ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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 TRƯỜNG 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 Hướng dẫn khoa học: Phạm Thành Long Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i1Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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: Hướng dẫn khoa học: KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC BAN GIÁM HIỆU Công nghệ Chế tạo máy Phạm Mạnh Thắng CHK14 Phạm Thành Long HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN KHOA CHUN MƠN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i2Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ THÁI NGUYÊN - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Phạm Mạnh Thắng Nơi công tác: Trường 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 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi Các số liệu, kết có luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Phạm Mạnh Thắng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i3Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa khí, thầy cô giáo trường 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 Trường 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 hạn chế nên chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong muốn nhận dẫn từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện có ý nghĩa thực tiễn Xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i4Nguyên 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 Phương pháp nghiên cứu 12 Công cụ nghiên cứu 12 CHƯƠNG - 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 Hướng nghiên cứu đề tài 25 1.6 27 CHƯƠNG – 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 phương án tác động điều khiển trì lực kẹp Kết luận chương 30 38 CHƯƠNG – THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU QUAN TRỌNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÀN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i5Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TAY 3.1 Tính chọn độ cứng lò xo theo tải trọng danh nghĩa bàn tay 39 3.2 Tính chọn độ cứng lò 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 cơng 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 Thá-i6Nguyên 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 hướng tiếp cận vật thể bàn kẹp) A Transpose (A) i Góc quay quanh trục ox 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 Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz Tn Phương trình liên kết robot i Biểu diễn hệ quy chiếu (i) hệ quy chiếu (i-1) T Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox (mm) (rad) (mm) 10 11 A 1i 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 lò xo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i7N-guyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU 1.1 NỘI DUNG BẢNG BIỂU TRANG So sánh tnh 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 ngược điểm keypoint Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thá-i8N-guyên 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 TRANG 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 người 1.3b Bàn tay với cảm biến xúc giác sinh tay người 1.4 Bàn tay hai ngón mở 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 phương án tác động lên khâu chấp hành 1.10 Phương án truyền dẫn công suất hai điểm 1.11 1.12 Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động sở đàn hồi Tay kẹp không 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 Thá-i9N-guyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ quy trình tính tốn thơng tin điều khiển chuyển vị lực bàn tay làm việc đối tượng 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 tưởng 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 nhiệt độ cao hay thấp, ăn mòn, áp suất ẩm ướt lợi việc không sử dụng nguồn dẫn động mang lại Qua luận văn thấy hệ điện tử robot cơng nghiệp chức điều khiển hồn chỉnh có tham dự kết cấu khí mang tín hiệu điều khiển kiểu truyền thống 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 ưu độ bền đơn giản sử dụng mà lúc phương án điều khiển điện tử đạt 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 hình thành giải toán động học ngược phương pháp số mạch điều khiển Tiếp tục đạt thời gian tới tác giả tiếp tục phát triển đề tài theo hướng 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 Th-ái5N6 guyên 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 fnger tips for humanoid robot hand Journal of Robotics and Mechatronics, 17(6), 655–663 Jacobsen, S C., Iversen, E K., Knuti, 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-fngered 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., & Difler, 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 threefngered 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái5N7 guyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 Yoshikawa, T., Koeda, M., & Fukuchi, H (2007) Grasping and manipulation by soffingered 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 Th-ái5N8 guyên 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 Knuti, 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 fnger 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 PHỤ LỤC Các vẽ chế tạo bàn tay robot Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái5N9 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N0 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N1 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N2 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N3 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N4 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N5 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N6 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N7 g- uyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Th-ái6N8 g- uyên tnu.edu.vn/ http://www.lrc- ... lĩnh vực hạn chế nguyên nhân dẫn đến ứng dụng bàn tay không dẫn động độc lập 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: Hướng 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 Hướng dẫn khoa học: Phạm