Rigging (Hệ thống dây truyền động / cơ cấu dẫn động)

Rigging là thuật ngữ dùng để chỉ cách bố trí (setup) của dây (string), dây đai (belt) hoặc xích (chain) trong việc mở rộng (extend) và thu lại (retract) một cơ cấu chuyển động tuyến tính (linear extension).

Đây là một yếu tố rất quan trọng và cũng tốn nhiều thời gian thiết lập, đặc biệt đối với các đội sử dụng hệ thống linear extension. Vì vậy, hãy dành đủ thời gian để thiết kế và lắp đặt rigging cho phù hợp.

The rigging for 7236's elevator in Rover Ruckus

General Rigging Tips (Các mẹo chung về Rigging)

• Rig your extension string when the extension is retracted, and your retract string when the extension is at maximum extension.
  → Hãy lắp dây kéo ra (extension string) khi hệ thống đang ở trạng thái thu gọn (retracted), và lắp dây thu lại (retract string) khi hệ thống đang ở trạng thái mở rộng tối đa (maximum extension).

• Clamping a string with a bolt instead of tying it around something makes it much easier to quickly change the tension of a string.
  → Kẹp dây bằng bu-lông (bolt) thay vì buộc vòng quanh một bộ phận nào đó sẽ giúp dễ dàng điều chỉnh nhanh độ căng (tension) của dây hơn.

• If tying an abrasive material string, like Kevlar, around a plastic part, you can tie the string around a washer to distribute the loads across the hole in the pulley instead of tying it directly into a hole in the pulley.
  → Nếu bạn buộc một loại dây có vật liệu mài mòn (abrasive material) như Kevlar quanh một chi tiết nhựa (plastic part), hãy buộc dây qua một vòng đệm kim loại (washer) để phân tán tải trọng (distribute the loads) trên lỗ của ròng rọc (pulley), thay vì buộc trực tiếp vào lỗ ròng rọc — điều này giúp tránh làm mòn hoặc hư hỏng nhựa.

• It’s generally easier to start from the side with the pulley and go to the end of the slides than the other way around.
  → Thông thường, dễ hơn khi bắt đầu lắp dây từ phía có ròng rọc (pulley side) và đi về phía cuối của thanh trượt (end of the slides), thay vì làm ngược lại.

Continuous Rigging (Hệ thống rigging liên tục)

Generally recommended (Được khuyến nghị sử dụng trong hầu hết các trường hợp)

Continuous rigging là hệ thống mắc dây liên tục, trong đó một sợi dây kéo dài (extension string) duy nhất được mắc liên tiếp qua nhiều tầng (stages).

Cụ thể:

• Dây extension bắt đầu từ một cuộn dây dẫn động bằng động cơ (motor-powered spool),

• sau đó đi đến đỉnh của tầng cơ sở (top of the base stage),

• rồi xuống đáy của tầng thứ nhất (bottom of the first stage),

• tiếp theo lên đỉnh tầng thứ nhất (top of the first stage),

• rồi xuống đáy tầng thứ hai (bottom of the second stage),

• và cứ thế lặp lại cho các tầng tiếp theo.

Một dây thu lại (retraction string), bắt nguồn từ một cuộn dây thứ hai (second spool) nằm trên cùng trục (on the same axis) với cuộn dây extension, được cố định (anchored) tại tầng trên cùng (top stage).

Khi động cơ quay theo một chiều, cuộn extension sẽ cuộn dây vào (reel in) → dây ngắn lại → khoảng cách giữa đỉnh và đáy của các tầng giảm xuống, khiến toàn bộ hệ thống mở rộng (system extends).

Note (Lưu ý)

Tầng cuối cùng (the last stage) luôn mở rộng và thu lại trước các tầng khác — điều này có thể là ưu điểm hoặc nhược điểm, tùy theo ứng dụng cụ thể (application).

Khi tầng cuối cùng chạm đến giới hạn (hits its limit), tầng liền kề phía dưới (next-to-last stage) bắt đầu mở rộng ra, và chuỗi này tiếp tục lặp lại cho đến khi tất cả các tầng đều được mở ra hoàn toàn (fully extended).

Khi động cơ quay ngược chiều, dây thu lại (retraction string) được cuộn vào (reeled in), kéo tầng trên cùng trở về vị trí ban đầu, cho đến khi toàn bộ hệ thống trở lại trạng thái gốc.

Đối với dây thu lại, thường cần thêm một ròng rọc phụ (extra pulley) gần phía sau cơ cấu mở rộng (back of the extension).
Lý do là: quá trình thu dây chỉ kéo đến điểm xa nhất, mà điểm này thường chính là vị trí của cuộn dây (spool); tuy nhiên, cuộn dây có thể không nằm ở cuối robot, do đó cần thêm một ròng rọc trung gian để dẫn hướng dây.

Ngoài ra, để cơ cấu này hoạt động đúng, dây extension và dây retraction phải được quấn theo hướng ngược nhau trên cuộn:

• Nếu extension string quấn theo chiều kim đồng hồ (clockwise), thì retraction string phải quấn ngược chiều kim đồng hồ (counterclockwise).

Additional Considerations (Những lưu ý bổ sung khi thiết kế continuous rigging)

• Continuous spools can be powered by a system with a relatively low gear ratio.
  → Hệ thống continuous spool có thể được dẫn động bằng bộ truyền với tỷ số truyền thấp (low gear ratio).

• The extension string and retraction string do not need to be separate strings, but it is much easier to tension the system if they are separate.
  → Hai dây extension và retraction không nhất thiết phải tách biệt, nhưng việc điều chỉnh độ căng (tensioning) sẽ dễ dàng hơn nhiều nếu tách riêng.

• The extension spool and retraction spool should be the same diameter.
  → Hai cuộn extension spool và retraction spool nên có cùng đường kính (same diameter).

• Make sure the string is pulled straight – misalignment can cause the string to slip off the pulley.
  → Hãy đảm bảo dây luôn được kéo thẳng hàng (pulled straight); chỉ cần lệch hướng một chút (misalignment) cũng có thể khiến dây trượt khỏi ròng rọc (slip off the pulley).

• Ensure the spool width and diameter are large enough so the string never overlaps when fully wound.
  → Hãy đảm bảo chiều rộng và đường kính cuộn dây đủ lớn để khi cuộn đầy (fully wound), các vòng dây không chồng lên nhau (never overlap).

When strings overlap, the spool diameter changes, altering the string tension. → Nếu các vòng dây bị chồng lên nhau, đường kính hiệu dụng (effective diameter) của cuộn sẽ thay đổi, dẫn đến biến thiên độ căng dây (tension variation) — gây lỗi chuyển động

Using PTFE Tubing and John Guest Adapters to Route the String

Sử dụng ống PTFE (PTFE Tubing) và đầu nối John Guest (John Guest Adapters) để dẫn dây

Nếu bạn muốn gắn hệ thống thanh trượt tuyến tính (linear slides) ở vị trí khác với motor/pulley, hãy cân nhắc sử dụng ống PTFE và đầu nối John Guest Adapters để dẫn hướng dây (route the string).

23292 SuperPowered Jalapenos Rigging Image (Hình ảnh hệ thống dây kéo của đội 23292 SuperPowered Jalapenos)

Ống PTFE đường kính 1/8 inch và đầu nối đẩy nhanh John Guest (John-guest push-to-connect adapters) có ren M5 ở một đầu hoạt động rất hiệu quả cho mục đích này. Các ống này giống hệt loại dùng trong máy in 3D để dẫn sợi nhựa (filament).

• Ống có thể dẫn dây qua quãng đường dài mà không tạo ra ma sát đáng kể.

String going from slide rigging to a pulley on a motor through John Guest adapters and PTFE tubing.
(Dây đi từ cơ cấu rigging của thanh trượt đến pulley trên motor thông qua đầu nối John Guest và ống PTFE.)

23292 SuperPowered Jalapenos, John Guest adapters rigging example
(Ví dụ về rigging dùng đầu nối John Guest của đội 23292 SuperPowered Jalapenos)

Belt-driven slides

Thanh trượt dẫn động bằng dây đai (Belt-driven slides)

Một lựa chọn ngày càng phổ biến hơn so với hệ thống dây kéo truyền thống (string-based rigging) là các thanh trượt dẫn động bằng dây đai (belt-driven slides).
Hệ thống này có thể được lắp theo kiểu continuous hoặc cascade rigging.

Advantages over string (Ưu điểm so với dây kéo truyền thống)

Không giống như dây kéo, dây đai (belt) không cần căn chỉnh lực căng (tensioning).Như đã đề cập trong phần chuyển động tuyến tính (linear motion section), để hệ thống string-driven slides hoạt động hiệu quả, lực căng của dây phải được duy trì liên tục.

Theo thời gian, dây sẽ lỏng dần, nên bạn phải:

• Dùng cơ cấu tạo lực căng bổ sung (spring tensioner), hoặc

• Tự siết lại dây thủ công, rất tốn công, đặc biệt với cascade rigging.

Tuy nhiên, belt không gặp vấn đề này. Dây đai hầu như không giãn theo thời gian, vì vậy ít khi cần các bộ căng ngoài phức tạp (external tensioners).

Dây đai hoạt động theo chu trình khép kín 1:1, nghĩa là:

• Với mỗi inch bạn kéo ra ở phía mở rộng (extension side),
  bạn sẽ thu lại đúng 1 inch ở phía thu (retraction side) — và ngược lại.

Điều này giúp đồng bộ chuyển động hoàn hảo. Trong khi đó, dây kéo (string) nếu bị chồng vòng (overlap) khi cuộn vào spool, đường kính spool thay đổi, khiến hai spool bị lệch pha.

Disadvantages over string (Nhược điểm so với dây kéo)

Nhược điểm chính của belt-driven slides là chiếm nhiều không gian.
Đơn giản là, pulleys của dây đai lớn hơn nhiều so với vòng bi pulley 4mm dày và 12mm đường kính mà hãng REV cung cấp.
Khi sử dụng belt-driven slides, pulleys thường:

• Dày ít nhất gấp đôi,

• Đường kính lớn hơn đáng kể,
  → Do đó, mỗi tầng của thanh trượt phải dày hơn.

7236's Rover Ruckus' robot's belt rigging
Đội 7236 Recharged Green – Rover Ruckus – Hệ thống dây đai kiểu continuous

11190's Relic Recovery robot's belt rigging
Đội 11190 Mechadojos – Relic Recovery – Belt rigging kiểu continuous

5064's cascading belt rigging diagram
Đội 5064 Aperture Science Rover Ruckus – Sơ đồ nguyên lý belt-driven cascade rigging

5064's cascading belt rigging
Đội 5064 Aperture Science Rover Ruckus – Phiên bản hoàn thiện belt-driven cascade rigging

Belt or chain driven elevators

Thang máy dẫn động bằng dây đai hoặc xích (belt/chain driven elevators)

Loại này gần như phổ biến hoàn toàn trong FRC®, đã tồn tại từ rất lâu. Nguyên lý cơ bản là:

• Lắp các sprockets hoặc pulleys ở đầu và cuối thang máy vào khung chính của robot (superstructure).

• Sau đó, dây đai hoặc xích được gắn cố định vào phần gần sprocket/pulley dưới của thang máy.

• Khi dây đai hoặc xích được kéo, thang máy sẽ di chuyển lên xuống.

Các thang máy có thể có nhiều tầng (multi-stage design),
nhưng việc cấp nguồn (powering) cho chúng sẽ phức tạp hơn.

7236's belt driven elevator
Đội 7236 Recharged Green – Rover Ruckus – Elevator dẫn động bằng dây đai

Tensioners (Bộ căng dây)

Căn chỉnh lực căng dây (tensioning string) là một trong những công việc mệt mỏi nhất của người chế tạo trong FTC. Đảm bảo hai bộ thanh trượt (slide sets) có lực căng đều là nhiệm vụ phức tạp và khó chịu.

Tuy nhiên, việc thêm bộ căng dây (tensioner) có thể giúp:

• Giải quyết vấn đề lực căng không đều,

• Giúp hai bên trượt đồng bộ.

Các dạng tensioner phổ biến:

• Spring tensioner (Lò xo căng dây)
  → Có thể mua ở cửa hàng vật liệu cơ khí.
  → Thường đặt ở cuối đường dây, gần phần vươn xa nhất khỏi tâm robot.
  → Khi spool mở rộng cánh tay, dây căng ra nhưng vẫn duy trì lực căng, ngăn dây bị tuột khỏi pulley.

• Spring-loaded pulley (Pully có lò xo căng)
  → Lò xo sẽ tự động thu chùng trong dây.

• Pulley trượt (Slide-mounted pulley)
  → Gắn pulley lên thanh nhôm (extrusion), có thể trượt để căn dây cho căng.

Lý do cần dùng tensioner trong hệ thống slide dùng dây:

Khi trượt, dây tạo thành các đa giác (polygons) → kích thước “hiệu dụng” thay đổi theo độ giãn →
→ khi mở rộng hết, độ dài dây cần khác so với lúc mở nửa chừng → ảnh hưởng đến độ căng dây. Càng giảm khoảng cách giữa các vòng bi (bearings), ảnh hưởng này càng nhỏ.

Đường kính spool thay đổi khi cuộn/thả dây →

• Khi bán kính spool tăng, tốc độ kéo (speed) tăng,

• Mô-men (torque) giảm,

• Kéo theo độ căng dây thay đổi.
  → Vì thế, một độ chùng nhẹ là đặc điểm tất yếu trong mọi hệ thống linear extension dùng dây.

Attention (Lưu ý quan trọng): Các đội nên có ít nhất một lò xo căng (spring tensioner) cho mỗi bộ thanh trượt tuyến tính.

An image of 13075 linear slides 13075 Coram Deo Robotics – Rover Ruckus – String tensioner setup (Hình ảnh bộ căng dây của đội 13075)

Picking the right spool size

Chọn kích thước spool phù hợp

Spool có đặc tính đặc biệt nhưng ít được nhắc đến, rất hữu ích khi thiết kế linear slide system. Tương tự như việc thay đổi gear ratio (tỷ số truyền) để điều chỉnh tốc độ và mô-men, việc thay đổi kích thước spool cũng thay đổi tốc độ và mô-men tương tự.

Motor quay spool với vận tốc góc cố định →
→ Tốc độ tịnh tiến (linear speed) tỉ lệ thuận với bán kính spool,
→ Mô-men xoắn (torque) tỉ lệ nghịch với tốc độ.
=> Thay spool = thay đặc tính tốc độ/mô-men.

Ví dụ: Bạn có hệ thống kéo giãn với gear ratio 3.7:1, và bạn muốn tăng mô-men, giảm tốc độ → tương đương gear ratio 5:1.

Thay vì đổi hộp số, bạn có thể đổi spool nhỏ hơn. Nếu spool hiện tại đường kính 2 inch, thì spool mới nên có kích thước ≈ (3.7 / 5) × 2 inch = 1.48 inch để đạt cùng hiệu ứng.

Bạn cũng cần đảm bảo rằng khi cuộn dây đầy, dây không bị chồng vòng (overlap). Nếu dây bị chồng, đường kính spool thay đổi, → độ căng dây thay đổi → ảnh hưởng đến độ ổn định.

Cable management (Quản lý dây điện)

Khi hệ thống mở rộng ra ngoài, việc quản lý dây điện càng trở nên quan trọng.
Dây cần dài hơn chiều mở rộng, nhưng không nên để trần, vì dễ vướng hoặc mắc vào thanh trượt.

Các đội nên đảm bảo dây không nhô ra khỏi cấu trúc robot, tránh bị móc vào robot khác hoặc vật thể trong trận đấu.

Có thể dùng:

• Cable ties / Velcro ties, hoặc

• Tấm acrylic để giữ dây bên trong khung.

Với hệ thống linear extensions, cần phương pháp đặc biệt hơn:

• Cable carrier (chuỗi dẫn dây)

• Retractable coil cord (dây cuộn tự rút)

Cable Carrier / Drag Chain (Chuỗi dẫn dây)

Đây là phương pháp tiêu chuẩn trong công nghiệp:

• Là chuỗi nhựa rỗng ở giữa để luồn dây.

• Có thể mở rộng vô hạn, vừa cứng, vừa linh hoạt: Khi thu: gập lại, Khi kéo: duỗi thẳng.

• Không bị võng nhiều (sag) khi rút ngắn.

Ví dụ sản phẩm:

• [igus cable carrier]

• [uxcell 10x10mm drag chain (Amazon)]

Advantages (Ưu điểm):

• Rất khó bị rối hoặc mắc vào vật khác/robot khác.

• Bền và chắc chắn.

• Bảo vệ dây rất tốt.

Disadvantages (Nhược điểm):

• Kích thước lớn, chiếm nhiều không gian.

• Cần thêm mắt xích (links) khi muốn kéo dài.

• Tăng trọng lượng, đặc biệt với chuỗi dài.

7236's Rover Ruckus robot with cable carriers visible. Đội 7236 Recharged Green – Rover Ruckus:

• Cable carrier bên trái thanh trượt ngang,

• Cable carrier bên phải thanh trượt dọc.

Retractable Coil Cord (Dây xoắn tự rút)

Không phổ biến trong công nghiệp, nhưng rất quen thuộc trong điện thoại bàn cũ. Dây coil cord dẻo hơn cable carrier, có thể kéo giãn khi mở rộng.

Advantages (Ưu điểm):

• Tiết kiệm không gian.

• Linh hoạt, có thể mở dài tùy ý (không cần thêm mắt xích như drag chain).

Disadvantages (Nhược điểm):

• Dễ rối hơn, do ít cứng hơn drag chain.

10030's robot's coil cord
Đội 10030 7 Sigma Robotics – Relic Recovery:
Dây coil cord trong cơ cấu trượt ngang (horizontal extension mechanism).

Self-retracting Badge Holder (Bộ kẹp thẻ tự rút)

Dù ít phổ biến, bộ kẹp thẻ ID tự rút (self-retracting badge holder) có thể giúp quản lý dây trong hệ thống mở rộng. Sản phẩm này rất dễ mua, ví dụ trên Amazon.

Phương pháp này chỉ hiệu quả với thanh trượt dọc hoặc gần dọc, vì dây có thể chùng và vướng nếu kéo ra khỏi khung robot.

Cách gắn:

• Gắn phần nhựa cứng của bộ kẹp thẻ vào đế thanh trượt,

• Gắn đầu dây kẹp thẻ vào dây điện.

• Cố định dây điện gần đỉnh thanh trượt bằng zip ties, chừa độ chùng vừa đủ.

• Khi trượt rút lại, bộ kẹp gần như thu hết dây, chỉ chừa 1–2 cm chùng.

Advantages (Ưu điểm):

• Rất đơn giản, dễ áp dụng.

• Linh hoạt, kéo dài tùy ý.

Disadvantages (Nhược điểm):

• Dễ rối hơn, tương tự coil cord.

• Không hiệu quả cho hệ thống dài (>2 tầng) nếu không có thiết kế bổ sung.

248's robot's badge retractor cable management
Đội 248 Fatal Error – Freight Frenzy:
Hệ thống quản lý dây bằng bộ kẹp thẻ tự rút trên cơ cấu mở rộng.