(Đề tài NCKH) thiết kế tối ưu cho tay kẹp sử dụng cơ cấu mềm ứng dụng trong hệ thống định vị mô tơ rung điện thoại dùng anfis và jaya

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ TỐI ƯU CHO TAY KẸP SỬ DỤNG CƠ CẤU
MỀM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ MÔ
TƠ RUNG ĐIỆN THOẠI DÙNG ANFIS VÀ JAYA
MÃ SỐ: T201

SKC006537

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

THIẾT KẾ TỐI ƯU CHO TAY KẸP SỬ DỤNG
CƠ CẤU MỀM ỨNG DỤNG
TRONG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ MÔ
TƠ RUNG ĐIỆN THOẠI DÙNG
ANFIS VÀ JAYA

Mã số: T2018-16TÐ
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG

TP. HCM, 12/2018


TRƯỜNG ĐẠI

HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

THIẾT KẾ TỐI ƯU CHO TAY KẸP SỬ DỤNG
CƠ CẤU MỀM ỨNG DỤNG
TRONG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ MÔ
TƠ RUNG ĐIỆN THOẠI DÙNG
ANFIS VÀ JAYA
Mã số: T2018-16TÐ
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG
Thành viên đề tài: TS. ĐÀO THANH PHONG
THS.NCS HỒ NHẬT LINH

TP. HCM, 12/2018


DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN

CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

STT

1

Họ và tên

Lê Hiếu Giang

2

Hồ Nhật Linh

3

Đào Thanh Phong


i


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Kẹp Hold-Down - thiết kế sử dụng cơ cấu truyền thống..................................1
Hình 2: Kẹp Hold-Down - thiết kế sử dụng cơ cấu mềm..............................................1
Hình 3: Linh kiện trong cơng nghiệp............................................................................2
Hình 4: Ứng dụng trong y khoa....................................................................................2
Hình 5: Hệ tay gắp truyền thống trong cơng nghiệp.....................................................2
Hình 6: Hệ tay gắp chính xác........................................................................................2
Hình 7. Hệ tay gắp chính xác dựa trên cơ cấu mềm......................................................3

Hình 8. Mơ tơ rung khối xoay lệch tâm (ERM)............................................................4
Hình 9. Mơ tơ rung với bộ truyền động cộng hƣởng tuyến tính (LRA).......................4
Hình 10. Mơ tơ rung cỡ nhỏ: (a) Ứng dụng trong điện thoại đi động , (b) Cấu tạo một
mơ tơ hồn chỉnh với lệch tâm, (c) Cấu tạo chi tiết mơ tơ rung....................................5
Hình 11. Cần bẩy: (a) Cần bẩy khuyếch đại truyển thống, (b) Bộ khuếch đại truyền
thống với hai cần bẩy.................................................................................................. 12
Hình 12. Mơ hình CAD: (a) cấu hình song vng, (c) tay gắp dựa trên cơ cấu mềm . 14

Hình 13. Phản lực ở hàm phải và hàm trái của tay gắp............................................... 14
Hình 14. Hệ thống lắp ráp trục mơ tơ vào lõi từ mô tơ : (a) Hệ thống lắp, (b) Trục mơ
tơ và lõi từ................................................................................................................... 16
Hình 15. Mơ hình ANFIS đề xuất cho CMG.............................................................. 24
Hình 16. Lƣu đồ của phƣơng pháp Jaya.................................................................... 25
Hình 17. Lƣu đồ tối ƣu hóa đa mục tiêu cho CMG.................................................... 26
Hình 18. Chia lƣới cho CMG..................................................................................... 32
Hình 19. Lắp đặt thực nghiệm.................................................................................... 33

ii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Tham số và mức của nó................................................................................. 27
Bảng 2. Kết quả thực nghiệm chuyển vị và tần số...................................................... 27
Bảng 3. Giá trị hệ số nhiễu S/N.................................................................................. 28
Bảng 4. Chuẩn hóa hệ số nhiễu S/N............................................................................ 28
Bảng 5. Trọng số cho chuyển vị.................................................................................. 29
Bảng 6. Trọng số cho tần số........................................................................................ 29
Bảng 7. Tham số ANFIS............................................................................................. 30
Bảng 8. So sánh với các phƣơng pháp tiếp cận khác.................................................. 30
Bảng 9. So sánh giữa kết quả tối ƣu, FEA, và kết quả thực nghiệm........................... 34

iii


MỤC LỤC
DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ
ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH..............................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................................iii
MỤC LỤC........................................................................................................................ iv
TÓM TẮT........................................................................................................................vi
MỞ ĐẦU........................................................................................................................... 1
1.

Tổng quan.................................................................................................................1
1.1 Tổng quan về cơ cấu mềm và hệ tay gắp chính xác................................................1
1.1.1.

Tổng quan về cơ cấu mềm....................................................................…1

1.1.2.

Tổng quan về hệ tay gắp chính xác...........................................................2

1.1.3.

Sơ lƣợc về mơ tơ rung trong điện thoại di động.......................................3

1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của tiến hành nghiên cứu.........4
2.

Mục tiêu...................................................................................................................6

3.

Đối tƣợng nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu...........................................................6

4.

Nội dung nghiên cứu................................................................................................7

5.

Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu..................................................................7

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU...............................................................................................9
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ TẢ VẤN ĐỀ TỐI ƢU HĨA..................................... 12
2.1. Thiết kế.................................................................................................................. 12
2.1.1.

Bộ khuếch đại chuyển vị......................................................................... 12

2.1.2.

Mơ hình tay kẹp sóng vng................................................................... 13

2.1.3.

Hệ thống lắp ráp mơ tơ rung điện thoại................................................... 15
iv

2.2. Mơ tả vấn đề tối ƣu hóa......................................................................................... 16
2.2.1.

Xác định biến thiết kế............................................................................. 17

2.2.2.

Xác định hàm mục tiêu........................................................................... 18

2.2.3.

Ràng buộc............................................................................................... 19

CHƢƠNG 3: GIẢI THUẬT TỐI ƢU HÓA LAI TẠO................................................... 20
3.1. Phát triển phƣơng pháp xác định trọng số............................................................. 20
3.2. Nghiên cứu ứng dụng giải thuật ANFIS................................................................. 22
3.3. Nghiên cứu ứng dụng giải thuật Jaya..................................................................... 25
3.4. Giải thuật lai tạo.................................................................................................... 26
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................... 27
CHƢƠNG 5 : THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG........................................................... 31
CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ........................................................................... 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 38

v


TÓM TẮT
Tay gắp dựa trên cơ cấu mềm là một thiết bị quan trọng dùng để gắp và định vị trục

vào tâm lỗ của lõi từ mô tơ rung, một thiết bị đƣợc ứng dụng cho chức năng tạo rung
trong điện thoại di động. Nghiên cứu này đề xuất một thiết kế tối ƣu cho một tay gắp
dựa trên cơ cấu mềm. Chuyển vị và tần số là hai thuộc tính qua trọng của tay gắp, hai
thuộc tính này đƣợc xem nhƣ là mục tiêu thiết kế. Chiều dài và chiều dày của khớp
mềm đƣợc xem nhƣ là biến thiết kế. Quá trình tối ƣu đƣợc thực hiện bởi sử dụng giải
thuật kết hợp mang nơ ron thích nghi mờ (ANFIS) và JAYA. Đầu tiên, dữ liệu đƣợc
tập hợp bởi việc sữ dụng phƣơng pháp Taguchi. Tiếp theo, hệ số nhiễu đƣợc tính tốn
và trọng số chính xác của mỗi hàm mục tiêu đƣợc xác định. Kế tiếp , một lƣu đồ biểu
diễn mới quan hệ giữa tham số thiết kế và đáp ứng đầu ra đƣợc thành lập. Cuối cùng,
giải thuật Jaya đƣợc sữ dụng để tối ƣu hóa đa mục tiệu của thiết kế. Kết quả cho thấy
rằng, chuyển vị tối ƣu và tần số tối ƣu thu đƣợc lần lƣợt là 3260 µm và 61.9 Hz.
Những kết quả này là đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu của một tay gắp ứng dụng
trong hệ thống lắp ráp điện thoại di động. Ngoài ra, giải thuật tối ƣu kết hợp đề xuất
cũng cho thấy hiệu quả và độ mạnh khi so sánh với các phƣơng pháp khác.

vi


MỞ ĐẦU
1.

Tổng quan

1.1 Tổng quan về cơ cấu mềm và hệ tay gắp chính xác
1.1.1. Tổng quan về cơ cấu mềm
Theo [1], máy móc và các thiết bị hiện đại đƣợc tạo thành từ bốn bộ phận chính
nhƣ sau: động cơ, hệ thống truyền động, bộ phận công tác và hệ thống điều khiển.
Trong đó, hệ thống truyền động đƣợc chia thành các nhóm là: truyền động cơ khí và
truyền động điện, ta gọi là nhóm các cơ cấu truyền thống, các cơ cấu truyền động này
sử dụng bạc đạn, khớp nối, thủy lực, khí nén, dịng điện.v.v. để truyền lực, mơ men và

chuyển động do đó chúng khơng đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền động chính xác trong
phạm vi micrơmét (Hình 1). Để khắc phục những nhƣợc điểm của cơ cấu truyền động
truyền thống, trong những năm gần đây cơ cấu mềm (Hình 2) đƣợc nhiều nhà khoa
học nghiên cứu và phát triển [2].
Giống nhƣ cơ cấu truyền thống, cơ cấu mềm cũng có chức năng tƣơng tự là
truyền lực, mô men và chuyển động nhƣng nhờ vào biến dạng đàn hồi của các khớp
mềm. Tuy nhiên, cơ cấu mềm có ƣu điểm là: khơng có khớp nối, khơng có độ hở giữa
các khớp, khơng có ma sát, độ chính xác cao, kết cấu nguyên khối, giá thành thấp và ít
tốn thời gian lắp ráp.

Hình 2: Kẹp Hold-Down - thiết kế sử

Hình 1: Kẹp Hold-Down - thiết kế sử

dụng cơ cấu mềm [3]

dụng cơ cấu truyền thống [3]
1


Với những ƣu điểm nhƣ trên, ngày nay cơ cấu mềm đƣợc nhiều nhà khoa học và
doanh nghiệp nghiên cứu ứng dụng phổ biến trong các thiết bị vi cơ điện tử (MEMS),
Robot lắp ráp độ chính xác cao và trong y khoa.v.v. (Hình 3,Hình 4).

Hình 3: Linh kiện trong cơng nghiệp

Hình 4: Ứng dụng trong y khoa

(Nguồn Internet)

(Nguồn Internet)

1.1.2. Tổng quan về hệ tay gắp chính xác
Hệ tay gắp là một trong số các bộ phận công tác của máy móc và dây chuyền hiện
đại, một hệ tay gắp cơ bản bao gồm: bộ truyền động, hai tay gắp, cơ cấu truyền động,
các khớp và đối tƣợng bị gắp. Hiện nay, ngƣời ta phân hệ tay gắp thành hai loại: hệ
tay gắp truyền thống (Hình 5) và hệ tay gắp chính xác (Hình 6).

Hình 5: Hệ tay gắp truyền thống trong

Hình 6: Hệ tay gắp chính xác

cơng nghiệp (Nguồn Internet)

(Nguồn Internet)

Hệ tay gắp chính xác là một dụng cụ quan trọng để gắp các vật thể có kích thƣớc
nhỏ từ vài micromet đến hàng trăm micromet. Hệ tay gắp chính xác có cấu tạo tƣơng
2


tự nhƣ hệ tay gắp thông thƣờng. Tuy nhiên, để có thể thực hiện đƣợc các thao tác
chính xác với tốc độ nhanh trong phạm vi khơng gian hẹp thì cơ cấu truyền động
truyền thống sẽ đƣợc thay thế bằng hệ cơ cấu mềm với các khớp mềm nhƣ Hình 7.

Hình 7. Hệ tay gắp chính xác dựa trên cơ cấu mềm [4]

1.1.3. Sơ lƣợc về mô tơ rung trong điện thoại di động
Mô tơ rung là một thiết bị để tạo ra rung động. Mô tơ rung thƣờng đƣợc tạo ra bởi
một động cơ điện có khối lƣợng khơng cân bằng trên trục của nó. Có hai loại mơ tơ

rung cơ bản [5].


Loại thứ nhất là mô tơ rung khối xoay lệch tâm (ERM) sử dụng một khối lƣợng
không cân bằng nhỏ trên động cơ DC khi quay nó tạo ra một lực chuyển thành
các rung động (Hình 8).



Loại thứ hai là mơ tơ rung có bộ truyền động cộng hƣởng tuyến tính (LRA)
chứa một khối nhỏ bên trong đƣợc gắn vào một lò xo, tạo ra một lực khi đƣợc
điều khiển (Hình 9).

Mơ tơ rung cỡ nhỏ đƣợc phát triển vào những năm 1960. Vào thời điểm ban đầu,
mô tơ rung đƣợc phát triển để ứng dụng cho máy mát xa. Đến thế kỷ 21, chúng đƣợc
phát triển ứng dụng tạo rung trong các thiết bị điện thoại di động. Ngày nay, bên cạnh
3


các ứng dụng trong máy mát xá, điện thoại di động, mơ tơ rung cỡ nhỏ cịn đƣợc ứng
dụng rộng rãi trong các thiết bị y tế, đầu đọc mã vạch cầm tay rung, hệ thống định vị ,
máy nhắn tin, đồ chơi tình dục rung hoặc bộ điều khiển trị chơi video có tính năng
"rumble".v.v.

Hình 8. Mơ tơ rung khối xoay lệch tâm

Hình 9. Mơ tơ rung với bộ truyền

(ERM)- (Nguồn Internet)

động cộng hƣởng tuyến tính (LRA)(Nguồn Internet)

1.2.

Tổng quan về tình hình nghiên cứu và sự cần thiết của tiến hành
nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của thị trƣờng điện thoại di động, nhu cầu về các loai mô tơ
rung là khá cao, nhƣng kỹ thuật lắp ráp còn nhiều khó khăn và chi phí cao. Ví dụ,
Hình 10 (a) mơ tả vị trí của mơ tơ rung trong điện thoại di động, Hình 10(b) mơ tả một
mơ tơ rung hồn chỉnh với trái cân, Hình 10 (c) mơ tả cấu tạo của mô tơ rung.

4


Hình 10. Mơ tơ rung cỡ nhỏ: (a) Ứng dụng trong điện thoại đi động , (b) Cấu tạo một
mô tơ hoàn chỉnh với lệch tâm, (c) Cấu tạo chi tiết mô tơ rung [6]
Về cơ bản, một mô tơ rung cỡ nhỏ là một sản phẩm đƣợc lắp ráp bởi nhiều chi tiết với
nhau, những chi tiết này bao gồm cân bằng trọng lƣợng, trục mô tơ, lõi từ, vỏ mơ tơ, v.v.
nhƣ đƣợc thể hiện ở Hình 10 (c). Trong q trình lắp ráp, cơng đoạn chèn trục mô tơ vào
lõi từ là một công đoạn quan trọng. Nó u cầu độ chính xác cao trong khi kích thƣớc của
trục mô tơ và lõi từ là khá nhỏ. Thơng thƣờng, kích thƣớc của chúng là
 0.6mm×10mm đối với trục và φ 2.5mm×3mm đối với lõi từ.

Ngày nay có rất nhiều thiết bị đƣợc phát triển để thực hiện công đoạn lắp ráp nhƣ đã
đề cập ở trên [7], [8]. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất ở một vài nhà máy, q trình lắp
ráp giữa trục mơ tơ và lõi từ của mơ tơ vẫn cịn phụ thuộc rất nhiều vào thao tác của con
ngƣời. Và đây đƣợc xác định là nguyên nhân chính dẫn đến chi phí sản xuất cao, không
phù hợp trong sản xuất hàng loạt. Đối với một vài nhà máy đƣợc đầu tƣ tốt hơn, công
đoạn này đƣợc thực hiện bời các robot lắp ráp, những robot thƣờng đƣợc thiết kế sữ dụng

bằng khí nén và thủy lực. Các robot này có những hạn chế nhƣ là

5


khơng linh hoạt và có phát ồn trong q trình hoạt động. Đây là lý do gây ảnh hƣởng
đến hiệu quả sản xuất cũng nhƣ là nguyên nhân gây ra ô nhiễm ồn. Một hạn chế khác
của các robot sữ dụng khí nén, thủy lực là khá khó khăn trong quá trình chế tạo và lắp
ráp bởi vì chi tiết khá nhỏ. Do đó, việc cải thiện thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả sản
xuất, cải thiện môi trƣờng làm việc là một đề tài vô cùng thú vị đối với các nhà khoa
học. Để giải quyết vấn đề trên, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm có thể là một lựa chọn
phù hợp bởi vì cấu trúc của nó có nhiều ƣu điểm nhƣ nhỏ gọn, chế tạo nguyên khối,
độ chính xác cao [9], v.v.
Thơng qua việc khảo sát khả năng ứng dụng của cơ cấu mềm, kết quả cho thấy rằng
cơ cấu mềm đã trở thành một xu hƣớng và nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết
các khía cạnh của cuộc sống. Đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, tay gắp dựa
trên cơ cấu mềm đã đƣợc ứng dụng thành công và mang lại hiệu quả kinh tế cao trong
rất nhiều lĩnh vực nhƣ là kỹ thuật y sinh [10], [11], gắp thả đối tƣợng [12]–[18] và lắp
ráp những đối tƣợng có kích thƣớc micro [19], [20]. Tuy nhiên, cho đến thời điểm
hiện tại là chƣa có bất cứ nghiên cứu nào nghiên cứu về khả năng ứng dụng tay gắp
mềm trong lĩnh vực lắp ráp mô tơ điện thoại di động.

Mục tiêu

2.

Đầu tiên, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm cho hệ thống định vị mô tơ rung điện thoại
đƣợc thiết kế. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích ảnh hƣởng của thơng
số hình học của cơ cấu mềm đến hiệu quả của hệ hệ thống định vị. Đánh giá đặc tính
tĩnh học của hệ gắp dùng phần mềm mơ phỏng tính tốn. Phát triển thuật tối ƣu hóa để

tối ƣu chức năng của hệ thống. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu thực hiện chế tạo và thực
nghiệm kiểm chứng các kết quả phân tích và tối ƣu.
3.

Đối tƣợng nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu

3.1.

Đối tƣợng nghiên cứu

Đầu tiên là quá trình thiết kế tay gắp dựa trên cơ cấu mềm. Trên cơ sở xem xét ứng
dụng cho hệ thống định vị micrơmét, nhóm nghiên cứu phân tích đặc tính thực hiện

6


của hệ thống. Sau đó, nhóm nghiên cứu phát triển giải thuật tối ƣu hóa cho hệ thống
định vị.

3.2.

Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế, phân tích và tối ƣu hóa cơ cấu mềm.
Nội dung nghiên cứu

4.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi thiết kế các cơ cấu mềm cho hệ thống định vị trong
vi cơ điện tử và rô bốt lắp ráp. Chúng tôi tiếp tục phát triển giải thuật tối ƣu hóa cho

việc tối ƣu cơ cấu mềm. Theo sau là các bƣớc chính thực hiện nghiên cứu:
a) Về thiết kế, chúng tôi tiến hành nghiên cứu tài liệu các khớp mềm, cơ cấu mềm.

tác giả đề xuất mơ hình và mô tả nguyên lý hoạt động. Cuối cùng, tác giả đề
xuất vật liệu, đặc tính hoạt động, khơng gian làm việc, khả năng chịu tải, phạm
vi hành trình.
b) Về phân tích, chúng tơi thiết lập nhiều mơ hình tốn học để phân tích các đặc

tính tĩnh học, động học, khả năng làm việc, ứng suất, biến dạng, bất ổn định cấu
trúc. Từ đó, tác giả mơ tả đƣợc ảnh hƣởng các biến thơng số hình học của cơ
cấu mềm đến hiệu quả định vị.
c) Về tối ứu hóa, tác giả thiết lập hàm mục tiêu, biến thiết kế, các điều kiện ràng

buộc của biến thiết kế, ràng buộc ứng xử. Một số dạng bài tốn tối ƣu hóa thực
hiện trong nghiên cứu này gồm có: tối hóa đặc tính của hệ thống định vị.
d) Về thực nghiệm, tác giả chế tạo nhiều mơ hình thực tế và tiến hành đo lƣờng,

kiểm tra tất cả đặc tính, khả năng làm việc, xác nhận lại các kết quả phân tích,
mơ phỏng và kết quả tối ƣu hóa.

Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu

5.

5.1.

Cách tiếp cận

Từ một số kết quả đạt đƣợc của lĩnh vực cơ cấu mềm và hệ thống định vị của các
bài báo đã công bố trên thế giới. Chúng tơi tập trung nghiên cứu phân tích và tối ƣu

hóa cơ cấu mềm đƣợc cải tiến cho hệ thống định vị.
7


5.2.

Phƣơng pháp nghiên cứu

Chúng tôi sử dụng cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu gồm bảy bƣớc chủ
yếu sau:
a) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
b) Thiết kế
c) Phân tích và mô phỏng số
d) Thực nghiệm sƣu tập dữ liệu
e) Viết giải thuật tối ƣu hóa
f) Thực nghiệm kiểm chứng kết quả
g) Phân tích kết quả

8


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
Để đáp ứng yêu cầu thực tế của mô tơ rung ứng dụng trong điện thoại đi động. Có hai vấn
đề quan trọng nhƣ sau: thứ nhất, là hiệu quả quá trình thiết kế tay gắp, vấn đề này dựa vào
kinh nghiêm của ngƣời thiết kế. Thứ hai, các thông số thiết kế của tay gắp đƣợc đề xuất
cần đƣợc tối ƣu hóa để đạt đƣợc các thơng số kỹ thuật mong muốn. Do đó, thuộc tính của
tay gắp nhƣ là khoản đóng mở hay tần số sẽ đƣợc cả thiện tốt hơn. Ngày nay, quá trình
thiết kế tối ƣu có thể đƣợc thực hiện bởi nhiều giải thuật tối ƣu hóa khác nhau. Cụ thể
nhƣ Helal et al. [21] đã sữ dụng phần mềm thƣơng mại Ansys để tối ƣu hóa chiều dài của
mỗi khớp mềm và chiều dày của tay gắp. Wang et al. [22] đã sữ dụng phần mềm ANSYS

và công cụ tối ƣu hóa trong phần mềm MATLAB để tối ƣu hóa tham số thiết kế của tay
gắp nhằm đạt đƣợc độ khuếch đại chuyển vị lớn nhất cũng nhƣ là tần số dao động tự do
của tay gắp là cực đại. Dao et al. [23] đã ứng dụng giải thuật DE để tối ƣu cả hai mục tiêu
là chuyển vị và tần số dao dộng tự nhiên của tay gắp. Ho et al. [24] đã tối ƣu hóa tham số
thiết kế của tay gắp để đạt đƣợc chuyển vị cực đại bằng phƣơng pháp Taguchi. Huang et
al. [25] đã áp dụng phƣơng pháp hình học để thu đƣợc lực gấp và chuyển vị cực đại.
Datta et al. [26] đã ứng dụng giải thuật GA để tìm các kích thƣớc tối ƣu của khâu và góc
quay của khớp cho tay gắp, v.v. Trong hầu hết những nghiên cứu đƣợc đề cập ở trên,
phƣơng trình tốn học cần phải đƣợc thành lập trƣớc tiên, sau đó q trình tối ƣu hóa
đƣợc thực hiện. Tuy nhiên, những phƣơng trình tốn học này có độ phức tạp khá cao
cũng nhƣ thời gian phân tích là khá dài. Đây chính là một trong những lý do làm tăng chi
phí sản xuất, giảm hiệu quả kinh tế. Để vƣợt qua những vấn đề trên, một vài giải thuật tối
ƣu hóa kết hợp đã đƣợc nghiên cứu và phát triển. Có thể kể đến nhƣ D. Ruiz et al [27] đã
kết hợp tối ƣu hóa hình học và tối ƣu hóa thiết kế để thiết kế một tay gắp áp điện. Dao et
al. [28] đã kết hợp Taguchi và giải thuật DE để tối ƣu hóa tham số thiết kế cho tay gắp.
Wu et al.
[29] đã sữ dụng giải Boltzmann dựa trên kỹ thuật mô phỏng luyện kim để tối ƣu hóa

cấu trúc, xác định giá trị tối ƣu chuyển vị đầu ra của tay gắp. Xiao et al.
[30] đã áp dụng bán kính cơ bản của mạng chức năng dựa trên GA để thu
đƣợc độ cứng của hệ thống, phạm vi hoạt động lớn và hệ số an toàn cao.
Ngoài ra, một số giải thuật lai tạo khác cũng đã đƣợc phát triển và ứng
dụng thành công nhƣ là sự kết hợp giữa GA và 9


RSM [31], [32], ANFIS avà Jaya [33] , IGA và IPSO [34], GA và giải thuật đàn kiến
[35], v.v. Trong những giải thuật tìm kiếm dựa trên dân số, giải thuật Jaya là một công
cụ hiệu quả trong các bài tốn ràng buộc và khơng ràng buộc, giải thuật này có độ hội
tụ nhanh , giúp giảm thời gian tính toán [36]–[38].
Đối với tay gắp thực tế, mối quan hệ giữa biến thiết kế và đáp ứng đầu ra là phi

tuyến, vì vậy việc thiết lập phƣơng trình tốn học là khơng dễ. Và việc tối ƣu dựa trên
phƣơng trình tốn học này có thể dẫn đến lời giải tối ƣu khơng chính xác nếu phƣơng
trình mơ tả mối quan hệ này khơng chính xác. Gần đây, trong trí tuệ nhân tạo, ANFIS
là một trong những công cụ để mô hình hóa một phƣơng trình chƣa biết và nó đƣợc
coi là một hộp đen thông qua sự kết hợp thông minh của logic mờ và mạng nơ ron.
Trong nghiên cứu này, ANFIS đƣợc phát triển để thành lập mơ hình tốn học của tay
gắp. Sau đó, thuật tốn Jaya đƣợc mở rộng cho vấn đề tối ƣu hóa đa mục tiêu của tay
gắp. Trong đó, một cách tiếp cận lai giữa ANFIS và Jaya là một thuật toán đƣợc phát
triển dựa trên sự kết hợp các ƣu điểm nổi bật của ANFIS và Jaya, cho phép thực hiện
dễ dàng các thiết kế với các mơ hình tốn học phức tạp, địi hỏi kết quả chính xác và
tăng tốc tính tốn để giảm chi phí.
Khơng giống những nghiên cứu trƣớc đây, giải thuật lai tạo này là sự kết hợp giữa
TM, ANFIS và Jaya, nó chƣa từng đƣợc ứng dụng cho bất cứ nghiên cứu nào về tay
gắp. Nghiên cứu này là ứng dụng đầu tiên về kỹ thuật tính tốn mềm cho bài tốn tối
ƣu hóa đa mục tiêu tay gắp. Ngoài ra, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm cũng là một ứng
viên tiềm năng có thể thay thế thao tác truyền thống trong hệ thống lắp ráp mô tơ rung
cho điện thoại di động. Hơn thế nữa, kết quả của nghiên cứu này có thể đƣợc nghiêu
cứu chuyển từ học thuật sang ứng dụng thực tế.
Dựa trên nhu cầu thực tế và kết quả khảo sát ở các nghiên cứu trƣớc đó, nghiên cứu
này đề xuất phát triển một giải thuật tối ƣu cho tay gắp dựa trên cơi cấu mềm sữ dụng
trong hệ thống lắp ráp mô tơ rung điện thoại di động. Trong quá trình thiết kế tối ƣu,
những điểm mới sau đƣợc coi nhƣ là mục tiêu của nghiên cứu: (i) đề nghị một ứng
dụng mới cho tay gắp mềm trong hệ thống lắp ráp mơ tơ rung điện thoại di động. (ii)
tay gắp có hệ số khuếch đại chuyển vị cao. (iii) một giải thuật lai tạo mới đƣợc đề xuất

10


sử dụng trong tối ƣu hóa thuộc tính cho tay gắp. (iv) một thuật toán logic đƣợc xây
dựng để xác định chính xác giá trị trọng số nhằm tăng độ chính xác của lời giải tối ƣu.

Đầu tiên, một tay gắp đƣợc phát triển dựa trên cơ cấu mềm. Để tăng hiệu quả của
cấu trúc đáp ứng nhƣ cầu ngƣời sữ dụng, một giải thuật lai tạo đƣợc sữ dụng để thực
hiện tối ƣu. Không giống nhƣ nghiên cứu trƣớc đây, trong nghiên cứu này giá trị
trọng số trong mỗi hàm mục tiêu là đƣợc tính tốn chính xác. Sau đó, Jaya đƣợc sữ
dụng để giải bài tốn tối ƣu đa mục tiêu. Mô phỏng và thực nghiệm đƣợc tổ chức để
đánh giá độ chính xác của thuật tốn để xuất.

11


CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ TẢ VẤN ĐỀ TỐI
ƢU HĨA
2.1.

Thiết kế

Để giàm chi phí và nguồn lực, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm đã đƣợc phát triển cho
hệ thống lắp ghép mô tơ rung điện thoại di động. Nguyên tắc thiết kế đƣợc tổ chức
theo 3 nội dung sau: (i) có độ khuếch đại chuyển vị phù hợp, (ii) cơ cấu sóng vng
đƣợc phát triển và ứng dụng, và (iii) ứng dụng trong hệ thống lắp ráp mô tơ rung điện
thoại di động. Trong thực tế, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm là cơ cấu thực hiện gắp và
thả đối tƣợng.
2.1.1. Bộ khuếch đại chuyển vị
Mặt dù bộ kích áp điện (PEA) thƣờng đƣợc sữ dụng cho nhiều tay gắp dựa trên cơ
cấu mềm khác nhau. Tuy nhiên, nó vẫn cịn nhiều hạn chế về hành trình. Để vƣợt qua
những hạn chế này, bộ khuếch đại chuyển vị có cấu tạo bao gồm hai cần bẩy sắp xếp
đối xứng hình học đƣợc đề xuất sữ dụng. Lực của PEA đƣợc cung cấp tại điểm giữa
của bộ khuếch đại.
Nhƣ đƣợc thể hiện ở Hình 11(a), hệ số khuếch đại của cần bẩy là R1L = lo/li trong
khi hệ số khuếch đại của cơ cấu đề xuất là sắp xỉ R1L = N*R1L với N là số cần bẩy.

trong nghiên cứu này, N= 2 là đủ để thực hiện chuyển vị nhƣ mong muốn, nhƣ mơ tả
ở Hình 11 (b). N có thể lớn hơn, nhƣng việc tăng N có thể làm tăng khơng gian của hệ
thống.

Hình 11. Cần bẩy: (a) Cần bẩy khuyếch đại truyển thống, (b) Bộ khuếch đại truyền
thống với hai cần bẩy
12


2.1.2. Mơ hình tay kẹp sóng vng
Cơ bản, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm hoạt động chủ yếu là dựa trên cơ sở biến dạng
đàn hồi của vật liệu. Mỗi khớp mềm đƣợc xem nhƣ là khớp đàn hồi. Đối với việc gắp,
giữ, định vị và thả trục mô tơ vào trục lỗ trên lõi từ. Mỏ kẹp của tay kẹp đƣợc yêu cầu
đáp ứng hai tiêu chí nhƣ là độ cứng cao, độ đàn hồi lớn. Độ đàn hồi lớn cho phép tay
gắp có thể đạt đƣợc chuyển vị lớn, độ cứng cao đảm bảo rằng tần số dao động cao. Để
đảm bảo những thuộc tính này cho tay gắp, hai mơ hình đƣợc đề xuất nhƣ sau (i) mơ
hình sóng sine đƣợc mơ tả trong Hình 12(a), (ii) mơ hình sóng vng, đƣợc mơ tả
trong Hình 12(b). Tuy nhiên, bởi vì mơ hình sóng sine có biên dạng là nhửng đƣờng
cong, biến dạng và độ bất ổn định trong suốt quá trình hoạt động là lớn. Đây chính là
nguyên nhân phát sinh phản lực trong tay gắp, làm gia tăng lực gắp, làm mất cân bằng
cấu trúc của hệ. Là nguyên nhân trực tiếp làm giảm độ chính xác của tay gắp trong
việc gắp, giữ, định vị và thả đối tƣợng. Để hạn chế những nhƣợc điểm này và làm
tăng trạng thái cân bằng của tay gắp, mơ hình sóng vng đƣợc đề xuất sữ dụng thiết
kế tay gắp. So với mơ hình sóng sine, mơ hình sóng vng đƣợc tạo thành bởi sự kết
hợp của các dầm mềm theo hai hƣớng ngang và đứng nhằm tạo độ cứng cao. Mặt dù
với mơ hình sóng vng các biến dạng uốn dọc theo phƣơng ngang vẫn tồn tại. Tuy
nhiên, nó sẽ giúp tăng độ cứng dọc theo chiều dài trục.
Nhƣ đề cập ở trên, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm đƣợc sữ dụng để gắp và thả trục
mơ tơ vào lỗ trục của lõi nhƣ Hình 12 (c). Cấu trúc của CMG đƣợc xây dựng bởi một
bộ khuếch đại tích hợp với hai mỏ kẹp. Chuyển động tuyến tính của PEA đƣợc chuyển

đến bộ khuếch đại và sau đó chuyển đến các khớp mềm. Tiếp theo, chuyển động của
các khớp mềm đƣợc nội suy đến các khâu cứng và khớp mềm nằm ngang. Cuối cùng,
một chuyển động tổng thể đƣợc xem nhƣ là tải đầu vào cho mỏ kẹp.
Trong hầu hết các nghiên cứu trƣớc đây, chuyển vị của mỏ kẹp bên trái và bên phải
cũng nhƣ là phản lực đƣợc tạo ra ở mỏ kẹp trái và mỏ kẹp phải là nhƣ nhau [12], [39],
[40]. Tuy nhiên, trong thực tế, có sự khác nhau về giá trị phản lực ở hai bên mỏ kẹp
[41]. Sự khác nhau này là nguyên nhân dẫn đến việc gắp và định vị đối tƣợng khơng

chính xác. Vì vậy, để gắp và thả đối tƣợng an toàn, lực gắp ở mỏ gắp trái và phải phải
bằng nhau. Trong nghiên cứu này, bởi việc sử dụng FEM trong Ansys 16, thông qua
13


phản lực phát ra ở dầm l4, lực gắp ở hai mỏ kẹp trái và phải đƣợc xác định. Nhƣ kết
quả thu đƣợc ở Hình 13, lực gắp ở mỏ kẹp bên trái và bên phải là gần nhƣ giống nhau.
Do đó, tay gắp có thể gắp và thả đối tƣợng một cách an tồn.

Hình 12. Mơ hình CAD: (a) cấu hình song vng, (c) tay gắp dựa trên cơ cấu mềm

Hình 13. Phản lực ở hàm phải và hàm trái của tay gắp
14


2.1.3. Hệ thống lắp ráp mơ tơ rung điện thoại
Hình 14(a) mô tả mộ hệ thống chèn trục mô tơ vào lõi từ mô tơ, loại ứng dụng cho
điện thoại di động. Trục mơ tơ có đƣờng kính 600 μm đến 800 μm và lõi từ có một lỗ
trục nhƣ đƣợc mơ tả ở Hình 14 (b). Hệ thống vận hành nhƣ sau: trục dập (1) đƣợc dẫn
hƣớng bởi tấm cố định (2) và bốn thanh dẫn hƣớng (3). Tay gắp (4) đƣợc lắp trên bàn
chống rung động (8) bởi vít tại các lỗ đƣợc gia cơng sẵn (5). Bộ kích PEA (6) đƣợc
định vị tại vị trí giữa của bộ khuếch đại và đƣợc điều chỉnh bởi vít (7). Lõi từ mô tơ

(12) đƣợc sắp xếp trên bàn (11). Lõi từ và bàn có thể di chuyển đồng thời dọc theo
phƣơng ngang bởi máng trƣợt 2 (10). Máng trƣợt 2 đƣợc lắp trên bàn dẫn hƣớng 1
(9). Tại thời điểm ban đầu, trục mô tơ đƣợc chuyển đến vị trí mỏ kẹp của tay gắp. Và
sau đó, với lực ban đầu của bộ kích PZT, mỏ gắp trái và phải của tay gắp phát lực gắp
F2 để gắp trục mô tơ. Trong thiết kế này, độ lớn của lực F2 của mỏ kẹp trái và phải
đƣợc yêu cầu là bằng nhau. Độ lớn của F2 đƣợc xác định nhƣ là phản lực của khớp
(l4) tại A, B và đƣợc miêu tả nhƣ Hình 13. Tâm của trục mơ tơ đƣợc điều chỉnh đồng
tâm với tâm lỗ của lõi từ bởi bàn trƣợt thông qua một động cơ bƣớc. Ở bƣớc cuối
cùng, trục dập di chuyển theo hƣớng xuống với lực F1 nhấn trục mô tơ vào lỗ của lõi
từ . Lực F1 đƣợc cung cấp bởi máy dập và có thể đƣợc điều chỉnh theo yêu cầu của
ngƣời thiết kế. Sau khi trục mô tơ đƣợc lắp vào lõi mơ tơ, dây đồng đƣợc quấn bên
ngồi lõi tạo từ tính, sau đó sẽ đƣợc lắp với các chi tiết khác để tạo thành một mơ tơ
rung hồn chỉnh. Mơ tơ này đƣợc ứng dụng vào chức năng rung của điện thoại di động.
Tóm lại, trong nghiên cứu này, tay gắp dựa trên cơ cấu mềm đƣợc thiết kế theo một
số tiêu chuẩn nhƣ sau:
(i)

Cơ cấu sóng vng đƣợc sữ dụng để thiết kế mỏ kẹp, và nó đƣợc yêu cầu
cung cấp chuyển động điều cho cả mỏ kẹp trái và phải.

(ii)

Mặt cắt ngang của khớp mềm có biên dạng hình chữ nhật đƣợc sử dụng nhƣ
là một lị so lá. Khớp mềm này khơng chỉ đóng vai trị là khớp kế nối giữa
mỏ kẹp và bộ khuếch đại, nó còn đƣợc thiết kế nối tiếp nhau để kế thừa khớp
động học.

15