Đặt vấn đề Công nghệ robot (Robotics) là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên ngành bao gồm các ngành như kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật thông tin, kỹ thuật điện tử khoa học máy tính và các ngành liên quan khác. Những nhiệm vụ chính của ngành công nghệ robot bao gồm thiết kế, xây dựng, chế tạo và ứng dụng robot. Công nghệ rôbốt tạo ra các loại robot để có thể thay thế hoặc lặp lại hành động của con người. Các robot được sử dụng cho nhiều tình huống và mục đích khác nhau.
Rôbốt có thể được sử dụng trong các môi trường nguy hiểm (như phóng xạ hay phát hiện bom), quy trình sản xuất hoặc nơi con người không thể tồn tại (như trong không gian, trong nước hay trong nhiệt độ cao). Ngày nay, các robot được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau và cả trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, ví dụ như sau: - Ngành công nghiệp sản xuất: Các robot công nghiệp được sử dụng để gia công, lắp ráp hay kiểm tra các sản phẩm như xe hơi hay thiết bị công nghiệp. - Dịch vụ Logistics: Các robot vận chuyển, xử lý và kiểm soát chất lượng được rất nhiều các công ty Logistics sử dụng. Các rôbốt chủ yếu được sử dụng trong kho hàng, trên đường để tối đa hóa hiệu quả về thời gian.
- Ngành du lịch: Xe tự hành là sự kết hợp của khoa học dữ liệu và robot. - Ngành y học: ứng dụng các robot hỗ trợ phẫu thuật, robot hỗ trợ vận động hay robot vật lý trị liệu giúp bệnh nhân phục hồi sau chấn thương. Trong cuộc sống hàng ngày: Robot giúp con người làm các việc vặt như hút bụi, cắt cỏ hay làm sạch bể bơi, v. Tại Việt Nam, ngành công nghệ robot đang còn khá non trẻ nhưng rất giàu tiềm năng do Việt Nam đang dần trở thành một cơ sở sản xuất toàn cầu.
Tuy nhiên, mặt hạn chế của ngành công nghệ robot tại Việt Nam đó là thiếu nhân lực, nhân lực chưa được đào tạo một cách bài bản, các robot đang được sử dụng ở Việt Nam chủ yếu là trong các doanh nghiệp có vốn đầu tư 1 nước ngoài, một số doanh nghiệp Việt Nam đã đưa robot vào sản xuất nhưng chỉ có quy mô vừa và nhỏ. Hiện nay, các co cấu cân bằng được sử dụng chủ yếu trong các co cấu robot làm việc ở tốc độ thấp vì lý do an toàn. Vì vậy, trọng lực hoặc mô men xoắn tĩnh sẽ có giá trị lớn hơn và thường được sử dụng hơn mô men xoắn động. Cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế cơ khí về mặt hiệu quả năng lượng.
Trong một thiết bị hoạt động, cơ cấu cân bằng trọng lực giúp giảm thiểu mô men xoắn điều khiển, trong một thiết bị thụ động, cơ cấu cân bằng trọng lực giúp người sử dụng có thể sử dụng thiết bị mà không cảm thấy được tải trọng. Các cơ cấu cân bằng trọng lực chủ yếu sử dụng hai loại cơ cấu: (i) Loại cơ cấu thứ nhất là cơ cấu đối trọng. Tuy nhiên, việc sử dụng cơ cấu đối trọng sẽ làm cho cơ cấu cân bằng trọng lực trở nên cồng kềnh, (ii) Loại cơ cấu thứ hai là cơ cấu lò xo, sử dụng cơ cấu lò xo sẽ giúp cho cơ cấu cân bằng trọng lực nhỏ gọn hơn so với cơ cấu đối trọng. Tuy nhiên, các cơ cấu cân bằng trọng lực hiện nay đều sử dụng lò xo truyền thống, việc này khiến cho cơ cấu chưa thật sự nhỏ gọn và gây ra khó khăn khi điều chỉnh độ cứng của lò xo.
Từ các lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo cơ cấu cân bang trọng lực sử dụng cơ cấu mem” để triển khai và thực hiện trong luận văn này. Mục tiêu nghiên cứu đề tài 2.1 Mục tiêu chung Mục tiêu chung của đề tài nghiên cứu là: Nghiên cứu tính toán thiết kế và tối ưu cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo kéo và lò xo nén dạng mềm.2 Mục tiêu cụ thể Mục tiêu cụ thể của đề tài nghiên cứu là: - Tính toán thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực. - Tính toán thiết kế tối ưu hóa kích thước lò xo nén. - Tính toán thiết kế tối ưu hóa kích thước lò xo kéo.
2 - Chế tạo, thực nghiệm và đánh giá chuyển vị của hai lò xo. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đoi tượng nghiên cứu Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu bao gồm: - Cơ cấu cân bằng trọng lực; - Lò xo nén; - Lò xo kéo; 3.2 Phạm vi nghiên cứu Các thông số thiết kế trong đề tài này được phát triển từ các thông số cơ cấu của Yang và cộng cộng sự [1], thông số góc quay từ (+26° đến -26°) được phát triển thành (+30° đến -30°), phạm vi đề tài là tải trọng Ikg. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: - Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực bị động sử dụng lò xo kéo và nén cơ cấu mềm; - Tải trọng cân bằng là 1 kg; - Phạm vi cân bằng là trong khoảng [+30° -30°]. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn: - Phương pháp phân tích và kế thừa; - Phương pháp giải tích; - Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn; - Phương pháp qui hoạch thực nghiệm; - Phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (MOGA); - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1 Y nghĩa khoa học Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu bao gồm như sau: - Đe xuất nguyên lý tính toán thiết cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo kéo và lò xo nén dựa trên cơ cấu mềm. - Đe xuất qui trình tính toán thiết kế tối ưu cho lò xo kéo và lò xo nén. - Xây dựng quy tình thiết kế bằng cách sử dụng kết hợp các phương pháp đáp ứng bề mặt (Response surface methodology - RSM), phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (Multi objective genetic algorithm - MOGA), phương pháp thiết kế thực nghiệm (Composite central design - CCD) và phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn để thiết kế tối ưu thông số của hai lò xo.2 Ỷ nghĩa thực tiễn Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu là: - Két quả của đề tài nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau này của các sinh viên khoa Công nghệ Cơ khí Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. - Đề tài nghiên cứu có tiềm năng trong việc phát triển các thiết bị có sử dụng cơ cấu cân bằng trọng lực.
- Cơ cấu cân bằng trọng lực có thể sử dụng trong lĩnh vực công nghệ robot trong tương lai. 4 CHUÔNG 1 TÕNG QUAN Trong chương này, tác giả giới thiệu sơ lược về cơ cấu cân bằng trọng lực (Gravity Balancing Mechanism - GBM), đưa ra các cơ cắu bù trọng lượng hiện có và một số ứng dụng của cơ cắu cân bằng trọng lực. Chương này cũng trình bày về các nghiên cứu trong và ngoài nước về việc sử dụng cơ cắu cân bằng trọng lực.1 Giới thiệu về cơ cấu cân bang trọng lực Cơ cắu cân bằng trọng lực (GBM) là cơ cắu có thể duy trì tồng thế năng của cơ cắu là hằng số bởi việc chuyển năng lượng một cách bị động vào và ra khỏi một phần tử lưu trữ năng lượng. Bởi vì tẫng trọng lượng của tải trọng và các thanh nối di chuyển thường được biết trước nên cơ cắu cân bằng trọng lượng thường sử dụng phương pháp bù trọng lượng để cơ cắu có thể cân bằng [1].
Hiện nay, các phương pháp bù trọng lượng chủ yếu gồm hai loại: (1) Sử dụng cơ cắu đối trọng và (2) cơ cắu lò xo.1 [ 1 ] là sơ đồ của cơ cắu đối trọng. Việc sử dụng cơ cắu đối trọng khá đơn giản và có thể cân bằng tất cả các vị trí, cơ cắu đối trọng đã được sử dụng rắt nhiều trong các cơ cắu công nghiệp. Trong cơ cắu đối trọng, vật đối trọng sẽ có trọng lượng nặng hơn tải, vì thế nó không phù hợp cho các cơ cắu nơi mà tải trọng là một mối quan tâm hàng đầu.1 Cơ cắu đối trọng Hình 1.2 [1] là một số sơ đồ về cơ cắu lò xo.2(a) là cơ cắu lò xo đơn giản nhắt với lò xo nằm ngoài liên kết.2(b) là cơ cắu lò xo có lò xo nằm bên trong liên kết đề tránh 5 gây va chạm với các thành phần khác của liên kết. Một cơ cấu lò xo khác là sử dụng hình bình hành như trong hình 1.
Cơ cấu này có thể được mở rộng với các cơ cấu có nhiều bậc tự do tuy nhiên trọng lượng liên kết phải đủ lón để có thể đặt lò xo theo đường chéo.2 Các cơ cấu lò xo: a) Lò xo nằm ngoài liên kết, b) Lò xo nằm trong liên kết, c) Cơ cấu hình bình hành, d) Cơ cấu Cable Cam Cơ cấu thường được sử dụng hon là cơ cấu lò xo, bởi vì lò xo có thể được coi là không có trọng lưọng. Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu cân bằng tĩnh để đạt được tổng năng lượng hấp dẫn và năng lương đàn hồi là không đổi [2]. Cơ cấu cân bằng tĩnh có thể duy trì trạng thái cân bằng tại bất kỳ hình dạng nào mà không có bộ truyền động làm việc để chống lại trọng lực. Do đó, cơ cấu cân bằng tĩhh rất hiệu quả và có thể dễ dàng kiểm soát, nó được áp dụng rộng rãi cho các hệ thống hiện có như máy xúc, cần cẳu, đèn nha sĩ, thiết bị hỗ trợ vận động, v.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước ĩ.ỉ Các nghiên cứu trong nuớc Hiện nay trong nước bắt đầu có một số nhóm tác giả nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng lực.
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn vả cộng sự [4] đã trình bày một phương pháp mói để rút ra các điều kiện cân bằng của các cơ cấu phẳng với nhiều bậc tự do. Phu ong pháp này có lợi thế làphù họp cho việc áp dụng các hệ thống đại số máy tính có thể truy cập rộng rãi như MAPLE.3 giới thiệu về cơ cấu phẳng 5 khâu sử dụng 4 cặp bánh răng bổ sung để cân bằng 6 mômen rung, các hệ thức cân bằng lực quán tính và mômen lực quán tính của cơ cấu phẳng 5 khâu đã được trình bày trong nghiên cứu.