Nghiên cứu phát triển mô hình thiết bị tự di chuyển nhờ rung động

1

L Ờ CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án này là cơng trình nghiên
cứu khoa học độc lập của bản thân thực hiện. Các số liệu sử dụng phân tích có
nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định và chưa được sử dụng cho bất kỳ
một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa
học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn.
Thái Nguyên, ngày 12 tháng 4 năm 2021
Người th ực h íện

La Ngọc Tuấn


L Ờ CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn khoa học của tơi,
PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi rất
nhiều trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận án tốt nghiệp. Tôi cũng xin cảm
ơn Công ty TNHH Chế tạo máy Thái An, Xưởng cắt gọt kim loại - Khoa Cơ khí chế
tạo - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã giúp đỡ tôi trong việc gia công,
chế tạo các thiết bị thí nghiệm của đề tài này.
Tơi xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện để tôi được tham gia học
tập và hồn thành luận án.
Lịng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ tới những người thân trong gia đình đã
hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt là vợ tôi
Nguyễn Thị Thúy Hằng người đã đảm nhiệm thay tôi trong q trình tơi xa nhà để
tham gia và hồn thành cơng trình nghiên cứu này. Tơi cũng muốn nói lời cảm ơn
tới gia đình bác Chuân - Thứ, gia đình bạn Thanh - Huệ đã chăm sóc, động viên tơi
trong suốt thời gian tôi sống và học tập ở đây.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp từ
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và Trường Đại

học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập, nghiên
cứu của tôi.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
MỤC LỤC...............................................................................................................iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN............................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................xiv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.................................................................................xv
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
I. Tính cấp thiết...................................................................................................1
II. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu........................................................................3
11.1. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................3
11.2. Nội dung nghiên cứu................................................................................3
III. Phương pháp nghiên cứu................................................................................4
IV. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn...........................................................4
IV.1. Ý nghĩa khoa học......................................................................................4
IV.2. Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................4
V. Các đóng góp mới..........................................................................................5
V. Cấu trúc luận án................................................................................................5
CHƯƠNG 1. T ỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ Tự DI CHUYỂN......6
1.1. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị tự di chuyển.............................................6
1.1.1. Thiết bị tự di chuyển có cơ cấu dẫn động ngồi......................................6
1.1.2. Thiết bị tự di chuyển khơng có cơ cấu dẫn động ngồi.........................10
1.2. Các nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển nhờ rung động.........khơng có va đập
12
1.3. Các nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển nhờ rung động...................có va đập

20
1.4. Kết luận Chương 1.......................................................................................32
CHƯƠNG 2. C Ơ SỞ KHOA HỌ C NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ Tự DI CHUYỂN
NHỜ RUNG ĐỘNG...............................................................................................34
2.1. Mơ hình hóa thiết bị tự di chuyển...............................................................34


2.1.1. Mơ hình vật lý......................................................................................34
2.1.2. Mơ hình tốn học..................................................................................35
2.2. Phân tích động lực học trong miền thời gian (time history)........................38
2.3. Phân tích động lực học bằng đồ thị pha và bản đồ Poincaré.......................41
2.3.1. Phân tích đồ thị pha..............................................................................41
2.3.2. Bản đồ Poincaré...................................................................................43
2.4. Phân tích động lực học bằng đồ thị rẽ nhánh (Bifurcation diagram)...........46
2.5. Các cơng cụ phân tích động lực học bằng giải tích số.................................48
2.5.1. Phần mềm XPPAUTO..........................................................................49
2.5.2. Phần mềm Dynamics...........................................................................51
2.5.3. Phần mềm OriginLab...........................................................................53
2.6. Kết luận Chương 2......................................................................................53
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM........................................55
3.1. Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm................................................................55
3.2. Kết cấu cơ khí cho hệ thống thí nghiệm......................................................55
3.2.1. Bộ tạo rung (shaker).............................................................................56
3.2.2. Bộ phận thay đổi lực ma sát.................................................................58
3.3. Lựa chọn, lắp đặt thiết bị đo........................................................................59
3.3.1. Các thông số và yêu cầu đo..................................................................59
3.3.2. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu...............................................61
3.4. Chế tạo, lắp đặt hệ thống và vận hành thử nghiệm......................................69
3.4.1. Thực nghiệm xác định thông số kết cấu, thông số vận hành.................69
3.4.2. Lắp đặt và vận hành hệ thống thí nghiệm.............................................73

3.5. Kết luận Chương 3......................................................................................74
CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH THIẾT BỊ Tự DI CHUYỂN MỚI.................75
4.1. Mơ hình hóa hệ thống mới đề xuất.............................................................75
4.1.1. Mơ hình vật lý......................................................................................75
4.1.2. Kiểm nghiệm nhanh mơ hình bằng phương pháp giải tích số...............77
4.1.3. Mơ hình hóa hệ thống tự di chuyển nhờ rung động..............................78


4.2. Thí nghiệm kiểm chứng mơ hình................................................................80
4.2.1. Thiết lập thí nghiệm.............................................................................80
4.2.2. Kết quả kiểm chứng mơ hình...............................................................80
4.3. Phân tích ứng xử động lực học cơ hệ..........................................................87
4.3.1. Ảnh hưởng của tần số lực kích thích....................................................88
4.3.2. Ảnh hưởng của biên độ lực kích thích.................................................89
4.3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ giữa các khối lượng.............................................90
4.3.4. Ảnh hưởng của độ cứng phi tuyến củalò xo.........................................91
4.4. Đánh giá mơ hình mới.................................................................................93
4.4.1. Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình tốn...............................................94
4.4.2. So sánh khả năng dịch chuyển..............................................................96
4.4.3. So sánh đặc tính động lực học..............................................................99
4.5. Kết luận Chương 4....................................................................................101
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.......................................103
1. Kết luận........................................................................................................103
2. Hướng nghiên cứu tiếp theo.........................................................................103
CÁC C ƠNG TRÌNH KHOA H ọ C ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU..........104
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................106


CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN
Th ứ

tự

C h ữ vi ết
tắt

Gi ả i nghĩa

1.

DAQ

Data Acquisition System - hệ thống thu thập dữ liệu

2.

DC

Direct Current - Nguồn điện một chiều

LVDT

Linear Variable Displacement Transformer - Cảm biến
dịch chuyển

4.

RLC

Mạch điện gồm điện trở (R), cuộn cảm (L) và tụ điện (C),
mắc nối tiếp tạo thành một dao động điều hòa cho dòng

điện và cộng hưởng

5.

PZT

Lead Zirconate Titanate (Pb[ZrxTi(1.X)]O3) - Gốm áp điện

6.

SMA

Shape memory alloy - Hợp kim nhớ hình

7.

TNUT

3.

Thai Nguyen University of Technology - Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Ví dụ thiết bị có cơ cấu dẫn động ngồi (a) và khơng có cơ cấu dẫn động
ngồi (b).........................................................................................................1
Hình 1.1. Rơ-bốt có bánh xe dẫn động (a) và rơ-bốt có bánh xích dẫn động (b)......6
Hình 1.2. Một rơ-bốt có chân bước khi di chuyển trên đường bằng và khi lên.....dốc
7

Hình 1.3. Nguyên lý biến dạng (a) và sơ đồ nguyên lý (b) của rô-bốt sâu đo...........9
Hình 1.4. Mơ hình ngun lý làm việc của rơ-bốt sâu đo.........................................9
Hình 1.5. Sơ đồ hoạt động của máy đào ngầm ngang Moling................................11
Hình 1.6. Các nguyên tắc hình thành dịch chuyển của cơ hệ nhờ tương tác giữa các
khối lượng....................................................................................................12
Hình 1.7. Mơ hình mơ tả ngun tắc của hệ tự di chuyển gồm hai khối lượng........12
Hình 1.8. Ảnh chụp thiết bị tự di chuyển nhờ rung động dùng động cơ tuyến tính
chuyển động thẳng (a); mơ hình điều khiển chuyển động (b).......................14
Hình 1.9. Mơ hình sử dụng khối lượng lệch tâm.....................................................16
Hình 1.10. Mơ hình thiết bị tự di chuyển dùng khối lượng lệch tâm (a); Mơ hình điều
khiển vận tốc góc (b); Đồ thị time history lượng dịch chuyển của rơ-bốt (c) .... 17
Hình 1.11. Mơ hình giới hạn đàn hồi vi mơ thể hiện các giai đoạn dính (a); chuẩn
bị
trượt (b) và trượt (c) của cơ cấu tự di chuyển sử dụng khối lượng lệch tâm 18
Hình 1.12. Mơ hình hệ khối lượng - lị xo kích thích bằng xung lực điện từ.........18
Hình 1.13. Mơ hình tạo rung động bởi thanh PZT dẫn động cơ cấu tự di chuyển. 19
Hình 1.14. Mơ hình điều chỉnh và xác định lực ma sát của rơ-bốt trên mặt phẳng
nghiêng ................................................................................................................... 19
Hình 1.15. Mơ hình va đập của máy khoan va đập (a); mơ hình rung động - va đập
cải
tiến do Pavlovskaia cùng cộng sự đề xuất và phát triển (b,c)..................................21


Hình 1.16. Mơ hình thí nghiệm hệ thống tự di chuyển theo phương ngang dựa trên
nguyên lý rung động - va đập..................................................................................21
Hình 1.17. Sơ đồ mạch RLC (a) và nguyên lý hoạt động của thiết bị tự di chuyển (b)
22
Hình 1.18. Mơ hình thực nghiệm cơ cấu tự di chuyển RLC (a) và đồ thị lượng dịch
chuyển theo thời gian (b).........................................................................................22
Hình 1.19. Sơ đồ khối thí nghiệm trên mơ hình thực cơ cấu tự di chuyển RLC có bổ

sung lị xo nối giữa lõi sắt và thân thiết bị...............................................................23
Hình 1.20. Sơ đồ nguyên lý làm việc (a) và sơ đồ khối thí nghiệm (b) của cơ cấu tự
di
chuyển RLC09.........................................................................................................24
Hình 1.21. Mơ hình vật lý của capsubot sử dụng ngun tắc rung động và va đập. 25
Hình 1.22. Mơ hình thí nghiệm thiết bị tự di chuyển sử dụng động cơ tuyến tính (a)
và
sơ đồ khối đo các tham số của hệ thống (b).............................................................26
Hình 1.23. Mơ hình vật lý (a) và ảnh chụp mơ hình thực (b) của hệ thống thí nghiệm
dùng thiết bị phát rung động lực học.......................................................................27
Hình 1.24. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tự di chuyển dùng hệ Duffing (a) và đặc tính phi
tuyến của lị xo trong cơ hệ (b)................................................................................28
Hình 1.25. Mơ hình vật lý capsubot khai thác rung động - va đập theo hai phía.....29
Hình 1.26. Mơ hình vật lý thiết bị tự di chuyển khai thác va đập hai phía (a) và ảnh
chụp hệ thống thiết bị thí nghiệm (b).......................................................................29
Hình 1.27. Sơ đồ khối thí nghiệm cơ cấu va đập hai phía........................................30
Hình 1.28. Ảnh chụp capsubot tự di chuyển nhờ rung động và va đập hai phía (a) và
sơ đồ khối thí nghiệm (b).........................................................................................31
Hình 2.1. Mơ hình vật lý cơ cấu rung-va đập có lực kích thích điều hịa: mơ hình đầy
đủ (a); mơ hình thường được sử dụng (b)................................................................34
Hình 2.2. Đồ thị time history thể hiện biến đổi theo thời gian của: (a) lượng dịch


chuyển của khối lượng m2; (b) dịch chuyển tương đối giữa hai khối lượng
m1
và m2; (c) gia tốc của khối lượng m2; (d) lực tác dụng lên khối lượng
m1. ...39

Hình 2.3. Đồ thị time history thể hiện dịch chuyển (a) và vận tốc (b) của chuyển
động

tương đối x1 - x2...................................................................................................... 39
Hình 2.4. Đồ thị time history thể hiện sự biến đổi theo thời gian của lượng dịch
chuyển tương đối giữa hai khối lượng m1 và m2 (bên trái) và lượng dịch
chuyển của cơ hệ (bên phải) cho các trường hợp cơ cấu: (a) tiến nhanh về
phía
trước; (b) lùi nhanh về phía sau; (c) tiến rất chậm về phía trước..................40
Hình 2.5. Đồ thị pha của một dao động điều hòa đơn giản khi không kể đến cản (a)
và khi kể đến cản (b)................................................................................................41
Hình 2.6. Đồ thị pha được xây dựng bằng dữ liệu thực nghiệm mô tả chuyển động
tương đối giữa hai khối lượng m1 và m2 khi khơng có va đập (a) và khi có
va
đập (b)....................................................................................................42
Hình 2.7. Đồ thị pha được xây dựng bằng dữ liệu mô phỏng mô tả chuyển động
tương đối giữa hai khối lượng m1 và m2 khi khơng có va đập (a) và khi có
va đập (b)...................................................................................................42
Hình 2.8. Đồ thị pha theo thời gian trong khơnggian ba chiều (a) và quỹ đạo
pha -n é t liền màu xám, kèm bản đồ Poincar é - chấm tròn màu đỏ, của
chuyển động (b)............................................................................................43
Hình 2.9. Quỹ đạo pha kèm bản đồ Poincaré (a,b,c,d) thể hiện đặc tính chuyển động
tuần hoàn và đồ thị time history của lượng dịch chuyển x1, x2 (e,f,g,h)...................44
Hình 2.10. Quỹ đạo pha kèm bản đồ Poincaré (a) thể hiện đặc tính chuyển động hỗn
loạn và đồ thị time history lượng dịch chuyển x1, x2 (b)..........................................45
Hình 2.11. Đồ thị rẽ nhánh Logistic map.................................................................46
Hình 2.12. Đồ thị rẽ nhánh của lượng dịch chuyển và vận tốc tương đối theo tần số
kích thích ® (a); quỹ đạo pha kèm đồ thị Poincaré ở các tần số kích thích khác


nhau (b,c,d,e,f).............................................................................................48
Hình 2.13. Anh chụp màn hình soạn thảo file ODE.................................................50
Hình 2.14. Anh chụp màn hình giao diện XPP........................................................51

Hình 2.15. Lời giải số do XPP kết xuất ra...............................................................52
Hình 2.16. File khai báo hệ phương trình cần giải trong Dynamics........................52
Hình 2.17. Quá trình vẽ và lưu trữ dữ liệu đồ thị pha trongDynamics.....................53
Hình 3.1. Sơ đồ ngun lý hệ thống thí nghiệm được đề xuất (a) và ảnh chụp hệ
thống
đã triển khai (b).......................................................................................................56
Hình 3.2. Kết cấu mini shaker.................................................................................57
Hình 3.3. Sơ đồ (a) và kết cấu (b) hệ thống thay đổi ma sát....................................58
Hình 3.4. Sơ đồ xác định lực ma sát theo điện áp cấp cho nam châm điện..............59
Hình 3.5. Nguyên tắc thu thập dữ liệu trong một sơ đồ đo thông dụng...................60
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của LVDT (a,b); nguyên lý cấu tạo (c) và ảnh
chụp
cảm biến LVDT LHC-25E được sử dụng trong nghiên cứu luận án (d).......63
Hình 3.7. Dữ liệu kiểm chuẩn LVDT Holzman LHC-25E.......................................64
Hình 3.8. Cảm biến tiệm cận Kaman KD-2306: đầu đo (a); chuyển đổi tín hiệu (b)
và
sơ đồ nguyên lý cấu tạo mạch đo (c).......................................................................65
Hình 3.9. Dữ liệu calib cảm biến tiệm cận Kaman KD-2306 (Exp- dữ liệu thực
nghiệm;
Fitted Linear- đường hồi quy)......................................................................65
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Loadcell đo lực tĩnh (a) và ảnh chụp
Loadcell
MDB-5 được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm (b)............................66
Hình 3.11. Dữ liệu calib Loadcell MDB-5 (Exp- dữ liệu thực nghiệm; Fitted Linearđường hồi quy)........................................................................................................67
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý áp điện (a) và các thông số của cảm biến Kistler


9712A500 (b)...............................................................................................68
Hình 3.13. Giao diện tương tác người dùng của phần mềm NI SignalExpress........69
Hình 3.14. Lị xo tấm và mơ hình thực nghiệm xác định độ cứng của lị xo............70

Hình 3.15. Kết quả xử lý dữ liệu xác định độ cứng của lò xo (Exp- dữ liệu thực
nghiệm; Fitted Linear- đường hồi quy)....................................................................71
Hình 3.16. Mơ hình đo kiểm hệ số cản nhớt c (bên trái) và kết quả xử lý dữ liệu xác
định hệ số cản nhớt c của lò xo (bên phải)...............................................................72
Hình 3.17. Mơ hình thực nghiệm xác định biên độ lực kích kích............................72
Hình 4.1. Cơ sở thiết kế: mơ hình vật lý (a); mơ hình ma sát Coulomb (b) và dạng
sóng nửa sin của lực kích thích (c)..........................................................................75
Hình 4.2. Đồ thị time history chuyển động của khối lượng quán tính, của thân cơ
cấu và lực kích thích (a); bốn giai đoạn chuyển động của khối lượng quán
tính và chuyển động của thân cơ cấu trong một chu kỳ kích thích (b).....................78
Hình 4.3. Chuyển động của khối lượng qn tính (X1) và của thân cơ cấu (X2) từ:
(a) kết quả mô phỏng và (b) dữ liệu thực nghiệm; (c) đồ thị pha và bản đồ
Poincaré (chấm đỏ) của chuyển động tương đối giữa
hai khối lượng khicơ
cấu được kích thích với tần số 3 Hz và lực ma sát 2.02 N..........................81
Hình 4.4. Chuyển động của khối lượng qn tính (X1) và của thân cơ cấu (X2) từ:
(a) kết quả mô phỏng và (b) dữ liệu thực nghiệm; (c) đồ thị pha và bản đồ
Poincar (chấm đỏ) của chuyển động tương đối giữa
hai khối lượng khicơ
cấu được kích thích với tần số 8 Hz và lực ma sát 2.02 N..........................82
Hình 4.5. Chuyển động của khối lượng quán tính (X1) và của thân cơ cấu (X2) từ:
(a) kết quả mô phỏng và (b) dữ liệu thực nghiệm; (c) đồ thị pha và bản đồ
Poincar (chấm đỏ) của chuyển động tương đối giữa hai khối lượng khi cơ
cấu được kích thích với tần số 13 Hz và lực ma sát 2.02 N..........................84
Hình 4.6. Chuyển động của khối lượng quán tính (X1) và của thân cơ cấu (X2) từ:


(a) kết quả mô phỏng và (b) dữ liệu thực nghiệm; (c) đồ thị pha và bản đồ
Poincaré (chấm đỏ) của chuyển động tương đối giữa hai khối lượng (c) khi
cơ cấu được kích thích với tần số 18 Hz và lực ma sát 2.02 N.....................85

Hình 4.7. Time history của lượng dịch chuyển X 2 thực nghiệm sau 9s kích thích ở
một vài tần số mà thiết bị chuyển động theo chiều lùi: (a) 2.02 N và (b) 6.6 N.
Biên độ lực kích thích là 6.469 N............................................................................86
Hình 4.8. Time history của lượng dịch chuyển X 2 thực nghiệm sau 9s kích thích ở
một vài tần số mà thiết bị chuyển động theo chiều tiến: (a) 2.02 N và (b) 6.6 N.
Biên độ lực kích thích là 6.469 N............................................................................86
Hình 4.9. Lượng dịch chuyển trung bình X 2 từ kết quả mơ phỏng và thực nghiệm sau
5s kích thích tương ứng với các trường hợp lực ma sát: (a) 2.02 N và (b) 6.6 N.
Biên độ lực kích thích là 6.469 N............................................................................87
Hình 4.10. Đồ thị rẽ nhánh của v1 - v2 (đường liền) và đồ thị thay đổi của p (nét đứt)
theo (0. Kết quả được tính tốn với các thơng số a = 3.2025, p = 0.003761,
p = 2.9653 và z = 0.0766.........................................................................................89
Hình 4.11. Đồ thị rẽ nhánh của v1 - v2 (đường liền) và đồ thị lượng dịch chuyển p
của
cơ cấu (nét đứt) theo a. Kết quả được tính tốn với các thông số p = 0.003761,
p = 2.9653, G) = 1.1 và z = 0.0766..........................................................................90
Hình 4.12. Đồ thị rẽ nhánh của v 1 - v2 (đường liền) và đồ thị lượng dịch chuyển p
(nét
đứt) theo tỉ lệ khối lượng LI. Kết quả được tính tốn với các thơng số a = 3.2025,
p = 0.003761, G) = 1.1 và z = 0.0766...................................................................... 91
Hình 4.13. Đồ thị rẽ nhánh của v 1 - v2 (đường liền) và lượng dịch chuyển p (nét đứt)
khi thay đổi độ cứng phi tuyến p của lị xo. Kết quả được tính tốn với các
thơng số a = 3.2025, p = 2.9653, o = 1.1, và z = 0.0766.......................................... 91
Hình 4.14. Lượng dịch chuyển của cơ cấu khi sử dụng lò xo phi tuyến (nét đứt) và lị
xo tuyến tính (nét liền) ứng với các trường hợp: (a) (0e|0.001v2|, a = 3.2025,


p = 2.9653, z = 0.0766; (b) a e [0.1-10], p = 2.9653, (0 =1.1, z = 0.0766
và (c) pe [0.1-10], a = 3.2025, (0 = 1.1, z = 0.0766......................................92
Hình 4.15. Mơ hình thí nghiệm thiết bị tự dịch chuyển có khai thác va đập: Sơ đồ thí

nghiệm (a) và ảnh chụp thiết bị thí nghiệm (b)........................................................94
Hình 4.16. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng mơ hình rung động có va đập với lực ma
sát
bằng 2.3 N: kết quả giải tích số (a) và kết quả thực nghiệm (b)...............................96
Hình 4.17. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng mơ hình rung động có va đập với lực ma
sát
bằng 13.6 N: kết quả giải tích số (a) và kết quả thực nghiệm (b).............................96
Hình 4.18. Đồ thị bề mặt lượng dịch chuyển theo hai tham số: mơ hình khơng có va
đập (a) và mơ hình có va đập (b).............................................................................97
Hình 4.19. Đồ thị contour lượng dịch chuyển theo hai tham số: mơ hình khơng có va
đập (a) và mơ hình có va đập (b).............................................................................98
Hình 4.20. Đồ thị rẽ nhánh của vận tốc tương đối theo tham số lực ma sát: mơ hình
khơng có va đập (a) và mơ hình có va đập (b); X = 1; ® = 1..................................99
Hình 4.21. Đồ thị rẽ nhánh của vận tốc tương đối theo tham số lực ma sát: mô hình
khơng có va đập (a) và mơ hình có va đập (b): X = 1.5; ® = 1.............................100
Hình 4.22. Đồ thị pha kèm bản đồ Poincaré: khơng có va đập (a) và có va đập (b) ....
100


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thơng tin tóm tắt một số rơ-bốt mini dùng chân.....................................8
Bảng 1.2. Thơng tin tóm tắt rơ-bốt mini dạng sâu đo...............................................9
Bảng 1.3. Thơng tin tóm tắt rô-bôt mini dùng thủy lực..........................................10
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật bộ DAQ NI USB-6210.............................................69
Bảng 3.2. Thông số kết cấu của hệ thống thực nghiệm tự di chuyển nhờ rung
động ....74
Bảng 4.1. Các thơng số thí nghiệm..........................................................................80
Bảng 4.2. Các thơng số thí nghiệm với mơ hình khai thác va đập...........................95

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆ u
Ký h i
ệu
A

Biên độ lực kích thích

Đ ơn
vị
N

B

Cường độ từ trường

T

c

Cản nhớt (mơ hình mất mát năng lượng)

Ns/m

C0

Tổn thất năng lượng do va chạm

Ns/m

f

Tần số lực kích thích

Hz

F

Ma sát hay lực cản chuyển động của cơ hệ

N

Fr

Cường độ lực ma sát

N

fs

Tần suất lấy mẫu

Hz

f

Tần số Nyquist

Hz

Fc

Lực cản nhớt

N

Fe

Lực kích thích

N

Lực ma sát (hoặc lực cản) của mơi trường lên cơ cấu

N

spr

Lực đàn hồi của lị xo

N

G

Khoảng cách va đập

mm

H

Hàm bước (Heaviside function)

I

Dòng điện

A

i

Dòng điện tức thời

A

k

Độ cứng lị xo

N/m

ko

Mơ hình độ cứng va chạm

N/m

ki

Thành phần tuyến tính của độ cứng lị xo

N/m

k2

Thành phần bậc ba của độ cứng lò xo

N/m3

L

Chiều dài ống dây

m

mi

Khối lượng dao động (khối lượng quán tính)

k

g

Khối lượng thân cơ cấu

k

g

Điện trở

Q

N

F

&

1

f

f

m2
R

Tên th ông số


Ký h i
ệu
Góc pha

Đ ơn
vị
rad

Q

Tần số góc

rad/s

^0

Tần số góc dao động tự nhiên

rad/s

p

Đại lượng dịch chuyển không thứ nguyên x2 của cơ cấu tại
thời điểm sau khi kích thích T = 500

-

V1

Giá trị không thứ nguyên của vận tốc của khối lượng m 1

-

V2

Giá trị không thứ nguyên của vận tốc của khối lượng m2

-

V1

Giá trị không thứ nguyên của gia tốc của khối lượng m1

-

V2

Giá trị không thứ nguyên của gia tốc của khối lượng m2

-

X1

Giá trị không thứ nguyên của lượng dịch chuyển của khối
lượng m1

-

X2

Giá trị không thứ nguyên của lượng dịch chuyển của khối
lượng m2

-

X1

Lượng dịch chuyển tuyệt đối của khối lượng m 1

m

X2

Lượng dịch chuyển tuyệt đối của khối lượng m2

m

p

Đại lượng không thứ nguyên thành phần bậc 3 của độ cứng
của lò xo

-

p

Tỷ lệ khối lượng giữa m1 và m2

-

c

Hệ số cản nhớt không thứ nguyên

-

a

Tỉ số giữa biên độ lực kích thích và lực ma sát

-

(')

Tỉ số giữa tần số kích thích và tần số dao động tự nhiên

-

Y

Giá trị không thứ nguyên của khoảng cách va đập

-

ơ

Giá trị không thứ nguyên của độ cứng va đập

-

T

Giá trị không thứ nguyên của thời gian

-

X

Giá trị khơng thứ ngun của cường độ lực kích thích

-

Tên th ơng số





1

Hình 1. Ví dụ thiết bị có cơ cấu dẫn động ngoài (a)
(a)
(b)


2

tự di chuyển nhờ rung động" (Vibration-driven locomotion system).
Nghiên
cứu
về
các thiết bị tự di chuyển khơng có cơ cấu dẫn động ngồi đã và đang thu
hút
nhiều
nghiên cứu. Do khơng cần cơ cấu dẫn động bên ngồi, tồn bộ hệ thống
có
thể
được
đóng gói trong một hình dạng trơn nhẵn, kích thước nhỏ gọn, có thể di

chuyển
trên
nhiều dạng bề mặt hoặc trong các mơi trường có mật độ cản khác nhau.
Các
thiết
bị
này có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trải rộng từ
công
nghiệp
xây dựng [1, 12, 13] đến các rô-bốt nội soi [3, 5, 6, 14]. Nghiên cứu về
thiết
bị
dạng
này được tiến hành dưới nhiều góc độ, chẳng hạn xử lý bài tốn thiết kế,
mơ
hình
hóa và thực nghiệm kiểm chứng [15-22]; phân tích động lực học [23-28];
tối
ưu
hóa
tốc độ di chuyển và điều khiển chuyển động [26, 29-36] v.v...

Để nhận được chuyển động di chuyển của toàn cơ hệ, khối lượng bên trong
cần chuyển động tương đối với vỏ thiết bị dựa trên một trong hai nguyên tắc: 1)
khối lượng dao động tuần hoàn nhưng khơng có va đập với vỏ; 2) khối lượng dao
động tuần hồn có va đập với vỏ. Khi thiết kế theo nguyên tắc thứ nhất, khối lượng
dao động trong mỗi chu kỳ nhất thiết phải tuân theo một quy luật thay đổi gia tốc
nhiều pha, được thiết lập chính xác ([26, 37-39]). Nếu chuyển động tương đối của
khối lượng dao động là dao động điều hòa, cơ hệ chỉ dịch chuyển có hướng nếu lực
cản của mơi trường là dị hướng, tức là ma sát theo chiều đi nhỏ hơn ma sát theo

chiều về [19, 27, 30, 40, 41]. Xu hướng thiết kế dựa trên nguyên tắc thứ hai được
nghiên cứu nhằm tránh sự phức tạp trong vấn đề điều khiển chuyển động của khối
lượng dao động. Lực quán tính thay đổi đột ngột khi va đập được khai thác nhằm
tạo ra dịch chuyển của cơ hệ [42]. Chuyển động tuần hồn đơn giản của khối lượng
bên trong có thể được thực hiện nhờ cơ cấu cam [12], nam châm điện trong mạch
cộng hưởng RLC [13, 43], thiết bị điện từ [44, 45], động cơ tuyến tính [21] hoặc
động cơ rung [28, 34]. Cơ hệ hoạt động theo nguyên tắc này có nhược điểm là có
ứng xử phi tuyến mạnh, rất nhạy với các tham số và nhiễu. Thêm nữa, khai thác va
đập giữa các khối lượng vừa đòi hỏi bổ sung bộ phận tiếp nhận va đập, vừa gây
tiếng ồn và rung động có thể ảnh hưởng xấu đến môi trường.


3

Có thể thấy, bài tốn thiết kế và phân tích ứng xử động lực học cho các cơ hệ
tự di chuyển nhờ rung động cho đến nay vẫn đang là bài tốn mở. Bên cạnh đó, ảnh
hưởng của ma sát như một tham số làm việc đến ứng xử cơ học của cơ hệ hầu như
chưa được quan tâm sâu. Do vậy, nghiên cứu phát huy được ưu điểm, khắc phục
hoặc giảm thiểu tồn tại của hai nguyên tắc nêu trên nhằm định hướng ứng dụng
trong các rô-bốt nội soi là vấn đề rất cấp thiết hiện nay.
Luận án này được thực hiện nhằm đề xuất, thử nghiệm triển khai và phân tích,
đánh giá chi tiết ứng xử động lực học của một cơ hệ tự di chuyển mới. Cơ hệ này
vừa tránh được các nhược điểm của một cơ hệ va đập, vừa không cần áp dụng giải
thuật điều khiển chuyển động phức tạp như các cơ hệ trước đây. Ngồi ra, bài tốn
đánh giá ứng xử của cơ hệ trong các điều kiện ma sát khác nhau cũng sẽ được quan
tâm phân tích một cách chi tiết trong nghiên cứu này.
II. Mục tí êu, nội dung ngh í ên cứu
11.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là thiết kế, chế tạo một mơ hình thực
nghiệm cải tiến về thiết bị tự di chuyển và phân tích ứng xử động lực học cho thiết

bị này. Các mục tiêu cụ thể là:
- Đề xuất, kiểm chứng mơ hình mới khơng cần sử dụng giải thuật điều khiển
phức tạp, đồng thời có ứng xử động lực học bình ổn hơn;
- Phân tích động lực học nhằm đánh giá đặc tính hoạt động của cơ hệ;
- Khảo sát ảnh hưởng của ma sát như một biến số;
11.2. Nội dung nghiên cứu
- Cập nhật, phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển
nhờ rung động;
- Thử nghiệm một số đề xuất cải tiến, lựa chọn mơ hình khả dụng;
- Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm cho mơ hình được chọn;
- Phát triển mơ hình tốn học mơ tả cơ hệ;
- Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình;
- Phân tích ứng xử động lực học cơ hệ;


4

- Công bố kết quả nghiên cứu trên các tạp chí uy tín trong nước và quốc tế.
III. Ph ương ph áp ngh i ên cứu
Các phương pháp nghiên cứu sau đây được sử dụng trong luận án:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: cập nhật tình hình nghiên cứu và tham
khảo, học hỏi từ các nghiên cứu trước;
- Phương pháp mơ hình hóa: xây dựng các hệ phương trình tốn học mơ tả
quan hệ động lực học của cơ hệ;
- Phương pháp thực nghiệm: triển khai hệ thống thí nghiệm, thu thập và phân
tích dữ liệu nhằm kiểm chứng mơ hình tốn;
- Phương pháp phân tích động lực học: áp dụng các phương pháp phân tích
quỹ đạo pha, bản đồ Poincaré , đồ thị rẽ nhánh... để phân tích ứng xử động lực học
cơ hệ.
IV. Ý ng hĩa kh oa h ọc và ý nghĩa th ực ti ễn

IV.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án đã thành công trong việc đề xuất mơ hình lý thuyết và kiểm chứng
thực nghiệm hệ thống thiết bị tự di chuyển nhờ rung động mới. Thiết bị này hoạt
động ổn định, ứng xử động lực học đơn giản, sử dụng phương pháp kích thích đơn
giản hơn nhiều so với các hệ thống trước đây. Kết quả nghiên cứu mới đóng góp
kiến thức, làm phong phú thêm các kết quả đã thu được trong lĩnh vực khoa học về
chuyển động của cơ hệ được điều khiển bởi khối lượng dao động bên trong.
IV.2. Ý nghĩa thực tiễn
Mơ hình thiết bị tự di chuyển mới được đề xuất bởi luận án sử dụng phương
pháp kích thích nửa sin đơn giản, dễ dàng điều khiển chiều chuyển động nhờ việc
thay đổi tần số kích thích. Mơ hình thực nghiệm đã được kiểm chứng và chuyển đổi
thành mô hình tốn khơng thứ ngun, cho ph p phân tích chi tiết ảnh hưởng của
các thông số đến ứng xử động lực học và vận tốc chuyển động. Các kết quả này tạo
cơ sở cho việc triển khai các nghiên cứu ứng dụng trong thực tiễn, hướng tới nghiên
cứu thiết kế chế tạo các thiết bị tự di chuyển khai thác rung động trong thực tế,
ch ng hạn các robot nội soi điều khiển được.


5

V. c á c đóng góp mớ
Nghiên cứu đã mang lại những đóng góp mới như sau:
- Đã đề xuất được một kiểu thiết bị tự di chuyển mới; thiết kế, chế tạo được
một mơ hình thực nghiệm dùng cho nghiên cứu cơ hệ này. Thiết bị mới có thể tự di
chuyển nhờ rung động thuần túy, có thể áp dụng giải pháp kích thích đơn giản hơn
so với các thiết bị trước đây;
- Kết quả phân tích động lực học thiết bị mới cho thấy, cơ hệ được đề xuất có
ứng xử động lực học đơn giản hơn nhiều so với các cơ hệ trước đây;
V. c ấu trúc luận án
Luận án được trình bày theo kết cấu gồm phần Mở đầu và bốn chương. Phần

Mở đầu giới thiệu tóm tắt về tính cấp thiết của đề tài, phương pháp nghiên cứu, mục
tiêu và nội dung cũng như những đóng góp mới của luận án.
Chương 1 trình bày thơng tin tổng quan tài liệu từ các công bố khoa học gần
đây về thiết bị tự di chuyển, qua đó làm rõ hơn ngữ cảnh phát sinh, khoảng trống
kiến thức và tính cấp thiết của đề tài. Chương 2 trình bày một số kiến thức, phương
pháp khoa học sẽ được sử dụng làm cơ sở triển khai nghiên cứu về thiết bị tự di
chuyển trong đề tài. Tiến trình thiết kế, triển khai và thử nghiệm hệ thống thí
nghiệm dùng cho nghiên cứu được trình bày trong Chương 3. Tiếp theo, Chương 4
trình bày những nội dung về phát triển mơ hình tốn mơ tả hệ thống mới được đề
xuất, kết quả thực nghiệm kiểm chứng, phân tích động lực học và đánh giá hệ thống
mới. Cuối cùng là phần Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.


CHƯƠNG 1.
T ỔNG Q UAN NGHIÊ N CỨU VỀ THIẾT BỊ Tự DI CHUYỂN
Chương này trình bày thơng tin tổng quan các nghiên cứu đã thực hiện trước
đây về thiết bị tự di chuyển. Các nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển khơng dùng cơ
cấu dẫn động ngồi được phân tích đánh giá chi tiết nhằm làm rõ hơn tính cấp thiết
và mức độ đóng góp mới của nghiên cứu.
Trước hết, nguyên tắc hoạt động của thiết bị tự di chuyển được tóm tắt theo
hai nhóm: Nhóm có cơ cấu dẫn động ngồi và nhóm khơng có thiết bị dẫn động
ngoài (thiết bị tự di chuyển nhờ rung động).
Tiếp theo, các nghiên cứu gần đây về các thiết bị tự di chuyển nhờ rung động
sẽ được phân tích chi tiết để nêu bật các xu hướng nghiên cứu, các kết quả chính đã
đạt được để qua đó, chỉ ra được khoảng trống kiến thức mà nghiên cứu này sẽ tập
trung nhằm tạo ra đóng góp mới.
1.1. Nguyên tắ c h oạt động của th í ết bị tự dí ch uyển
1.1.1. Thiết bị tự di chuyển có cơ cấu dẫn động ngồi
Các thiết bị có cơ cấu dẫn động ngoài thực hiện việc di chuyển dựa trên
nguyên tắc tạo ra chuyển động tương đối của các cơ cấu dạng chân (legs), mái chèo

(padles), bánh xe (wheels) để tạo lực tương tác với bề mặt mơi trường, qua đó phát
sinh chuyển động của hệ thống so với mơi trường.
(ữ
(b)
)

Lị xo .
Kin tì

.

cơ’ cau

Dam ơương

Hình 1.1. Rơ-bốt có bánh xe dẫn động (a) và rơ-bốt có bánh xích dẫn động (b)
Hình 1.1 [1] là một ví dụ rơ-bốt dùng bánh xe có mang camera để thăm dị
đường ống ngầm (a) và một ví dụ về rơ-bốt tự hành dùng bánh xích di chuyển (b).