(Đề tài NCKH) nghiên cứu, thiết kế, tối ưu hóa và chế tạo bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị kiểm tra độ cứng vật liệu

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

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, TỐI ƯU HÓA
VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO
SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ
KIỂM TRA ĐỘ CỨNG VẬT LIỆU MÃ SỐ: T2019

SKC006942

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2020


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 2019
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, TỐI ƯU HÓA VÀ CHẾ TẠO BỘ
ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ KIỂM
TRA ĐỘ CỨNG VẬT LIỆU

Mã số: T2019 – 05TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. LÊ HIẾU GIANG

TP. HCM, Tháng 04/Năm 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM 2019
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, TỐI ƯU HÓA VÀ CHẾ TẠO BỘ
ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ KIỂM
TRA ĐỘ CỨNG VẬT LIỆU

Mã số: T2019 – 05TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. LÊ HIẾU GIANG

Thành viên đề tài:
TS. ĐÀO THANH PHONG

ThS. ĐẶNG MINH PHỤNG

TP. HCM, Tháng 04/Năm 2020

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

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Khoa CKM
Tp. HCM, Ngày 10 tháng

04 năm 2020

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài:

Nghiên cứu thiết kế, tối ưu hóa và chế tạo bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm định
hướng ứng dụng cho hệ thống định vị kiểm tra độ cứng vật liệu
- Mã số: T2019 – 05TĐ
- Chủ nhiệm: PGS.TS Lê Hiếu Giang
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 1/2019-12/2019
2. Mục tiêu:

Thiết kế bộ định vị mềm 01 bậc tự do. Tiếp theo, tác giả phân tích ảnh hưởng của thơng số
hình đến đặc tính chất lượng của bộ định vị 01 bậc tự do. Phát triển thuật toán tối ưu kết hợp để
tối ưu hóa đa mục tiêu. Cuối cùng, tác giả đánh giá kiểm chứng các kết quả tối ưu.
3. Tính mới và sáng tạo:
(i)

Thiết kế mới kết cấu bộ định vị mềm 01 bậc tự do

(ii) Một giải thuật kết hợp mới được đề xuất sử dụng trong tối ưu hóa đa mục tiêu cho các

đặc tính chất lượng của bộ định vị
(iii) Tích hợp phương pháp tính trọng số dựa trên độ nhạy của các đáp ứng kết hợp với

thống kê.
4. Kết quả nghiên cứu:

STT

Nội dung nghiên cứu
theo Thuyết minh đề tài
1 Tổng quan
2 Phát triển bộ định vị 01 bậc tự
do

3 Kết luận, kiến nghị


5. Sản phẩm: Một bài báo SCIE
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Nghiên cứu đề xuất thiết kế mới và tối ưu hóa bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm.
Phương pháp đề xuất giúp giảm thời gian thiết kế, đảm bảo độ tin cậy. Ngoài ra, phương pháp
đề xuất trong nghiên cứu này cũng có giá trị về mặt học thuật. Có thể được ứng dụng trong đào
tạo và nghiên cứu.
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

PGS.TS Lê Hiếu Giang


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Researching design, optimizing and manufacturing of a new 1-DOF
compliant positioning stage intended to apply for checking the material hardness testing
positioning system
Code number: T2019 – 06T5
Coordinator: Assoc.Prof. Dr. LE HIEU GIANG
Implementing institution: HCMC University of Technology and Education
Duration: from 1/2019 to 12/2019
2. Objective(s):
A new 1-DOF compliant positioning stage is designed and anlyzed. Next, authors analyze
the effect of the main parameters on the quality characteristics of the stage. In addition, a new
hybrid optimization algorithm is developed to optimize multiple goals. Finally, the optimal
results are verified by FEA.
3. Creativeness and innovativeness:
(i) New design for a 1-DOF compliant positioning stage
(ii) A new combined algorithm is proposed for using multi-objective optimization for the

quality characteristics of the stage
(iii) Integrating a weight factor caculating method based on the sensitivity of the responses

combined with statistics.
4. Research results:

No.
Content
1 Overview
2 - Develop a new 1-DOF
compliant 1-DOF stage
- Propose hybrid optimal
algorithm

3 Conclusions


5. Products: A SCIE paper
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

This study proposed a new hybrid method in order to design and optimize a 1-DOF
compliant stage. The proposed method reduces design time and ensures reliability. In addition,
the method proposed in this study also has a good academic value. It can be applied for training
and researching.


DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

STT

1

Họ và tên

PGS.TS Lê Hiếu

Giang

2

3

TS. Đào Thanh
Phong
ThS. Đặng Minh
Phụng


T2019-05TĐ

TÓM TẮT
Bài viết này phát triển một phương pháp tối ưu hóa lai cho thiết kế tối ưu đa mục tiêu
của một bộ định vị định hướng ứng dụng cho hệ thống kiểm tra độ cứng vật liệu. Bộ định
vị bắt chước ứng xử cơ học của bọ cánh cứng để cho phép chuyển động tuyến tính. Cấu
trúc của cơ cấu thích bọ cánh cứng bao gồm sáu chân sắp xếp theo cấu trúc liên kết đối
xứng. Tỷ lệ khuếch đại và đặc tính tĩnh của bộ định vị được phân tích bằng phân tích
phần tử hữu hạn (FEA). Để cải thiện hiệu suất của bộ định vị, các tham số hình học chính
của bộ định vị được tối ưu hóa bằng phương pháp lai hiệu quả của phương pháp Taguchi
(TM), phương pháp phản ứng bề mặt (RSM), hệ thống suy luận mờ và mạng thần kinh
thích nghi (ANFIS) và giải thuật tối ưu dựa trên giảng dạy và học tập (TLBO). Dữ liệu số
được thu thập bằng cách tích hợp RSM và FEA. Tín hiệu tỷ lệ nhiễu được xác định và
trọng số của từng đáp ứng ứng được tính tốn. Các tham số ANFIS phù hợp được tối ưu
hóa thơng qua TM. Kết quả cho thấy dạng hình thang là loại tốt nhất cho hệ số an toàn và
chuyển vị. Các tham số ANFIS tối ưu cho hệ số an toàn và độ dịch chuyển được xác định
tại số lượng MFs đầu vào là 4, trapmf, phương pháp học lai và MFs đầu ra tuyến tính.
Theo các cơ sở ANFIS được cải tiến, thuật toán TLBO được sử dụng để giải quyết tối ưu

hóa đa mục tiêu. Phân tích phương sai và độ nhạy được nghiên cứu để xác định ảnh
hưởng đáng kể của các yếu tố thiết kế đến các đáp ứng đầu ra. Các xác nhận mơ phỏng và
thí nghiệm phù hợp với kết quả dự đoán.

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng

i


T2019-05TĐ

MỤC LỤC
TÓM TẮT.......................................................................................................................... i
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.............................................................................................. 1
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu................................................................................ 1
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................. 3
2.1 Cơ cấu mềm và phạm vi ứng dụng........................................................................... 3
2.2 Khớp mềm............................................................................................................... 5
2.3 Bộ truyền động......................................................................................................... 6
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH TĨNH BỘ ĐỊNH VỊ......................................8
3.1 Bộ định vị mềm........................................................................................................ 8
3.2 Cơ cấu khuếch đại chuyển vị................................................................................... 8
3.3 Bộ định vị dựa trên biên dạng của bọ cánh cứng với bộ khuếch đại........................9
3.4 Một ứng dụng cơ bản cho hệ thống kiểm tra độ cứng vật liệu...............................11
3.5 Phân tích các đặc tính ban đầu và sai số chuyển động theo...................................11
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU......................................................................... 15
4.1 Tuyên bố vấn đề tối ưu hóa.................................................................................... 15
4.1.1 Biến thiết kế.................................................................................................... 15
4.1.2. Các hàm mục tiêu........................................................................................... 15
4.1.3 Các ràng buộc................................................................................................. 16

4.2 Đề xuất phương pháp kết hợp................................................................................ 16
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................... 24
5.1 Thu thập dữ liệu số................................................................................................ 24
5.2 Tính tốn trọng số.................................................................................................. 25
5.3 Thành lập mơ hình ANFIS..................................................................................... 27
5.4. Kết quả tối ưu....................................................................................................... 33
5.5 Phân tích độ nhạy................................................................................................... 33
5.6 Xác nhận................................................................................................................ 37
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 40

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng

ii


T2019-05TĐ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu được thiết kế để đo độ cứng, mô đun đàn hồi và độ dão.
Hệ thống có thể được thực hiện để xác định đặc tính của vật liệu hữu cơ, vật liệu vơ cơ, vật liệu
cứng và vật liệu mềm. Việt đo độ cứng có thể được thực hiện trong vịng chưa đầy 3 phút mà
không cần chờ ổn định nhiệt với kỹ thuật tham chiếu bề mặt. Do đó, một q trình định vị phải
cao chính xác. Vật liệu có thể được kiểm tra, bao gồm các loại cứng và mềm từ mô, tế bào sinh
học, vật liệu nano bán dẫn, quang học, khoa học vật liệu, cơ học sinh học, hệ thống cơ điện tử
và điện tử (Hu et al. 2013; O'Brien et al. 2005; Nohava et al. 2009).
Trong quá trình kiểm tra độ cứng vật liệu, nhiều kính hiển vi được sử dụng để ghi lại
hình ảnh của mẫu trước và sau khi thử kiểm tra để mô tả đường cong dịch chuyển so với tải
trong khi mẫu vật liệu được đưa ra trước kính hiển vi. Để có được chất lượng hình ảnh tốt,

một bộ định vị chính xác là điều cần thiết để định vị vật liệu mẫu. Nó có nghĩa là bộ định vị
là một cơ cấu quan trọng cho hệ thống kiểm tra độ cứng vật liệu. Trong thương mại hóa,
tồn bộ hệ thống khó đạt được độ chính xác vị trí cao do sử dụng động cơ servo, vít bi và
khớp cứng. Điều này dẫn đến những bất lợi không thuận lợi như ma sát và mài mịn.
Để khắc phục nhược điểm của các cơng nghệ truyền thống, một bộ định vị sử dụng cơ
cấu mềm được đề xuất để cải thiện độ phân giải của hệ thống vì các ưu điểm cơ bản như
khơng hao mòn, ma sát tự do, cấu trúc nguyên khối, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp, khơng
bơi trơn, độ chính xác cao và cấu trúc nhỏ gọn (Xu et al. 2014; Lu et al. 2014; Lai et al.
2017; Polit et al. 2011; Song et al. 2010; Dao et al. 2017; Fung et al. 2009). Tương tự như
các ứng dụng khác nhau, hệ thống kiểm tra độ cứng vật liệu cũng địi hỏi một hành trình
làm việc lớn với hệ số an toàn cao để thực hiện các nhiệm vụ định vị khác nhau.
Một vài năm gần đây, liên quan đến một chuyến đi làm việc lớn, nhiều nghiên cứu đã
được thực hiện. Một số tập trung vào việc sử dụng các bộ khuếch đại khác nhau (Ling et al.
2016). Một hành trình làm việc lớn của các bộ định vị đã được thiết kế (Dao et al. 2017).
Yong và cộng sự, năm 2009 đã phát triển các cần khuếch đại cho định vị nhanh tỉ lệ nano.
Kang và cộng sự, năm 2005 đề xuất cơ cấu khuếch đại chuyển vị tích hợp các cơ cấu song
song sử dụng cơ cấu mềm. Kim et al. 2012 sử dụng bộ khuếch đại dịch chuyển kép cho hệ
thống định vị 3 bậc. Xu et al. 2011 trình bày một tối ưu hóa của một cơ cấu khuếch đại cầu
tích hợp. Zhu và cộng sự, năm 2018 đã thiết kế một bộ khuếch đại kết hợp cơ cấu ScottRussell và cơ cấu nửa cầu cho giai đoạn định vị nano 2 bậc tự do.

Không giống như các nghiên cứu trước đây, lấy cảm hứng từ sự linh hoạt cao trong
chuyển động của bọ cánh cứng, bộ định vị đề xuất được thiết kế để đạt được một chuyển
động theo nhỏ. Sau đó, một bộ khuếch đại dịch chuyển đa cần đối xứng mới được tích hợp
bên trong bộ định vị để tạo ra một hành trình làm việc lớn. Tuy nhiên, bộ định vị rất khó để
có được một sự dịch chuyển lớn và đảm bảo độ bền tốt đồng thời thông qua một quá trình
thiết kế. Như đã biết, hai đáp ứng chất lượng bị xung đột với nhau. Do đó, một vấn đề tối
ưu hóa đa mục tiêu là cần thiết để cân bằng giữa các mục tiêu.

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng

T2019-05TĐ

Liên quan đến một q trình tối ưu hóa đa mục tiêu, Huang cùng cộng sự, năm 2016 đã
tối ưu hóa bộ định vị XY mềm sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và
phương pháp đáp ứng ứng bề mặt (RSM). Xiao cùng cộng sự, năm 2011 đã tối ưu hóa độ
cứng, hành trình làm việc và hệ số an toàn bằng cách sử dụng thuật toán di truyền kết hợp
mạng chức năng cơ sở bán kính. Những năm gần đây, Dao cùng cộng sự, năm 2017 đã phát
triển một thuật tốn tìm kiếm Taguchi-Cuckoo lai để tối ưu hóa đồng thời các đáp ứng chất
lượng cho bộ định vị dựa trên khớp mềm. Một cách tiếp cận kết hợp của phân tích quan hệ
xám, Taguchi, RSM và phép đo entropy đã được kết hợp (Huang và cộng sự 2016). RSM
được tích hợp với GA (Álvarez et al. 2009, Bahloul et al. 2013), ANFIS và Jaya (Suraj et al.
2016), GA và tối ưu hóa đàn kiến (Zukhri et al. 2013).
Ngoài ra, Ling cùng cộng sự, năm 2019 đề xuất một phương pháp tối ưu hóa dựa trên động
học cho cơ cấu định vị nguyên khối 2 bậc sử dụng cơ cấu mềm. Nói chung, các thuật tốn tối
ưu hóa dựa trên dân số thường u cầu các tham số có thể điều khiển ban đầu trong khi đó tối
ưu hóa dựa trên việc dạy học (TLBO) có thể tối ưu hóa nhanh chóng đa tiêu chí với ít tham số
hơn. Vì vậy, TLBO được đề xuất để tiến hành vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu cho bộ định vị đề
xuất. Trước khi thực hiện lập trình TLBO, các phương trình tốn học hoặc mơ hình thay thế cho
cả chuyển vị và hệ số an tồn phải được thiết lập tốt. Bởi vì bộ định vị mềm là một loại kỹ thuật
cơ khí phi truyền thống, các mơ hình tốn học rất phức tạp để được thiết lập. Nếu các phương
trình này có thể sai, các giải pháp tối ưu hóa thêm là khơng đúng.

Đối với một bộ định vị mềm thực sự, một mối quan hệ tốt giữa các biến thiết kế và đáp
ứng chất lượng rất khó để thiết lập các phương trình chính xác. Do đó, nó dẫn đến một giải
pháp tối ưu hóa khơng chính xác. Như đã biết, RSM được coi là mơ hình thay thế và có thể
xấp xỉ mơ hình hồi quy nhưng độ chính xác dự đốn của RSM phụ thuộc rất nhiều vào hệ
số xác định. Để khắc phục hạn chế này, trí tuệ nhân tạo đã được phát triển cho các lĩnh vực
khác nhau trong đó hệ thống suy luận mờ dựa mạng thần kinh thích nghi (ANFIS) là một
trong những ứng dụng hiệu quả nhất. ANFIS được coi là một hộp đen hiệu quả thơng qua

việc tích hợp logic mờ và mạng lưới thần kinh (Wei et al. 2016, Cheng et al. 2009).
Vì vậy, ANFIS được áp dụng rộng rãi hơn cho bộ định vị đề xuất. Mặc dù ANFIS vẫn hữu
ích cho các vấn đề khác nhau, nhưng cấu trúc ANFIS cơ bản chủ yếu phụ thuộc vào bốn tham
số có thể kiểm sốt chính là: (1) Số lượng hàm thành viên đầu vào (MF) của logic mờ, (2) loại
MF đầu vào, (3) phương pháp đào tạo như thủ tục lai hoặc truyền ngược, và (4) loại MF đầu ra.
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các tham số này làm mặc định và
khơng có cân nhắc trong việc xác định các tham số phù hợp của cấu trúc ANFIS cho một vấn
đề cụ thể. Để xác định các tham số thích hợp cho ANFIS, phương pháp Taguchi (TM) được sử
dụng để tối ưu sai số bình phương tối thiểu, là một chỉ số đặc tính của ANFIS.
Dựa trên các tham số được tối ưu hóa của ANFIS, một mơ hình thay thế được thiết lập tốt
cho bộ định vị. Ngoài ra, đối với một vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu, hệ số trọng số (WF) cho
mỗi đáp ứng là khác nhau. Trọng số thường được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm hoặc nhu cầu
của khách hàng. Không giống như các nghiên cứu trước đây, WF có thể xác định chính

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

xác thông qua việc thiết lập tập hợp các phương trình thống kê vì WF phụ thuộc vào độ
nhạy của các biến thiết kế đối với các đáp ứng.
Mục đích chính của nghiên cứu này là phát triển một cách tiếp cận tích hợp mới để tiến
hành thiết kế tối ưu hóa đa tiêu chí cho bộ định vị dựa trên biên dạng chân bọ cánh cứng.
Một cơ cấu chuyển vị đa cần đối xứng được thiết kế để khuếch đại hành trình làm việc. Độ
nhạy của các biến thiết kế được phân tích. Ngun tắc tối ưu hóa bao gồm các giai đoạn
sau. Trước hết, dữ liệu số được thu thập bằng cách tích hợp FEA và RSM. Tiếp theo, trọng
số được tính tốn chính xác dựa trên các phương trình thống kê. Và sau đó, các thơng số
điều khiển phù hợp cho cấu trúc ANFIS được tối ưu hóa bởi TM. Sau khi cải thiện cấu trúc
ANFIS, các mối quan hệ giữa các biến thiết kế và mục tiêu chất lượng được liên kế bởi mơ
hình ANFIS được cải tiến. Cuối cùng, thuật tốn TLBO được thơng qua để giải quyết tối ưu

hóa đa mục tiêu. Một nguyên mẫu đã được chế tạo và ứng xử của nó được thử nghiệm để
xác nhận kết quả dự đoán.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ cấu mềm và phạm vi ứng dụng
Ngày nay, dựa trên các ưu điểm của các cơ cấu mềm, chúng được sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như các thiết bị sử dụng hằng ngày như trong y học, MEMS và
robot.
a. Cuộc sống hàng ngày: có một số lượng lớn các thiết bị phổ biến sử dụng cơ cấu mềm vì

tính linh hoạt, như được minh họa trong Hình 2.1.

Hình 2.1. Các thiết bị sử dụng cơ cấu mềm phổ biến: kẹp giấy, chốt ba lô, dụng cụ uốn lông
mi và kéo cắt móng tay [41]
b. Trong y học: cơ cấu mềm vì cấu trúc ngun khối, khơng bị mài mịn, khơng ma sát và

khơng bơi trơn. Nó phù hợp với mơi trường bên trong cơ thể. Do đó, các cơ cấu mềm đã
được nghiên cứu để sử dụng trong lĩnh vực y tế, như được mơ tả trong Hình 2.2.

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

(a)

(b)

Hình 2.2. Các ứng dụng của các cơ cấu mềm trong y học: (a) Nguyên mẫu của dụng

cụ kẹp sử dụng cơ cấu mềm [42], (b) Thiết bị phục hồi chức năng mắt cá chân [43]
Ngoài ra, các cơ cấu mềm đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp robot
sinh học, như trong Hình 2.3, và áp dụng hệ thống mắt cá chân 02 bậc tự do sử dụng
cơ cấu mềm được lấy cảm hứng từ ứng xử cơ sinh học cho robot hình người, như
được chỉ ra trong Hình 2.4.

Hình 2.3. Bàn tay robot dựa trên cơ cấu
mềm [44]

Hình 2.4. Hệ thống chân-mắt cá chân 2bậc tự do dựa trên cơ cấu mềm [45]

c. Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS):
MEMS là một quy trình cơng nghệ được sử dụng để tạo ra các thiết bị hoặc hệ thống tích
hợp các thành phần điện và cơ khí. Các phần tử MEMS có thể được chế tạo bằng cách sử
dụng các kỹ thuật xử lý hàng loạt mạch tích hợp (IC) và nó có kích thước từ vài micromet
đến milimét. Dựa trên những lợi ích của kích thước nhỏ, cơ cấu mềm là sự lựa chọn phù
hợp cho ứng dụng. Hình 2.5 minh họa một thiết bị MEMS dựa trên các cơ cấu mềm.

Hình 2.5. Các ứng dụng của các cơ cấu mềm trong MEMS [46]: Công tắc MEMS kích
hoạt bằng nhiệt độ.
PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

d. Các bộ định vị mềm
Hơn nữa, các cơ cấu mềm đã được sử dụng rộng rãi trong các bộ định vị micro-/nano, như
được minh họa trong Hình 2.6.

Hình 2.6. Bộ định vị XY sử dụng cơ cấu mềm [47].

2.2 Khớp mềm
Khớp mềm là chi tiết quan trọng nhất trong lĩnh vực cơ chế tuân mề. Để biết chi tiết,
khớp mềm là một yếu tố cơ khí hỗ trợ xoay tương đối cho các phần tử cứng dựa trên khả
năng uốn của nó thay vì sử dụng khớp quay truyền thống [48]. Trong những năm gần đây,
nhiều loại khớp mềm linh hoạt đã được nghiên cứu và cải tiến. Paro et al. [49] đề xuất các
cơng thức tính mềm và các phương trình kỹ thuật tính ước lượng cho khớp mềm đối xứng
tròn và đối xứng tròn phải vào năm 1965.
Sau đó, dựa trên kết quả nghiên cứu của Paros et al. [50], Smith và cộng sự. [51] đề xuất
khớp mềm hình elip và khớp mềm hình trịn dựa trên sự điều chỉnh kết quả ban đầu của
Paros và cộng sự, Lobontiu và cộng sự [51-53] đã đề xuất các cơng thức mềm chính xác để
tính tốn khớp mềm bo góc đối xứng. Các loại khớp mềm khác nhau đã được nghiên cứu
trong những năm gần đây, một giới thiệu ngắn về phân loại khớp mềm được thể hiện dựa
trên các nguyên tắc chức năng và cấu hình hình học liên quan. Ngoài ra, Lobontiu et al. [54]
đề xuất một cách tiếp cận để tính tốn và thiết kế một khớp mềm bằng cách tính tốn, xác
định góc quay, độ chính xác quay và độ phân tán ứng suất. Nói chung, khớp mềm có thể
được chia thành hai lớp: khớp mềm đơn giản cũng như khớp mềm phức tạp [55, 56], như
được minh họa trong hình 2.7. Để biết chi tiết, khớp mềm trục đơn có tiết diện hình chữ
nhật với chiều rộng hằng số và chiều cao thay đổi.
Loại khớp mềm này có thể được phân loại dựa trên các hình dạng của mặt cắt ngang của
chúng, chẳng hạn như khớp mềm kiểu notch, như minh họa trong hình 2.8 và khớp mềm phức
tạp [57, 58], như trong hình 2.9. Đặc biệt hơn, khớp mềm loại notch đã được sử dụng rộng rãi
trong các hệ thống chính xác macro/micro/nano. khớp mềm này bao gồm khớp mềm hình trịn
[59-61], khớp mềm bo cong góc [62-64], khớp mềm hình chữ V [65, 66], khớp mềm hình elip
[67, 68], khớp mềm hình parabolic [69, 70] và khớp mềm hình hyperbol [69].
PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

Hình 2.7. Các loại chính của khớp mềm

(a) Khớp hình trịn

(d) Khớp hình chữ V

(b) Khớp lá bo góc

(c) Khớp hình elip

(e) Khớp hình Hyperbol
Hình 2.8. Khớp mềm kiểu notch

(f) Khớp hình parabolic

(b)

(a)

(c)

(d)

(a) Khớp mềm dải chéo, (b) Khớp mềm kiểu bánh xe,
(c) Khớp mềm dạng lá, (d) Khớp mềm Hyperbol

Hình 2.9. Khớp mềm phức tạp
Mỗi loại khớp mềm có phạm vi sử dụng riêng, tùy thuộc vào cấu trúc và phạm vi hoạt
động của nó. Ngày nay, khớp mềm, đặc biệt là khớp mềm kiểu notch được sử dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các bộ định vị và hệ thống MEMS.
2.3 Bộ truyền động

Thiết bị truyền động áp điện (PEA) là một loại thiết bị truyền động dựa trên hiệu ứng áp
điện ngược của tinh thể ion [70], tức là, bằng cách áp dụng một trường điện bên ngoài, vật liệu
áp điện sẽ kéo dài để điều chỉnh điện trường bên trong của nó để chống lại sự thay đổi.
PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

Hình 2.9 cho thấy hiệu ứng áp điện ngược của một lớp vật liệu áp điện. Các hình thức của
PEA có thể dựa trên ngăn xếp và dựa trên phim. Hiện tại, PEA dựa trên ngăn xếp chủ yếu
được sử dụng để truyền động, bởi vì nó được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp vật liệu áp
điện, cung cấp lực đầu ra và hành trình khá lớn. Ngồi ra, tính dễ sử dụng làm cho PEA trở
thành thiết bị truyền động được sử dụng rộng rãi nhất trong định vị micro-/nano.

Hình 2.9. Bộ truyền động áp điện (PEA).

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH TĨNH BỘ ĐỊNH VỊ
3.1 Bộ định vị mềm
Lấy cảm hứng từ sự linh hoạt di chuyển của bọ cánh cứng, một bộ định vị mới (CPP) đã
được thiết kế để đạt được sự dịch chuyển đầu ra tuyến tính cũng như giảm chuyển động theo,
như được mơ tả như Hình.3.1 (a) và (b). Hơn nữa, chuyển động cơ thể và chân của bọ cánh
cứng gần như nằm trong cùng một mặt phẳng và độ linh hoạt cao của chân. Do đó, cơ cấu
giống bọ cánh cứng thích hợp để xây dựng cơ cấu chuyển động trong 01 mặt phẳng. Hình 3.1
(a) là hình ảnh của một con bọ cánh cứng thực sự. Dựa trên hình dạng của mỗi chân bọ
cánh cứng, một trong hai chân của nó có thể được đề xuất để chia thành năm phần. Hình

học này có thể được bắt chước để phát triển cơ chế tạo ra chuyển động tuyến tính. Do đó,
một mơ hình của CPP được đề xuất với năm phân đoạn đã được thiết kế, như trong Hình 3.1
(b). Nó bao gồm các liên kết cứng và khớp mềm. Chuyển động của nó dựa trên trên các
khớp mềm. Do đó, các thơng số hình học của các khớp mềm đóng góp phần lớn vào các đặc
tính của bộ định vị.

(a)

(b)

Hình 3.1. Mơ hình bộ định vị lấy cảm hứng từ bọ cánh cứng: (a) Động vật
bọ cánh cứng, (b) Bộ định vị mềm
Cơ cấu dựa trên biên dạng bọ cánh cứng đảm bảo chuyển động tuyến tính dọc theo
hướng dọc và triệt tiêu chuyển động theo dọc theo hướng ngang. Các đặc tính tổng thể của
bộ định vị được đánh giá liên quan đến sự dịch chuyển lớn, chuyển động theo nhỏ và hệ số
an toàn cao. Một chuyển động theo nhỏ có thể đạt được bằng một thiết kế trực tiếp nhưng
hai đáp ứng còn lại phải thực hiện một vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu hơn nữa.
3.2 Cơ cấu khuếch đại chuyển vị
Theo truyền thống, một cơ cấu cần được sử dụng để khuếch đại giá trị của lực hoặc chuyển
vị. Cấu trúc của cần bao gồm một thanh hoặc thanh cứng được đặt trên một bản lề cố định hoặc
điểm tựa, như được minh họa trong hình 2 (a). Điểm O là một bản lề cố định là tâm xoay của
đòn bẩy, điểm A là đầu vào và điểm B là vị trí đầu ra. Nguyên lý hoạt động của cơ
cấu cần được minh họa như sau: khi xác định vị trí dịch chuyển dọc

l1 trên điểm đầu vào A,
’

địn bẩy sẽ xoay một góc so với trục z. Kết quả là, điểm B di chuyển đến B , và sự dịch
chuyển đầu ra l2 có thể đạt được theo hướng dọc (trục y), như được minh họa trong Hình 2
(b). Trước hết, một cơ cấu cần có thể được sử dụng để khuếch đại dịch chuyển đầu ra.

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

Tuy nhiên, cơ cấu này dễ dàng tạo ra chuyển động theo lớn. Vì vậy, một cơ cấu hai cần
được thiết kế để khuếch đại dịch chuyển đầu ra và đảm bảo chuyển động theo nhỏ dựa trên
cấu trúc đối xứng của nó, như trong Hình 3 (b). Ngồi ra, để khuếch đại dịch chuyển đầu ra
lớn hơn, bộ khuếch đại dịch chuyển bốn đòn bẩy đã được đề xuất trong bài viết này, như
được mơ tả trong Hình 3. 4.

(a)

(b)

Hình 3.2. Sơ đồ: (a) Nguyên lý hoạt động của cơ cấu địn bẩy, (b) tỷ lệ khuếch đại

(a)
(b)
Hình 3.3. Mơ hình bộ khuếch đại địn bẩy: (a) cơ cấu một cần, (b) cơ cấu hai cần

Hình 3.4. Mơ hình đề xuất của bộ khuếch đại dịch chuyển bốn cần
Dựa trên sơ đồ nguyên lý (xem hình 2 (b)), tỷ lệ khuếch đại của địn bẩy có thể đạt được
xấp xỉ như:
r
lever

Phương trình của bộ khuếch đại dịch chuyển đa đòn bẩy được giả định như sau:
(1)

rT l2 l1 l 4 l3
trong đó rT là tỷ lệ khuếch đại của bộ khuếch đại chuyển vị của bốn cần.
3.3 Bộ định vị dựa trên biên dạng của bọ cánh cứng với bộ khuếch đại
Nguyên lý hoạt động của CPP dựa trên biến dạng đàn hồi của khớp mềm. Trong nghiên
cứu này, vật liệu Al T73-7075 được chọn làm vật liệu cho bộ định vị do độ bền cao cao 503


PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ
3

MPa, mô đun đàn hồi E = 71700 MPa, tỉ trọng nhẹ 2810 kg/m và tỷ lệ Poisson là 0,33. Đặc
điểm kỹ thuật của bộ định vị được giả định rằng độ dịch chuyển đầu vào là 0,13 mm, như
được nêu trong Bảng 1. Như đã thấy trong Hình 5, nó bao gồm các yếu tố như sau: (i) mười
hai lỗ cố định được sử dụng để xác định vị trí của bộ định vị trên một bàn chống rung bảng
để kiểm tra các đặc tính của nó, (ii) một vít tịnh tiến (định vị tại vị trí dịch chuyển đầu vào)
đã được sử dụng để tạo ra sự dịch chuyển đầu vào cho bộ định vị bằng cách kết nối trực tiếp
với cơ cấu dựa trên biên dạng giống bọ cánh cứng.
Tổng kích thước của mơ hình là khoảng 230mm×222mm×6 mm. Các tham số hình học
của bộ định vị được đưa ra trong Bảng 1. Theo các đặc tĩnh tốt cho hệ thống định vị, bộ
định vị đề xuất là cần thiết để tạo ra đồng thời sự dịch chuyển lớn và hệ số an toàn cao.
Dựa trên miền thiết kế và khả năng của phương pháp gia công cắt dây cũng như kinh
nghiệm của người thiết kế, các thông số thiết kế ban đầu của cấu trúc đã được đề xuất để
đảm bảo đạt được độ dịch chuyển đầu ra cao và phù hợp để chế tạo bằng phương pháp cắt
dây. Trong nghiên cứu này, các tham số hình học (chiều dài và chiều rộng cũng như bán
kính) của khớp mềm cũng ảnh hưởng đến chuyển động tuyến tính của cấu trúc. Tuy nhiên,
so với các thơng số hình học khác của cơ cấu chân bọ cánh cứng, độ dày của khớp mềm là
tác động đáng kể nhất đối với chuyển động tuyến tính và chuyển vị đầu ra theo lý thuyết

Euler-Bernoulli và lý thuyết về cơ cấu mềm. Vì vậy, nghiên cứu này xem xét độ dày của
khớp mềm của cơ cấu chân bọ cánh cứng là một tham số chính để thiết lập các biến thiết kế
và bỏ qua các tham số hình học khác.

(a)
(b)
Hình 3.5. Mơ hình: (a) bộ định vị dựa trên biên dạng bọ cánh cứng, (b) tham số thiết kế

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

Bảng 1. Các thông số vật liệu và cấu trúc của bộ định vị
Density
2810
3
kg/m
Parameters
a
b
c
d
e
f
g
3.4 Một ứng dụng cơ bản cho hệ thống kiểm tra độ cứng vật liệu
Nguyên lý làm việc của bộ định vị được đề xuất dựa trên biến dạng đàn hồi của vật liệu. Nó
đã được tuân thủ theo định luật Hook. Do đó, bộ định vị đã được vận hành trong giới hạn đàn
hồi. Nó được áp dụng định hướng ứng dụng cho hệ thống kiểm tra độ cứng vật liệu. Bộ định vị

được sử dụng để định vị mẫu vật liệu trong quá trình kiểm tra độ cứng vật liệu. Trước khi dịch
chuyển xuống dưới để kiểm tra các đặc tính của mẫu vật liệu, bộ định vị sẽ di chuyển tuyến
tính dọc theo hướng ngang để xác định vị trí mẫu đến vị trí chính xác ban đầu. Đồng thời, nhiều
kính hiển vi đã được sử dụng để chụp ảnh giám sát mẫu theo các đặc điểm ban đầu của mẫu.
Và sau đó, đầu kiểm tra đô cứng sẽ được cung cấp một chiều sâu vào mẫu thử nghiệm. Tiếp
theo, bộ định vị sẽ quay trở lại vị trí tham chiếu để chuẩn bị thử nghiệm lần sau. Một ứng dụng
cơ bản cho thiết bị kiểm tra độ cứng đã được đề xuất trong Hình 6.

Hình 3.6. Thiết bị dự kiến ứng dụng kiểm tra độ cứng vật
liệu 3.5 Phân tích các đặc tính ban đầu và sai số chuyển động theo
Trong phần này, một mơ hình 3D của bộ định vị được thiết kế bởi phần mềm Inventor
Professional 2018, và sau đó nó được mơ phỏng thơng qua việc sử dụng phân tích phần tử
hữu hạn trong phần mềm ANSYS 18.2. Mục đích là để dự báo sự dịch chuyển đầu ra trục y
PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

và hệ số an toàn của bộ định vị. Để thực hiện phân tích này, phương pháp chia lưới tự động
đã được áp dụng, và sau đó các khớp mềm được tinh chỉnh để đạt được độ chính xác phân
tích tốt hơn, như minh họa trong Hình 3.7. Các điều kiện biên được đề xuất như sau: bộ
định vị được cố định tại các lỗ. Sau khi một bộ định vị phát thảo được thiết kế, độ dịch
chuyển đầu ra của mơ hình đã được nghiên cứu bằng cách thay đổi độ dịch chuyển đầu vào
của vít dịch từ 190 µm sang 220 µm, để kiểm tra giới hạn của phá hủy tĩnh và giới hạn
chuyển vị đầu vào tối đa cho giai đoạn định vị ban đầu.

Refine mesh

Hình 3.7. Sơ đồ tạo lưới cho bộ định vị
Để kiểm tra giới hạn của phá hủy biến dạng dẻo và xác định phạm vi dịch chuyển đầu vào

cho bộ định vị đề xuất, độ dịch chuyển đầu vào từ vít tịnh tiến được thay đổi từ 190 µm đến
220 µm. Sự dịch chuyển đầu ra tương ứng đã được ghi lại. Kết quả của Bảng 2 cho thấy độ
dịch chuyển đầu ra đạt 3,8193 mm so với độ dịch chuyển đầu vào là 220. Trong trường hợp
này, hệ số an toàn thấp hơn 1 và ứng suất kết quả là khoảng 503,13 MPa, lớn hơn ứng suất
tới hạn hoặc ứng suất cho phép của vật liệu (503 MPa), bộ định vị có thể dẫn đến phá hủy
biến dạng dẻo.
Do đó, chuyển vị đầu vào tối đa phải nhỏ hơn 220 µm. Trong khi đó, khi độ dịch chuyển
đầu vào là 190 µm, ứng suất thu được xấp xỉ 434,52 MPa, thấp hơn ứng suất cho phép của
vật liệu. Hệ số an toàn là khoảng 1,15. Trong nghiên cứu này, hệ số an toàn trên 1,5 được
mong muốn để đảm bảo cuộc sống làm việc tốt cho bộ định vị. Kết quả là, sự dịch chuyển
đầu vào đã được đề xuất trong phạm vi từ 10 µm đến 180 µm. Bằng cách thay đổi độ dịch
chuyển đầu vào từ 10 µm đến 180 µm, độ dịch chuyển đầu ra theo hướng X và Y và sai số
chuyển động theo được tính bằng Eq. (3). Như được đưa ra trong Bảng 3, sai số chuyển động

theo là tương đối nhỏ.

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

Kết quả cũng cho thấy ứng suất tương đương là 297,31 MPa, hệ số an toàn là 1,6969, tỷ lệ

khuếch đại (AR) là 17.3608. Tuy nhiên, tất cả các kết quả không đáp ứng yêu cầu đề xuất
(AR là hơn 18). Do đó, một q trình tối ưu hóa sẽ được tiến hành sau.
Bảng 2. Chuyển vị đầu ra
Chuyển vị đầu
vào (mm)

0.19

0.2
0.21
0.22
Khi bộ định vị di chuyển dọc theo trục y, cũng có một chuyển động xảy ra dọc theo trục
x cùng một lúc. Chuyển động không mong muốn dọc theo trục x được gọi là sai số chuyển
động theo. Một phân tích tương tự, kết quả mơ phỏng số chỉ ra rằng sai số chuyển động
theo là rất nhỏ với 0,01515% (thấp hơn 1%), như minh họa trong Bảng 3. Có thể kết luận
rằng sai số chuyển động theo khơng ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác dịch chuyển đầu
ra và bộ định vị đề xuất đạt được một chuyển động tuyến tính tốt. Sai số chuyển động theo
được xác định như sau:
e

(3)

Trong đó e là sai số chuyển động theo, x và y lần lượt là các chuyển vị đầu ra dọc theo trục
x và trục y.
Bảng 3. Kết quả chuyển vị đầu ra và sai số chuyển động theo

Chuyển vị đầu vào
(mm)
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng


T2019-05TĐ

0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
0.17
0.18

PGST.TS Lê Hiếu Giang, TS. Đào Thanh Phong, ThS. Đặng Minh Phụng