Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế cơ cấu đàn hồi khử rung được tích hợp cho camera quan sát trong quá trình di chuyển

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này trình bày thiết kế của cơ cấu định vị máy ảnh dựa trên cơ chế phỏng sinh mắt người. Thiết bị kết hợp cơ chế hoạt động cơ mắt và cơ cấu dạng cầu với mục đích tối thiểu hoá hình dạng của cơ cấu định hướng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế cơ cấu đàn hồi khử rung được tích hợp cho camera quan sát trong quá trình di chuyển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG NGỌC PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU ÐÀN HỒI KHỬ RUNG ÐUỢC TÍCH HỢP CHO CAMERA QUAN SÁT TRONG QUÁ TRÌNH DI CHUYỂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ÐIỆN TỬ- 8520114 S K C0 0 5 8 5 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG NGỌC PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐÀN HỒI KHỬ RUNG ĐƯỢC TÍCH HỢP CHO CAMERA QUAN SÁT TRONG QUÁ TRÌNH DI CHUYỂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ- 8520114 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG NGỌC PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐÀN HỒI KHỬ RUNG ĐƯỢC TÍCH HỢP CHO CAMERA QUAN SÁT TRONG QUÁ TRÌNH DI CHUYỂN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ- 8520114 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHẠM HUY TUÂN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018
i
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Hoàng Ngọc Phương Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 30/03/1991 Nơi sinh: Bình Thuận Quê quán: Bình Thuận Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 379, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, TP.HCM Điện thoại: 01227105479 E-mail: Dungphuonghuong.pstyle@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại Học: Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ: 2009 đến 2014 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp 06/2014 tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 2014 - 2015 Công ty lock & lock Nhân viên kỹ thuật Từ 2015 tới nay Công ty SamSung Nhân viên kho ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 09 năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Hoàng Ngọc Phương iii
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và nghiên cúu tại trường. Cảm ơn quý Thầy, Cô Phòng Đào Tạo sau đại học và Khoa Cơ Khí Máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đối với Thầy PGS. TS. Phạm Huy Tuân đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Hoàng Ngọc Phương iv
TÓM TẮT Bài viết này trình bày thiết kế của cơ cấu định vị máy ảnh dựa trên cơ chế phỏng sinh mắt người. Thiết bị kết hợp cơ chế hoạt động cơ mắt và cơ cấu dạng cầu với mục đích tối thiểu hoá hình dạng của cơ cấu định hướng. Hệ thống định hướng hoạt động thông qua việc điều khiển chuyển động đảo (pan), nghiêng (tilt) với sự đồng bộ hoá các cơ cấu đàn hồi. Cơ cấu linh hoạt này hoạt động thông qua độ lệch của các thanh cong để dẫn hướng các mô-đun định hướng. Quy trình tối ưu hoá hình dạng và kích thước bằng thuật toán di truyền được sử dụng cho thiết kế. Mục tiêu của việc tối ưu hoá là, đạt được góc quay lớn nhất và mối quan hệ tuyến tính. Để chứng minh điều này, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được đề cập. Kết quả cho thấy một hệ thống định hướng ra đời với các đặc điểm: gọn, nhẹ và độ chính xác cao. Từ khoá: cơ cấu đàn hồi, cơ cấu dạng cầu, tối ưu hoá, hệ thống định hướng quay. v
ABSTRACT Abstract— This paper presents the design of a compliant bio-inspired camera- positioning mechanism. The device combines human muscle actuation scheme and spherical mechanism with the aim of miniaturizing the orienting mechanism. The active orientation system which controls two DOFs (pan and tilt) were synthesized by using compliant mechanism. The flexible mechanisms utilize the deflection of curved beams to drive the orienting modules. A shape and size optimization process using genetic algorithm was used for the design. The multi-objective of the optimization problem is the maximum orienting angles and a linear input-output relation. To demonstrate the feasibility of the optimum design, finite element analysis was carried out. The results show that the proposed design exhibits essential characteristics of a camera-orientation system such as light weight, compactness and high precision. Keywords — Compliant mechanism, spherical mechanism, optimization, camera- orientation system. vi
MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt vi Danh sách các hình vii Danh sách các bảng viii Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. 1 1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước. 1 1.1.1.1 Nghiên cứu trong nước. 1 1.1.1.2 Nghiên cứu ngoài nước. 3 1.2 Tính cấp thiết của đề tài. 4 1.3 Mục đích của đề tài. 5 1.4 Nhiệm vụ của đề tài và đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài. 5 1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài. 5 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài. 5 1.4.3 Giới hạn của đề tài 5 1.5 Phương pháp nghiên cứu. 6 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 2.1 Đường cong tham số Bezier. 7 2.1.1 Biểu diễn đường cong tham số Bezier. vii
2.1.2 Dạng tổng quát đường cong Bezier. 7 2.1.3 Đường cong Bezier bậc nhất 7 2.1.4 Đường cong Bezier bậc hai. 8 2.1.5 Đường cong Bezier bậc ba. 9 2.1.6 Dạng ma trận. 10 2.1.7 Các tính chất của đường cong Bezier. 11 2.2 Lý thuyết cơ cấu mềm 11 2.2.1 Định nghĩa 12 2.3. Giải thuật di truyền. 14 2.4 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 19 2.4.1 Giới thiệu 19 2.4.2 Các bước giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 21 2.4.3 Lực, ứng suất và chuyển vị 21 2.5 Giới thiệu về Abaqus. 22 2.5.1 Giới thiệu 22 2.5.2 Các cửa sổ chính ABAQUS/CAE. 23 2.6 Giới thiệu về SolidWork Simulation. 25 2.6.1 Giới thiệu. 25 2.6.2 Những lợi ích của việc phân tích thiết kế. 26 2.6.3 Phương pháp được sử dụng. 28 2.6.4 Các kiểu phân tích trong SolidWorks Simulation. 28 2.7 Tối ưu hoá hình dạng. 29 Chương 3. PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP 30 3.1 Yêu cầu đặt ra. 30 3.2 Phương án thiết kế. 30 3.2.1 Phương án 1. 30 3.2.2 Phương án 2. 31 viii
3.3 Lựa chọn phương án. 31 Chương 4. THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN 33 4.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của cơ cấu. 33 4.1.1 Cấu tạo. 33 4.1.1 Nguyên lí hoạt động của cơ cấu. 33 4.2 Cơ cấu đảo. 34 4.2.1 Thiết kế. 34 4.2.2 Tính toán tối ưu hoá. 36 4.2.3 Mô phỏng 39 4.3 Cơ cấu nghiêng. 41 4.3.1 Thiết kế. 41 4.3.2 Tính toán tối ưu hoá. 42 4.3.3 Mô phỏng. 43 Chương 5 CHẾ TẠO - KIỂM TRA 45 5.1 Vật liệu. 45 5.2 Chế tạo. 46 5.2.1 Cơ khí. 47 5.2.2 Điều khiển. 47 5.3 Kiểm tra. 48 5.3.1 Thực nghiệm. 49 5.3.2 Lập trình cảm biến MPU 6050 với mạch Arduino Uno. 49 5.3.2 Bố trí thí nghiệm. 50 5.6 Hướng ứng dụng 51 Chương 6 KẾT LUẬN 53 Phụ lục 56 ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG BẢNG 4.1 Mô hình hóa bài toán tối ưu thiết kế cho cơ cấu đảo. 36 BẢNG 4.2: Giá trị tối ưu của các biến thiết kế. 38 BẢNG 4.3 Mô hình hóa bài toán tối ưu thiết kế cho cơ cấu đảo. 41 BẢNG 4.4 Biến thiết kế tối ưu của đường cong nghiêng. 43 BẢNG 5.1 Chi tiết lắp ghép khác. 46 x
DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 TAG – I4W3-F6 – Camera IP Wifi (a) và bên trong PTZ Camera (b) 2 Hình 1.2 Gimbal Gremsy S1 (a) và cơ cấu dạng cầu gimbal (b). 2 Hình 1.3 Biểu đồ cơ cấu hai bậc tự do mắt phải của APS (a). Mẫu vẽ cad (b). Các thành phần cấu thành (c). Hình ảnh hoàn thiện của hệ thống cho mắt phải(d). Hình ảnh của bộ stereo với đường điều chỉnh(e). 3 Hình 1.4 Thiết bị camera định hướng 4 Hình 2.1: Các dạng đường cong Bezier. 8 Hình 2.2: Đồ thị hàm cơ sở của đường cong Bezier bậc ba. 9 Hình 2.3: Một số cơ cấu cứng truyền thống (a) cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền, (b) cơ cấu kìm cộng lực. 12 Hình 2.4: Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm. 13 Hình 2.5: Một thế hệ mới được hình thành qua pha chọn lọc và pha tái tổ hợ 16 Hình 2.6 Phần mềm Abaqus 6.13(a) Cửa sổ trong Abaqus(b) 24 Hình 2.7 Giao diện SolidWork 2016(a) Cửa sổ trong SolidWorks Simulation.(b) 26 Hình 2.9 Cơ cấu đàn hồi (a) và Cơ cấu đàn hồi sau khi được tối ưu hoá (b) 30 Hình 3.1 Sơ đồ động sử dụng liên kết thanh cứng cho cơ cấu đảo (a) và cơ cấu nghiêng (b). 30 Hình 3.3 Sơ đồ động sử dụng liên kết thanh mền – đàn hồi cho cơ cấu đảo (a) và cơ cấu nghiêng (b). 33 Hình 4.1 Cơ cấu khử rung tích hợp trong camera. 33 Hình 4.2 Thiết kế sơ đồ của cơ cấu đảo (a) với các thông số kích thước ràng buộc trong không gian thiết kế (b). 34 Hình 4.3 Đồ thị phân bố dân số của nhiều thế hệ trong quá trình tối ưu hoá 37 Hình 4.4 Dạng phần tử của đường cong đảo. 38 xi
Hình 4.5 Kết quả mô phỏng 2D của đường cong đảo khi moto tịnh tiến lùi (a) và tịnh tiến tới (b) 36 Hình 4.6 Kết quả mô phỏng 3D của đường cong đảo khi moto tịnh tiến tới (a) và tịnh tiến lùi (b). 40 Hình 4.7 Lực và ứng suất tới hạn của thanh Đảo. 41 Hình 4.8 Thiết kế sơ đồ của cơ cấu Nghiêng (a) với các thông số kích thước ràng buộc trong không gian thiết kế (b). 41 Hình 4.9 Dạng phần tử của đường cong nghiêng. 42 Hình 4.10 Kết quả mô phỏng 2D của đường cong nghiêng khi moto tịnh tiến lùi (a) và tịnh tiến tới (b) 43 Hình 4.11 Kết quả mô phỏng 3D của đường cong đảo khi moto tịnh tiến tới (a) và tịnh tiến lùi (b). 44 Hình 4.12 Lực và ứng suất tới hạn của thanh nghiêng 44 Hình 4.13 Góc xoay Đảo và Nghiêng tương ứng khoảng dịch chuyển. 44 Hình 5.1: Bản vẽ thiết kế 2D bằng Autocad thanh đảo (a), thanh nghiêng (b). 45 Hình 5.2 Chi tiết thu được sau khi gia công Laser. 46 Hình 5.3 Chi tiết in 3D, Hộp Động Cơ (a) và Đế (b) 46 Hình 5.4 Động cơ tịnh tiến Haydon 21H4AC – 7.5 – A04 và bảng thông số kỹ thuật. Hình 5.5 Bảng mạch (a) và giao diện điều khiển (b). 47 Hình 5.6 Cơ cấu được lắp ráp hoàn chỉnh. 48 Hình 5.7 Động cơ đang ở vị trí cân bằng (y = 0) 48 Hình 5.8 Động cơ dịch chuyển cơ cấu đảo tới vị trí lần lượt 9 và -9. 49 Hình 5.9 Động cơ dịch chuyển cơ cấu nghiêng tới vị trí lần lượt 9 và -9. 49 Hình 5.10 Vị trí gắn cảm biến MPU – 6050 cho cơ cấu đảo (a) và nghiên (b). 50 Hình 5.11 Giá trị góc đo được của cơ cấu Đảo (a), Nghiêng (b). 51 xii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. Theo một định nghĩa đơn giản nhất thì camera là một thiết bị ghi hình. Sự gắn và kết nối với cơ cấu dẫn, truyền động phía sau giúp việc ghi hình camera cải tiến, linh hoạt và có nhiều ứng dụng hơn. 1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.1.1.1 Nghiên cứu trong nước. PTZ Camera là dòng camera phổ thông nhất hiện nay và được ứng dụng rộng rãi cho việc quan sát. Có tên Pan Tilt Zoom là vì khả năng của camera cho phép xoay sang trái phải, nghiêng lên xuống và phóng to thu nhỏ của một vật thể đang di chuyển. Camera PTZ có thể đáp ứng các yêu cầu này do sự kết hợp độc đáo của một chân - đế quay – quét/ lên – xuống và một ống kính thu – phóng hình ảnh xử lý nhanh. Ưu điểm: có thể cho phép quan sát được nhiều vị trí khác nhau. Khi cần quan sát khu vực nào đó, người điều khiển camera cho phép camera quay hướng về phía đó. Camera PTZ thường được lắp đặt ở những khu vực rộng, có nhiều mục tiêu cần quan sát xung quanh vị trí lắp đặt của camera. Nhược điểm: kích thước lớn, trọng lượng nặng, cồng kềnh. TAG – I4W3-F6 – Camera IP Wifi PTZ, một trong những dòng sản phẩm của công ty cổ phần ứng dụng công nghệ và tích hợp giải pháp việt nam (Taiso). 1
(a) (b) Hình 1.1 TAG – I4W3-F6 – Camera IP Wifi (a) và bên trong PTZ Camera (b). Gimbal là thiết bị cố định máy quay phim giúp cho máy quay phim ổn định về tầm hướng, đảm bảo không bị rung lắc và không bị mất bố cục khi một hệ thống làm việc độc lập khác mang theo nó di chuyển. a b Hình 1.2 Gimbal Gremsy S1 (a) và cơ cấu dạng cầu gimbal (b). Gimbal Gremsy S1 là một trong những dòng sản phẩm về gimbal của công ty Gremsy việt nam, có tính ưu việt như giữ camera ở vị trí cân bằng trong quá trình di chuyển từ đó thu được hình ảnh rõ nét, kết cấu gọn nhẹ hơn so với các dòng sản phẩm cùng loại. Có tính năng như vậy bên trong Gimbal là con quay hồi chuyển, khớp vạn 2
năng, trục quay… được dẫn động bởi động cơ quay DC không chổi than và hoạt động dựa trên nguyên tắc bảo toàn momen động lượng. Tuy nhiên kết câu Gimbal vẫn còn khá cồng kềnh. 1.1.1.2 Nghiên cứu ngoài nước. Thiết kế về bộ cảm biến lập thể linh hoạt gọi là ASP ( The Agile Stereo Pair) của các nhà đồng tác giả Eric Samson, Denis Laurendeau, Marc Parizeau thuộc trường đại học Laval. ASP được biểu thị là một thiết kế cơ khí – cơ cấu định hướng song song hai bậc tự do cho phép máy ảnh định hướng độc lập trong khoảng thời gian nhanh và chính xác. Cơ cấu được cấp dẫn động bởi động cơ DC. Nhược điểm của cơ cấu, không gian thiết kế lớn, tính chính xác trong truyền động chưa cao. Hình 1.3 Biểu đồ cơ cấu hai bậc tự do mắt phải của APS (a). Mẫu vẽ cad (b). Các thành phần cấu thành (c). Hình ảnh hoàn thiện của hệ thống cho mắt phải(d). Hình ảnh của bộ stereo với đường điều chỉnh(e). Thiết kế và điều khiển của hệ thống camera định hướng tích hợp động học cao của nhóm tác giả Thomas Villgrattner, Heinz Ulbrich và các cộng sự được in, suất bản 3
trong tạp CHÍ IEEE/ ASME TRANSACTIONS ON MECHANTRONIC, VOL 16 NO 2 APRIL 2011. Thiết kế là hệ thống camera định hướng hai bậc tự do, có khả năng định hướng cho một máy ảnh quay xung quanh qua lại và lên xuống. Chuyển động qua lại (quanh trục đảo) và lên xuống (quanh trục nghiêng) của chính nó, cơ cấu động học được ví tương tự như chuyển động mắt người. Đồng thời hệ thống này đủ nhẹ để được gắn trên đầu của một con người. Với hệ thống cơ khí được dựa trên sự dẫn động của động cơ piezo truyền sóng siêu âm thẳng. Tuy động cơ piezo có tính chính xác cao nhưng tính toán điều khiển phức tạp. Bộ phận định hướng là các khớp cacdang gây ra tỉ số truyền phi tuyến. Hình 1.4 Thiết bị camera định hướng 1.2 Tính cấp thiết của đề tài. Những nhược điểm của các thiết kế, chế tạo trên. - Kích thước thiết kế cơ cấu camera còn lớn, tính thẩm mỹ chưa cao. - Việc điều khiển giữa động cơ và chuyển động camera chưa tối ưu. Từ những nhược điểm trên tác giả đề xuất ra một phương án thiết kế, chế tạo khắc phục. Và đó cũng là lý do đề tài “ Nghiên cứu thiết kế cơ cấu đàn hồi khử rung được tích hợp cho camera quan sát trong quá trình di chuyển” được xây dựng. 4
1.3 Mục đích của đề tài. - Thiết kế, chế tạo cơ cấu với kích thước nhỏ gọn. - Thiết lập, xây dựng mối quan hệ tuyến tính cho việc điều khiển giữa động cơ và góc xoay camera. - Tiết kiệm vật liệu và tăng độ bền của cơ cấu. 1.4 Nhiệm vụ của đề tài và đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài. 1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài. - Tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh cơ cấu đàn hồi được tích hợp cho camera quan sát trong quá trình di chuyển. - Dùng phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm đa năng Matlab, Abaqus và Solidwork để mô phỏng trường ứng suất, biến dạng. - Tính toán tối ưu hoá thiết kế bằng giải thuật di truyền. - Chế tạo, lắp ráp cơ cấu hoàn chỉnh dựa trên các thông số thiết kế. - Lập trình điều khiển động cơ tuyến tính. 1.4.4 Đối tượng nghiên cứu của đề tài. Cơ cấu định hướng dạng đường cong làm bằng vật liệu POM( Poly Oxy Methylen). 1.4.5 Giới hạn của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cơ cấu định hướng dạng đường cong bằng cơ cấu mềm được tích hợp trong camera quan sát trong quá trình di chuyển. Các công việc tính toán, thiết kế, chế tạo được triển khai chi tiết. Các thiết bị liên quan khác không thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài. 1.5 Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu, phân tích lí thuyết. - Xây dựng biên dạng bằng đường cong tham số Bezier. - Xây dựng giải thuật di truyền để tối ưu hoá biên dạng. 5