Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tay máy master tọa độ cầu để sao chép vị trí và phản hồi lực

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

HUỲNH VĂN TÍN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG TAY MÁY MASTER TỌA ĐỘ CẦU ĐỂ
SAO CHÉP VỊ TRÍ VÀ PHẢN HỒI LỰC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng
Người phản biện 1: .......................................................................................................
Người phản biện 2: .......................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường
Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1 ........................................................................................................ Chủ tịch hội đồng
2 .........................................................................................................Phản biện 1
3 ........................................................................................................ Phản biện 2
4 ........................................................................................................ Ủy viên
5 ........................................................................................................ Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS. Châu Minh Quang


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Huỳnh Văn Tín

MSHV: 15001411

Ngày, tháng, năm sinh: 22/01/1990

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tay máy Master tọa độ cầu để sao chép vị
trí và phản hồi lực.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ
- Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy Master tọa độ cầu thực hiện sao chép vị trí và
phản hồi lực.
2. Nội dung
- Nợi dung 1: Nghiên cứu tổng quan về các loại phanh và li hợp sử dụng MRF để
làm tiền đề cho kết cấu bộ phản hồi lực.
- Nội dung 2: Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của bợ phản hồi lực dùng
MRF, ứng dụng trên các khớp tay máy của đề tài.
- Nợi dung 3: Xây dựng và giải bài tốn tối ưu kết cấu bộ phản hồi lực dùng MRF.
- Nội dung 4: Thu thập kết quả, so sánh và nhận xét. Kiểm chứng kết quả bài toán
tối ưu kết cấu bộ phản hồi lực bằng thực nghiệm.
- Nội dung 5: Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master và slave 3 bậc tự do có
phản hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF đã được đề xuất.
- Nội dung 6: Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế hệ thống điều khiển tay
máy.
- Nội dung 7: Lắp ráp hồn chỉnh hệ thống thiết bị. Viết chương trình điều khiển,
thực nghiệm chương trình điều khiển.
- Nợi dung 8: Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá tính năng của tay máy
được chế tạo, thu thập, xử lý kết quả thí nghiệm.
- Nợi dung 9: Tổng hợp kết quả, thuyết minh luận văn.


II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 1756/QĐ–ĐHCN ngày 27/03/2017
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2018
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS. Châu Minh Quang


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Q Thầy, Cơ tại khoa Cơng nghệ Cơ khí
trường Đại học Cơng nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ, hướng dẫn và cung
cấp đầy đủ kiến thức với mong muốn trang bị cho em một hành trang tốt nhất để có
thể phát triển cơng việc và c̣c sống trong tương lai. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng, người trực tiếp hướng dẫn
và cung cấp cho em những kiến thức, tài liệu quý giá, hướng dẫn chi tiết các bước
xây dựng mơ hình mơ và thực hiện tốt đề tài.
Con xin gửi lời cảm ơn đến Bố, Mẹ, Anh, Chị, người ln đợng viên và khích lệ,
tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình học tập, cũng như là q trình thực
hiện luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, những người luôn dành cho tôi sự yêu
thương và luôn cổ vũ, đợng viên tơi trong những lúc khó khăn nhất.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đề tài cịn nhiều thiếu sót, em rất
mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của Q Thầy, Cơ cùng các bạn.
Tp. HCM, ngày 27 tháng 03 năm 2018
Học viên thực hiện

Huỳnh Văn Tín

i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong những năm gần đây, nền công nghiệp robot đã phát triển vượt bậc và có
những thành tựu đáng kể. Song song với nó là vấn đề cải thiện chất lượng robot,
làm sao để tăng hiệu quả làm việc và đơn giản hóa q trình điều khiển robot luôn
là đề tài được các nhà khoa học quan tâm.
Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy 3 bậc tự do phản hồi lực dùng lưu chất MRF,
Elbow robot có haptic nhằm tạo hệ thống tay máy với tính năng mới đạt hiệu quả
cao thay thế cho các robot hiện nay. Dựa trên mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ
trường và độ rắn lỏng của lưu chất điện - từ biến, từ đó tính tốn, thiết kế hệ thống
haptic cho tay máy nhằm đạt hiêu quả cao.

ii


ABSTRACT

In recent years, the robot industry has grown tremendously and has made
remarkable achievements. In parallel with this, the problem of improving the quality
of the robot, how to increase the efficiency of work and simplify the process of
robot control is always a subject of interest to scientists.
Design and manufacture of manual 3-step automatic manual feedback system with
MRF, Elbow robot with haptic to create a new hand-held system with high
efficiency to replace the current robot. Based on the relationship between the
magnetic field variability and the liquid solid state of the electrolytic capacitor, it is
calculated and designed the haptic system for the machine to achieve high
efficiency.

iii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn
khoa học của thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong đề tài này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trong luận văn
này đều được phản ánh một cách trung thực.
Học viên

Huỳnh Văn Tín

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................x
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.

Đặt vấn đề ......................................................................................................1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................1

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................1

4.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ....................................................2

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...........................................................................3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ..................................................................................4

1.1

Ứng dụng của robot hiện nay ........................................................................4

1.2
xa.

Tầm quan trọng và vai trò của hệ thống haptic trong điều khiển Robot từ
.......................................................................................................................6

1.3

Các ứng dụng công nghệ haptic hiện nay. .....................................................8

1.4

Một số cơng trình liên quan ...........................................................................9

1.4.1

Trong nước..............................................................................................9

1.4.2

Ngồi nước............................................................................................10

1.5

Tay máy 3 bậc tự do xoay (Elbow Robot) có phản hồi lực .........................14

1.5.1 Tay máy 3 bậc tự do xoay ........................................................................14
1.5.2 Hệ thống haptic cho tay máy elbow ........................................................17
CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
CÓ PHẢN HỒI LỰC ................................................................................................18
2.1

Sơ đồ nguyên lý ...........................................................................................18

2.2

Tay máy slave ..............................................................................................18

2.3

Tính tốn thiết kế tay máy Master. ..............................................................20

2.3.1

Sơ đồ đợng lực học và thơng số cơ bản. ...............................................20

2.3.2

Tính tốn momem phanh cần thiết cho hệ thống phản hồi lực.............21

v


CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ TÍNH TỐN CHẾ TẠO PHANH ..............................32

3.1

Kết cấu phanh và nguyên lý hoạt động của phanh lưu chất MRF...............32

3.2

Lựa chọn lưu chất MR .................................................................................33

3.3

Lựa chọn vật liệu làm vỏ và đĩa phanh........................................................36

3.4

Tính tốn thiết kế momen phanh MRF........................................................37

3.4.1
đĩa.

Moment ma sát sinh ra do lực ma sát giữa lưu chất với mặt tiếp xúc của
...............................................................................................................38

3.4.2

Moment sinh ra do lực ma sát giữa phốt và trục ..................................41

3.5

Bài toán thiết kế tối ưu phanh ......................................................................42

3.6

Phương pháp giải bài toán tối ưu phanh ......................................................43

3.7

Kết quả .........................................................................................................47

3.8

Chế tạo và thử nghiệm .................................................................................50

3.8.1

Thiết kế và chế tạo phanh lưu chất .......................................................50

3.8.2

Thử nghiệm phanh lưu chất MRF.........................................................58

3.9

Nhận xét và đánh giá kết quả.......................................................................60

3.9.1

Nhận xét ................................................................................................60

3.9.2

Nguyên nhân .........................................................................................60

CHƯƠNG 4

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......................61

4.1

Thiết kế hệ thống điều khiển sao chép và phản hồi lực của Master- Slave.61

4.2

Hệ thống điều khiển sao chép vị trí của 2 tay máy. .....................................62

4.3

Hệ thống điều khiển haptic của 2 tay máy. .................................................65

4.4

Thiết kế hệ thống điều khiển phanh MRF ...................................................68

4.5

Chế tạo hệ thống điều khiển: tay máy Master - Slave và phanh lưu chất. ..71

CHƯƠNG 5

THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. ...................................74

5.1 . Sơ đồ thí nghiệm điều khiển vị trí của 2 tay máy ......................................... 71
5.2 . Kết quả sao chép vị trí của 2 tay máy Master- Slave .................................... .71
5.3 . Kết quả phản hồi lực của tay máy Master..................................................... .77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................83
1. Kết luận .............................................................................................................83
2. Kiến nghị ...........................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................84

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot “xe tăng” có khả năng chống lại chất phóng xạ ................................4
Hình 1.2 Robot phẫu thuật mắt. ..................................................................................5
Hình 1.3 Các ứng dụng của Robot điều khiển từ xa ROVs ........................................5
Hình 1.4 Hệ thống Haptic ...........................................................................................6
Hình 1.5 Tương tác với thế giới ảo .............................................................................7
Hình 1.6 Cơ cấu Haptic 1 bậc tự do ............................................................................7
Hình 1.7 Robot phẫu thuật Da Vinci...........................................................................8
Hình 1.8 Hệ thống robot điều khiển từ xa có trang bị camera ....................................9
Hình 1.9 Cơ cấu phản hồi lực 2 bậc tự do (AN J và cộng sự) ..................................11
Hình 1.10 Bàn tay phản hồi lực (Kim K H và các cợng sự) .....................................11
Hình 1.11 Găng tay phản hồi lực (Scott Winter và các cợng sự) .............................12
Hình 1.12 Găng tay phản hồi lực (Conrad Bullion và Hakan Gurocak)...................12
Hình 1.13 Khớp quay 2 bậc tự do phản hồi lực ........................................................13
Hình 1.14 Khớp quay phản hồi lực đa hướng dùng phanh MRF dạng cầu ..............13
Hình 1.15 Tay gắp phản hồi lực 3 bậc tự do .............................................................14
Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý kết cấu của cánh tay máy ..............................................15
Hình 1.17 Robot hàn hồ quang .................................................................................16
Hình 1.18 Robot sơn .................................................................................................16
Hình 1.19 Robot cấp phơi .........................................................................................17
Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý của hệ thống tay máy Master và Slave ...........................18
Hình 2.2 Các thơng số cơ bản của tay máy Slave .....................................................19
Hình 2.3 Sơ đồ giới hạn góc quay của tay máy khi làm việc. ..................................20
Hình 2.4 Sơ đồ phân bố lực ở khâu cuối K tay máy Master .....................................21
Hình 2.5 Sơ đồ momen max khớp J1. ......................................................................22
Hình 2.6 Sơ đồ momem max khớp J2. ......................................................................22
Hình 2.7 Mơ hình 3D thiết kế phần xoay cánh tay máy Master. .............................24
Hình 2.8 Bảng vẽ kích thước phần xoay của cánh tay. .............................................25
Hình 2.9 Mơ hình 3D thiết kế khớp 1 cánh tay máy Master.....................................26
Hình 2.10 Bảng vẽ kích khớp 1 của cánh tay. ..........................................................27
Hình 2.11 Mơ hình 3D thiết kế khớp 2 cánh tay máy Master...................................28

Hình 2.12 Bảng vẽ kích khớp 2 của cánh tay. ..........................................................29
Hình 2.13 Mơ hình cánh tay máy Master..................................................................30
Hình 2.14 Bảng vẽ chi tiết kích của tay máy Master. ...............................................31
Hình 3.1 Phanh lưu chất từ biến truyền thống ..........................................................33
Hình 3.2 Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và nhựa Bingham .................35
Hình 3.3 Đường cong B-H của MRF 132-DG ..........................................................36
Hình 3.4 Đường cong B-H của thép C45 ..................................................................37
Hình 3.5 Mơ hình moment thắng sinh ra của phanh truyền thống ...........................38

vii


Hình 3.6 Phần tử MRF trong khe lưu chất ................................................................39
Hình 3.7 MRB đĩa đơn 1 c̣n dây. ..........................................................................42
Hình 3.8 Lưu đồ thiết kế tối ưu dụng MRF bằng phương pháp phần tử hữu hạn. ...44
Hình 3.9 MRB đĩa đơn 1 c̣n dây ...........................................................................49
Hình 3.10 Thiết kế 3D của phanh lưu chất. ..............................................................50
Hình 3.11 Thiết kế lắp ráp cho phanh lưu chất MRF. .............................................51
Hình 3.12 Bảng vẽ thắng gia cơng phanh MRF. ......................................................51
Hình 3.13 Gia cơng thực tế phanh lưu chất. ............................................................57
Hình 3.14 Mơ hình thí nghiệm kiểm tra moment phanh...........................................58
Hình 3.15 Sai lệch kết quả thực tế và lý thuyết ........................................................60
Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển của hệ thống tay máy Master – Slave có haptic. ............61
Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển sao chép chuyển động của 2 tay máy. ............................62
Hình 4.3 Sơ đồ giải thuật điều khiển chuyển đợng tay máy master. ........................63
Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật tay máy Slave nhận tín hiệu sao chép chuyển đợng. .....64
Hình 4.5 Sơ đồ điều khiển haptic của 2 tay máy. .....................................................65
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật kiểm tra tín hiệu momen tay máy Slave. ......................66
Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật haptic của tay máy Master. ............................................67
Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dịng cho phanh. ..................................68

Hình 4.9 Ngun lý mạch theo điện áp dùng op-amp. .............................................68
Hình 4.10 Mạch layout nguồn dịng..........................................................................69
Hình 4.11 Thiết kế mơ phỏng mạch nguồn. ..............................................................70
Hình 4.12 Mạch nguồn dịng điều khiển thắng từ.....................................................70
Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tay máy Master và Slave. ..................71
Hình 4.14 Mạch in lớp trên .......................................................................................72
Hình 4.15 Mạch in lớp dưới ......................................................................................72
Hình 4.16 Mạch điều khiển sau khi gia cơng. ...........................................................73
Hình 5.1 Sơ đồ thí nghiệm của mơ hình ...................................................................74
Hình 5.2 Biểu đồ kết quả thí nghiệm của sao chép chuyển đợng .............................75
Hình 5.3 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 1 chưa đặt tải ................................................76
Hình 5.4 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 2 chưa đặt tải ................................................76
Hình 5.5 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 3 chưa đặt tải ................................................77
Hình 5.6 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 1 đặt tải 1 kg.................................................77
Hình 5.7 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 2 đặt tải 1 kg.................................................78
Hình 5.8 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 3 đặt tải 1 kg.................................................78
Hình 5.9 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 1 đặt tải 2 kg.................................................79
Hình 5.10 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 2 đặt tải 2 kg...............................................79
Hình 5.11 Biểu đồ sao chép vị trí khớp 3 đặt tải 2 kg...............................................80
Hình 5.12 Lực phản hồi theo lực Fs ..........................................................................81
Hình 5.13 Lực phản hồi theo lực Fn .........................................................................81
Hình 5.14 Lực phản hồi theo lực Fa .........................................................................82

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của lưu chất MRF – 132DG ........................................34
Bảng 3.2 Các thông số từ biến của lưu chất MRF132-DG ......................................36
Bảng 3.3 Các thông số thiết kế MRB đĩa đơn 1 cuộn dây ở giữa phanh ..................49

ix


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ABS

Anti-lock Braking System

Hệ thống chống bó cừng phanh

MRB

Magneto Rheological Brake

Phanh lưu chất từ biến

MRF

Magneto Rheological Fluid

Lưu chất từ biến

FEA

Finite Element Analysis

Phân tích phần tử hữu hạn

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

x


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, nền cơng nghiệp robot đã phát triển vượt bậc và có
những thành tựu đáng kể. Song song với nó là vấn đề cải thiện chất lượng robot,
làm sao để tăng hiệu quả làm việc và đơn giản hóa q trình điều khiển robot luôn
là đề tài được các nhà khoa học quan tâm. Để giải quyết được vấn đề này, các nhà
khoa học đã áp dụng hàng loạt công nghệ, kỹ thuật tiên tiến vào robot. Mợt trong số
đó có kỹ thuật điều khiển robot theo phương pháp mô phỏng chuyển động. Kỹ thuật
này được áp dụng trong các hệ thống Master – Slave, trong khu vực nguy hiểm, độc
hại con người không thể làm việc trực tiếp, mà cần phải sử dụng các robot thay thế
như: làm việc gần các lò phản ứng hạt nhân, khu vực hầm mỏ, phẫu thuật từ xa
trong y tế, trong quân sự...
2. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tay máy 3 bậc tự do xoay (Elbow robot)
điều khiển từ xa có phản hồi lực có khả năng thực hiện các công việc sau:


Sao chép chuyển động với độ chính xác ±1%.



Phản hồi lực 3 chiều với các yêu cầu cơ bản sau:



Phản hồi lực theo 3 phương, trong phạm vi hoạt động của robot.



Giá trị lực phản hồi 2N - 10N.



Đợ chính xác giá trị lực ± 0.5N.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Với mục tiêu đã đặt ra, đề tài sẽ tập trung vào một số nội dung sau:


Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về các loại phanh và li hợp sử dụng MRF

để làm tiền đề cho kết cấu bộ phản hồi lực.


Nội dung 2: Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của bộ phản hồi lực

dùng MRF, ứng dụng trên các khớp tay máy của đề tài.

1



Nợi dung 3: Xây dựng và giải bài tốn tối ưu kết cấu bộ phản hồi lực dùng

MRF.


Nội dung 4: Thu thập kết quả, so sánh và nhận xét. Kiểm chứng kết quả bài

tốn tối ưu kết cấu bợ phản hồi lực bằng thực nghiệm.


Nội dung 5: Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master và slave 3 bậc tự do

có phản hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF đã được đề xuất.


Nội dung 6: Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế hệ thống điều khiển tay

máy.


Nợi dung 7: Lắp ráp hồn chỉnh hệ thống thiết bị. Viết chương trình điều

khiển, thực nghiệm chương trình điều khiển.


Nội dung 8: Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá tính năng của tay

máy được chế tạo, thu thập, xử lý kết quả thí nghiệm.

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1. Phương pháp luận
Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy 3 bậc tự do phản hồi lực dùng lưu chất MRF,
Elbow robot có haptic nhằm tạo hệ thống tay máy với tính năng mới đạt hiệu quả
cao thay thế cho các robot hiện nay. Dựa trên mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ
trường và độ rắn lỏng của lưu chất điện - từ biến, từ đó tính tốn, thiết kế hệ thống
haptic cho tay máy nhằm đạt hiệu quả cao. Để thực hiện nghiên cứu này cần thực
hiện:


Tổng hợp các nghiên cứu robot có haptic trước đó có sẵn trong và ngồi

nước.


Tìm hiểu, phân tích ưu nhược điểm của các kết cấu phản hồi lực MRF hiện

nay để đề xuất kết cấu phản hồi lực hợp lý cho cánh tay robot .


Thiết kế và chế tạo hệ thống.



Thực nghiệm, kiểm chứng kết quả.

2


4.2. Phương pháp nghiên cứu

4.2.1. Phân tích lý thuyết
Phân tích phương pháp luận từ các cơng trình khoa học liên quan được công bố
trong thời gian gần đây trên các tạp chí khoa học, các kỹ yếu hợi nghị khoa học
trong nước và quốc tế, trên các luận văn thạc sĩ và các tài liệu liên quan. Chọn lựa
và phát triển các công cụ hiện đại phù hợp với vấn đề cần giải quyết để xây dựng cơ
sở lý thuyết và đề xuất phương pháp thực hiện đề tài.
4.2.2. Phân tích thực nghiệm
Giải pháp được đề x́t phải có tính ứng dụng trong thực tế và tiến hành thí nghiệm
trên mơ hình thực trong phịng thí nghiệm và trên các tập số liệu đo đạc từ mơ hình
thực nhằm kiểm chứng, đánh giá đợ chính xác cũng như khả năng ứng dụng của
giải pháp được đề xuất trong phần lý thuyết.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Xây dựng mô hình điều khiển tay máy 3 bậc tự do xoay (Elbow robot) điều khiển từ
xa có phản hồi lực. Nhằm đáp ứng các yêu cầu của việc điều khiển chính xác, đảm
bảo tính ổn định của hệ thống tay máy trong các hoạt động sản xuất, y tế, quân sự…
Do vậy, việc nghiên cứu tay máy có haptic sẽ đáp ứng được các yêu cầu điều khiển
chính xác thay thế cho các robot hiện nay.

3


CHƯƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN

Ứng dụng của robot hiện nay

Công ty Mitsubishi, Nhật Bản chế tạo robot điều khiển từ xa có khả năng miễn
nhiễm chất phóng xạ được sử dụng trong việc sửa chữa và làm sạch Nhà máy hạt

nhân Fukushima.

Hình 1.1 Robot “xe tăng” có khả năng chống lại chất phóng xạ
Robot “xe tăng” có tên là “MEISTeR”, cao khoảng 1,3m với hai cánh tay, mỗi bên
có thể nâng vật nặng 15kg. Ngồi ra, robot được trang bị nhiều cơng cụ khác nhau
trong các thiết bị điện tử rất "cứng" có khả năng chịu các bức xạ.
Trong y tế các ứng dụng robot cũng phát triển mạnh như hệ thống robot phẫu thuật
da Vinci. Nó cho phép phẫu thuật viên có thể ngồi trước màn hình 3D và điều khiển
các cánh tay robot được gắn các dụng cụ phẫu thuật. Hệ thống này không những
cho phép thực hiện các ca phẫu thuật nợi soi, nó cịn cho phép ca phẫu thuật được
thực hiện từ xa - phẫu thuật viên và bệnh nhân có thể cách nhau nửa vịng Trái Đất.
Và hơn nữa, hiện nay các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Eindhoven Hà Lan
đã phát triển một hệ thống tương tự, được thiết kế đặc biệt để chuyên thực hiện các
ca phẫu thuật về mắt.

4


Hình 1.2 Robot phẫu thuật mắt.
Mợt ứng dụng khác trong tìm kiếm cứu hợ hay thám hiểm dưới đại dương. Robot –
phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROVs). Các ROV của VideoRay thay thế hoặc
hỗ trợ các thợ lặn thực hiện các nhiệm vụ trong mơi trường khó khăn, nguy hiểm.

Hình 1.3 Các ứng dụng của Robot điều khiển từ xa ROVs

5


1.2
Tầm quan trọng và vai trò của hệ thống haptic trong điều khiển Robot

từ xa.
Haptic là một từ gốc Hy Lạp để chỉ cảm giác xúc giác (sense of touch). Nói chung,
Haptic bao gồm lực tác đợng (cứng, mềm), cảm giác về bề mặt (thô, nhám, sắc,
trơn…) cảm giác về chuyển đợng mà con người có thể cảm nhận thơng qua tiếp
xúc, cầm, nắm, sờ…
Công nghệ Haptics là công nghệ tái tạo lại các cảm giác xúc giác đó, với mức độ
chân thực và chi tiết khác nhau, nhằm tái tạo lại tồn bợ hay mợt phần cảm giác xúc
giác của con người khi tiếp xúc với thiết bị.

Hình 1.4 Hệ thống Haptic
Công nghệ Haptic chủ yếu mang lại 2 loại cảm giác tiếp xúc: cảm giác về lực
(force feedback) và cảm giác tiếp xúc (tactile). Cảm giác lực mang lại cho con
người cảm giác về lực tác động, nhằm tái tạo sự hiện diện của sự vật thông qua lực
tác đợng của nó với tư cách đối tượng trong thế giới ảo với con người. Trong khi đó

6


cảm giác xúc giác (tactile) mang lại các cảm giác chi tiết hơn về bề mặt của vật, tái
tạo các đặc tính thơ, nhám, trơn,…
Cảm giác lực thơng thường được thực hiện thông qua việc điều khiển một cơ cấu
chấp hành (actuators), cơ cấu này sẽ tái tạo cảm giác về lực qua tác động với con
người. Cơ cấu chấp hành có thể bao gồm các đợng cơ điện, đợng cơ khí nén, hoặc
thủy lực.

Hình 1.5 Tương tác với thế giới ảo
Trên hình 1.6, mơ tả mợt ví dụ đơn giản nhất về cơ cấu tái tạo cảm giác lực, cơ cấu
1 bậc tự do sử dụng động cơ điện một chiều. Trong tái tạo cảm giác lực, nhiệm vụ
của điều khiển cơ cấu chấp hành không phải là điều khiển lực tác động, mà là điều
khiển mối tương quan giữa vị trí, vận tốc và lực tác đợng, hay từ chun mơn là

Impedance Control. Ví dụ khi bạn đang tương tác với mợt lị xo ảo, lực tác đợng
được điều khiển sao cho càng ấn sâu vào lò xo, lực phản hồi lại tay bạn càng lớn.

Hình 1.6 Cơ cấu Haptic 1 bậc tự do

7


1.3

Các ứng dụng cơng nghệ haptic hiện nay.

Với tính năng hữu ích của mình, cơng nghệ phản hồi lực đang dần được ứng dụng
vào khá nhiều lĩnh vực như:


Trong Y học: Thường được dùng trong các thiết bị phẫu thuật, nội soi. Ở đây

thiết bị phản hồi lực (Force Feedback device) sẽ cung cấp vị trí, lực cắt và hướng
chuyển động cho các thiết bị phẫu thuật làm việc. Trong khi đó, bác sĩ phẫu thuật sẽ
cảm nhận được lực cắt mổ trên tay giống như lực cắt mổ thực tế của thiết bị phẫu
thuật. Bác sĩ thường được thực tập trên “môi trường ảo”, trước khi thao tác trên
“môi trường thật” là người bệnh. Mơ hình thực tế ảo trên máy tính sẽ tương tác với
thiết bị phản hồi lực để nhận “lệnh” từ bác sĩ phẫu thuật. Tuy là môi trường ảo
nhưng bác sĩ cũng vẫn cảm nhận được lực cắt mổ y như thật. Một trong những ứng
dụng nổi bật nhất đó là hệ thống thiết bị phẫu thuật Da Vinci.



Hình 1.7 Robot phẫu thuật Da Vinci

Trong quân sự: Ở những môi trường làm việc đặc biệt nguy hiểm, thiết bị

phản hồi lực có thể được dùng như một thiết bị chủ (master device) để điều khiển từ
xa một thiết bị tớ (slave device). Người sử dụng vận hành thiết bị chủ trong mợt
phịng an tồn và điều khiển một thiết bị tớ ở một khoảng cách rất xa. Theo cách
này, thiết bị phản hồi lực đã được sử dụng để lắp ráp bom hạt nhân từ những năm
1950 ở Mỹ.

8




Trong công nghiệp, khi môi trường làm việc độc hại, gây khó khăn cho con

người thì robot có thể làm thay. Robot tớ sẽ truyền thông tin về các lực mà nó đang
tương tác trực tiếp về robot chủ. Thiết bị phản hồi lực (chủ) sẽ cung cấp vị trí và
hướng chuyển động cho robot (thiết bị tớ). Trong một số trường hợp thiết bị haptic
cung cấp cả lực tiếp xúc cho robot. Môi trường làm việc thường được gắn camera
và truyền tín hiệu về mợt máy tính. Do đó người vận hành có thể giám sát và thao
tác robot mợt cách trực quan.

Hình 1.8 Hệ thống robot điều khiển từ xa có trang bị camera
1.4

Một số cơng trình liên quan

1.4.1 Trong nước
Những năm gần đây, kỹ thuật phản hồi thông tin lực tác dụng đã được sử dụng để
tăng hiệu quả của các tương tác người - máy. Các ứng dụng bao gồm từ y học (phẫu

thuật từ xa, phục hồi chức năng…) sản xuất trong môi trường độc hại, nguy hiểm...
đến các trị chơi máy tính và các thiết bị thực tế ảo như phục hồi chức năng ảo.
Ngồi ra, cịn có kỹ thuật Haptic Feedback, đây là mợt kỹ thuật có tính ứng dụng rất
cao và khá mới mẻ. Kỹ thuật Haptic Feedback (phản hồi lực) nghiên cứu về các cơ
chế thực thi mà mô phỏng đem lại cảm giác cho người vận hành. Với kỹ thuật này,
người điều khiển có thể cảm nhận các tác đợng của môi trường làm việc lên robot
như: lực tác động, cảm giác về độ nhám của bề mặt tiếp xúc hay cảm giác về
chuyển động thông qua xúc giác của mình. Kỹ thuật này giúp cho người điều khiển
có thể vận hành robot mợt cách chính xác và hiệu quả hơn. Một vài robot đã ứng

9


dụng kỹ thuật này, như: robot phẫu thuật Da Vinci, thiết bị trợ lực cho người khuyết
tật…Tuy nhiên, hiện nay các cơng trình nghiên cứu về kỹ thuật này ở nước ta cịn
khá ít.
Nghiên cứu liên quan hệ thống tay máy master và slave sao chép chuyển động điều
khiển từ xa (Tele-Manipulator) đã được tiến hành trong nước trước đây, đáng kể
nhất là cơng trình nghiên cứu của tác giả Từ Diệp Cơng Thành [1].
Nợi dung chính của nghiên cứu này tập trung vào thuật toán điều khiển hệ thống,
dùng bợ điều khiển PID kết hợp với sự thích của mạng thần kinh nhân tạo. Chức
năng điều khiển chỉ thực hiện sao chép chuyển động. Các thiết bị nghiên cứu của đề
tài chỉ là mơ hình thí nghiệm nhỏ, khơng đề cập đến việc ứng dụng trong môi
trường thực tế. Tác giả không đề cập đến việc phản hồi thông tin về lực của tay máy
slave, đặc biệt là cơ cấu phản hồi lực sử dụng MRF trên tay máy thì hầu như chưa
có mợt nghiên cứu nào trong nước đề cập tới.
1.4.2 Ngoài nước
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực và mợt số
đã được thương mại hóa. Trước đây, hầu hết các cơ cấu phản hồi lực đều sử dụng
các loại đợng cơ điện và cơ cấu khí nén để phản ánh lực và mô men tại môi trường

làm việc lên người điều khiển [2-6]. Nhược điểm cơ bản của hệ thống phản hồi
dùng động cơ điện là kết cấu cồng kềnh, thời gian đáp ứng chậm, tính cơ động
không cao. Trong những năm gần đây, với những phát triển mạnh mẽ của việc
nghiên cứu và ứng dụng vật liệu thơng minh đặc biệt là MRF, đã có mợt số nghiên
cứu về cơ cấu phản hồi lực dùng MRF.
An J và Kwon D S [7] đã thiết kế và chế tạo cơ cấu phản hồi lực 2 bậc tự do dùng
cơ cấu 5 khâu bản lề, động cơ điện và phanh MRF (Hình 1.9). Kết quả nghiên cứu
chỉ ra rằng, phanh MRF là một ứng viên tiềm năng trong các ứng dụng phản hồi
lực.

10


Hình 1.9 Cơ cấu phản hồi lực 2 bậc tự do (AN J và cộng sự)
Kim K H và các cộng sự [8] đã nghiên cứu và chế tạo bàn tay phản hồi lực 5 bậc tự
do dùng 5 phanh MRF tuyến tính (Hình 1.10).

Hình 1.10 Bàn tay phản hồi lực (Kim K H và các cộng sự)

11