Yêu cầu của đồ án là giúp cho các bệnh nhân có thể chuyển động đƣợc cổ tay của mình sau chấn thƣơng.Từ đó dần dần phục hồi khả năng làm việc của tay.Hơn nữa do yêu cầu của đồ án là phải làm sao để có thể nhỏ gọn,giá thành hợp lý,nhƣng cũng phải có độ bền cao để có thể chịu đƣợc lực lớn.
Chi tiết không bị phá hỏng.
Chi tiết không bị biến dạng quá lớn.
Luôn giữ đƣợc hình dáng cân bằng ban đầu tức là đảm bảo điều kiện ổn định đƣa ra phƣơng pháp tính toán về độ bền, độ cứng, độ ổn định của các bộ phận công trình hoặc các chi tiết máy.
4.1.2 Yêu cầu kỹ thuật
Chịu đƣợc lực tác động lớn.
Có kích thƣớc nhỏ gọn,dễ dàng dĩ chuyển.
Dễ dàng vận hành và điều khiển.
Có thể xoay cổ tay theo các hƣớng khác nhau.
Vận hành êm ái,không gây ra nhiều tiếng ồn.
Giá thành hợp lý, thời gian sử dụng lâu.
Thiết kế có tính thẩm mỹ, tháo lắp dễ dàng.
4.1.3 Các phƣơng án thiết kế
4.1.3a Phƣơng án 1: Sử dụng mica hoặc nhựa
Ƣu điểm:
Thiết kế đơn giản, tiết kiệm chi phí, nhỏ gọn
Có thể gia công chính xác trên máy CNC….
Nhiều màu sắc chọn lựa, thẫm mỹ cao
Có tính dẻo nên dễ dàng gia công lắp ghép, uốn dẻo
Nhƣợc điểm:
25
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chịu lực kém Dễ bị trầy xƣớc bề mặt Dễ bị vỡ do chấn động, va đập Hình 4.1: Nhựa tổng hợp và mica tấm 4.1.3b Phƣơng án 2: Sử dụng nhôm Hình 4.2: Nhôm
26
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Ƣu điểm:
Dễ định hình
Dễ gia công chính xác bằng máy CNC
Tính chống mài mòn cao
Độ bền cao
Nhƣợc điểm:
Khối lƣợng nặng hơn nhựa dẫn đến cần một lực lớn để điều khiển
Chi phí cao
Thời gian gia công lâu
4.1.3c Phƣơng án 3: Sử dụng kết hợp giữa nhựa,mica và nhôm
Hình 4.3: Kết hợp nhựa, mica và nhôm
Ƣu điểm:
Thiết kế đơn giản
Dễ dàng gia công
Sản phẩm đẹp, thẫm mỹ cao
Chịu đƣợc lực tác động lớn, độ bền cao
Dễ dàng di chuyển do khối lƣợng tƣơng đối nhỏ
Nhƣợc điểm :
27
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Khó khăn cho việc lắp ráp
4.2 Các phƣơng án lựa chọn cơ cấu cho đồ án
Cơ cấu truyền động là một hệ gồm các chi tiết hoặc cấu trúc đƣợc liên kết bởi bánh răng, cam, trục khuỷu… để truyền chuyển động hoặc truyền lực. Khi thiết kế cơ cấu truyền động, cần nắm vững các định luật về cơ học.
Phân tích truyền động: tính toán về chuyển động và lực bao gồm:
Phân tích tĩnh học: tính toán sự cân bằng của hệ thống và các bộ phận
Phân tích động học: nghiên cứu chuyển động tƣơng tác của cơ cấu truyền động
Phân tích động lực học: tính toán chuyển động của tất cả các chi tiết dƣới tác dụng của lực
28
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Có hai phƣơng án đƣợc nhóm đƣa ra là: dùng cơ cấu của robot song song phẳng 3 bậc tự do và cơ cấu truyền động sử dụng các khớp hình cung
4.2.1 Phƣơng án 1: Cơ cấu của robot song song phẳng 3 bậc tự do.
Các cấu trúc điển hình của họ robot này gồm có một khâu thao tác dạng tam giác đƣợc nối với giá bởi 3 chân có cấu trúc tƣơng tự nhau, mỗi chân là 1 nhóm atxua hạng
Tùy theo các khớp trong nhóm là khớp quay R hay khớp tịnh tiến P mà có các kiểu robot khác nhau,nhƣ là RRR,RRP,RPR,PRP đƣợc minh họa nhƣ hình dƣới.
Hình 4.5: Một số robot song song
Ƣu điểm:
Đáp ứng nhanh, dễ thiết kế,dễ điều khiển.
Có thể điều chỉnh linh hoạt theo các hƣớng khác nhau.
29
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Nhƣợc điểm:
Cơ cấu chỉ có thể điều khiển cổ tay quay theo một số trục nhất định,vẫn chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển cổ tay theo các trục khác nhau.
4.2.2 Phƣơng án 2: Cơ cấu truyền động sử dụng các khớp hình cung
Hình 4.6: Cơ cấu khớp cung
Ƣu điểm:
Cơ cấu vận hành đơn giản.
Trong quá trình hoạt động không gây ra tiếng ồn.
Có thể quay đƣợc theo nhiều trục,đáp ứng yêu cầu đặt ra.
Nhƣợc điểm:
Đáp ứng chậm, khó thiết kế.
Khó điều khiển.
Có 2 phƣơng án đƣợc nhóm đƣa ra là cơ cấu của robot song song phẳng 3 bậc tự do và cơ cấu sử dụng khớp hình cung.
4.3 Các phƣơng án lựa chọn động cơ: 4.3.1 Phƣơng án 1: Sử dụng động cơ điện 4.3.1 Phƣơng án 1: Sử dụng động cơ điện
30
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 4.7: Động cơ điện
Ƣu điểm:
Giá thành rẻ,dễ dàng mua.
Có thể điều khiển đƣợc vận tốc và vị trí.
Công suất tƣơng đối lớn,có nhiều loại để lựa chọn.
Nhƣợc điểm:
Không nhớ đƣợc vị trí ( do động cơ thƣờng dùng encoder tƣơng đối ).
Phải có thêm encoder để điều khiển động cơ.
4.3.2 Phƣơng án 2:Sử dụng động cơ bƣớc
31
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Ƣu điểm:
Có thể dễ dàng điều khiển vị trí của của động cơ.
Có nhiều loại trên thị trƣờng
Công suất tƣơng đối lớn đáp ứng yêu cầu.
Nhƣợc điểm:
Dòng nhỏ.
Khó điều khiển đƣợc momen.
4.4 Các phƣơng án khi lựa chọn bộ truyền lực
Để đảm bảo hệ thống làm việc ổn định và đảm bảo lực truyền từ động cơ đến cơ cấu chấp hành.Nhóm đã đƣa ra một số giải pháp khi chọn bộ truyền lực nhƣ sau:
4.4.1 Phƣơng án 1: Bộ truyền xích
Hình 4.9:Bộ truyền xích
Ƣu điểm:
Chuyển động cho 2 trục ở xa
Lực tác dụng nhỏ hơn bộ truyền đai
Tỉ số truyền trung bình là cố định
Nhƣợc điểm:
32
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Có hiện tƣợng va đập khi ăn khớp
4.4.2 Phƣơng án 2: Bộ truyền đai
Ƣu điểm:
Chuyển động cho 2 trục ở trục khá xa
Kết cấu đơn giản,làm việc êm
Hình4.10: Bộ truyền đai
Nhƣợc điểm:
Lực tác dụng vào bánh đai lớn
Tỉ số truyền không ổn định
Kích thƣớc bộ truyền lớn,tuổi thọ đai thấp
4.4.3 Phƣơng án 3: Truyền động bánh răng
Ƣu điểm:
Kích thƣớc nhỏ gọn, tỉ số truyền là hằng số
33
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 4.11: Truyền động bánh răng
Nhƣợc điểm:
Khả năng chịu va đập kém
Yêu cầu chế tạo chính xác
4.5 Các phƣơng án khi lựa chọn điều khiển động cơ
Để điều khiển động cơ một cách chính xác nhóm đã đƣa ra 1 số giải pháp điều khiển nhƣ sau:
4.5.1 Phƣơng án 1:Điều khiển động cơ bằng PLC
Ƣu điểm:
Hoàn toàn tin cậy, ít xảy ra hỏng
Tốc độ xử lý nhanh
Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: máy tính, nối mạng, các modul mở rộng
34
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 4.12: Thiết bị PLC
Nhƣợc điểm:
Giá cả cao
Kích thƣớc khá lớn và cồng kềnh
4.5.2 Phƣơng án 2: Điều khiển động cơ bằng mạch Arduino
Ƣu điểm:
Lập trình dễ dàng
Tiếp xúc nhiều trong phòng thí nghiệm cũng nhƣ trong chƣơng trình học
Gọn nhẹ
Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: máy tính
Giá cả thấp
Tốc độ xử lý nhanh
Nhƣợc điểm:
35
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 4.13: Mạch aduino
4.6 Phƣơng hƣớng và các giải pháp thực hiện.
Để tối ƣu các thành viên nhóm đã đƣa ra tất cả các ý tƣởng và tổng hợp lại trong bảng dƣới đây, sau đó lựa chọn giải pháp tối ƣu nhất để chế tạo thử nghiệm:
Giải pháp 1 Giải pháp 2 Giải pháp 3 Giải pháp 4 Vật liệu để chế
tạo
Nhựa tổng hợp Nhôm Nhôm và nhựa Nhôm và nhựa. Cơ cấu chấp
hành
Nhóm atxua Cơ cấu vòng cung Cơ cấu vòng cung Cơ cấu vòng cung Động cơ điều khiển Động cơ điện 1 chiều
Động cơ servo Động cơ điện Động cơ servo
36
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Bộ điều khiển PLC Arduino PLC arduino
Bảng 4.1: Bảng các giải pháp đề xuất 4.6.1 Lựa chọn các giải pháp thực hiện.
Sau khi đƣa ra các giải pháp thiết kế nhóm chúng tôi đã tổng hợp lại ƣu nhƣợc điểm
của từng giải pháp và đƣa ra bảng sau:
Giải pháp 1 Giải pháp 2 Giải pháp 3 Giải pháp 4 Ƣu điểm Dễ dàng gia
công cơ khí,cơ cấu nhóm atxua bậc cao dễ điều khiển.Bộ điều khiển PLC ổn định. Dễ dàng gia công cơ khí,độ bền cao.Cơ cấu vòng cung đáp ứng chuyển động phức tạp,động cơ servo dễ dàng điều khiển góc,tốc độ.Mạch điều khiển aduino dễ viết code. Giá thành thấp Gia công bằng nhựa và nhôm nên dễ dàng. Cơ cấu vòng cung đáp ứng chuyển động phức tạp độ chính xác cao. Cơ cấu bền,nhẹ. Bộ điều khiển PLC ổn định. Dễ dàng gia công cơ khí. Gia
công bằng nhựa và nhôm nên dễ dàng. Cơ cấu vòng cung đáp ứng chuyển động phức tạp độ chính xác cao. Cơ cấu nhẹ
nên động cơ servo dễ điều khiển góc, tốc độ. Mạch điều khiển aduino dễ viết.
37
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Nhƣợc điểm Giá thành cao,không điều khiển đƣợc những động tác phức tạp,dễ vỡ,chịu lực kém. Gia công bằng nhôm nên khung
cơ khí lớn.Đòi hỏi động cơ lớn,chi phá cao.
Chi phí cao khi điều khiển
bằng PLC,không phù hợp với đồ án sinh viên. Dễ xảy ra hỏng những chi tiết nhựa…
Bảng 4.2: Bảng ƣu, nhƣợc điểm các giải pháp
Sau khi thảo luận và tham khảo ý kiến của giáo viên hƣớng dẫn cùng với so sánh các ƣu điểm và nhƣợc điểm của bốn giải pháp nhƣ bảng 4.2.Nhóm đã quyết định sử dụng phƣơng án thứ tƣ để chế tạo,gia công thử nghiệm.
4.6.2 Trình tự công việc tiến hành.
Để thuận lợi trong quá trình thực hiện đồ án nhóm chúng tôi đã phân công công việc và tiến hành làm việc nhƣ sau:
Thiết kế solidword và gia công cơ khí: Trung,Duy.
Nghiên cứu lập trình và các mạch điều khiển động cơ Adunio: Phƣơng,Đạt.
Liên hệ với các bác sĩ về phục hồi chức năng cổ tay: Đạt,Duy.
Tổ chức đánh giá kết quả sau mỗi tuần, đề xuất ý tƣởng, liên hệ giáo viên hƣớng dẫn: Trung, Phƣơng.
Các kế hoạch cụ thể:
Tuần 1-4 : Thiết kế cơ khí, bản vẽ, gia công chế tạo thử nghiệm.
Tuần 4-6 : Tiến hành sửa chữa các sai sót khi thiết kế cơ khí.
Tuần 7 : Hoàn thiện mạch điện, bộ điều khiển cho đồ án.
Tuần 8-13 : Gặp bác sĩ để tƣ vấn các bài tập và tiến hành lập trình.
Tuần 13-15 :Hoàn tất lập trình,tiến hành chỉnh sửa hoàn thiện, đánh giá ƣu nhƣợc điểm và làm báo cáo.
38
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG 5: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
5.1 Thiết kế chi tiết
Hình 5.1: Chi tiết vòng cung
39
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 5.3: Cụm chi tiết đỡ
40
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 5.5: Con trƣợt
41
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 5.6: Mô hình hoàn chỉnh 3D
5.2 Chọn vật liệu
Nhôm hợp kim kết hợp với nhựa. Do yêu cầu sản phẩm phải chịu đƣợc lực tƣơng đối lớn và phải nhẹ nhất có thể.Nên nhóm đã quyết định lựa chọn nhôm làm vật liệu cho đồ án.Những chi tiết không yêu cầu chịu lực cao thì thay thế bằng nhựa.
5.3 Tính số bậc tự do cơ cấu
Số bậc tự do:
m = d*(b-1) - 𝑛𝑖=1𝑘𝑖= 6*(5-1) -5*5 = -1 Trong đó:
d: 6 − là cơ cấu không gian 3 − là cơ cấu ph ẳng b: số khâu của cơ cấu n: số khớp cơ cấu
𝑘𝑖: số ràng buộc khớp thứ i
⇨ Hệ thuộc cơ cấu Bennette
Vìcác khớp xoay của hệ đồng tâm trên đƣờng chéo ¼ đƣờng tròn nên hệ có số bậc tự do m= 2
42
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 5.4 Tính toán đai
5.4.1 Tính toán bộ truyền đai
Truyền động đai đƣợc dùng để truyền động giữa các trục xa nhau.Đai đƣợc mắc lên hai bánh với lực căng ban đầu F0, nhờ đó có thể tạo ra lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa đai và bánh đai và nhờ lực ma sát mà tải trọng đƣợc truyền đi.
Nhờ đai có độ dẻo, bộ truyền làm việc êm, không ồn, thích hợp với vận tốc lớn. Thiết kế truyền động đai gồm các bƣớc:
Chọn loại đai.
Xác định các kích thƣớc và thông số bộ truyền.
Xác định các thông số của đai theo chỉ tiêu
5.4.2 Truyền động đai
Chọn loại đai
Trong công nghiệp sử dụng các loại đai dẹt sau đây: đai da, đai vải cao su, đai vải bông, đai sợi len và đai sợi tổng hợp. ..
Chiều rộng đai b, mm Chiều dày đai δ, mm Loại đơn Loại kép 10, 16, 20, 25 32, 40, 50 63, 71 80, 90, 100, 112 125, 140 160, 180, 200, 224, 250, 280, 355, 400, 450, 500, 560 3,0…3,5 3,5…4 4…4,5 4,5…5,0 5,0…6,0 5,5…6,0 - - - 7,5…8,0 9,0…9,5 9,5…10,0 Bảng 5.1: Bảng chọn đai
Đai da có độ bền mòn cao, chịu va đập tốt nhƣng không dung đƣợc ở nơi có axit hoặc ẩm ƣớt, giá thanh lại đắt nên ít dùng. Đai vải cao su gồm nhiều lớp vải bông và cao sunfua hoá, đƣợc xếp từng lớp cuộn từng vòng kín hoặc cuộn xoắn ốc. Nhờ các đặc tính bền, dẻo, ít bị ảnh hƣởng của độ ẩm và sự thay đổi nhiệt độ, đai vải cao su đƣợc dùng khá rộng rãi. Đai sợi bông nhẹ, mềm, thích hợp với bánh đai đƣờng kính nhỏ và với vận tốc
43
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
lớn nhƣng khả năng tải và tuổi thọ thấp. Đai sợi len nhờ có độ đàn hồi tốt nên chịu đƣợc tải trọng va đập, đồng thời cũng ít bị ảnh hƣởng của nhiệt độ, độ ẩm, axit v.v…, tuy nhiên khả năng tải lại thấp hơn các đai loại khác.
Xác định các thông số của bộ truyền
Đƣờng kính bánh đai nhỏ đƣợc xác định theo công thức thực nghiệm sau d1 = (5,2 … 6,4). 𝑇3 1
Trong đó: T1 – Momen xoắn trên trục bánh đai nhỏ, d1 - mm. Đƣờng kính nên chọn theo tiêu chuẩn thuộc dãy sau đây:50, 55, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315 ….. và phải lớn hơn dmin ghi trong bảng 5.2
Đai vải cao su
Số lớp
Б-800 và Б-820 БКНЛ-65 và БКНЛ-65-2 dmin (nên dùng/cho phép) dmin (nên dùng/cho phép) Có lớp lót Không có lớp lót Có lớp lót Không có lớp lót 3 4 5 6 180/140 224/180 315/224 355/315 140/112 200/140 250/180 315/224 140/112 180/140 224/180 280/200 125/90 160/112 200/140 224/180 Đai sợi tổng hợp Chiều dày δ, mm 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 dmin, mm 28 36 45 56 63 71 80 90 100 Bảng 5.2: Trị số nhỏ nhất của đƣờng kính bánh đai Đƣờng kính bánh đai lớn d2 = d1u/(1-ɛ) Trong đó: u: tỉ số truyền ɛ = 0,01 – 0,02 (hệ số trƣợt)
44
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Từ d1 và d2 tiêu chuẩn cần tính lại tỉ số truyền thực tế của bộ truyền và số vòng quay thực tế của bánh đai lớn. Sai lệch tỉ số truyền không đƣợc vƣợt quá phạm vi cho phép so với tỉ số truyền đã cho (khoảng 3~ 4%).
Khoảng cách trục đƣợc xác định theo công thức a ≥ (1,5 … 2)(d1 +d2)
Trong đó hệ số 1,5 dùng cho bộ truyền quay nhanh, hệ số 2 dùng cho bộ truyền vận tốc trung bình.
Chiều dài đai đƣợc xác định Từ khoảng cách trục a đã chọn
l = 2a + л(d1 +d2)/2 + (d2 - d1)2/(4a)
Hoặc chiều dài nhỏ nhất theo yêu cầu về tuổi thọ lmin ≥ v/i
Trong đó:
i – số lần uốn của đai trong 1 giây i ≤ imax = 3 ÷ 5