Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực ba bậc tự do dùng cơ cấu joystick và phanh lưu chất mrf

B C NG THƯƠNG
TRƯ NG

I H C CÔNG NGHI P THÀNH PH

H

CH MINH

NGUY N VĂN PHI

THI T K , CH T O À TH C NGHI M
NH GI H TH NG PH N H I L C BA
B CT

DO DÙNG CƠ C U JO STICK À
PHANH LƯU CH T MRF

Chuy n ngành: K THU T CƠ KH
M chuy n ngành: 60520103

LU N ĂN TH C SĨ
TH NH PH H CH MINH, NĂM 2018


C ng tr nh ư c hoàn thành t i Trư ng

i h c C ng nghi p TP. H Chí Minh.

Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. L Thanh Danh
Ngư i ph n bi n 1: TS. Nguy n V Anh Duy

Ngư i ph n bi n 2: TS. Nguy n Phương B c
Lu n v n th c s

ư cb ov t iH i

ng ch m b o v Lu n v n th c s Trư ng

i h c C ng nghi p thành ph H Chí Minh ngày 29 tháng 09 n m 2018
Thành ph n H i

ng ánh giá lu n v n th c s g m:

1. TS. Nguy n Vi n Qu c - Ch t ch H i

ng

2. TS. Nguy n V Anh Duy - Ph n bi n 1
3. TS. Nguy n Phương B c - Ph n bi n 2
4. TS. Nguy n Minh K - y vi n
5. TS. Nguy n Khoa Tri u - Thư k

CH T CH H I

NG

TRƯ NG KHOA CÔNG NGH CƠ KH


B C NG THƯƠNG
C NG H A X H I CH NGHĨA I T NAM

TRƯ NG
I H C CÔNG NGHI P
c l p - T do - H nh phúc
THÀNH PH H CH MINH

NHI M

LU N ĂN TH C SĨ

H t n h c vi n: Nguy n V n Phi

MSHV: 16000951

Ngày, tháng, n m sinh: 25/08/1993

Nơi sinh: Khánh Hòa

Chuy n ngành: K thu t Cơ khí

M chuy n ngành: 60520103

I. TÊN

TÀI

Thi t k , ch t o và th c nghi m ánh giá h th ng ph n h i l c ba b c t do d ng cơ
c u Joystick và phanh lưu ch t MRF.
II. NHI M

À N I DUNG

Thi t k , ch t o và th nghi m cơ c u joystick ph n h i l c ba b c t do, phát tri n
th m t có c u hai b c t do
V i m c ti u

t ra,

có t trư c.

tài s t p trung vào m t s n i dung sau:

- T m hi u v lưu ch t MRF, ng d ng và cơ c u ph n h i l c d ng MRF.
-

xu t c u h nh cơ c u joystick ph n h i l c ba b c t do d ng lưu ch t MRF.

- Thi t k t i ưu cơ c u quay hai chi u và gi m ch n d ng cho cơ c u joystick ph n h i
l c ba b c t do.
- Ch t o và th c nghi m ánh giá

c tính c a cơ c u quay hai chi u và phanh tuy n

tính cơ c u joystick ph n h i l c ba b c t do.
III. NGÀ GIAO NHI M

Theo Quy t

I . NGÀ HOÀN THÀNH NHI M

nh s 04/Q - HCN ngày 03/01/2018

03/07/2018

. NGƯ I HƯ NG D N KHOA H C TS. L Thanh Danh
Tp. H Chí Minh, ngày … tháng … n m 2018
NGƯ I HƯ NG D N

CH NHI M B

MÔN ÀO T O

TS. L Thanh Danh
TRƯ NG KHOA CÔNG NGH CƠ KH


L I C M ƠN
Qu th y c kính m n! Em xin ch n thành cám ơn qu th y c trư ng
nghi p Tp. H Chí Minh
ki n th c qu giá,

t n t nh hư ng d n, truy n

i h c C ng

t và giúp em có ư c nh ng

c bi t giúp em hồn thành khóa h c này.

Em xin ch n thành g i

n th y TS. L Thanh Danh l i cám ơn và tri n s u s c, nh t

là trong th i gian th c hi n lu n v n, th y

hư ng d n và h tr em hoàn thành lu n

v n th c s này.
T i c ng xin g i l i cám ơn
b n

ng nghi p

n các b n h c vi n l p CHCK6A, l p CHCK6B và các

h tr , giúp

t i trong quá tr nh h c t p, nghi n c u, nh t là

h tr t i hồn thành lu n v n này.
Xin kính chúc qu th y c ,

ng nghi p, c ng các b n h c vi n s c kh e, h nh phúc và

thành c ng trong c ng tác và trong cu c s ng.

i


TÓM T T LU N ĂN TH C SĨ
Hi n nay,

d ng l i

có nhi u nghi n c u v h th ng ph n h i l c. Nhưng các nghi n c u ch
l c ph n h i th p ho c ch có 2 b c, n n kh n ng ng d ng r ng r i chưa

cao. Do ó,

c i thi n và kh c ph c các khuy t i m tr n, th cơ c u ph n h i l c 3

b c t do d ng cơ c u joystick và phanh lưu ch t MRF

ư c nghi n c u và th c

nghi m. Cơ c u có hai i m n i tr i chính là: l c ph n h i l n hơn các nghi n c u trư c
và th m 1 b c t do tuy n tính.
B ng vi c s d ng bài tốn t i ưu hóa k t h p v i phương pháp ph n t h u h n th ng
qua ph n m m ANSYS. K t qu là kh i lư ng nh nh t, kích thư c c a phanh. Tác gi
ch t o thành c ng và th c nghi m cơ c u
t ư c theo y u c u như m c ti u trong

xu t. Moment và l c phanh chưa

tài nghi n c u.

ii


ABSTRACT
At present, there are researches about haptic system. But the researches stop at low
feedback force or 2-degree, so applications of them are not much. Therefore, to improve

and overcome the disadvantages, the 3-degree force feedback mechanism using the
joystick and MRF brake has been studied and tested. The structure has two major
advantages: greater feeback force than previous studies and an additional linear degree.
By using the optimi ation problem associated with finite element method on ANSYS
software. Results are the smallest mass and si e of brake. The author successfully
manufactured and experimented with the proposed structure. Torque and brake force
did not meet as required in this research.

iii


L I CAM OAN
T i xin cam oan

y là c ng tr nh nghi n c u c a b n th n t i dư i s hư ng d n c a

th y TS. L Thanh Danh. Các k t qu nghi n c u và các k t lu n trong lu n v n là trung
th c, kh ng sao ch p t b t k m t ngu n nào và dư i b t k h nh th c nào. Vi c tham
kh o các ngu n tài li u
úng quy

ư c th c hi n trích d n và ghi ngu n tài li u tham kh o

nh.
H c

Ngu n

iv

n

n Ph


M CL C
M C L C ...................................................................................................................... v
DANH M C H NH NH ............................................................................................vii
DANH M C B NG BI U ............................................................................................ x
DANH M C T VI T T T ........................................................................................ xi
M
U ........................................................................................................................ 1
1. t v n ............................................................................................................... 1
2. M c ti u nghi n c u................................................................................................ 1
3. i tư ng và ph m quy nghi n c u ........................................................................ 1
4. Cách ti p c n và phương pháp nghi n c u ............................................................. 2
4.1 Phương pháp lu n .............................................................................................. 2
4.2 Phương pháp nghi n c u ................................................................................... 2
5. Ý ngh a th c ti n c a tài..................................................................................... 3
CHƯƠNG 1 T NG QUAN V H TH NG PH N H I L C DÙNG LƯU CH T
MRF V LÝ DO TH C HI N
T I ....................................................................... 4
1.1 Lưu ch t MRF và ng d ng .................................................................................. 4
1.1.1 Gi i thi u MRF ............................................................................................... 4
1.1.2 M t s ng d ng cơ b n c a MRF ................................................................. 4
1.2 Các nghi n c u v h th ng có ph n h i l c d ng lưu ch t MRF ........................ 7
1.3. L do th c hi n tài......................................................................................... 15
CHƯƠNG 2 T NH TO N, THI T K CƠ C U PH N L C .................................. 16
2.1
xu t h th ng ph n h i l c ba b c t do d ng lưu ch t MRF ....................... 16

2.2 Tính tốn, thi t k BMRA................................................................................... 18
2.2.1 C u t o .......................................................................................................... 18
2.2.2 Tính tốn m men ......................................................................................... 19
2.2.3 Thi t k BMRA ............................................................................................ 21
2.2.3.1 L a ch n v t li u .................................................................................... 21
2.2.3.2 Thi t k t i ưu ........................................................................................ 24
2.2.3.3 Thi t k chi ti t ....................................................................................... 27
2.3 Tính tốn, thi t k phanh t nh ti n MR ............................................................... 34
2.3.1 C u t o .......................................................................................................... 34
2.3.2 Nguy n l ho t ng ..................................................................................... 35
2.3.2 Tính tốn l c phanh ...................................................................................... 35
2.3.3 Thi t k phanh t nh ti n MR ......................................................................... 36
2.3.3.1 L a ch n v t li u .................................................................................... 36
2.3.3.2 Thi t k t i ưu ........................................................................................ 36
2.3.3.3 Thi t k chi ti t ....................................................................................... 40
2.4 Thi t k các cơ c u khác ..................................................................................... 44
2.4.1 Gimbal .......................................................................................................... 44
v


2.4.2 H th ng bánh r ng c n ................................................................................ 45
2.4.3 L a ch n ng cơ ......................................................................................... 47
CHƯƠNG 3 CH T O V TH C TH C NGHI M ............................................... 48
3.1 Ch t o h th ng ph n h i l c............................................................................. 48
3.1.1 Ch t o cơ c u BMRA .................................................................................. 48
3.1.2 Ch t o phanh t nh ti n ................................................................................. 50
3.1.3 Ch t o cơ c u Gimbal.................................................................................. 51
3.1.4 L p ráp h th ng ph n h i l c ...................................................................... 53
3.2 Th c nghi m ánh giá cơ c u ph n h i l c ........................................................ 54
3.2.1 Th c nghi m BMRA g n tr n tr c x ............................................................ 54

3.2.2 Th c nghi m BMRA g n tr n tr c y ............................................................ 56
3.2.3 Th c nghi m phanh tuy n tính ..................................................................... 58
CHƯƠNG 4 I U KHI N H TH NG PH N H I L C ....................................... 60
4.1 T ng quan v h th ng i u khi n l c ph n h i ................................................. 60
4.2 H th ng i u khi n h ....................................................................................... 60
4.2.1 Sơ
i u khi n ........................................................................................... 60
4.2.2 Sơ
k t n i ph n c ng h th ng i u khi n h ......................................... 63
4.2.3 K t qu .......................................................................................................... 64
4.3 H th ng i u khi n kín PID............................................................................... 65
4.3.1 Sơ
i u khi n PID .................................................................................... 65
4.3.2 Sơ
k t n i ph n c ng h th ng i u khi n kín PID ................................. 66
4.3.3 K t qu .......................................................................................................... 67
K T LU N V KI N NGH ...................................................................................... 69
1. K t lu n ................................................................................................................. 69
2. Ki n ngh ............................................................................................................... 69
T I LI U THAM KH O ............................................................................................ 70
PH L C ..................................................................................................................... 72
Ph l c 2.1 L p tr nh trong ANSYS c a BMRA ...................................................... 72
Ph l c 2.2 K t qu gi i bài toán t i ưu c a BMRA ................................................ 87
Ph l c 2.3 L p tr nh trong ANSYS c a MRD......................................................... 88
Ph l c 2.4 K t qu gi i bài toán t i ưu c a MRD ................................................... 95
LÝ L CH TR CH NGANG C A H C VIÊN ............................................................ 97

vi

DANH M C HÌNH NH
H nh 0.1 Lưu

nghi n c u ........................................................................................... 2

H nh 1.1 S li n k t gi a các h t thay
H nh 1.2 Phanh MRF d ng

i theo t trư ng.............................................. 4

a th ng d ng .................................................................... 5

H nh 1.3 M h nh gi m ch n MRF ................................................................................ 6
H nh 1.4 C u t o van MRF............................................................................................. 6
H nh 1.5 Kh i gá

ng cơ d ng MRF ............................................................................ 7

H nh 1.6 Cơ c u ph n h i l c n m kh u b n l [6 ........................................................ 8
H nh 1.7 Bàn tay ph n h i l c 5 b c t do d ng phanh MRF th ng [7 ........................ 9
H nh 1.8 G ng tay ph n h i l c n m b c t do [8 ........................................................ 9
H nh 1.9 G ng tay ph n h i l c ba b c t do d ng phanh MRF quay [9 ................... 10
H nh 1.10 Cơ c u joystick hai b c t do d ng phanh MRF [10 ................................. 11
H nh 1.11 Cơ c u ph n h i l c a hư ng d ng phanh MRF d ng c u [11 ................ 12
H nh 1.12 Cơ c u joystick hai chi u ph n h i l c d ng cơ c u quay hai chi u [12 ... 13
H nh 1.13 M h nh h th ng joystick ph n h i l c 2D [13 ........................................ 14
H nh 1.14 L c ph n h i theo chi u x ........................................................................... 14
H nh 1.15 L c ph n h i theo tr c y .............................................................................. 14
H nh 2.1 C u h nh ph n h i l c ư c

xu t .............................................................. 16

H nh 2.2 Cơ c u BMRA [13 ....................................................................................... 18
H nh 2.3 ư ng cong B-H c a MRF 132-DG ............................................................. 23
H nh 2.4 ư ng cong B-H c a th p C45 ..................................................................... 24
H nh 2.5 M ph ng FEM gi i bài toán t trư ng c a cơ c u ...................................... 25
H nh 2.6 K t qu t i ưu c a BMRA ............................................................................. 26
H nh 2.7 ư ng s c t c a BMRA .............................................................................. 27
H nh 2.8 Ph n b m t

t th ng c a BMRA ............................................................ 27

H nh 2.9 C u t o t ng th và b n v l p c a BMRA ................................................... 28
H nh 2.10 C u t o

a phanh ........................................................................................ 29

H nh 2.11 C u t o c a v 1 .......................................................................................... 30
H nh 2.12 C u t o c a v 2 .......................................................................................... 31
H nh 2.13 C u t o c a tr c phanh 1 ............................................................................. 32
vii


H nh 2.14 C u t o c a tr c phanh 2 ............................................................................. 32
H nh 2.15 C u t o c a m t bích ................................................................................... 33
H nh 2.16 Cơ c u t nh ti n............................................................................................ 34
H nh 2.17 M ph ng FEM gi i bài toán t trư ng c a phanh t nh ti n ....................... 37
H nh 2.18 K t qu t i ưu c a phanh t nh ti n............................................................... 38
H nh 2.19 ư ng s c t c a phanh t nh ti n................................................................ 39
H nh 2.20 Ph n b m t

t th ng c a phanh t nh ti n .............................................. 39

H nh 2.21 C u t o t ng th và b n v l p c a phanh t nh ti n ..................................... 40
H nh 2.22 C u t o ph n th n ........................................................................................ 41
H nh 2.23 C u t o ph n v ........................................................................................... 42
H nh 2.24 C u t o m t bích .......................................................................................... 43
H nh 2.25 C u t o tr c.................................................................................................. 44
H nh 2.26 C u trúc cơ b n c a gimbal ......................................................................... 45
H nh 2.27 C u trúc t ng quát c a h th ng bánh r ng c n .......................................... 46
H nh 2.28 M t c t ngang h th ng bánh r ng .............................................................. 46
H nh 3.1 H nh d ng

a th c t .................................................................................... 48

H nh 3.2 T trái sang ph i là h nh th c t c a v 1 ..................................................... 49
H nh 3.3 T trái sang ph i là h nh th c t c a v 2 ..................................................... 49
H nh 3.4 H nh nh th c t c a tr c phanh 1 ................................................................. 50
H nh 3.5 H nh nh th c t c a tr c phanh 2 ................................................................. 50
H nh 3.6 H nh nh th c t c a v phanh t nh ti n ........................................................ 51
H nh 3.7 H nh nh th c t c a th n phanh t nh ti n ..................................................... 51
H nh 3.8 H nh nh th c t c a m t bích phanh t nh ti n .............................................. 51
H nh 3.9 Khung ch C .................................................................................................. 52
H nh 3.10 Khung ch nh t ........................................................................................... 52
H nh 3.11 Ch t xoay g n v i BMRA ........................................................................... 52
H nh 3.12 Ch t xoay g n v i encoder .......................................................................... 53
H nh 3.13 H nh l p ráp toàn b cơ c u ......................................................................... 53
H nh 3.14 Bi u

l c chi u thu n (dương) và chi u ngh ch ( m) .............................. 54

H nh 3.15 Bi u

m men chi u thu n (dương) và chi u ngh ch ( m) tr c x ............ 55

H nh 3.16 Bi u

quan h gi a m men trung b nh và cư ng
viii

dòng i n ............. 55


H nh 3.17 Bi u

m men chi u thu n (dương) và chi u ngh ch ( m) tr c y ............ 56

H nh 3.18 Bi u

m men chi u thu n (dương) và chi u ngh ch ( m) tr c x ............ 57

H nh 3.19 Bi u

quan h gi a m men trung b nh và cư ng

H nh 3.20 Bi u

l c c a phanh tuy n tính v i các dịng i n khác nhau ................. 58

H nh 3.21 Bi u

quan h gi a l c trung b nh và cư ng

dòng i n ............. 57

dòng i n ..................... 58

H nh 4.1 Sơ

i u khi n ............................................................................................ 60

H nh 4.2 Sơ

i u khi n h ....................................................................................... 60

H nh 4.3

th li n h gi a cư ng

dòng i n và m men theo chi u thu n (dương)

và chi u ngh ch ( m) .................................................................................................... 61
H nh 4.4

th li n h gi a cư ng

dòng i n và m men theo chi u thu n (dương)

và chi u ngh ch ( m) .................................................................................................... 62
H nh 4.5

th li n h gi a cư ng

dòng i n và l c ............................................. 62

H nh 4.6 Lưu

k t n i c a i u khi n h .................................................................. 63

H nh 4.7 Sơ

k t n i ph n c ng h th ng i u khi n h .......................................... 63

H nh 4.8 L c ph n h i theo tr c x ................................................................................ 64
H nh 4.9 L c ph n h i theo tr c y ................................................................................ 64
H nh 4.10 L c ph n h i theo tr c .............................................................................. 64
H nh 4.11 Sơ

i u khi n c a h th ng i u khi n kín............................................. 65

H nh 4.12 Sơ

i u khi n c a h th ng i u khi n kín............................................. 66

H nh 4.13 Sơ

k t n i ph n c ng h th ng i u khi n kín ....................................... 66

H nh 4.14 L c ph n h i theo tr c x .............................................................................. 67
H nh 4.15 L c ph n h i theo tr c y .............................................................................. 67

H nh 4.16 L c ph n h i theo tr c .............................................................................. 68

ix


DANH M C B NG BI U
B
B
B
B
B
B

ng 2.1 Danh m c b ph n c a cơ c u ph n h i l c ư c xu t ........................... 17
ng 2.2 Các th ng s thu c tính c a MRF-132DG ................................................... 22
ng 2.3 Các th ng s lưu bi n c a MRF.................................................................... 22
ng 2.4 K t qu t i ưu c a BMRA ............................................................................ 26
ng 2.5 K t qu t i ưu c a phanh t nh ti n ................................................................ 38
ng 2.6 Th ng s b
ng cơ servo ........................................................................... 47

x


DANH M C T
BMRA

I TT T

Bidirectional Magneto Rheological Actuators

Truy n

ng hai chi u lưu ch t t bi n

FEA

Finite Element Analysis

Ph n tích ph n t h u h n

FEM

Finite Element Method

Phương pháp ph n t h u h n

MRB

Magneto Rheological Brake

Phanh lưu ch t t bi n

MRD

Magneto Rheological Damper Gi m ch n lưu ch t t bi n

MRF

Magneto Rheological Fluid

Lưu ch t t bi n

xi


M
1.

t

U

n

Trong c ng nghi p hi n

i, vi c ng d ng c ng ngh

t xa là v c ng c n thi t.

i n và các robot ư c i u khi n

c bi t là các lo i robot làm vi c trong m i trư ng nguy hi m

( nhi m phóng x ho c ch t

c) ho c m i trư ng kh c nghi t (robot thám hi m kh ng

gian). V m t cơ b n, m t robot ư c i u khi n t xa bao g m hai ph n chính là cơ c u
i u khi n và cơ c u ch p hành. Nhưng khi ta th c hi n i u khi n m t h th ng robot i u

khi n t xa theo ki u c là cơ c u i u khi n ưa l nh xu ng cơ c u ch p hành, cơ c u
ch p hành s th c hi n l nh cho d l nh ó kh ng kh thi v cơ c u ch p hành kh ng áp
ng ư c. L do chính d n
c a cơ c u ch p hành g i

n s vi c tr n là do thi u th ng tin t m i trư ng làm vi c
n cơ c u i u khi n. Th m vào ó, vi c thi u th ng tin còn

làm cho vi c i u khi n thi u chính xác và tính linh ho t trong i u khi n và v n hành là
khá th p. Do ó cơ c u ph n h i l c cho cơ c u i u khi n là v c ng c n thi t.
2. M c t u ngh n c u
M c ti u

tài là thi t k , ch t o và th c nghi m ánh giá h th ng ph n h i l c ba b c

t do d ng cơ c u joystick và phanh lưu ch t MRF.
3.

tư ng

ph m qu ngh n c u

i tư ng nghi n c u: cơ c u ph n h i l c, các c ng tr nh nghi n c u v MRF, các nghi n
c u v MRB, các nghi n c u v ph n h i l c d ng MRB, các tài li u và thi t b , m h nh
có li n quan.
Ph m vi nghi n c u: tr n cơ s k th a các k t qu

nghi n c u, ti p t c tính tốn, l a

ch n c u h nh ph n h i l c, thi t k , ch t o, th nghi m, ánh giá hi u qu , ki m tra MRB.

T

ó, ưa ra k t lu n và ki n ngh cho h th ng MRB.

1


4. Cách t p c n
4.1 Ph

phương pháp ngh n c u

ng pháp lu n

Thi t k , ch t o cơ c u ph n h i l c d ng phanh MRF nh m t o ra cơ c u m ph ng l c
tác d ng l n cơ c u ch p hành

n ng cao hi u qu

i u khi n, d a tr n m i quan h gi a

bi n thi n c a t trư ng và

nh t c a MRF, t

ó tính toán, thi t k cơ c u ph h p

nh m

t hi u qu trong m ph ng l c.

th c hi n nghi n c u này c n làm:

T ng h p các nghi n c u v phanh trư c ó có s n trong và ngồi nư c.
T m hi u, ph n tích ưu như c i m c a các k t c u phanh MRF hi n nay
c u phanh h p l cho

xu t k t

tài.

Thi t k và ch t o cơ c u.
Th c nghi m, ki m ch ng k t qu .

H nh 0.1 Lưu
4.2 Ph

nghi n c u

ng pháp nghiên c u

Ph n tích l thuy t: ph n tích phương pháp lu n t các c ng tr nh khoa h c li n quan ư c
c ng b trong th i gian g n

y tr n các t p chí khoa h c, các k y u h i ngh khoa h c

trong nư c và qu c t , tr n các lu n v n th c s và các tài li u li n quan. Ch n l a và phát
tri n các c ng c hi n
và

i ph h p v i v n

xu t phương pháp th c hi n

c n gi i quy t

tài.
2

x y d ng cơ s l thuy t


Ph n tích th c nghi m: gi i pháp ư c

xu t ph i có tính ng d ng trong th c t và ti n

hành thí nghi m tr n m h nh th c trong phịng thí nghi m và tr n các t p s li u o
t m h nh th c nh m ki m ch ng, ánh giá
c a gi i pháp ư c

c

chính xác c ng như kh n ng ng d ng

xu t trong ph n l thuy t.

. Ý ngh a th c t n c a
Trong c ng nghi p hi n

t

i, vi c ng d ng c ng ngh

t xa là v c ng c n thi t.
( nhi m ph ng x ho c ch t

i n và các robot ư c i u khi n

c bi t là các lo i robot làm vi c trong m i trư ng nguy hi m
c) ho c m i trư ng kh c nghi t (robot thám hi m kh ng

gian). M t robot ư c i u khi n t xa bao g m hai ph n chính là thi t b

i u khi n và cơ

c u ch p hành. Nhưng khi ta th c hi n i u khi n m t h th ng robot i u khi n t xa theo
ki u c là thi t b

i u khi n ưa l nh xu ng cơ c u ch p hành, cơ c u ch p hành s th c

hi n l nh cho d kh ng kh thi. L do chính d n
m i trư ng làm vi c c a cơ c u ch p hành g i

n s vi c tr n là do thi u th ng tin t
n thi t b

i u khi n. Th m vào ó, vi c

thi u th ng tin còn làm cho vi c i u khi n thi u chính xác và tính linh ho t trong i u
khi n và v n hành là khá th p. Do ó cơ c u ph n h i l c cho thi t b

i u khi n là v c ng

c n thi t.
Hơn n a,

có nhi u nghi n c u v ph n h i l c d ng MRF, nhưng l c ư c s d ng

trong nghi n c u l i khá nh ho c b c t do áp d ng trong cơ c u l i th p.
V v y

n ng cao kh n ng ng d ng c a cơ c u ph n h i l c, th vi c nghi n c u cơ c u

ph n h i l c ba b c t do là c n thi t.

3


CHƯƠNG 1 T NG QUAN
H TH NG PH N H I L C DÙNG LƯU
CH T MRF À LÝ DO TH C HI N
TÀI
1.1 Lưu ch t MRF

ng d ng

1.1.1 Gi i thi u MRF
MRF là m t lo i lưu ch t th ng minh ư c t m ra b i J.Rabinow vào n m 1940. Nhưng
n n m 1990, sau khi ư c c i thi n và phát tri n th MRF m i ư c ng d ng và phát
tri n. MRF g m 3 thành ph n chính: các h t t tính (chi m t 20-45 ), ch t l ng n n và
các ch t ph gia. T ng h p các thành ph n này t o thành m t h n h p

ng nh t mà nó

quy t

t th m,…

nh

n ng su t ch y d o l n nh t, ph m vi nhi t

Nguy n lí ho t

ng c a MRF

ho t

ng,

tr ng thái b nh thư ng, các h t chuy n

ng t do và ch t

l ng bi u hi n thu c tính Newton như nh ng ch t l ng b nh thư ng khác. Khi có tác d ng
c a t trư ng ngồi, lưu ch t kh ng cịn tu n theo thu c tính Newton n a mà chuy n sang
thu c tính Bingham, các h t kim lo i b n trong lưu ch t g n k t l i v i nhau theo d ng c a
ư ng s c t và có kh n ng ch ng phá v li n k t.
thu c vào

b n v ng c a li n k t này ph

l n c a t trư ng ngoài ưa vào. H nh 1.1 m t nguy n l ho t

ng c a

MRF.

H nh 1.1 S li n k t gi a các h t thay

i theo t trư ng

1.1.2 M t s

ng d ng c b n c a MRF

MRB: có th

áp ng tương t như h th ng phanh ABS nh vào kh n ng i u khi n

ư c và th i gian áp ng ng n, khi d ng v i các lo i c m bi n v n t c. Ngồi ra cịn có
4


nh ng ưu i m khác: t n n ng lư ng th p, thi t k khá ơn gi n, kh ng chi m d ng kho ng
kh ng nhi u, ít hao mịn do ma sát b . H nh 1.2 m t nguy n l làm vi c c a phanh MRF
a th ng d ng. Phanh g m m t

a quay, lưu ch t MRF và các cu n d y. Khi các cu n

d y ư c c p i n, xung quanh các cu n d y s xu t hi n t th ng. Khi lưu ch t MRF n m

trong t th ng v i tr ng thái ban
nh t ho c

u gi ng như lưu ch t Newton s chuy n sang tr ng thái

ng l i ( t y thu c vào n ng lư ng c a t th ng ) trong m t kho ng th i gian

r t ng n. Chính lưu ch t ó s t o ra ma sát

gi m t c

H nh 1.2 Phanh MRF d ng
Gi m ch n d ng MRF: có kh n ng t y bi n
nh c a m t ư ng làm cho dao

quay c a

a.

a th ng d ng

c ng c a gi m ch n ph thu c vào

nh p

ng ư c d p t t nhanh nh t, hi u qu nh t mà ngư i

ng i tr n xe v n c m th y tho i mái nh t. H nh 1.3 m t nguy n l ho t

ng c a gi m

ch t MRF: khi c p dòng cho cu n d y s sinh ra t trư ng i qua khe lưu ch t, làm cho
MRF k t ch t l i v i nhau

c n tr s chuy n

5

ng c a piston nh m d p t t dao

ng.


H nh 1.3 M h nh gi m ch n MRF
Van MRF: có tác d ng tương t các lo i van khác, tuy nhi n v m t k t c u th nó ơn gi n
và d dàng i u khi n hơn. H nh 1.4 m t nguy n l làm vi c c a van MRF: khi có t
trư ng i qua khe lưu ch t, làm cho MRF k t ch t l i v i nhau t o n n các
áp su t khác nhau c a van, có th

ch nh l ch

i u khi n th ng qua dòng i n c p cho cu n d y.

H nh 1.4 C u t o van MRF
ng d ng MRF ch t o kh i gá
b o cho

ng cơ: d ng

ng cơ và các b ph n truy n tr n xe ho t

gá

t
ng n

ng cơ tr n khung xe

m

nh, v có th hồn toàn áp

ng ư c y u c u trong vi c i u ch nh l c gi m ch n trong cơ c u gá. H nh 1.4 m t
nguy n l làm vi c c a kh i gá
MRF k t ch t l i v i nhau

ng cơ MRF: khi t trư ng i qua khe lưu ch t, làm cho

gi m rung

ng c a
6

ng cơ l n khung xe.


H nh 1.5 Kh i gá
1.2 Các ngh n c u

h th ng c ph n h

Trong c ng nghi p hi n
c u r t thi t th c,

ng cơ d ng MRF
l c d ng lưu ch t MRF

i, vi c s d ng các tay máy c ng nghi p i u khi n t xa là nhu

c bi t là các robot làm vi c trong m i trư ng

c h i (m i trư ng

nhi m, phóng x ), m i trư ng kh c nghi t (robot thám hi m). V cơ b n, m t h th ng tay
máy i u khi n t xa bao g m m t tay máy th c thi (slave) th c hi n c ng vi c t i m i
trư ng làm vi c và ư c k t n i, i u khi n t xa b i m t tay máy ch (master). M t khó
kh n cơ b n g p ph i trong h th ng i u khi n tay máy t xa là vi c thi u th ng tin ph n
h i l c t cơ c u ch p hành c a tay máy th c thi
thi u th ng tin này d n

n ngư i i u khi n tay máy ch . Vi c

n vi c i u khi n thi u chính xác và tính linh h at k m c a h

th ng. Do v y, m t h th ng tay máy i u khi n t xa có ph n h i l c
là r t c n thi t. Hi n nay tr n th gi i

n ngư i i u khi n

có r t nhi u nghi n c u v cơ c u ph n h i l c và

m ts

ư c thương m i hóa. Trư c

các l ai

ng cơ i n và cơ c u khí n n

y, h u h t các cơ c u ph n h i l c

u s d ng

ph n ánh l c và m men t i m i trư ng làm

vi c l n ngư i i u khi n [1, 2, 3, 4, 5 . Như c i m cơ b n c a h th ng ph n h i d ng
ng cơ i n, khí n n là k t c u c ng k nh, th i gian áp ng ch m, tính cơ
cao. Trong nh ng n m g n
d ng v t li u th ng minh

ng kh ng

y, v i nh ng phát tri n m nh m c a vi c nghi n c u và ng
c bi t là MRF,

có m t s nghi n c u v cơ c u ph n h i l c

d ng MRF.
7

An J và Kwon D S [6
5 kh u b n l ,

thi t k và ch t o h th ng ph n h i l c 2 b c t do d ng cơ c u

ng cơ i n và phanh MRF (H nh 1.6). K t qu nghi n c u ch ra r ng,

phanh MRF là m t ng vi n ti m n ng trong các ng d ng ph n h i l c.

H nh 1.6 Cơ c u ph n h i l c n m kh u b n l [6
Kim K H và các c ng s [7

nghi n c u và ch t o bàn tay ph n h i l c 5 b c t do

d ng 5 phanh MRF th ng (H nh 1.7). K t qu nghi n c u ch ra r ng, bàn tay ph n h i l c
có kh n ng ph n ánh l c l n các ngón tay ngư i i u khi n tương
khi kh ng tác

i t t (8N) nhưng l c

ng (off-state force) khá l n (2N), i u này nh hư ng r t l n

ánh trung th c l c tác

ng

n tay ngư i i u khi n.

8

n s ph n


H nh 1.7 Bàn tay ph n h i l c 5 b c t do d ng phanh MRF th ng [7
Scott Winter và Mourad Bou it [8

nghi n c u ch t o g ng tay ph n h i l c d ng 5 cơ

c u phanh MRF th ng (H nh 1.8). Kích thư c cơ b n c a m i phanh MRF là 50x12x12mm,
l c l n nh t có th t o ra là 6N. Tuy k t c u

nh g n hơn, nhưng l c khi kh ng tác

ng

c a cơ c u này v n còn khá l n (1.5N).

H nh 1.8 G ng tay ph n h i l c n m b c t do [8
Conrad Bullion và Hakan Gurocak [9
c u phanh MRF d ng quay

nghi n c u ch t o g ng tay ph n h i d ng 3 cơ

ph n h i l c l n ngón cái, ngón tr và ngón gi a c a ngư i

9


i u khi n (1.9). Kích thư c cơ b n c a m i phanh MRF là D=25mm, L=15mm, l c l n

nh t có th t o ra là 17N t i

u các ngón tay.

H nh 1.9 G ng tay ph n h i l c ba b c t do d ng phanh MRF quay [9
Li W H và các c ng s [10

nghi n c u kh p quay 2 b c t do ph n h i l c d ng phanh

MRF (H nh 1.10). Kích thư c cơ b n c a m i phanh là D=156mm, L=21mm, m men t o
ra có th thay

i t 0.7Nm

n 6Nm. Trong nghi n c u này, các phanh quay MRF ư c

s d ng v n là các phanh truy n th ng (có cu n d y qu n

v ngoài) và vi c t i ưu hoá

h nh h c chưa ư c xem x t n n k t c u phanh còn r t l n. Hơn n a, do s d ng các phanh
t o m men ph n h i n n ngư i i u khi n ch c m nh n ư c l c tác
hi n chuy n

ng c n i u khi n. Khi c n i u khi n kh ng chuy n

kh ng ph n h i l n tay ngư i i u khi n.

10

ng khi th c

ng, l c tác

ng


H nh 1.10 Cơ c u joystick hai b c t do d ng phanh MRF [10
Doruk Senkal và Hakan Gurocak [11

nghi n c u ch t o cơ c u kh p quay ph n h i

l c a hư ng d ng phanh MRF d ng c u (H nh 1.11).
D=76.2mm, m men t o ra có th l n

ư ng kính qu c u phanh là

n 3.7Nm. Tuy nhi n, l ai này kh ng th

i u khi n

m men ri ng r theo m i phương, k t c u ph c t p. C ng tương t cơ c u joystick hai
chi u

tr n, khi kh ng th c hi n chuy n

ng c n i u khi n, l c tác

h i l n tay ngư i i u khi n.

11

ng kh ng ph n