Research and development of soft gripper for robot arm (nghiên cứu và phát triển đầu gắp mềm cho cánh tay robot)

Đầu tiên đó là nghiên cứu về mặt thiết kế và hình dạng của đầu gắp, tay gắp để có thể tạo được việc cầm, nắm, bao trọn được vật thể cần tương tác gắp, nâng, di chuyển giữa các điểm… một

ĐẠI HOC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐỨC TIẾN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐẦU GẮP MỀM CHO CÁNH TAY

ROBOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI – 2022

ĐẠI HOC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐỨC TIẾN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐẦU GẮP MỀM CHO CÁNH TAY

ROBOT

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn: Ts Nguyễn Thị Thanh Vân

HÀ NỘI – 2022

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Trước hết, em muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn của mình, Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Vân, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã hướng dẫn trong quá trình nghiên cứu của em Cô đã luôn theo sát em trong quá trình làm luận văn, sự

hỗ trợ, chỉ bảo của cô đã giúp cho em có thể củng cố lại kiến thức, phát triển và hoàn thành nội dung đề tài này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Bùi Thanh Tùng, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và đưa ra những đánh giá có giá trị cho em Bên cạnh đó, em xin được gửi lời cám ơn đến Ths Phan Hoàng Anh đã hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình nghiên cứu, anh đã chỉ bảo và chia sẻ cho em rất nhiều kiến thức cần thiết để có thể hoàn thành luận văn này

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy/Cô đã và đang giảng dạy tại Khoa Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này

Tiếp đến mình muốn gửi lời cảm đến nhóm sinh viên Trần Công Minh, Nguyễn Việt Tiến, Nghiêm Ngọc Hùng, nhóm sinh viên Đỗ Tuấn Anh, Trần Hữu Quốc Đông, Bùi Duy Nam, Đàm Phương Nam cùng các bạn sinh viên tại bộ môn Vi cơ điện tử và

vi hệ thống đã dành thời gian để hỗ trợ thực hiện luận văn này

Cuối cùng, em muốn gửi lời biết ơn sâu sắc nhất của mình dành cho gia đình và những người bạn của mình vì sự hỗ trợ tinh thần của họ trong suốt quá trình làm luận văn Trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy cô và các bạn học để có thể tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài này

Em xin chân thành cám ơn

Hà Nội, tháng , năm 2022

Nguyễn Đức Tiến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu, chế tạo đầu gắp mềm cho cánh tay robot”

do TS Nguyễn Thị thanh Vân hướng dẫn là công trình nghiên cứu của tôi được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, không sao chép các tài liệu hay công trình của người nào khác

Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều được nêu nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc

đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo

Hà Nội, tháng , năm 2022

Nguyễn Đức Tiến

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 3

Lý do chọn đề tài 3

1.1 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu 11

1.1.2 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.1.3 Phạm vi nghiên cứu 11

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu 11

Lịch sử phát triển của đầu gắp mềm 12

1.2 Cơ sở nghiên cứu 14

1.3 1.3.1 Mối liên hệ giữa momen uốn và chiều dài của tay gắp mềm 14

1.3.2 Mối liên hệ giữa bán kính uốn và tổng góc uốn của cơ cấu truyền động của tay gắp mềm 15

1.3.3 Mối liên hệ giữa góc uốn và chiều dài cong của đầu gắp mềm 17

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU GẮP MỀM 18

Cơ sở thiết kế 18

2.1 2.1.1 Cơ sở hoạt động của bộ truyền động mềm dùng khí nén 18

2.1.2 Mô hình thiết kế 19

Kiểm chứng bằng mô phỏng số 20

2.2 2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 20

2.2.2 Phần mềm mô phỏng 21

2.2.3 Phần mềm thiết kế 22

2.2.4 Thiết kế và mô phỏng 23

2.2.5 Kết quả sau mô phỏng 30

Kiểm chứng bằng phương pháp thực nghiệm 31

2.3 2.3.1 Chế tạo và lắp ráp 31

Phương pháp in 3D 31

2.3.1.1 Quá trình đổ khuôn bộ truyền động mềm 33

2.3.1.2 2.3.2 Lắp đặt và kiểm thử 42

Kết quả chế tạo và thử nghiệm 44

2.4 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG ĐẦU GẮP MỀM 47

3.1.1 Thiết kế cánh tay robot 3 bậc tự do 47

Cơ sở và giải thích việc chọn mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do? 47

3.1.1.1 Thiết kế và chế tạo 47

3.1.1.2 3.1.2 Thân robot di chuyển 48

3.1.3 Kết quả 50

Hệ băng tải cánh tay máy phân loại sản phẩm 51

3.2 3.2.1 Thiết kế hệ thống tổng thể 51

3.2.2 Kết quả 52

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 54

Đánh giá 54

4.1 Hạn chế của đề tài 54

4.2 Khả năng phát triển 55

4.3 4.3.1 Những ứng dụng thiết thực ở hiện tại 55

4.3.2 Hướng phát triển 55

Tài liệu tham khảo 56

PHỤ LỤC 1 59

PHỤ LỤC 2 65

1 Hệ băng tải cánh tay máy phân loại sản phẩm 65

2 Bộ logic khả trình PLC - Giao tiếp giữa máy tính và PLC qua Snap7 68

a Giới thiệu 68

b Giao tiếp giữa máy tính và PLC qua Snap7 70

c Cài đặt chương trình cho băng tải 71

3 Khối nhận diện ảnh 74

a Tổng quan về xử lý ảnh 74

b Quy trình xử lý ảnh 74

c Giải thích thuật toán đo kích thước vật: 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Đầu gắp mềm của tác giả Suzumori (1996) 4

Hình 2 Găng tay robot mềm phục hồi chức năng của nhóm tác giả Panagiotis Polygerinos (2013) 5

Hình 3 Mô hình robot của nhóm nghiên cứu Christian Duriez 6

Hình 4 Minh họa sắp xếp buồng và cấu trúc lớp của nhóm nghiên cứu Xuanming Lu 6

Hình 5 Các mô hình điều áp và kết quả mô phỏng của nhóm nghiên cứu Xuanming Lu: (a) cuộn, (b) tạo rãnh, (c) vươn dài, (d) uốn 7

Hình 6 (a) Sơ đồ của quá trình tạo mô hình bằng phương pháp in 3D (b) Các tệp thiết kế 3D ở định dạng tệp STL đã được tải lên phần mềm Cura-phần mềm xuất file cho máy in 3D (c) thiết kế đang được in ngang bằng cách sử dụng máy in 3D(d) chế độ xem mặt cắt của tệp thiết kế Bộ truyền động một kênh được thiết kế không có khoang bên trong Bộ truyền động kênh đôi được thiết kế với khoang bên trong 8

Hình 7 Các hành vi uốn của thiết bị truyền động một kênh ở các áp suất đầu vào khác nhau của tác giả Hong Kai Yap 8

Hình 8 Các hành vi uốn của bộ truyền động kênh đôi ở các áp suất đầu vào khác nhau của tác giả Hong Kai Yap 9

Hình 9 Kết quả mô phỏng các bộ gắp khác nhau nắm và nâng một vật mềm (a) thể hiện cấu hình ban đầu; (b), (c) và (d) cho thấy cấu hình cuối cùng sau khi nắm và nâng vật bằng các thiết kế ngón tay khác nhau của tác giả Zhongkui Wang 9

Hình 10 Ảnh chụp thí nghiệm về việc nắm và nâng (a) một hộp giấy chứa hạt, (b)một hộp giấy chứa gà rán, (c) một quả bóng gỗ và (d) một quả trứng sống của tác giả Zhongkui Wang 10

Hình 11 Thiết kế của mô hình PBA 10

Hình 12 Quá trình phát triển của các hệ thống robot có sử dụng đầu gắp mềm 13

Hình 13 Mô hình mạng khí nén nhanh của tay gắp mềm [16] 14

Hình 14 Quan hệ giữa bán kính uốn và tổng góc uốn [17] 15

Hình 15 Biểu diễn các thông số về góc uốn và chiều dài cong của đầu gắp mềm [18] 17

Hình 16 Chú thích các kích thước của mô hình mạng khí nén nhanh của tay gắp mềm 19 Hình 17 Thiết kế của thiết bị truyền động bằng khí nén (a) Cấu trúc của bộ truyền động, (b) Hình chiếu cắt ngang thể hiện các kích thước 20

Hình 18 Ví dụ về chia lưới mô hình 3D trong phương pháp phần tử hữu hạn 21

Hình 19 Kết quả mô phỏng cơ cấu chấp hành mềm (a) và (b) cho thấy sự biến dạng của một buồng không khí trước (a) và sau khi (b) bơm không khí vào trong buồng 23

Hình 20 Thiết kế của bộ kẹp mềm (a) Các bước để tạo ra bộ kẹp mềm bằng cách sử dụng bộ truyền động khí nén và các bộ phận hỗ trợ, (b) Bộ kẹp mềm sau khi được lắp ráp 24

Hình 21 Chọn mô hình và thông số của vật liệu 26

Hình 22 Thiết kế mô hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, góc nhìn toàn bộ 26 Hình 23 Thiết kế mô hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, mặt

Hình 24 Biểu đồ thông số của vật liệu phụ thuộc áp suất 27

Hình 25 Xác định các mặt phẳng chịu áp suất khi mô phỏng 28

Hình 26 Chia lưới để áp dụng tính toán FEM cho mô phỏng 28

Hình 27 Cài đặt thời gian mô phỏng 29

Hình 28 Cài đặt điều kiện vật lí là trọng lực cho mô hình mô phỏng 29

Hình 29 Xác định mặt cố định khi mô phỏng 30

Hình 30 Đặt áp suất tác động vào mô hình 30

Hình 31 Một số hình ảnh về quá trình in khuôn 3D đổ đầu gắp 4 ngón mềm 31

Hình 32 Khuôn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ máy in thông thường 32

Hình 33 Khuôn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ in 3D SLA 33

Hình 34 Khuôn đổ đầu gắp được sản xuất từ công nghệ in 3D PLA (a) khuôn đổ một bộ truyền động riêng, (b) khuôn chung 4 bộ truyền động 33

Hình 35 Trộn dung dịch ecoflex theo tỉ lệ 1:1 vào cốc rồi quan sát số liệu trên cân 34

Hình 36 Đổ khuôn hỗn hợp sau khi trộn đều 34

Hình 37 Quá trình hút chân không hỗn hợp dung dịch sau khi đã đổ vào khuôn 36

Hình 38.Công đoạn chờ Ecoflex đông đặc trong khoang nước 36

Hình 39 Quá trình sấy chân không xử lý độ nhớt bề mặt của đầu gắp mềm 37

Hình 40 Mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm sau khi chế tạo 37

Hình 41 Một số hình ảnh của quá trình đo đạc mẫu thử nghiệm sau khi chế tạo 38

Hình 42 Kiểm tra khả năng hoạt động của đầu gắp mềm sau chế tạo 39

Hình 43 Quy trình chế tạo mẫu thử nghiệm đầu gắp mềm 40

Hình 44 Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo (a) đế kẹp, (b) cơ cấu truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu gắp đã lắp ráp 41

Hình 45 Thiết kế đầu nối trên (a) không có đường khí tích hợp, (b) có đường khí tích hợp 42

Hình 46 Các bộ phận in 3D và bộ kẹp khí nén được chế tạo phiên bản số 2 (a) đế kẹp, (b) cơ cấu truyền động mềm, (c) các bộ phận trên và dưới của đầu nối và (d) đầu gắp đã lắp ráp 43

Hình 47 Biến dạng uốn của bộ truyền động mềm dưới các áp suất tác dụng khác nhau trong thí nghiệm (trái) và mô phỏng (phải) 45

Hình 48 Dịch chuyển của đầu thiết bị truyền động ở các áp suất tác dụng khác nhau trong mô phỏng và thực tế đối với độ dày thành trên tương ứng là 0,5mm (b), 1mm (c) và 1,5mm (d) 45

Hình 49 Kiểm tra độ bám: cốc sứ, b nút Stop, c lon nhôm, d Ống tiêm 60cc, ePCB 70x50 mm, f bánh răng 46

Hình 50 Mối tương quan giữa khối lượng và áp suất tối thiểu cần thiết cho mỗi vật liệu 46

Hình 51 Mô hình cánh tay robot “uArm Metal Commercial” 48

Hình 52 Mô hình cánh tay 3 bậc lắp trên robot trong thiết kế và thực tế chế tạo 48

Hình 53 Bản thiết kế về phần cứng của rô bốt bằng phần mềm Solidworks 2019 và thực tế [26] 49

Hình 54 Sơ đồ các thành phần của hệ thống robot 50

Hình 55 Thử nghiệm robot cùng đầu gắp mềm 51

Hình 56 Mô hình thiết kế hệ thống phân loại bằng băng tải và cánh tay máy 51

Hình 57 Sơ đồ khối hệ thống 52

Hình 58 Mô hình thực tế 52

Hình 69 Kết quả gắp và phân loại sản phẩm 53

Hình 70 Kết quả nhận diện kích thước vật 53

Hình 71 Cấu thành hệ thống khí nén 66

Hình 72 Băng tải trong nhà máy dùng để vận chuyển 67

Hình 59 Module mở rộng của PLC S7 1200 69

Hình 60 Các module hỗ trợ có thể tương thích với S7-1200 69

Hình 61 Màn hình giao diện của Tia Portal 70

Hình 73 Thư viện Snap7 và các nền tảng hỗ trợ Snap 7 71

Hình 62 PLC tag lưu địa chỉ của các biến 71

Hình 63 Data_block_1 lưu địa chỉ của các biến đọc ghi thông quan Snap7 72

Hình 64 Chương trình điều khiển I/O trên PLC 73

Hình 65 Chương trình điều khiển trục xoay trên PLC 73

Hình 66 Chương trình nhận lệnh điều khiển trục xoay từ PC trên PLC 74

Hình 74 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý ảnh 74

Hình 67 Lưu đồ thuật toán đo kích thước vật (a) căn chỉnh sử dụng Chessboard (b) đo kích thước vật sau khi căn chỉnh 76

Hình 68 Các ví dụ về ứng dụng của thuật toán Camera Calibration 77

Hình 75 Minh họa giải thuật bước 1 78

Hình 76 Các ma trận chuyển đổi 78

Hình 77 Minh họa giải thuật bước 2 79

Hình 78 Hệ tọa độ mặt phẳng và ảnh 79

Hình 79 Minh họa tổng quan thuật toán 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các thông số thiết kế của một bộ kẹp mềm dựa trên thiết kế trong Hình 17 31

Bảng 2 Kết quả khảo sát đo kích thước vật 53

Bảng 3 Chức năng của từng bậc của cánh tay khí và băng tải 66

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các lĩnh vực khoa học, công nghệ mới trong thời đại của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, kỹ thuật robot luôn là một trong các lĩnh vực dẫn đầu về mức độ tăng trưởng, đạt được những cải tiến kỹ thuật và giành được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Các sản phẩm thuộc về robot giữ một vai trò cực kỳ quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác như sản xuất, kinh tế, vận tải Nó giúp con người thực hiện rất nhiều công việc khó trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt, độc hại, giúp tự động hóa quy trình một cách nhanh chóng và thuận lợi Ngoài ra robot còn có thể mở rộng không giới hạn về ứng dụng trong cuộc sống nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống nhúng, trí tuệ nhân tạo, vật liệu… Một trong những sự mới mẻ của lĩnh vực robot đã bắt đầu được khai thác và nghiên cứu trong khoảng nửa thế kỷ trở lại đây trên thế giới đó chính là robot mềm và trong tài liệu trình bày dưới đây là đầu gắp mềm Đây là mẫu robot điển hình cho sự kết hợp giữa sự hiện đại (đầu gắp mềm) và sự cổ điển (cánh tay robot cứng) Từ khi xuất hiện,

đã có khá nhiều đề tài nghiên cứu về đầu gắp mềm được các nhà khoa học và kĩ sư kĩ thuật bắt tay vào tiến hành và phân tích Hiện nay trên thế giới đã cho ra mắt rất nhiều công bố khoa học cũng như sản phẩm ứng dụng đầu gắp mềm Tuy nhiên tiềm năng và khả năng phát triển của mô hình này vẫn còn rất lớn và hoàn toàn có thể tiến rất xa trong tương lai Hơn nữa, robot mềm còn đặc biệt mới lạ ở Việt Nam, những nghiên cứu của người Việt sẽ giúp những người Việt tiếp theo muốn đi sâu tìm hiểu về lĩnh vực robot công nghệ mới này hoàn toàn có thể kế thừa và tạo điều kiện cho các nghiên cứu ngày càng đi sâu và có những bước tiến nhanh và tốt hơn

Hiện nay, các sản phẩm và mô hình về cánh tay robot đã xuất hiện và trở nên rất phổ biến trên thị trường không chỉ trong công nghiệp mà còn trong cuộc sống hằng ngày Trong cấu trúc đó, phần đầu gắp tiếp xúc trực tiếp với đối tượng làm việc (kiện hàng, linh kiện, thực phẩm …) không ngừng được cải thiện để tăng hiệu quả hoạt động Các cải tiến đó có thể là tốc độ gắp, gắp được nhiều hơn, gắp được nhiều kiểu hình hơn, tỉ lệ gắp thành công cao hơn Song song với cải thiện đầu gắp bằng các vật liệu cứng thì một hướng đi khác là nghiên cứu và ứng dụng của các cơ cấu đầu gắp mềm vẫn còn là một mảng nghiên cứu đang được mở rộng Sản phẩm đầu gắp mềm tích hợp trong các cánh tay robot thông thường hoặc các sản phẩm robot đa hình dạng thông minh sẽ giúp chúng ta thực hiện các nhiệm vụ gần giống như con người của mà

có thể làm giảm các hư hại, biến dạng không mong muốn gặp phải trong quá trình hoạt động

Đề tài nghiên cứu hướng đến việc có thể đưa ra được một sản phẩm cụ thể và

có thể ứng dụng được trong đời sống, sản xuất và thu hoạch Đầu tiên đó là nghiên cứu

về mặt thiết kế và hình dạng của đầu gắp, tay gắp để có thể tạo được việc cầm, nắm, bao trọn được vật thể cần tương tác (gắp, nâng, di chuyển giữa các điểm…) một cách thuận lợi nhất Khảo sát về tương tác lực và độ bền, độ chịu tải tối đa của mẫu sản phẩm là đầu gắp mềm trên cánh tay robot Nghiên cứu về bộ điều khiển nhằm giúp cho tay gắp robot có thể hoạt động một cách tốt nhất và đảm bảo an toàn cho sản phẩm trong thực tế Cuối cùng là có thể đưa sản phẩm vào thực nghiệm trong mô hình thực

tế ví dụ như nhà máy, kho hàng, vườn cây … Bên cạnh đó đề tài còn hướng đến tổng hợp thành một quy trình chế tạo có thể sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo trong phòng thí nghiệm Cuối cùng luận văn mong muốn có thể sử dụng như tài liệu tham khảo trong giảng dạy liên quan đến kiến thức về robot để sinh viên có cái nhìn khái quát và rộng mở hơn trong lĩnh vực robot

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Chương 1 trình bày những tìm hiểu của đề tài về nghiêm cứu của đầu gắp mềm trên thế giới, những cơ sở để nghiên cứu hoạt động của đầu gắp mềm Bên cạnh đó ở chương này cũng trình bày đối tượng, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, chế tạo đầu gắp mềm

Lý do chọn đề tài

1.1

Robot mềm - Soft robotics là một lĩnh vực của robot liên quan đến cấu trúc robot từ vật liệu có tính đàn hồi cao, giống như trong một cơ thể sống Robot mềm được hình thành từ cách các sinh vật sống di chuyển và thích ứng với môi trường xung quanh Trái ngược với robot cứng, robot mềm cho phép tăng tính linh hoạt và khả năng thích ứng để hoàn thành nhiệm vụ, cũng như cải thiện độ an toàn khi làm việc xung quanh con người Những đặc điểm này chứng tỏ được tiềm năng ứng dụng của robot mềm trong các lĩnh vực y học và sản xuất Mục tiêu của robot mềm là thiết kế chế tạo robot có cấu trúc linh hoạt Robot mềm là một chủ đề đã được xuất hiện và phát triển trên thế giới từ khoảng nửa thế kỷ trước, tuy nhiên nó vẫn còn là một chủ đề khá mới mẻ ở Việt Nam Nhận thấy các sản phẩm về robot mềm trên thế giới vẫn đang trong quá trình cải tiến và phát triển Đồng thời các nghiên cứu và các sản phẩm về robot mềm trên thế giới đã đạt được rất nhiều những thành tựu trong kinh tế, y tế, đời sống Do đó với đam mê về rô bốt cũng như những kiến thức đã được tích lũy trong thời gian học tập và nghiên cứu ở trường đại học Công nghệ - ĐHQGHN Dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Vân, tôi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài về chủ đề này

Cánh tay robot hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp

và đã hỗ trợ đắc lực cho con người, giúp công việc thực hiện nhanh chóng và năng suất dù đặt trong những môi trường khắc nghiệt Nhưng cánh tay robot hiện nay không thường sử dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp, thủy sản, quần áo, bao bì và công nghiệp thực phẩm Phân tích những lĩnh vực chỉ ra rằng yêu cầu để đưa robot xuất hiện

là tính di động của robot, dễ sử dụng, đảm bảo an toàn cho thực phẩm và cả người vận hành Những năm gần đây, bộ gắp robot mềm bằng khí nén đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu vì tính đàn hồi và khả năng thích ứng với nhiều loại đối tượng Nhóm nghiên cứu của Suzumori (1) vào những năm 1996 bằng việc sử dụng kẹp 4 ngón bằng cao su được điều khiển bằng khí nén đã đạt được nhiều kết quả hứa hẹn Với việc thay đổi thường xuyên hình dạng của các sản phẩm thực phẩm, nhất là các khâu cuối để có thành phẩm cần có độ thích ứng cao để đáp ứng nhu cầu về sự thay đổi liên tục hình dạng của các sản phẩm trong ngành thực phẩm Do đó đề tài đề xuất cánh tay robot sử dụng bộ truyền động mềm có hình dáng dựa trên ngón tay mềm được làm bằng chất

liệu đàn hồi cao có thể gắp nhiều loại vật có hình dáng khác nhau, đảm bảo không làm

hư hỏng các sản phẩm dễ dập nát trong ngành thực phẩm như bánh kẹo, trái cây, trứng, cơm hộp

Hình 1 Đầu gắp mềm của tác giả Suzumori (1996) Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn và ứng dụng trong y học, Panagiotis Polygerinos, Zheng Wang, Luisernando Nicolini và cộng sự đã công bố bài báo nghiên cứu về găng tay hỗ trợ phục hồi chức năng sử dụng công nghệ robot mềm (2) Về mặt cấu tạo, găng tay được cấu thành từ năm bộ truyền động mềm gắn vào găng tay, các ngón tay mềm được làm từ polime và được chế tạo bằng phương pháp đúc và sẽ bị biến dạng khi chịu tác dụng của khí nén Vị trí gắn các bộ truyền động không gây cản trở cho các thao tác cầm nắm Sau đó, tác giả thực nghiệm cầm nắm vật sử dụng găng tay hỗ trợ chức năng trên các đối tượng khác nhau Các bài tập với găng tay của nhóm tác giả có thể kết hợp phục hồi chức năng từ 1 ngón tay đến cả bàn tay Không những thế, với việc thiết bị được đóng gói thành dạng đai lưng thể hiện khả năng linh hoạt hứa hẹn có thể giúp người bệnh sử dụng trong cuộc sống hằng ngày mà không phải thường xuyên đến các

cơ sở điều trị

Hình 2 Găng tay robot mềm phục hồi chức năng của nhóm tác giả Panagiotis

Polygerinos (2013) Đầu gắp mềm sử dụng vật liệu mềm là loại vật liệu phi tuyến tính, vì vậy khi nghiên cứu rất cần đến bước tính toán chi tiết Nhớ có sự phát triển của phần mềm máy tính, việc mô phỏng vật liệu này nay có thể được thực hiện thông qua phần mềm mô phỏng với phương pháp phần tử hữu hạn Liên quan đến phương pháp mô phỏng này, nhóm các nhà nghiên cứu gồm Christian Duriez và INRIA Team cho ra mắt công trình liên quan đến điều khiển robot mềm trên thời gian thực dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (3) Nghiên cứu này sử dụng phần tử hữu hạn và phương pháp Lagrange để tính toán một ma trận liên quan đến vị trí cuối (End effector) của bộ phận chấp hành và

bộ phận truyền động Sau đó, một thuật toán sử dụng ma trận này để tìm ra lời giải cho yêu cầu ban đầu hiển thị trên màn hình Để minh họa phương pháp, nhóm tác giả đã tạo ra nguyên mẫu cấu trúc các bộ truyền động khí sẽ chụm lại 1 điểm, thông qua điều khiển từng bộ truyền động sẽ làm thay đổi vị trí của điểm End effector Sau đó kiểm nghiệm thông qua so sánh kết quả hiển thị trên phần mềm với kết quả từ camera chuyển động

Chúng ta luôn mong muốn có thể chế tạo robot bắt chước hành vi con người, hành động và phản ứng lại tác động môi trường như con người Dựa trên mong muốn

đó, Xuanming Lu và cộng sự đã cho ra mắt công trình nghiên cứu về robot bắt chước hành vi của lưỡi người (4) Dựa trên nguyên lý biến dạng của vật liệu đàn hồi, khi được dẫn động bằng hệ thống khí nén, mô hình robot mềm này có thể bắt chước một vài chuyển động của lưỡi như uốn cong, giãn dài, cuộn tròn nhờ áp lực mà khí nén tác động lên các thành khoang rỗng bên trong mô hình Quá trình mô phỏng biến dạng của

mô hình được thực hiện trên phần mềm Abaqus

Hình 3 Mô hình robot của nhóm nghiên cứu Christian Duriez

Hình 4 Minh họa sắp xếp buồng và cấu trúc lớp của nhóm nghiên cứu Xuanming Lu Không chỉ dừng lại ở việc chế tạo robot mềm bằng cách đổ vật liệu, năm 2016 Hong Kai Yap và cộng sự đã nghiên cứu công nghệ in 3D kỹ thuật cao để in trực tiếp ngón tay robot mềm, đồng thời mô phỏng quá trình biến dạng bằng Abaqus (5) Kỹ thuật này tuy còn cần đến áp suất lớn vì vật liệu in 3D vẫn có độ cứng nhất định nhưng

có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các bộ xương ngoài có thể in được, được cá nhân hóa và tùy chỉnh cao cho người mặc Trong tương lai, nhóm nghiên cứu Hong Kai Yap mong muốn có thể thực hiện in trực tiếp các mô hình sử dụng vật liệu

có tính đàn hồi cao hơn

Hình 5 Các mô hình điều áp và kết quả mô phỏng của nhóm nghiên cứu Xuanming

Lu: (a) cuộn, (b) tạo rãnh, (c) vươn dài, (d) uốn

Hình 6 (a) Sơ đồ của quá trình tạo mô hình bằng phương pháp in 3D (b) Các tệp thiết kế 3D ở định dạng tệp STL đã được tải lên phần mềm Cura-phần mềm xuất file cho máy in 3D (c) thiết kế đang được in ngang bằng cách sử dụng máy in 3D(d) chế

độ xem mặt cắt của tệp thiết kế Bộ truyền động một kênh được thiết kế không có khoang bên trong Bộ truyền động kênh đôi được thiết kế với khoang bên trong

Hình 7 Các hành vi uốn của thiết bị truyền động một kênh ở các áp suất đầu vào khác

nhau của tác giả Hong Kai Yap

Hình 8 Các hành vi uốn của bộ truyền động kênh đôi ở các áp suất đầu vào khác

nhau của tác giả Hong Kai Yap

Hình 9 Kết quả mô phỏng các bộ gắp khác nhau nắm và nâng một vật mềm (a) thể hiện cấu hình ban đầu; (b), (c) và (d) cho thấy cấu hình cuối cùng sau khi nắm và nâng vật bằng các thiết kế ngón tay khác nhau của tác giả Zhongkui Wang Việc thực nghiệm về ứng dụng của tay gắp mềm được mở rộng thông qua các thực nghiệm, có thể kế đến là công trình thực hiện gắp hộp thức ăn của Zhongkui Wang Bằng việc thí nghiệm một vài cấu trúc và vật liệu cấu thành nên tay gắp, Wang

đã tìm ra cấu trúc tối ưu cho tay gắp mềm để gắp được vật có trọng lượng lớn nhất ứng với áp suất khí cung cấp nhỏ nhất, kết quả được thể hiện ở hình 9 Hình 10 là kết quả thử nghiệm thực tế với các vật như hộp mềm, quả bóng và trứng (6)

Cấu trúc của tay gắp mềm có thể phát triển theo nhiều kiểu dáng và vật liệu khác nhau Xuất phát từ ý tưởng đó, năm 2017, Boran Wang và cộng sự đã phát triển tay gắp mềm kết hợp vật liệu mềm và kim loại và gọi là “pneumatic bending actuator” (PBA) (7), hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng khác nhau của từng loại kim loại cấu thành khi chịu lực tương tự như hiện tượng giãn nở vì nhiệt của 2 tấm kim loại Ống gắp được cấu tạo từ 2 miếng kim loại chất liệu khác nhau, được bao quanh bởi lớp cao su mềm, khi chịu tác động, 2 miếng kim loại này sẽ biến dạng theo các góc uốn khác nhau 𝜃 , 𝜃 , từ đó tạo nên chuyển động uốn cong của bộ phận chấp hành

Hình 10 Ảnh chụp thí nghiệm về việc nắm và nâng (a) một hộp giấy chứa hạt, (b)một hộp giấy chứa gà rán, (c) một quả bóng gỗ và (d) một quả trứng sống của tác giả

Zhongkui Wang

Hình 11 Thiết kế của mô hình PBA

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này là đầu gắp mềm được chế tạo từ vật liệu polime tổng hợp để sử dụng các đặc tính mềm cho robot Đề tài thực hiện các công việc xác định đối tượng, nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đầu gắp Xác định đối tượng làm việc của đầu gắp mềm là các vật có hình dạng không

cố định, bề mặt trơn, các vật có cấu trúc dễ bị phá vỡ Từ đó đối tượng nghiên cứu được khoanh vùng vào các vật dụng như gốm, sứ, thủy tinh, trái cây, thực phẩm Nghiên cứu, mô phỏng mô hình hóa đầu gắp mềm bằng phương pháp số thay cho quá trình chế tạo, cải tiến liên tục đồng thời giảm chi phí nghiên cứu Đề tài hướng đến đầu gắp mềm tích hợp vào cánh tay điều khiển nên khía cạnh vật liệu chế tạo không bao hàm hết được các loại đang sử dụng để chế tạo đầu gắp mềm mà chỉ tập trung vào 1 vật liệu polime duy nhất là Eco-Flex 00-30 Bên cạnh đó, đề tài không thể thiếu được bước nghiên cứu quy trình chế tạo thử nghiệm đầu gắp mềm trong thực tế Trong quá trình thực hiện đề tài đã có được một số mẫu đầu gắp mềm để thử nghiệm trong thực tế

và tích hợp cho robot Bên cạnh đó sản phẩm chế tạo của đề tài đã đưa ra ứng dụng vào mô hình robot di động có cánh tay máy, một hệ băng tải cánh tay máy để có thể sử dụng thử nghiệm với đầu gắp mềm khi đáp ứng đủ các điều kiện về mặt kỹ thuật sau khi chế tạo

1.1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về việc thiết kế, chế tạo đầu gắp mềm dựa trên vật liệu có tính mềm, các kiến thức vật lý và phương trình mô hình hóa của cơ cấu đầu gắp mềm dựa vào phương pháp mô phỏng số Từ đó đưa ra được những số liệu để làm cơ sở đánh giá khách quan về các đặc tính của đầu gắp mềm trong các biến đổi chuyển động và hình dạng Bên cạnh đó là việc nghiên cứu xây dựng một mô hình robot di động có đủ các thành phần để có thể áp dụng đầu gắp mềm vào sử dụng trong thực tế khi đủ điều kiện

1.1.3 Phạm vi nghiên cứu

Do các yếu tố khách quan về điều kiện và kiến thức liên liên quan đến vật liệu nên đề tài sẽ sử dụng một loại vật liệu là polime ecoflex 00-30 cho việc tạo mẫu Đề tài sử dụng các phương pháp số hóa để thiết kế và mô phỏng các mô hình Tiếp theo công đoạn thực hiện chế tạo thực nghiệm một số mẫu đầu gắp mềm ở quy mô phòng thí nghiệm Ngoài ra tài liệu đề xuất thêm về một số mô hình đầu gắp mềm cụ thể, cách tạo mẫu và điều chỉnh về kích thước của chúng Đề tài không đi quá sâu vào nghiên cứu các các đặc tính của vật liệu vì điều kiện nghiên cứu không cho phép

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết

- Phương pháp nghiên cứu dựa trên tính toán và mô phỏng số hóa mô hình trên máy tính

- Phương pháp chế tạo mẫu thực nghiệm có sự hỗ trợ của công nghệ in 3D

- Phương pháp thực nghiệm phân tích số liệu và thống kê

Lịch sử phát triển của đầu gắp mềm

1.2

Trong 50 năm qua, thế giới đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc trong công nghệ rô bốt Từ ngày đầu tạo ra cánh tay Unimate (8), cánh tay robot công nghiệp đầu tiên, cho đến sự ra đời của máy hút bụi robot Roomba, lĩnh vực robot đã mở rộng theo cấp số nhân, tạo ra những chiếc máy linh hoạt và hiệu quả cao được sử dụng trong sản xuất, y tế, ứng dụng công nghiệp,… Sự tiến bộ như vậy đã tạo tiền đề cho một số công nghệ phát triển mạnh mẽ Khi rô bốt được ứng dụng vào ngày càng nhiều lĩnh vực, đầu gắp cũng nhận được nhiều sự quan tâm và nhờ đó đã trở nên đa dạng hóa, dẫn đầu cho các phương pháp tiếp cận mới khi mà đối tượng gắp được đa dạng hơn

Nói đến đầu gắp mềm thì vật liệu là một yếu tố không thể thiếu Vật liệu mềm

là vật liệu có thể dễ dàng bị biến dạng do tác động bởi nhiệt, thay đổi thể tích ở nhiệt

độ phòng Vật liệu mềm bao gồm chất lỏng, polyme, bọt, gel, chất keo, vật liệu dạng hạt, cũng như hầu hết các vật liệu sinh học mềm hoặc được tổng hợp hoặc có thể được tìm thấy trên cơ thể sống Bộ gắp mềm trong đề tài nghiên cứu này hướng đến cấu trúc đơn giản, bao gồm các vật liệu mềm, trái ngược hoàn toàn với các bộ gắp cứng được biết đến hiện nay Các sản phẩm đầu gắp mềm đang gia tăng trong vài năm qua, phần lớn là do nhu cầu về robot đa năng và có thể tương tác với nhiều môi trường khác nhau Các ứng dụng như y học (9), xử lý thực phẩm (10), rô bốt tự hành và rô bốt hỗ trợ là tất cả các lĩnh vực đòi hỏi thao tác tuân thủ và tinh vi đối với các đối tượng (11) Dụng cụ gắp mềm phù hợp với các tiêu chí cần thiết bởi vì thông qua sự tuân thủ vốn

có của chúng và một loạt các hành vi khác, chúng có thể đạt được sự linh hoạt mà khó

có bộ gắp cứng nào đạt được Trong rất nhiều các bài báo hay công bố khoa học trên thế giới đã cung cấp cho chúng ta những hiểu biết về công nghệ bộ kẹp mềm thông qua một số bộ kẹp đáng chú ý và những phát triển được thực hiện trong lĩnh vực này

Một số mô hình đã và đang được phát triển đối với bộ kẹp mềm đó là bộ kẹp mềm điện, bộ kẹp mềm điều khiển bằng dây cáp, bộ kẹp khí nén mềm và một số bộ kẹp mềm tổng hợp (12) Một số sản phẩm về tay gắp mềm cũng đã được ra mắt khá nổi tiếng trên thế giới ứng dụng các mô hình kể trên Cụ thể đó là các mô hình như Harvard ROV Fingers sử dụng công nghệ bộ kẹp khí nén mềm được ra mắt vào năm

2015 (13), Cambridge Consultants Fruit Gripper được ra mắt vào năm 2014 , The Octopus Project tentacle sử dụng công nghệ điều khiển bằng dây cáp được ra mắt vào

còn một số sản phẩm khác sử dụng bộ kẹp mềm đã được ra mắt cách đây chưa lâu Do

đó chúng ta có thể thấy thế giới vẫn đang trong quá trình cải tiến và phát triển các sản phẩm về đầu gắp mềm và Việt Nam chúng ta hoàn toàn có đủ khả năng để theo đuổi các nghiên cứu về lĩnh vực robot này

Một số mẫu tay gắp mềm khác

Tay gắp mềm điện

tử

Tay gắp mềm điều khiển bằng dây cáp

Tay gắp mềm khí nén

Năm 1989 Năm 2012 Năm 2014 Năm 2016 Thời gian

Hình 12 Quá trình phát triển của các hệ thống robot có sử dụng đầu gắp mềm

Cơ sở nghiên cứu

1.3

1.3.1 Mối liên hệ giữa momen uốn và chiều dài của tay gắp mềm

Trong bài viết (16) nhóm tác giả Sun Tao, Chen Yuanlong, Han Tianyu, Jiao Chenlei, Lian Binbin và Song Yimin đã đề cập đến mô hình về mạng khí nén nhanh trong cơ cấu của đầu gắp robot mềm

Hình 13 Mô hình mạng khí nén nhanh của tay gắp mềm [16]

Dựa vào mô hình mạng khí nén trong Hình 13, chúng ta có thể tìm được mối liên hệ giữa momen uốn và chiều dài của bức tường nối giữa các khoang khí Chúng ta gọi chiều dài bức tường nối giữa các khoang khí là l Giao điểm giữa các đường thẳng đứng của hai cạnh cuối là O Góc tụ là δ Bán kính cong là r Chúng ta hoàn toàn có thể quan sát các kích thước này theo mô hình như Hình 13 thể hiện ở trên

Theo ứng suất uốn, chúng ta có 2 phương trình sau:

Hình 14 Quan hệ giữa bán kính uốn và tổng góc uốn [17]

1.3.2 Mối liên hệ giữa bán kính uốn và tổng góc uốn của cơ cấu truyền động của tay gắp mềm

Trong bài viết (17) nhóm tác giả Yufei Hao, Tianmiao Wang, Ziyu Ren, Zheyuan Gong, Hui Wang, Xingbang Yang, Shaoya Guan và Li Wen đã trình bày một cơ sở nghiên cứu về mối liên hệ giữa bán kính uốn và tổng góc uốn (Hình 14) của cơ cấu truyền động đầu gắp robot mềm

Đối với một đơn vị buồng khí đơn, ứng suất dọc trục (hướng biến dạng của cơ cấu chấp hành đầu gắp mềm) ký hiệu là 𝜎 được biểu diễn như sau:

𝜎 =𝑃𝑤ℎ + 𝑃𝑐𝑜𝑠𝜃𝑤(ℎ − ℎ )

2ℎ 𝑏 + (𝑤 + 2𝑏 )𝑏

(5)

Trong đó P là áp suất tác dụng lên thành trong của buồng, w là chiều rộng của buồng,

ℎ là tổng chiều cao của buồng và ℎ là chiều cao của hình chữ nhật đáy

Phương trình biểu diễn biến dạng của buồng dọc theo hướng trục là:

với n là số lượng buồng và β là góc uốn của thành buồng

Bán kính uốn của cơ cấu chấp hành ký hiệu là R có thể được tính bằng:

𝑅 =𝐿𝛾

(10)

Mô hình toán học này được xây dựng cả cho trạng thái giảm áp suất, do đó chúng ta có thể giả định rằng góc uốn β là âm khi một áp suất âm được đặt vào thành buồng Do đó, bán kính uốn tương ứng cũng sẽ có thể nhận giá trị là âm

1.3.3 Mối liên hệ giữa góc uốn và chiều dài cong của đầu gắp mềm

Trong bài viết (18) nhóm tác giả Yunquan Li, Yonghua Chen và Yingtian Li đã trình bày về mối liên hệ giữa góc uốn và chiều dài cong của cơ cấu đầu gắp mềm dựa theo biến đổi của áp suất khí đầu vào

Hình 15 Biểu diễn các thông số về góc uốn và chiều dài cong của đầu gắp mềm [18] Mối quan hệ giữa góc uốn và chiều dài cong của đầu gắp mềm đã được nghiên cứu và đưa ra trong bài báo được biểu diễn như sau:

AB’ = CD’ + x = 𝜃(rad) * (OC + AC) (11)

Từ những cơ sở nghiên cứu đã tìm hiểu, những tài liệu đã tham khảo đề tài hướng đến tập trung nghiên cứu, chế tạo một đầu gắp mềm có các mục tiêu như sau

Về thiết kế tổng thể, đầu gắp sẽ gồm 4 ngón mềm, được điều khiển hoàn toàn bằng khí nén Mỗi ngón sẽ có kích thước từ 6-7cm tương đương với kích thước ngón tay người châu Á Với thiết kế như vậy, đầu gắp sẽ dùng 4 ngón uống cong vào phía trong

để gắp và giữ vật Đối tượng mà đầu gắp hướng đến là những vật có một trong những tính chất sau: bề mặt thay đổi, gồ ghề; có cấu trúc chịu lực gắp thấp, dễ vỡ Khối lượng ban đầu đề tài hướng đến là dưới 300g, đường kính vật tối đa dưới 70mm Tự các mục tiêu đã đề ra tại chương 1, các chương tiếp theo đây sẽ trình bày các nội dung liên quan đến nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm sau chế tạo của đầu gắp mềm cho cánh tay robot

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐẦU GẮP

MỀM

Chương số 2 trình bày nội dung liên quan đến quá trình từ ý tưởng thiết kế, mô phỏng thiết kế của bộ truyền động mềm, chế tạo đầu gắp mềm gồm 4 bộ truyền động mềm và cuối cùng là thử nghiệm đầu gắp mềm với các vật kích thước, hình dáng, bề mặt khác nhau Chương 2 cùng trình bày quy trình chế tạo đầu gắp mềm từng bước chi tiết và có thể sử dụng để thực hiện tại phòng thí nghiệm với những trang thiết bị cơ bản

Cơ sở thiết kế

2.1

2.1.1 Cơ sở hoạt động của bộ truyền động mềm dùng khí nén

Đầu gắp mềm có bao gồm một loạt các khoang được sắp xếp thành một hàng, trong đó các phần thành mỏng nhất là các phần giữa mỗi khoang Đầu gắp mềm gồm hai lớp: lớp biến dạng và lớp hạn chế biến dạng Lớp biến dạng là nơi chứa các khoang khí và đường dẫn khí Lớp hạn chế biến dạng chỉ có thế uốn mà không bị biến dạng hoặc biến dạng rất nhỏ so với lớp biến dạng Lớp hạn chế biến dạng sẽ được chế tạo bên trong lõi là vật liệu chỉ có tính chất uốn, bên ngoài là vật liệu tương tự như ở lớp biến dạng để tạo liên kết đồng đều nhất có thể Khi thiết bị được bơm căng, các khoang sẽ nở ra, và các bức tường mỏng giữa các khoang sẽ phồng ra nhiều nhất Điều này sẽ làm cho các càng của tay gắp mở rộng theo hướng trục, nhưng vì khả năng biến dạng mở rộng bị giới hạn, thay vào đó, các càng sẽ uốn cong

Để chế tạo tay gắp, thân chính và đế được đúc riêng biệt và sau đó được dán lại với nhau Phần đế của tay gắp là một đế hình chữ nhật đơn giản Phần thân chính phức tạp hơn được đúc trong khuôn Hoạt động của tay gắp được xác định bởi tính chất vật liệu tạo ra nó và hình dạng của các khoang Ngay cả khi không thay đổi vật liệu, hành

vi của tay gắp có thể được sửa đổi bằng cách điều chỉnh hình dạng (hình thái) của nó

Ví dụ, chỉ cần làm một bức tường dày hơn sẽ làm cho nó cứng hơn một bức tường mỏng cùng vật liệu Cũng như việc lựa chọn vật liệu, việc dự đoán hành vi của một hình dạng cụ thể là rất khó Phân tích FEM và thử nghiệm thực nghiệm có thể cung cấp một số thông tin chi tiết Và phần mô hình hóa và thử nghiệm đề cập đến cách các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa và thử nghiệm các tay gắp này

Hình 16 Chú thích các kích thước của mô hình mạng khí nén nhanh của tay gắp mềm 2.1.2 Mô hình thiết kế

Đầu kẹp trong đầu gắp mềm được thiết kế dùng vật liệu mềm (19), được dựa theo mô hình bộ truyền động mềm - Soft-Actuator Soft-Actuator bao gồm một loạt các khoang được sắp xếp thành một hàng, số lượng khoang sẽ thể hiện phạm vi hoạt động của bộ truyền động mềm Các bộ truyền động mềm của đầu gắp bao gồm hai phần: phần thân chính chế tạo từ vật liệu có tính đàn hồi, sẽ nở ra khi được bơm căng

và phần đế hay lớp hạn chế biên dạng chứa lớp vật liệu không thể uốn được nhúng trong chất đàn hồi để ngăn rò khí và kết nối giữa hai phần bền và chắc chắn hơn Lớp hạn chế biến dạng có thể uốn cong nhưng không bị biến dạng hoặc biến dạng thấp dưới tác dụng của lực Khi thiết bị được bơm căng, các khoang sẽ nở ra, và các bức tường mỏng giữa các khoang sẽ phồng ra nhiều nhất Điều này sẽ làm cho các bộ truyền động mềm của tay gắp mở rộng theo hướng trục, nhưng vì khả năng biến dạng

mở rộng bị giới hạn, thay vào đó, các bộ truyền động mềm sẽ uốn cong Để chế tạo bộ truyền động này, thân chính và đế được đúc riêng biệt và sau đó được dán lại với nhau

Mô hình nghiên cứu đề xuất được thể hiện trong Hình 17 được thiết kế và thể hiện trên phầm mềm SolidWorks Ngoài ra đề tài cong ứng dụng thêm phương pháp phân tích FEM và thử nghiệm thực nghiệm có thể cung cấp một số thông tin chi tiết Các thử nghiệm thực nghiệm nhận thấy rằng (đối với chiều dài bộ truyền động tổng thể cố định):

 Lên đến một bình diện nhất định, việc tăng chiều cao buồng làm giảm áp suất cần thiết

 Tăng số lượng khoang cũng làm giảm áp suất cần thiết

 Tăng chiều dày thành buồng làm tăng áp suất cần thiết

Hình 17 Thiết kế của thiết bị truyền động bằng khí nén (a) Cấu trúc của bộ truyền

động, (b) Hình chiếu cắt ngang thể hiện các kích thước Kiểm chứng bằng mô phỏng số

2.2

Để thực hiện mô phỏng tay gắp mềm, đề tài đã sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cho từng bộ truyền động mềm FEA là một phương pháp số thường dùng để giải các bài toán về kỹ thuật và toán học vật lý Trong những năm gần đây, FEA gắn liền với việc thiết kế, phân tích, thậm chí điều khiển robot mềm (20) Phương pháp FEA cho phép chúng ta mô hình hóa hành vi của bộ truyền động mềm sẽ như thế nào khi thay đổi các thông số khác nhau như tính chất vật liệu, thông số hình học, áp suất khí nén cấp vào mà không cần phải chế tạo và kiểm tra lại mỗi khi thay đổi thông số thiết kế Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc nghiên cứu và chế tạo đầu gắp mềm qua việc giúp ta có thể nghiên được ảnh hưởng của các thông số hình học, vật liệu đến tay gắp mềm mà không mất quá nhiều thời gian, công sức và vật liệu để chế tạo tay gắp

2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) (21) được giới thiệu vào đầu những năm

1960 bởi nhà khoa học Clough Để phân tích các hiện tượng tự nhiên và dự đoán

có thể sử dụng các mô hình toán học và số học để biểu diễn dưới dạng các phương trình vi phân từng phần Ví dụ, phương trình biểu diễn các định luật bảo toàn như bảo toàn năng lượng, khối lượng hay động lượng đều biểu diễn bằng các phương trình vi phân từng phần Tuy vậy, để giải các phương trình đó bằng phương pháp số là tương đối phức tạp Do đó, các nhà khoa học đã đưa ra phương pháp tính toán các phương trình đó bằng phép xấp xỉ từ việc rời rạc hóa mô hình cần giải Phương pháp phần tử hữu hạn là quá trình rời rạc hóa, xấp xỉ và giải các phương trình vi phân từng phần như vậy Phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ hữu dụng cho các vấn đề vật lý kết hợp các hiện tượng, đặc biệt là trong lưu chất, cơ học và cấu trúc

Phương pháp phần tử hữu hạn bắt đầu với việc chỉ ra các phương trình vi phân từng phần để mô tả các hiện tượng vật lý cần mô phỏng Sau đó, có thể chuyển phương trình về dạng dễ dàng tính toán hơn bằng cách lấy tích phân hai vế phương trình Bước tiếp theo là rời rạc hóa Mô hình mô phỏng được chia ra thành số lượng hữu hạn các miền con, và các điểm nút nối giữa các miền gọi là các nút Việc chia mô hình ra như vậy còn được gọi là chia lưới mô hình Sau đó, phương trình xấp xỉ cục bộ được gán cho các miền con tương ứng trong mô hình Sau khi chia lưới và đặt các điều kiện biên, hệ sẽ được biểu diễn dưới dạng ma trận và tính toán giải các phương trình xấp xỉ Chia lưới càng chi tiết thì độ chính xác của kết quả tính toán xấp xỉ càng cao và ngược lại Trong mô phỏng, phần tử chia lưới thường được sử dụng nhiều nhất là phần

tử dạng tam giác hoặc tứ giác

Hình 18 Ví dụ về chia lưới mô hình 3D trong phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.2 Phần mềm mô phỏng

Phần mềm ANSYS (22) là một phần mềm toàn diện và bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp can thiệp vào thế giới mô hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế Phần mềm phân tích mạnh này giúp quá trình thiết kế kỹ thuật qua một cấp độ mới, không chỉ làm việc với những môi trường, thông số biến động, các hàm nhiều cấp bậc, mà còn hỗ trợ làm việc mang tính thích nghi với những mô hình

kỹ thuật mới, trong đó tương thích tốt với phần mềm thiết kế SOLIDWORKS Ansys

sẽ giúp nâng cao hiệu quả khi thiết kế, nâng cao tính sáng tạo, giảm bớt ràng buộc, hạn chế vật lý, thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng mà không thể thực hiện trên những

phần mềm khác hay trên mẫu thật Ansys tập trung vào tối ưu phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng các vấn đề kỹ thuật Phần mềm này tạo ra các mô hình máy tính mô phỏng cấu trúc, thiết bị điện tử hoặc linh kiện máy để mô phỏng ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi, phân bố nhiệt độ, điện từ, lưu lượng chất lỏng

và các thuộc tính khác Ansys được sử dụng để mô phỏng cách một sản phẩm hoạt động với các thông số kỹ thuật khác nhau, mà không cần làm các sản phẩm thử nghiệm hoặc tiến hành các thử nghiệm va chạm Ví dụ, phần mềm Ansys có thể mô phỏng một cây cầu sẽ ra sao sau nhiều năm sử dụng, cách xử lý tốt nhất cá hồi trong thùng để tránh lãng phí, hoặc cách thiết kế một tấm ván trượt sử dụng ít vật liệu hơn

mà không bị mất an toàn Hầu hết các mô phỏng trong Ansys được thực hiện bằng phần mềm Ansys Workbench, là một trong những sản phẩm trung tâm của bộ phần mềm Ansys Thông thường, người dùng Ansys phá vỡ các cấu trúc lớn hơn thành các thành phần nhỏ được mô phỏng và thử nghiệm riêng lẻ Người dùng có thể bắt đầu bằng cách xác định kích thước của đối tượng, và sau đó thêm trọng lượng, áp suất, nhiệt độ và các đặc tính vật lý khác Cuối cùng, phần mềm Ansys mô phỏng và phân tích chuyển động, sự mỏi, tiêu chuẩn phá hủy, lưu lượng chất lỏng, phân bố nhiệt độ, hiệu quả điện từ và các hiệu ứng khác theo thời gian Đối với những giới thiệu về phầm mềm đã nêu trên đây, Ansys được lựa chọn trong quá trình nghiên cứu đầu gắp mềm cho công đoạn mô phỏng số

Các mô đun sử dụng trong đề tài bao gồm “Ansys Design Modeler”, “Ansys Meshing”, “ANSYS Mechanical Workbench” Ansys Design Modeler và Ansys Meshing là hai module mở đầu khi chúng ta bắt đầu tiếp cận với Ansys Đây là hai Module quan trọng giúp chúng ta có thể vẽ mô hình và chia lưới ngay trong ANSYS, phục vụ cho quá trình tính toán mô phỏng sau này Để tiếp cận hay module này cần kiến thức về mô hình hóa cũng như sự linh hoạt sáng tạo để tận dụng được khả năng

mô phỏng “gần như thật” của ANSYS ANSYS Mechanical Workbench (WB) là một môi trường nền chung, trong đó có tích hợp rất nhiều module xử lý liên quan đến các lĩnh vực: kết cấu, nhiệt động lực học, va chạm, lưu chất…WB đang ngày càng phát triển, hướng tới một giao diện thân thiện với người dùng Bằng cách liên kết các kiểu bài toán chỉ thông qua các thao tác kéo thả đơn giản nhưng vẫn đạt hiệu quả cao nên

WB ngày càng được nhiều đơn vị tin dùng Ngoài ra WB còn có khả năng tương tác với các phần mềm CAD rất cao cho phép người dùng có thể đưa những mô hình phức tạp vào trong WB để tính toán hướng tới mục tiêu “Mô phỏng đi đầu tạo nền tảng cho

sự phát triển sản phẩm”

2.2.3 Phần mềm thiết kế

SOLIDWORKS là phần mềm thiết kế số cho thiết kế 2D, 3D tham số chạy trên

hệ điều hành Windows và có mặt từ năm 1995, được tạo bởi công ty SOLIDWORKS Dassault System, là một công ty thành viên của tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới Dassault System, S A (Vélizy, Pháp) Những tính năng cơ bản của Solidworks bao gồm: Thiết kế bản vẽ kỹ thuật 2D; Thiết kế mô hình 3D; Ghép nối mô hình, lắp ghép các bản vẽ 3D; Xuất hình ảnh thiết kế với màu sắc, vật liệu; Xuất tệp tin có thể dùng

để gia công trên nhiều thiết bị như máy CNC, máy cắt laser, máy in 3D…; Phân tích

xây dựng ý tưởng, khái quát thiết kế được giảm thời gian và chi phí thực hiện Mô hình được trình bày trong tài liệu này cũng đã trải qua công đoạn thiết kế, chỉnh sửa, hoàn thiện bằng phần mềm SOLIDWORKS Đồng thời những thiết kế từ phần mềm SOLIDWORKS cũng tương thích tốt đối với các phần mềm mô phỏng vật liệu nên quá trình chuyển đổi để mô phỏng được không gặp quá nhiều khó khăn

mở của buồng không khí Dựa trên mô phỏng cho kết quả góc mở của một buồng khí

là 15 độ với áp suất cài đặt là 20 KPa, độ dày thành trên là 1 mm Từ đó thiết kế được chọn là một thiết bị truyền động mềm với 7 buồng khí Số lượng khoang khí này thích hợp để gắp vật bằng cơ cấu 4 bộ truyền động mềm xếp theo hình dấu cộng vì góc gập chỉ cần nhỏ hơn hoặc bằng 90 độ Thiết kế và chiều dài, chiều rộng và chiều cao của đầu kẹp mềm được thể hiện trong Hình 17 Thiết kế kiểu dáng và các chi tiết của đầu gắp mềm được thể hiện trong Hình 20

Hình 20 Thiết kế của bộ kẹp mềm (a) Các bước để tạo ra bộ kẹp mềm bằng cách sử dụng bộ truyền động khí nén và các bộ phận hỗ trợ, (b) Bộ kẹp mềm sau khi được lắp

ráp

Để kết nối từng bộ truyền động với nhau, cần sử dụng thiết kế một đầu nối cứng

và một đế kẹp Đầu nối bao gồm hai phần: nửa trên và nửa dưới Bệ đỡ có 4 cổng hình dấu cộng Các bước lắp ráp được trình bày trong Hình 20 (a) Đầu tiên, bộ kẹp mềm (1) được lắp vào nửa dưới của đầu nối (3) Sau đó, nửa trên của đầu nối (2) được lắp vào (3) và giữ cố định bằng vít Ba bộ phận này được kết hợp thành một bộ truyền động Mềm và sẽ được lắp vào đế Grip (4) Góc của thiết bị truyền động mềm với đế Grip có thể từ 0 đến 80 độ và có thể được điều khiển tại điểm C Gripper mềm bao gồm 4 thiết bị truyền động mềm được sắp xếp theo hình dấu cộng Hình 20 (b) hiện diện bộ gắp hoàn chỉnh sau khi được lắp ráp

Mô hình mô phỏng đầu kẹp mềm được tiến hành trên phần mềm Ansys, các kết quả khảo sát bao gồm: biến dạng tổng, số liệu stress và strain của vật liệu; dịch chuyển đầu uốn ứng với việc tăng áp suất Mô hình vật liệu được dùng là mô hình Yeoh Mô hình được chia lưới tự động, có áp dụng trọng lực tác dụng lên mô hình Thông qua phương pháp phân tích FEM và sử dụng phần mềm kỹ thuật hỗ trợ Quá trình chạy mô phỏng trên máy tính cho kết quả mô phỏng về mối liên hệ giữa lực tác động từ tay gắp mềm lên đối tượng và áp suất cung cấp Các thí nghiệm mô phỏng đươc thực hiện bao gồm điều chỉnh chiều cao đỉnh khoang khí, khoảng cách giữa các khoang khí, hệ số của vật liệu, áp suất tác động vào, thời gian áp suất tác động Nhờ có máy tính giúp đỡ

nên thời gian tạo mẫu và thí nghiệm, chi phí nguyên vật liệu được giảm đi đáng kể Chúng ta có thể quan sát về kết quả của mô phỏng ở phần 2.4

Quá trình mô phỏng hành vi của bộ truyền động mềm bắt đầu với việc đưa vào

mô hình vật liệu, cần xác lập rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, với mỗi vật liệu sẽ có những thông số vật lí đặc trưng khác nhau Trong đề tài này sử dụng vật liệu dựa trên mô hình Yeoh có hệ số bậc 2 C10 = 0.0055 và C20 = 0.0004, nhiệt độ mô phỏng của môi trường là 22 độ C, đơn vị đo áp suất là Pa, khối lượng riêng của Eco_flex 00-30 là 1064 kg/cm3 Sau khi chọn các thông số vật liệu tương ứng, Ansys sẽ dựa trên mô hình Yeoh để sinh ra biểu đồ biến dạng của vật liệu dưới tác động của áp suất, ở đây chúng ta chỉ quan tâm đến hệ số Stress vì chỉ cài đặt thông số cho mô hình Yeoh bậc 2 ANSYS là phần mềm giải bằng các phương pháp

số, sau khi chọn vật liệu chúng ta sẽ giải trên mô hình 3D đã được số hóa ANSYS cho phép xây dựng các mô hình 2D và 3D với các kích thước thực, hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thật, vì thế nên chúng ta phải xây dựng mô hình gần như thật

Mô hình được số hóa bằng phần mềm SOLIDWORKS trước khi đưa vào Ansys và gắn với hệ trục của phần mềm Sau khi gán hệ trục tọa độ thì cần định danh các mặt phẳng sẽ chịu lực trực tiếp khi có tác động của khí nén Loại tương tác sẽ là tác động khí và không có ma sát (frictionless) giữa các bề mặt với nhau Tiếp theo đến công việc chia lưới để sử dụng tính toán FEM Chia phần tử có thể là chọn các nút, hoặc khai báo số lượng phần tử, chương trình sẽ tự động chia vật thể thành một số hữu hạn các phần tử Kích thước nhỏ nhất của mỗi cạnh của từng phần tử sẽ là 3e-3 (m) và vì vật liệu là polime đàn hồi nên ưu tiên phân tích với mô hình phi cơ học Bên cạnh đó còn một tùy chọn quan trọng là “Quadratic element” Phần tử bậc hai hoặc phần tử bậc cao hơn sử dụng hàm hình dạng phi tuyến tính Các chuyển vị giữa các nút được nội suy bằng cách sử dụng một đa thức bậc cao Các phần tử này có các nút ở giữa – mỗi cạnh của mỗi phần tử sẽ bao gồm ba nút đầu – giữa – cuối thay vì hai nút đầu - cuối Các phần tử bậc hai phù hợp hơn để biểu diễn các dạng hình học phức tạp và các biến dạng uốn

Bước tiếp theo là đặt các điều kiện biên: đặt áp suất tác dụng lên vật thể khảo sát, đặt giá trị gia tốc trọng trường, mặt phẳng cố định Áp suất đặt vào lõi của bộ truyền động mềm tối đa là 30Kpa, tăng tuyến tính theo đường chéo trong vòng 1s Gia tốc trọng trường trong thí nghiệm được đặt giá trị trung bình là 9.8066 m/s2 Mặt phẳng cố định là mặt mà trong quá trình mô phỏng sẽ không bị biến dạng hay di chuyển, coi như gốc 0 của biến dạng uốn Mặt phẳng cố định trong thực tế là mặt có đường cấp khí của bộ truyền động mềm, mặt này cũng cố định với gá Như vậy trong

mô phỏng chọn 1 mặt phẳng cố định và là mặt chứa đường cấp khí là chính xác Bước cuối cùng là cài đặt thời gian chạy và thời gian chạy mỗi bước giải với từng mặt lưới được chia nhỏ từ mặt phẳng lớn

Hình 21 Chọn mô hình và thông số của vật liệu

Hình 22 Thiết kế mô hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, góc

nhìn toàn bộ

Hình 23 Thiết kế mô hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, mặt

cắt

Hình 24 Biểu đồ thông số của vật liệu phụ thuộc áp suất

Hình 25 Xác định các mặt phẳng chịu áp suất khi mô phỏng

Hình 26 Chia lưới để áp dụng tính toán FEM cho mô phỏng

Hình 27 Cài đặt thời gian mô phỏng

Hình 28 Cài đặt điều kiện vật lí là trọng lực cho mô hình mô phỏng

Bảng 1 Các thông số thiết kế của một bộ kẹp mềm dựa trên thiết kế trong Hình 17

Kiểm chứng bằng phương pháp thực nghiệm

2.3

2.3.1 Chế tạo và lắp ráp

Phương pháp in 3D 2.3.1.1

Chúng ta sẽ so sánh giữa việc tạo khuôn sử dụng công nghệ in 3D SLA, công nghệ 3D PLA và phương pháp in 3D thông thường Từ những hình ảnh trực quan này chúng ta có thể thấy việc in khuôn 3D đổ đầu gắp bằng những công nghệ bình thường gây ra những sai khác đối với phần khuôn, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy những vết sần, lồi lên trên bề mặt Điều này là không tốt đối với việc chúng ta chế tạo khuôn cho đầu gắp mềm vì nó sẽ gây ra việc đầu gắp không đạt chất lượng như tính toán và mong muốn cuối cùng

Hình 31 Một số hình ảnh về quá trình in khuôn 3D đổ đầu gắp 4 ngón mềm

Từ những hình ảnh trực quan này chúng ta có thể thấy việc in khuôn 3D đổ đầu gắp bằng công nghệ in 3D SLA cho ra kết quả khuôn với chất lượng bề mặt rất cao Bề