ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Trần Đình Phúc
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BÁNH XE MECANUM DÙNG CHO
XE NÂNG CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, Tháng 12 Năm 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA CƠ KHÍ
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
(Nhận xét của CB hướng dẫn Nhận xét của CB phản biện )
Họ và tên học viên: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đề tài luận văn: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- Về kết quả thực tiễn của luận văn:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- Những thiếu sót & vấn đề cần làm rõ (nếu có):
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Ý kiến kết luận (mức độ đáp ứng yêu cầu đối với LVThS; cho điểm đánh giá LV):
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Câu hỏi của người nhận xét dành cho học viên (nếu có):
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ngày 01 tháng 12 năm 2013
NGƯỜI NHẬN XÉT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN i HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC
L
L
Ờ
Ờ
I
IM
M
Ở
ỞĐ
Đ
Ầ
Ầ
U
U
anh Phước đã giúp em trong quá trình làm này. Luận văn tốt
nghiệp là sự tổng hợp nhiều kiến thức mà em đã được học
trong những năm học vừa qua, sự chỉ dẫn và truyền đạt của
thầy PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN không những là những
kiến thức bổ ích giúp em hòan thành Luận văn, mà sẽ cũng
giúp em rất nhiều trong công việc thiết kế sau này.
Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng
tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên do kiến
thức còn có hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô.
Em xin chân thành cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013
Học viên thực hiện
Trần Đình Phúc
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN iii HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC Tóm Tắt
Ngày này, khoa học kỹ thuật đã đạt được bước phát triển vượt bậc. Tính cạnh
tranh về mức độ linh hoạt và khả năng ứng dụng rộng rãi của các loại thiết bị tự động
hóa phục vụ cho con người ngày càng cao. Trong bối cảnh nền công nghiệp của nước
ta đang trong quá trình phát triển để bắt kịp với trình độ công nghệ của thế giới thì các
doanh nghiệp cũng như các cơ sở nghiên cứu cần có chiến lược hợp lý.
Việc định hướng, di chuyển một chiếc xe nâng qua một không gian chật hẹp, hạn
chế là một việc khá phức tạp và khó khăn. Giải pháp cho vấn đề này đó là việc phát
triển những loại xe có khả năng di chuyển trực tiếp sang một bên, được biết đến với
tên gọi một chiếc xe đa hướng. Việc ứng dụng những chiếc xe nâng đa hướng linh
the name a Omni-directional vehicle. The applications of Omni-directional vehicles
using Mecanum wheels have been becoming imperatively for applications that require
high flexibilities such as military field, industry field, the field of public health,
services as well as the field of scientific research They allows the vehicle to operate,
moving in variety directions without using traditional methods to turn the wheel of the
vehicle. This type of wheel is commonly used for robotic applications where people
need high maneuverability of the vehicle.
The thesis “Research and Design of Mecanum Wheel for Forklift" aims to
develop flexible Omni-directional wheel Mecanum forklift applications for heavy load
capability.
The main part of the thesis is the study of design methods of flexible Omni-
directional wheel Mecanum forklifts. In addition, the thesis also presents the profile
error assessment of the Mecanum roller in experimentally measured by coordinate
measuring machine CMM, comparison of geometric error between theory parabolic
roller and practice roller data with experimental methods. Besides, some future works
are also given in this thesis. LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN v HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC
MỤC LỤC
Lời nói đầu iii
Lời cảm ơn iii
Tóm Tắt iii
Abstract iii
Mục lục v
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .1
3.1 Mục đích của quá trình làm thí nghiệm 57
3.2 Nội dung trình tự làm thí nghiệm và xử lý dữ liệu 57
3.3 Mô hình thí nghiệm quá trình đo 58
3.4 Nhận xét 81
CHƯƠNG 4: MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 850
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 CHƯƠNG 1 1
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu
1.1 Giới thiệu tổng quan về xe đa hướng
1.1.1 Những nét khái quát về xe đa hướng
Những chiếc xe đa hướng (Omni-directional Vehicles) có khả năng di chuyển
với bất kì hướng nào trong không gian 2D và chúng vừa có thể xoay và tịnh tiến cùng
lúc (Hình 1.1). Hay nói một cách khác, chúng có 3 bậc tự do. Các loại xe này khác
biệt so với các loại xe truyền thống khác (điển hình như kết cấu Ackermann trong một
số loại xe máy tay ga) đó chính là khả năng di chuyển sang một bên một cách trực tiếp
mà không cần phải rẽ bánh lái như các loại xe bình thường khác.
CHƯƠNG 1 3
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC OmniBot được vận hành bởi bốn động cơ servo liên kết với những bánh xe Mecanum.
Điều này cho phép chúng chuyển động 2 bậc tự do, đó chính là tính cơ động lớn nhất
của loại xe này. Đặc biệt chúng mang lại thành công khá lớn khi những chiếc xe này
được điều khiển bằng loại sóng radio RF. Chúng có thể truyền dữ liệu dạng video ở
khoảng cách lên tới 550m.
Công ty công nghệ Omnix đã phát triển loại bánh xe Mecanum cho quân đội
Mỹ được ứng dụng vào việc kiểm tra, giám sát ở những nơi mà con người không thể
tiếp xúc được và chúng có khả năng tải lớn trong các môi trường quân đội. Những
chiếc xe này đặc biệt có khả năng thích nghi và tính tự hành linh hoạt cao do chúng
có tính cơ động rất cao và vận hành đơn giản.
Chiếc xe MarsCruiserOne là một thiết kế khá linh hoạt nhằm ứng dụng cho
nhiệm vụ thám hiểm mặt trăng, sao hỏa cho tới các nhiệm vụ thám hiểm không gian
trong tương lại (Hình 1.3). Tính năng vượt trội của loại bánh xe này đặc biệt thích hợp
cho các ứng dụng mở, những nơi ghồ ghề đất đá, khó di chuyển. Chúng có thể di
chuyển với tốc độ 5-10Km/h. Thiết kế này bao gồm những bánh xe Hubless cho phép
những nhà thám hiểm ra,vào nhằm ứng dụng cho các nhiệm vụ ngoài trời và chúng có
thể vượt qua được nhiều loại bề mặt địa hình phức tạp, ghồ ghề, bánh xe Mecanum,
động cơ tuyến tính và hệ thống giảm chấn.
Hình 1.3: Mẫu xe MarsCruiserOne của quân đội Mỹ
CHƯƠNG 1 4
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC
dụng vận chuyển sản phẩm nhỏ như việc lưu kho AS/RS, lắp ráp, phân loại sản
phẩm Xe loại này cũng có thể chuyển động đa hướng dùng 4 bánh xe Mecanum
được truyền động bởi 4 động cơ điện độc lập. Điều đặc biệt của loại xe này đó là
chúng nhỏ gọn hơn bất kì chiếc xe nào hiện có trên thị trường Châu Âu. Kết quả là
không gian cần thiết cho công tác lưu vận chuyển có thể được tối thiểu hóa so với các
phương án khác. Đặc biệt với chiều cao khá nhỏ chúng có thể hoạt động hiệu quả cho
ứng dụng kéo, vật chuyển tự động.
Hình 1.5: Xe dùng trong vận chuyển lưu kho AS/RS
1.1.2.3 Lĩnh vực y tế, công cộng
Xe lăn trang bị đông cơ được biết đến trong việc hỗ chợ cho người lớn tuổi, tàn
tật tạo cho họ khả năng đi lại độc lập. Những lợi ích này bao gồm: tính đặc biệt cho
khả năng tự chăm sóc bản thân, làm việc, giải trí, tham gia hòa nhập các hoạt động xã
hội của người lớn tuổi, tàn tật Mục đích chính của những chiếc xe lăn này nhằm tăng
chất lượng cuộc sống cho những người lớn tuổi, những người đã và đang giảm khả
CHƯƠNG 1 6
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC năng đi lại, không có đủ sức khỏe hay khả năng vận hành những loại xe lăn không
trang bị động cơ [4]. Những người này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào người khác và
không thể đi lại độc lập nếu không có những loại xe lăn trang bị động cơ. Hình 1.6:
Xe lăn Omni là một xe đặc biệt nhằm đạt được 2 mục tiêu chính đó là: tạo tính
di chuyển linh hoạt trong môi trường phức tạp và giúp cho người sử dụng có được
mức độ độc lập trong di chuyển. Chiếc xe lăn này được thiết kế đặc biệt cho những
người có vấn đề khả năng sinh lý vận động. Chúng bao gồm những bánh xe Mecanum
tạo chuyển động 3 bậc tự do cho xe lăn, một cần lái, một hệ thống cảm biến bao quanh
xe lăn gồm các cảm biến siêu âm và hống ngoại với mục đích xác định những vật cản,
một hệ thống cảm biến phát hiện và xử lý tín hiệu chấn động, một hệ thống hiển thị vị
Hình 1.7: Robot đa hướng Uranus
Một số nghiên cứu khác chẳng hạn như tại trường đại học Tây Úc đã phát triển
2 loại robot đa hướng di động dùng bánh xe Mecanum. Omni 1 và Omni 2 [10]. Hình
1.8 với thiết kế đầu tiên dùng những bánh xe Mecanum với các mâm bánh và khoảng
cách giữa các con lăn là khá nhỏ. Động cơ và bánh xe được lắp chặt với khung robot.
CHƯƠNG 1 8
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC Omni 1 có thể vận hành tốt trên các bề mặt bằng phẳng, nền cứng tuy nhiên chúng lại
mất đi khả năng đa hướng của mình khi di chuyển trên bề mặt mềm.
Hình 1.8: Robot bánh xe Mecanum Omni 1 và Omni 2 của trường đại học Tây Úc
Robot Omni 2 được phát triển với các con lăn được lắp đặt mà không dùng đến
mâm bánh. Động cơ và bánh xe được lắp trực tiếp hệ thống công xôn cùng với các bộ
phận giảm chấn. Nhờ những bánh xe Mecanum không mâm và bộ phận giảm chấn
này mà robot này có thể vận hành trên những bề mặt mềm ướt, địa hình không bằng
phẳng…
Nhóm nghiên cứu robot và cơ điện tử (MR2G) thuộc trường đại học Massey đã
phát triển xe AGV vượt địa hình dùng các bánh xe Mecanum kết hợp với các bánh xe
truyền thống [10]. Khi gặp bất kì thay đổi địa hình phức tạp, chúng có thể tự động
phát hiện và điều chỉnh hỗ trợ cho các bánh xe thông thường để vận hành. Một cơ cấu
bánh lái của AGV được lắp đặt cho những xe dẫn hướng tự động MEGAN.
Hình 1.9: Xe MEGAN
CHƯƠNG 1 9
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC
hợp lực của các lực thành phần đó sẽ sinh ra một véc tơ lực tổng với bất kì hướng
mong muốn nào và do đó có thể di chuyển xe theo một hướng của vector lực tổng mà
không cần thay đổi hướng của bất kì các bánh xe.
Hình 1.11: Bánh xe Mecanum dựa theo ý tưởng của Ilon
Mẫu thiết kế ở Hình 1.11 đó chính là bánh xe Mecanum với các con lăn được
sắp xếp theo biên dạng tròn của bánh xe và được định vị ở 2 đầu. Mẫu thiết kế này
mặc đầu có khả năng chịu tải khá cao nhưng có nhược điểm đó chính là khi tiếp xúc
với mặt phẳng nghiêng hay bề mặt gồ ghề, mép của bánh xe có thể tiếp xúc với bề mặt
thay vì là các con lăn. Do đó chúng vô tình cản trở chức năng chính của bánh xe.
Điều đó được chỉ ra ở Hình 1.12
Hình 1.12: Bánh xe Mecanum trên bề mặt nghiêng
CHƯƠNG 1 11
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC Sau đây là một ý tưởng thiết kế thay thế khác cũng được Ilon đưa ra đã giải
quyết được vấn đề đó. Hình 1.13, mẫu thiết kế với các con lăn định vị tại tâm sẽ đảm
bảm việc tiếp xúc với bề mặt làm việc tốt hơn, cho phép bánh xe hoạt động một cách
linh hoạt dễ dàng hơn trên các bề mặt gồ ghề.
Hình 1.13: Bánh xe Mecanum với các con lăn được định vị ở giữa.
1.3 Phân loại một số loại bánh xe hiện nay
Từ xưa đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu thiết kế về các loại bánh
xe đa hướng, nhưng nhìn chung những thiết kế này có thể được chia làm 2 nhóm
chính đó chính là: những bánh xe dạng đặc biệt và những bánh xe dạng truyền thống.
Một kết cấu di chuyển của xe thường được cấu thành từ 2 hay nhiều bánh xe kết hợp
lại với nhau. Những dạng thiết kế về bánh xe đa hướng có nhiều đặc tính khác nhau về
rung động lớn cho bánh xe và cho xe. Vấn đề về sự tiếp xúc không liên tục có thể
được giải quyết bằng việc thay thế chúng bằng 2 hay nhiều hàng các con lăn sắp xếp
tương hỗ trên ngoại vi của bánh xe nền. Tuy nhiên đồng nghĩa với việc phức tạp hóa
khả năng điều khiển và phân tích khi mà các điểm tiếp xúc của bánh xe thay đổi giữa
CHƯƠNG 1 13
GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: TRÂN ĐÌNH PHÚC các hàng con lăn trong và ngoài. Nếu khoảng cách giữa các hàng con lăn là nhỏ so với
bán kính của bánh xe chính, thì vẫn đề này có thể kiểm soát được.
b) Bánh xe Mecanum
Bánh xe Mecanum cấu tạo gồm các con lăn tự do gắn trên một đùm trục đĩa
hay mâm, cũng giống như loại Omni, nhưng các con lăn này được sắp xếp theo một
góc lệch 45
0
so với đường biên ngoại vi của đùm trục [10]. Các con lăn này được thiết
kế theo một biên dạng tange trống, và được bố trí trên đường tròn ngoại vi bánh xe
theo biên dạng tròn đều. Hình 1.15.
Hình 1.15: Bánh xe Mecanum
Với việc bố trí lắp đặt 4 bánh xe Mecanum trên các góc của khung xe chữ nhật,
chuyển động đa hướng sẽ được hình thành. Dạng thiết kế này tương đối phức tạp hơn
so với loại Omni khác bởi các con lăn được bố trí theo một góc lệch nhất định, tuy
nhiên lợi điểm lớn nhất đó là khả năng tải của loại bánh xe này tăng lên đáng kể do sự
tiếp xúc với bề mặt nền đường trơn tru và ít dao động hơn.
Bên cạnh đó còn có một số dạng bánh kết cấu bánh xe Mecanum khác nhau.
Nhưng nhìn chung chúng có điểm chung đó chính là có các con lăn sắp xếp theo một
góc lệch 45
0
Hình 1.19: Bánh xe trực giao
Một cặp bánh xe trực giao này có thể tạo ra lực kéo theo một hướng và chuyển
động tự do theo phương trực giao. Và một lần nữa, việc kết nối 2 hay nhiều cặp bánh
xe theo một góc nhất định cũng mang lại khả năng đa hướng cho xe. Một bánh xe trực
giao gồm ít chi tiết cơ khí hơn và chúng ít chịu ảnh hưởng của bề mặt không bằng
phẳng hơn so với các loại bánh xe Omni khác do bán kính các con lăn lớn hơn. Và bên
cạnh đó chúng lại chiếm nhiều không gian và cần công suất động cơ cho xe lớn hơn
bắt nguồn do moment quán tính của các chi tiết lớn.
1.3. 2 Các loại bánh xe truyền thống
a) Bánh xe bánh lái
Những chiếc xe dùng bánh xe bánh lái (Powered Castor Vehicle PCV) dựa
trên nguyên lý đó là tạo ra chuyển động chính thẳng và chuyển động quay do 2 động
cơ độc lập cấp nguồn [4]. Một motor tạo ra chuyển động quay của bánh lái, và một
Copyright: Tài liệu đại học ©