Luận văn thiết kế vây cá dạng gymnotiform undulating

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÂY CÁ DẠNG
GYMNOTIFORM UNDULATING
SVTH: Phan Đình Khánh
MSSV: 21301797
GVGD: PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến

TP HỒ CHÍ MINH, 2017


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên em xin cám ơn chân thành đến thầy PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến. Thầy đã cho
em cơ hội tham gia và làm việc chung với các bạn trong lab cũng như việc tự do sử dụng
thiết bị phục vụ cho luận văn và quan trọng hơn hết là những lời khuyên từ thầy là động lực
để em có thể hoàn thành công việc cho đến ngày hôm nay.
Em cũng xin cám ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử đã dạy dỗ em trong suốt
thời gian còn là sinh viên.
Em/mình/anh xin gửi lời cám ơn đến tất cả thành viên bạn bè lớp CK13CD1 và Hitechlab
đã giúp đỡ mình học tập trong thời gian qua để có thể hoàn thiện đề tài này.
TP Hồ Chí Minh, 2017

i


MỤC LỤC

TỔNG QUAN ....................................................................................................... 1
1.Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 1
2.Sơ lược về lĩnh vực nghiên cứu robot cá ....................................................................... 1
2.1.Các loại vây cá ........................................................................................................ 1
2.2.Tổng quan lĩnh vực robot cá ................................................................................... 2
3.Vây cá chuyển động dạng sóng và các công trình liên quan ......................................... 3
3.1.Nghiên cứu và phát triển Robot mô phỏng cá dao ma đen Nam Mỹ[3] .................. 3
3.2.Nghiên cứu phát triển Robot lấy ý tưởng từ cá mực .............................................. 7
4.Xác định đề tài luận văn .............................................................................................. 11
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ................................................................................ 13
1.Lựa chọn cơ chế dao động của tia vây ........................................................................ 13
2.Lựa chọn thiết bị truyền động...................................................................................... 14
3.Lựa chọn thiết bị truyền động...................................................................................... 16
4.Lựa chọn phương án truyền động ................................................................................ 18
4.1.Truyền động bằng cơ cấu bánh răng .................................................................... 18
4.2.Truyền động đai .................................................................................................... 19
4.3.Truyền động 4 khâu bản lề ................................................................................... 20
5.Kết luận........................................................................................................................ 21
THIẾT KẾ ........................................................................................................... 22
1.Phân tích động lực học chất lưu .................................................................................. 22
1.1.Biên dạng màng vây dao động ............................................................................. 22
1.2.Phân tích động lực học chất lưu của màng vây liên tục trong nước .................... 23
1.3.Mô hình hóa màng vây rời rạc.............................................................................. 32
1.4.Phân tích momen trên một tia vây ........................................................................ 40
2.Thiết kế cơ khí ............................................................................................................. 54
2.1.Lựa chọn động cơ ................................................................................................. 54
2.2.Thiết kế cơ cấu bốn khâu bản lề ........................................................................... 55
3.Thiết kế điện ................................................................................................................ 56
3.1.Giao tiếp giữa động cơ và máy tính ..................................................................... 56
ii

3.2.Thiết kế mạch điều khiển trung gian .................................................................... 58
3.3.Thiết kế mạch điều khiển động cơ ....................................................................... 59
3.4.Thiết kế bộ điều khiển .......................................................................................... 61
4.Mô phỏng Ansys fluent ............................................................................................... 64
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN ........................................................... 68
Kết quả thực nghiệm và mô hình hóa .......................................................................... 68
Kết luận........................................................................................................................ 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 72
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 73
Hình ảnh kết quả mô phỏng......................................................................................... 73
Dữ liệu thực nghiệm bộ thông số ................................................................................ 77
Một số hình ảnh thực nghiệm ...................................................................................... 79
Chi tiết gia công ........................................................................................................... 81

iii


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các loại vây của loài cá(đại diện cá phi) ............................................................. 1
Hình 1.2 Sơ đồ biểu thị các kiểu di chuyển và đặc tính của nó ........................................... 2
Hình 1.3 Cá dao ma đen Nam Mỹ ....................................................................................... 3
Hình 1.4 Cấu tạo Ghostbot của đại học Northwestern [2] ................................................... 4
Hình 1.5 Cấu tạo vây Robot NKF 2 bậc tự do..................................................................... 6
Hình 1.6 Cá mực di chuyển bằng cách dùng vây 2 ............................................................. 7
Hình 1.7 Mô hình thiết kế và cơ cấu truyền động của Sepios [6] ......................................... 8
Hình 1.8 Squid Robot phiên bản thứ 5 đại học Osaka,Nhật Bản [6].................................. 10
Hình 2.1 Cấu tạo của màng vây dạng song song(2 bậc tự do) ......................................... 13
Hình 2.2 Mô hình cơ bản của màng vây dao động ............................................................ 14

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của EAP tương tự như tụ điện .......................................... 15
Hình 2.4 Ý tưởng thiết kế màng vây sử dụng EAP............................................................. 15
Hình 2.5 Cơ cấu truyền động cam ..................................................................................... 17
Hình 2.6 Phương pháp sử dụng bánh răng côn................................................................. 18
Hình 2.7 Phương pháp truyền động bánh răng thẳng ....................................................... 19
Hình 2.8 Thiết kế theo phương pháp bộ truyền đai ........................................................... 19
Hình 2.9 Thiết kế theo phương pháp 4 khâu bản lề ........................................................... 20
Hình 3.1 Biên dạng màng vây ứng với các thông số đầu vào thay đổi ............................. 23
Hình 3.2 Xét một phần tử dS trên màng vây ...................................................................... 23
Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tần số(Hz).................................................... 26
Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian(s) .................................................. 27
Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ (𝑟𝑎𝑑).............................................. 27
Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa bước sóng(𝑚) ............................................. 28
Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tần số(Hz).................................................... 30
Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian(s) .................................................. 30
Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ (𝑟𝑎𝑑).............................................. 31
Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa bước sóng .................................................. 31
Hình 3.11 Mô hình rời rạc màng vây ................................................................................ 32
Hình 3.12 biểu diễn tọa độ điểm q trong hệ tọa độ quán tính {𝑃} .................................. 33
Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ số tia vây và lực(𝑁) .......................................... 36
Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thời gian(s) ........................................................ 37
iv


Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thời gian(s) ........................................................ 37
Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ bước sóng 𝜆 ....................................................... 38
Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ bước sóng 𝜆 ....................................................... 39
Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ bước sóng 𝜆 ....................................................... 39
Hình 3.19 Mô hình hai tia vây trong hệ tọa độ {𝑂} và ...................................................... 42
Hình 3.20 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia........................................................ 45

Hình 3.21 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 2 ............................................. 45
Hình 3.22 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 3 ............................................. 46
Hình 3.23 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 1 ............................................. 46
Hình 3.24 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 2 ............................................. 47
Hình 3.25 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 3 ............................................. 47
Hình 3.26 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 1 ............................................. 48
Hình 3.27 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 2 ............................................. 48
Hình 3.28 Kích thước của màng vây gắn trên hai tia 𝜆 = 3 ............................................. 49
Hình 3.29 Momen biến dạng màng vây ............................................................................. 50
Hình 3.30 Đồ thị biểu diễn momen thành phần tương ứng trên xuống a) pha dao động tia
vây thứ 1 và 2 b) lực tạo ra 𝑓 = 2 𝐻𝑧, số bước sóng = 1, 𝜃𝑚𝑎𝑥 = 450 c) Đồ thị biểu
diễn momen lực gây ra bởi tương tác lưu chất d) Momen trong trường e) Tổng các momen
............................................................................................................................................ 52
Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn momen thành phần tương ứng trên xuống a) pha dao động tia
vây thứ 2 và 3 b) lực tạo ra 𝑓 = 2 𝐻𝑧, số bước sóng = 1, 𝜃𝑚𝑎𝑥 = 450 c) Đồ thị biểu
diễn momen lực gây ra bởi tương tác lưu chất d) Momen trong trường e) Tổng các momen
............................................................................................................................................ 53
Hình 3.32 Momen tổng của tia vây thứ 2 .......................................................................... 54
Hình 3.33 Module tia vây chưa lắp đặt cơ cấu phản hồi .................................................. 55
Hình 3.34 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa góc của khâu và góc tia vây ............................. 56
Hình 3.35 Module tia vây đã lắp đặt cơ cấu phản hồi ...................................................... 56
Hình 3.36 Sơ đồ tổng quát truyền nhận 𝑅𝑆232 ................................................................ 57
Hình 3.37 Frame truyền nhận dữ liệu ............................................................................... 58
Hình 3.38 Sơ đồ cụm module truyền nhận......................................................................... 58
Hình 3.39 Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ ................................................................ 59
Hình 3.40 Đặc tính tuyến tính của ..................................................................................... 60
Hình 3.41 Giao diện điều khiển khảo sát bộ thông số tia vây ver1.1 ................................ 61
v

Hình 3.42 Giao diện thực nghiệm số tia vây ver1.0 .......................................................... 61
Hình 3.43 Đồ thị biểu diễn đáp ứng đầu ra dao động có chu kỳ với 𝐾𝑢 = 6.5 ................ 63
Hình 3.44 Đồ thị biểu diễn đáp ứng đầu ra ứng với.......................................................... 64
Hình 3.45 Đồ thị biểu diễn đáp ứng động cơ bám theo sóng ............................................ 64
Hình 3.46 Quy trình thực hiện giải bài toán bằng CFD ................................................... 65
Hình 3.47 Mesh model của màng vây robot cá ................................................................. 65
Hình 3.48 Lưu đồ giải thuật mô phỏng màng vây 2𝐷 ....................................................... 66
Hình 4.1 Kết quả thực nghiệm và mô hình hóa sự thay đổi .............................................. 68
Hình 4.2 Kết quả thực nghiệm và mô hình hóa sự thay đổi .............................................. 68
Hình 4.3 Kết quả thực nghiệm và mô hình hóa sự thay đổi .............................................. 69
Hình 4.4 Kết quả thực nghiệm thay đổi chiều dài ............................................................. 69
Hình 4.5 Đồ thị mô phỏng chuyển động của màng vây ..................................................... 70
Hình 6.1 Đồ thị biểu diễn vẫn tốc dòng chảy tại thời điểm số bước sóng 1, biên độ 300,
tần số 0.5𝐻𝑧. (𝑇𝐻1) ........................................................................................................... 73
Hình 6.2 Đồ thị biểu diễn vận tốc dòng chảy tại thời điểm số bước sóng 1, biên độ 300,
tần số 1.5𝐻𝑧. (𝑇𝐻1) ........................................................................................................... 74
Hình 6.3 Đồ thị biểu diễn vẫn tốc dòng chảy tại thời điểm số bước sóng 1, biên độ 300,
tần số 2𝐻𝑧. (𝑇𝐻1) .............................................................................................................. 75
Hình 6.4 Đồ thị biểu diễn vẫn tốc dòng chảy tại thời điểm số bước sóng 1, biên độ 300,
tần số 1𝐻𝑧. (𝑇𝐻2) .............................................................................................................. 76
Hình 6.5 Đồ thị biểu diễn vẫn tốc dòng chảy tại thời điểm số bước sóng 1, biên độ 300,
tần số 1𝐻𝑧. (𝑇𝐻2) .............................................................................................................. 77
Hình 6.7 Mô hình thực nghiệm bộ thông số màng vây ...................................................... 80
Hình 6.8 Mô hình thực nghiệm số tia vây .......................................................................... 80
Hình 6.9 Một số hình ảnh chi tiết trong thiết kế ................................................................ 82

vi


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đề tài:
Thiết kế vây cá dạng Gymnotiform Undulating
Tóm tắt
Nội dung luận văn tập trung tìm hiểu về các dạng robot cá với nhiều mục đích và ứng
dụng khác nhau, trong đó tập trung vào loài có màng vây dao động dạng sóng, từ đó làm
cơ sở để nghiên cứu, thiết kế mô hình kết hợp với mô phỏng và mô hình hóa với mục tiêu
có được bộ thông số phù hợp nhất với dạng chuyển động đặt ra. Hơn nữa việc nghiên cứu
màng vây là cơ sở và tiền đề cho việc thiết kế robot cá có vây dao động dạng sóng.
Luân văn về cơ bản thiết kế hoàn tất các phần: cơ khí, điện, điều khiển, kết quả thực
nghiệm được kiểm nghiệm bằng mô hình hóa mô phỏng 3 chiều động lực học chất lưu bằng
matlab, từ đó xác định sai số cũng như nhận định ban đầu các yếu tố dẫn đến sai số đó.
Cuối cùng để tăng độ tin cây của dữ liệu trong quá trình tính toán thì data sẽ được so sánh
với kết quả mô phỏng chuyển động 2𝐷 bằng phương pháp 𝐶𝐹𝐷.

vii


PHẦN 1: TỔNG QUAN
TỔNG QUAN
1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu các loại vây mô phỏng sinh học với mục tiêu ngắn hạn có được hiểu biết sâu
về cơ chế hoạt động vây của các loại thủy sinh có vây dao động dạng sóng, mục tiêu dài
hạn đi đến thiết kế chế tạo ứng dụng của dạng robot này với mục đích thiết bị giám sát kiểm
tra các hoạt động dưới nước, quan sát sinh cảnh biển trong ngành công nghiệp giải trí v.v..
Là tiền đề quan trọng trong việc tiến tới nghiên cứu các loại phương tiện di chuyển dưới
nước mà không ảnh hưởng nhiều tới môi trường thủy sinh.
Undulating fin robot là một ngành nghiên cứu trong lĩnh vực robot mô phỏng sinh học
được phát triển mạnh mẽ trong nhưng năm gần đây. Lĩnh vực này hứa hẹn mang tới 1
phương thức di chuyển dưới nước hoàn toàn mới với hiệu suất ảnh hưởng rối loạn môi
trường dưới nước thấp hơn so với việc sử dụng dạng truyền động chân vịt, hầu như không

bị cản trở khi di chuyển trong môi trường nước phức tạp (như rong biển, tảo v.v…).
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nhóm nghiên cứu về lĩnh vực và có được các kết quả
cũng như các mô hình robot cá(Robot knifefish, Sepios robot, NKF II, Squid robot …).
Với giới hạn đề tài luận văn, nghiên cứu đến việc rời rạc hóa mô hình vây cá có sóng
hình sin thành các tia vây rời rạc. Chứng minh, thực nghiệm, mô phỏng và mối quan hệ
giữa lực và các thông số động học dấn đến thay đổi lực. Từ đó bắt đầu đi đến chế tạo một
mô hình thí nghiệm màng vây để kiểm tra các thông số ảnh hưởng đến lực đẩy của robot.
2. Sơ lược về lĩnh vực nghiên cứu robot cá
2.1. Các loại vây cá
Để xét kỹ hơn về cấu tạo của từng loại vây, ta xét các cụm vây của loài cá đại diện
ℎì𝑛ℎ 1.1.
Vây lưng

Vây đuôi

Vây bên

Vây hậu môn

Vây bụng

Hình 1.1 Các loại vây của loài cá(đại diện cá phi)
Có 5 loại vây chính, mỗi loại vây đảm nhận 1 loại nhiệm vụ khác nhau trong quá trình
bơi:
- Vây bên: thường nằm ở phía sau 2 bên mang cá, có chức năng điều chỉnh độ sâu
của cá và giữ cân bằng trong suốt quá trình bơi.

1

PHẦN 1: TỔNG QUAN
- Vây bụng: thường nằm bên dưới phần bụng và phía sau vây ngực (ở một số ít loài
cá, vây bụng nằm phía trước vây ngực), có chức năng giúp cá đi lên hoặc đi
xuống, di chuyển nhanh hoặc dừng lại một cách đột ngột.
- Vây lưng: nằm ở trên lưng cá, một con cá có thể có đến 3 vây lưng, có chức giữ
thăng bằng chống xoay vòng và giúp cá trong việc đột ngột rẽ hướng hoặc dừng
lại.
- Vây hậu môn: nằm ở bề mặt bụng ở phía sau hậu môn, có chức năng ổn định cá
trong quá trình bơi.
- Vây đuôi: nằm ở phía cuối của đuôi và được xem như là “động cơ chính trong quá
trình bơi của cá”.
Một số loài động vật sống dưới nước, chỉ có một loại vây phát triển và đảm nhận tất
cả các chức năng trong quá trình bơi của cá, điển hình như cá mực có 2 vây dọc 2 bên
thân, hoặc cá dao ma đen chỉ có 1 vây dọc phần thân dưới của cơ thể. Ở các loài động
vật này, vây chuyển động theo một cơ chế vô cùng đặc biệt, đa số là chuyển động nhấp
nhô dạng sóng, từ đó tạo ra các lực đẩy có ích cho quá trình bơi và yếu tố quan trọng ở
hình dạng của và dịch nhầy tạo ra[1].
2.2. Tổng quan lĩnh vực robot cá
Hiện nay theo nghiên cứu về loài cá được chia làm 2 loại[2]: body and/or caudal fin
(𝐵𝐶𝐹) movement và median and/or paired fin (𝑀𝑃𝐹) propulsion.Đặc điểm của 𝑀𝑃𝐹 di
chuyển chậm tính cơ động cao và đạt hiệu suất lớn trong quá trình di chuyển[2] được trình
bày cụ thể trong 𝐻ì𝑛ℎ 1.2.
Swimming Propulsors

BCF
propulsion

Oscillations

Transient

movements

ACCELERATING

MPF
propulsion

Undulations

Fin Oscillations

Fin Undulations

Periodic
swimming

CRUISING

MANOEUVRING

Hình 1.2 Sơ đồ biểu thị các kiểu di chuyển và đặc tính của nó
2


PHẦN 1: TỔNG QUAN
3. Vây cá chuyển động dạng sóng và các công trình liên quan
Hiệu quả bơi của cá có thể đạt hiệu quả đến 90% các nhà khoa học đã có các nghiên
cứu có được nhận định ban đầu các động cơ chân vịt khó có thể đạt được thậm chí một nửa
con số này[1] .Hơn thế nữa, động cơ chân vịt gây ồn, nhiễu loạn môi trường và dễ bị vướng
trong môi trường giàu tảo biển và dây điện. Đây là một hướng nghiên cứu mới nhưng phát

triển đầy tiềm năng hứa hẹn về một phương thức di chuyển hiệu quả dưới nước, tiết kiệm
nhiên liệu và bảo vệ môi trường sinh thái.
Các công trình nghiên cứu trên thế giới:
3.1. Nghiên cứu và phát triển Robot mô phỏng cá dao ma đen Nam Mỹ[3]
3.1.1. Sơ lược về cá dao ma đen
Cá dao ma đen sống ở những nơi dòng chảy mạnh, dưới đáy cát sông và những
con lạch từ Venezuela đến Paraguay. Những con cá trưởng thành dài khoảng 10 −
15 𝑐𝑚, chiều dài vây khoảng 2/3 chiều dài thân chạy dọc dưới bụng.
Vây bên

Vây bụng

Hình 1.3 Cá dao ma đen Nam Mỹ
Cá dao bơi thẳng bằng cách chuyển động vây dạng sóng, do đó tạo ra một sóng
dịch chuyển dọc theo vây từ trước ra phía sau, trong khi vẫn giữ cơ thể cứng nhắc.
Để di chuyển ngược lại, cá dao sẽ tạo ra dao động sóng đi ngược về phía trước. Khi
cá muốn bơi lên trên, vây sẽ tạo 2 sóng ngược nhau đi từ hai đầu vây vào bên trong,
khi 2 sóng gặp nhau sẽ tạo ra lực đẩy nâng cá lên. Với hai vây bên có tác dụng để
lái hướng và đảm bảo sự ổn định trong lúc các di chuyển.
Với dải vây như vậy cá có thể đạt được một gia tốc nhanh ở những nơi có vị trí
chật hẹp và đạt được đến các điểm trong phạm vi cảm nhận điện trường của nó.
3.1.2. Ghostbot của các nhà khoa học Đại học Northwestern[4]

3


PHẦN 1: TỔNG QUAN

Hình 1.4 Cấu tạo Ghostbot của đại học Northwestern [2]
(Mô hình được vẽ lại 𝑇𝐿 1: 1 dựa trên thông số của nhóm tác giả)

Lấy cảm hứng từ khả năng di chuyển linh cá dao ma đen, các nhà khoa học nghiên
cứu tại trường Đại học Northwestern đã phát triển một loại robot mô phỏng sinh học
với tên gọi là Ghostbot.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển và chế tạo Ghostbot bằng việc sử dụng mô hình
chất lưu để xác định những thành phần về lực tác dụng lên robot. Các nhà khoa học
đã đơn giản hóa để tính toán lực đẩy tác dụng lên vây bằng phương pháp phần tử
hữu hạn. Bằng việc chia lớp màng vây thành các tam giác mỏng, kết hợp các giả
thuyết đơn giản hóa về mối tương tác chất lưu và biến dạng vây để cung cấp một
mối quan hệ rõ ràng giữa hệ thống động học và kết quả của lực, mà không cần đến
những giải pháp tính toán phức tạp.
Ghostbot được thiết kế 1 vây duy nhất nằm dọc phía dưới phần thân cứng nhắc.
Vây được cấu thành bởi 32 tia vây nhân tạo, mỗi tia vây được điều khiển bởi một
động cơ DC servo riêng biệt. Các tia vây dao động theo biên độ góc và tần số giống
nhau, và có thể điều chỉnh sự sớm trễ pha giữa các tia để có thể tạo làn sóng di
chuyển về phía trước hoặc phía sau. Tuy nhiên vấn đề rẽ trái, rẽ phải vẫn chưa được
đề cập tới.
Bảng 1.1 Thống số của Ghostbot[4]
Thông số
Gía trị
Kích thước thân
40 𝑐𝑚 𝑥 3 𝑐𝑚
Tổng khối lượng
2,3 𝑘𝑔
4


PHẦN 1: TỔNG QUAN
Số lượng vây
1
Kích thước vây

32,6 𝑐𝑚 𝑥 3,37 𝑐𝑚
Vật liệu vây
𝐿𝑦𝑐𝑟𝑎 (2 𝑙ớ𝑝)
Số lượng tia vây:Số lượng động cơ
32: 32
Loại động cơ
𝑀𝑎𝑥𝑜𝑛 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝐴𝐺 (𝑅𝐸 10)
Số bước sóng trong vây
2
Biên độ dao động (θ max)
300
Tần số (f)
3𝐻𝑧
Lực đẩy tạo ra
0,022𝑁
Tốc độ bơi
18 𝑐𝑚/𝑠
[5]
3.1.3. Knife fish robot (NKF) của đại học Nangyang
NKF được phát triển bởi K.Low qua lần lượt qua 3 phiên bản chính (𝑁𝐾𝐹 − 𝐼, 𝐼𝐼
và 𝐼𝐼𝐼). 𝑁𝐾𝐹 − 𝐼 có vây được tạo thành từ 10 tia vây. Riêng 𝑁𝐾𝐹 − 𝐼𝐼 và 𝑁𝐾𝐹 −
𝐼𝐼𝐼 có vây được tạo thành từ 8 tia vây, mỗi tia vây được điều khiển bởi 1 động cơ
𝐷𝐶 servo. Để tạo sự linh hoạt cho tấm màng vây, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thanh
trượt ở giữa màng của 2 tia vây, từ đó tạo nên cơ cấu chuyển động 2 bậc tự do giúp
cho màng có thể chuyển động và co dãn phù hợp để di chuyển. Các tia vây được
truyền động bởi các tay quay, do đó tia vây luôn song song với nhau và chuyển động
tịnh tiến khi hoạt động. Tuy nhiên lớp màng sẽ có một vùng làm việc nhất định. Bên
trong vùng làm việc, nhóm nghiên cứu đã thiết kế mô hình khảo sát lực đẩy tạo ra
phụ thuộc vào tần số, biên độ và độ lệch pha giữa 2 tia vây để tìm ra một mô hình
thiết kế tối ưu.

5


PHẦN 1: TỔNG QUAN

a) Mô hình 3𝐷
Khung robot Động cơ servo

𝜔1

Tay quay

𝜔2



Thanh trượt
Tia vây

b) Cấu tạo một module
c) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.5 Cấu tạo vây Robot NKF 2 bậc tự do
(Mô hình được vẽ lại 𝑇𝐿 1: 1 dựa trên thông số của nhóm tác giả)
Thay vì sử dụng 2 làn sóng ngược chiều nhau để điều chỉnh độ sâu như cá dao,
NKF được thiết kế một hệ thống như là bóng nổi của cá. Với 2 piston vít me để có
thể thay đổi kích thước của bóng nổi kèm theo một cảm biến áp suất, từ đó làm thay
đổi lực đẩy Archimede tác dụng lên thân robot, giúp robot có thể dễ dàng điều chỉnh
độ sâu. 4 cảm biến tiệm cận (2 ở mỗi bên) để điều chỉnh hệ thống vít me tránh vượt
ngoài giới hạn làm việc của nó. Tuy nhiên vấn đề rẽ trái và rẽ phải của NKF vẫn còn

tồn tại.
Bảng 1.2 Thông số NKF-III
Thông số
Gía trị
Kích thước thân
80 cm x 56 cm x 11 cm
Khối lượng thân
6,2 kg
Số lượng vây
1
Kích thước vây
63 cm x 20 cm
Khối lượng vây
3 kg
Vật liệu vây
Acrylic
6


PHẦN 1: TỔNG QUAN
Số lượng tia vây:Số lượng động cơ
Loại động cơ
Số bước sóng trong vây
Biên độ dao động
Tần số (f)
Độ lệch pha giữa 2 tia vây
Tốc độ bơi

8: 8
Futaba S3801

2
5 cm
3 Hz
500
20 cm/s

3.2. Nghiên cứu phát triển Robot lấy ý tưởng từ cá mực
3.2.1. Sơ lược về cá mực
Cá mực là một loài động vật thân mềm, sống ở vùng nhiệt đới và ôn đới. Những
họ cá mực thông thường có chiều dài cơ thể từ 15 − 25 𝑐𝑚. Chúng ăn những động
vật nhuyễn thể, cua, tôm, cá và những loài mực nhỏ khác.

Vây dọc 2 bên thân

Hình 1.6 Cá mực di chuyển bằng cách dùng vây 2
dọc thân dao động sóng
Cá mực có một bộ phận đặc biệt là nang mực được cấu tạo từ aragonit. Bộ phần
này có các lỗ nhỏ giúp cho mực nổi, được điều khiển bằng cách thay đổi tỉ lệ khílỏng trong khoang của nang mực thông qua vòi hút.
Thay vì di chuyển một vây như cá dao ma đen loại cá mực này di chuyển với hai
màng vây ở hai bên lưng dọc theo thân đến hậu môn. Do đó nó có thể di chuyển tới
lui quay phải quay trái giữ thằng bằng. Ngoài ra, cá mực còn bơi theo nguyên lý
phản lực [6].
3.2.2. Sepios kế thừa chuỗi dự án Naro[7]

7


PHẦN 1: TỔNG QUAN

a) Mô hình 3𝐷

Tia vây
Bánh răng
Khớp nối
Động cơ servo

ω

b) Cấu tạo module
c) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.7 Mô hình thiết kế và cơ cấu truyền động của Sepios [6]
(Mô hình được vẽ lại 𝑇𝐿 1: 1 dựa trên thông số của nhóm tác giả)
Nhóm sinh viên ở trường đại học ETH, Zurich đã nghiên cứu và chế tạo thành
công loại robot di chuyển dưới nước mô phỏng cách di chuyển của cá mực. Đây là
robot di chuyển dưới nước bằng vây dao động sóng hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới
với đầy đủ các khả năng như bơi về trước, sau, rẽ trái, rẽ phải, xoay theo trục ngang
và trục dọc, nổi lên hoặc chìm xuống.
Sepios có cấu tạo 4 vây nằm đối xứng với nhau qua trục dọc thân. Mỗi vây có 9
tia vây nhân tạo được điều khiển bởi 9 động cơ servo riêng biệt. Các tia vây có góc
dao động 2700 nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục thân. Để mô phỏng nang
của cá mực, nhóm đã sử dụng xi lanh thủy lực và một máy bơm nhằm bơm đầy hoặc
hút hết nước ra khỏi ống trụ nổi, nhờ đó thay đổi lực đẩy Archimede tác dụng lên
robot giúp robot nổi lên hay chìm xuống mà không cần sự trợ giúp của các vây [7].
8


PHẦN 1: TỔNG QUAN
Để lựa chọn vật liệu, nhóm đã thực hiện các thí nghiệm so sánh, và lựa chọn latex
để làm vật liệu vây. Phần khung thân được chế tạo chủ yếu từ polystyrene và
polycarbonate, mặt ngoài được phủ bởi 1 lớp lưới sợi carbon.

Bảng 1.3 Thông số Sepios [7]
Thông số
Gía trị
Kích thước thân
70 𝑐𝑚 𝑥 41,4 𝑐𝑚
Tổng khối lượng
22,7 𝑘𝑔
Số lượng vây
4
Kích thước vây
50,9 𝑐𝑚 𝑥 19,1 𝑐𝑚
Vật liệu vây
𝐿𝑎𝑡𝑒𝑥
Số lượng tia vây:Số lượng động cơ
9: 9
Loại động cơ
𝐻𝑆 − 5646𝑊𝑃
Số bước sóng trong vây
1
Biên độ dao động (θ max)
300
Tần số (f)
1𝐻𝑧
Tốc độ bơi
50 𝑐𝑚/𝑠
3.2.3. Squid Robot của đại học Osaka, Nhật Bản[6]
Mahbubar Rahman cùng các cộng sự ở đại học Osaka đã nghiên cứu và phát triển
loại robot có cả sự kết hợp giữa vây dao động sóng và vây đuôi với tên gọi Squid
Robot. Mô phỏng chuyển động của cá mực đồng thời linh hoạt kết hợp 2 vây đuôi,
Squid Robot có thể di chuyển, xoay theo 2 trục dọc và trục thẳng đứng, thay đổi độ

sâu một cách uyển chuyển và linh hoạt.

a) Mô hình 3D

9


PHẦN 1: TỔNG QUAN

b) Cấu tạo module
ω

c) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.8 Squid Robot phiên bản thứ 5 đại học Osaka,Nhật Bản [6]
(Mô hình được vẽ lại 𝑇𝐿 1: 1 dựa trên thông số của nhóm tác giả)
Ứng dụng các phương trình chất lưu lý tưởng xung quanh robot. Nhóm đã mô
phỏng thực nghiệm chế tạo các mô hình robot. Đưa ra 5 phiên bản thiết kế của Squid
Robot [7].
Năm 2002: Mô hình đầu tiên về Squid robot được xây dựng với hai vây bên,
phương pháp khảo sát dựa trên đặc tính dòng chảy và động lực học lưu chất lỏng của
vây bên và cơ thể. Mô hình thứ nhất với body cồng kềnh, với một thanh chống lớn ở
thân, được điều khiển truyền động bằng hai động cơ encoders để điều khiển mỗi vây
bên, và được truyền động bằng một hệ thống tay quay con trượt để tạo ra dao động
sóng vây.
Năm 2004: Mô hình thứ hai được xây dựng, cơ bản giữ nguyên cấu trúc vây là hai
vây bên được tạo lực đẩy bằng dao động sóng, tuy nhiên cơ cấu truyền động gồm có
16 động cơ servo điều truyền chuyển động hệ thống vây và được điều khiển bằng máy
tính ngoài robot, nên mặc dù hệ thống thanh lớn trên thân loại bỏ nhưng vẫn còn hệ
thống dây cáp để kết nối với máy tính ở ngoài.
Năm 2006: Mô hình thứ 3 được xây dựng hoàn thiện, so với hai mô hình trước mô

hình này gọn hơn, loại bỏ thanh chống lớn thân và lượng dây cáp. Hệ thống truyền
động 17 servo, điều khiển hai vây bên, vây lưng và vây hậu môn nhờ đó giúp cho
robot có thể di chuyển bất kì hướng nào trong môi trường nước, đồng thời hệ thống
10


PHẦN 1: TỔNG QUAN
điều khiển được thiết kế ngay trên robot làm giảm khối lương dây cáp, chỉ có một dây
nhỏ nhằm mục đích truyền tín hiệu 𝑅𝑆 − 232 với thiết bị khác bên ngoài.
Năm 2009: Mô hình thứ 4 được công bố, với cấu trúc hầu như không đổi so với
mô hình thứ 3, điểm khác biệt là sự chuyển đổi giữa việc giao tiếp với thiết bị khác
bằng mạng LAN thay vì 𝑅𝑆 − 232 và việc xây dựng mô hình dựa trên các quá trình
thực nghiệm kết hợp với phương pháp động lực học lưu chất, chia lưới thân và hai
vây bên để so sánh với thực nghiệm.
Năm 2013: Mô hình thứ 5 công bố với nguyên lý hoạt động khác so với các mô
hình 2, 3, 4 trước. Phiên bản mới nhất của Squid Robot có thiết kế 2 vây dọc thân và
2 vây đuôi. Mỗi vây thân bao gồm 7 tia vây được điều khiển bởi 1 động cơ DC servo.
Vây đuôi được sử dụng để thay đổi góc nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang từ đó
thay đổi độ sâu của robot trong quá trình bơi.
Bảng 1.4 Thông số Squid Robot M-4 [6]
Thông số
Gía trị
Kích thước thân
140 𝑐𝑚 𝑥 71,4𝑐𝑚 𝑥 10 𝑐𝑚
Tổng khối lượng
62,8 𝑘𝑔
Số lượng vây
2
Kích thước vây
87 𝑐𝑚 𝑥 12 𝑐𝑚

Vật liệu vây
𝐿𝑎𝑡𝑒𝑥
Số lượng tia vây:Số lượng động cơ
17: 17
Loại động cơ
𝑆𝑒𝑟𝑣𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑠
Số bước sóng trong vây
1
0
Biên độ dao động (θ max)
30 − 450
Tần số (f)
0,5 − 2𝐻𝑧
Tốc độ bơi
20 𝑐𝑚/𝑠
4. Xác định đề tài luận văn
Từ những đặc điểm nổi bật màng vây dao động dạng sóng, tác giả nhận thấy hướng
nghiên cứu ứng dụng robot phỏng sinh học của các loài thủy sinh rất có tiềm năng. Đồng
thời hiểu được tầm quan trọng của vây, do đó mục tiêu đặt ra của luận văn này được cụ thể
như sau:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết thủy động lực học trong quá trình tương tác lưu chất với
màng vây.
- Tiến hành thực nghiệm kiểm tra so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm, đánh
giá sai số.
Kiểm nghiệm lại dữ liệu bằng cách so sánh dạng đồ thị trong môi trường 2𝐷

11


PHẦN 1: TỔNG QUAN

Bảng 1.5 Thông số đầu vào
Thông số
Gía trị
Đơn vị Ghi chú
Chiều dài màng vây
Đặt bài toán
30
𝑐𝑚
Khoảng cách giữa hai tia vây Chưa xác định
Mô phỏng
𝑐𝑚
Vật liệu màng vây
Chưa xác định
Lựa chọn
Chiều cao mỗi tia vây
Mô phỏng + thực nghiệm
[0: 12]
𝑐𝑚
Số tia vây
Mô phỏng + thực nghiệm
[0: 30]
𝐶á𝑖
Tần số dao động
Mô phỏng + thực nghiệm
[0: 2]
𝐻𝑧
Biên độ dao động
Mô phỏng + thực nghiệm
[0: 40]
Độ

Số bước sóng dao động
Mô phỏng + thực nghiệm
[0: 3]
Lực
Chưa xác định
Mô phỏng + thực nghiệm
𝑁
Trong giới hạn đề tài luận văn cũng như giới hạn về thời gian, nghiên cứu chỉ tập trung
phần lớn vào các phần:
- Mô phỏng tính toán đông lực học chất lưu trong không gian 3 chiều sẽ được thực hiện
bằng matlab.
- Thiết kế mô hình, chế tạo, lắp ráp đi đến thực nghiệm đo đạc thông số
- Tính sai số giữa kết quả thực nghiệm và kết quả đo được bằng matlab, từ đó xác đinh
các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đẫn đến sai số
- Mô phỏng 2𝐷 màng vây chuyển động trong nước bằng phần mềm Ansys Fluent để
kiểm nghiệm lại dạng đồ thị các thông số ảnh hưởng đến lực, cũng như kiểm nghiệm
lại.

12


PHẦN 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
1. Lựa chọn cơ chế dao động của tia vây
Việc lựa chọn cơ chế của màng vây là vấn đề rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến cơ
cấu truyền động cũng như cấu trúc của màng vây. Ảnh hưởng trực tiếp đến phương thức di
chuyển của robot.
Cơ chế dao động kiểu song song (𝟐 bậc tự do):
Hiện nay robot cá có vây dao động dạng song song(2 bậc tự do) rất ít được nghiên cứu,
công trình tiêu biểu là robot NKF được các nhà khoa học tại trường đại học Nanyang nghiên

cứu và chế tạo.

A
B

a) Robot NKF-II
b) Sơ đồ nguyên lý hai tia vây liền kề
Hình 2.1 Cấu tạo của màng vây dạng song song(2 bậc tự do)
Ưu điểm:
- Khi màng vây dao động trong môi trường lưu chất hầu hết các điểm trên màng vây
tác động lên lưu chất là như nhau do đó có thể tạo ra được hiệu suất đáng kể so với
dạng dao động 1 bậc tự do.
- Đễ dàng chế tạo màng vây do cơ chế song song do đó màng vây là hình chữ nhật.
Nhược điểm:
- Do việc di chuyển các tia vây luôn song song nhau dẫn đến cấu trúc cơ khí cồng kềnh
và phức tạp khó trong quá trình chế tạo cũng.
- Khả năng chống nước kém trong môi trường lưu chất.
Cơ chế dao động kiểu lệch góc (𝟏 bậc tự do):

13


PHẦN 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Hình 2.2 Mô hình cơ bản của màng vây dao động
dạng sóng kiểu lệch góc
Ưu điểm:
- Đối với cơ chế này ngoài việc có thể tạo ra được các di chuyển tới và lui tương tự như
đối với dạng song song thì nó còn có thể tạo ra được lực đẩy theo phưởng thẳng đứng,
giúp cho cá có thể thay đổi độ sâu mà không cần đến bong bóng nổi[8].

- Khả năng chống thấm nước dễ dàng hơn so với loại trên.
Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp hơn do đối với dạng song song vì lực sẽ phân bố theo hai phương khi
tương tác với môi trường nước, còn dạng di chuyển này sẽ tác động theo 3 phương
bao gồm cả phương theo trục 𝑧. (Trong đó: 𝑥 phương đi tới của cá, 𝑦 là theo hai bên,
𝑧 là phương lên xuống của cá)
- Vì các tia vây có góc lệch nhau dẫn đến việc chế tạo màng vây trở nên phức tạp hơn.
Từ những phương án trên ta lựa chọn cơ chế dao động màng vây kiểu lệch góc.
2. Lựa chọn thiết bị truyền động
Vì dạng dao động dạng sóng và các tia vây dạng lệch pha do đó các thiết bị truyền động
có thể động cơ, xi lanh khí nén, shape memory alloy, cơ bắp nhân tạo.
Electroactive Polymers(EAP):
Màng vây của loài cá có rất nhiều các cơ và các tia xương, cấu trúc này cho phép các có
thể di chuyển các đoạn nhỏ của vây một cách độc lập tạo được sự linh động của nó.
Đây là phương án phù hợp với các chuyển động tự nhiên, nó là một vật liệu đàn hồi có
thể bị biến dạng khi có một điện áp được đặt lên nó.
Về tính chất vật lý nó được xem như một tụ điện. Mặt trước và mặt sau của màng mỏng
được xem như các cực của tụ điện. Khi có điện cực đặt lên thì nó làm thay đổi cấu trúc bên
trong màng làm gây nên hiện tượng co lại. Khi kết hợp hai EAP ở mặt trên và dưới của
màng vây và nạp điện tuần tự cho màng trên và màng dưới có thể tạo ra được dao động của
tia vây.
14


PHẦN 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Ngắn mạch

Nạp điện
d

Ao

Q =0

do

U

U

+Q

Co
-Q

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của EAP tương tự như tụ điện
EAP trên
Thanh chống

Tấm đỡ giữa

EAP dưới

Hình 2.4 Ý tưởng thiết kế màng vây sử dụng EAP
Ưu điểm:
- Các màng vây dạng sóng của động vật thủy sinh gồm có số lượng tia vây và các cơ
nhiều, việc sử dụng EAP cho phép có thể tạo ra được màng vây có số tia vây lớn tạo
nên được sự linh hoạt cao.
Nhược điểm:
- Gía thành cao, rất khó có thể mua được do phương pháp này mới được nghiên cứu

trên thế giới
- Điện áp cấp vào để có thể tạo được lực vẫy là rất lớn ~5𝑘𝑉 do đó việc sử dụng phương
án này không khả thi.
- Một dạng EAPs có thể được sử dụng điện áp thấp tuy nhiên lực tạo ra rất yếu để có
thể làm cho màng vây dao động trong môi trường lưu chất[7].
Fluid muscles:
Cơ nhận tạo được làm từ ống cao su và được bọc bên ngoài bởi lưới sợi nhân tạo
Aromatic Polyamide. Khi khí bị nén màng cao su bị phồng lên làm cho lưới sợi nhân tạo
cũng tăng đường kính làm cho chiều dài giảm. Dựa trên nguyên lý đó ta có thể tạo ra được
tia vây dao động.
Ưu điểm:
- Có thể tạo ra được lực kéo rất lớn phù hợp với các ứng dụng cơ nhân tạo
- Được điều khiển bằng các van điều khiển đơn giản đáng tin cậy
15


PHẦN 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Nhược điểm:
- Việc sử dụng cơ cấu này rất cồng kềnh và nặng do các van điều khiển chủ yếu là bằng
kim loại, đồng thời cần kết hợp với bình khí dẫn đến cồng kềnh trong thiết kế.
- Việc sự dụng cơ nhân tạo rất tốn kém về kinh phí chi phí bảo trì
Động cơ điện:
Khi chuyển động động cơ cần cấp đủ để màng vây có thể dao động và tạo ra được lực
đẩy. Ta có các loại động cơ:
- DC: Công suất tương đối cao, giá thành thấp, dễ tìm.
- RC Servo: Có khả năng điều khiển vị trí rất đơn giản và có thể mudule hóa từng tia
vây dẽ dàng, tuy nhiên việc muốn điều khiển vị trí có độ chính xác cao yêu cầu về chi
phí lớn vì hầu hết các loại RC loại thường có độ chính xác và đáp ứng tương đối thấp.
- Step: Có khả năng điều khiển torque tuy nhiên công suất tương đối thấp.
- BLDC: có công suất cao tuy nhiên khả năng điều khiển phức tạp và giá thành tương

đối cao.
Đối với động cơ điện ta lựa chọn sử dụng động cơ DC
Ưu điểm:
- Điều khiển linh hoạt có thể tạo ra được torque lớn thông qua hộp giảm tốc
- Gía thành tương đối rẻ so với Fluid Muscles, EAP
Nhược điểm:
- Việc sử dụng động cơ nếu 1 động cơ cho 1 tia vây sẽ gây nên sự cồng kềnh tăng khối
lượng của robot cũng như phương thức điều khiển.
Từ những phân tích ở trên ta lựa chọn phương án thiết bị truyền động là động cơ DC có
hộp giảm tốc.
3. Lựa chọn thiết bị truyền động
Việc lựa chọn số thiết bị truyền động ảnh hưởng trực tiếp đến sự linh hoạt của màng vây.
Ở đây ta sẽ phân tích 2 phương án: một động cơ cho toàn bộ màng vây, một động cơ cho
một tia vây.
1 động cơ cho toàn bộ màng vây:
Để điều khiển được màng vây dao động chỉ sử dụng một động cơ ta có thể sử dụng cơ
cấu cam, các cam sẽ được đặt lệch pha nhau và được truyền động bằng 1 động cơ dẫn đến
màng vây sẽ dao động.

16


PHẦN 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

a)

b)

c)
Hình 2.5 Cơ cấu truyền động cam

Ưu điểm:
- Việc sử dụng 1 động cơ giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn, việc truyền chuyển
động quay theo 1 chiều thành dao động lắc tránh được dòng ngược khi động cơ đảo
chiều để tạo dao động.
- Hệ thống sẽ trở nên ổn định do quá trình dao động màng vây phần lớn do truyền động
cơ khí.
Nhược điểm:
- Thiết kế cơ cấu cam với độ lệch giữa các tia vây trở nên phức tạp.
- Hệ thống cứng nhắc trong việc điều chỉnh các thông số biên độ, độ lệch pha và không
phù hợp với việc thiết kế mô hình thí nghiệm để thực nghiệm các thông số ảnh hưởng
đến màng vây.
𝟏 động cơ cho một tia vây:
Ưu điểm:
- Tính linh hoạt và phù hợp với việc xây dựng mô hình thí nghiệm do ta có thể điều
chỉnh nhiều thông số của màng vây: Biên độ dao động, độ lệch pha giữa hai tia vây,
tần số dao động của màng vây, và các dạng sóng lan truyền của màng.
Nhược điểm:
17