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. - Đại học ETH Zurich, Thụy Sĩ: Các nghiên cứu tại ETH Zurich đã khám phá cách thức cơ cấu Jansen có thể được tích hợp vào các hệ thống robot hiện đại. Những nghiên cứu này không chỉ tập trung vào mặt cơ học mà còn tích hợp các công nghệ cảm biến và điều khiển tự động để nâng cao hiệu suất của robot. - Đại học Delft, Hà Lan: Là quê hương của Theo Jansen, Đại học Delft có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về cơ cấu Jansen.
Các nhà nghiên cứu tại đây đã thực hiện các thí nghiệm và phân tích chi tiết về động học và động lực học của cơ cấu này, nhằm tìm ra các ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như kiến trúc, thiết kế công nghiệp và robot học. - Đại học Tokyo, Nhật Bản: Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đã phát triển các biến thể của cơ cấu Jansen để phù hợp với các ứng dụng khác nhau, từ robot cứu hộ đến các thiết bị hỗ trợ đi lại. Những nghiên cứu này thường kết hợp giữa lý thuyết cơ học và công nghệ tiên tiến để tạo ra những sản phẩm có tính ứng dụng cao.2 Các nghiên cứu trong nước. - Đại học Bách khoa Hà Nội: Một số nghiên cứu tại trường đã tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng cơ cấu Jansen nhằm ứng dụng trong robot di động.
Những nghiên cứu này thường kết hợp với các phần mềm mô phỏng cơ học như SolidWorks và Matlab để phân tích chuyển động và tối ưu hóa thiết kế. - Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM: Các sinh viên và giảng viên tại đây đã tiến hành các dự án chế tạo mô hình cơ cấu Jansen và nghiên cứu ứng dụng trong việc phát triển robot học. Những 7 nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến cơ cấu để tăng cường tính ổn định và hiệu quả di chuyển của robot. - Các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật: Nhiều dự án của học sinh, sinh viên đã tham gia vào các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật với đề tài về cơ cấu Jansen.
Những dự án này không chỉ dừng lại ở mức mô hình mà còn hướng đến ứng dụng thực tế trong đời sống hàng ngày. Kết luận: Cả trong nước và ngoài nước, cơ cấu Jansen đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư. Các nghiên cứu không chỉ dừng lại ở mức lý thuyết mà còn hướng đến việc ứng dụng thực tiễn, mang lại những đóng góp quan trọng cho các lĩnh vực như robot học, y tế và thiết kế công nghiệp.4 Đặc tính của mô hình. Cơ cấu Jansen, được thiết kế bởi nghệ sĩ và kỹ sư người Hà Lan Theo Jansen, là một hệ thống cơ học phức tạp nhưng hiệu quả, mô phỏng chuyển động đi bộ của sinh vật.
Dưới đây là các đặc tính chính của hệ thống mô hình cơ cấu Jansen: - Chuyển Động Mô Phỏng Sinh Học: Chuyển động mượt mà: Cơ cấu Jansen được thiết kế để mô phỏng chuyển động của chân động vật một cách tự nhiên và liên tục. Tương tự sinh học: Cơ cấu này tạo ra chuyển động giống như các sinh vật sống, giúp robot di chuyển linh hoạt trên các địa hình khác nhau. - Cơ Cấu Liên Kết (Linkage Mechanism): Thiết kế cơ học phức tạp: Cơ cấu Jansen gồm một hệ thống các thanh liên kết và bản lề tạo thành các vòng lặp kín. Độ chính xác cao: Các thanh liên kết được thiết kế với độ chính xác cao để đảm bảo chuyển động đồng bộ và mượt mà.
- Động Lực Học và Động Học: Tối ưu hóa lực đẩy: Thiết kế của cơ cấu giúp tối ưu hóa lực đẩy và lực kéo, tạo ra chuyển động hiệu quả. Chuyển động tuần hoàn: Cơ cấu này tạo ra một chuyển động tuần hoàn lặp lại, giúp duy trì tốc độ và nhịp độ di chuyển ổn định. 8 - Khả Năng Tương Thích và Linh Hoạt: Dễ dàng điều chỉnh: Các thông số của cơ cấu Jansen có thể được điều chỉnh để phù hợp với các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Tương thích với nhiều loại robot: Cơ cấu này có thể được tích hợp vào nhiều loại robot khác nhau, từ robot đơn giản đến các hệ thống phức tạp.
- Hiệu Quả Vận Hành: Tiết kiệm năng lượng: Do cơ cấu Jansen tận dụng tối đa lực cơ học, hệ thống này hoạt động hiệu quả với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Khả năng vượt địa hình: Cơ cấu này cho phép robot di chuyển qua các địa hình khó khăn mà không cần đến các hệ thống bánh xe hoặc chân phức tạp. - Ứng Dụng Đa Dạng: Robot học: Được ứng dụng rộng rãi trong các dự án robot di động, từ robot cứu hộ đến các robot khảo sát. Nghệ thuật và giáo dục: Cơ cấu Jansen cũng được sử dụng trong các dự án nghệ thuật và giáo dục để minh họa các nguyên lý cơ học và động lực học.
Công nghệ y tế: Có tiềm năng ứng dụng trong việc phát triển các thiết bị hỗ trợ đi lại cho người khuyết tật. 9 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Khái niệm cơ bản: 3. Bất cứ cơ cấu hoặc máy nào cũng đều do nhiều chi tiết máy ghép nối thành. Các chi tiết máy trong cơ cấu hay máy được nối động hoặc nối cứng với nhau.
Khi hai chi tiết máy được nối với nhau, giữa chúng luôn tồn tại chuyển động tương đối. Sẽ không có chuyển động tương đối giữa các chi tiết máy khi nối cứng với nhau. Một chi tiết máy động hoặc một số chi tiết máy nối cứng với nhau tạo thành một vật thể động gọi là khâu động. Sự khác nhau giữa khâu và chi tiết máy là ở chỗ: Khâu là đơn vị chuyển động còn chi tiết máy là đơn vị chế tạo.
Nguyên lý máy xem khâu là thành phần cơ bản. Có thể tham khảo 1 số lược đồ khâu động trong hình 3.1 Lược đồ khâu động. Khớp động là một liên kết động của hai khâu. Nói khác đi, hai khâu nối với nhau và có khả năng chuyển động tương đối với nhau tạo thành khớp động.
Điểm, đường, mặt theo đó hai khâu tiếp xúc với nhau tạo thành khớp động gọi là thành phần của khớp. Tính chất chuyển động giữa các khâu tạo thành khớp phụ thuộc vào thành phần của khớp. Để tiện cho việc phân tích cấu trúc cơ cấu, khớp động được phân theo các đặc trưng khác nhau: Theo số điều kiện ràng buộc, theo tính chất chuyển động tương đối của các khâu và theo dạng tiếp xúc của thành phần khớp động. [1] - Phân loại khớp động theo số điều kiện ràng buộc: 10 Trong không gian, vật rắn có sáu khả năng chuyển động độc lập đối với hệ tọa độ Đề-các (descartes): ba chuyển động tịnh tiến theo ba trục tọa độ vuông góc với nhau và ba chuyển động xoay quanh ba trục đó (hình 3.
Vì thế ta nói rằng vật rắn tự do trong không gian có sáu bậc tự do.2 Vật thể trong tọa độ Đề-các. Khi tạo thành khớp động chuyển động tương đối của các khâu bị hạn chế. Kết quả là số bậc tự do của khâu bị giảm đi.