Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình tay máy sao chép chuyển động và phản hồi lực

MỤC LỤCTrang 2 Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của bộ phản hồi lực dùng MRF, ứng dụng trên các khớp tay máy của đề tài 17 3 Xây dựng và giải bài toán tối ưu kết cấu bộ phản hồi lự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HỒ CHÍ MINH THÀNH PHỖ HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TAY MÁY SAO CHÉP CHUYỂN ĐỘNG VÀ PHẢN HỒI LỰC

TP.Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 5 năm 2017

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan Chủ trì đề tài

(Họ tên, chữ ký, đóng dấu)

ThS Nguyễn Ngọc Điệp

MỤC LỤC

Trang

2 Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của bộ phản hồi lực dùng

MRF, ứng dụng trên các khớp tay máy của đề tài

17

3 Xây dựng và giải bài toán tối ưu kết cấu bộ phản hồi lực dùng

MRF

26

4 Thu thập dữ liệu, thực nghiệm kiểm chứng kết quả bài toán tối

ưu kết cấu phanh

33

5 Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master và slave 3 bậc tự do có

phản hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF

37

7 Chương trình điều khiển và thử nghiệm hệ thống 63

PHẦN I:

BÁO CÁO TỔNG HỢP

A THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình tay máy sao chép

chuyển động và phản hồi lực ”

2 Thời gian thực hiện: 12 tháng

Từ tháng 12/2015 đến tháng 12/2016 (xin gia hạn đến 5/2017)

3 Cấp quản lý: Thành phố Cơ sở

4 Thuộc Chương trình: Chương trình chế tạo robot công nghiệp

5 Kinh phí thực hiện đề tài: 600 triệu đồng, trong đó:

6 Chủ nhiệm đề tài

Họ và tên: Nguyễn Ngọc Điệp

Chức danh khoa học: Giảng viên Chức vụ : Trưởng Bộ môn

Điện thoại: Đơn vị: 38940390-176 NR: 38411718 Mobile: 0918359173

Fax: 083.9940 954 E-mail : pdiep65@gmail.com

Tên đơn vị đang công tác: Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

Địa chỉ đơn vị: 12 Nguyễn Văn Bảo, P4, Gò Vấp – TP.HCM

Địa chỉ nhà riêng: 354/14 Phan Văn Trị, P11, Q.Bình Thạnh – TP.HCM

Thư ký đề tài

Họ và tên: Lê Duy Tuấn

Chức danh khoa học: Giảng viên Chức vụ : Giảng viên

Điện thoại: Đơn vị: 38940390-176 Mobile : 0937747171

Tên đơn vị đang công tác: Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM

Địa chỉ đơn vị: 12 Nguyễn Văn Bảo, P4, Q.Gò Vấp – TP.HCM

Địa chỉ nhà riêng: 560/33 Nguyễn Văn Tạo, X.Long Thới, H.Nhà Bè, TP.HCM

7 Đơn vị chủ trì thực hiện đề tài

Tên đơn vị chủ trì đề tài: Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM (IUH)

Họ và tên thủ trưởng đơn vị: Nguyễn Thiên Tuế

Điện thoại: (08) 3.8940390 Fax : (08)3.8946268

8 Cơ quan quản lý đề tài: Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM

9 Các thành viên tham gia thực hiện đề tài:

1 PGS.TS Nguyễn

Quốc Hưng

ĐH Công nghiệp TP.HCM

Xây dựng và giải bài toán tối

ưu, thu thập kết quả, so sánh, đánh giá tổng hợp và nhận xét; Xây dựng hệ thống thí nghiệm; Tổng hợp kết quả, báo cáo đề tài

2 ThS Nguyễn Ngọc

Tuyến

ĐH Công nghiệp TP.HCM

Xây dựng thuật toán điều khiển sao chép chuyển động và phản hồi lực của tay máy

Viết chương trình điều khiển

3 ThS Lê Duy Tuấn ĐH Công nghiệp

TP.HCM

Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của phanh, li hợp MRF

Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy có phản hồi lực sử dụng các phanh, li hợp MRF đã được

đề xuất

4 ThS Huỳnh Công

Hảo

ĐH Công nghiệp TP.HCM

Xây dựng hệ thống thí nghiệm

để đánh giá tính năng của tay máy được chế tạo, thu thập kết quả thí nghiệm

B CÁC NỘI DUNG/SẢN PHẨM ĐÃ ĐĂNG KÝ VÀ ĐÃ THỰC HIỆN

1 Các nội dung nghiên cứu đã đăng ký và thực hiện (Phụ lục 4 của HĐ)

TT Nội dung đã đăng ký & thực hiện Sản phẩm cần đạt Kết quả

2

Nội dung 2: Nghiên cứu phát triển các cấu

hình mới của bộ phản hồi lực dùng MRF

Đề xuất được cấu hình mới bộ phản hồi lực

Đề xuất 2 loại phanh có cuộn dây bên hông

3

Nội dung 3: Xây dựng và giải bài toán tối

ưu kết cấu bộ phản hồi lực dùng MRF

- Xác định biến tối ưu, điều kiện ràng buộc

- Xây dựng thuật toán tối ưu bộ phản hồi

lực

- Viết chương trình cho bài toán tối ưu

- Thu thập và đánh giá kết quả bài toán tối

ưu

Kết cấu tối ưu của

bộ phản hồi lực dùng MRF

Đã xây dựng và giải bài toán tối

ưu kết cấu phanh

4

Nội dung 4: Thực nghiệm kiểm chứng kết

quả bài toán tối ưu kết cấu bộ phản hồi lực

- Từ kết quả bài toán tối ưu, lập bản vẽ

thiết kế bộ phản hồi lực

- Chế tạo bộ phản hồi lực MRF đã thiết kế

- Lắp ráp hoàn chỉnh bộ phản hồi lực

- Tiến hành thực nghiệm để kiểm tra đặc

tính làm việc của bộ phản hồi lực

- Tổng hợp, xử lý kết quả thực nghiệm

Chế tạo bộ phản hồi hồi lực dùng MRF, xây dựng hệ thống thực nghiệm,

và cho ra kết quả thực nghiệm, đánh giá kết quả thiết kế

Đã thiết kế, chế tạo 2 loại phanh;

đã xây dựng hệ thống thực nghiệm tiến hành thử nghiệm - kết quả momen phanh đạt 10Nm

5

Nội dung 5: Thiết kế, chế tạo hệ thống tay

máy master và slave 3 bậc tự do có phản

hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF

Hệ thống tay máy master và slave được chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh

Hệ thống tay máy master và slave được chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh

6 Nội dung 6: Xây dựng thuật toán điều

khiển, thiết kế hệ thống điều khiển tay máy

gồm:

- Thuật toán điều khiển - sao chép vị trí

- Thuật toán điều khiển - phản hồi lực

- Thiết kế hệ thống điều khiển

Thuật toán điều khiển và mạch điều khiển hệ thống

Thuật toán ĐK sao chép vị trí

và phản hồi lực; thiết kế mạch

ĐK hệ thống

7 Nội dung 7: Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống

thiết bị Viết chương trình điều khiển, thực

nghiệm chương trình điều khiển

Hệ 2 tay máy và tủ điều khiển được lắp ráp hoàn chỉnh

Lắp ráp, hoàn chỉnh HTĐK;

chương trình ĐK

8 Nội dung 8: Xây dựng hệ thống thực

nghiệm để đánh giá tính năng của tay máy

được chế tạo, thu thập, xử lý kết quả thí

nghiệm

Hệ thống thí nghiệm, chương trình điều khiển

Xây dựng hệ thống TN, thu thập kết quả TN

9 Nội dung 9: Tổng hợp kết quả, viết thuyết

minh báo cáo đề tài Hoàn chỉnh Thuyết

minh báo cáo đề tài

Hoàn chỉnh Thuyết minh báo cáo đề tài

2 Sản phẩm đề tài theo đăng ký và đã hoàn thành (Phụ lục 3 của HĐ)

TT Sản phẩm đăng ký và chỉ tiêu chất lượng

Mức chất lượng/thông số kỹ

thuật Số lượng sản

phẩm Đăng ký Hoàn thành

1 Tay máy slave 3 bậc tự do được điều khiển qua tay máy master: 01

PHẦN II:

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

CỦA ĐỀ TÀI

TỔNG QUAN & MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Những năm gần đây, kỹ thuật phản hồi thông tin lực tác dụng đã được sử dụng để tăng hiệu quả của các tương tác người - máy Các ứng dụng bao gồm từ

y học đến các trò chơi máy tính và các thiết bị thực tế ảo, phục hồi chức năng…

Trong robot, các nhà nghiên cứu đã đưa ra khái niệm sự hiện diện từ xa

“tele-presence” dựa trên các kỹ thuật phản hồi lực Sự hiện diện từ xa được định

nghĩa là sự cung cấp lý tưởng của các cảm nhận thông tin đầy đủ về các cơ cấu

tác động từ xa và môi trường công việc, và giao tiếp với người vận hành “human

operator” một cách tự nhiên, đầy đủ mà người vận hành có thể cảm nhận một

cách thực tế các yếu tố từ xa Hệ thống như vậy thường được gọi là hệ thống

robot chủ-tớ (Master-Slave Robotic) Điều này cho phép người điều khiển thực

hiện nhiệm vụ trong môi trường độc hại hoặc ở xa bằng việc điều khiển có nhận biết thông tin hoạt động của slave robot từ một địa điểm xa, an toàn Để thực hiện thành công việc này, cần phải có hệ thống phản hồi thông tin tác động lên người

vận hành thông qua bộ phản hồi thông tin thực (haptic feedback device), nếu

không thao tác đòi hỏi rất nhiều nỗ lực và trở nên chậm chạp, không chính xác

Từ đây, mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình

hệ tay máy master và slave 3 bậc tự do thực hiện sao chép chuyển động và phản hồi lực tác động từ môi trường, trong đó bộ phản hồi lực được thiết kế tối ưu và

sử dụng lưu chất từ biến MRF (Magneto-rheological Fluid) Xây dựng thuật toán

và hệ thống điều khiển, để điều khiển hệ tay máy thực hiện việc sao chép chuyển động và phản hồi thông tin về lực tác động từ môi trường vào cơ cấu chấp hành đầu cuối của tay máy slave về tay máy master

Tay máy slave là cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều khiển, nó di chuyển theo quĩ đạo điều khiển của tay máy master Tại điểm tác động cuối của tay máy

này có lắp cảm biến lực 3 chiều (3D Force sensor) để cung cấp thông tin lực tác

động từ môi trường vào tay máy

Tay máy master đồng dạng với tay máy slave, được dùng để điều khiển tay máy slave di chuyển theo đúng quĩ đạo, vận tốc của tay master Ngoài ra, tại các khớp động của tay máy master được thiết kế và lắp đặt các bộ phản hồi lực dùng lưu chất từ biến MRF với mục đích tạo ra lực (momen) cản tại các khớp của nó tương ứng với với lực (momen) trên tay máy slave để người điều khiển có thể cảm nhận được

Đã có nhiều nghiên cứu về phát triển các thiết bị haptic cho cơ cấu tác động đầu cuối của slave như găng tay haptic, bàn tay haptic Tuy nhiên các nghiên cứu về hệ thống haptic cho cánh tay máy vẫn còn rất ít, và đặc biệt chưa

có ở Việt Nam

Nội dung nghiên cứu của đề tài sẽ được nhóm tác giả trình bày trong các phần dưới đây

1 Tổng quan về các loại phanh MRF (Nội dung 1)

1.1 Lưu chất từ biến - MRF

Lưu chất từ biến (Magneto-rheological Fluid – MRF) là một loại chất lỏng thông minh được phát hiện ra năm 1940 bởi J.Rabinow, và mãi đến năm 1990 nó mới được nghiên cứu phát triển mạnh và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y

tế, giao thông…Thành phần của nó gồm: chất lỏng nền (Carrier fluid), các hạt từ tính (Magnetizable particle), và các phụ gia (Additives)

Các hạt từ tính là các hạt kim loại với kích thước, khoảng 1-7μm được phân

bố đều trong chất lỏng nền với tỉ lệ 26 – 42 % theo thể tích Các hạt này phải là vật liệu dễ bị từ hóa và thường được làm từ hợp kim sắt carbon, sắt cobalt có độ bão hòa từ cao

Các phụ gia thường dùng là ferrous oleate và Lithium stearate, nó có chức năng như hạn chế sự lắng đọng, kết tụ, ngăn chặn oxi hóa, làm bền Các chất phụ gia có nhiều công thức, tỉ lệ pha trộn khác nhau thường độc quyền cho từng nhà sản xuất lưu chất

a) Đặc tính từ của lưu chất MRF

Đặc tính từ của lưu chất thể hiện quan hệ giữa cường độ từ trường H với

mật độ từ thông B của một lưu chất nào đó (hình 1.1)

Hình 1.1: Đường cong B-H của một số loại lưu chất từ biến

Từ đồ thị trên ta cũng có thể nhận ra rằng, một yếu tố không kém phần quan trọng khi nói về từ tính của lưu chất MRF đó chính là độ bão hòa từ Độ bão hòa từ là khả năng từ hóa cực đại của lưu chất, khi đó dù cường độ từ trường có tăng nữa thì mật độ từ thông vẫn chỉ là một giá trị cực đại lúc đã bão hòa

b) Mô hình toán học của lưu chất MRF

Trong đó: y ứng suất (giới hạn) chảy

 độ nhớt sau chảy dẻo

Mô hình chảy dẻo Bingham và những tính chất MRF phụ thuộc vào ứng suất được thể hiện trong hình 1.2

Hình 1.2: Mô hình chảy dẻo Bingham (a) và ảnh hưởng của ứng suất chảy

đối với từ trường của lưu chất MRF (b)

 Mô hình Herchel- Bulkley

Trong trường hợp này, chất lỏng sẽ bị trượt dày hay trượt mỏng, đặc biệc là khi MRF chịu tốc độ cắt cao, mô hình này sẽ cho kết quả tốt hơn Mô hình toán Herschel-Bulkley được thể hiện qua (1.2)

mô hình nhớt dẻo Herschel-Bulkley Các mô hình này sau đó được áp dụng trong nhiều nghiên cứu Một trong những nghiên cứu quan trọng của nhóm tác giả này

là tính chất lưu biến của MRF phụ thuộc vào từ trường, và có thể được xác định bằng công thức sau:

Trong đó Y là một trong những thông số lưu biến của MRF như ứng suất chảy, độ nhớt, thông số độ đặc, hệ số chất lỏng Giá trị của Y thay đổi từ Y0

(không có từ trường) đến Y (khi từ trường đạt giá trị bão hòa) B là mật độ từ thông được đặt vào, SY là hệ số mũ bảo hòa từ Các giá trị lưu biến cơ bản của từng loại lưu chất được xác định từ thực nghiệm

Dựa vào đặc tính này, người ta chế tạo ra các loại ly hợp hoặc hệ thống phanh có thể điều khiển momen bằng việc điều kiển cường độ từ trường cấp vào lưu chất MRF

1.2 Nghiên cứu tổng quan về các loại loại phanh sử dụng MRF

Trong nội dung này, nhóm nghiên cứu sẽ thu tập, phân tích và tổng hợp các kết quả nghiên cứu về phanh và ly hợp dùng lưu chất từ biến MRF Từ kết quả tổng hợp, nhóm nghiên cứu sẽ phân tích để tìm ra các hạn chế, tồn tại của các phanh và ly hợp hiện có, để từ đó đưa ra các giải pháp khắc phục

a) Loại phanh đĩa truyền thống

Đây là loại phanh thông dụng nhất và cũng là dạng thiết kế đầu tiên được tung ra thị trường Hình 1.3 mô tả một phanh từ biến dạng đĩa truyền thống Loại này có đường kính đĩa phanh lớn rất nhiều lần bề dầy đĩa Phanh gồm 2 vỏ phanh bao quanh một đĩa phanh, bên trong có một cuộn dây đồng cuốn đặt vào khe hở giữa 2 vỏ thắng Lưu chất từ biến được đặt giữa đĩa phanh và vỏ phanh

2 0

( )(2 B SY B SY)

(1.2)

(1.3)

Khi cấp điện vào cuộn dây, sẽ sinh ra từ trường đi qua lưu chất làm lưu chất hóa rắn tăng ứng suất ma sát giữa bề mặt đĩa phanh và vỏ phanh, tạo nên moment phanh Tùy vào cường độ dòng điện đặt vào cuộn dây dẫn điện quấn trong phanh sẽ tạo ra các momen cản tương ứng Ngoài ra các vòng phốt được lắp để ngăn chặn sự rò rĩ của lưu chất ra bên ngoài làm ảnh hưởng đến hoạt động của phanh

Hình 1.3: Phanh lưu chất từ biến MR dạng đĩa

Ưu điểm của loại phanh này là dễ chế tạo và đạt được nhiều kết quả tối ưu

về trọng lượng cũng như kích thước

Bề mặt tiếp xúc của đĩa phanh với lưu chất chủ yếu ở hai mặt bên hông đĩa,

do vậy nếu muốn diện tích tiếp xúc lớn cần phải tăng đường kính đĩa lên rất nhiều, điều này sẽ tăng kích thước phanh theo chiều hướng kính Do vậy, ứng dụng này lại không thích hợp trong trường hợp vị trí lắp đặt của phanh dạng hình trụ dài và nhỏ

Cuộc dây nằm giao nhau giữa 2 bên vỏ phanh nên việc lắp ráp cũng gặp nhiều khó khăn

b) Phanh dạng tang trống

Phanh dạng tang trống có cấu tạo tương tự dạng phanh đĩa, nhưng có chiều dầy đĩa lớn hơn (hình 1.4)

Magnetic coil

Stationary housing

Magnetic flux

MR Fluid Rotor Shaf

Dạng phanh này có thể khắc phục được nhược điểm của loại phanh trên đó

là có khả năng tạo ra bề mặt tiếp xúc của đĩa phanh với lưu chất lớn, lực phanh được tạo ra trên bề mặt trụ của tang trống

Nhược điểm chính của phanh này là momen quán tính khá lớn Gần đây người ta đã thiết kế lại đĩa thắng dạng tang trống ngược nhằm giảm momen quán tính của thắng

Hình 1.4: Phanh lưu chất từ biến dạng tang trống

c) Dạng phanh kết hợp

Đây là sự kết hợp giữa phanh dạng đĩa và phanh dạng tang trống, do vậy loại phanh này kết hợp được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của hai loại phanh trên Thực tế nghiên cứu cho thấy, phanh dạng kết hợp mang lại hiệu quả tốt hơn so với các dạng khác

Tuy nhiên nó vẫn có nhược điểm chính là khối lượng phanh còn khá lớn, việc gia công chế tạo khó chính xác

Coil

Housing (stator)

Magnetic flux

MR Fluid Rotor Shaft

Hình 1.5: Phanh lưu chất từ biến dạng kết hợp

Hình 1.6 là là phanh từ biến của hãng Lord sản xuất, phanh có khối lượng 1,5 kg, momen thắng cực đại 5 Nm, điện trở thuần của cuộn dây 10 Ω, sử dụng nguồn điện áp 12 VDC

Magnetic flux

MR Fluid

Rotor Shaft

Coil

Massless

Hình 1.6: Phanh lưu chất của hãng Lord

a) b)

Hình 1.7: Phanh lưu chất từ biến dạng chữ thập (a) và dạng chữ T (b)

e) Dạng phanh nhiều đĩa (Multiple disks)

Roto gồm nhiều đĩa đồng trục sẽ tạo được momen lớn nhưng kích thước phanh sẽ lớn và khối lượng phanh khá nặng

Hình 1.8: Phanh nhiều đĩa

 Khi muốn đạt momen cao thì kích thước và khối lượng phanh phải lớn, nhưng theo yêu cầu của đề tài thì khối lượng phanh phải bị khống chế để khỏi ảnh hưởng đến kết cấu và hoạt động của tay máy

 Các loại phanh đĩa truyền thống ngoài có một số nhược điểm như: mật độ

từ thông đi qua lưu chất bị hiện tượng thắt nút cổ chai; cuộn dây đặt ở chỗ giao nhau giữa 2 vỏ phanh nên khó khăn cho việc lắp ráp và sửa chữa Loại phanh này có nhiều ưu điểm nổi bật: nhẹ, dễ tối ưu hóa và chế tạo, kích thước chiều trục nhỏ nên rất phù hợp cho lắp trên tay máy…

 Một số dạng phanh hiện có thường momen thấp (< 6 Nm) nên không đáp ứng yêu cầu của đề tài (>7,5 Nm) Mặt khác giá thành lại rất cao và kết cấu không phù hợp với thiết bị của đề tài nên rất khó lắp đặt

Ứng dụng lưu chất thông minh là một lĩnh vực còn khá mới mẻ, nhất là ở Việt Nam, do vậy các thông tin về sản phẩm, các tài liệu tham khảo về lĩnh vực này còn rất hạn chế Do vậy, việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống thắng dùng lưu chất từ biến MRF, ứng dụng trên hệ tay máy sao chép chuyển động và phản hồi lực cần nhiều kiến thức cơ sở, chuyên ngành liên quan, và đặc biệt cần rất nhiều thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu

2 Phát triển các cấu hình mới của phanh dùng MRF, ứng dụng trên các khớp tay máy của đề tài (Nội dung 2)

Qua phân tích và đối chiếu với yêu cầu của đề tài, nhóm nghiên cứu đề xuất 3 cấu hình mới của bộ phản hồi lực (phanh) để phân tích, thiết kế, chế tạo Sau đó được thử nghiệm đánh giá và lựa chọn để lắp vào hệ tay máy của đề tài

Các loại phanh đề xuất phát triển gồm:

 Phanh đĩa có 1 cuộn dây đặt ở đỉnh đĩa (gọi tắt là phanh P1)

 Phanh đĩa có cuộn dây đặt phía trong 2 bên hông đĩa (gọi tắt là phanh P2)

 Phanh đĩa có cuộn dây đặt phía ngoài 2 bên hông đĩa (gọi tắt là phanh P3)

2.1 Phanh đĩa có 1 cuộn dây đặt ở đỉnh đĩa (phanh P1):

a) Nguyên lý cấu tạo:

Như đã nêu trên, đây là loại phanh truyền thống, có kết cấu tương đối đơn giản, dễ gia công và lắp ráp Phanh gồm một đĩa (roto) lắp cứng với trục, kho hoạt động trục và đĩa quay trong một vỏ phanh Vỏ phanh thường được cấu tạo từ

2 nửa đối xứng, phần trung gian giữa đĩa phanh và vỏ phanh là lớp chất lỏng từ biến MR Bên trong vỏ phanh đặt một cuộn dây quấn bằng đồng để tạo từ trường trong quá trình hoạt động (hình 2.1)

Hình 2.1: Phanh đĩa có cuộn dây đặt ở đỉnh đĩa

b) Phân tích mạch từ

Mục tiêu chính của việc phân tích mạch từ nhằm hướng cho lượng từ thông lớn nhất được tạo ra bởi cuộn dây nam châm hướng vào khe lưu chất giữa đĩa và

vỏ thắng để tạo ra momen lớn nhất có thể (hình 2.1)

Hình 2.1: Mạch từ của phanh đĩa MRF

Hình 2.1 là sơ đồ mạch từ trong phanh đĩa MR Theo đó, từ trở của mạch () gồm tổng từ trở của lõi (core) và từ trở của phần khe hở (gap) (hình 2.1b)

Từ thông  trong mạch được xác định:

n số vòng dây của cuộn coil

i cường độ dòng điện cấp cho cuộn dây

 độ từ thẩm của vật liệu (iron : thép; MR : MRF)

A diện tích mặt cắt ngang (A iron : thép; A MR : MRF)

l chiều dài mạch từ (l iron : thép (gồm phần vỏ+đĩa); l MR : MRF)

Trong phương trình (2.3), ta chú ý rằng iron 1000MR vì vậy phương trình này có thể rút gọn thành:







Qua các biểu thức trên ta thấy, nếu muốn tăng momen cho phanh phải tăng

từ thông , muốn vậy phải giảm từ trở () – nghĩa là ta có thể giảm l và / hoặc tăng  và A trương ứng

Mặt khác do kết cấu hệ thống, từ thông đi qua khe hở (gap) và từ thông đi qua phần lõi từ (core) là khác nhau Ta không thể tính trực tiếp  theo (2.1)

Mặt khác từ thông  được xác định qua mật độ (B) của nó trên diện tích A:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

B H n dA n dA

n vectơ pháp tuyến với bề mặt diện tích A

Cường độ từ trường H trong (2.4) được tính theo định luật Maxwell:

H dl n i 



Áp dụng (2.5) cho cấu hình phanh đĩa (hình 2.1) ta được:

 HMRF dlMRF  n i   Hcore dlcore   Hdisk dldisk

l , l disk , l MRF là chiều dài (khe hở) của các thành phần tương ứng

Qua đây ta nhận xét: để thu được từ trường cực đại qua lưu chất MR trong

phanh thì mạch từ phải được tối ưu hóa, nó thể hiện qua việc lựa chọn vật liệu có đặc tính tốt ( ), và các thông số hình học hợp lý (l, A)

c) Momen sinh ra của phanh

Tổng quát momen T sinh ra do lực ma sát tạo ra trên đĩa phanh được xác

Hình 2.2: Mô hình phanh đĩa MRF

Trong các ứng dụng haptic, tốc độ trượt của chất lỏng làm việc MR là thấp,

vì vậy áp dụng mô hình đàn-dẻo Bingham là phù hợp cho các tính toán Theo đó tổng ứng suất cắt  của lưu chất (phụ thuộc cường độ từ trường H) được xác định:

τ τ  y H sgn  γ    γ 

Trong đó: y ứng suất (giới hạn) chảy

 độ nhớt sau chảy dẻo

0

2 y

R i , R 0 lần lượt là bán kính trong, bán kính ngoài của đĩa

Với giả thiết ứng suất cắt  là không đổi trên dọc bán kính r của đĩa, khi đó tích phân (2.10) được tính:

là momen của phanh khi không có từ trường tác động (do độ nhớt tạo ra)

2.2 Phanh đĩa có cuộn dây đặt phía trong 2 bên hông đĩa (phanh P2):

a) Nguyên lý cấu tạo:

Kế thừa dạng phanh đĩa truyền thống, nhưng để tạo momen lớn sẽ không tăng đường kính đĩa, thay vào đó sẽ tăng thêm cuộn dây đặt phía trong đĩa

Điểm nhấn thứ hai của loại phanh đề xuất này là 2 cuộn dây đặt ở mặt hông đĩa thay vì loại phanh trước đây chỉ có một cuộn dây đặt ở đỉnh đĩa

Nguyên lý kết cấu của phanh này được đề xuất trên hình 2.2

(2.10)

(2.11)

Hình 2.2: Phanh đĩa có 2 cuộn dây đặt phía trong hai bên vỏ

Các ưu điểm:

Khắc phục được tình trạng thắt nút cổ chai so với phanh cũ

Có thể kiểm tra, đo đạc từ trường của phanh mà không cần phải lắp hai phần thân lại với nhau

Có thể dễ dàng bảo trì, sửa chữa ổ bi, vòng phốt mà không làm ảnh hưởng đến cuộn dây

Số lượng cuộn dây đặt trên vỏ phanh không giới hạn Tuy nhiên tùy moment yêu cầu mà nên chọn số lượng cuộn dây đặt trên vỏ cho phù hợp

Ở moment yêu cầu lớn, thì việc chọn phanh có nhiều cuộn dây nằm trên vỏ

sẽ giảm đi đáng kể đến khối lượng của phanh

b) Momen sinh ra của phanh

Ta tính cho cho cấu hình phanh có 2 cuộn dây nằm phía trong như hình 2.2 Tương tự cách tính của phần trên, đồng thời tham khảo tài liệu [6], ta xác

định được momen của phanh T 0 khi không có từ trường tác động và momen T b

của phanh khi có từ trường tác động:

Momen của phanh T 0 khi không có từ trường tác động:

Từ thông Cuộn dây

MRF1 MRF2 MRF3 MRF4

Đĩa

Vỏ

Hình 3.3: Phanh đĩa MRF các cuộn dây bên trong

Tương tự, momen T b của phanh khi có từ trường tác động (khi cuộn dây được cấp điện):

T b Moment phanh sinh ra khi có từ trường (cấp điện cho phanh) (Nm)

T 0 Moment phanh sinh ra khi không có từ trường (chưa cấp điện) (Nm)

 Tốc độ quay của trục đĩa thắng, (rad/s)

(Các thông số khác tham khảo trên hình 3.2)

2.3 Phanh đĩa có cuộn dây đặt phía ngoài 2 bên hông đĩa (phanh P3):

Phanh có nguyên lý hoạt động tương tự như loại phanh có 2 cuộn dây đặt phía trong hai bên vỏ đã nêu trên, chỉ khác là các cuộn dây được đặt phía ngoài

vỏ thắng

Nguyên lý kết cấu của phanh này được đề xuất trên hình 2.3

Hình 2.3: Phanh có 2 cuộn dây đặt phía ngoài hai bên vỏ

Ưu điểm chính của loại phanh này là do các cuộn dây quấn được đặt bên ngoài vỏ nên việc lắp đặt các cuộn dây rất dễ dàng và an toàn

Các cuộn dây sẽ không có nguy cơ bị trầy sước, hư hại do mặt hông của đĩa thắng chạm vào trong quá trình làm việc

Do nằm phía ngoài của thắng, các cuộn dây không bị ngâm trong chất lỏng

Đĩa

Vỏ

Nắp

t d t t

MR nên không chịu các tác động do nhiệt, ma sát sinh ra từ lưu chất MR trong quá trình hoạt động, nhất là ở số vòng quay cao

Loại phanh này dễ dàng lắp ráp, sửa chữa, kiểm tra và bảo dưỡng

Đặc biệt khi phải xử lý các sự cố liên quan đến cuộn dây tạo từ trường, ổ lăn… không phải rút lưu chất ra khỏi thắng, tránh lãng phí và ảnh hưởng đến môi trường Đây là một nhược điểm cơ bản của tất cả các loại phanh trên mà loại phanh này đã khắc phục được

Từ các kết quả tính toán trên, kết hợp với phần phân tích mạch từ ta nhận thấy các tham số làm ảnh hưởng đến giá trị momen của phanh gồm:

- Các tham số kết cấu: bán kính đĩa phanh R, khe hở lưu chất d, số vòng dây quấn cho cuộn coil, cấu trúc mạch từ…

- Các tham số vật liệu: vật liệu MR (độ nhớt, giới hạn chảy…), vật liệu chế tạo phanh (độ từ hóa, khả năng nhiễm từ)

- Các tham số hoạt động: Cường độ dòng điện (tạo ra từ trường H), số vòng quay đĩa phanh

3 Tối ưu kết cấu bộ phản hồi lực MRF (Nội dung 3)

3.1 Xây dựng bài toán

Ở bài toán tối ưu khi tính toán thiết kế, mô men truyền động và khối lượng

là những yêu cần được xem xét và tính toán Khối lượng của bộ phản hồi lực MRF càng nhỏ càng tốt vì giảm kích cỡ, giảm giá thành Hơn nữa, khi kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ hơn thì sẽ có mô men quán tính thấp sẽ dễ dàng điều khiển tay máy hơn

Khối lượng phanh được xác định như sau:

ưu

(3.1)

ρ d , ρ h , ρ s , ρ MR , ρ bob và ρ c lần lượt là khối lượng riêng của đĩa, phần vỏ, trục,

MR, lõi cuốn dây và cuộn dây

Như vậy, vấn đề đặt ra là đi tìm lời giải cho bài toán thiết kế tối ưu có thể tóm lược như sau:

Tìm những giá trị tối ưu cho những kích thước quan trọng của phanh MRF sao cho mô men phản hồi lớn nhất theo biểu thức (2.13) và có thể đạt được giá trị

mô men phản hồi cần thiết mà hàm mục tiêu của tối ưu là làm sao bộ phản hồi lực MRF có khối lượng nhỏ nhất được xác định theo (3.1)

Đối chiếu với yêu cầu của đề tài, bài toán tối ưu kết cấu phanh được thiết lập trên cơ sở các điều kiện sau:

- Thông số kết cấu cơ bản ban đầu của phanh, chọn 3 dạng: phanh P1, phanh P2 và phanh P3 như đã phân tích ở Nội dung 2 (hình 2.1, 2.2 và 2.3)

- Hàm mục tiêu là momen tạo ra của phanh 10 Nm Các điều kiện ràng buộc: cường độ dòng điện cấp cho các cuộn đây Imax=3,0A; số vòng quay của đĩa n=40 v/ph; hệ số quấn dây k = 0,7

Vật liệu chế tạo phanh dùng thép silicon: khối lượng riêng: 7850 kg/m3, điểm bảo hòa từ 1,5 Tesla

Lưu chất sử dụng MRF-132DG của hãng Lord: khối lượng riêng: 3 g/cm3, nhiệt độ hoạt động: –40 +1300C

- Các biến thiết kế trong quá trình tối ưu: chiều rộng cuộn dây (wc), chiều cao cuộn dây (hc), bán kính trong đĩa phanh (Ri), bán kính ngoài đĩa phanh (R0),

bề dầy đĩa phanh (td), bán kính vỏ phanh (R), chiều dày vỏ phanh (th)

Chiều rộng khe lưu chất được chọn là 0,8mm (d = d 0) dựa vào kinh nghiệm thiết kế và khả năng chế tạo, lắp ráp Theo lập luận trên thì kích thước này càng nhỏ sẽ càng làm tăng momen phanh

Đường kính trục được chọn là 12 mm dựa vào độ bền của trục khi chịu moment xoắn là 10 Nm

3.2 Kết quả của bài toán tối ưu kết cấu phanh

Độ nhớt và ứng suất chảy dẻo là 2 trong các nhân tố quyết định việc tạo ra moment phanh Hai yếu tố này lại phụ thuộc rất nhiều vào độ lớn của từ thông đi

qua lưu chất Chính vì vậy, để có thể tính toán được moment phanh sinh ra, chúng ta phải giải quyết được bài toàn từ trường của mô hình

Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp với một công cụ tối ưu hóa Tính năng phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong ANSYS kết hợp với lời giải từ trường sẽ giúp ta tìm được lời giải tối ưu cho bài toán

Quá trình mô phỏng cho thấy, với độ chính xác 0.1 % thì lời giải tối ưu hội

tụ sau 25 vòng lặp (hình 3.1)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vong lap Tb(N.m) To(N.m) Mass(kg)

Hình 3.1: Quá trình tối ưu khối lượng và moment phanh

Kết quả mô phỏng và tối ưu mạch từ:

a) Phanh có cuộn dây đặt ở đỉnh đĩa

b) Phanh có cuộn dây đặt bên trong

c) Phanh có cuộn dây đặt bên ngoài Hình 3.2: Kết quả mô phỏng đường sức từ phân bố trên các loại phanh khi tối ưu

Kết quả mô phỏng và tối ưu mật độ từ thông:

a) Phanh có cuộn dây đặt ở đỉnh đĩa

b) Phanh có cuộn dây đặt bên trong

c) Phanh có cuộn dây đặt bên ngoài

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng mật độ từ thông trên phanh khi tối ưu

Các giá trị tối ưu được thể hiện trong bảng:

từ qua thành vách ngăn giữa cuộn dây với lưu chất (sơ đồ đường sức từ ở hình 3.3c), đồng thời phanh có cuộn dây đặt bên ngoài do cần thêm 2 nắp đậy các cuộn dây nên khối lượng nặng hơn

Tuy nhiên trong thực tế (như đã phân tích ở phần b, mục 2.3) thì loại phanh

cuộn dây bên ngoài có nhiều ưu điểm hơn về mặt lắp ráp, sửa chữa, bảo dưỡng… Dựa vào kết quả tối ưu nêu trên, bước tiếp theo sẽ tiến hành hoàn chỉnh thiết

kế cho cả 2 loại phanh, sau đó đem chế tạo và lắp ráp để thí nghiệm

Hình 3.4: Bộ phanh cuộn dây đặt bên ngoài sau khi chế tạo Các bản vẽ thiết kế các phanh được trình bày trong Phụ lục

- Các cuộn dây quấn được xác định:

Cuộn lớn : Dây đồng đường kính 0,4 mm (cả sơn cách điện 0,508mm)

Tiết diện cuốn SL = 8,5 * 5 * k = 29,75 mm2

Số vòng dây: n = SL/[(3,14*(0,508)2/4] = 148 vòng

Cuộn nhỏ: Dây đồng đường kính 0,4 mm (sơn cách điện 0,508mm)

Tiết diện cuốn SN = 7 * 5 * k = 24,5 mm2 ( k=0,7)

Số vòng dây: n = SN/[(3,14*(0,508)2/4] = 122 vòng

- Với phanh có cuộn dây lắp bên trong: Lắp các cuộn dây điện trước, sau đó

cố định cuộn dây trong rãnh bằng các loại vécni và keo chuyên dụng Sau đó lắp

2 vỏ phanh, kiểm tra hoàn tất rồi mới bơm lưu chất vào

- Với phanh có cuộn dây bên ngoài: lắp 2 vỏ phanh trước, sau đó lắp các cuộn dây điện, lắp 2 nắp che, sau đó kiểm tra hoàn tất rồi bơm lưu chất

- Quá trình bơm lưu chất cần lưu ý cần bơm chậm, vừa bơm vừa quay trục phanh để đảm bảo lượng lưu chất điền đầy khe hở giữa đĩa và vỏ phanh

4 Thu thập dữ liệu, thực nghiệm kiểm chứng kết quả bài toán tối ưu kết

cấu phanh (Nội dung 4)

4.1 Mô hình thực nghiệm khảo sát đặc tính của phanh đã thiết kế chế tạo

Phanh sau khi thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh được đem thí nghiệm

để kiểm chứng kết quả đã thiết kế Sơ đồ thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính của phanh được trình bày trong hình 4.1

Hình 4.1: Sơ đồ thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính của phanh

Các thiết bị thí nghiệm được kết nối theo sơ đồ hình 4.2, trong đó bao gồm:

 Bộ nguồn: 0 - 3A/ 0 - 30VDC, dùng để cấp các dòng điện cường độ khác nhau các cuộn dây của phanh

 Bộ động cơ - giảm tốc 1/60 điều khiển bởi biến tần, dùng để tạo nguồn dẫn động cho trục của phanh quay

 Cảm biến đo momen (Torque Sensor) – hiệu Burster (Đức), Model:

8645-5017.5, khoảng đo: 0 đến ±17.5 Nm, dùng để đo momen tạo ra của phanh

Power supply Motor

Torque sensor

MR Brake Encoder

 Bộ phanh khảo sát, gồm 2 loại: loại có cuộn dây đặt phía trong và loại có cuộn dây đặt phía ngoài

 Encoder, dùng đo số vòng quay của trục phanh

 Card NI PCI 6225 (USA) kèm cable, conector + máy tính: dùng thu thập và

xử lý dữ liệu (momen, số vòng quay…) nhờ hỗ trợ của phần mềm Matlab

Hệ thống thiết bị thực nghiệm được kết nối theo sơ đồ như hình 4.2

Hình 4.2: Sơ đồ kết nối thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính làm việc

của phanh MR

Torque sensor

4.2 Kết quả thực nghiệm

a) Xác định momen của 2 loại phanh: loại cuộn dây đặt bên trong và loại

cuộn dây đặt bên ngoài, tương ứng với các cường độ dòng điện khác nhau Thí nghiệm ở chế độ cố định số vòng quay của đĩa phanh: n = 40 vòng/phút Kết quả thí nghiệm thể hiện trên hình 4.3

Hình 4.3: Quan hệ giữa cường độ dòng điện (A) và momen (Nm) của 2 loại

phanh (loại cuộn dây đặt bên trong và loại cuộn dây đặt bên ngoài)

Trong thực tế nhóm nghiên cứu đã làm nhiều thí nghiệm trên các kiểu kết cấu phanh khác nhau, kết quả này là loại phanh đạt momen lớn nhất

b) Xác định đặc tính momen của phanh có cuộn dây đặt bên ngoài, tương

ứng với các số vòng quay làm việc khác nhau

Kết quả thí nghiệm thể hiện trên hình 4.4 Đồng thời dựa vào kết quả này,

phương trình đường cong xấp xỉ quan hệ momen (M) và dòng điện (I): M = f (I)

được xác định:

M = –1.393*I2 + 8.579*I – 4.199 Đây là đường bậc 2 và có độ dốc khá thấp

Hình 4.4: Momen của phanh cuộn dây đặt bên ngoài ứng với các số vòng

quay khác nhau của trục phanh

Nhận xét :

 Với cùng cường độ dòng điện, phanh có cuộn dây đặt bên trong cho giá trị momen lớn hơn phanh có cuộn dây đặt bên ngoài khoảng 6%, điều này phù hợp với kết quả tối ưu trên ANSYS

 Kết quả mô phỏng tối ưu với cường độ dòng điện 3,0A cho momen 11,5 Nm (phanh cuộn dây bên trong) và 10,6 Nm (phanh cuộn dây bên ngoài) Kết quả thực nghiệm momen đạt 10,7 Nm (phanh cuộn dây bên trong) và 9,8Nm (phanh cuộn dây bên ngoài) Sự sai khác này có thể do vật liệu chế tạo, quá trình tính toán chưa kể đến momen cản của phốt làm kín, các sai số do chế tạo, lắp ráp…

 Quá trình thí nghiệm cũng nhận thấy momen tạo ra bởi các cặp cuộn dây tương ứng bên 2 vỏ phanh là không đều (chênh lệch khoảng 10 – 15%), mặc

dù điện trở của các cuộn dây trương ứng trên 2 vỏ phanh là như nhau và

được cấp cùng dòng điện Điều này được lý giải bởi nguyên nhân chính là quá trình gia công, lắp ráp chưa đảm bảo độ chính xác cao, dẫn đến khe hở lớp lưu chất 2 bên mặt hông của đĩa không đều, hoặc mặt đĩa bị đảo khi quay…

Như vậy, dựa vào kết quả thực nghiệm, đồng thời qua những phân tích về

ưu điểm của loại phanh có 2 cuộn dây đặt bên bên ngoài, đề tài sẽ chọn loại phanh này để ứng dụng trên tay máy master trong các bước tiếp theo của đề tài

5 Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master và slave 3 bậc tự do có phản

hồi lực sử dụng lưu chất từ biến MRF (Nội dung 5)

5.1 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế:

a) Đối với tay máy Slave: có 2 phương án đề xuất

Phương án 1: Tận dụng phần cơ (xác) của một tay máy công nghiệp phù

hợp có sẵn, tối thiểu 3 bậc tự do (3 DOF) Dựa trên nền tảng này, tính toán lại các thông số động học, thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển và dẫn động cho tay máy cho phù hợp với yêu cầu của đề tài

Phương án 2: Thiết kế, chế tạo và lắp ráp tay máy Slave mới 3 bậc tự do (3

DOF), thỏa mãn các yêu cầu của đề tài

Qua phân tích, so sánh 2 phương án, đồng thời xem xét tính hiệu quả và mục tiêu chính của nghiên cứu, đề tài chọn phương án 1 là tận dụng phần thân của tay máy cũ hiệu Fanuc – LR 100i Tay máy này nguyên thủy có 5 bậc tự do, khả năng tải 4,5 kg

b) Đối với tay máy Master:

Được thiết kế, chế tạo mới, đồng dạng với tay máy Slave

Do tay máy mang tải trọng nhỏ (2,5kg) nên chọn loại vật liệu nhẹ, bền và dễ chế tạo

Trên các khớp của tay máy Master lắp các phanh MR (đã thiết kế chế tạo và thực nghiệm ở phần trên)

5.2 Tính toán cho tay máy Slave

Kết nối 3 khâu là 3 khớp quay (khớp loại 5) J1, J2 và J3

Tại trục khớp J1, góc quay khâu 1: 1= 0 - 2700

Tại trục khớp J2, góc quay khâu 2: 2= 0 - 1000

Tại trục khớp J3, góc quay khâu 3: 3= 0 - 1800

Tải trọng tối đa: m =2,5kg

 Tính xác định vị trí, vận tốc của điểm tác động cuối E

Đặt hệ trục tọa độ cơ sở Ox0y0z0 tại tâm khớp 1 (trục khớp 1), các hệ tọa độ động Oxnynzn tại các tâm khớp động theo các khâu tương ứng (hình 5.1)

Tọa độ vị trí điểm tác động cuối E so với hệ tọa độ cơ sở được biểu diễn bởi

Các tham số trong các ma trận được viết tắt: cn = cosn ; sn = sinn

Thay các giá trị vào và tính toán, ta xác định được tọa độ điểm tác động cuối

s /4 + (c *s )/5 + (c *s )/5

3 3

3

2 3

3 E

T =

P =

c s

b) Tính xác định công suất động cơ tại các khớp trên tay máy slave

Xét điều kiện cân bằng momen tại các khớp

Tại khớp 3:

Phản lực tại khớp 3: RJ3x = 0

RJ3y = F + (m3 + mdc3)g Momen M3 tại khớp 3: M3 = (F + 0,5g.m3)L3cos3

Công suất động cơ tại 3: N3 = M3 ω3

Trong đó:

F tải trọng của tay máy (F=mg=24,5N)

m3 khối lượng khâu 3, [kg]

mdc3 khối lượng động cơ 3, [kg]

ω3 vận tốc góc khâu 3

Tại khớp 2:

Phản lực tại khớp 2: RJ2x = 0

RJ2y = RJ3y + (m2+mdc2)g = F+(m3+mdc3)g + (m2+mdc2)g = F +(m3+m2+mdc2 +mdc3)g Momen M2 tại khớp 2:

M2 = (F+0,5g.m3) L3cos3 +(0,5m2g +F+m3g+mdc3g)L2 cos2 (5.4) Công suất động cơ tại khớp 2: N2 = M2 ω2

(5.3)