Tài liệu 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

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 HOÀI NAM Đà Nẵng, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn rõ ràng trong 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 cơ cấu cân bằng trọng lực có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào với rất ít hoặc hoàn toàn không lực phát động như đang hoạt động trong môi trường phi hấp dẫn. Với tính năng đó, những thiết kế cân bằng trọng lực có thể áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp, các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng trong chấn thương chỉnh hình cho cánh tay, chân; xây dựng, mô hình hóa cấu trúc cơ và xương; các cơ cấu máy song song… Hiện tại, việc kiểm nghiệm hoạt động của các cơ cấu cân bằng trọng lực được thực hiện một cách cảm tính bằng cách treo thêm các vật nặng theo khối lượng tăng dần để xác định giới hạn hoạt động của cơ cấu. Việc xác định góc quay tương ứng với giới hạn hoạt động của cơ cấu không chính xác. Nhận thấy điều này, tác giả đề xuất đề tài “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”. 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 .................................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................... 7 Chương 1. Giới thiệu .................................................................................................. 1 1.1 Tổng quát .......................................................................................................... 1 1.2 Tổng quan những nghiên cứu hiện tại .............................................................. 2 1.3 Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 12 1.4 Bố cục luận văn .............................................................................................. 12 Chương 2. Cơ cấu cân bằng trọng lực Nguyen [24] ................................................ 14 2.1 Thiết kế hệ thống cân bằng sử dụng lò xo dựa trên nguyên lý của cơ cấu Scotch Yoke .......................................................................................................... 14 2.2 Điều kiện cân bằng ......................................................................................... 16 2.3 Thiết kế cơ cấu tránh xảy ra các lỗi không đáng có của hệ thống ................. 20 2.4 Thiết lập hệ thống cân bằng lò xo .................................................................. 21 2.5 Mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực 1DOF [28] ............................................. 22 Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................ 27 3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm ..................................................................... 27 3.2 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................ 29 3.3 Tính toán, thu thập và xử lý số liệu ................................................................ 30 Chương 4. Kết luận và hướng phát triển .................................................................. 41 4.1 Kết quả 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 của cơ cấu 1 bậc tự do 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 của cơ cấu cân bằng trọng lượng Hình 1-2 Thiết kế đầu tiên của cơ cấu cân bằng sử dụng lò xo Hình 1-3 Thiết kế của cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo Hình 1-4 Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo với cánh tay quay trong không gian Hình 1-5 Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực Hình 1-6 Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực Hình 1-7 Cơ cấu cân bằng trọng lực dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu Scotch-Yoke theo đề xuất của Nguyen [28] Hình 2-1 Nguyên lý cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo Hình 2-2 Cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo cân bằng năng lượng Hình 2-3 Điều kiện R2-1: Tay quay và con trượt quay ngược chiều nhau Hình 2-4 Điều kiện R2-1: Tay quay và con trượt quay cùng chiều nhau Hình 2-5 Cơ cấu Scotch Yoke sử dụng cặp bánh răng có tỉ số truyền 2:1 Hình 2-6 Cơ cấu sử dụng lò xo cân bằng Hình 2-7 Thiết kế 3D của mô hình cơ cấu 1 bậc tự do trên CREO Hình 2-8 Thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và tổng thế năng của mô hình cơ cấu 1 bậc tự do Hình 2-9 Mô hình cơ cấu cánh tay cân bằng dựa trên nguyên lý Scotch Yoke Hình 210 Hoạt động của cánh tay cân bằng Hình 3-1 Sự tương đương giữa cơ cấu nguyên bản (a) và mô hình thực nghiệm (b) Trang Hình 3-2 Mô hình CAD của hệ thống thực nghiệm Hình 3-3 Hệ thống thực tế Hình 3-4 Sơ đồ khối của hệ thống cơ điện tử Hình 3-5 Sơ đồ thuật toán điều khiển và nhận phản hồi Hình 3-6 Mômen của vật nặng so với trục quay của cơ cấu Hình 3-7 Mômen của hệ thống cơ điện tử so với trục quay của cơ cấu Hình 4-1 Biểu đồ quan hệ giữa vị trị của vật nặng m2 và góc cân bằng Hình 4-2 Biểu đồ quan hệ giữa mômen của mô hình thực nghiệm và góc cân bằng LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn khoa học của tôi – TS. Lê Hoài Nam, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cám ơn ThS. Nguyễn Hồng Nguyên đã hỗ trợ cơ cấu cân bằng trọng lực thuộc luận văn thạc sỹ của anh để tôi có thể tiếp tục thiết kế và hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của cơ cấu này. Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Cơ khí cũng như các giảng viên của Khoa và bộ môn Cơ điện tử đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này. Tôi xin cám ơn các bạn bè đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập. Cuối cùng, tôi dành lòng biết ơn chân thành cho vợ và gia đình tôi, vì tất cả những gì mọi người đã dành cho tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn. 1 Chƣơng 1. Giới thiệu 1.1 Tổng quát Một cơ cấu cân bằng trọng lực có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào với rất ít hoặc hoàn toàn không lực phát động như đang hoạt động trong môi trường phi hấp dẫn. Với tính năng đó, những thiết kế cân bằng trọng lực có thể áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp [1]-[8], các cơ cấu nâng hạ trong công nghiệp [8]-[12], các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng trong chấn thương chỉnh hình [13], cơ cấu cánh tay [14], cơ cấu song song [6]… Cơ cấu cân bằng trọng lực có thể được phân làm hai loại chính đó là chủ động và thụ động. Cơ cấu cân bằng chủ động sử dụng động cơ để cân bằng và di chuyển tay máy với một tải trọng bên ngoài. Với các động cơ được gắn bên trong khớp xoay, hệ thống có thể được điều chỉnh để cân bằng với những tải trọng khác nhau. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển buộc phải hoạt động một cách ổn định nên có giá thành rất cao; hơn nữa, một động cơ nặng nề sẽ làm cho tay máy trở nên cồng kềnh. Ngược lại, phương pháp bù của cơ cấu cân bằng thụ động được sử dụng đơn giản và đáng tin cậy hơn cùng với giá thành thấp hơn với cơ cấu chủ động, ví dụ như phương pháp cân bằng sử dụng đối trọng, phương pháp cân bằng sử dụng lực ma sát, phương pháp cân bằng sử dụng lò xo. Trong số đó, hai phương pháp được áp dụng phổ biến nhất cho các hệ thống cân bằng trọng lực đó là phương pháp sử dụng đối trọng và phương pháp sử dụng lò xo. Phương pháp cân bằng đối trọng sử dụng một trọng lượng thêm vào để cân bằng với tải trọng có sẵn của toàn hệ thống. Phương pháp này rất đơn giản, trực quan và có thể cân bằng tĩnh học ở bất kỳ vị trí nào trong hành trình. Tuy nhiên, đối trọng chắc chắn làm tăng quán tính của hệ thống. Ngược lại, với ưu thế nhẹ và lực quán tính tác dụng thấp, thiết kế cân bằng trọng lực sử dụng lò xo được xem như cách tiếp cận thông dụng nhất. 2 (a) Herder et., al. [5] (b) Agrawal et., al. [8] (c) Tuijthof et., al. [7] (d) Siminonescu et., al. [6] Hình 1-1. Ứng dụng của cơ cấu cân bằng trọng lực 1.2 Tổng quan những nghiên cứu hiện tại Một trong những nghiên cứu đầu tiên về cơ cấu cân bằng sử dụng lò xo được công bố vào tháng 05 năm 1879 bởi Alling and Qua [15] tại Mỹ, như Hình 1-2a. Ý tưởng này liên quan đến việc cải tiến giá nha khoa có thể điều chỉnh; thiết kế này bao gồm 2 bộ khớp nối hình bình hành kết nối với nhau để nâng một cái giá; vì thế, cái giá này được điều chỉnh để có thể di chuyển theo mặt phẳng 3 ngang cũng như mặt phẳng đứng. Tuy nhiên, tác giả đã không đề cập đến một cách tổng quát để xác định độ cứng của lò xo. Đến năm 1961, khi nghiên cứu về điểm cân bằng của cơ cấu lò xo được đề xuất bởi Hain [16] như Hình 1-2b, mối quan hệ giữa những biến số của tổ hợp khớp tay đòn và độ cứng lò xo đã được tìm ra. Khi tổng của mômen tạo ra bởi thành phần lực đàn hồi lò xo bằng không, trạng thái cân bằng sẽ đạt được. Mặt khác, phương pháp thiết kế cơ cấu cân bằng dựa trên định luật bảo toàn thế năng được trình bày bởi Streit and Gilmore [17], một khâu rắn kết nối với đế thông qua một khớp xoay và có thể xoay tự do quanh khớp này bởi các lò xo kết nối giữa khâu và đế, có thể cân bằng hoàn toàn tại mỗi góc xoay. (a) Alling et., al. [15] (b) Hain [16] Hình 1-2. Thiết kế đầu tiên của cơ cấu cân bằng sử dụng lò xo Tiếp theo đó, một số nghiên cứu khác đã đề xuất rất nhiều cấu trúc cân bằng trọng lực với những khả năng áp dụng rất cao. Nathan [19] đã sử dụng lò xo trong thiết kế về cơ cấu lực bất biến với tất cả các khớp đều là khớp xoay. Streit and Shin [18] đã đề xuất sử dụng một vài lò xo trong một máy vẽ để giải quyết vấn đề cân bằng trọng lực gồm cả khớp xoay và khớp trụ. Với tổ hợp gồm cáp, lò xo và ròng rọc, Ulrich và Kumar [20] đã đề xuất một phương pháp về cơ cấu cân bằng thụ động trong mặt phẳng. Yang và Lan [21] đã trình bày một cơ cấu 4 cân bằng trọng lực một bậc tự do. Theo ý tưởng của họ, hình dạng của 2 lò xo được thiết kế để làm việc trong cùng một mặt phẳng nhỏ và sử dụng những đinh vít để điều chỉnh cho những đối trọng khác nhau. Lin và cộng sự đã phát triển một phương án thiết kế cân bằng lò xo [22, 23] để tạo ra trạng thái cân bằng cho một tổ hợp khớp khớp xoay trong mặt phẳng [24, 25]. Trong nghiên cứu của họ, số lượng tối thiểu và điểm cố định của lò xo có thể được xác định cho một hệ thống có sẵn. Phương pháp của họ phù hợp đối với các cơ cấu sử dụng trong mặt phẳng với toàn bộ các khớp là khớp xoay. Ngoài các cơ cấu cân bằng trọng lực trong mặt phẳng, sự cấp thiết của nhưng cơ cấu cân bằng trọng lực trong không gian nổi lên với những thiết kế về cấu trúc xương người, thiết bị hỗ trợ chấn thương chỉnh hình cho tay và những ứng dụng trong công nghiệp đã trở nên ngày càng phổ biến hơn. Agrawal and Fattah [3] đã thiết kế một thiết bị hỗ trợ phục hồi chấn thương chân sử dụng lò xo và các khâu phụ trợ để hỗ trợ bệnh nhân trong việc đi lại. Nhưng với thiết kế này, một số lượng lớn về khớp, các khâu phụ trợ không những làm cho hệ thống trở nên phức tạp mà còn có thể ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của thiết bị do sự xếp chồng lên nhau giữa các thành phần như Hình 1-3a. Với nỗ lực trong việc giảm sự ảnh hưởng của các khâu phụ trợ, Deepak và Ananthasuresh [30], Lin [26] sau này đã độc lập đề xuất phương pháp tổng quát để thiết kế những hệ thống cân bằng trong không gian có chỉ sử dụng lò xo mà không sử dụng bất kì một khâu phụ trợ hay khớp nào như Hình 1-3b-c. Về mặt lý thuyết, một hệ thống cân bằng với thiết kế gồm lò xo kết hợp với các khâu hỗ trợ hay không đều có thể cân bằng hoàn toàn hoặc một phần tác động của trọng lực, điều này phụ thuộc vào sự cần thiết của từng trường hợp áp dụng. 5 (a) Agrawal et., al. [3] (b) Deepak et., al. [30] (c) Lin [26] Hình 1-3. Thiết kế của cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo Tuy nhiên, những thiết kế cân bằng trọng lực thường yêu cầu số lượng lò xo lớn hơn số bậc tự do của hệ thống. Hệ quả là những hiện tượng lò xo tác động lẫn nhau tạo ra các nội lực lạ tác động vào hệ thống, điều này sẽ làm cho độ tin cậy của hệ thổng bị ảnh hưởng. Vấn đề lò xo tác động lẫn nhau luôn được quan tâm giải quyết trong những thiết kế về tay máy không gian. Mặc dù Nathan [19] 6 và Lin cùng các cộng sự [27] đã sử dụng số lượng tối thiểu lò xo trong thiết kế cho tay máy cân bằng trọng lực dựa trên khái niệm về chân đế ảo, cơ cấu của họ vẫn rất phức tạp và có thể làm tăng số bậc tự do của toàn hệ. Trong những thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực, ngoài những thiết kế sử dụng lò xo xoắn [36], lò xo tiêu chuẩn [20] hay dây cao su [12], lò xo không độ dài tự do (zero-free-length spring) – lò xo lý tưởng là công cụ được sử dụng phổ biến nhất. Đối với một lò xo không độ dài tự do, lực đàn hồi lò xo tỉ lệ thuận với độ cứng của lò xo. Tuy nhiên trong thực tế, một lò xo có độ dài tự do bằng không rất khó chế tạo và không sẵn có. Một cơ cấu sử dụng lò xo không độ dài tự do cố định trong một hệ thống tải trọng quay quay trục như Hình 1-4, ở đây tay đòn có thể quay tự do quay khớp O với góc θ bất kỳ, g biểu diễn cho vector hấp dẫn theo trục y, m biểu diễn cho giá trị khối lượng và vị trí trọng tâm của thanh, các điểm cố định A và B của lò xo không độ dài tự do, và S, a, và b lần lượt là khoảng cách từ khớp O đến trọng tâm m, điểm A và điểm B. k là độ cứng của lò xo. Từ đây, kí hiệu in đậm sẽ biểu diễn cho một vector hoặc một ma trận, kí hiệu in nghiêng sẽ biễu diễn cho kí hiệu toán hoặc tỉ lệ, và tất cả các góc quay sẽ được tính theo hướng ngược chiều kim đồng hồ theo chiều dương của trục x (quy tắc bàn tay phải). 7 A m k a B S  g b y x O Hình 1-4. Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo với cánh tay quay Dựa vào cơ cấu như Hình 1-4, thế năng trọng trường thu được là: 1 𝑈 = (𝑚𝑔𝑆 − 𝑘𝑎𝑏) sin 𝜃 + 𝑘(𝑎2 + 𝑏 2 ) 2 (1.1) Để tổng thế năng của hệ không đổi, hệ số của phần tử sin  phải bằng 0, vì thế: 𝑚𝑔𝑆 = 𝑘𝑎𝑏 (1.2) Phương trình (1.2) được xem như điều kiện cân bằng của hệ thống, có thể được hiểu rằng nếu phương trình này được thõa mãn, hệ thống sẽ luôn luôn đạt trạng thái cân bằng tại bất cứ vị trí nào. Vì thế, các tham số thiết kế k, a, và b của lò xo không độ dài tự do có thể được xác định dựa trên một hệ cho trước với tham số m và S cụ thể. Thông thường, việc lựa chọn độ cứng lò xo k được ưu tiên xác định trước bởi vì tính sẵn có của lò xo. 8 A B B B  /2 B B B  B  /2  B O (a) Sơ đồ chung của hệ (b) Sơ đồ suy rộng cho pully B Hình 1-5. Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực Theo phân tích nhược điểm về lò xo không độ dài tự do, một mô hình cơ cấu lò xo không độ dài tự do tương đương được đề xuất như Hình 1-5a, ở đây cơ cấu lò xo - không độ dài tự do gồm có một lò xo kéo thông thường, một ròng rọc và một sợi cáp với chiều dài phù hợp. Xét mô hình phóng to như Hình 1-5b, các điểm B’ và B” là hai tiếp điểm giữa cáp và ròng rọc, và góc π-ζB là góc bao của cáp quanh ròng rọc. Đối với hệ lò xo-không độ dài tự do tương đương này, khoảng cách giữa điểm A và B nên bằng chính xác độ dãn dài của lò xo đặt trên tay quay. Tuy nhiên, chiều dài cáp ̅̅̅̅̅ 𝐴𝐵′ có một phần khác biệt so với ̅̅̅̅ 𝐴𝐵, bởi vì bán kính của ròng rọc. Sự sai lệch của hai độ dài cho thấy một lỗi nhỏ của hệ thống. Tuy nhiên, nếu hệ ở trạng thái cân bằng, chiều dài cáp ̅̅̅̅̅ 𝐴𝐵′ luôn luôn bằng độ dãn dài của lò xo. Điều này cho thấy, với bất kì sự tăng lên của chiều dài cáp trên đoạn ̅̅̅̅̅ 𝐴𝐵′ phải bằng với độ giảm của chiều dài cáp trên đoạn giữa điểm B” và điểm kết thúc của lò xo. Hệ quả, nếu muốn độ chính xác của sự cân bằng 9 được duy trì, chiều dài cáp quanh góc bao π-ζB không được thay đổi theo góc quay θ. Tuy nhiên, tương tự tay đòn, góc ζB bao bởi hai đoạn cáp như Hình 1-5b sẽ bị thay đổi theo. Vì vậy, góc bao π-ζB và chiều dài của cáp quanh ròng rọc sẽ bị thay đổi theo. Hậu quả là, thêm một lỗi cân bằng do độ dãn dài của lò xo đã xuất hiện ở đây.   A A m A B  B B O  O  O Hình 1-6. Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực Để tránh những lỗi cân bằng trên, lò xo và cáp nên được sắp xếp lại sao cho chiều dài của cáp quanh ròng rọc luôn được giữ không đổi. Đối với một hệ cân bằng hấp dẫn cố định với lò xo không độ dài tự do như Hình 1-4, một cách sắp xếp khả thi được trình bày ở Hình 1-6, phương án này sử dụng ba ròng rọc và tổng giá trị của các góc bao π-ζA, π-ζB, và π-ζC luôn bằng hằng số 2 π, vì ζA+ζB+ζC=π. Bên cạnh các lỗi cân bằng, việc lắp đặt của một cơ cấu lò xo không độ dài tự do cũng có thể tạo ra lỗi. Vì không gian hoạt động hạn chế, lò xo không thể được lắp trên tay quay như Hình 1-5. Thay vào đó, một lò xo tiêu 10 chuẩn có thể được lắp cố định trên đế như Hình 1-6. Chú ý rằng, trong Hình 1-6, lò xo - không độ dài tự do được lắp cố định trên đế và các đế của các tay quay liền kề. Có thể thấy được sự sắp xếp phức tạp của ròng rọc và cáp rất rõ. Dựa trên những nguyên nhân đã đề cập ở trên, một cơ cấu lò xo cân bằng thay thế cho việc sử dụng lò xo không độ dài tự do là rất cần thiết. Có rất nhiều cơ cấu thay thế với chức năng tương đương với lò xo lý tưởng đã được đề xuất, ở đây dây thép, ròng rọc và lò xo tiêu chuẩn được sử dụng. Tuy nhiên, trong thực tế áp dụng, những cơ cấu này tồn tại các nhược điểm sau: - Rất khó để có được một lò xo tiêu chuẩn với độ dãn dài đủ cho một vùng hoạt động lớn với hai đầu được lắp cố định. - Việc xếp chồng lên nhau giữa dây thép và các thành phần khác của các cơ cấu này có thể làm phức tạp hệ thống và ảnh hưởng tới vùng hoạt động của toàn hệ. - Hơn nữa, dây thép và lò xo kéo có vòng đời hoạt động đáng tin cậy không lâu, và việc sử dụng chúng sẽ luôn tồn tại những lỗi nhỏ nếu muốn thay thế cho lò xo lý tưởng. Để giải quyết những nhược điểm trên, Nguyen [28] đã đề xuất một loại cơ cấu cân bằng trọng lực dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu Scotch-Yoke với những ưu điểm sau: - Là phương án thay thế phù hợp cho lò xo không độ dài tự do với cấu trúc đơn giản và những thành phần đáng tin cậy. - Việc lắp đặt của cơ cấu mới sẽ tránh được lỗi lò xo tác động lên lò xo khác nếu mở rộng ra áp dụng cho tay máy đa bậc tự do. 11 (a) (b) Hình 1-7. Cơ cấu cân bằng trọng lực dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu Scotch-Yoke theo đề xuất của Nguyen [28] (a) Cơ cấu một bậc tự do; (b) Cơ cấu ba bậc tự do