Thiết kế và chế tạo tay gắp chủ (master gripper ) phản hồi lực hai chiều sử dụng lưu chất điện từ biến

1

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC
1.1 Hệ thống phản hồi lực và ứng dụng
1.1.1 Giới thiệu hệ thống phản hồi lực
Với những bước phát triển nhanh chóng trong công nghiệp, hiện nay người ta
đã sáng tạo nhiều robot điều khiển từ xa. Các robot đóng góp vào sự phát triển công
nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau: tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động,
nâng cao chất lượng sản phẩm, an toàn lao động và giải phóng con người khỏi
những công việc nặng nhọc, độc hại. Robot điều khiển từ xa cổ điển đã thay thế các
hoạt động của con người và đem lại lợi ích cho con người như: khám phá vũ trụ,
khai thác các nguồn lợi từ đại dương,… Robot đã thực sự làm cho cuộc sống của
chúng ta tốt đẹp hơn. Tuy nhiên người điều khiển các robot kiểu cổ điển không thể
cảm nhận được những hành động mà các robot thực hiện thông qua các giác quan
của con người.
Để khắc phục các nhược điểm của robot điều khiển từ xa cổ điển, robot điều
khiển từ xa có phản hồi lực giao tiếp kiểu xúc giác (haptic) đã được nghiên cứu và
ứng dụng. Robot điều khiển từ xa có phản hồi lực giao tiếp kiểu xúc giác là một
dạng đặc trưng của thiết bị robot được dùng để hiển thị thông tin cảm nhận về lực
tiếp xúc từ một môi trường ảo hoặc từ xa đến người sử dụng. Nó giúp ta có thể cảm
nhận như mình đang trực tiếp cầm, nắm hay làm việc gì đó mặc dù chúng ta đang ở
rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera. Khả năng tương tác cơ học với các đối
tượng ảo thông qua việc thành lập các thông tin phản hồi xúc giác cho phép người
vận hành giám sát, thao tác các đối tượng trong môi trường mô phỏng hoặc từ xa
một cách dễ dàng khi so sánh với một màn hình hiển thị hoàn toàn trực quan. Như
vậy, lợi thế nổi bật của hệ thống có phản hồi lực kiểu xúc giác bao gồm tăng độ lặp
lại thao tác của người điều khiển, khả năng hoạt động được mở rộng, an toàn và
kiểm soát được điều kiện môi trường.

2

Cảm biến
vị trí

Người
sử dụng

“Master”

Máy tính

Bộ ĐK
vị trí

“Slave”

Cảm biến
lực, mô-men
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống phản hồi lực
1.1.2 Một số ứng dụng của hệ thống phản hồi lực
Trên thế giới, robot đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các khâu sản xuất
phức tạp nhằm mục đích nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất
lượng sản phẩm, giảm giá thành, tăng tính cạnh tranh của sản phẩm,… Vì vậy,
robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt, thông minh hơn với những
cấu trúc đơn giản và linh hoạt. Các thiết bị và hệ thống phản hồi lực kiểu xúc giác
có rất nhiều ứng dụng hữu ích trong y học, quân sự, giáo dục, giải trí,…
Khi các thiết bị haptic ra đời, người điều khiển có thể cảm nhận lực và sự rung
động thông qua màn hình cảm ứng. Thiết bị haptic có thể đem đến cho con người sử

dụng những cảm giác khi sờ hoặc cầm nắm như cảm giác về lực, về sự rung động,
về sự mềm mại hay khô cứng của vật liệu, về mùi vị và âm thanh,…
Ở môi trường làm việc đặc biệt nguy hiểm, thiết bị haptic có thể được dùng
như một thiết bị “chủ” (master device) để điều khiển từ xa một thiết bị “tớ” (slave
device). Người sử dụng vận hành thiết bị “chủ” trong phòng an toàn và điều khiển
một thiết bị “tớ” ở một khoảng cách rất xa. Chẳng hạn, năm 1950, Mỹ đã sử dụng
thiết bị haptic để lắp ráp bom hạt nhân.


3

Hình 1.2. Sử dụng thiết bị haptic để lắp ráp bom hạt nhân
Thiết bị haptic có thể được dùng để tương tác với máy tính và điều khiển một
đối tượng khác. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất là hệ thống thiết bị phẫu
thuật Da Vinci. Thiết bị haptic sẽ cung cấp vị trí, lực cắt và hướng chuyển động cho
các thiết bị phẫu thuật làm việc. Trong khi đó, bác sĩ phẫu thuật sẽ cảm nhận được
lực cắt mổ trên tay giống như lực cắt mổ thực tế của thiết bị phẫu thuật. Việc tiến
hành phẫu thuật y tế rất quan trọng nên các bác sĩ thường được thực tập trên “môi
trường ảo” trước khi thao tác trên “môi trường thật” là người bệnh. “Môi trường ảo”
có thể được xây dựng dựa trên công nghệ “thực tế ảo” (virtual reality). Ở đó, các
thiết bị phẫu thuật và người bệnh được mô hình hóa như thật. Mô hình “thực tế ảo”
trên máy tính sẽ tương tác với thiết bị haptic để nhận “lệnh” từ bác sĩ phẫu thuật.
Tuy là “môi trường ảo” nhưng bác sĩ phẫu thuật cũng vẫn cảm nhận được lực cắt
mổ y như thật.


4

Hình 1.3. Thiết bị haptic ứng dụng trong phẫu thuật y học
1.2 Các nghiên cứu về hệ thống phản hồi lực

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực và
một số đã được thương mại hóa. Trước đây, hầu hết các cơ cấu phản hồi lực đều sử
dụng các loại động cơ điện và cơ cấu khí nén để phản ánh lực và mô men tại môi
trường làm việc lên người điều khiển. Nhược điểm cơ bản của hệ thống phản hồi
dùng động cơ điện là kết cấu cồng kềnh, thời gian đáp ứng chậm, tính cơ động
không cao. Trong những năm gần đây, với những phát triển mạnh mẽ của việc
nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu thông minh đặc biệt là MRF, đã có một số
nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực dùng MRF.


5

An J. và Kwon D. S. [1] đã thiết kế và chế tạo cơ cấu phản hồi lực 2 bậc tự do
dùng cơ cấu 5 khâu bản lề, động cơ điện và phanh MRF (hình 1.3). Kết quả nghiên
cứu chỉ ra rằng, phanh MRF là một ứng viên tiềm năng trong các ứng dụng phản hồi
lực.

Hình 1.4. Cơ cấu phản hồi lực 2 bậc tự do dùng cơ cấu 5 khâu bản lề, động cơ điện
và phanh MRF
Kim K. H. và các cộng sự [2] đã nghiên cứu và chế tạo bàn tay phản hồi lực 5
bậc tự do dùng 5 phanh MRF tuyến tính (hình 1.4).

Hình 1.5. Bàn tay phản hồi lực 5 bậc tự do dùng 5 phanh MRF tuyến tính


6

Scott Winter và Mourad Bouzit [3] đã nghiên cứu chế tạo găng tay phản hồi
lực dùng 5 cơ cấu phanh MRF tuyến tính (hình 1.5). Kích thước cơ bản của mỗi
phanh MRF là 50 x 12 x 12 (mm), lực lớn nhất có thể tạo ra là 6 (N).

Hình 1.6. Găng tay phản hồi lực dùng 5 cơ cấu phanh MRF tuyến tính
Conrad Bullion và Hakan Gurocak [4] đã nghiên cứu chế tạo găng tay phản
hồi dùng 3 cơ cấu phanh MRF dạng quay để phản hồi lực lên ngón cái, ngón trỏ và
ngón giữa của người điều khiển (hình1.6). Kích thước cơ bản của mỗi phanh MRF
là D = 25 (mm), L = 15 (mm), lực lớn nhất có thể tạo ra là 17 (N) tại đầu các ngón
tay.

Hình 1.7. Găng tay phản hồi dùng 3 cơ cấu phanh MRF dạng quay
W. H. Li và các cộng sự [5] đã nghiên cứu khớp quay 2 bậc tự do phản hồi lực
dùng phanh MRF (hình 1.7). Kích thước cơ bản của mỗi phanh là D = 156 (mm), L
= 21 (mm), mô-men tạo ra có thể thay đổi từ 0,5 (Nm) đến 10 (Nm).


7

Hình 1.8. Khớp quay 2 bậc tự do phản hồi lực dùng 2 phanh MRF quay
Doruk Senkal và Hakan Gurocak [6] đã nghiên cứu chế tạo cơ cấu khớp quay
phản hồi lực đa hướng dùng phanh MRF dạng cầu (hình 1.8). Đường kính quả cầu
phanh là D = 76,2 (mm), mô-men tạo ra có thể lên đến 3,7 (Nm). Tuy nhiên, lọai
này không thể điều khiển mô-men riêng rẽ theo mỗi phương.

Hình 1.9. Cơ cấu khớp quay phản hồi lực đa hướng dùng phanh MRF dạng cầu
Mặc dù trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về các cơ cấu phản
hồi lực dùng MRF. Tuy nhiên, do còn hạn chế về mặt tiếp cận và ứng dụng công
nghệ mới nên những nghiên cứu trong nước chưa được phổ biến, chỉ có một số ít


8

tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này như là một sự khởi đầu cho việc ứng dụng các cơ
cấu phản hồi lực dùng MRF ở Việt Nam và chủ yếu là các công trình nghiên cứu
kết hợp với các chuyên gia nước ngoài như:
Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn Ngọc Điệp, Nguyễn Viễn Quốc, Lăng Văn
Thắng đã có bài viết “Thiết kế tối ưu cơ cấu gá động cơ có lực nhớt lớn dùng lưu
chất điện từ biến”. Trong nghiên cứu này, MRF được ứng dụng trong cơ cấu gá
động cơ. Một nghiên cứu khác cũng do nhóm tác giả trên thực hiện là “Thiết kế tối
ưu phanh lưu chất điện từ biến không dùng ống cách từ” đã tối ưu hóa kích thước
của phanh dùng MRF.
Q. H. Nguyen, S. B. Choi, Y. S. Lee and M. S. Han (2013). ‘Optimal design of
a new 3D haptic gripper for telemanipulation, featuring magnetorheological fluid
brakes’. Smart Mater. Struct., Vol. 22 (1). Trong nghiên cứu này đã đưa ra kết cấu
tối ưu của tay kẹp 3D phản hồi lực sử dụng 2 phanh MRF xoay và 1 phanh MRF
tịnh tiến để phản hồi lực. Giá trị mô-men phanh và lực phanh đạt được lần lượt là
3.9 Nm và 24.41 N.
Nguyen Q. H. and Choi S. B. (2011). ‘Optimal design of a hybrid MR brake for
haptic wrist application’. Proc. SPIE 6928. Trong nghiên cứu này đề xuất và tối ưu
hóa một kết cấu mới của MRB kết hợp (hybrid) giữa kiểu đĩa thông thường và kiểu
hình tang trống ứng dụng để phản hồi lực cho khớp cổ tay trên tay máy haptic.
Nguyen Q. H. and Choi S. B. (2012). ‘Selection of magnetorheological brake
types via optimal design considering maximum torque and constrained volume’.
Smart Mater. Struct., 21 (1). Nghiên cứu này đã khảo sát, so sánh giữa các MRB
dạng đĩa, dạng tang trống, dạng tang trống ngược, loại kết hợp (hybrid) một cuộn
dây, loại kết hợp hai cuộn dây. Từ đó đề xuất kết cấu tối ưu cho MRB với lực phanh
và mô-men phanh lớn nhất.
Nguyen Q. H. and Choi S. B. (2010). ‘Optimal design of an automotive
magnetorheological brake considering geometric dimensions and zero-field friction
heat’. Smart Mater. Struct., 19 (11), 1-11. Nghiên cứu này đề xuất và tối ưu hóa lực
phanh, khối lượng phanh và nhiệt độ sinh ra do ma sát ở trạng thái ngắt điện của

9

một MRB dạng đĩa được sử dụng để thay thế cho một phanh thủy lực thông thường
trên xe chở khách loại vừa.
Phòng Cún Bẩu (2014). Thiết kế tối ưu phanh lưu chất điện từ biến xét đến các
hình dạng khác nhau của vỏ phanh. Luận văn (Thạc sĩ). Trường Đại học Công nghệ
TP. Hồ Chí Minh. Trong nghiên cứu này đề xuất và tính toán mô-men phanh cho
các MRB với hình dạng khác nhau của vỏ phanh. Sau đó tiến hành tối ưu hóa thiết
kế cho các MRB với các loại vỏ phanh khác nhau nhằm tìm ra giá trị kích thước tối
ưu của phanh sao cho phanh có thể tạo ra lực phanh theo yêu cầu trong khi khối
lượng phanh là nhỏ nhất.
1.3 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu
Tính toán, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình một tay gắp phản hồi lực
kiểu xúc giác có 2 bậc tự do, có khả năng tạo lực kẹp lớn nhất 20 N và mô-men
xoắn cực đại là 4 Nm ứng dụng cơ cấu phanh dùng lưu chất điện từ biến.
1.3.2 Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu đặc tính và nguyên lý hoạt động của lưu chất điện từ biến.
- Tìm hiểu các ứng dụng của lưu chất điện từ biến trên một số cơ cấu và thiết
bị phản hồi lực trong thực tế.
- Tính toán, thiết kế, mô hình hóa trên máy tính và chế tạo thử nghiệm mô
hình tay gắp phản hồi lực sử dụng cơ cấu phanh dùng lưu chất điện từ biến.
- Thiết kế và chế tạo mạch điện tử điều khiển tay gắp.
- Thực nghiệm, tính toán và kiểm chứng kết quả.
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu
Tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình tay gắp phản hồi lực dùng lưu chất điện từ
biến nhằm tạo ra một loại thiết bị mới được dùng để cảm nhận về lực tiếp xúc từ
một môi trường ảo hoặc từ xa đến người điều khiển. Khả năng tương tác cơ học với
các đối tượng ảo thông qua việc thành lập các thông tin phản hồi xúc giác cho phép

người điều khiển thao tác các đối tượng trong môi trường mô phỏng hoặc từ xa một
cách dễ dàng khi so sánh với một màn hình hiển thị hoàn toàn trực quan. Hệ số sai


10

lệch lực phản hồi được giảm đến mức thấp nhất dựa vào mối quan hệ giữa độ biến
thiên của từ trường và độ rắn hay lỏng của dòng lưu chất điện từ biến, từ đó tạo ra
một tỉ lệ truyền phù hợp. Để thực hiện đề tài này cần các phương pháp nghiên cứu
như sau:
- Tổng hợp tài liệu và các nghiên cứu đã thực hiện ở trong và ngoài nước.
- Phân tích và tính toán hệ thống dùng phương pháp giải tích và phần tử hữu
hạn.
- Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống.
- Thực nghiệm kiểm chứng kết quả.


11

Chương 2

GIỚI THIỆU LƯU CHẤT ĐIỆN TỪ BIẾN
2.1 Nguyên lý hoạt động của MRF
Lưu chất điện từ biến (MRF) là một dạng của lưu chất thông minh, bao gồm
hydrocarbon tổng hợp hoặc silicon kết hợp với thể huyền phù của các hạt từ tính.
Ngoài ra, các chất hoạt tính bề mặt, hạt nano, hạt nano từ hóa, hoặc những hạt được
phủ từ tính được thêm vào để loại trừ sự kết tủa của các hạt có khối lượng lớn khi
MRF ở trạng thái lỏng. Sự kết tủa này sẽ làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính hoạt động
của MRF.
Ở trạng thái bình thường, các hạt chuyển động tự do và chất lỏng thể hiện

thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác. Tuy nhiên khi có tác
dụng của từ trường ngoài, lưu chất không còn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà
chuyển sang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại
với nhau theo dạng của đường sức từ và có khả năng chống phá vỡ liên kết. Độ bền
vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngoài đưa vào.

Hình 2.1. Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất lưu biến của MRF như mật độ,
kích thước của hạt, sắp xếp hình dạng, đặc tính của dòng chất lỏng mang hạt tải
điện, chất thêm vào, nhiệt độ và từ trường đặt vào,… Sự liên quan của các yếu tố
này rất phức tạp và quan trọng trong việc xây dựng các phương pháp để cải thiện
tính chất của dòng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp. Để hoạt động tốt, MRF


12

phải có độ nhớt và độ kháng từ của các hạt thấp mà không ảnh hưởng đến từ trường
bên ngoài và có thể đạt được ứng suất tối đa khi có đủ từ trường tác động.
Thông thường để làm tăng ứng suất của MRF, người ta thường tăng các thành
phần khối lượng của các hạt MR hoặc tăng cường độ của từ trường bên ngoài. Tuy
nhiên, trong tính toán thiết kế, kích thước và hình dạng của các thiết bị sử dụng
MRF ảnh hưởng đáng kể đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nó.
2.2 Thành phần của MRF
MRF bao gồm chất lưu nhớt, bột sắt từ hoặc các chất có từ tính và các phụ gia
khác không mang từ tính. Trong thực tế, các hạt mang từ tính của MRF là: sắt, hợp
kim sắt, oxit sắt, nitrit sắt, sắt cacbua, sắt cacbonyl, niken và coban. Trong số này,
các hạt thường được sử dụng cho MRF là sắt cacbonyl. Các ứng suất tối đa có thể
gây ra bởi MR chủ yếu được xác định bởi độ kháng từ thấp nhất và mức độ bão hòa
cao nhất của từ tính các hạt phân tán. Do đó, trong thực tế, vật liệu từ (bột sắt
cacbonyl) đựơc sử dụng chính cho hầu hết các MRF. Ngoài ra hợp kim Fe-Co và

hợp kim Fe-Ni cũng có thể được sử dụng. Ngược lại, một số các vật liệu sắt từ như
Mn-Zn ferrite, Ni-Zn ferrite và ferrite gốm có từ tính bão hòa thấp và do đó được áp
dụng trong các ứng dụng có ứng suất thấp. Hạt MR thường có kích thước từ 0.1 đến
10 µm. Trong MRF khối lựơng các hạt từ chỉ chiếm một phần nhỏ khối lượng của
lưu chất và không ảnh hưởng tới lưu chất [15, 16].
Các chất lỏng được sử dụng trong MRF là: dầu silicon, dầu khoáng, dầu
parafin, copolyme silicone, dầu thủy lực, dầu biến áp, dẫn xuất halogen, hóa chất
lỏng hữu cơ, polyoxyalkylenes, silicon flo, glycol, nước và các loại dầu
hydrocarbon tổng hợp [15, 16].
2.3 Từ tính của MRF
Các thuộc tính từ tính tĩnh của MRF rất quan trọng để thiết kế các thiết bị sử
dụng MRF và thường được đặc trưng bởi tính từ trễ BH và MH. Dưới ảnh hưởng
của từ trường, một mô hình chuẩn cho cấu trúc được sử dụng để dự đoán đặc tính
của các hạt trong MRF. Mô hình này dựa trên một mạng lưới hình khối với chuỗi


13

vô số các dãy hạt được sắp xếp theo một đường thằng tương ứng với hướng của từ
trường như biểu diễn trong hình 2.2.
Lực
Các hạt

Dòng từ trường

Hình 2.2. Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu.
Các chuỗi này được xem như là sự biến đổi của khoảng cách giữa 2 hạt gần
nhau trong một chuỗi và tăng cùng một tỷ lệ khi MRF biến đổi. Trong thực tế, kết
cấu này khá đơn giản khi các chuỗi được hình thành tạo nên liên kết nhiều khối cầu
chặc chẽ với nhau và có cấu tạo dưới dạng hình trụ. Dưới ứng suất, các liên kết này

có thể biến đổi và cuối cùng bị phá vỡ. Mặc dù các hạt hình thành nên các kết cấu
phức tạp khác nhau trong các điều kiện khác nhau, kết cấu này vẫn có thể cho thấy
được ứng suất chảy diễn ra như thế nào. Các phương trình chuyển động của mỗi hạt
theo từ trường được xây dựng nhằm đánh giá các đặc tính của MRF. Tại một từ
trường rất thấp, lực từ Fij được tính bởi công thức (2.1) khi điểm lưỡng cực tương
tác từng cặp với nhau, mô-men lưỡng cực từ gây ra bởi các hạt khác và các vách
xung quanh tác động đến các khối cầu cách điện hoặc không từ tính dưới ảnh hưởng
của từ trường [12].

Fij 

 2 rij
r
1
2 ij
 m 5  5(mrij ) 7  2(mrij )m 5 
4 p 0  rij
rij
rij 
3

(2.1)

Trong đó Fij là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μp là độ dẫn từ của hạt, μ0 là
độ dẫn từ chân không của hạt, rij là vị trí từ j đến i và m là mô-men lưỡng cực từ
được gây ra bởi các hạt trong MRF [13]

m  4 f 0  a3 H

(2.2)

Trong đó H là từ trường đều, a là đường kính của các hạt và β được tính bởi:


14



 f  p
 f  2 p

(2.3)

Trong đó μf là độ dẫn từ riêng của dung dịch tải điện.
Ở từ trường cao, độ lớn của mô-men lực từ được xem là điểm lưỡng cực từ
độc lập khi từ tính của hạt đạt độ bão hòa. Trong trường hợp này, mô-men lực từ
được tính bởi [14]:

4
m   a3 s M s
3

(2.4)

Trong đó, μsMs là từ hóa bão hòa của các hạt, khoảng 1,7 x 106 A/m cho sắt
nói chung và 0,48 x 106 A/m cho oxit sắt từ.
2.4 Các mô hình toán học của MRF
Mô hình toán học của MRF đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của các
thiết bị sử dụng MRF. MRF thể hiện tính chất phi tuyến khi bị từ trường tác động.
Từ đó đã có nhiều mô hình phi tuyến được sử dụng để mô tả ứng suất của MRF,

bao gồm các mô hình d o Bingham 17, 18], mô hình biviscous [19 , mô hình d o
Herschel-Bulkley [20, 21] và mô hình d o yring 22 . Trong các mô hình trên thì
hai mô hình được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay đó là mô hình d o Bingham và mô
hình d o Herschel-Bulkley.
2.4.1 Mô hình dẻo Bingham
Mô hình toán học của chất lỏng d o Bingham có thể được biểu thị bằng công
thức sau 17, 18]:

   y ( H )sgn( )  

(2.5)

Trong đó:
τ là ứng suất cắt trong chất lỏng.
τy là ứng suất chảy phụ thuộc vào từ trường tác dụng.
η là độ nhớt sau chảy d o của MRF, độ nhớt này ít phụ thuộc vào từ trường tác
dụng.
sgn là hàm dấu.


15

Đó là một dạng chất lỏng khi tốc độ cắt thấp, ứng suất chảy đạt giá trị cực đại,
ảnh hưởng của độ nhớt đàn hồi chỉ tác động đến dòng lưu chất khi mà ứng suất chảy
lớn hơn giá trị tới hạn τy nào đó. Từ đó, chất lỏng d o Bingham hoạt động như một
chất lỏng Newton khi vượt qua giá trị tới hạn. Mô hình d o Bingham (trên hình 2.3)
thể hiện những tính chất MRF phụ thuộc vào ứng suất cắt và tốc độ cắt.

Chất lưu đọng dày

Ứng suất cắt ()

D o Bingham
Chất lưu trượt mỏng
Chất lỏng Newton
Ứng suất chảy
(y)

Tốc độ cắt ( )
Hình 2.3. Mô hình chất lỏng nhớt dẻo thường dùng để mô tả lưu chất từ biến.
2.4.2 Mô hình dẻo Herschel-Bulkley
Trong thực tế, độ nhớt sau chảy d o của chất lỏng sẽ tăng (shear thickening)
hoặc giảm (shear thinning) theo tốc độ trượt của các lớp lưu chất MRF, đặc biệt là
khi MRF chịu tốc độ cắt cao. Trong trường hợp này, mô hình d o Herschel-Bulkley
cho kết quả tốt hơn. Về cơ bản, mô hình d o Herschel-Bulkley được biểu thị bằng
phương trình 20,21]:

  ( y ( H )sgn( )  K 

1/ m

)sgn( )

(2.6)

Trong đó:
K là thông số đặc.
m là hệ số chất lỏng của MRF, m>1 là chất lỏng trượt mỏng, m<1 là chất lỏng
trượt dày, m=1 Herschel-Bulkley giống như chất lỏng d o Bingham.
Trong rất nhiều nghiên cứu, các thông số như η , K, m được xem như không

phụ thuộc vào từ trường tác dụng. Nhưng thực tế, các thông số này bị ảnh hưởng


16

bởi từ trường. Zubieta [23] đã đề xuất mô hình d o cho MRF căn bản dựa trên mô
hình chất lỏng d o Bingham kết hợp với chất lỏng d o Herschel-Bulkley. Các mô
hình này sau đó được áp dụng trong một số nghiên cứu [10, 11]. Trong các mô hình
trên, các thông số τy, µ, K, m là các đại lượng phụ thuộc vào từ trường tác dụng. Để
xác định các đại lượng này theo từ trường tác dụng, ubieta 23 đã đề xuất tính
toán theo công thức (2. ):

Y  Y  (Y0  Y )(2e BSY  e2 BSY )

(2.7)

Trong đó:
Y là viết tắt của một thông số lưu biến của MRF như ứng suất chảy, độ nhớt,
thông số độ đặc, hệ số chất lỏng. Giá trị của tham số Y có xu hướng thay đổi từ giá
trị ban đầu ứng với từ trường bằng không đến giá trị bão hòa, sy là hệ số mô-men
bão hòa của Y, B là mật độ từ trường được đặt vào.
Các giá trị của Y0, Y0, và ys được xác định từ kết quả thí nghiệm sử dụng
phương pháp xấp xỉ đường cong.
2.5 Ứng dụng của MRF
2.5.1 Phân loại các kiểu ứng dụng của MRF
Hiện nay, MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế
giới. Trong các nghiên cứu, MRF thường được ứng dụng dưới ba dạng chính:
 Chế độ kiểu dòng chảy hay chế độ kiểu van (flow mode hay valve mode,
hình 2.4).
 Chế độ trượt hay chế độ cắt (shear mode, hình 2.5).

 Chế độ nén (squeeze mode, hình 2.6).
Ngoài ra, đã có một số nghiên cứu kết hợp nhiều kiểu hoạt động của MRF.
2.5.1.1

Kiểu dòng chảy (kiểu van)

Hình 2.4a cho thấy sơ đồ hiển thị kiểu van đã được sử dụng trong nhiều thiết
bị MR nơi dòng chảy của lưu chất từ biến giữa hai tấm hoặc trong một ống dẫn
được tạo ra bởi sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống. Từ trường áp dụng vuông
góc với dòng chảy, được dùng cho việc thay đổi các thuộc tính lưu biến của lưu chất


17

từ biến để kiểm soát dòng chảy. Vì vậy, sự gia tăng ứng suất chảy d o hoặc độ nhớt
làm thay đổi profile vận tốc của chất lỏng trong khoảng giữa hai tấm. Profile vận
tốc điển hình cho chất lỏng Bingham của kiểu van được minh họa trong hình 2.4b.
Đường từ thông

y
P2
P1

Sau chảy d o
Trước chảy dẻo



d

Sau chảy d o
Thành ống dẫn
hoặc tấm phẳng

MRF

(a) khái niệm chế độ van

(b) biên dạng mặt cắt của vận tốc

Hình 2.4. Chế độ van trong ứng dụng MRF
Profin tốc độ của MRF giữa hai tấm song song có thể được đại diện bởi các
mối quan hệ sau đây:

n P 1/ n d   11/ n 2 y   11/ n
( ) [(
)
(
) ]
n  1 KL
2
2
n P 1/ n d   11/ n
u2 ( y ) 
( ) (
)
n  1 KL
2
n P 1/ n d   11/ n 2 y   11/ n

u3 ( y ) 
( ) [(
)
(
) ]
n  1 KL
2
2
u1 ( y ) 

(2.8)

Ở đây, n=1/m, u1 và u3 là profin vận tốc của cột lưu lượng dòng vùng giáp với
vách ống hình chữ nhật, và u2 là profin vận tốc qua tâm ứng suất trước chảy d o
hoặc khoảng đầu ống.  là độ dày vùng van và là một thông số quan trọng của dòng
chảy.
2.5.1.2

Kiểu trượt (kiểu cắt)

Kiểu hoạt động thứ hai cho các thiết bị điều khiển chất lỏng là hoạt động theo
kiểu cắt đối với dòng lưu chất từ biến (MRF) nằm giữa hai mặt, qua đó một mặt
trượt hoặc quay so với mặt khác, với từ trường tác dụng thẳng góc với hướng của


18

chuyển động của những mặt cắt này. Hình 2.5 trình bày khái niệm hoạt động của
lưu chất từ biến theo kiểu cắt.
Đường từ thông

MRF

Tấm di động

Tấm cố định

Hình 2.5. Chế độ cắt của MRF
Tính năng đặc biệt của hoạt động theo kiểu cắt là đơn giản, đáp ứng nhanh, sự
chuyển đổi năng lượng giữa điện và cơ học sử dụng từ trường đơn giản giữa đầu
vào và đầu ra, và khả năng điều khiển những tính năng làm cho công nghệ MRF
được ứng dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như bộ giảm xóc, phanh, bộ ly hợp và
các thiết bị đánh bóng.
2.5.1.3

Kiểu nén

Kiểu làm việc thứ ba của lưu chất từ biến là hoạt động theo kiểu nén thể hiện
trong hình 2.6. Kiểu hoạt động này đã không được nghiên cứu rộng rãi. Kiểu hoạt
động này hoạt động khi có một lực tác dụng lên các tấm trong cùng một hướng của
từ trường để tăng hoặc giảm khoảng cách giữa các tấm song song để tạo ra lực nén.
Trong kiểu nén, lưu chất từ biến phải chịu tác động của tải trọng động (luân phiên
giữa kéo và nén) hoặc tĩnh (riêng kéo hoặc nén). Khi từ trường tác động lên các hạt,
chuỗi hạt được hình thành giữa các vách sẽ hóa rắn với những thay đổi nhanh chóng
về độ nhớt. Các chuyển vị tham gia vào chế độ ép tương đối nhỏ (vài mm) nhưng
yêu cầu lực lớn.


19

Đường từ thông
Tấm đế

MRF

Lực tác dụng
Hình 2.6. Chế độ nén của MRF
Ứng suất được tạo ra dưới dạng nén là ứng suất cao nhất trong các kiểu hoạt
động khác và có thể được sử dụng để làm tắt dần rung động với biên độ thấp và lực
tác dụng cao. Trong các ứng dụng để tắt dần rung động của kết cấu hệ thống, sự
rung động không mong muốn trong một dải tần số tương đối cao có thể bị triệt tiêu
bằng cách kích hoạt các gắn kết MR. Một ứng dụng thú vị theo kiểu nén là các thiết
bị kiểm tra mà người dùng có thể kiểm tra được lực cản bằng cách chạm và di
chuyển một dụng cụ.
2.5.2 Một số ứng dụng điển hình của MRF
2.5.2.1

Phanh, ly hợp

Phanh là một bộ phận cốt yếu trong ô tô, nếu hệ thống phanh được sử dụng kịp
thời và hiệu quả thì số vụ tai nạn liên quan đến phanh sẽ được giảm thiểu hoàn toàn.
Khi người lái xe tạo ra một lực phanh lớn hơn lực ma sát của lốp, lúc đó bánh xe sẽ
bị hãm chặt hay bó cứng lại. Do xe đang chuyển động với vận tốc cao nên các bánh
xe sẽ bị trượt trên đường. Điều này làm mất khả năng điều khiển của tài xế, xe có
thể trượt về phía trước một khoảng cách không xác định được hoặc có thể xảy ra
những việc ngoài dự đoán.
Một số ưu điểm của hệ thống phanh lưu chất điện từ biến (MRB) hiện nay so
với phanh truyền thống bao gồm:
- Năng lượng vận hành thấp: chỉ cần cung cấp dòng điện tối đa 3A thì MRB
đã có thể đạt được yêu cầu phanh hoàn toàn.

20

- Thiết kế và kết cấu khá đơn giản.
- Không cần hệ thống thủy lực đồng nghĩa với việc không có ống dẫn thủy
lực nên sẽ không chiếm dụng khoảng không nhiều.
- Không có ma sát giữa các bộ phận kim loại với nhau nên sẽ không có sự
hao mòn do ma sát.
- Dễ dàng điều khiển, đặc biệt chỉ cần phanh thông qua sợi dây điện.
- Thời gian đáp ứng nhanh: 20 ms
Hình 2.7 mô tả cấu tạo cơ bản của một phanh MRF (MRB). Trong đó, đĩa
phanh được gắn cố định trên trục cần phanh và được đặt bên trong vỏ phanh chứa
MRF. Cuộn dây điện từ được đặt bên trong vỏ phanh để tạo ra từ trường tác động.
Khi chưa cấp điện cho cuộn dây (từ trường bằng không), MRF ở thể lỏng, mô-men
do MRF và do lực ma sát tác động lên đĩa phanh rất nhỏ nên trục phanh vẫn quay tự
do. Khi được cấp điện, cuộn dây sẽ tạo ra từ trường làm cho MRF hóa rắn lại tạo
ma sát với đĩa phanh và sinh ra mô-men hãm làm dừng trục phanh. Giá trị mô-men
hãm này có thể thay đổi được tùy theo độ lớn của cường độ dòng điện cấp cho cuộn
dây điện từ.


21

Từ thông

Đĩa phanh
Trục phanh

Vỏ phanh

MRF
Cuộn dây điện từ

Hình 2.7. Cấu tạo cơ bản của MRB
2.5.2.2

Giảm chấn

Giảm chấn (damper) là một bộ phận không thể thiếu trong ô tô cũng như nhiều
máy móc khác. Nó có tính đàn hồi để bảo vệ thiết bị. Hầu hết các loại giảm chấn
thông thường đều có độ cứng không thay đổi. Vì vậy, nếu độ nhấp nhô của mặt
đường trùng với tần số dao động của thiết bị giảm chấn hoặc độ nhấp nhô mặt
đường quá lớn thì hiệu quả của giảm chấn sẽ giảm đi đáng kể thậm chí là vô hiệu.
Việc thiết kế bộ giảm chấn có khả năng điều chỉnh độ cứng trở nên cần thiết vì
nó có thể bù đắp những khuyết điểm của bộ giảm chấn thông thường. MRF đã được
nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chấn. Bộ giảm chấn MRF có khả năng
tùy biến độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhô của mặt đường làm cho
dao động được dập tắt nhanh nhất, hiệu quả nhất mà người ngồi trên xe vẫn cảm
thấy thoải mái.
Hình 2.8 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một bộ giảm chấn dùng MRF. Trục
giảm chấn được nối với một piston có cấu tạo đặc biệt bao gồm piston bên ngoài,


22

piston bên trong (trên có quấn cuộn dây điện từ) và bộ phận dẫn hướng. Piston này
được đặt bên trong một xylanh chứa MRF. Giá trị dòng điện phản hồi từ các cảm
biến đo độ nhấp nhô trên mặt đường được cấp cho cuộn dây điện từ để tạo ra từ
trường có độ lớn khác nhau, tác động lên dòng chảy MRF giữa phần trên và phần
dưới của piston từ đó tạo ra lực giảm chấn cho thiết bị tùy theo tình trạng nhấp nhô

trên mặt đường. Hình 2.9 thể hiện hình ảnh một bộ giảm chấn MRF thực tế.
Trục piston

Piston bên trong
Piston bên ngoài
Vỏ
Cuộn dây
Mạch từ
Dòng chảy MRF
MRF

Dẫn hướng piston
Piston tự do
Buồng khí

Hình 2.8. Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất điện từ biến

Hình 2.9. Một thiết bị giảm chấn dùng MRF


23

2.5.2.3

Khối gá động cơ

Cơ cấu gá động cơ (engine mount) là một bộ phận quan trọng trong xe hơi, tàu
thủy,… nó dùng để gá đặt động cơ trên khung xe và đảm bảo cho động cơ và các bộ
phận truyền động (động cơ – hộp số – trục cát - đăng) trên xe hoạt động ổn định. Cơ
cấu gá động cơ còn được sử dụng để giảm những rung động từ động cơ truyền tới

khung xe nhờ đó mà người ngồi trong xe cảm thấy thoải mái hơn. Nhiều kiểu cơ
cấu gá động cơ đã được nghiên cứu và phát triển, trong đó một số kiểu đã được đưa
vào sản xuất và cung cấp trên thị trường.
Việc phân loại gá động cơ có thể dựa vào tác động của nguồn năng lượng bên
ngoài, về cơ bản, cơ cấu gá động cơ có thể chia làm ba loại: loại thụ động (passive
mount), chủ động (active mount) và bán chủ động (semi-active mount). Loại cơ cấu
gá động cơ thụ động thường hay sử dụng là cơ cấu gá bằng vật liệu cao su (rubber
mount), loại này đã được sử dụng rộng rãi từ thập niên 30 thế kỷ trước, ưu điểm của
loại này là kích thước nhỏ gọn, giá thành r và dễ bảo trì thay thế. Cơ cấu gá động
cơ bằng cao su có hệ số giảm chấn thấp, hoạt động hiệu quả ở tần số hoạt động cao
nhưng không hoạt động tốt trong những tần số cộng hưởng. Để giải quyết những
hạn chế này, môt số cơ cấu gá động cơ bằng thủy lực (hydraulic mount) được phát
triển và ứng dụng trong một số dòng xe. Gá động cơ thủy lực sử dụng quán tính do
dòng chảy của chất lỏng giữa hai khoang đàn hồi (làm bằng cao su). Độ cứng động
lực của cơ cấu gá động cơ bằng thủy lực cao nhưng lại không giảm được những
rung động ngoài dải cộng hưởng như cơ cấu gá bằng cao su, đặc biệt là vùng có tần
số cao.
Để cải thiện hoạt động, cơ cấu gá động cơ dạng chủ động được phát triển và
đã được sử dụng trên thị trường. Dạng cơ cấu này sử dụng một lực tác động từ bên
ngoài và có thể dùng các thuật toán điều khiển để hệ thống gá hoạt động tốt hơn
trong những trường hợp có những dao động bất thường. Hệ thống gá động cơ chủ
động có khả năng hoạt động tốt hơn trong một dải tần số rộng, nhưng nó không
được sử dụng rộng rãi vì cơ cấu phức tạp, cần năng lượng lớn và giá thành cao.
Những hạn chế trên có thể được giải quyết bằng việc ứng dụng cơ cấu gá động cơ


24

bán chủ động. Cơ cấu này thường bao gồm một cơ cấu gá bị động tích hợp với một
hệ thống tự động điều chỉnh lực giảm chấn. Vì vậy, cơ cấu gá bán chủ động có thể

hoạt động như mong muốn mà không cần nguồn năng lượng lớn cũng, kết cấu
không quá phức tạp và giá thành vừa phải. Hình 2.10 là cấu tạo của một khối gá
động cơ dùng MRF.
Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về dạng gá động cơ bán chủ động sử dụng
MRF. Nhờ vào khả năng điều khiển được, MRF có thể hoàn toàn đáp ứng được yêu
cầu trong việc điều chỉnh lực giảm chấn trong cơ cấu gá.
Bộ phận
cao su

Nắp trên
Buồng
trên

Bộ phận chịu lực
Đế trên

Dòng MRF
Chốt
Lõi giữa
Đế lõi

Thân van MRF
Vòng cách điện
Mạch từ

Cuộn dây
Buồng
dưới

Màng mỏng

Trục đỡ

Thân cố định

Hình 2.10. Cấu tạo cơ cấu gá động cơ
2.5.2.4. Valve
Một ứng dụng khác của MRF là van MR. Van MR có tác dụng tương tự các
loại van khác, tuy nhiên về mặt kết cấu thì nó đơn giản và dễ dàng điều khiển hơn.


25

Ban đầu khi chưa có tác dụng của từ trường, dòng lưu chất chảy vào van theo ngõ
vào inlet, đi ngang qua các khe và ra ngoài theo ngõ ra outlet. Khi có từ trường tác
động, dòng lưu chất xung quanh cuộn dây bị từ hóa và trở nên liên kết lại với nhau
chỉ khi áp suất của dòng lưu chất đủ lớn để thắng lực liên kết này thì dòng lưu chất
mới có thể đi qua van được và khi từ trường đủ lớn thì lưu chất xung quanh cuộn
dây sẽ hóa rắn, dòng lưu chất không thể đi qua van.
Phụ thuộc vào độ lớn của từ trường và cách đưa từ trường vào ta có thể điều
chỉnh van theo kiểu ON/OFF hoặc theo áp suất ngõ vào.
Ngõ vào Nòng van

Thân van

MRF

Ngõ ra

Cuộn dây

Nắp

Hình 2.11. Cấu tạo van MRF
2.5.2.5

Hệ thống Haptic

Haptic là một thuật ngữ có nghĩa tương tự như hệ thống phản hồi xúc giác. Nó
giúp ta có thể cảm nhận như mình đang trực tiếp cầm, nắm hay làm việc gì đó mặc
dù chúng ta đang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera.
Ngày nay, Haptic đang được ứng dụng khá rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực y
học. Nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh, MRF đã nhanh chóng được nghiên cứu và
ứng dụng vào trong lĩnh vực này, cụ thể là găng tay MRF. Thực chất của găng tay
MRF là sự kết hợp giữa các MRB lại với nhau, nó làm cản chuyển động của các
ngón tay tương ứng với lực phản hồi thực tế. Từ đó người đeo găng tay có thể cảm
giác được như đang trực tiếp thao tác.