Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG 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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 1 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 2 - THÁI NGUYÊN – 2014
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG 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: Công nghệ Chế tạo máy
Học viên: Phạm Mạnh Thắng
Lớp: CHK14
Hƣớng dẫn khoa học: Phạm Thành Long

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN Phạm Mạnh Thắng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 4 - LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà
trƣờng, khoa cơ khí, các thầy cô giáo trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái
Nguyên và các bạn cùng lớp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa đào tạo Sau đại học, các thầy
cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Phạm Thành Long và tập thể

Mục
Nội dung
Trang

Trang phụ bìa luận văn
1

Lời cam đoan
3

Mục lục
5

Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt
7

Danh mục các bảng biểu
8

Danh mục các hình vẽ đồ thị
9

MỞ ĐẦU
11
1.
Tính cấp thiết của đề tài
11
2.
Mục đích của đề tài
12

2.1
Chu kì làm việc và phạm vi sử dụng
28
2.2
Lựa chọn cơ cấu chấp hành
29
2.3
So sánh một số phƣơng án tác động điều khiển và duy trì lực kẹp
30

Kết luận chƣơng 2
38
CHƢƠNG 3 – THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU QUAN TRỌNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÀN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 6 -
TAY
3.1
Tính chọn độ cứng của lò xo chính theo tải trọng danh nghĩa của
bàn tay
39
3.2
Tính chọn độ cứng của lò xo phụ
40
3.3
Tính toán hành trình ngón tay và tổng hợp kích thƣớc cam
41
3.4
Quan hệ chuyển vị ngõ vào – ngõ ra
41


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 7 - BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT
KÍ
HIỆU
DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ
ĐƠN

i
+ q
j
+ q
k
)

6
ijk
S

Sin(q
i
+ q
j
+ q
k
)

7
D
Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp

8
h
Chuyển vị của lò xo

9
d
i

15
k
Độ cứng của lò xo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 8 -
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
KÍ HIỆU
NỘI DUNG BẢNG BIỂU
TRANG
1.1
So sánh tính chất làm việc của tay kẹp kiểu điện từ và kiểu khí
nén



BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
KÍ HIỆU
NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TRANG
1.1
Bàn tay robot với hai ngón và một đốt trên mỗi ngón tay

1.2
Bàn tay robot MARS 12 bậc tự do với 6 nguồn dẫn động độc
lập và thiết kế tiền thân của nó

1.3a
Bàn tay với kết cấu cơ khí phỏng sinh tay ngƣời

1.3b
Bàn tay với cảm biến xúc giác phỏng sinh tay ngƣời

1.4
Bàn tay hai ngón mở dƣới dạng góc

1.5
Bàn tay hai ngón luôn duy trì độ song song khi làm việc


Tay kẹp tạo lực ma sát nhờ trọng lực của vật

1.14
Tay kẹp đặc biệt định vị vào mặt trụ trong của chi tiết

1.15
Tay kẹp với phần mỏ kẹp có thể thay thế theo tác vụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 10 -
1.16
Phƣơng án điều chỉnh kích thƣớc danh nghĩa của tay kẹp

1.17
Kết cấu của tay kẹp với phạm vi điều chỉnh kích thƣớc danh
nghĩa lớn

1.18
Tay kẹp với hai ngón tay luôn duy trì độ song song

1.19
Một số tay kẹp cơ khí có chức năng tự định tâm vật kẹp

1.20
Tay kẹp sử dụng lực hút chân không và giác bám

1.21
Tay kẹp dùng buồng đàn hồi định vị mặt trụ trong và ngoài



2.11
Bản vẽ tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập kết
cấu không đồng trục

1.12
Chi tiết số 8

2.13
Chi tiết số 9

2.14
Chi tiết số 10

2.15
Lắp ghép cụm dẫn động và duy trì lực kẹp phƣơng án 2

3.1
Sơ đồ lực tác dụng lên tay robot khi cổ tay giữ phƣơng thẳng
đứng

3.2
Xác định hành trình cam

3.3
Robot 6 bậc tự do khi chƣa mang bàn tay

3.4
Bàn tay đƣợc lắp lên bích cổ tay hoàn chỉnh

PHẦN MỞ ĐẦU

Luận về tính cấp thiết của đề tài, có thể thấy trong sản xuất công nghiệp nhu cầu về
các bàn tay robot phục vụ cho các nguyên công đòi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao
nhƣ lắp ráp, phân loại, phục vụ máy công tác là rất lớn. Trên thực tế, các bàn tay robot
cũng hỗ trợ những ngƣời khuyết tật trong học tập, lao động để họ có cuộc sống bình
thƣờng, chẳng hạn bàn tay Bionic. Trong du hành vũ trụ và không gian các bàn tay
robot nổi tiếng nhƣ MARS, Sarah, Canadarm cũng không xa lạ với độc giả của các tạp
chí khoa học, cũng từ lâu thuật ngữ kỹ thuật Underactuated trỏ một cơ cấu robot thiếu
dẫn động đã quá quen thuộc với các kỹ sƣ, các nhà khoa học nghiên cứu bàn tay phỏng
sinh.
Bàn tay phỏng sinh là đối tƣợng nghiên cứu của rất nhiều các công trình khoa học trên
thế giới, có thể nhận thấy điều này rõ nhất trong các kỷ yếu hội nghị từ khắp nơi trên
thế giới, các sản phẩm công nghệ cao tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến nhƣ bàn tay
chiếm một lƣợng lớn các công bố bên cạnh các nghiên cứu cấp thiết khác nhƣ ô nhiễm
môi trƣờng, năng lƣợng và thông tin di động…xu hƣớng chế tạo các máy móc giống
con ngƣời theo nghĩa đen đã tạo ra hẳn một thuật ngữ cyborg để chỉ một sinh vật có
cấu trúc lai giữa ngƣời và robot trong văn học và điện ảnh Hollywood.
Trong lĩnh vực bàn tay robot, chiếm phần lớn lại là các bàn tay thiếu dẫn động, xu thế
này đã đƣợc đề xuất từ những năm 1970 khi nhu cầu về các bàn tay thế hệ thứ nhất
phục vụ cho các thao tác ngoài không gian ra đời, ngày càng khéo léo do có nhiều bậc
tự do hơn song số lƣợng nguồn dẫn động càng ít đi không những để đơn giản kết cấu
mà tiết kiệm năng lƣợng cũng là vấn đề đƣợc đặt ra. Khó hơn nữa khi dẫn động chung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 12 -
một nguồn chuyển động lại cần có chuyển vị khác nhau của các ngón tay, những bàn
tay của đại học Laval hay MIT đã làm đƣợc điều này.

hoàn chỉnh cho chế tạo thử nghiệm;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 13 -
- Tính toán định lƣợng các cơ cấu chính của bàn tay đảm bảo điều kiện làm việc
đặt ra;
- Các tài liệu thiết kế phục vụ cho chế tạo sản phẩm và hƣớng dẫn vận hành bảo
dƣỡng. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT

1.1 Chức năng và hình dạng của bàn tay robot
Bàn tay robot là một cách gọi căn cứ theo chức năng của mô đun bàn kẹp (grips) là
khâu cuối cùng trong chuỗi động học của các tay máy có chức năng cầm nắm. Thông
thƣờng robot công nghiệp có 6 bậc tự do (chƣa tính số bậc tự do của bàn tay) trong khi
các bàn tay có kết cấu phỏng sinh học có thể có kết cấu cơ học với số bậc tự do lớn
hơn nhiều lần số bậc tự do của bản thân cánh tay. Nhƣ vậy có thể thấy vấn đề thiết kế
và điều khiển bàn tay đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật robot. Sự khéo léo,
độ cơ động, hệ số phục vụ của tay máy đƣợc hình thành từ nhiều phần gồm phần cơ
sở, cổ tay và bàn tay, nếu phần cơ sở có chức năng cung cấp các chuyển vị lớn thì các
thao tác đòi hỏi sự tỉ mỉ lại do cổ tay và bàn tay đảm nhận mặc dù khối lƣợng cơ học
của phần này nhỏ hơn nhiều so với phần cơ sở. Nếu nhƣ cổ tay giữ chức năng định
hƣớng bàn kẹp là chủ yếu thì bàn tay bằng các ngón tay lại có chức năng cầm nắm

Với ba hệ thống chức năng trong cùng một thiết kế bàn tay gồm hệ thống cơ học có
chức năng của khung xƣơng bao gồm khâu và khớp, hệ thống động học gồm các bộ
truyền và các động cơ dẫn động cho từng trục riêng biệt, hệ thống cảm biến có vai trò
xúc giác việc thiết kế và chế tạo bàn tay robot là lĩnh vực tập hợp những kỹ thuật và
công nghệ tiên tiến nhất hiện nay.

1.2 Một số mẫu điển hình trong thiết kế cơ học của bàn tay
Với những thiết kế đơn giản nhất cần hai ngón tay với mỗi ngón tay chỉ bao gồm
một đốt tay có thể khép mở trong một phạm vi nhất định kiểu luôn giữ độ song song
hay tạo với nhau một góc thay đổi, trong đó loại thứ nhất có khả năng cầm nắm tốt
hơn.

Hình 1.4: Bàn tay hai ngón mở dưới dạng góc
Tuy có thiết kế phức tạo hơn song bàn tay với hai ngón mở song song có ứng dụng
phổ biến hơn loại nói trên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 16 -

Hình 1.5: Bàn tay với hai ngón luôn duy trì độ song song khi làm việc
Ở các bàn tay có nhiều đốt hơn cũng có hai phƣơng thức dẫn động, đó là dẫn động một
ngón gồm ba đốt tay chỉ với một động cơ duy nhất tức là số lƣợng động cơ nhỏ hơn số
bậc tự do, việc tác động đóng thƣờng đƣợc tác động từ động cơ trong khi chiều mở tác
động nhờ thế năng của một phần tử đàn hồi thƣờng gặp nhất là lò xo (hình 1.6).
Loại phức tạp nhất về kết cấu và điều khiển chính là loại dẫn động phân tán triệt để
cho từng đốt ngón tay hay số bậc tự do bằng với số lƣợng động cơ tham gia dẫn động,
thông thƣờng phƣơng án này đƣợc thực hiện với truyền động đai và bản thân nó cũng
có hai phƣơng án khác nhau là sử dụng một hoặc hai nguồn tác động, trƣờng hợp sử
dụng một nguồn tác động cần có một nguồn để phục hồi dựa vào thế năng đàn hồi
(hình 1.7).

vòng kín;
- Hai động cơ tác động một bậc tự do, phân lớp này gọi là 2n type và sử dụng
truyền động đai hở;
- Phân lớp n+1 type có số động cơ tác động nhiều hơn số bậc tự do một đơn vị.

Hình 1.9: Ba phương án tác động lên khâu chấp hành
Để truyền công suất giữa hai điểm ngoài phƣơng án truyền động khâu khớp nhƣ hình
1.6 có thể có hai phƣơng án thông dụng nữa với bàn tay là tác động bánh răng hoặc tác
động đai cho thấy nhƣ dƣới đây:

Hình 1.10: Phương án truyền dẫn công suất giữa hai điểm
1.3 Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot
Nhiệm vụ công nghệ và các yêu cầu kỹ thuật kèm theo là những căn cứ chính để
bắt đầu việc thiết kế một bàn tay robot, nếu độ chính xác và độ chính xác lặp lại là
quan trọng với các robot thì bàn tay cũng bị xiết chặt dung sai, bên cạnh đó các yêu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 19 -
cầu về độ cứng xoắn nói riêng và độ cứng vững cơ học nói chung cũng rất đƣợc quan
tâm, các phƣơng pháp tính toán sức bền hoàn hảo và vật liệu mới sẽ đảm bảo đƣợc
điều này.
Để có tính linh hoạt trong thao tác, bàn tay thƣờng có số bậc tự do lớn song nếu
dẫn động đủ sẽ là quá nặng nề và phức tạp với một cơ cấu cần nhỏ gọn, vì vậy một yêu
cầu cơ bản với bàn tay là phải thiết kế thiếu dẫn động (Underactuated), chẳng hạn tay
robot sarah chỉ với 2 động cơ điều khiển ba ngón tay với 9 đốt ngón tay, một động cơ
đảm nhiệm đóng mở các ngón tay động cơ còn lại điều chỉnh hƣớng các ngón tay sao
cho thích nghi với các bề mặt khác nhau của vật kẹp nhƣ mặt trụ, cầu hay mặt phẳng,
điểm đặc biệt trong thiết kế của tay robot sarah là mặc dù dẫn động chung từ một
nguồn nhƣng ba ngón tay có thể có chuyển vị khác nhau tùy theo phản lực từ vật thể,
khi một ngón tay đã chạm vật thể nó tiếp tục gia tăng số điểm tiếp xúc trong khi các

bàn tay robot cần chú trọng tích hợp các công nghệ khác nhau cũng là một yêu cầu kỹ
thuật quan trọng.
1.4 Một số kiểu bàn tay có kết cấu và ứng dụng đặc biệt
Trong thực tế luôn có các tác vụ đặc biệt đòi hỏi các kiểu bàn tay có kết cấu phù hợp,
các kiểu tay kẹp này có hình dạng và chức năng rất khác biệt, tay kẹp không có điều
khiển dùng các loại mỏ, nhíp, chấu …để kẹp vật nhờ tác dụng của lò xo hoặc nhờ lực
đàn hồi của chính các chi tiết trong hệ thống. Kết cấu của các loại kẹp này rất đơn
giản, chúng không có nguồn dẫn động riêng, không có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao
động theo kích thƣớc của đối tƣợng. Vì vậy chúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng,
đƣợc thiết kế cho từng loại đối tƣợng cụ thể, với phạm vi thay đổi kích thƣớc hẹp. Do
các đặc điểm nêu trên, chúng đƣợc dùng chủ yếu trong sản xuất hàng khối. Xem minh
họa cơ cấu này nhƣ sau:

Hình 1.11: Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động trên cơ sở thế năng đàn hồi
Để đảm bảo làm việc tin cậy và ổn định ngay cả khi có biến động kích thƣớc của đối
tƣợng, tay kẹp đƣợc bổ xung cơ cấu hãm, ví dụ nhƣ cơ cơ minh họa dƣới đây. Nhờ có
cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp và nhả rành mạch hơn dù vẫn
không có nguồn dẫn động riêng. Các tay kẹp dùng với vật tròn xoay nhƣ hình 1.11, lực
kẹp đƣợc tạo ra dƣới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác động lên đuôi của các mỏ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 21 -
kẹp 1. Khi đặt vật xuống, nêm 4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp đƣợc giải phóng, vật
đƣợc nhả ra dƣới tác dụng của lực kéo từ lò xo 13. Chú ý tới cơ cấu hãm, nó gồm thân
7 gắn liền với cần 5. Chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhƣng có thể quay tự do trên đó.
Trong lỗ của thân 7 có lồng 2 bạc không quay đƣợc 8 và 9. Bạc 8 có các vấu phía
dƣới, bạc 9 có cả vấu trên và dƣới. Các vấu này khi ăn khớp và trƣợt tƣơng đối với các
vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 45
0
. Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến

có khả năng duy trì trạng thái đóng và mở tách biệt
Để kẹp các chi tiết có dạng bánh răng, bạc, đĩa ở tƣ thế thẳng đứng thƣờng sử dụng
loại tay kẹp có nguyên lí hoạt động tƣơng tự với kết cấu nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 22 -

Hình 1.13: Tay kẹp tạo lực ma sát nhờ trọng lực của vật
Hai loại tay kẹp trên đƣợc dùng trong sản xuất loạt lớn hàng khối, để nhấc các vật tròn
xoay khối lƣợng không quá 30(kg), kích thƣớc không đƣợc dao động quá 0,5 (mm).
Chúng đƣợc coi là tay kẹp có phạm vi công tác cứng.
Loại tay kẹp có phạm vi công tác hẹp cho phép sai số của mặt đƣợc kẹp tới 1,5 – 2
(mm), trong kết cấu minh họa dƣới đây, nó kẹp vào mặt trụ trong của lỗ bánh răng nhờ
vào dãy bi 2, xếp theo vòng tròn. Mặt côn 1 có góc ma sát nhỏ hơn góc ma sát giữa các
viên bi và vật liệu chi tiết (thƣờng từ 5
0
– 6
0
), tạo ra chuyển động khi nhấc vật (chuyển
động lên) và nhả vật (chuyển động xuống).

3
2
1

Hình 1.14: Tay kẹp đặc biệt định vị vào mặt trụ trong của chi tiết
Để tăng độ tin cậy khi kẹp và nhả, có lực kẹp lớn, phạm vi công tác lớn, ngƣời ta dùng
tay kẹp có dẫn động. Nguồn động lực là động cơ thủy lực hoặc khí nén. Dƣới đây là
hình minh họa cơ cấu tay kẹp có truyền động thủy lực, sử dụng hai càng kẹp. Mỏ kẹp
có thể thay thế đƣợc vì vậy có thể kẹp vào mặt trong hoặc mặt ngoài của đối tƣợng.

đáp ứng, ví dụ chi tiết phẳng, mỏng nhƣng rộng nhƣ tấm tôn, hoặc giấy mỏng, hình
dạng chi tiết phức tạp, vị trí của chi tiết thay đổi ngẫu nhiên. Tuy có nhiều điểm giống
nhau song cơ cấu kẹp điện từ và kẹp khí nén có những đặc điểm khác nhau về sử dụng
thống kê trong bảng sau:
Bảng 1.1: So sánh tính chất làm việc của tay kẹp kiểu điện từ và kiểu khí nén
Tính chất
Kiểu điện - từ
Kiểu khí nén
Vật liệu vật kẹp
Phải có từ tính
Bất kì
Hình dạng vật kẹp
Bất kì
Mặt phẳng
Trạng thái bề mặt
Không cần nhẵn
Phải nhẵn, sạch
Lực kẹp
Lớn, ít phụ thuộc diện
tích tiếp xúc
Hạn chế, phụ thuộc
diện tích tiếp xúc
Thời gian kẹp
Nhanh
Chậm, phải đủ đạt
độ chân không
Kết cấu
Đơn giản
Phức tạp, cần đƣờng
ống, đầu nối…