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

i

Ờ
Tơi 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 cơng 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, ng y 12 tháng 4 năm 2021
ờ t ự

n

La Ngọc Tuấn


ii

Ờ
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn khoa học của tôi,
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 tơi trong việc gia cơng,
chế tạo các thiết bị thí nghiệm của đề tài này.
Tôi 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 tơi được tham gia học
tập và hồn thành luận án.
Lịng biết ơn chân thành tơi xin bày tỏ tới những người thân trong gia đình đã
hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua. Đặc biệt là vợ tôi
Nguyễn Thị Thúy Hằng người đã đảm nhiệm thay tơi 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.


iii

Ụ

Ụ

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI C M N .............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LU N ÁN ............................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................vii
DANH MỤC B NG BIỂU ..................................................................................... xiv
DANH MỤC CÁC K HI U................................................................................... xv
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
I. Tính cấp thiết ................................................................................................................. 1
II. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu ................................................................................... 3
II.1. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................3
II.2. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................3
III. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 4
IV.

nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ..................................................................... 4

IV.1.

nghĩa khoa học ........................................................................................4

IV.2.

nghĩa thực tiễn ........................................................................................4

V. Các đóng góp mới ....................................................................................................... 5
V. Cấu trúc luận án ........................................................................................................... 5
CH

NG 1. T NG QUAN NGHI N CỨU VỀ THIẾT B 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 ngoài ........................................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
CH

NG 2. C

SỞ KHOA H C NGHI N CỨU THIẾT B TỰ DI CHUYỂN

NHỜ RUNG ĐỘNG ................................................................................................. 34
2.1. Mơ hình hóa thiết bị tự di chuyển ..........................................................................34

iv

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 Poincar ................................41
2.3.1. Phân tích đồ thị pha .................................................................................41
2.3.2. Bản đồ Poincar .......................................................................................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
CH

NG 3. XÂY DỰNG H THỐNG TH NGHI M ......................................... 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

CH

NG 4. ĐỀ XUẤT M HÌNH THIẾT B 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


v

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. nh hưởng của tần số lực kích thích .......................................................88
4.3.2. nh hưởng của biên độ lực kích thích .....................................................89
4.3.3. nh hưởng của tỉ lệ giữa các khối lượng ................................................90
4.3.4. nh hưởng của độ cứng phi tuyến của lò xo ...........................................91
4.4. Đánh giá mơ hình mới ............................................................................................93
4.4.1. Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình toán ..................................................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 LU N V H ỚNG NGHI N CỨU TIẾP THEO ....................................... 103
1. Kết luận .....................................................................................................................103
2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ....................................................................................103
CÁC C NG TRÌNH KHOA H C Đ C NG BỐ CỦA NGHI N CỨU ............ 104
T I LI U THAM KH O ....................................................................................... 106

vi

Á
T ứ tự

HỮ V ẾT TẮT T

ữ v ết tắt

Á
n

1.

DAQ

Data Acquisition System - hệ thống thu thập dữ liệu

2.

DC

Direct Current - Nguồn điện một chiều

3.

LVDT

Linear Variable Displacement Transformer - Cảm biến
dịch chuyển
Mạch điện gồm điện trở (R), cuộn cảm (L) và tụ điện (C),

4.

RLC

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

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

vii

D

H

Ụ HÌ H 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 ngun lý (b) của rơ-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.

nh chụp thiết bị tự di chuyển nhờ rung động dùng động cơ tuyến tính

chuyển động th ng (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); chu n 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 rô-bốt trên mặt ph ng
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


viii

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. nh 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


ix

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 không gian ba chiều (a) và quỹ đạo
pha -n t liền màu xám, kèm bản đồ Poincar - chấm trịn màu đỏ, của
chuyển động (b).................................................................................................... 43
Hình 2.9. Quỹ đạo pha kèm bản đồ Poincar (a,b,c,d) thể hiện đặc tính chuyển động
tuần hồn 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 Poincar (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 Poincar ở các tần số kích thích khác


x

nhau (b,c,d,e,f) ........................................................................................................ 48
Hình 2.13. nh chụp màn hình soạn thảo file ODE ........................................................ 50
Hình 2.14. nh 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 trong Dynamics .......................... 53
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên 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 thơng dụng .......................... 60
Hình 3.6. Sơ đồ ngun 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 chu n 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


xi

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 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 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 khi cơ
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:


xii

(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 (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 X2 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 X2 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 X2 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 (n t đứt)
theo

. Kết quả được tính tốn với các thơng số α = 3.2025, β = 0.003761,

μ = 2.9653 và ζ = 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 (n t đứt) theo α. Kết quả được tính tốn với các thông số β = 0.003761,
μ = 2.9653,

= 1.1 và ζ = 0.0766. ........................................................................ 90

Hình 4.12. Đồ thị rẽ nhánh của v1 - v2 (đường liền) và đồ thị lượng dịch chuyển p (n t

đứt) theo tỉ lệ khối lượng . Kết quả được tính tốn với các thơng số α = 3.2025,
β = 0.003761,

= 1.1 và ζ = 0.0766. .................................................................... 91

Hình 4.13. Đồ thị rẽ nhánh của v1 - v2 (đường liền) và lượng dịch chuyển p (n t đứt)
khi thay đổi độ cứng phi tuyến β của lò xo. Kết quả được tính tốn với các
thơng số α = 3.2025, μ = 2.9653,

= 1.1, và ζ = 0.0766..................................... 91

Hình 4.14. Lượng dịch chuyển của cơ cấu khi sử dụng lò xo phi tuyến (n t đứt) và lò
xo tuyến tính (n t liền) ứng với các trường hợp: (a) [0.0012], α = 3.2025,


xiii

μ = 2.9653, ζ = 0.0766; (b) α[0.110], μ = 2.9653,
và (c) μ[0.110], α = 3.2025,

=1.1, ζ = 0.0766

= 1.1, ζ = 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: mô 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);  = 1;  = 1 ............................... 99
Hình 4.21. 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):  = 1.5;  = 1 .......................... 100
Hình 4.22. Đồ thị pha kèm bản đồ Poincar : khơng có va đập (a) và có va đập (b).... 100


xiv

D

H

Ụ B

BỂ

Bảng 1.1. Thơng tin tóm tắt một số rơ-bốt mini dùng chân ........................................... 8
Bảng 1.2. Thơng tin tóm tắt rô-bốt mini dạng sâu đo ..................................................... 9
Bảng 1.3. Thông tin tóm tắt rơ-bơt mini dùng thủy lực................................................ 10
Bảng 3.1. Thơng 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 thông số thí nghiệm ................................................................................. 80
Bảng 4.2. Các thơng số thí nghiệm với mơ hình khai thác va đập .............................. 95

xv

D
ý

H

u

Ụ

Á

H

Tên t ơn số

ơn vị

A

Biên độ lực kích thích

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

Ff

Ma sát hay lực cản chuyển động của cơ hệ

N

Fr

Cường độ lực ma sát

N

fs

Tần suất lấy mẫu

Hz

fN

Tần số Nyquist

Hz

Fc

Lực cản nhớt

N

Fe

Lực kích thích

N

Ff

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

N

Fspr

Lực đàn hồi của lò xo

N

G

Khoảng cách va đập

mm

H

Hàm bước (Heaviside function)

I

Dịng điện

A

i

Dịng điện tức thời

A

k

Độ cứng lị xo

N/m

k0

Mơ hình độ cứng va chạm

N/m

k1

Thành phần tuyến tính của độ cứng lò xo

N/m

k2

Thành phần bậc ba của độ cứng lò xo

N/m3

L

Chiều dài ống dây

m

m1

Khối lượng dao động (khối lượng quán tính)

kg

m2

Khối lượng thân cơ cấu

kg

R

Điện trở




xvi

ý

u

Tên t ơn số

ơn vị



Góc pha

rad



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 τ = 500

v1

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

-

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 m1

m

X2

Lượng dịch chuyển tuyệt đối của khối lượng m2

m

β

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



Tỷ lệ khối lượng giữa m1 và m2

-

δ

Hệ số cản nhớt khơng thứ ngun

-

α

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

-

ω

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

-

γ

Giá trị không thứ nguyên của khoảng cách va đập

-

σ

Giá trị không thứ nguyên của độ cứng va đập

-

τ

Giá trị không thứ nguyên của thời gian

-



Giá trị không thứ nguyên của cường độ lực kích thích

-

1

Ở Ầ
I. Tín

ấp t ết

Trong đời sống, thiết bị tự di chuyển (tự hành) thường được hiểu là các thiết bị
có khả năng tự di chuyển mà khơng nhận năng lượng trực tiếp gây chuyển động từ
bên ngoài. Các thiết bị tự hành được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhằm đáp
ứng yêu cầu hoạt động trong môi trường khó khăn cho việc can thiệp trực tiếp của
con người, hoặc trong các điều kiện khắc nghiệt, ch ng hạn trong cơng tác cứu hộ,
kiểm tra hầm lị, ch n đoán các đường ống ngầm hay đào đường ống ngầm trong
xây dựng [1]. Những năm gần đây, xu hướng phát triển các thiết bị tự hành
(autogenous mobile systems hoặc locomotion systems) có kích thước nhỏ (cỡ viên
nang thuốc) nhằm ứng dụng trong y học (vận chuyển thuốc trong hệ tiêu hóa, nội
soi) đã và đang thu hút nhiều cơng trình nghiên cứu [2-6].
(a)

(b)

Hình 1. Ví dụ thiết bị có cơ cấu dẫn động ngo i (a)
v khơng có cơ cấu dẫn động ngo i (b)
Theo quan điểm về nguyên tắc dẫn động, các thiết bị tự di chuyển được chia
thành hai nhóm lớn: nhóm thiết bị có cơ cấu dẫn động ngồi và nhóm thiết bị khơng
có cơ cấu dẫn động ngồi. Hình 1 minh họa các ví dụ về hai nhóm này. Nhóm có cơ
cấu dẫn động ngồi (xem ví dụ Hình 1a [7]) khai thác tương tác lực giữa cơ cấu dẫn
động (bánh xe, chân bám) với bề mặt môi trường để tạo chuyển động cho thiết bị tự
hành [7-10]. Nhóm khơng có cơ cấu dẫn động ngồi (xem minh họa trên Hình 1b

[11]) khai thác tương tác lực giữa thân (vỏ) và môi trường để tạo chuyển động. Các
thiết bị dạng này hoạt động nhờ lực quán tính tác động lên vỏ rơ-bốt, gây nên bởi
một hay nhiều khối lượng dao động bên trong, do vậy thường được gọi là "thiết bị


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 ngoài 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 môi 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, ch ng 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 hồn 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 hịa, cơ hệ chỉ dịch chuyển có hướng nếu lực
cản của môi 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 hoàn 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.

ụ t êu, nộ dun n

ên ứu

II.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 không 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;
II.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 mô tả cơ hệ;
- Thực nghiệm kiểm chứng mô 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. P

ơn p áp n

ên ứu

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 Poincar , đồ thị rẽ nhánh… để phân tích ứng xử động lực học
cơ hệ.
IV.

n

k o

ọ và ý n

t ự t 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. á đón

óp 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. ấu trú 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.

6

HƯ
T

H

1.

Ứ VỀ TH ẾT B TỰ D

H

Ể

Chương này trình bày thông 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 không 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
ngồi (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. N uyên tắ

oạt độn

ủ t ết bị tự d

uyển

1.1.1. Thiết bị tự di chuyển có cơ cấu dẫn động ngồi
Các thiết bị có cơ cấu dẫn động ngồi 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.
(a)

(b)

Hình 1.1. Rơ-b t có bánh xe dẫn động (a) v rơ-b t 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).


7

Hình 1.2 [46] minh họa một rơ-bốt hai chân được nghiên cứu giảm bậc tự do và
khối lượng hệ thống khi đang di chuyển trên đường bằng và di chuyển trên dốc.

Hình 1.2. Một rơ-b t có chân bước khi di chuy n trên đư ng b ng v khi lên d c
Nhiều nghiên cứu đã được triển khai nhằm tạo ra các rơ-bốt nhỏ (mini) có cơ
cấu dẫn động ngoài nhằm ứng dụng trong lĩnh vực nội soi. Các rơ-bốt này có thể
hoạt động độc lập trong cơ thể người hoặc động vật mà khơng cần dây dẫn tín hiệu
hoặc thiết bị truyền lực k o, lực đ y. Các rơ-bốt này được chia thành hai nhóm
chính: nhóm dùng chân (mái chèo) và nhóm sử dụng tương tác thủy lực. Ngun tắc
hoạt động và một số thơng số hình dáng kích thước và tốc độ di chuyển của các rơbốt đặc trưng được tóm tắt trong Bảng 1.1.

Một biến thể khác của thiết bị có dẫn động ngồi là loại rô-bốt sử dụng các
giác bám và dịch chuyển tương tự con sâu đo. Hình 1.3 [47] và Hình 1.4 [48] mô tả
nguyên tắc hoạt động của các rô-bốt dạng này.
Trên Hình 1.3a, một lị xo làm bằng hợp kim nhớ hình (Shape memory alloy SMA) có thể thay đổi giữa hai trạng thái dãn ra hoặc co lại tùy thuộc nhiệt độ điều
khiển. Lò xo co-dãn gây chuyển động xích lại gần hoặc rời xa nhau của hai đầu rô-


8

bốt. Sử dụng chiều của các chân bám phù hợp sẽ dẫn đến khả năng di chuyển theo
hướng tùy chọn của rô-bốt. Sơ đồ triển khai được mô tả trên Hình 1.3b. Mơ hình kết
cấu của rơ-bốt sâu đo sử dụng lị xo làm bằng hợp kim nhớ hình cũng được triển
khai nghiên cứu như mơ tả trên Hình 1.4. Bảng 1.2 tóm tắt một số thơng tin kết quả
nghiên cứu về rơ-bốt dạng sâu đo.
ng 1.1. Thơng tin tóm tắt một s rô-b t mini dùng chân
Tá
STT

, năm

ôn bố, tà
li u tham

ơ

n

H n dạng

chế thử

ơ ấu dẫn
động

í

ỡ

(mm)

Vận tốc
(mm p út)

kh o

1

Eugene

Dây và lò xo

Cheung và

làm bằng vật

Φ10x22

cộng sự, 2005

liệu nhớ hình

mm

[8]

(SMA)

Hyunjun Park
2

và cộng sự,

Động cơ mini

2007 [9]

Φ13x30
mm

40

286

600 mm/ph
Sungwook

3

Yang và cộng

Động cơ mini

sự, 2011 [10]

Φ15x43
mm

(thí
nghiệm)
170 mm/ph
(mẫu thực)

Valdastri và
4

cộng sự, 2009
[7]

Động cơ mini

Φ11x25

50


9

Hình 1.3. Nguyên lý biến dạng (a) v sơ Hình 1.4. Mơ hình ngun lý l m vi c của
đồ nguyên lý (b) của rô-b t sâu đo

rô-b t sâu đo

ng 1.2. Thơng tin tóm tắt rơ-b t mini dạng sâu đo
Tá
STT

, năm

ôn bố, tà
li u tham

ô

n

H n dạng

chế thử

ơ ấu dẫn
động

í

ỡ

(mm)

Vận tốc
(mm p út)

kh o
Daisuke
1

Hosokawa và

Lị xo n n
dùng vật liệu 48(L)x16(W)

cộng sự, 2009

nhớ hình

[49]

(SMA)

x11(H)

Kim và các
2

cộng sự, 2005
[50]

9.6 mm/ph

Mơ phỏng 25.5
Lị xo SMA

Φ13x33

mm/ph; Thực tế
10 mm/ph

Đặc điểm chung của các rơ-bơt có chân hoặc giác bám có thể tóm lược như sau:
- Về ưu điểm: Các rơ-bốt dạng này di chuyển chắc chắn, tốc độ di chuyển
nhanh. So với các rơ-bốt có chân thì rơ-bốt dạng sâu đo di chuyển chậm hơn.
- Về nhược điểm: khó hoặc khơng thể di chuyển ngược (lùi), tác động của cơ
cấu di chuyển ở phía ngồi dễ làm hư hại mơi trường xung quanh. Đặc biệt là khi
làm việc trong cơ thể chúng có thể làm tổn thương nội tạng người/ động vật.
Một loại thiết bị tự di chuyển có cơ cấu dẫn động ngoài khác hoạt động dựa
trên nguyên lý tương tác thủy lực, di chuyển được nhờ phản lực của chất lỏng môi