Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống phản hồi lực 3d sử dụng lưu chất mr
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.68 MB, 89 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
<b>Bộ CÔNGTHƯƠNG</b>
<b>BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI KHOA HỌC</b>
<b>KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC CẮP TRƯỜNG</b>
<b>Tên đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Và Thực Nghiệm Hệ Thống Phản Hồi Lực 3D Sử Dụng Lưu Chất MR</b>
<b>Mã số đề tài: 22/1CK03</b>
<b>Chủ nhiệm đề tài: TS. Diệp Bảo Trí</b>
<b>Đơn vịthực hiện: Khoa Cơngnghệ Cơ khí</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>CẢM ƠN</b>
Trongthờigian hơn mộtnăm nhóm nghiên cứuđã thựchiện đề tài<b> “Thiết kế, </b>
<b>chế tạo vàthựcnghiêm hệ thống phảnhồilực 3D sử dụnglưu chấtMR”</b>đã được triển khai tại TrườngĐại họcCông nghiệp Tp.HCM. Trong thời ban đầu khối lượng cơng việc rấtnhiềunhưng nhómcốgắng bám sátcáckhối lượng củađề tài
nhằm đưa racác phương án đểhoàn thànhtất cả các nội dungcủađềtài. Trongq
trình thực hiện nhóm cũnggặp nhiều khókhăn nhưng với sợ hỗ trợ kịp thời của Ban Giám Hiệu, Khoa Cơngnghệ Cơ Khí và một sốgiảngviên trongKhoađãtạođiều
kiện hết sức thuậnlợi cho nhóm nghiêncứu thựchiện tốt các hạng mụccủađề tài. Vì vậy tơi thaymặt tấtcả thành viên của nhóm đề tàixin chân thành cảm ơn sự hỗ
trợ của Nhàtrườngvà các đồngnghiệpđểchúng tơi hồn đề tài nghiêncứu của mình.
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>I.Thông tin tong quát</b>
<b>1.1.Tên đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Và Thực Nghiệm Hệ ThốngPhảnHồi </b>
1TS. DiệpBảoTríKhoa Cơ KhíChủnhiệm đềtài
2GS.TS. Nguyễn Quốc HưngKhoa CơKhíThamgia
<b>1.4. Đonvịchủ trì: Khoa </b>Cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại Học CơngNghiệp Tp.HCM
<b>1.5. Thờigian thực hiện:</b>
1.5.1. Theo hợp đồng:từtháng 08 năm 2022 đến tháng 08nám 2023.
1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng02 năm 2024.
1.5.3. Thực hiệnthực tế: từ tháng 08năm 2023 đến tháng02 năm 2024.
<b>1.6. Nhữngthay đỗi so với thuyết minhbanđầu (nếu </b>có):
<i>(về mụctiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứuvàtẻ chức</i>
<i>thực hiện; Nguyênnhân; Y kiến của Cơquanquản lý)</i>
<b>1.7. Tổng kinh phíđượcphêduyệtcủađề tài: 65 </b>triệu đồng.
<b>II.Kết quả nghiên cứu1. Đặt vấn đề</b>
Trong nghiên cứu này nhằm mục đích pháttriểnvà đánh giáhệ thống xúc giác
3Dmới sửdụng cơ chế gimbalvà ba phanh xoay lưubiếntừ (MRB). Việcnghiên
cứubắt đầubằngcáchxem xét các nghiên cứu cóliênquan để đề xuất một cấu hình
cho cần điều khiểnxúc giác 3D cóphản hồilực, sử dụng bộ truyền động bởi MRF.
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<i>Cơ</i>cấugimbal tích hợp với ba phanh xoay MR để cung cấp phảnhồi lực cho chuyền động quay theo các trục X,Y và z. Việc thiết kế và mô phỏng các MRB được thựchiệnbằng phương pháp phần tửhữuhạn và ápdụng mơhình Bingham, tập trung vào việc giảm thiểu khốilượng và chi phísản xuất.Đe giải quyếtvấn đề tối ưu hóa mục tiêuliên quanđen MRB,phương pháp tốiưu hóa bầy đànđược áp
dụng (Particle SwarmOptimization). Sau đó, mộtnguyên mẫu thực tếcủacần điều
khiển xúc giác 3D đượcchế tạo và việc đánh giá đượctiến hành để đánh giá lực
phản hồi. Nghiên cứu này cũng mở đường chocác nghiêncứu trong tươnglai về phản hồi lực trongđiềukhiển từxa,đặc biệt làtrongbối cảnh hệ thống Master-
• Phát triển phanhMRB với khốilượngnhỏnhất đáptheo yêucầu
của hệ thốngphảnhồi lực thông dụng
• Phát triển hệ thống phản hồi lực 3Ddựavào sự kếthợp củacác
• Phát triển mơhình tốn và đánhgiá khả năng phản hồi lựccủahệ thống
<b>3. Phươngpháp nghiên cứu</b>
• Thu thập thơngtin, kếthừavà phân tích.
• Thực nghiệm.
<b>4.Tổngkết về kết quả nghiên cứu</b>
• Báo cáo tổngkếtđề tài khoa học.
• Một mơ hìnhhệ thống phảnhồi lực 3D.
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
• Một bài báoScopus (Q2) u cầu Q3
• Một bài báo tạp chí của Trường Đạihọc Cơng nghiệp TP.HCM
• Bảo vệ thành cơngmộtđề tàiThạc sĩ (đề tàikhông yêu cầu)
<b>5.Đánh giá các kết quả đã đạt đượcvà kết luận</b>
Qua kếtquả đạt được củađề tài nhóm tác giả đưa ra mộtsố kết luận như sau:
•Lĩnh vực nghiêncứucó tínhứng dụngcaovà đã được cácnhà khoa
học rất quan tâm.
•Đâylà sựkết hợp giữa truyềnđộng cơ khí truyềnthốngvới ứng dụng
vật liệu thông minh (MRF) nhằm tạora một một hệ thống phản hồi
lực 3D cótính ứngdụng cao.
<b>ố.Tóm tắt kết quả (tiếng </b>Việt vàtiếng Anh)
Nghiên cứu này trình bày một cơ chế cần điềukhiển 3D phảnhồi lực chủđộng mớiđượcthiếtkếđể điềukhiểncác thiếtbị thụ động.Bằng cách giải quyết các hạn
chế được tìm thấy trongnghiêncứutrước đây, cấu hình đề xuất nhằm khắc phục
những thiếu sót này và manglại hiệu suất nâng cao. Việckếthợp MRBcho phép tạo ralực phản hồivàthiết kếMRB độc đáo được phát triển bằng cách sử dụng phântíchphần tử hữu hạn vàđượctối ưu hóa thơngquaphươngphápbầyđàn (PSO)và ban đầu đật đượcmột số kết quảsau:
•Một mơ hình điều khiển 3D phảnhồi được chế tạo
• Xây dựng mơ hình tốncho hệthốngphản hồi 3D
• Thiết lập mơ hình thực nghiệmchohệ thống phản hồi để đánh giá khả năngđáp ứng của hệ thống
• Kết quả thực nghiệm đáp ứng tốt khảnăng phản hồi lực của hệ và đủkhả năng ápdụng cho hệ Master-Salve trong tươnglai.
<b>Summary of results</b>
This study presents a novelactiveforce-feedback3Djoystick mechanism designedfor controlling passive devices By addressing limitationsfound in
previousresearch,theproposedconfigurationaimsto overcome these
shortcomingsand provide enhancedperformance.Theincorporationof MRBs enablesthe generation of feedback forces, and a unique MRB designis
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
developedusing finite element analysisandoptimized through the PSOmethod and initially achievedsome of the following results:
• Anovel3D feedback haptic controlmodel has been built • Builda mathematicalmodel for a 3Dfeedbacksystem
• Setup anexperimental model forthe feedbacksystem to evaluate the
system's ability to respond
• The experimentalresults are sufficient to meet the force feedback of
the system and beapplicableto theMaster-Salvesystem in the future
<b>III. Sản phẩmđề tài,công bố vàkết quả đào tạo 3.1. Kếtquảnghiên cứu sản phẩm dạng 1,2,3)</b>
<b>TT Tên sảnphẩmYêu cầu khoahọc hoặc/vàchỉ tiêukinh </b>
<b>tế - kỹ thuật</b>
<b>Ghi chú:</b>Các ấn phẩm khoa học (bài báo,báo cáo KH, sách chuyên khảo...)
chỉ được chấpnhận nếu có ghi nhậnđịachỉvà cảm ơn trường ĐHCơng Nghiệp Tp. HCMđãcấp kinh phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.
- Các ấnphẩm (bản photo) đính kèm trongphần phụ lục minh chứng ở
cuối báocáo. (đối với ấnphẩm làsách, giáo trình cầncó bản photo trang
bìa, trangchínhvà trangcuối kèm thông tin quyếtđịnh và sốhiệu xuất bản)
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>TTHọ và tênThời gian </b>
<b>thựchiện đề </b>
<b>Tên đề tài</b>
<i>Tên chuyên đề nếulà NCS Tên </i>
<i>luận vănnếulàCao học</i>
<b>Đã bảovệ</b>
1. Nghiên cứu sinh 2. Học viêncao học
VũVănBộPhát TriểnHệ ThốngPhản Hồi Lực
3DDùngPhanhChất LưuBiến Từ
3. Sinhviên Đại học
<i>Ghi chú:</i>Kèm bản photo trang bìachuyên đề nghiên cứu sinh/ luận ván/khóa
luận vàbằng/giấychứngnhậnnghiêncứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệthành công luận án/luậnvăn;(thể hiện tạiphần cuối trong báocáo khoa học)
1Thuê khốn chun mơn<b>42,099,95042,099,950</b>
2Ngun,nhiên vật liệu...<b>21,000,00021,000,000</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
Trong suốt quá trình nghiên cứu,đề tài cũng gặp một sốkhó khăn và
hạn chếnhất định. Vì vậy, một số vấn đề tồntại trongđề tài sẽđượcphát triểntrong thời gian sắp tới:
• Nghiên cứu khắc phục lực ban đầu của MRBcòn caoảnh
hưởng đến khả năng đápứng của hệ phản hồi
•Áp dụng mộtsố phươngpháptối ưu vàthuật tốn điều khiểnhiện
<i><b>VI.</b></i><b> Phụ lụcsản phẩm </b><i>(liệt kê minh chứngcác sản phẩm nêuở Phầnỉỉỉ)</i>
•Bao TriDiep, HaiZy Zy Le, Van Bo Vu, Quoc Hung Nguyen, “Development And Evaluation Of A Novel 3D Haptic Joystick With
Force FeedbackUsing Three Magneto-Rheological Brakes”Journal of Applied ScienceandEngineering, Vol. 27, No 8,Page 2957-2968. • Diệp Bảo Trí, Vũ Văn Bộ, NguyễnQuốcHưng,Thiết Ke Và Tính
TốnTối Ưu Hệ ThốngPhản HồiLực 3 Chiều DùngPhanh Chất
Lưu Từ Biến, <i>Tạp chỉ Khoa học và Cơng nghệ IUH</i>
<i>Tp.HCM, ngày...tháng... năm...</i>
<b>Chủ nhiệm đề tài PhịngQLKH&HTQT Trưởng (đon vị)</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>PHẢN II. BÁOCÁOCHI TIẾT ĐẺ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<i>1.3Tổngquan tình hình nghiên cứu vàtính cấp thiết tiến hành nghiên cứu...3</i>
1.3.1 Tìnhhình nghiên cứuquốc tế...3
1.3.2Tìnhhình nghiên cứutrong nước...7
<i>1.4 Tỉnhcấp thiếtcủađề tài...9</i>
<i>1.5 Mục tiêunghiêncứu...10</i>
1.5.1 Mục tiêutổng quát...10
1.5.2Mục tiêucụ thể...10
<i>1.6Phạm vi nghiên cứu:... 10</i>
1.6.1 Cách tiếp cậnvà phương pháp nghiên cứu...10
1.6.2Cơsở khoa học và ý nghĩa thựctiễn của đềtài...10
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<i>1.7Kết quảđạt được củađề tài...10</i>
Chương 2. TÍNH TỐN VÀ THIẾTKẾ HỆ THĨNG.PHẢN HỒILực3D. 12 <i>2. ỉ Cấu tạo và nguyênlý hoạtđộngcủahệthong... 12</i>
2.1.1 Cấu tạohệthống phản hồi...12
<i>2.1.2 Cấu hình vàngunlýlàm việc phanhMRF... 13</i>
<i>2.2Phân tích từ MRB với phương pháp PTHH...14</i>
<i>2.3Mơ hình tồn củaMPB vàđộng học của cầnđiều khiển...16</i>
2.3.1 Tínhtốnmơ men xoắn của MRB... 16
2.3.2 Động học và quanquan hệ giữa mô menTb và lực phản hoi F...18
<i>2.4Toiưuhóaphanh MRB...21</i>
2.4.1 Hàm mụctiêu của MRB... 21
2.4.2 Phương pháp tốiưu PSO...22
2.4.3Kết quả tối ưu hóa MRB... 24
Chương 3. CHẾ TẠO MƠHÌNH VÀ THựC NGHIỆM...27
<i>3.1Thiết kế và kiểm tra bền mơ hình...27</i>
<i>3.2Chế tạo vàhồnthiện mơ hình...30</i>
<i>3.3 Thiết ỉậpmơ hình thỉ nghiệm và kết quả thực nghiệm...31</i>
Chương 4.KẾT LUẬNVÀKIẾN NGHỊ...41
4.1 Kết luận...41
4.2Kiến nghị...41
TÀILIỆUTHAM KHẢO...42
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT</b>
<b>MRF:</b>Chất lưu từ biến
<b>MRB:</b>Phanhlư biến từ
<b>POS:</b>Phương pháp tối ưu bàn đàn
<b>SMA:</b>Hợpkim nhớhình
<b>FEM:</b>Phương pháp phần tử hữu hạn
<b>DV</b>Biến thiếtkế
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>DANH SÁCH CÁC BẢNG</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>DANH SÁCH CÁC HÌNH</b>
Hình 1.1. Thành phần chínhMRF...2
Hình 1.2: CáctrạngtháiMRF...3
Hình 1.3 Mơ hình thửnghiệm của BerkGonenc...4
Hình 1.4Cơcấuphảnhồilựcdùng phanhMRFcầu...5
Hình 1.5. Mơ hình phảnhồi lực joystick2D...6
Hình 1.6. Mơ hình phảnhồi lực 2D của Nguyen p.B...6
Hình 1.7 Hệ thống phảnhồi lực 4 DOF...7
Hình 1.8 Mơ hìnhtay máy 3 bậc tự do...8
Hình 1.9Mơ hình phản hồilực 3D... 9
Hình 1.10Mơ hình tay máy 3 bậc tự do...9
Hình 2.1 Cấu hình củacần điều khiển 3Dphảnhồilực...13
Hình 2.2 Cần điều khiển quanh trục X...13
Hình 2.3. Cần điều khiểnquanhtrục Y...13
Hình 2.4 Cấu hình vàthơng số hình học của phanh MRF...14
Hình 2.5 Mơ hình phần tử hữu hạn phântích từ của MRB...15
Hình 2.6 Mơ phỏngđường sức từ củaMRB...16
Hình 2.7 Sơ đồđộng học của cần điều khiển... 19
Hình 2.8. Lưu đồ tối ưu hóa MRB sửdụng phương pháp PSO...24
Hình 2.9 Kếtquảtối ưu khốilượng của MRB...25
Hình 2.10 Phânbố mật độ từ thông của MRB ởmức tốiưu... 26
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
Hình 3.5 Mơ hình thí nghiệmphảnhồi xúcgiác3D...32
Hình3.6 Mơ hìnhthực nghiệm xácđịnh mơ men đầuratừngMRB...33
Hình3.7Ketquả mơ men đầu ra của cácMRB...34
Hình3.8 Quan hệgiữa dịng điệnáp dụng (I)với mơ menphanh (Tb)...36
Hình3.9 Bộ điều khiển vịng hởcủa lực phản hồi ucầu...37
Hình 3.10Kết quả thực nghiệmcủa lực/mô men phảnhồi của cần điều khiển...39
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
<b>1.1 Giói thiệu chung</b>
Hiện nay ngành côngnghiệpđã pháttriểnrất mạnhvề mọi mặt nhưng vẫn cómột số trườnghợp phải làm việc trong mơitrường khắc nghiệt, độc hạilà điều không thể
tránh khỏi như trong nhữnglĩnh vực hạt nhân, hóa chất độc hại, phịng cháychữacháy,
ràphá bom mìn,phẫuthuật y khoa.Dođó đểđảm bảoan tồn chonhững ngườiphải
làm việc trong các mơi trường trên thì một trong những giảipháp được áp dụng phổ
biến nhất hiệnnay là sửdụng Robot điều khiển từ xa đólà hệthốngrobot chủ-tớ (Master-Slave). Vớicơng nghệ hiện đại như làkỹthuậtcamerađã được sử dụng để
quansát môi trường làm việc, tuyvậyviệcthiếuthông tin tương tác trực tiếpcủa hệ thống như lực,mômen,chuyển vị...đã ảnh hưởng không nhỏ đến khảnăng vận hành,
cũng như độchính xác khingười vận hành điều khiển hệ thống. Nên việc nghiên cứu và pháttriển một hệ thống phản hồilực rất cầnthiết đặcbiệtlà sửdụng vật liệu thông minh như SMA, MRF, ERF... đã và đang nghiên cứu rất mạnh. Mụctiêu của hệ thống này là mô tả hệ taymáy 3 bậc tự doxoay tương ứng vớiba gócquayvàba góc quay
này được kiểm sốt bởi 3 phanh lưu chất MRBđược đặt tại 3 vị trítương ứng.Hệnày được tínhtốn thiếtkế, mơ phỏng tối ưu sao cho tại cácMRB đạt mơ men theou cầu và cókhối lượng là nhỏ nhất,từđósẽ thực nghiệm đánh giá khảnăng đápứng củahệ
thống về khả năng phản hồi lực.
<b>1.2Đặc điểm chung củaMRF</b>
Chấttừ biến (Magneto Rheological Fluid - MRF) là một dạng lưu chất thay đổi cáctính chất lưubiếnnhư độ nhớt, ứngsuấtchảy dưới tác dụngcủa từtrường,là một trong số các loại vật liệu thông minh (Smart Materials) thông dụng trong kỹ thuật. Lưu
chất này cókhảnăng chuyển từ trạngthái lỏng sang dạng trạngthái sệt (Semisolid)khi có từ trường đi qua lưu chat.MRF đã được Jacob Rabinow nghiên cứu tại Cục tiêu
chuẩnquốcgiaHoa Kỳ vàocuối những năm 1940s [1]. MRF baogồmchất lỏng nền, các hạt từ tính phâncực và chấtphụ gia.Các hạttừ tính phâncực có vai trị cơ bản trong các hiệuứngcủa từ trường bênngoàiđưa vào. Chất phụgia được dùng để giảm
bớt sự lắng đọng củacác hạttừ tính, vì sự lắng đọng của hạttừ tính ảnhhưởng khá lớn đến khảnănglưu biến của MRF. Đặc điểm từ tínhcủa MRF bao gồm ứng suấtchảydẻo,độ nhớtsau chảy dẻo và độ lắng đọng [2,3]. Tính lưubiến này phụ thuộc vàocác
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17"><i>Báocáo đềtài khoa họcIUH</i>
tham số biến đổikhác nhau như tỷ trọng hạt từ tính, loại hạt từ tính, mậtđộ các hạt từ tính, cường độtừ trường, nhiệt độ,tính chất của chất lỏngnềnvàloại chất phụ gia [4].
Tínhlưu biến của MRF như độnhớt, tính đànhồi haytính dẻo của MRF phụthuộc vào từ trường đi qualưu chất.Khi từ trường đi qua lưuchất thì các đặc tính của MRF được
biểudiễn qua mơhình Bingham[5].
<b>1.2.1 Thànhphầnchính MRF.</b>
MRF gồm ba thành phần chính đólà:hạt từ tính (1),chất lỏng nền (2), chấtphụ
gia, được thể hiệnbởi Hỉnh1.1
Hình 1.1: Thành phần chính MRF.
Các hạt từ tính của MRFhiện nayđượcsử dụng như sắt,hợpkim sắt, oxitsắt, nitrat sắt, cacbua sắt,sắt carbonyl, niken và coban[6,7].Trong đó hạtphảnứngtừ thường đượcsử dụngđểchế tạo MRỈ'là sắt carbonyl, ứng suấtcựcđại củaMRF đạt
đượckhi cườngđộ từ trường áp dụngvào MRT làm cho bão hòatừ của các hạt từ tính được xác lập.Kíchthước hạt từ tínhtrongMRF thường nằm trong khoảng 0,1-10 pm.
Chất lỏngnền được sử dụng trong MRF có thể là dầu silicon,dầu khống, dầu paraíin, dầu thủy lực,chấtlỏnghữu cơ như halogen, diesters, polyoxyalkylen, silic fluoride, nước và dầuhydrocarbon tổnghọp[7].
Chấtphụ gia thêm vào nhằmlàm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trongMRF [8]. Hiệntượnglắngđọng có thể gây ra hiệntượng suy giảm độ nhớt của MRF[9]. Khisựlắng đọng của MRỈ'tăng lên thìdướitác động của ứngsuất caovà tốc độ cắt cao trongmột thời gian dài làm cho chất lỏng sẽđặc lại[10]
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
<b>1.2.2 Nguyên lý hoạt độngMRF.</b>
Khi MRF ở trạng thái bìnhthường(khi từ trường khơng đi qua MRF), các hạt từ tính chuyển động tự do,MRFứng xử nhưlưu chất Newton (Hình 1.2 a).Khi MRFở
trạng tháicó tác dụng của từ trường bên ngồi vào thì các hạt từ tính sẽ gắn kết và sắp
xếp lại với nhau theo hình dạng phân bố của đường sức từ.Cáchạt từ này có khả năng chốnglạisự phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất sệt lại. Khicường độ từ trường ở mức
thấp thì sựphânbố các hạt từ tính chưa rõ ràng(Hình 1.2 b),cịnkill cường độtừ trường cao thìsựphânbốcác hạttừ tính sẽđinh hình rõ ràng hơn (Hình 1.2 c).Khả năng hên kết của các hạt từ tính phụ thuộcrất lớn vào cường độtừ trường bên ngồi
<b>1.3 Tổng quan tình hình nghiên cúu vàtính cấp thiết tiến hành nghiên cúu</b>
<b>1.3.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế</b>
Trongnhữngnăm hiện nay việc sử dụng bộ điều khiển từ xa trong môi trường
nguy hiểm,bao gồmcả robot phiêu lưu, đã chứngkiến sựphổbiếnngày càng tăng trong các ngành công nghiệphiện đại [11]. Tuy nhiên, mộtthách thức đáng kể trong các hệthống điềukhiển từxalà thiếu phản hồi lực và mơ-men xoắn, làmảnh hưởng
đếnđộ chính xác và tính hull hoạt của việc điều khiểncủa người vận hành [12], Để khắcphục hạn chếnày, việc tích hợp phảnhồilực, được gọi là hệ thống xúc giác từ xa,
đãđạt đượckết quả đảng kể trong nghiên cứu [ 13].Vì vậy, mộthệ thốngđiềukhiểntừ
xacóphảnhồilực tới người vậnhành (hệ thống xúc giác từ xa) là rất quan trọng.Chất
lưu biếntừ(MRF) đã được biếtnhưmột vật liệu đầy triển vọngcho nhiềuứngdụng
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19"><i>Báo cáođề tài khoa họcỈUH</i>
khácnhau nhờ các đặc tínhlưu biến độc đáocủa nó dưới tác dụng của từ trường bên ngoài [14, 15, 16], Các nghiên cứutrước đâychủ yếutập trung vào các hệ thống xúc
giác sửdụngbộtruyền động từ tính (MR). Ví dụ, Yamaguchi vàcộngsự. đã đề xuất một hệ thongxúc giác đa bậctụ do (DOF) với phanhMR tương đối lớn, nhưnghệ
thống này phải chịu khối lượng lớn vàlực ngoài trạng tháihạnchế[17], Winter và Bouzitđã phát triển găngtay phản hồi lựcsử dụng phanhMR tuyếntính, nhưng họgặp
phải những tháchthức nhưlựclệch trạng thái cao và kích thướcphanh lớn [18],
Bullion và Gurocak đã thiết kế một chiếc găng tay xúc giác 3-DOF với phanhMR xoay, cung cấp lực phản hồi cho các ngón tay cụ thể,nhưngvẫn thiếu các thử nghiệm
Berk Gonenc [20] đã phát triển hệ phản hồihỗn họp bao gồm phanh MRF dạng tangtrống kết họp với độngcơ DC servo thể hiện bởi Hình 1.3.Hệthongnày mơ
phỏng lại việc cắt mơ cho cácloạikéo phẫu thuật nhưng chỉ có một bậc tự do nênchưa thếáp dụng chocácthaotácphứctạp của việc phẫu thuật từ xa. Thiết kế này sau khi
tối ưu hình học có mơ men củaphanh đạt 1,5 Nmcịn cảhệ tối đa là1,77 Nm.
Hình 1.3Mơ hình thử nghiệm củaBerk Gonenc[20],
Doruk Senkal và cộng sự [21] đã nghiên cứu chếtạo cơ cấukhóp quay phảnhồilực đahướng dùngphanh MRF dạng cầu biểu diễn bởi Hình 1.4. Đường kínhquảcầuphanh là D = 76,2 mm mơ men tạo ra lên đến 3,7 Nm. Tuy nhiên, hệ này khôngthểđiềukhiển mômen riêng rẽ theo mỗi phương, kết cấu phức tạp và lực tác động không
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20"><i>Báo cáođề tài khoa họcỈUH</i>
phản hồi lên tayngười điều khiên.
Hình 1.4Cơ cấu phản hồi lực dùng phanh MRF cầu[21],
Li w. H cùng các cộng sự[22] đã đưa ra cơ cấu phản hồi lực joystick 2D với
haiphanh quay sử dụngMRF thể hiện bởi Hình 1.5. Cácphanh này có thơng sốcơ bản
là D = 156 mm,L= 21 mm,mô mentạoratừ 0,7 Nm đến 6 Nm.Cácphanh được sử
dụngvẫn là các phanh truyềnthống(các cuộn dây quấn ở vỏ ngồi) vàviệc tối ưu hố hình học chưa được xem xét nên kết cấuphanhcịn khá lớn. Trongnghiêncứu này, tác giả đã sử dụng cácMRBđể tạo mômen phản hồi, người điều khiển chỉ cảm nhận được
lực tác độngkhithực hiện chuyển động cần điều khiến dovậy khi cần điều khiển khôngchuyển động lực tác động khơng phản hồi lên tay ngườiđiều khiển.
Hình 1.5. Mơhìnhphản hồi lực joystick 2D [22],
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
Nguyen p. Bvà các cộngsự [23] đã thiết kế và chế tạo cơ cấu joystick2D biểu
diễn bởi Hình 1.6 có phảnhồi lực, sử dụngcơ cấu quayhai chiều dùng MRF. Đối với hệ nàythìmơmen ma sát có thể được khửvà hệ thốngcóthể phản ánhđược mơ men
rất nhỏ lêntayngườiđiềukhiển do đó người điều khiển cóthểcảm nhận được lựctác
động ngay cả kin cần điều khiển không chuyểnđộng. Tuy nhiênvẫn như các nghiên cứu trước kia,kiểuquấn dâytruyền thống (cuộn dâybố trí ở mặt trụ của vỏ)dẫntới
hiệntượng thắt nútcổ chai và việc tối ưu hố hình học chưa được xem xét nên kết cấu
hai chiều cịn khá lớn,mơ menphảnhồi khơng cao (1,2 Nm).
Hình 1.6. Mơ hình phản hồi lực 2D của Nguyen p. B [23].
Oh J s và các cộng sự [24] đãthiết kếvà chế tạo hệ thống điềukhiển có phản
hồi lực 4DOF ứngdụng vào hệthống phẫuthuật biểu diễnbởiHình 1.7.vềbảnchất,
nghiêncứu này là sự phát triển tiếp theo củanghiên cứu do Nguyen p B[23] vàcác
cộng sự thực hiện. Oh Js và các cộng sựđã sửdụng lại cơ cấu joystick 2D được đề
xuất bởi Nguyenp B [23]để phản ánh mô men lắctrong mặt phẳngđứng (pitch) và mô
menquay(roll) của rô bốt phẩu thuật, bên cạnh đóbố tríthêm hai ly hợpdùng MRF
(MRC) đểphản ánh mô men lắc trong mặt phẳng ngang(yaw) và lực tiếp cận dọctheo hướng mũi của dụng cụphẫuthuật. Tuy nhiên,vẫn như các nghiêncứu trướcđây,mô
men của phanhdừng trong nghiêncứunày không cao nhỏ hơn 2 Nm. Hơn nữaviệc gắn
một khốilượng lớn lên cần điều khiển cũng gây sai lệch rất lớn lực phản hồi đến tay người điều khiển do ảnh hưởng của trọng lực và lực quántính.
</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22"><i>Báo cáo đề tàikhoa học<sub>IUH</sub></i>
Hình 1.7 Hệthống phản hồi lực 4DOF [24].
<b>1.3.2 Tìnhhìnhnghiêncứutrongnước</b>
Hiện nay,cácnghiên cứuliênquan đến hệ thống phảnhồi lực trong nướccịn ít quan tâm, như nghiên cứu liênquanhệ tay máy Master và Slavesao chép chuyền động
điều khiển từ xa (Tele-Manipulator) của tácgiảTừ Diệp CôngThành [6],Nghiên cứu nàytập trung vào thuật toán điều khiển hệ thống, áp dụng bộ điều khiển PIDkết hợp
với mạngthần kinh nhân tạo. Chức năng điều khiển chỉthựchiện sao chép chuyển
động.Các thiết bị nghiêncứucủa đề tài chỉlà mơ hình thínghiệm nhỏ,khơng đềcập đếnviệcứng dụng trongmơi trườngthựctế.Ngồi ra, đề tàichỉgiới hạn việcsaochép
vị trí màkhơng đề cậpđến việc phảnhồithơng tin về lực từ cơcấu chấp hành củatay
máy slavelên ngườiđiều khiển.
Nguyễn Ngọc Điệpvà cộng sự [25] đã thực hiện đề tài“Nghiên cứu, thiết kế và chếtạomơhình tay máy sao chép chuyểnđộng và phản hồi lực ”biểu diễnbởi Hình
1.8. Nghiêncứu[25]là mộttay máycông nghiệp3 bậc tự dodạngelbow (khớp nối),
taymáy Masterđược thiết kếlà sao chép lạikích thướcchuỗiđộng của tay máy bị
động. Bằngviệc sử dụng bộđiều khiểnPID,hệ thống sao chép chuyển động từ taymáy Master quatay máy Slaverấttốt,tuy nhiên khả năng phảnhồilực từ lúcđầulàmviệc của tay máy Slavelên người điều khiếntay máy Master chưa tốtdo lực masát lớn và do bài toán ngược để xác định mô men tại các khớp của tay máy khơng có lời giải
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23"><i>Báo cáođề tài khoa họcIUH</i>
Hình1.8 Mơ hình tay máy 3 bậctự do [25]
Diệp Bảo Trí[26]và các cộng sự đãphát triển một hệ thống phản hồilực 3D sử
dụng hai cơ cấu hai chiều BMRA và mộtcơcấu tuyến tínhLMRB thơng qua cơ cấu
gimbal (Hình 1.9). Hệ thống này cóưu điếm làkhử được mơmen banđầu của hai
phương X, Y, có xét tới bài tốn tối ưuhóakhối lượng của cơ cấu chấphành, khả năng phảnhồilựctốtnhưng vẫn còn nhược điểm lựctrạngtháitắtcòn lớntheo phương z nên cũngảnhhưởng trong quá trình phản hồilực chungcủahệ thống
Cảm biến góc Cảm biếngóc <b>BMRA-X</b> Hệbánh
Hình 1.9 Mơ hình phản hồi lực 3D [26]
</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
Diệp BảoTrí [27] và các cộng sự đã phát triển một tay máy phản hồilực 3D sử dụng hai phanh MRB biên dạng phức tạp và mộtcơ cấu tuyến tính LMRB thơngqua
các khớp nối tạothành cánh tay robot3D(Hình 1.10). Hệthống này có ưu điểmlà tạo mơ men lớndo biên dạng củaMRB dạng răng nên đápứng tốt, có xét tớibài tốntối
ưuhóakhối lượng của cơ cấu chấp hành,khả năng phản hồi lực tốt nhưng vẫn còn
nhược điểm lực trạng tháitắt còn lớn theo phươngznêncũng ảnh hưởngtrong quá trình phản hồi lực chungcủa hệ thống
MRB 02 LMRB
Hình 1.10 Mơ hình taymáy 3 bậc tự do [27]
<b>1.4 Tính cấpthiếtcủa đềtài</b>
Trong các nghiêncứu trước đây chủyếu là joystick 2 bậc tựdo dùngphanh MR hoặc3 bậc tựdo dùng 2 phanh quay(MRB) và 1 phanh tịnhtiến (LMRB). Nhược điểm của việc dùngphanh tinh tiến là lực ma sát khôngtác dụng (off-force) cònlớn do ma sát ban đầu lớn dẫntới việc điềukhiển hệthống khồng linhhoạt. Dovậyviệc dùng 3 phanh quay làrất cầnthiết đểnhằm giảm lực ma sát đồng thờităng khảnăng phản hồi lựctốt hơn.
<b>về</b>tính khoahọc nhóm nghiên cứu tiến hành xây dựng mơ hình tốnhọc
quan hệgiữamơ menđầu ra của cácMRBtại 3trụcquay của cơ cấuvà lựcphản
hồi tại núm điều khiển của cơcấu. Mởra hướng phát triển mới trongviệc phát triển cơcấu phản hồi lực.
</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
<b>1.5Mục tiêu nghiêncứu1.5.1Mụctiêu tổng qt.</b>
•Hệ thống cókhảnăngphản hồi chính xáclực 3D lên tay ngườiđiều
• Giảm thiểu tối đaảnhhưởng của lực ma sát lên tay ngườiđiềukhiển •Đánh giá khảnăngđáp ứngcủa hệthống phản hồilực.
<b>1.5.2 Mụctiêu cụthể.</b>
•Pháttriển phanh MRB vớikhối lượng nhỏ nhấtđáp theo yêu cầu của hệ thốngphản hồi lựcthơng dụng
• Pháttriển hệthống phản hồi lực 3D dựa vàosự kếthợp của các MRB •Pháttriển mơhìnhtốn và bộ điều khiểnchohệ thống phảnhồi.
<b>1.6Phạm vi nghiên cứu:</b>
<b>1.6.1Cách tiếp cận và phươngpháp nghiêncứu</b>
• Phân tích và mơ phỏng, kế thừa
•Tổng hợp,phản biệnvà thực nghiệm
<b>1.6.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài</b>
• Đe tàinày sử dụngcáckiến thứcvề vật liệu thơng minh MRF, phương pháp tốihóa và kỹ thuật điềukhiển hiện đại.
• Đe tài này làmcơsở cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống phản hồi
lực ứng dụng trong cáclĩnhvựckỹ thuật như điều khiển từ xa vàtrong phẫu thuật y khoa.
<b>1.7Kếtquả đạt được củađề tài</b>
•Thuyết minhđề tài
•Một mơ hình hệthống phản hồi lực sử dụng MRF •Một bài báo Scopus Q2(theoyêu cầu chỉ Q3)
•Một bài báo tạp chí củaTrường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM
</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
•Bảo vệ thànhcơng một đề tài Thạc sĩ (đề tài khơng ucầu)•Đetài đại họcđã bảo vệ (đề tài không yêucầu)
</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
<b>Chương 2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG</b>
<b>2.1 Cấutạo và nguyênlýhoạtđộng của hệthống.2.1.1 Cấu tạo hệ thống phản hồi</b>
Mộthệ thống phản hồi xúc giác 3Dđược đề xuất thể hiện ở Hình 2.1.Hệ thống baogồm một cần điềukhiển xúcgiác 3Dđược kếthợp với một cơ chế gimbalvà 3 phanhtừ lưu biến (MRB) để chophépphảnhồi lực của cácchuyển động quay. Cơ chế gimbal baogồm ba trục (thông qua3 khung của cơ cấu) được kếtnối vớicácMRBlần
lượt làMRB01, MRB02 và MRB03. Mỗi trục đầu ra của MRB được liênkét với các
trục của cơcấu gimbal, để đảm bảo khi gimbal quay thì cáctrục của MRB cũng quay tương ứng. Bộ mã hóa góc đượcđặt ở phía đối diện củamỗitrục MRB nhằm xác định góc quay của cần điều khiển. Ưu điểmcủa cơ ché gimbal là điều khiển đồngthờicả ba trục, thiết kế nhỏ gọnhơn so với cácnghiên cứu trước đó và điều chỉnh góc quayđộc lập.Các góc quay theo trụcX và Y được trình bàyở Hình2.2 và Hình2.3 và có phạm
vi hoạtđộng tươngứnglà±65° và±57°, trong khigócquay theo trục z có phạm vi là 360°. Mơ men xoắn đầu ra củacác MRB được xácđịnhbằngcảm biến lực 3Dnằm
giữatay cầmvà núm điềukhiển. Bằngcách tínhtốn cánh tay địndựatrêncác góc củabộ mã hóa góc và vị trí númthì hệ thốngcó thể thu được các lực phản hồi Fx, Fy
vàTztheo ba hướng vng góctại núm. Cáclực này được tạora thơng qua mô men xoắn do MRB tương ứng tạo ra. Đe duy trìsự cân bằng trong quá trình quaycủa trục Y
thì nhóm nghiên cứu có bố trí mộtđối trọng ở vị trí đối xứng với MRB01 nhằmcânbằng khi hệthốnghoạt động theo trụcY.Việc tích hợpcơ chế gimbal và MRBgópphầnvào hệ thống xúc giác 3D bằng cách cho phép điều khiển xoay chính xác và độc lậpdọc theotừng trục,thiết kế nhỏgọn và thu được lực phản hồiđể nâng cao tương tác người dùng
</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28"><i>Báo cáođề tài khoa họcỈUH</i>
Hình 2.1. Cấuhìnhcủa cần điềukhiến 3D phản hồi lục
Hình2.2Cầnđiềukhiển quanh trục XHình 2.3. Cầnđiều khiển quanhtrục Y
<b>2.1.2Cấu hìnhvànguyênlý làm vỉệc phanh MRF</b>
Cấu hình của phanh MRB đuợcđềxuất làdạngphanh luu biến từ rơto hìnhrăng
đuợc sử dụng cho cần điều khiểnxúcgiác 3D trong nghiên cứu này đuợc trình bày trong Hình 2.4.cấutạo củaMRB bao gồmđĩa phanh vớivậtliệu từ tính (thép C45)
đuợcliênkết vớimặt bích củatrục phanh với vật liệukhơng có tùtính (Inox 304), trục này đuợc cốđịnh trên hai0 lăn chặn ở hai đầu trục và các0 lăn nàyđuợc cốđịnh trên
</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29"><i>Báo cáo đề tài khoa họcIUH</i>
haithân vỏ (vật liệu C45)trong và ngoàicủa MRB. Giữa thân vỏvà đĩa phanh được bố
trí một khe hở thíchhợp nhàm lấp đầychất lưu biến từ. Để tạo ra từ trường đi qua khe lưuchất thì nhóm nghiên cứu bố tríhai cuộn dâytừ tính (vật liệu là đồng) ởmỗi bên
của thân vỏ phanh. Điều đáng chú ý là mỗi cuộn dây đượccấphaidòngđiện chạy
ngượcchiều nhau. Cácthơng sốhình học cơ bản của phanh cũng được trình bày ở
Hình 2.4. Các thơng số này sẽlà cácbiến thiết kếtrongq trình tính tốn tối ưu hóa của phanhnhằm mục tiêu giảmtối đa khối lượngphanhvàđạtmô men đầu ra theo yêu cầu mà một hệthốngxúcgiác trong thực tế.
Hình 2.4Cấu hìnhvà thơngsố hìnhhọccủa phanh MRF.
<b>2.2Phântíchtừ’ MRB với phương pháp PTHH</b>
Việcmơ phỏng đường từthơng củaMRlà một cơngviệcrất khó khăn và phức tạp.
Nên để phân tích mạch từ củaMRB tác giả đề xuất phương pháp phần tửhữu hạn
(FEM) được áp dụng bằng phần mềm phân tích thươngmại đó ANSYS APDL. Hình
2.5 mơ tảviệctriển khai FEM,sửdụng phần tử đối xứng trụcvới phần tử PLANE13
có sẵn trongphần mềm ANSYS APDL để xâydựng mạchtừ choMRB. Trong phân
tích này, cácthành phần củaMRB như trụcphanh và cuộn dây được gán độtừ thẩm là 1,0 tươngđương với độthẩm của khơng khí. Mặt khác, các thành phần từ tínhcủa
MRB bao gồmthânvỏ và đĩaphanhsử dụng đường cong B-H của thép C45 cho đặc
tínhtừ tính của chúng. Lưu chấtMRF-132DGdoLord Corporation sản xuất đượcsử
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30"><i>Báocáo đề tài khoa họcIUH</i>
dụng chonghiêncứu này thể hiệnởBảng2.1.
<b>Bảng 2. í Thông</b> số kỹ thuật củaMRF
Cường độ từ trường (kA/m)150 -250
Các đặc tínhtừ của lưuchất MR được ước tính bằng cơng thức thực nghiệm được sử dụngbởinghiêncứu [28]:
<i>B</i>= 1.91 • ộ1133 [1 -exp(-10.97 •Ho • //)]+go •<i> H</i>
(2-1)
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31"><i>Báo cáođề tài khoa họcỈUH</i>
<i>- B </i>là mật độ từthông được đobang Tesla(T)
<i>- H là </i>cường độ từthông (A/m)
- po là độ từ thấmchânkhôngđược ký hiệu làp0 = 4ĩĩ.107 (Tm/A) - ộ làphầntrămcủa hạt sắtcó trong MRF
Hình 2.6 đưa ra hình dạngđường từ thơng được mơ phỏng trong phanh lưu biến từ
khi áp dụng phần mềm AN SYS APDL.Be mặt đĩa phanh vàthân vỏphanh được thiết kế dạng răngmục đích tăng diện tích bề tiếp xúc mặtgiữa chất lưuMR, đĩa và thân vỏ phanh. Với cấu hìnhnàydự kiến sẽ tăng mơ men xoắncảmứng và giảm bớt hiệu ứng thắt cổ chai thườngthấy trong các phanh MR trướckia.
<b>2.3Mơ hình tốn của MRB và độnghọc của cần điềukhiển2.3.1Tính tốn mơ men xoắn của MRB</b>
Trongphần này, mơ hình dẻo Bingham vàphưongpháp phầntử hữu hạn (FEM)
được dùng để thiết kế và mơphỏngtính tốn cho MRBcủa cần điều khiểnxúc giác 3D đãđề xuất. FEMchophépphân tích chitiết mạch từ vàhoạt động của lưu chấtMR dướicác cường độ từ trường khác nhau. Mơhình dẻo Bingham đượcsử dụng để xác
định cácđặc tính lưu biếncủa lưu chat MR, thế hiện bởicả đặctính nhớt vàdẻo.
</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
Các giả định đượcđưa ra trong q trìnhmơ phỏng, chẳng hạn như giảsử lưuchất
MRkhông thể nén được,bỏ qua ảnh hưởngcủa sự thay đổi nhiệt độ và giảsửvận tốc
củalưuchấtMR là tuyến tính kheMRF.Nhữnggiảđịnh này được đưa rađểđơngiản hóa q trình thiết lập mơ hình trongkhi vẫn đạt đượchoạt động cơbản của phanh
MR. Bằng cách sử dụngmơ hình dẻoBingham cholưu chất MR, thì việc ướctính mơ
menxoắn đầu ra của MRB, nhưđược mơtả trong Hình 12, được áp dụng theo phương trình sau [29, 30]:
<i>- TEk</i>là mômen masátgâyrabởi MRFtrongống thẳng đứng Ek
<i>- Tij</i>là mômen ma sát gâyrabởi MRF trong ống nghiêng <i>Ij</i>
<i>- Tc</i> là mômen ma sátgâyrabởi MRF trong ốngmặt trụcủađĩa
<i>- Ts</i> làmô men ma sát của phớtchặn MRF
Điều quan trọng cầnlưu ý là mơmen ma sát củaổlăn có trongcơ cấu được bỏqua trong nghiên cứu này.
Cácmơmen ma sát<i>T</i>
<i>eỉì</i><i>,Tij, Tc</i>và <i>Ts</i> đượcxácđịnh theo các phươngtrình sau [30]Các thơng số đượcbiểu diễnở cácphương trình trên bao gồm<i>Rk và Rj</i> biểu thị bán kính vị trí củađiểm <i>thứ k </i>(rảnh lưuchấtthẳng đứng) và thứ <i>j </i>(rảnh lưu chấtMR
</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
nghiêng) trong biên dạng đĩa của phanh MRđược đưaratrong Hình12. Thơng số <i>ỉd</i>và
<i>a</i>lần lượt làchiều dài vàgóc của ống nghiêng của lưu chấtMR.<i>Rs</i>biểu thị bánkính
của trục phanh (tính bang inch)
<i>TEk, Tĩj,Tc</i> lần lượtlà ứng suất chảy dẻo của MRF trong ống thẳng đứng <i>Ek,</i> ống nghiêng <i>Ih</i> mặttrụ của đĩa phanh
<i>ĩỊEk, ĩỊc</i> là độnhớt sau chảydẻo tưong ứngcủa MRF 0) là tốcđộ góccủa trụcphanh.
Trong nghiên cứu này, ứngsuất chảy dẻo và độ nhớtsau chảy dẻo làhai đặc tính
lưu biếncủa chấttừ lưubiến, nó phụthuộc vào mậtđộtừthơngcảm ứng trên ống MRF. Các giá trị gần đúngchocác đặttính này được biểu thị bằng các phưong trình
Mậtđộ từ thơng đượcbiểuthị <i>bằng B </i>vàcác chỉ sốmơ men bão hịa choứng suất
chảy và độ nhớtlầnlượt đượckýhiệu là<i>Kr</i> và<i>K</i>
<i>ĩị</i><i>.</i>
Trong nghiên cứu này,Hình 2.7 trình bày so đồ động học của cần điềukhiển xúc
giác3D. Chiều dài của taycầm dọc theo trục z đượcđặt là chiều dài<i>l.</i>Các góc quay
của taycầmđối vói các trục X,Y vàz lần lượt đượcbiểu thị bằng<i> (p, ỡ,</i>ụ/. Dựa trên
các nguyên tắcđã nóiỏ trên ta có Bảng 2.2Denavit-Hartenberg (D-H) cho cần điều
khiển xúc giác 3D được áp dụng
</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34"><i>Báocáo đề tài khoa họcỈUH</i>
z
<small>▲</small>Hình 2.7Sơ đồđộng họccủa cần điều khiển
<b>Bảng 2.2 D-H</b> củacần điều khiển
</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
Đẻ xác định vị trí của núm điềukhiểntácgiảáp dụng phươngpháp động học thuậnnên bán kínhcần điều khiển được xácđịnh bởi
Áp dụngnguyênlýcông ảo để xác mối quan hệ giữa mô men tác dụng (Tb) và lực (F) tác dụng lên núm vậnhành được xác địnhnhư sau:
Trongphương trình(2-11) thì J đại diện cho ma trận Jacobian của cần điềukhiển xúcgiác3D vớicác góc tương ứng. <i>Tx, Ty</i> và <i>Tz</i> biểuthịmô men cảm ứng của các
phanh MR tươngứngvớicác hướng X,Y và z. Với <i>Fkx, Fky</i>và <i>Tkz</i>biểu diễn cho các
lực và mômen xoắntác dụnglêncần điềukhiển 3Dtheo cáchướng X, Y và z
</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
Ma trận chuyển vị của cần điềukhiển xúcgiác3Dcó thể được xácđịnh dựa trên
các mụctrong Bảng2.2với
<i><small>Ypii = Xpx\ Vp2i = Xpỳ, Xp3i = Xpz.</small></i><b>2.4 Tối ưuhóa phanh MRB</b>
<b>2.4.1 Hàm mụctiêucủa MRB</b>
Đểgiải quyếtbài tốn tối ưu chúngtơi gióithiệubài tốntối ưu hóa liên quanđến
phanh lưu biến từ(MRB) với hai mục tiêu chính đólà khối lượng vàmơmen xoắn cảm ứng của phanh.Điềuquan trọng cầnlưu ý là hai mục tiêunàymâu thuẫn vói nhau trongq trình tốiưu hóa thiết kếphanhMRF.Tuynhiên mục tiêu chínhcủa bài tốn
tối ưuhóa là giảm tối đa khối lượng củaMRB (mb), đồngthời đảm bảorằng mô men cảm ứng<i> (Tb)</i>vẫnbằng hoặc cao hon mô men mong muon<i>(Tbr).</i> Hạn chế này rấtquan
trọng để đạt được lực phản hồi dựđịnh đồngthời đạt đượcsự cân bằng giữa các mục tiêu trên. Khốilượng củaMRB được xácđịnh bởi cơngthức sau:
<i>OBJ \ —Tìib — vdpd + vhph+ V</i>
<i>mrf</i><i> P</i>
<i>mrf</i><i> + VcPc +VsPs</i>(2-13) Vói ràng buộc
<i><small>Tb>Tbr</small></i><i>Vd, Vh, V</i>
<i>mrf</i><i>, V</i>
<i>c</i>và<i>vs </i>lần lượt biểuthịcho thể tíchcủa đĩaphanh, thân vỏ, lưu chất MR, cuộndây và trục phanh.
<i>pd, ph, pMRF, pc</i>và<i>ps</i>lần lượt biểu thị cho khối lượng riêng vật liệu tưongứng được sử dụng chocác thành phần trên. Việc xácđịnh mơmen xoắn cảm ứngcần thiết cótính
đến lực phản hồi mong muốn lớn nhất theo từnghướng. Giá trị này cóthể được tínhbằng biểu thức sau:
</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
Mụcđích của nghiêncứunày thì lực phản hồimong muốn tối đađược biểu thị
bằng<i>Fmax,</i>được đặt là 20N. Với giátrị nàychobiếtlực cao nhất được coi là phùhợp để có phản hồi xúc giác hiệu quả. Ngồi ra, chiều dài tối đacủa taycầmđược sửdụng
trong thí nghiệm, kýhiệulà<i> ỉmax, </i>được xácđịnh là200 mm. Theo phưong trình(2-14),
mơmen cảm ứngcầnthiết đượctính là4 Nm. Tuynhiên, để tínhtới khảnăng mơ hình
khơngchính xác và tổn thấttừ trường nên giá trị 5Nm được chọnlàm mômen cảm ứngmongmuốn.
Honnữa, vấnđề tối ưu hóa trong nghiêncứunày cókết hợp các kích thướchình học quan trọng của phanh lưubiến từ, được gọi là các biến thiếtkế (Dimension Variable - DV). Các biếnDVnày đóngvai trịrất quan trọng trong việc giải quyếtvấn
đề tối ưu hóa đượcyêu cầu và xácđịnh cấu hìnhtối ưu của MRB đểhồnthànhcác mục tiêu nhấtđịnh. Với mục đích cần đạt được một thiết kếhiệu quảthì các biến DV
của MRBđượcđưarabao gồm độ dày đĩa phanh(íẠ chiều cao và chiều rộngcuộn
dây <i>(hc,</i> Wc), bán kínhtrongcủađĩa phanh<i>(Rị), bán</i> kính trong của răng (R1), độdày ống nghiêng (tỉ), độdàyđỉnhrăng<i>(tĩp),</i> độdày đáyrăng<i>(tứ),</i> khoảngcách răng<i>(dí),</i>
chiềucao răng<i> (hỉ), </i>độdày răng hình chữnhật<i>(trì),</i>độ dàythànhmỏng <i>(tw)</i> vàbềdày
vỏ (to đến và th)
<b>2.4.2Phương pháp tối ưu PSO</b>
Để giải quyếtvấnđề tối ưu hóa được trình bày như trên, cóthể sử dụng nhiều phươngpháp khácnhau, chẳng hạn nhưphương pháp Newton-Raphson, phương pháp Quasi-Newton,phương pháp Powellvà phương pháp tối ưu hóa bầy đàn (PSO). Trong số các phươngánnày,phương pháp PSO đặc biệt phù hợpđể giải các bài toánmột
mục tiêu có ràngbuộc.Nó đượcbiết đến với khả năng tìmkiếm các giátrị tối ưu toàn
cụcvà cácđiều kiệnkhởi tạo đơngiản.
Ngoài ra, phương pháp PSO cịnmanglại lợithế về hiệu quả tính tốn, yêu cầu bộ nhớlưutrữ nhỏ và giảmthời gian tính tốn thơng qua các phương pháp tínhtốn đơn
giản hóa. Bằng cách tận dụng hành vi củabầyđàn, PSOliên tụckhámphá các không
gian tìmkiếm mới dựa trênvị trí cập nhật và vậntốc củacác cáthểtrong bầy, tạođiều kiện hội tụ hướng tới giải pháp tối ưu [31, 32]. Trong thuật tốnPSO,cóhai tùy chọn để tùy chỉnh tiêu chí hội tụ: một là thay đổingưỡnghội tụ vàhai là thay đổi sốlần lặp
</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38"><i>Báo cáo đề tài khoa học<sub>ỈUH</sub></i>
tối đa của cáclần lặp.
Trongnghiên cứu này, phương pháp PSO được ápdụnggiữa MATLAB kết hợp với ANSYS APDLđểgiải bài toán tối ưu liên quan đến các yêu cầu của phanh lưu biến từ (MRB). Lưuđồ trong Hình2.8 minhhọa ứng dụng của PSO để giải bài tốntối
ưuhóađượcđềxuất cho MRB.Đểgiải quyết vấnđề tối ưu hóa, một số tham số cần
được xác định,baogồm cácbiếnthiết kế đầuvào đượcđề cập trước đó nhưsốlần lặp
tối đa<i>(ĩmax=</i> 100)vàkích thước tổng thể (pop = 70). Hơn nữa,phương pháp PSO dựa
vào ba tham số cơ bản: hệ số tăngtốccủa cá thể (ci),hệ số tăngtốc của quần thể (C2) vàhệ sốqntính (w). Đe đẩynhanh q trình hội tụ,nghiên cứu áp dụng phương
pháp tiếpcận hệ so co that do Clerc và Kennedy đề xuất, xác định hệ số co thắt của bầy
</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39"><i>Báo cáo đề tài khoa họcĨUH</i>
Hình 2.8. Lưu đồtốiưu hóa MRBsử đụng phươngpháp PSO
<b>2.4.3Kết quả tối ưu hóa MRB</b>
Đểngănchặn sự rị xỉ của MRF trongMRB thitác giả sửdụng phốt chặn loại mại Parker-62576. Đốivới cácthiết bị sử dụng MRF thì việc sửdụng kích thướckhehở MRF nhỏthi tạo ra mômenxoắn cảm ứng cao. Tuy nhiên, cũngkèm theo nhược điểm
nhưgiảm hiệu suất MRB do năng lượng tiêu tán tănglên,vấn đề quá nhiệt tiềmẩn. Ngoài ra, kích thướckhe hở MRF nhỏ cóthể dẫn đến chiphí chế tạocao.Đểgiải quyết những nhược điểm này và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thiết kế và chếtạo, kích thước khe hở của MRF (tg) được lấy theo kinh nghiệmlà0,8 mm trong nghiên cứu này. Cuộndây đồng được sử dụng trongnghiêncứunày cókích thước24 gauge, đường
kính 0,511mm vàdòng điện làm việc tối đa 3 A. Để đảm bảoan tồn chohệ thống
trong q trinhtối ưu hóa, dịngđỉện 2,5 A được cung cấpchocuộndây.Hơn nũa, tỷlệ lấp đầy cuộn dây được lấy0,7 cho thiếtkế MRB. Ngoài ra, dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm, giả định tổn thất từ tính là 10%. Giả định này xem xét tổn thất năng
</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40"><i>Báo cáo đề tài khoa họcỈƯH</i>
