Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực 4 bậc tự do dùng cơ cấu tay máy tạo tọa độ cầu và phanh mrf

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGƠ VĂN THẮNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC 4 BẬC
TỰ DO DÙNG CƠ CẤU TAY MÁY TẠO TỌA
ĐỘ CẦU VÀ PHANH MRF

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình đƣợc hồn thành tại Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng
Ngƣời phản iện 1: .......................................................................................................
Ngƣời phản iện 2: .......................................................................................................
Luận văn thạc sĩ đƣợc ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận văn thạc sĩ Trƣờng
Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1………………………………………………….Chủ tịch hội đồng
2………………………………………………….Phản iện 1
3 ………………………………………………….Phản iện 2
4…………………………………………………. Ủy viên
5 ………………………………………………….Thƣ ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS. Châu Minh Quang


BỘ CƠNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Ngô Văn Thắng

MSHV: 16003231

Ngày, tháng, năm sinh: 17/07/1991

Nơi sinh: Thanh Hóa

Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chun ngành: 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực 4 ậc tự do dùng
cơ cấu tay máy tạo tọa độ cầu và phanh MRF.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tay máy Master 4 ậc tự do.
2. Nội dung
Nghiên cứu tổng quan về các loại phanh quay và phanh trƣợt sử dụng MRF để làm
tiền đề cho kết cấu tay máy Master.
Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của ộ phanh quay và phanh trƣợt dùng
MRF, ứng dụng trên khớp tay máy của đề tài.
Thu thập kết quả, so sánh và nhận xét. Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master 4
ậc tự do sử dụng lƣu chất từ iến MRF đã đƣợc đề xuất.
Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống thiết ị.
Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá tính năng của tay máy đƣợc chế tạo.
Sau đó tổng hợp kết quả, thuyết minh luận văn.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 04/QĐ–ĐHCN ngày 03/01/2018
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018
IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng


Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201
NGƢỜI HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng

TRƢỞNG KHOA CÔNG 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
trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ, hƣớng dẫn và cung
cấp đầy đủ kiến thức với mong muốn trang ị cho em một hành trang tốt nhất để có
thể phát triển cơng việc và cuộc sống trong tƣơng lai.
Em xin chân thành gửi đến thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng lời cám ơn và tri ân
sâu sắc, nhất là trong thời gian thực hiện luận văn, thầy đã hƣớng dẫn và hỗ trợ em
hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các ạn học viên lớp CHCK6A, lớp CHCK6B và
các ạn đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, nhất
là đã hỗ trợ tơi hồn thành luận văn này.
Xin kính chúc q thầy cô, đồng nghiệp, cùng các ạn học viên sức khỏe, hạnh
phúc và thành công trong công tác và trong cuộc sống.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Với đề tài: “Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực 4 ậc
tự do dùng cơ cấu tay máy tạo tọa độ cầu và phanh MRF , hệ thống MRB đã đƣợc
nghiên cứu cải tiến mới có iên dạng răng cƣa nh m thay thế các hệ thống phanh
thông thƣờng đang sử dụng hiện nay. MRB với iên dạng răng cƣa này có nh ng ƣu
điểm nổi trội so với các loại MRB trƣớc đây nhƣ giảm kích thƣớc cũng nhƣ khối
lƣợng phanh, đồng thời tăng moment phanh do tăng diện tích tiếp xúc gi a đĩa
phanh và lƣu chất từ iến, kết hợp với cơ cấu phanh trƣợt, đƣợc quấn với hai cuộn
dây và có thành phân cách để cuộn dây không tiếp xúc trực tiếp với lƣu chất MRF,
thuận lợi cho việc chế tạo và ảo trì.
B ng việc sử dụng ài tốn tối ƣu hóa kết hợp với phƣơng pháp phần tử h u hạn

thông qua phần mềm ANSYS, kết quả là khối lƣợng nhỏ nhất, kích thƣớc của phanh
quay, phanh trƣợt và mơ men phanh, lực phanh trƣợt đã đạt đƣợc theo yêu cầu nhƣ
mục tiêu trong đề tài nghiên cứu.

ii


ABSTRACT
Through the topic with title is: "Design, Manufacturing and experimental evaluation
of a 4D force feedback system using Spherical manipulator and MR brakes", the
studying carried out to improve MRB system with the brake designed in serrated
shape, in order to replaces the conventional brake system used in current. The MRB
system with the brake designed in serrated shape has benefits more than previous.
The size and weight of brake were not only reduced, but also the value of braking
torque raised by increasing the contacted area between brake disc and magnetic
fluid. Combined with a structure damper, it is wrapped with two coils and has a
separator for the coil not to come in direct contact with MRF fluid, which is
convenient for fabrication and maintenance.
By using the optimization problem associated with finite element method through
ANSYS software, the result is the smallest weight, the size of the rotary brake, the
slide braking and the brake torque, the slide braking force has been reached as
required as the objective in the research topic.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự hƣớng dẫn
khoa học của thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong đề tài này là trung thực và chƣa cơng ố dƣới ất kỳ hình thức nào trƣớc đây.

Nh ng số liệu trong các ảng iểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo. Các kết quả mơ phỏng và thực nghiệm đƣợc trình ày trong luận văn
này đều đƣợc phản ánh một cách trung thực.
Học viên

Ngô Văn Thắng

iv


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

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

2.

Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................2

3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................2

4.

Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................3

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...........................................................................4

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN ...................................................................................6

1.1

Sự phát triển và ứng dụng của tay máy công nghiệp ....................................6

1.2

Tổng quan về hệ thống tay máy Chủ-Tớ .......................................................8

1.3

Hệ thống phản hồi lực và ứng dụng trong hệ thống tay máy Chủ-Tớ ...........9

1.4

Nghiên cứu và phát triển của hệ thống phản hồi lực ...................................12

1.5

Hạn chế các hệ thống phản hồi lực trƣớc đây và lý do thực hiện luận văn .13

CHƢƠNG 2
HỆ THỐNG TAY MÁY CHỦ-TỚ 4 BẬC TỰ DO CÓ
PHẢN HỒI LỰC DÙNG PHANH MRF ..................................................................15
2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tay máy 4 ậc tự do có phản hồi lực dùng
phanh MRF đƣợc đề xuất .....................................................................................15
2.2

Tính tốn thiết kế tay máy Master ...............................................................16

2.2.1 Sơ đồ động lực học và thông số cơ ản ................................................16
2.2.2 Tính tốn mơ men phanh cần thiết và lực phanh cho phanh trƣợt của hệ
thống phản hồi lực ............................................................................................18
2.2.3 Thiết kế chi tiết từng ộ phận của tay máy Master ................................20
CHƢƠNG 3
3.1

THIẾT KẾ PHANH QUAY MRF VÀ KHỚP TRƢỢT .................24

Thiết kế phanh quay....................................................................................24

3.1.1 Giới thiệu các loại phanh quay dùng lƣu chất từ iến ............................24
3.1.2 Lựa chọn kiểu phanh quay ....................................................................29
3.1.3 Tính tốn moment phanh ........................................................................30
3.1.4 Tính tốn từ trƣờng phanh ......................................................................35

v


3.1.5 Tính tốn tối ƣu phanh ...........................................................................36

3.1.6 Phƣơng pháp giải ài toán tối ƣu ..........................................................37
3.1.7 Lựa chọn lƣu chất MR và vật liệu làm phanh ........................................37
3.1.8 Kết quả giải ài toán tối ƣu phanh MRF ................................................39
3.1.9 Thiết kế chi tiết phanh quay ...................................................................45
3.2

Thiết kế phanh trƣợt.....................................................................................48

3.2.1 Giới thiệu các loại phanh trƣợt ...............................................................48
3.2.2 Lựa chọn phanh trƣợt .............................................................................50
3.2.3 Tính tốn lực phanh ................................................................................50
3.2.4 Lựa chọn lƣu chất và vât liệu cho phanh trƣợt .......................................52
3.2.5 Thiết kế tối ƣu phanh trƣợt .....................................................................53
3.2.6 Kết quả tối ƣu phanh trƣợt .....................................................................53
3.2.7 Thiết kế chi tiết phanh trƣợt ...................................................................58
CHƢƠNG 4 CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM CƠ CẤU PHẢN HỒI LỰC ............62
4.1

Chế tạo phanh quay .....................................................................................62

4.2

Chế tạo phanh trƣợt ....................................................................................66

4.3

Chế tạo ộ phận cơ ản ...............................................................................67

4.4

Lắp ráp cơ cấu phản hồi lực ........................................................................69

4.3

Thực nghiệm đánh giá phanh quay và phanh trƣợt ....................................71

4.3.1 Mơ hình thực nghiệm đánh giá phanh quay khớp 1 ..............................71
4.3.2 Mơ hình thực nghiệm đánh giá phanh quay khớp 2 ..............................74
4.3.3 Mô hình thực nghiệm đánh giá phanh trƣợt ...........................................77
4.3.4 Nhận xét và đánh giá kết quả ................................................................79
CHƢƠNG 5

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC ...............................80

5.1

Hệ thống điều khiển hở ...............................................................................80

5.2

Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống điều khiển hở ........................................83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85
1.

Kết luận ..........................................................................................................85

2.

Kiến nghị........................................................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87
PHỤ LỤC ..................................................................................................................89
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................93

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Ro ot óc tách khối u ung thƣ .................................................................... 7
Hình 1.2 Ro ot “xe tăng có khả năng chống lại chất phóng xạ ............................... 7
Hình 1.3 Mơ hình hệ thống Haptic ............................................................................ 8
Hình 1.4 Tƣơng tác với thế giới ảo ............................................................................ 9
Hình 1.5 Ro ot phẫu thuật Da Vinci........................................................................ 10
Hình 1.6 Ro ot chiến đấu MAARS của hãng QinetiQ ............................................ 10
Hình 1.7 Ro ot lắp ráp ơ tơ ...................................................................................... 11
Hình 1.8 iRo ot Pack ot đo nồng độ phóng xạ tại nhà máy điện Fukushima......... 12
Hình 1.9 Hệ thống ro ot điều khiển từ xa có trang bị camera ................................. 12
Hình 1.10 Hệ thống tay máy Chủ-Tớ 3 ậc tự do có phản hồi lực .......................... 13
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tay máy Master và Slave .......................... 15
Hình 2.2 Mơ hình 3D thiết kế tay máy Master ........................................................ 16
Hình 2.3 Sơ đồ giới hạn góc quay của tay máy Master ........................................... 17
Hình 2.4 Sơ đồ phân ố lực ở khâu cuối K tay máy Master .................................... 18
Hình 2.5 Mơ hình 3D thiết kế phần xoay cánh tay máy Master .............................. 20
Hình 2.6 Bản vẽ kích thƣớc phần xoay của cánh tay Master ................................... 20
Hình 2.7 Mơ hình 3D thiết kế khớp 1 cánh tay máy Master.................................... 21
Hình 2.8 Bản vẽ kích thƣớc khớp 1 của cánh tay .................................................... 21
Hình 2.9 Mơ hình 3D thiết kế khớp 2 cánh tay máy Master.................................... 22
Hình 2.10 Bản vẽ kích thƣớc khớp 2 của cánh tay. ................................................. 22
Hình 2.11 Mơ hình 3D cánh tay máy Master. .......................................................... 23

Hình 2.12 Bản vẽ chi tiết kích thƣớc của tay máy Master. ...................................... 23
Hình 3.1 Phanh lƣu chất từ iến truyền thống ......................................................... 24
Hình 3.2 Phanh dạng tang trống............................................................................... 25
Hình 3.3 Phanh dạng kết hợp ................................................................................... 25
Hình 3.4 MRB dạng kết hợp với 2 cuộn dây ........................................................... 26
Hình 3.5 MRB có 1 cuộn dây quấn mỗi ên vỏ ....................................................... 26
Hình 3.6 Cấu hình phanh MRF đề xuất ................................................................... 27
Hình 3.7 Cấu hình phanh MRF đĩa răng cƣa ........................................................... 27
Hình 3.8 Cấu hình phanh MRF đĩa đơn 1 cuộn dây ở 2 ên vỏ .............................. 28
Hình 3.9 Cấu hình phanh MRF đĩa đơn 2 cuộn dây ở 2 ên vỏ .............................. 28
Hình 3.10 Cấu hình phanh MRF đĩa đơn 3 cuộn dây ở 2 ên vỏ ............................ 29
Hình 3.11 Mơ tả các đoạn cần tính moment trên phanh MRF răng cƣa .................. 30
Hình 3.12 Mơ tả một phần tử vòng tròn nhỏ của một đoạn trên đĩa phanh ............. 31
Hình 3.13 Mơ hình phần tử h u hạn phanh MRF răng cƣa ..................................... 35
Hình 3.14 Mơ phỏng FEM giải ài toán từ trƣờng của các phanh MRF ................. 40
vii


Hình 3.15 Kết quả tối ƣu của các phanh MRF......................................................... 41
Hình 3.16 Đƣờng sức từ đi qua các phanh MRF ..................................................... 43
Hình 3.17 Phân ố mật độ từ thơng của các phanh MRF (đơn vị: Tefla)................ 44
Hình 3.18 Bản vẽ cấu tạo tổng thể của phanh quay ................................................. 45
Hình 3.19 Cấu tạo đĩa phanh .................................................................................... 46
Hình 3.21 Cấu tạo má phanh 1 ................................................................................. 47
Hình 3.22 Cấu tạo má phanh 2 ................................................................................. 47
Hình 3.23 Cấu tạo nắp ít ........................................................................................ 48
Hình 3.24 Phanh trƣợt truyền thống có cuộn dây đƣợc quấn trên ống cách từ ....... 48
Hình 3.25 Các cấu hình phanh trƣợt để giải ài tốn tối ƣu .................................... 49
Hình 3.26 Phanh trƣợt khơng dùng ống cách từ ...................................................... 50
Hình 3.27 Mơ phỏng FEM giải ài tốn từ trƣờng của các phanh trƣợt ................. 54

Hình 3.28 Kết quả tối ƣu của các phanh trƣợt ......................................................... 54
Hình 3.29 Đƣờng sức từ đi qua các phanh trƣợt. ..................................................... 56
Hình 3.30 Phân ố mật độ từ thơng của các phanh trƣợt ......................................... 57
Hình 3.31 Bản vẽ cấu tạo của phanh trƣợt ............................................................... 58
Hình 3.32 Cấu tạo vỏ cuốn dây ................................................................................ 59
Hình 3.33 Cấu tạo trục phanh trƣợt ......................................................................... 59
Hình 3.34 Cấu tạo nắp ịt phanh trƣợt ..................................................................... 60
Hình 3.35 Cấu tạo ạc trƣợt ..................................................................................... 60
Hình 3.36 Cấu tạo nắp cuộn dây .............................................................................. 61
Hình 3.37 Cấu tạo phanh trƣợt định vị .................................................................... 61
Hình 4.1 Nguyên lí cơng nghệ ắn cát ..................................................................... 63
Hình 4.2 Máy ắn cát và thiết ị ắn cát ................................................................. 63
Hình 4.3 Trục và đĩa phanh lắp ghép với nhau và xử lý ề mặt đĩa phanh ............. 64
Hình 4.4 Má phanh ................................................................................................... 64
Hình 4.5 Tổng thể các chi tiết của phanh quay ......................................................... 65
Hình 4.6 Phanh quay MRF đã đƣợc lắp ghép .......................................................... 65
Hình 4.7 Trục phanh trƣợt......................................................................................... 66
Hình 4.8 Các chi tiết của phanh trƣợt đƣợc tháo rời. ............................................... 67
Hình 4.9 Phanh trƣợt đã đƣợc lắp ghép ................................................................... 67
Hình 4.10 Bộ phận chân máy sau khi đƣợc gia công và lắp ghép ........................... 68
Hình 4.11 Bộ phận khớp xoay sau khi lắp ghép ...................................................... 68
Hình 4.12 Lắp ráp cơ cấu tay máy Master ............................................................... 69
Hình 4.13 Tay máy Master sau khi đƣợc lắp ráp ..................................................... 70
Hình 4.14 Mơ hình thí nghiệm phanh quay 1 .......................................................... 71
Hình 4.15 Đồ thị liên hệ gi a lực và dòng điện theo thời gian phanh quay 1 ......... 72
Hình 4.16 Biểu đồ mơ men với dịng điện theo thời gian phanh quay 1 ................. 72
Hình 4.17 Moment phanh theo cƣờng độ dòng điện phanh quay 1 ......................... 73
Hình 4.18 Sự sai lệch kết quả thực tế và lý thuyết phanh quay 1 ............................ 73
viii

Hình 4.19 Mơ hình thí nghiệm phanh quay 2 .......................................................... 74
Hình 4.20 Đồ thị liên hệ gi a lực và dịng điện theo thời gian phanh quay 2 ......... 75
Hình 4.21 Biểu đồ mơ men với dịng điện theo thời gian phanh quay 2 ................. 75
Hình 4.22 Moment phanh theo cƣờng độ dịng điện phanh quay 2 ......................... 76
Hình 4.23 Sự sai lệch kết quả thực tế và lý thuyết phanh quay 2 ............................ 76
Hình 4.24 Mơ hình thí nghiệm phanh trƣợt ............................................................. 77
Hình 4.25 Đồ thị liên hệ gi a lực và dòng điện theo thời gian của phanh trƣợt ..... 77
Hình 4.26 Lực phanh theo cƣờng độ dịng điện của phanh trƣợt ............................ 78
Hình 4.27 Sự sai lệch kết quả thực tế và lý thuyết lực của phanh trƣợt .................. 79
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển hở.................................................................... 80
Hình 5.2 Đồ thị xác định cƣờng độ tác dụng vào phanh quay 1 theo mơ men ........ 81
Hình 5.3 Đồ thị xác định cƣờng độ tác dụng vào phanh quay 2 theo mơ men ........ 82
Hình 5.4 Đồ thị xác định cƣờng độ tác dụng vào cuộn dây phanh trƣợt ................. 82
Hình 5.5 Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống điều khiển hở ...................................... 83

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của lƣu chất MRF – 132DG ........................................38
Bảng 3.2 Kết quả tối ƣu của các loại phanh MRF ...................................................42
Bảng 3.3 Kết quả tối ƣu của các loại phanh trƣợt ....................................................55

x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
FEA
FEM

MRB
MRF

Finite Element Analysis
Finite Element Method
Magneto Rheological Brake
Magneto Rheological Fluid

xi

Phân tích phần tử h u hạn
Phƣơng pháp phần tử h u hạn
Phanh lƣu chất từ iến
Lƣu chất từ iến


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong xã hội, công nghiệp hiện đại, nhu cầu làm việc trong môi trƣờng khắc nghiệt,
môi trƣờng độc hại là điều không thể tránh khỏi nhƣ trong các lị phản ứng hạt
nhân, trong các phịng thí nghiệm hóa chất độc hại, trong dây chuyền sản xuất và
pha chế thuốc trừ sâu, trong công tác chửa cháy, trong hoạt động chống khủng bố,
rà phá bom mìn, trong phẫu thuật y khoa [1].
Để đảm bảo an toàn cho con ngƣời khi phải làm việc trong các môi trƣờng này, một
trong nh ng giải pháp đƣợc dùng phổ biến là sử dụng Robot điều khiển từ xa (Hệ
thống robot Chủ (Master)-Tớ (Slave). Mặc dù kỹ thuật camera đã đƣợc sử dụng để
quan sát môi trƣờng làm việc (môi trƣờng tƣơng tác với robot Slave), tuy nhiên việc
thiếu các thông tin tƣơng tác trực tiếp nhƣ lực, mô men, độ cứng.. đã ảnh hƣởng rất
lớn đến các thao tác uyển chuyển, cũng nhƣ độ chính xác khi ngƣời vận hành điều
khiển rô bốt Slave từ robot Master [2].

Nh ng năm gần đây, kỹ thuật phản hồi thông tin lực tác dụng (force feedback) và
thông tin tiếp xúc cơ học (tactile) đã đƣợc sử dụng để tăng hiệu quả của các tƣơng
tác ngƣời - máy. Với kỹ thuật này, ngƣời điều khiển có thể cảm nhận các tác động
của mơi trƣờng làm việc lên ro ot nhƣ: lực tác động, cảm giác về độ nhám của bề
mặt tiếp xúc hay cảm giác về chuyển động thơng qua xúc giác của mình [3]. Kỹ
thuật này giúp cho ngƣời điều khiển có thể vận hành robot một cách chính xác và
hiệu quả hơn.
Do nhu cầu thiết thực của hệ thống phản hồi thông tin lực, hiện nay trên thế giới đã
có nhiều nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực và một số đã đƣợc thƣơng mại hóa.
Trƣớc đây, hầu hết các cơ cấu phản hồi lực đều sử dụng các loại động cơ điện và cơ
cấu khí nén để phản ánh lực và mô men tại môi trƣờng làm việc lên ngƣời điều
khiển [2-5]. Nhƣợc điểm cơ ản của hệ thống phản hồi dùng động cơ điện là kết cấu

1


cồng kềnh, thời gian đáp ứng chậm, tính cơ động không cao. Trong nh ng năm gần
đây, với nh ng phát triển mạnh mẽ của việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu thông
minh đặc iệt là lƣu chất MRF, đã có một số nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực
dùng lƣu chất MRF [6-10]. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm từ các nghiên cứu
này đã cho thấy, lƣu chất MRF rất có tiềm năng ứng dụng trong các cơ cấu phản hồi
thơng tin lực.
Từ các phân tích trên, ta có thể nhận thấy nhu cầu về hệ thống phản hồi lực là rất
cần thiết trong công nghiệp hiện đại.. Vì vậy đề tài “Thiết kế, chế tạo và thực
nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực 4 ậc tự do dùng cơ cấu tay máy tạo tọa độ
cầu và phanh MRF mang đến nh ng giải pháp tối ƣu hóa cho ứng dụng điều khiển
Ro ot cơng nghiệp và đồng thời điểm nhấn cho sự phát triển cho ngành cơng
nghiệp tự động hóa.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tay máy Master 4 ậc tự do có giá trị lực

tại khớp trƣợt và mơ men phanh quay có khả năng thực hiện các công việc sau:
Giá trị lực tại phanh trƣợt: 5 N – 40 N.
Giá trị mô men xoay của phanh MRF: 0,03 – 8 (N×m).
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Ro ot 4 ậc tự do, các loại phanh đang sử dụng trên Robot,
các tài liệu, cơng trình nghiên cứu về MRF, MRB, phanh trƣợt, các tài liệu và thiết
ị, mơ hình có liên quan.
Phạm vi nghiên cứu: Trong luận văn này cần thực hiện các nội dung sau:
Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về các loại phanh và phanh trƣợt sử dụng MRF
để làm tiền đề cho kết cấu ộ phản hồi lực.
Nội dung 2: Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của ộ phản hồi lực dùng
MRF, ứng dụng trên các khớp tay máy của đề tài.
Nội dung 3: Thu thập kết quả, so sánh và nhận xét.

2


Nội dung 4: Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master 4 ậc tự do sử dụng lƣu chất
từ iến MRF đã đƣợc đề xuất.
Tay máy master cũng ao gồm các phanh quay, phanh trƣợt, tại các khớp có lắp các
encoder và các ộ phản hồi lực MRF để tạo mô men phản hồi lực tại các khớp lên
tay ngƣời điều khiển.
Nội dung 5: Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống thiết ị.
Nội dung 6: Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá tính năng của tay máy
đƣợc chế tạo.
Nội dung 7: Tổng hợp kết quả, thuyết minh luận văn.
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
4.1 Phƣơng pháp luận
Nghiên cứu này đƣợc thực hiện gi a trên cách tiếp cận từ phân tích lý thuyết đến
nhận xét, đánh giá dựa vào kết quả mô phỏng đến thực nghiệm kiểm chứng. Phƣơng

pháp luận đƣợc thực hiện theo sơ đồ sau:
Cơ sở lý thuyết

Đề xuất cấu hình phanh quay
và phanh trƣợt dùng MRF

Kiểm chứng ng mơ phỏng
dựa trên tính toán lý thuyết

Kiểm chứng thực nghiệm

So sánh và đánh giá
kết quả

3

Yêu cầu thực tiễn


4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
4.2.1 Phân tích lý thuyết
Phân tích phƣơng pháp luận từ các cơng trình khoa học liên quan đƣợc công ố
trong thời gian gần đây trên các tạp chí khoa học, các kỹ yếu hội nghị khoa học
trong nƣớc 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 phƣơng pháp thực hiện đề tài.
4.2.2 Phân tích thực nghiệm
Giải pháp đƣợc đề xuất 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 nh m kiểm chứng, đánh giá độ chính xác cũng nhƣ khả năng ứng dụng của giải

pháp đƣợc đề xuất trong phần lý thuyết.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Xây dựng mơ hình điều khiển tay máy 4 ậc tự do xoay (El ow ro ot) điều khiển từ
xa. Nh m đáp ứng các yêu cầu của việc điều khiển chính xác, đảm ảo 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 đƣợc các yêu cầu điều khiển chính xác
thay thế cho các ro ot hiện nay.
Ro ot đƣợc ứng dụng làm việc trong môi trƣờng khắc nghiệt, môi trƣờng độc hại là
điều khơng thể tránh khỏi nhƣ trong các lị phản ứng hạt nhân, trong các phịng thí
nghiệm hóa chất độc hại, trong dây chuyền sản xuất và pha chế thuốc trừ sâu, trong
công tác chửa cháy, trong hoạt động chống khủng ồ, rà phá om mìn, trong phẫu
thuật y khoa và mang đến nhiều ứng dụng trong sự phát triển của công nghiệp Việt
nam và thế giới. Để đảm ảo an toàn cho con ngƣời khi phải làm việc trong các mơi
trƣờng này, thì việc sử dụng Rơ ốt điều khiển từ xa (Hệ thống rô ốt Chủ (Master)Tớ (Slave) là rất có ý nghĩa đối với sự an toàn cho ngƣời sử dụng.

4


Hơn n a, sản phẩm của đề tài có thể đƣợc nhân rộng để sử dụng cho các hoạt động
nghiên cứu và giảng dạy ở các trƣờng Đại học tại Việt nam.

5


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Sự phát triển và ứng dụng của tay máy công nghiệp
Ngành công nghiệp ro ot đã phát triển vƣợt ậc và có nh ng thành tựu đáng kể

trong nh ng năm gần đây. Tình trạng thiếu hụt lao động và già hóa dân số tại một
số quốc gia là nh ng yếu tố thúc đẩy việc phát triển và ứng dụng ro ot hình ngƣời
[4]. Các nhà khoa học tin r ng, trong tƣơng lai ro ot sẽ không lấy đi tất cả việc làm
của con ngƣời mà chúng sẽ trở thành công cụ đắc lực để hỗ trợ và chia sẻ với chúng
ta.
Song song với nó là vấn đề cải thiện chất lƣợng ro ot, làm sao để tăng hiệu quả làm
việc và đơn giản hóa q trình điều khiển ro ot ln là đề tài đƣợc các nhà khoa
học quan tâm [5].
Để giải quyết đƣợc vấn đề này, các nhà khoa học đã áp dụng hàng loạt công nghệ,
kỹ thuật tiên tiến vào ro ot. Một trong số đó có kỹ thuật điều khiển ro ot theo
phƣơng pháp sao chép chuyển động. Kỹ thuật này đƣợc áp dụng trong các hệ thống
Master – Slave, sử dụng các ro ot thay thế cho con ngƣời làm việc trong các môi
trƣờng khắc nghiệt nhƣ: làm việc trong các lò phản ứng hạt nhân, khu vực hầm mỏ,
phẫu thuật từ xa trong y tế, trong quân sự... Trong nh ng khu vực nguy hiểm, độc
hại con ngƣời không thể làm việc trực tiếp[7].
Trong y tế các ứng dụng ro ot cũng phát triển mạnh. Từ khung xƣơng trợ lực giúp
ngƣời ị liệt đi lại đƣợc, các ro ot siêu nhỏ “ óc tách khối u trong não đến nh ng
cỗ máy làm việc không mệt mỏi nhƣ các hộ lý trong ệnh viện… Lấy cảm hứng từ
càng cua, các nhà khoa học Singapore đã tạo ra ro ot phẫu thuật nội soi tên là
MASTER, dùng luồn từ cổ họng xuống ao tử để óc tách khối u ung thƣ

ng 2

chiếc càng nhỏ xíu [8]. Hình 1.1 nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Chinese – Hồng
Kơng giải thích r ng trong khi một càng kẹp chặt khối u thì chiếc càng cịn lại sẽ cắt
ỏ nó. Q trình này chỉ mất 20 phút, hứa hẹn sẽ sớm loại ỏ nhu cầu phẫu thuật,
6


vốn kéo dài hàng giờ liền. Ro ot “càng cua đã đƣợc thử nghiệm thành cơng trên

nhiều ệnh nhân.

Hình 1.1 Ro ot óc tách khối u ung thƣ
Trong cơng nghệ xử lí mơi trƣờng ở nh ng nơi nguy hiểm, có chất phóng xạ. Cơng
ty Mitsu ishi, Nhật Bản chế tạo ro ot điều khiển từ xa có khả năng miễn nhiễm chất
phóng xạ đƣợc sử dụng trong việc sửa ch a và làm sạch Nhà máy hạt nhân
Fukushima.

Hình 1.2 Ro ot “xe tăng có khả năng chống lại chất phóng xạ
Hình 1.2: Ro ot “xe tăng có tên là “MEISTER , cao khoảng 1,3 mét với hai cánh
tay, mỗi ên có thể nâng vật nặng 15 kg. Ngồi ra, ro ot đƣợc trang ị nhiều công
cụ khác nhau trong các thiết ị điện tử rất "cứng" có khả năng chịu các ức xạ.
7


1.2 Tổng quan về hệ thống tay máy Chủ-Tớ
Haptic không chỉ là công nghệ “chạm , haptic là “chạm và cảm nhận .
Haptic là một thuật ng có nguồn gốc Hy Lạp (haptikos) có nghĩa là cảm giác tiếp
xúc, hay xúc giác. Ý tƣởng về haptic có từ thập niên 90 nhƣng phát triển muộn ởi
việc mơ phỏng tín hiệu xúc giác khá rắc rối. Máy tính dễ truyền đạt tín hiệu thị giác
và thính giác nhƣng lại gặp khó khăn với xúc giác. Ngƣời dùng xem đƣợc hình ảnh,
gõ ch

ng àn phím, nghe âm thanh ở loa, nhƣng khơng thể cảm nhận

ng xúc

giác nh ng gì đang xảy ra ên trong ộ máy. Sau nhiều nghiên cứu, thách thức đƣợc
giải quyết nhờ phân tích thành phần của cảm giác “chạm .
Khi chạm vào một vật

ng cử động có mục đích, cảm giác mà chúng ta nhận đƣợc

gồm hai phần:
• Cảm giác tiếp xúc: là cảm nhận an đầu khi cơ thể tiếp xúc với vật thể, đƣợc cung
cấp ởi dây thần kinh dƣới da. Cảm giác này giúp nhận iết hình dạng, kết cấu ề
mặt, nhiệt độ, rung động, ma sát… của vật thể.
• Cảm giác vận động: xuất hiện khi cơ thể dùng lực gi và tác động lên vật thể. Cảm
giác vận động cho iết trọng lƣợng vật, vị trí, phƣơng hƣớng các lực và chuyển
động tƣơng đối của cơ thể so với vật.
Hai loại phản hồi xúc giác đƣợc tạo ra đồng ộ nhờ hệ thống haptic, kết hợp với
nhau, mơ phỏng “cảm giác chạm hồn hảo.

Hình 1.3 Mơ hình hệ thống Haptic
8


Hệ thống haptic cơ ản gồm "thiết ị haptic" và "giao diện haptic" kết nối với máy
tính thể hiện nhƣ hình 1.3.
• Giao diện haptic: có các cảm iến ghi nhận thơng tin về vị trí, tƣ thế, phƣơng
hƣớng, tƣơng tác… của đối tƣợng, và có cơ cấu phản hồi xúc giác. Giao diện haptic
có thể là màn hình cảm ứng hoặc ảnh ảo 3D.
• Thiết ị haptic: là trung gian gi a ngƣời dùng và giao diện, cho phép kết nối, thao
tác và cảm nhận phản hồi từ giao diện xúc giác. Thiết ị có thể đeo trên ngƣời, đủ
gọn để ngƣời dùng tự do thao tác.
• Máy tính: phân tích tình huống, điều khiển giao diện và thiết ị haptic tạo “cảm
giác xúc giác cho ngƣời dùng.
Cảm giác lực thông thƣờng đƣợc thực hiện thông qua việc điều khiển một cơ cấu
chấp hành, cơ cấu này sẽ tái tạo cảm giác về lực qua tác động với con ngƣời thể
hiện nhƣ hình 1.4. Cơ cấu chấp hành có thể là các động cơ điện, động cơ khí nén,

thủy lực hoặc gần đây là các cơ cấu dùng vật liệu thơng minh.

Hình 1.4 Tƣơng tác với thế giới ảo
1.3 Hệ thống phản hồi lực và ứng dụng trong hệ thống tay máy Chủ-Tớ
Với tính năng h u ích của mình, cơng nghệ phản hồi lực đang dần đƣợc ứng dụng
vào khá nhiều lĩnh vực. Nhƣ trong y học thƣờng đƣợc dùng trong các thiết ị phẫu
thuật, nội soi. Ở đây thiết ị phản hồi lực sẽ cung cấp vị trí, lực cắt và hƣớng
chuyển động cho các thiết ị phẫu thuật làm việc. Trong khi đó, ác sỹ phẫu thuật
9


sẽ cảm nhận đƣợc lực cắt mổ trên tay giống nhƣ lực cắt mổ thực tế của thiết ị phẫu
thuật. Bác sỹ thƣờng đƣợc thực tập trên “môi trƣờng ảo , trƣớc khi thao tác trên
“môi trƣờng thật là ngƣời ệnh. Mơ hình thực tế ảo trên máy tính sẽ tƣơng tác với
thiết ị phản hồi lực để nhận “lệnh từ ác sĩ phẫu thuật nhƣ hình 1.5. Tuy là môi
trƣờng ảo nhƣng ác sĩ cũng vẫn cảm nhận đƣợc lực cắt mổ y nhƣ thật. Một trong
nh ng ứng dụng nổi ật nhất đó là hệ thống thiết ị phẫu thuật Da Vinci.

Hình 1.5 Ro ot phẫu thuật Da Vinci
Trong quân sự: Ở nh ng môi trƣờng làm việc đặc iệt nguy hiểm, thiết ị phản hồi
lực có thể đƣợc dùng nhƣ một thiết ị chủ để điều khiển từ xa một thiết ị tớ. Ngƣời
sử dụng vận hành thiết ị chủ trong một phịng an tồn và điều khiển một thiết ị tớ
ở một khoảng cách rất xa nhƣ hình 1.6.

Hình 1.6 Ro ot chiến đấu MAARS của hãng QinetiQ
10