1 Tính toán, thiết kế, chế tạo phần khung robot nhện

W = W0 – R



(4.1)



Xác định W0: trường hợp tổng qt, một khâu để rời trong khơng gian có 6 bậc

tự do tương đối so với giá nên nếu cơ cấu có n khâu thì số bậc tự do tương đối sẽ là:

W0 = 6n



(4.2)



Xác đinh R: Mỗi khớp động sẽ hạn chế một số bậc tự do bằng đúng số ràng

buộc của khớp đó. Nếu gọi Pi là số khớp loại I trong cơ cấu thì tổng số ràng buộc sẽ là

R = 5p5 + 4p4 +3p3 + 2p2 + 1p1



(4.3)



Vì vậy:

Cơ cấu khơng gian: W = 6n – (5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 + 1p1 – R0 – r) – s (4.4)

Cơ cấu phẳng: W = 3n – (2p5 + p4 – r) –s

(4.5)

Với: r là số ràng buộc thừa và s là bậc tự do thừa.

Sự chế tạo thành cơng robot phụ thuộc vào tính tốn thiết kế phần khung robot.

Đặc biệt là tính tốn thiết kế chân của robot.Từ đó, tất cả các dạng chuyển động bằng

chân được xem xét về tính bền, khả năng chịu lực, moment của trục động cơ, sau đó

xét đến tính khả thi của nó. Điều này rất quan trọng cho việc lựa chọn một cơ cấu chân

mà nó sẽ tính đến phạm vi chuyển động là lớn nhất mà không phải chịu những ràng

buộc vào giải thuật chuyển động đã được chọn lựa. Do đó giai đoạn đầu tiên của quá

trình thiết kế chân là tìm kiếm một kiểu chân tối ưu nhất.

Phương án 1: Thiết kế kết cấu chân robot 2 bậc tự do, ưu điểm là kết cấu đơn

giản, dễ chế tạo, dễ điều khiển. Trong phương án này lại khảo sát ba trường hợp thiết

kế chân như sau:



Hình 4.2 Cơ cấu chân 2 bậc tự do

Cơ cấu chân 2 bậc tự do được thể hiện ở Hình 4.2: với trường hợp (a) nhận thấy

hai bậc cho hai khâu là tịnh tiến, điều này sẽ gây ra khó khăn trong q trình di

chuyển. Với trường hợp (b) thì hai bậc tự do cho hai khâu là xoay và tịnh tiến, trường

hợp này có ưu điểm hơn trường hợp (a) nhưng vẫn kém linh hoạt hơn trường hợp (c).

Đây là trường hợp mà cả hai bậc tự do đều là chuyển động xoay quanh khớp. Phương

án này tuy có nhiều ưu điểm nhưng lại quá đơn giản, thô sơ không khả thi cho đề tài

này.

Phương án 2:

Trong phương án này chân robot được thiết kế với số bậc tự do là 3 bậc tự do

được thể hiện ở dưới Hình 4.3. Nó có một bậc tự do để vẫy chân tới và lùi, một bậc tự

do nâng hạ chân và một bậc tự do ở khớp đầu gối.

Khuyết điểm: cần momen cho động cơ phải đủ lớn vì nó phải mang thêm tải là

bậc tự do thứ ba. Việc giải các bài toán động học và động lực học phức tạp. Có nhiều

điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.

Ưu điểm: khả năng chịu tải cao, độ cứng vững cao do kết cấu hình học của

chúng. Tất cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. Có thể thực



hiện các thao tác linh hoạt, di chuyển dễ dàng trong địa hình thay đổi phức tạp và hoạt

động với độ chính xác cao. Cung cấp khả năng di động cao trong q trình làm việc do

có kích thước gọn. Do đó, đây là phương án lựa chọn cho robot nhện.



Hình 4.3 Cơ cấu 3 bậc tự do



1.Chân đệm



3. Khâu 2



5. Khâu 1



2. Khâu 3



4. Động cơ servo



6. Bu lông, đai ốc



Hình 4.4 Chân 3 bậc tự do

4.1.2 Thiết kế thân robot



1. Khối xử lý



3. Đai ốc



5. Khối nguồn



2. Bu lông



4. Khối cảm biến



6. Khối bluetooth



Hình 4.5 Thân dạng hình lục giác đều

Với dạng thân hình lục giác đều nên các chân được bố trí đều theo các góc của

hình lục giác đều. Thân robot hình dạng này dễ chế tạo và phù hợp với các loại robot

nhện di chuyển bằng đường thẳng. Mỗi chân của chúng có thể quay được một góc lên

tới 180o nên việc di chuyển khá dễ dàng để có thể lập trình.

4.1.3 Chọn động cơ cho cơ cấu chân robot

Để tạo sự dẫn động cho chân robot ba bậc tự do cần trang bị các động cơ. Để

đơn giản và dễ dàng điều khiển thì mỗi bậc tự do sẽ có một động cơ để dẫn động. Các

loại động cơ có thể dùng được là:

Động cơ bước: loại động cơ này điều khiển bằng xung rời rạc và có góc xoay

nhỏ dễ dàng trong q trình điều khiển chân, đây là một ưu điểm. Tuy nhiên động cơ

này có trọng lượng quá nặng và momen quá yếu. Như vậy, khối lượng của chân sẽ

tăng thêm vì vậy gây khó khăn trong việc chế tạo robot.

Động cơ RC Servo:



Hình 4.6 Động cơ RC Servo

Động cơ RC servo là loại động cơ được điều khiển bằng sự điều biến độ rộng

xung (PWM) tức là kiểm sốt hành trình mà chân robot đã di chuyển được. Góc quay

của động cơ là 180o, rất linh hoạt trong các thao tác di chuyển.

Thơng số kỹ thuật

Dạng sóng: Analog

Lực kéo: 3.17 kg (4.8V); 4.1 kg (6V)

Tốc độ quay: 0.23 sec/600 (4.8V); 0.19 sec/600 (6V)

Trọng lượng: 37g

Kích thước: L39.9 * W20.1 * H36.1 (mm)

Phạm vi quay: 1800

Chu kì: 30ms

Độ rộng xung: 500-3000µs

Hồn thành thiết kế chế tạo phần khung robot nhện



Hình 4.7 Thiết kế chế tạo hoàn thiện phần khung của robot nhện

4.2 Tính tốn thiết kế mạch điều khiển robot nhện

4.2.1 Mạch nguồn

Cung cấp nguồn cho động cơ servo

Động cơ RC servo được chọn trong đề tài là động cơ RC Servo Futaba S3003.

Dựa vào thông số kỹ thuật của nhà sản xuất dòng điện định mức cho động cơ hoạt

động khi không tải là 8mA. Khi động cơ chạy với tải, dòng điện định mức cho động cơ

hoạt động có thể lên đến 1.2A. Để tránh trường hợp tụt áp do dòng bị quá tải, chúng

em sử dụng mạch nguồn tổ ong 5V DC, 20A dùng để cung cấp dòng điện và điện áp

đủ cho 18 động cơ RC Servo hoạt động.

Thông số kỹ thuật nhà sản xuất:

Điện áp đầu vào: 110 - 220V AC (50/60 Hz)



Điện áp đầu ra: 5V DC, 20A

Công suất: 100W

Nhiệt độ làm việc: 0o – 60oC