Trong du hành vũ trụ và không gian các bàn tay robot nổi tiếng như MARS, Sarah, Canadarm cũng không xa lạ với độc giả của các tạp chí khoa học, cũng từ lâu thuật ngữ kỹ thuật Underactuat
Trang 1PHẦN MỞ ĐẦU
Luận về tính cấp thiết của đề tài, có thể thấy trong sản xuất công nghiệp
nhu cầu về các bàn tay robot phục vụ cho các nguyên công đòi hỏi độchính xác và linh hoạt cao như lắp ráp, phân loại, phục vụ máy công tác
là rất lớn Trên thực tế, các bàn tay robot cũng hỗ trợ những ngườikhuyết tật trong học tập, lao động để họ có cuộc sống bình thường,
chẳng hạn bàn tay Bionic Trong du hành vũ trụ và không gian các bàn tay robot nổi tiếng như MARS, Sarah, Canadarm cũng không xa lạ với
độc giả của các tạp chí khoa học, cũng từ lâu thuật ngữ kỹ thuật
Underactuated trỏ một cơ cấu robot thiếu dẫn động đã quá quen thuộc
với các kỹ sư, các nhà khoa học nghiên cứu bàn tay phỏng sinh
Trong lĩnh vực nghiên cứu về các bàn tay thiếu dẫn động thì bàn tay bỏhẳn nguồn dẫn động là một hướng nghiên cứu riêng chưa có nhiều công
bố, một mặt nó chỉ thích hợp cho các thao tác sản xuất công nghiệp loạtlớn hàng khối, mặt khác bị thay thế bởi các công nghệ đắt tiền hơn Tuynhiên số lượng nghiên cứu về lĩnh vực này còn hạn chế cũng là mộtnguyên nhân dẫn đến ứng dụng bàn tay không dẫn động độc lập còn ít
và thiếu hiệu quả Đề tài này với mục đích “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập” chính là để
điền đầy một phân khúc còn thiếu trong các nghiên cứu về bàn tay robotdẫn động thiếu, đây là vấn đề mà bản thân nó chứa đựng sự cấp thiếtđến khi nào chưa có những bàn tay đạt đến sự hoàn hảo tuyệt đối nhưtay người, hoặc giả với tham vọng quá lớn thì chẳng có giới hạn nào chonhững nghiên cứu này được xem là sau cùng
Trang 2Mục đích của đề tài là nghiên cứu các cơ chế khóa và tự mở khóa của
một kiểu bàn tay tự dẫn động bằng phản lực tương tác mà nguồn lực docác động cơ được trang bị ở phần cánh tay tạo ra Đề tài cũng nghiêncứu nhằm thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một bàn tay vận hành theo cơchế đó để thử nghiệm hoạt động của nó
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần bàn tay không kể cánh tay và
cổ tay, một bàn tay không tích hợp các trang bị điện tử và cảm biến ứngdụng cho sản xuất loạt lớn hàng khối với chức năng cầm nắm các vậtthể rắn có hình dạng và kích thước biết trước
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu sáng tạo có kiểm
chứng bằng thực nghiệm
Ý nghĩa khoa học của đề tài là hoàn thiện các cơ chế làm việc của kiểu
bàn tay không sử dụng nguồn dẫn động độc lập
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài bao gồm hai khía cạnh là kiểm chứng sự
đúng đắn của ý tưởng thiết kế và vận dụng các thiết bị của cơ sở đào tạovào việc chế tạo các cơ cấu của bàn tay robot thực
Nội dung của luận văn bao gồm các phần chính như sau:
- Tổng quan về các nghiên cứu nền tảng có liên quan trong nước
và trên thế giới để rút ra nhiệm vụ nghiên cứu;
- Đề xuất nguyên lý và so sánh các phương án khả dĩ để lựa chọnmột cơ chế hoàn chỉnh cho chế tạo thử nghiệm;
- Tính toán định lượng các cơ cấu chính của bàn tay đảm bảo điềukiện làm việc đặt ra;
- Các tài liệu thiết kế phục vụ cho chế tạo sản phẩm và hướng dẫnvận hành bảo dưỡng
2
Trang 3CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT
1.1 Chức năng và hình dạng của bàn tay robot
Bàn tay robot là một cách gọi căn cứ theo chức năng của mô đun bànkẹp (grips) là khâu cuối cùng trong chuỗi động học của các tay máy cóchức năng cầm nắm
Như vậy có thể thấy vấn đề thiết kế và điều khiển bàn tay đóng một vaitrò quan trọng trong kỹ thuật robot
Bàn tay với kết cấu đa dạng tùy theo tác vụ, những bàn tay với mục đíchứng dụng cho nhiều tác vụ cầm nắm thường đòi hỏi có dịch chuyển cơhọc lớn giữa hai trạng thái đóng mở để thích nghi với các tình huốngkhác nhau, trong những trường hợp như vậy ngón tay thường được thiết
kế nhiều đốt để tăng cường giới hạn chuyển động và sử dụng nhiềunguồn dẫn động để cung cấp cho từng bậc tự do riêng biệt, với các bàntay đạt được độ linh hoạt tốt nhất có kết cấu gần giống hay giống hệt vớitay người không thể tránh khỏi kết cấu cơ khí sẽ rất phức tạp, song hànhvới nó là kết cấu và giải thuật điều khiển cũng sẽ rất phức tạp do sốlượng trục chấp hành lớn và số động cơ lớn
Hình 1.2: Bàn tay robot MARS với 12 bậc tự do sáu nguồn dẫn động độc lập(trái)Và thiết kế tiền thân của nó (phải)
Trang 4Để có được sự độ lập trong thao tác số động cơ dẫn động cần tương ứngvới số bậc tự do của bàn tay, cộng với kết cấu cơ học phức tạp làm chotổng thể bàn tay có thiết kế rất phức tạp.
Hình 1.3a: Bàn tay với kết cấu cơ khí phỏng sinh tay người Hình 1.3b: Bàn tay với cảm biến xúc giác phỏng sinh tay người
1.2 Một số mẫu điển hình trong thiết kế cơ học của bàn tay
Với những thiết kế đơn giản nhất cần hai ngón tay với mỗi ngón taychỉ bao gồm một đốt tay có thể khép mở trong một phạm vi nhất địnhkiểu luôn giữ độ song song hay tạo với nhau một góc thay đổi, trong đóloại thứ nhất có khả năng cầm nắm tốt hơn
Hình 1.4: Bàn tay hai ngón mở dưới dạng góc
4
Trang 5Tuy có thiết kế phức tạo hơn song bàn tay với hai ngón mở song song
có ứng dụng phổ biến hơn loại nói trên
Hình 1.5: Bàn tay với hai ngón luôn duy trì độ song song khi làm việc
Loại bàn kẹp được trang bị nhiều nhất trên thực tế có lẽ là kiểu bàn kẹpvới hai ngón tay, mỗi ngón chỉ gồm một đốt tay được bố trí như khâuchuyển động song phẳng trong cơ cấu bốn khâu bản lề nhằm duy trì độsong song của hai ngón tay khi đóng hoặc mở, thực tế thiết kế đơn giảnnày cho phép bàn tay có thể thao tác được với rất nhiều kiểu và kíchthước khác nhau của chi tiết, hình 1.7 cho thấy kết cấu của một bàn taynhư vậy
Hình 1.7: Kết cấu của bàn kẹp kiểu hai ngón tay mở song song
Trang 61.3 Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot
Nhiệm vụ công nghệ và các yêu cầu kỹ thuật kèm theo là những căn cứchính để bắt đầu việc thiết kế một bàn tay robot, nếu độ chính xác và độchính xác lặp lại là quan trọng với các robot thì bàn tay cũng bị xiết chặtdung sai Để có tính linh hoạt trong thao tác, bàn tay thường có số bậc tự
do lớn song nếu dẫn động đủ sẽ là quá nặng nề và phức tạp với một cơcấu cần nhỏ gọn, vì vậy một yêu cầu cơ bản với bàn tay là phải thiết kếthiếu dẫn động (Underactuated)
Kiểu bàn tay cần thích nghi với những vật thể có hình dạng và kíchthước khác nhau, điều này làm cho robot có tính vạn năng trong thaotác, yêu cầu này thường đạt được dễ dàng với các kiểu bàn tay nhiềungón và nhiều đốt với truyền động và điều khiển riêng biệt cho mỗi bậc
tự do, đặc biệt nếu lấy phản hồi từ các cảm biến xúc giác để điều khiểnlực và chuyển vị bàn tay sự hoàn hảo sẽ là tốt nhất, do đó một bàn tayrobot cần chú trọng tích hợp các công nghệ khác nhau cũng là một yêucầu kỹ thuật quan trọng
1.4 Một số kiểu bàn tay có kết cấu và ứng dụng đặc biệt
Hình 1.11: Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động trên cơ sở thế năng
đàn hồi
6
Trang 7Hình 1.12: Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động
có khả năng duy trì trạng thái đóng và mở tách biệt
Hình 1.19: Một số tay kẹp cơ khí có chức năng tự định tâm vật kẹp
Bàn tay kiểu này có lợi thế lớn khi thao tác trong điều kiện ẩm ướt,không cách điện hoặc cháy nổ, phóng xạ, trong các tình huống không dựtrữ được nhiều năng lượng cho các tác vụ dài hạn bàn tay không sửdụng nguồn dẫn động độc lập cũng là một giải pháp phù hợp
Trang 81.5 Một số nghiên cứu về bàn tay robot thiếu dẫn động trên thế giới
Không thể phủ nhận các nghiên cứu công nghệ cao tập trung cho hailĩnh vực chủ yếu là các bàn tay trong lĩnh vực không gian của NASA vàcác bàn tay trong y khoa dành cho người tàn tật đạt được nhiều thànhtựu hơn cả Trong lĩnh vực thứ hai không chỉ dừng lại ở các nghiên cứu
lý thuyết các sản phẩm thương mại có thể dễ dàng tìm được từ mạnginternet, bàn tay bionic là một phiên bản như vậy
Lionel Birglen [1] đã nghiên cứu về các kiểu tổ hợp khâu liên kết – dẫnđộng của bàn tay với ngón tay tự điều chỉnh thích nghi, nghiên cứu đãchỉ ra các phương án tổ hợp khả dĩ có thể đạt được khi thiết kế một bàntay có cơ chế tự điều chỉnh lực kẹp một cách tốt nhất qua tương tác vớivật thể
Wen-Chien Hsu and Jyh-Jone Lee [2] lại bàn sâu hơn về các sơ đồ ngóntay với thiết kế dẫn động sao cho hiệu quả nhằm mục đích ứng dụng sảnxuất các bàn tay hiệu năng cao, bên cạnh đó họ vẫn chỉ ra các phương
án khả dĩ khi tổ hợp sơ đồ về mặt nguyên tắc giống như Lionel, các kiểungón tay trong hình 1.6a và 1.6b là kết quả của nhóm tác giả này.Tsuneo Yoshikawa [3] đã nghiên cứu về sự phối hợp trong thao tác cầmnắm của bàn tay robot có nhiều ngón tay nhằm đạt được hiệu quả tốtnhất, các mô hình về vấn đề này được phát triển bởi nhiều nhóm nghiêncứu khác nhau cũng đã được thảo luận tại đây
1.6 Hướng nghiên cứu của đề tài
Do những lợi ích hiển nhiên của việc dẫn động thiếu một bàn tay robotđem lại, nhiều thách thức mới tiếp tục đặt ra như là tiếp tục giảm sốnguồn động lực trong khi ổn định hoạt động của bàn tay hoặc bỏ hẳnnguồn dẫn động độc lập mà bàn tay vẫn hoạt động bình thường, để đạtđược điều này đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn nữa
8
Trang 9Với ý tưởng như trên đề tài này sẽ triển khai một nghiên cứu cụ thể,tập trung vào việc thiết kế nguyên lý và kết cấu một bàn tay robot vậnhành các chu trình kẹp và nhả hoàn toàn bình thường mà không sử dụngnguồn dẫn động độc lập, công suất vận hành bàn tay được trích từ cácđộng cơ gắn trên cánh tay truyền đến do liên kết kết cấu bằng các khâurắn Đề tài cũng so sánh các phương án khả thi để chọn lựa và chế tạomột mô hình thực nhằm thử nghiệm hiệu quả vận hành của ý tưởng trên,mục đích cuối cùng là nhắm đến các ứng dụng phù hợp vốn được đánhgiá là rất khả thi trong công nghiệp
Trang 10CHƯƠNG II: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BÀN TAY KHÔNG SỬ
DỤNG NGUỒN DẪN ĐỘNG 2.1 Chu kỳ làm việc và phạm vi sử dụng
Bàn tay được thiết kế nguyên lý trong mục này có nhiệm vụ lấy mộtphôi đa giác đều hoặc trụ tròn từ giá cố định và cấp vào một giá khác,công việc lặp đi lặp lại theo chu kỳ như sau:
Hình 2.1: Mô tả chu kì làm việc của bàn tay
2.2 Lựa chọn cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành của bàn tay, hay phần trực tiếp tiếp xúc với vật kẹp làcác ngón tay, trong thiết kế này định hướng bàn tay có chức năng cấpphôi dạng trụ tròn xoay nên chọn sơ đồ bàn tay gồm hai ngón và mỗingón chỉ có một đốt tay, bàn tay gồm hai bậc tự do Trên cơ sở chứcnăng của bàn tay, đề xuất phần chấp hành như sau:
Hình 2.2: Lược đồ nguyên lý tác động điều khiển ngón tay
10
Trang 11Hai ngón tay dưới dạng đòn bẩy có tâm quay gắn trên một khung cốđịnh, phía không tiếp xúc với vật kẹp được kéo lại gần nhau bởi một lò
xo kéo Khi hai đầu này lại gần nhau thì ngón tay sẽ mở kẹp để nhả vậtrơi ra ngoài Để đóng kẹp tác động tịnh tiến một cam theo hướng từdưới lên trên đẩy hai đầu đòn bẩy rời xa nhau, vị trí cao nhất của camtheo phương thẳng đứng cả hai ngón tay ở phía làm việc đều tiếp xúcvới vật kẹp
2.3 So sánh một số phương án tác động điều khiển và duy trì lực kẹp
Trên hình 2.1 cho thấy để xác lập hai trạng thái đóng và mở bàn tay cầnđiều khiển được vị trí chính xác của cam tiếp xúc với hai ngón tay ở vịtrí cao và thấp trên sơ đồ Không những thế quan trọng hơn là phải thiết
kế cơ cấu duy trì lực kẹp để chống lại các tác động mở khi đang kẹphoặc ngược lại
Trong thiết kế bàn tay cơ cấu duy trì lực kẹp cần phải tạo điểm chịu tácdụng phản lực từ lò xo chính để duy trì mở bàn tay Dưới đây trình bàymột số phương án do tác giả xây dựng để tiến hành so sánh lựa chọn
2.3.1 phương án thứ nhất
Hình 2.3: Bản vẽ lắp tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập,
kiểu đồng trục
Trang 12Mô tả nguyên lý hoạt động của cơ cấu tác động và duy trì lực kẹp nhưsau: mặt bích số 1 được nối với mặt bích cổ tay của robot bằng 6 bulong
và nối với ống dẫn hướng số 2 bằng 4 bulong Mặt dưới của bích số 1 tỳlên chốt bấm số 4, khi bích số 1 nhận được lực truyền tới từ bích cổ tay
nó làm cho ống dẫn hướng số 2 trượt dọc trên mặt trụ ngoài của ống số
3, tỳ lên chốt số 4 (khi đó bulong số 8 đang tỳ lên chi tiết là nguồn phátsinh phản lực) Khi chốt tỳ số 4 chuyển động đi xuống đè lên cam số 5,cam này lại đè lên trục cam số 6 làm nén lò xo 7 và làm chuyển độnghai càng kẹp của bàn tay, tùy theo trạng thái của các cam số 3, 4 và 5 màxác lập các trạng thái đóng hay mở bàn tay Quá trình này được mô tảchi tiết dưới đây thông qua bản vẽ tách các chi tiết chính
Hình 2.4: Mô tả cam mặt đầu trên ống số 3
Hình 2.5: Khai triển lên mặt phẳng cam số 3
Cam số 3 gồm 12 phần chia đều theo phương hướng tâm trên một ốngtrụ (mỗi phần chiếm một góc 300), có ba loại bán kính khác nhau nhưtrên hình chiếu đứng, bán kính nhỏ (các rãnh 2, 4, 6, 8, 10, 12) dùngthay đổi chiều cao của phần cam màu vàng (cam 5, hình 2.2) theophương hướng trục
Bán kính trung bình (các rãnh 3, 7, 11 ) dùng dẫn hướng và chống xoaycho cam màu đen (cam 4 hình 2.2)
12
Trang 13Bán kính lớn (các rãnh 1, 5, 9) dùng tạo không gian chuyển động hướngtrục cho phần cam màu vàng (cam 5, hình 2.2) theo hướng dọc trục khicam này lọt vào các rãnh đó.
Tấm nêm 4 tác động lên đuôi của các mỏ kẹp 1 Khi đặt vật xuống, nêm
4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp được giải phóng, vật được nhả ra dưới tácdụng của lực kéo từ lò xo 13 Chú ý tới cơ cấu hãm, nó gồm thân 7 gắnliền với cần 5 Chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhưng có thể quay tự do
Trang 14trên đó Trong lỗ của thân 7 có lồng 2 bạc không quay được 8 và 9 Bạc
8 có các vấu phía dưới, bạc 9 có cả vấu trên và dưới Các vấu này khi ănkhớp và trượt tương đối với các vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 45độ
Quá trình làm việc cánh tay robot vẫn tiếp tục ấn xuống một lực khichốt 2 chạm vào vật khi đó chốt 2 sẽ tì lên vật và đẩy cam 4 đi lên, khi
đó cam 4 sẽ đẩy kẹp 1 kẹp chặt lại đồng thời cam 4 đẩy toàn bộ than 3
14
Trang 15đi lên , chi tiết 10 khi đó cũng bị đẩy lên và bị giữ lại trên bạc 9 thựchiện quá trình đóng kẹp.
Cũng tương tự quá trình kẹp , khi nhả kẹp chi tiết chốt 2 tì vào cam 4 vàđẩy toàn bộ hệ thống 3 đi lên , nhưng lúc này chốt 10 được giải phóngkhỏi bạc 9 hệ bị đẩy xuống do lò xo dọc cần 5, đẩy hệ thống thân 3 đixuống, lò xo giữa 2 kẹp đẩy kẹp mở ra hệ thống thực hiện quá trình mởkẹp
Mô tả kết cấu các chi tiết chính của tay kẹp theo phương án kết cấukhông đồng trục
Phần cơ cấu hãm: Chi tiết số 8:
Hình 2.12: Chi tiết số 8
Trang 16Để dẫn hướng cho chuyển động của lò xo tốt hơn bố trí lại kết cấu của
là xo chính đồng trục với trục bàn tay như hình 2.15 tuy nhiên vì lý dogiới hạn không gian của kết cấu, không thể tiếp tục rời cụm cơ cấu duytrì lực kẹp vào trùng với tuyến này
16
Trang 17Như vậy có thể nhận thấy số lượng chi tiết ở cụm chức năng duy trì lựckẹp trong hai phương án đều là ba chi tiết, số lượng chuyển động bướctrong một chu kỳ làm việc cũng tương tự như nhau nhưng trong thiết kếthứ hai có ba nhược điểm lớn là:
- Có nhiều mặt cam hơn phương án một làm giá thanh cao;
- Kết cấu không đồng trục, cồng kềnh gây trở ngại khi vận hành,khó bảo dưỡng và điều chỉnh hơn phương án 1;
- Trục số 10 có hai bậc tự do là tịnh tiến tương đối với cam 8 vàcam 9 trong khi tự quay do phản lực từ mặt cam dẫn động songbản thân nó một đầu gá công xôn và do không đồng trục với trục
cổ tay là tuyến chịu lực chính nên để đảm bảo đủ độ cứng vữngcần thiết sẽ cần thiết kế phức tạp ở vị trí liên kết với khung bàntay
Như vậy khi chọn thiết kế thứ nhất có thể nhận thấy như sau:
- Về mặt nguyên lý động học, các cơ chế khóa và mở khóa bàn tayđược thiết kế đã hợp lý chỉ với một chuyển động vào duy nhất
là đẩy bàn tay dọc theo trục cẳng tay
- Về động lực học, khả năng tự dẫn động bằng cách sử dụng nguồnđộng lực của cánh tay do các khâu khác truyền tới bàn tay theocon đường liên kết kết cấu là khả thi vì công suất này chỉ phátđộng vào hai thời điểm đầu và cuối trong cả chu kỳ làm việc
- Về điều khiển, thời điểm tác động đóng và mở bàn tay khi chạmđích cũng trùng với thời điểm phát sinh phản lực dẫn động, cácchuyển động chấp hành sau đó để khóa và mở khóa được mãhóa lên cam, tín hiệu điều khiển như vậy lặp lại chính xác trongmỗi chu kỳ mà không cần một trang bị điện tử nào
