Thiết kế chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không dùng nguồn dẫn động độc lập

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP PHẠM MẠNH THẮNG THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP Ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã số: 60 52 01 03 Học viên: Phạm Mạnh Thắng Hƣớng dẫn khoa học: Phạm Thành Long Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 1Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP Ngành: Học viên: Lớp: Hƣớng dẫn khoa học: KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC BAN GIÁM HIỆU Công nghệ Chế tạo máy Phạm Mạnh Thắng CHK14 Phạm Thành Long HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN KHOA CHUN MƠN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 2Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ THÁI NGUYÊN - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Phạm Mạnh Thắng Nơi công tác: Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thử nghiệm tay kẹp không dùng nguồn dẫn động độc lập Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 60 52 01 03 Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi Các số liệu, kết có luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Thái Ngun, ngày tháng năm 2014 Học viên Phạm Mạnh Thắng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 3Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài, tác giả nhận đƣợc quan tâm lớn nhà trƣờng, khoa khí, thầy cô giáo trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên bạn lớp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa đào tạo Sau đại học, thầy cô giáo tham gia giảng dạy tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Phạm Thành Long tập thể cán giảng viên Bộ môn Cơ điện tử cho dẫn quý báu để hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp thày giáo thuộc khoa khí đồng nghiệp Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Việt Trì tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả tháo gỡ khó khăn thời gian làm luận văn Mặc dù cố gắng song kiến thức kinh nghiệm cịn hạn chế nên chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong muốn nhận đƣợc dẫn từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện có ý nghĩa thực tiễn Xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 4Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Mục Nội dung Trang Trang phụ bìa luận văn Lời cam đoan Mục lục Danh mục thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU 11 Tính cấp thiết đề tài 11 Mục đích đề tài 12 Nội dung đề tài 12 Phƣơng pháp nghiên cứu 12 Công cụ nghiên cứu 12 CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT 1.1 Chức hình dạng bàn tay robot 13 1.2 Một số mẫu điển hình thiết kế học bàn tay 15 1.3 Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot 18 1.4 Một số kiểu bàn tay có kết cấu ứng dụng đặc biệt 19 1.5 Một số nghiên cứu bàn tay robot thiếu dẫn động giới 25 1.6 Hƣớng nghiên cứu đề tài 27 CHƢƠNG – THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BÀN TAY KHÔNG SỬ DỤNG NGUỒN DẪN ĐỘNG 2.1 Chu kì làm việc phạm vi sử dụng 28 2.2 Lựa chọn cấu chấp hành 29 2.3 So sánh số phƣơng án tác động điều khiển trì lực kẹp 30 Kết luận chƣơng 38 CHƢƠNG – THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU QUAN TRỌNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÀN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 5Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TAY 3.1 Tính chọn độ cứng lị xo theo tải trọng danh nghĩa bàn tay 39 3.2 Tính chọn độ cứng lị xo phụ 40 3.3 Tính tốn hành trình ngón tay tổng hợp kích thƣớc cam 41 3.4 Quan hệ chuyển vị ngõ vào – ngõ 41 3.5 Quan hệ lực ngõ vào – ngõ 53 Kết luận chƣơng 53 Kết luận luận văn 54 Danh mục công trình cơng bố tác giả TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 57 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 67 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 68 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 6Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT KÍ DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ HIỆU ĐƠN VỊ a( ) Approach (Véc tơ hƣớng tiếp cận vật thể bàn kẹp) Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục ox (mm) AT Transpose (A) i Cijk Cos(qi + qj + qk) Sijk Sin(qi + qj + qk) D Miền thỏa mãn ràng buộc vật lí khớp h Chuyển vị lò xo di Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục oz Góc quay quanh trục ox (rad) (mm) Phƣơng trình liên kết robot 10 11 Ai 1i Biểu diễn hệ quy chiếu (i) hệ quy chiếu (i-1) 12 X Ma trận mô tả đồ gá không gian công tác robot 13 E Ma trận mô tả vật không gian đồ gá 14 R Ma trận quỹ tích điểm mút dụng cụ 15 k Độ cứng lị xo Tn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 7Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU 1.1 NỘI DUNG BẢNG BIỂU TRANG So sánh tính chất làm việc tay kẹp kiểu điện từ kiểu khí nén 3.1 Bảng thơng số DH robot dùng thí nghiệm 3.2 Kết tốn ngƣợc điểm keypoint Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 8Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ KÍ HIỆU 1.1 1.2 NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Bàn tay robot với hai ngón đốt ngón tay Bàn tay robot MARS 12 bậc tự với nguồn dẫn động độc lập thiết kế tiền thân 1.3a Bàn tay với kết cấu khí sinh tay ngƣời 1.3b Bàn tay với cảm biến xúc giác sinh tay ngƣời 1.4 Bàn tay hai ngón mở dƣới dạng góc 1.5 Bàn tay hai ngón ln trì độ song song làm việc 1.6a Ngón tay ba đốt nguồn dẫn động quay 1.6b Ngón tay ba đốt nguồn dẫn động tịnh tiến 1.7 Kết cấu bàn kẹp kiểu hai ngón tay mở song song 1.8a Điều khiển ngón tay với nguồn tác động 1.8b Điều khiển ngón tay với hai nguồn tác động 1.9 Ba phƣơng án tác động lên khâu chấp hành 1.10 Phƣơng án truyền dẫn công suất hai điểm 1.11 1.12 TRANG Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động sở đàn hồi Tay kẹp khơng sử dụng nguồn dẫn động có khả trì trạng thái đóng mở tách biệt 1.13 Tay kẹp tạo lực ma sát nhờ trọng lực vật 1.14 Tay kẹp đặc biệt định vị vào mặt trụ chi tiết 1.15 Tay kẹp với phần mỏ kẹp thay theo tác vụ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 9Nguyên - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.11: Các đồ thị chuyển vị biến khớp chu trình Nhƣ chuyển vị đoạn số đoạn số đồ thị thể tham gia động vào việc dẫn động bàn tay hoạt động kẹp nhả vật thể, thấy để dịch bàn tay 18 (mm) tƣ khác nhau, chuyển vị động khơng lặp lại giống nhƣ tình xảy trƣớc 3.5 Quan hệ lực ngõ vào – ngõ Để chắn động có đủ cơng suất cần thiết cho việc nén lị xo chuyển vị 18 (mm) biết đƣợc lực suy rộng mà động cần tạo ra, cần xác định xác quan hệ lực ngõ vào theo lực ngõ biết trƣớc Kết luận chƣơng Trong chƣơng thể quan điểm thiết kế tiêu chí để tính tốn cấu quan trọng bàn tay, bàn tay cấu khơng có nguồn dẫn động độc lập song việc dẫn động từ nguồn động lực khâu khác lại địi hỏi tính tốn xác để qua nguồn dẫn động thể đƣợc can thiệp vào trình điều khiển bàn tay làm việc theo ý đồ công nghệ, chƣơng minh họa Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 54 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ quy trình tính tốn thơng tin điều khiển chuyển vị lực bàn tay làm việc đối tƣợng cụ thể Điều phức tạp mặt kỹ thuật so với việc sử dụng bàn tay có nguồn dẫn động độc lập cần phối hợp động thời gian, chuyển vị lực, tình bàn tay có nguồn dẫn động độc lập, động bàn tay động khác phối hợp thời điểm đóng – mở, chuyển vị lực cần thiết để hoạt động bàn tay động dẫn động cánh tay sinh Kết luận luận văn Với ý tƣởng thiết kế, chế tạo thử nghiệm bàn tay robot không sử dụng nguồn dẫn động độc lập đề tài thực thành công phần lý thuyết thực nghiệm, kết cho thấy hồn tồn triển khai sang ứng dụng cơng nghiệp phù hợp Khơng có dây dẫn, khơng có bo mạch động cơ, khơng có cảm biến linh kiện điện tử khác, bàn tay làm việc điều kiện khắc nghiệt nhƣ nhiệt độ cao hay thấp, ăn mòn, áp suất ẩm ƣớt lợi việc không sử dụng nguồn dẫn động mang lại Qua luận văn thấy hệ điện tử nhƣ robot cơng nghiệp chức điều khiển đƣợc hồn chỉnh có tham dự kết cấu khí mang tín hiệu điều khiển kiểu truyền thống nhƣ cam mà khơng thiết hồn tồn mã hóa lên mơ đun điện tử, giải pháp chia sẻ phức tạp điều khiển với trang bị điện tử hệ thống, có ƣu độ bền đơn giản sử dụng mà lúc phƣơng án điều khiển điện tử đạt đƣợc Tuy nhiên nhìn tổng quan hệ trao quyền điều khiển cho trang bị điện tử phần điều khiển cam thực chất tạo tín hiệu điều khiển bị động thứ cấp sau thông tin lực chuyển vị bàn tay đƣợc hình thành giải toán động học ngƣợc phƣơng pháp số mạch điều khiển Tiếp tục đạt đƣợc thời gian tới tác giả tiếp tục phát triển đề tài theo hƣớng tăng số bậc tự ngón tay thay đổi mặt phẳng làm việc ngón tay để nâng cao hiệu cầm nắm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 55 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh Tsuneo Yoshikawa, Multifingered robot hands: Control for grasping and manipulation, Annual Reviews in Control 34 (2010) 199–208 Hirzinger, G., Butterfass, J., Fischer, M., Grebenstein, M., Hahnle, M., Liu, H., Schaefer, I.,& Sporer, N (2000) A mechatronics approach to the design of light-weight arms and multifingered hands In Proceedings of IEEE international conference on robotics and automation (pp 46–54) Hoshino, K., & Kawabuchi, I (2005) Pinching at finger tips for humanoid robot hand Journal of Robotics and Mechatronics, 17(6), 655–663 Jacobsen, S C., Iversen, E K., Knutti, D F., Johnson, R T., & Biggers, K B (1986) Design of the Utah/M.I.T Dexterous Hand In Proceedings of IEEE international conference on robotics and automation (pp 1520– 1532) Kaneko, K., Harada, K., & Kanehiro, F (2007) Development of multi-fingered hand for life-size humanoid robots In Proceedings of IEEE international onference on robotics and automation (pp 913–920) Li, Z., & Sastry, S S (1988) Task-oriented optimal grasping by multifingered robot hands IEEE Journal of Robotics and Automation, 4(1), 32–44 Lovchik, C S., & Diftler, M A (1999) The robonaut hand: A Dexterous Robot Hand for Space In Proceedings of IEEE international conference on robotics and automation (pp 907–912) Park, Y C., & Starr, G P (1992) Grasp synthesis of polygonal objects using a threefingered robot hand International Journal of Robotics Research, 11(3), 163–184 Pollard, N.S (1994) Parallel methods for synthesizing whole-hand grasps from generalized prototypes Ph.D dissertation, Dept Elect Eng Comput Sci., MIT, Cambridge, MA 10 Yoshikawa, T., & Zheng, X.-Z (1993) Coordinated dynamic hybrid position/force control for multiple robot manipulators handling one common object International Journal of Robotics Research, 12(3), 219–230 11 Yoshikawa, T., Koeda, M., & Fukuchi, H (2007) Grasping and manipulation by softfingered robot hands.paper F3D.3 In Proceedings of IEEE international conference on advanced robotics (pp 1165–1170) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 56 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12 Yoshikawa, T (2000) Control algorithm for grasping and manipulation by multifingered robot hands using virtual truss model representation of internal force In Proceedings of the 2000 IEEE international conference on robotics and automation (pp 369–376) 13 M.T Mason, J.K Salisbury, Robot Hands and the Mechanics of Manipulation, MIT Press, Cambridge, MA, 1985 14 A Bicchi, V Kumar, Robotic grasping and contact: a review, in: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol 1, IEEE, 2002, pp 348_353 15 Wen-Chien Hsu and Jyh-Jone Lee, Conceptual Design for Underactuated assively Adaptive Finger Mechanisms, Proceedings of the ISRM 2009 IFToMM International Symposium on Robotics and Mechatronics September 21 - 23, 2009, Hanoi, Vietnam 16 Butterfaβ, J., M Grebenstein, H Liu and Hirzinger 2001 DLR-Hand II: Next Generation of a extrous Robot Hand, Proceeding of the 2001 IEEE International Conference on Robotics & Automation 17 Chang, W T., C.H Tseng and Wu, L I 2004 prothetic hand for gripping forms changeable, TW Patent M240200 18 Jacoben , S.C., E.K Iversen, D.F Knutti, R.T Johnson, K.B Biggers 1986 Design of the UTAH/M.I.T Destrous Hand, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 1520-2530, San Francisco, CA 19 Wu, L.C., G Carbone and M Ceccarelli 2009 Designing an underactuated mechanism for a active DOF finger operation, Mechanism and Machine Theory Vol 44, pp 336-348 20 Yan, H S 1992 “A methodology for Creative mechanism Design,” Mechanism and Machine Theory, Vol 27(3), pp.235-242 21 Gert A Kragten, UNDERACTUATED HANDS Fundamentals, Performance Analysis and Design 22 Pierluigi Rea, On the Design of Underactuated Finger Mechanisms for Robotic Hands, www.intechopen.com Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 57 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PHỤ LỤC Các vẽ chế tạo bàn tay robot Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 58 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 59 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 60 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 61 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 62 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 63 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 64 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 65 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 66 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 67 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 68 - http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... 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 không sử dụng nguồn dẫn động độc lập? ?? để điền... THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP Ngành: Học viên: Lớp: Hƣớng dẫn khoa học: KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC BAN GIÁM HIỆU Công nghệ Chế tạo máy Phạm Mạnh... VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP Ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã số: 60 52 01 03 Học viên: Phạm Mạnh Thắng Hƣớng dẫn khoa học: Phạm