1 Hình 7: Sơ đồ liên kết cấu vi sai Có thể kiểm tra mạch vịng kín i=1 tương ứng ln xuất kích hoạt động tương ứng III CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA Cổ tay robot cầu nói chế tạo thành cơng trường ĐHKT Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên, thực tế tồn cấu trúc hoạt động bình thường, thiết bị kiểm tra chuyên dụng xác nhận rằng: - Hồn tồn khơng có chuyển động theo kích hoạt ba động Roll, pitch Yaw; - Động trục bị dẫn tạo thành cặp sau (M1-R1), (M2-R2), (M3-R3); - Dù ba động hoạt động nhiều động hoạt động, trục mang bánh Z5 Z20 quay trục đặt lò xo tạo sức căng nhằm khử khe hở mặt bên, thấy đoạn chung ba xích động học; - Nếu tháo lị xo tạo tải đồng trục hình 8, thấy khe hở mặt bên ảnh hưởng trực tiếp đến độ rơ khâu cuối cách rõ ràng cho động hoạt động, thời điểm đảo chiều; - Nếu trục R1 R3 thẳng hàng R2 = 0, kích hoạt động M1 M3 cho R1 = - R3 thấy bàn kẹp giữ nguyên định hướng, điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết cấu hình đặc biệt, thấy cổ tay điều chỉnh tốt nên hoàn toàn khơng có chuyển động R2 đảo chiều M1 M3 20 M1 A C 15 16 24 25 29 19 30 31 23 14 M2 R2 R3 10 21 17 11 R1 13 M3 B 12 D 26 27 18 28 22 H.8(a) H.8(b) Hình 8: Sơ đồ động học hộp giảm tốc cổ tay hoàn chỉnh (a) phương án tạo góc xoay đồng trục cho bánh Z20 (b) Dưới số hình ảnh kết cấu sau chế tạo hồn chỉnh thơng số cổ tay nói Hình 9: Một số hình ảnh mơ đun cổ tay robot cầu IV.KẾT LUẬN Kiểu cổ tay robot đề cập bài báo kết cấu đặc biệt, ứng dụng nguyên lý học độc đạt hiệu công tác mà không cần trang bị thành phần điện tử Đây hướng ứng dụng vào tay máy làm việc với tải trọng lớn mơi trường mà khó khăn việc bảo vệ linh kiện điện tử Truyền động tuần hồn cơng suất làm cho độ cứng xoắn học tăng lên, kết cấu cổ tay cho phép khử khe hở khí, chuyển động theo bậc tự cho phép truyền động xa tâm, nhiên kết cấu phức tạp mang tính chuyên dụng làm giá thành tăng cao hiệu suất nhỏ xích động dài, vấn đề cần cân nhắc ứng dụng Kết thu mơ hình thực cho thấy liên kết động học sơ đồ theo phương pháp nhận dạng dựa vào mơ hình tốn đắn TÀI LIỆU THAM KHẢO Lorenzo Sciavicco, Bruno Siciliano; Modeling and Control of Robot manipulators; University of Naples, Naple, Italy, International Editions 1996 Vsevolod I Krasnenkoe, Alexander D Vashets Thiết kế hệ bánh hành tinh cho phương tiện giao thông, Nhà xuất chế tạo máy, Mátxcơva 1986 Kudryavtsev V N, Sổ tay truyền bánh sóng bánh hành tinh, Nhà xuất chế tạo máy, Mátxcơva 1975 Я.A ШИФPИHA (1982), ПPOMЫШЛEHHAЯ POБOTO-TEXHИKA, MOCKBA “MAШИHOCTPOEHИE”, 54-122C