ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo HUỲNH QUỐC BÃO NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1-DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU SCOTCH-YOKE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đà Nẵng, 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo HUỲNH QUỐC BÃO NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1-DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU SCOTCH-YOKE Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số: 8.52.01.44 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ HỒI NAM Đà Nẵng, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày luận văn thân thực hướng dẫn giảng viên hướng dẫn, chưa sử dụng cho khóa luận tốt nghiệp khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học tương tự công bố, trừ tài liệu tham khảo trích dẫn rõ ràng luận văn Học viên Huỳnh Quốc Bão NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1-DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU SCOTCHYOKE Học viên: Huỳnh Quốc Bão Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8.52.01.44 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Khóa: K32 Tóm tắt - Một cấu cân trọng lực di chuyển đến vị trí với hồn tồn không lực phát động hoạt động môi trường phi hấp dẫn Với tính đó, thiết kế cân trọng lực áp dụng vào nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp, thiết bị hỗ trợ phục hồi chức chấn thương chỉnh hình cho cánh tay, chân; xây dựng, mơ hình hóa cấu trúc xương; cấu máy song song… Hiện tại, việc kiểm nghiệm hoạt động cấu cân trọng lực thực cách cảm tính cách treo thêm vật nặng theo khối lượng tăng dần để xác định giới hạn hoạt động cấu Việc xác định góc quay tương ứng với giới hạn hoạt động cấu khơng xác Nhận thấy điều này, tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm hoạt động cấu cân trọng lực 1-DOF dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch-Yoke” RESEARCHING EXPERIMENTAL ACTIVITIES OF 1-DOF WEIGHTBALANCE STRUCTURE BASED ON THE PRINCIPLES OF SCOTCH-YOKE STRUCTURE Student: Huynh Quoc Bao Major: Mechatronics Engineering Code:8.52.01.44 Course:K32 Polytechnic University - UD Summary - A gravitational balance mechanism can move to any position with little or no power at all as it operates in an unattractive environment With that feature, gravity balance designs can be applied to many areas such as industrial robot arm, rehabilitation equipment in orthopedic injuries for arms and legs; building and modeling muscle and bone structures; parallel machine structures Currently, the performance testing of the gravity equilibrium structures is done sensitively by adding heavy objects by increasing mass to determine the operating limit of structure Determining the rotation angle corresponds to the operating limit of the incorrect mechanism Realizing this, the author proposes the topic "Experimental study of the operation of 1-DOF gravity equilibrium based on the operating principle of ScotchYoke structure" MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Chương Giới thiệu 1.1 Tổng quát 1.2 Tổng quan nghiên cứu 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 12 1.4 Bố cục luận văn 12 Chương Cơ cấu cân trọng lực Nguyen [24] 14 2.1 Thiết kế hệ thống cân sử dụng lò xo dựa nguyên lý cấu Scotch Yoke 14 2.2 Điều kiện cân 16 2.3 Thiết kế cấu tránh xảy lỗi không đáng có hệ thống 20 2.4 Thiết lập hệ thống cân lò xo 21 2.5 Mơ hình cấu cân trọng lực 1DOF [28] 22 Chương Nghiên cứu thực nghiệm 27 3.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 27 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 29 3.3 Tính tốn, thu thập xử lý số liệu 30 Chương Kết luận hướng phát triển 41 4.1 Kết ban đầu 41 4.2 Kết luận 42 Tài liệu tham khảo 44 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Bảng 2-1 Thông số thiết kế cấu bậc tự Bảng 3-1 Các ký hiệu sử dụng Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Hình 1-1 Ứng dụng cấu cân trọng lượng Hình 1-2 Thiết kế cấu cân sử dụng lò xo Hình 1-3 Thiết kế cấu cân trọng lực sử dụng lò xo Hình 1-4 Cơ cấu cân trọng lực sử dụng lò xo với cánh tay quay khơng gian Hình 1-5 Lò xo khơng có độ dài tự hệ cân trọng lực Hình 1-6 Lò xo khơng có độ dài tự hệ cân trọng lực Hình 1-7 Cơ cấu cân trọng lực dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch-Yoke theo đề xuất Nguyen [28] Hình 2-1 Nguyên lý cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo Hình 2-2 Cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo cân lượng Hình 2-3 Điều kiện R2-1: Tay quay trượt quay ngược chiều Hình 2-4 Điều kiện R2-1: Tay quay trượt quay chiều Hình 2-5 Cơ cấu Scotch Yoke sử dụng cặp bánh có tỉ số truyền 2:1 Hình 2-6 Cơ cấu sử dụng lò xo cân Hình 2-7 Thiết kế 3D mơ hình cấu bậc tự CREO Hình 2-8 Thế trọng trường, đàn hồi tổng mơ hình cấu bậc tự Hình 2-9 Mơ hình cấu cánh tay cân dựa nguyên lý Scotch Yoke Hình 210 Hoạt động cánh tay cân Hình 3-1 Sự tương đương cấu nguyên (a) mô hình thực nghiệm (b) Trang Hình 3-2 Mơ hình CAD hệ thống thực nghiệm Hình 3-3 Hệ thống thực tế Hình 3-4 Sơ đồ khối hệ thống điện tử Hình 3-5 Sơ đồ thuật tốn điều khiển nhận phản hồi Hình 3-6 Mơmen vật nặng so với trục quay cấu Hình 3-7 Mơmen hệ thống điện tử so với trục quay cấu Hình 4-1 Biểu đồ quan hệ vị trị vật nặng m2 góc cân Hình 4-2 Biểu đồ quan hệ mơmen mơ hình thực nghiệm góc cân LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn khoa học – TS Lê Hồi Nam, người tận tình bảo, động viên giúp đỡ cho nhiều suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cám ơn ThS Nguyễn Hồng Nguyên hỗ trợ cấu cân trọng lực thuộc luận văn thạc sỹ anh để tơi tiếp tục thiết kế hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm hoạt động cấu Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Cơ khí giảng viên Khoa môn Cơ điện tử tạo điều kiện để tơi tham gia hồn thành khóa học Tôi xin cám ơn bạn bè hỗ trợ giúp đỡ thời gian học tập Cuối cùng, tơi dành lòng biết ơn chân thành cho vợ gia đình tơi, tất người dành cho suốt thời gian học tập làm luận văn Chƣơng Giới thiệu 1.1 Tổng quát Một cấu cân trọng lực di chuyển đến vị trí với hồn tồn khơng lực phát động hoạt động môi trường phi hấp dẫn Với tính đó, thiết kế cân trọng lực áp dụng vào nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp [1]-[8], cấu nâng hạ công nghiệp [8]-[12], thiết bị hỗ trợ phục hồi chức chấn thương chỉnh hình [13], cấu cánh tay [14], cấu song song [6]… Cơ cấu cân trọng lực phân làm hai loại chủ động thụ động Cơ cấu cân chủ động sử dụng động để cân di chuyển tay máy với tải trọng bên Với động gắn bên khớp xoay, hệ thống điều chỉnh để cân với tải trọng khác Tuy nhiên, hệ thống điều khiển buộc phải hoạt động cách ổn định nên có giá thành cao; nữa, động nặng nề làm cho tay máy trở nên cồng kềnh Ngược lại, phương pháp bù cấu cân thụ động sử dụng đơn giản đáng tin cậy với giá thành thấp với cấu chủ động, ví dụ phương pháp cân sử dụng đối trọng, phương pháp cân sử dụng lực ma sát, phương pháp cân sử dụng lò xo Trong số đó, hai phương pháp áp dụng phổ biến cho hệ thống cân trọng lực phương pháp sử dụng đối trọng phương pháp sử dụng lò xo Phương pháp cân đối trọng sử dụng trọng lượng thêm vào để cân với tải trọng có sẵn tồn hệ thống Phương pháp đơn giản, trực quan cân tĩnh học vị trí hành trình Tuy nhiên, đối trọng chắn làm tăng quán tính hệ thống Ngược lại, với ưu nhẹ lực quán tính tác dụng thấp, thiết kế cân trọng lực sử dụng lò xo xem cách tiếp cận thông dụng 44 Tài liệu tham khảo [1] D Z Lin, P Y., Shieh, W.B., and Chen, “Design of a Gravity-Balanced General Spatial Serial-Type Manipulator,” ASME J Mech Rob., vol 2(3), p 031003, 2010 [2] W Rahman, T, Ramanathan, R., Seliktar, R., and Harwin, “A Simple Technique to Passively Gravity-Balance Articulated Mechanisms,” Trans ASME J Mech Des., vol 117 (4), pp 655–658, 1995 [3] A Agrawal, S K., and Fattah, “Gravity-Balancing of Spatial Robotic Manipulator,” Mech Mach Theory, vol 39(12), pp 1331–1344, 2004 [4] J Fattah, A., Agrawal, S K., Catlin, G., and Hamnett, “Design of a Passive Gravity-Balanced Assistive Device for Sit-to-Stand Tasks,” Trans ASME J Mech Des., vol 128(5), pp 1122–1129, 2006 [5] J L Herder, N Vrijlandt, T Antonides, M Cloosterman, and P L Mastenbroek, “Principle and design of a mobile arm support for people with muscular weakness.,” J Rehabil Res Dev., vol 43, no 5, pp 591– 604, 2006 [6] I Simionescu, L Ciupitu, and L C Ionita, “Static balancing with elastic systems of DELTA parallel robots,” MAMT, vol 87, pp 150–162, 2015 [7] G J M Tuijthof and J L Herder, “Design, actuation and control of an anthropomorphic robot arm,” Mech Mach Theory, vol 35, no 7, pp 945962, 2000 [8] A Agrawal, S K., and Fattah, “Theory and Design of an Orthotic Device for Full or Partial Gravity-Balancing of a Human Leg During Motion,” IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng., vol 12(2), pp 157–165, 2004 45 [9] S Agrawal, S K., Gardner, G., and Pledgie, “Design and Fabrication of an Active Gravity Balanced Planar Mechanism Using Auxiliary Parallelograms,” ASME J Mech Des., vol 123(4), pp 525–528, 2001 [10] S Arakelian, V., Ghazaryan, “Improvement of Balancing Accuracy of Robotic Systems: Application to Leg Orthosis for Rehabilitation Devices,” Mech Mach Theory, vol 43(5), pp 565–575, 2008 [11] A Rahman, T., Sample, W., Jayakumar, S., King, M M., Wee, J Y., Seliktar, R., Alexander, M., Scavina, M., and Clark, “Passive Exoskeletons for Assisting Limb Movement,” J Rehabil Res Dev., vol 43(5), pp 583– 590, 2006 [12] Rahman, T., Sample, W., Seliktar, R., Scavina, M T., Clark, A L., Moran, K., and Alexander, M A., “Design and Testing of a Functional Arm Orthosis in Patients with Neuromuscular Diseases,” IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng., vol 15(2), pp 244–251, 2007 [13] J Y Lee, J H., Yi, B.J., and Lee, “Adjustable Spring Mechanisms Inspired by Human Musculoskeletal Structure,” Mech Mach Theory, vol 54, pp 76–98, 2012 [14] M Lenzo, B., Fontana, M., Marcheschi, S., Salsedo, F., Frisoli, A., and Bergamasco, “Trackhold: A Novel Passive Arm-Support Device,” J Mech Rob., vol 8(9), p 021007, 2016 [15] E D Alijing, J E Qua, O F Rochester, and O F Buffalo, “Improvement in Dental Brackets,” Pat No US218210, 1879 [16] K Hain, “Spring Mechanisms-Point Balancing and Spring MechanismsContinuous Balancing,” Chironis, N P., Ed., Spring Des Appl New York, 46 McGraw-Hill, pp 268–275, 1961 [17] B J Streit, D A., and Gilmore, “Perfect Equilibrators for Rotatable Bodies,” ASME J Mech Transm Auto Des., vol 111(4), pp 451–458, 1989 [18] D A Shin, E., and Streit, “Spring Equilibrator Theory for Static Balancing of Planar Pantograph Linkages,” Mech Mach Theory, vol 26(7), pp 645– 657, 1991 [19] R H Nathan, “A Constant Force Generation Mechanism,” ASME J Mech., Transm., Autom, Des., vol 107(4), pp 508–512, 1985 [20] V Ulrich, N., and Kumar, “Passive Mechanical Gravity Compensation for Robot Manipulator,” Proc 1991 IEEE Int Conf Robot Autom Sacramento, pp 1536–1541, 1991 [21] Z.-W Yang and C.-C Lan, “An adjustable gravity-balancing mechanism using planar extension and compression springs,” Mech Mach Theory, vol 92, no January, pp 314–329, 2015 [22] D Z Lin, P Y., Shieh, W B., and Chen, “Design of Perfectly Static- Balanced 1-DOF Planar Linkage with Revolute Joint Only,” ASME J Mech Des., vol 131(5), p 051004, 2009 [23] P Y Shieh, W B., Chen, D Z., and Lin, “Design of Statically Balanced Planar Four-Bar Linkages with Base-Attached Springs”, CD Proc 12th IFToMM World Congr Besancon (France), June 18-21, 2007, 2007 [24] D Z Lin, P Y., Shieh, W B., and Chen, “A Stiffness Matrix Approach for The Design of Statically Balanced Planar Articulated Manipulators”, Mech Mach Theory, vol 45(12), pp 1877–1891, 2010 47 [25] D Z Lin, P Y., Shieh, W B., and Chen, “Design of Statically Balanced Planar Articulated Manipulators with Spring Suspension”, IEEE Trans Rob., vol 28(1), pp 12–21, 2012 [26] P.-Y Lin, “Design of Statically Balanced Spatial Mechanisms with Spring Suspensions”, J Mech Robot., vol 4, no 2, p 021015, 2012 [27] J L Radaelli, G., Gallego, J A., and Herder, “An Energy Approach to Static Balancing of Systems with Torsion Stiffness,” Proc ASME Des Eng Tech Conf Comput Inf Eng Conf Montr Canada, 15-18 August 2010, DETC2010-28071 [28] H N Nguyen, “Design, Manufacturing and Justification of Spatial, Articulated, Gravity-Balancing Manipulators Based on a Novel Spring Type Balancer”, Master Thesis, 2017 [29] Y Chen, Y Liu, C Li, G Liu, Y Zhu, J Zhao and H Cai, “Gravity Balance Mechanism for a Spatial Robotic Manipulator”, J Of Mechanical Science and Technologie, 30(2), p865-869, 2016 [30] S R Deepak and G K Ananthasuresh, “Perfect Static Balance of Linkages by Addition of Springs but Not Auxiliary Bodies,” J Mech Robot., vol 4, no May 2012, p 021014, 2012 ... HUỲNH QUỐC BÃO NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1- DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU SCOTCH- YOKE Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số: 8.52. 01. 44 LUẬN VĂN... Huỳnh Quốc Bão NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1- DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU SCOTCHYOKE Học viên: Huỳnh Quốc Bão Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã... tự hệ cân trọng lực Hình 1- 7 Cơ cấu cân trọng lực dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch- Yoke theo đề xuất Nguyen [28] Hình 2 -1 Nguyên lý cấu Scotch- Yoke sử dụng lò xo Hình 2-2 Cơ cấu Scotch- Yoke