Giới thiệu tổng quan
Giới thiệu chung
Hiện nay, robot ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, quân sự và đời sống hàng ngày, đóng vai trò là công cụ hỗ trợ đắc lực cho con người Trong quân sự, việc khảo sát và vượt địa hình là rất quan trọng, và robot có khả năng hoạt động trong những môi trường độc hại, giúp bảo vệ con người khỏi những nguy hiểm như hóa chất độc hại và bức xạ Nhận thức được xu hướng này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và thi công “Robot vượt địa hình” nhằm phục vụ nhu cầu thiết thực của con người.
Cùng với sự phát triển của hệ thống Cơ-Điện Tử, robot vượt địa hình ngày càng hoàn thiện và thể hiện rõ lợi ích trong quân sự và nghiên cứu Robot này có khả năng thăm dò những khu vực khó tiếp cận, thậm chí là khám phá không gian Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và nhu cầu ngày càng cao của con người, tiềm năng ứng dụng của robot vượt địa hình ngày càng mở rộng Một số ứng dụng tiêu biểu của robot này bao gồm
Kiểm tra trong các môi trường nguy hiểm, khắc nghiệt những nơi nhiễm khí độc, chất phóng xạ,
Trong lĩnh vực quân sự, do thám,
Trong các môi trường có địa hình phức tạp, hiểm trở,
Lịch sử phát triển của Robot vƣợt địa hình
Sáng tạo robot là biểu tượng cho sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ Vào năm 1930, Liên Xô đã phát triển xe tăng không người lái đầu tiên, được điều khiển qua sóng vô tuyến với tầm hoạt động từ 500 đến 1500 mét.
Năm 1940, quân đội Đức đã phát triển xe dò mìn đầu tiên và sử dụng chúng trong Chiến tranh Thế giới thứ hai, với hệ thống điều khiển qua dây nối Hiện nay, robot đã được phát triển đa dạng và thực hiện nhiều chức năng khác nhau.
Một số loại Robot địa hình:
Robot địa hình có khả năng di chuyển linh hoạt trên các địa hình phức tạp, cho phép hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và những khu vực nguy hiểm không an toàn cho con người Đặc biệt, robot được trang bị camera và tích hợp bộ điều khiển từ xa, giúp nâng cao hiệu quả làm việc và đảm bảo an toàn trong quá trình thực hiện nhiệm vụ.
Chương I: Tổng quan đề tài Trang2 vƣợt địa hình sử dụng nhiều trong quân sự, sử dụng để do thám canh gác, tham gia công tác cứu hộ ở những nơi con người khó tiếp cận
Xe cứu thương không người lái REV (Robotic Extraction Vehicle) được trang bị một robot nhỏ hơn có khả năng cứu hộ, giúp đưa những người bị thương ra khỏi chiến trường một cách hiệu quả.
Robot BEAR được thiết kế để tiếp cận và di chuyển người bị thương đến nơi an toàn, đặc biệt là trong những khu vực nguy hiểm mà con người không thể vào được.
Chương I: Tổng quan đề tài Trang3 không nên tiếp cận nhƣ: các bãi mìn, trong các vụ cháy, những khu vực bị rò rỉ hóa chất độc hại
Robot 510 Packbot là robot vƣợt địa hình để thâm nhập và do thám ở những nơi nguy hiểm, chúng còn đƣợc trang bị cánh tay máy để gắp vật thể
Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
Trong nước
Vietbot1 là một robot có thiết kế giống như xe bọc thép, với kích thước 1,5m chiều dài, 0,8m chiều rộng và 2m chiều cao, nặng 300kg và di chuyển trên 6 bánh hơi Điểm nổi bật của Vietbot1 là cánh tay công gắp RP, có khả năng quay 360 độ và có thể tháo lắp dễ dàng.
Chương I: Tổng quan đề tài Trang4 thay thế bằng một module, tùy theo yêu cầu nhiệm vụ Cánh tay máy có tầm vươn xa 2m, gồm 5 bậc tự do đƣợc vận hành bằng động cơ điện có thể gắp và giữ vật nặng 20kg
Hình 1-5: Robot quân sự Vietbot1
Robot leo cầu thang được chế tạo bởi Trường Đại Học Lạc Hồng, hoạt động bằng 4 bánh xe, có khả năng vượt qua các địa hình phức tạp và leo cầu thang một cách hiệu quả.
Hình 1-6: Robot leo cầu thang Đại học Lạc Hồng.
Ngoài nước
Robot quân sự TALON của quân đội Mỹ:
Robot TALON được trang bị hệ thống cảm biến quang hồng ngoại, cho phép hoạt động hiệu quả cả ngày lẫn đêm Được điều khiển từ xa bằng thiết bị cầm tay, TALON sẽ thay thế các binh lính trong các nhiệm vụ chiến đấu tại những khu vực nguy hiểm.
Chương I: Tổng quan đề tài Trang5
Hình 1-7: Robot quân sự TALON của quân đội Mỹ
Robot BigDog là một loại robot 4 chân, giống như một con la nhỏ, được trang bị các cảm biến hiện đại giúp nó hoạt động hiệu quả trên nhiều loại địa hình khác nhau.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong suốt 30 năm qua, lĩnh vực Robot dịch vụ đã thu hút nhiều nghiên cứu, bên cạnh sự phát triển lâu đời của Robot công nghiệp Theo thống kê mới nhất của Liên đoàn quốc tế về Robot, trong năm vừa qua, khoảng 77 nghìn Robot dịch vụ đã được tiêu thụ, với giá trị thị trường đạt khoảng 13 tỉ USD Tổ chức này dự báo rằng thị trường Robot dịch vụ toàn cầu sẽ đạt 17 tỉ USD vào cuối năm 2013.
Phạm vi nghiên cứu về Robot dịch vụ rất phong phú, với nhiều loại hình và chức năng ngày càng tinh vi Các Robot không chỉ có khả năng chơi nhạc trong dàn nhạc nhà hát mà còn hỗ trợ các nhiệm vụ khác, góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng dịch vụ.
Chương I: Tổng quan đề tài nghiên cứu về năng lực thể chất cho người ốm và người già, cùng với ứng dụng của robot trong các lĩnh vực như lau chùi bề mặt tòa nhà cao tầng, chơi bóng chày, thực hiện các thủ thuật y tế và đảm bảo an ninh Đây là một hướng đi khoa học đầy tiềm năng và thách thức, đòi hỏi kiến thức tổng hợp từ nhiều lĩnh vực như khoa học tự nhiên, kỹ thuật công nghệ, sinh học, xã hội học và thẩm mỹ.
Robot di động điều khiển từ xa đang được đầu tư và phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong các môi trường độc hại và có nồng độ phóng xạ cao, nơi mà con người gặp nguy hiểm Để thực hiện nhiệm vụ này, robot cần có khả năng di chuyển qua địa hình phức tạp và thu thập hình ảnh từ xa, giúp người điều khiển nắm bắt tình hình và điều khiển robot một cách chính xác.
Nghiên cứu về Robot vượt địa hình điều khiển từ xa là một vấn đề quan trọng, vì vậy chúng tôi đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo Robot vượt địa hình” để phát triển và cải thiện công nghệ này.
Mục tiêu nghiên cứu
Với tính cấp thiết của đề tài đƣợc đề cập ở trên, mục tiêu của đề tài đƣợc đƣa ra nhƣ sau:
Kết hợp ba lĩnh vực kiến thức cơ bản: cơ khí, điện tử và lập trình, vào đồ án chuyên ngành Cơ Điện Tử giúp sinh viên áp dụng hiệu quả kiến thức đã học vào thực tiễn.
- Nghiên cứu về điều khiển không dây từ xa bằng sóng wifi
- Thiết kế và chế tạo Robot vượt địa hình phục vụ cho nhu cầu của con người.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các cơ cấu truyền động, bánh xe vƣợt địa hình
Thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình theo kích thước thực
Thiết kế mạch điều khiển trung tâm, mạch công suất điều khiển động cơ
Tìm hiểu và sử dụng bộ thu phát wifi để điều khiển robot từ xa
Xây dựng và phát triển thuật toán điều khiển, hệ thống điều khiển
Nâng cao khả năng vƣợt địa hình và đảm bảo độ bền vững cho Robot.
Phương án nghiên cứu
Cơ sở phương pháp luận
Nghiên cứu tổng hợp việc thiết kế, gia công, lắp ráp các chi tiết để cho ra mô hình Robot
Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cho Robot
Nghiên cứu về mạng wifi, camera, router để thu đƣợc tín hiệu hình ảnh từ xa qua mạng nội bộ không dây.
Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Thu thập tài liệu trong và ngoài nước để tìm hiểu cơ sở lý thuyết
Nghiên cứu các ứng dụng hiện có để thực hiện robot
Thi công robot thực nghiệm hoàn chỉnh (sử dụng máy CNC, máy tiện, ).
Kết cấu của đồ án
Kết cấu đồ án gồm 6 chương:
Chương I: Tổng quan đề tài
Chương II: Thiết kế chế tạo phần cơ khí
Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển Robot
Chương IV: Điều khiển chuyển động Robot
Chương V: Kết quả và thực nghiệm
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang8
2 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ
Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí cho Robot vượt địa hình
Phương án chế tạo mới toàn bộ
Phương án thiết kế và sản xuất mới toàn bộ Robot gặp nhiều thách thức tại thị trường Việt Nam, đặc biệt là việc tìm kiếm các bộ phận như khung Robot cần gọn nhẹ và cứng vững, trong bối cảnh kinh phí hạn chế cho đồ án tốt nghiệp Mặc dù phương pháp này cho phép chế tạo các chi tiết đồng bộ, phù hợp với yêu cầu và đảm bảo an toàn, độ bền cũng như ổn định trong sử dụng, nhưng cũng đối mặt với khó khăn về kỹ thuật và chi phí sản xuất cao.
Phương án sử dụng những thiết bị và linh kiện có trên thị trường
Người thiết kế cần tính toán các thông số cần thiết cho Robot và lựa chọn linh kiện, thiết bị có sẵn trên thị trường, giúp đơn giản hóa quy trình do không cần gia công chi tiết mới Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm như chi phí sản xuất thấp, thời gian hoàn thành ngắn và giá thành hợp lý Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm như khả năng hoạt động ổn định của Robot không cao, tính đồng bộ giữa các thiết bị thấp do sai lệch và chưa thể hiện được tính sáng tạo trong thiết kế.
Phương án thiết kế mới một số hệ thống
Chúng tôi đề xuất thiết kế lại hệ thống từ một robot có sẵn, bổ sung các chi tiết cần thiết như thiết bị điều khiển, tạo nên sự kết hợp hoàn hảo giữa hai phương án trước đó.
Với ba phương án đề cập trên thì phương án số3 là phù hợp với điều kiện của nước ta
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang9
Phân tích và lựa chọn phương án di chuyển của Robot vượt địa hình
Phương án 1: Robot di chuyển bằng 2 cơ cấu bánh đai
Cơ cấu bánh đai được lắp đặt ở hai bên, với mỗi bánh được dẫn động bởi một động cơ riêng biệt Các động cơ truyền động này có thể kết nối gián tiếp qua bộ truyền hoặc gắn trực tiếp vào bánh đai, nhằm tạo ra chuyển động cho Robot.
Hình 2-1: Robot di chuyển bằng 2 cơ cấu bánh đai
Khi điều khiển cơ cấu bánh đai để rẽ trái hoặc phải, hai động cơ sẽ quay ngược chiều nhau, giúp hai bánh chuyển động ngược chiều Điều này tạo ra khả năng quay trái hoặc quay phải cho robot Phương án này là đại diện cho robot địa hình đơn giản nhất.
Phương án 2: Robot di chuyển bằng 6 cơ cấu bánh đai
Phương án thêm vào nhiều hơn các cơ cấu bánh đai sẽ làm tăng tính cơ động và linh hoạt hơn cho Robot
Hình 2-2: Robot di chuyển bằng 6 cơ cấu bánh đai
Phương án này có ưu điểm nổi bật là các nhánh cơ cấu bánh đai kéo dài chiều dài của Robot, giúp nó dễ dàng vượt qua các khe nứt rộng và leo lên địa hình gập ghềnh, từ đó tạo ra khả năng di chuyển linh hoạt và hiệu quả.
Hình 2-3: Khả năng chuyển động của Robot di động bằng 6 cơ cấu bánh đai
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang10
Việc bổ sung các nhánh bánh đai cho Robot không chỉ gia tăng số lượng chuyển động mà còn làm tăng độ phức tạp trong quá trình chế tạo và điều khiển Hơn nữa, kích thước lớn hơn của Robot sẽ hạn chế khả năng hoạt động và xoay chuyển trong các không gian hẹp.
Phương án 3: Robot di chuyển bằng 4 cơ cấu bánh đai
Phương án Robot di chuyển bằng 4 cơ cấu bánh đai
Hình 2-4: Robot di chuyển bằng 4 cơ cấu bánh đai
Phương án này cho phép Robot linh hoạt vượt qua địa hình phức tạp tương tự như phương án 2, nhưng với kết cấu nhỏ gọn và đơn giản hơn, giúp giảm độ phức tạp trong chế tạo và điều khiển Việc sử dụng 4 cơ cấu bánh đai không chỉ giúp Robot di chuyển dễ dàng mà còn cho phép nâng hạ phần thân, tạo điều kiện thuận lợi để lắp đặt camera quan sát địa hình hiệu quả hơn.
Hình 2-5: Khả năng chuyển động của Robot di động bằng 4 cơ cấu bánh đai
Sau khi phân tích ba phương án, chúng tôi đã quyết định chọn phương án 3 để thiết kế và chế tạo mô hình Robot địa hình mà chúng tôi cần nghiên cứu.
Lựa chọn vật liệu
Robot địa hình chủ yếu được chế tạo từ thép và nhôm, hai vật liệu phổ biến giúp đảm bảo độ bền và vững chắc Sự lựa chọn này không chỉ tăng cường độ bền cho Robot mà còn góp phần giảm khối lượng, nâng cao hiệu suất hoạt động.
Việc lựa chọn vật liệu cho robot là một bước quan trọng và được thực hiện đầu tiên Các vật liệu cần được chọn lựa phải phù hợp với chức năng của từng bộ phận, đồng thời đảm bảo khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường cụ thể.
Trong Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí, nhóm đã xem xét địa hình phức tạp với hóa chất độc hại và độ phóng xạ cao Để đảm bảo độ cứng vững và khả năng gia công, nhóm quyết định thiết kế Robot sử dụng các vật liệu sẵn có trên thị trường, kết hợp với một số chi tiết cần gia công thêm.
Vật liệu đƣợc chọn đƣợc cho bởi bảng sau:
STT Phần Bộ phận Vật liệu
1 Thân Khung Robot, trục Thép (CT3; C45)
2 Truyền động Đai, bánh răng Cao su tổng hợp, nhựa PE
4 Bám Bánh ma sát Cao su tổng hợp
Thép là hợp kim chủ yếu gồm sắt (Fe) và cacbon (C) với tỷ lệ từ 0,02% đến 2,14%, cùng với một số nguyên tố hóa học khác nhằm tăng cường độ cứng và hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể Tỷ lệ các nguyên tố trong thép được điều chỉnh để đạt được các đặc tính chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dẻo và sức bền kéo đứt Thép CT3, với hàm lượng cacbon khoảng 0,14-0,22%, là loại thép kết cấu có chất lượng trung bình, thường được sử dụng trong các phần thân chứa động cơ, nơi chịu lực lớn và yêu cầu độ kín cũng như độ cứng cao, do đó thép là vật liệu hợp lý nhất cho ứng dụng này.
Nhôm là kim loại nổi bật với khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³), chỉ nặng bằng 1/3 thép, điều này rất quan trọng trong các thiết bị cần nhẹ như trong ngành hàng không và vận tải Nhờ có lớp màng ôxyt (Al2O3) bảo vệ, nhôm có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển; lớp màng này có thể được tăng cường qua quá trình anod hóa, cho phép nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng trong xây dựng và trang trí nội thất mà không cần bảo vệ thêm Tính chống mài mòn của nhôm phụ thuộc vào độ dày của lớp màng oxit nhôm, có thể lên tới 0.2mm, và có thể được sơn hoặc xi để tăng cường độ bền Nhôm không co lại như thép, dễ dàng định hình và có độ bền, độ dẻo tốt, cho phép uốn nắn nếu bị móp méo Các phương pháp tạo hình nhôm chủ yếu bao gồm định hình, uốn, ép và kéo Đặc biệt, tay nâng Robot sử dụng nhôm vì yêu cầu về độ bền, độ cứng và khối lượng nhẹ, giúp dễ dàng vượt qua chướng ngại vật.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang12
Cao su tổng hợp là chất dẻo nhân tạo với khả năng co giãn, cho phép phục hồi hình dạng sau khi chịu áp lực Nó được sử dụng thay thế cao su tự nhiên trong nhiều ứng dụng nhờ vào những đặc tính ưu việt như tính đàn hồi, tính dẻo và khả năng chống mài mòn cao Đặc biệt, cao su tổng hợp có tính ma sát bề mặt cao, rất quan trọng cho bánh ma sát của robot, giúp chúng tiếp xúc và bám vào địa hình, di chuyển qua các loại địa hình phức tạp.
Nhựa PE(Polyethylene): Đặc tính:
- Trong suốt, hơi có ánh mờ, có bề mặt bóng láng, mềm dẻo
- Chống thấm nước và hơi nước tốt
- Chống thấm khí O2, CO2, N2 và dầu mỡ đều kém
- Chịu được nhiệt độ cao (dưới 230ᵒC) trong thời gian ngắn
- Bị căng phồng và hƣ hỏng khi tiếp xúc với tinh dầu thơm hoặc các chất tẩy nhƣ Alcool, Acêton, H2O2…
PE có khả năng cho khí và hương thẩm thấu qua, dẫn đến việc nó có thể hấp thu và giữ mùi từ bao bì Mùi này có thể được thực phẩm hấp thu, làm giảm giá trị cảm quan của sản phẩm.
- Làm túi xách các loại, thùng (can) có thể tích từ 1 đến 20 lít với các độ dày khác nhau
Nắp chai PE có khả năng hấp thu mùi, vì vậy chai đựng thực phẩm cần được bảo quản trong môi trường không có chất gây mùi để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Xác định các tính năng kỹ thuật của Robot
Các đặc tính kỹ thuật của Robot địa hình:
Kích thước tổng thể ban đầu của Robot theo dài*rộng*cao là L*B*H là 720x500x500 mm
Khối lƣợng của Robot là mR = 20kg
Cơ cấu di chuyển là cơ cấu bánh đai
Tốc độ di chuyển tối đa là VR= 0,3m/s
Chiều cao của địa hình có thể vƣợt qua là h= 20cm
Góc nghiêng địa hình tối đa so với mặt phẳng ngang mà Robot có thể leo lên là α = 30 o
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang13
Tính toán thiết kế trục
Trục sau
Chọn vật liệu làm trục: thép cacbon C45
Hình 2-6: Sơ đồ phân bố lực của trục sau
Hình 2-7: Ứng suất tác dụng lên trục sau
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang14
Hình 2-8: Chuyển vị của trục sau khi có lực tác dụng.
Trục trước
Chọn vật liệu làm trục: thép cacbon C45
Hình 2-9: Sơ đồ phân bố lực của trục trước
Hình 2-10: ứng suất tác dụng lên trục trước
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang15
Hình 2-11: Chuyển vị của trục trước khi có lực tác dụng
Sau khi tiến hành tính toán bằng phần mềm, nhóm đã xác định rằng đường kính trục cần phải lớn hơn 12mm Do đó, nhóm quyết định chọn đường kính trục là 15mm.
Tính toán thiết kế khung xe
Tính toán ứng suất và chuyển vị của khung xe bằng phần mềm solidworks Tổng lực tác dụng lên khung xe là 200N
Hình 2-12: Ứng suất tác dụng lên khung xe
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang16
Hình 2-13: Chuyển vị của khung xe khi có lực tác dụng.
Tính toán và thiết kế cơ cấu di chuyển
Lựa chọn phương án
Khi thiết kế cơ cấu di chuyển cho Robot, có nhiều phương án như sử dụng bộ truyền đai hoặc bộ truyền xích Bộ phận này đảm bảo Robot có thể di chuyển tới, lui, quay trái và quay phải Trong đồ án này, nhóm đã quyết định chọn bộ truyền đai thay cho bộ truyền xích vì những lý do cụ thể.
- Do kích thước của Robot tương đối nhỏ nên việc sử dụng xích là khó khăn, vì khối lƣợng xích lớn, rất nặng nề
Việc chế tạo xích cho robot là một quá trình phức tạp và tốn nhiều công sức, trong khi việc sử dụng đai mang lại nhiều lợi ích vượt trội Vật liệu đai mềm mại và có khả năng ma sát tốt, giúp việc tạo đai bám đường trở nên dễ dàng hơn so với việc chế tạo xích Kết cấu robot sẽ đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả cao, đồng thời khối lượng của robot cũng sẽ giảm đáng kể.
Tuy nhiên việc lựa chọn đai cũng cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:
- Đai có khả năng truyền động tốt, hiệu quả, không xảy ra hiện tƣợng trƣợt đai, dão đai trong quá trình hoạt động
Hệ thống đai của Robot cần có bề mặt tốt để đảm bảo khả năng bám địa hình, đặc biệt là trong các khu vực gồ ghề Đai phải tạo ra ma sát đủ lớn để Robot có thể dễ dàng vượt qua các chướng ngại vật.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang17
Cơ sở lý thuyết bộ truyền đai
Bộ truyền đai truyền lực, công suất là nhờ ma sát giữa đai và bánh đai => Dựa vào nguyên lí truyền động ma sát
Hình 2-14: Đai và bánh đai
Theo vị trí tương đối giữa hai trục:
2.7.2.3 Ƣu và nhƣợc điểm của bộ truyền đai
- Truyền lực 2 trục khá xa
- Làm việc êm, không gây ra tiếng ồn
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang18
- Lực tác dụng vào bánh đai lớn
- Tỉ số truyền không ổn định do xảy ra hiện tƣợng trƣợt đàn hồi
- Kích thước bộ truyền lớn
2.7.2.4 Thông số hình học bộ truyền đai.
Chiều dài đai đƣợc xác định nhƣ sau:
Chiều dài đai lấy theo tiêu chuẩn Sau đó tính lại khoảng cách trục a nhƣ sau:
Vận tốc và tỉ số truyền:
Hình 2-15: Vận tốc bộ truyền đai
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang19
- Vận tốc dài trên bánh dẫn: v 1 = 𝜋𝑑 1 𝑛 1
- Vận tốc dài trên bánh bị dẫn: v 2 = 𝜋𝑑 2 𝑛 2
- Nếu bỏ qua hiện tƣợng trƣợt:𝜇 = 𝑛 1
Lực tác dụng lên bộ truyền đai:
Hình 2-16: Lực tác dụng trên bộ truyền đai
- Lực căng phụ do lực quán tính ly tâm: 𝐹 𝑣 = 𝑞 𝑚 𝑣 2 (2.13)
- Điều khiện để hiện tƣợng trƣợt trơn: 𝛼 ≤ 𝛼 1
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang20
Ứng suất trong bộ truyền đai:
Hình 2-17: Ứng suất trong bộ truyền đai
Ứng suất căng ban đầu: 𝜍 0 = 𝐹 0
Ứng suất trên nhánh căng: 𝜍 1 = 𝐹 1
Ứng suất trên nhánh chùng: 𝜍 2 = 𝐹 2
Ứng suật trong bộ truyền đai thay đổi theo chu kỳ:
Tính toán và thuyết kế
Bộ truyền đai được phân loại theo tiết diện thành các loại như đai dẹt, đai hình thang, đai răng lược, đai tròn, đai răng và đai lục giác Trong đó, đai răng với gờ hình thang là lựa chọn ưu việt cho việc tính toán và thiết kế, nhờ vào tính dễ sử dụng, độ phổ biến trên thị trường, khả năng truyền động hiệu quả và không xảy ra hiện tượng trượt đai.
Môđun m đƣợc xác định theo công thức thực nghiệm:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang21
Trong đó: P1: Công suất truyền (kW) n1: số vòng quay bánh dẫn (v/p) k5: đai gờ hình thang
Cr: hệ số tải trọng động có giá trị 1,3…2,4( giá trị lớn với thiết bị có va đập và quá tải cục bộ thường xuyên)
Với công suất P1 = 40W (0,04 kW), tốc độ n1 = 47 vòng/phút, hệ số k = 5 và hệ số Cr = 2,4, chúng ta tính được kích thước m khoảng 5mm Dựa vào các kết quả tính toán và bảng thông số, chúng ta sẽ thiết kế bộ truyền đai răng với các thông số đã xác định.
- Tải trọng riêng cho phép wo = 30 N/mm
- Tỷ số truyền lớn nhất u = 8
Cơ cấu di chuyển có các thông số:
- Số răng trên bánh đai dẫn và bị dẫn: z1 = z2 = 24 răng
- Số răng của dây đai: zp = 80 răng
- Bề rộng dây đai: b1= 50 mm
- Chiều dài dây đai: L1 = 1016 mm
Cơ cấu cần lật có các thông số
- Số răng trên bánh đai dẫn: z1= 24 răng
- Số răng trên bánh đai bị dẫn: z2 = 14 răng
- Bề rộng dây đai:b2 = 35 mm
- Chiều dài dây đai: L2 = 814 mm
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang22
Bảng 2-2: Bảng thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang
Chú thích : 1- Số răng của đai theo dãy tiêu chuẩn sau: 40, 42, 45, 48, 50, 53, 56, 63,
2- Chiều rộng đai b chọn theo dãy: 3; 4; 5; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50,5; 63; 80; 100; 125; 160; 200mm
3- Chiều dài đai: Lp = 𝜋mzp Chiều dài theo đường trung hòa chọn theo tiêu chuẩn sau:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang23
Tính công suất và chọn động cơ
Động cơ truyền dộng
Ta tính công suất động cơ cho cơ cấu dẫn động của Robot khi chịu tải lớn nhất, tức là khi Robot leo lên dốc với độ nghiêng α = 30 độ Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu di chuyển của Robot trong tình huống này cho thấy sơ đồ phân tích lực cần được xác định rõ ràng.
Hình 2-18: Sơ đồ phân tích lực
r : Bán kính bánh răng, r = 63mm
VR: Vận tốc chuyểnđộng của Robot, VR = 0,3m/s
FN: Áp lực lên nền, FN = m.g.cosα
Fw: Lực cản do trọng lƣợng Robot, Fw = m.g.sinα
Fms: Lực ma sát, Fms = f.FN = f.m.g.cosα, với f là hệ số ma sát
FK: Lực kéo củađộng cơ Để Robot chuyển động thì:
Vì Robot dùng 2 động cơ để truyền động cho 2 cơ cấu bánh xích nên ta có công suất cần thiết của mỗi động cơ:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang24
Theo các tính năng kỹ thuật ban đầu của Robot, ta có:
Khối lƣợng của Robot: m = mR = 20kg
Góc nghiêng tốiđa củađịa hình: α = 30 o
Vận tối tốiđa của Robot: VR = 0,3m/s
Lấy hệ số ma sát là: f = 0,5
Bán kính bánh răng: r = 63mm = 0,063m
Từ phương trình (2.5), ta có:
Hiệu suất gối đỡ: ɳ 1 = 0,97 (từ 0,96 dến 0,98)
Hiệu suất hộp giảm tốc: ɳ 2 = 0,97
Suy ra: Hiệu suất bộ truyền ɳ =ɳ 1 ɳ 2 ɳ 3 ɳ 4 = 0,77
Công suất động cơ cần thiết là:
Chọn động cơ có công suất P = 40 W
Từ những kết quả tính đƣợc ta chọn động cơ cho cơ cấu di chuyển có các thông số kỹ thuật sau:
Động cơ nâng
Ta tính công suất động cơ truyền động cho cần lật của Robot khi chịu tải lớn nhất, tức là khi nâng phần thân lên khỏi mặt đất với góc 90 độ giữa thân xe và cần lật Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu di chuyển của Robot trong trường hợp này cho thấy sơ đồ phân tích lực rõ ràng.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang25
Hình 2-19: Sơ đồ phân tích lực khi nâng Robot
Hình 2-20: Sơ đồ phân tích hình học
Với m là chiều dài thân xe: m=0,34 m r là chiều dài tay lật : r = 0,275 m
Dựa vào sơ đồ phân tích lực
Ta có Tan β = 𝑚 r = 1,23 suy ra β = 50 ᵒ => α = 40ᵒ
Xét cân bằng tại C Ta có tổng moment tại C
∑Mc = 0 P.d – M = 0 Để cánh tay lật có thể nâng phần thân xe lên đƣợc thì
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang26
M = (9,55 10 6 P)/n Động cơ cần lật không yêu cầu tốc độ nhanh nhƣng đòi hỏi phải mạnh Do đó ta lựa chọn số vòng quay cho động cơ n@ v/ph
Từ đó ta tính đƣợc công suất của động cơ :
P = (M.n)/(9,55.10 6 ) = ( 6000.40)/(9,55.10 6 ) = 0.025 (kW) = 25W Hiệu suất gối đỡ: ɳ 1 = 0,97 (từ 0,96 dến 0,98)
Hiệu suất hộp giảm tốc: ɳ 2 = 0,97
Hiệu suất dây xích dẫn động ɳ 4 : = 0,96
Suy ra: Hiệu suất bộ truyềnɳ =ɳ 1 ɳ 2 ɳ 3 ɳ 4 = 0,77
Công suất động cơ cần thiết là:
Pct= Po ɳ 5 = 36(W) Để đảm bảo cho tay lật hoạt động hiệu quả
Chúng tôi đã chọn động cơ có công suất P@W, cụ thể là động cơ cần gạt nước ô tô Động cơ này đáp ứng yêu cầu về số vòng quay nhỏ và có công suất lớn, đạt P = 40 W.
Hình 2-21: Động cơ gạt nước
Thông số động cơ đƣợc sử dụng trong đồ án
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang27
Nguyên lý hoạt động của động cơ DC
Cấu tạo
Động cơ điện được cấu tạo từ ba phần chính: stator, rotor và hệ thống chổi than - vành góp Stator bao gồm vỏ máy, các cực từ chính và phụ, cùng với dây quấn phần cảm, trong đó số lượng cực từ chính phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ Đối với động cơ công suất nhỏ, việc kích từ có thể được thực hiện bằng nam châm vĩnh cửu, với phần ứng được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện có rãnh để đặt dây quấn Điện áp một chiều được cung cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chổi than - vành góp, trong khi giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và duy trì áp lực tự động theo độ mòn của chổi than.
Chổi than - vành góp có chức năng cung cấp điện áp một chiều cho cuộn dây phần ứng và thay đổi chiều dòng điện trong cuộn dây đó Số lượng chổi than tương ứng với số lượng cực từ, trong đó một nửa có cực tính dương và nửa còn lại có cực tính âm.
Nguyên lý làm việc
Khi áp dụng điện áp kích từ Uk lên dây quấn kích từ, dòng kích từ ik sẽ xuất hiện và tạo ra từ thông Φ trong mạch từ của máy Tiếp theo, khi đặt điện áp U lên mạch phần ứng, dòng điện i sẽ chạy qua dây quấn phần ứng Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích sẽ tạo ra mômen điện từ.
Giá trị của mômen điện từ đƣợc tính nhƣ sau:
Trong một động cơ điện, các yếu tố quan trọng bao gồm P, là số đôi cực của động cơ; n, là số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a, là số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; và k, là hệ số kết cấu của máy Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và cấu trúc của động cơ.
Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục.
Điều khiển động cơ DC
Tốc độ của động cơ điện một chiều thường tỷ lệ thuận với điện áp và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Việc điều khiển tốc độ có thể thực hiện thông qua việc điều chỉnh điểm chia điện áp của bình ắc quy, sử dụng bộ cấp nguồn thay đổi được, hoặc áp dụng điện trở và mạch điện tử Để thay đổi chiều quay của động cơ, có thể điều chỉnh chiều nối dây của phần kích từ hoặc phần ứng.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang28 không thể được nếu thay đổi cả hai Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ công tắc tơ đặc biệt (công tắc tơ đổi chiều), hay các mạch công suất có tác dụng đảo chiều quay nhƣ mạch cầu H… Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở nối tiếp hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp bằng Thyristor, transistor hoặc loại cổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu hồ quang thủy ngân Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật nhanh Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ Nhƣ vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V Trong thời gian "Off", điện áp cảm ứng của phần ứng sẽ làm cho dòng điện không bị gián đoạn, qua một đi-ốt gọi là đi-ốt phi hồi, nối song song với động cơ Tại thời điểm này, dòng điện của mạch cung cấp sẽ bằng không trong khi dòng điện qua động cơ vẫn khác không và dòng trung bình của động cơ vẫn luôn lớn hơn dòng điện trong mạch cung cấp, trừ khi tỷ lệ thời gian "on" đạt đến 100% Ở tỷ lệ 100% "on" này, dòng qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau Mạch đóng cắt tức thời này ít bị tổn hao năng lượng hơn mạch dùng điện trở Phương pháp này gọi là phương pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (pulse width modulation, or PWM), và thường được điều khiển bằng vi xử lý Đôi khi người ta còn sử dụng mạch lọc đầu ra để làm bằng phẳng điện áp đầu ra và giảm bớt tạp nhiễu của động cơ.
Tính toán và thiết kế cơ cấu truyền động
Lựa chọn phương án
Truyền động giữa các trục thường sử dụng các cơ cấu như bánh răng, xích, đai và vít Nhóm đã quyết định chọn phương án truyền động giữa các trục bằng xích.
Truyền động bằng xích là một phương pháp truyền động gián tiếp, thường được sử dụng để kết nối các trục xa nhau Phương pháp này có khả năng giảm tốc hoặc tăng tốc, và so với truyền động đai, truyền động xích có hiệu suất và khả năng tải cao hơn, cho phép truyền chuyển động và công suất cho nhiều trục cùng lúc Thực tế cho thấy, truyền động xích thường được áp dụng cho công suất dưới 100kW và vận tốc lên đến 15m/s, với tuổi thọ khoảng 3000-5000 giờ Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, bộ truyền xích có thể gặp phải một số hỏng hóc như mòn bản lề và răng đĩa, con lăn bị rỗ hoặc vỡ, và má xích bị đứt do mỏi, trong đó mòn bản lề là dạng hỏng nguy hiểm nhất, thường dẫn đến mất khả năng hoạt động của hệ thống.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang29 tính toán của bộ truyền xích là độ bền mòn, xuất phát từ điều kiện áp suất sinh ra trong bản lề không đƣợc vƣợt quá một giới hạn cho phép
Để đáp ứng yêu cầu hoạt động của robot trên địa hình phức tạp, bánh của robot cần có moment lớn và hệ thống truyền động phải đạt hiệu quả cao Do đó, việc sử dụng bộ truyền xích giữa động cơ và bánh robot, cũng như giữa động cơ và cần trước của robot là cần thiết.
Cơ sở lý thuyết bộ truyền xích
Bộ truyền xích truyền lực, công suất là nhờ ăn khớp giữa mắc xích và răng đĩa
=> Dựa vào nguyên lí ăn khớp
Tùy theo cấu tạo của dây xích, bộ truyền xích đƣợc chia thành các loại
- Truyền lực 2 trục khá xa
- Khuôn khổ, kích thước nhỏ gọn hơn truyền động đai cùng công suất
- Không có hiện tƣợng trƣợt, tỷ số truyền trung bình ổn định
- Có thể cùng một lúc truyền chuyển động từ một trục dẫn đến nhiều trục bị dẫn
- Nhanh mòn bản lề, nhất là khi bôi trơn không tốt và làm việc ở nơi nhiều bụi
- Vận tốc tức thời của xích và đĩa bị dẫn không ổn định nhất là khi số răng của đĩa xích nhỏ
- Có tiếng ồn khi làm việc do va đập vào khớp
- Cần bôi trơn và điều chỉnh sức căng xích
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang30
2.10.2.4 Thông số hình học bộ truyền xích
- Là thông số cơ bản bộ truyền xích
Bước xích càng lớn sẽ tăng khả năng tải trọng, nhưng đồng thời cũng làm gia tăng tải trọng động, va đập và tiếng ồn, đặc biệt khi hoạt động ở tốc độ cao.
- Để tăng khả năng tải có thể tăng số dãy xích (xích ống con lăn) hoặc tăng chiều rộng xích (xích răng)
- Bước xích được chọn theo tiêu chuẩn
- Thông thường Z1< Z2, nếu số răng nhỏ thì xích mau bị mòn (vì góc xoay bản lề lớn) và tải trọng động cũng nhƣ va đập
- Do đó, ta hạn chế số răng nhỏ nhất Thông thường, khi v≥2m/s thì Zmin ≥19, khi v≤2m/s thì Zmin = 11…15 Trong thiết kế có thể tính theo công thức: z1) - 2u
- Để tránh tuôn xích khi xích mòn, phải hạn chế số răng lớn nhất
Zmax≤100 120 (xích con lăn), Zmax≤ 120 140 (xích răng)
Số răng đĩa xích nên được chọn theo số lẻ để đảm bảo mỗi răng xích ăn khớp với tất cả các mắt xích Điều này giúp cho răng xích mòn đều hơn, tăng cường hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống truyền động.
- Vòng tròn chia: đi qua tâm bản lề xích, đƣợc xác định theo công thức:
(Vì /z tương đối nhỏ nên sin( /z) /z)
- Đường kính vòng ngoài đĩa xích:
- Đối với xích răng, đường kính vòng chia lớn hơn đường kính vòng đỉnh Đường kính vòng đỉnh xác định theo công thức:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang31
- Khoảng cách trục amin đƣợc giới hạn bởi khe hở nhỏ nhất của hai đĩa xích từ 30 50mm
- Khi tỉ số truyền u ≤ 3 thì amin = (de1 + de2) /2 + (30÷50)mm
- Khi tỉ số truyền u >3 thì amin = 𝑑 𝑒1 +𝑑 𝑒2
Với de1 và de2 lần lượt là đường kính vòng đỉnh của đĩa xích dẫn và bị dẫn
Nhưng amax không quá 80p để tránh va đập với p là bước xích
Hợp lí nhất là chọn a=(30÷50).p
𝐿 = 𝑝 𝑋 (2.32) Trong đó: p là bước xích
Lưu ý: Nên quy tròn số mắc xích X thành số nguyên
Sau khi tính số mắc xích, phải tính chính xác lại khoảng cách trục bằng công thức:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang32 Để nhánh xích không quá căng, phải giảm khoảng cách trục một lƣợng
2.10.2.5 Vận tốc và tỷ số truyền
- Vận tốc dài trên bánh dẫn: v 1 = 𝑝𝑧 1 𝑛 1
- Vận tốc dài trên bánh bị dẫn: v 2 = 𝑝𝑧 60000 2 𝑛 2 (2.37)
2.10.2.6 Lực tác dụng lên bộ truyền xích
- Khi bộ truyền chưa làm việc, dưới tác dụng trọng lượng nhánh xích sẽ xuất hiện lực căng ban đầu F0
F0 = kf qm.a.g (2.39) Trong đó: qm : khối lƣợng một mắt xích (kg/m)
Kf : hệ số phụ thuộc độ võng xích
Kf = 6: khi xích nằm ngang
Kf = 3: khi xích nằm nghiêng < 40 0 so với phương ngang
Kf = 1: khi xích thẳng đứng a: khoảng cách trục g: gia tốc trọng trường g=9,82m/s 2
- Lực căng trên bánh dẫn: F1 = Fo + Fv + Ft (Fv: lực căng do li tâm; Ft : lực vòng)
- Lực căng trên bánh bị dẫn: F2 = Fo + Fv
- Lực tác dụng lên trục: Kr = Km Ft
Trong đó: Km là hệ số trọng lƣợng xích
Km = 1,15 – khi xích nằm ngang hoặc nghiêng < 40 0
Km = 1– khi xích thẳng đứng hoặc nghiêng ≥ 40 0
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang33
Tính toán và thiết kế
Bộ truyền xích được phân loại theo cấu tạo dây xích gồm xích ống con lăn, xích ống và xích răng Trong đó, xích ống con lăn là lựa chọn tối ưu cho việc tính toán và thiết kế bộ truyền xích, nhờ vào tính dễ sử dụng và độ phổ biến trên thị trường Loại xích này không chỉ truyền động hiệu quả mà còn giảm thiểu ma sát nhờ có con lăn, giúp giảm mòn cho răng đĩa xích khi ăn khớp.
- Vì yêu cầu thiết kế sao cho tốc độ di chuyển của Robot là VR = 0,3m/s, do đó ta cần có số vòng quanh bánh xích n2 là: n2 = 60.1000.v π.D = 60.1000 0.3 π.63.2 = 47 v/p
- Tỉ số truyền của bộ truyền xích: i = 𝑛1
n1 = 160 v/p: số vòng quay củađĩa xích nhỏ (số vòng quay củađộng cơ)
n2 = 46 v/p: số vòng quay củađĩa xích lớn (số vòng quay của bánh răng) Chọn số răng đĩa xích dẫn (đĩa xích nhỏ): Z1 = 12
Thiết kế cơ khí và xây dựng kích thước tổng thể của Robot
Thiết kế cơ khí Robot
2.11.1.1 Phần thân Robot Đƣợc xem là phần quan trọng nhất của Robot nó chứa động cơ truyền động, động cơ nâng Vậy việc chế tạo phần thân Robot phải thật chắc chắn nhƣng phần thân cũng phải nhẹ và ít góc cạnh để dễ di chuyển Và việc chế tạo phần thân Robot đƣợc thực hiên qua các công đoạn sau: đầu tiên là chế tạophần khung cho thân Robot
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang34
Hình 2-25: Kích thước khung Robot
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang35
2.11.1.2 Phần cơ cấu truyền động dẫn hướng Đây là bộ phận đảm bảo cho Robot di chuyển tới, lui, quay trái, quay phải Nên yêu cầu của bộ truyền động là phải chính xác Cơ cấu truyền động gồm các phần sau: bánh răng dẫn đƣợc gắn với động cơ, bánh răng bị dẫn để gắn xích, dây xích có gắn su và tay lật
Dựa vào yêu cầu của Robot ta thiết kế đƣợc cơ cấu truyền động Mô hình và kích thước các phần trong cơ cấu truyền động của Robot
Hình 2-26: Bánh răng dẫn động
Hình 2-27: Kích thước bánh răng dẫn
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang36
Hình 2-28: Bánh răng bị dẫn
Hình 2-29: Kích thước bánh răng bị dẫn
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang37
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang38
Hình 2-32: Tay lật và kích thước
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang39
Hình 2-34: Kích thước bánh đai dẫn
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang40
Hình 2-35: Bánh đai truyền động
Hình 2-36: Kích thước bánh đai truyền động
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang41
Hình 2-37: Bánh đai bị dẫn
Hình 2-38: Kích thước bánh đai bị dẫn
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang42
Mô hình thân Robot hoàn chỉnh:
Hình 2-39: Mô hình thân Robot hoàn chỉnh
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang43
Xây dựng kích thước tổng thể của thân Robot
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang44
Thiết kế cánh tay máy
Bậc tự do của tay máy
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu, cho phép dịch chuyển một vật thể trong không gian Để cơ cấu chấp hành của robot hoạt động hiệu quả, nó cần đạt được một số bậc tự do nhất định Bậc tự do được tính toán theo một công thức cụ thể.
Trong đó: n là số khâu động pi là số khớp loại i (i =1,2, 5: Số bậc tự do bị hạn chế) Với cánh tay robot đang đƣợc nghiên cứu thì :
Vậy có 3 bậc tự do
Cánh tay robot là một hệ thống tự động hóa bao gồm cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ Cơ cấu chấp hành được cấu thành từ nhiều khâu liên kết với nhau, trong đó có khâu động và khâu tĩnh, với các khâu động thường là các khớp xoay.
Không gian làm việc
Không gian làm việc của robot, hay còn gọi là vùng làm việc, là tổng thể thể tích mà khâu chấp hành cuối của robot có thể quét khi thực hiện các chuyển động Trường công tác này bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot và các giới hạn cơ học của các khớp Ví dụ, không gian làm việc của một khớp quay sẽ nhỏ hơn một góc và được mô tả thông qua hai hình chiếu.
Hình 2-43: Trường công tác của tay máy.
Động cơ sử dụng cho cánh tay máy
Để truyền động cho các khớp của cánh tay máy hoạt động, nhóm sử dụng động cơ Servo
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang45
2.12.3.1 Giới thiệu về động cơ RC Servo
Động cơ DC và động cơ bước đều thuộc hệ hồi tiếp vòng hở, nghĩa là khi cấp điện cho động cơ, ta không thể biết chính xác nó sẽ quay bao nhiêu, ngay cả với động cơ bước, nơi góc quay phụ thuộc vào số xung nhận được Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định các yếu tố cản trở chuyển động quay của động cơ hoặc khiến động cơ không quay là một thách thức không nhỏ.
Động cơ servo được thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu ra của động cơ kết nối với mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí được hồi tiếp về mạch điều khiển Nếu có bất kỳ nguyên nhân nào cản trở chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận diện rằng tín hiệu ra chưa đạt vị trí mong muốn, và mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sai lệch để động cơ đạt điểm chính xác Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính đến mô hình máy bay và xe hơi Gần đây, động cơ servo cũng được sử dụng trong các robot, tương tự như các động cơ trong mô hình máy bay và xe hơi.
Bảng 2-3: Bảng chú thích động cơ servo
Hình 2-44: Cấu tạo của động cơ Servo
4 Dây tín hiệu (vàng hoặc trắng)
10 Chíp tích hợp điều khiển
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang46
Hình 2-45: Hệ bánh răng trong động cơ servo
Động cơ Servo bao gồm một động cơ, chuỗi bánh răng giảm tốc, mạch điều khiển và vôn kế, tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín Động cơ và vôn kế được kết nối với mạch điều khiển và sử dụng nguồn DC từ 4.8 – 7.2 V Khi nhận tín hiệu số từ mạch điều khiển, động cơ sẽ khởi động và thông qua bánh răng, vôn kế sẽ xác định vị trí trục ra của servo Khi vôn kế đạt vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ ngắt động cơ Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn, thường từ 90 o – 180 o, phục vụ cho các ứng dụng như điều khiển robot và di chuyển tay máy.
Servo và điều biến độ rộng xung
Trong hệ thống servo, đáp ứng là kết quả của một chuỗi xung số ổn định, với mạch điều khiển nhận tín hiệu số có xung biến đổi từ 1 – 2 ms, gửi đi 50 lần mỗi giây Điều quan trọng là độ dài của các xung, không phải số lượng xung trong một giây Servo cần khoảng 30 - 60 xung/giây; nếu số lượng này quá thấp, độ chính xác và công suất duy trì servo sẽ bị giảm sút.
Công suất cung cấp cho động cơ servo tỷ lệ thuận với độ lệch giữa vị trí hiện tại và vị trí mục tiêu Khi servo gần vị trí đích, động cơ hoạt động với tốc độ thấp để tránh vượt quá điểm định đến Ngược lại, nếu servo cách xa vị trí đích, nó sẽ hoạt động với vận tốc tối đa.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang47 để đến đích càng nhanh càng tốt Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc Quá trình tưởng chừng như phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn - một servo trung bỡnh cú thể quay 60 o trong vũng ẳ - ẵ giõy Vỡ độ dài xung cú thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo và máy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng để đảm bảo sự tương thích Đối với robot, ta phải làm một vài thí nghiệm để xác định độ dài xung tối ƣu
Với độ dài xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại, một kỹ thuật được gọi là tỉ lệ số, trong đó chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển.
Hình 2-46: Điều khiển vị trí trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung Các giới hạn quay
Các động cơ servo khác nhau có khả năng quay ở góc độ khác nhau khi nhận tín hiệu từ 1 – 2 ms Các servo chuẩn thường được thiết kế để quay từ 90 đến 180 độ khi nhận đủ chiều dài xung Hầu hết các servo có khả năng quay gần 180 độ Tuy nhiên, nếu cố gắng điều khiển servo vượt quá giới hạn cơ học của nó, trục ra sẽ va chạm với vật cản bên trong, dẫn đến mài mòn hoặc hư hỏng bánh răng Hiện tượng này kéo dài chỉ vài giây cũng có thể gây ra sự phá hủy bánh răng của động cơ.
Vai trò của Vôn kế
Vôn kế trong servo đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí của trục ra Được gắn trực tiếp vào trục ra, vôn kế cho phép phản ánh chính xác vị trí của trục này Chức năng của vôn kế là cung cấp một điện áp biến thiên cho mạch điều khiển, từ đó giúp điều chỉnh hoạt động của servo một cách hiệu quả.
Khi hoạt động của Vôn kế chuyển động, điện thế sẽ thay đổi và mạch điều khiển trong servo sẽ so sánh điện thế này với độ dài các xung số đầu vào Nếu điện thế không khớp, mạch sẽ phát tín hiệu sai số, tỷ lệ với độ lệch giữa vị trí của Vôn kế và độ dài tín hiệu vào Tín hiệu sai số này được sử dụng để điều khiển động cơ quay Khi điện thế của Vôn kế và độ dài các xung số bằng nhau, tín hiệu sai số sẽ được loại bỏ và động cơ sẽ dừng lại.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang48
Vôn kế thường được sử dụng như một cầu chia áp, với khả năng quay và di chuyển dọc theo chiều dài của thanh điện trở Tín hiệu đầu ra của Vôn kế biến thiên trong khoảng từ 0 đến 5V Để điều khiển động cơ, vấn đề cốt lõi là tạo ra các xung có tần số 50Hz và thời gian lên dưới 2ms Có ba phương pháp để tạo ra các xung này.
Sử dụng hàm delay trong vi điều khiển, một chân I/O sẽ được thiết lập ở mức logic 1 trong khoảng thời gian a, tương ứng với thời gian cần thiết để duy trì mức cao của xung điều khiển động cơ Sau đó, chân I/O này sẽ được kéo xuống mức 0 và tiếp tục delay thêm một khoảng thời gian.
Giải thuật điều khiển động cơ đơn giản này yêu cầu một khoảng thời gian 20ms, sử dụng các chân I/O để điều khiển động cơ, giúp thiết kế phần cứng gọn nhẹ và chi phí thi công thấp Tuy nhiên, vi điều khiển chủ yếu không hoạt động trong thời gian này, nên cần thiết kế thêm một module điều khiển RC SERVO để thực hiện chức năng delay và giao tiếp Nếu sử dụng nhiều động cơ, việc so sánh các giá trị delay để xác định thứ tự hoạt động của từng động cơ sẽ gây khó khăn trong lập trình, do hàm delay tiêu tốn quá nhiều thời gian.
Giải thuật đếm và so sánh hoạt động bằng cách tạo một biến đếm khoảng 10us, liên tục đếm cho đến 20ms rồi reset biến đếm Khi đạt đến 20ms, chân điều khiển RC SERVO sẽ được thiết lập lên 1 Biến đếm này được so sánh với các giá trị độ rộng xung điều khiển động cơ Nếu biến đếm lớn hơn hoặc bằng giá trị so sánh, chân điều khiển sẽ được thiết lập xuống 0 Ưu điểm của giải thuật này là dễ dàng cập nhật các giá trị so sánh, tương ứng với các góc quay mong muốn của động cơ Tuy nhiên, khi chạy nhiều động cơ, việc thực hiện nhiều phép so sánh cùng lúc và thời gian ngắt ngắn có thể dẫn đến sai lệch trong điều khiển, gây ra hiện tượng rung lắc ở vị trí mong muốn của động cơ.
Sử dụng module PWM của vi điều khiển là phương án mang lại xung ổn định nhất và thuận tiện cho việc cập nhật giá trị điều khiển Tuy nhiên, cần đảm bảo kênh PWM có độ phân giải tối thiểu 10 bits để đạt được độ mịn chấp nhận khi thay đổi góc quay của động cơ Do bản chất của xung điều khiển có chu kỳ lớn và duty cycle nhỏ (dưới 10%), nên độ phân giải cao của kênh PWM là cần thiết để đáp ứng cả hai yêu cầu này.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang49
2.12.3.2 Các thông tin chi tiết về động cơ RC servo đƣợc dùng trong đồ án
Tên động cơ: Towerpro MG946R
Vật liệu: nhựa và đồng
Kích thước: 41mm x 20mm x 43mm
Gian hàng mô-men xoắn: 10.5kg/cm( 4.8V), 13kg/cm( 6V)
Tốc độ hoạt động: 0.20 giây/60degree( 4.8V); 0,17 giây/60degree( 6.0v)
Bánh loại: tất cả các bánh răng kim loại
Cung cấp điện: thông qua bên ngoài bộ chuyển đổi
Chiều dài dây kết nối: 300mm
Hình 2-47: Động cơ Servo MG946R.
Mô hình và kích thước tổng thể cánh tay máy
Hình 2-48: Mô hình tay máy
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang50
Hình 2-49: Kích thước tay máy.
Biểu diễn hướng và vị trí
2.12.5.1 Biểu diễn ma trận một điểm
Một điểm trong không gian có thể biểu diễn ba thành phần liên hệ của nó thông qua hệ trục tham chiếu:
𝑃 = 𝑎 𝑥 𝑖 + 𝑏 𝑦 𝑗 + 𝑐 𝑧 𝑘 Với 𝑎 𝑥 ,𝑏 𝑦 ,𝑐 𝑧 là thành phần theo ba trục của một điểm trong hệ tọa đọ Oxyz
Hình 2-50: Biểu diễn một điểm trong hệ trục tọa độ
Ma trận 4x4 biểu diễn điểm P trong không gian:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang51
2.12.5.2 Biểu diễn một hệ trục trong một hệ trục tham chiếu cố định khác
Khi một hệ trục tọa độ không nằm ở vị trí chuẩn, điểm gốc sẽ liên kết với trục tham chiếu thông qua một ma trận Một vector được vẽ từ góc của hệ trục tọa độ đến góc của hệ trục tọa độ tham chiếu, với các thành phần được biểu diễn qua hệ trục tham chiếu.
Hình 2-51: Biểu diễn một hệ trục trong một hệ trục khác
Vì vậy hệ trục được biểu diễn với ba vector đơn vị chỉ hướng và điểm đặt được biểu diễn nhƣ hình vẽ
AVới 𝑛 , 𝑜 , 𝑎 là các vector chỉ phương và 𝑃 𝑥 , 𝑃 𝑦 , 𝑃 𝑧 là tọa độ của gốc hệ trục mới
2.12.5.3 Biểu diễn sự chuyển động tịnh tiến
Chuyển động tịnh tiến là sự di chuyển trong không gian của một hệ trục là không thay đổi hướng
Hình 2-52: Biểu diễn sự chuyển động tịnh tiến
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang52
Khi vector chỉ phương không thay đổi chỉ có chuyển động tịnh tiến, ma trận chuyển vị đƣợc biểu diễn:
Khi đó điểm đặt mới của hệ trục đƣợc viết:
2.12.5.4 Biểu diễn sự quay quanh một trục
- Ma trận chuyển vị quay theo trục x so với hệ trục tham chiếu:
- Ma trận chuyển vị quay theo trục y so với hệ trục tham chiếu:
- Ma trận chuyển vị quay theo trục z so với hệ trục tham chiếu:
Với s𝜃 và c𝜃 tương ứng với Sin(𝜃) và Cos(𝜃).
Bài toán động học thuận
Hầu hết các robot được cấu tạo từ một chuỗi các khâu và khớp nối, với các khớp có thể là tịnh tiến hoặc xoay Sự sắp xếp của các khớp phụ thuộc vào thiết kế và mục đích hoạt động của robot Cấu hình của robot có thể được hình thành từ bất kỳ tập hợp nào của các khâu và khớp, cho phép chúng ta giải quyết các vấn đề thông qua mô hình hóa.
Mô hình hóa bằng phương pháp Denavit-Hartenberg hiện đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực robot, nhờ vào khả năng biểu diễn đơn giản các khâu và khớp của robot Phương pháp này có thể áp dụng cho mọi cấu hình robot, từ đơn giản đến phức tạp, và cho phép sử dụng kết quả để giải quyết các bài toán liên quan đến Jacobi và phân tích lực.
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang53
Hình 2-53: Mô hình hóa robot và các thông số động học theo quy tắc D-H
Mô hình hóa theo phương pháp D-H bắt đầu bằng việc gắn hệ trục tham chiếu lên từng khớp của robot Các khớp được đánh số từ 0 đến n, trong đó n là số khâu của robot và bệ robot được đánh số 0 Tại mỗi khớp, cần gắn trục z và x, trong khi trục y có thể xác định theo quy tắc tam diện thuận.
Trục z của khớp trùng với trục khớp, với hướng di chuyển của trục z xác định theo loại khớp Đối với khớp tịnh tiến, trục z hướng ra xa khớp, trong khi đối với khớp quay, trục z được xác định theo hướng quay của khớp.
Trục x sẽ song song với đường vuông góc chung giữa các trục khớp Nếu các trục khớp song song x sẽ trùng với đừng tâm khâu
Ma trận chuyển vị từ hệ trục n đên hệ trục n+1: nTn+1 𝑐𝜃 𝑛+1 −𝑠𝜃 𝑛+1 𝑐𝛼 𝑛+1 𝑐𝜃 𝑛+1 𝑐𝛼 𝑛+1 𝑙 𝑛+1 𝑐𝜃 𝑛+1
Với các giá trị của bằng D-H:
- 𝜃i: góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi
- Li: khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương xi
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang54
- Di: khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương zi-1
- 𝛼 i: góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi
2.12.6.2 Bài toán động học thuận cho cánh tay máy
Trong phần này chúng ra sẽ tính toán động học thuận của cánh tay Robot3 bậc tự do gồm 3 khớp quay
Sử dụng phương pháp DENAVIT-HARTENBERD đặt hệ trục lên robot như hình bên dưới:
Hình 2-54: Đặt hệ trục lên cánh tay máy
Ma trận biểu diễn hướng và vị trí khâu 1 so với khâu 0:
Ma trận biểu diễn hướng và vị trí khâu 2 so với khâu 1:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang55
Ma trận biểu diễn hướng và vị trí khâu 3 so với khâu 2:
Ma trận chuyển vị khâu 3 so với khâu cơ sở ( khâu 0 ) :
Kết quả sau khi nhân các ma trận :
Từ ma trận 0 T3 ta có :
Với quy ƣớc: c2=cos𝜃 2 ; c3=cos𝜃 3 ; s2=sin𝜃 2 ; s3=sin𝜃 3 ; c23=cos(𝜃 2 + 𝜃 3 ) ; s23=sin(𝜃 2 + 𝜃 3 ) ;
Bài toán động học nghịch
Thông qua bài toán động học thuận, chúng ta xác định các biến khớp cần điều khiển như 𝜃₁, 𝜃₂, 𝜃₃ Bài toán nghịch sẽ tìm nghiệm cho các biến khớp này, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tay máy.
Từ kết quả của bài toán thuận các giá tri nghiệm của các biến đƣợc tính toán nhƣ sau:
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang56
Chương II: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Trang57
