Thiết kế, tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHĨ HỒ CHÍ MINH

VÕ XN HỒNG

THIẾT KẾ, TƠI ƯU HĨA cơ CẨU CÂN BẢNG
TRỌNG Lực SỬ DỤNG cơ CẤU MÈM

Ngành: KỸ THUẬT cơ KHÍ
Ma ngành: 80520103

LUẬN VĂN THẠC sĩ

THÀNH PHỐ HỔ CHÍ MINH. THÁNG 12 NĂM 2023


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đào Thanh Phong
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường

Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 01 tháng 12 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Nguyễn Viễn Quốc, Chủ tịch hội đồng

2. TS. Ao Hùng Linh, Thư ký hội đồng

3. PGS.TS Phạm Huy Tuân, Phản biện 1
4. TS. Đặng Hoàng Minh, Phản biện 2
5. PGS.TS Nguyễn Thanh Hải, ủy viên

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ cơ KHÍ


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỔ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VÃN THẠC sĩ

Họ tên học viên: Võ Xuân Hoàng

MSHV: 18105061

Ngày, tháng, năm sinh: 03/09/1994

Nơi sinh: Quảng Trị

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã chuyên ngành: 80520103

I. TÊN ĐẺ TÀI: Thiết kế, tối ưu hóa cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm

(Design and optimization for a gravity-balanced mechanism using compliant
mechanism)
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

-

Nghiên cứu cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu mềm.
Tính tốn thiết kế các thơng số liên quan đến hai lị xo.
Phân tích, tối ưu thơng số hai lị xo.
Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng hai lị xo.
Phân tích, đánh giá và nhận xét kết quả đạt được.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/03/2020
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/12/2022

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Người hướng dẫn chính: TS. Đào Thanh Phong
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ... tháng ... năm 2023

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ cơ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thưc hiện đề tài, luận văn “Thiết kế, tối ưu hóa cơ cấu cân bằng
trọng ỉực sử dụng cơ cấu mềm ” của tôi đã hoàn thành. Ngoài sự cố gắng, nỗ lực của

bản thân, luận văn này được hồn thành cịn có sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của

q thầy cơ, bạn bè, gia đình tơi trong suốt qng thời gian học tập và làm luận văn

tại trường của mình.
Em xin gửi lời cảm on sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học TS. Đào Thanh Phong

đã giành nhiều thòi gian, tâm huyết và nhiệt tình hướng dẫn, định hướng, góp ý, động

viên tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Em cũng xin cảm on Thầy Châu Ngọc Lê cũng như các q thầy cơ thuộc Khoa Co

khí và tồn thể quý thấy cô của Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí
Minh đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quãng thời gian học tập tại trường

cũng như hướng dẫn, giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận văn.
Em cũng gửi lời cảm on các anh chị, bạn bè trong và ngoài lớp đã chia sẻ kiến thức,

đã động viên hết sức nhiệt tình, điều này giúp em vượt qua được mọi khó khăn trong

q trình hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, em xin cảm on gia đình, người thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất, và

tạo mọi điều kiện cho em trong suốt những năm học vừa qua

Chân thành cảm ơn.

Học viên

Võ Xuân Hoàng

1


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ
Hiện nay, cơng nghệ robot (Robotics) là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên ngành đã và

đang phát triển và ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống. Trong các thiết bị rôbốt, các
cơ cấu cân bằng được sử dụng để đảm bảo an toàn. Các cơ cấu cân bằng trọng lực thường
làm việc ở tốc độ thấp. Thông thường, trọng lực hoặc mơ men xoắn tĩnh sẽ có giá trị lớn hơn

mô men xoắn động và thường được sử dụng hơn mơ men xoắn động. Trong việc thiết kế cơ
khí, cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trị quan về mặt hiệu quả năng lượng. Trong một thiết
bị hoạt động thụ động, cơ cấu cân bằng trọng lực giúp giảm thiểu mô men xoắn điều khiển.

Cơ cấu cân bằng trọng lực giúp người sử dụng có thể sử dụng thiết bị mà khơng cảm thấy

được tải trọng.
Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu theo hướng phát triển cơ cấu cân bằng trọng

lực sử dụng cơ cấu mềm thay vì dùng các loại cơ cấu truyền thống. Phương pháp giải tích

được vận dụng để xây dựng cơng thức tính tốn và tìm mối quan hệ của độ cứng của lị xo
kéo và nén. Tiếp theo, phương pháp mơ phỏng được dùng để tìm ra các giá trị cần thiết cho

việc tối ưu lò xo như ứng suất, chuyển vị chính theo phương X, chuyển vị tổng. Giải thuật tối

ưu di truyền đa mục tiêu (MOGA) được áp dụng để tìm thơng số tối ưu cho hai lị xo. Kết

quả đạt được khi tối ưu lò xo như sau: Chiều cao lò xo nén bằng 16 mm, chiều dài thanh dầm
bằng 7 mm, chiều dày lò xo nén bằng 1 mm. Ket quả đạt được khi tối ưu lò xo kéo bao gồm:

Chiều cao lò xo kéo bằng 28,5 mm, chiều dài thanh dầm bằng 17 mm, chiều dày lị xo kéo
bằng 1 mm.

Dựa trên thơng số tối ưu, hai lò xo đã được chế tạo và thực nghiệm để đo chuyển vị. Kết quả
đạt thực nghiệm trên lò xo nén tìm thấy chuyển vị với giá trị trung bình là 12,18 mm sau 5

lần thí nghiệm, giá trị sai lệch vào khoảng 14,45 % so với kết quả tối ưu. Kết quả thực nghiệm
đối với lò xo kéo tìm được chuyển vị với giá trị trung bình là 13.388 mm sau 5 lần thí nghiệm,
giá trị sai lệch vào khoảng 12,41 % so với kết quả tối ưu.

11


ABSTRACT

Currently, robot technology or robotics is a highly developed interdisciplinary scientific and

technical field, in which balancing mechanisms are mainly used in robotic mechanisms

working at low speeds for safety reasons. Therefore, gravity or static torque has a larger value
and is often used than dynamic torque. Gravity balancers play an important role in mechanical

design in terms of energy efficiency. In an active device the gravity balancer helps to reduce

the driving torque, in a passive device the gravity balancer makes it possible for the user to
use the device without feeling the load important.

This thesis presents a development of a gravity balance mechanism using compliant springs

instead of using other traditional springs. The research process uses analytic methods find out
the relationship of the stiffness of the tension and compression springs. The numerical

simulation is used to find out the necessary parameters for the springs. Multi-objective genetic
optimization (MOGA) is applied to solve the optimization problems for both springs. The

optimal results of the compression spring are as follows: The height is 16 mm, beam length
is 7 mm, and thickness is 1 mm. The optimal results of the tension spring include the height

of 28.5 mm, the length of 17 mm, and the thickness of 1 mm. After the optimization was
completed, both the springs are fabricated, and the experiments were carried out. For the

compression spring, the experimental results found that the average value of displacement of

12.18 mm after 5 testing times, and the deviation value is about 14.45% compared to the
predicted result. For the tension spring, the experimental results found that the average value

of displacement is 13.388 mm after 5 testing times, and the error is about 12.41% compared

to the calculated results.

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi.
Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu
tham khảo đúng quy định.

Học viên

Võ Xuân Hoàng

IV


MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................................................... V

DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................................................. X
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................................ xi
MỞ ĐẲƯ............................................................................................................................................ 1
1. Đặt vấn đề................................................................................................................................ 1

2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài....................................................................................................2
2.1 Mục tiêu chung................................................................................................................2

2.2 Mục tiêu cụ thể................................................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................................ 3
3.1 Đối tượng nghiên cứu..................................................................................................... 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu........................................................................................................ 3
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.........................................................................3

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................................ 4
5.1 Ý nghĩa khoa học............................................................................................................ 4

5.2 Ý nghĩa thực tiễn............................................................................................................ 4
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN.................................................................................................. 5

1.1 Giới thiệu về cơ cấu cân bằng trọng lực........................................................................... 5

1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước...................................................................... 6

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước......................................................................................... 6
1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước......................................................................................... 9

1.3 Kết luận............................................................................................................................... 12
CHƯƠNG 2

Cơ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................................13

2.1 Giới thiệu cơ cấu mềm...................................................................................................... 13

2.2 Phương pháp nghiên cứu................................................................................................... 15
2.2.1 Phương pháp mô phỏng............................................................................................. 15
2.2.2 Phương pháp đáp ứng bềmặt.................................................................................... 15
2.2.3 Phương pháp thiết kế thínghiệm............................................................................... 16

2.2.4 Phương pháp Kriging................................................................................................. 17

V


2.2.5 Phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (Multi-Objective Genetic Algorithm MOGA)................................................................................................................................... 18

2.2.6 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm................................................................... 20

2.3 Kết luận...............................................................................................................................20
CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ NGHIÊN CÚƯ............................................................................ 21

3.1 Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực................................................................................. 21

3.2 Tính tốn thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực................................................................23

3.2.1 Tính tốn chiều dài thanh nối................................................................................. 23
3.2.2 Tính tốn chiều dài lị xo kéo, độ biến dạng của lò xo kéo và lực của lị xo kéo 23
3.2.3 Tính tốn chiều dài lò xo nén, độ biến dạng của lò xo nén và lực của lị xo nén 24

3.2.4 Tính tốn góc 0p và 0n.............................................................................................. 24

3.2.4.1 Tính tốn góc 0p................................................................................................ 24
3.2.4.2 Tính tốn góc 0n................................................................................................ 24

3.2.5 Tính tốn momen phản ứng T................................................................................... 25

3.2.6 Tính tốn độ cứng của lị xo kéo...............................................................................25

3.3 Thiết kế, phân tích và tối ưu lị xo nén............................................................................ 26
3.3.1 Thiết kế ban đầu của lò xo nén................................................................................ 26
3.3.2 Thu thập dữ liệu và phân tích.................................................................................. 27

3.3.2.1 Phân tích ứng suất tương đương, chuyển vị chính theo phương X, chuyển vị
tổng của lị xo nén.............................................................................................................. 29
3.3.2.2 Thiết kế thí nghiệm cho lò xo nén.................................................................... 32

3.3.2.3 Đáp ứng bề mặt (Response Surface)................................................................ 33
3.3.2.4 Tối ưu lò xo nén.................................................................................................. 37

3.4 Thiết kế, phân tích và tối ưu lị xo kéo............................................................................ 39

3.4.1 Thiết kể ban đầu của lò xo kéo................................................................................ 39
3.4.2 Thu thập dữ liệu và phân tích.................................................................................. 40

3.4.2.1 Phân tích ứng suất tương đương, chuyển vị chính theo phương X, chuyển vị
tổng của lị xo kéo.............................................................................................................. 41
3.4.2.2 Thiết kế thí nghiệm cho lò xo kéo................................................................... 44

3.4.2.3 Đáp ứng bề mặt (Response Surface)...............................................................45
3.4.2.4 Tối ưu lị xo kéo.................................................................................................. 50

3.5 Thí nghiệm và đánh giá kết quả....................................................................................... 51
VI


3.5.1 Quy trình thí nghiệm................................................................................................ 51
3.5.2 Chuẩn bị thí nghiệm................................................................................................. 52

3.5.2.1 Dụng cụ đo.......................................................................................................... 52
3.5.2.2 Ché tạo lò xo nén................................................................................................ 54

3.5.2.3 Ché tạo lò xo kéo................................................................................................ 55
3.5.2.4 Đồ gá kẹp............................................................................................................. 56

3.5.3 Mơ tả thí nghiệm........................................................................................................ 56

3.5.4 Kết quả thí nghiệm..................................................................................................... 57
3.6 Kết luận.............................................................................................................................. 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................................... 61
1. Kết luận................................................................................................................................. 61

2. Kiến nghị...............................................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................. 64

PHỤ LỤC........................................................................................................................................ 66

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN........................................................................... 74

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cơ cấu đối trọng............................................................................................................... 5
Hình 1.2 Các cơ cấu lò xo: a) Lò xo nằm ngồi liên kết, b) Lị xo nằm trong liên kết, c) Cơ
cấu hình bình hành, d) Cơ cấu Cable Cam................................................... 6
Hình 1.3 Liên kết năm thanh phẳng với bốn cặp bánh răng bổ sung để cân bằng momen

rung.................................................................................................................... 7
Hình 1.4 Cơ cấu tay quay trượt khơng gian.................................................................................. 7
Hình 1.5 Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo phẳng......................................................... 8
Hình 1.6 Mơ hình lị xo phẳng mềm.............................................................................................. 9
Hình 1.7 Mơ hình cơ cấu cân bằng trọng lực với các thành phần bên trong: a) Mơ hình CAD
của cơ cấu, b) Các thành phần bên trong cơ cấu........................................................ 10
Hình 1.8 Mơ hình cơ cấu cân bằng khơng gian 2 khâu.............................................................11
Hình 2.1 Một vài ví dụ về cơ cấu mềm: a) Đĩa đệm cột sống nhân tạo, b) Đĩa ly tâm cơ cấu
mềm, c) Cơ cấu Lamina, d) Máy tập thể dục cơ cấu mềm.......................14
Hình 2.2 Lưu đồ của MOGA......................................................................................................... 19
Hình 3.1 Sơ đồ cơ cấu cân bằng trọng lực.................................................................................. 21
Hình 3.2 Sơ đồ phân tích lực của cơ cấu cân bằng trọng lực.................................................... 22
Hình 3.3 Hình dạng của lị xo nén................................................................................................ 27
Hình 3.4 Mơ hình chia lưới (Mesh) của lị xo nén..................................................................... 29
Hình 3.5 Sơ đồ phân bố chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Skewness........................................ 30
Hình 3.6 ứng suất tương đương của lị xo nén.......................................................................... 30
Hình 3.7 Chuyển vị chính theo phương X của lị xo nén.......................................................... 31
Hình 3.8 Chuyển vị tổng của lị xo nén....................................................................................... 31
Hình 3.9 Sơ đồ phù hợp cho ba hàm mục tiêu sử dụng phương pháp Kriging...................... 34
Hình 3.10 Ảnh hưởng chính của chiều cao lò xo và chiều cao thanh dầm: a) Đối với ứng
suất tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tối đa, c) Đối với chuyển
vị tổng tối đa.............................................................................................. 35
Hình 3.11 Ảnh hưởng chính của chiều cao lị xo và độ dày lò xo: a) Đối với ứng suất tối đa,
b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tối đa, c) Đối với chuyển vị tổng tối
đa................................................................................................................. 36
Hình 3.12 Ảnh hưởng chính của độ dày lị xo và chiều cao thanh dầm: a) Đối với ứng suất
tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phương X tối đa, c) Đối với chuyển vị
tổng tối đa......................................................................................................................36
Hình 3.13 Sơ đồ phân tích độ nhạy của lị xo nén...................................................................... 37

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

3.14
3.15
3.16
3.17
3.18

Hình dạng của lị xo kéo.............................................................................................. 39
Mơ hình chia lưới (Mesh) của lò xo kéo................................................................... 42
Sơ đồ phân bố chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Skewness..................................... 42
ứng suất tương đương của lị xo kéo........................................................................ 43
Chuyển vị chính theo phương X của lò xo kéo........................................................ 43
viii


Hình 3.19 Chuyển vị tổng của lị xo kéo..................................................................................... 44
Hình 3.20 So đồ phù hợp cho ba hàm mục tiêu sử dụng phưong pháp Kriging.................... 46
Hình 3.21 Ảnh hưởng chính của chiều cao lò xo và chiều cao thanh dầm: a) Đối với ứng
suất tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phưong X tối đa, c) Đối với chuyển
vị tổng tối đa.............................................................................................. 47
Hình 3.22 Ảnh hưởng chính của chiều cao lò xo và độ dày lò xo: a) Đối vói ứng suất tối đa,
b) Đối với chuyển vị chính theo phưong X tối đa, c) Đối vói chuyển vị chính
tổng tối đa................................................................................................... 48
Hình 3.23 Ảnh hưởng chính của độ dày lò xo và chiều cao thanh dầm: a) Đối với ứng suất
tối đa, b) Đối với chuyển vị chính theo phưong X tối đa, c) Đối vói chuyển vị

tổng tối đa..................................................................................................................... 49
Hình 3.24 So đồ phân tích độ nhạy của lịxo kéo....................................................................... 50
Hình 3.25 Giá đỡ thí nghiệm xoắn ốc(Spiral Test Rack) và thơng số cơ bản......................... 52
Hình 3.26 Thước kỹ thuật số......................................................................................................... 53
Hình 3.27 Tay quay xoắn ốc.......................................................................................................... 53
Hình 3.28 Đồng hồ đo lực kế hiển thịkỹ thuật số.......................................................................53
Hình 3.29 Phần đế.......................................................................................................................... 53
Hình 3.30 Phần cố định chi tiết.................................................................................................... 54
Hình 3.31 Lị xo nén được chế tạo............................................................................................... 55
Hình 3.32 Lị xo kéo được chế tạo............................................................................................... 55
Hình 3.33 Chốt kẹp được chế tạo................................................................................................. 56

IX


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 ưu điểm và nhược điểm của cơ cấu mềm................................................................... 14
Bảng 3.1 Bảng giới thiệu các ký hiệu và ý nghĩa....................................................................... 22
Bảng 3.2 Thông số thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực............................................................. 23
Bảng 3.3 Mối quan hệ giữa tải trọng, độ cứng lò xo nén, độ cứng lị xo kéo.........................26
Bảng 3.4 Thơng số cơ bản của vật liệu........................................................................................ 26
Bảng 3.5 Tham số thiết kể của lò xo nén.................................................................................... 27
Bảng 3.6 Kết quả ứng suất, chuyển vị chính theo phương X, chuyển vị tổng của lị xo nén32
Bảng 3.7 Bảng thiết kế thí nghiệm của lị xo nén....................................................................... 32
Bảng 3.8 Mức độ phù hợp của đáp ứng bề mặtcủa lò xo nén...................................................33
Bảng 3.9 Tham số cơ bản của phương pháp MOGA................................................................. 37
Bảng 3.10 Giới hạn của đáp ứng bề mặt của lò xo nén............................................................. 38
Bảng 3.11 Tối ưu lò xo nén........................................................................................................... 38
Bảng 3.12 Tham số thiết kế của lò xo kéo.................................................................................. 40
Bảng 3.13 Kết quả ứng suất, chuyển vị chính theo phương X, chuyển vị tổng của lị xo kéo

.... .........................................
44
Bảng 3.14 Bảng thiết kế thí nghiệm của lò xo kéo..................................................................... 45
Bảng 3.15 Mức độ phù hợp của đáp ứng bề mặt của lò xo kéo............................................... 46
Bảng 3.16 Giới hạn của đáp ứng bề mặt của lò xo kéo..............................................................50
Bảng 3.17 Tối ưu lò xo kéo........................................................................................................... 51
Bảng 3.18 Kết quả thí nghiệm lị xo nén..................................................................................... 57
Bảng 3.19 Kết quả thí nghiệm lị xo kéo..................................................................................... 58
Bảng 3.20 Kết quả tính tốn độ cứng lị xo nén thực tế............................................................ 58
Bảng 3.21 Kết quả tính tốn độ cứng lị xo kéo thực tế............................................................ 59
Bảng 3.22 Tham số thiết kế của lị xo nén sau khi tối ưu hóa................................................... 59
Bảng 3.23 Tham số thiết kế của lò xo kéo sau khi tối ưu hóa...................................................60

X


DANH MỤC Từ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Từ viết đầy đũ

CCD

Central Composite Design

DOE

Design of Experiments

GA

Genetic Algorithm

GBM

Gravity Balancing Mechanism

MOGA

Multi Objective Genetic Algorithm

RSM

Response Surface Methodology

XI


MỞ ĐẨU
1. Đặt vấn đề

Công nghệ robot (Robotics) là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên ngành bao gồm các ngành

như kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật thơng tin, kỹ thuật điện tử khoa học máy tính và các ngành liên

quan khác. Những nhiệm vụ chính của ngành cơng nghệ robot bao gồm thiết kế, xây dựng,

chế tạo và ứng dụng robot. Công nghệ rôbốt tạo ra các loại robot để có thể thay thế hoặc lặp
lại hành động của con người. Các robot được sử dụng cho nhiều tình huống và mục đích khác

nhau. Rơbốt có thể được sử dụng trong các mơi trường nguy hiểm (như phóng xạ hay phát
hiện bom), quy trình sản xuất hoặc nơi con người không thể tồn tại (như trong không gian,

trong nước hay trong nhiệt độ cao).
Ngày nay, các robot được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau và cả trong cuộc
sống hằng ngày của chúng ta, ví dụ như sau:

- Ngành công nghiệp sản xuất: Các robot công nghiệp được sử dụng để gia công, lắp ráp
hay kiểm tra các sản phẩm như xe hơi hay thiết bị công nghiệp.

- Dịch vụ Logistics: Các robot vận chuyển, xử lý và kiểm sốt chất lượng được rất nhiều các
cơng ty Logistics sử dụng. Các rôbốt chủ yếu được sử dụng trong kho hàng, trên đường để

tối đa hóa hiệu quả về thời gian.

- Ngành du lịch: Xe tự hành là sự kết hợp của khoa học dữ liệu và robot.
- Ngành y học: ứng dụng các robot hỗ trợ phẫu thuật, robot hỗ trợ vận động hay robot vật
lý trị liệu giúp bệnh nhân phục hồi sau chấn thương.
Trong cuộc sống hàng ngày: Robot giúp con người làm các việc vặt như hút bụi, cắt cỏ hay
làm sạch bể bơi, v.v...

Tại Việt Nam, ngành cơng nghệ robot đang cịn khá non trẻ nhưng rất giàu tiềm năng do Việt
Nam đang dần trở thành một cơ sở sản xuất toàn cầu. Tuy nhiên, mặt hạn chế của ngành công
nghệ robot tại Việt Nam đó là thiếu nhân lực, nhân lực chưa được đào tạo một cách bài bản,

các robot đang được sử dụng ở Việt Nam chủ yếu là trong các doanh nghiệp có vốn đầu tư

1

nước ngoài, một số doanh nghiệp Việt Nam đã đưa robot vào sản xuất nhưng chỉ có quy mơ

vừa và nhỏ.
Hiện nay, các co cấu cân bằng được sử dụng chủ yếu trong các co cấu robot làm việc ở tốc

độ thấp vì lý do an tồn. Vì vậy, trọng lực hoặc mơ men xoắn tĩnh sẽ có giá trị lớn hơn và

thường được sử dụng hơn mô men xoắn động. Cơ cấu cân bằng trọng lực đóng vai trị quan

trọng trong việc thiết kế cơ khí về mặt hiệu quả năng lượng. Trong một thiết bị hoạt động, cơ
cấu cân bằng trọng lực giúp giảm thiểu mô men xoắn điều khiển, trong một thiết bị thụ động,
cơ cấu cân bằng trọng lực giúp người sử dụng có thể sử dụng thiết bị mà không cảm thấy

được tải trọng.
Các cơ cấu cân bằng trọng lực chủ yếu sử dụng hai loại cơ cấu: (i) Loại cơ cấu thứ nhất là cơ

cấu đối trọng. Tuy nhiên, việc sử dụng cơ cấu đối trọng sẽ làm cho cơ cấu cân bằng trọng lực
trở nên cồng kềnh, (ii) Loại cơ cấu thứ hai là cơ cấu lò xo, sử dụng cơ cấu lò xo sẽ giúp cho
cơ cấu cân bằng trọng lực nhỏ gọn hơn so với cơ cấu đối trọng. Tuy nhiên, các cơ cấu cân
bằng trọng lực hiện nay đều sử dụng lò xo truyền thống, việc này khiến cho cơ cấu chưa thật

sự nhỏ gọn và gây ra khó khăn khi điều chỉnh độ cứng của lò xo.

Từ các lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo cơ cấu cân bang trọng lực sử
dụng cơ cấu mem” để triển khai và thực hiện trong luận văn này.

2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
2.1 Mục tiêu chung

Mục tiêu chung của đề tài nghiên cứu là: Nghiên cứu tính tốn thiết kế và tối ưu cơ cấu cân
bằng trọng lực sử dụng lò xo kéo và lò xo nén dạng mềm.

2.2 Mục tiêu cụ thể

Mục tiêu cụ thể của đề tài nghiên cứu là:
- Tính tốn thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực.
- Tính tốn thiết kế tối ưu hóa kích thước lị xo nén.
- Tính tốn thiết kế tối ưu hóa kích thước lị xo kéo.

2


- Chế tạo, thực nghiệm và đánh giá chuyển vị của hai lò xo.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đoi tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu bao gồm:

- Cơ cấu cân bằng trọng lực;
- Lò xo nén;
- Lò xo kéo;
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Các thông số thiết kế trong đề tài này được phát triển từ các thông số cơ cấu của Yang và

cộng cộng sự [1], thơng số góc quay từ (+26° đến -26°) được phát triển thành (+30° đến -30°),

phạm vi đề tài là tải trọng Ikg.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

- Thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực bị động sử dụng lò xo kéo và nén cơ cấu mềm;
- Tải trọng cân bằng là 1 kg;
- Phạm vi cân bằng là trong khoảng [+30° -30°].
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:

- Phương pháp phân tích và kế thừa;
- Phương pháp giải tích;
- Phương pháp mơ phỏng phần tử hữu hạn;
- Phương pháp qui hoạch thực nghiệm;
- Phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (MOGA);
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
3


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1 Y nghĩa khoa học

Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu bao gồm như sau:

- Đe xuất nguyên lý tính tốn thiết cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo kéo và lò xo nén
dựa trên cơ cấu mềm.

- Đe xuất qui trình tính tốn thiết kế tối ưu cho lò xo kéo và lò xo nén.
- Xây dựng quy tình thiết kế bằng cách sử dụng kết hợp các phương pháp đáp ứng bề mặt
(Response surface methodology - RSM), phương pháp tối ưu di truyền đa mục tiêu (Multi­
objective genetic algorithm - MOGA), phương pháp thiết kế thực nghiệm (Composite

central design - CCD) và phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn để thiết kế tối ưu thơng

số của hai lị xo.
5.2 Ỷ nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu là:

- Két quả của đề tài nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau này
của các sinh viên khoa Cơng nghệ Cơ khí Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

- Đề tài nghiên cứu có tiềm năng trong việc phát triển các thiết bị có sử dụng cơ cấu cân
bằng trọng lực.

- Cơ cấu cân bằng trọng lực có thể sử dụng trong lĩnh vực công nghệ robot trong tương lai.

4


CHUÔNG 1

TÕNG QUAN

Trong chương này, tác giả giới thiệu sơ lược về cơ cấu cân bằng trọng lực (Gravity Balancing

Mechanism - GBM), đưa ra các cơ cắu bù trọng lượng hiện có và một số ứng dụng của cơ
cắu cân bằng trọng lực. Chương này cũng trình bày về các nghiên cứu trong và ngoài nước
về việc sử dụng cơ cắu cân bằng trọng lực.

1.1 Giới thiệu về cơ cấu cân bang trọng lực

Cơ cắu cân bằng trọng lực (GBM) là cơ cắu có thể duy trì tồng thế năng của cơ cắu là hằng
số bởi việc chuyển năng lượng một cách bị động vào và ra khỏi một phần tử lưu trữ năng

lượng. Bởi vì tẫng trọng lượng của tải trọng và các thanh nối di chuyển thường được biết
trước nên cơ cắu cân bằng trọng lượng thường sử dụng phương pháp bù trọng lượng để cơ
cắu có thể cân bằng [1].

Hiện nay, các phương pháp bù trọng lượng chủ yếu gồm hai loại: (1) Sử dụng cơ cắu đối
trọng và (2) cơ cắu lị xo. Hình 1.1 [ 1 ] là sơ đồ của cơ cắu đối trọng. Việc sử dụng cơ cắu đối
trọng khá đơn giản và có thể cân bằng tất cả các vị trí, cơ cắu đối trọng đã được sử dụng rắt
nhiều trong các cơ cắu công nghiệp. Trong cơ cắu đối trọng, vật đối trọng sẽ có trọng lượng

nặng hơn tải, vì thế nó khơng phù hợp cho các cơ cắu nơi mà tải trọng là một mối quan tâm
hàng đầu.

Counter

Hình 1.1 Cơ cắu đối trọng

Hình 1.2 [1] là một số sơ đồ về cơ cắu lị xo. Hình 1.2(a) là cơ cắu lị xo đơn giản nhắt với lị
xo nằm ngồi liên kết. Hình 1.2(b) là cơ cắu lị xo có lị xo nằm bên trong liên kết đề tránh

5


gây va chạm với các thành phần khác của liên kết. Một cơ cấu lò xo khác là sử dụng hình

bình hành như trong hình 1.2(c). Cơ cấu này có thể được mở rộng với các cơ cấu có nhiều
bậc tự do tuy nhiên trọng lượng liên kết phải đủ lón để có thể đặt lị xo theo đường chéo. Hình

1.2(d) mơ tả cơ cấu lị xo loại cơ cấu dây cáp và cam (Cable Cam).

Hình 1.2 Các cơ cấu lị xo: a) Lị xo nằm ngồi liên kết, b) Lị xo nằm trong liên kết, c)
Cơ cấu hình bình hành, d) Cơ cấu Cable Cam

Cơ cấu thường được sử dụng hon là cơ cấu lị xo, bởi vì lị xo có thể được coi là khơng có

trọng lưọng. Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng cơ cấu cân bằng tĩnh để đạt được tổng năng
lượng hấp dẫn và năng lương đàn hồi là không đổi [2]. Cơ cấu cân bằng tĩnh có thể duy trì

trạng thái cân bằng tại bất kỳ hình dạng nào mà khơng có bộ truyền động làm việc để chống

lại trọng lực. Do đó, cơ cấu cân bằng tĩhh rất hiệu quả và có thể dễ dàng kiểm sốt, nó được
áp dụng rộng rãi cho các hệ thống hiện có như máy xúc, cần cẳu, đèn nha sĩ, thiết bị hỗ trợ
vận động, v.v... [3].
1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước

ĩ.2.ỉ Các nghiên cứu trong nuớc
Hiện nay trong nước bắt đầu có một số nhóm tác giả nghiên cứu về cơ cấu cân bằng trọng
lực.
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn vả cộng sự [4] đã trình bày một phương pháp mói để rút ra

các điều kiện cân bằng của các cơ cấu phẳng với nhiều bậc tự do. Phu ong pháp này có lợi thế

làphù họp cho việc áp dụng các hệ thống đại số máy tính có thể truy cập rộng rãi như MAPLE.
Hình 1.3 giới thiệu về cơ cấu phẳng 5 khâu sử dụng 4 cặp bánh răng bổ sung để cân bằng

6