Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ Ứng Dụng Cơ Cấu 4 Khâu Bản Lề

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề, mang lại giải pháp sáng tạo trong công nghệ chế tạo máy.

• Tác giả: Đinh Ngọc Tịnh
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ Ứng Dụng Cơ Cấu 4 Khâu Bản Lề
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Nghiên cứu về mô hình mô phỏng cơ cấu Jansen
• 2.2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 2.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 2.2.2. Các nghiên cứu trong nước
• 2.3. Đặc tính của mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Khái niệm cơ bản
• 3.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề
• 3.2.1. Điều kiện để quay toàn vòng của khâu nối giá
• 3.2.2. Tỷ số vận tốc giữa 2 khâu nối giá
• 3.2.3. Các biến thể khác của cơ cấu 4 khâu bản lề
• 3.2.3.1. Cơ cấu tay quay con trượt
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ CƠ CẤU 4 KHÂU BẢN LỀ
• 4.1. Ý nghĩa của bộ chân đi bộ
• 4.2. Nhược điểm của cơ cấu chân đi bộ
• 4.3. Ưu điểm của cơ cấu chân đi bộ
• 4.4. Ưu điểm của cơ cấu chân đi bộ khi vượt chướng ngại vật
• 4.5. Mối quan hệ giữa cơ cấu 4 khâu bản lề và cơ cấu Jansen
• 4.6. Mô hình và mô phỏng chuyển động của robot di động sử dụng cơ cấu Jansen
• 4.6.1. Phương án 1: 2 cặp chân
• 4.6.2. Phương án 2: 4 cặp chân
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ CẤU 4 KHÂU BẢN LỀ
• 5.1. Yêu cầu của mô hình
• 5.2. Thiết kế mô hình cơ cấu 4 khâu bản lề
• 5.3. Thông số chi tiết
• 5.4. Các chi tiết khác
• 6. CHƯƠNG 6: BỘ TRUYỀN ĐAI VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 6.1. Tính toán bộ truyền đai
• 6.2. Bộ điều khiển
• 6.3. Tính toán chọn động cơ
• KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ

Nghiên cứu thiết kế bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành cơ khí. Bộ chân này không chỉ có khả năng di chuyển trên các bề mặt gồ ghề mà còn có thể ứng dụng trong các thiết bị hỗ trợ vận động và robot. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện khả năng di chuyển mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai.

1.1. Ý Nghĩa Khoa Học Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này mang lại giá trị lớn trong việc hiểu biết sâu hơn về cơ cấu 4 khâu bản lề. Nó không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức mà còn tạo ra các ứng dụng thực tiễn quan trọng trong ngành cơ khí.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ Chân Đi Bộ

Bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề có thể được sử dụng trong các thiết bị hỗ trợ đi lại cho người khuyết tật, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và khả năng tự lập của họ.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc thiết kế bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ bền, khả năng chịu tải và tính ổn định trong quá trình di chuyển là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Bền Và Khả Năng Chịu Tải

Độ bền của bộ chân đi bộ là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng hoạt động lâu dài. Cần phải lựa chọn vật liệu phù hợp để đảm bảo tính bền vững của sản phẩm.

2.2. Tính Ổn Định Trong Quá Trình Di Chuyển

Tính ổn định là một thách thức lớn khi thiết kế bộ chân đi bộ. Cần phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo bộ chân có thể hoạt động hiệu quả trên các bề mặt không đồng nhất.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Chân Đi Bộ Ứng Dụng Cơ Cấu 4 Khâu

Để thiết kế bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề, cần áp dụng các phương pháp khoa học và kỹ thuật hiện đại. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng và các công cụ thiết kế sẽ giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng

Phần mềm mô phỏng như SolidWorks giúp tạo ra các mô hình 3D chính xác, từ đó dễ dàng phân tích và tối ưu hóa thiết kế của bộ chân đi bộ.

3.2. Tính Toán Các Thông Số Kỹ Thuật

Việc tính toán các thông số kỹ thuật như kích thước, trọng lượng và lực tác động là rất quan trọng để đảm bảo bộ chân hoạt động hiệu quả và an toàn.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề có khả năng hoạt động tốt trên nhiều loại địa hình khác nhau. Các mô hình thử nghiệm đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thiết kế.

4.1. Mô Hình Thử Nghiệm Thành Công

Mô hình thử nghiệm cho thấy bộ chân có thể di chuyển linh hoạt trên các bề mặt gồ ghề, chứng minh tính khả thi của thiết kế.

4.2. Ứng Dụng Trong Robot Di Động

Bộ chân đi bộ có thể được ứng dụng trong các robot di động, giúp cải thiện khả năng di chuyển và thích ứng với môi trường.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu thiết kế bộ chân đi bộ ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực cơ khí. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến thiết kế và ứng dụng bộ chân đi bộ trong các lĩnh vực khác nhau như y tế và công nghiệp.

5.2. Tiềm Năng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ chế tạo và thiết kế bộ chân đi bộ sẽ tiếp tục phát triển, mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu phát triển các hệ thống robot có khả năng di chuyển linh hoạt trên các địa hình phức tạp, gồ ghề, lồi lõm đang ngày càng gia tăng trong kỹ thuật hiện đại. Các phương tiện di chuyển bằng bánh xe truyền thống thường gặp nhiều hạn chế khi đối mặt với chướng ngại vật dạng bậc hoặc mặt đường không bằng phẳng. Việc nghiên cứu ứng dụng cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng và các biến thể nhiều khâu như cơ cấu Theo Jansen cho phép mô phỏng bước đi tự nhiên của động vật, mở ra các tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong thiết bị hỗ trợ vận động cho người khuyết tật, thiết bị thám hiểm hoặc công nghiệp khai thác. Đồng thời, đề tài hướng đến việc xây dựng mô hình trực quan phục vụ công tác đào tạo chuyên ngành cơ khí.

Theo thuyết minh đồ án tốt nghiệp mã số CKM - 34 của sinh viên Đinh Ngọc Tịnh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2024), nghiên cứu đặt ra 4 mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

1. Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu, giáo trình chuyên ngành liên quan đến cơ cấu 4 khâu bản lề và phân tích sâu các quy luật chuyển động của cơ cấu.
2. Thiết kế robot mô hình mô phỏng: Thiết kế hệ thống mô hình mô phỏng cơ cấu 4 khâu bản lề trên cơ sở lựa chọn vật liệu và linh kiện phù hợp, dễ gia công, thuận tiện cho việc thay thế và bảo trì.
3. Chế tạo mô hình nguyên lý máy: Lựa chọn, tính toán và gia công các linh kiện cấu thành cơ cấu bao gồm động cơ, trục, bánh đai, puly, ổ bi và hệ thống các thanh liên kết.
4. Xây dựng clip mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng động học, trực quan hóa quá trình hoạt động của hệ thống chân đi bộ.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình cơ cấu 4 khâu bản lề biến thể (cơ cấu Jansen) có khả năng di chuyển tịnh tiến. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán động học giải tích, mô phỏng trên phần mềm SolidWorks 2018 và Matlab, cùng quy trình gia công chế tạo mô hình thực nghiệm 8 chân (4 cặp chân) dẫn động bằng động cơ DC 12V qua bộ truyền đai puly.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết Nguyên lý máy và động học cơ cấu phẳng:

• Khái niệm cơ bản về khâu và khớp động: Khâu là đơn vị chuyển động, chi tiết máy là đơn vị chế tạo. Phân loại khớp động theo bậc tự do hạn chế (từ loại I đến loại V), theo tính chất chuyển động (khớp phẳng, khớp không gian) và theo dạng tiếp xúc (khớp thấp tiếp xúc mặt, khớp cao tiếp xúc đường hoặc điểm).
• Cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng: Gồm 4 khâu nối với nhau bằng các khớp quay phẳng, bao gồm khâu cố định (giá), hai khâu nối giá (tay quay hoặc thanh lắc) và khâu thanh truyền chuyển động song phẳng. Điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá được xác định thông qua tập hợp vết chờ ${B_1} \subset {B_2}$ phủ trong miền vành khăn tâm $D$.
• Phân tích tỷ số truyền: Xác định tỷ số vận tốc góc $i_{13} = \frac{\omega_1}{\omega_3}$ thông qua phương pháp họa đồ vận tốc và phương pháp tâm quay tức thời ($P_{13}$, $P_{24}$). Khảo sát các biến thể liên quan như cơ cấu tay quay con trượt, cơ cấu culit và cơ cấu Sin.
• Cơ cấu Theo Jansen: Là một biến thể động học phức tạp của cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng, bao gồm 8 khâu liên kết với nhau bằng các khớp quay tạo thành chuỗi vòng lặp kín, trong đó khâu 1 đóng vai trò là tay quay dẫn động.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp giải tích vectơ và lượng giác: Thiết lập hệ phương trình vòng vectơ khép kín cho từng nhánh cơ cấu. Sử dụng hàm khoảng cách $D_j = \sqrt{(C_{2x} - C_{1x})^2 + (C_{2y} - C_{1y})^2}$ và hàm lượng giác $\theta_i = \text{Atan2}(C_{2y} - C_{1y}, C_{2x} - C_{1x})$ để tính toán chính xác tọa độ các giao điểm từ $C_{1_2}$ đến $C_{11_12}$.
• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB để giải hệ phương trình vị trí, vẽ quỹ đạo chuyển động của điểm tiếp đất $C_{11_12}$ khi góc quay tay quay $\theta_r$ biến thiên từ $0^\circ$ đến $360^\circ$; sử dụng phần mềm SolidWorks 2018 để xây dựng mô hình 3D và kiểm tra tương quan hình học.
• Phương pháp gia công chế tạo thực nghiệm: Kết hợp công nghệ cắt laser biên dạng nhôm tấm, gia công phay CNC vị trí lỗ lắp bạc đạn, tiện trục dẫn mạ crom và lắp ráp hoàn thiện.

Thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình

Hệ thống cơ cấu chân đi bộ được thiết kế và chế tạo với các thông số kỹ thuật và quy cách vật liệu cụ thể:

• Vật liệu kết cấu: Các khâu từ 1 đến 7 được chế tạo từ hợp kim nhôm 6061 nhằm đảm bảo khối lượng nhẹ, độ bền cơ học và độ bóng bề mặt cao sau gia công. Khung thân robot sử dụng kết cấu nhôm kết hợp gỗ định hình. Trục dẫn động và các trục liên kết làm bằng thép tròn mạ crom chống mài mòn.
• Ổ lăn: Toàn bộ các khớp xoay sử dụng ổ bi đỡ cầu tiêu chuẩn 688zz. Vị trí lắp ổ lăn trên các thanh nhôm được phay CNC theo dung sai lắp chặt, đồng thời gia công bổ sung các lỗ ren M3 xung quanh để bắt vít chặn, khống chế không cho ổ bi bị xô lệch hoặc tuột ra ngoài trong quá trình chuyển động lâu dài.
• Bộ tiếp đất: Tại điểm tiếp xúc mặt sàn của khâu số 1 (giao điểm $C_{11_12}$), cơ cấu được gắn bổ sung các núm cao su đệm nhằm hạn chế trầy xước chi tiết và tăng hệ số ma sát khi tiếp xúc với nền.
• Hệ thống truyền động và nguồn cấp: Sử dụng 1 động cơ DC giảm tốc 12V. Hệ thống phân phối chuyển động giữa các trục sử dụng bộ truyền đai răng gồm puly GT2 (40 răng, trục 8mm), puly XL 5M (trục 8mm), kết hợp dây đai răng GT2 bản rộng 6mm và dây đai HTD 5M. Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn từ bộ nguồn tổ ong 12V thông qua mạch điều khiển.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài trong việc giải quyết bài toán di chuyển trên địa hình gồ ghề của robot và thiết bị hỗ trợ vận động. Tác giả xác định rõ ý nghĩa khoa học trong việc làm sáng tỏ lý thuyết động học cơ cấu nhiều khâu, ý nghĩa thực tiễn trong công tác đào tạo kỹ thuật, đồng thời công bố mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và kết cấu tổng thể gồm 6 chương của đồ án.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng hợp lịch sử phát triển cơ cấu Jansen từ ý tưởng của nghệ sĩ - kỹ sư Theo Jansen. Tác giả khảo sát các công trình nghiên cứu ngoài nước tại Đại học MIT (tối ưu hóa robot vượt địa hình khó khăn), ETH Zurich (tích hợp cảm biến điều khiển), Đại học Delft (phân tích động lực học chuyên sâu) và Đại học Tokyo (biến thể cứu hộ, y tế). Về nghiên cứu trong nước, tác giả điểm qua các đề tài tại Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật. Chương này cũng phân tích các đặc tính vận hành nổi bật của cơ cấu: chuyển động mô phỏng sinh học, liên kết vòng kín chính xác cao, khả năng tối ưu lực đẩy và hiệu quả tiết kiệm năng lượng.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 hệ thống hóa các khái niệm nền tảng của môn học Nguyên lý máy:

• Định nghĩa khâu động, khớp động, điều kiện ràng buộc và phân loại khớp động 5 loại trong hệ tọa độ Descartes.
• Khảo sát cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng, thiết lập điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá dựa trên quan hệ miền hình vành khăn của các tập hợp vết chờ.
• Phân tích tỷ số truyền vận tốc góc $i_{13}$ và cách xác định thông qua tâm vận tốc tức thời $P_{13}, P_{24}$.
• Khảo sát các biến thể động học: cơ cấu tay quay con trượt, cơ cấu culit và cơ cấu Sin với phương trình vị trí $x_B = AB \cdot \sin\alpha$.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về cơ cấu 4 khâu bản lề

Chương này tập trung vào phân tích động học giải tích và so sánh giải pháp kết cấu:

• Đánh giá ưu điểm của cơ cấu chân đi bộ so với bánh xe truyền thống: bánh xe dễ bị kẹt và suy giảm vận tốc ngang khi va chạm chướng ngại vật thẳng đứng (như bậc thang), trong khi chân đi bộ có thể nhấc bổng và bước qua mép cản, giúp tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ khi vượt gồ ghề.
• Thiết lập hệ phương trình giải tích vị trí cho cơ cấu Jansen bằng phương pháp tách thành 4 cụm cơ cấu 4 khâu khép kín, tính toán tọa độ các giao điểm từ $C_{1_2}$ đến điểm tiếp đất $C_{11_12}$ qua hàm lượng giác và $\text{Atan2}$.
• Mô phỏng động học trên MATLAB và SolidWorks nhằm xác định quỹ đạo chuyển động chu kỳ của chân.
• Tiến hành thu nhỏ kích thước hình học các khâu thực tế theo tỷ lệ 1:2 để phù hợp với năng lực gia công chế tạo tại xưởng.
• Đánh giá và so sánh hai phương án kết cấu robot:

Tiêu chí so sánh	Phương án 1: 2 cặp chân (4 chân)	Phương án 2: 4 cặp chân (8 chân)
Tính ổn định tĩnh và động	Mỗi chu kỳ chỉ có tối đa 2 điểm tiếp đất; robot không thể tự đứng vững.	Luôn có 4 điểm tiếp đất đồng thời trong suốt chu kỳ; robot đứng vững và tịnh tiến ổn định.
Độ phức tạp kết cấu	Kết cấu đơn giản, ít chi tiết gia công.	Kết cấu phức tạp, yêu cầu gia công và lắp ráp chính xác 8 cụm cơ cấu.
Khối lượng và chi phí	Trọng lượng nhẹ, chi phí vật tư thấp, dễ vận chuyển.	Trọng lượng nặng hơn, chi phí vật tư và gia công cao hơn.
Tính thẩm mỹ và ứng dụng	Thấp, chỉ mang tính minh họa nguyên lý đơn lẻ.	Cao, mô phỏng chuyển động sinh học hoàn chỉnh.
Lựa chọn của tác giả	Không lựa chọn.	Được lựa chọn để thiết kế và chế tạo thực tế.

Chương 5: Thiết kế mô hình cơ cấu 4 khâu bản lề

Chương 5 trình bày chi tiết bản vẽ kỹ thuật và quy trình công nghệ chế tạo:

• Lập bảng thông số hình học cho 7 khâu cơ bản (từ khâu 1 đến khâu 7).
• Trình bày bản vẽ chi tiết gia công và hình ảnh thực tế của từng khâu: Khâu 1 (thanh chân tiếp đất, có bố trí đệm cao su), Khâu 2, Khâu 3, Khâu 4, Khâu 5, Khâu 6 và Khâu 7.
• Thiết kế các chi tiết phụ trợ: khung thân ngựa, hộp đựng nguồn pin, nắp hộp nguồn, bạc gá motor, tấm gá puly, ke L, mặt bích, long đền khâu 7, gối đỡ đệm cao su và các loại trục từ Trục 1 đến Trục 6.
• Quy định dung sai lắp ghép chặt cho các vị trí lắp vòng bi 688zz và bố trí lỗ ren M3 kẹp giữ chống tuột bi.

Chương 6: Bộ truyền đai và bộ điều khiển

Chương 6 trình bày các tính toán liên quan đến phần động lực và điều khiển của mô hình:

• Tính toán lựa chọn động cơ điện một chiều giảm tốc 12V đảm bảo đủ mô-men xoắn để thắng lực ma sát của toàn bộ 8 cụm chân liên kết.
• Lựa chọn thông số bộ truyền đai răng (puly GT2 40 răng, puly XL 5M, dây đai GT2 bản 6mm, dây đai HTD 5M) nhằm đồng bộ hóa chuyển động quay giữa các trục mà không xảy ra hiện tượng trượt.
• Bố trí mạch điều khiển và nguồn tổ ong 12V cấp điện cho hệ thống vận hành liên tục.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm:

• Xây dựng thành công mô hình toán giải tích mô tả chính xác vị trí và quỹ đạo của điểm tiếp đất $C_{11_12}$ theo góc quay tay quay $\theta_r$ từ $0^\circ$ đến $360^\circ$.
• Xuất bản bộ thông số kích thước hình học hoàn chỉnh cho 1 bộ chân robot Jansen sau khi rút tỉ lệ 1:2 phục vụ gia công thực tế.
• Mô phỏng thành công trên phần mềm SolidWorks 2018 và Matlab chuyển động của 1 chân và cặp chân, chứng minh rõ quỹ đạo nhấc chân vượt chướng ngại vật.
• Gia công hoàn thiện các chi tiết cơ khí bằng nhôm 6061, trục thép mạ crom và lắp ráp thành công mô hình vật lý robot 8 chân (4 cặp chân) hoạt động ổn định chỉ với 1 động cơ DC giảm tốc 12V.

Về giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

• Sử dụng phương pháp gia công kết hợp: cắt laser định hình biên dạng ngoài và phay CNC lỗ lắp ổ lăn để tối ưu chi phí gia công mà vẫn đảm bảo dung sai lắp ghép chặt.
• Bố trí các lỗ ren M3 xung quanh ổ bi để lắp ốc hãm cơ khí, ngăn ngừa sự cố rơi rơ vòng bi trong quá trình vận hành dài hạn.
• Gắn núm đệm cao su tại các đầu tiếp đất nhằm tăng hệ số ma sát và bảo vệ bề mặt chi tiết nhôm.

Đóng góp của đề tài:

• Đồ án đã hiện thực hóa lý thuyết cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng và cơ cấu Jansen thành một mô hình vật lý hoàn chỉnh, có tính trực quan cao.
• Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán động học giải tích, lập bản vẽ chế tạo cơ khí chính xác và phương án truyền động đồng bộ cho các hệ thống chân đi bộ nhiều khâu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được ghi nhận trong văn bản:

• Cơ cấu Jansen có số lượng khâu và khớp quay lớn (8 khâu cho mỗi chân, tổng cộng 8 chân gồm 64 khâu), dẫn đến tổn hao ma sát tích lũy lớn, đòi hỏi mô-men xoắn dẫn động đầu vào cao.
• Bước đi và chiều cao nhấc chân bị cố định hoàn toàn theo kích thước hình học chế tạo sẵn của các khâu liên kết, không thể tự động điều chỉnh linh hoạt theo từng dạng địa hình ngẫu nhiên.
• Hệ thống cơ cấu mới dừng lại ở việc dẫn động tịnh tiến cơ học thuần túy bằng 1 động cơ DC qua bộ truyền đai đồng tốc, chưa tích hợp các cảm biến nhận diện chướng ngại vật hay hệ thống điều khiển tự động thay đổi hướng di chuyển.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Tích hợp thêm cảm biến hồi tiếp (cảm biến khoảng cách, cảm biến góc nghiêng) và bộ vi điều khiển để robot có khả năng tự nhận diện địa hình và tự động đổi hướng.
• Nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu và vật liệu nhằm giảm thiểu khối lượng và giảm lực ma sát tại các khớp quay.
• Phát triển các khớp có khả năng thay đổi chiều dài khâu nhằm chủ động điều chỉnh biên độ bước chân khi vận hành.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các ngành:

• Công nghệ Chế tạo Máy, Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo quy trình thiết kế bản vẽ chi tiết, phương pháp gia công kết hợp cắt laser - phay CNC, lựa chọn dung sai lắp ghép ổ lăn và tính toán truyền động đai răng.
• Cơ điện tử và Robot học: Tham khảo phương pháp toán học giải tích chuỗi vòng lặp kín bằng hàm $\text{Atan2}$, thuật toán mô phỏng chuyển động trên MATLAB và phương pháp đồng bộ hóa hệ thống chân đi bộ mô phỏng sinh học.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm:

• Toàn bộ hệ phương trình toán học giải tích vị trí các giao điểm từ $C_{1_2}$ đến $C_{11_12}$ tại Chương 4.
• Tập hợp bản vẽ kỹ thuật chi tiết gia công các khâu nhôm và các loại trục mạ crom tại Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu chân đi bộ trong đồ án gồm bao nhiêu khâu và có mối liên hệ như thế nào với cơ cấu 4 khâu bản lề? Cơ cấu Theo Jansen cho mỗi chân gồm 8 khâu liên kết với nhau bằng các khớp quay phẳng, trong đó khâu số 1 (thanh dẫn $l_2$) là tay quay chủ động. Về mặt động học, cơ cấu này là biến thể mở rộng phức tạp, được cấu thành từ 4 cụm cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng liên kết khép kín với nhau.

2. Tại sao tác giả lựa chọn phương án 4 cặp chân (8 chân) thay vì 2 cặp chân (4 chân)? Phương án 2 cặp chân (4 chân) tuy nhẹ và tiết kiệm chi phí nhưng tại mỗi thời điểm chu kỳ chỉ có tối đa 2 điểm tiếp xúc với mặt sàn, khiến mô hình không thể tự đứng vững. Phương án 4 cặp chân (8 chân) đảm bảo tại mọi thời điểm luôn có đúng 4 chân tiếp đất, giúp robot đạt độ ổn định tĩnh và động cao, đứng vững và di chuyển tịnh tiến êm ái.

3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định vị trí điểm tiếp đất $C_{11_12}$ của chân robot? Tác giả sử dụng phương pháp giải tích hình học dựa trên giao điểm của hai vòng tròn trong hệ tọa độ Descartes $OXY$. Vị trí các nút được tính toán thông qua công thức khoảng cách tâm $D_j$, tính toán tọa độ điểm phụ $P_i(P_{ix}, P_{iy})$ và hàm lượng giác góc $\theta_i = \text{Atan2}(C_{2y}-C_{1y}, C_{2x}-C_{1x})$ để giải ra tọa độ điểm cuối $C_{11_12}$.

4. Khâu tiếp xúc mặt đất (Khâu 1) và các vị trí lắp ổ bi được xử lý công nghệ như thế nào? Các khâu được cắt laser tạo biên dạng ngoài từ nhôm tấm 6061, sau đó gia công phay CNC vị trí lỗ lắp bạc đạn 688zz theo dung sai lắp chặt và tạo các lỗ ren M3 bắt vít khóa giữ ổ bi. Riêng khâu 1 được gắn thêm các núm đệm cao su tại đầu tiếp đất để chống mài mòn, chống trầy xước và tăng độ bám ma sát.

5. Hệ thống truyền động của mô hình sử dụng các loại linh kiện cụ thể nào? Mô hình sử dụng 1 động cơ DC giảm tốc 12V truyền động đến các trục chân thông qua bộ truyền đai răng, bao gồm puly GT2 (40 răng, trục 8mm), puly XL 5M (trục 8mm), dây đai GT2 (bản rộng 6mm) và dây đai HTD 5M.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đinh Ngọc Tịnh đã hoàn thành việc nghiên cứu, tính toán động học và chế tạo thực nghiệm mô hình bộ chân đi bộ 8 chân ứng dụng biến thể cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng Theo Jansen. Nghiên cứu đã thiết lập thành công hệ phương trình giải tích xác định quỹ đạo tiếp đất, mô phỏng kiểm chứng trên MATLAB/SolidWorks và hoàn thiện mô hình vật lý dẫn động đồng bộ bằng động cơ DC 12V qua hệ thống đai răng. Kết quả của đồ án cung cấp một tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao từ lý thuyết nguyên lý máy đến thực tế gia công chế tạo cơ khí chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Giới thiệu. - Chương II: Tổng quan nghiên cứu đề tài. - Chương III: Cơ sở lý thuyết. - Chương IV: Cơ sở lý thuyết và tính toán về cơ cấu Jansen.

- Chương V: Thiết kế mô hình ứng dụng cơ cấu Jansen. - Chương VI: Bộ truyền đai và bộ điều khiển. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Đây là các cơ cấu được sử dụng để chuyển đổi hoặc biến đổi chuyển động, lực và công suất trong các hệ thống máy móc.

Hiểu biết về cơ sở lý thuyết của cơ cấu này là rất quan trọng để có thể áp dụng vào thiết kế và phát triển các thiết bị cơ khí. Phiên bản cơ cấu 4 khâu bản lề này được lấy ý tưởng từ nhà bác học Theo Jansen, người Hà Lan, cơ chế này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư vì tính độc đáo và linh hoạt của nó và cơ cấu này được lấy theo tên nhà bác học Jansen. Cơ cấu Jansen là một loại cơ cấu cơ học đặc biệt được thiết kế để tạo ra chuyển động của các cấu trúc 4 khâu bản lề, thường được sử dụng để mô phỏng chuyển động của chân của các loài động vật như nhện hoặc côn trùng. Cơ cấu Jansen thường bao gồm một loạt các chân còn được gọi là khâu được nối với nhau thông qua các khớp nối.

Khi một lực đưa vào một phần của cơ cấu, các chân của nó sẽ bắt đầu di chuyển theo một chuỗi các chuyển động phức tạp. Điểm đặc biệt của cơ cấu này chính là khả năng tạo ra các chuyển động tự nhiên và đa dạng. Một trong những ứng dụng phổ biến của cơ cấu Jansen là trong các robot di động. Bằng cách mô phỏng chuyển động của côn trùng hoặc động vật khác, các robot có thể vận hành trên các mặt đất không đồng nhất một cách hiệu quả hơn.

Ngoài ra, cơ cấu Jansen cũng được sử dụng trong nghiên cứu về năng lượng tái tạo, nơi nó có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị tạo ra năng lượng từ gió hoặc nước. 4 Nguồn: https://en.org/wiki/Main_Page Nguồn: https://cameralabs.org/8616-ogromnye-kineticheskie-skulptury-teo- yansena-kotorye-peredvigayutsya-s-pomoshchyu-vetra 5 Nguồn: https://nevonprojects.com/8-leg-spider-robot-using-theo-jansen- linkage/ Hình 2.1 Một số hình ảnh về cơ cấu Jansen.2 Nghiên cứu về mô hình mô phỏng cơ cấu Jansen. Trong lĩnh vực cơ khí, đã có nhiều nghiên cứu về việc phát triển mô hình mô phỏng các cơ cấu Jasen để hiểu rõ hơn về hoạt động của chúng. Các nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng phần mềm mô phỏng và các kỹ thuật kỹ thuật số để tạo ra mô hình chính xác và linh hoạt.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một mô hình mô phỏng 3D của hệ thống truyền động của các khớp. Mô hình này được tạo ra bằng cách sử dụng phần mềm CAD (Computer Aided Design) và các công cụ mô phỏng động học (kinematic simulation) để tái tạo lại chính xác cấu trúc và hoạt động của hệ thống truyền động. Nghiên cứu này mang lại giá trị lớn trong việc hiểu biết sâu hơn về cách hoạt động của các hệ thống truyền động 4 khâu bản lề và cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng cho việc phát triển và cải tiến các thiết bị và máy móc trong ngành cơ khí.3 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài.1 Các nghiên cứu ngoài nước. - Đại học MIT (Massachusetts Institute of Technology), Hoa Kỳ: Tại MIT, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cơ cấu Jansen để phát triển các robot di động có khả năng hoạt động trên các địa hình khó khăn.

Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số thiết kế để tăng cường khả năng thích ứng và ổn định của robot.