THIẾT KẾ VÂY CÁ DẠNG GIMNOTIFORM UNDULATING LUẬN VĂN CƠ ĐIỆN TỬ, ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.3 MB, 100 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆ N TỬ
THIẾT K Ế VÂY CÁ DẠNG
GIMNOTIFORM UNDULATING
Sinh viên thực hiện:
Phan Đình Khánh
Giảng viên hướ ng
ng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến
MSSV: 21301797
TPHCM, ngày 22 tháng 12 năm 2017
ƠN
LỜ I CẢM
CẢM ƠN
Tp.HCM, ngày 22 tháng 12 năm 2017
Mục lục
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................
..................................................................................................................... 2
TỔ NG QUAN ..........................................
...........................................................................................
.....................................................
.... 10
1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................
............................................................................................ 10
2. Sơ lượ c về lĩnh vực nghiên cứu robot cá .............................................................
............................................................. 10
2.1. Các loại vây cá ..................................................................
..............................................................................................
............................ 10
2.2. Tổng quan lĩnh vực robot cá .........................................................................
......................................................................... 11
3. Vây cá chuyển động dạng sóng và các công trình liên quan ...........
...............................
.................... 12
3.1. Nghiên cứu và phát triển Robot mô phỏng cá dao ma đen Nam Mỹ [3] ......... 12
3.2. Nghiên cứu phát triển Robot lấy ý tưở ng
ng từ cá mực ..................................... 16
4. Xác định đề tài luận văn .......................................................................................
...................................................................................... 21
LỰ A CHỌN PHƯƠNG ÁN .........................................................................
......................................................................... 22
1. Lựa chọn cơ chế dao động của tia vây .................................................................
................................................................. 22
2. Lựa chọn thiết bị truyền động .............................................................................. 24
3. Lựa chọn thiết bị truyền động .............................................................................. 27
Lựa chọn phương án truyền động ........................................................................
........................................................................ 28
4.1. Truyền động bằng cơ cấu bánh răng ............................................................. 28
4.2. Truyền động đai ............................................................................................
............................................................................................ 30
4.3. Truyền động 4 khâu bản lề ............................................................................
........................................................................... 31
5. K ết luận ....................................................................................................
................................................................................................................
............ 31
THIẾT K Ế ...................................................................................................
....................................................................................................... 32
1. Phân tích động lực học chất lưu .......................................................
..........................................................................
.................... 32
1.1. Biên dạng màng vây dao động ...................................................................... 32
1.2. Phân tích động lực học chất lưu của màng vây liên tục khi dao độ ng trong
4.
nướ c 33
1.3. Mô hình hóa màng vây r ờ
ờ i r ạc ......................................................................
...................................................................... 54
1.4. Phân tích momen trên một tia vây.................................................................
................................................................. 63
2. Thiết k ế cơ khí ...................................................................................................
....................................................................................................... 79
2.1. Lựa chọn động cơ ..........................................................................................
......................................................................................... 79
2.2. Thiết k ế cơ cấu bốn khâu bản lề ....................................................................
................................................................... 80
3.
Thiết k ế điện....................................................
n.......................................................................................................
....................................................... 85
3.1. Giao tiế p giữa động cơ và máy tính ..............................................................
.............................................................. 85
3.2. Thiết k ế mạch điều khiển trung gian .................................................
.............................................................
............ 87
3.3. Thiết k ế mạch điều khiển động cơ ................................................................
................................................................ 88
3.4. Thiết k ế bộ điều khiển ...................................................................................
................................................................................... 93
4. Mô phỏng Ansys fluent ........................................................................................
........................................................................................ 97
97
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ K ẾT LUẬ N .....................................................
..................................................... 99
K ết quả thực nghiệm và mô hình hóa ..................................................................
.................................................................. 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................
........................................................................... 108
Phụ lục.........................................................................................................
......................................................................................................... 108
..........................................................
............ 10
H ình 1
1.1
.1 Các loại vây của loài cá(đại diện cá phi) ..............................................
........................................
.................................... 12
H ình 1
1.2
.2 Sơ đồ biể u thị các kiể u di chuyển và đặc tính của nó ....
....................................................................................
.................................... 13
H ình 1
1.3
.3 Cá dao ma đen Nam Mỹ ................................................
H ình 1
1.4
.4 C ấấ u t ạo Ghostbot của đại học Northwestern [2] ................................................ 14
H ình 1
1.5
.5 C ấấ u t ạo vây Robot NKF bậc t ự
ự do..............................................
..................................................................
.................... 16
ng cách dùng vây .......................................................... 17
H ình 1
1.6
.6 Cá mự c di chuyể n bằ ng
H ình 1
1.7
.7 Mô hình thiế t k ế
ế và cơ cấ u truyền động của Sepios [6] ...................................... 18
................................ 20
H ình 1
1.8
.8 Squid Robot phiên bản thứ đại học Osaka,Nhật Bản [6] .................................
ự do) ........................................ 2233
H ình 2
2.1
.1 C ấấ u t ạo của màng vây d ạng song song( bậc t ự
Mô hình cơ bản của màng vây dao động ...........................................................
........................................................... 24
H ình 2
2.2
.2 Mô
H ình 2
2.3
.3 Nguyên lý hoạt động của EAP tương tự như tụ điện ......................................... 25
ng thiế t k ế
ế màng
màng vây sử d
d ụng EAP ................................................
............................................................
............ 25
H ình 2
2.4
.4 Ý tưở ng
2
2
5 2
................................................................................................. 26
H ình 2
2.5
.5 Cơ bắ p nhân t ạo.................................................................................................
....................................................................................
.................................... 27
H ình 2
2.6
.6 Cơ cấ u truyền động cam ................................................
d ụng
ụng bánh răng côn ................................................................
............................................................... 29
H ình 2
2.7
.7 Phương pháp sử d
ng ......................................................
...................................................... 30
H ình 2
2.8
.8 Phương pháp truyền động bánh răng thẳ ng
ế theo phương pháp bộ truyền đai .......................................................... 30
H ình 2
2.9
.9 Thiế t k ế
ế theo phương pháp 4 khâu bản l ềề ........................................................
....................................................... 31
H ình 2.1
2.10
0 Thiế t k ế
ng vớ i các thông số đầu vào thay đổ i ............................ 33
H ình 3
3.1
.1 Biên d ạng màng vây ứ ng
ử dS trên màng vâ
vâyy .................................................
.....................................................................
.................... 34
H ình 3
3.2
.2 Xét một phần t ử
H ình 3
3.3
.3 Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz)
(Hz) và l ự
ự c(N)
c (N) .......................................... 37
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz)
(Hz) và l ự
ự c(N)
c (N) ........................................... 38
H ình 3
3.4
.4 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz)
(Hz) và l ự
ự c(N)
c (N) ........................................... 38
H ình 3
3.5
.5 Đồ
(Hz) và l ự
c (N) ........................................... 39
H ình 3
3.6
.6 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz)
ự c(N)
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz)
(Hz) và l ự
ự c(N)
c (N) ........................................... 39
H ình 3
3.7
.7 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz)
(Hz) và l ự
ự c(N)
c (N) ........................................... 40
H ình 3
3.8
.8 Đồ
H ình 3
3.9
.9 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ t ần số (Hz)
(Hz) và l ự
ự c(N)
c (N) ........................................... 40
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) và l ự
ự c(N)
c (N) ....................................... 41
H ình 3
3.10
.10 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) và l ựự c(N)
c (N) ....................................... 42
H ình 3
3.11
.11 Đồ
c (N) ....................................... 42
H ình 3
3.12
.12 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) và l ựự c(N)
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) và l ựự c(N)
c (N) ....................................... 43
H ình 3
3.13
.13 Đồ
H ình 3
3.14
.14 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ biên độ(Rad) và l ựự c(N)
c (N) .................................... 44
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ biên độ (Rad)và l ựự c(N)
c (N) .................................... 44
H ình 3
3.15
.15 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số bướ c sóng và l ựự c(N)
c (N) .................................... 45
H ình 3
3.16
.16 Đồ
H ình 3
3.17
.17 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số bướ c sóng và l ựự c(N)
c (N) .................................... 45
c (N) .................................... 46
H ình 3
3.18
.18 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số bướ c sóng và l ựự c(N)
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số t
t ần số và
v à Momen(Nm) ................................. 48
H ình 3
3.19
.19 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số t
t ần số và
v à Momen(Nm) ................................. 48
H ình 3
3.20
.20 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số t
t ần số và
v à Momen(Nm) ................................. 49
H ình 3
3.21
.21 Đồ
v à Momen
Momen(Nm)
(Nm) ................................. 49
H ình 3
3.22
.22 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số t t ần số và
v à Momen(Nm) ................................. 50
H ình 3
3.23
.23 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số t t ần số và
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số th
thờ i gian và Momen(Nm) ............................. 50
H ình 3
3.24
.24 Đồ
thờ i gian và Momen(Nm) ............................. 51
H ình 3
3.25
.25 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số th
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số biên độ và Momen(Nm) ............................... 52
H ình 3
3.26
.26 Đồ
H ình 3
3.27
.27 Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số biên độ và Momen(Nm) ............................... 52
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số bướ c sóng và Momen(Nm) .......................... 53
H ình 3
3.28
.28 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số bướ c sóng và Momen(Nm) .......................... 54
H ình 3
3.29
.29 Đồ
ờ i r ạc màng vây ............................................................................... 55
H ình 3
3.30
.30 Mô hình r ờ
ọa độ màng quán tính
và g ố
và
ố c t ọa
ọa độ g ắắ n vớ i màng vây
............ 56
H ình 3
3.31
.31 Gố c t ọa
H ình 3
3.32
.32 Biể u diễ n t ọa
ọa độ điể n q trong hệ t ọa
ọa độ quán tính .......................................... 57
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ số tia
tia vây và Lực theo phương x(N) ................. 60
H ình 3
3.33
.33 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) và Lự c(N)
c(N) ......................................
...................................... 60
H ình 3
3.34
.34 Đồ
c(N) ......................................
...................................... 61
H ình 3
3.35
.35 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ thờ i gian(s) và Lự c(N)
H ình 3
3.36
.36 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ bướ c sóng và Lự c(N)
c(N) .....................................
..................................... 62
}
}
c(N) .....................................
..................................... 62
H ình 3
3.37
.37 Đồ
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ bướ c sóng và Lự c(N)
Đồ thị biể u diễ n mố i quan hệ bướ c sóng và Lự c(N)
c(N) .....................................
..................................... 63
H ình 3
3.38
.38 Đồ
H ình 3
3.39
.39 Mô hình hai tia vây trong h ệ t ọa
ọa độ và
và hệ t ọa
ọa độ quán tính
.............. 66
..............
Kích thướ c của màng vây g ắắ n trên hai tia (S ốố bướ c sóng
)
)................... 69
H ình 3
3.40
.40 Kích
}
}
2
)................... 70
H ình 3
3.41
.41 Kích thướ c của màng vây g ắ n trên hai tia (S ố bướ c sóng
H ình 3
3.42
.42 Kích
Kích thướ c của màng vây g ắ
ắ n trên hai tia (S ốố bướ c sóng
)
)................... 71
Kích thướ c của màng vây g ắắ n trên hai tia (S ốố bướ c sóng
)
)................... 71
H ình 3
3.43
.43 Kích
Kích thướ c của màng vây g ắắ n trên hai tia (S ốố bướ c sóng
)
)................... 72
H ình 3
3.44
.44 Kích
)
)................... 73
H ình 3
3.45
.45 Kích
Kích thướ c của màng vây g ắắ n trên hai tia (S ốố bướ c sóng
Kích thướ c của màng vây g ắắ n trên hai tia (S ốố bướ c sóng
)
)................... 74
H ình 3
3.46
.46 Kích
Momen biế n d ạng màng vây ................................................
............................................................................
............................ 74
H ình 3
3.47
.47 Momen
Đồ thị biể u diễ n momen thành phần a) pha dao độ ng tia vây thứ và 2 b) l ựự c
H ình 3
3.48
.48 Đồ
t ạo ra
, số bướ c sóng
,
,,
c) Đồ thị biể u diễ n momen l ự
ự c gây ra
bởi tương tác lưu chất d) Momen trong trườ
ng e) T ổ
n
tr ườ ng
ổ ng
g các momen ................................ 77
213
23
3
2
2
1 450
1 450
1
2
H ình 3
3.49
.49 Đồ thị biể u diễ n momen thành phần a) pha dao độ ng tia vây thứ và 3 b) l ự c
t ạo ra
, số bướ c sóng
,
,,
c) Đồ thị biể u diễ n momen l ự
ự c gây ra
bởi tương tác lưu chất d) Momen trong trườ
ng e) T ổ
n
tr ườ ng
ổ ng
g các momen ................................ 78
n
g của tia vây thứ 2 .............................................
.........................................................................
............................ 79
H ình 3
3.50
.50 Momen t ổổ ng
H ình 3
3.51
.51 Động
Động cơ GA12 ............................................
.............................................................................................
.....................................................
.... 80
...........................................................................................
.....................................................
.... 80
H ình 3
3.52
.52 IC driver tb6552 ..........................................
.................................................
.... 81
H ình 3
3.53
.53 Module tia vây chưa lắp đặt cơ cấ u phản hồi .............................................
H ình 3
3.54
.54 Đồ
Đồ thị biể u diễ n quan hệ giữ a góc của khâu và góc tia vây ............................ 82
Đồ thị biể u diễ n tâm quay t ứ
ứ c thờ i chuyển động ............................................. 82
H ình 3
3.55
.55 Đồ
Module tia vây đã lắp đặt cơ cấ u phản hồi .........................................
.....................................................
............ 83
H ình 3
3.56
.56 Module
Momen M= 1.5Nm t ại khớ
p D .............................................
.........................................................................
............................ 83
H ình 3
3.57
.57 Momen
hình ảnh chi tiế t trong thiế t k ế
ế ............................................................. 85
H ình 3.5
3.58
8 M ột số hình
n
................................................................
............................................
.................... 86
H ình 3
3.59
.59 Sơ đồ t ổổ ng
g quát truyề n nhận
........................................................................ 86
H ình 3
3.60
.60 Sơ đồ cụm module truyề n nhận ........................................................................
liệu ..............................................................................
.............................................................................. 86
H ình 3
3.61
.61 Frame truyề n nhận d ữ
ữ li
H ình 3
3.62
.62 Nguyên lý l ắắ p ráp mạch điện RS-232 .............................................................. 87
...................................................
.... 88
H ình 3
3.63
.63 Sơ đồ nguyên lý mạch điề u khiể n trung gian ...............................................
............................................................... 89
H ình 3
3.64
.64 Sơ đồ khố i mạch điề u khiển động cơ ...............................................................
.....................................................................................
.....................................................................
.................... 90
H ình 3
3.65
.65 Khố i xử lý ....................................
232
.................................................................................. 91
H ình 3
3.66
.66 Khối điề u khiển động cơ ..................................................................................
C ảm biế n
.............................................................................................
............................................................................................ 91
H ình 3
3.67
.67 C
Đặc tính tuyế n tính của cảm biế n
(www.alps.com)................. 92
H ình 3
3.68
.68 Đặ
50
501015
H ình 3
3.69
.69 Giao diện điề u khiể n khảo sát bộ thông số tia vây ver1.1 ............................... 93
tia vây ver1.0 .....................................
.........................................................
.................... 93
H ình 3.7
3.70
0 Giao diện thự c nghiệm số tia
Đồ thị biể u diễn đáp ứng đầu ra dao độ ng có chu k
............... 95
H ình 3
3.71
.71 Đồ
ỳ vớ i
Đồ thị biể u diễn đáp ứng đầu ra ứ ng
ng vớ i
.. 96
H ình 3
3.72
.72 Đồ
Đồ thị biể u diễn đáp ứng động cơ bám theo sóng sin biên độ , , t ần số
H ình 3
3.73
.73 Đồ
6.
5
3.9,100,3000.0 12
..............................................................................................
...........................................
................................................................................................
............................................. 96
ng CFD................................................... 97
H ình 3
3.74
.74 Quy trình th ự c hiện giải bài toán bằ ng
mặt cắ t 10cm ...................................
...............................................................
............................ 98
H ình 3
3.75
.75 Biên d ạng màng vây ở m
H ình 3
3.76
.76 Mesh model của màng vây robot cá dao động d ạng sóng ............................... 98
ế t quả thự c nghiệm và mô hình hóa sự thay đổ i t ần số ................................... 99
H ình 4
4.1
.1 K ế
ế t quả thự c nghiệm và mô hình hóa sự thay đổ i t ần số ................................. 100
H ình 4
4.2
.2 K ế
ế t quả thự c nghiệm và mô hình hóa sự thay đổ i t ần số ................................. 100
H ình 4
4.3
.3 K ế
ế t quả thự c nghiệm thay đổ i chiề u dài .......................................................... 101
H ình 4
4.4
.4 K ế
Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c dòng chả y t ại thời điể m số bướ c sóng , , biên độ , ,
H ình 4
4.5
.5 Đồ
t ần số
.(TH1)..........................................................................................................
.......................................................................................................... 103
Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c dòng chả y t ại thời điể m số bướ c sóng , , biên độ , ,
H ình 4
4.6
.6 Đồ
t ần số
.(TH1)..........................................................................................................
.......................................................................................................... 104
Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c dòng chả y t ại thời điể m số bướ c sóng , , biên độ , ,
H ình 4
4.7
.7 Đồ
0.5
1.5
1 300
1 300
1 300
t ần số
2
1
1 300
1 300
.(TH1).............................................................................................................
............................................................................................................. 105
H ình 4
4.8
.8 Đồ
Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c dòng chả y t ại thời điể m số bướ c sóng , , biên độ , ,
t ần số
.(TH2).............................................................................................................
............................................................................................................. 106
H ình 4
4.9
.9 Đồ
Đồ thị biể u diễ n vẫ n t ốố c dòng chả y t ại thời điể m số bướ c sóng , biên độ ,
t ần số
.(TH2).............................................................................................................
............................................................................................................. 107
TỐT NGHIỆ
LUẬN VĂN TỐT
LUẬN
NGHIỆP
Đề tài:
Đề
tài:
Thiết k ế vây cá dạng Gymnotiform Undulating
Tóm tắ
tắ t
Nội dung luận v ăn tậ p trung tìm hiểu về các dạng robot cá vớ i 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 ssở để nghiên cứu, thiết k ế mô hình k ết hợ p vớ i mô phỏng và mô hình hóa vớ i mục tiêu
có đượ c bộ thông số phù hợ p nhất vớ i dạng chuyển động đặt ra. Hơn nữa việc nghiên cứu
màng vây là cơ sở và
và tiền đề cho việc thiết k ế robot cá có vây dao động dạng sóng.
Luân văn về cơ bản thiết k ế hoàn tất các phần: cơ khí, điện, điều khiển, k ết quả thực
nghiệm đượ c kiểm nghiệm bằng mô hình hóa mô ph ỏng 3 chiều động lực học chất lưu
bằng matlab, từ đó xác định sai số cũng như nhận định ban đầ u 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 đượ c so
sánh vớ i k ết quả mô phỏng chuyển động 2D của màng vây.
Thông qua luận văn tác giả đã và đang hoàn thiện cách để cấu trúc vấn đề, xác định vấn
đề, giải quyết vấn đề. Từ việc xây dựng hệ thống thông qua mô hình hóa, thực nghiệm và
kiểm nghiệm thông qua mô phỏng đã giúp cho tác giả có thể hiểu thêm phần nào về cơ học
chất lưu, cách để có thể chia lưới động học, l ậ p trình Udf trong Ansys fluent, lậ p trình vi
điều khiển, tự vận hành máy công cụ: tiện, phay, hàn, CNC,phần mềm gia công Mastercam.
Sử dụng các phần mềm: Altium, Autocad, Solidworks, Matlab.
TỔNG QUAN
1. Mục tiêu nghiên cứ
cứ u
Nghiên cứu các loại vây mô phỏng sinh học v ớ i m ục tiêu ngắn h ạn có đượ c hi ểu bi ết
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 k ế chế tạo ứng dụng của dạng robot này vớ i mục đích thiết bị giám sát
kiểm tra các hoạt động dưới nướ c,
c, quan sát sinh c ảnh biển trong ngành công nghi ệ p gi ải
trí v.v.. .Là tiền đề quan tr ọng trong việc tiến tớ i nghiên cứu các loại phương tiện di chuyển
dưới nướ c mà không ảnh hưở ng
ng nhiều tới môi trườ ng
ng thủy sinh.
Undulating fin robot là một ngành nghiên cứu trong lĩnh vực robot mô phỏng sinh học
đượ c phát triển mạnh mẽ trong nhưng năm gần đây. Lĩnh vực này hứa hẹn mang tớ i
phương thức di chuyển dưới nướ c hoàn toàn mớ i vớ i hiệu suất ảnh hưở ng
ng r ối loạn môi
trường dưới nướ c thấp hơn so vớ i việc sử dụng dạng truyền động chân vịt, hầu như không
bị cản tr ở
ở khi
khi di chuyển trong môi trường nướ c phức tạp (như rong biển, tảo v.v…).
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nhóm nghiên cứu về lĩnh vực và có đượ c các k ết quả
1
cũng như các mô hình robot cá(Robot knifefish, Sepios robot, NKF II, Squid robot …).
Vớ i gi ớ i h ạn đề tài luận văn, nghiên cứu đến vi ệc r ờờ i r ạc hóa mô hình vây cá có sóng
hình sin thành các tia vây r ờ
ời r ạc. Chứng minh, thực nghiệm, mô phỏng và mối quan hệ
giữa lực và các thông s ố động học dấn đến thay đổi lực. Từ đó bắt đầu đi đế n chế tạo một
mô hình thí nghiệm màng vây để kiểm tra các thông s ố ảnh hưởng đến lực đẩy của robot.
2. Sơ lượ c về
về lĩnh vự c nghiên cứ
cứ u robot cá
2.1. Các loạ
loại vây cá
Vây cá bao gồm các gai xương hoặc tia nhô ra khỏi cơ thể đượ c bao bọc bở i da hoặc
1 lớ p màng m ỏng, thườ ng
ng thấy ở hhầu hết các loài cá có xương sống. Để xét k ỹ hơn về
cấu tạo của từng loại vây, ta xét các cụm vây của loài cá đại diện(cá phi hình 1).
Vây lưng
Vây bên
Vây đuôi
Vây hậu môn
Vây bụng
H ình 1
1.1
.1 Các loại vây của loài cá(đại diện cá phi)
Có loại vây chính, mỗi loại vây đảm nhận loại nhiệm vụ khác nhau trong quá
trình bơi:
Vây bên: thườ ng
ng n ằm ở phía
phía sau bên mang cá, có chức năng điều ch ỉnh độ sâu
5
1
của cá và giữ cân bằng trong suốt quá tr ình
ình bơi.
2
Vây bụng: thườ ng
ng nằm bên dướ i phần bụng và phía sau vây ng ực (ở m
một s ố ít loài
cá, vây bụng nằm phía trướ c vây ngực), có chức năng giúp cá đi lên hoặc đi xuống,
di chuyển nhanh hoặc dừng lại một cách đột ngột.
trên lưng cá, một con cá có th ể có đến vây lưng, có chức gi ữ
Vây lưng: nằm ở trên
ng hoặc dừng lại.
thăng bằng chống xoay vòng và giúp cá trong vi ệc đột ngột r ẽ hướ ng
phía sau hậu môn, có chức năng ổn định cá
Vây hậu môn: nằm ở bề mặt bụng ở phía
trong quá trình bơ ii..
phía cuối của đuôi và đượ c xem như là “động cơ chính trong quá
Vây đuôi: nằm ở phía
trình bơi của cá”.
Tuy nhiên, một số loài cá không nhất thiết ph
p hải có tất cả các loại vây k ể trên. Đặc
biệt ở một số loài động vật sống dưới nướ c,
c, chỉ có một loại vây phát triển và đảm nhận
tất cả các chức n ăng trong quá trình bơi c ủa cá, điển hình như cá mực có vây dọc
bên thân, hoặc cá dao ma đen chỉ có vây dọc ph ần thân dưới của c ơ thể. Ở các loài
động vật này, vây chuyển động theo một cơ ch
chế vô cùng đặc biệt, đa số là chuyển động
nhấ p nhô dạng sóng, từ đó tạo ra các l ực đẩy có ích cho quá trình bơ i và yếu tố quan
trọng ở hình dạng của và dịch nhầy
nhầ y tạo ra[1].
2.2. Tổng quan lĩnh vự c 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.
3
1
2 2
Swimming Propulsors
BCF
propulsion
propulsi
on
Oscill
llaati
tio
ons
MPF
propulsion
propulsi
on
Undulati
tio
ons
Transient
movements
Fin Oscil
illa
lattion
ions
Fin Undulati
tio
ons
Periodic
swimming
ACCELERATING
CRUISING
MANOEUVRING
H ình 1
1.2
.2 Sơ đồ biể u thị các kiể u di chuyển và đặc tính của nó
nó
90%
3. Vây cá chuyển
chuyển động
động dạ
dạng sóng và các công trình liên quan
Hiệu quả bơi
bơi của cá có thể đạt hiệu quả đến
các nhà khoa học đã có các nghiên
cứu có được nhận định ban đầu các động cơ chân
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. Điều này đã thúc đẩ y các nhà khoa học và k ỹ
sư trên thế giới nghiên cứu không ngừng về phươ
phươ ng
ng pháp bơi của cá và thiết kế xây dựng
robot mô phỏng lại phươ ng
ng thức này. Đây là một hướng nghiên cứu mới nhưng phát triển
đầy tiềm năng hứa hẹn về một phương
phương thức di chuyển hiệu quả dưới nướ c,
c, tiết kiệm nhiên
liệu và bảo vệ môi trườ ng
ng sinh thái. Tuy nhiên nó đòi hỏi nhiều kiến thức rộng về các
l ĩ
ĩ nh
nh vực khác nhau bao gồm vật lý, sinh học, k ỹ thuật cơ khí, k ỹ thuật vật liệu và khoa
học máy
Các
côngtính.
trình nghiên cứu trên thế giới:
giới:
3.1. Nghiên cứ
cứ u và phát triể
triển Robot mô phỏng
phỏng cá dao ma đen Nam Mỹ [3]
3.1.1. Sơ lượ c về
về cá dao ma đen
đen
Cá dao ma đen sống ở nh
nh ững nơi dòng chảy m ạnh, dưới đáy cát sông và nhữ ng
con lạch t ừ Venezuela đến Paraguay. Những con cá trưở ng
ng thành dài khoảng
, chiều dài vây khoảng
chiều dài thân chạy dọc dưới bụng.
15
2/3
1010
Vây bên
Vây bụng
H ình 1
1.3
.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
p hía sau, trong khi vẫn giữ cơ thể cứ
cứng
ng 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 sóng ngược nhau đi từ hai đầu vây vào bên trong,
khi 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
2
2
chật hẹp và đạt được đến các điểm trong phạm vi cảm nhận điện trường của nó.
Đại họ
3.1.2. Ghostbot củ
của các nhà khoa học
học Đại
học Northwestern[4]
Lấy cảm hứng từ khả năng
n ăng di chuyển linh hoạt trong các khu vực dòng chảy mạnh
của 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.
H ình 1
1.4
.4 C ấấ u t ạo Ghostbot của đại học Northwestern [2]
1:1: 1
(Mô hình đượ c vẽ lại
dựa trên thông số của nhóm tác giả)
Kế thừa thành quả khảo sát vây cá dạng sóng để tạo nên lực đẩy trước đó, 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
phứ c tạp .
Ghostbot được thiết kế vây duy nhất nằm dọc phía dưới phần thân cứng nhắc.
Vây được cấu thành bởi 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.
Dưới đây là bảng tóm tắt thiết kế cũng như kết quả thực nghiệm:
132
Kích thướ c thân
Tổng khối lượ nngg
Số lượ ng
ng vây
Kích thướ c vây
Vật liệu vây
Số lượ ng
ng tia vây:Số lượng động cơ
Loại động cơ
bướ c sóng trong vây
Số bướ
Biên độ dao động (θmax)
Tần số (f)
Lực đẩy tạo ra
Tốc độ bơi
bơi
4032,6 2,313,337
32:322ớ
2 10
303
180,0/22
[4]
ng số c
của Ghostbot [4]
B ảng 1.1 Thố ng
3.1.3. Knife fish robot (NKF) của
của đại
đại họ
học Nangyang[5]
K.Low cùng các cộng sự tại trường đại học Nangyang đã nghiên cứu và phát triển
loại robot mô phỏng chuyển động của cá dao, được phát triển qua nhiều nghiên cứu
và nhiều phiên bản khác nhau. Và nhóm đã có bước tiến lớn trong việc tiếp cận đến
cách di chuyển dưới nước bằng vây dao động sóng.
NKF được phát
phá t triển lần lượt qua phiên bản chính (NKF -I, II và III). NKF-I có
3
10
vây được tạo thành từ 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
bậc tự do giúp cho màng có thể chuyển
tia vây, từ đó tạo nên cơ cấu chuyển động bậc
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 gi ữa tia vây để tìm ra một mô hình thi ết k ế tối ưu.
2
2
2
a) Mô hình
3
Khung robot Động cơ servo
Tay quay
1
2
Thanh trượt
Tia vây
2
b) Cấu tạo một module
c) Sơ đồ nguyên lý
ự do
do
H ì nh 1.5 C ấấ u t ạo vây Robot NKF bậc t ự
1
1:
:
1
2
2
(Mô hình đượ c vẽ lại
dựa trên thông số của nhóm tác giả)
Thay vì sử dụng làn sóng ngược chiều nhau để điều chỉnh độ sâu như cá dao,
NKF được
đượ c thiết kế một hệ thống như là bóng nổi của cá.
c á. Với piston
piston vít
ví t 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
c hỉnh
độ sâu. cảm biến tiệm cận ( ở mỗi bên) để điều chỉnh hệ thống vít me tránh vượ t
ngoài giớ i hạn làm việc của nó. Tuy nhiên v ấn đề r ẽ trái và r ẽ phải của NKF vẫn
còn tồn tại.
4
2
Kích thướ c thân
Khối lượ ng
ng thân
Số lượ ng
ng vây
Kích thướ c vây
Khối lượ ng
ng vây
Vật liệu vây
Số lượ ng
ng tia vây:Số lượng động
cơ
Loại động cơ
Số bướ
bướ c sóng trong vây
Biên độ dao động
80 636,56212011
3
8:8: 8
23801
50 2053/
Tần số (f)
0
Độ lệch pha giữa tia vây
Tốc độ bơi
bơi
B ảng 1.2 Thông số NKF-III
NKF-III
2
3.2. Nghiên cứ
cứ u phát triể
triển Robot lấy
lấy ý tưở ng
ng từ
từ cá
cá mự
mự c
3.2.1. Sơ lượ c về
về cá mự
mự c
600
180
15 25
Cá mực là một loài động vật thân mềm, sống ở vùng
vùng nhiệt đới và ôn đớ i.i. Tuy
sống có thể ở các vùng nướ c sâu (khoảng
chiều sâu) nhưng cá mực c hủ yếu
sống ở vùng nông phía trên (kho ảng
chiều sâu). Những họ cá mực thông
thườ ng
ng có chiều dài cơ thể t ừ
. Chúng ăn những động vật nhuyễn thể,
cua, tôm, cá và những loài mực nhỏ khác.
Vây dọc 2 bên thân
2
ng cách dùng vây
H ình 1
1.6
.6 Cá mự c di chuyể n bằ ng
d ọc
ọc 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 khí lỏng 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 k ế th
thừ
ừ a chuỗ
chuỗi dự
dự án
án Naro[7]
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
c á mực. Đây là
robot di chuyển dưới nước bằng vây dao động sóng hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giớ i
với đầy đủ các khả năng như bơi về trướ c,
c, sau, r ẽ trái, r ẽ phải, xoay theo tr ục ngang
và tr ục dọc, nổi lên hoặc chìm xuống.
a) Mô hình
3
Tia vây
Bánh răng
Khớp nối
Động cơ servo
ω
b) Cấu tạo module
c) Sơ đồ nguyên lý
ế và cơ cấ u truyền động của Sepios [6]
H ì nh 1.7 Mô hình thiế t k ế
1
1:
:
1
4 9
270
9
(Mô hình đượ c vẽ l l ại
dựa trên thông số của nhóm tác giả)
Sepios có cấu tạo vây nằm đối xứng với nhau qua trục dọc thân. Mỗi vây có
tia vây nhân tạo được điều khiển bởi động cơ servo riêng biệt. Các tia vây có góc
dao động
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
má y 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].
Để lựa chọn vật liệu, nhóm đã thực hiện các thí nghiệm so sánh, nhóm đã lự a
chọn latex để làm vật liệu vây. Phần khung thân đượ c chế tạo chủ yếu từ polystyrene
và polycarbonate, mặt ngoài đượ c ph
p hủ bở i l ớp lướ i s ợ i carbon. Các l ỗ hổng của
robot được ngăn nướ c bởi các nút đệm nhựa.
1
Kích thướ c thân
Tổng khối lượ nngg
Số lượ ng
ng vây
Kích thướ c vây
Vật liệu vây
Số lượ ng
ng tia vây:Số lượng động cơ
Loại động cơ
Số bướ
bướ c sóng trong vây
Biên độ dao động (θmax)
Tần số (f)
Tốc độ bơi
bơi
7050,922,7441,19,41
9:9:99
5646
130
1
50 /
2
Sepios [7]
B ảng 1.3 Thông số Sepios
3.2.3. Squid Robot của
của đại
đại họ
học Osaka, Nhậ
Nhật Bả
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 vây đuôi,
2
Squid Robot có thể di chuyển, xoay theo trục dọc và trục thẳng đứng, thay đổi độ
sâu một cách uyển chuyển và linh hoạt.
a) Mô hình 3D
b) Cấu tạo modul
modulee
ω
5
1:1:1
c) Sơ đồ nguyên lý
H ình 1
1.8
.8 Squid Robot phiên bản thứ đại học Osaka,Nhật Bản [6]
(Mô hình đượ c vẽ l l ại
dựa trên thông số của nhóm tác giả)
Ứng dụng các phương trình chất lưu lý tưởng xung quanh robot. Mối liên hệ giữa
dao
động
vâyphỏng
với lực
thuộc
và áp
số, và
nhóm
nghiên
cứusóng
đã mô
trênđộng
máy học
tínhphụ
để tính
toánvào
lựcbiên
đẩy độ
tácgóc
dụng,
átần
p suất
khả
năng di chuyển của robot với các tham số biên độ góc dao động của vây, tần số, độ
lệch pha giữa tia vây. Từ đó đưa ra phiên
phiên bản thiết kế của Squid
Sq uid Robot [7].
Năm
Mô hình đầu tiên về Squid robot đượ c xây dựng vớ i 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 vớ i body cồng k ềnh, vớ i một thanh chống lớ n ở
thân, được điều khiển truyền động bằng hai động cơ encoders để điều khiển mỗi vây
bên, và đượ c truyền động bằng m ột hệ thống tay quay con trượt để t ạo ra dao động
2
2002:
5
sóng vây.
Năm
: Mô hình thứ hai đượ c xây dựng, cơ bản giữ nguyên cấu trúc vây là hai
tạo lực
y bằng
u truyđiề
ngểgnồm
có
vây động
bên đượ
dao động
nhiên
ền uđộkhi
cơ cservo
điềđẩ
u truy
ền chuy
ển độsóng,
ng hệtuy
thống
vâycơvàcấđược
bằng
máy tính ngoài robot, nên mặc dù hệ thống thanh lớ n trên thân loại bỏ nhưng vẫn còn
hệ thống dây cáp để k ết nối vớ i máy tính ở ngoài.
ngoài.
Năm
: Mô hình thứ đượ c xây dựng hoàn thiện, so vớ i hai mô hình trướ c
mô hình này gọn hơn, loại bỏ thanh chống lớn thân và lượ ng
ng dây cáp. Hệ thống truyền
động servo, điều khiển hai vây bên, vây lưng và vây hậ u môn nhờ đó giúp cho
robot có thể di chuyển bất kì hướng nào trong môi trường nước, đồng thờ i hệ thống
điều khiển đượ c thiết k ế ngay trên robot làm gi ảm kh ối lương dây cáp, chỉ có một
dây nhỏ nhằm mục đích truyền tín hiệu
vớ i thiết bị khác bên ngoài.
Năm
: Mô hình thứ đượ c công bố, vớ i cấu trúc hầu như không đổi so vớ i
16 2004
2006
17
3
232
m khác
chuy
việchình
giaodtiựếa ptrên
vớ i các
thiếquá
t bị khác
thứLAN
, điểthay
đổidgiựng
ữa mô
bmô
ằnghình
mạng
vì biệt là sự và
việển
c xây
trình
20093 232
4
thực nghiệm k ết h ợ p v ới phương pháp động l ực h ọc lưu chất, chia lướ i thân và hai
vây bên để so sánh vớ i thực nghiệm.
: Mô hình thứ công bố vớ i nguyên lý hoạt động khác so vớ i các mô
Năm
hình
trướ c.
c. Phiên bản mớ i nhất của Squid Robot có thi ết k ế vây dọc thân và
vây đuôi. Mỗi vây thân bao gồm 7 tia vây được điều khiển bở i động cơ DC servo.
Các tia vây được điều khiển bở i bộ điều khiển động cơ và vi mạch bên trong robot.
Vây đuôi đượ c sử dụng để thay đổi góc nghiêng so v ớ i mặt phẳng nằm ngang từ đó
thay đổi độ sâu của robot trong quá trình bơi.
2 2,32013,4
Kích thướ c thân
Tổng khối lượ nngg
Số lượ ng
ng vây
Kích thướ c vây
5
12
140 62,71,84 1100
2
87 17:1127
1
300,52
45
204 /
Vật liệu vây
Số lượ ng
ng tia vây:Số lượng động
cơ
Loại động cơ
Số bướ
bướ c sóng trong vây
Biên độ dao động (θmax)
Tần số (f)
bơi
Tốc độ bơi
Squid Robot MB ảng 1.4 Thông số Squid
đề tài luận
văn
4. Xác định đề tài
luận văn
[6]
Từ nh
nổi bph
ng loài
dạngthủsóng,
thấy hướ
nngg
đặcdụđiể
ậtỏng
màng
ả nh
ận năng.
nghiên
cứững
u ứng
ngmrobot
sinhvây
họcdao
củađộcác
y sinhtácr ấtgicó
tiềm
Đồng
thờ i hiểu đượ c tầm quan tr ọng của vây, do đó mục tiêu đặt ra của luận văn này đượ c cụ thể
như sau:
Xây dựng cơ sở lý
lý thuyết thủy động l ực h ọc trong quá trình tương tác lưu chất v ớ i
màng vây.
Tiến hành thực nghiệm kiểm tra so sánh k ết 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 trườ ng
ng
Vớ i các thông số đầu vào của hệ thống thí nghiệm:
Thông số
G í a tr ị
ị
Đơn vị
G hi chú
2
Chiều dài màng vây
30
Khoảng cách giữa Chưa xác định
hai tia vây
Vật liệu màng vây Chưa xác định
Chiều cao mỗi tia
vây
Số tia vây
á
Độ
Mô phỏng
Thực nghiệm thay
đổi chiều dài tia vây
Mô phỏng + thực
nghiệm
Tần số dao động
Mô phỏng + thực
nghiệm
Biên độ dao động
Mô phỏng + thực
nghiệm
Mô phỏng + thực
Số bướ c sóng dao
động
nghiệm
Chưa xác định
Thực nghiệm + mô
Lực
phỏng
Trong giớ i hạn đề tài luận văn cũng như giớ i hạn về thờ i gian, tác giả chỉ tậ p trung phần
lớ n vào các phần:
Mô phỏng tính toán đông lực học chất lưu trong không gian chiều sẽ đượ c thực
hiện bằng matlab.
Thiết k ế mô hình, chế tạo, lắp ráp đi đến thực nghiệm đo đạc thông số
Tính sai số gi ữa k ết qu ả thực nghiệm và k ết qu ả đo đượ c bằng matlab, từ đó xác
đinh các yếu tố ảnh hưởng đến k ết quả đẫn đến sai số
Mô phỏng
màng vây chuyển động trong nướ c b ằng phần m ềm Ansys Fluent
để kiểm nghiệm lại dạng đồ thị các thông số ảnh hưởng đến lực, cũng như kiểm
nghiệm lại.
00::1320
0:2
0:40
0:3
3
2
LỰ A CHỌN
CHỌN PHƯƠNG ÁN
ÁN
1. Lự a chọn
chọn cơ chế
chế dao động
động củ
của tia vây
Việc lựa chọn cơ chế của màng vây là vấn đề r ất quan tr ọng, ảnh hưở ng
ng tr ực tiếp đến cơ
cấu truyền động cũng như cấu trúc của màng vây. Ảnh hưở ng
ng tr ực ti ếp đến phương thức
di chuyển của robot.
Cơ chế dao động ki ể
ể u song
ự do
do):
song song (2
( 2 bậc t ự
ất ít đượ c nghiên cứu,
Hiện nay robot cá có vây dao động dạng song song( bậc tự do) r ất
công trình tiêu biểu là robot NKF đượ c các nhà khoa học tại trường đại học Nanyang nghiên
cứu và chế tạo.
2
a) Robot NKF-II
Màng vây
7
8
Tay quay
1
2
3
4
5
6
7
A8 B 9
10
A
Chú thích: AB khoảng
cách giữa hai tia vây
B
2
b) Mô hình màng vây dạng song song
c) Chi tiết hai tia vây liền k ề
ự do)
do)
H ình 2
2.1
.1 C ấấ u t ạo của màng vây d ạng song song( bậc t ự
Ưu điể m:
m:
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 đượ c hiệu suất đáng kể so vớ i dạng dao
động bậc tự do.
Đễ dàng chế tạo màng vây do cơ chế song song do đó màng vây là hình chữ nhật.
Nhược điể m:
m:
1
Do việc di chuyển các tia vây luôn song song nhau d ẫn đến c ấu trúc cơ khí cồng k ềnh
và phức tạ p khó trong quá trình chế tạo cũng.
l ưu chất.
Khả năng chống nước kém trong môi trường lưu
Cơ chế dao động ki ể
ể u lệch góc
ự do
do):
g óc ( bậc t ự
H ình 2
2.2
.2 Mô
Mô hình cơ bản của màng vây dao động
d ạng sóng kiể u l ệch góc
m:
Ưu điể m:
Đối với cơ chế này ngoài việc có thể tạo ra đượ c các di chuyển tới và lui tương tự như
đối vớ i dạng song song thì nó còn có thể tạo ra đượ c lực đẩy theo phưở ng
ng thẳng đứng, giúp
[8]
choKh
cáả có
thểchố
thay
cần so
bong
độ sâu
đếnvớ
năng
nướ cmà
ngđổi
thấm
dễkhông
dàng hơn
i loạibóng
trên.nổi .
Nhược điể m:
m:
Hiệu su ất thấp hơn do đối v ớ i dạng song song vì lực sẽ phân bố theo hai phương khi
tương tác với môi trường nướ c,
c, còn dạng di chuyển này sẽ tác động theo 3 phương bao
gồm cả phương
phương theo trục z. (Trong đó: phương
phương đi tớ i của cá, là theo hai bên, là
phương lên xuống của cá)
Vì các tia vây có góc lệch nhau dẫn đến việc chế tạo màng vây tr ởở nên
nên phức tạp hơn.
Từ những phương án trên ta lự a chọn cơ chế dao động màng vây kiểu lệch góc do tính
tương thích với các động vật thủy sinh có cũng cơ chế dao động vây, tính chống thấm dễ
dàng khi di chuyển trong môi trường nước đồ ng thờ i vi ệc chế t ạo cũng trở nên đơn giản
hơ n so vớ i dạng song song.
2. Lự a chọ
chọn thiế
thiết bị
bị truy
truyền
ền động
động
Vì dạng dao động dạng sóng và các tia vây d ạng lệch pha do đó các thiết bị truyền động
có thể động cơ, xi lanh khí nén, shape memory alloy, cơ bắ p nhân tạo.
E lect
lectrr oact
ctii ve Poly
Polym
mer s(E A P)
P)::
Màng vây của loài cá có r ất 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 lậ p tạo đượ c sự linh động của nó.
Đây là phương án phù hợ p vớ i 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 trướ c 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 hi ện tượ ng
ng co lại. Khi k ết hợ p hai EAP ở mặt trên và dướ i của
màng vây và nạp điện tuần tự cho màng trên và màng dướ i có thể tạo ra được dao động của
tia vây.(Hình , Hình 2)
1
Ngắn mạch
mạch
Nạp điện
d
Ao
Q =0
do
U
U
+Q
Co
-Q
`
Nguyên lý hoạt động của EAP tương tự như tụ điện
H ình 2
2.3
.3 Nguyên
EAP trên
Thanh chống
Tấm đỡ giữa
EAP dưới
ng thiế t k ế
màng vây sử d
d ụng EAP
H ình 2
2.4
.4 Ý tưở ng
ế màng
m:
m:
Ưu
Cácđiể
màng
vây dạng sóng của động vật thủy sinh gồm có số lượ ng
ng tia vây và các cơ
nhiều, việc sử dụng EAP cho phép có thể tạo ra đượ c màng vây có số tia vây lớ n tạo nên
đượ c sự linh hoạt cao.
Nhược điể m:
m:
Gía thành cao, r ất khó có thể mua được do phương pháp này mới đượ c nghiên cứu trên
thế giớ i
Điện áp cấp vào để có thể tạo đượ c lực vẫy là r ất lớ n
do đó việc sử dụng phương
án này không khả thi.
~5
Một dạng EAPs có thể đượ c sử dụng điện áp thấ p tuy nhiên lực tạo ra r ất yếu để có thể
làm cho màng vây dao động trong môi trường lưu chất[7].
F lui
luid
d musc
muscle
les:
s:
H ình 2
2.5
.5 Cơ bắ p nhân t ạo
Cơ nhận tạo đượ c làm từ ống cao su và đượ c bọc bên ngoài bởi lướ i sợ i nhân tạo
Aromatic Polyamide. Khi khí bị nén màng cao su bị phồng lên làm cho lướ i sợ i nhân tạo
cũng tăng đườ ng
ên nguyên lý đó ta có thể tạo ra đượ c
ng kính làm cho chi ều dài giảm. Dựa tr ên
tia vây dao động.
Ưu điể m:
m:
Có thể tạo ra đượ c lực kéo r ất lớ n phù hợ p vớ i các ứng dụng cơ nhân tạo
Được điều khiển bằng các van điều khiển đơn giản đáng tin cậ y
m:
Nhược điể m:
Việc sử dụng cơ cấu này r ất cồng k ềnh và nặng do các van điều khiển chủ yếu là bằng
kim loại, đồng thờ i cần k ết hợ p vớ i bình khí dẫn đến cồng k ềnh trong thiết k ế.
Việc sự dụng cơ nhân tạo r ất tốn kém về kinh phí chi phí bảo trì
Động cơ điện:
Khi chuyển động động cơ cần cấ p đủ để màng vây có thể dao độ ng và tạo ra đượ c lực
đẩy.
DC: có khả năng điều khiển tr ực tiế p dòng, công suất tương đối cao, giá thành thấ p.
ất đơn giản và có thể mudule hóa từng tia vây
RC Servo: Có khả năng điều khiển vị trí r ất
dẽ dàng, tuy nhiên việc muốn điều khiển vị trí có độ chính xác cao yêu cầu về chi phí lớ n
vì hầu hết các loại RC loại thường có độ chính xác và đáp ứng tương đối thấ p.
Step: có khả năng điều khiển torque tuy nhiên công suất tương đối thấ p.
BLDC: có công suất cao tuy nhiên khả năng điều khiển torque phức tạ p và giá thành
tương đối cao.
Đối với động cơ điện ta lựa chọn sử dụng động cơ DC
Ưu điể m:
m:
Điều khiển linh hoạt có thể tạo ra đượ c torque lớ n thông qua hộ p giảm tốc
Gía thành tương đối r ẻ so vớ i Fluid Muscles, EAP
Nhược điể m:
m:
ềnh tăng khối
Việc sử dụng động cơ nếu 1 động cơ cho 1 tia vây sẽ gây nên sự cồng k ềnh
lượ ng
ng của robot cũng như phương thức điề u khiển.
Từ những phân tích ở trên
trên ta lựa chọn phương án thiết bị truyền động là động cơ DC có
hộ p giảm tốc.
3. Lự a chọ
chọn thiế
thiết bị
bị truy
truyền
ền động
động
Việc lựa chọn số thiết bị truyền động ảnh hưở ng
ng tr ực tiếp đến sự linh hoạt của màng
vây. Ở đây ta sẽ phân
phân tích 2 phương án:
1 động cơ cho toàn bộ m
màng
àng vây
vây::
Để điều khiển được màng vây dao độ ng chỉ sử dụng một động cơ ta có thể sử dụng cơ
cấu cam, các cam sẽ được đặt lệch pha nhau và đượ c truyền động bằng 1 động cơ dẫn đến
màng vây sẽ dao động.
a)
b)
c)
H ình 2
2.6
.6 Cơ cấ u truyền động cam
Ưu điể m:
m:
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 đả o chiều để tạo
dao động.
